JP2002527890A - 縦型窒化インジウムガリウムｌｅｄ - Google Patents

縦型窒化インジウムガリウムｌｅｄ

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Abstract

(57)【要約】 電磁スペクトルの赤色部分、緑色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部分の光を発光することができる縦型発光ダイオードを開示する。当該発光ダイオードは、導電性炭化珪素基板、ＩnＧaＮ量子井戸、当該基板と量子井戸との間に導電性緩衝層、当該量子井戸の各表面上にそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層、及び縦型配向のオーミックコンタクトを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の分野 本発明は、ＩＩＩ族窒化物（すなわち、元素周期表のＩＩＩ族）から形成され
る発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものであり、詳しくは、活性部分として窒
化インジウムガリウム（ＩnＧaＮ）量子井戸を組込んでいて、電磁スペクトルの
赤色部分から紫外部分、特に緑色部分から紫外部分の出力を生成するＬＥＤに関
するものである。
【０００２】 発明の背景 発光ダイオード（"ＬＥＤ"）は、オプトエレクトロニクスの分野が年々成長
し発展するにつれて、様々な役割において有用であることが見出されたｐ・ｎ接
合デバイスである。電磁スペクトルの可視部分を発光するデバイスは、単純な状
況標識として、動的パワーレベル棒グラフ（dynamic power level bar graphs）
として、及び例えばオーディオシステム、自動車、家庭用エレクトロニクス、及
びコンピュータシステムなどのような多くの用途における英数字表示として用い
られてきた。赤外線デバイスは、オプトアイソレーター、ハンド・ヘルドリモー
トコントローラー、及び断続用途、反射用途、及び光ファイバセンシング（fibe
r-optic sensing）用途において、スペクトルマッチトフォトトランジスタ（spe
ctrally matched phototransistor）と共に用いられてきた。
【０００３】 ＬＥＤは、半導体おける電子と正孔の再結合に基づいて動作する。伝導帯にお
ける電子キャリヤーが価電子帯における正孔と結合するとき、電子キャリヤーは
、放出された光子、すなわち光の形態で、バンドギャップと等しいエネルギーを
失う。平衡状態下での再結合イベントの数は、実用用途には不充分であるが、少
数キャリヤー密度を増加させることによって向上させることができる。
【０００４】 ＬＥＤでは、従来、順方向にバイアスをかけることによって少数キャリヤー密
度を増加させる。注入された少数キャリヤーは、接合端縁のいくつかの拡散長内
において多数キャリヤーと放射再結合する。各再結合イベントは、電磁放射、す
なわち光子を発生させる。エネルギー損失は半導体材料のバンドギャップと関係
があるので、ＬＥＤ材料のバンドギャップ特性が重要であると認められた。
【０００５】 しかしながら、他の電子デバイスに関して、より効率的なＬＥＤ、特により低
い電圧を用いながらより高い強度で動作するＬＥＤに対する願望とニーズが存在
する。例えば高強度ＬＥＤは、様々な厳しい周囲環境下にあるディスプレイ又は
状況標識にとって特に有用である。また、ＬＥＤの出力強度とＬＥＤを動作させ
るのに要する電力との間には関連がある。例えば、低電力ＬＥＤは、様々なポー
タブル電子装置用途に特に有用である。より強い強度、より低い電力、及びより
効率的なＬＥＤに関するニーズを満たす試みの例は、可視スペクトルの赤色部分
におけるＬＥＤのためのＡlＧaＡs ＬＥＤ技術の開発に認められる。同様の絶え
ることの無いニーズは、可視スペクトルの緑色、青色及び紫外領域において放出
するＬＥＤに関しても感じられてきた。例えば、青色は原色であるので、その存
在は、フルカラーディスプレイ又は純粋な白色光を発生させるのに望ましいか又
は必要でさえもある。
【０００６】 本特許出願の共通の譲受人は、最初にこの分野で、大量に利用可能で且つ青色
スペクトルの光を放出した、採算がとれるＬＥＤを首尾良く開発した。これらの
ＬＥＤは炭化珪素で形成された；その例は、Edmondに与えられた、それぞれが "
Blue Light Emitting Diode Formed in Silicon Carbide."という名称の米国特
許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。
【０００７】 上記青色ＬＥＤの他の例は、Nakamura ら に与えられた"Method of Manufactu
ring P-Type Compound Semiconductor"という名称の米国特許第５，３０６，６
６２号及びNakamuraに与えられた"Crystal Growth Method for Gallium Nitride
-Based Compound Semiconductor"という名称の米国特許第５，２９０，３９３号
に記載されている。Hatano ら に与えられた"Vapor Phase Growth Method of Fo
rming Film in Process of Manufacturing Semiconductor Device"という名称の
米国特許第５，２７３，９３３号にも、SiC基板上ＧaＩnＡlＮ及び砒化ガリウム
（ＧaＡs）上セレン化亜鉛（ＺnＳe）から形成されるＬＥＤが記載されている。
【０００８】 ＬＥＤ技術に関する一般的な考察は、Dorf, The Electrical Engineering Han
dbook, 2d Ed. (1997, CRC Press), pages 1915-1925, section 83.l, "Light E
mitting Diodes," 及び Szc, Physics of Semiconductor Devices, pages 681 f
f, Chapter 12, "LED and Semiconductor Lasers" (1981, John Wiley & Sons,
Ine.)に見出すことができる。
【０００９】 例えばＬＥＤのような光子デバイスに精通している当業者には公知のように、
任意の半導体材料によって発生され得る電磁放射（すなわち、光子）の周波数は
当該材料のバンドギャップの関数である。より小さいバンドギャップでは、より
低エネルギーでより長波長の光子が発生し、より高エネルギーでより短波長の光
子を発生させるにはより広いバンドギャップを有する材料が必要である。例えば
、レーザーに通常用いられる１つの半導体は隣化インジウムガリウムアルミニウ
ム（ＩnＧaＡlＰ）である。この材料のバンドギャップの故に（実際に、バンド
ギャップの範囲は、存在する各元素のモル分率及び原子分率に左右される）、Ｉ
nＧaＡlＰが発生させ得る光は、可視スペクトルの赤色部分、すなわち約６００
〜７００ナノメートル（ｎｍ）に限定される。
【００１０】 従来（working backwards）、可視スペクトルの青色部分又は紫外部分の波長
を有する光子を発生させるためには、比較的大きなバンドギャップを有する半導
体材料が必要とされる。典型的な候補材料としては、炭化珪素（SiC）及びＩＩ
Ｉ族窒化物、特に窒化ガリウム（ＧaＮ）、及び例えば窒化アルミニウムガリウ
ム（ＡlＧaＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩnＧaＮ）及び窒化アルミニウムイ
ンジウムガリウム（ＡlＩnＧaＮ）のような三元及び三元性（ternary and terti
ary）のＩＩＩ族窒化物が挙げられる。
【００１１】 より短波長のＬＥＤは、色に加えて多くの利点を提供する。特に、光学的記憶
及びメモリデバイス（例えば"CD-ROM"又は「光ディスク」）で用いるとき、それ
らのより短い波長により、前記記憶デバイスが相対的により多くの情報を保持す
ることが可能となる。例えば、青色光を用いて情報を貯蔵している光学デバイス
は、同じスペースにおいて、赤色光を用いる場合に比べて約４倍の情報を保持で
きる。
【００１２】 しかしながら、ＩＩＩ族窒化物は、それらの比較的高いバンドギャップ（すな
わち、ＧaＮは室温で３．３６ｅＶである）の故に、またそれらは間接バンドギ
ャップ材料というよりは直接バンドギャップ材料でもあるので、緑色、青色及び
ＵＶの周波数にとっては魅力的なＬＥＤ候補材料である。半導体特性に精通して
いる当業者には公知のように、直接バンドギャップ材料は、価電子帯から伝導帯
へと電子が遷移するときに、電子のために結晶運動量（crystal momentum）の変
化を必要としない材料である。間接半導体では別の状況が存在する；すなわち、
価電子帯と伝導帯との間の電子遷移には、結晶運動量の変化が必要である。珪素
および炭化珪素がこのような間接半導体の例である。
【００１３】 一般的に言えば、直接遷移から生じる光子は間接遷移から生じる光子に比べて
より多くのエネルギーを保持しているので、直接バンドギャップ材料で形成され
るＬＥＤは、間接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤに比べて、より効率的
に動作する。
【００１４】 しかしながら、ＩＩＩ族窒化物には異なる短所がある；すなわち、今日まで、
ＩＩＩ族窒化物光子デバイス用に適当な基板を形成できると考えられるＩＩＩ族
窒化物のバルク単結晶を製造するための任意の実行可能な技術が得られていない
。半導体デバイスに精通している当業者には公知のように、彼らのすべてが、い
くつかの種類の構造基板を必要としている。典型的には、デバイスの活性部分と
同じ材料から形成される基板は、特に結晶成長及び結晶整合においては有意な利
点を提供する。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物は依然としてバルク結晶で作らな
ければならないので、ＩＩＩ族窒化物光子デバイスは、異なる基板（すなわちＩ
ＩＩ族窒化物以外の他の材料）上にエピタキシャル層で形成しなければならない
。
【００１５】 しかしながら、異なる基板を用いると、主として結晶格子整合及び熱膨張率（
ＴＣＥ）の領域において更なる問題が生じる。殆どすべての場合において、異な
る材料は、異なる結晶格子パラメーター及びＴＣＥを有する。結果として、ＩＩ
Ｉ族窒化物エピタキシャル層を異なる基板上で成長させると、いくらかの結晶不
整合が起こり、得られるエピタキシャル層は、これらの不整合によって「歪んで
いる」又は「圧縮されている」と言われる。そのような不整合、及び不整合によ
って生じる歪みは、それらと共に、結晶の電子特性及び接合に影響を与え、而し
てそれに対応して光子デバイスの性能を劣化させるか又は妨害さえもする傾向が
ある結晶欠陥を引き起こす可能性がある。前記欠陥は、より大きな電力構造では
より更に問題となる。
【００１６】 ＩＩＩ族窒化物デバイスのための通常の基板は、これまではサファイア、すな
わち酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）であった。サファイアは可視及びＵＶ領域で
は典型的に透明であるが、残念なことに、導電性というよりは絶縁性であり、（
例えば）窒化ガリウムとの格子不整合は約１６％である。導電性基板が無い場合
、「縦型」デバイス（反対側においてコンタクトを有するデバイス）を形成する
ことができないので、当該デバイスの製造及び使用が複雑になる。
【００１７】 特有の短所として、水平構造（デバイスの同じ側にコンタクトを有するデバイ
ス）、例えばＩＩＩ族窒化物層がサファイア上に形成されるときに要求される水
平構造は、水平電流も生成するので、当該層を通る電流の密度は実質的に増加す
る。この水平電流は、既に歪んでいる（例えば、ＧaＮとサファイア間の１６％
の格子不整合）構造に対して追加の歪みを加え、接合とデバイス全体の崩壊を促
進する。
【００１８】 また窒化ガリウムも、窒化アルミニウム（ＡlＮ）とは約２．４％の格子不整
合及び炭化珪素とは３．５％の不整合を生じる。炭化珪素は窒化アルミニウムと
はいくぶん低い不整合（ほんの約１％）を有する。
【００１９】 発明の目的及び概要 而して、炭化珪素基板の利点と共に、窒化インジウムガリウムの発光特性を利
用する、改良された輝度を有する発光ダイオードを提供することは本発明の目的
である。
【００２０】 本発明は、電磁スペクトルの赤色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部分の光
を発光することができる縦型配向発光ダイオードによって上記目的を達成する。
当該発光ダイオードは、導電性炭化珪素基板、窒化インジウムガリウム量子井戸
、当該基板と当該量子井戸との間に導電性緩衝層、当該量子井戸の各表面上にあ
るそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層、及び縦型配向の当該デバイ
スに対するオーミックコンタクトを含む。
【００２１】 別の態様では、本発明は、ｎ型炭化珪素基板、当該基板上にある導電性緩衝層
、ｎ型である当該導電性緩衝層の上にある第一窒化ガリウム層、ドーピングされ
ていない当該第一窒化ガリウム層の上にある第二窒化ガリウム層、当該第二窒化
ガリウム層の上にある窒化インジウムガリウム量子井戸、ドーピングされていな
い当該量子井戸の上にある第三窒化ガリウム層、ドーピングされていない当該第
三窒化ガリウム層の上にある第一窒化アルミニウムガリウム層、当該第一窒化ア
ルミニウムガリウム層の上にあってｐ型である第二窒化アルミニウムガリウム層
、当該第二窒化アルミニウムガリウム層の上にあってｐ型である第四窒化ガリウ
ム層、当該基板に対するオーミックコンタクト、及び当該第四窒化ガリウム層に
対するオーミックコンタクトから形成される縦型発光ダイオードである。
【００２２】 詳細な説明及び添付の図面によって本発明の上記及び他の目的及び利点がより
明確になる。 詳細な説明 本発明は、電磁スペクトルの赤色部分、緑色部分、青色部分、紫色部分及び紫
外部分の光を放出することができる縦型発光ダイオードである。本明細書で用い
る「縦型」という用語は、デバイスに対するオーミックコンタクトを当該構造の
反対表面上に配置できる特徴を意味している。そのような配置によって、適当な
金属コンタクト及びワイヤリード（マイクロプロセッサー及びプリント回路にお
けるワイヤリードを含む）をより容易にデバイスに対して作ることができる。そ
れらとは対照的に、アノード及びカソードはデバイスの同じ表面上に配置しなけ
ればならない。図１は、番号１０で示してあるデバイスを図示しており、その最
も広い面では、当該デバイス１０は、導電性炭化珪素基板１１、窒化インジウム
ガリウム量子井戸１２、当該基板１１と量子井戸１２との間に導電性緩衝層１３
、当該量子井戸１２の各表面上にあるそれぞれドーピングされていない窒化ガリ
ウム層１４及び１５、及び縦型配向のオーミックコンタクト１６及び１７を含む
。
【００２３】 炭化珪素基板１１は、好ましくは３Ｃ型ポリタイプ，４Ｈ型ポリタイプ，６Ｈ
型ポリタイプ及び１５Ｒ型ポリタイプから選択され、最も好ましくは６Ｈ型ポリ
タイプである。当該基板は、最も好ましくは、共通に譲渡された（又はライセン
スされた）米国特許第Ｒｅ．３４，８６１（４，８６６，００５）号に記載され
ている成長技術にしたがって形成される。
【００２４】 導電性緩衝１３は、好ましくは、同時継続の及び共通に譲渡された係属中の国
際出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ９８／２１１６０（国際公開 Ｎｏ．ＷＯ９９／１８
６１７）"Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrate
s with Conductive Buffer Interlayer Structure."に記載されている構造を有
するように形成され、且つ前記国際出願に記載されている方法を取り入れている
。
【００２５】 上記したように、炭化珪素基板は、サファイアとよりも、ＩＩＩ族窒化物とよ
り良好な格子整合を形成する。更に、ＩＩＩ族窒化物は炭化珪素上で張力状態に
あって、サファイア上では圧縮状態にある。 当技術分野で用いられるとき、「
張力」という用語は、エピタキシャル層の熱膨張率が基板の熱膨張率に比べて大
きいという関係を指している。「圧縮」という用語は、エピタキシャル層の熱膨
張率が基板の熱膨張率に比べて低いという別の関係を指している。ＩＩＩ族窒化
物層と炭化珪素基板との間のように、格子定数の差（窒化物の格子定数は炭化珪
素の格子定数に比べて大きい）は圧縮に加えられるが、総張力は各熱膨張率によ
って支配される傾向がある。この点に関して、張力下に存在するエピ層の上にお
けるＩnＧaＮ成長に関する報告は殆ど無い。
【００２６】 電子構造に精通している当業者には公知のように、量子井戸は、典型的には、
極めて薄い活性層を有する半導体材料の１つの又はいくつもの薄層から形成され
る。特に、活性層の厚さがキャリヤーのドブロイ波長程度まで薄くなると、その
結果として得られるのは、有限井戸形（finite square well）の束縛状態エネル
ギー（bound state energies）を有する離散化したエネルギー準位の系列である
。Sze physics of Semiconductor Devices, 2d Ed. (1981) pp. 127 and 729 を
参照されたい。前記構造に精通している当業者によって認識されるように、単一
量子井戸又は多重量子井戸を用いると、所望の遷移における電子密度が増大する
ので、得られる発光の輝度が増加する。
【００２７】 更に詳しくは、炭化珪素基板１１はｎ型であり、典型的に珪素でドーピングさ
れた第一ｎ型窒化ガリウム層２０は、導電性緩衝層１３上にあって、上記した（
第二の）ドーピングされていない窒化ガリウム層１４に隣接している。
【００２８】 好ましい構造は、全体的に見ると第三窒化ガリウム層であるもう１つのドーピ
ングされていない窒化ガリウム層１５の上にドーピングされていない第一窒化ア
ルミニウムガリウム層２１も含む。ｐ型である（好ましくはマグネシウムでドー
ピングされた）第二窒化アルミニウムガリウム層２２は、第一アンドープト層２
１の上にある。全体的に見ると第四窒化ガリウム層であるｐ型窒化ガリウム層２
３は、デバイスを完成させ、好ましくはマグネシウムでドーピングされる。図１
に示してあるように、オーミックコンタクト１６は導電性炭化珪素基板に対して
作られ、別のオーミックコンタクト１７はｐ型窒化ガリウム層２３に対して作ら
れる。好ましい態様では、基板１１に対するオーミックコンタクト１６はニッケ
ルを含み、ｐ型窒化ガリウム層２３に対するオーミックコンタクト１７は白金（
Ｐt）から形成される。もちろん、コンタクトする層に関して適当なオーミック
特性を有し、且つ各層に対して適当な化学的及び物理的な結合を提供するという
条件付きで、オーミックコンタクト用に他の金属を用いることができる。
【００２９】 好ましい態様では、窒化インジウムガリウム量子井戸１２は、本質的にｎ型で
あり、単一量子井戸（ＳＱＷ）及び多重量子井戸（ＭＱＷ）を含むことができる
。
【００３０】 層のそれぞれは、本発明の全体構造において特有の利点を提供する。上記した
ように、ｎ型炭化珪素基板は、サファイアに比べてずっと高い熱伝導率を有し、
またサファイアと比べてＩＩＩ族窒化物とずっと良好な格子整合を提供し、更に
またその導電特性により、当該基板は縦型デバイスにとって理想的なものとなる
。
【００３１】 導電性緩衝層１３は、上記したＷＯ９９／１８６１７に記載された目的に役立
つ。その基礎的機能において、導電性緩衝層１３は、炭化珪素基板から窒化ガリ
ウム層２０及び１４への有利な結晶転移を提供し、その導電特性はデバイスの縦
型を補完し可能にする。
【００３２】 導電性緩衝層１３を伴う第一窒化ガリウム層２０は、約１．８ミクロンの全厚
を有する。導電性緩衝層１３及び窒化ガリウム層２０は、好ましくは、好ましい
環境において、約１０４０℃の温度、水素（Ｈ2）雰囲気下で成長させる。ｎ型
窒化ガリウム層２０は、炭化珪素基板１１と導電性緩衝層１３との間の界面から
生じる欠陥を最小にするのに、且つ全表面を平坦化するのに充分に厚くあるべき
である。層が薄すぎると、経験的にデバイスの波長の均一性が影響されると考え
られる。
【００３３】 好ましい態様において全体から見ると第二窒化ガリウム層であるドーピングさ
れていない窒化ガリウム層１４は、デバイスの輝度と発光の均一性を増大させる
ことが証明された。この事は、今日まで依然として経験的な結果であり、本出願
人は任意の特定の理論によって束縛されたくないが、ドーピングされていない窒
化ガリウム層１４（窒素雰囲気下で成長させた）は、水素をトラップ又は埋め込
む傾向があるので、窒素から分離しなければならないＩnＧaＮ量子井戸に対して
後になって影響を及ぼさないと考えられる。ドーピングされていない窒化ガリウ
ム層１４を用いると、後にＩnＧaＮ量子井戸を成長させるのと同じ窒素（Ｎ2）
雰囲気中で成長させるので、別の方法で必要とされると考えられるいかなる成長
停止も排除される。これらのタイプのデバイスの製造中に成長停止が予定される
とき、その停止前及び後に成長させる層の間の界面は劣化する傾向がある。
【００３４】 別法として、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、炭化珪素基板と
その上にあるＩＩＩ族窒化物層との間に蓄積された歪みを単純に解放することが
できる。上記したように、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、（水
素雰囲気下で成長させる窒化ガリウムのｎ型先行層２０とは対照的に）窒素雰囲
気下で、好ましくは約７５０℃ 〜 ８００℃の温度において、約２００オングス
トロームの全厚まで成長させる。
【００３５】 窒化インジウムガリウム量子井戸１２は、単一量子井戸及び多重量子井戸であ
ることができ、典型的には、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４と同じ
窒素雰囲気下で、約７５０℃ 〜 ８００℃の温度において、約２０ 〜 ３０オン
グストロームの厚さまで成長させる。もちろん、量子井戸は、デバイスの活性層
であり、所望の出力を発生する。機能的観点から見ると、量子井戸１２は、「シ
ュードモフィック（仮晶）」又は「準安定」であるべきであり、すなわち別の同
様な材料又は同じ材料のより厚い層において発生する傾向があると考えられる結
晶欠陥を防止するために充分に薄くあるべきである。
【００３６】 ＩＩＩ族窒化物に精通している当業者には公知のように、バンド構造及び而し
て量子井戸の放出は、三元化合物におけるインジウムの量に依存して異なる。例
えば、米国特許第５，６８４，３０９号の図１０及び図１１、及びカラム７の１
９−４２行目を参照されたい。それらは例示であり、この特性を限定するもので
はない。青色ＬＥＤに関してインジウムのモル分率は約３５％であり、緑色ＬＥ
Ｄに関してインジウムのモル分率はいくぶん高く、好ましくは約５０％ 〜 ５５
％である。而して、デバイスは、三元ＩnＧaＮ化合物におけるインジウムのモル
分率（又はモル％）を調節することによって特定の波長で発光するように設計で
きる。しかしながら、インジウムの分率が大きいと、当該モル分率が小さいとき
に比べてより不安定となる傾向があるので、この特性は、量子井戸（単数又は複
数）のための望ましい又は最適な組成を選択する場合に、典型的に考慮される。
【００３７】 第三窒化ガリウム層１５は、量子井戸１２に隣接しているもう１つのドーピン
グされていない窒化ガリウム層であり、結晶成長プロセス中に、水素又は高温に
晒されることからＩnＧaＮ量子井戸１２を保護するのに役立つ。上部のドーピン
グされていない窒化ガリウム層１５は、水素に対する曝露から量子井戸１２を保
護するために窒素雰囲気下で同様に成長させる。更に、窒化ガリウム層１５は、
高温に対する曝露からＩnＧaＮ量子井戸１２を保護する。ＩnＧaＮは約９５０℃
以上で分解することが認められている。
【００３８】 ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１は、ドーピングされ
たＡlＧaＮに比べて一般的に高い結晶品質を有し、また所望の温度に比べて高い
温度から又は水素に対する曝露から、ドーピングされていない窒化ガリウム層１
５と共にＩnＧaＮ量子井戸を保護するのに役立つ。ドーピングされていないＡl
ＧaＮ層２１は窒素雰囲気下で成長させる。
【００３９】 一般的に、水素雰囲気は、ＧaＮ及びＡlＧaＮのより高品質の層を生成するが
、ＩnＧaＮに悪影響を与える。而して、可能な限り、成長は水素雰囲気下で行い
、次に窒素雰囲気に変えて、ＩnＧaＮ量子井戸とその隣接層を上手く成長させる
。
【００４０】 ドーピングされていない窒化ガリウム層１５及びドーピングされていない窒化
アルミニウムガリウム層２１の双方とも比較的薄い。窒化ガリウム層１５は、２
０ 〜 ３０オングストローム程度の厚さであり、約７５０℃ 〜 ８００℃の温度
で成長させる。ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１は、３
０ 〜 ５０オングストローム程度の厚さであり、約８００℃ 〜 ８５０℃の温度
で成長させる。
【００４１】 ｐ型窒化アルミニウムガリウム層２１は、いくぶん厚く約２００オングストロ
ーム程度であり、約９００℃超の温度で水素雰囲気下で成長させる。それによっ
て、全構造に対して高品質の結晶層が提供され、また量子井戸の中に注入されて
所望の発光を発生させる正孔が提供される。最後に、ｐ型窒化ガリウムコンタク
ト層２３は、オーミックコンタクト１７のための更に都合の良い材料を提供する
。これらの材料に精通している当業者には公知のように、窒化アルミニウムガリ
ウムに対して適当なオーミックコンタクトを作ることは少なくとも困難であり、
多くの場合不可能である。
【００４２】 様々な層のための成長ガスは直進させる。シラン（ＳiＨ4）、トリメチルガリ
ウム((ＣＨ3)3Ｇa)及びアンモニア（ＮＨ3）を用いてｎ型窒化ガリウム層２０を
形成する。所望ならば、トリメチルガリウムの代わりにトリエチルガリウム（Ｃ 2 Ｈ5）3Ｇa）を用いることができる。同様に、ソースガスとしてトリメチルイン
ジウム（(ＣＨ3)3Ｉn）又はトリメチルアルミニウム（(ＣＨ3)3Ａl）を用いて、
インジウム及びアルミニウムを提供する。同様に、アンモニアは、各層のための
窒素を供給する好ましいソースガスである。
【００４３】 上記したように、好ましい態様では、導電性緩衝層１３及び第一ＧaＮ層２０
は、それらの成長を容易にし、またそれらの所望の特性が得られる水素雰囲気下
で成長させる。Ｈ2下でのこの成長は、図１の矢印２５で示してある。次に、第
二ＧaＮ層１４、ＩnＧaＮ量子井戸１２、第三ＧaＮ層１５、及び第一ＡlＧaＮ層
２１を、窒素雰囲気下で、好ましくは成長を停止させずに成長させる。最後に、
第二ＡlＧaＮ層２２及び第四ＧaＮ層２３を、好ましくは成長を停止させずに水
素雰囲気下で成長させる。この方法では、水素雰囲気から窒素雰囲気への切り替
えがドーピングされていないＧaＮ層１４で起こり、また窒素から水素へと戻す
対応する切り替えは、ドーピングされていないＡlＧaＮ層２１の後で起こるので
、ＩnＧaＮ量子井戸１２ならびに当該井戸に隣接している層は、成長を停止せず
にすべて成長する。結晶成長技術、特にＣＶＤエピタキシャル成長技術に精通し
ている当業者には公知のように、連続成長ブロセスは、停止を含む成長プロセス
に比べて、エピタキシャル層の間に著しく良好な界面を生成する傾向がある。こ
の方法では、本発明にしたがうＬＥＤの構造は、成長技術を向上させ、また連続
成長技術はＬＥＤの得られる特性を向上させる。
【００４４】 好ましい態様では、炭化珪素基板１１は「バック注入（back implanted）」さ
れる。背景として、ＬＥＤにおいて、約６Ｅ１７ 〜 ２Ｅ１８で典型的にドーピ
ングされるｎ型炭化珪素上にオーミックコンタクトを得るために９３０℃（少な
くとも）の温度が必要である。前記温度は、一般的に、窒化ガリウムに悪影響を
及ぼさないが、窒化インジウムガリウム量子井戸１２を劣化又は破壊する傾向が
ある。而して、より低い温度で、炭化珪素に対する良好なオーミックコンタクト
を得るために、炭化珪素基板１１の裏面を高度にドーピングする。同様に、８０
０℃程度の温度（希望は７５０℃程度の温度）で、適当なオーミックコンタクト
を形成させ得る技術も得ることができる。
【００４５】 好ましくは、イオン注入することによって、炭化珪素基板１１の高度にドーピ
ングされた裏面をドーピングするが、他の技術、例えばレーザーアニール又は（
多くの状況下では非実用的である）薄いエピタキシャル層でさえも用いることが
できると考えられる。限定というよりは例として、炭化珪素基板１１は、通常、
約１．２Ｅ１８（１．２ ｘ １０18ｃｍ-3）でドーピングされ、注入された部分
は約１Ｅ２０（１ ｘ １０20ｃｍ-3）の濃度に達する。
【００４６】 而して、別の面では、本発明は、本発明の縦型発光ダイオードを製造する方法
を含む。この面では、本発明は、ｎ型炭化珪素基板上に水素雰囲気下で導電性緩
衝層及びｎ型窒化ガリウム層を連続して成長させる工程を含む。その後、ドーピ
ングされていない窒化ガリウムの薄層、窒化インジウムガリウム量子井戸、ドー
ピングされていない窒化ガリウムの第二薄層、及びドーピングされていない窒化
アルミニウムガリウムの薄層から成る連続層を窒素雰囲気下で成長させる。当該
技術は、その後に、ｐ型窒化アルミニウムガリウム層及びｐ型窒化ガリウム層を
水素雰囲気下で連続成長させることによって完了する。次に、まさに説明した方
法で、すなわち好ましくはイオン注入によってオーミックコンタクトが加えられ
る部分において炭化珪素基板のドーピングを増加させる工程を含む好ましい態様
により、オーミックコンタクトをｐ型窒化ガリウム層に対して及び炭化珪素基板
に対して加えることができる。ソースガスは上記のものである。
【００４７】 ソースガスによって示したように、これらの層を成長させる好ましい技術は化
学的気相堆積（ＣＶＤ）法である。前記技術は当業では極めて良く理解されてい
る。にもかかわらず、ＣＶＤの性質及び個々のＣＶＤ装置の性質は、すなわち個
々のガス流量、温度、反応器圧、時間、及び他のプロセスパラメーターは、一般
的に、特定の装置及び状況に基づいて決定しなければならない。各層の厚さ及び
好ましい成長温度範囲を含む本明細書で説明している層の組成を与えると、当業
者は、不必要な実験をせずに、開示されたプロセス及び得られた構造を再現でき
る。
【００４８】 図２から図６は、本発明にしたがって設計され製造されたダイオードの実証さ
れた利点のいくつかを示している。図２は、本発明にしたがうＬＥＤの量子効率
がサファイア基板上に形成されたいくつもの他のＬＥＤと少なくとも同じ程度に
良好であることを示している。更に、縦型デバイスは、等価なサファイアベース
のデバイスに比べてずっと小さいチップを提供し、しかも同じ出力を発生する。
例えば、本明細書で比較のために評価されたサファイアベースのデバイスは（例
えば、図２，図３及び図４）、１４ミル ｘ １４ミル（１９６平方ミル）であり
、本発明にしたがう（そして同じ明るさを与える）デバイスは１０ミル ｘ １０
ミル（１００平方ミル）である；すなわち、サファイアベースのデバイスと比較
してほんの５７％の大きさである。
【００４９】 図３は、本発明にしたがうＬＥＤが、サファイア上に形成されたデバイスに比
べて、順電流の範囲において、よりばらつきの無い色を保つことを示している。
図３に示されているように、サファイアベースのＬＥＤは、低い順電流では スペクトルの黄色部分又は黄色部分近傍の色を発光する傾向があり（例えば、２
ミリアンペアで５４４ｎｍ）、本発明にしたがうＬＥＤは緑色領域のままである
る（例えば、２ミリアンペアで５３１ｎｍ）。
【００５０】 図４からは、本発明にしたがうSiCベースのＬＥＤが、所望の波長で、より狭
い発光（純粋な色）を示すことが分かる；すなわち、各測定波長において、SiC
ベースのＬＥＤの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、サファイアベースのダイオードのそ
れに比べて少なくとも約５ｎｍ低いことが分かる。
【００５１】 図５及び図６からは、本発明にしたがう緑色（５２５ｎｍ）及び青色（４７０
ｎｍ）ＬＥＤは、順方向バイアス電圧下で優れた電流特性を示すことが分かる。 使用する場合、本発明のダイオードを用いて、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青
色ＬＥＤを組込んでいるピクセル及びディスプレイの両方を提供することができ
る。
【００５２】 図面及び明細書において、本発明の典型的な態様を開示した。特定の用語を用
いたが、それらは、一般的且つ説明的な意味でのみ用いたのであって、発明を限
定することを目的としてはいない。本発明の範囲は、上記の請求の範囲に記載さ
れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にしたがう発光ダイオードの横断面図である。
【図２】 本発明にしたがうダイオードの量子効率と従来のデバイスの量子効率との比較
プロットである。
【図３】 順電流に対する主波長のプロットであり、本発明の発光ダイオードと、サファ
イア基板上に形成された発光ダイオードとを比較している。
【図４】 波長に対する半値全幅のプロットであり、本発明にしたがうダイオードと、サ
ファイア上に形成されたダイオードとを比較している。
【図５】 本発明にしたがう２種類のダイオードの電流電圧特性に関するプロットである
。
【図６】 本発明にしたがう２種類のダイオードの電流電圧特性に関するプロットである
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ， ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｓ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ， ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，Ｔ Ｔ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 エドモンド，ジョン・アダム アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 27511，ケアリー，ウエスト・ジュール ズ・ヴァーン・ウェイ 206 (72)発明者 コング，フア−シュアン アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 27606，ローリ，ベックスヒル・ドライブ 10840 (72)発明者 ディーリンガー，ハイジ・マリー アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 27502，アペックス，アイアン・ヒル・ド ライブ 100 (72)発明者 スレイター，デーヴィッド・ビー，ジュニ アー アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 27613，ローリ，ジャーラット・コーヴ 6304 Ｆターム(参考） 5F041 AA12 CA05 CA12 CA34 CA40 CA65 FF01 FF11 5F045 AA04 AB14 AB17 AC01 AC08 AC09 AC12 AD11 AD12 AD13 AF02 AF13 CA10 DA53 DA55 DA62 HA05

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導電性炭化珪素基板； ＩnＧaＮ量子井戸； 当該基板と当該量子井戸との間に導電性緩衝層；及び 当該量子井戸の各表面上にそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層；
    及び 縦型配向のオーミックコンタクト を含む、電磁スペクトルの赤色部分、緑色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部
    分の光を発光することができる縦型発光ダイオード。
  2. 【請求項２】 当該緩衝層と当該ドーピングされていない窒化ガリウム層と
    の間に、ドーピングされた窒化ガリウム層を更に含む請求項１記載の縦型発光ダ
    イオード。
  3. 【請求項３】 当該基板及び当該緩衝から反対側にある、当該量子井戸上の
    当該ドーピングされていない窒化ガリウム層の表面上にあるドーピングされてい
    ない窒化アルミニウムガリウム層；及び 当該ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層の上にあるドーピン
    グされた窒化アルミニウムガリウム層 を更に含む請求項２記載の縦型発光ダイオード。
  4. 【請求項４】 当該ドーピングされた窒化アルミニウムガリウム層の上にあ
    るドーピングされた窒化ガリウム層を更に含む請求項３記載の縦型発光ダイオー
    ド。
  5. 【請求項５】 当該基板、当該緩衝層、及び当該緩衝層に隣接している当該
    窒化ガリウム層が、すべてｎ型であって；且つ 当該ドーピングされた窒化アルミニウムガリウム層及びその上にあるドーピン
    グされた窒化ガリウム層が、ｐ型である 請求項４記載の縦型発光ダイオード。
  6. 【請求項６】 ｎ型炭化珪素基板； 当該基板の上にあるｎ型導電性緩衝層； ｎ型である、当該導電性緩衝層の上にある第一窒化ガリウム層； ドーピングされていない、当該第一窒化ガリウム層の上にある第二窒化ガリウ
    ム層； 当該第二窒化ガリウム層の上にある窒化インジウムガリウム量子井戸； ドーピングされていない、当該量子井戸の上にある第三窒化ガリウム層； ドーピングされていない、当該第三窒化ガリウム層の上にある第一窒化アルミ
    ニウムガリウム層； 当該第一窒化アルミニウムガリウム層の上にあって、ｐ型である窒化アルミニ
    ウムガリウム層の第二の層； 当該第二窒化アルミニウムガリウム層の上にあって、ｐ型である第四窒化ガリ
    ウム層； 当該基板に対するオーミックコンタクト；及び 当該窒化ガリウム層に対するオーミックコンタクト を含む、電磁スペクトルの赤色部分、緑色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部
    分の光を発光することができる縦型発光ダイオード。
  7. 【請求項７】 当該基板に対する当該オーミックコンタクトがニッケルを含
    み、当該ｐ型窒化ガリウム層に対する当該オーミックコンタクトが白金である請
    求項６記載の縦型発光ダイオード。
  8. 【請求項８】 当該導電性緩衝層が、ｎ型窒化アルミニウムガリウムである
    請求項６記載の縦型発光ダイオード。
  9. 【請求項９】 当該量子井戸が、本質的にｎ型である請求項６記載の縦型発
    光ダイオード。
  10. 【請求項１０】 当該量子井戸が、多重量子井戸である請求項１又は請求項
    ６記載の縦型発光ダイオード。
  11. 【請求項１１】 当該第一窒化ガリウム層を、珪素でドーピングする請求項
    ６記載の縦型発光ダイオード。
  12. 【請求項１２】 当該第四窒化ガリウム層及び当該第二窒化アルミニウムガ
    リウム層を、マグネシウムでドーピングする請求項６記載の縦型発光ダイオード
    。
  13. 【請求項１３】 請求項１又は請求項６記載の発光ダイオードを含むピクセ
    ル。
  14. 【請求項１４】 請求項１３にしたがう複数のピクセルを含むディスプレイ
    。
  15. 【請求項１５】 炭化珪素基板；及び 窒化インジウムガリウム量子井戸から形成される活性層； を含み： （１）ピーク発光４７０ナノメートルで半値全幅２５ナノメートル以下、 （２）ピーク発光５０５ナノメートルで半値全幅２９ナノメートル以下、及び （３）ピーク発光５２５ナノメートルで半値全幅３５ナノメートル以下 から成る群より選択されるピーク発光と半値全幅との組合せを特徴とする発光ダ
    イオード。
  16. 【請求項１６】 炭化珪素基板；及び 窒化インジウムガリウム量子井戸から形成される活性層； を含み： （１）順電流２ミリアンペアにおいて主波長５３１ナノメートル、 （２）順電流５ミリアンペアにおいて主波長５２９ナノメートル、 （３）順電流１０ミリアンペアにおいて主波長５２７ナノメートル、 （４）順電流２０ミリアンペアにおいて主波長５２５ナノメートル、及び （５）順電流３０ミリアンペアにおいて主波長５２３ナノメートル から成る群より選択される順電流と主波長との組合せを特徴とする発光ダイオー
    ド。
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