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JP2013544436A - Ｉｉｉ族窒化物発光デバイス - Google Patents

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JP2013544436A JP2013537233A JP2013537233A JP2013544436A JP 2013544436 A JP2013544436 A JP 2013544436A JP 2013537233 A JP2013537233 A JP 2013537233A JP 2013537233 A JP2013537233 A JP 2013537233A JP 2013544436 A JP2013544436 A JP 2013544436A
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Abstract

デバイスは、基板と、この基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物構造体を含んでおり、ＩＩＩ族窒化物構造体は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を有している。基板はＲＡＯ３（ＭＯ）ｎであり、Ｒは三価のカチオン、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ及びランタニドの１つであり、Ａは三価のカチオン、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ及びＡｌの１つであり、Ｍは二価のカチオン、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＣｄの１つであり、ｎは１以上の整数である。基板は、面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを有している。ＩＩＩ族窒化物構造体の少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層は、バルク格子定数ａｌａｙｅｒを有している。 ［（｜ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ａｌａｙｅｒ｜）／ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ］×１００％が１％以下である。

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスに関する。上記ＩＩＩ族窒化物デバイスは、従来の基板よりもＩＩＩ族窒化物層に厳密に格子整合される基板の上に成長し得る。
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振器型（resonant cavity）発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直共振器レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）及び端面発光レーザを含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率の良い光源の一つである。可視スペクトルの全域で動作可能な高輝度発光デバイスの製造において現在興味深い材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の二元、三元及び四元合金を含んでいる。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によりサファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物の基板又は他の好適な基板の上に異なる組成及びドーパント濃度の半導体層の積層体をエピタキシャル成長させることによって製造される。上記積層体は、基板上に形成された１つ以上のｎ型層、１つ以上のｎ型層上に形成された活性領域内の１つ以上の発光層及び活性領域上に形成されたｐ型層を含んでいることが多い。ｎ型層は、例えばＳｉがドープされ、ｐ型層は、例えばＭｇがドープされている。ｎ型領域とｐ型領域とに電気的接触部が形成される。
ＩＩＩ族窒化物基板は、一般的に、高価であり、広く利用されてはいないので、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、サファイア又はＳｉＣ基板上に成長させることが多い。サファイア及びＳｉＣは、これらの上に成長されるＩＩＩ族窒化物層とは異なる格子定数を有するので、サファイア及びＳｉＣ基板は最適ではなく、これは、不十分な性能及び信頼性の問題を招くＩＩＩ族窒化物デバイス層における歪み及び結晶欠陥を引き起こす。
本発明の目的は、サファイア又はＳｉＣよりもＩＩＩ族窒化物デバイス層の少なくとも幾つかにより厳密に格子整合される基板の上にＩＩＩ族窒化物デバイス構造体を形成することにある。
本発明の形態に係る方法は、基板上にＩＩＩ族窒化物構造体を成長させるステップを含んでおり、上記ＩＩＩ族窒化物構造体は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配される発光層を有している。この方法は、更に、上記ＩＩＩ族窒化物構造体をマウントに取り付けるステップと、上記基板を除去するステップとを含んでいる。上記基板はＲＡＯ３（ＭＯ）ｎであり、Ｒは三価のカチオン、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ及びランタニドの１つであり、Ａは三価のカチオン、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ及びＡｌの１つであり、Ｍは二価のカチオン、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＣｄの１つであり、ｎは１以上の整数である。上記基板は面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを有し、上記ＩＩＩ族窒化物構造体の少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層は、バルク格子定数ａｌａｙｅｒを有している。幾つかの形態では、［（｜ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ａｌａｙｅｒ｜）／ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ］×１００％が１％以下である。
本発明の形態では、デバイスは、基板と、この基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物構造体とを有しており、上記ＩＩＩ族窒化物構造体は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を有している。上記基板はＲＡＯ３（ＭＯ）ｎであり、Ｒは三価のカチオン、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ及びランタニドの１つであり、Ａは三価のカチオン、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ及びＡｌの１つであり、Ｍは二価のカチオン、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＣｄの１つであり、ｎは１以上の整数である。上記基板は、面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを有し、上記ＩＩＩ族窒化物構造体の少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層は、バルク格子定数ａｌａｙｅｒを有している。幾つかの形態では、［（｜ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ａｌａｙｅｒ｜）／ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ］×１００％が１％以下である。
本明細書において説明されるデバイスの構造体は、サファイア又はＳｉＣ上に成長させる従来法により成長されたＩＩＩ族窒化物発光デバイスよりも歪みが少なく、従って、より優れた性能を有する。
基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物デバイス構造体を示している。 図１に示されている基部領域の例を示している。 図１に示されている基部領域の例を示している。 図１に示されている基部領域の例を示している。 ＩＩＩ族窒化物デバイス構造体の一部を示している。 ＩＩＩ族窒化物デバイス構造体の一部を示している。 薄膜フリップチップ発光デバイスを示している。 垂直方向注入の発光デバイスを示している。 少なくとも１つの分布ブラッグ反射器を含むＩＩＩ族窒化物構造体の一部を示している。
本明細書において用いられる場合、ＢＡｌＧａＩｎＮは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素の二元、三元、四元又は五元合金のことを指す。
本発明の実施の形態では、ＩＩＩ族窒化物デバイス構造体は、従来の基板よりもＩＩＩ族窒化物膜の少なくとも一部に厳密に格子整合される基板の上に成長している。この基板は、ＩＩＩ族窒化物薄膜と同じ六方対称性を有している。この基板は、デバイス構造体に厳密に格子整合されるので、より少ない欠陥又は不均一性しか成長中にＩＩＩ族窒化物デバイス構造体に取り込まれず、これは、ＩＩＩ族窒化物デバイスのより優れた性能をもたらす。
図１は、本発明の実施の形態に係る成長基板１０の上に成長された１つ又はそれ以上の層より成るＩＩＩ族窒化物膜１５を示している。半導体層は、バルク格子定数及び面内格子定数により特徴付けられる。バルク格子定数は、半導体層と同じ組成の自立型（free-standing）層の格子定数である。面内格子定数は、成長された半導体層の格子定数である。半導体層が歪んでいると、バルク格子定数は面内格子定数と異なる。成長基板１０は、幾つかの実施の形態ではＩＩＩ族窒化物膜１５のバルク格子定数ａｌａｙｅｒの１％以内の面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを持つ非ＩＩＩ族窒化物材料であり、幾つかの実施の形態ではＩＩＩ族窒化物膜１５のバルク格子定数ａｌａｙｅｒの０．５％以内の面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを持つ非ＩＩＩ族窒化物材料である。言い換えれば、［（|ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ａｌａｙｅｒ|）／ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ］×１００％は、幾つかの実施の形態では１％以下であり、幾つかの実施の形態では０．５％以下である。本発明の実施の形態の目的のために、三元又は四元のＡｌＩｎＧａＮ層のバルク格子定数は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮがａＡｌＩｎＧａＮ＝ｘ（ａＡｌＮ）＋ｙ（ａＩｎＮ）＋ｚ（ａＧａＮ）として表される（変数「ａ」は各二元材料のバルクの格子定数ａのことを指し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）ベガードの法則に従って見積もられる。ＡｌＮは、３．１１１Åのバルク格子定数を有し、ＩｎＮは３．５４４Åのバルク格子定数を有し、ＧａＮは３．１８８５Åのバルク格子定数を有している。
幾つかの実施の形態では、成長基板１０は、ＩＩＩ族窒化物膜１５と類似した又は同じ六方底面対称性を有している。幾つかの実施の形態では、成長基板１０は、ＩＩＩ族窒化物膜１５の堆積中に経験する化学的及び熱的環境による攻撃に実質的に影響されない。幾つかの実施の形態では、成長基板１０は、ＩＩＩ族窒化物膜１５の３０％以内の熱膨張の面内係数を有している。幾つかの実施の形態では、成長基板１０は、近紫外線に対して透明である又は透明でない。幾つかの実施の形態では、成長基板１０は、単結晶又はほぼ単結晶の材料である。
幾つかの実施の形態では、成長基板１０は、一般組成ＲＡＯ３（ＭＯｎ）の材料であり、Ｒは三価のカチオンであり、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ及びランタニド（原子番号５７から７１まで）から選択されることが多く、Ａもまた三価のカチオンであり、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ及びＡｌから選択されることが多く、Ｍは二価のカチオンであり、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＣｄから選択されることが多く、ｎは１以上の整数である。幾つかの実施の形態ではｎ≦９であり、幾つかの実施の形態ではｎ≦３である。幾つかの実施の形態では、ＲＡＭＯ４（すなわち、ｎ＝１）化合物は、ＹｂＦｅ２Ｏ４構造のタイプのものであり、ＲＡＯ３（ＭＯ）ｎ（ｎ≧２）化合物は、ＩｎＦｅＯ３（ＺｎＯ）ｎ構造のタイプのものである。
成長基板１０に好適な材料及び格子整合されるＩｎＧａＮの例が以下に列挙されている。

これら及び関連する基板材料は、Journal of Solid State Chemistry 78,98(1989)に発表された「Structural Classification of RAO3(MO)nCompounds (R=Sc, In, Y, or Lanthanides; A=Fe(III), Ga, Cr, or Al; M= Divalent Cation; n=1-11)」においてKimizuka及びMohriにより詳細に説明されており、この文献は参照することによって本明細書に組み込まれたものとする。幾つかの実施の形態では、ＳｃＧａＡｌＭｇＯ４が、４４０ｎｍから５１０ｎｍの間の光を発する歪みのない又は歪みが減少したデバイスを成長させるのに適している。幾つかの実施の形態では、ＩｎＦｅＭｎＯ４が、橙又は赤色の光を発する歪みのない又は歪みが減少したデバイスを成長させるのに適している。
幾つかの実施の形態では、ＩＩＩ族窒化物膜１５は、基板の主要な結晶面に対してミスカットされた又は傾斜している成長基板１０の表面に成長されている。幾つかの実施の形態では、ＩＩＩ族窒化物膜１５が成長される成長基板１０の表面は、ベースとなる（０００１）面から−１０から＋１０度の間で配向している。幾つかの実施の形態では、（０００１）面から傾けられた−０．１５から＋０．１５度の間のミスカットは、テラス端に形成される欠陥の数を望ましく低減する大きい原子のテラスを基板表面にもたらす。ミスカットの方向は、（例えば、（１０−１０）方向に対して）特定の結晶学的方向又はランダムな結晶学的方向である。
ＩＩＩ族窒化物膜１５は、例えば、ＭＯＣＶＤ、水素化物気相エピタキシー又はＭＢＥを含む当該技術分野において既知の手段のいずれかにより基板１０上に堆積される。ＩＩＩ族窒化物膜１５の基部層１２と基板１０との完全な格子整合は必要ではないが、０．１％以内の格子整合は、高品質のＩＩＩ族窒化物膜１５の少なくとも５０μｍの厚さの堆積を可能にする。
幾つかの実施の形態では、基部層又は領域１２が、ｎ型領域１４とｐ型領域１８との間に挟まれた活性層１６を含むデバイス構造体の前に、基板上に最初に成長される。基部領域１２は、ＩＩＩ族窒化物デバイス構造体が成長される任意の材料であり得る。基部領域１２は、ＩＩＩ族窒化物の（ＩｎｙＧａ１−ｙＮ又はＡｌｘＧａ1-ｘＮのような）三元合金若しくは（ＡｌｘＩｎｙＧａ1-ｘ−ｙＮのような）四元合金又は他のＩＩＩ−Ｖ族材料を含むことが多い。上記の表に示されているように、幾つかの実施の形態では、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ基部領域１２におけるＩｎの割合ｙは、０．１４から０．４８の間である。
図１に示されているように、半導体デバイス構造体は、基部領域１２の上に成長される。以下の例では上記半導体デバイス構造体は可視光又は紫外光を発するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであるが、レーザダイオード、高電子移動度トランジスタ及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ等の電子デバイス及び光電子デバイスのような他のデバイスが、本明細書において説明される基板の上に形成され得る。
上記半導体構造体は、ｎ型領域１４とｐ型領域との間に挟まれた発光又は活性領域１６を含んでいる。ｎ型領域１４は、典型的には最初に成長され、ｎ型に又は意図的ではなくドープされた、例えば、バッファ層又は核生成層のような準備層（preparation layer）及び光を効率的に発するために発光領域にとって望ましい特別な光又は電気特性のために設計されたｎ又は更にはｐ型デバイス層を含む種々の組成及びドーパント濃度の複数の層を含んでいてもよい。幾つかの実施の形態では、基部領域１２の少なくとも一部は、ｎ型のドーパントがドープされ、別途のｎ型領域１４は省かれる。
発光又は活性領域１６は、上記ｎ型領域の上に成長される。好適な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層又は障壁層により分離された複数の厚い又は薄い発光層を含む多重量子井戸発光領域を含んでいる。
ｐ型領域１８は、上記発光領域の上に成長されている。ｎ型領域のように、ｐ型領域１８は、意図的ではなくドープされた層又はｎ型の層を含む、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の複数の層を含んでいてもよい。
幾つかの実施の形態では、基板及びＩＩＩ族窒化物膜１５の各層の格子定数は、ＩＩＩ族窒化物膜１５の三元、四元及び五元の層が従来の基板の上に成長されたデバイスにおいてよりも厚く成長されるのに十分に整合されている。幾つかの実施の形態では４２０ｎｍから４８０ｎｍの間の、幾つかの実施の形態では４４０ｎｍから４６０ｎｍの間の、幾つかの実施の形態では４４０ｎｍよりも大きいピーク波長を持つ光を発する活性領域を備えたデバイスでは、専ら三元、四元及び五元ＩＩＩ族窒化物層を含む（二元ＩＩＩ族窒化物層を含まない）半導体材料の領域は、幾つかの実施の形態では２μｍよりも厚く、幾つかの実施の形態では３μｍよりも厚く、幾つかの実施の形態では５μｍよりも厚い。専ら三元、四元及び五元ＩＩＩ族窒化物層を含む半導体材料の領域の各層における歪みは、幾つかの実施の形態では１％よりも少なく、幾つかの実施の形態では０．８％よりも少なく、幾つかの実施の形態では０．５％よりも少ない。歪みは、［（｜ａｌａｙｅｒ−ａｉｎ−ｐｌａｎｅ｜）／ａｌａｙｅｒ］×１００％として定義され、ａｌａｙｅｒは、ベガードの法則に従って見積もられる完全に緩和された時の各層と同じ組成の層の格子定数であり、ａｉｎ−ｐｌａｎｅは、当該デバイス内の成長された各層の格子定数である。
最も単純な形では、基部領域１２は単一の層である。この基部層は、格子定数が厚いデバイス層が成長されるのに十分に基板１０に整合されるように選択されたＢＡｌＧａＩｎＮの化合物であることが多い。ＳｃＭｇＡｌＯ４基板１０の場合、Ｉｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎの基部層は、３．２３６Åの格子定数を持つ基板に格子整合される。このような基部層は、発光領域により発せられる光を望ましくなく吸収するのに十分に小さいバンドギャップを有する。より大きいバンドギャップの基部層は、化合物にＡｌを加えることにより達成され、その結果、この基部層は四元ＩＩＩ族窒化物層である。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長される四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層の格子整合を維持するための条件は、ｙ＝０．１３６＋０．２２８×ｘ、ｘ＋ｙ≦１である。Ａｌ０．３２Ｉｎ０．２１Ｇａ０．４７Ｎ及びＡｌ０．７１Ｉｎ０．２９Ｎもまた、ＳｃＭｇＡｌＯ４に格子整合される。例えば、デバイスは、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板、Ｉｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、Ａｌ０．３２Ｉｎ０．２１Ｇａ０．４７Ｎ又はＡｌ０．７１Ｉｎ０．２９Ｎ基部層、オプションのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎｎ型層、０．１４よりも大きいインジウムの組成ｙを有するＩｎｙＧａ１−ｙＮ発光層及びＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎのｐ型層を含んでいる。そのようなデバイスでは、基部層、ｎ型層及びｐ型層は、基板に格子整合されている。発光層は歪んでいる。
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の場合、３．２３６Å以外の格子定数を持つ基部層の組成の選択は、基部層及びＩＩＩ族窒化物膜１５の残りの部分における引張又は圧縮歪みをもたらす。基部層の歪みは、［（｜ａｌａｙｅｒ−ａｉｎ−ｐｌａｎｅ｜）／ａｌａｙｅｒ］×１００％として定義され、ａｌａｙｅｒはベガードの法則に従って見積もられる完全に緩和された時の基部層と同じ組成の層の格子定数であり、ａｉｎ−ｐｌａｎｅは当該デバイス内の成長された基部層の格子定数であり、デバイスの性能を維持するのに十分に小さい欠陥数を保つために、幾つかの実施の形態では１％よりも少なく、幾つかの実施の形態では０．５％よりも少なく、幾つかの実施の形態では０．１％よりも少ない。
幾つかの実施の形態では、上記基部層の組成は、基部層と基部層の上に成長される次の層（ｎ型層又は活性領域の一部であることが多い。）との界面がほとんど又は全く分極電荷を持たないように選択される。言い換えれば、幾つかの実施の形態では、上記基部層は、デバイスの１つ又はそれ以上の他の層に対して分極整合される（polarization- matched）。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの四元層は、アルミニウム及びインジウムの組成が０．１４≦ｙ≦０．３２の場合にｘ＝２×ｙ−０．２８を満たすと、互いに分極整合される。例えば、Ａｌ０.０６Ｉｎ０．１７Ｇａ０．７７Ｎは、Ｉｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎに分極整合されるが、格子整合しない。デバイスの一例は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板、Ａｌ０.０６Ｉｎ０．１７Ｇａ０．７７Ｎ基部層、Ｉｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎｎ型層、０．１４よりも大きいインジウムの組成ｙを有するＩｎｙＧａ１−ｙＮ発光層及びＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎｐ型層を含んでいる。上記基部層、ｎ型層及びｐ型層は、分極整合される。上記ｎ型層及びｐ型層は、基板に格子整合される。上記基部層及び発光層は、歪んでいる。
幾つかの実施の形態では、基部層は、例えばＳｉ及び／又はＧｅを含む任意の適切なドーパントがドープされている。基部層は、コンタクト部から活性領域への導通をサポートするのに十分に高い伝導度を達成するために、幾つかの実施の形態では１×１０１６から１×１０２１ｃｍ−３の間の濃度に、幾つかの実施の形態では５×１０１８から２×１０１９ｃｍ−３の間の濃度になるようにドープされる。基部層におけるドーピングは、電流の集中及び抵抗損失を減少するように最適化され得る。幾つかの実施の形態では、基部層は、電流の集中を回避するために３０オーム／スクエアよりも小さいシート抵抗を有するようにドープされる。
図２、図３及び図４は、可能な基部領域１２の他の例を示している。図２、図３及び図４に示されている基部領域のいずれもが、図１に示されている構造体に組み込まれ得る。幾つかの実施の形態では、図２、図３及び図４に説明されている種々の基部領域の種々の特徴又は層が組み合わせられ得る。
領域の横方向の導電性は、ヘテロ構造の使用により高められる。図２に示されている例では、基部領域１２は、より小さいバンドギャップを有する第１の層１２ａ及びより大きいバンドギャップを有する第２の層１２ｂの少なくとも２つの層を含んでいる。幾つかの実施の形態では、両方の層１２ａ及び１２ｂがドープされている。ドープされたより大きいバンドギャップの層１２ｂは、層１２ａと層１２ｂとの界面において電子を二次元電子ガス（２ＤＥＧ）に供与し、これは、単一の基部層と比較して横断方向のキャリア密度及び／又は移動度を高める。幾つかの実施の形態では、層１２ａ及び１２ｂの組成は、層１２ａ及び１２ｂの界面における正味の分極によって引き起こされる電荷がゼロであるように選択される。層１２ａ及び１２ｂの１つは、基板に格子整合される。第１の層１２ａは、５×１０１７から２×１０１９ｃｍ−３の間の濃度でＳｉ又は任意のｎ型ドーパントがドープされた３から１０００ｎｍの間の厚さの四元層ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮであってもよいし、又は意図的にはドープされていなくてもよい。第２の層１２ｂは、３から１０００ｎｍの間の厚さの（層１２ａ及び１２ｂの界面における正味ゼロの分極電荷の条件を満たす）他の組成の四元層ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮであり、５×１０１７から２×１０１９ｃｍ−３の間の濃度でＳｉ、Ｇｅ又は任意の他のｎ型ドーパントがドープされていてもよい。一例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長された第１の層１２ａは、５００ｎｍの厚さのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層であり、第２の層１２ｂは、組成がＡｌ０.０６Ｉｎ０．１７Ｇａ０．７７Ｎのような０．１４≦ｙ≦０．３２の場合にｘ＝２×ｙ−０．２８の関係を満たすＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの３０ｎｍの厚さの層である。層１２ａ及び１２ｂの積み重ねが繰り返されており、例えば、５０ペアまでの層１２ａ及び１２ｂが存在する。
図３に示されている構造体では、基部領域１２は、ウルツ鉱型ＢＡｌＧａＩｎＮのような分極材料から形成されている。基部領域１２は、第１の分極を伴う第１の層１２ｃ及び異なる分極を伴う第２の層１２ｄの少なくとも２つの層を含んでいる。分極によるバンド曲がりは、層１２ｃと層１２ｄとの界面に２ＤＥＧを引き起こす。層１２ｃ及び１２ｄはそれぞれ、２から１０００ｎｍの間の厚さを有しており、それぞれ５×１０１６ないし５×１０１９ｃｍ−３の濃度でケイ素のようなｎ型ドーパントがドープされている。幾つかの実施の形態では、第１及び第２の層１２ｃ及び１２ｄの１つは歪んでいる。例えば、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスでは、第１の層１２ｃはＩｎ０．１３６Ｇａ０．８６４Ｎであり、第２の層１２ｄはＧａＮ又はｙ＜０．１３のＩｎｙＧａ１−ｙＮである。幾つかの実施の形態では、第１及び第２の層１２ｃ及び１２ｄは、ともに基板に格子整合されている。例えば、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスでは、第１の層１２ｃはＩｎ０．１３６Ｇａ０．８６４Ｎであり、第２の層１２ｄはＡｌ０．５Ｉｎ０．２５Ｇａ０．２５Ｎ又は他の格子整合される四元層ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｙ＝０．１３６＋０．２２８×ｘ及びｘ＋ｙ≦１）である。他の例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスにおいて、第１の層１２ｃはＩｎ０．１３６Ｇａ０．８６４Ｎ又は基板に格子整合される任意の他の層であり、第２の層１２ｄはＡｌ０．７１Ｉｎ０．２９Ｎである。上述した例では、第１及び第２の層１２ｃ及び１２ｄのそれぞれが３ｎｍから２００ｎｍの間の厚さである。これらの層は、１×１０１７ｃｍ−３から２×１０１９ｃｍ−３の間のＳｉ若しくはＧｅ（又は任意のｎ型ドーパント）がドープされるか又は意図的ではなくドープされている。層１２ｃ及び１２ｄの積み重ねが繰り返されており、例えば、５０ペアまでの層１２ｃ及び１２ｄが存在する。
図２及び図３に示されている基部領域は、組み合わせられ得る及び／又は基部領域１２全体にわたって繰り返され得る。図２及び図３に示されている横方向の導通を高める基部領域は、静電気放電からのデバイスのダメージのリスクも低減する。
図４に示されている構造体では、基部領域１２は、分極状態を変化させることからバルクの電荷を引き起こす（これは分極ドーピングと呼ばれる。）ために組成が傾斜しており、これは、基部領域における横方向の導通を改善する。例えば、基板１０に近い例えばＧａＮの領域１２ｅからデバイス構造体に近い例えばＡｌＧａＮの領域１２ｆまで（０００１）面方向に沿って傾斜させることは、分極の勾配のために一定の正の電荷を引き起こし、これは、電荷の中性を達成するために電子を引き付ける。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０上に成長させる場合、上記組成は、（例えば、異なる組成の２つの層の界面における）階段ポーラー接合部に形成される２ＤＥＧを広げるように自発分極の勾配を用いて格子整合を達成するため及び傾斜領域の導電性を達成するためにＢＡｌＧａＩｎＮの化合物を用いて傾斜をつけられる。傾斜した基部領域は、幾つかの実施の形態では１０から５００ｎｍの間の厚さであり、幾つかの実施の形態では１００ｎｍの厚さである。一例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に成長されたデバイスにおいて、傾斜した基部領域は、基板１０に近い領域（領域１２ｅ）での０．１６のインジウム組成ｙからデバイス構造体に近い領域（領域１２ｆ）での０．１１のインジウム組成ｙまでの勾配のあるＩｎｙＧａ１−ｙＮである。ＩｎＧａＮ傾斜領域では、ＩｎＧａＮの最後の組成（すなわち、領域１２ｆの組成）が０．１２から０の間の場合、最初と最後のインジウムの組成は最高で０．１６、最低で０．０１異なる。他の例では、上記傾斜した領域は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に格子整合される。格子整合される傾斜領域は、幾つかの実施の形態では５から１０００ｎｍの間の厚さであり、幾つかの実施の形態では１０から５０ｎｍの間の厚さである。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長される、格子整合される傾斜領域の組成は、例えば、領域１２ｅのＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎから領域１２ｆのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎまで異なる。領域１２ｅにおける組成は、インジウムの組成ｙが０．１３から０．１８の間であり、アルミニウムの組成が上述したように式ｙ＝０．１３６＋０．２２８×ｘに従って格子整合を維持するように選択された四元のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮであってもよい。
図５は、活性領域１６のｎ型側の幾つかの層を示している。図５に示されている構造体では、ｎ型領域１４は、基部領域１２の一部、オプションの平滑化層３０及びオプションのスペーサ層３２を含んでいる。
図５に示されている構造体では、オプションの平滑化層３０は、基部領域１２と活性領域１６との間に配されている。平滑化層３０の特性は、平滑化層の上に成長される層の形態又は表面特性を強化するように選択される。平滑化層３０は、例えば、１ｎｍから１０μｍの間の厚さを有し、吸収を避けるために、例えば、発光層よりも低いＩｎＮ組成のＩｎＧａＮ（又は、代替として、発光層よりも大きいバンドギャップを有するＢＡｌＧａＩｎＮ）である。幾つかの実施の形態では、平滑化層３０は、活性領域１６内の発光層に格子整合されるように選択された組成を持つ任意のＢＡｌＧａＩｎＮ化合物から成っているが、平滑化層３０は、歪んだ層の組成が歪んでいない層の組成よりも漏れ、順電圧、信頼性及び量子効率の点でデバイスの性能に利益を与える場合には歪んでいることもある。幾つかの実施の形態では、平滑化層３０は、基部領域に格子整合されておらず、平滑化層３０の上に成長される層が基部領域にもはや整合しないように歪みを緩和する底面欠陥を引き起こす。この平滑化層は、基部領域１２と同じ型のキャリアがドープされていることが多い。ドーピング及び／又は分極ドーピングにより達成される平滑化層のキャリア濃度は、幾つかの実施の形態では１×１０１６から１×１０２１ｃｍ−３の間である。
また、図５に示されている構造体では、オプションのスペーサ層３２が、基部領域１２と活性領域１６との間に配されている。平滑化層がデバイスに含まれている時には、オプションのスペーサ層３２は、平滑化層３０と活性領域１６との間に配されている。スペーサ層３２は、上記基部領域よりも小さい又は大きいバンドギャップを持つが、発光層よりも大きいバンドギャップを持つＢＡｌＧａＩｎＮ層である。スペーサ層３２は、幾つかの実施の形態では１ｎｍから１０μｍの間の厚さを有し、幾つかの実施の形態では５から５０ｎｍの間の厚さを有している。スペーサ層３２の特性は、欠陥を減少させるため又はバンド構造を操作するために活性領域の発光層と当該構造体の他の層との歪みの釣り合いをとるように選択され、考えられる最高の材料品質を実現するために歪ませられ、又は積層体全体の歪みを減少させるように格子整合される。スペーサ層３２は、周囲のヘテロ構造体による異なるドーパント濃度、スペーサの組成勾配又はキャリアの空乏状態に起因して周囲の層とは異なるキャリア濃度を有している。スペーサ層の材料のバンドギャップは、発光層へのキャリア注入を最適化する形態と連携して選択される。例えば大きいバンドギャップの材料は、ホール漏れを減少させるため及び／又は発光層におけるキャリアの閉じ込めを改善するために用いられる。幾つかの実施の形態では、スペーサ層３２は、歪みのあるＧａＮ又はインジウムの組成ｙが０からｙＬＥＬ−０．０８の間であるＩｎｙＧａ１−ｙＮであり、上記ｙＬＥＬはＩｎｙＧａ１−ｙＮ発光層のインジウム組成である。例えば、４５０ｎｍの発光波長の場合、ｙＬＥＬは約０．１５である。そのようなデバイスにおけるＩｎＧａＮスペーサ層のインジウムの組成は、０から０．０７の間であり、ＩｎＧａＮスペーサ層のインジウムの組成を増加させることは、スペーサ／活性層界面における減少した分極電荷のためにＧａＮスペーサと比較して改善された注入を与える。しかしながら、スペーサ層のインジウムの組成を増加させることは、スペーサ層のバンドギャップを小さくすることにより活性領域におけるキャリアの閉じ込めを減少させもする。幾つかの実施の形態では、スペーサ層３２は、歪んだ又は基板に格子整合された四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層である。スペーサ層が歪んでいる実施の形態では、上記組成は、歪みがデバイスの他の層の歪みを相殺するように選択される。幾つかの実施の形態では、ＡｌＩｎＧａＮスペーサ層の組成は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮスペーサと比較してキャリアを閉じ込めるのに十分に大きいバンドギャップを与えるよう及び分極電荷の減少によりキャリア注入を改善するように選択される。例えば、０．１４のインジウム組成ｙＬＥＬを持つＩｎｙＧａ１−ｙＮ発光層を備えたデバイスでは、スペーサ層ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの以下の組成、すなわち、ｙ＝０．０４に関してｘ＝０ないし０．０４、ｙ＝０．０８に関してｘ＝０ないし０．０８、ｙ＝０．１２に関してｘ＝０．０４ないし０．１０、ｙ＝０．１６に関してｘ＝０．１４ないし０．１８、ｙ＝０．２０に関してｘ＝０．２０ないし０．２４、ｙ＝０．２４に関してｘ＝０．２６ないし０．３０及びｙ＝０．３０に関してｘ＝０．３２ないし０．４２が、ＧａＮスペーサ層と比較して分極を減少させ、十分なキャリアの閉じ込めも与える。
スペーサ層３２の全部又は一部は、分極ドーピングにより所望のキャリア濃度を達成するため及び／又は発光層へのキャリア注入を高めるために意図的に傾斜している。例えば、幾つかの実施の形態では、発光領域１６から平滑化層３０との界面に向かってスペーサ層３２におけるＡｌＮ及びＩｎＮの組成が減少している（格子整合されている場合）又はＩｎＮの組成が増大している（格子整合されていない場合）。１×１０１６から１×１０２１ｃｍ−３の間の密度にｎ型ドーパントがドープされていると、発光層から離れた正孔の動きを妨害する価電子帯におけるバンド曲がりが、発光領域１６におけるキャリアの閉じ込めを高める。上記層がＭｇ又はＺｎのようなｐ型のドーパントで同じ濃度にドープされている場合には、同じ傾斜が電子の動きを妨害するためにも用いられ得る。傾斜したスペーサ層は、幾つかの実施の形態では３ｎｍから５０ｎｍの間の厚さである。一例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスにおいて、スペーサ層３２は、平滑化層３０に近い０．１のインジウム組成ｙから発光領域１６に近い０．０５のインジウム組成まで直線的に傾斜する６ｎｍの厚さのＩｎｙＧａ１−ｙＮ層である。他の例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスにおいて、スペーサ層３２は、基板に格子整合されており、平滑化層３０に近いＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎから発光領域１６に近いＡｌ０．３５Ｉｎ０．２２Ｇａ０．４３Ｎまで傾斜した２０ｎｍの厚さの層である。上述したように、発光領域に近いスペーサ層の部分は、０．０５から０．６の間のアルミニウム組成ｘ及び当該材料が基板に格子整合されるように選択されたインジウム組成を有している。平滑化層に近いスペーサ層の部分は、上述したように０．１よりも小さいアルミニウム組成ｘ及び材料が基板に格子整合されるように選択されたインジウム組成を有している。他の例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスにおいて、スペーサ層は、平滑化層に近いＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎから発光領域１６に近いＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎまで傾斜した３ｎｍから４０ｎｍの間の厚さの少なくとも部分的に歪んだＩｎｙＧａ１−ｙＮ層である。上記平滑化層に近いスペーサ層の部分は０．１８から０．１５の間のインジウム組成ｙを有し、発光層に近いスペーサ層の部分は０．１４から０の間のインジウム組成ｙを有している。
図１に戻って、発光領域１６は、例えば、多重量子井戸（ＱＷ）構造体はダブルヘテロ構造（ＤＨ）である。両方のタイプの発光領域において、発光層はＢＡｌＧａＩｎＮである。幾つかの実施の形態では、発光層は０．５ｎｍから５μｍの間の厚さである。量子井戸は、３ｎｍよりも薄い厚さであることが多い。ダブルヘテロ構造の発光層は、３ｎｍから３μｍの間の厚さであることが多い。高電流密度における性能を改善するために、幾つかの実施の形態ではより厚い発光層が好ましい。幾つかの実施の形態では、量子井戸は３ｎｍよりも厚い。幾つかの実施の形態では、ＤＨの発光層は１００ｎｍよりも厚い。発光領域の全体の厚さは、幾つかの実施の形態では少なくとも３０ｎｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも５０ｎｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも７５ｎｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも１００ｎｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも２００ｎｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも５００ｎｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも１μｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも２μｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも３μｍであり、幾つかの実施の形態では少なくとも５μｍである。
発光領域１６の発光層は、基板１０、基部領域１２又は平滑化層３０に格子整合されている又はほぼ格子整合されている。４３０から４７０ｎｍの間の発光波長では、幾つかの実施の形態の発光層のＩｎＮの組成は、成長中のより大きい格子定数のために従来法により成長された構造体における発光層の組成よりも大きく、発光層における歪みの量が発光波長を変化させる。発光層は、従来のデバイスにおける発光層よりも歪みが少ないので、或る温度における成長の間により多くのインジウムが取り込まれ得る。従って、所望のインジウム組成を有する発光層は、従来のデバイスにおける同じ発光層と比較してより高い温度で成長し得る。本明細書において説明される基板上に成長されたデバイスにおける発光層のより高い成長温度は、発光領域の点欠陥及び拡張欠陥の減少によって材料の品質を向上させ、これは量子効率を高める。幾つかの実施の形態における発光層の歪みの量は、同じ波長で発光する従来法により成長された発光層の歪みよりも少ないので、幾つかの実施の形態の発光層は、従来法により成長された発光層よりも厚く成長される。底面の積層欠陥、インメタルボイド錯体（In-metal-void complex）及び含有物の沈殿のような厚い歪みのある層の典型的な問題点は、幾つかの実施の形態では回避又は低減され得る。より厚い発光層は、発光層におけるキャリア濃度を低減し、これは、オージェ非放射再結合を減少させることにより高電流密度での量子効率を高める。
多重量子井戸デバイスのような複数の発光層を備えたデバイスでは、発光層は、歪みのある又は歪みのないＢＡｌＧａＩｎＮの障壁層により分離されている。幾つかの実施の形態では、上記障壁部は、Ａｌ０．０５Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８０Ｎ又はＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長される格子整合される層について上記の式を満たす任意の他のＡｌ組成である。より低いＡｌ組成の層はキャリア輸送を高めるために発光層の間に用いられ、より高いＡｌ組成はキャリア輸送を遅らせるために用いられ得る。幾つかの実施の形態では、障壁部は、歪んでいるが、Ａｌを含有していない。上記障壁部のバンドギャップは、発光層のバンドギャップよりも大きい。障壁部は、幾つかの実施の形態では０．５ｎｍから１μｍの間の厚さであり、幾つかの実施の形態では２ｎｍから５０ｎｍの間の厚さであり、幾つかの実施の形態では２ｎｍから１０ｎｍの間の厚さである。障壁部は、意図的にはドープされていない又は１×１０１５から１×１０２０ｃｍ−３の間のドーパント濃度にｐ型若しくはｎ型のドーパントが意図的にドープされている。障壁部は、一定の又は傾斜した組成を有している。幾つかの実施の形態では、単一の又は複数の障壁層は歪みのあるＧａＮ又はＩｎｙＧａ１−ｙＮであり、ｙＬＥＬがＩｎｙＧａ１−ｙＮ発光層のインジウム組成である場合、インジウムの組成ｙは０からｙＬＥＬ−０．０８の間である。例えば、４５０ｎｍの発光波長の場合、ｙＬＥＬは約０．１５であり、そのようなデバイスにおけるＩｎｙＧａ１−ｙＮ障壁層のインジウムの組成ｙは、０から０．０７の間である。幾つかの実施の形態では、単一の又は複数の障壁層は、歪んだ又は基板に格子整合された四元ＡｌＩｎＧａＮ層である。障壁層が歪んでいる実施の形態では、上記組成は、歪みがデバイスの他の層の歪みを相殺するように選択される。幾つかの実施の形態では、ＡｌＩｎＧａＮ障壁層の組成は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮ障壁層と比較してキャリアを閉じ込めるのに十分に大きいバンドギャップを与えるよう及び分極電荷の減少によりキャリア注入を改善するように選択される。例えば、０．１４のインジウム組成ｙＬＥＬを持つＩｎｙＧａ１−ｙＮ発光層を備えたデバイスでは、障壁層ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの以下の組成、すなわち、ｙ＝０．０４に関してｘ＝０ないし０．０４、ｙ＝０．０８に関してｘ＝０ないし０．０８、ｙ＝０．１２に関してｘ＝０．０４ないし０．１０、ｙ＝０．１６に関してｘ＝０．１４ないし０．１８、ｙ＝０．２０に関してｘ＝０．２０ないし０．２４、ｙ＝０．２４に関してｘ＝０．２６ないし０．３０及びｙ＝０．３０に関してｘ＝０．３２ないし０．４２が、ＧａＮ障壁層と比較して分極を減少させ、十分なキャリアの閉じ込めも与える。
幾つかの実施の形態では、活性領域は、均一の組成の井戸及び障壁部から成る多重量子井戸活性領域である。井戸層及び障壁層の組成は、ＩｎＧａＮ量子井戸層における圧縮歪みが障壁層における引っ張り歪みにより少なくとも部分的に相殺されるように選択される。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスの場合、格子整合されるＩｎｙＧａ１−ｙＮ層は、０．１３６のインジウム組成を有している。井戸がｙ＝０．１８である場合、井戸は約０．４５％未満の圧縮歪みである。Ａｌ０．７４Ｉｎ０．２６ＮとＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎとの間にある四元組成の障壁層は、（キャリアの閉じ込めを与える）井戸よりも大きいバンドギャップを有するが、逆の歪み状態（すなわち、約０．４５％の引っ張り歪み）を有する障壁部をもたらす。障壁部及び井戸が、等しい厚さであり、等しい大きさであるが逆のサインの歪み状態にある場合、最終的な歪みは打ち消される。障壁部が井戸における圧縮歪みよりも小さい引張歪みの下にある場合、障壁層は、ゼロである正味の歪みエネルギーのために井戸よりも厚く成長される。この歪みエネルギーは、層の厚さと層の歪みとの積に比例することが多く、従って、井戸の厚さの２倍のスペーサ部は、ゼロの正味の歪みエネルギーをもたらすために専ら井戸の半分の大きさの引っ張り歪みの下にあることが必要とされる。
一例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスは、格子整合されるＩｎ０．１３６Ｇａ０．８６４Ｎｎ型層を含んでいる。このｎ型層の上に成長された多重量子井戸発光領域は、少なくとも１つの障壁層によって分離された少なくとも２つのＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸を含んでいる。発光領域における正味の歪みエネルギーがゼロであるデバイスの場合、障壁層は、以下に列挙されている関係の１つに従う単一の四元組成から成っており、ｒは０から１まで変化し得る。井戸においてｙ＝０．１５の場合、障壁層は（Ａｌ０．７１５Ｉｎ０．２８５Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ）１−ｒ；ｙ＝０．１６の場合、障壁部は（Ａｌ０．７２５Ｉｎ０．２７５Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ）１−ｒ；ｙ＝０．１８の場合、障壁部は（Ａｌ０．７４Ｉｎ０．２６Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ）１−ｒ；ｙ＝０．２の場合、障壁部は（Ａｌ０．７６５Ｉｎ０．２３５Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ）１−ｒ；ｙ＝０．２５の場合、障壁部は（Ａｌ０．７９５Ｉｎ０．２０６Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ）１−ｒ；ｙ＝０．２８の場合、障壁部は（Ａｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ）ｒ（ＧａＮ）１−ｒである。井戸の組成が各緯度に関して異なる多重量子井戸構造体では、各井戸に隣接する障壁部の組成は、各井戸における圧縮歪みの釣り合いをとるように上述した関係に従って選択される。
他の例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスは、格子整合されるＩｎ０．１３６Ｇａ０．８６４Ｎｎ型層を含んでいる。このｎ型層の上に成長されたダブルヘテロ構造体は、該ｎ型層の上に配されたスペーサ層及びスペーサ層の上に配された単一の１０ｎｍの厚さのＩｎ０．１８Ｇａ０．８８Ｎ発光層を含んでいる。上記スペーサ層は、井戸における圧縮歪みの釣り合いをとるために、１０ｎｍの（Ａｌ０．７４Ｉｎ０．２６Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ）１−ｒ又は２０ｎｍの（Ａｌ０．７２５Ｉｎ０．２７５Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１２Ｇａ０．９８Ｎ）１−ｒであり、ｒは０から１の間である。
他の例では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスは、（Ａｌ０．７１Ｉｎ０．２９Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１３６Ｇａ０．８６４Ｎ）１−ｒ（ｒは０．２２６から１の間である。）の任意の組成の格子整合されるｎ型層を含んでいる。このｎ型層の上に成長されたダブルヘテロ構造体は、該ｎ型層の上に配されたスペーサ層及びスペーサ層の上に配された単一の１０ｎｍの厚さのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ発光層を含んでいる。上記スペーサ層は、発光層における圧縮歪みの釣り合いをとるために、２．９ｎｍのＧａＮ、１０ｎｍの（Ａｌ０．７４Ｉｎ０．２６Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ）１−ｒ、２０ｎｍの（Ａｌ０．７２５Ｉｎ０．２７５Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１２Ｇａ０．９８Ｎ）１−ｒ（ｒは０から０．１５２の間である。）又は４０ｎｍの（Ａｌ０．７１５Ｉｎ０．２８５Ｎ）ｒ（Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ）１−ｒ（ｒは０から０．１８８の間である。）である。
幾つかの実施の形態では、１つ又はそれ以上の発光層の組成又はドーピングが傾斜している。発光層の厚さ全体が傾斜していてもよいし、又は傾斜は発光層の一方又は両方の端部に局所化していてもよい。
図６は、ｐ型領域１８の一例を示している。図６に示されている構造体では、オプションのキャップ層３４が活性領域１６（活性領域１６は図１に示されている。）上に最初に成長し、オプションの電子遮断層３６が続き、横方向の導通、鉛直方向の導通及び取り出しのための１つ又はそれ以上の層３７が続き、ｐコンタクト層３８が続く。ｐ型領域１８の厚さは、反射ｐコンタクト部から活性領域１６の間隔をあけることにより引き起こされる共振器効果により影響を受ける光の取り出しを最大にするように選択される。
幾つかの実施の形態では、キャップ層３４は、上記活性領域の障壁層と同じ組成である。幾つかの実施の形態では、キャップ層３４は、電界、歪み及び／又は輸送特性を制御するために障壁層とは異なる組成である。幾つかの実施の形態では、キャップ層３４は、平面を達成するため及び発光層へのドーパントの拡散を防止するためにピットフィリング（pit filling）状態の下で成長されたものである。例えば、キャップ層３４は、ＩｎＧａＮについてのＩＩＩ族前駆体としてＴＭＩｎ、ＴＥＧａ及び／又はＴＭＧａを用いるＭＯＣＶＤによる成長において１０よりも大きいＶ／ＩＩＩ比、７００ｍｂａｒよりも小さい圧力、Ｎ２又はＨ２周囲環境及び８００℃から１１００℃の間の温度を用いて成長される。そのようなピットフィリング状態は、ピットがデバイスの性能に有害であるデバイスの構造体の任意の場所で用いられ得る。キャップ層３４は、０．５ｎｍないし５００ｎｍの厚さであり、意図的にはドープされていないが、電気的接合部の特性を制御するためにＳｉのようなｎ型ドーパント又はＭｇ若しくはＺｎのようなｐ型ドーパントが含まれている。キャップ層は、高温特性、順方向電圧Ｖｆ又は漏れ電流に影響を及ぼす組成で傾斜している又は段階的にされている。ｐコンタクト層に最も近いキャップ層３４の部分は、成長中意図的に又は隣接する層からの拡散プロセスを介してｐ型ドープされる。
オプションの電子遮断層３６は、存在する場合にはキャップ層３４の上に形成され、キャップ層がデバイスに含まれていない場合には活性領域１６の上に形成されている。電子遮断層３６は、発光層よりも大きいバンドギャップを有している。幾つかの実施の形態では、電子遮断層３６は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に格子整合されるＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長される際に歪むより小さいＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ｘ＜０．４であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長される際に歪む若しくは格子整合される四元層又は０．０５から０．３の間のインジウム組成ｙを有し、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長される際に格子整合される四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ―ｙＮである。電子遮断層３６は、幾つかの実施の形態では０．５ｎｍから１μｍの間の厚さを有し、幾つかの実施の形態では２ｎｍから１００ｎｍの間の厚さを有し、幾つかの実施の形態では３ｎｍから４０ｎｍの間の厚さを有し、幾つかの実施の形態では２０ｎｍの厚さを有している。幾つかの実施の形態では、キャップ層及び電子遮断層の分極が、各層の組成を適切に選択することにより整合される。例えば、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたデバイスでは、キャップ層はＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎである、分極整合される電子遮断層は幾つかの実施の形態では２ｎｍから４０ｎｍの間の厚さであり、幾つかの実施の形態では５ｎｍから２０ｎｍの間の厚さのＩｎ０．３Ａｌ０．３２Ｇａ０．３８Ｎである。上記電子遮断層は、幾つかの実施の形態では０．１７から０．４の間のインジウム組成ｙを有する上述した分極整合の条件を満たす任意の組成であり得る。電子遮断層３６は、幾つかの実施の形態では１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３の間の濃度に、幾つかの実施の形態では５×１０１８から２×１０２０ｃｍ−３の間の濃度にｐ型ドーパントＭｇがドープされている。任意のｐ型ドーパントが用いられてもよく、また、電子遮断層は意図的にはドープされていなくてもよい。幾つかの実施の形態では、電子遮断層３６の組成は、段階的にされている又は傾斜している。
横方向の導通、鉛直方向の導通及び抽出効率のための１つ又はそれ以上のオプションのｐ型層は、ｐコンタクト層３８の前に形成される。幾つかの実施の形態では、単一の１ｎｍないし１０μｍの厚さの層３７は、１×１０１５から１×１０２１ｃｍ−３の間の濃度にｐ型ドーパントが意図的にドープされている。幾つかの実施の形態では、層３７は、ＳｃＡｌＭｇＯ４上に成長される際に格子整合されるＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、ＳｃＡｌＭｇＯ４への格子整合について上記の式を満たす四元化合物のいずれか又はＡｌ０．７０Ｉｎ０．３０Ｎである。幾つかの実施の形態では、層３７は１５％よりも少ない格子不整合で歪んでいる。好適な材料の例は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＮを含んでいる。
最後のｐ型層はｐコンタクト層３８であり、その組成、厚さ及びドーピングは、ｐコンタクト層３８が発光層により発せられる光を最小限に吸収するように選択され、上記最後のｐ型層は、ｐメタライゼーション部とオーミック接触を形成し、デバイスの動作のために十分な垂直方向の導電性を有している。幾つかの実施の形態では、ｐコンタクト層３８は、高濃度にドープされたＧａＮ又は４０％よりも少ないＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮである。幾つかの実施の形態では、ｐコンタクト層３８は、１ｎｍから１０μｍの間の厚さであり、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２２ｃｍ−３の間の濃度にＭｇ又はＺｎのような任意の好適なｐ型ドーパントがドープされている。
幾つかの実施の形態では、ｐ型領域１８の上面は、粗くされて又はざらついており、光はｐ型領域１８の上面を通してデバイスから取り出される。
図９は、少なくとも１つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含むデバイスの一部を示している。ＳｃＡｌＭｇＯ４上に成長されたデバイスにおいて、Ａｌ０．７１Ｉｎ０．２９Ｎ及びＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層は、歪みを有しておらず、ＤＢＲを形成するのに十分に大きい屈折率の差を有している。幾つかの実施の形態では、ＤＢＲは、１０ｎｍから１０μｍの間の厚さのＡｌ０．７１Ｉｎ０．２９Ｎ及びＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎの１ないし２００の交互層から形成されている。このＤＢＲ層は、電気伝導性が必要とされる又は望ましい場合にはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ又は任意の他の好適なｐ又はｎ型のドーパントがドープされている。上記ＤＢＲは、高品質の反射器又はバンド遮断フィルタとして用いられ得る。２つのＤＢＲ４０及び４２が図９に示されており、一方は活性領域１６のｎ側に、他方は活性領域１６のｐ側に存在する。エピタキシャル構造におけるＤＢＲの配置は、その機能に依存する。幾つかの実施の形態では、図９のＤＢＲ４２のような単一のＤＢＲがｐ側に配されており、外部の金属鏡の代わりに又はそれに加えて取り出し効率を高めるために発光層とともに光共振器を形成するように調整される。幾つかの実施の形態では、取り出し効率を高めるという同じ目的で図９のＤＢＲ４０のような単一のＤＢＲがｎ側に配されている。両方のケースにおけるＤＢＲと発光層との間隔は、１ｎｍから１０μｍの間であり、これは、ＤＢＲ積層体の光位相シフトに依存する。幾つかの実施の形態では、ＤＢＲは、図９に示されているように活性領域１６の両側に配されている。ＤＢＲの透過率に依存して、そのような構造体は、側面発光ＬＤ（高い反射率）、微小共振器型ＬＥＤ（発光層の一方の側で高い反射率）又は垂直共振器ＬＤ（発光層の両側で高い反射率）において用いられる。幾つかの実施の形態では、ＤＢＲ４０又は４２は、反射率を高めるために高反射金属層により支えられている。ＤＢＲ４０若しくは４２、入射角の関数としての改善された反射率を有する層状反射器又は全方向反射器（ＯＤＲ）は、成長される、堆積される、又はデバイス構造体に接着される。ＯＤＲは、誘電体、金属、透明導電性酸化物若しくは半導体層又は層の組み合わせを有している。ＯＤＲは、導電性であってもよいし、導電性ではなくてもよい。例えば、ＯＤＲは、交互に配されたそれぞれ７０ないし８０ｎｍの厚さを有するＳｉＯ２層及びそれぞれ５０ないし６０ｎｍの厚さを有するＴｉＯ２層から形成されている。例えば、ＳｉＮ、ＭｇＯｘ、ＭｇＮｘ、ＺｎＯ、ＳｉＯｘ及びＳｉＮｘのような他の誘電体が用いられ得る。好適な反射金属は、Ａｇ及びＡｌを含んでいる。
ＤＢＲの他に光閉じ込め層が、幾つかの実施の形態ではデバイスに形成される。光閉じ込め層の例は、上記構造体内の光モードの分布を変更することが可能なより高い又はより低い屈折率の層を含んでいる。例えば、レーザダイオードでは、導波路を形成するため又は導波性を高めるために低い又は高い屈折率の層が用いられ得る。発光ダイオードでは、表面粗さ又はフォトニック結晶のような光取り出し特性への結び付きを高めるように導波モードの分布を変更するためにより高い又はより低い屈折率の層が用いられ得る。幾つかの実施の形態では、これらの光閉じ込め層の厚さは、例えば、ｎが光閉じ込め層の屈折率である場合に０．１λ／ｎから１０λ／ｎの間の光学波長λのオーダーである。
上述した半導体構造体は、例えば、図７に示されている薄膜フリップチップデバイス及び図８に示されている垂直方向電流注入デバイスを含む任意の好適なデバイスの設計に採り入れられる。図７及び図８に示されている半導体構造体２２は、上述したような成長基板１０上に成長し、図１、２、３、４、５、６及び９に示されており、上述した半導体構造体のいずれかであってもよいし、それらのいずれかを含んでいてもよい。種々の図から又は上記の説明からの種々の特徴は、組み合わされ得る。
図７に示されているデバイスでは、ｐ型領域上にｐコンタクト金属２６が配されており、金属化のためｎ型層を露光するためにｐ型領域及び活性領域の一部がエッチング除去される。ｐコンタクト部２６及びｎコンタクト部２４は、デバイスの同じ側に存在している。ｐコンタクト部２６は、誘電体のような電気絶縁材料で充填された間隙２７によりｎコンタクト部２４から電気的に分離されている。図７に示されているように、ｐコンタクト部２６は、複数のｎコンタクト領域２４の間に配されているが、これは必須ではない。幾つかの実施の形態では、ｎコンタクト部２４及びｐコンタクト部２６の一方又は両方は反射性であり、デバイスは、光が図７に示されている方向性においてデバイスの上面を介して取り出されるように実装されている。幾つかの実施の形態では、上記コンタクト部は、程度が限られており又は透明にされており、デバイスは、コンタクト部が形成される面を通して光が取り出されるように実装されている。上記半導体構造体は、マウント２８に取り付けられている。半導体構造体２２が成長される基板の全部又は一部は、説明されたように除去されてもよいし、デバイスの一部のままであってもよい。幾つかの実施の形態では、成長基板の全部又は一部を除去することにより露出した半導体層は、パターニングされ又は粗くされており、デバイスからの光の取り出しを改善することができる。
幾つかの実施の形態では、半導体層２２と成長基板との界面の割れを促進するために、該界面又はその付近にオプションの脆弱域が与えられており、それによって、成長基板から半導体薄膜をより除去しやすくしている。脆弱域は、半導体構造体の全部又は一部の堆積前又は堆積後に形成される。脆弱域は、加熱時にイオンがマイクロキャビティを形成するように単独で又は他のイオンと組み合わされて１つ又はそれ以上のＨ又はＮの注入により成長基板又は半導体構造体内に与えられる。例えば、Ｈは、１２０ｋｅＶの加速電圧を用いて１０１７ｃｍ−２のドーズ量で注入される。
半導体構造体２２の脆弱域は、最初は（或る成長温度で）より高いＩｎＮのモル分率で、その後、（好ましくは、基板に格子整合される組成において、或るより高い成長温度で）より低いＩｎＮのモル分率で成長基板に最も近い半導体構造体２２の部分を成長させることにより与えられる。より多量のＩｎＮを含有する半導体層は、その状態図に従ってより高い成長温度において更に高い又はより低いインジウム組成の領域に変化する。最高のインジウム組成の領域は、入射レーザ光をより多く吸収し、空間的に変化するインジウム組成による機械的応力は、合金膜において機械的に脆弱な層を作り出す。
幾つかの実施の形態では、結晶構造中に複数のミクロン規模の結晶欠陥又はボイドを作り出すために、しっかりと焦点を合わせたパターン、十分な強度のパルスレーザビーム及び光子エネルギーによりウェハを露光することによって脆弱な区域が形成される。結晶のダメージのパターンは、ウェハを横切る１つ又はそれ以上のレーザビームをラスタリングすること又はエキシマレーザのような単一の高出力レーザから大量のスポットを生成するために回折光学素子を使用することにより生成される。レーザビームは、短いサブマイクロ秒のパルスを用いて強く集束し、高度に局在化したダメージを引き起こす。
上記成長基板の全部又は一部は、任意の好適な方法により除去される。脆弱域を含む構造体では、成長基板は、例えば、上述した注入層を活性化するために加熱することにより脆弱域において除去され得る。幾つかの実施の形態では、Ｈ原子が脆弱域を機械的に破砕させるマイクロキャビティに集まるとすぐに、注入Ｈ原子の脆弱域を含む構造体が、６００℃の温度に加熱される（温度はそれよりも高くても低くてもよく、注入種及びドーズ量に依存する。）。半導体構造体２２から成長基板を除去するために脆弱域を与えることの利点は、成長基板の残りの部分が研磨され、成長基板として再度使用され得ることである。
成長基板を除去する他の方法は、機械的研磨のような機械的方法を含んでおり、これは、成長基板と半導体構造体との間に回転力を印加することと、接着剤が塗布されたプラスチックフィルムを成長基板に取り付け、第２の接着剤が塗布されたプラスチックフィルムを半導体構造体に取り付けることと、成長基板と半導体構造体とを引き離すこととを含み、成長基板と半導体構造体との界面壊すために鋭い刃を用い、成長基板と半導体構造体との界面を壊すために音波エネルギーのパルス又は不均質な温度分布を用い、破壊を引き起こす衝撃波を作り出す界面における小さい点（＜１ｍｍ２）に集められる１つ又はそれ以上のレーザパルスを印加し、半導体構造体／成長基板界面の平面において熱的に誘導される応力が該界面の特性を引き起こすのに十分であるように、半導体及び成長基板に垂直な面を横切る温度勾配（例えば、半導体構造体の一面に適用されるより高い温度及び成長基板の一面に適用されるより低い温度）を利用する。
幾つかの実施の形態では、成長基板は透明であり、これは、レーザビームが成長基板を通過するレーザリフトオフにより成長基板が半導体構造体２２から取り除かれることを可能にする。成長基板上に最初に成長されたＩＩＩ族窒化物材料の層は、レーザ光を吸収して溶解し、成長基板から半導体構造体２２を離す。レーザリフトオフは、成長基板に隣接して配されるより狭いエネルギーギャップの合金半導体のオプションの層により促進される。上記より狭いエネルギーギャップの層の組成は、この層が隣接する半導体層よりも多くの入射レーザ光を吸収するように選択され、これは、必要な入射光束を低減し、半導体構造体２２の至る所でより少ない分散したダメージしか生成しない。
幾つかの実施の形態では、半導体構造体から成長基板を切り離すために注入層を活性化した後残っている成長基板の一部のような成長基板の全部又は一部が、ウェット化学エッチングのようなエッチングにより取り除かれる。Solid-State Electronics,42,467(1998) に発表された「Dry and Wet Etching of ScMgAlO4」においてC.D.Brandle等により報告されているように、例えば、ＳｃＡｌＭｇＯ４は、Ｈ３ＰＯ４及びＨ２Ｏ２の混合溶液、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ並びにＨＦの混合溶液により容易に攻撃される。上記文献は、参照することにより本明細書に組み込まれたものとする。幾つかの実施の形態では、成長基板の全部又は一部は、８００ワットの印加電力においてＣｌ２及びＡｒの混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより取り除かれる。
一度成長基板が取り除かれると、成長基板は表面処理され（re-surfaced）、再度使用され得る。
図８に示されている垂直方向注入のＬＥＤでは、半導体構造体２２の一方の側にｎコンタクト部が形成され、半導体構造体の他方の側にｐコンタクト部が形成されている。例えば、ｐコンタクト部２６はｐ型領域上に形成されており、デバイスはｐコンタクト部２６を介してマウント２８に取り付けられている。成長基板の全部又は一部は取り除かれ、ｎコンタクト部２４は基板の全部又は一部を取り除くことにより曝されるｎ型領域の表面に形成され得る。上記ｎコンタクト部の電気的接触は、図８に示されているようなワイヤボンド又は金属架橋を用いてなされる。
ＬＥＤは、白色光又は他の色の単色光を作り出すために蛍光体、量子ドット又は染料のような１つ又はそれ以上の波長変換材料と組み合わされ得る。ＬＥＤにより発せられる光の全て又は一部のみが波長変換材料によって変換され得る。ＬＥＤにより発せられる未変換光は、光の最終的なスペクトルの一部であるが、必要ではない。よく起こる組み合わせの例は、黄色発光蛍光体と組み合わせられる青色発光ＬＥＤ、緑色及び赤色発光蛍光体と組み合わせられる青色発光ＬＥＤ、青色及び黄色発光蛍光体と組み合わせられる紫外発光ダイオード並びに青色、緑色及び赤色発光蛍光体と組み合わせられる紫外発光ダイオードを含んでいる。デバイスから発せられる光のスペクトルを調整するために、他の色の光を発する波長変換材料が加えられる。
上記波長変換素子は、例えば、ＬＥＤに接着若しくは結合された又はＬＥＤから離れて配置された予め形成されたセラミック蛍光体層、又はＬＥＤの上にステンシルで印刷された、スクリーン印刷された、スプレーされた、沈降した（sediment）、蒸着した、スパッタリングされた又はそうでなければ分配若しくは堆積された有機又は無機のカプセル材中に配された粉末蛍光体若しくは量子ドットである。
実施例１ ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたＡｌを含んでいないＬＥＤは、１ないし６μｍの厚さの１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３のＳｉがドープされたＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ基部層１２を含んでおり、１ないし６ｎｍの厚さのＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎより成る障壁部により分離された２ないし５ｎｍの厚さのＩｎ０．１５−０．２０Ｇａ０．８５−０．８Ｎ量子井戸を含む活性領域１６が続き、これらの全ては名目上はドープされていない。活性領域１６の上に、２ないし１０ｎｍの厚さのＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎキャップ層３４、１０ないし４０ｎｍの厚さの１×１０２０ｃｍ−３にＭｇがドープされたＩｎ０．０−０．１３Ｇａ１−０．８７Ｎ電子遮断層３６及び最初の８５ｎｍに関しては１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３の濃度で、最後の１ないし１０ｎｍに関しては５×１０１９ないし２×１０２０ｃｍ−３に傾斜するようにＭｇがドープされた６０ないし１２０ｎｍの厚さのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎｐコンタクト層３８が続いている。
実施例２
ピットフィリング層を含むＡｌを含んでいないＬＥＤは、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長している。１ないし６μｍのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ基部層１２は、１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３のＳｉがドープされており、基部層と同様にドープされたＩｎ０．０−０．１３Ｇａ１−０．８７Ｎより成る１ないし２０ｎｍの厚さのピットフィリング層が続いている。活性領域１６は、１ないし６ｎｍの厚さのＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎより成る障壁部により分離された２ないし５ｎｍの厚さのＩｎ０．１５−０．２０Ｇａ０．８５−０．８Ｎ量子井戸を含んでおり、これらの全ては名目上はドープされていない。活性領域１６は、２ないし１０ｎｍの厚さのＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎキャップ層３４、１０ないし４０ｎｍの１×１０２０ｃｍ−３にＭｇがドープされたＩｎ０．０−０．１３Ｇａ１−０．８７Ｎ電子遮断層３６及び最初の８５ｎｍに関しては１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３の濃度で、最後の１ないし１０ｎｍに関しては５×１０１９ないし２×１０２０ｃｍ−３に傾斜するようにＭｇがドープされた６０ないし１２０ｎｍの厚さのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎｐコンタクト層３８が続いている。
実施例３
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長されたＡｌを含んでいないＬＥＤは、１ないし６μｍの厚さの１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３のＳｉがドープされたＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ基部層１２を含んでおり、Ｓｉが２ｅ１８ないし２ｅ１９ｃｍ−３ドープされたＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎより成るスペーサが続いている。活性領域１６は、１ないし６ｎｍの厚さのＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎより成る障壁部により分離された２ないし５ｎｍの厚さのＩｎ０．１５−０．２０Ｇａ０．８５−０．８Ｎ量子井戸を含んでおり、これらの全ては名目上はドープされていない。この積層体に、２ないし１０ｎｍの厚さのＩｎ０．１０−０．１６Ｇａ０．９−０．８４Ｎキャップ層３４、１０ないし４０ｎｍの１×１０２０ｃｍ−３にＭｇがドープされたＩｎ０．０−０．１３Ｇａ１−０．８７Ｎ電子遮断層３６及び最初の８５ｎｍに関しては１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３の濃度で、最後の１ないし１０ｎｍに関しては５×１０１９ないし２×１０２０ｃｍ−３に傾斜するようにＭｇがドープされた６０ないし１２０ｎｍの厚さのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎｐコンタクト層３８が続いている。
実施例４
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に成長された歪みのないＬＥＤは、１ないし６μｍの厚さの１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３のＳｉがドープされたＡｌ０．１０Ｉｎ０．１６Ｇａ０．７４Ｎ基部層１２を含んでおり、１ないし６ｎｍの厚さのＡｌ０．０５Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８０Ｎより成る障壁部により分離された２ないし５ｎｍの厚さのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ量子井戸を含む活性領域１６が続き、これらの全ては名目上はドープされていない。活性領域１６に、１ないし１０ｎｍの厚さのＡｌ０．１０Ｉｎ０．１６Ｇａ０．７４Ｎキャップ層３４、５ないし３５ｎｍの厚さの１×１０１９ないし１×１０２０ｃｍ−３にＭｇがドープされたＡｌ０．３０Ｉｎ０．２０Ｇａ０．５０Ｎ電子遮断層３６及び最初の８５ｎｍに関しては１×１０１８ないし１×１０１９ｃｍ−３の濃度で、最後の５ｎｍに関しては５×１０１９ないし２×１０２０ｃｍ−３に傾斜するようにＭｇがドープされた５０ないし１５０ｎｍの厚さのＡｌ０．１０Ｉｎ０．１６Ｇａ０．７４Ｎｐコンタクト層３８が続いている。
（サファイア上のＧａＮ、ＳｉＣ上のＧａＮ、Ｓｉ上のＧａＮのような）従来のデバイスと比較した本発明の幾つかの実施の形態の利点は、活性領域に格子整合される基板に成長される機会及び（基部層及びｐ型層のような）より大きいバンドギャップのクラッド層を与えるために四元層を使用する機会である。また、より大きい格子定数のために、四元化合物がより高い成長温度で成長でき、これは、外因性及び内因性点欠陥の取り込みのために従来はより低品質であったこれらの薄膜の品質を向上させる。ＢＡｌＧａＩｎＮに加えて、全ての層が、バンド構造体、形態及びデバイスの性能を最適化するためにＢＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂより成る任意のＩＩＩ−Ｖ族材料の合金を有し得る。
本発明を詳細に説明したが、本発明の開示を与えると、本明細書において説明された本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に対して変更がなされ得ることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の範囲は、図示され、説明された特定の実施の形態に制限されるように意図されてはいない。

Claims (18)

  1. 基板上に、ｎ型領域とｐ型領域との間に配される発光層を有するＩＩＩ族窒化物構造体を成長させるステップと、前記ＩＩＩ族窒化物構造体をマウントに取り付けるステップと、前記基板を除去するステップとを有する方法であって、
    前記基板はＲＡＯ３（ＭＯ）ｎであり、Ｒは三価のカチオン、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ及びランタニドの１つであり、Ａは三価のカチオン、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ及びＡｌの１つであり、Ｍは二価のカチオン、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＣｄの１つであり、ｎは１以上の整数であって、
    前記基板は、面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを有し、
    前記ＩＩＩ族窒化物構造体の少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層は、バルク格子定数ａｌａｙｅｒを有し、
    ［（｜ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ａｌａｙｅｒ｜）／ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ］×１００％が１％以下である、当該方法。
  2. 前記ＩＩＩ族窒化物構造体が、専ら三元、四元及び／又は五元ＩＩＩ族窒化物層を含む領域を有し、
    専ら三元、四元及び／又は五元ＩＩＩ族窒化物層を含む前記領域は、２μｍよりも厚い、請求項１記載の方法。
  3. 前記基板がＳｃＡｌＭｇＯ４である、請求項１記載の方法。
  4. 前記ＩＩＩ族窒化物構造体が、前記基板に格子整合される少なくとも１つの層を含む、請求項１記載の方法。
  5. 前記ＩＩＩ族窒化物構造体が、第２の層と直接接触する第１の層を含み、前記第１の層と前記第２の層との界面は極性電荷を持たない、請求項１記載の方法。
  6. 前記第１の層はＡｌ０．０６Ｉｎ０．１７Ｇａ０．７７Ｎであり、前記第２の層はＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎである、請求項５記載の方法。
  7. 前記成長させるステップは、前記基板と前記発光層との間に配される基部領域を成長させるステップを有し、前記基部領域は、前記基板に近い第１の層と前記発光層に近い第２の層とを有し、前記第１の層は前記第２の層よりも大きいバンドギャップを有する、請求項１記載の方法。
  8. 前記基板はＳｃＡｌＭｇＯ４であり、
    前記第１の層は、Ｉｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと、前記基板に格子整合され、ｙ＝０．１３６＋０．２２８×ｘ、ｘ＋ｙ≦１の関係を満たす組成ｘ及びｙを有する四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮとのうちの１つであり、
    前記第２の層は、Ａｌ０．０６Ｉｎ０．１７Ｇａ０．７７Ｎ、Ａｌ０．６Ｉｎ０．１３Ｇａ０．２７Ｎ及びｘ＝２×ｙ−０．２８を満たし、０．１４から０．３２の間のインジウム組成ｙを有する四元層ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの１つである、請求項７記載の方法。
  9. 前記成長させるステップは、前記基板と前記発光層との間に配される基部領域を成長させるステップを有し、前記基部領域は、前記基板に近い第１の層と前記発光層に近い第２の層とを有し、前記第１の層は前記第２の層とは異なる分極を持つ、請求項１記載の方法。
  10. 前記基板はＳｃＡｌＭｇＯ４であり、
    前記第１の層は、Ｉｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと、前記基板に格子整合され、ｙ＝０．１３６＋０．２２８×ｘ、ｘ＋ｙ≦１の関係を満たす組成ｘ及びｙを有する四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮとのうちの１つであり、
    前記第２の層は、ＧａＮ、ｙ＜０．１３のＩｎｙＧａ１−ｙＮ、Ａｌ０．５Ｉｎ０．２５Ｇａ０．２５Ｎ、前記基板に格子整合される四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層及びＩｎ０．２９Ａｌ０．７１Ｎの１つである、請求項９記載の方法。
  11. 前記ｎ型領域の少なくとも一部が傾斜した組成を有する、請求項１記載の方法。
  12. 前記発光層が、少なくとも２つの発光層及び前記少なくとも２つの発光層の間に配される少なくとも１つの障壁層を有する多重量子井戸発光領域の一部であり、
    前記発光層の少なくとも１つの組成及び前記少なくとも１つの障壁層の組成は、前記発光領域における正味の歪みがゼロであるように選択される、請求項１記載の方法。
  13. 前記発光層が、少なくとも２つの発光層と前記少なくとも２つの発光層の間に配される少なくとも１つの障壁層とを有する多重量子井戸発光領域の一部であり、
    前記少なくとも１つの障壁層の組成は、前記基板に格子整合される四元層、ＧａＮ及び０とｙＬＥＬ−０．０８との間のインジウム組成を有するＩｎｙＧａ１−ｙＮの１つであり、ｙＬＥＬは、前記発光層の少なくとも１つのインジウム組成である、請求項１記載の方法。
  14. 半導体層の前記構造体が分布ブラッグ反射器を更に有する、請求項１記載の方法。
  15. 前記分布ブラッグ反射器は、交互に配されたＡｌＩｎＮ層及びＩｎＧａＮ層を有する、請求項１４記載の方法。
  16. 基板と、
    ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を有する、前記基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物構造体と
    を有するデバイスであって、
    前記基板はＲＡＯ３（ＭＯ）ｎであり、Ｒは三価のカチオン、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ及びランタニドの１つであり、Ａは三価のカチオン、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ及びＡｌの１つであり、Ｍは二価のカチオン、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＣｄの１つであり、ｎは１以上の整数であって、
    前記基板は、面内格子定数ａｓｕｂｓｔｒａｔｅを有し、
    前記ＩＩＩ族窒化物構造体の少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層は、バルク格子定数ａｌａｙｅｒを有し、
    ［（｜ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ａｌａｙｅｒ｜）／ａｓｕｂｓｔｒａｔｅ］×１００％が１％以下である、当該デバイス。
  17. 前記発光層は、４４０ｎｍよりも大きいピーク波長を有する光を発し、
    前記ＩＩＩ族窒化物構造体は、専ら三元、四元及び／又は五元ＩＩＩ族窒化物層を含む領域を有し、
    専ら三元、四元及び／又は五元ＩＩＩ族窒化物層を含む前記領域は、２μｍよりも厚い、請求項１６記載のデバイス。
  18. 専ら三元、四元及び／又は五元ＩＩＩ族窒化物層を含む前記領域内の各層についての歪みが［（｜ａｂｕｌｋ−ａｉｎ−ｐｌａｎｅ）／ａｂｕｌｋ］×１００％として定義され、ａｂｕｌｋは、完全に緩和された時の各層と同じ組成の層の格子定数であり、ａｉｎ−ｐｌａｎｅは、当該デバイス内の成長された各層の格子定数であり、専ら三元、四元及び／又は五元ＩＩＩ族窒化物層を含む前記領域内の各層についての歪みが０．８％未満である、請求項１７記載のデバイス。
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