JP7022736B2 - 半導体構造と超格子とを用いた高度電子デバイス - Google Patents

半導体構造と超格子とを用いた高度電子デバイス Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年５月２７日に出願された、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ」という名称の、オーストラリア仮特許出願第２０１４９０２００８号の優先権を主張し、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、通常、極性ＩＩＩ－Ｎ半導体構造と超格子とを使用する、高度電子デバイス構造に関する。具体的には、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造、好適には、１９０～２８０ｎｍの範囲の波長で動作する、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤと深ＵＶ（ＤＵＶ）ＬＥＤとのための発光ダイオード（ＬＥＤ）構造に特に適した半導体構造に関連するが、それに限定されない。本発明は、ＵＶ ＬＥＤとＤＵＶ ＬＥＤとを参照して主に説明されるが、これらが単に好適なアプリケーションであり、他のアプリケーションが当業者には明白であり得る、ということを理解するものである。
窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体は、伝導率の悪いｐ型またはｎ型が作成されるという良く知られた限界を有し、特に、不純物原子置換ドーピング法を使用したｐ型物質では伝導率が悪い。現在、最も高いｐ型アクセプタ密度は、ｐ型ＧａＮで達成され、アルミニウムのモル分率が増加するに従い、バンドギャップが増加し、利用可能な正孔密度が大幅に減少する。これは、たとえば、ＡｌＧａＮ半導体、より一般的には、ＡｌＧａＩｎＮ半導体の十分に広いバンドギャップ構成において、電子グレードの、高い、ｎ型とｐ型との、ドナー密度とアクセプタ密度とを達成することに関して、ＤＵＶ ＬＥＤの開発を制限する。
ＤＵＶ ＬＥＤは、通常、直接バンドギャップ結晶構造内における電子と正孔との有利な空間的再結合によって、光の発光を達成する。ＤＵＶ ＬＥＤは、根本的に、二電気ポートデバイスとして動作し、ｐ型領域とｎ型領域との間の領域に実質的に閉じ込められた発光領域を有する、ｐ－ｉ－ｎヘテロ接合ダイオードまたはｐ－ｎヘテロ接合ダイオードのうちの少なくとも１つから作られる。発光エネルギーが、ダイオードを備える、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とのうちの少なくとも１つのバンドギャップエネルギーよりも小さい場合、光キャリアが生成する光は、デバイス内から漏れ出し得る。
ＩＩＩ－Ｎデバイス開発におけるＰ型ドーピングの制限は、商業的に実現可能なＤＵＶ
ＬＥＤを開発する際の最も大きな制約の１つである。したがって、特に、ＩＩＩ－Ｎ物質におけるｐ型特性のための不純物ドーパントの改善に対するニーズがある。
唯一の形態または実際に最も広い形態である必要はないが、一形態では、ｐ型半導体構造またはｎ型半導体構造を形成する方法が提供される。方法は、
成長軸に沿って、極性結晶構造を有する半導体を成長させることであって、成長軸が、結晶構造の自然分極軸に実質的に平行である、成長させることと、
ｐ型またはｎ型の伝導性を誘導するために、半導体の組成を、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質からナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に、またはＮＢＧ物質からＷ
ＢＧ物質に、成長軸に沿って単調に変えることと、を備える。
好適には、半導体の組成は、少なくとも２つの種類の金属原子の陽イオンと、非金属原子の陰イオンとを備える。
好適には、非金属原子陰イオンは、窒素または酸素である。
好適には、半導体の組成を変えることは、組成内の少なくとも２つの種類の金属原子陽イオンのうちの１つまたは複数のモル分率を、成長軸に沿って変えることを備える。
好適には、ｐ型伝導率は、
陽イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＷＢＧ物質からＮＢＧ物質に、成長軸に沿って単調に変えること、または
陰イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＮＢＧ物質からＷＢＧ物質に、成長軸に沿って単調に変えること、によって誘導される。
好適には、ｎ型伝導率は、
陽イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＮＢＧ物質からＷＢＧ物質に、成長軸に沿って単調に変えること、または
陰イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＷＢＧ物質からＮＢＧ物質に、成長軸に沿って単調に変えること、によって誘導される。
好適には、極性結晶構造は、極性ウルツ鉱型結晶構造である。
好適には、半導体の組成は、継続的な方法で、または段階的な方法で、成長軸に沿って変えられる。
適切には、半導体の組成は、ＩＩＩ族金属窒化組成物から選択される。
適切には、半導体の組成は、以下の、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１－ｘＮ）、式中０≦ｘ≦１と、窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌｘＧａｙＩｎ１－ｘ－ｙＮ）、式中０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦（ｘ＋ｙ）≦１と、酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇｘＺｎｘ－１Ｏ）、式中０≦ｘ≦１と、から選択される。
適切には、方法は、さらに、誘導ｐ型伝導率または誘導ｎ型伝導率を強化するために、不純物ドーパントを半導体の組成内に含むことを備える。
別の形態では、実質的に単結晶半導体から形成された少なくとも２つの異なる層を各々が備える複数の単位格子を備える、ｐ型半導体超格子またはｎ型半導体超格子を形成する方法が提供される。方法は、
成長軸に沿って、極性結晶構造を有する超格子を成長させることであって、成長軸が、結晶構造の自然分極軸に実質的に平行である、成長させることと、
ｐ型伝導率またはｎ型伝導率を誘導するために、超格子の単位格子の平均組成を、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する平均組成からナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する平均組成に、またはＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えることと、を備える。
好適には、ｐ型伝導率は、
陽イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＷＢＧ物質に対応する平均組成からＮＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えること、または
陰イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に
変えること、によって誘導される。
好適には、ｎ型伝導率は、
陽イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えること、または
陰イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＷＢＧ物質に対応する平均組成からＮＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えること、によって誘導される。
好適には、陰イオン－極性結晶構造は、窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造である。
好適には、陽イオン－極性結晶構造は、金属－極性結晶構造である。
好適には、単位格子の平均組成は、継続的な方法または段階的な方法で、成長軸に沿って、変えられる。
適切には、単位格子の平均組成は、単位格子の少なくとも２つの異なる層のうちの１つまたは複数の厚さを変えることによって変えられる。
適切には、単位格子の厚さは、成長軸に沿って一定である。
適切には、単位格子の少なくとも２つの異なる層のうちの１つまたは複数の組成物は、以下の、
窒化ガリウム（ＧａＮ）と、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、
窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１－ｘＮ）、式中０≦ｘ≦１と、
窒化ホウ素アルミニウムＢｘＡｌ１－ｘＮ、式中０≦ｘ≦１と、
窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌｘＧａｙＩｎ１－ｘ－ｙＮ）、式中０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦（ｘ＋ｙ）≦１と、から選択される。
適切には、単位格子の少なくとも２つの異なる層のうちの１つまたは複数の組成物は、以下の、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、
酸化亜鉛（ＺｎＯ）と、
酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ）、式中０≦ｘ≦１と、から選択される。
好適には、各単位格子の少なくとも２つの異なる層は、それぞれが、各層内の電荷キャリアのド・ブロイ波長未満の厚さを有する。
好適には、各単位格子の少なくとも２つの異なる層は、それぞれが、弾性ひずみを維持するために必要な限界層厚さ以下の厚さを有する。
適切には、方法は、さらに、誘導ｐ型伝導率または誘導ｎ型伝導率を強化するために、不純物ドーパントを、各単位格子の少なくとも２つの異なる層のうちの１つまたは複数の中に含むことを備える。
別の形態では、複雑な半導体構造を形成する方法が提供される。方法は、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子を形成することを備え、半導体構造及び／または半導体超格子は、それぞれが、本明細書で先に説明した方法にしたがって形成される。
適切には、複雑な半導体構造を形成する方法は、さらに、物質の極性の型を、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子間で反転させることを備える。
適切には、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第１のものは、より大きな組成の変化を、成長軸に沿って有し、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第２のものは、より小さな組成の変化を、成長軸に沿って有する。
適切には、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第１のものは、大きなｐ型伝導率を誘導し、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第２のものは、小さいｐ型伝導率を誘導する。
別の形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を形成する方法が提供される。方法は、
成長軸に沿って、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）ｎ型領域とナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）ｐ型領域との間に、極性結晶構造を有する半導体構造を成長させることであって、極性結晶構造内では、自然分極軸が成長軸に平行であり、半導体構造が、組成を、ＷＢＧｎ型領域に隣接するワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質から、ＮＢＧｐ型領域に隣接するナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に、単調に変える半導体を備える、成長させること、
を備える。
別の形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を形成する方法が提供される。方法は、
成長軸に沿って、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）ｎ型領域とナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）ｐ型領域との間に、実質的に単結晶半導体から形成された少なくとも２つの異なる層を各々が備える複数の単位格子を備える超格子を成長させることであって、超格子が、極性結晶構造を有し、極性結晶構造内では、自然分極軸が成長軸に平行であり、単位格子が、平均組成を、ＷＢＧｎ型領域に隣接する単位格子内のワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する平均組成から、ＮＢＧｐ型領域に隣接する単位格子内のナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する平均組成に、単調に変える、成長させること、を備える。
好適には、バッファ領域または転位フィルタ領域は、ＷＢＧｎ型領域またはＮＢＧｐ型領域より前に基板上に成長させられる。
適切には、ＷＢＧｎ型領域をＮＢＧｐ型領域より前に成長させる場合、基板は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板として選択され、またはＮＢＧｐ型領域をＷＢＧｎ型領域より前に成長させる場合、基板は、シリコン基板または窒化ガリウム（ＧａＮ）基板として選択される。
別の形態では、本明細書で先に説明した方法に従って形成される、ｐ型半導体構造またはｎ型半導体構造が提供される。
別の形態では、本明細書で先に説明した方法に従って形成される、ｐ型半導体超格子またはｎ型半導体超格子が提供される。
別の形態では、本明細書で先に説明した方法に従って形成される、複雑な半導体構造が提供される。
別の形態では、本明細書で先に説明した方法に従って形成される、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）構造が提供される。
別の形態では、極性結晶構造を有するｐ型またはｎ型の半導体構造が提供され、半導体構造は、極性結晶構造の自然分極軸に実質的に平行な成長軸を有し、半導体構造は、ｐ型伝導率またはｎ型伝導率を誘導するために、組成を、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質からナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に、またはＮＢＧ物質からＷＢＧ物質に、成長軸に沿って、単調に変える。
別の形態では、実質的に単結晶半導体から形成された少なくとも２つの異なる層を各々が備える複数の単位格子を備える、ｐ型半導体超格子またはｎ型半導体超格子が提供され、超格子は、極性結晶構造を有し、超格子は、極性結晶構造の自然分極軸に実質的に平行な成長軸を有し、超格子の単位格子の平均組成は、ｐ型伝導率またはｎ型伝導率を誘導するために、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する平均組成からナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する平均組成に、またはＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変わる。
別の形態では、本明細書で先に説明した、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子を備える複雑な半導体構造が提供される。
別の形態では、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）ｎ型領域とナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）ｐ型領域との間に形成された半導体構造を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が提供され、半導体構造は、極性結晶構造を有し、極性結晶構造内では、自然分極軸が結晶構造の成長軸に平行であり、半導体構造は、組成を、ＷＢＧｎ型領域に隣接するワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質からＮＢＧｐ型領域に隣接するナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に、単調に変える半導体を備える。
別の形態では、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）ｎ型領域とナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）ｐ型領域との間に形成された超格子を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が提供され、超格子は、実質的に単結晶半導体から形成された少なくとも２つの異なる層を各々が備える複数の単位格子を備え、超格子は、極性結晶構造を有し、極性結晶構造内では、自然分極軸が結晶構造の成長軸に平行であり、単位格子は、平均組成を、ＷＢＧｎ型領域に隣接する単位格子内のワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する平均組成から、ＮＢＧｐ型領域に隣接する単位格子内のナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する平均組成に、単調に変える。
別の形態では、
ｐ型超格子領域と、
ｉ型超格子領域と、
ｎ型超格子領域と、
を備える半導体構造が提供され、
ｐ型超格子領域とｉ型超格子領域とｎ型超格子領域とのうちの少なくとも１つは、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する平均組成から、ナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する平均組成への、またはＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成への、平均組成の単調な変化を備え、分極の急激な変化が各領域間の界面において無いようにする。
好適には、半導体構造は、さらに、ｐ型超格子領域に隣接するｐ型ＧａＮ領域を備える。
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。
同一の参照番号が別々の図を通して同一または機能的に類似の要素を指す、添付の図面は、以下の詳細な説明と共に、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成し、特許請求される発明を含む概念の実施形態をさらに例示し、それらの実施形態のさまざまな原理と利点とを説明する役割を果たす。
金属極性配向（左側）または窒素極性配向（右側）のいずれかを有する、ウルツ鉱型ＩＩＩ族金属窒化物結晶のスラブの断面図である。 等しいＡｌＮとＧａＮとの比率の整列バルク合金または２層超格子を表す、金属－極性ウルツ鉱型構造の周期構造の図である。 バルク物質から成る線形勾配領域を有する構造の図である。 図３Ａに例示した構造に対するバンドギャップ図である。 図３Ａに例示した構造に対する、誘導圧電電荷密度の空間的変動の図である。 図３Ａに例示した構造に対する、誘導焦電電荷密度の空間的変動の図である。 図３Ａに例示した構造に対する、空間的バンド構造の図である。 図３Ａに例示した構造に対する、面電子キャリア密度と面ヘビーホール（ＨＨ）密度との予測空間的変化の図である。 図３Ａに例示した構造に対する、最も低いエネルギー伝導帯端のゾーンセンター変化の詳細図である。 ３つの最も高い位置にある価電子帯端のゾーンセンター変化の詳細図である。 図３Ａに例示した構造に対する、全空間的ゾーンセンターバンド構造の図である。 図３Ａに例示した構造に対する、金属－極性配向または窒素－極性配向と対比させた、予測伝導の詳細図である。 図３Ａに例示した構造に対する、金属－極性配向または窒素－極性配向と対比させた、予測価電子ヘビーホール（ＨＨ）の詳細図である。 構造からの光子のアウトカップリングの好適な方向を示した、図３Ａに例示した構造に対するものなどの、線形グレーディングされたバンドギャップに対する任意の光学検波効果の図である。 図３Ａに例示した構造のＸＲＤシミュレーションの図である。 バルク物質から成る段階的勾配領域を有する構造の図である。 図４Ａに例示した構造のバンドギャップ図である。 図４Ａに例示した構造の空間依存性全バンド構造の図である。 図４Ａに例示した構造に対して、ゾーンセンター伝導帯変化を成長距離の関数として示した図である。 図４Ａに例示した、ＨＨバンド構造とＬＨバンド構造とＣＨバンド構造とに対して、ゾーンセンター価電子帯端変化を成長距離の関数として示した図である。 図４Ａに例示した構造に対して、誘導圧電電荷密度の空間的変化を示した図である。 図４Ａに例示した、誘導焦電電荷密度構造の空間的変化を示した図である。 図４Ａに例示した構造内で生成される、電子キャリア密度とヘビーホール（ＨＨ）キャリア密度とを示した図である。 固定の周期を有する、非意図的ドープ線形チャープ超格子組成を有する構造の図である。 図５Ａに例示した構造に対する、バンドギャップ図である。 図５Ａに例示した構造の変形物の図である。 図５Ｃに例示した構造の全ゾーンセンター空間的バンド構造の図である。 Ｐ型ＵＰ ＬＥＤ構造の図である。 Ｐ型ＤＯＷＮ ＬＥＤ構造の図である。 ＡｌＮ／ＧａＮの２つの反復から作られた、半無限超格子の空間的帯エネルギー図である。 二元２層超格子を備える意図的整列超格子の価電子帯分散の図である。 圧電場と焦電場とを有さない、線形チャープ超格子の空間的バンド構造の図である。 分極場を適用した線形チャープ超格子の空間的バンド構造の図である。 線形チャープ超格子の、電子とヘビーホール価電子との量子化エネルギーの図である。 線形チャープ超格子の限定空間波動関数の図である。 いくつかの実施形態による、ｐ－ｎダイオードの電気部分と光学部分とを生成するためのスタックの図である。 所望の平均合金組成を達成するための、超格子の単位格子内のＧａＮ層とＡｌＮ層との厚さの図である。 図１２Ａのスタック内のｎ：ＳＬとｉ：ＣＳＬとの各々に対して、平均合金含有量を周期の関数として、成長軸に沿って示した図である。 図１２Ａのスタックの伝導帯とヘビーホール帯との、計算された空間的エネルギー帯構造の図である。 図１２Ａのスタック内で誘導される、電子キャリア密度と正孔キャリア密度との図である。 図１２Ａのスタック内の、計算された最も低いエネルギーｎ＝１量子化電子空間波動関数の図である。 図１２Ａのスタック内の、計算された最も低いエネルギーｎ＝１量子化ヘビーホール空間波動関数の図である。 図１２Ａのスタック内の、最も低いエネルギーｎ＝１量子化電子空間波動関数とヘビーホール空間波動関数との間の、計算された重なり積分の図である。 図１２Ａのスタックの、計算された光発光スペクトラムの図である。 いくつかの実施形態による、ｐ－ｉ－ｎダイオードの電子部分と光学部分とを生成するためのスタックの図である。 図１３Ａのスタックの伝導帯とヘビーホール帯との、計算された空間的エネルギー帯構造の図である。 図１３Ａのスタック内に誘導される、電子キャリア密度と正孔キャリア密度との図である。 図１３Ａのスタック内の、最も低いエネルギーｎ＝１量子化電子空間波動関数とヘビーホール空間波動関数との間の、計算された重なり積分の図である。 図１３Ａのスタックに対する、計算された光発光スペクトラムの図である。 例示的な２ポートＬＥＤ構造の図である。 チャープ周期で一定のｘａｖｅの超格子の、勾配パターン成長シーケンスの図である。 Ｘ２＋型またはＸ４＋型の原子種から選択した中間層を使用した、ウルツ鉱型整列ＡｌＮ／ＧａＮ超格子の極性型反転の図である。 半導体構造を形成する方法のフロー図である。 半導体構造の図である。 図１８Ａの半導体構造によるデバイスの帯エネルギー構造の図である。 図１８Ａの半導体構造による別のデバイスの帯エネルギー構造の図である。 図１８Ａの半導体構造によるデバイスの帯エネルギー構造の図である。 図１８Ａの半導体構造によるデバイスの帯エネルギー構造の図である。 図１８Ａの半導体構造によるデバイスの帯エネルギー構造の図である。 図１８Ａの半導体構造によるデバイスの帯エネルギー構造の図である。
熟練の技術者は、図中の要素が、単純さと明確さとのために例示されており、必ずしも正確な縮尺で描かれていない、ということを理解するものである。たとえば、図中の要素のうちのいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解の向上を助けるために、他の要素に対して誇張され得る。
図面の構成要素は、適切な場合には、慣習的な記号によって表されており、本発明の実施形態を理解することに関する特定の詳細のみを示して、本明細書の説明の恩恵を受ける当業者には容易に明確になる詳細で本開示を不明瞭にしないようにしている。
一般に、本発明は、ウルツ鉱型極性結晶構造などの極性結晶構造を有し、成長軸に沿って（成長方向）成長し、成長軸に実質的に平行な結晶構造の自然分極軸を有する、半導体構造または半導体超格子の成長に関する。そのような極性結晶構造は、通常、非反転対称性を有する結晶格子と、自然分極軸と、分極軸に沿って堆積した時の異なる成長方向と、を有すると特徴付けられる。
超格子は、実質的に単結晶半導体から形成された少なくとも２つの異なる層を各々が備える、複数の単位格子を備える。好適な実施形態では、半導体超格子は、短周期超格子（ＳＰＳＬ）である。半導体構造または半導体超格子の特性は、半導体構造内の半導体の組成、または超格子の単位格子のバルクまたは平均組成を、成長軸に沿って単調に変えることによって作られる。そのような組成の変更は、また、本明細書では、グレーディングパターンまたはグレーディング領域とも呼ばれる。たとえば、半導体構造内の半導体の組成、または単位格子の平均組成は、継続的な方法または段階的な方法で、成長軸に沿って変えられる。
好適な実施形態では、半導体の組成は、少なくとも１つの種類の、好適には、少なくとも２つの種類の金属原子陽イオンと、非金属原子陰イオンとを備える。しかしながら、いくつかの実施形態では、半導体の組成は、２つ以上の種類の非金属原子陰イオンを備える。たとえば、非金属原子陰イオンは、窒素または酸素であってよい。いくつかの実施形態では、半導体の組成は、組成内の少なくとも２つの種類の金属原子陽イオンのうちの１つまたは複数のモル分率を、成長軸に沿って変えることによって、変更される。いくつかの実施形態では、超格子内の単位格子の平均組成は、単位格子の少なくとも２つの異なる層のうちの１つまたは複数の厚さを変えることによって、変更される。好適な実施形態では、各単位格子の少なくとも２つの異なる層は、それぞれ、各層内の、電荷キャリア、たとえば、電子キャリアまたは正孔キャリアのド・ブロイ波長未満の厚さを有する。好適な実施形態では、各単位格子の少なくとも２つの異なる層は、また、それぞれ、弾性ひずみを維持するために必要な限界層厚さ以下の厚さを有する。
好適な実施形態では、半導体構造の組成は、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質からナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に、ＮＢＧ物質からＷＢＧ物質に、成長軸に沿って、単調に変えられる。これは、ｐ型伝導率またはｎ型伝導率を誘導し、半導体構造を、ｐ型またはｎ型にすることができる。
たとえば、ｐ型伝導率は、金属－極性結晶構造などの陽イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＷＢＧ物質からＮＢＧ物質に、成長軸に沿って、単
調に変えることによって誘導され得る。代替的に、ｐ型伝導率は、窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造などの陰イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＮＢＧ物質からＷＢＧ物質に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。
たとえば、ｎ型伝導率は、金属－極性結晶構造などの陽イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＮＢＧ物質からＷＢＧ物質に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。代替的に、ｎ型伝導率は、窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造などの陰イオン－極性結晶構造を有する半導体を成長させ、半導体の組成を、ＷＢＧ物質からＮＢＧ物質に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。
同様に、好適な実施形態では、半導体超格子は、たとえば、ｐ型伝導率またはｎ型伝導率を誘導するために、超格子の単位格子の平均組成を、ワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する平均組成から、ナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する平均組成に、またはＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えることによって設計される。
たとえば、ｐ型伝導率は、金属－極性結晶構造などの陽イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＷＢＧ物質に対応する平均組成からＮＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。代替的に、ｐ型伝導率は、窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造などの陰イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。
たとえば、ｎ型伝導率は、金属－極性結晶構造などの陽イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＮＢＧ物質に対応する平均組成からＷＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。代替的に、ｎ型伝導率は、窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造などの陰イオン－極性結晶構造を有する超格子を成長させ、単位格子の平均組成を、ＷＢＧ物質に対応する平均組成からＮＢＧ物質に対応する平均組成に、成長軸に沿って、単調に変えることによって誘導され得る。
たとえば、ＬＥＤなどの半導体デバイスで使用するための複雑な半導体構造は、２つ以上の半導体構造及び／または半導体超格子から形成され得る。たとえば、複雑な半導体構造は、２つ以上の半導体構造及び／または半導体超格子を、互いの上に隣接して積み上げることによって形成され得る。必要な場合、物質の極性の型は、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの２つの間で反転され得る。
発光ダイオード（ＬＥＤ）構造は、グレーディング領域を、たとえば、ｉ型領域として、ＷＢＧｎ型領域とＮＢＧｐ型領域との間で使用して、及び／またはグレーディング領域を、ｎ型領域またはｐ型領域として使用することによって、形成され得る。このようにして、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造は、分極の急激な変化が各領域間の界面において無いように、形成され得る。
好適な実施形態では、半導体構造または半導体超格子は、ＩＩＩ族金属窒化物（ＩＩＩ－Ｎ）化合物、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１－ｘＮ）、式中０≦ｘ≦１、窒化ホウ素アルミニウムＢｘＡｌ１－ｘＮ、式中０≦ｘ≦１、または窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａ
ｌｘＧａｙＩｎ１－ｘ－ｙＮ）、式中０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦（ｘ＋ｙ）≦１、から形成される。しかしながら、半導体構造または半導体超格子は、他の化合物、たとえば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ）、式中０≦ｘ≦１、から形成され得る。いくつかの実施形態では、不純物ドーパントも、誘導ｐ型伝導率または誘導ｎ型伝導率を強化するために、半導体の組成内または各単位格子の少なくとも２つの異なる層のうちの１つまたは複数の中に、含まれる。
ＩＩＩ－Ｎ化合物は、ウルツ鉱型構造として分類される安定した六方晶系構造に、容易に結晶化する。これらのＩＩＩ－Ｎウルツ鉱型構造は、基板上に堆積され得る。たとえば、ＩＩＩ－Ｎウルツ鉱型構造は、原子的に平坦な２次元六方晶系基板面上に、エピタキシャルに堆積され得、３次元バルク結晶の有利に終端化した平面によって形成され得る。理想的には、基板は、原子的に平坦であり、均質な原子種の最上位の原子層から成る。さらに、表面層原子結合型及びインプレーン格子定数は、形成する格子整合または疑似形態エピタキシャル成長に合っている。
ウルツ鉱型ＩＩＩ－Ｎ結晶の特徴的な特性は、金属－窒素結合の高極性特性であり、それは、ウルツ鉱型結晶構造内の非対称を、（「結晶面」または「ｃ面」としてしばしば知られている）基板表面に垂直に強制する。非ネイティブ結晶面上のエピタキシャル層を形成する第１の原子種（たとえば、窒素または金属）により、図１に示す通り、２つの、固有で、物理的に区別可能なウルツ鉱型結晶方位がある。図１に示す２つの結晶方位は、金属－極性１００または窒素－極性１２０として知られており、金属－極性エピタキシー１０２または窒素極性エピタキシー１２２をそれぞれ有する。
結晶面内の分極効果は、本発明のヘテロ構造内の異なる特性を操作するために活用され得る。代替的に、ウルツ鉱型ＩＩＩ－Ｎ（ｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ）バルク状基板または厚いＩＩＩ－Ｎ膜は、好適な結晶極性配向を、ｃ面に垂直な方向に対して有して形成され得る。
意図的整列疑似合金は、たとえば、図２に示す基板２００上のＧａＮ２１０とＡｌＮ２２０とから成る単層（ＭＬ）膜または部分的単層膜を形成するために、正確に制御された堆積プロセスを使用して形成され得る。０．５ＭＬ ＧａＮ２１０から０．５ＭＬ ＡｌＮ２２０の反復的な単位格子を使用して形成された理想的な超格子は、例示する理想的な整列のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ合金を形成することができる。しかしながら、単位格子を備える、他の層厚のＧａＮ及びＡｌＮも堆積され得る、ということを理解するものである。図２に例示した構造は、理想的とみなされ、バルク合金内の、同等な、ランダムに配置された金属陽イオンに比較して、優れた圧電分極と焦電分極とを示す。
図３Ａは、半導体構造を、バルク状物質を用いて形成されたダイオード３００という形態で示している。ダイオード３００は、成長軸３１０に沿った順序で、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ ＷＢＧエミッタ３３０を含む、金属－極性成長を有する下側ウルツ鉱型金属層３２０と、ＷＢＧウルツ鉱型金属層３２０からＮＢＧｐ型ＧａＮ接触層３５０に線形に遷移する、成長軸に沿った組成の線形変化を有する、真性ＡｌｘＧａ１－ｘＮ合金３４０という形態の勾配領域と、最後に、上側ウルツ鉱型金属層３６０と、を有する。下側ウルツ鉱型金属層３２０及び上側ウルツ鉱型金属層３６０は、ダイオード３００に対する２つの電気接点を形成する、効果的な抵抗金属接点である。
図３Ｂは、図３Ａのダイオード３００に対応する、空間的組成またはバンドギャップエネルギーを示しており、どのようにバンドギャップが、勾配領域３４２上で、ＷＢＧ物質３３２からＮＢＧ物質３５２に線形に遷移するかを示している。指示線３４３は、非線形な継続的遷移に対して勾配領域３４２で達成され得る、例示的な変化を示している。理解
される通り、図３Ｂの、ＷＢＧ物質３３２、勾配領域３４２、及びＮＢＧ物質３５２は、図３Ａの、ＷＢＧエミッタ３３０と線形グレーディング合金３４０とＮＢＧ接触層３５０とに対応する。
ｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ物質内の分極場の基本動作の理解から、成長軸に沿った、（格子変形による）誘導圧電電荷プロファイル及び（自然分極による）焦電電荷プロファイルは、図３Ａに例示したダイオード３００に対して、図３Ｃと図３Ｄとでそれぞれ示す通りに決定され得る。
遷移領域内における、ｘ（ｚ）によって与えられる組成プロファイルを有するＡｌｘ（ｚ）Ｇａ１－ｘ（ｚ）ＮのＡｌ％変化では、圧電電荷密度及び焦電電荷密度は、ｚの関数として変化し、電荷は、ＮＢＧｐ型ＧａＮ層に近づくにつれて減少する。
ｃ軸である自然分極軸に沿って堆積した、金属－極性エピタキシャル構造と窒素－極性エピタキシャル構造という２つの場合は、対照的な分極場を生成する。膜極性型との電荷サインのこの相関は、電子キャリア密度及び／または正孔キャリア密度を改善するために、有利に使用される。
明白ではないが、成長軸３１０に沿って変化するそのような面電荷密度が暗示するものは、伝導帯端と価電子帯端とのゆがみが、膜の成長極性により、伝導帯端または価電子帯端をフェルミ準位に、効果的に「固定する」または移動させる、ということである。ｘ（ｚ）における変化は、各物質組成のインプレーン格子定数の違いにより、同等の変化を、位置依存ひずみテンソルにおいて生成する。バルク結晶格子定数のこの変化は、２軸ひずみを生成し、結晶の弾性変形を生成すると推測され、したがって、圧電電荷を誘導する。これらの実施例では、エピタキシャルスタックは、厚く、弛緩ＡｌＮバッファ上に疑似形態的に堆積すると仮定され、したがって、スタックは、ＡｌＮの独立バルクインプレーン格子定数までひずむ。他のバッファ層定数及び格子定数も可能である。しかしながら、厚さを、格子不整合物質が疑似形態的に堆積し得る厚さに制限するものは、限界層厚（ＣＬＴ）である。この制限は、それぞれの単位格子が少なくとも２つの層の格子不整合組成を備える、単位格子を備える超格子を使用して改善され得、各層の厚さは、バッファインプレーン格子定数に対して、その層のＣＬＴ未満である。つまり、超格子は、本発明の実施形態により、平均組成の大きな変化を空間的に形成する能力を向上することができる。
図３Ｅは、図３Ａに例示したダイオード３００の全空間的（ｋ＝０）エネルギー帯構造を示しており、線形グレーディング合金３４０によって提供されるＷＢＧからＮＢＧへの遷移の、線形組成変化の効果を示している。非意図的ドープ組成変化領域は、ｎ型ＷＢＧスラブとｐ型ＮＢＧスラブとの間に挟まれている。誘導空乏領域は、金属－極性配向成長の場合、価電子帯のフェルミ準位固定を生成する、ｎ型ＷＢＧ領域またはｉ型組成変化領域に向かって局部集中されている。
図３Ｆは、図３Ａに例示したダイオード３００の、面電子キャリア密度と面ヘビーホール密度との空間的変化を示している。ＡｌＧａＮ合金組成ｘ（ｚ）の線形空間的変化は、非意図的ドープ領域において、大きな正孔キャリア密度を誘導する。正孔は、したがって、ｐ型ＧａＮ接触領域によって供給され、誘導ｐ型領域内に運ばれる。空乏領域は、ｎ型ＷＢＧ領域に拡張し、線形組成領域の誘導ｐ型挙動が、意図的イオン化ドナー密度よりも高いことを示す。
図３Ｇ及び図３Ｈは、図３Ａのダイオード３００のエピタキシャル構造の図を、最も低いエネルギー伝導帯端ＥＣ（ｋ＝０、ｚ）におけるゾーンセンター空間的変化（図３Ｇ）と、ｖ＝ＨＨ、ＬＨ、及びＣＨである、３つの最も高い位置にある価電子帯端Ｅｖ（ｋ＝
０、ｚ）におけるゾーンセンター空間的変化（図３Ｈ）と、について示している。図３Ｇは、ＡｌＧａＮを使用して形成されたｐ－ｉ－ｎダイオードを示しているが、圧電電荷及び焦電電荷が零に設定されている場合である。図３Ｈは、圧電電荷と焦電電荷とを考慮した、比較の結果を示している。分極電荷は、極性デバイスを設計する時には考慮されるべきである、ということを理解することができる。また、バルク状物質について、範囲０．０≦ｘ（ｚ）≦０．８のｘ（ｚ）による、Ａｌｘ（ｚ）Ｇａ１－ｘ（ｚ）Ｎ内のＡｌ％の変化は、ｘ（ｚ）～０．６５で発生するｋ＝０において、最も低いエネルギー価電子帯内にクロスオーバーを有する。ｘ＜０．６５の値では、物質は、ヘビーホール価電子帯を、支配的な正孔の種類として有し、一方で、ｘ＞０．６５では、結晶場分裂価電子帯が支配的になる。図３Ｉは、図３Ａのダイオード３００の全空間的ゾーンセンターバンド構造を、エピタキシャル成長の２つの対照的な場合、すなわち、成長軸３１０に対する金属－極性配向または窒素－極性配向について示している。結果は、ＷＢＧからＮＢＧへの成長軸に沿った組成遷移が、金属－極性成長ではｐ型挙動、または窒素－極性成長ではｎ型挙動を誘導することを示している。
図３Ｊ及び図３Ｋは、図３Ａのダイオード３００の伝導空間的ゾーンセンターバンド構造と価電子ヘビーホール空間的ゾーンセンターバンド構造との図を、それぞれ、エピタキシャル成長の２つの対照的な場合、すなわち、成長軸３１０に対する金属－極性配向または窒素－極性配向について示している。膜極性の例示の効果は、デバイスの電子挙動に劇的に影響を与える。金属－極性膜では、非意図的ドープ線形合金組成変化ｘ（ｚ）は、ｐ型挙動を誘導し、窒素－極性配向は、ｎ型挙動を誘導する。各空乏領域は、対比され、デバイスの動作を決定する。この基本効果は、半導体構造、特にＬＥＤ構造のために、有利に使用され得る。
図３Ｌは、ダイオード３００で生じる、線形グレーディングバンドギャップ領域に対する光学検波効果を示しており、構造からの光子のアウトカップリングの好適な方向を概略的に示している。再結合領域内に注入された、電子及び正孔は、空間依存バンドギャップにより、広い光学発光スペクトラムを生成することができる。好適には、再結合領域は、ダイオードの空乏領域に空間的に一致する。空乏領域内でｎ型ＷＢＧ領域よりも少ないエネルギーを用いて生成された高エネルギー光子（つまり、短波長λＳ）は、低損失で、ｎ型ＷＢＧ物質３３０と基板３２０とを通って伝播することができ、一方で、前方伝播光子は、ｐ型ＮＢＧ物質３５０に向かって空間的に減少するバンドギャップ内で再吸収される。より長い波長の光子（λＬ）は、したがって、最上部のＮＢＧ層を通って優先的に発光される。大きく、非対称の、ビルトイン伝導帯ポテンシャルは、電子の自由移動Ｊｅ（ｚ）を構造内で妨げる。吸収プロセスを通して再循環するこの光子は、ｐ型領域性能を向上させることができる。
図３Ｍは、図３Ａのダイオード３００のＸ線回折（ＸＲＤ）予測を示し、線形グレーディング合金の勾配領域特性３４４を示している。ＸＲＤ分析は、特に勾配領域特性３４４を見る時には、エピタキシャル成長シーケンスを確認し、空間的組成変化を調整するために使用され得る。
図４Ａは、半導体構造を、バルク状物質の段階的変化を用いて形成されたダイオード４００という形態で示している。ダイオード４００は、成長軸４１０に沿った順序で、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ ＷＢＧエミッタ４３０を含む、金属－極性成長を有する下側ウルツ鉱型金属層４２０と、ＷＢＧウルツ鉱型金属層４２０からＮＢＧｐ型ＧａＮ接触層４５０へ個別の段階で遷移する、成長軸に沿った組成の段階的な変化を有する、真性ＡｌｘＧａ１－ｘＮ合金４４０という形態の勾配領域と、最後に、上側ウルツ鉱型金属層４６０と、を有する。下側ウルツ鉱型金属層４２０及び上側ウルツ鉱型金属層４６０は、ダイオード４００の２つの電気接点を形成する、効果的な抵抗金属接点である。
図４Ｂは、図４Ａのダイオード４００に対応するバンドギャップ図を示しており、どのようにバンドギャップが、段階４４１から段階４４７で、ＷＢＧ物質４３２からＮＢＧ物質４５２に遷移するかを示している。理解される通り、図４Ｂの、ＷＢＧ物質４３２、勾配領域４４１～４４７、及びＮＢＧ物質４５２は、ＷＢＧエミッタ４３０と、段階的グレーディング合金４４０と、ＮＢＧ接触層４５０と、に対応する。勾配領域４４１から勾配領域４４７内の段階は、大きくてよく、または小さくてよいが、たとえば、段階は、Ａｌ０．７９２Ｇａ０．２０８Ｎである第１の段階４４１と、Ａｌ０．７８４Ｇａ０．２１６Ｎである第２の段階４４２と、Ａｌ０．０．０１６Ｇａ０．９８４Ｎである最後から２番目の段階４４６までの多くの段階で徐々に増えていき、Ａｌ０．００８Ｇａ０．９９２Ｎである最後の段階４４７と、を用いてグレーディングされ得る。
図４Ｃは、図４Ａで例示したダイオード４００の全空間的バンド構造を示しており、段階的グレーディング合金４４０によって提供される、ＷＢＧからＮＢＧへの遷移の段階的組成変化の効果を示している。空乏領域は、誘導ｐ型特性を有する線形チャープｘａｖｅ（ｚ）領域とのｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ界面で、形成される。図４Ｄは、図４Ｃの伝導帯変化を示しており、図４Ｅは、図４Ｃの価電子帯変化を示している。
図４Ｅは、さらに、構造内で空間的に、ｖ＝ＨＨ価電子帯、ＬＨ価電子帯、及びＣＨ価電子帯という順序のエネルギーにおける、クロスオーバーを示している。ＬＥＤ機能への応用では、横電（ＴＥ）偏光が、層の平面に対して実質的に垂直な光学発光のために生成されることは有利である。ｘ（ｚ）＞０．６５を有する高Ａｌ％部分は、ＣＨ価電子によって支配され、したがって、横磁（ＴＭ）偏光される。この問題は、物質の有効合金を定めるために超格子を使用することによって、解決され得る。たとえば、ＡｌＮ層とＧａＮ層とを超格子単位格子内で独占的に使用することは、平均組成ｘａｖｅの全ての値に対して支配的になるために、ＴＥ光学発光を選択する。
図４Ｆは、異なるＡｌＧａＮ組成間の格子不整合に対する調整による、誘導圧電電荷密度の空間的変化を示している。図４Ｇは、図４Ａのダイオード４００の合金組成内の変化による、誘導焦電電荷密度の空間的変化を示している。図４Ｈは、図４Ａのダイオード４００内で生成される、電子キャリア密度とヘビーホールキャリア密度とを示している。
非意図的ドープ物質内の誘導正孔密度は、ｐ型ＧａＮの小さな意図的ドープ接触層よりも著しく大きい、ということを理解することができる。これは、金属接点電極を用いて十分に低い抵抗接点を作成するために、通常、半導体はヘビードープされる必要がある、という先行技術における長年の問題を、部分的に解決する。このようなヘビードーピング密度は、ホスト物質の品質を低減し、通常、キャリア移動度及び結晶構造が、不利に損なわれる。図４Ｈの誘導ドープ領域は、置換ドーパントの使用なしに高活性正孔密度を示し、したがって、低い正孔移動度または悪い正孔輸送によって妨害されない、改善された正孔注入器または正孔リザーバを表す。さらに、バンド図は、約ｚ＝２００ｎｍから始まり約ｚ＝３００ｎｍで終わる誘導空乏領域を示し、それは、意図的ドープｎ型ＷＢＧ領域と誘導ｐ型領域との間に優位に位置している。
図５Ａは、半導体構造を、２層超格子を用いて形成したダイオード５００という形態で示している。具体的には、ダイオード５００は、成長軸５１０に沿った順序で、ＷＢＧエミッタ５３０をｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ物質という形態で含む、金属－極性成長を有する下側ウルツ鉱抵抗接触層または金属層５２０と、ＷＢＧエミッタ５３０からｐ型ＧａＮから形成されたＮＢＧ接触層５５０に遷移する、２層超格子５４０という形態の勾配領域と、上側ウルツ鉱型金属層５６０と、を有する。下側ウルツ鉱型金属層５２０及び上側ウルツ鉱型金属層５６０は、ダイオード５００の２つの電気接点を形成する、効果的な抵
抗金属接点である。
２層超格子５４０は、好適には、ＡｌＮとＧａＮとの両極のＩＩＩ－Ｎ終点から選択された、２つの異なる二元組成物を備える。たとえば、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ／ＧａＮ、またはＡｌｘＧａ１－ｘＮ／ＡｌＮ、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ／ＡｌｘＧａ１－ｘＮ、式中ｘ≠ｙの、他の組み合わせも可能である。また、単位格子当たり３つ以上の層、たとえば、ＡｌＮ／ＡｌｘＧａ１－ｘＮ／ＧａＮという形態の３層スタックを使用することも可能である。二元成分物質の使用は、最も大きな面電荷シート密度を、各ヘテロ接合界面において生成する。２層超格子５４０内の各２層周期は、たとえば、５ｎｍ（１ｎｍのＬＧａＮ及び４ｎｍのＬＡｌＮ）の固定の厚さと、可変の組成とを有して、組成が、ＷＢＧエミッタ５３０に隣接する０．８のｘａｖｅを有する［ＡｌＮ／ＧａＮ］単位格子から、ＮＢＧ接触層に隣接する０．０１のｘａｖｅに遷移するようにする。単位格子の厚さは、至る所で一定に保たれ得、ＧａＮとＡｌＮとの厚さであるＬＧａＮとＬＡｌＮとの割合は、所望のｘａｖｅを生成するように選択され得、単位格子は、組成ＡｌｘａｖｅＧａ１－ｘａｖｅＮ≡［ＬＧａＮ／ＬＡｌＮ］ｘａｖｅの同等バルク状合金として挙動する。
図５Ｂは、図５Ａのダイオード５００に対応する空間的バンドギャップの大きさを示しており、どのようにバンドギャップが、勾配領域５４２上で、ＷＢＧ物質５３２からＮＢＧ物質５５２に遷移するかを示している。理解される通り、図５の、ＷＢＧ物質５３２、勾配領域５４２、及びＮＢＧ物質５５２は、ＷＢＧエミッタ５３０と、２層超格子５４０と、ＮＢＧ接触層５５０とに対応する。
図５Ｃは、半導体構造を、図５Ａのダイオード５００の変形物であるダイオード５０１という形態で示している。図５Ｃのダイオード５０１と図５Ａのダイオード５００との間の違いは、ダイオード５００のＷＢＧエミッタ５３０が、ｘａｖｅ＝０．８の、ｎ型超格子（ｎ：ＳＬ）５３１、好適にはＳＰＳＬに置き換えられていることである。ｎ：ＳＬ５３１は、一定周期を有し、ｎ型伝導率のためにドープされている。いくつかの周期のみを例示しているが、ｎ：ＳＬ５３１は、たとえば、５０を超える周期を備えることができ、一方で、勾配領域、つまり、２層超格子５４０は、１０００を超える周期を備えることができる。図５Ｄは、図５Ｃに例示したダイオード５０１の全空間的バンド構造を示しており、２層超格子５４０のグレーディングの効果を示している。伝導帯端及び価電子帯端は、成長軸に沿って、ＡｌＮ層とＧａＮ層との間の各ヘテロ接合を用いて変調される。ｎ：ＳＬ５３１は、空乏領域を、グレーディングＳＬの誘導ｐ型領域間に形成し、ｐ型ＧａＮ層を用いて上限を決められる。ｉ：ＳＬグレーディング領域は、バルク状組成グレーディングを使用して達成され得るものよりもほぼ５倍大きい正孔密度を誘導する。
ヘテロ接合と超格子とに対して、どのようにウルツ鉱型ＩＩＩ－Ｎ膜極性が動作するかということに関する理解に基づいて、好適なエピタキシャル構造を、特定の極性型に対して決定することができる。設計目的が、合金組成グレーディングまたは有効合金組成グレーディングを使用することによる、正孔－キャリア密度の増加を達成することである場合、エピタキシャル成長シーケンスは、金属－極性配向または窒素－極性配向に対してそれぞれ、「ｐ型ＵＰ」設計または「ｐ型ＤＯＷＮ」設計のうちの１つから選択され得る。
図６は、（時には、成長方向「ｚ」と呼ばれる）成長軸６１０に対する金属－極性膜成長のための、金属－極性「ｐ型ＵＰ」ＬＥＤ構造６００を示している。不純物ドーピングのみを用いて達成可能なもの以上の誘導正孔密度を達成するために、ＬＥＤ構造６００の中央部分は、勾配領域６５０を有し、勾配領域６５０は、ＷＢＧ組成からＮＢＧ組成に、成長軸６１０に沿って成長を増加させながら遷移し、成長軸６１０は、自然分極軸、この場合は、ウルツ鉱型結晶構造のｃ軸に平行である。
成長軸６１０に沿った順序で、ＬＥＤ構造６００は、基板６２０と、バッファ領域または転位フィルタ領域６３０と、ｎ型ＷＢＧ領域６４０と、勾配領域６５０と、ＮＢＧｐ型領域６６０と、を備える。好適には、基板は、たとえば、ｃ面配向サファイア（０００１）表面を有する実質的に透明なサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、またはウルツ鉱型ＡｌＮなどのネイティブＩＩＩ－Ｎ基板である。抵抗金属接点６７０及び抵抗金属接点６７２が提供され、光窓６８０が、ＬＥＤ構造６００の上部からの光の伝達を可能にするように提供され得る。光は、代わりに、または追加的に、基板６２０を通って伝達され得る、ということを理解するものである。さらに、バッファ領域６３０は、代わりに、またはむしろ、転位フィルタ領域であってよい。
ｎ型ＷＢＧ領域６４０は、好適には、ｎ型ＷＢＧ層または、一定周期と一定有効合金組成とのｎ型ドープ超格子としてのドープ領域という形態である。勾配領域６５０は、その後、ｎ型ＷＢＧ領域６４０上に、成長軸６１０に沿った距離の関数として変化する有効合金組成を用いて形成され得る。勾配領域６５０は、所望の変化をバンド構造内に形成して、ＷＢＧ組成からＮＢＧ組成への遷移を形成する。任意で、勾配領域６５０の少なくとも一部を、不純物ドーパントでドープすることができる。たとえば、ｐ型不純物ドーパントは、任意で、勾配領域６５０内に統合され得る。好適な形態では、勾配領域６５０は、ｘａｖｅ＝ｘ（ｚ）＝ｘＷＢＧ－［ｘＷＢＧ－ｘＮＢＧ］＊（ｚ－ｚｓ）ｋ、式中ｚｓはグレーディングの開始位置である、によって与えられる、各単位格子の平均合金組成の空間プロファイルを達成するために選択された組成プロファイル「ｋ」を有する、Ａｌｘ（ｚ）Ｇａ１－ｘ（ｚ）または［ＡｌＮ／ＧａＮ］超格子を備える。
ＮＢＧｐ型領域６６０は、勾配領域６５０上に堆積させられ、理想的には、勾配領域６５０によって達成される最終組成と同様の有効合金組成を有する。これは、勾配領域６５０とＮＢＧｐ型領域６６０との間のヘテロ接合界面において誘導され、ポテンシャル障壁を軽減する。好適な形態では、ＮＢＧｐ型領域６６０は、ドープ超格子またはバルク型ＩＩＩ－Ｎ層である。
ｐ型ＧａＮ層などのキャップ層は、任意で、最終キャップ層として堆積させられて、抵抗接触を改善し、正孔のソースを提供することができる。
ＬＥＤ構造６００の基板６２０の光学的透明性は、勾配領域６５０内から生成される光学発光が、有利に伝播して、ｎ型ＷＢＧ領域６４０を通り、バッファ領域６３０を通り、最終的に低吸収性損失を有する基板６２０を通って、デバイスから出ることを可能にする。光は、また、構造６００の上部から垂直に逃げるが、ＮＢＧｐ型領域６６０は、光のより短い波長を効果的にフィルタにかけ、したがって、ＬＥＤ構造６００の上部と下部とからの光出力に対では、波長応答の非対称があり得る。勾配領域６５０内から生成される光は、また、成長軸６１０の関数である勾配屈折率を有する「導波管」モードが、光を平面内にさらに閉じ込めるにしたがって横方向にも逃げる。
図７は、成長軸７１０に対する窒素－極性ファイル成長のための、窒素－極性「ｐ型ＤＯＷＮ」ＬＥＤ構造７００を示している。不純物ドーピングのみを用いて達成可能なもの以上の誘導正孔密度を達成するために、ＬＥＤ構造７００の中央部分は、勾配領域７５０を有し、勾配領域７５０は、ＮＢＧ組成からＷＢＧ組成に、成長軸７１０に沿って成長を増加させながら遷移し、成長軸７１０は、自然分極軸、この場合、ウルツ鉱型結晶構造のｃ軸に実質的に平行である。
成長軸７１０に沿った順序で、ＬＥＤ構造７００は、Ｓｉ（１１１）などの実質的に不透明な基板、またはＧａＮなどのＮＢＧネイティブＩＩＩ－Ｎ基板、という形態の基板７２０と、バッファ領域７３０と、ＮＢＧｐ型領域７４０と、勾配領域７５０と、ＷＢＧｎ
型領域７６０と、を備える。抵抗金属接点７７０及び抵抗金属接点７７２が提供され、光窓７８０は、ＬＥＤ構造７００の上部からの光の伝達を可能にするように提供され得る。バッファ領域７３０は、代わりに、またはむしろ、転位フィルタ領域であってよい、ということを理解するものである。
ＮＢＧｐ型領域７４０は、好適には、ｐ型ＮＢＧ層、または一定周期と（ｘａｖｅ＝ＮＢＧ組成を有する）一定の有効合金組成または平均合金組成とのｐ型ドープ超格子という形態である。勾配領域７５０は、その後、ＮＢＧｐ型領域７４０上に、成長軸７１０の関数として変化する有効合金組成を用いて形成される。勾配領域７５０は、バンド構造内の所望の変化を形成して、ＮＢＧ組成からＷＢＧ組成への遷移を形成する。任意で、勾配領域７５０の少なくとも一部を、不純物ドーパントでドープすることができる。好適な形態では、勾配領域７５０は、ｘａｖｅ＝ｘ（ｚ）＝ｘＮＢＧ＋［ｘＷＢＧ－ｘＮＢＧ］＊（ｚ－ｚｓ）ｋという組成プロファイル「ｋ」を有する、Ａｌｘ（ｚ）Ｇａ１－ｘ（ｚ）または［ＡｌＮ／ＧａＮ］超格子を備える。
ＷＢＧｎ型領域７６０は、前記勾配領域７５０上に堆積させられ、理想的には、勾配領域７５０によって達成される最終組成と同様の有効合金組成を有する。これは、ポテンシャル障壁が、勾配領域７５０とＷＢＧｎ型領域７６０との間のヘテロ接合界面において誘導されることを軽減する。好適な形態では、ＷＢＧ領域は、ドープ超格子またはバルク型ＩＩＩ－Ｎ層である。
ｎ型ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ≧０）層などのキャップ層は、任意で、抵抗接触を改善し、電子のソースを提供するように堆積させられる。
図７に例示したＬＥＤ構造７００は、Ｓｉ（１１１）などの不透明基板７２０を使用して形成され得、不透明基板７２０は、勾配領域７５０内から生成される光波長に対して、高吸収係数を有する。光は、好適には、適切な抵抗接触物質７７２の開口部及び／または窓７８０という形態の、光の出口を通って垂直に逃げる。より短い波長光は、ＮＢＧ領域内で優先的に吸収され、さらなる電子と正孔とを、再吸収を通して作成する。高品質なｐ型ＧａＮネイティブ基板またはｐ型ＳｉＣ基板も使用することができる、ということが予期される。
超格子構造は、好適には、物質構造結晶品質を改善し（より低い欠陥密度）、電子と正孔とのキャリア輸送を改善し、そのような短い長さの規模でのみ入手可能な量子効果を生成するために、使用される。バルク型ＩＩＩ－Ｎ物質とは異なり、超格子は、新しく、有利な物理的特性を、特に、図６と図７とに例示したものなどのダイオード構造とＬＥＤ構造とに関して、導入する。ＡｌＮとＧａＮとの２層ペアなどの少なくとも２つの異なる半導体組成物を備える均一周期超格子は、（ｉ）トンネル障壁形態内と障壁形態上との両方で、実質的に成長軸（ｚ）に沿った超格子量子化ミニバンド輸送チャンネルと、（ｉｉ）エネルギー運動量分散を歪ませるための、周期性誘導バンド変形と２軸ひずみ誘導バンド変形との両方による、超格子層の平面内でのキャリア移動度の改善と、の両方を提供するように作られ得る。超格子は、また、構成要素層を、それらの限界層厚よりも少なく堆積させることによって、ひずみの蓄積を軽減することができる。適合した導電帯及び価電子帯が可能にする、エネルギーと空間波動関数確率とを有する超格子は、本明細書で説明する空乏場などの大きなビルトイン電場によって操作され得る。たとえば、一定周期ＳＬは、高結合構造を示し、成長軸に沿って、構造を通る効率的なキャリア輸送チャンネルを生成するように、成長され得る。部分的非局在化波動関数の高連結特性は、大きな内部電場によって容易に壊され得、連結ＮＢＧ領域を本質的に分離する（つまり、隣接するＮＢＧ領域間の通信がない）。これは、ＬＥＤアプリケーションにとっては有利であり得る。
超格子量子化ミニバンド輸送チャンネルは、成長軸（ｚ）に沿った輸送を改善し、選択的エネルギーフィルタを生成するために使用され得る。改善されたキャリア移動度は、メサ型構造を備える従来のデバイス設計における電流集中制限を劇的に減少させるために使用され得る。反対に、同じ超格子構造は、本明細書で開示する構造内に生成される空乏領域などの大きな電場に曝されることによって、動作を変えられ得る。
バルクＩＩＩ－Ｎ半導体は、直接バンド構造によって特徴付けられ得、直接バンド構造は、基となる原子対称性によって決定される物質のエネルギー運動量分散に、特に関連して定められる。直接バンドギャップＩＩＩ－Ｎ物質は、したがって、ゾーンセンターｋ＝０において最小エネルギーを有する、最も小さいエネルギー伝導帯分散と、その最大値がまたゾーンセンターｋ＝０に位置する、最も高い位置にある価電子帯分散とを、同時に生成する構造である。
光吸収プロセス及び光学発光プロセスは、したがって、エネルギー運動量空間における垂直遷移として、また、フォノン運動量保存のない主に第１オーダーのプロセスとして、発生する。ド・ブロイ波長の長さスケール上にもある超格子周期ポテンシャルは、原子結晶周期性を、重複超格子ポテンシャルを用いて変調し、それによって、エネルギー運動量バンド構造を、重要な方法で変える。
図８は、１つの単分子層のＧａＮから３つの単分子層のＡｌＮという反復単位格子を備える半無限２層二元超格子の予測空間的帯エネルギーを示している。超格子は、計算を単純化するために、周期的境界条件を用いて示されており、完全に弛緩したＡｌＮバッファにひずんでいる。図９は、バルク概算で使用された放物分散から大きく歪んだ逸脱を示している、疑似非局在化ｎＳＬ＝１ＨＨ帯とＬＨ帯とＣＨ帯とを有する、予測価電子帯エネルギー運動量分散を示している。その結果、価電子帯キャリア、すなわち、ＨＨとＬＨとＣＨとの有効質量は、バルク状合金におけるそれらの同等物から変えられている。説明する超格子の重要な態様は、最も低いエネルギー量子化導電状態と最も低いエネルギー量子化ＨＨ状態との間の光学発光遷移に対して、ＨＨが支配的バンドのままである、ということである。したがって、超格子は、ｘ～０．６５でＴＥからＴＭへの遷移があるバルク状ＡｌｘＧａ１－ｘＮとは異なり、０≦ｘａｖｅ＜１でＴＥ特性を保持する。この特性は、垂直発光デバイスでは必須である。
構成物質バルク物質の自由格子定数の１０倍以下の周期を有する短周期超格子は、インプレーンエネルギー運動量が明白に異なる新しい疑似合金を、それらの同等なバルク状ランダム金属分散合金の対応物から形成する。さらに、二元ＡｌＮ／ＧａＮ超格子は、新しく、同等バルク状合金よりも改善された特性を生成することができる、新しいクラスの整列合金を形成する。光吸収プロセス及び光学発光プロセスは、通常、超格子バンド構造のオフゾーンセンター（ｋ≠０）の影響を考慮する必要がある。本場合では、ｋ＝０、及び最も低いエネルギー量子化、及び空間波動関数のみ（本明細書では、ｎＳＬ＝１状態として表示する）が、使用され、実験的に十分であることが分かっている。
電気分極場は、チャープまたは意図的プロファイルバンド構造の光学的特性に対して効果を有し得る。たとえば、２つの反対の位置にあるＡｌＮクラッド層の間に挟まれた線形チャープ２層［ＡｌＮ／ＧａＮ］超格子を考える。図１０Ａ及び図１０Ｂは、この非意図的ドープ構造の予測空間的バンド構造を示している。具体的には、図１０Ａは、圧電場と焦電場とが無い、ゾーンセンターバンド構造を示しており、図１０Ｂは、成長軸（ｚ）に沿って複雑なビルトイン電場を生成している、分極場を適用したゾーンセンターバンド構造を示している。結果として生じる成長軸（ｚ）に沿ったビルトイン電場は、焦電（自然）効果と圧電効果とにより各ヘテロ接合で誘導された電荷に、もっぱら起因するものである。超格子の各周期は、一定に保たれ、ｉ番目の周期での平均合金含有量は、Λｉ ＳＬ＝
Ｌｉ ＡｌＮ（ｚ）＋Ｌｉ ＧａＮ（ｚ）であるように、厚さＬｉ ＡｌＮ（ｚ）と厚さＬｉ ＧａＮ（ｚ）とを有している。導電帯端とヘビーホール価電子帯端とにおける（つまり、ゾーンセンター波動ベクトルｋ＝０における）急激な空間変調は、ＡｌＮとＧａＮとの各遷移のヘテロ接合において形成された、原子的に急激な界面を示す。原子的に粗い界面は、ポテンシャル井戸を効果的に広げるが、そうでなくても、同様な挙動になる。代替的な実施形態では、各ヘテロ接合での界面の粗さは、同等のＡｌＧａＮ中間層を使用して、したがって、３層単位格子を形成して説明され得る。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、最も低いエネルギーの計算キャリア空間波動関数と、構造内で許される量子化エネルギーレベルとを示している。本実施例において明確さのために使用される比較的厚いＡｌＮ障壁は、障壁への波動関数トンネリングが、ヘビーホールと比較して、より軽い有効質量電子に対して顕著であることを示している。量子化ｎ＝１電子波動関数固有エネルギーと正孔波動関数固有エネルギーとでは、一般的な傾向は、ＮＢＧ物質の厚さが増加するにつれて、ＮＢＧポテンシャル井戸の中にさらに落ちることである。
非線形電場は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を各ＧａＮ量子井戸で生成し、反対ＱＣＳＥを各障壁（ＡｌＮ）で生成する。ビルトイン電場の兆候は、物質の成長極性に依存する。ビルトイン場により各ポテンシャルエネルギーミニマム内に閉じ込められた、結果的な波動関数確率密度は、より低いポテンシャルエネルギー界面に向かって空間的にゆがめられる。
電子波動関数最大値及びヘビーホール波動関数最大値は、ポテンシャルミニマムの両側に空間的に分けられ、より大きなＧａＮ層の幅では悪化する、ということを理解することができる。これは、増加するＧａＮの厚さに対して、電子波動関数とＨＨ波動関数との重なりが減少することを明らかにし、誘導励起子振動子強度の減少により、分極誘導透明性を作成する。反対に、より薄いＧａＮ層は、ｎ＝１導電波動関数とＨＨ波動関数との重なりを改善し、したがって、光学遷移の確率を高め、発光確率を高める。これは、図１２Ｈと図１３Ｄとに示されている。
図１２Ａは、いくつかの実施形態による、ｐ－ｎダイオードの電気部分と光学部分とを生成するためのスタック１２００を示している。スタック１２００は、基板ＳＵＢを備える。ＳＵＢは、成長軸１２０５に沿った金属－極性成長配向性を有するウルツ鉱型ＩＩＩ－Ｎ組成の形成を促進する、物質１２０８から作られている。ｎ型ＷＢＧバッファ層（ｎ：ＷＢＧ）１２１０は、バルク状合金として、または固定平均組成単位格子超格子として、ＳＵＢ上に堆積される。次に、ｎ型ＳＬ（ｎ：ＳＬ）が、平均合金含有量ｘａｖｅ＿ｎを使用して、ｎ：ＳＬ上に形成される。たとえば、ｎ：ＳＬは、ｘａｖｅ＿ｎ＝０．８を用いて形成された、５０周期ＳＬであってよい。好適には、単位格子厚１２１１及び層厚は、所望の発光波長λｅｘまで実質的に透明な（吸収しない）ｎ：ＳＬを形成するように選択される。
次に、意図的に不純物をドープされていないグレーディングＳＬ（ｉ：ＣＳＬ）が形成される。ｉ：ＣＳＬは、置換不純物ドーピング制限のないデバイス内の奥深くに、高い正孔密度を誘導するために使用される。ｉ：ＣＳＬは、単位格子の少なくとも一平均組成を、成長軸に空間的に沿って、ＷＢＧ組成からＮＢＧ組成に変える。たとえば、グレーディングは、平均Ａｌ％を変化させる間各単位格子の全体的な厚さ１２１２を一定に保ちながら、ｘａｖｅ＿ＣＳＬ＝０．８を有するＷＢＧ組成とｘａｖｅ＿ＣＳＬ＝０．０を有するＮＢＧ組成とを有して、２５単位格子（つまり、２５周期）で発生するように選択される。ｐ型ＧａＮ（ｐ：ＮＧＢ）を備える任意の接触層は、完成したｉ：ＣＳＬ上に堆積される。ｉ：ＣＳＬの単位格子厚さを、成長軸の関数として変化させることも可能であるが、
これは、前記単位格子の平均組成が、本明細書で開示する正しいグレーディングに従う限りにおいてである。
ｉ：ＣＳＬ及びｎ：ＳＬは、ＧａＮの層１２０７とＡｌＮの層１２０９とを備える２層単位格子から形成され得る。超格子組成の他の選択肢も可能であり、単位格子の組成は、また、周期毎に変えられてよい。たとえば、単位格子周期は、２ＭＬのＧａＮと４ＭＬのＡｌＮとを合わせた厚さと同等であるように選択される。図１２Ｂは、２層単位格子ｘａｖｅの平均合金組成を達成するために必要な、ＧａＮの層厚１２２０とＡｌＮの層厚１２２２とを示している。図１２Ｃは、また、平均合金変化を、成長軸１２０５の関数として、ｎ：ＳＬとｉ：ＣＳＬとの各々について示している。曲線１２２３は、定数ｘａｖｅ＿ｎ＝０．８がｎ：ＳＬに対して選択されていることを示しており、一方、曲線１２２４は、線形ｘａｖｅ（ｚ）グレーディングがｉ：ＣＳＬに対して選択されていることを示している。
スタック１２００の誘導空間的エネルギー帯構造は、図１２Ｄに示されている。１２３０で示されたｎ：ＳＬは、Ｓｉ不純物を用いて、ＮＤ＝５０ｘ１０１８ｃｍ－３のドーピングレベルに、意図的にドープされている。ｉ：ＣＳＬは、誘導ｐ型部分１２３３と、空乏領域１２３２とを示している。ｐ：ＮＧＢ１２３４に接しているｉ：ＣＳＬの部分は、フェルミエネルギーに固定されたヘビーホール価電子帯を示している。したがって、ｎ：ＳＬ／ｉ：ＣＳＬ／Ｐ：ＧａＮダイオードは、図１２Ｅでさらに示す通り、さらなる誘導ｐ型領域を用いて形成される。
図１２Ｅは、空間的キャリア密度を、成長軸に沿って示している。キャリア密度は、意図的にドープされ、ｎ：ＳＬによる結果として生じる電子キャリア密度１２３５と、意図的ｐ型ＧａＮドーピング密度１２３９と、を含む。価電子帯の縮退が、活性ドーピング密度を、格子内の面ドーピングに対して減少させる、ということに留意する。大きな誘導ＨＨ密度１２３７を有するｉ：ＣＳＬの部分は、ｎ－ｉ－ｐダイオードを定める、結果として生じる空乏領域１２３６と共に示されている。
最も低いエネルギー帯端量子化状態は、デバイスの電子特性と光学特性との大部分を決定するために十分である。図１２Ｆ及び図１２Ｇは、導電帯とＨＨ価電子帯とにおける計算ｎ＝１状態を、それぞれ示している。導電帯及びＨＨ帯は、両方とも、短周期ｎ：ＳＬにより部分的に非局在化された波動関数１２４２と波動関数１２４６とによって示される通り、ミニバンド形成を示す。ｉ：ＣＳＬの誘導ｐ型領域によって作られる空乏領域は、ｎ：ＳＬの部分の中まで貫通し、領域１２４１と領域１２４６とにおける波動関数カップリングを効果的に破壊する。領域１２４１と領域１２４６との中に閉じ込められた電子波動関数及びＨＨ波動関数は、デバイスの再結合領域、したがって、ｎ＝１導電状態とｎ＝１ＨＨ状態との間の直接遷移による発光エネルギースペクトルを決定する。
図１２Ｈは、ｎ＝１ＨＨ波動関数を有する全てのｎ＝１導電状態間の、計算空間的重なり積分を示している。光学遷移に対する最も高い振動子強度は、領域１２５０で発生し、一方で、より広いＧａＮ厚を有するｉ：ＣＳＬの部分は、比較的悪い重なり１２５５のみを作る。この効果は、分極誘導透明性をｐ型状領域内に作るために、非常に有利である。任意のｐ型ＧａＮ層は、また、より高いエネルギー光子が、構造の中に逆反射し、基板からアウトカップリングすることを可能にするために、取り除かれてよい。完全な発光スペクトラムが、図１２Ｉに示されており、デバイス内に作られ、ｎ：ＳＬとｉ：ＣＳＬとの間に局部集中する空乏領域による強励起子発光ピーク１２５６を示している。より小さな寄与１２５８は、ｉ：ＣＳＬ領域によるものである。
図１３Ａは、いくつかの実施形態による、ｐ－ｉ－ｎダイオードの電気部分と光学部分
とを生成するためのスタック１３００を示している。超格子は、やはり、二元ウルツ鉱型ＧａＮ層１２０７とＡｌＮ層１２０９と金属－極性成長とを有する単位格子から作られている。しかしながら、スタック１３００は、意図的にドープされていない、追加的なｉ型ＳＬ（ｉ：ＳＬ）を備える。ｉ：ＳＬは、ｎ：ＳＬ上に形成されている。ｉ：ＳＬは、ｎ：ＳＬが吸収することができるエネルギーよりも著しく小さい光の発光エネルギーを達成するように、特に調整されている（つまり、ｎ：ＳＬの吸収端は、ｉ：ＳＬの発光エネルギーよりも大きいエネルギーを有するように設計されている）。たとえば、ｎ：ＳＬは、１ＭＬ ＧａＮと２ＭＬ ＡｌＮとを、５０反復で有する単位格子１３１０から成る。その後、ｉ：ＳＬは、２ＭＬ ＧａＮと４ＭＬ ＡｌＮとを、２５反復で備える単位格子１３１１を選択することによって、約２４６ｎｍの発光エネルギーを有するように選択される。しかしながら、より長い周期またはより短い周期を、ｎ：ＳＬの作成とｉ：ＳＬの作成との両方で使用することができる。
ｎ：ＳＬとｉ：ＳＬとの両方は、同じ平均合金組成、すなわち、ｘａｖｅ＿ｎ＝２／３とｘａｖｅ＿ｉ＝４／６＝２／３（つまり、ｘａｖｅ＿ｎ＝ｘａｖｅ＿ｉ）とを有する。したがって、分極電荷は、平衡を保たれ、ｐ型挙動またはｎ型挙動を誘導しない。これは、電子と正孔との改善された再結合領域をデバイス内に作るために、特に有利である。グレーディングＳＬ（ｉ：ＣＳＬ）は、ＷＢＧ平均組成からＮＢＧ平均組成に変化する単位格子を用いて形成される。ｉ：ＣＳＬ単位格子厚は、ほぼ一定に保たれ、３ＭＬ ＧａＮと６ＭＬ ＡｌＮとの単位格子と同等である。各連続する単位格子内の層の厚さは、２／３≦ｘａｖｅ＿ＣＳＬ（ｚ）≦０という所望のグレーディングプロファイルを成長軸１２０５に沿って達成するために、厚さを１／２ＭＬずつ増加させて変えられる。これは、わずか１８単位格子で達成され得るが、より少ない単位格子またはより多い単位格子も使用することができる。
図１３Ｂは、ｎ：ＳＬ１３１０とｉ：ＳＬ１３１２とｉ：ＣＳＬ１３１４との中の空間的エネルギー帯構造を、任意のｐ型ＧａＮ領域１３１６にと共に示している。ｉ：ＣＳＬは、フェルミエネルギーへのＨＨ価電子帯の固定を誘導する。
スタック１３００内の誘導キャリア密度が図１３Ｃに示されており、大きな、電子キャリア密度１３１８及びＨＨキャリア密度１３２２が、空間的に生成されている。ｐ型ＧａＮ領域１３２６内の意図的ドープ密度は、デバイスの空乏領域１３２０と共に示されている。
図１３Ｄは、励起子発光に対する、計算による空間的な導電とＨＨとの重なり積分（つまり、振動子強度）を示している。励起子発光は、ｉ：ＳＬと重なる領域１３３０に明らかに局所化されている。ＮＢＧ組成を備えるｉ：ＣＳＬの大部分による分極誘導透明領域１３３２は、重なり積分に大きく寄与していない。
図１３Ｅは、スタック１３００の発光スペクトラムを示しており、主ピーク１３３８は、ｉ：ＳＬにより、より小さな寄与１３４０は、ｉ：ＣＳＬ領域による。ｎ：ＳＬは、１３３６と表示された特徴を作り、それは、通常、位相空間吸収／発光クエンチングにより抑えられている（つまり、全ての状態が完全に占領されており、インプレーン波動ベクトルｋ｜｜～０に対する位相空間吸収充填により、光学的プロセスに参加することができない）。
図１４は、好適にはサファイアなどの透明基板である基板１４２０と、バッファ層及び／または転位フィルタ層１４３０と、一定周期と一定ｘａｖｅとのｎ型超格子（ｎ：ＳＬ）という形態のｎ型領域１４４０と、ｉ型超格子（ｉ：ＳＬ）という形態の勾配領域１４５０と、ｐ型超格子（ｐ：ＳＬ）またはバルク型接触領域１４６０と、金属接点１４７０
及び金属接点１４７２と、光窓１４８０と、を有するＬＥＤ構造１４００を示している。
光λＬは、光窓１４８０から発光され得、光λＳは、基板１４２０を通って発光され得る。さらに、光は、構造から、端部発光ベクトルλＥを介して逃げることができる。成長軸（ｚ）に沿った金属－極性配向上に成長した線形チャープ勾配領域１４５０では、勾配領域１４５０は、より長い波長の光λＬを、光窓を通して発光し、一方で、より短い波長の光λＳは、基板を通して発光される。これは、勾配領域１４５０によって提供される、空間的に変化する有効バンドギャップ領域内での光の発光に対する「光ダイオード」効果の直接の結果であり、ＤＵＶ ＬＥＤアプリケーションには特に有益であり得る。
別の勾配パターン成長シーケンスは、ｘａｖｅの２層ペア定数を保ちながら、周期厚を、成長軸に沿った距離の関数として変化させることである。このような構造は、ｎ型領域とｐ型領域との調整可能な光学特性を別々に形成して、ｉ型領域内で再結合するために使用され得る。つまり、ｘａｖｅを一定に保つが、超格子の周期を変化させることによって、
［ｎ：ＳＬ ｘａｖｅ１、Λ１］／［ｉ：ＳＬ ｘａｖｅ２、Λ２］／［ｐ：ＳＬ ｘａｖｅ３、Λ３］
という形式のＬＥＤスタックの光学特性を調整することが可能であり、
各超格子の有効Ａｌ％は、ｘａｖｅ１＝ｘａｖｅ２＝ｘａｖｅ３＝定数であるように、ｐ－ｎ構造を通して一定に保たれ、成長方向（ｚ）から独立している。この場合は、平均合金組成が保たれるため、誘導ｐ型領域または誘導ｎ型領域を作らない。
単位セルを繰り返す超格子の周期、たとえば、（Λ１＝Λ３）＜Λ２は、ｘａｖｅ１＝ｘａｖｅ２＝ｘａｖｅ３であるように作られ、したがって、ｉ：ＳＬは、ｐ：ＳＬとｎ：ＳＬとのうちの少なくとも１つの対応するｎ＝１遷移よりもエネルギーが小さい、ｎ＝１電子とヘビーホール価電子帯との間の量子化エネルギー遷移を有する。利点は、超格子単位格子（たとえば、２層ＡｌＮ／ＧａＮペア）のインプレーン格子定数の効果的な格子整合であり、それは、ひずみの蓄積を軽減し、不整転位による欠陥密度を減少させる。
上記の実施例の延長は、広帯域発光デバイスを形成するためのキャリアミニバンド注入と再結合とに適切な線形チャープバンド構造を形成するための、ｉ：ＳＬの周期の準連続的な変化である。
［ｎ：ＳＬ ｘａｖｅ１＝定数、Λ１＝定数］／［ｉ：ＳＬ ｘａｖｅ２（ｚ）、Λ２（ｚ）］／［ｐ型ＧａＮ］
を示している、図１４のＬＥＤ構造を考える。
ｉ：ＳＬ領域の組成は、成長軸に沿って、単位格子を備える異なる組成層の厚さの割合によって制御される平均合金組成を用いて、変えられる。ＧａＮとＡｌＮとの２つの二元組成物の場合では、単位格子の平均Ａｌモル分率は、本明細書では、ｘａｖｅ＝ＬＡｌＮ／（ＬＧａＮ＋ＬＡｌＮ）として定義され、ＡｌｘａｖｅＧａ１－ｘａｖｅＮという同等バルク状整列合金を表している。周期から周期の単位格子厚ΛＳＬ＝（ＬＧａＮ＋ＬＡｌＮ）も、変えられ得る。このような場合では、各単位格子の平均合金組成は、誘導ｎ型領域または誘導ｐ型領域を達成するために必要な、または分極の平衡を保ち、帯端のゆがみを防ぐために必要な、勾配または傾向を、成長軸に沿って守る。
図１５は、チャープ周期と一定のｘａｖｅ超格子構造とを有する勾配領域１５００に対する、さらなる勾配パターン成長シーケンスを示している。部分（Λ１ ＳＬ－Λ４ ＳＬ）の各々は、同期が増加しながら変化する、４つの順番に積み重ねられた超格子を有する、Ｎｐ＝２５の反復を備える。各超格子の平均合金含有量は、一定に保たれている。しかしながら、各スタック内の単位格子の周期は、厚さを変えることによって変えられる。
多くの基板は、ウルツ鉱型ＩＩＩ－Ｎエピタキシー、すなわち、（ｉ）ネイティブ基板と（ｉｉ）非ネイティブ基板と、を達成するために調査されてきた。現在、バルクネイティブＧａＮ基板及びバルクネイティブＡｌＮ基板は、存在する、しかしながら、それらは、非常にコストが高く、小さなウエハ径としてのみ利用可能であり、それは、たとえば、ＬＥＤや電力トランジスタなどの高ボリュームアプリケーションへの広い普及を大幅に制限している。
非ネイティブ基板は、ＩＩＩ－Ｎエピタキシーでは最も普及しており、単なるコスト削減と大きなウエハ径以外の他の利点を提供している。ＩＩＩ－Ｎエピタキシーに対して最も人気のある非ネイティブ基板は、サファイア及びシリコンである。たとえば、ＭｇＯ、ＣａＦ２、及びＬｉＧａＯなどの、多くの他の非ネイティブ基板が存在する。
サファイアは、機械的硬度と、深ＵＶ光透過性と、非常に広いバンドギャップと、その絶縁特性とにより、高Ａｌ％ＩＩＩ－Ｎエピタキシーのための、強力な商業的及び技術的な有用性を提供する。サファイアは、ＣＺなどのバルク結晶成長法を使用して容易に成長し、非常に高品質な構造品質単結晶ウエハとして製造可能であり、主に、ｒ面、ｃ面、ｍ面、及びａ面で利用可能である。Ｃ面サファイアは、ＩＩＩ－Ｎエピタキシーに適合する、重要なテンプレート面である。
多くの研究がｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ／ｃ面Ａｌ２Ｏ３についてなされたにもかかわらず、これらの金属酸化物表面上のＩＩＩ－Ｎのエピタキシャル品質をさらに改善するための大きな機会がまだ存在する。多くの試みが、ｒ面とａ面とｍ面とのサファイア上の、半極性ＩＩＩ－Ｎエピタキシーと非極性ＩＩＩ－Ｎエピタキシーとに対して行われ、限定的な改善が、六方晶系ｃ面サファイアを使用して見つけられた。
本明細書で説明するアプリケーションでは、高品質な金属－極性ＩＩＩ－Ｎ膜または窒素－極性ＩＩＩ－Ｎ膜を達成するための、ｃ面サファイア面を作成するための好適な方法がある。ウルツ鉱型結晶と亜鉛鉱型結晶とは異なり、サファイアは、より複雑な結晶構造を有する。サファイアは、ゆがんだ２層のＡｌ原子を間に挟んだ酸素面を備える、複雑な１２単位格子によって表される。さらに、ｃ面サファイアは、ｒ面サファイアよりもさらに高い機械的硬度を示し、したがって、研磨ダメージ、または研磨による加工硬化は、原子的原始表面種の生成を容易に妨げる。化学洗浄を使用して汚染物質のない表面を作成することができ、バルクサファイア基板が優れた単結晶品質を示すにもかかわらず、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）によって調査された表面は、ｃ面サファイアの特徴を示し、それは、常に、原子的に粗く、非均質な表面であることを示す。サファイアの表面の段差は、また、混合酸素領域と原子結晶領域とを容易に露出し、それらは、エピタキシー中にＩＩＩ－Ｎ極性を開始することに直接影響を与え、通常、転極ドメイン（ＰＩＤ）という結果になる。
開始テンプレートの第１の表面は、実質的に原子的に平坦で均質な表面終端種で終わり得る。たとえば、バルクＳｉ（１１１）配向面は、均質な基板組成、すなわち、Ｓｉ原子によるエピタキシャル極性制御の改善を可能にする。Ｓｉ面への注意深い初期エピタキシャル膜堆積によって、Ａｌ極性ＡｌＮエピタキシャル成長またはＮ型極性ＡｌＮエピタキシャル成長を誘導することが可能である。
図１６は、意図的に反転されているが、それ以外は横方向に均質な、窒素極性領域１６００と極性反転面１６２０と金属極性領域１６４０とを備える、ＩＩＩ－Ｎ複雑構造の極性型を示している。全体構造は、複数の横方向に置かれた領域を、実質的に異なる極性型スラブのエピタキシャル成長シーケンス内に含むように設計され得る。つまり、第１極性
ｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ領域は、開始テンプレート上に成長させられる。その後、第１極性領域の最終面は、第２極性ｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ領域が反対の極性型領域になるように、変更または設計される。複数の分極型領域は、したがって、ＩＩＩ－Ｎ特徴スラブの各々の極性を効果的に反転させることによって形成され得る。
最終ｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ領域面の極性型反転は、界面活性剤型の吸着原子で覆われた、強飽和面を使用して可能である。幾何学的フラストレーションは、結果として生じる表面を有利に再構築するために使用され、その表面は、それ以降に堆積させるＩＩＩ－Ｎ面に対する所望の極性の型を達成するために好適である。２Ｄ ＩＩＩ－Ｎスラブ内で均質な極性の型を示す多層エピタキシャル構造のそのような転極は、単極性型エピタキシャルデバイスの性能を向上させた、新しいデバイス構造を作成するために有利である。たとえば、表面層の極性の反転は、金属抵抗接触のショットキー障壁制限を、極性ｗｚ－ＩＩＩ－Ｎ物質まで下げるために有利に使用され得る。極性の型を反転させた２層は、縮退ドープトンネル接合として動作し、ＩＩＩ－Ｎデバイスの性能を改善する。
分極型反転構造は、より複雑な構造に拡張され得、さらに周期的であり得る反転変調構造を形成する。そのような構造は、デバイスの極性特性を強化すること、またはインビルト分極場を著しく減少させることのいずれかのために使用され得る。これは、非極性物質を、ｃ軸に沿って成長したウルツ鉱型膜を使用して生成するための、新しい方法を提示する。
図１７は、勾配領域を有する半導体構造を形成するための、大まかなフロー図を示している。まず、勾配パターン成長シーケンスが選択され（ステップ１０）、その後、適切な基板が選択され（ステップ２０）、最後に、選択された勾配パターンが、基板上に形成される（ステップ３０）。勾配パターン成長シーケンスは、それが、ＷＢＧからＮＢＧに、またはＮＢＧからＷＢＧ物質に、成長軸（ｚ）に沿って遷移するように、選択される（ステップ１０）。バッファ領域または転位フィルタ領域などの追加的な層も、また、所望の構造により成長させられ得る。
図１８Ａは、ｐ型ＧａＮ接触領域１８２０という形態の任意のｐ型ＧａＮ領域と、ｐ型超格子（ｐ：ＳＬ）領域１８４０と、ｉ型超格子（ｉ：ＳＬ）領域１８６０と、ｎ型超格子（ｎ：ＳＬ）領域１８８０と、を有する半導体構造１８００を示している。ｐ：ＳＬ領域１８４０、ｉ：ＳＬ領域１８６０、及び／またはｎ：ＳＬ領域１８８０の各々は、ＳＰＳＬの形態であってよい。
ｉ：ＳＬ領域１８６０と、ｐ：ＳＬ領域１８４０またはｐ型ＧａＮ接触領域１８２０との間のヘテロ界面は、特に懸念され、それは、電子の移動度及び注入効率が、正孔のものよりもさらに高く、ｉ：ＳＬ領域１８６０を抜ける電子のオーバーシュートになり、したがって、ｉ－ｐ界面近くで、より高い再結合になる。これは、約３６０ｎｍでの光学発光特性によって、実験的に確認されている。加えて、ｐ：ＳＬ領域１８４０内のＭｇドーパントの高密度は、また、非放射再結合場所としての役割を果たすことができる。分極電荷を使用してバンド構造を変えるために、特定の超格子組成とグレーディング／チャープ超格子とを選択することによって、再結合を、全ての非放射再結合場所から離して、アクティブまたは領域の中心に向かって移動させることが有益であることが分かっている。
さらに、多数のバルク状構造と量子井戸構造とに基づいた、先行技術のＬＥＤデバイスにおける電子透過は、高く、通常、電子ブロッキングポテンシャル障壁を、デバイスのｐ型側に導入することによって減少させられる。本方法における電子ブロッキングは、導電ミニバンドと、超格子ポテンシャルによるＡｌＮ導電端上の超伝導状態とによって、自動的に達成される。超格子ポテンシャルは、デバイス内での成長軸に沿った輸送のための電
子エネルギーフィルタとしての役割を果たす。
図１８Ｂは、半導体デバイス１８００の帯エネルギー帯構造を示している。図１８Ｂから図１８Ｈの空間的エネルギー帯図は、超格子領域を、それらの同等なｎ＝１量子化固有エネルギー遷移として表し、したがって、ＳＬの同等整列合金を表している。
２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子から成る複雑な半導体構造を、上記で説明した。いくつかの実施形態では、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第１のものは、組成のより大きな変化を、成長軸に沿って有することができ、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第２のものは、組成のより小さな変化を、成長軸に沿って有することができる。たとえば、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第１のものは、大きなｐ型伝導率を誘導し、２つ以上の隣接する半導体構造及び／または半導体超格子のうちの第２のものは、小さなｐ型伝導率を誘導する。
図１８Ｂは、ｐ：ＳＬ領域１８４０全体のヘビーｐ型分極ドーピングという結果になる、組成のより大きな変化（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６から０）を有して、ｐ：ＳＬ領域１８４０が、チャープまたはグレーディングされていることと、低い正孔注入効率を補うために、ライトｐ型バルク分極ドーピングを真性領域に誘導する組成が、下から上にかけて減少する（たとえば、組成ｘａｖｅ＝０．６６から０．６）ように、ｉ：ＳＬ領域１８６０がチャープされていることと、ｎ：ＳＬ領域１８８０が、高いＡｌ含有量（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６という均一な組成を有する、１ＭＬ ＧａＮ：２ＭＬ ＡｌＮというＳＬ）を有するということと、を示している。
組成の急激な変化は、領域間の界面のうちのいずれにおいても無く、それにより、分極誘導シート電荷をなくし、バンドオフセットによる障壁をなくし、また、格子定数の急激な変化がないために、より高い品質の界面という結果をもたらすことができる。ｐ：ＳＬ領域とｉ：ＳＬ領域とにおける分極ドーピング密度は、領域の全体的な厚さを変えることによって、または組成をそれらの界面において変えることによってのいずれかで、変えられ得る。たとえば、ｉ：ＳＬ／ｐ：ＳＬ界面における組成を、（０．６から）０．５に変えることは、ｉ：Ｓ領域内のｐ型ドーピングを増加させ、ｐ：ＳＬ領域内のそれを減少させる。ｐ：ＳＬ領域の厚さを（たとえば、２５ｎｍに）減少させることは、ｐ：ＳＬ領域内のドーピング密度を、ｉ：ＳＬ領域を変更せずに、増加させる。
図１８Ｃは、半導体デバイス１８００の帯エネルギー帯構造を示しており、ｐ：ＳＬ領域１８４０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）であり、ｉ：ＳＬ領域１８６０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）であり、ｎ：ＳＬ領域１８８０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）である。全ての超格子領域が同じ組成を有しているため、ｐ：ＳＬ／ｐ型ＧａＮ界面を除き、分極効果はない。この設計の利点は、ｐ：ＳＬ領域及びｉ：ＳＬ領域が格子整合である（つまり、ひずみ層を備える単位格子のインプレーン格子定数が、等しい）ことであり、したがって、非放射再結合場所としての役割を果たすこの界面において、欠陥がより少ないことである。ｐ：ＳＬ／ｐ型ＧａＮ界面における強いｐ型分極ドーピングと比較して、ｐ：ＳＬ領域におけるドーピングは、図１８Ｃに示す通り、比較的効果が小さい。
図１８Ｄは、半導体デバイス１８００の帯エネルギー帯構造を示しており、ｐ：ＳＬ領域１８４０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．２）であり、ｉ：ＳＬ領域１８６０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）であり、ｎ：ＳＬ領域１８８０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）である。ｐ：ＳＬ領域１８４０の組成は、ｉ：ＳＬ領域１８６０よりも低く（たとえば、２ＭＬ ＧａＮ：４ＭＬ ＡｌＮのｉ：ＳＬ、及び６ＭＬ Ｇ
ａＮ：２ＭＬ ＡｌＮのｐ：ＳＬ）、ｉ：ＳＬ／ｐ：ＳＬ界面とｐ：ＳＬ／ｐ型ＧａＮ界面とのｐ型分極ドーピングという結果になり、それにより、価電子帯を、図１８Ｄに示す通り、ｐ：ＳＬ領域１８４０のいずれかの側で、フェルミエネルギー準位の上に固定する。これにより、正孔リザーバが、ｉ：ＳＬ／ｐ：ＳＬ界面において形成する。図１８Ｃで例示した形態とは異なり、インプレーン格子定数のいくらかの変化が、これらの単位格子間でまだあるが、ｐ：ＳＬ領域１８４０のｐ型分極ドーピングは、完全に格子整合したｐ：ＳＬ領域１８４０よりも、より有益になり得る。上記の場合は、ｐ：ＳＬを圧縮の状態で有する。
図１８Ｅは、半導体デバイス１８００の帯エネルギー帯構造を示しており、ｐ：ＳＬ領域１８４０は、チャープ（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６～０）されており、ｉ：ＳＬ領域１８６０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）であり、ｎ：ＳＬ領域１８８０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）である。ｉ：ＳＬ領域１８６０とｐ型ＧａＮ領域１８２０との間のｐ：ＳＬ領域１８４０のチャーピングまたはグレーディングは、ｐ：ＳＬ領域１８４０を通るｐ型伝導率を増加させ、正孔注入を改善する、界面の各々でのシート電荷よりも、ｐ：ＳＬ領域１８４０のバルクｐ型分極ドーピングを引き起こす。それは、また、ｉ：ＳＬ／ｐ：ＳＬ界面とｐ：ＳＬ／Ｐ：ＧａＮ界面とにおけるバンド不連続をなくし、正孔注入効率をさらに増加させるという利点を有する。これは、格子定数の急激な変化がないために、ｐ：ＳＬ領域１８４０全体ではなく、ｉ：ＳＬ／ｐ：ＳＬヘテロ界面での転位密度を減少させることができる。
ｐ：ＳＬ領域１８４０におけるＰ型分極ドーピングは、非常に高く（～５ｘ１０１８ｃｍ－３）、バンド構造及び正孔密度は、ｐ：ＳＬ領域１８４０がＭｇで意図的ドープされているかにかかわらず、ほぼ同一である。したがって、この設計の変形は、チャープｐ：ＳＬ領域１８４０内の意図的Ｍｇドーピングを除去し、それは、本質的に、真性領域または非意図的ドープ領域として成長する。混乱を避けるために、この領域は、それがまだ分極ドープｐ型であるために、誘導ｐ：ＳＬ領域と呼ばれる。分極誘導ドーピング密度は、組成の変化と、領域がグレーディングされる距離と、に依存する。そのため、組成変化が、いずれかの側の領域によって戻された場合、ドーピング密度は、グレーディング領域の厚さを減らすことによって、増加され得る。この設計は、Ｍｇ不純物ドーパントを再結合領域の近くから除去し、それにより、移動度を高め、非放射再結合を減らすことができる、という利点を有する。一般に、ｐ：ＳＬのＭｇドーピングは、ｎ：ＳＬとｉ：ＳＬほど高い構造品質を達成せず、それは、Ｍｇドーパントが、置換的に合体し、原子的に粗い層になることを可能にするために、ｐ：ＳＬが窒素リッチに成長されなければならないからである。ｐ：ＳＬ領域１８４０を、必要なＭｇなしに成長させることができる場合、その構造品質を改善することができ、したがって、所望のデバイス性能を有利に向上させることができる。
図１８Ｆは、半導体デバイス１８００の帯エネルギー帯構造を示しており、ｐ：ＳＬ領域１８４０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６）であり、ｉ：ＳＬ領域１８６０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６）であり、ｎ：ＳＬ領域１８８０は、均一（たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６）である。それを、図１８Ｃに示した格子整合構造と比較する。ｉ：ＳＬ領域１８６０の組成は、ｎ：ＳＬ領域１８８０よりも低くなるように選択されている。より低いｉ：ＳＬ領域１８６０の組成は、ｎ：ＳＬ／ｉ：ＳＬ界面のｐ型分極ドーピングを引き起こし、それにより、真性領域内にエネルギー帯を生じさせ、図１８Ｆに示す通り、真性領域正孔密度を増加させる。これは、チャープｉ：Ｓ領域構造の単純化であるが、真性領域内の正孔密度を増加させるという同様の結果を達成する。これは、層が全て均一であるために、より単純な成長を可能にする。
図１８Ｇ及び図１８Ｈは、半導体デバイス１８００の帯エネルギー構造を示しており、
ｐ：ＳＬ領域１８４０は、チャープ（たとえば、ｘａｖｅ＝０．５～０．１）されており、ｉ：ＳＬ領域１８６０は、チャープ（たとえば、ｘａｖｅ＝０．７～０．６）されており、ｎ：ＳＬ領域１８８０は、均一（たとえば、ｘ＝０．６６）である。図１８Ｇは、ｎ：ＳＬ／ｉ：ＳＬ界面において意図的に導入された２Ｄ分極シート電荷を有し、図１８Ｈは、ｉ：ＳＬ／ｐ：ＳＬ界面において意図的に導入された２Ｄ分極シート電荷を有する。界面のうちの１つまたは複数における小さな組成変化は、シート分極電荷を誘導するために導入されている。たとえば、ｉ：ＳＬ領域１８６０の上部が、０．６の組成を有し、ｐ：ＳＬ領域１８４０の下部が、０．５の組成を有する場合、界面は、ｐ型分極ドープされ、それは、二次元正孔ガス（２ＤＨＧ）を誘導することができる。同様に、ｉ：ＳＬ領域１８６０の下部が、６６％ｎ：ＳＬ領域１８８０上に０．７の組成（つまり、ｘａｖｅ＝０．６６）を有する場合、小さなｎ型シート電荷が誘導される。このヘビーシートドーピングは、注入効率を改善し、キャリアオーバーシュートを減少させるための、キャリアのリザーバを提供するのに有益であり得る。それは、また、２ＤＨＧ内における高い横方向移動度による電流の拡散を改善することができる。
半導体構造１８００の他の変形も、実装することができる。たとえば、ｉ：ＳＬ領域のみを、ライト誘導ｐ型分極、たとえば、ｘａｖｅ＝０．６６からｘａｖｅ＝０．５５にチャープして、均一ｐ：ＳＬ領域１８４０を成長させることができる。反対方向へのチャープ（つまり、高Ｇａ含有量から低Ｇａ含有量）は、ｐ型の代わりにｎ型分極ドーピングを誘導することができる。これは、電子リザーバとして動作する非常にヘビーなドープ層を提供するために、ｎ：ＳＬ領域１８８０の上部において使用され得る。ｎ型分極チャープは、また、横方向電流拡散層のｎ：ＳＬ領域１８８０内に埋もれた層をヘビードープするために、または抵抗接触形成のための高ドーピング領域を提供するために、有益であり得る。
ｐ型ＧａＮは、任意と考えられ、接触は、ｐ：ＳＬ領域１８４０に、直接され得る。これは、ｐ：ＳＬ領域１８４０が、動作波長において透明であり、ｐ型接点が反射である場合、光抽出効率を著しく高めることができる。チャープｐ：ＳＬでは、平均合金組成のグレーディングは、まだ十分に透明、たとえば、ｘａｖｅ＝０．４の組成において単に終わり、直接接触され得る。しかしながら、これは、チャープを実行し、したがって、ポテンシャル分極ドーピングを減らすことができる組成範囲を、減らすことができる。
本発明は、広いアプリケーション、特にＤＵＶ ＬＥＤに関連したアプリケーションを有する半導体構造を有利に提供する。たとえば、本発明は、ＤＵＶ ＬＥＤの商業的開発を制限する制約の多くを、有利に克服し、または少なくとも減らす。
本発明は、本発明の好適な実施形態であるダイオードと、ＬＥＤに関して主に説明されたが、文脈が許す場合、他の半導体構造及びデバイスが考慮され得る、ということを理解するものである。
本明細書では、「超格子」という用語は、２つ以上の層を含む複数の反復単位格子を備える層構造を指し、単位格子内の層の厚さは、隣接する単位格子の対応する層間で著しい波動関数侵入があるように十分に小さく、電子及び／または正孔の量子トンネリングが容易に発生するようにする。
本明細書では、第１の及び第２の、左の及び右の、上部の及び下部の、及び同様なものなどの形容詞は、ある要素または動作を、別の要素または動作から区別するためのみに使用され得、必ずしも、実際のそのような関係または順序を必要とせず、または暗示しない。文脈が許す場合、整数または構成要素またはステップ（または同様なもの）への言及は、その整数、構成要素、またはステップのうちのただ１つに限定されると解釈されるもの
でなく、むしろ、その整数、構成要素、またはステップなどのうちの１つまたは複数であり得る。
本発明のさまざまな実施形態の上記の説明は、関連技術分野における通常の技術を有する人への説明の目的のために提供されている。それは、網羅すること、または、本発明を１つの開示の実施形態に限定すること、を意図していない。上述の通り、本発明の対する多数の変更物及び変形物が、上記の教示の当業者にとっては明白である。したがって、いくつかの代替的な実施形態を具体的に説明したが、他の実施形態が明白であり、または当業者によって容易に開発される。本発明は、本明細書で説明した本発明の全ての代替物と変更物と変形物と、上記で説明した発明の趣旨と範囲との中に含まれる他の実施形態と、を包含することを意図している。
本明細書では、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語、または同様の用語は、非排他的包含を意味することを意図しており、要素の一覧を備える方法、システム、または装置は、それらの要素のみを含むのではなく、一覧にない他の要素もまた含むことができる。
本明細書での任意の先行技術への参照は、その先行技術が、普及している一般常識の一部を形成している、ということを示唆する知識または任意の形態でなく、そうみなされるべきでない。

Claims (18)

  1. 半導体構造であって、
    ｐ型超格子領域と、
    ｉ型超格子領域と、
    ｎ型超格子領域とを備え、
    分極の急激な変化が各領域間の界面において無く、
    前記ｐ型超格子領域と前記ｉ型超格子領域と前記ｎ型超格子領域とのうちの少なくとも１つが、第１のワイダーバンドギャップ（ＷＢＧ）物質に対応する第１の平均組成から第１のナロワーバンドギャップ（ＮＢＧ）物質に対応する第２の平均組成への、または、第２のＮＢＧ物質に対応する第３の平均組成から第２のＷＢＧ物質に対応する第４の平均組成への、成長軸に沿う平均組成の単調変化を示す複数の単位セルを含み、
    前記複数の単位セルのうちの各単位セルは、少なくとも、第１の異なる層と第２の異なる層とを含み、
    前記第１の異なる層は第１の実質的に単結晶半導体を含み、
    前記第２の異なる層は第２の実質的に単結晶半導体を含み、
    前記第１および第２の実質的に単結晶半導体は極性結晶構造を含み、前記半導体構造の成長軸は前記極性結晶構造の自然分極軸に実質的に平行である、半導体構造。
  2. 前記ｐ型超格子領域は、
    陽イオン－極性結晶構造を含み、前記ｐ型超格子領域において、前記単位セルの平均組成の単調変化は、前記成長軸に沿って前記第１の平均組成から前記第２の平均組成に単調に変化する、または、
    陰イオン－極性結晶構造を含み、前記ｐ型超格子領域において、前記単位セルの平均組成の単調変化は、前記成長軸に沿って前記第３の平均組成から前記第４の平均組成に単調に変化する、請求項１に記載の半導体構造。
  3. 前記陰イオン－極性結晶構造は窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造であり、
    前記陽イオン－極性結晶構造は金属－極性結晶構造である、請求項２に記載の半導体構造。
  4. 前記ｎ型超格子領域は、
    陽イオン－極性結晶構造を含み、前記ｎ型超格子領域において、前記単位セルの平均組成の単調変化は、前記成長軸に沿って前記第３の平均組成から前記第４の平均組成に単調に変化する、または、
    陰イオン－極性結晶構造を含み、前記ｎ型超格子領域において、前記単位セルの平均組成の単調変化は、前記成長軸に沿って前記第１の平均組成から前記第２の平均組成に単調に変化する、請求項１に記載の半導体構造。
  5. 前記陽イオン－極性結晶構造は金属－極性結晶構造であり、
    前記陰イオン－極性結晶構造は窒素－極性結晶構造または酸素－極性結晶構造である、請求項４に記載の半導体構造。
  6. 前記単位セルの平均組成の単調変化は、前記成長軸に沿う段階的な変化を含む、請求項１に記載の半導体構造。
  7. 前記平均組成の単調変化を示す前記複数の単位セルの厚さは前記成長軸に沿って一定である、請求項１に記載の半導体構造。
  8. 前記ｐ型超格子領域は前記ｉ型超格子領域に隣接し、
    前記ｉ型超格子領域は前記ｎ型超格子領域に隣接する、請求項１に記載の半導体構造。
  9. 前記単位セルの平均組成は、前記第１の異なる層の厚さ、前記第２の異なる層の厚さ、または前記第１および第２の異なる層双方の厚さを変化させることによって変化する、請求項１に記載の半導体構造。
  10. 前記第１もしくは第２の異なる層の、または、前記第１および第２の異なる層の組成は、
    窒化ガリウム（ＧａＮ）、
    窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、
    窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１－ｘＮ）、式中０≦ｘ≦１、
    窒化ホウ素アルミニウムＢｘＡｌ１－ｘＮ、式中０≦ｘ≦１、および
    窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌｘＧａｙＩｎ１－ｘ－ｙＮ）、式中０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、および０≦（ｘ＋ｙ）≦１、
    から選択される、請求項１に記載の半導体構造。
  11. 前記第１もしくは第２の異なる層の、または、前記第１および第２の異なる層の組成は、
    酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、
    酸化亜鉛（ＺｎＯ）、および
    酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ）、式中０≦ｘ≦１、
    から選択される、請求項１に記載の半導体構造。
  12. 前記第１および第２の異なる層は各々、各層内の電荷キャリアのド・ブロイ波長未満の厚さを有する、請求項１に記載の半導体構造。
  13. 前記第１および第２の異なる層は各々、弾性ひずみを維持するために必要な限界層厚以下の厚さを有する、請求項１に記載の半導体構造。
  14. 前記第１もしくは第２の異なる層、または、前記第１および第２の異なる層は各々、不純物ドーパントを含む、請求項１に記載の半導体構造。
  15. 前記ｐ型超格子領域に隣接するｐ型ＧａＮ領域をさらに備える、請求項１に記載の半導体構造。
  16. 基板と、
    前記基板に隣接するバッファまたは転位フィルタ領域とをさらに備え、
    前記ｐ型超格子領域または前記ｎ型超格子領域は、前記バッファまたは転位フィルタ領域に隣接し、
    前記ｉ型超格子領域は、前記ｐ型超格子領域と前記ｎ型超格子領域との間にある、請求項１に記載の半導体構造。
  17. 前記基板は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、シリコン基板、または窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、請求項１６に記載の半導体構造。
  18. 請求項１に記載の半導体構造を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、光は、前記ｉ型超格子領域から放出され、前記ＬＥＤから放出される前に前記ｎ型超格子領域または前記ｐ型超格子領域を通る、発光ダイオード（ＬＥＤ）。
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