高性能ヘテロ構造発光素子および方法

专利摘要:
発光素子の機能および効率を向上させ、高効率および高電力で動作する特定の能力を有する層状ヘテロ構造を提供する。 層状ヘテロ構造発光素子は、少なくとも、基板、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域、ｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域、およびオーミック接触層領域を含む。あるいは、素子はキャッピング層領域も含んでよく、または反射層領域および保護キャッピング層領域を含んでもよい。素子はオーミック接触層領域に隣接する１つ以上の埋め込み挿入層を含んでもよい。オーミック接触層領域は、酸化インジウムスズ、酸化ガリウムスズ、または酸化インジウムスズ材料といった材料からなり得る。ｎ型窒ガリウム系クラッド層領域と電気的に接触するｎ型電極パッドが形成される。ｐ型領域と電気的に接触するｐ型パッドが形成される。
公开号:JP2011509530A
申请号:JP2010542307
申请日:2009-01-06
公开日:2011-03-24
发明作者:ホワイト，ヘンリー；リー，テ−ソク；リュ，ユンリェル
申请人:モクストロニクス，インコーポレイテッド；
IPC主号:H01L33-00

专利说明:

[0001] ［関連出願への相互参照；参照による援用］
本特許出願は、参照により本明細書に援用する、２００８年１月８日に出願された米国仮特許出願第６１／０１９８１７号（代理人整理番号ＭＯＸＴ−１０８−ＰＲ）の優先権を主張する。また、本出願人による以下の特許出願も参照により本明細書に援用する。

ＰＣＴ／ＵＳ０３／２７１４３（２００３年８月２７日出願）（ＭＯＸＴ−００２−ＰＣＴ）
ＰＣＴ／ＵＳ０６／０２５３４（２００６年１月２５日出願）（ＭＯＸＴ−００３−ＰＣＴ）
ＰＣＴ／ＵＳ０６／１１６１９（２００６年３月２８日出願）（ＭＯＸＴ−００４−ＰＣＴ）
ＰＣＴ／ＵＳ０５／４３８２１（２００５年１２月６日出願）（ＭＯＸＴ−００５−ＰＣＴ）
ＰＣＴ／ＵＳ０７／７７００３（２００７年８月２８日出願）（ＭＯＸＴ−１０６−ＰＣＴ）
ＰＣＴ／ＵＳ０８／８１５５６（２００８年１０月２９日出願）（ＭＯＸＴ−１０７−ＰＣＴ）]
[0002] ［発明の分野］
本発明は、概して半導体ヘテロ構造発光素子に関し、より詳細には酸化亜鉛系および窒化ガリウム系材料を含む発光素子の電力効率および性能の向上、ならびにこのような素子に関連する方法に関する。]
背景技術

[0003] 発光ダイオード（ＬＥＤ）素子は、電気エネルギーを光エネルギーに変換するために使用することができることは周知である。従来のＬＥＤは、少なくともｎ型半導体層領域、活性半導体層領域、およびｐ型半導体層領域を含む層状構造を有する。この構造は、いくつかの異なる半導体材料堆積方法により製造することができる。紫外線（ＵＶ）領域および可視スペクトル領域内の発光を得るために、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の広バンドギャップ半導体材料、および、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ベリリウム亜鉛(beryllium zinc oxide)（ＢｅＺｎＯ）といった酸化亜鉛系の広バンドギャップ半導体材料が使用されている。]
[0004] レーザダイオード（ＬＤ）は、スペクトル出力特性が、これらに限定されないが、１つ以上のスペクトルの狭い輝線を含み、より明確である、発光素子である。]
[0005] 電荷は、従来の発光素子において活性半導体層領域を通って電気的接触領域間を流れる。ｎ型とｐ型の両方の導電性を有する電気的キャリアは、活性層領域内に存在し、組み合わせプロセスにより光を生成する。発光構造内の電気的キャリアは、２つの電極間に発生する電界に応じて、および、２つの電極に印加される電圧差に応じて移動する。各電極は、半導体層領域との電気的接触を形成する。活性層領域は１つ以上の層からなり、ｎ型とｐ型の両方のキャリアを含む。活性層領域内のｐ型キャリアの濃度が低下した場合、素子の発光効率は低下し、これにより素子の電力効率および性能が低下する。活性層領域内のｐ型キャリアの数を増加させることで、発光素子の電力効率および性能を増加させることができる。活性領域内のｐ型キャリアの数が、ｐ型およびｎ型電気的キャリアの光への変換率を高くするのに十分である場合、発光素子はより高い電力効率および性能で動作する。高電力効率および高性能で動作するための発光素子の能力の向上により、その機能性が増加し、素子を適用可能な潜在的な応用の数が増加する。]
[0006] 発光素子との電気的接触を向上させることにより、素子の効率および性能を向上させることができる。発光素子内の層上の電極に対する電気的接触抵抗を減少させるための改良型オーミック接触層を形成することを目的とした、様々なオーミック接触層構造、および様々な材料が存在する。例えば、オーミック接触層は、酸化インジウムスズ、酸化ガリウム亜鉛、および酸化インジウム亜鉛を含むリストから選択される１つ以上の層を含み得るが、これに限定されない。]
[0007] 発光素子内の層上の電極に対する電気的接触抵抗を減少させるために改良型電極を形成するための様々な種類の電極構造および様々な材料も存在する。例えば、電極は、金属元素もしくは金属元素の組み合わせ、導電層、またはこれらの組み合わせを利用し得る。あるいは、発光構造は、電極の有効面積を増加させるために１つ以上の元素または化合物からなる導電層も採用してよく、これにより電気的接触を向上させ得る。あるいは、発光構造は、オーミック接触層との電気的接触を向上させる１つ以上の金属元素または化合物からなる薄い、埋め込み挿入層を採用してもよい。]
[0008] 無機半導体材料内では、ｎ型キャリア（電子）よりもｐ型キャリア（正孔）を形成する方が概してより困難である。]
[0009] 例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の広バンドギャップ材料からなる発光素子では、活性層領域内においてｐ型キャリア（正孔）の濃度がｎ型キャリアの濃度よりも低いため、効率および性能が制限される。]
[0010] このような素子の全体の動作効率の向上をもたらすことが望ましい。]
[0011] 本発明による所望の向上を達成する方法が下記に記載される。]
[0012] ＬＥＤ用の様々な層状構造が以下の米国特許において記載または開示されており、これらは、参照することによりその全体が記載されているものとして本明細書に援用する。

米国特許出願公開第２００３／０２０９７２３Ａ１号（Ｓａｋａｉ）
米国特許出願公開第２００５／００７７５３７Ａ１号（Ｓｅｏｎｇ他）
米国特許出願公開第２００５／００８２５５７Ａ１号（Ｓｅｏｎｇ他）
米国特許出願公開第２００７／０１１１３５４Ａ１号（Ｓｅｏｎｇ他）]
[0013] 更なる背景として、広バンドギャップ半導体材料が、高温での素子動作に有用であることに留意されたい。酸化亜鉛は、広バンドギャップ材料であり、良好な耐放射特性も備える。酸化亜鉛の広バンドギャップ半導体膜は、現在、半導体素子を製造するのに十分な特性を有するｎ型とｐ型の両方のキャリア型で利用可能である。更に、広バンドギャップ半導体合金材料は、高温での素子動作に有用である。酸化ベリリウム亜鉛は広バンドギャップ材料であり、良好な耐放射特性も備える。酸化ベリリウム亜鉛の広バンドギャップ半導体膜は、現在、半導体素子を製造するのに十分な特性を有するｎ型とｐ型の両方のキャリア型で利用可能である。]
[0014] 更に、米国特許第６，２９１，０８５号（Ｗｈｉｔｅ他）には、ｐ型ドープされた酸化亜鉛膜が開示されており、この膜は、これらに限定されないが、ＬＥＤおよびＬＤを含む半導体素子に組み込まれる。]
[0015] 米国特許第６，３４２，３１３号（Ｗｈｉｔｅ他）には、少なくとも約１０１５アクセプタ／ｃｍ３の正味アクセプタ濃度を有するｐ型ドープされた金属酸化膜であって、
（１）この膜は、第２族（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびラジウム）、第１２族（亜鉛、カドミウム、および水銀）、第２族および第１２族元素、ならびに、第１２族および第１６族（酸素、硫黄、セレニウム、テルリウム、およびポロニウム）元素からなる群から選択される元素の酸化化合物であり、
（２）ｐ型ドーパンは、第１族（水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、およびフランシウム）、第１１族（銅、銀、および金）、第５族（バナジウム、ニオビウム、およびタンタル）、および第１５族（窒素、リン、ヒ素、アンチモン、およびビスマス）元素からなる群から選択される元素である、ｐ型ドープされた金属酸化膜が開示されている。]
[0016] 米国特許第６，４１０，１６２号（Ｗｈｉｔｅ他）には、ｐ型ドープされた酸化亜鉛膜であって、ｐ型ドーパンは、第１族、第１１族、第５族、および第１５族元素から選択され、この膜はＬＥＤおよびＬＤを含む半導体素子に組み込まれる、ｐ型ドープされた酸化亜鉛膜が開示されている。この特許には、ｐ型ドープされた酸化亜鉛膜であって、ｐ型ドーパンは第１族、第１１族、第５族、および第１５族元素から選択され、この膜は素子内の材料と格子整合するための基板材料として半導体素子に組み込まれる、ｐ型ドープされた酸化亜鉛膜も開示されている。]
[0017] 国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０６／０２５３４（Ｒｙｕ他）には、酸化亜鉛のエネルギーバンドギャップよりも高いエネルギーバンドギャップを有する（ベリリウム、亜鉛、および酸素）合金、および、酸化亜鉛のエネルギーバンドギャップよりも低いエネルギーバンドギャップを有する（亜鉛、カドミウム、セレニウム、硫黄、および酸素）合金が開示されている。ここでは、少なくとも約１０１５アクセプタ／ｃｍ３の正味アクセプタ濃度を有するｐ型ドープされた（ベリリウム、亜鉛、および酸素）合金、すなわちＢｅＺｎＯ合金、および（亜鉛、カドミウム、セレニウム、および酸素）合金、すなわちＺｎＣｄＳｅＯ合金であって、
（１）ｐ型ドーパンは、第１族（水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、およびフランシウム）、第１１族（銅、銀、および金）、第５族（バナジウム、ニオビウム、およびタンタル）、および第１５族（窒素、リン、ヒ素、アンチモン、およびビスマス）元素からなる群から選択される元素であり、
（２）ｐ型ドーパンは、ヒ素を含み、
（３）合金層は、これらに限定されないが、ＬＥＤおよびＬＤを含む半導体素子に組み込まれる、ｐ型ドープされた（ベリリウム、亜鉛、および酸素）合金、すなわちＢｅＺｎＯ合金、および（亜鉛、カドミウム、セレニウム、および酸素）合金、すなわちＺｎＣｄＳｅＯ合金も開示されている。]
[0018] 上記参照特許文献の各々および全ては、これらを参照することによりその全体が記載されているものとして本明細書に援用し、本特許出願の一部を構成する。]
[0019] ヘテロ構造を含む発光素子が、素子の電力効率および性能を向上させることができることは当業者に理解されよう。高効率および高性能で動作することのできるヘテロ構造発光素子は、これらに限定されないが、一般的な照明、白色光源、ＬＥＤ、ＬＤ、通信ネットワーク、およびセンサといった領域を含む多くの商業的かつ軍事的分野において使用されることが望ましい。]
[0020] 例えばｐ型酸化亜鉛系材料、ｐ型酸化ベリリウム亜鉛合金材料、ｎ型窒化ガリウム系材料、ｎ型窒化インジウムガリウム、およびｎ型窒化アルミニウムガリウムなど少なくとも２つの広バンドギャップ半導体材料から製造し得て、かつ、機能、素子効率、および光出力における性能向上のために、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へ正孔キャリアを注入して、素子動作中に活性層領域内の正孔キャリアの濃度を増加させることを目的として、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層上に堆積されたｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域を有する、ヘテロ構造発光素子が必要とされている。ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層の組成は、素子の発光出力における効率および電力の性能を向上させるように選択することができる。性能を向上させるために他の層を発光素子内に形成することができる。]
[0021] 例えばｐ型酸化亜鉛系材料、ｐ型酸化ベリリウム亜鉛合金材料、ｎ型窒化ガリウム系材料、ｎ型窒化インジウムガリウム、およびｎ型窒化アルミニウムガリウムなど少なくとも２つの広バンドギャップ半導体材料から製造し得て、かつ、機能、素子効率、および光出力における性能向上のために、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へ正孔キャリアを注入し、活性層領域内の正孔キャリアの濃度を増加させることを目的として、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層上に堆積されたｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域を有するヘテロ構造素子であって、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に堆積されたオーミック接触層領域を有するヘテロ構造発光素子も必要とされている。ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層の組成は、素子の発光出力における効率および電力の性能を向上させるように選択することができる。抵抗性接触層領域は、これらに限定されないが、酸化インジウムスズ、酸化ガリウム亜鉛、および酸化インジウム亜鉛を含むリストから選択される１つ以上の層を含み得る。他の層は性能を向上させるために発光素子内で形成することができる。]
[0022] 本発明は、他の態様の中でもとりわけこれらの必要性に対応している。一実施形態では、本発明は、発光素子の機能および効率を向上させ、高効率および高電力で動作する特定の能力を有する層状ヘテロ構造を提供する。]
[0023] 本発明の一実施形態は、少なくとも基板、窒化ガリウム系ｎクラッド層領域、窒化ガリウム系活性層領域、窒化ガリウム系ｐクラッド層、ｐ型酸化亜鉛系層領域、およびオーミック接触層を含む、窒化ガリウム系および酸化亜鉛系半導体層状構造を含むヘテロ構造発光素子を提供する。導線がｎ電極パッドおよびｐ電極パッドへと形成される。形成される素子は発光素子である。]
[0024] 本発明による層状ヘテロ構造発光素子の一実施形態は、多数の半導体材料を含む半導体層状領域を採用する。発光素子の一例として、ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域は、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域内のｐ型（正孔）キャリアの濃度が増加し、これにより素子の効率および電力性能を増加させるｐ型キャリア（正孔）のソースを素子の窒化ガリウム系活性層領域に十分近接して提供する。]
[0025] 本発明の一実施形態では、窒化ガリウム系活性層領域上に形成されたｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に配置されたｐ型酸化亜鉛系半導体層状領域は、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へと注入され得る正孔キャリアのソースであり、これにより発光素子の効率および電力性能を増加させる。このように、ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域は、正孔注入層領域の機能を有する。一実施形態では、ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。]
[0026] 本発明の一実施形態では、酸化インジウムスズ層はオーミック接触層として使用され、これにより素子の効率および電力性能を増加させる。このように、ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域は、オーミック接触層領域ではない。オーミック接触層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。]
[0027] 本発明の一実施形態では、素子は、オーミック接触を向上させるために、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域とオーミック接触層領域との間に形成および配置される埋め込み挿入層も含んでもよく、この挿入層の組成は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなるが、これらに限定されない。挿入層は、約０．１ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さに形成される。]
[0028] 本発明の一実施形態では、素子は、オーミック接触を向上させるために、オーミック接触層領域上に形成および配置される埋め込み挿入層も含んでもよく、この挿入層の組成は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなるが、これらに限定されない。挿入層は、約０．１ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さに形成される。]
[0029] ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の組成は、素子の効率および光電力出力の性能を向上させるように選択することができる。]
[0030] 本発明の範囲を限定することなく、本発明の他の実施形態、例、実施または態様は、次のうち１つ以上を採用または提供し得る。
（１）ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域として採用されるベリリウム、亜鉛、および酸素の合金（ＢｅＺｎＯ合金）。
（２)ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域として採用されるベリリウム、マグネシウム、亜鉛、および酸素の合金（ＢｅＭｇＺｎＯ合金）。
（３）半導体層領域として採用される（第２族元素、亜鉛、および酸素）合金。
（４）ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域として採用されるＢｅＭｇＺｎＯ合金であって、マグネシウムが隣接する層間の格子整合を向上させるために使用され得るＢｅＭｇＺｎＯ合金。
（５）ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域として採用される亜鉛、カドミウム、セレン、硫黄、および酸素の合金（ＺｎＣｄＳｅＳＯ合金）。
（６）ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域として採用される亜鉛、カドミウム、セレン、硫黄、ベリリウム、および酸素合金（ＢｅＺｎＣｄＳｅＳＯ合金）であって、ベリリウムが隣接する層間の格子整合を向上させるために使用され得る、ＢｅＺｎＣｄＳｅＳＯ合金。
（７）オーミック接触層領域は、ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域の全てのまたは一部をカバーし得る。
（８）層はエピタキシャル成長して素子性能を向上させ得る。]
[0031] 本発明のこれらのおよび他の実施形態、例、実施、および態様は、記載された構造を製造する方法として、以下に添付図面を参照して詳細に説明される。特に、本発明の他の詳細、利点、および特徴、ならびに本発明による発光デバイスの動作を実行することのできる方法は、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面と併せて、以下の発明の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。]
図面の簡単な説明

[0032] 図１は、基板、バッファ層、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域、窒化ガリウム系活性層領域、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域、酸化インジウムスズオーミック接触層領域、ｐ電極、およびｎ電極を含む、本発明による発光素子の一実施形態を示す概略図である。] 図１
[0033] 図２は、基板、バッファ層、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域、窒化ガリウム系活性層領域、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域、酸化インジウムスズオーミック接触層領域、反射層領域、保護キャッピング層領域、ｐ電極、およびｎ電極を含む、本発明の別の実施形態を示す概略図である。] 図２
実施例

[0034] ［概要］
本発明は、発明者による以下の達成を利用および実施する。
１）活性層領域内のｐ型キャリア（正孔）の濃度を増加させることができれば、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、および窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の無機広バンドギャップ材料を含む発光素子の全体的な動作効率を向上させることができる。
２）更に、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの亜鉛酸化系の半導体材料を使用することにより、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、および窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の半導体材料内で得られるよりも、より高い濃度のｐ型キャリア（正孔）を得ることができる。
３）窒化ガリウム系活性層領域に極めて近接して位置する少なくとも１つのｐ型半導体層領域であって、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へｐ型キャリア（正孔）を提供し得るｐ型半導体層領域を形成することにより、活性層領域内のｐ型キャリア（正孔）の濃度を増加させれば、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、および窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の無機広バンドギャップ材料を含む発光素子の全体的な動作効率が向上するであろう。
４）窒化ガリウム系活性層領域に極めて近接して位置する少なくとも１つのｐ型酸化亜鉛系半導体層領域であって、ｐ型酸化亜鉛系層領域が素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へｐ型キャリア（正孔）を提供し得るｐ型酸化亜鉛系層領域を形成することにより、活性層領域内のｐ型キャリア（正孔）の濃度が増加させれば、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の無機広バンドギャップ材料からなる発光素子の全体的な動作効率が向上するであろう。
５）窒化ガリウム系活性層領域に極めて近接して位置する少なくとも１つのｐ型酸化亜鉛系半導体層領域であって、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へｐ型キャリア（正孔）を注入し得るｐ型酸化亜鉛系層領域を形成することにより、活性層領域内のｐ型キャリア（正孔）の濃度を増加させれば、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の無機広バンドギャップ材料からなる発光素子の全体的な動作効率が向上するであろう。
６）窒化ガリウム系活性層領域に極めて近接して位置する少なくとも１つのｐ型酸化亜鉛系半導体層領域であって、このｐ型酸化亜鉛系層領域は窒化ガリウム系活性層領域よりも高いｐ型キャリア（正孔）濃度を有し、素子動作中に窒化ガリウム系活性層領域へｐ型キャリア（正孔）を注入し得る、ｐ型酸化亜鉛系層領域を形成することにより、活性層領域内のｐ型キャリア（正孔）の濃度を増加させれば、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）といった窒化ガリウム系の無機広バンドギャップ材料からなる発光素子の全体的な動作効率が向上するであろう。
７）更に、発光素子の全体的な動作効率は、活性層領域内のｐ型キャリアの濃度を増加させることにより、そして、素子の電気的接触抵抗を減少させることにより向上させることができる。
８）半導体発光素子は層状構造を有する。このように、素子内の所定の層および層領域の構造および電気特性は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。同様に、素子内の層および層領域を形成するために使用される半導体材料の材料組成は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途に大いに影響を与えることができる。
９）発光素子の全体的な動作効率は、素子の活性層領域内の正孔濃度を増加させるヘテロ構造を使用することにより向上させることができる。素子動作中に別の半導体材料を含む活性層領域への正孔キャリアのソースとなる半導体材料からなるｐ型層領域を含むヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１０）素子動作中に別の広バンドギャップ半導体材料を含む活性層領域への正孔キャリアのソースとなる、広バンドギャップ半導体材料からなるｐ型層領域を含むヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１１）素子動作中に別の広バンドギャップ半導体材料からなる活性層領域内へと正孔キャリアを注入する、広バンドギャップ半導体材料からなるｐ型層領域を含むヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１２）第１型系材料の広バンドギャップ半導体からなるｐ型層領域であり、第２型系材料の広バンドギャップ半導体を含むｐ型クラッド層領域上に形成されたｐ型層領域を含むヘテロ構造素子であって、第１型系材料のｐ型層領域は素子動作中に第２型系材料の活性層領域への正孔キャリアのソースとなる、ヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１３）第１組成型の広バンドギャップ半導体材料からなるｐ型層領域であり、第２組成型の広バンドギャップ半導体を含むｐ型クラッド層領域上に形成されたｐ型層領域を含むヘテロ構造素子であって、第１組成型の材料のｐ型層領域は、素子動作中に第２組成型材料の活性層領域内へと正孔キャリアを注入する、ヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１４）素子動作中に別の広バンドギャップ半導体材料からなる活性層領域への正孔キャリアのソースとなる、広バンドギャップ半導体材料からなるｐ型層領域を含み、ｐ型正孔注入層領域上に形成されたオーミック接触層を含む、ヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１５）素子動作中に別の組成の広バンドギャップ半導体材料からなる活性層領域へ正孔キャリアを注入する、広バンドギャップ半導体材料からなるｐ型層領域を含み、ｐ型正孔注入層領域上に形成されたオーミック接触層を含む、ヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１６）第１組成型系材料の広バンドギャップ半導体からなるｐ型層領域であり、第２組成型系材料の広バンドギャップ半導体を含むｐ型クラッド層領域上に形成されたｐ型層領域を含むヘテロ構造素子であって、素子動作中に第１組成型系材料のｐ型層領域が第２組成型系材料の活性層領域の材料への正孔キャリアソースとなるヘテロ構造は、ｐ型正孔ソース層領域上に形成されたオーミック接触層を含むものであり、このようなヘテロ構造は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
１７）第１組成型系材料の広バンドギャップ半導体からなるｐ型層領域であり、第２組成型系材料の広バンドギャップ半導体を含むｐ型クラッド層領域上に形成されたｐ型層領域を含むヘテロ構造素子であって、素子動作中に第１組成型系材料のｐ型層領域が第２組成型系材料の活性層領域内へ正孔キャリアを注入する、ヘテロ構造素子は、ｐ型正孔注入層領域上に形成されたオーミック接触層を含むものであり、このようなヘテロ構造素子は、素子の全体的な動作特徴、効率、性能、および用途を向上させることができる。
［発明の例示される実施形態／実施］]
[0035] 図１を参照すると、本発明による発光素子の一実施形態の概略図が示さていれる。特に、図１は、本発明による発光素子の層状構造を示す断面図である。] 図１
[0036] 図１に示すように、本発明の一実施形態では、バッファ層１０２は基板１０１上に成長している。窒化ガリウム系半導体材料のｎ型クラッド層領域１０３は、バッファ層上に成長している。窒化ガリウム系活性層領域１０４は、ｎ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に成長している。窒化ガリウム系半導体材料のｐ型クラッド層領域１０５は、窒化ガリウム系活性層領域上に成長している。酸化亜鉛系半導体材料のｐ型正孔注入層領域１０６は、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に成長している。酸化インジウムスズの層からなるオーミック接触層領域１０７は、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に堆積されている。ｐ電極パッド１０８は、オーミック接触層上に形成されている。層状構造は、ｎ電極パッドの形成に適したｎクラッド窒化ガリウム系層領域上にエリアを形成するようにエッチングされ、ｎ電極パッド１０９はこのエリア上に形成されている。素子は、ｐ型酸化亜鉛層正孔注入領域とオーミック接触領域との間に形成および配置される埋め込み挿入層（図示せず）も含んでよく、埋め込み挿入層は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなる。ｐ型酸化亜鉛系半導体層は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。酸化インジウムスズ層は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。埋め込み挿入層が形成される場合には、その厚さは約０．１ｎｍ〜１００ｎｍの間である。] 図１
[0037] ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の材料組成は、素子の効率および光電力出力の性能を向上させるように選択することができる。]
[0038] 図２は、本発明による発光素子の別の実施形態の概略図を示す。特に、図２は、本発明による発光素子の層状構造を例示する断面図である。] 図２
[0039] 図２に示すように、本発明の一実施形態では、バッファ層２０２は単結晶基板２０１上に成長している。窒化ガリウム系半導体材料のｎ型クラッド層領域２０３は、バッファ層上に成長している。窒化ガリウム系活性層領域２０４は、ｎ型クラッド層領域上に成長している。窒化ガリウム系半導体材料のｐ型クラッド層領域２０５は、窒化ガリウム系活性層領域上に成長している。酸化亜鉛系半導体材料のｐ型正孔注入層領域２０６は、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に成長している。酸化インジウムスズの層からなるオーミック接触層領域２０７は、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に堆積されている。反射層領域２１０は、これらに限定されないが、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、ＣｒおよびＰｔを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素を使用してオーミック接触層領域上に形成され、このような反射層は、素子がフリップチップ発光素子設計で使用される場合の光抽出に有用である。保護キャッピング層領域２１１は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ、およびＴｉＮを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素または化合物を使用して反射層領域上に形成され、このような保護キャッピング層領域は、ｐ電極との電気的接触を改良し、かつ反射層領域の酸化を抑制して素子の寿命を向上させるのに有用である。ｐ電極パッド２０８は、保護キャッピング層領域上に形成されている。層状構造は、ｎ電極パッドの形成に適したｎクラッド層領域上にエリアを形成するようにエッチングされ、ｎ電極パッド２０９はこのエリア上に形成されている。素子は、ｐ型酸化亜鉛系領域とオーミック接触層領域との間に形成および配置される埋め込み挿入層（図示しないが、本特許出願全体に関連して当業者により容易に理解される）も含んでよく、埋め込み挿入層は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなる。ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。オーミック接触層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。反射層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。保護キャッピング層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。埋め込み挿入層が形成される場合には、その厚さは約０．１ｎｍ〜１００ｎｍの間である。] 図２
[0040] ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の材料組成は、素子の効率および光電力出力の性能を向上させるために選択することができる。]
[0041] 層を成長させる技術、導線を施す技術、および電気的接触を形成する技術は、例えば当該技術分野で知られている技術、または、上記に挙げたものを含む、本特許出願の発明者の１人以上による参照により本明細書に援用する他の特許出願に記載される技術を含み得る。
［追加の発光素子例］]
[0042] 本発明の多くの他の実施形態、例および変形が可能であり、下記の特許請求の範囲で規定される発明の精神および範囲に含まれる。更なる例として、図１に示すような層状構造を使用する本発明の別の発光素子の実施形態では、酸化ベリリウム亜鉛半導体合金領域のｐ型正孔挿入層領域は、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に成長している。酸化インジウムスズの層からなるオーミック接触層領域は、ｐ型酸化ベリリウム亜鉛正孔注入層領域上に堆積されている。ｐ電極パッドは、オーミック接触層上に形成されている。層状構造は、ｎ電極パッドの形成に適したｎクラッド層領域上にエリアを形成するようにエッチングされ、ｎ電極パッドはこのようなエリア上に形成されている。素子は、ｐ型酸化ベリリウム亜鉛層領域とオーミック接触層領域との間に形成および配置される埋め込み挿入層（図示せず）も含んでよく、埋め込み挿入層は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ、およびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなる。形成される素子は発光ダイオードである。ｐ型酸化ベリリウム亜鉛半導体層は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。酸化インジウムスズ層は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。反射層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。保護キャッピング層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。埋め込み挿入層が形成される場合には、その厚さは約０．１ｎｍ〜１００ｎｍの間である。] 図１
[0043] 更なる別の例として、図２に示すような層状構造を使用する本発明の発光素子の実施形態では、酸化ベリリウム亜鉛半導体合金のｐ型正孔挿入層領域は、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に成長している。酸化インジウムスズ層からなるオーミック接触層領域は、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に堆積されている。反射層領域は、これらに限定されないが、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、ＣｒおよびＰｔを含むリストから選択される１つ以または２つ上の元素を使用してオーミック接触層領域上に形成され、このような反射層領域は、素子がフリップチップ発光素子設計で使用される場合の光抽出に有用である。保護キャッピング層領域は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＺｎおよびＴｉＮを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素または化合物を使用して反射層領域上に形成され、このような保護キャッピング層領域は、ｐ電極との電気的接触を改良し、かつ反射層領域の酸化を抑制して素子の寿命を向上させるのに有用である。ｐ電極パッドは、保護キャッピング層領域上に形成されている。層状構造は、ｎ電極パッドの形成に適したｎクラッド層領域上にエリアを形成するようにエッチングされ、ｎ電極パッドはこのエリア上に形成されている。ｐ型酸化ベリリウム亜鉛半導体層は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。酸化インジウムスズ層は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。反射層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。保護キャッピング層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。埋め込み挿入層が形成される場合には、その厚さは約０．１ｎｍ〜１００ｎｍの間である。素子は、ｐ型酸化亜鉛系層領域とオーミック接触層領域との間に形成および配置される挿入層も含んでよく（図示せず）、埋め込み挿入層は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなる。形成される素子は発光ダイオードである。素子は、オーミック接触層領域上に形成される挿入層（図示せず）も含んでよく、埋め込み挿入層は、これらに限定されないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなる。形成される素子は発光ダイオードである。] 図２
[0044] 本発明の他の例として、窒化ガリウム系素子の窒化ガリウム系活性層領域に近接して形成されるｐ型酸化亜鉛系半導体層領域を採用し、これによりｐ型酸化亜鉛系層領域からの正孔が窒化ガリウム系活性層領域へと注入される層状構造を使用する本発明の発光素子の実施形態が製造される。形成される発光素子は、発光ダイオードである。ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の組成は、素子の効率および光電力出力の性能を向上させるように選択することができる。]
[0045] 他の例として、本発明の他の発光素子の実施形態では、窒化ガリウム系素子の窒化ガリウム系活性層領域に近接して形成されるｐ型酸化亜鉛系半導体層領域を採用し、これによりｐ型酸化亜鉛系層領域からの正孔が窒化ガリウム系活性層領域へと注入される、１つまたは２つ以上の層領域は単一層からなる、層状構造を使用する。形成される発光素子は、発光ダイオードである。]
[0046] 他の例として、本発明の他の発光素子の実施形態では、窒化ガリウム系素子の窒化ガリウム系活性層領域に近接して形成されたｐ型酸化亜鉛系半導体層領域を採用し、これによりｐ型酸化亜鉛系層領域からの正孔が窒化ガリウム系活性層領域へと注入される層状構造を使用し、この層状構造では、素子は、ｐ型酸化亜鉛系層領域とオーミック接触層領域との間に形成および配置される埋め込み挿入層も含んでよく、この埋め込み挿入層はこれらに限定されないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される１つまたは２つ以上の元素からなる。形成される発光素子は、発光ダイオードである。]
[0047] 本発明のさらなる他の例、実施形態、および実施として、以下のものが挙げられる。
１）ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域は、これらに限定されないが、ＢｅＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＢｅＭｇＯ、およびＢｅＭｇＺｎＯ合金材料を含むリストから選択される材料の１つまたは２つ以上の層から構成することができる。
２）ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域は、これらに限定されないが、ＺｎＣｄＳｅＯ、ＺｎＣｄＳＯ、ＺｎＣｄＳＳｅＯ、ＺｎＳＳｅＯ、ＺｎＳＯおよびＺｎＳｅＯ合金材料を含むリストから選択される材料の１つまたは２つ以上の層から構成することができる。
３）ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域は、１つ以上の他の層との格子整合を向上させる目的でＭｇまたはＢｅのような１つ以上の元素を取り入れた、ＢｅＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＢｅＭｇＯ、およびＢｅＭｇＺｎＯ、ＺｎＣｄＳｅＯ、ＺｎＣｄＳＯ、ＺｎＣｄＳＳｅＯ、ＺｎＳＳｅＯ、ＺｎＳＯおよびＺｎＳｅＯ合金材料を含むリストから選択される材料の１つまたは２つ以上の層から構成することができる。
４）ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層のドーパントが、第１族、第１１族、第５族、および第１５族元素から選択される少なくとも１つの元素であるように、構造を作ることができる。
５）ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域のドーパントが、ヒ素、リン、アンチモン、および窒素からなる群から選択されるように構造を作ることができる。または、本発明の特定の態様では、ｐ型酸化亜鉛半導体層領域のドーパントがヒ素のみであってもよい。
６）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層のドーパントが、第１族、第１１族、第５族、および第１５族元素から選択される少なくとも１つの元素、または、ヒ素、リン、アンチモン、および窒素からなる群から選択される１つ以上の元素、または一例では、ヒ素のみであるように、構造を作ることができる。
７）ｐ型酸化ベリリウム亜鉛合金半導体正孔注入層領域のドーパントが、第１族、第１１族、第５族、および第１５族元素から選択される少なくとも１つの元素であるように、構造を作ることができる。
８）ｐ型酸化ベリリウム亜鉛合金半導体正孔注入領域のドーパントが、ヒ素、リン、アンチモン、および窒素からなる群から選択されるように構造を作ることができる。または、本発明の特定の態様では、ｐ型酸化亜鉛半導体層領域のドーパントがヒ素のみであってもよい。
９）あるいは、ｐ型酸化ベリリウム亜鉛合金正孔注入層領域のドーパントが、第１族、第１１族、第５族、および第１５族元素から選択される少なくとも１つの元素、または、ヒ素、リン、アンチモン、および窒素からなる群から選択される少なくとも１つの元素、または、特にヒ素のみであるように、構造を作ることができる。
１０）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域のドーパントが、成長中に取り込まれ得るように、構造を作ることができる。
１１）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域のドーパントが、これらに限定されないが、ハイブリッドビーム堆積、熱フラックス、元素フラックス、プラズマフラックス、拡散、熱拡散、スパッタリング、および／またはイオン注入を含むリストから選択される処理方法により取り込まれ得るように、構造を作ることができる。
１２）あるいは、オーミック接触層領域が、これらに限定されないが、ハイブリッドビーム堆積、熱フラックス、元素フラックス、プラズマフラックス、拡散、熱拡散、スパッタリング、および／またはイオン注入を含むリストから選択される処理方法により形成されるように、構造を作ることができる。
１３）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の組成は、素子の効率および光電力出力の性能を向上させるように選択することができる。
１４）あるいは、オーミック接触層領域が、これらに限定されないが、酸化インジウムスズ、酸化ガリウム亜鉛、および酸化インジウム亜鉛を含むリストから選択される１つまたは２つ以上の層であるように、構造を作ることができる。オーミック接触層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。
１５）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系半導体正孔注入層領域が、これらに限定されないが、ハイブリッドビーム堆積、熱フラックス、元素フラックス、プラズマフラックス、拡散、熱拡散、スパッタリングおよび／またはイオン注入を含むリストから選択される処理方法により形成され得るように、構造を作ることができる。
１６）あるいは、オーミック接触層領域が、これらに限定されないが、ハイブリッドビーム堆積、熱フラックス、元素フラックス、プラズマフラックス、拡散、熱拡散、スパッタリング、および／またはイオン注入を含むリストから選択される処理方法により形成され得るように、構造を作ることができる。
１７）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域が、これらに限定されないが、第２族元素、ＺｎＯ、ＢｅＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＢｅＭｇＺｎＯ、ＺｎＣｄＳｅＯ、ＺｎＣｄＳＯ、ＺｎＣｄＳＳｅＯ、ＺｎＳＳｅＯ、ＺｎＳＯ、およびＺｎＳｅＯからなる酸化物を含むリストから選択される酸化物材料である、構造を作ることができる。ｐ型酸化亜鉛系層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。
１８）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域が、これらに限定されないが、第２族元素、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＺｎＣｄＳｅＯ、ＺｎＣｄＳＯ、ＺｎＣｄＳＳｅＯ、ＺｎＳＳｅＯ、ＺｎＳＯ、およびＺｎＳｅＯからなる酸化物を含むリストから選択され、層間の格子整合を向上させるためにＢｅが添加された酸化物材料である、構造を作ることができる。ｐ型酸化亜鉛系層領域は、約０．１ｎｍから約２０００ｎｍの間の厚さに形成される。
１９）あるいは、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域が、これらに限定されないが、第２族元素、ＺｎＯ、およびＢｅＺｎＯからなる酸化物を含むリストから選択され、層間の格子整合を向上させるためにＭｇが添加された酸化物材料である構造を作ることができる。ｐ型酸化亜鉛系層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される。]
[0048] 本発明およびその技術的利点は、以下の追加例によって更に例示され理解されるであろう。
［発明の更なる例および説明］]
[0049] 以下の記載は、本発明の様々な実施形態および例、ならびにこれらの特徴について更に記載する。上述したように、本発明は、発光素子の性能を向上させるため、特に高効率および高電力性能を実現するための層状ヘテロ構造発光素子に関する。]
[0050] 特定の実施形態は、ＬＥＤである発光素子に関して次に記載するが、本発明が例えばレーザダイオード（ＬＤ）や本書面の他の箇所に挙げられるような他の素子および構成といった他の型の発光素子に関して実施され得ることは理解されよう。]
[0051] 本発明の一実施形態では、サファイア基板、バッファ層、ｎ型窒化ガリウム系クラッド層領域、窒化ガリウム系活性層領域、およびｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域を含む、層状構造を有するウエハを、ハイブリッドビーム堆積リアクタ内に置き、約６５０℃まで加熱した。圧力を約１×１０−５トルまで低下させ、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層をＲＦ酸素プラズマで３０分間洗浄した。その後、温度を５５０℃まで下げ、そして、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上にヒ素（Ａｓ）でドープされた酸化亜鉛半導体材料ｐ型の層を、約０．３ミクロンの厚さまで堆積させた。その後、温度を室温まで下げた。スパッタリング方法により、ｐ型酸化亜鉛半導体層上に酸化インジウムスズを含む層を約１０００ｎｍの厚さまで堆積させた。]
[0052] （酸化亜鉛層、特にヒ素および他の材料（例えば、酸化ベリリウム亜鉛を含む）でドープされたｐ型酸化亜鉛層を堆積させるために有用な１つ以上の例示的な処理のより詳細な説明は、例として、米国特許第６，４７５，８２５号（Ｗｈｉｔｅ他）および第６，６１０，１４１号（Ｗｈｉｔｅ他）、ならびに国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／２７１４３（Ｒｙｕ他）、ＰＣＴ／ＵＳ０５／０４３８２１（Ｒｙｕ他）、およびＰＣＴ／ＵＳ０６／０１１６１９（Ｒｙｕ他）に記載され、その各々は、参照することによりその全体が記載されているものとして本明細書に援用し、本出願の一部を構成する。）]
[0053] 堆積された層を有するウエハは、パターン付けおよびエッチングされ、そして電極パッドがｎ型窒化ガリウム系層領域および酸化インジウムスズ層上に形成された。ｎ型窒化ガリウム系層領域とのオーミック接触は、ＣｒおよびＡｕ金属を使用して形成された。酸化インジウムスズオーミック接触層とのオーミック接触は、ＣｒおよびＡｕ金属を使用して形成された。]
[0054] 電圧差が電極に印加され、そして素子の電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性が測定された。順方向バイアス状態の素子からの発光を測定し、発光素子の電力および効率を得た。]
[0055] 他の変更の中で、上述される実施形態において使用されるものと異なる層状構造を有する素子を製造することができることが、当業者により容易に理解されるであろう。ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の組成は、素子の効率および光電力出力の性能を向上させるように選択することができる。
［結論］]
[0056] 開示された層状構造を有する本発明による発光構造は、性能、特に効率および出力電力を向上させるために使用することができる。本発明によるｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域およびオーミック接触層領域を有する発光素子は、フォトニック分野における高効率および高電力素子の応用において多くの用途を有するであろう。このような用途には、例えば高効率白色光源、ＬＥＤ、ＬＤ、ならびに、一般および特殊照明、ディスプレイ、および分光研究において使用されるセンサが含まれるが、これらに限定されない。]
[0057] 本明細書の開示に従い、フリップチップ発光設計で使用する反射層領域およびキャッピング層領域などの追加的な所望の特徴を有する本発明による発光素子も製造することができることは、当業者に理解されるであろう。]
[0058] 上記の例は、例示を目的として記載したものであり、限定を目的とするものではない。同様に、本明細書で使用された用語および表現は、限定ではなく説明のための用語として使用しており、図示および説明した特徴の均等物またはその一部を除外するためにこのような用語および表現を使用する意図はない。様々な追加、除外、および変形が可能であり、これらは本発明の精神および範囲に含まれる。さらに、本明細書に記載する、または記載されなくとも本発明の範囲内である本発明の任意の実施形態のいずれか１つ以上の特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の他の任意の実施形態のいずれか１つ以上の他の特徴と組み合わせることができる。]

权利要求:

請求項1
基板と、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域と、窒化ガリウム系活性層領域と、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域と、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域と、オーミック接触層領域と、を含む層状構造を有するヘテロ構造発光素子。
請求項2
基板と、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域と、窒化ガリウム系活性層領域と、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域と、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域と、オーミック接触層領域と、保護キャッピング層領域と、を含む、層状構造を有するヘテロ構造発光素子。
請求項3
基板と、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域と、窒化ガリウム系活性層領域と、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域と、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域と、オーミック接触層領域と、反射層領域と、保護キャッピング層領域と、を含む、層状構造を有するヘテロ構造発光素子。
請求項4
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域と前記オーミック接触層領域との間に埋め込み挿入層を更に含み、前記埋め込み挿入層は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の素子。
請求項5
前記オーミック接触層領域と前記保護キャッピング層領域との間に埋め込み挿入層を更に含み、前記埋め込み挿入層は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項２に記載の素子。
請求項6
前記オーミック接触層領域と前記反射層領域との間に埋め込み挿入層を更に含み、前記埋め込み挿入層は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、ＮａおよびＬａを含むリストから選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項３に記載の素子。
請求項7
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域は、第２族元素、ＺｎＯ、ＢｅＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＢｅＭｇＺｎＯ、ＺｎＣｄＳｅＯ、ＺｎＣｄＳＯ、ＺｎＣｄＳＳｅＯ、ＺｎＳＳｅＯ、ＺｎＳＯおよびＺｎＳｅＯを含む酸化物を含むリストから選択される酸化物材料である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項8
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域は、層間の格子整合を向上させるためにＢｅが添加された、第２族元素、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＺｎＣｄＳｅＯ、ＺｎＣｄＳＯ、ＺｎＣｄＳＳｅＯ、ＺｎＳＳｅＯ、ＺｎＳＯ、およびＺｎＳｅＯを含む酸化物を含むリストから選択される酸化物材料である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項9
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域は、層間の格子整合を向上させるためにＭｇが添加された、第２族元素、ＺｎＯおよびＢｅＺｎＯを含む酸化物を含むリストから選択される酸化物材料である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項10
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域は、ｐ型酸化亜鉛材料である、請求項１〜３のいずれかに記載の素子。
請求項11
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域は、ｐ型酸化ベリリウム亜鉛合金材料である、請求項１〜３のいずれかに記載の素子。
請求項12
前記オーミック接触層領域は、酸化インジウムスズを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項13
前記オーミック接触層領域は、酸化ガリウム亜鉛を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項14
前記オーミック接触層領域は、酸化インジウム亜鉛を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項15
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域は、少なくとも単一の層である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項16
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域のドーパントは、第１族（ＩＡ）、第１１族（ＩＢ）、第５族（ＶＢ）、および第１５族（ＶＡ）元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項17
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の前記ドーパントは、窒素、ヒ素、リン、アンチモン、およびビスマスからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項18
前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域の前記ドーパントはヒ素を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項19
前記素子は、前記基板上に形成され、かつ前記基板とｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域との間に配置されバッファ層を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項20
前記ｐ型酸化亜鉛系半導体層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成され、前記オーミック接触層領域は、約０．１ｎｍ〜２０００ｎｍの間の厚さに形成される、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
請求項21
請求項１に記載の層状構造を有するヘテロ構造発光素子を製造する方法であって、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域を形成することと、窒化ガリウム系活性層領域を前記ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域上に形成することと、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域を前記窒化ガリウム系活性層領域上に形成することと、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域を前記ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に形成することと、オーミック接触層領域を前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に形成することと、を含む、方法。
請求項22
請求項２に記載の層状構造を有するヘテロ構造発光素子を製造する方法であって、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域を形成することと、窒化ガリウム系活性層領域を前記ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層上に形成することと、ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域を前記窒化ガリウム系活性層領域上に形成することと、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域を前記ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に形成することと、オーミック接触層領域を前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に形成することと、保護キャッピング層を前記オーミック接触層領域上に形成することと、を含む、方法。
請求項23
請求項３に記載の層状構造を有するヘテロ構造発光素子を製造する方法であって、ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層領域を形成することと、窒化ガリウム系活性層領域を前記ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層上に形成することとｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域を前記窒化ガリウム系活性層領域上に形成すること、ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域を前記ｐ型窒化ガリウム系クラッド層領域上に形成することと、オーミック接触層を前記ｐ型酸化亜鉛系正孔注入層領域上に形成することと、反射層を前記オーミック接触層領域上に形成することと、保護キャッピング層を前記反射層領域上に形成することと、を含む、方法。
請求項24
請求項４〜２０のいずれかに記載の層状構造を有するヘテロ構造発光素子を製造する方法。