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LIGHT-EMITTING DEVICE AND FABRICATION METHOD OF THE SAME

Patent code P190015824
File No. E067P22D2
Posted date Jan 24, 2019
Application number P2017-115734
Publication number P2017-195396A
Date of filing Jun 13, 2017
Date of publication of application Oct 26, 2017
Priority data
  • 60/686,244 (Jun 1, 2005) US
Inventor
  • (In Japanese)ロバート・エム・ファレル
  • (In Japanese)トロイ・ジェー・ベーカー
  • (In Japanese)アーパン・チャクラボーティ
  • (In Japanese)ベンジャミン・エー・ハスケル
  • (In Japanese)ピー・モルガン・パチソン
  • (In Japanese)ラジャット・シャーマ
  • (In Japanese)ウメシュ・ケー・ミシュラ
  • (In Japanese)スティーブン・ピー・デンバース
  • (In Japanese)ジェームス・エス・スペック
  • (In Japanese)シュウジ・ナカムラ
Applicant
  • (In Japanese)ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title LIGHT-EMITTING DEVICE AND FABRICATION METHOD OF THE SAME
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide methods for achieving semipolar (Ga, Al, In, B)N thin films having a large area, heterostructures and devices.
SOLUTION: A {10-11} semipolar GaN template 1504 is grown by using a {100} spinel substrate 1502, and a n-GaN layer 1506 is re-grown. Then a n-AlGaN/GaN clad layer 1508 is grown, on which a n-GaN waveguide layer 1510 is grown. A MQW active layer 1512 is grown, and a p-GaN waveguide layer 1514 is grown on the MQW active layer 1512. Then another clad layer 1516 is grown, and a p-GaN contact layer is grown. Films of a Ni/Au electrode 1520 and a Ti/Al/Ni/Au electrode 1522 are formed. The {10-11} orientation 1501 in the semipolar orientations has the largest crystal angle (θ=62.0°), which results in the maximum improvement in the optical gain.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

1.本発明の技術分野
本発明は半導体材料、方法、およびデバイスに関わり、より具体的には発光デバイスおよびその作製方法に関係するものである。

2.関連技術の説明
(注意:この出願は、本明細書を通じて、括弧で囲まれる一つ以上の参照番号、たとえば[参考文献x]で示された、多くの異なる刊行物を参照する。参照番号順に並べられたこれらの文献のリストは以下の[参考文献]と書かれたセクションに示す。これらの刊行物はそれぞれ参照として本明細書中に組み込まれる。)

窒化ガリウム(GaN)とその合金(Ga,Al,In,B)Nの有用性は可視光および紫外光の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの作製において十分に確立された。図1に示すように、現状技術の窒化物薄膜、ヘテロ構造およびデバイスはウルツ鉱型窒化物結晶構造100の[0001]軸102に沿って成長される。このような薄膜の全分極は自発分極成分と圧電分極成分より成り、どちらもウルツ鉱型窒化物結晶構造100の唯一の有極性の[0001]軸102から生じるものである。窒化物ヘテロ構造が擬似格子整合するように成長されると、分極の不連続が結晶の表面と界面に形成される。この不連続によって表面と界面においてキャリアが蓄積または減少し、そして電界を発生させる。この内蔵電界の方向は窒化物薄膜およびヘテロ構造の通常の成長方向[0001]と一致するため、この電界は窒化物デバイスのエネルギーバンドを傾斜させる効果を持つ。

c面ウルツ鉱型(Ga,Al,In,B)N量子井戸において、この傾斜したエネルギーバンド104と106は、図1に示すように、正孔の波動関数108と電子の波動関数110を空間的に分離する。この空間的な電荷分離は輻射遷移の振動子強度を低減し、発光の波長をレッド・シフトさせる。これらの効果は量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)の現れであり、窒化物量子井戸に対しては十分に解析されている[参考文献1~4]。更に、大きな分極誘起の電界はドーパントと注入されたキャリアによって部分的に遮蔽されることも起こり[参考文献5、6]、それ故に発光特性を正確に設計するのは困難になる。

更に、擬似格子整合する2軸性歪はc面ウルツ鉱型(Ga,Al,In,B)N量子井戸における正孔の有効質量の低減にはほとんど影響しないことが示されている[参考文献7]。これは通常のIII-V閃亜鉛鉱型InP-およびGaAsベースの量子井戸の場合とは全く対照的であり、後者の場合には異方性歪が誘起する、重い正孔バンドと軽い正孔バンドの分離が正孔の有効質量の大幅な低減をもたらす。通常のIII-V閃亜鉛鉱型InP-およびGaAsベースの量子井戸の場合、正孔の有効質量の低減により一定のキャリア密度に対する擬フェルミ準位は大幅に増加する。この擬フェルミ準位の分離が増大することの直接の結果として、光学利得を発生するために必要なキャリア密度は大幅に小さくなる[参考文献8]。しかしながら、ウルツ鉱型窒化物結晶構造では、2軸性歪を受けたc面窒化物量子井戸においては、六方晶系の対称性のために、また、窒素原子におけるスピン軌道相互作用が小さいため、発生する重い正孔と軽い正孔のバンドの分離はごく小さい[参考文献7]。このように、2軸性歪を受けたc面窒化物量子井戸においては、正孔の有効質量は電子の有効質量に比べてはるかに大きいままであり、光学利得を発生させるために必要なキャリア密度は非常に高い。

(Ga,Al,In,B)Nデバイスにおいて、分極の影響を取り除き、正孔の有効質量を低減するための1つの方法は、デバイスを結晶の無極性な面上に成長することである。これらの面はまとめてa面と呼ばれる{11-20}面、およびまとめてm面と呼ばれる{1-100}面を含んでいる。このような面はガリウムと窒素の原子を面内で同数含んでおり、電荷中性である。その結果、異なる無極性層はお互いに等価であり、バルク結晶は成長方向に沿って分極することはない。さらに、歪を受けた無極性InGaN量子井戸は歪を受けたc面InGaN量子井戸よりも正孔の有効質量が大幅に小さいということが示された[参考文献9]。しかしながら、カリフォルニア大学や他の研究者が達成してきた進展[参考文献10~15]にもかかわらず、無極性(Ga,Al,In,B)Nデバイスの成長と作製は依然として難しい課題が多く残っており、窒化物産業界で広く採用されるまでに至っていない。

(Ga,Al,In,B)Nデバイスにおける分極の影響を低減し、正孔の有効質量を低減する他の方法は、デバイスを結晶の半極性面上に成長することである。用語「半極性面」はc面、a面、またはm面として分類できない面を指して用いられる。結晶学的用語を用いると、半極性面は少なくとも2つの0でないミラー指数h、i、またはkと、0ではないミラー指数lを持つ面は全て該当する。

半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜およびヘテロ構造の成長はc面配向ストライプのパターン上の側壁上にて実証された。ニシズカ(Nishizuka)ら[参考文献16]はこの方法で{11-22}InGaN量子井戸を成長した。しかしながら、半極性窒化物薄膜またはヘテロ構造を作製するこの方法は、エピタキシャル横方向オーバーグロス(ELO)の加工品であり、本発明の開示事項とは明確に異なる。この方法では半極性結晶面は基板表面に平行ではなく、利用できる表面面積は小さすぎて半極性デバイスに加工することは出来ない。

本発明は、半極性薄膜の大きな面積が基板表面に平行であるように、適当な基板あるいは平坦な(Ga,Al,In,B)Nテンプレート上に半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスを成長して作製するための方法を記述する。半極性窒化物としてこれまでに実験されたマイクロメータの寸法の傾斜面の成長とは対照的に、この方法は標準的なリソグラフィ技術を用いて半極性(Ga,Al,In,B)Nデバイスを大規模に作製することを可能とするものである。

閃亜鉛鉱型InP-およびGaAs-ベースの量子井戸ヘテロ構造およびデバイスと比較すると、ウルツ鉱型c面(Ga,Al,In,B)N量子井戸ヘテロ構造およびデバイスは光学利得を発生するために高いキャリア密度が必要である。これは大きな分極誘起の電界の存在と、本質的に大きな正孔の有効質量に起因するものである[参考文献17、18]。それ故に、内蔵電界と正孔の有効質量の低減とは高性能(Ga,Al,In,B)Nデバイスの実現にとって本質的に重要なことである。

典型的なInPおよびGaAsベースのヘテロ構造デバイスの設計には、通常は組成、厚さおよび歪などの色々な薄膜パラメータが含まれる。これらのパラメータを変えると、各エピタキシャル層のバンドギャップ、誘電定数、および正孔の有効質量のような、電子的、光学的な物性を変えることができる。InP-およびGaAs-ベースのデバイスの設計においては通常は用いられないが、結晶成長方位を変えることも各エピタキシャル層の電子的、光学的な物性に影響を及ぼすことが出来る。特に、結晶成長方位を変えると、窒化物薄膜およびヘテロ構造においては分極の影響と正孔の有効質量を低減することが出来る。この新しい設計パラメータを含めるために、われわれは半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスの成長と作製の方法を発明した。結晶の成長のために正しい基板または半極性テンプレートを適切に選択することによって、個別のデバイス応用に適した、正味の分極と正孔の有効質量の最適な組み合わせを選択することが出来る。

結晶の成長方位を変更することによる効果を示すために、圧縮歪を受けたInxGa1-xN量子井戸に対して圧電分極を計算し、一般的な成長方向とc軸の間の角度の関数としてプロットすることが出来る[参考文献9、18~20]。図2は、c面結晶の成長に対する従来の座標系(x,y,z)と一般的な結晶の成長方位に対する新しい座標系(x’,y’,z’)の間の関係を示す。従来の座標系(x,y,z)は新しい座標系(x’,y’,z’)に次の回転行列を用いて変換できる。
【数1】
(省略)

ここでφとθは、それぞれ新しい座標系の[0001]軸に対する方位角および極角である。図2に示したように、z軸は[0001]軸102に対応し、z’軸200は新しい一般の結晶の成長軸に対応する。ウルツ鉱型材料における圧電効果は[0001]軸に沿って単軸等方性を示すため、物理的なパラメータの計算において、方位角(φ)202依存性は無視できる[参考文献21]。このようにして、等価な半極性面のファミリーは唯一の極角(θ)204を用いて一義的に表すことが出来る。θを以後、単に結晶角204と呼ぶことにする。有極性、無極性、およびいくつかの選択された半極性面の結晶角204を下の表1に示す。
表1:有極性、無極性、およびいくつかの選択された半極性面と対応する結晶角の表。

【表1】
(省略)
予想されるとおり{0001}面はθ=0°に対応し、{1-100}と{11-20}面はθ= 90°に対応し、半極性面は0°<θ<90°に対応する。

結晶の圧電分極は結晶の歪状態によって決められる。格子整合のとれていない結晶の層のヘテロエピタキシャル成長に対しては、各層の歪状態は成長面における2軸性応力で決まる。

z’軸200に沿った一般の結晶の成長方位に対しては、成長面内の2軸性応力成分σx’x’とσy’y’は変換行列Uを用いて通常の(x,y,z)座標系に変換できる。この結果、(x,y,z)座標系における歪状態と圧電分極を決めることができる。このように、(x,y,z)座標系における圧電分極は、変換行列Uを介して結晶角(θ)204の関数として変化する。一般の結晶の成長方位に対しては、圧電分極は(x,y,z)座標系における分極ベクトルPと一般的な結晶の成長方向に沿った単位ベクトルz’のスカラー積をとることによって求めることができる。
【数2】
(省略)

ここでPxとPzは(x,y,z)座標系における圧電分極の成分を表し、上に記したように結晶角(θ)204に依存する。

図3は歪のないGaNバリヤ層を持ち、圧縮歪を受けたInxGa1-xNの量子井戸に対して、成長方向とc軸の間の角度の関数として圧電分極300を示す[参考文献9、18~20]。予想されるとおり、分極300はc面成長(θ= 0°)に対して最大となり、a面またはm面成長(θ= 90°)に対してゼロとなる。この2点を両端とするその中間で分極は一度符号を変え、ある角度θ0302でゼロになる。θ0302の正確な値は圧電テンソルや弾性定数など、多くは現状ではほとんど未知の状態にあるいくつかの物理パラメータの値に依存している[参考文献21~25]。

圧電分極効果とほぼ同様に、圧縮歪InxGa1-xN量子井戸の正孔の有効質量も結晶の成長方位を変えることによって大きく低減させることが出来る。理論的検討結果[参考文献9]は異方性歪が誘起する、重い正孔バンドと軽い正孔バンドの分離によって、圧縮歪InxGa1-xN量子井戸の正孔の有効質量が結晶角の増加と共に単調に減少することを示している。このように、半極性方位で、特に大きな結晶角を持つ方位で圧縮歪InxGa1-xN量子井戸を成長することにより正孔の有効質量が大きく低減するであろう。

Field of industrial application (In Japanese)

関連出願の相互参照
本出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の仮出願の利益を主張する。

ロバート・M.ファレル(Robert M.Farrell)、トロイ・J.ベーカー(Troy J.Baker)、アーパン・チャクラボーティ(Arpan Chakraborty)、ベンジャミン・A.ハスケル(Benjamin A.Haskell)、P.モルガン パチソン(P.Morgan Pattison)、ラジャット・シャーマ(Rajat Sharma)、ウメシュ・K.ミシュラ(Umesh K.Mishra)、スティーブン・P.デンバース(Steven P.DenBaars)、ジェームス・S.スペック(James S.Speck)、および中村修二による出願第60/686,244号、2005年6月1日出願、発明の名称「半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜、ヘテロ構造およびデバイスの成長と作製のための方法および装置(TECHNIQUEFOR THE GROWTH AND FABRICATION OF SEMIPOLAR(Ga,Al,In,B)N THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES,AND DEVICES)」代理人整理番号30794.140 US-P1(2005-668)。
この出願は参照として本明細書中に組み込まれる。

本出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の出願の関連出願である。

マイケル・D.クレイブン(Michael D.Craven)、ステーシア・ケラー(Stacia Keller)、スティーブン・P.デンバース、タル・マーガリス(Tal Margalith)、ジェームス・S.スペック、中村修二、ウメシュ・K.ミシュラによる米国実用特許出願第10/413,690号、2003年4月15日出願、発明の名称「無極性(Al,B,In,Ga)N量子井戸とヘテロ構造材料及びデバイス(NON-POLAR (Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES)」、代理人整理番号30794.101-US-U1(2002-301)。上記出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、次の特許文献の優先権を主張している。

マイケル・D.クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・P.デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・S.スペック、中村修二、ウメシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/372,909号、2002年4月15日出願、発明の名称「無極性窒化ガリウム・ベースの薄膜とヘテロ構造材料(NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASEDTHIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)」、代理人整理番号30794.95-US-P1。

アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・A.ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・S.スペック、スティーブン・P.デンバース、中村修二、ウメシュ・K.ミシュラによる米国実用特許出願第11/123,805号、2005年5月6日出願、発明の名称「有機金属化学気相成長法による無極性窒化インジウム・ガリウム薄膜、ヘテロ構造、及びデバイスの作製(FABRICATION OF NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.117-US-U1(2004-495)。上記出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。

アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・A.ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・S.スペック、スティーブン・P.デンバース、中村修二、ウメッシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/569,749号、2004年5月10日出願、発明の名称「有機金属化学気相成長法による無極性InGaN薄膜、ヘテロ構造及びデバイスの作製(FABRICATION OF NONPOLAR InGaN THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.117-US-P1および、トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ(Paul T.Fini)、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許仮出願第60/660,283号、2005年3月10日出願、発明の名称「平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE)」、代理人整理番号30794.128-US-P1(2005-471)。

これらの出願は参照として本明細書中に組み込まれる。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
レーザーデバイスとして構成された発光デバイスであって、
発光デバイス構造を含む半極性III族窒化物薄膜と、
発光のため前記発光デバイス構造に構成されたエッジを備え、
前記発光デバイス構造は、窒化物基板の表面上または上方に成長される半極性III族窒化物活性領域を含み、該表面は前記窒化物基板のc面から結晶角θで方位づけられる表面であり、該結晶角θは75°≦θ<90°であることを特徴とするデバイス。

【請求項2】
 
前記半極性III族窒化物薄膜が、ガリウム材料および窒素材料を備えることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。

【請求項3】
 
前記半極性III族窒化物活性層は、自立窒化ガリウム(GaN)基板を備える前記基板の半極性表面上または上方に成長され、該半極性表面は{20-21}面に向いている、またはそこからオフカットされていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。

【請求項4】
 
前記発光デバイス構造が緑色発光半極性ダイオードを備えることを特徴とする請求項1に記載デバイス。

【請求項5】
 
レーザーデバイスとして構成された発光デバイスであって、
発光デバイス構造を含む平坦な半極性III族窒化物薄膜と、
発光のため前記発光デバイス構造に構成されたエッジを備え、
前記発光デバイス構造は、半極性III族窒化物活性領域を含ことを特徴とするデバイス。

【請求項6】
 
前記デバイス構造が前記活性領域を含むダイオード構造を含み、該ダイオード構造は電流-電圧(I-V)特性を有し、
前記活性領域が、3.1ボルト以下でターンオン電圧を示す前記I-V特性を達成するのに効果的な材料特性を有することを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項7】
 
前記活性領域は、駆動電流密度が33A/cm2から222A/cm2へ増加すると、線形的に増加する出力パワーを有する発光を得るのに効果的な材料特性を有することを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項8】
 
前記活性領域は、駆動電流密度が33A/cm2から222A/cm2へ増加しても、熱効果または飽和を示さないデバイスを得るのに効果的な材料特性を有することを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項9】
 
前記活性領域は、前記デバイスが278A/cm2の駆動電流密度に対して少なくとも1.5mWの出力パワーを有する光を発光するような材料特性を有することを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項10】
 
前記半極性III族窒化物活性領域、33A/cm2~222A/cm2の間で増加する駆動電流密度で、同様の波長領域および同様の駆動電流密度の範囲で動作する有極性III族窒化物活性層と比較して、青色発光ピークでブルーシフトの少ない光を発光することを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項11】
 
前記半極性III族窒化物活性領域は、同様の波長領域および同様の駆動電流密度の範囲で動作する有極性III族窒化物活性層と比較して、増加する駆動電流密度で外部量子効率(EQE)の減少が少ない光を発光することを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項12】
 
前記半極性III族窒化物活性領域は、同様の波長領域および同様の駆動電流密度の範囲で動作する有極性III族窒化物活性層と比較して、分極効果および正孔の有効質量が少ないことを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項13】
 
前記半極性III族窒化物活性領域は基板上または上方に成長され、
前記半極性III族窒化物活性領域の上面は平坦かつ半極性であり、前記基板の主表面に対してほぼ平行であることを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項14】
 
1つ以上の前記半極性III族窒化物活性領域が、窒化ガリウム基板上または上方に成長されることを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項15】
 
1つ以上の前記半極性III族窒化物活性領域が、窒化ガリウム(GaN)の半極性表面上または上方に成長され、該窒化ガリウムは厚さが少なくとも10μmであり、
前記GaNはバルク窒化ガリウム基板から切り出されることを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項16】
 
前記半極性活性領域が、{10-11}、{10-13}、あるいは{11-22}方位を有することを特徴とする請求項15に記載のデバイス。

【請求項17】
 
前記デバイスが青色発光するレーザーダイオードであることを特徴とする請求項5に記載のデバイス。

【請求項18】
 
レーザーデバイスを作製する方法であって、
発光レーザーデバイス構造を含む半極性III族窒化物薄膜を成長する工程と、
発光のため前記レーザーデバイス構造にエッジを形成する工程を備え、
前記発光レーザーデバイス構造は窒化物基板の表面上または上方に成長される半極性III族窒化物活性領域を含み、
該表面は前記窒化物基板のc面から結晶角θで方位づけられる表面であり、該結晶角θは75°≦θ<90°であることを特徴とする方法。

【請求項19】
 
前記半極性III族窒化物活性領域は、{20-21}表面を有する、またはそこからのオフカットを有する自立窒化ガリウム(GaN)基板を備える前記窒化物基板上または上方に成長されることを特徴とする請求項18に記載の方法。

【請求項20】
 
前記窒化物基板が、少なくとも厚さ10μmの窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。

【請求項21】
 
前記窒化物基板の前記表面がバルク窒化ガリウム基板から切り出されることを特徴とする請求項18に記載の方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017115734thum.jpg
State of application right Published
Reference ( R and D project ) ERATO NAKAMURA Inhomogeneous Crystal AREA
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