JP2001036134A - Ｉｉｉ族窒化物半導体超格子をベースとした単極発光装置 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物半導体超格子をベースとした単極発光装置Info
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-
- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
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- B82—NANOTECHNOLOGY
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 ２つのIII族窒化物半導体超格子間に効果的
な接合を用いた単極発光装置（ＵＬＥＤ）を提供する。 【解決手段】 本発明のＵＬＥＤは、III族窒化物半導
体をベースとし、順バイアスにおいては通常の発光ダイ
オードと同じように機能するが、放射は電子と正孔の再
結合によって起きるのではなく、浅いサブバンド超格子
から深いサブバンド超格子への電子の転移により起き
る。
な接合を用いた単極発光装置（ＵＬＥＤ）を提供する。 【解決手段】 本発明のＵＬＥＤは、III族窒化物半導
体をベースとし、順バイアスにおいては通常の発光ダイ
オードと同じように機能するが、放射は電子と正孔の再
結合によって起きるのではなく、浅いサブバンド超格子
から深いサブバンド超格子への電子の転移により起き
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は発光装置に関する。
詳しくは、本発明はIII族窒化物半導体超格子をベース
とした単極発光装置（Unipolar Light Emitting Devic
e：ＵＬＥＤ）に関する。
詳しくは、本発明はIII族窒化物半導体超格子をベース
とした単極発光装置（Unipolar Light Emitting Devic
e：ＵＬＥＤ）に関する。
【０００２】
【背景技術および発明が解決しようとする課題】III族
窒化物半導体分野における最近の発展は、可視スペクト
ル領域用の発光ダイオードやレーザの新しい世代を切り
開いた。III族窒化物半導体のおもな利点として、このI
II族窒化物半導体を光学装置に用いた場合、劣化が他の
ワイドバンドギャップ半導体(wide-band-gap semicondu
ctor)と比較して少ない点が挙げられる。
窒化物半導体分野における最近の発展は、可視スペクト
ル領域用の発光ダイオードやレーザの新しい世代を切り
開いた。III族窒化物半導体のおもな利点として、このI
II族窒化物半導体を光学装置に用いた場合、劣化が他の
ワイドバンドギャップ半導体(wide-band-gap semicondu
ctor)と比較して少ない点が挙げられる。
【０００３】しかし、これらの材料を用いて半導体を形
成した場合、優れたｐ型導電性を得ることが難しいこと
がある。このことが、可視領域用の高出力レーザや発光
ダイオードの開発の障害となる場合がある。
成した場合、優れたｐ型導電性を得ることが難しいこと
がある。このことが、可視領域用の高出力レーザや発光
ダイオードの開発の障害となる場合がある。
【０００４】本発明は、ｎ型のみのIII族窒化物半導体
の超格子間に、発光用として効果的なｐ−ｎ接合を用い
た発光装置を提供することにある。
の超格子間に、発光用として効果的なｐ−ｎ接合を用い
た発光装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、以下に示す種
々の態様をとることができる。
々の態様をとることができる。
【０００６】本発明の発光装置は、真性半導体、ｎ型の
III族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つか
らなる複数の超格子を含むことができる。
III族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つか
らなる複数の超格子を含むことができる。
【０００７】本発明の発光装置は、真性半導体、ｎ型の
III族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つか
らなる複数の超格子と、前記超格子間に形成され、かつ
光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドッ
トのうちいずれかよりなる活性層と、を含むことができ
る。
III族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つか
らなる複数の超格子と、前記超格子間に形成され、かつ
光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドッ
トのうちいずれかよりなる活性層と、を含むことができ
る。
【０００８】本発明の白色光発光装置は、真性半導体、
ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか
１つからなる少なくとも３対の超格子を含み、さらに、
前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、
不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりな
る活性層を含むか、あるいは含まないものである。
ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか
１つからなる少なくとも３対の超格子を含み、さらに、
前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、
不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりな
る活性層を含むか、あるいは含まないものである。
【０００９】本発明の白色光発光装置は、真性半導体、
ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか
１つからなる少なくとも４階層の超格子を含み、さら
に、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純
物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよ
りなる活性層を含むか、あるいは含まないものである。
ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか
１つからなる少なくとも４階層の超格子を含み、さら
に、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純
物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよ
りなる活性層を含むか、あるいは含まないものである。
【００１０】本発明の発光装置は、真性半導体、ｎ型の
III族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つか
らなる複数の超格子と、前記超格子間に形成され、かつ
異なる伝導帯不連続域(different conductionband disc
ontinuities)を有するIII−Ｖ族またはII−VI族半導体
からなる活性層と、を含むことができる。
III族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つか
らなる複数の超格子と、前記超格子間に形成され、かつ
異なる伝導帯不連続域(different conductionband disc
ontinuities)を有するIII−Ｖ族またはII−VI族半導体
からなる活性層と、を含むことができる。
【００１１】本発明の単極発光装置は、III族窒化物半
導体超格子をベースとする構造物を含むことができる。
導体超格子をベースとする構造物を含むことができる。
【００１２】本発明の単極発光装置は、４００〜４００
０ｎｍのスペクトル領域内にあるスペクトルを有する光
を発生する単極発光装置であって、サファイア基板と、
バッファ層と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アル
ミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合
金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、ドープ
されていないか、あるいはｎ型ドープされた複数の超格
子と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム
−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からな
る第２のｎ−クラッドコンタクト層と、前記第２のｎ−
クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からな
る透明なコンタクトと、前記第１のｎ−クラッドコンタ
クト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を
含み、前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以
上の井戸とを含み、前記障壁を構成する各層は厚さ０．
３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム
−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からな
り、前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであ
り、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジ
ウム−窒素、またはこれらの合金からなる。
０ｎｍのスペクトル領域内にあるスペクトルを有する光
を発生する単極発光装置であって、サファイア基板と、
バッファ層と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アル
ミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合
金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、ドープ
されていないか、あるいはｎ型ドープされた複数の超格
子と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム
−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からな
る第２のｎ−クラッドコンタクト層と、前記第２のｎ−
クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からな
る透明なコンタクトと、前記第１のｎ−クラッドコンタ
クト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を
含み、前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以
上の井戸とを含み、前記障壁を構成する各層は厚さ０．
３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム
−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からな
り、前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであ
り、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジ
ウム−窒素、またはこれらの合金からなる。
【００１３】本発明の単極発光装置は、III族窒化物半
導体超格子をベースとし、かつ４００〜４０００ｎｍの
スペクトル領域内にあるスペクトルを有する光を発生す
る構造物を含む単極発光装置であって、サファイア基板
と、バッファ層と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素
（ＧａＮ）、アルミニウム−窒素（ＡｌＮ）、インジウ
ム−窒素（ＩｎＮ）、またはこれらの合金からなる第１
のｎ−クラッドコンタクト層と、ドープされていない
か、あるいはｎ型ドープされた複数の超格子と、ｎ型ド
ープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、イン
ジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−
クラッドコンタクト層と、前記第２のｎ−クラッドコン
タクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコン
タクトと、前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積
層された、金属からなるコンタクトと、を含み、前記複
数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井戸とを
含み、前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍで
あり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、イン
ジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、前記井戸
を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリ
ウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、
またはこれらの合金からなる。
導体超格子をベースとし、かつ４００〜４０００ｎｍの
スペクトル領域内にあるスペクトルを有する光を発生す
る構造物を含む単極発光装置であって、サファイア基板
と、バッファ層と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素
（ＧａＮ）、アルミニウム−窒素（ＡｌＮ）、インジウ
ム−窒素（ＩｎＮ）、またはこれらの合金からなる第１
のｎ−クラッドコンタクト層と、ドープされていない
か、あるいはｎ型ドープされた複数の超格子と、ｎ型ド
ープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、イン
ジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−
クラッドコンタクト層と、前記第２のｎ−クラッドコン
タクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコン
タクトと、前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積
層された、金属からなるコンタクトと、を含み、前記複
数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井戸とを
含み、前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍで
あり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、イン
ジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、前記井戸
を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリ
ウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、
またはこれらの合金からなる。
【００１４】本発明の単極白色光発光装置は、III族窒
化物半導体超格子をベースとする構造物を含む単極白色
光発光装置であって、サファイア基板と、バッファ層
と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−
窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる
第１のｎ−クラッドコンタクト層と、ドープされていな
いか、あるいはｎ型ドープされた少なくとも４層の超格
子と、赤色光、緑色光、および青色光の発光のために形
成された少なくとも３層の活性層と、ｎ型ドープされた
ガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒
素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコ
ンタクト層と、前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上
に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属からなるコンタクトと、を含み、前記複数の超格子
は、複数の障壁と、複数の井戸とを含み、前記障壁を構
成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム
−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、また
はこれらの合金からなり、前記井戸を構成する各層は厚
さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミ
ニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金
からなり、前記活性層は、希土類金属、遷移金属、また
は浅い電子供与体もしくはその他の不純物と前記金属と
の複合体でドープされたか、あるいはδ−ドープされた
半導体から形成される。
化物半導体超格子をベースとする構造物を含む単極白色
光発光装置であって、サファイア基板と、バッファ層
と、ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−
窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる
第１のｎ−クラッドコンタクト層と、ドープされていな
いか、あるいはｎ型ドープされた少なくとも４層の超格
子と、赤色光、緑色光、および青色光の発光のために形
成された少なくとも３層の活性層と、ｎ型ドープされた
ガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒
素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコ
ンタクト層と、前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上
に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属からなるコンタクトと、を含み、前記複数の超格子
は、複数の障壁と、複数の井戸とを含み、前記障壁を構
成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム
−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、また
はこれらの合金からなり、前記井戸を構成する各層は厚
さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミ
ニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金
からなり、前記活性層は、希土類金属、遷移金属、また
は浅い電子供与体もしくはその他の不純物と前記金属と
の複合体でドープされたか、あるいはδ−ドープされた
半導体から形成される。
【００１５】この場合、単極白色光発光装置を構成する
前記活性層のうちのいくつかを含まないものとすること
ができる。
前記活性層のうちのいくつかを含まないものとすること
ができる。
【００１６】本発明の単極発光装置（ＵＬＥＤ）の基本
的な構造を図１に示す。
的な構造を図１に示す。
【００１７】また、ＵＬＥＤの動作の物理的メカニズム
を図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。ＵＬＥＤにおい
ては、放射は通常の発光ダイオードで起きるような電子
と正孔の再結合により起きるのではなく、浅いサブバン
ド超格子から深いサブバンド超格子への電子の転移が原
因により起きる。この電子の転移は、フォトンの放出に
よる電子エネルギー緩和(energy relaxation)に伴って
起きる。ｎ型III族窒化物超格子をベースとしたＵＬＥ
Ｄの量子化効率(quantum efficiency)は、光の周波数の
増加とともに増大する。本発明者らの計算結果によれ
ば、このようなＵＬＥＤの効率は、非放射エネルギー緩
和プロセスにより制限されることが示されており、以下
の式で与えられる：
を図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。ＵＬＥＤにおい
ては、放射は通常の発光ダイオードで起きるような電子
と正孔の再結合により起きるのではなく、浅いサブバン
ド超格子から深いサブバンド超格子への電子の転移が原
因により起きる。この電子の転移は、フォトンの放出に
よる電子エネルギー緩和(energy relaxation)に伴って
起きる。ｎ型III族窒化物超格子をベースとしたＵＬＥ
Ｄの量子化効率(quantum efficiency)は、光の周波数の
増加とともに増大する。本発明者らの計算結果によれ
ば、このようなＵＬＥＤの効率は、非放射エネルギー緩
和プロセスにより制限されることが示されており、以下
の式で与えられる：
【００１８】
【数１】 可視領域におけるスペクトル範囲にて、１０％以上のＵ
ＬＥＤの効率を達成することができる。
ＬＥＤの効率を達成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
て、図面を参照して説明する。
【００２０】図１は、実施例１のＵＬＥＤの構造を示す
図で、２つのｎ型III族窒化物超格子をベースとした構
造を含むＵＬＥＤを示す。
図で、２つのｎ型III族窒化物超格子をベースとした構
造を含むＵＬＥＤを示す。
【００２１】図２（ａ）は、図１に示すＵＬＥＤにバイ
アスを印加していない場合における、該ＵＬＥＤの構造
に沿って等位置のエネルギー（Ｅ）のエネルギーバンド
を概略的に示す図である。
アスを印加していない場合における、該ＵＬＥＤの構造
に沿って等位置のエネルギー（Ｅ）のエネルギーバンド
を概略的に示す図である。
【００２２】図２（ｂ）は、図１に示すＵＬＥＤにバイ
アスを印加した場合における、該ＵＬＥＤのエネルギー
バンドを概略的に示す図である。
アスを印加した場合における、該ＵＬＥＤのエネルギー
バンドを概略的に示す図である。
【００２３】図３は、実施例２にかかるＵＬＥＤの構造
を示す図である。図３に示すＵＬＥＤは、２つのｎ型II
I族窒化物超格子をベースとする。この２つのｎ型III族
窒化物超格子は、光学的に活性な不純物または量子ドッ
トを含む活性層を有する。
を示す図である。図３に示すＵＬＥＤは、２つのｎ型II
I族窒化物超格子をベースとする。この２つのｎ型III族
窒化物超格子は、光学的に活性な不純物または量子ドッ
トを含む活性層を有する。
【００２４】図４は、実施例３にかかるＵＬＥＤの構造
を示す図である。図３に示すＵＬＥＤは、白色光発光用
に形成された４階層のIII族窒化物超格子（超格子２
０，２４，２８，３２）を有する。
を示す図である。図３に示すＵＬＥＤは、白色光発光用
に形成された４階層のIII族窒化物超格子（超格子２
０，２４，２８，３２）を有する。
【００２５】以下、本実施の形態にかかる実施例につい
て説明する。
て説明する。
【００２６】（実施例１）図１は、実施例１に基づくＵ
ＬＥＤの構造を示す。これはサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基
板１１を有し、その上に厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１０が形成される。そ
の上に、厚さ３μｍのｎ−ＡｌＮからなるｎ−クラッド
コンタクト層５を積層する。ｎ−クラッドコンタクト層
５は、ドーピングレベルが１０18−１０20ｃｍ-3でシリ
コン（Ｓｉ）がドープされている。このｎ−クラッドコ
ンタクト層５の上でエピタキシャル成長させて、Ｇａ
0.05Ａｌ0.95Ｎ／ＡｌＮからなる浅いサブバンド超格子
３を形成する。このサブバンド超格子３は、ドープされ
ていない４層のＧａ0.05Ａｌ0.95Ｎからなる量子井戸８
と、４層のＡｌＮからなる障壁９とで構成される。量子
井戸８を構成する４層の各層の厚さは２ｎｍであり、障
壁９を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。
ＬＥＤの構造を示す。これはサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基
板１１を有し、その上に厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１０が形成される。そ
の上に、厚さ３μｍのｎ−ＡｌＮからなるｎ−クラッド
コンタクト層５を積層する。ｎ−クラッドコンタクト層
５は、ドーピングレベルが１０18−１０20ｃｍ-3でシリ
コン（Ｓｉ）がドープされている。このｎ−クラッドコ
ンタクト層５の上でエピタキシャル成長させて、Ｇａ
0.05Ａｌ0.95Ｎ／ＡｌＮからなる浅いサブバンド超格子
３を形成する。このサブバンド超格子３は、ドープされ
ていない４層のＧａ0.05Ａｌ0.95Ｎからなる量子井戸８
と、４層のＡｌＮからなる障壁９とで構成される。量子
井戸８を構成する４層の各層の厚さは２ｎｍであり、障
壁９を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。
【００２７】次に、ＧａＮ／ＡｌＮからなる深いサブバ
ンド超格子１をエピタキシャル成長させる。このサブバ
ンド超格子１は、ドープされていない３層のＧａＮから
なる量子井戸７と、４層のＡｌＮからなる障壁６とで構
成される。量子井戸７を構成する４層の各層の厚さは
０．５ｎｍであり、障壁６を構成する４層の各層の厚さ
は１ｎｍである。このサブバンド超格子１の上に、厚さ
が１μｍのｎ−Ｇａ0.95Ａｌ0.05Ｎからなるコンタクト
層１３を形成する。このコンタクト層１３は、ドーピン
グレベルが１０18−１０20ｃｍ-3である。つづいて、コ
ンタクト層１３の上面に、チタン／アルミニウム（Ｔｉ
／Ａｌ）からなる透明な金属コンタクト１２を形成す
る。次いで、エッチング後に、ｎ−クラッドコンタクト
層５上であって構造体の隅にあたる部分に、もう一方の
コンタクト４を形成する。
ンド超格子１をエピタキシャル成長させる。このサブバ
ンド超格子１は、ドープされていない３層のＧａＮから
なる量子井戸７と、４層のＡｌＮからなる障壁６とで構
成される。量子井戸７を構成する４層の各層の厚さは
０．５ｎｍであり、障壁６を構成する４層の各層の厚さ
は１ｎｍである。このサブバンド超格子１の上に、厚さ
が１μｍのｎ−Ｇａ0.95Ａｌ0.05Ｎからなるコンタクト
層１３を形成する。このコンタクト層１３は、ドーピン
グレベルが１０18−１０20ｃｍ-3である。つづいて、コ
ンタクト層１３の上面に、チタン／アルミニウム（Ｔｉ
／Ａｌ）からなる透明な金属コンタクト１２を形成す
る。次いで、エッチング後に、ｎ−クラッドコンタクト
層５上であって構造体の隅にあたる部分に、もう一方の
コンタクト４を形成する。
【００２８】順バイアスを印加する場合、すなわち、正
の電位をコンタクト１２に与え、負の電位をコンタクト
４に与えた場合、この構造体（図１に示すＵＬＥＤ）の
中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子３と深いサブバ
ンド超格子１の間の界面２に赤色光が発生する。
の電位をコンタクト１２に与え、負の電位をコンタクト
４に与えた場合、この構造体（図１に示すＵＬＥＤ）の
中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子３と深いサブバ
ンド超格子１の間の界面２に赤色光が発生する。
【００２９】図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１
において、バイアスが印加されたＵＬＥＤ、およびバイ
アスが印加されていないＵＬＥＤそれぞれにおける伝導
帯エッジの位置依存性を示し、あわせてＵＬＥＤの動作
原理を示す図である。
において、バイアスが印加されたＵＬＥＤ、およびバイ
アスが印加されていないＵＬＥＤそれぞれにおける伝導
帯エッジの位置依存性を示し、あわせてＵＬＥＤの動作
原理を示す図である。
【００３０】バイアスが印加されていない場合、コンタ
クト４，１２それぞれにおけるフェルミ準位１４，１５
は等しい。浅いサブバンド超格子３と深いサブバンド超
格子１との間の界面２上には、空乏領域とバンド屈折が
生ずる。界面２、およびコンタクト層５，１３には電子
１６，１７の流れは生じない。
クト４，１２それぞれにおけるフェルミ準位１４，１５
は等しい。浅いサブバンド超格子３と深いサブバンド超
格子１との間の界面２上には、空乏領域とバンド屈折が
生ずる。界面２、およびコンタクト層５，１３には電子
１６，１７の流れは生じない。
【００３１】順バイアスが印加された場合、すなわち、
正電位をコンタクト４に与え、かつ負電位をコンタクト
１２に与えた場合、この構造体（図１に示すＵＬＥＤ）
の中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子３と深いサブ
バンド超格子１の間の界面２で光１８が発生する。
正電位をコンタクト４に与え、かつ負電位をコンタクト
１２に与えた場合、この構造体（図１に示すＵＬＥＤ）
の中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子３と深いサブ
バンド超格子１の間の界面２で光１８が発生する。
【００３２】（実施例２）図３は、実施例２に基づくＵ
ＬＥＤの構造を示す。図３に示すＵＬＥＤは、超格子１
と超格子３との間の界面に活性層１９が形成されている
点を除き、実施例１にかかるＵＬＥＤ（図１参照）と同
じ構造を有する。この活性層１９は、光学的に活性な不
純物、またはＧａxＡｌ1-xＮからなる量子ドットを含
む。また、活性層１９は、量子ドットまたは不純物に関
連する寄生的な量子化（lateral quantization:ＬＱ）
によって、電子に対するフォノンエネルギー緩和チャネ
ル(phonon energy relaxation channel)を抑制させるこ
とができる。ＬＱを用いることにより、量子井戸平面に
沿って自由運動がなくなる。これによって電子エネルギ
ースペクトルが区分され、レベル間のすべてのギャップ
が光学的なフォノンエネルギーよりも高い場合には、1
つのフォノン転位がエネルギー保存の法則により制限さ
れることになる。
ＬＥＤの構造を示す。図３に示すＵＬＥＤは、超格子１
と超格子３との間の界面に活性層１９が形成されている
点を除き、実施例１にかかるＵＬＥＤ（図１参照）と同
じ構造を有する。この活性層１９は、光学的に活性な不
純物、またはＧａxＡｌ1-xＮからなる量子ドットを含
む。また、活性層１９は、量子ドットまたは不純物に関
連する寄生的な量子化（lateral quantization:ＬＱ）
によって、電子に対するフォノンエネルギー緩和チャネ
ル(phonon energy relaxation channel)を抑制させるこ
とができる。ＬＱを用いることにより、量子井戸平面に
沿って自由運動がなくなる。これによって電子エネルギ
ースペクトルが区分され、レベル間のすべてのギャップ
が光学的なフォノンエネルギーよりも高い場合には、1
つのフォノン転位がエネルギー保存の法則により制限さ
れることになる。
【００３３】活性層１９を設けることによる第２番目の
利点は、超格子内におけるサブバンドエネルギーの位置
を、活性層中の不純物または量子ドットの光学的に活性
な遷移にあわせて調整することができることである。こ
れにより、超格子のサブバンドから直接流れる電流によ
り、活性層中での光学的遷移を励起させることができ
る。
利点は、超格子内におけるサブバンドエネルギーの位置
を、活性層中の不純物または量子ドットの光学的に活性
な遷移にあわせて調整することができることである。こ
れにより、超格子のサブバンドから直接流れる電流によ
り、活性層中での光学的遷移を励起させることができ
る。
【００３４】（実施例３）図４は、実施例３に基づく白
色光発生用のＵＬＥＤの構造を示す図である。図４に示
すＵＬＥＤはサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板１１を含み、
その上に厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）か
らなるバッファ層１０が形成される。次に、厚さ３μｍ
のｎ−ＡｌＮからなるｎ−クラッドコンタクト層５が積
層される。ｎ−クラッドコンタクト層５は、ドーピング
レベルが１０18−１０20ｃｍ-3でシリコン（Ｓｉ）がド
ープされている。このｎ−クラッドコンタクト層５の上
でエピタキシャル成長させて、ＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ
／ＡｌＮからなる１階層の超格子２０が形成される。こ
の超格子２０は、ドープされていない３層のＧａxＩＮy
Ａｌ1-x-yＮ／ＡｌＮからなる量子井戸２１と、４層の
ＡｌＮからなる障壁２２とで構成される。量子井戸２１
を構成する３層の各層の厚さは０．５〜２．０ｎｍであ
り、障壁２２を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍであ
る。なお、この場合において、ｘおよびｙは０．０５〜
１．０の間の値をとる。
色光発生用のＵＬＥＤの構造を示す図である。図４に示
すＵＬＥＤはサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板１１を含み、
その上に厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）か
らなるバッファ層１０が形成される。次に、厚さ３μｍ
のｎ−ＡｌＮからなるｎ−クラッドコンタクト層５が積
層される。ｎ−クラッドコンタクト層５は、ドーピング
レベルが１０18−１０20ｃｍ-3でシリコン（Ｓｉ）がド
ープされている。このｎ−クラッドコンタクト層５の上
でエピタキシャル成長させて、ＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ
／ＡｌＮからなる１階層の超格子２０が形成される。こ
の超格子２０は、ドープされていない３層のＧａxＩＮy
Ａｌ1-x-yＮ／ＡｌＮからなる量子井戸２１と、４層の
ＡｌＮからなる障壁２２とで構成される。量子井戸２１
を構成する３層の各層の厚さは０．５〜２．０ｎｍであ
り、障壁２２を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍであ
る。なお、この場合において、ｘおよびｙは０．０５〜
１．０の間の値をとる。
【００３５】つづいて、この上に活性層２３を積層す
る。活性層２３は光学的に活性な不純物、またはＧａx
ＩＮyＡｌ1-x-yＮからなる量子ドットを含む。
る。活性層２３は光学的に活性な不純物、またはＧａx
ＩＮyＡｌ1-x-yＮからなる量子ドットを含む。
【００３６】この活性層２３の上に、ＧａxＩＮyＡｌ
1-x-yＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２４がエピタ
キシャル成長によって形成される。超格子２４は、ドー
プされていない３層のＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ／ＡｌＮ
からなる量子井戸２５と、４層のＡｌＮからなる障壁２
６とで構成される。量子井戸２５を構成する３層の各層
の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁２６を構成す
る４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合に
おいて、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をと
る。
1-x-yＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２４がエピタ
キシャル成長によって形成される。超格子２４は、ドー
プされていない３層のＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ／ＡｌＮ
からなる量子井戸２５と、４層のＡｌＮからなる障壁２
６とで構成される。量子井戸２５を構成する３層の各層
の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁２６を構成す
る４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合に
おいて、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をと
る。
【００３７】次に、この上に活性層２７を積層する。活
性層２７は光学的に活性な不純物、またはＧａxＩＮyＡ
ｌ1-x-yＮからなる量子ドットを含む。
性層２７は光学的に活性な不純物、またはＧａxＩＮyＡ
ｌ1-x-yＮからなる量子ドットを含む。
【００３８】この活性層２７の上に、ＧａxＩＮyＡｌ
1-x-yＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２８がエピタ
キシャル成長によって形成される。超格子２８は、ドー
プされていない３層のＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ／ＡｌＮ
からなる量子井戸２９と、４層のＡｌＮからなる障壁３
０とで構成される。量子井戸２９を構成する３層の各層
の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁３０を構成す
る４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合に
おいて、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をと
る。
1-x-yＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２８がエピタ
キシャル成長によって形成される。超格子２８は、ドー
プされていない３層のＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ／ＡｌＮ
からなる量子井戸２９と、４層のＡｌＮからなる障壁３
０とで構成される。量子井戸２９を構成する３層の各層
の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁３０を構成す
る４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合に
おいて、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をと
る。
【００３９】次に、この上に活性層３１を積層する。活
性層３１は光学的に活性な不純物、またはＧａxＩＮyＡ
ｌ1-x-yＮからなる量子ドットを含む。
性層３１は光学的に活性な不純物、またはＧａxＩＮyＡ
ｌ1-x-yＮからなる量子ドットを含む。
【００４０】この活性層３１の上に、ＧａxＩＮyＡｌ
1-x-yＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子３２がエピタ
キシャル成長によって形成される。超格子３２は、ドー
プされていない３層のＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ／ＡｌＮ
からなる量子井戸３３と、４層のＡｌＮからなる障壁３
４とで構成される。量子井戸３３を構成する３層の各層
の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁３４を構成す
る４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合に
おいて、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をと
る。
1-x-yＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子３２がエピタ
キシャル成長によって形成される。超格子３２は、ドー
プされていない３層のＧａxＩＮyＡｌ1-x-yＮ／ＡｌＮ
からなる量子井戸３３と、４層のＡｌＮからなる障壁３
４とで構成される。量子井戸３３を構成する３層の各層
の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁３４を構成す
る４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合に
おいて、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をと
る。
【００４１】超格子３２の上面に、厚さが１μｍのｎ−
Ｇａ0.95Ａｌ0.05Ｎからなるコンタクト層１３を形成す
る。つづいて、ドーピングレベルが１０18−１０20ｃｍ
-3のコンタクト層１３の上面に、チタン/アルミニウム
（Ｔｉ／Ａｌ）からなる透明な金属コンタクト１２を形
成する。次いで、エッチング後、ｎ−クラッドコンタク
ト層５上であって構造体の隅にあたる部分に、もう1つ
のコンタクト４を形成する。
Ｇａ0.95Ａｌ0.05Ｎからなるコンタクト層１３を形成す
る。つづいて、ドーピングレベルが１０18−１０20ｃｍ
-3のコンタクト層１３の上面に、チタン/アルミニウム
（Ｔｉ／Ａｌ）からなる透明な金属コンタクト１２を形
成する。次いで、エッチング後、ｎ−クラッドコンタク
ト層５上であって構造体の隅にあたる部分に、もう1つ
のコンタクト４を形成する。
【図１】実施例１のＵＬＥＤの構造を示す図で、２つの
ｎ型III族窒化物超格子をベースとしたものである。
ｎ型III族窒化物超格子をベースとしたものである。
【図２】図２（ａ）は、図１に示すＵＬＥＤにバイアス
を印加していない場合における、該ＵＬＥＤの構造に沿
って等位置のエネルギー（Ｅ）のエネルギーバンドを概
略的に示す図である。図２（ｂ）は、図１に示すＵＬＥ
Ｄにバイアスを印加した場合における、該ＵＬＥＤのエ
ネルギーバンドを概略的に示す図である。
を印加していない場合における、該ＵＬＥＤの構造に沿
って等位置のエネルギー（Ｅ）のエネルギーバンドを概
略的に示す図である。図２（ｂ）は、図１に示すＵＬＥ
Ｄにバイアスを印加した場合における、該ＵＬＥＤのエ
ネルギーバンドを概略的に示す図である。
【図３】実施例２にかかるＵＬＥＤの構造を示す図であ
る。
る。
【図４】実施例３にかかるＵＬＥＤの構造を示す図で、
白色光発光用に形成された４階層のIII族窒化物超格子
を有するＵＬＥＤを示す。
白色光発光用に形成された４階層のIII族窒化物超格子
を有するＵＬＥＤを示す。
１ 超格子 ２ 界面 ３ 超格子 ４ コンタクト ５ コンタクト層 ６ 障壁 ７ 量子井戸 ８ 量子井戸 ９ 障壁 １０ バッファ層 １１ 基板 １２ コンタクト １３ コンタクト層 １４，１５ フェルミ準位 １６，１７ 電子 １８ 光 １９ 活性層 ２０ 超格子 ２１ 量子井戸 ２２ 障壁 ２３ 活性層 ２４ 超格子 ２５ 量子井戸 ２６ 障壁 ２７ 活性層 ２８ 超格子 ２９ 量子井戸 ３０ 障壁 ３１ 活性層 ３２ 超格子 ３３ 量子井戸 ３４ 障壁
フロントページの続き (72)発明者 ユリイ ゲオルギヴィッチ シェレター ロシア国 194223 セイントピータースバ ーグ ａｐｐ．13 ８／１ ジェイデュク ロスストリート (72)発明者 ユリイ トーマソヴィッチ レバン ロシア国 194214 セイントピータースバ ーグ ａｐｐ．22 56 コストロムスコイ プロスペクト
Claims (10)
- 【請求項１】 真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導
体、および合金のうちいずれか１つからなる複数の超格
子を含む、発光装置。 - 【請求項２】 真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導
体、および合金のうちいずれか１つからなる複数の超格
子と、 前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、
不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりな
る活性層と、を含む、発光装置。 - 【請求項３】 真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導
体、および合金のうちいずれか１つからなる少なくとも
３対の超格子を含み、 さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な
不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれ
かよりなる活性層を含むか、あるいは含まない、白色光
発光装置。 - 【請求項４】 真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導
体、および合金のうちいずれか１つからなる少なくとも
４階層の超格子を含み、 さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な
不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれ
かよりなる活性層を含むか、あるいは含まない、白色光
発光装置。 - 【請求項５】 真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導
体、および合金のうちいずれか１つからなる複数の超格
子と、 前記超格子間に形成され、かつ異なる伝導帯不連続域を
有するIII−Ｖ族またはII−VI族半導体からなる活性層
と、を含む、発光装置。 - 【請求項６】 III族窒化物半導体超格子をベースとす
る構造物を含む、単極発光装置。 - 【請求項７】 ４００〜４０００ｎｍのスペクトル領域
内にあるスペクトルを有する光を発生する単極発光装置
であって、 サファイア基板と、 バッファ層と、 ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒
素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第
１のｎ−クラッドコンタクト層と、 ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた複数
の超格子と、 ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒
素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第
２のｎ−クラッドコンタクト層と、 前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属合金からなる透明なコンタクトと、 前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属からなるコンタクトと、を含み、 前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井
戸とを含み、 前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、
かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム
−窒素、またはこれらの合金からなり、 前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、
かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム
−窒素、またはこれらの合金からなる、単極発光装置。 - 【請求項８】 III族窒化物半導体超格子をベースと
し、かつ４００〜４０００ｎｍのスペクトル領域内にあ
るスペクトルを有する光を発生する構造物を含む単極発
光装置であって、 サファイア基板と、 バッファ層と、 ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒
素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第
１のｎ−クラッドコンタクト層と、 ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた複数
の超格子と、 ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒
素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第
２のｎ−クラッドコンタクト層と、 前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属合金からなる透明なコンタクトと、 前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属からなるコンタクトと、を含み、 前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井
戸とを含み、 前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、
かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム
−窒素、またはこれらの合金からなり、 前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、
かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム
−窒素、またはこれらの合金からなる、単極発光装置。 - 【請求項９】 III族窒化物半導体超格子をベースとす
る構造物を含む単極白色光発光装置であって、 サファイア基板と、 バッファ層と、 ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒
素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第
１のｎ−クラッドコンタクト層と、 ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた少な
くとも４層の超格子と、 赤色光、緑色光、および青色光の発光のために形成され
た少なくとも３層の活性層と、 ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒
素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第
２のｎ−クラッドコンタクト層と、 前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属合金からなる透明なコンタクトと、 前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、
金属からなるコンタクトと、を含み、 前記複数の超格子は、複数の障壁と、複数の井戸とを含
み、 前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、
かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム
−窒素、またはこれらの合金からなり、 前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、
かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム
−窒素、またはこれらの合金からなり、 前記活性層は、希土類金属、遷移金属、または浅い電子
供与体もしくはその他の不純物と前記金属との複合体で
ドープされたか、あるいはδ−ドープされた半導体から
形成される、単極白色光発光装置。 - 【請求項１０】 請求項９において、前記活性層のうち
のいくつかを含まない、単極白色光発光装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9913950.3 | 1999-06-15 | ||
| GBGB9913950.3A GB9913950D0 (en) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | Unipolar light emitting devices based on iii-nitride semiconductor superlattices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001036134A true JP2001036134A (ja) | 2001-02-09 |
| JP3636970B2 JP3636970B2 (ja) | 2005-04-06 |
Family
ID=10855415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000179585A Expired - Fee Related JP3636970B2 (ja) | 1999-06-15 | 2000-06-15 | Ｉｉｉ族窒化物半導体超格子をベースとした単極発光装置 |
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