JP2009010422A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】紫外線周波数を生成し、蛍光燐光体を用いるデバイスを包む関連デバイス中に組み込んで白色光を生成できる発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第１のＧａＮ層２５と、該層の上にあり、ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択された交互層の複数の繰返しセットから形成されている超格子２７と、該超格子上にあり、第１のＧａＮ層と同じ導電型を有する第２のＧａＮ層３０と、該第２のＧａＮ層上にある多重量子井戸３１と、該多重量子井戸上にある第３のＧａＮ層３２と、該層上にあり、基板２１及び第１のＧａＮ層２５とは反対の導電型を有している接触構造と、垂直配向の発光ダイオードに対するオーミックコンタクト３６とを含む。
【選択図】図２

Description

本出願は、「紫外線発光ダイオード（Ultraviolet Light Emitting Diode）」という名称で２００１年６月１５日に出願された仮特許出願第６０／２９８，８３５号の優先権を主張する。本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）に関するものであり、特に電磁スペクトルの紫外（ＵＶ）部分で発光するＩＩＩ族窒化物から形成された発光ダイオードに関するものである。本出願は、以下の同時係属出願：すなわち、「多重量子井戸発光ダイオード構造（Multi-Quantum Well Light Emitting Diode Structure）」という名称で２００１年５月３０日に出願された第６０／２９４，４４５号、「多重量子井戸と超格子構造とを有する発光ダイオード構造（Light Emitting Diode Structure with Multi-Quantum Well and Superlattice Structure）」という名称で２００１年５月３０日に出願された第６０／２９４，３０８号、及び「ガリウム無含有層を有するＩＩＩ族窒化物発光デバイス（Group III Nitride Light Emitting Devices with Gallium-Free Layers）」という名称で２０００年１１月３日に出願された第０９／７０６，０５７号と関連があり、そのそれぞれの内容は本明細書に完全に引用したものとする。
本発明は、発光ダイオードに関するものである。当業者には充分に理解されるように、そのほとんど基本的な形態では、発光ダイオードは、少なくとも１つのｐ−ｎ接合（ダイオード）を含み、且つ電流がデバイスを流れる（導入される）ときに、特有な色の光（光子）を放射する１種類以上の半導体材料から作製される。
発光ダイオードは半導体材料から作製されるので、発光ダイオードとは、「固体」デバイスの一群、すなわち、固体組成物で形成され、且つ例えば真空管のような極めて初期世代の電子装置を特徴付けるガス又は真空の中を通る電子の流れを用いずに動作する電気的又は電子的なデバイスを意味している。ますます増加する多くの電子用途では、固体デバイスは、比較的低コスト、高信頼性、小サイズ、軽量、及び派生的な利点を有することから、圧倒的に好まれている。
特に、発光ダイオードは、すべてのタイプのデバイスにおいて、ほとんど至る所で用いられている。近年、可視スペクトルの青色部分を放射する発光ダイオードの利用可能性により、発光ダイオードの利用可能用途が再び拡大している。青色光を提供することに加えて、適当な波長（約４５５〜４９２ナノメートル）を有する青色ＬＥＤｓを、他の三原色（一般的に青に比べて更に広範に利用できる赤色及び緑色）のＬＥＤｓと結合させて、多くの目的のための可視カラーの多数の組合せを作ることができる。実際、発光ダイオードにおけるすべての三原色の利用可能性により、白色光（すなわち、すべての三原色の組合せ）の固体状態での生成の可能性が開かれた。そのようなデバイスは、消費者市場及び他の商業領域において市販数が増加している。
当業者には更に理解されるように、ＬＥＤによって生成される色は、多くのファクターに基づいているが、補償ドーピングスキーム（compensated doping schemes）を含む様々なドーピングスキームと使用され、しばしば組合される半導体材料のバンドギャップに主として左右される。しかしながら、半導体材料のフルバンドギャップは、光子を生成できるエネルギー遷移における制限ファクターであるので、用いられる半導体材料は基本的なファクターである。而して、バンドギャップが小さい材料では、可視スペクトルのより高いエネルギー（青色及び紫色）部分に相当する充分なエネルギー（対応する波長及び周波数）を有する光子を生成させることができない。特に、青色光子を生成させるためには、材料は、（例えば、４９２ｎｍ光子のためには）少なくとも２．５ｅＶのバンドギャップを有していなければならず、その基準を満たすのはほんの比較的少数の半導体材料にすぎない。そのような材料としては、ＩＩＩ族窒化物、炭化珪素（ＳｉＣ）、及びダイヤモンドが挙げられる。
青色ＬＥＤｓでは炭化珪素ベースのデバイスに多くの関心が集まり成果も得られたが、間接発光体（indirect emitter）ではなく直接発光体としての特徴により、最近ではＩＩＩ族窒化物により多くの関心が集まっている。簡単に言えば、直接発光体は、バンドギャップ遷移のエネルギーのすべてを含んでいる光子を生成させるが、間接発光体は、光子として遷移エネルギーのいくらかを放射し、且つ振動エネルギー（音子）としても遷移エネルギーのいくらかを放出する。而して、ＬＥＤでは、直接遷移は、間接遷移に比べてより効率が良い。更に、ＩＩＩ族窒化物材料のバンドギャップは、該窒化物の原子組成によって、いくぶん調整することができる。而して、青色発光ダイオードは、一般的に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化インジウム、及びそれらの材料の様々な三元バージョン及び四元バージョンを組合せて作製される。特に、窒化インジウムガリウムは、そのバンドギャップを、存在するインジウムの量を調節することによって調整できるので、魅力的な候補である。
青色ＬＥＤはＬＥＤの用途範囲を広げたが、青色ＬＥＤの使用は、他のより世俗的な理由によって、白色光を生成させる場合にはある程度制限されることがある。例えば、赤色・緑色・青色を組合せて白色光を生成させるために、ランプ又はピクセルは、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤを含有していなければならない。更に、３つのＬＥＤｓを収容し且つ動作させるために必要な回路及び物理的配置を作製することは、３つのＬＥＤｓをデバイス中に組み込むときには、単色ＬＥＤｓに比べて更に複雑である。
而して、最近の関心は、蛍光材料及び燐光材料と共に単色ＬＥＤｓを用いて、単一ＬＥＤｓから所望の色を生成させることに集まっている。多くの材料は、可視スペクトルの光に対して蛍光又は燐光で応答するので、可視ＬＥＤｓに応答するが、スペクトルの紫外部分におけるより高エネルギーの光子には更に良く応答する傾向がある。また、ある種の可視ＬＥＤ−蛍光燐光体の組合せには特有の短所が認められる。例えば、青色ＬＥＤからの比較的高いエネルギー光子は、多くの材料において燐光（白色光の燐光を含む）を生起させる。しかしながら、青色ＬＥＤは燐光を誘発させるので、その光は、所定の用途では望ましくないかもしれない青色成分を常に有する傾向がある。
而して、蛍光照明又は燐光照明のための励起光源として紫外（ＵＶ）ＬＥＤｓを使用することに大きな関心が集まっている。理論では、適当な波長放射及び周波数放射を生起させる単一ＵＶＬＥＤは、補色蛍光燐光体（complementary phosphor）から、適当な白色光放射を生起させることができる。換言すれば、蛍光燐光体を組み込むことによって、単一ＵＶ ＬＥＤは、分離した赤色ＬＥＤｓ、緑色ＬＥＤｓ及び青色ＬＥＤｓを必要とするのと同じ白色光を生起させることができる。その例としては、液晶ディスプレーデバイスのための、例えば携帯電話のディスプレーのためのバックライトとしての可能性が挙げられる。更に、単一ＬＥＤｓからの白色光の生成は、室内照明及び屋外照明を含む多くの用途で利点を提供する。而して、スペクトルのＵＶ部分において、効率的且つ満足の行く様式で放射できる発光ダイオードを製造し改良することは望ましい目的である。
本発明の目的は、電磁スペクトルの紫外部分における周波数を生成させることができ、且つＬＥＤと一緒に蛍光燐光体を用いるデバイスを包む関連デバイス及び関連装置の中に組み込んで白色光を生成できる発光ダイオードを提供することにある。
本発明は、電磁スペクトルのＵＶ部分において放射する発光ダイオードによって、上記目的を達成する。
別の面では、本発明は、ＬＥＤと適当な蛍光燐光体とを組合せて、白色光を放射するデバイスを製造することである。
更に別の面では、本発明は、ＵＶ発光ダイオードを製造する方法である。
本発明の上記及び他の目的及び利点と、同じことが達成される方法は、添付の図面と詳細な説明とに基づいて明らかになるであろう。
図１は、従来技術における単純な従来のＬＥＤに関する概略横断面図である。ＬＥＤ１０は、基板１１と、ｐ−ｎ接合を形成するｎ型及びｐ型エピタキシャル層１２及び１３それぞれとから形成されている。オーミックコンタクト１４及び１５は、基板１１が導電性である状態でデバイスを完成させている。一般的に同様な構造を有する炭化珪素で形成された青色ＬＥＤの例は、本発明と一緒に同一の譲受人に譲渡されている米国特許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。炭化珪素を用いるデバイスでは、基板１１は、典型的には、第一エピタキシャル層１２と同じｎ型である。上部エピタキシャル層１３はｐ型である。上記特許及び多くの他の特許に記載されているように、基板としての炭化珪素の利点の一つは、導電性にドープして、図１に示してあるデバイスの縦型配向を可能にすることができる点である。当業において使用される場合、「縦型」という用語は、例えばサファイアのような非導電性基板を組み込んでいるＬＥＤのような側方ではなく、末端から末端へとデバイス中を電流が流れることができるように、オーミックコンタクト１４及び１５が、デバイスの反対側の末端に配置されていることを示している。最も単純な運転では、電流がＬＥＤ１０を通過するとき、層１２及び１３からのホール及び電子が結合して、光子の形態でエネルギーを放出する。デバイスのバンドギャップ又は他の面（例えば、補償ドーピング）によって固有のエネルギー分離が規定される場合、光子は、電磁スペクトルの可視部分に存在するので、可視光を形成する。もちろん、同じ様式において、エネルギー遷移が小さいと、スペクトルの赤外部分に相当する低いエネルギーの光子が生成され、またエネルギー遷移が大きいと、スペクトルの青色部分、紫色部分、及び紫外部分に相当する高いエネルギーの光子が生成される。
図２は、横断面で切り取った本発明が図示されており、一般的に２０とする。概観すれば、デバイス２０は、炭化珪素基板２１上に形成される。好ましい態様では、基板２１は、６Ｈ又は４ＨポリタイプのＳｉＣから形成され、４Ｈは、そのより良好な電気的特性及びＵＶに対する透明性の故に最も好ましい。それに対して、６Ｈポリタイプは、スペクトルのＵＶ領域を吸収する傾向がある。
基板２１は、炭化珪素基板２１と、その格子定数及びデバイスの他の残りの部分の格子定数との間に、結晶転移及び電子遷移を提供する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）バッファ層２２を支持している。本明細書で使用する場合、式ＡｌＧａＮは、より完全な式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧Ｘ≧０）を示している。バッファ構造及び組成物の例は、その内容を本明細書に完全に引用したものとする米国特許第５，３９３，９９３号及び第５，５２３，５８９号に記載されている。表１は、バッファ層２２及び図２に示してある残りの層に関する好ましい厚さの範囲を示している。バッファ層２２は、本発明の好ましい態様の素子を形成しているが、任意の素子である。
また、図２は、バッファ層２２が、炭化珪素基板の表面上に複数の窒化ガリウムドット２３（ドット２３はＡｌＧａＮキャップ２４で隠蔽されている）も含んでいることも示している。而して、バッファ層２２は、ドット２３及びそれらのキャップ２４上に存在しているものとして記述することもできる。同様に、窒化ガリウムドット２３及びＡｌＧａＮキャップ２４は、必須の素子ではないが、本発明の好ましい態様の素子を形成する。
次の層は、ｎ型の珪素でドープされている窒化ガリウム（ＧａＮ）層２５であるので、好ましいｎ型炭化珪素基板に適合しており、且つデバイス２０の全体的な縦型配向を可能にしている。窒化ガリウム層２５は、長方形２６によって概略示されている窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の不連続層も含む。長方形は概略的に示してあるものであり、その層は、不連続であって、特定の幾何学的形状に限定されない。而して、ＧａＮ層２５は、バッファ層２２及び不連続（Ｓｉ３Ｎ４）層２６の両方の上に存在しているものとして記述することもできる。
図２には、ＡｌＧａＮバッファ層２２の上面上に存在している窒化珪素層２６が図示してあるが、この位置は、好ましく且つ例示であって、本発明を限定するものではない。より広い意味で、窒化珪素層２６は、活性層よりも下にあり、且つＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層でキャップされていて、欠陥を低減させる働きをすべきである。
窒化珪素層２６は、ＳｉＣ基板２１で発生する傾向がある結晶中における転位の伝搬を低減させるように機能する。前記の転位は、ＩＩＩ族窒化物層中を伝搬する傾向はあるが、転位の再現が妨げられるのでＳｉ３Ｎ４部分（エピタキシャル横方向オーバーグロース）は伝搬しない。実際に、Ｓｉ３Ｎ４層２６は欠陥密度を減少させることができる。而して、窒化珪素層は本発明の必須の素子ではないが、好ましい態様の素子を形成する。
デバイスの次なる部分は、図２において広範に２７で示してある超格子（図３で更に詳細に考察する）及び超格子２７上にあるｎ型ドープト窒化ガリウム層３０である。この層は、多重量子井戸（“ＭＱＷ”）３１（図４）の方への適当な遷移を提供する。好ましい態様では、層３０は、ドープト部分及びアンドープト部分の両方を含む。ドープト部分は、ｎ型であり、厚さは約２５０オングストローム（表１を参照されたい）であって、超格子２７に直接隣接している。アンドープト部分は、厚さ約３５オングストロームであり、好ましくはＭＱＷ３１に接している。層３0のこの部分がドーピングされないように防止することは、ＭＱＷの第一周期のＩｎＧａＮ部分を望ましくないドーピングから保護するのに役立つ。
多重量子井戸３１は、好ましい態様ではアンドープされているが、マグネシウムでｐ型ドープすることができ又は珪素でｎ型ドープすることができる別の窒化ガリウム層３２でキャップされる。次の層は、同様にアンドープされている窒化アルミニウムガリウム層３３であり、更に次の層は、ｐ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧ｘ≧０）層３４及びｐ型ＧａＮ接触層３５である。ｐ型接触層３５に対してオーミックコンタクト３６及び基板２１に対してｐ型接触層３７をそれぞれ配置してデバイスを完成させる。接触層３５は、好ましくは、ＧａＮから形成される。なぜならば、ＧａＮは、ＡｌＧａＮに比べてより良好なオーミックコンタクトを提供するが、ＩｎＧａＮに比べて形成し難いからであり、またＧａＮは、ｐ型接触層３５のために最良の理論的特性を有するからである。好ましいＧａＮコンタクトは、ＧａＮに対するコンタクトを制限しない。適当なＩｎＧａＮ又は超格子層も接触層として用いることができる。
図３は、超格子構造２７の拡大図である。好ましい態様では、超格子２７は、それぞれ窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）４０と窒化ガリウム層４１の交互層の複数の繰返しセット（「周期」）から形成される。他の態様では、交互層は、両方ともに、インジウムとガリウムの異なるモル分率の組合せを有するＩｎＧａＮであることができる。更に別の態様では、交互層は、アルミニウム、ガリウム及びインジウムの異なるモル分率を有するＡｌＧａＮであることができる。図３には、超格子２７の３つの周期が図示してあり、好ましい態様では、デバイスは、そのような周期を５０以下含むことができる。好ましい態様では、ＩｎＧａＮ層４０は約１０オングストロームの厚さであり、窒化ガリウム層は約２０オングストロームの厚さである。両方の層は、珪素でｎ型ドープされている。
超格子２７によって提供される利点は、理論的に理解されるものではなく、ある程度までは経験的に観察されるものである。而して、出願人は、超格子に関するいかなる特定の理論とも結び付けて考えたくはないが、得られた発光ダイオードは、超格子２７を含んでいるときには、改良された性能、特に改良された輝度を示すことが測定された。少なくとも一面では、超格子は、応力解放を提供し、且つデバイスの窒化ガリウム部分と多重量子井戸３１における窒化インジウムガリウム層との間の格子定数差を埋めるのに役立つことが認められる。また、超格子２７は、有効キャリア濃度を増加させ、デバイスに必要とされる電圧を低下させるので、デバイスの光学的特性及び効率の両方が向上する。
図４は、図２に示してある多重量子井戸３１に関する更に詳細な拡大された概略横断面図である。超格子２７の場合のように、多重量子井戸は、図４ではそれぞれ４２と示してあるアンドープト窒化インジウムガリウム層と、それぞれ４３と示してある窒化ガリウム層とから形成される基本構造の多くの繰返しを含む。窒化インジウムガリウム部分４２はアンドープされており、デバイス中に存在する材料のすべての中でバンドギャップが最も小さく、キャリア密度が最も高い量子井戸を形成する。発明者は特定の理論に結び付けたくないが、アンドープトＩｎＧａＮは、ドープトＩｎＧａＮに比べてより高品質な傾向を有すると考えられる（すべての他のファクターは等しい）。而して、アンドープトＩｎＧａＮは、本発明の現在のところの好ましい態様であるが、絶対的な制限ではない。
更に、ＧａＮとＩｎＧａＮとから形成される周期は、好ましく且つ例示の態様であるが、広い意味では、交互層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮと交互に配置される又は四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、Ｘ＋Ｙ＜１）と交互に配置されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧Ｘ≧０及び１≧Ｙ≧０）と表すことができると理解される。そのような場合では、Ｘ及びＹの値は、量子井戸４２が層４３に比べて小さいバンドギャップを確実に有するように選択される。
好ましい態様では、窒化ガリウム層４３のそれぞれは、３つの各部分から形成される。第一部分４３Ａは、意図的にドープしない。第二部分４３Ｂは、珪素でｎ型ドープする。第三部分４３Ｃは、意図的にドープしない。層４３Ａ及び４３Ｃの目的は、アンドープト窒化インジウムガリウム井戸層４２に直接隣接しているアンドープト領域を提供することにある。多重量子井戸の構造及び目的は、一般的に当業において充分に理解されているが、量子井戸を含む目的は、図５の部分的バンドギャップ図によってある程度で説明される。図５では、一連の矢印は、量子井戸を通るキャリア（図５ではホール）の流れを示している。キャリアが各井戸に達すると、注入される数の一部が各井戸に集められるが、一部は集められない。而して、キャリアの初期数は、図５の最大矢印４４で図示され、窒化インジウムガリウム層４２によって形成される第一量子井戸を通過する。第一量子井戸４２で集められないキャリアは、いくぶん短い矢印４５（図５の配向において、右から左へと移動している）で示してある。更に再び、次の量子井戸の後でより少ない数のキャリアが残る。そのより少ない量のキャリアは矢印４６で示してある。最終的に、最後の量子井戸の後にはキャリアの数は最も少数となり、その状態は矢印４７で示してある。
いくつかの場合では、単一量子井戸は、有利であり、且つ光が生成される本発明の活性層を形成できる。しかしながら、単一量子井戸ではなく複数の量子井戸４２を用いると、できる限り多くの利用可能なキャリアを集め且つ有効に使用するのに役立つので、同じ材料から成る単一層構造に比して、デバイスの効率が増大する。しかしながら、いくつかの点では、キャリアのほとんどが集められた後では、追加の井戸によって効率の比例増加は提供されない。更に、窒化インジウムガリウムは、窒化ガリウムに比べて歪結晶構造であり、たとえその層が比較的薄くても、多重量子井戸における歪は累積する。而して、量子井戸の数は、一般的に、効率が増大するのに充分であるように選択されるが、その数を下回ると、歪は有害となり、効率の増大は、最小又は無くなってしまうと考えられる。現在、３周期井戸、５周期井戸及び７周期井戸を用いて、満足の行くデバイスが作製されてきた。当業者は、発明の範囲又は請求の範囲から逸脱せずに、前記したものとは別の周期数を選択できる。
図６及び図７は、量子井戸の放射波長と、（１）量子井戸におけるインジウムの含有率（図６）又は（２）量子井戸の厚さ（図７）との関係を示している概略図である。窒化インジウムガリウムに精通している者には公知であるように、この三元材料のバンドギャップは、結晶中のインジウムの量を変化させることによって調整できる。それに関して、当業では充分理解されているように、窒化インジウムガリウムは、ＩｎｘＧａｘ−１Ｎ（式中、１＞Ｘ＞０である）という式で最も良く表される。
図６に示してあるように、固定された厚さの量子井戸では、インジウムの量（モル％）が増すと、波長が増大する傾向があるので、デバイスによって放射される光子の周波数が低下する。インジウムの分率が低下すればするほど、デバイスは、所望のＵＶ範囲において、より波長が短くて、より周波数が高い光子を放射する。而して、本発明の好ましい態様では、Ｘは約０．１５であって；すなわちＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎである。
図７には、固定されたインジウム量では、量子井戸の厚さが波長に影響を及ぼすことが図示されている。表２には、量子井戸の厚さの好ましい範囲が示してあり、好ましい態様では、量子井戸２５は約２５オングストロームの厚さである。
而して、ＵＶ放射を生成させるために、ＩｎＧａＮ量子井戸４２におけるインジウムの含有率（モル分率）は、好ましくは３０％以下、最も好ましくは約１５％である。同様に、量子井戸の厚さは、好ましくは約５０オングストローム以下、最も好ましくは約２５オングストロームである。
得られたＬＥＤｓは、本明細書で記載した設計パラメーターにしたがって、３７０ｎｍ 〜４２０ｎｍの波長を生成した。
図８は、本発明の発光ダイオードの重要な部分に関する概略バンドギャップ図である。図の上部境界線は伝導帯を表しており、下の部分は価電子帯を表している。
Figure 2009010422
 本発明の製造方法
本発明の発光ダイオードを製造する場合、多くの異なる工程がある。当業者には公知のように、例えばＩＩＩ族窒化物のような材料のエピタキシャル層の成長は比較的高度な仕事である。ある程度まで、特有の成長条件及び技術は、用いられる特有の反応器（及び関連のある設備及び装置）のようなファクターに左右される。而して、本明細書の説明は、個々の又は異なる状況下で、また不要な実験をせずに、開示され請求される技術を実行するために、当業者にとって必要な情報を提供する。
基板２１は、一般的に、本譲受人が専用実施権者である、米国特許第４，８６６，００５号及びその再発行特許ＲＥ３４，８６１に記載されている様式で形成される。例示的態様及び好ましい態様におけるデバイスの残りの部分の成長は、表１に記載してある。
表１は、図２と同様の順序で並べてある。括弧内の数値は許容範囲を示しており、括弧外の数値は好ましい値を示している。而して、成長工程は、表の下で始まり、上へと作業がなされる。第一工程は、基板２１に対してＧａＮドット２３及びそれらのＡｌＧａＮキャップ２４を付加することである。ＡｌＧａＮキャップの組成は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１＞Ｘ＞０であり、好ましい態様では、Ｘは約５〜１５である）である。
次に、窒化アルミニウムガリウム層２２を、約１０００℃の温度で、約３０００オングストロームの厚さまで成長させる。
ＩＩＩ族窒化物は、好ましくは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させる。ＭＯＣＶＤの一般的な性質は、当業において充分に理解されており、而して、本明細書に記載されているその工程は、不要な実験を行なわずとも、当業者は実行することができる。しかしながら、冒頭で記したように、技術の洗練された性質上、通常は、個々の装置及び設定をベースとする特有な調整が必要である。
ＡｌＧａＮバッファ層２２を完成させたら、窒化珪素の不連続層２６を、約７００℃の温度において、バッファ層２２上に成長させる。Ｓｉ３Ｎ４は、その場で又は現場外で、且つ２００〜１１００℃の温度範囲で、堆積させることができる。温度は、成長速度を制御する（特に、遅くする）のに役立つ程度に、而して、不連続窒化珪素層の品質及び厚さを制御するのに役立つ程度に充分に低い温度であるべきである。約７００℃の温度が好ましい。より高い温度では、前記の層は、より迅速に形成される傾向があり、成長及び厚さは、いくぶん（過度にではない）制御し難くなる。
バッファ層２２を成長させた後、一連の工程によって、不連続窒化珪素層２６及び窒化ガリウムｎ型層２５を成長させる。特に、窒化珪素の不連続層を用いる目的は、Ｓｉ３Ｎ４部分上にではなくバッファ層２２の表面上において、まず最初にＧａＮが成長する「エピタキシャル横方向オーバーグロース（又は“ＥＬＯ”）」と呼ばれている成長技術を実施可能にし且つ促進することである。バッファ層２２からの上方成長が、Ｓｉ３Ｎ４部分に隣接して進行するとき、ＧａＮは、Ｓｉ３Ｎ４部分を横断して横方向に成長する傾向がある。水平方向に比べて垂直方向により容易に欠陥が伝搬する傾向があるので、横方向部分（その後に続く垂直方向成長）の欠陥密度が低下する傾向がある。この成長の第一部分では、ＧａＮ層は、約１０９０℃（又は、機能的に等価な温度範囲）（より速い横方向成長を促し、欠陥の減少を促進する）において、厚さ約３００００オングストロームで成長する。詳しくは、前記温度において、窒化ガリウムのエピタキシャル横方向オーバーグロースは、窒化珪素上でより速く合体する。エピタキシャル横方向オーバーグロースの例は、その内容を本明細書に完全に引用したものとする米国特許第６，１７７，１６８号及び第６，０５１，８４９号に記載されている。
表１に示してあるように、好ましい態様では、超格子は、双方ともに珪素（Ｓｉ）でｎ型ドープされている窒化インジウムガリウム１５オングストローム層４２と窒化ガリウム３０オングストローム層４３とによって形成されている周期を約２〜５０周期（１０周期は例示である）含む。しかしながら、所望ならば、層４２及び層４３はアンドープであることができる。
超格子２７を成長させた後には、二つの工程でｎ型窒化ガリウム層３０を成長させる。表１に示してあるように、約２５０オングストロームの厚さを有する層３０の第一部分を、約８２０℃の温度において、珪素をドープしながら成長させる。次に、層のより小さくより狭い部分をドーピングしないで成長させて、多重量子井戸３１におけるアンドープト窒化インジウムガリウム層を、ｎ型層３０における珪素ドーピングからできる限り隔離する。
次に、多重量子井戸３１を次の方法で成長させる。まず最初に、比較的薄い約２５オングストロームのアンドープト窒化インジウムガリウム層４２を７７０℃の温度で成長させ、その後で、約２５オングストロームのＧａＮの比較的薄いアンドープト部分も７７０℃で成長させる。更に次に、やや高い８２０℃の温度で窒化ガリウムの珪素ドープト部分を成長させて、窒化ガリウムの結晶品質を高める。換言すれば、窒化インジウムガリウム層上の又は近傍の窒化ガリウム層に関しては、窒化インジウムガリウム層を保護するためには、やや低い温度が好ましい。しかしながら、可能ならば、好ましくは、窒化ガリウムは、その結晶品質を向上させるために、いくぶん高い温度で成長させる。
機能的な意味において、用いられる温度は次のように説明できる：すなわち、インジウムの望ましい量（しかし過剰ではない）を含有させるのに充分に低いが、望ましいインジウム量において高品質成長させるのに充分に高い第一温度において、ＩｎＧａＮを成長させる。
次に、上記第一温度を超える温度でＩｎＧａＮを好ましくなく加熱せずに、同じ第一温度でＧａＮ層を成長させてＩｎＧａＮを隠蔽する。
次に、第一温度に比べて高い第二温度で成長させることによってＧａＮ層を拡張させる。第二温度は、ＧａＮのより高品質の成長を促進するのに充分に高いが、近傍にある（隣接はしていない）ＩｎＧａＮ井戸を劣化させることを避けるために十分低いように選択される。
次に、約３５オングストロームの窒化ガリウム層の別の部分は８４０℃の温度で成長させるが、はじめの方に記載した同じ理由から、すなわち不測のドーピングから次のＩｎＧａＮ層を保護するために、ドーピングは行なわない。適当な数の量子井戸を含有させた後、量子井戸部分３１を、約７７０℃で成長させた厚さ約２５オングストロームの窒化インジウムガリウム層と、更に又約７７０℃で約２５オングストロームの厚さまで成長させた比較的薄いアンドープト窒化ガリウムの１つの最後の比較的薄い層とから成る１つの最終井戸で仕上げる。
MQW３１が完成したら、約８２０℃の温度で、約８０オングストロームの層となるまで、アンドープトＧａＮ層３２を成長させ、そして、最後の井戸の上にキャップを形成する。別の態様では、ＧａＮ層３２は、マグネシウム又は珪素でドープすることができる。
次の工程では、アンドープトＡｌＧａＮ層３３を成長させる。この層により、できる限り多くの電子が、コンタクト３６に隣接しているｐ−ＡｌＧａＮ層及びｐ−ＧａＮ層３４と３５に到達しないように、妨害され、これによりこのような電子が望ましくない発光やダイオード挙動を作り出すことを妨げる。アンドープトＡｌＧａＮ層３３は、約８９０℃の温度において約３０オングストロームの厚さまで成長させる。
次に、約８９０℃の温度において約８５オングストロームの厚さまでｐ−ＡｌＧａＮ層３４を成長させ、好ましくは、マグネシウムでドープする。最後に、ｐ型ＧａＮ接触層３５を、デバイスのＩｎＧａＮ部分を過熱しないようにしながら、成長の質及び結晶の品質を向上させるいくぶん高い温度である約９８０℃の温度において約１８００オングストロームの厚さまで形成する。同様にｐ−ＧａＮ接触層３５もマグネシウムでドープする。ｐ型層３４及び３５は、デバイスの動作に必要なホール注入を提供する。好ましい態様では、デバイス全体の構造及び機能と整合性がある様式で含有させるという条件下で、層３４及び３５のためのｐ−ＡｌＧａＮ及びｐ−ＧａＮをそれぞれ含有させるが、これらの層は、他のＩＩＩ族窒化物から作製できる。
別の面では、本発明は、適当な蛍光燐光体を有するＵＶ ＬＥＤが組み込まれていて、所望の可視出力を生成する発光ダイオードである。UV放射に応答して蛍光又は燐光を発する材料（発光源によらず）は、当業において充分に公知である。例えば、普通の蛍光は、同じ原理で作用する；すなわち、電球（bulb）又は器具の部分はＵＶ放射を発生し、次に、そのＵＶ放射は蛍光燐光体を励起し、その結果、可視白色光が放射される。ＵＶ放射に応答して白色（又は白色に近い）発光を生成する典型的な蛍光燐光体は、一般的に、当業において公知であり且つ理解されていて、必要以上の実験を行なわなくても、選択し含有させることができる。更に、白色光は例示的な目的であるが、他の適当な蛍光燐光体を用いて本方法によって他の色を生成できること、また本発明が白色光の生成に限定されないことが理解されるであろう。
従来技術によって例示された基本形態の発光ダイオードに関する概略図である。 本発明の発光ダイオードに関する概略横断面図である。 図２に図示してあるデバイスの超格子部分に関する拡大横断面図である。 図２に図示してあるデバイスの多重量子井戸部分に関する拡大概略横断面図である。 多重量子井戸の機能を示している概略バンドギャップ図である。 本発明によるダイオードの放射波長と、固定された厚さの窒化インジウムガリウム量子井戸中におけるインジウムの含有率との関係を示している概略プロットである。 窒化インジウムガリウム量子井戸中におけるインジウムの含有率を固定した場合における、量子井戸の厚さに対する放射波長の概略プロットである。 本発明による発光ダイオードの図示部分に関する更に完全なバンドギャップ図である。

Claims (33)

  1. 発光ダイオードであって、
    第１のＧａＮ層と、
    該第１のＧａＮ層の上にある超格子であって、ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択された交互層の複数の繰返しセットから形成されている超格子と、
    該超格子上にあり、第１のＧａＮ層と同じ導電型を有する第２のＧａＮ層と、
    該第２のＧａＮ層上にある多重量子井戸と、
    該多重量子井戸上にある第３のＧａＮ層と、
    該第３のＧａＮ層上にあり、基板及び第１のＧａＮ層とは反対の導電型を有している接触構造と、
    垂直配向の発光ダイオードに対するオーミックコンタクトと
    を含むことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、超格子は、ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）からなる交互層、ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、且つｘはｙと等しくない）から成る交互層、及び、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、且つｘはｙと等しくない）からなる交互層のグループから選択された複数の周期的構造を有していることを特徴とする発光ダイオード。
  3. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、超格子は、２〜５０周期の交互層で構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
  4. 請求項２記載の発光ダイオードにおいて、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は１５Åの厚さを有し、ＧａＮ層は３０Åの厚さを有し、これら２つの層はシリコンがドープされたｎ型の導電型であることを特徴とする発光ダイオード。
  5. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、第２のＧａＮ層は、ドープされた部分と、多重量子井戸が不所望にドープされないように保護するためのドープされていない部分とを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
  6. 請求項５記載の発光ダイオードにおいて、第２のＧａＮ層のドープされた部分は超格子に接触しており、第２のＧａＮ層のドープされていない部分は多重量子井戸に接触していることを特徴とする発光ダイオード。
  7. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、多重量子井戸は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）層及びＧａＮ層の基本２層、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層及びＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（ただし、０≦ｘ≦１且つ０≦ｙ≦１且つｘはｙと等しくない）の基本２層、並びに、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ただし、０＜ｘ＜１）及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層（ただし、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）の基本２層からなるグループから選択された基本２層の複数の繰り返しによって構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
  8. 請求項７記載の発光ダイオードにおいて、多重量子井戸の少なくとも１つの層がドープされていないことを特徴とする発光ダイオード。
  9. 請求項７記載の発光ダイオードにおいて、多重量子井戸における少なくとも１つのＧａＮ層は、ドープされたＧａＮ部分及びドープされていないＧａＮ部分を有し、ドープされていないＧａＮ部分は、ドープされていないＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つに接触していることを特徴とする発光ダイオード。
  10. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、多重量子井戸は少なくとも３つの量子化井戸を含んでいることを特徴とする発光ダイオード。
  11. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、各量子化井戸は５０Å以下の厚さを有していることを特徴とする発光ダイオード。
  12. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、多重量子井戸は、３７０〜４２０ｎｍのピーク波長を放射することを特徴とする発光ダイオード。
  13. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、接触構造は、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）からなるグループから選択されたｐ型の接触層であることを特徴とする発光ダイオード。
  14. 請求項１３記載の発光ダイオードにおいて、接触構造がｐ型のＧａＮ層である場合、接触構造はさらに、該ＧａＮ接触層に隣接し、かつオーミックコンタクトとは反対側に少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ただし、０＜ｘ＜１）を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
  15. 請求項１３記載の発光ダイオードにおいて、接触構造は、第３のＧａＮ層上にドープされていないＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ただし、０＜ｘ＜１）を備え、該ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にｐ型のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ただし、０≦ｘ≦１）を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
  16. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、第３のＧａＮ層は、マグネシウムがドープされてｐ型導電性を示すよう構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
  17. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、第３のＧａＮ層は、シリコンがドープされてｎ導電型を示すように構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
  18. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、接触構造は、ｐ型導電性のIII族窒化超格子で構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
  19. 発光ダイオードの製造方法であって、
    第１の窒化ガリウム（ＧａＮ）層上に、ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択された交互層の複数の繰返しセットから形成されている超格子を成長させるステップと、
    該超格子上に、第１のＧａＮ層と同じ導電型を有する第２のＧａＮ層を成長させるステップと、
    該超格子上にIII族窒化物からなる多重量子井戸を成長させるステップと、
    該多重量子井戸上に第３のＧａＮ層を成長させるステップと、
    該第３のＧａＮ層上に、第１のＧａＮ層とは反対の導電型を有している接触構造を成長させるステップと、
    該接触構造へのオーミックコンタクトを形成するステップと
    からなることを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  20. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、III族窒化物から形成される層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させるステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  21. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、
    １０９０℃の温度で、第１のＧａＮ層を厚さ３００００Åまで成長させるステップであって、該第１のＧａＮ層の横方向成長率が垂直方向成長率よりも大きい、ステップと、
    その後、第１のＧａＮ層が成長するに連れて、所定の期間温度を１０３０℃に低下し、そして、所定の期間７９０℃に低下させるステップと、
    その後、第１のＧａＮ層の成長の最終段において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ多重量子井戸の成長に備えて、温度を徐々に７７０℃まで低下させるステップと
    を含んでいることを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  22. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、超格子を成長させるステップは、
    厚さが１５ÅであるＩｎｘＧａ１−ｘＮと厚さが３０ÅであるＧａＮとの交互層を成長させるステップと、
    該交互層の両方を、ｎ導電型を呈するように珪素でドープするステップと
    を含む発光ダイオード製造方法。
  23. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＧａＮのアンドープ層を成長させるステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  24. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、
    ８２０℃の温度において、厚さ２５０Åの第一部分を有する第２のＧａＮ層を形成するステップと、
    該第２のＧａＮ層を珪素でドープするステップと
    を含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  25. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、
    ８２０℃の温度において、別の狭い部分を用いて且つドープせずに第２のＧａＮ層を形成し、それによって、第２のＧａＮ層のドープ部分から、多重量子井戸にあるアンドープのＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を隔離するステップ
    を含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  26. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、多重量子井戸を成長するステップは、
    ７７０℃の第一温度で、２５Åの厚さまでＩｎｘＧａ１−ｘＮのアンドープト層を成長させるステップと、
    ７７０℃の温度で、ＩｎｘＧａ１−ｘＮのアンドープト層上において、２５Åの厚さまでＧａＮのアンドープト層を成長させるステップと、
    ８２０℃の温度で、ＧａＮの別の層を成長させ、該層を珪素でドープしてＧａＮの導電性を向上させるステップと、
    ７７０℃で、ＧａＮの別のアンドープ層を成長させるステップと、
    該アンドープのＧａＮ層を、７７０℃を超える温度で成長させることによって、該アンドープのＧａＮ層を拡張するステップと、
    ８４０℃の温度で、３５Åの厚さまでＧａＮの該アンドープ層の最後の部分を成長させるステップと
    を含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  27. 請求項２６記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、多重量子井戸を成長するステップを少なくとも３回繰返して、３つの量子井戸を作製するステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  28. 請求項２６記載の発光ダイオード製造方法において、多重量子井戸を成長するステップは、７７０℃の温度でＩｎｘＧａ１−ｘＮの最後の井戸を２５Åの厚さまで成長させるステップと、７７０℃の温度でアンドープのＧａＮの最後の層を２５Åの厚さまで成長させるステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  29. 請求項２６記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、８２０℃の温度で、多重量子井戸上に第３のＧａＮ層を８０Åの厚さまで成長させるステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  30. 請求項２９記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、マグネシウムで第３のＧａＮ層をドープして、該層がｐ型導電性を呈するようにするステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  31. 請求項２９記載の発光ダイオード製造方法において、該方法は、珪素で第３のＧａＮ層をドープして、該層がｎ型導電性を呈するようにするステップを含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  32. 請求項１９記載の発光ダイオード製造方法において、接触構造を作製するステップは、
    ８９０℃の温度で、アンドープのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を３０Åの厚さまで成長させるステップと、
    ８９０℃の温度で、ｐ型導電性のＡｌｘＧａ１−ｘＮのマグネシウムがドープされた層を８５Åの厚さまで成長させるステップと、
    マグネシウムでドープされてｐ型導電性を有するＧａＮ接触層を、９８０℃の温度で１８００Åの厚さまで成長させるステップと
    を含むことを特徴とする発光ダイオード製造方法。
  33. 請求項３２記載の発光ダイオード製造方法において、接触構造の該ｐ型の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのドープト層及びＧａＮのドープト層の代替として、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、及びＧａＮ（ただし、０＜ｘ＜１）から成るグループから選択された材料を用いて作製されることを特徴とする発光ダイオード製造方法。
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