JP2005217421A - 改善された高電流効率を有するｉｉｉ族窒化物発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 活性領域への電子及び正孔の閉じ込めが改善されたＩＩＩ族窒化物発光デバイスを提供する。
【解決手段】 発光半導体デバイスが、ＩＩＩ族窒化物の活性領域と、該活性領域の近くに形成され、ＩＩＩ族窒化物層内の歪みの緩和のために臨界厚さを超える厚さを有するＩＩＩ族窒化物層とを含む。ＩＩＩ族窒化物層は、例えば、キャリア閉じ込め層とすることができる。本発明の別の態様において、発光半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物発光層と、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）と、該発光層と該Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層との間に置かれるスペーサ層とを含む。スペーサ層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層及び内部の何らかの汚染物質を発光層から遠ざかるように有利に離間して配置することができる。ＩＩＩ族窒化物層の組成は、該ＩＩＩ族窒化物層の電界の強さを定めるように有利に選択することができ、これによりデバイスが光を発する効率が向上される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光デバイスに関し、より具体的には、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスの量子効率を改善することに関する。

ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、周期表のＩＩＩ族に由来する元素と窒素の半導体性の合金に基づいている。このようなＩＩＩ族窒化物デバイスの例には、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）ベースの発光ダイオード(ＬＥＤ)及びレーザーダイオード(ＬＤ)が含まれる。このようなＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、商業的に価値のある、例えば、紫外線光、青色光、及び緑色光の高輝度源である。
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ発光デバイスを形成するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ結晶は、一般的にウルツ鉱結晶構造をとり、よって、外部からバイアスを印加されない時でさえ分極されている。ＩＩＩ族窒化物発光デバイスについての重要な２つの種類の分極は、自発分極と圧電分極である。自発分極は、隣接するＩＩＩ族窒化物層の合金組成の差から生じる。圧電分極は、例えば、異なる組成の（よって異なる格子定数を有する）隣接する層によってＩＩＩ族窒化物発光層に与えられた歪みから生じる。分極の効果は、異なる合金組成のＩＩＩ族窒化物層の間の界面において、デバイス内の一定の電荷のシートを生成し、該層内に対応する電界を生成することである。これらの電界は、ここでは「分極電界」と呼ばれる。シート電荷及び電界の符号及び大きさは、結晶配向、層の歪み、及び層の合金組成によって定められる。

図１Ａ及び図１Ｂは、基板（図示せず）の上に形成されたｎ型ＧａＮ層２、活性領域４（障壁層６及び量子井戸層８を含む）、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ電子閉じ込め層１０、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１２を含む、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ発光デバイスの一部分の従来の模擬バンド構造図を示す。示される種々の層は、ウルツ鉱結晶構造からできており、該結晶のｃ軸は層にほぼ垂直であり、層２から層１２に向かって指向されている。模擬は、発光デバイスが、約２００アンペア／センチメートル²（Ａ／ｃｍ²）の順方向の電流密度で駆動されると仮定する。図１Ａ及び図１Ｂの水平方向軸は、層に垂直な方向のデバイスにおける位置を表す。層間の界面は、破線によって示される。図１Ａ及び図１Ｂの垂直方向軸は、種々の層における伝導バンドエッジＥ_c及び価電子バンドエッジＥ_vのエネルギーを表す。

図１Ａにおいて、模擬バンド構造は、ｎ型層２及び活性領域４における分極電界を説明するが、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ電子閉じ込め層１０内の自発分極及び圧電分極を無視する。したがって、この模擬は、物理的に現実的ではない。しかしながら、図１Ｂとの比較によって、この模擬は、従来技術のデバイスの閉じ込め層１０内に実際に存在する分極電界の重要性を示すのに役立つ。図１Ａに示されるような、活性領域４の量子井戸層及び障壁層におけるバンドエッジＥ_c及びＥ_vの傾斜は、こうしたＩＩＩ族窒化物発光デバイスの性能を劣化させるものとして以前より認識されてきた。例えば、本発明の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み入れられる、「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｇｒａｄｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｉｏｎ」という名称の、米国特許出願番号第０９／９１２，５８９号を参照されたい。同様に、国際特許出願ＷＯ０１／４１２２４ Ａ２も参照されたい。
図１Ｂにおいて、模擬バンド構造は、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ電子閉じ込め層１０における自発及び圧電分極電界、並びに層２及び活性領域４内の分極電界を説明する。特に、この模擬は、電子閉じ込め層１０と活性領域４との間の界面に位置する負のシート電荷と、該閉じ込め層１０とコンタクト層１２との間の界面に位置する正のシート電荷とを含む。

図１Ａ及び図１Ｂの比較は、図１ＢにおけるＡｌ_yＧａ_1-yＮ電子閉じ込め層１０の周りのシート電荷の影響が、電子が活性領域４から電子閉じ込め層内に拡散するのを阻止する電位エネルギー障壁１４の大きさを減少させることを示す。電子閉じ込め層１０の分極電界によるこの電子閉じ込めの減少により、図１Ｂに示される従来技術のデバイスの量子効率（出て行くフォトンと入ってくる電子の比）が、特に高い駆動電流密度の、図１Ａに示される仮定デバイス（層１０内に分極電界を有していない）の量子効率より低いものになる。
２つのデバイスの間の量子効率の差は、図１Ｂの従来技術のデバイスの量子効率１６及び図１Ａの仮定デバイスの量子効率１８が、順方向の駆動電流密度の関数としてプロットされる図１Ｃにおいて明らかである。これらの量子効率は、従来の技術によって模擬された。図１Ｃに示すように、約４００Ａ／ｃｍ²の順方向の電流密度において、電子障壁層１０が分極電界を有していない図１Ａの仮定デバイスは、電子障壁層１０が分極される図１Ｂの従来技術のデバイスの３倍効率的である。

活性領域のバンドエッジの傾斜が、図１Ａ及び図１Ｂのデバイスについてほぼ同じであるので、高駆動電流密度における、図１Ｂに示される従来技術のデバイスの量子効率の低下は、主として、電子閉じ込め層１０内の分極電界による電位障壁１４の高さの減少によるものである。本発明者らは、活性領域内の分極電界の影響と対照的に、電子閉じ込め層内の分極電界による電子閉じ込め、よって量子効率の減少は、これまで認識されなかったと考える。さらに、ｎ型正孔閉じ込め層内の分極電界も同様に、正孔閉じ込め、よって量子効率を減少させ得る。本発明者らは、後者の問題も認識されてこなかったと考える。

必要とされるのは、その活性領域への電子及び正孔の閉じ込めが改善されたＩＩＩ族窒化物発光デバイスである。

本発明の１つの態様において、発光半導体デバイスが、ＩＩＩ族窒化物の活性領域と、該活性領域の近くに形成され、ＩＩＩ族窒化物層内の歪みの緩和のために臨界厚さを超える厚さを有するＩＩＩ族窒化物層とを含む。ＩＩＩ族窒化物層は、例えば、キャリア閉じ込め層とすることができる。ＩＩＩ族窒化物層内の圧電分極を、その厚さの結果として減少させることができる。減少した分極は、デバイスが光を発する効率の有利な増加をもたらすことができる。
本発明の別の態様において、発光半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物発光層と、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）と、該発光層と該Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層との間にあるスペーサ層とを含む。スペーサ層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層及び内部の何らかの汚染物質を発光層から遠ざかるように有利に間隔をおいて配置することができる。ＩＩＩ族窒化物層の組成は、該ＩＩＩ族窒化物層の電界の強さを定めるように有利に選択することができ、これによりデバイスが光を発する効率が向上される。

図の大きさが必ずしも正確ではないことに注意すべきである。種々の図において、同じ参照番号は、種々の実施形態の同じ部品を示す。
分極電界が、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスの電子及び／又は正孔閉じ込め層において減少される幾つかの実施形態が開示される。その結果、これらのデバイスの活性領域における電子及び正孔の閉じ込めを改善することができる。このことにより、改善された量子効率を有するデバイスがもたらされる。記載されるＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、例えば、発光ダイオード又はレーザ・ダイオードにすることができる。

１つの実施形態（図２）において、ＩＩＩ族ＮベースのＬＥＤ２０が、サファイア基板２２、核生成層２４、任意のｎ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層、ｎ型ＩＩＩ族窒化物正孔閉じ込め層２６、ＩＩＩ族窒化物活性領域２８、ｐ型ＩＩＩ族窒化物電子閉じ込め層３０、及び任意のｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層３２を含む。活性領域２８は、１つ又はそれ以上の量子井戸層及び１つ又はそれ以上の障壁層を含む。活性領域２８は、任意のスペーサ層２７及び２９によって、電子閉じ込め３０、正孔閉じ込め層２６、又は両方から離間して配置することができる。Ｎ型オーミック電極３４は、ｎ型コンタクト層２３又はｎ型正孔閉じ込め層２６上に配置することができる。Ｐ型オーミック電極３６は、ｐ型コンタクト層３２又はｐ型電子閉じ込め層３０上に配置することができる。オーミック電極３４及び３６を横切る適切な順方向バイアスを印加することにより、活性領域２８から光が放出される。
例えば、従来の金属有機化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）技術によって、発光デバイス２０の種々の半導体層を付着させることができる。従来のフォトリソグラフィ、エッチング、及び付着技術を用いて、電極３４及び３６を形成することができる。

本発明者らは、緩和のために電子閉じ込め層３０を、その臨界厚さを超える厚さまで成長させることによって、該電子閉じ込め層３０内の圧電分極を有利に減少させ得ることを認識した。臨界厚さは、電子閉じ込め層３０において十分な転移を形成し、該電子閉じ込め層３０とその下にある層との間の格子の大きさの差によって、該電子閉じ込め層３０内にもたらされる歪みを実質的に緩和する厚さである。その臨界厚さより厚い層は、一般的に、従来技術において「緩和層」と呼ばれる。緩和のための臨界厚さは、特定の層の成長条件及び該層の合金組成によって決まる。例えば、Ｓｈｅｎ他及びＨｉｒｏｋｉ他によると、ｙ＝０．２であるＡｌ_yＧａ_1-yＮの層の臨界厚さは７００Åから９００Åまでであり、これらは、Ｂ．Ｓｈｅｎ、Ｔ．Ｓｏｍｅｙａ、Ｙ．Ａｒａｋａｗａによる「Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ ｂａｒｒｉｅｒ ｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ ｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、７６巻、ｐｐ．２７４６−２７４８（２０００年）、及びＭ．ｈｉｒｏｋｉ、Ｎ．Ｍａｅｄａ、Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉによる「Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｓａｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、２３７巻、ｐｐ．９５６−９６０（２００２年）に報告されている。Ｈｉｒｏｋｉ他によると、ｙ＝０．４であるＡｌ_yＧａ_1-yＮの層の臨界厚さは、およそ４００Åである。

幾つかの実施において、電子閉じ込め層３０は、その臨界厚さを超える厚さまで成長され、したがって、緩和層である。こうした実施において、電子閉じ込め層３０の両側におけるシート電荷の大きさは、自発分極だけによってもたらされる大きさまで減少される。結果としての大きさは、一般に、歪みの影響（すなわち、圧電分極）を含む値の約半分である。
１つの実施（図３Ａ）において、例えば、電子閉じ込め層３０は、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．２）から形成され、８００Åの厚さ（約７００Åのその臨界厚さより大きい）を有し、コンタクト層３２はｐ型ＧａＮから形成され、スペーサ層２９はｎ型ＧａＮから形成され、正孔閉じ込め層２６はｎ型ＧａＮから形成される。この実施において、活性領域２８は、ＧａＮ障壁層によって分離されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１２）量子井戸層を含む。しかしながら、活性領域２８の詳細な構造は重要でない。例えば、他の実施は、より多くの又はより少ないこうした量子井戸層及び障壁層を含む。図３Ａに示される実施において、電子閉じ込め層３０以外の各層は、その臨界厚さより薄い厚さに成長される。

図３Ａに示される模擬バンド構造は、示される層の全てにおける分極電界を説明し、発光デバイスが約２００Ａ／ｃｍ²の順方向電流密度で駆動されると仮定する。電子閉じ込め層３０の両側にかかるシート電荷の大きさは、自発分極だけによる値まで減少された。その結果、この実施における電子閉じ込め層３０は、図１Ｂに示される歪められた従来技術の電子閉じ込め層１０によって与えられるものより大きい電位障壁１４を、活性領域から出る電子の拡散に与える。
図３Ｂにおいて、図３Ａに示される新規なデバイスの量子効率５４及び図１Ｂに示される従来技術のデバイスの量子効率１６が、順方向の駆動電流密度の関数としてプロットされる。これらの量子効率は、従来の技術によって模擬された。２つの量子効率曲線の比較は、電子閉じ込め層における分極シート電荷の大きさの部分的減少（該電子閉じ込め層３０が緩和するのを可能にすることによって図３Ａのデバイスにおいて達成された）でさえも、大電流の量子効率を実質的に改善し得ることを示す。

他の実施において、正孔閉じ込め層２６は、その臨界厚さを超える厚さまで成長され、したがって、緩和層である。こうした実施において、正孔閉じ込め層２６の両側におけるシート電荷の大きさは、自発分極だけによってもたらされる大きさまで減少される。結果として、活性領域への正孔の閉じ込めが、緩和されたＩＩＩ族窒化物正孔閉じ込め層を用いない従来技術のデバイスに比べて有利に改善される。
幾つかの実施は、緩和された正孔閉じ込め層２６及び緩和された電子閉じ込め層３０の両方を含むことができる。

本開示と対照的に、一般に、デバイス内に注入される電子及び正孔のための非発光性再結合の中心を形成することによって、結果として生じる転位が該デバイスの量子効率を減少させると考えられるので、一般に、当業者であれば、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスの活性領域付近の如何なる層も、該層の臨界厚さを超える厚さまで成長させることを回避する。また、Ｈｉｒｏｋｉ他及びＳｈｅｎ他によって報告されるように、緩和された層内の又は該緩和された層付近の電子移動度が、ずっと低くなる傾向がある。本発明者らは、転位における非発光性再結合の可能性にもかかわらず、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスにおける緩和された閉じ込め層を使用することが有利であることを認識した。

本発明者らはまた、これらの層を、従来技術に用いられるようなＡｌ_yＧａ_1-yＮ合金からでなく、特定の組成のＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ四元合金から形成することによって、電子閉じ込め層３０及び／又は正孔閉じ込め層２６内の分極電界を有利に減少させ、排除し、又は符号を変え得ることも認識した。（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ四元合金は、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａの３つ全てを含む。すなわち、ｘ＞０、ｙ＞０、及びｘ＋ｙ＜１である。）四元Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ閉じ込め層の使用に対する付加的な利点は、例えば、これらを活性領域内のＧａＮ障壁層のようなＧａＮ層に格子整合できる点である。こうした格子整合は、改善された結晶化度の窒化物半導体層の形成を助ける。

図４は、ＧａＮ上に成長される四元Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層を横切る分極電界全体（圧電分極＋自発分極）の、メガボルト／センチメートル（ＭＶ／ｃｍ）の単位での大きさを示す。垂直方向軸上にあるのは、層内のアルミニウムのモル分率であり、水平方向軸上にあるのは、該層内のインジウムのモル分率である。中に数字を有する線は、電界の大きさの等高線である。垂直方向軸に沿って、インジウムがゼロのモル分率の場合（すなわち、Ａｌ_yＧａ_1-yＮの場合）が示される。垂直方向軸上のいずれの特定の点においても、右に水平方向に移動するにつれて、インジウムのモル分率は増加し、電界の大きさは減少し、最終的に符号が切り換わる。インジウム・モル分率の増加と共にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層内の歪みが圧縮から張力に変わる時に圧電分極の符号が変わるために、分極電界全体の符号の転換が起こる。自発分極及び／又は圧電分極が互いに打ち消しあう組成の場合は、分極全体はゼロである。（図４は、Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ他によるＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、ｐｐ．８８４９−８８５８、１９９９年から取られたものであり、そこでは図２として識別される。）

Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ閉じ込め層によってもたらされるキャリア拡散に対する電位障壁の高さは、層内の正味分極及びＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ材料のバンドギャップの両方によって影響され、インジウム・モル分率の増加と共に減少する。ＧａＮ層上に成長されるＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ閉じ込め層のエネルギーギャップの組成を有する変化及びＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ閉じ込め層の正味分極の組成を有する変化を示す。各層内の正味分極は、自発分極及び圧電分極の合計である。２つの層の間の正味分極の差が、該２つの層の間の界面におけるシート電荷をもたらす。正味分極の差が大きいほど、シート電荷が大きくなる。

幾つかの実施において、電子閉じ込め層３０（図２）が、層内の分極電界の強さを定めるように選択されたインジウムのモル分率を有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ四元合金から形成され、これにより、該層によってもたらされる電子拡散に対する電位障壁１４が増加される。こうした実施において、電子閉じ込め層３０の両側のシート電荷を排除し、大きさを減少させ、或いは符号を変えることができる。その結果、活性領域２８への電子の閉じ込め及び発光デバイス２０の量子効率を改善できる。適切なインジウム及びアルミニウム・モル分率は、これらに限られるものではないが、それぞれ０．３又はそれより少ない範囲、及び０．５又はそれより少ない範囲を含む。四元Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ閉じ込めの最適な組成は、閉じ込め電位を最大にすることによって定められる。閉じ込め電位は、シート電荷の減少及びエネルギーギャップの増加によって向上される。電子閉じ込め層として用いるのに有利なＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの組成は、およそ３．５ｅＶより大きいエネルギーギャップを有する何らかの組成である。さらに、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ電子閉じ込め層の組成は、該電子閉じ込め層の正味分極と隣接する層（活性領域の量子井戸、又は該電子閉じ込め層と該活性領域との間に配置されたスペーサ層）の正味分極との間の差が、約０．０２Ｃ／ｃｍ²より、より好ましくは約０．０１Ｃ／ｃｍ²より少なくなるように選択することができる。同じエネルギーギャップを有する四元ＡｌＧａＮ閉じ込め層と比較すると、何らかの量のインジウムを有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ閉じ込め層は有利である。

１つの実施において、例えば、閉じ込め層３０が、ｘ＝０．１０６及びｙ＝０．３であるＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮで形成される。この場合、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮｓ層のエネルギーギャップは、Ｙ＝０．２であるＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層のエネルギーギャップと同じであるが、分極により誘起されるシート電荷はより小さいものである。この実施のバンド構造が、図６Ａに示される。図６Ｂにおいて、図６Ａに示される新規なデバイス６０の量子効率及び図１Ｂに示される従来技術のデバイスの量子効率１６が、順方向の駆動電流密度の関数としてプロットされる。これらの量子効率は、従来の技術によって模擬された。２つの量子効率曲線の比較は、電子閉じ込め層内の正味分極シートと隣接する層内の正味分極（図１Ｂの従来技術のデバイスに示されるＡｌ_yＧａ_1-yＮ閉じ込め層と同じエネルギーギャップを有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの最適な組成を選択することによって、図６Ａのデバイスにおいて達成される）との間の差の部分的減少でさえも、大電流の量子効率を実質的に改善し得ることを示す。

別の実施において、閉じ込め層３０が、ｘ＝０．１１５及びｙ＝０．２であるＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮで形成される。この場合、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層のエネルギーギャップは、Ｙ＝０．０６であるＡｌ_yＧａ_1-yＮ層のエネルギーギャップと同じであるが、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層と隣接する層との間の正味分極の差は、ほぼゼロである。閉じ込め電位上のこの層の小さなエネルギーギャップの影響は、小さな分極シート電荷の影響によってオフセットされる。この実施のバンド構造が、図７Ａに示される。図７Ｂにおいて、図７Ａに示される新規なデバイス７０の量子効率及び図１Ｂに示される従来技術のデバイスの量子効率１６が、順方向の駆動電流密度の関数としてプロットされる。これらの量子効率は、従来の技術によって模擬された。２つの量子効率曲線の比較は、閉じ込め層のエネルギーギャップが従来技術のデバイスに一般的に用いられるものより小さい場合でさえも、電子閉じ込め層における分極のシート電荷の大きさの部分的減少が、大電流の量子効率を実質的に改善し得ることを示す。

同様に、幾つかの実施において、正孔閉じ込め層２６（図２）が、層内の分極電界の強さを定めるように選択されたインジウムのモル分率を有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ四元合金から形成され、これにより、該層によりもたらされる正孔拡散に対する電位障壁が増加される。こうした実施においては、正孔閉じ込め層２６の両側のシート電荷を排除し、大きさを減少させ、或いは符号を変えることができる。その結果、活性領域２８への正孔の閉じ込め及び発光デバイス２０の量子効率を改善することができる。分極によるシート電荷を小さくすることは、正孔閉じ込めにとって特に重要である。したがって、四元Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ正孔閉じ込め層の最適な組成は、３．５ｅＶより大きいエネルギーギャップを有するもの、及び該正孔閉じ込め層の正味分極と隣接する層の正味分極との間の差が、０．０２Ｃ／ｃｍ²、より好ましくは約０．０１Ｃ／ｃｍ²より少ないものである。

四元ＩＩＩ族窒化物閉じ込め層内のアルミニウムが、酸素と共にこれらの層の汚染を促進することがある。こうした酸素汚染物質が、四元ＩＩＩ族窒化物層内の電子及び正孔の非発光性再結合を増し、これにより該電子及び正孔が含まれる発光デバイスの量子効率が減少される。したがって、四元ＩＩＩ族窒化物閉じ込め層をデバイスの活性領域内の発光層（例えば、量子井戸）から離間して配置することが有利である。例えば、活性領域内に含まれるスペーサ層２７、２９を用いて、こうした離間配置を達成することができる。スペーサ層２７及び２９は、約５０オングストロームから約２００オングストロームまでの間の厚さを有することができる。通常の厚さは、約１００オングストロームである。スペーサ層２７及び２９は、通常ｎ型層であるが、幾つかの実施においては、スペーサ層２９をｐ型であってもよい。スペーサ層は、ＧａＮ、又はアルミニウム、インジウム、及びガリウムの窒化物三元合金としてもよい。例えば、図６Ａに示される実施において、ＧａＮスペーサ層２９は、電子閉じ込め層３０と量子井戸層８との間に配置される。同様に、図７Ａに示される実施において、ＧａＮスペーサ層２９は、電子閉じ込め層３０と量子井戸層８との間に配置される。しかしながら、他の実施において、四元ＩＩＩ族窒化物閉じ込め層を発光層と接触状態にしてもよい。

図８は、大型接合デバイス（すなわち、０．２平方ミリメートル以上の面積）の平面図である。図９は、軸ＤＤに沿って取られた、図８に示されるデバイスの断面である。図８及び図９は、図２、図３Ａ、図６Ａ、図７Ａに示され、上記で説明されたエピタキシャル構造４０のいずれかと共に使用できるコンタクトの配置を示す。エピタキシャル構造４０の活性領域は、ｎコンタクト３４が形成される３つのトレンチによって分離された４つの領域に分離される。各領域は、ｐコンタクト３６上に形成される４つのｐサブマウント接続部４４によってサブマウントに接続される。ｎコンタクト３４は、４つの活性領域を囲む。Ｎコンタクト３４は、６つのｎサブマウント接続部４６によってサブマウントに接続される。ｎコンタクト及びｐコンタクトは、絶縁層４２によって電気的に隔離することができる。

図１０は、パッケージされた発光デバイスの分解図である。ヒートシンク・スラグ１００が、インサート成形されたリードフレーム内に配置される。インサートされたリードフレームは、例えば、電気経路を与える金属フレーム１０６の周りに成形された充填プラスチック材料１０５である。スラグ１００は、任意のリフレクタ・カップ１０２を含むことができる。上述のデバイスのいずれかである発光デバイスダイ１０４は、直接に、又は熱伝導性サブマウント１０３を介して間接的に、スラグ１００に取り付けられる。任意のレンズとすることができるカバー１０８を付加することもできる。

本発明は、特定の実施形態と共に示されるが、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる全ての変形及び修正を含むように意図される。再び図２を参照すると、例えば、基板２２を、ＳｉＣのような、サファイア以外の材料から形成することができる。電極３６は、活性領域２８によって放出される光に対して透過型にしても半透過型にしてもよい。代わりに、電極３６は、活性領域２８によって放出される光に対して高度に反射型としてもよく、発光デバイス２０を、サブマウントに面するコンタクト３４及び３６を有するフリップチップとしてマウントすることもできる。

さらに、ここに開示されるような減少した分極電界を有するＩＩＩ族窒化物電子及び正孔閉じ込め層は、例えば、両方の特許が本発明の譲受人に譲渡され、引用によりここに組み入れられる米国特許第６，１１３，５８９号及び米国特許第６，４８６，４９９号に記載されるもののような、他のＩＩＩ族窒化物発光デバイス内に形成することができる。さらに、本発明による発光デバイスは、図示される実施形態に示されていない層を含むことができ、例えば、コンタクト層３２（図２）のような図示された層を省くこともできる。本発明の発光デバイス内の種々のＩＩＩ族窒化物層（例えば、コンタクト層、量子井戸層、及び障壁層のような）を、開示された例の組成から変えることができる。

分極されていない電子閉じ込め層を含む、仮定のＩＩＩ族窒化物発光デバイスの一部についての模擬バンド構造を示す。 分極された電子閉じ込め層を含む、従来技術のＩＩＩ族窒化物発光デバイスの一部分についての模擬バンド構造を示す。 駆動電流密度の関数として図１Ａ及び図１Ｂのデバイスについての模擬量子効率を比較する。 １つの実施形態によるＩＩＩ族窒化物発光デバイスの概略図である。 １つの実施形態による緩和された電子閉じ込め層を含む、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスの一部分についての模擬バンド構造を示す。 図１Ｂの従来技術のデバイス及び図３Ａのデバイスについての模擬量子効率を比較する。 組成の関数としてＧａＮ上に成長されるＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層を横切る電界の、ＭＶ／ｃｍの単位での大きさを示す。 組成の関数としてＧａＮ上に成長されるＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層内の正味分極のＣ／ｃｍ２の単位での大きさ、及びＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層の電子ボルト（ｅＶ）の単位でのエネルギーギャップを示す。 １つの実施形態による四元Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ電子閉じ込め層を含む、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスの一部分についての模擬バンド構造を示す。 図１Ｂの従来技術のデバイス及び図６Ａのデバイスについての模擬量子効率を比較する。 １つの実施形態による四元Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ正孔閉じ込め層を含む、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスの一部分についての模擬バンド構造を示す。 図１Ｂの従来技術のデバイス及び図７Ａのデバイスについての模擬量子効率を比較する。 本発明の実施形態による大型接合発光デバイスの平面図である。 本発明の実施形態による大型接合発光デバイスの断面図である。 パッケージされた発光デバイスの分解図である。

符号の説明

１４：電位障壁
１６：量子効率
２０：発光デバイス
２２：基板
２６：正孔閉じ込め層
２７、２９：スペーサ
２８：活性領域
３０：電子閉じ込め層
３４、３６：コンタクト

Claims (26)

1. 発光半導体デバイスであって、
   ＩＩＩ族窒化物の活性領域と、
   前記活性領域の近くに形成されたＩＩＩ族窒化物層と、
   を備え、
   前記ＩＩＩ族窒化物層の厚さが、前記層内の歪み緩和のための臨界厚さを超えることを特徴とする発光半導体デバイス。
2. 前記ＩＩＩ族窒化物層が、前記ＩＩＩ族窒化物活性領域と直接接触状態にあることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
3. 前記ＩＩＩ族窒化物層がｐ型導電性であることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
4. 前記ＩＩＩ族窒化物層がｎ型導電性であることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
5. 前記ＩＩＩ族窒化物層の厚さが約４００オングストロームを超えることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
6. 前記ＩＩＩ族窒化物層の厚さが約７００オングストロームを超えることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
7. 前記ＩＩＩ族窒化物層の厚さが約９００オングストロームを超えることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
8. 前記ＩＩＩ族窒化物層がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
9. 前記ＩＩＩ族窒化物層が、０．１５≦ｘ≦０．２５として、Ａｌ_xＧａ_1-xＮを含み、前記ＩＩＩ族窒化物層の前記厚さが約７００オングストロームを超えることを特徴とする請求項７に記載の発光半導体デバイス。
10. 前記ＩＩＩ族窒化物層が、０．３５≦ｘ≦０．４５として、Ａｌ_xＧａ_1-xＮを含み、前記ＩＩＩ族窒化物層の前記厚さが約４００オングストロームを超えることを特徴とする請求項７に記載の発光半導体デバイス。
11. 前記活性領域が、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置され、前記デバイスが、
    前記ｐ型領域及び前記ｎ型領域上に配置された第１及び第２のコンタクトと、
    前記第１及び第２のコンタクトに電気的に接続された第１及び第２のリード線と、
    前記活性領域の上に配置されたカバーと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体デバイス。
12. 発光半導体デバイスであって、
    ＩＩＩ族窒化物発光層と、
    ０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、及びｘ＋ｙ≦１として、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層と、
    前記発光層と前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層との間に置かれたスペーサ層と、
    を備えることを特徴とする発光半導体デバイス。
13. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層が前記スペーサ層と直接接触状態にあることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
14. 前記スペーサ層がＧａＮであることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
15. 前記スペーサ層がＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
16. 前記スペーサ層がＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
17. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層がｐ型導電性でできていることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
18. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層がｎ型導電性でできていることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
19. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層が約３．５ｅＶより大きいバンドギャップを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
20. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層が約０．０５より大きいインジウム組成ｘを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
21. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層が約０．０５から約０．１５までの間のインジウム組成ｘを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
22. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層が約０．１５より大きいアルミニウム組成ｙを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
23. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層が約０．０５から約０．３５までの間のアルミニウム組成ｙを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
24. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層の正味分極と前記スペーサ層の正味分極との間の差が、約０．０２Ｃ／ｃｍ²より小さい大きさを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
25. 前記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層の正味分極と前記スペーサ層の正味分極との間の差が、約０．０１Ｃ／ｃｍ²より小さい大きさを有することを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。
26. 前記発光層が、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置され、前記デバイスが、
    前記ｐ型領域及び前記ｎ型領域上に配置された第１及び第２のコンタクトと、
    前記第１及び第２のコンタクトに電気的に接続された第１及び第２のリード線と、
    前記発光層の上に配置されたカバーと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の発光半導体デバイス。

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