JP2016511938A - 単結晶窒化アルミニウム基板を組み込む光電子デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は紫外線光を放出するよう適応された光電子デバイスを提供する。なおこの光電子デバイスは、基板の転位密度は約１０５個／ｃｍ２よりも小さく、且つ（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は約２００アークセカントよりも小さい、窒化アルミニウム単結晶基板と、窒化アルミニウム単結晶基板上に重なる紫外線発光ダイオード構造であって、ｎ型半導体層に電気的に接続された第１電極およびｐ型半導体層に電気的に接続された第２電極を含む、紫外線発光ダイオード構造と、を含む。特定的な実施形態では、本発明の光電子デバイスは、−１０Ｖにおいて約１０−５Ａ／ｃｍ２より小さい逆方向リーク電流、および／または２８Ａ／ｃｍ２の注入電流密度において少なくとも約５０００時間のＬ８０を示す。【選択図】図４

Description

本発明は窒化アルミニウム単結晶基板層を組み込む光電子デバイスに関する。

光電子デバイス（例えば半導体光源）は、光入力が電気的出力を生成するデバイスであるか、または電気的刺激が可視赤外線もしくは紫外線出力を生成するデバイスである。発光ダイオード（「ＬＥＤ」)およびレーザダイオード（「ＬＤ」）などの半導体光源を形成するにあたっては、例えば基板ベースと、ｐ型半導体層に電気的に接続されたｎ型半導体層を含む活性領域と、を含む、多層構造が製作される。活性領域は多くの場合、より厚いクラッド層の間に挟まれた１つまたは複数の量子井戸を含む。

１つの有用な種類の半導体光源は紫外線（「ＵＶ」）領域で動作する。放出される光の波長はｐ−ｎ接合を形成する物質のバンドギャップエネルギーに依存する。ＩＩＩ族窒化物ベースの装置は紫外線領域において、より短い波長を達成する能力を有する。ＵＶ領域（特に深ＵＶ領域）において動作する安定性および長時間持続性を有する光電子デバイスが必要である。安定した光出力および長寿命を特徴とするＵＶ発光デバイスを提供する能力は、システム設計に簡素化および低コスト化をもたらすであろう。しかしＵＶ領域（特に深ＵＶ領域）で動作する市販のデバイスは、可視光発光デバイスの効率性および技術的成熟のレベルに到達していない。

サファイア基板が通常、ＩＩＩ族窒化物ベースの発光デバイスを製作するために使用される。透明サファイアを基板として使用することにより比較的低コストのＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを入手することが可能であるが、係る半導体デバイスの信頼性は低い（寿命が極めて短い）ものとなってしまう。その理由はサファイア基板の格子定数と製作されたデバイス層の格子定数との間の不適合に起因するものである。およそ１０９〜１０１０個／ｃｍ^２という大きい転位密度が通常、デバイス構造に存在する。基板とデバイス構造との間の境界面では、転位密度はさらに数桁ほど高いものとなるであろう。ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスにおける欠陥密度は主に転位密度と関連する点欠陥とを指す。例えばＧａＡｓベースのＬＥＤデバイスおよびＬＤデバイスの場合、転位が主要な障害の理由である。

欠陥密度がこのように高いとデバイスの発光効率および寿命に悪影響が及ぶこととなる。市販のＵＶＢ（およそ３１５〜２８０ｎｍの波長範囲）およびＵＶＣ（およそ２８０〜１００ｎｍの波長範囲）の光電子デバイス（深ＵＶすなわち「ＤＵＶ」のＬＥＤ）は寿命が短く、多くの場合、寿命はわずか１０〜１００時間となる。これは、基板と製作されたデバイス層との間の不整合に起因して、欠陥密度がこのように高くなることによるものである。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用して形成されたＵＶ発光ＬＥＤに関していくつかの実験報告がなされている。しかし係るＬＥＤ構造に関して発表された性能情報では、１５０ｍＡの注入電流において約３００時間で出力が８０％に低下する（すなわち約３００時間のＬ８０）ことが示される。Ｇｒａｎｄｕｓｋｙら（２０１０） Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ−Ｃ ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｂｕｌｋ ＡＩＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ， Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｃ， ７： ２１９９−２２０１を参照されたい。なお同文献の全体は参照することにより援用される。ＬＥＤに対するＬ８０寿命が非常に短い場合、デバイスがその有効寿命の終了時に最小限の仕様内に留まるためには、システムは寿命の初期において過剰に大きい出力を有するよう設計されなければならない。

要約すると、サファイア基板上にＵＶ・ＬＥＤを作製するにあたり相当な努力が払われてきたが、ヘテロエピタキシの性質により欠陥密度が高いものとなってしまい、係る高い欠陥密度をさらに低下させることは不可能である。ＵＶ・ＬＥＤがＡｌＮ基板から調製可能であることは以前から提案されているが、高い性能特性を有する係るＬＥＤ構造は未だ示されていない。したがって、性能が高く且つ欠陥密度が低い、ＵＶ領域の光を放出する光電子デバイスが当該技術分野で依然として必要である。

本発明の実施形態では、ＵＶスペクトル領域において動作し且つ寿命が長い光電子デバイスが開示される。ＩＩＩ族窒化物半導体はＵＶスペクトル領域における短い波長の発光を可能にし、白色ＬＥＤ、ＵＶ−ＬＥＤ、高密度光ディスクストレージ用途のためのレーザ、およびレーザ通信用の発光源を製作するために使用可能である。単結晶窒化アルミニウムＡｌＮ上に製作されたＤＵＶデバイスは、サファイア基板上に製作された同様のデバイスよりも数桁低い規模の欠陥密度および逆方向リーク電流を有する。これは基板の格子定数とデバイス層の格子定数との間の差異が小さいことに起因するものである。ＵＶ発光デバイスの性能を制限する主要問題はデバイスの活性領域内の転位密度が高いことであり、係る高い転位密度により、デバイスの電気効率、内部量子効率（「ＩＱＥ」：ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、および寿命が低下してしまう。本発明にしたがって活性層内の転位密度を低下させるにあたり、ＵＶ発光デバイスは、物理的蒸気輸送法（ＰＶＴ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）により調製される、転位密度が低い高品質単結晶ＡｌＮ基板上に製作される。本明細書で説明される単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は、通常は約１０^５個／ｃｍ^２よりも小さく、好適には約１０^４個／ｃｍ^２よりも小さく、さらに好適には約１０^３個／ｃｍ^２よりも小さく、最も好適には約１０^２個／ｃｍ^２よりも小さい。加えて、本発明において使用されるＡｌＮ基板は、約１００アークセカントより小さく、さらに好適には約５０アークセカントより小さく、最も好適には約２５アークセカントより小さい、半値全幅（「ＦＷＨＭ」：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）を有する（００２）および（１０２）２軸ロッキング曲線により特徴付けられる。

特定の実施形態では本発明の高品質ＡｌＮ基板を使用して調製された発光デバイスは、−１０Ｖにおいて１０^−５Ａより低い逆方向リーク電流を有する。さらにいくつかの実施形態では、本明細書で説明される高品質基板上に製作されたデバイスは、２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約２０００時間の、または２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約５０００時間の、驚くべき高いＬ８０出力を示す。

特に本発明の実施形態では、約１０^５個／ｃｍ^２より小さい転位密度と、約２００アークセカントより小さい（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線のＦＷＨＭと、を有する窒化アルミニウム単結晶基板を含む、紫外線光を放出するよう適応された光電子デバイスが開示される。このデバイスは、窒化アルミニウム基板上に重なる紫外線発光ダイオード構造をさらに含む。この発光構造（例えばＬＥＤ）構造は、有機金属気相成長法により、または当該技術分野で周知の他の方法により、基板上に堆積されることが可能である。このＬＥＤは、ｎ型半導体層に電気的に接続された第１電極と、ｐ型半導体層に電気的に接続された第２電極と、を含む。好適な実施形態ではｎ型半導体層はｎ−Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎを含む。好適な実施形態ではｐ型半導体層はｐ−ＧａＮを含む。

本明細書で説明されるＵＶ発光ダイオード構造は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間で延長する多重井戸活性領域をさらに含む。この活性領域において使用される物質および層の肉厚に依存して、光電子デバイスは、特定の好適な実施形態では、約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍの発光波長を有すことが可能である。いくつかの実施形態では、このデバイスは約２５０ｎｍ〜約３９０ｎｍの発光波長を有することが可能である。好適な実施形態では多重井戸活性領域は、少なくとも１つのバリア層の近位に少なくとも１つの井戸層を含む。好適な実施形態では、少なくとも１つの井戸層はＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎを含む。

本明細書で説明されるＵＶ発光ダイオード構造は、基板の上方に製作されたホモエピタキシャル層（すなわち窒化アルミニウム層）を含む。ＵＶ・ＬＥＤは、基板の上方に製作されたバッファ層も含み得る。一実施形態では、バッファ層は基板の組成にほぼ等しい組成を有し得る。代替的な実施形態では、バッファ層はＬＥＤデバイスの多重井戸活性領域に対して使用されたのと同一の半導体物質から実質的に構成されることができる。ＵＶ・ＬＥＤは、多重井戸活性領域の上方に製作されたブロッキング層をさらに含み得る。好適な実施形態では、ブロッキング層は、Ａｌ_ＸＧａ_Ｘ−１Ｎと、少なくとも１つの不純物と、を含む電子ブロッキング層である。

本発明は、以下の実施形態、すなわち、
実施形態１：紫外線光を放出するよう適応された光電子デバイスであって、基板の転位密度は約１０^５個／ｃｍ^２よりも小さく、且つ（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は約２００アークセカントよりも小さい、窒化アルミニウム単結晶基板と、
窒化アルミニウム単結晶基板上に重なる紫外線発光ダイオード構造であって、ｎ型半導体層に電気的に接続された第１電極およびｐ型半導体層に電気的に接続された第２電極を含む、紫外線発光ダイオード構造と、
を含む、光電子デバイス。
実施形態２：基板の転位密度は１０^４個／ｃｍ^２よりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態３：基板の転位密度は１０^３個／ｃｍ^２よりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態４：基板の転位密度は１０^２個／ｃｍ^２よりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態５：（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線のＦＷＨＭは約１００アークセカントよりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態６：（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線のＦＷＨＭは約５０アークセカントよりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態７：（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線のＦＷＨＭは約２５アークセカントよりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態８：紫外線発光ダイオード構造はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間で延長する多重井戸活性領域をさらに含む、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態９：−１０Ｖにおいて約１０^−５Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流を有する、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１０：−１０Ｖにおいて約１０^−６Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流を有する、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１１：光電子デバイスの発光波長は約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲内である、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１２：光電子デバイスの発光波長は約２５０ｎｍ〜約２９０ｎｍの範囲内である、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１３：ｎ型半導体層はｎ−Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎを含み、ｐ型半導体層はｐ−ＧａＮを含む、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１４：紫外線発光ダイオード構造は有機金属気相成長により基板上に堆積される、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１５：窒化アルミニウム単結晶基板は物理的蒸気輸送により調製される、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１６：２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約２０００時間のＬ８０を有する、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１７：２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約５０００時間のＬ８０を有する、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１８：基板の転位密度は約１０^３個／ｃｍ^２より小さく、（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は約５０アークセカントより小さく、光電子デバイスの発光波長は約１５０〜約３００ｎｍの範囲にあり、ダイオード構造はｎ型層とｐ型層との間で延長する多重井戸活性領域を含み、(ｉ）−１０Ｖにおいて約１０^−５Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流、および（ｉｉ）２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約２０００時間のＬ８０、のうちの少なくとも１つにより特徴付けられる、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態１９：(ｉ）−１０Ｖにおいて約１０^−６Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流、および（ｉｉ）２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約５０００時間のＬ８０、のうちの少なくとも１つにより特徴付けられる、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態２０：光電子デバイスの発光波長は約２５０ｎｍ〜約２９０ｎｍの範囲内である、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態２１：（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線のＦＷＨＭは約２５アークセカントよりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
実施形態２２：基板の転位密度は１０^２個／ｃｍ^２よりも小さい、任意の前述または後続の実施形態に記載の光電子デバイス。
を含むが、これらに限定されない。

本開示の上述のまたは他の特徴、態様、および利点は、以下で簡単に説明される添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を読むことから明らかになるであろう。係る特徴または要素が本明細書で説明される特定的な実施形態において明示的に組み合わされているかどうかに関わらず、本発明は上述の特徴のうちの２項目、３項目、４項目、またはそれ以上の項目の任意の組み合わせと、本開示で開示される２項目、３項目、４項目、またはそれ上の項目の特徴または要素のうちのの任意の組み合わせと、を含む。本開示は、開示される発明の任意の分離可能な特徴または要素が、その様々な態様および実施形態のうちの任意の態様および実施形態において文脈が明確に別段の指示を述べていない限り組み合わが可能であることを意図するものとして見られるよう、全体論的に読まれることを意図したものである。本発明の他の態様および利点は以下から明らかとなるであろう。

これまで本開示について前述の全般的な用語において説明したきたが、ここからは添付の図面を参照することとなる。これらの添付の図面では、縮尺が必ずしも一定であるとは限らない。

本発明の一実施形態において使用される、ＡｌＮ基板の２軸ロッキング曲線を示す図である。 本発明の一実施形態において使用される、ＡｌＮ基板の２軸ロッキング曲線を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、１０^２〜１０^３個／ｃｍ^２の転位密度を有するＡｌＮ基板のＸ線トポグラフィー画像である。 本発明に係る、紫外線光を放出するよう適応された光電子デバイスの一実施形態の概略図である。 紫外線光を放出するよう適応され且つ実施例１に説明されるように構築された、発光ダイオード・デバイスの一実施形態の概略図である。 極めて低い逆方向リーク電流を有する、ＡｌＮ基板上に重なるＵＶ・ＬＥＤの一実施形態の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を例示する電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）である。 ２７０ｎｍの波長を放出し且つＡｌＮ基板上に製作された、ＴＯ−３９缶にパッケージされたＬＥＤデバイスの一実施形態に対して測定された実際の寿命テストにおける、一定時間にわたる光出力のプロットを示す図である。 ２７０ｎｍの波長を放出し且つＡｌＮ基板上に製作されたＬＥＤデバイスの一実施形態に対して測定された、一定期間にわたる加速ウェーハ上光出力のプロットを示す図である。 紫外線光を放出するよう適応されたＬＥＤの一実施形態の発光スペクトルのプロットを示す図である。 紫外線光を放出するよう適応されたＬＥＤの一実施形態の増加する注入電流におけるＧａＮピークのプロットを示す図である。 紫外線光を放出するよう適応されたＬＥＤの一実施形態の温度の関数としてのＧａＮバンドギャップの理論曲線である。 紫外線光を放出するよう適応されたＬＥＤデバイスに対する注入電流の関数としての接合温度を示す実験データのプロットを示す図である。

本開示について、これから本開示の代表的な実施形態を参照してより詳細に説明する。これらの代表的な実施形態は、この開示が徹底的且つ完全に説明され、本開示の範囲が当業者に十分に伝わるよう、説明される。実際、本開示は多数の異なる形態で具体化され得るものであり、本明細書で説明される実施形態に限定されるものと解釈してはならない。むしろこれらの実施形態は、該当する法的要件を本開示が満足するよう、提供されたものである。本明細書において、および添付の請求項において使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の内容を述べていない限り、複数の指示対象を含む。

本発明の実施形態は、ＵＶスペクトル領域で動作する能力を有し且つ高い性能特性を有するＬＥＤおよびＬＤなどの光電子デバイスに関する。基板上に製作された光電子デバイスは、デバイスの下方に存在する基板の結晶構造（欠陥を含む）を保持する。市販のＵＶ・ＬＥＤおよびＵＶ・ＬＤの性能を制限する主要問題は、１）基板と活性層との間の格子不整合、または２）光電子デバイスを製作するための基盤として使用される基板内の高い転位密度、に起因する、デバイス活性領域内の高い転位密度である。本発明によれば、活性層内の転位密度を低下させるにあたり、ＵＶ・ＬＥＤおよびＵＶ・ＬＤは物理的蒸気輸送（ＰＶＴ）により調製された低い転位密度を有する単結晶ＡｌＮ基板上に製作される。本発明において使用される代表的な結晶質ＡｌＮ基板は、１０^２〜１０^３個／ｃｍ^２の桁の転位密度を示す。それにより、係る基板上に成長されるデバイス構造は、極めて低い転位密度および関連する点欠陥を有することが可能となる。それにより、驚くほどに高い性能特性（長い寿命および高い効率を含む）を有する光電子デバイスがもたらされることとなる。

ＡｌＮ基板
低い欠陥密度を有するＩＩＩ族窒化物半導体物質は、高性能光電子デバイスを製作するために使用することが可能である。基板の格子定数とデバイス層の格子定数との間の差異を最小化することにより、転位密度はデバイス全域において低減される。したがってＡｌＮまたはＧａＮの単結晶をＩＩＩ族窒化物ベースのデバイス用の基板として使用することが望ましい。なぜなら、これらの天然のＩＩＩ族窒化物基板を使用することにより、基板の格子定数とデバイス層の格子定数との間の差異が最小化されるためである。またＡｌＮ基板およびＧａＮ基板は高い熱伝導率も有し、したがって発光層において電流注入のプロセスにより生成されるジュール熱の消散を支援することが可能である。デバイス層の製作の間の熱消散によりデバイスの長寿命化が図られることが理解される。

ＩＩＩ族窒化物基板から製作された光電子デバイスが高い性能特性を示すにも関わらず、高性能光電子デバイスは、低品質のＡｌＮ基板またはＧａＮ基板から製作することは不可能である。基板内に存在する転位がデバイス層内に伝播するため、低い転位密度を有する基板を使用することが望ましい。

本発明ではＡｌＮ単結晶基板が特に望ましく、係る基板は、ｃ面、ｍ面、ａ面、またはｒ面であり得る。「単結晶」は３Ｄにおいて１つの方位を有する規則的な格子原子を有する結晶を指す。単結晶基板上に構築された光電子デバイスは当該基板の結晶方位を引き継ぐこととなる。対照的に「多結晶」は多数の結晶粒界を有する多数の方位が存在することを指す。単結晶には結晶粒界は存在しない。本発明の基板に対して適用される「単結晶基板」は、光電子デバイスの成長に利用可能な最小限で少なくとも１つの単結晶表面が存在することを指す。光電子デバイスは、その肉厚の全域にわたって均一な単結晶構造を含む基板と、多結晶基板に接合された単結晶層を有する基板と、を含むであろう。単結晶ＡｌＮは、およそ６ｅＶの直接バンドギャップを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体物質である。これはＧａＮおよびＩｎＮなどの他の窒化物よりも大きいバンドギャップを表し、したがってバンドギャップ・エネルギーを設計するためにＡｌＮとＧａまたはＩｎとで合金を作ることが可能である。

単結晶ＡｌＮ基板を調製するためのプロセスは異なり得るが通常、前駆体分子を化学反応させることにより所望の物質を形成することを伴う化学気相成長（ＣＶＤ）技術とは対照的に、物理的蒸気輸送を伴い得る。これは、好適なプロセスが、所望の物質（すなわちＡｌＮ）の蒸気をＡｌＮ供給源から坩堝内または他の結晶成長チャンバ内の堆積位置へと物理的に輸送することを伴うことを意味する。堆積エリアは通常、単結晶ＡｌＮ種物質を含み、成長プロセスは通常、誘導加熱された反応器内で行われる。本発明での使用に対して好適な単結晶ＡｌＮ基板を成長させるための種結晶ＰＶＴ成長プロセスについては、例えばＳｃｈｌｅｓｓｅｒらに付与された米国特許第７，６７８，１９５号と、Ｅｈｒｅｎｔｒａｕｔ， Ｄ．， ＆ Ｓｉｔａｒ， Ｚ． （２００９） Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｂｕｌｋ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＡｌＮ ａｎｄ ＧａＮ， ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ， ３４（４）， ２５９−２６５と、Ｌｕら（２００９） Ｓｅｅｄｅｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＡｌＮ ｂｕｌｋ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｉｎ ｍ− ａｎｄ ｃ−ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， ３１２（１）， ５８−６３と、Ｈｅｒｒｏら（２０１０） Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＡｌＮ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｂｏｕｌｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， ３１２ （１８） ２５１９−２５２１と、で説明されており、これら各文献の全開示は参照することにより本明細書に援用される。本発明における使用に好適である単結晶ＡｌＮ基板はノースカロライナ州モリスビルのＨｅｘａＴｅｃｈ社から市販されている。ＰＶＴ結晶成長プロセスで有用な坩堝についてはＳｃｈｌｅｓｓｅｒらに付与された米国特許第７，６３２，４５４号で説明されており、同特許も本明細書に参照することにより援用される。

高品質基板を用いることにより、高品質基板上で製作される発光デバイスに対して、光出力の改善およびデバイス欠陥の低減がもたらされる。単結晶基板の品質に関する評価は、転位密度を含むいくつかの測定に基づき得る。例えばＤａｌｍａｕら（２０１１） Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ａｒｒａｙｓ ｉｎ ＡｌＮ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ＰＶＴ， Ｐｈｙｓ． ｓｔａｔｕｓ ｓｏｌｉｄｉ Ａ ２０８ （７）， １５４５−７と、Ｒａｇｈｏｔｈａｍａｃｈａｒら（２０１２） Ｌｏｗ ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｂｕｌｋ ＡｌＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ ７１７−７２０， １２８７−９０と、において説明される技術などの、単結晶構造内の欠陥を測定するための代表的な技術が周知であり、これらの文献の両方は本明細書において参照されることにより援用される。

単結晶ウェーハ基板における格子歪みを特徴付けるために使用される１つの方法は、シンクロトロン放射源を使用することによるＸ線トポグラフィーにより結晶内の歪みを直接的に撮像することである。例えば、Ｘ−Ｒａｙ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ−ＮＩＳＴ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｇｕｉｄｅ， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙを参照されたい。なお同文献の全体は参照することにより援用される。転位密度は平面図撮像（ｐｌａｎ−ｖｉｅｗ−ｉｍａｇｉｎｇ）により観察が可能である。転位密度は転位の総数を視野の面積で除算することにより計算される。図３に示すように、例えば、単結晶ＡｌＮ基板ウェーハの代表的な実施形態の大部分の領域は約１００個／ｃｍ^２以下の桁の転位密度を有する。Ｂ型の小傾角粒界（ＬＡＧＢ：ｌｏｗ ａｎｇｌｅ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）の近傍領域のみが１０^３個／ｃｍ^２の転位密度を有する。

本明細書で説明される単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は好適には１０^５個／ｃｍ^２より低く、より好適には１０^４個／ｃｍ^２より低く、最も好適には１０^３個／ｃｍ^２より低い。特定の実施形態では、ＡｌＮ基板の転位密度は約１０^２個／ｃｍ^２以下である。

例えば比較的低い転位密度を用いた場合、機械的に研磨された結晶表面を、例えば１：１の重量比で混合された水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとの溶液を使用して５〜１０分間にわたり３００°Ｃでエッチングすることが必要となり得る。エッチングの終了後、エッチングが施された表面を観察し、電子顕微鏡法または光学顕微鏡法によりエッチピットの個数を計数する。次に転位密度は、観察されたエッチピットの個数を視野の面積により除算することにより、評価される。

基板表面の調製が不完全である場合にも、結果的に形成された光電子デバイスの転位密度が高くなり得る。したがって転位密度を低減させるための表面調製技術が利用され得る。本発明の一実施形態では、ＡｌＮ基板表面は、グラインド加工の後に化学機械研磨を施して、残された表面粗さを低下させることにより、調製される。ＡｌＮ基板処理プロセスは、反応性イオンエッチングを含んでもよく、またはアルカリ溶液を使用するウェットエッチングを含んでもよい。本発明は、特に研磨プロセスの詳細には限定されない。ドライエッチングによる平坦化プロセスも使用され得る。原子ステップを含む非常に滑らかで平坦な基板表面が、使用される表面調製方法に関わらず、望まれる。

高解像度Ｘ線回折（ＨＲＸＲＤ：Ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）は、単結晶基板内の格子歪みを特徴付けるために使用される、さらに他の標準的方法である。例えば、ＮＩＳＴ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ： ＳＲＭ ２０００ ｌｉｎｋ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ−ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｅａｒｃｈ．ｃｆｍ？ｐｕｂ＿ｉｄ＝９０２５８５、を参照されたい。なお同文献の開示全体は参照することにより援用される。また、Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ Ａｎｄ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｂｙ Ｄ．Ｋ．Ｂｏｗｅｎ，Ｂ．Ｋ．Ｔａｎｎｅｒ， ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ １９９８も参照されたい。同文献の開示全体は参照することにより援用される。転位密度は、ＨＲＸＲＤ測定においてロッキング曲線（ＲＣ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）により特徴付けられ得る。狭いピークは結晶における格子歪みが小さい（これは転位密度が低いことを意味する）ことを示唆する。特に、本明細書で使用されるＡｌＮ基板の結晶面に対するＸ線ＲＣのＦＷＨＭは、好適には約２００アークセカントより小さく、約１００アークセカントより小さく、約５０アークセカントより小さく、または約２５アークセカントより小さい。代表的な範囲は、約１〜約２００アークセカント、約５〜約５０アークセカント、および約１０〜約２５アークセカントを含む。一テスト環境例では、すべてのＸＲＤ測定は、λ＝１．５４０５６ＡのＣｕ Ｋａ_１半径を使用して、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｘ’Ｐｅｒｔ ＭＲＤ回折計を用いて実施された。Ｘ線管は、４０ｋＶ４５ｍＡに設定された点焦点内に置かれた。２軸構成は、Ｇｅ（２２０）４バウンス・モノクロメータと、開放検出器と、を利用した。Ｘ線ビームのスポットサイズはおよそ１０ｍｍである。図１および図２に示すように、例えば、本発明の一実施形態で使用されるＡｌＮ基板は約１４アークセカントのＦＷＨＭを有する（００２）および（１０２）２軸ＲＣを示した。

発光デバイス構造
発光デバイスなどの半導体デバイスはベース基板上に形成された多層構造を含む。発光効率を増大化するにあたっては、転位および点欠陥がほとんど存在しない高い結晶度が各層において必要となる。一般にＬＥＤは多層構造を含み、多層構造は基板ベースの他に活性領域も含む。この活性領域は、ｎ電極に電気的に接続されたｎ型半導体層と、ｐ電極に電気的手に接続されたｐ型半導体層と、の間に存在する。活性領域全域にわたり低い欠陥密度を達成することは、窒化物ベースの半導体デバイスの効率および寿命のために不可欠である。上述のように、本明細書で説明する高品質基板が、低い欠陥密度および望ましい性能特性を有する光電子デバイスを構築するために使用される。

本発明の発光デバイスのための精密な構造および調製方法は異なり得るが、通常は当該技術分野で周知のエピタキシャル成長、マウンティング、およびパッケージングのプロセスを伴う。上述のように高品質ＡｌＮ基板を使用して本発明の発光デバイスを構築することに関する利点のうちの１つは、強力なデバイス性能を得るにあたり発光構造の最適化がさほど要求されないという事実である。

本発明のＬＥＤデバイスおよびＬＤデバイスは簡単なホモ接合デバイスであってもよく、またはダブルヘテロ構造デバイスであってもよいが、多重井戸活性層デバイスであることが好適である。１つの代表的なＬＥＤデバイス構造が図４に示される。図４に示すデバイスは、その上に覆い被さる所望によるホモエピタキシャルＡｌＮ層２０を有する約４００〜約６００ミクロンの通常肉厚を有する上述のＡｌＮ基板１５を含む。通常は約１００〜約３００ｎｍの肉厚を有するホモエピタキシャル層２０が存在することにより、ホモエピタキシャル層上に引き続き製作される多層構造の発光効率の改善が可能となる。

一実施形態では、約０．５〜約５ミクロンの代表的な肉厚を有する、屈折率が次第に変化する所望によるバッファ層２５がホモエピタキシャル層２０上に形成される。バッファ層２５は、１つまたは複数のｎ型窒化物半導体物質（例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ）を含んでもよく、または係るｎ型窒化物半導体物質から実質的に構成されてもよい。一実施形態では、バッファ層２５は基板の組成にほぼ等しい組成を有する。バッファ層は、以下で説明する底部接点層３０の電気特性および伝導特定を改善することができる。他の実施形態では、バッファ層２５の組成は、実質的にデバイスの活性領域３５に対して使用される同一物質から実質的に構成されるよう、選択されてもよい。特にバッファ層２５はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮの組成を示し得る。Ａｌの濃度Ｘは約６０重量％〜約１００重量％の範囲である。

底部接点層３０も基板１５の上方に形成され得る。底部接点層３０は、少なくとも１種類の不純物（例えばＳｉ）でドーピングされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを含んでもよく、または係るＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮから実質的に構成されてもよく、約０．５〜約２ミクロンの通常肉厚を有する。一実施形態では、底部接点層３０内のＡｌ濃度は、以下で説明するデバイス１０の望ましい活性領域３５内のＡｌ濃度にほぼ等しい。好適な実施形態では底部接点層３０は、ｎ−Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎなどのｎ型仮像層である。

例示的な実施形態では、活性領域３５に対応する多層量子井戸（「ＭＱＷ」：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）が底部接点層３０の上方に形成される。量子井戸はただ１つの離散的なエネルギー値を有するポテンシャル井戸である。量子井戸は、２層のより広いバンドギャップを有する物質の間に１つの物質を挟むことにより、半導体内に形成される。活性領域３５内の少なくとも１つの層のうちの各層はＡｌＧａＮを含んでもよく、またはＡｌＧａＮから実質的に構成されてもよい。好適な実施形態では、量子井戸構造３５は、約５ｎｍ〜約５０ｎｍの肉厚を有する複数の井戸層と、井戸層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有するバリア層と、が組み合わされたスタック構造である。井戸層およびバリア層のバンドギャップエネルギーおよび肉厚は、望ましい発光特性が達成されるよう調節され得る。好適な実施形態では、光電子デバイスの発光波長は１００ｎｍ〜４００ｎｍ（例えば約１５０〜約３００ｎｍ、または約２５０３約２９０ｎｍ）の範囲内であり、係る発光波長は、ＡｌＧａＮの組成（すなわち活性領域を形成する物質のバンドギャップエネルギー）と、量子井戸層の肉厚と、に依存する。

一実施形態では所望による電子ブロッキング層４０（または、ｎ型接点が上部接点層としてデバイスの上部に配置される場合には正孔ブロッキング）が活性領域３５の上方に形成され得る。所望によるブロッキング層４０はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを含んでもよく、またはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮから実質的に構成されてもよく、Ｍｇなどの１つまたは複数の不純物がドーピングされてもよい。ブロッキング層４０は例えば約２ｎｍ〜約５０ｎｍの肉厚を有し得る。

上部接点層４５が活性領域３５の上方に形成される。上部接点層は、底部接点層３０の伝導性と逆の伝導性を有するｎ型またはｐ型でドーピングされる。一実施形態では上部接点層４５は約５０ｎｍ〜約２００ｎｍの通常肉厚を有するｐ−ＧａＮである。

レーザダイオード（「ＬＤ」）構造はＬＥＤ構造と同様である。ＬＤは、光子を適切に閉じ込めることにより共振空銅を作る追加的な層を組み込む。端面発光型ＬＤでは、共振空銅は、層成長方向に対して垂直内方向に向けられ、半導体層構造はミラーを作るために劈開またはエッチングが施される。係る実施形態では、活性領域の上方の層および下方の層は、放出された光子が著しく吸収されることなく層成長方向に対して垂直に伝播することを確保するためのクラッド層として機能するよう、改変される。

デバイス層を製作したのち、追加的なプロセス（例えば所与の導電層を露出するためのエッチング、および導電層表面に接触するための電極形成ステップなど）が、機能的な発光デバイスを生成するために必要である。底部接点層３０は第１電極５０に電気的に接続される。上部接点層４５は第２電極５５に電気的に接続される。好適な実施形態では、底部接点層３０はカソード５０に電気的に接続されたｎ型半導体物質であり、上部接点層４５はアノード５５に電気的に接続されたｐ型半導体物質である。電極物質は通常、周知のオーミック金属物質（例えば、ｎ型ＡｌＧａＮに対しては窒素雰囲気において９００℃で素早く焼鈍されたＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（２０／１００／１００／１００ｎｍ）、およびｐ型ＧａＮに対しては空気中において６００°Ｃで焼鈍されたＮｉ／Ａｕ（２０／１００nm））から構築される。

発光デバイスの製造方法
本明細書で説明する発光構造は、当該技術分野で周知のエピタキシャル成長プロセス（例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ：ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ））、またはその他により、形成され得る。ＭＯＣＶＤプロセスが、デバイス層の肉厚およびドーパントの組み込みを制御するにあたり好適である。ｎ型接点層またはＭＱＷ構造を形成するための代表的な前駆体は、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニア、シラン、またはテトラエチルシラン、およびキャリアガスとして水素ガスならびに窒素を含む。ｐ型接点層に対する代表的な前駆体は、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニア、ビス・シクロペンタジエニル・マグネシウム、およびキャリアガスとして水素ガスならびに窒素を含む。所望により、最終的なＬＥＤ構造の紫外線透過性を改善するにあたり、ＡｌＮ基板は、その肉厚の大部分が除去されるまで、研磨されてもよい。例えば最終的な基板肉厚は、約１００ミクロンより小さくなってもよく、さらに一般的には約７５ミクロンより小さくなってよく、または約５０ミクロンより小さくなる場合さえもある。

多数の単結晶基板はｃ面基板である。使用されるエピタキシ−方法に関わらず、堆積層は基板の結晶構造に連続する。したがって、光電子デバイスの全部の層にわたって低い転位密度を達成するために、低い転位密度を有する基板が上述のように必要である。発光デバイスを構築するための方法は、例えば、Ｇｒａｎｄｕｓｋｙらに付与された米国特許第８，０８０，８３３号およびＳｈｏｗａｌｔｅｒらに付与された米国特許第８，２２２，６５０号の他にも、Ｄａｌｍａｕら（２０１１） Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＡｌＮ ａｎｄ ＡｌＧａＮ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｆｉｌｍｓ ｏｎ ＡｌＮ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， １５８（５）， Ｈ５３０−Ｈ５３５、Ｃｏｌｌａｚｏら（２０１１） ２６５ ｎｍ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ＡｌＮ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ： Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ， （２０１１ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ （ＣＬＥＯ））、Ｃｏｌｌａｚｏら（２０１１） Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｎ−ｔｙｐｅ ｄｏｐｉｎｇ ｏｆ ＡｌＧａＮ ａｌｌｏｙｓ ｏｎ ＡｌＮ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ ＵＶ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｃ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８， ７−８、およびＧｒａｎｄｕｓｋｙら（２０１０） Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ−Ｃ ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｂｕｌｋ ＡｌＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ， Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｃ， ７： ２１９９−２２０１で説明されており、これらの文献の全部は本明細書で参照することにより援用される。

発光デバイスの性能
透過電子顕微鏡法（「ＴＥＭ」：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）は基板内およびデバイス層内の格子歪みを特徴付けるために使用される、別の標準的方法である。結晶内の転位は、極めて薄い基板試料内を透過される電子ビームを使用することにより、直接的に撮像が可能である。画像は試料を透過される電子の相互作用から形成される。

本発明の様々な実施形態ではデバイス層の断面ＴＥＭ分析を行うことにより、基板−デバイス層の境界面では追加的な転位がまったく形成されず、したがってデバイス層内の転位密度が基板の転位密度と実質的に同等であると結論付けることが可能であることが明らかにされた。このことは、デバイス層が好適な実施形態では仮像的に成長する（すなわちＡｌＮ基板とＡｌＧａＮ層との間の格子不整合が緩和されない）という事実に起因するものである。

転位密度に加えて逆方向リーク電流も発光デバイスの品質を特徴付ける上での重要なパラメータである。電流−電圧測定は、デバイス内の逆方向リーク電流を判定するために使用される標準的方法である。低い逆方向リーク電流は、リーク経路が存在しないこと、および結晶品質が高いことを示す。例えばＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ， ３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｄｉｅｔｅｒ Ｋ． Ｓｃｈｒｏｄｅｒ， ２００５， ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｅｓｓを参照されたい。同文献の開示全体は参照することにより援用される。異質な基板上における通常のエピタキシャル構造成長では、転位は、基板から、接合面に対して垂直な表面に向かって伸びる。したがって、転位は逆方向バイアスおよび順方向バイアスの両方において電流リークの発生源であり、係る電流リークは時間の経過とともに発光デバイスを劣化させることとなる。順方向バイアス下では、転位が電気的に活性化されると、高電場において、空格子点などの点欠陥の密度が高くなるため、転位は拡散チャネルとして機能し得る。例えばＫｅｉｔｈｌｅｙ４２００半導体パラメータ分析器が電流−電圧測定のために使用可能である。電圧範囲は−２０Ｖ〜２０Ｖである。電流測定の分解能は１０ｐＡである。極めて低い逆方向リーク電流を有する本発明のＵＶ発光ＬＥＤに対する電流−電圧曲線が例えば図６に示される。特定の実施形態では、本発明の発光デバイスの逆方向リーク電流は−１０Ｖにおいて約１０^−４Ａ／ｃｍ^２より小さく、さらに一般的には約１０^−５Ａ／ｃｍ^２より小さく、さらに多くの場合には１０^−６Ａ／ｃｍ^２より小さい。この値は現在市販のＵＶ発光ＬＥＤ製品のわずか１／１０００〜１／１０，０００である。

発光デバイスの寿命は、係るデバイスの品質を特徴付けるために使用される、別の重要なパラメータである。一方、ＬＥＤのフル寿命の測定にあたっては非常に長い時間が必要となる。例えば１日２４時間／１週間７日の試験では、１０，０００時間にわたりＬＥＤをテストするには１年以上の時間が必要となるであろう。熱がＬＥＤの寿命に影響を及ぼす主要な要因のうちの１つであるため、一般にＬＥＤの寿命測定にあたっては適切なパッケージングが必要である。寿命は通常、接合温度が高くなるにつれて短くなる。ＬＥＤの寿命は通常は長いため、周辺温度を高めることにより加速寿命テストが採用される。Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｌｉｆｅ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ， ｖｏｌ． ８ ｐ．３０４， （２００８）を参照されたい。なお同文献の開示全体は参照することにより援用される。寿命データは通常、出力が急減に低下する動作レベルよりも高い電流レベルでの４８時間のバーンインの後に、記録される。

ＬＥＤ寿命を表現する一方法は「Ｌ８０」測定の形態で行われる。「Ｌ８０」測定は、（バーンイン後の）出力が所与の注入電流におけるピーク値の８０％まで低下するに要する時間を測定することを意味する。ＡｌＮ基板を有するＵＶ発光ＬＥＤの実験報告は比較的低い寿命を有する。公開された報告によれば、Ｌ８０は、１００ｍＡの注入電流では、わずか６００時間であり、デバイスがより高い電流（１５０ｍＡ）で動作する場合は、わずか３００時間である。対照的に、本明細書で説明した高品質基板上で製作されたＬＥＤは、通常であれば従来型のＵＶ・ＬＥＤを破損してしまうであろう１７０°Ｃの高い接合温度および高い入力電気出力レベル（例えば１４４Ａ／ｃｍ^２）においてさえ、約８００時間を越える、より一般的には約９００時間を越える、および最も頻繁には約１０００時間を越える、Ｌ８０を示した。２８Ａ／ｃｍ^２の低い注入電流密度ではＬ８０は、少なくとも約２０００時間であり、または少なくとも約３０００時間であり、少なくとも約４０００時間であり、少なくとも約５０００時間であり、さらには少なくとも約６０００時間、または少なくとも約７０００時間にさえなる。

発光デバイスの使用方法
本発明のＩＩＩ族窒化物ベースの紫外線光発光デバイスは、消毒ならびに殺菌、貨幣識別、本人確認、光リソグラフィー、光線療法において、または体液もしくは他の有機物の検出に対して、ＵＶ光が使用される任意の産業分野において有用となり得る。例えば米国特許公開第２００９／０２５０６２６（Ａ１）号では、主に２つ以上の別個のＵＶ波長で電磁放射を放出する１つまたは複数のＬＥＤを含む液体浄化装置が開示される。なお同特許の全開示は参照することにより援用される。米国特許公開第２０１０／０３１４５５１（Ａ１）号では、少なくとも１つのＵＶ・ＬＥＤを使用して流動液体をＵＶ放射に曝露することにより当該液体を浄化して所望の殺菌効果を生じさせるための方法およびシステムが開示される。なお同特許の全開示は参照することにより援用される。

実験
ＵＶ発光デバイスはＨｅｘａＴｅｃｈ社から入手可能なＡｌＮ単結晶基板１５を利用して図５に示すように形成される。このＡｌＮ基板は、低い欠陥密度を含む高品質特性を有する。特にＡｌＮ基板は、約１０^４個／ｃｍ^２より小さい基板の平均拡張欠陥密度と、日常的には５０アークセカントより小さく頻繁には２０アークセカントより小さいＸＲＤロッキング曲線と、を有する。

基板は最初に化学機械研磨により調製され、それにより表面がエピタキシャル・レディ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｒｅａｄｙ）となる。ＡｌＮ基板１５はＭＯＣＶＤ反応器内に装填され、１２００°Ｃ（好適には１３５０°Ｃ）を越える温度に加熱される。極めて透明度の高いＡｌＮ単結晶基板１５の表面は、水素雰囲気内で焼鈍を施すことにより洗浄される。表面の洗浄後、複数のエピタキシャル層がＭＯＣＶＤにより堆積される。製作されたＬＥＤは、ホモエピタキシャルＡｌＮ層（約２００ｎｍ肉厚）と、ｎ型電気的接点層３０に対するｎ−Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎの層と、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸活性領域３５（４つのｉ−Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎ層を含む）と、ｐ−Ａｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ｎ電子ブロッキング層（図示せず）と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４２（約１０ｎｍ肉厚）と、ｐ型ＧａＮ電気的接点層４５（約２００ｎｍ肉厚）と、の層状化された膜を含む。この事例では、このＭＱＷ構造はおよそ２４０ｎｍの発光波長で動作するよう調節される。

上述のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス層を形成する際には、前駆体供給比、成長温度、および窒素とＩＩＩ族金属との比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、所望の光学特性および電気特性が達成されるよう、調節され得る。完全に動作するデバイスが、標準的な光リソグラフィーおよびリフトオフ・プロセスにより製作され、その結果、２つの金属接点（すなわちアノード５５およびカソード５０）を有するメサ構造が生成される。係る方法を使用すると、形成されるＬＥＤデバイスは平均で約１０^４個／ｃｍ^２より小さい拡張転位密度を有する。これは透過電子顕微鏡法および他の方法により確認が可能である。

加えて、上述の方法により形成されるＬＥＤデバイス構造は、−１０Ｖで１０^−６Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流を有する。これは現在入手可能な市販製品のわずか１／１０００〜１／１０，０００の値である。極めて低い逆方向リーク電流を有するＡｌＮ基板上に製作されたこのＵＶ・ＬＥＤの電流−電圧曲線の特性が図６に示される。このＵＶ・ＬＥＤに対して測定された逆方向リーク電流が極めて低いことは、このデバイスを製作するために使用されたＡｌＮ基板にはリーク経路が存在しないことと、したがってこのＡｌＮ基板の結晶品質が高いことと、を示す。

上述の製作されたデバイスの加速寿命測定を実施する間、接合温度はおよそ１５０Ａ／ｃｍ^２の電流密度においておよそ１８０°Ｃであると計算される。定常的な注入電流において光出力は、図８に示すように、最初は増加し、ピーク値において安定し、６００時間以上にわたり、いかなる顕著な劣化も示さない。１８０°Ｃという非常に高い接合を考慮すると、係るデバイスの寿命（Ｌ８０）は２０００時間を越える。

加速寿命テストを実施する間、最も重要なパラメータは接合温度であり、接合温度はデバイスの寿命を計算するために使用される。一実施形態では、内部「温度計」が寿命測定の間、接合温度を監視するために使用される。デバイス構造において、電子ブロッキング層の肉厚を小さくすることにより、電子リークが意図的に作られる。本明細書で使用される「意図的リーク」は、量子井戸（活性領域）からリークする電子を指す。理想的な場合では、電子および正孔は量子井戸内でのみ遭遇および再結合し、その結果、単一波長の光が放出される（すなわちスペクトルにおいて単一のピークが測定される）。一方、電子の有効質量が正孔よりもはるかに大きいため、電子の量子井戸内に適切に閉じ込めるために電子ブロッキング層が必要である。電子ブロッキング層の肉厚を小さくすることにより、電子の一部はｐ−ＧａＮ接点層に到達することが可能である。これにより、次に電子がｐ−ＧａＮ接点層内にリークし、当該接点層内の正孔と再結合し、ＧａＮのバンドギャップに対応する波長を放出することが可能となる。ＧａＮのピーク位置（ＧａＮのバンドギャップである）は温度のみに依存する。図９および図１０に示すように、注入電流が増加すると接合温度も上昇し、その結果ＧａＮのバンドギャップが狭くなる。その結果、ＧａＮに起因する発光ピークは、（より長い波長／より小さいエネルギーに向かって）赤方偏移を有するであろう。したがって接合温度はＧａＮピーク位置に基づいて決定され得る。温度の関数としてのＧａＮバンドギャップの理論曲線が、例えば図１１に示される。注入電流の関数としての接合温度の実験結果が、例えば図１２に示される。図１２からユーザは、例えば接合温度が、１３８ｍＡの注入電流に対して約１８０°Ｃであると推定することが可能である。

上述のウェーハ上テストに加えて、個々のＬＥＤは、従来形式の非加速寿命テストのために、標準的なＴＯ−３９缶上に配置された。これらのパッケージングされたＬＥＤの寿命が例えば図７にプロットされる。上述の製作されたデバイスの非加速寿命測定を実施する間、パッケージ上測定が、能動的冷却を用いることなく、使用された。接合温度は未知であるが、テストは周辺温度（２５°Ｃ）で実施され、デバイスの寿命（Ｌ８０）は２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度で７０００時間より大きい。

本明細書で説明した本開示の多数の変更例および他の態様が、前述の説明および添付の図面に提示された教義の利益を有する本開示の当該技術分野における当業者に想起されるであろう。したがって、本開示が本開示の特定的な態様に限定されないこと、および変更例ならびに他の態様が請求項の範囲内に含まれるものと意図されることが、理解されるべきである。特定的な用語が本明細書では用いられるが、係る用語は一般的且つ説明的な意味で用いられたものであり、限定目的のために用いられたものではない。

Claims (22)

1. 窒化アルミニウム単結晶基板であって、前記基板の転位密度は１０^５個／ｃｍ^２よりも小さく、且つ（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する２軸ロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は約２００アークセカントよりも小さい、窒化アルミニウム単結晶基板と、
   前記窒化アルミニウム単結晶基板上に重なる紫外線発光ダイオード構造であって、ｎ型半導体層に電気的に接続された第１電極およびｐ型半導体層に電気的に接続された第２電極を含む、紫外線発光ダイオード構造と、
   を含む、紫外線光を放出するよう適応された光電子デバイス。
2. 前記基板の前記転位密度は１０^４個／ｃｍ^２よりも小さい、請求項１に記載の光電子デバイス。
3. 前記基板の前記転位密度は１０^３個／ｃｍ^２よりも小さい、請求項１に記載の光電子デバイス。
4. 前記基板の前記転位密度は１０^２個／ｃｍ^２よりも小さい、請求項１に記載の光電子デバイス。
5. 前記（００２）結晶面および前記（１０２）結晶面に対する前記２軸ロッキング曲線の前記ＦＷＨＭは約１００アークセカントよりも小さい、請求項１に記載の光電子デバイス。
6. 前記（００２）結晶面および前記（１０２）結晶面に対する前記２軸ロッキング曲線の前記ＦＷＨＭは約５０アークセカントよりも小さい、請求項１に記載の光電子デバイス。
7. 前記（００２）結晶面および前記（１０２）結晶面に対する前記２軸ロッキング曲線の前記ＦＷＨＭは約２５アークセカントよりも小さい、請求項１に記載の光電子デバイス。
8. 前記紫外線発光ダイオード構造は前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間で延長する多重井戸活性領域をさらに含む、請求項１に記載の光電子デバイス。
9. −１０Ｖにおいて約１０^−５Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流を有する、請求項１に記載の光電子デバイス。
10. −１０Ｖにおいて約１０^−６Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流を有する、請求項１に記載の光電子デバイス。
11. 前記光電子デバイスの発光波長は約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の光電子デバイス。
12. 前記光電子デバイスの前記発光波長は約２５０ｎｍ〜２９０ｎｍの範囲内である、請求項１１に記載の光電子デバイス。
13. 前記ｎ型半導体層はｎ−Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎを含み、前記ｐ型半導体層はｐ−ＧａＮを含む、請求項１に記載の光電子デバイス。
14. 前記紫外線発光ダイオード構造は有機金属気相成長により前記基板上に堆積される、請求項１に記載の光電子デバイス。
15. 前記窒化アルミニウム単結晶基板は物理的蒸気輸送により調製される、請求項１に記載の光電子デバイス。
16. ２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約２０００時間のＬ８０を有する、請求項１に記載の光電子デバイス。
17. ２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約５０００時間のＬ８０を有する、請求項１６に記載の光電子デバイス。
18. 前記基板の前記転位密度は約１０^３個／ｃｍ^２より小さく、前記（００２）結晶面および前記（１０２）結晶面に対する前記２軸ロッキング曲線の前記半値全幅（ＦＷＨＭ）は約５０アークセカントより小さく、前記光電子デバイスの発光波長は約１５０〜約３００ｎｍの範囲にあり、前記ダイオード構造は前記ｎ型層と前記ｐ型層との間で延長する多重井戸活性領域を含み、前記光電子デバイスは、(ｉ）−１０Ｖにおいて約１０^−５Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流、および（ｉｉ）２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約２０００時間のＬ８０、のうちの少なくとも１つにより特徴付けられる、請求項１に記載の光電子デバイス。
19. (ｉ）−１０Ｖにおいて約１０^−６Ａ／ｃｍ^２より小さい逆方向リーク電流、および（ｉｉ）２８Ａ／ｃｍ^２の注入電流密度において少なくとも約５０００時間のＬ８０、のうちの少なくとも１つにより特徴付けられる、請求項１８に記載の光電子デバイス。
20. 前記光電子デバイスの前記発光波長は約２５０ｎｍ〜２９０ｎｍの範囲内である、請求項１８に記載の光電子デバイス。
21. 前記（００２）結晶面および前記（１０２）結晶面に対する前記２軸ロッキング曲線の前記ＦＷＨＭは約２５アークセカントよりも小さい、請求項１８に記載の光電子デバイス。
22. 前記基板の前記転位密度は１０^２個／ｃｍ^２よりも小さい、請求項１８に記載の光電子デバイス。

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