JP2009505399A - 量子ドットを有する発光ダイオード - Google Patents

Abstract

装置が発光ダイオードを含む。発光ダイオードは、１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物アロイの半導体基材、およびこの基材内に分散された量子ドットを有する。量子ドットは、基材の１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物アロイとは異なるＩＩＩ族窒化物アロイを含む。

Description

本発明は発光ダイオード、および発光ダイオードを製造および使用するための方法に関する。

従来の半導体デバイスのいくつかは、赤外線波長で発光する２次元（２Ｄ）量子井戸を含む。２Ｄ量子井戸は、ｐｎ半導体接合部中に配置されてよく、このｐｎ半導体接合部では、電気ポンピングが電荷担体を励起状態の２Ｄ量子井戸に供給する。次いで反対の電荷の担体との再結合を経て、この電荷担体の脱励起が発光を生成する。放出された光は、ある程度、２Ｄ量子井戸のバンド構造によって決定される波長を有する。

従来の光通信システムは、約１．５５μｍの狭い波長範囲の中で光を送信する。この範囲では、石英系光ファイバーは、低い光吸収係数を有する。このため、この波長範囲は低損失領域であり、低損失領域であることは、光通信においてはかなり好都合である。この通信範囲では、いくつかのレーザー光源が光送信機で使用可能である。それでもなお、通信範囲についてはより安価なレーザー光源を有することが望ましい。

様々な実施形態が、その中に量子ドットを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を実現する。いくつかのＬＥＤは通信範囲内の波長で（例えば約１２８０ｎｍと約１６００ｎｍの間で）、光を生成する。このため、新しいＬＥＤは、通信用途について安価な光源となる可能性がある。

一つの態様では、装置は発光ダイオードを含む。発光ダイオードは、１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物アロイの半導体基材およびその基材内に分散された量子ドットを有する。量子ドットは、基材の１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物アロイとは異なるＩＩＩ族窒化物アロイを含む。

別の態様では、製造方法は、結晶基板上に第１のＩＩＩ族窒化物アロイの複数の量子ドットを成長させるステップを含む。この方法はまた、量子ドットを覆うために異なる第２のＩＩＩ族窒化物アロイのキャッピング層を成長させるステップを含む。この層の部分は、量子ドット間に横方向に挿置される。

別の態様では、装置は、その中に位置する半導体スタックを有する発光ダイオードを含む。このスタックは、ＩＩＩ族窒化物アロイのｎ形層、ＩＩＩ族窒化物アロイのｐ形層、およびＩＩＩ族窒化物アロイの複数の量子ドットを有する。量子ドットはこの層間に位置し、この層のＩＩＩ族窒化物アロイとは異なるインジウム・アロイを含む。

様々な実施形態が「図面の簡単な説明」および「発明を実施するための最良の形態」に記載される。それでもなお、本発明は様々な形態で実施され、「図面の簡単な説明」および「発明を実施するための最良の形態」に記載される実施形態に限定されない。
図面および本文中で、同じ参照番号は同様の機能を有する要素を示す。
いくつかの図面では、１つまたは複数の特徴の相対寸法が実施形態をよりよく示すために誇張されている場合がある。

図１は、インコヒーレント光またはコヒーレント光を放射可能である発光ダイオード（ＬＥＤ）１０の一実施形態を示す。ＬＥＤ１０は、結晶質のＩＩＩ族窒化物バッファ層１４上で成長され、このバッファ層自体が結晶基板１２の平面の頂部表面１６上に成長される。例示の結晶基板１２は、サファイア基板、シリコン基板、および炭化ケイ素基板を含む。ＬＥＤ１０は、結晶質のＩＩＩ族窒化物バッファ層１４の表面上に成長されるアクティブ発光スタック１８を含む。アクティブ発光スタック１８もまた、結晶質のＩＩＩ族窒化半導体で生成される。結晶質のＩＩＩ族窒化物バッファ層１４は、格子ひずみが部分的または完全に緩和している領域である。格子ひずみは、結晶基板１２の基本的な格子長とアクティブ発光スタック１８の基本的な格子長の間の頂部表面１６に沿った不整合に起因する。格子整合した結晶基板１２が得られる場合、結晶質のＩＩＩ族窒化物バッファ層１４はなくてもよい。

ＬＥＤ１０はまた、第１導電性電極２０および第２導電性電極２２も含む。第１導電性電極２０は、アクティブ発光スタック１８のｐ形層と接触する。ｐ形層は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）で半導体をドーピングすることによって生成可能である。第２導電性電極２２は、アクティブ発光スタック１８のｎ形層と接触する。ｎ形層は、例えばシリコン（Ｓｉ）で半導体をドーピングすることによって生成可能である。導電性電極２０、２２は、例えば金属または多層金属で作成可能である。例示の金属層および金属多層は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、チタニウム（Ｔｉ）／Ａｌ、Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ、ルテニウム（Ｒｕ）／Ｐｔ、およびＡｕ／ニッケル（Ｎｉ）またはパラジウム（Ｐｄ）を含むが、他の金属層および金属多層が使用されてよい。導電性電極２０、２２は、発光を生じさせるためにアクティブ発光スタック１８との間で電流を伝えるための接点である。アクティブ発光スタック１８は、ｐｎまたはｎｐ接合デバイス、すなわち、動作中に電流を供給する回路（図示せず）におけるダイオードとして機能する。

図２は、例えば図１のＬＥＤ１０を組み込んだ例示の光源８を示す。光源８は、ＬＥＤ１０の一部分から形成される光学利得媒体を有する。光学利得媒体はファブリー・ペロ（Ｆａｂｒｙ-Ｐｅｒｏｔ）光キャビティ中に位置する。ファブリー・ペロ光キャビティは、光導波路２５、および光導波路２５の各端部に反射体２６、２８を含む。光導波路２５は、ＬＥＤ１０のＩＩＩ族窒化物部分によって形成される光学コアを有する。光導波路２５は、一部が結晶基板１２、一部が任意の透明誘電体層２４によって形成される光クラッディングを有する。透明誘電体層２４は、例えば石英ガラス、または窒化ケイ素、あるいは他の透明誘電体であってよい。キャビティの光反射体２６、２８は、光導波路２５の端面である（例えば、半導体構造のへき開面または研磨面）。

光源８のいくつかの実施形態では、ファブリー・ペロキャビティの光導波路２５中に伝播する光の利得ガイドまたはインデックス・ガイドのいずれかを実現する。いくつかのこの種の実施形態では、光源８は、例えばＬＥＤ１０の電気ポンピングに応じてレーザー光を放つことができる。

図３は、図１のアクティブ発光スタック１８の１つの実施形態１８Ａを示す。底部から頂部まで、アクティブ発光スタック１８Ａは、底部ｎ形ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａ、量子ドット３４の中間部配列３２Ａ、および頂部ｐ形ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ａを有する。底部ｎ形半導体層３０Ａは、結晶質バッファ層１４（例えばＧａＮまたはＡｌＮ層）の上に直接位置する。頂部ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ａおよび底部ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａは、Ｇａ_ｘＡｌ_{（１−ｘ）}Ｎアロイ（ここで０≦ｘ≦１）または、この種のアロイの多層体である。ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａ、３６Ａの両方は、同じアロイまたはアロイの多層体であってよい（例えばＧａＮ層）。中間部配列３２Ａの量子ドット３４は、ｎ形ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａとｐ形ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ａの間の界面に沿って位置してよく、またはＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎアロイ（ここで０≦ｚ≦１、例えば非ドープのＧａＮ）の離間する真性層（図示せず）中に位置してよい。アクティブ発光スタック１８Ａは、ｐｎダイオードを形成する。

図４は、図３の量子ドット３４の１つについての例示の形状を示す。しかし、量子ドット３４は他の形状を有することが可能である。量子ドット３４は、量子ドット３４の隣のＩＩＩ族窒化半導体基材のアロイ（例えば層３０Ａ、３６Ａ）とは異なるアロイの、真性または非ドープのＩＩＩ族窒化物である。量子ドット３４について、例示のＩＩＩ族窒化物アロイは、Ｉｎ_ｖＧａ_{（１−ｖ）}Ｎを含み、ここで０＜ｖ≦１である（例えば、ドーパント原子が１立方センチあたり１０^１８未満であるＩｎＮ）。個別の量子ドット３４は、囲んでいる基材（例えばＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａおよび／または層３６Ａ）の異なる半導体アロイの介在によって横方向に離間される。

代替実施形態では、底部ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａおよび頂部ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ａの導電性のｐ／ｎ形が逆になってよい。底部ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａがｐ形になり、頂部ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ａがｎ形になる。

光学発光スタック１８Ａは、通常、量子ドット３４の配列が同じＩＩＩ族窒化物アロイの連続する２Ｄ層によって置換される従来の多層構造とは異なる発光スペクトルを有する。特に、囲んでいる基材の異なるＩＩＩ族窒化物アロイが量子ドット３４を横方向に離間することで、量子ドット３４のエネルギーレベルが変化する。この変化を、図５の例示のＩＩＩ族窒化物の多層体について示す。

図５は、頂部ＧａＮ層、中間部ＩｎＮ層、および底部ＧａＮ層によって形成される多層体のバンド構造を示す。ＧａＮ層は、中間部ＩｎＮ層の伝導バンド端よりも、より高いエネルギー、すなわち約１．６電子ボルト（ｅＶ）高いエネルギーに偏位する伝導バンド端を有する。中間部ＩｎＮ層は、ＧａＮ層の価電子バンド端よりも、より高いエネルギー（例えば約１．０５ｅＶ高い）に偏位する価電子バンド端を有する。ＧａＮ層中のこの偏位および適切なドーパント・レベルについて、フェルミ・エネルギー（Ｅ_Ｆ）が中間部ＩｎＮ層の価電子バンドと伝導バンドの間に位置する。したがって、電子は中間部のＩｎＮ層の伝導バンドに対して励起可能であり、次いでバンド内のジャンプによって脱励起されてＩｎＮ層の価電子バンド中の正孔と再結合する。

ＩｎＮは直接バンドギャップ物質であるので、この種の担体の再結合は、ＩｎＮのバンドギャップとほぼ等しいエネルギーを有する光子の放出を引き起こすことが可能である。残念ながら、ＩｎＮのバンドギャップは約０．７７ｅＶであり、これは通信波長の１．５５ミクロン（μｍ）を有する光子を生成するために必要な約０．８ｅＶより低い。このために、この種のＧａＮ／ＩｎＮ／ＧａＮ多層体をポンピングすることで、１．５５μｍより長波長での発光を生成する。

一方で、図１〜図３、図６および図７のアクティブ発光スタック１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、連続する２ＤＩＩＩ族窒化層を同じＩＩＩ族窒化物の量子ドット３４を空間的に離間した配列によって置換する。特に、量子ドット３４の個々の単体は、別のＩＩＩ族窒化物アロイの基材によって空間的に囲まれる。ＩｎＮの量子ドット３４について、隣接するＧａＮ基材がＩｎＮ中の電子および正孔を閉じ込め、それによって障壁として機能する。量子ドット３４中で、この種の閉じ込めが、図５に示すように、伝導バンド端のレベルをより高いＥ^ｃｏｎｄ _ｄｏｔに増大させ、価電子バンド端の値をより低いＥ^ｖａｌ _ｄｏｔに低下させる。したがって、中間層ＩｎＮが量子３４配列であるＧａＮ／ＩｎＮ量子ドット／ＧａＮ多層体は、ＧａＮ／ＩｎＮ／ＧａＮ多層中の連続する２ＤのＩｎＮ層のバンドギャップＥ^ＢＧ _２Ｄよりも大きいバンドギャップＥ^ＢＧ _ｄｏｔを有する。より大きいバンドギャップＥ^ＢＧ _ｄｏｔのため、ＧａＮ／ＩｎＮ量子ドット／ＧａＮ多層体は電気ポンピングに応じてより高いエネルギー光子も放出する。適切に小さく、十分に幅広く離間したＩｎＮ量子ドットについて、この種の構造は、約０．８ｅＶのエネルギーを有する光子（例えば波長が約１．６０μｍより短い通信範囲での光子）を放出可能となろう。

図６は、図１のＬＥＤ１０および／または図２の光源８についてのアクティブ発光スタック１８の代替実施形態１８Ｂを示す。底部から頂部までにかけて、光学的増幅スタック１８Ｂは、結晶質ｎ形ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ｂ、中間部の真性半導体層３２Ｂ、およびｐ形ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ｂを含む。ｎ形半導体層３０Ｂおよびｐ形半導体層３６Ｂは、例えば実質的に図３の底部ＩＩＩ族窒化半導体層３０Ａおよび頂部ＩＩＩ族窒化半導体層３６Ａのそれぞれと同じドープＩＩＩ族窒化半導体組成を有してよい。中間部の半導体層３２Ｂは、半導体層３０Ｂ、３６Ｂ中のものと同じまたは異なるＩＩＩ族窒化物アロイの結晶質基材、およびその中に分散された量子ドット３４を含む。アクティブ発光スタック１８Ｂはｐｎ構造、すなわちダイオードを形成する。

中間部の半導体層３２Ｂは、量子ドット３４の２Ｄ配列の縦方向の積層を含む。量子ドット３４は、層３２Ｂの囲んでいるＩＩＩ族窒化半導体基材とは異なるＩＩＩ族窒化物アロイで形成される。ＧａＮ半導体基材、またはより広範に０≦ｘ≦１であるＧａ_ｘＡｌ_{（１−ｘ）}Ｎ基材。量子ドット３４は、真性のＩｎを含むアロイ（例えばＩｎＮまたは０＜ｗ≦１のＩｎ_ｗＧａ_{（１−ｗ）}Ｎ）で形成される。量子ドット３４のＩｎを含むアロイは、１立方センチあたり約１０^１８より少ないドーパント原子を有する。層３２Ｂの隣接した半導体基材は、量子ドット３４の一つ一つを縦横に隔離している。適切な高さおよび幅について、量子ドット３４は、上記の通信波長範囲で発光可能である。さらに、量子ドット３４の配列を縦方向に積層することは、アクティブ発光スタック１８Ｂが、図３のアクティブ発光スタック１８Ａよりも多数の量子ドット３４を保持可能であることを意味する。したがって、光源８は、アクティブ発光スタック１８Ａがアクティブ発光スタック１８Ｂによってその中で置換されるとき、より強い光を供給できる。

図７は、光源のファブリー・ペロキャビティの光導波路２５中に伝播する光の縦横方向へのインデックス・ガイドを実現する、図２の光源８の実施形態を示す。特に、この実施形態は、結晶基板１２、結晶質バッファ層１４、導電性電極２０、２２、誘電体層２４、およびＩＩＩ族窒化アクティブ発光スタック１８Ｃを含む。結晶基板１２は、例えば図１のＬＥＤ１０に対して記載したように適切に配向された結晶サファイア、シリコンまたは炭化ケイ素であってよい。結晶質バッファ層１４は、約２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内の厚み（例えば２０ｎｍ）を有するＡｌＮまたはＧａＮ層であってよい。導電性電極２０、２２は、例えば図１のＬＥＤ１０に関してすでに記載したように、単一金属または複数金属の層であってよい。任意の誘電体層２４は、約０．１μｍ〜約０．３μｍの厚みを有するコンフォーマル層ＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４であってよい。

アクティブ発光スタック１８Ｃでは、縦方向の多層構造および横方向の断面形状の両方が、その中の光のインデックス・ガイドをするように適合される。つまり、この特徴は、光源のファブリー・ペロキャビティの光導波路２５に伝播する光のインデックス・ガイドを実現する。

アクティブ発光スタック１８Ｃの縦方向の多層構造は、底部ｎ形Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３０Ｃ、中間部真性ＩＩＩ族窒化層３２Ｃ、および頂部ｐ形Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３６Ｃを含む。底部ｎ形Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３０Ｃは、例えば約１μｍ以上の厚み、および［０，０．２５］の範囲内のアロイ・パラメータ「ｘ」（例えばｘ＝０．１５）を有してよい。ｎ形層３０Ｃは、例えば１立方センチあたり約１０^１７〜１０^１８のｎ形Ｓｉ原子でドープされる。中間部真性ＩＩＩ族窒化層３２Ｃは、例えば約０．１μｍ〜約０．２μｍの厚みを有する真性ＧａＮ半導体基材を含む。真性ＧａＮ中では、ドーパント原子の濃度は、この種の原子で１立方センチあたり約１０^１５〜１０^１６、またはそれより少ない。半導体基材は、その中に分布する量子ドット３４の１つまたは複数の横方向配列を含む。量子ドット３４は、真性ＩＩＩ族窒化インジウム・アロイ、例えばＩｎＮ、または［０，１］の範囲内にありｗ＋ｚ＞０であるｗおよびｚを有するＩｎ_ｗ＋ｚＧａ_{（１−ｗ）}Ａｌ_{（１−ｚ）}Ｎで形成される。したがって、量子ドット３４は、層３２Ｃの囲んでいる半導体基材とは異なるアロイで形成される。真性Ｉｎアロイ中では、ドーパント濃度は、ドーパント原子が１立方センチあたり約１０^１７〜１０^１８の濃さであることが可能である。頂部ｐ形Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３６Ｃは、例えば、約０．５μｍの厚みおよび［０，０．２５］の範囲内のアロイ・パラメータ「ｙ」を有することが可能である。ｐ形層３６Ｃは、例えば１立方センチあたり約１０^１８〜１０^２０のＭｇ原子でドープ可能である。多層のＩＩＩ族窒化物アロイ構造は、光をインデックス・ガイドしやすい縦方向の屈折率プロファイルを有し、その結果、光は中間部の真性ＩＩＩ族窒化層３２Ｃの周りに集中する。つまり、光がインデックス・ガイドされて、隣接する量子ドット３４および囲んでいる半導体基材に集中し、この集中が光源８の光学利得媒体を形成する。

アクティブ発光スタック１８Ｃの横方向の断面形状はまた、頂部Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３６Ｃの頂部表面に沿った隆起部３８も含む。隆起部３８は、例えば約０．２５μｍの高さおよび約２μｍ〜約１０μｍの横幅を有してよい。光導波路２５は、例えば約３０μｍ〜約５０μｍの全横幅を有してよい。この種の断面形状について、隆起部３８の比較的高い屈折率が、図２の光導波路２５中に伝播している光を横方向へインデックス・ガイドする補助をする。

図８Ａは、図１および図３のアクティブ発光スタック１８の実施形態を製造するための１つの方法５０Ａを示す。
方法５０Ａは、平面成長表面を有する結晶成長基板を準備するステップを含む（例えば、頂部表面１６および結晶基板１２）（ステップ５２）。結晶成長基板は、サファイア（すなわちＡｌ_２Ｏ_３）、シリコン、または他の基板（例えば６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ）であってよい。サファイアおよびＳｉＣについて、平面成長表面は、（０００１）格子面である。シリコンについては、平面成長表面は、（１１１）格子面である。

方法５０Ａは、結晶成長基板の成長表面上にＡｌＮまたはＧａＮの結晶質バッファ層をエピタキシャル成長させるステップを含む（ステップ５４）。この成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの従来のエピタキシャル加工を行うステップを含む。エピタキシャル成長は、約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有する薄い結晶質バッファ層を生成する。結晶質バッファ層格子は、格子不整合の結晶成長基板上のＩＩＩ族窒化物の成長から生じるひずみを緩和する。格子整合した結晶成長基板が入手可能な場合、結晶質のバッファ層は必要ない。

次に、方法５０Ａは、結晶質のバッファ層上に、０≦ｚ≦０．２５（例えばｚ＝０．１５）のｎ形層のＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎ（例えば層３０Ａ）をエピタキシャル成長させるステップを含む（ステップ５６）。このエピタキシャル成長のステップは、厚みが約０．５μｍ〜約４．０μｍである結晶層を形成する。この成長の間、結晶成長基板は、約６５０℃〜約８００℃の温度に保持される。

エピタキシャル成長ステップ５６の間、いくつかのソースが成長層に物質を供給する。ソース一式がＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、およびＮを供給する。Ｇａについてのソースは、例えばＲｉｂｅｒ社（１３３ ｂｏｕｌｅｖａｒｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ、ＢＰ ２３１、９２５０３ Ｒｕｅｉｌ Ｍａｌｍａｉｓｏｎ Ｃｅｄｅｘ、Ｆｒａｎｃｅ）（ｗｗｗ．ｒｉｂｅｒ．ｃｏｍ）のＡＢＮ−１３５型エフュージョン・セルであってよい。Ｇａエフュージョン・セルは、約９８０℃〜１０３０℃の温度で操作される。Ａｌについてのソースは、約１０２０℃〜１１２０℃の温度で操作される別のＲｉｂｅｒ社のＡＢＮ−１３５型エフュージョン・セルであってよい。Ｎについてのソースは、約２５０ワット〜３５０ワットのＲＦパワー、および約０．５標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）〜０．９ｓｃｃｍのガス流速で操作されるプラズマ・ソースであってよい。例示のプラズマ・ソースは、ＡＤＤＯＮ社（１９ ｒｕｅ ｄｅｓ Ｅｎｔｒｅｐｒｅｎｅｕｒｓ、７８４２０ Ｃａｒｒｉｅｒｅｓ ｓｕｒ ｓｅｉｎｅ、Ｆｒａｎｃｅ）（ｃｏｎｔａｃｔ＠ａｄｄｏｎ−ｍｂｅ．ｃｏｍ）のプラズマ・ソース、ＲＦＢ−ＲＢ３型、シリアル番号００１２０６である。最後のソースは、同時に１立方センチあたり約１０^１７〜１０^１８のドーパント濃度のｎ形原子を与えるために、ｎ形のドーパント原子（例えばＳｉ）を供給する。Ｓｉについてのソースは、約９００℃〜１１００℃の温度で操作される別のＲｉｂｅｒ社ＡＢＮ−１３５型エフュージョン・セルであってよい。

次に方法５０Ａは、窒化インジウム・アロイの量子ドット（例えば量子ドット３４）の配列を成長させるステップを含む（ステップ５８Ａ）。量子ドットは、Ｇａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎのｎ形層の自由表面上に成長される。成長の間、量子ドットが劣化しないように、基板の温度は約６００℃よりも低く（例えば４００℃〜５００℃に）保持される。例えば、ＩｎＮは約５００℃〜６００℃の高温で分解する。Ｉｎについてのソースは、約７００℃〜８５０℃の温度で操作される別のＲｉｂｅｒのＡＢＮ−１３５型エフュージョン・セルであってよい。

ステップ５８Ａのエピタキシャル成長は、インジウム、窒素、ならびに適宜のガリウムおよび／またはアルミニウムのアロイである（例えばＩｎＮ）量子ドットを生成する。ＧａまたはＡｌを含むアロイは、通常はＩｎＮよりも大きいバンドギャップを有し、それによって量子ドットが潜在的により長波長での発光を有することができる。成長ステップは、予め選択された波長または予め選択された波長範囲内で発光するために適切な大きさの量子ドットを生成する。例えば、量子ドットは、１２８０ｎｍ〜約１６００ｎｍの通信範囲内で発光するようになされてよい。量子ドットは、約１ｎｍ〜５ｎｍの高さに成長でき（例えば２ｎｍ）、約１０ｎｍ〜５０ｎｍの直径に成長できる。ステップ５８Ａの間、成長条件によって、連続した層の２次元成長ではなく複数の島の３次元（３Ｄ）成長が起こる。

ＩｎＮ島の３Ｄ成長を生成するための１つの方法は、例えばＲｉｂｅｒ社の型番号３２ＰのＭＢＥチャンバ内で第１および第２の成長ステップ作業を交互に行うステップを含む。第１の成長ステップでは、窒素ソースが遮断された状態で、成長表面が３０〜６０秒間Ｉｎ蒸着を受ける。このステップ間で、Ｉｎエフュージョン・セルは約６７０℃よりも高温になる（例えば約７４０℃〜約７９０℃）。第２の成長ステップでは、Ｉｎエフュージョン・セルが遮断された状態で、成長表面が約３０〜６０秒間窒素を受ける。このステップ間で、窒素ガスは０．４ｓｃｃｍ〜０．６ｓｃｃｍの流速を有し、プラズマを生成する約２００ワット〜３５０ワットのＲＦパワーのＲＦバックグラウンド・パワー中にある。第１および第２の成長ステップ作業は、ＩｎＮ量子ドットが所望の大きさを有するまで繰り返される。

ＩｎＮ島のこの種の３Ｄ成長を生成するための別の方法は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長についての条件を発生させるステップを含む。Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長の間、成長表面は継続的にＩｎおよびＮの両方に対して露出され、その結果、少しのＩｎＮの二重層が付着した後、成長は２Ｄモードから３Ｄモードへ切り替わる。

次に、方法５０Ａは、０＜ｚ≦０．２５であるＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎアロイ（例えばＧａＮ）の薄い真性のまたはｐ形のキャッピング層を量子ドットの配列上にエピタキシャル成長させるステップを含む（ステップ６０Ａ）。キャッピング層は約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有することが好ましい。この成長の間、結晶基板は量子ドットを成長させるために使用される温度とほぼ同じ温度に保持される（例えばＩｎＮ量子ドットについては約４５０℃〜約５５０℃）。この低い成長温度のために、量子ドットはキャッピング層の成長の間に分解しない。成長の間に、Ｇａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎは、１立方センチあたり約１×１０^１８〜約１×１０^２０の不純物原子濃度までマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ形不純物でドープされてよい。２５０℃と４００℃の間の温度で操作されるＲｉｂｅｒ社のＡＢＮ−１３５型エフュージョン・セルは、ｐ形ドーピングについてのＭｇソースになることが可能である。

次に、方法５０Ａは、約６５０℃〜７５０度へ基板温度を上昇させ、この高くされた温度で同じまたは異なるＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎアロイのｐ形層（例えば層３６Ａ）のエピタキシャル成長を継続するステップを含む（ステップ６２）。頂部ｐ形Ｇａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎが約０．２μｍ〜約０．５μｍの厚みを有するとき、エピタキシャル成長は停止される。

図８Ｂは、図７のアクティブ発光スタック１８Ｃの実施形態を製造するための例示の方法５０Ｂを示す。
方法５０Ｂは、図８Ａの方法５０Ａに関して記載したようなステップ５２、５４、および５６を実行するステップを含む。このステップは、例えば、図７に示したように、層３０Ｃおよび層１４ならびに結晶基板１２を有する多層構造を生成する。

次に方法５０Ｂは、ｎ形層のＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎの自由表面上に真性ＧａＮの層をエピタキシャル成長させるステップを含む（ステップ５７Ｂ）。得られる真性ＧａＮ層は、例えば約０．５μｍ〜約０．１μｍの厚みを有してよく、ドーパント原子が１立方センチあたり約１０^１５〜１０^１６のドーパント・レベルを有することができる。生成されたＧａＮの層の例は、図７の量子ドット３４の配列より下に位置する層３２Ｃの部分である。

次に方法５０Ｂは、量子ドット（例えば量子ドット３４）の配列を真性または非ドープのＧａＮ層の自由表面上に成長させるステップを含む（ステップ５８Ｂ）。成長は、非ドープのＩＩＩ族のＩｎの窒化物アロイである量子ドットを生成し、上記ステップ６０Ａに関してすでに記載した成長条件を使用する。特に、成長はＩｎアロイを分解しない低温でなされ、２Ｄ層成長よりもむしろ３Ｄ島成長を生成するように制御される。成長は、例えば約１ｎｍ〜５ｎｍの高さ（例えば２ｎｍ）および約１０ｎｍ〜５０ｎｍの直径を有する量子ドット、または所望の発光スペクトルに対して適切な他の大きさの量子ドットを生成することができる。例えば、量子ドットは上記記載の通信範囲内で発光のために適切な大きさに成長させることができる。

次に、方法５０Ｂは、量子ドットの配列を覆うように真性または非ドープのＧａＮのキャッピング層をエピタキシャル成長させるステップを含む（ステップ６０Ｂ）。真性ＧａＮのキャッピング層は、例えば約０．５μｍ〜約０．１μｍの厚みを有してよく、ドーパント原子が１立方センチあたり約１０^１５〜１０^１６のドーパント・レベルを有することができる。キャッピング層はＧａＮの基材で個別の量子ドットを横方向に囲み、量子ドットを覆う。キャッピング層の例は、例えば、図７の層３２Ｃの上方部分である。

ＧａＮキャッピング層の２０ｎｍ〜５０ｎｍの第１の成長の間、結晶成長基板は量子ドットを成長させるために使用された温度に保持される。ＩｎＮ量子ドットについて、温度は約６００℃より低く保持され（例えば４５０℃〜５５０℃）、その結果量子ドットは劣化しない。低い成長温度は、ＧａＮキャッピング層の成長の間、量子ドットの分解を軽減させる。

次に方法５０Ｂは、約６５０℃〜７５０℃に基板温度を上昇させるステップ、およびＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎアロイ（ここで０＜ｚ≦０．２５）のｐ形層（例えば図７の層３６Ｃ）をエピタキシャル成長させるステップを含む（ステップ６２）。この成長は、例えば約０．２μｍ〜約０．５μｍの厚みを有するＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎのｐ形層を生成可能である。この成長についての条件は、方法５０Ａのステップ６２に関してすでに記載した。

製造方法５０Ｂの代替実施形態は、例えば図６の層３２Ｂ中と同じように真性ＧａＮの基材中の同じＩｎＮアロイの量子ドットの縦方向に積層された配列を生成するように５８Ｂ〜６０Ｂのステップを数回繰り返すステップを含む。縦方向の断面は、ｎ形Ｇａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎ／［非ドープＧａＮ／ＩｎＮアロイ量子ドット］／［非ドープＧａＮ／ＩｎＮアロイ量子ドット］／［非ドープＧａＮ／ＩｎＮアロイ量子ドット］／…／非ドープＧａＮ／ｐ形Ｇａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎといった形状の順である。縦方向の配列の総厚は、例えば１μｍ〜２μｍの厚みであってよい。縦方向の配列中では、真性ＧａＮ層はまた量子ドットのＩｎＮアロイとは異なる別の真性ＩＩＩ族窒化物アロイの層によって置換されてよい。この種の実施形態では、底部ｎ形のＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎ層および頂部ｐ形のＧａ_ｚＡｌ_{（１−ｚ）}Ｎ層は、上記記載のドーパント濃度を有する。この種のＩｎＮ量子ドットの配列の縦方向の積層は、通常ＬＥＤ光源の強さを増加することになる。

図９は光源（例えば図２および図７の光源８）を製造するための方法７０を示す。光源は光導波路を備えるファブリー・ペロキャビティを含み、例えばレーザーであってよい。製造方法７０は、図１０に示すように、中間部構造８２、８３、８４を製造する。
方法７０は、ＬＥＤのアクティブ発光スタック（例えば発光スタック１８Ｃ）の上に矩形光導波路構造９６およびより低い導電性の電極についての領域を形成するように１つまたは複数のドライ・エッチングを実行し、それによってＬＥＤ構造８２を形成するステップを含む（ステップ７２）。各ドライ・エッチングは従来型のリソグラフィ・マスクによって制御され、従来型の処理を使用する（例えば塩素（Ｃｌ）／アルゴン（Ａｒ）混合気体に基づく誘導結合型反応性イオン・エッチング）。

エッチングステップは１回または２回のドライ・エッチングを含んでよい。１回のドライ・エッチングは、ｎ形ＩＩＩ族窒化物の発光スタックの底部層（例えば底部層３０Ｃ）の一部分を露出することによって光導波路構造９６を常に形成する。任意の２回目のドライ・エッチングは、光導波路構造９６の中央部上にインデックス・ガイドを行う隆起部３８を画定してよい。隆起部３８は、例えば高さ約０．５μｍであってよい。隆起部を画定するステップは、ｐ形ＩＩＩ族窒化物の頂部層の光クラッディング部分（例えば頂部層３６Ｃの部分）をエッチングして除去するステップを含む。２回目のエッチングは、光導波路構造９６中に横方向に光をインデックス・ガイドする断面形状を生成する。断面形状は、例えば、図２および図７に示す光源８の光導波路２５に適している。

次に方法７０は、ＬＥＤ構造８２の頂部表面１００上に透明誘電体の共形層２４を付着させ、それによって構造８３を製造するステップを含む（ステップ７４）。誘電体は、光半導体導波路構造９６の外側光クラッディングに適する屈折率を有する。誘導体層の厚みは、約０．１μｍと約０．３μｍの間であることができる。層２４について、例示の誘導体は、ドープまたは非ドープの石英ガラスおよびドープまたは非ドープの窒化ケイ素を含む。この種の誘導体を付着させるための方法は、当業者に知られている。

次に、方法７０は光導波路構造９６の全長に沿う誘導体層２４を介して窓１０４、１０６をドライ・エッチングするステップを含む（ステップ７６）。一方の窓１０４は、光導波路構造９６の中央部分上の隆起部３８上にあり、他方の窓１０６は、光導波路構造９６に隣接する。

次に方法７０は、窓１０４、１０６を介して露出されるＬＥＤ構造のＩＩＩ族窒化半導体上に導電性電極２０、２２を形成し、それによってＬＥＤ構造８４を生成するステップを含む（ステップ７８）。導電性電極２０、２２を形成するステップは、例えばマスク制御蒸着を実行するステップを含み、単層または多層の金属を付着させるステップを含んでよい。導電性電極２０、２２の例は、図１のＬＥＤ１０に関して記載してあり、Ａｕ、Ａｌ、Ａｌ／Ｔｉ、またはＰｔ、Ａｕ／Ｎｉ、あるいはＲｕ／Ｐｔなどの単層または多層の金属を含んでよい。

最後に方法７０は、ファブリー・ペロキャビティの両端面に反射体を生成するように光導波路構造９６の端面をへき開または研磨するステップを含む（例えば図２の面２６、２８）（ステップ８０）。

図１のＬＥＤ１０または図２あるいは図７の光源８から光を発生させるために、電流が導電性電極２０と２２の間に送り込まれる。電流は量子ドット３４中の伝導バンドのレベルに電子を励起してよい。電子は次いで量子ドット３４の価電子バンドから正孔に連続して再結合することによって発光可能である。

別の実施形態では、ｎ形ドーピングおよびｐ形ドーピングの役割は入れ替わる。つまり、図１〜図３および図６、図７の発光スタック１８、１８Ａ〜１８Ｃ中で、ＩＩＩ族窒化物の頂部層（例えば層３６Ａ〜３６Ｃ）はｎ形となり、ＩＩＩ族窒化物の底部層（例えば層３０Ａ〜３０Ｃ）はｐ形となる。
上記の開示、図面、および特許請求項の範囲から、本発明の他の実施形態は当業者に明らかとなるだろう。

発光ダイオード（ＬＥＤ）の一実施形態の断面図である。 ＬＥＤ（例えば図１または図７のＬＥＤ）を組み込んだ例示の光源の斜視図である。 図１のＬＥＤについての例示のアクティブ発光スタックの断面図である。 図１〜図３のアクティブ発光スタックについての例示の量子ドットの斜視図である。 窒化ガリウム（ＧａＮ）／窒化インジウム（ＩｎＮ）／ＧａＮ多層体のバンド構造の図である。 図１および図２の装置についてのアクティブ発光スタックの代替実施形態の断面図である。 その中に伝播する光にインデックス・ガイドを与える図２の光源の別の実施形態の断面図である。 アクティブ発光スタック（例えば図３のアクティブ発光スタック）を製造する方法を示す流れ図である。 アクティブ発光スタック（例えば図７のアクティブ発光スタック）を製造する代替方法を示す流れ図である。 ＬＥＤ（例えば図８Ａまたは図８Ｂの方法にしたがって製造されたＬＥＤ）を使用する光源を製造する方法を示す流れ図である。 図９の方法にしたがって光源を製造する間に形成された中間体構造の図である。

Claims (10)

1. １つまたは複数のＩＩＩ族窒化物アロイの半導体基材と、前記基材内に分散された量子ドットとを有する発光ダイオードを備え、前記量子ドットが前記基材の前記１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物アロイとは異なるＩＩＩ族窒化物アロイとを備える、
   装置。
2. 前記量子ドットがインジウムを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記基材が、ガリウム・アロイまたはアルミニウム・アロイを備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記量子ドットが前記ダイオードのｎ形領域とｐ形領域の間に分散された装置であって、
   前記基材が前記ダイオードのｎ形領域とｐ形領域の間にはさまれ、前記ｎ形およびｐ形領域よりも高い屈折率の半導体アロイを有する、
   請求項２に記載の装置。
5. 前記量子ドットが前記ダイオードのｎ形領域と前記ダイオードのｐ形領域の間の方向に沿って縦方向の積層を形成する層中に分布する、請求項１に記載の装置。
6. ファブリー・ペロキャビティ及びその中に光学利得媒体を有するレーザーをさらに備え、前記光学利得媒体が前記発光ダイオードの前記基材および量子ドットを備える、
   請求項１に記載の装置。
7. 結晶基板上に第１のＩＩＩ族窒化物アロイの複数の量子ドットを成長させるステップと、
   前記量子ドットを覆うために異なる第２のＩＩＩ族窒化物アロイのキャッピング層を成長させるステップとを含み、前記層の部分が前記量子ドット間に横方向に挿置される、
   製造方法。
8. 前記量子ドットがインジウムを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記層を成長させるステップが、約６００℃よりも低い温度に前記基板を保持するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記層の露出した表面上に前記第１のＩＩＩ族窒化物アロイの別の複数の量子ドットを成長させるステップと、
    前記別の複数の量子ドットを覆うように上にＩＩＩ族窒化物アロイの別の層を成長させるステップとをさらに含み、前記別の層が前記第１のＩＩＩ族窒化物アロイとは異なるＩＩＩ族窒化物アロイを備える、
    請求項７に記載の方法。

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