JP2010500768A - 低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
現在、国際的なGaNベースド青色光LEDの内部量子効率は、最大で40−60%に到達し、一般的には20%だけである。これに対して、無分極化効果のGaAs系LEDの内部量子効率は、最大で100%に到達させることができ、従来の製品の内部量子効率も70%ぐらいになる。従って、非極性面のGaNの成長を研究し、電子、正孔の空間分離を除去することは、発光ダイオードの発光効率を高めるためには、重要な方法を提供した。
GaN結晶の品質は悪く、転位密度も108−1010/cm−2と高くなり、分極化効果も強く、発光ダイオードの発光効率を厳しく制約した。実験によると、量子ウェルにInをドープすることは発光効率を有効に高める。当面の主流理論は、Inの成分によってローカル効果が発生し、量子ウェルの発光効率が高められるものと考えられている。しかしながら、分極化効果のために、ローカル効果による発光効率の改善は大部分相殺されることになる。分析によると、無分極化効果のGaNベースドLED材料は、量子ウェルの発光効率を大幅に高め、GaNベースドLEDの高効率問題を根本的に解決する。
現在、無分極化効果のGaNベースド量子ウェルを成長させるには二つの方案があり、1つは、非極性面基板上に無分極化効果の材料を成長させること、他1つは、AlInGaN四元合金材料を成長させ、適当な成分比率を取って分極化効果を相殺することである。前者には二つの方法があり、1つはγ−LiAlO2の(001)基板上にMBE技術を利用して(1−100)M面GaNを成長させることであるが、その主要な問題はγ−LiAlO2の熱安定性が悪く、成長されたGaN材料バックグラウンドドープ濃度が高いことであり、他1つは、サファイアのr面基板上にa面非極性GaN材料を成長させることであるが、その主要な問題はa面GaNエピタキシャル材料がシリアスの非対称性を表現し、エピタキシャル材料は二次元層状の成長を実現することができない。後者に存在する問題は、分極化効果を完全に相殺する材料を成長させることができないことである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
本発明の方法を使用して、低分極化効果のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を製造し、その具体的なステップは以下のようである。
2 GaNバッファ層
3 n型InGaAlN層―n型GaN層
4 分極化制御層
5 低分極化効果アクティブ層―多量子ウェル構造発光層5
6 p型InGaAlN層
Claims (15)
- 低分極化効果のGaN発光ダイオードチップ用エピタキシャル材料の製造方法において、
GaNベースド極性LED用エピタキシャル材料の製造工程において、小さいエネルギーギャップを有する量子ウェルの電子又は正孔を大きいエネルギーギャップを有する量子ウェルにトンネリングして、LEDエピタキシャル材料の量子ウェル発光効率を高めることと同時に、
GaNベースド極性LED用エピタキシャル材料の製造工程において、異なる分極化効果による量子ウェル界面電荷の差異によって、分極化効果が高く、界面電荷の大きい量子ウェルで分極化効果の低い量子ウェルの分極化効果を減少させて、量子ウェル電子又は正孔の重なりを高め、GaNベースドLED用エピタキシャル材料の発光強度を高め、
前記低いエネルギーバンドを有する長波長量子ウェルが、設計エネルギーギャップが2.0eV乃至4.95eVの量子ウェルであり、
前記高いエネルギーバンドを有する短波長量子ウェルが、設計エネルギーギャップが2.05eV乃至5.0eVの量子ウェルであり、
前記小さいエネルギーギャップを有する量子ウェルの設計エネルギーギャップが、前記大きいエネルギーギャップを有する量子ウェルの設計エネルギーギャップに対して、50−400meV減少し、
前記分極化効果が高く、界面電荷の大きい量子ウェルが、界面電荷が1E13 C/cm2乃至5E14 C/cm2の量子ウェルであり、
前記分極化効果の低い量子ウェルが、界面電荷が5E11 C/cm2乃至1E14 C/cm2の量子ウェルである
ことを特徴とする低分極化効果のGaN発光ダイオードチップ用エピタキシャル材料の製造方法。 - 具体的に、サファイア又はSiCを基板とし、従来の半導体装置の蒸着技術を用いて、前記基板上に、順次にn型InGaAlN層、低分極化効果アクティブ層及びp型InGaAlN層を成長させて、低分極化効果の高内部量子効率のGaN発光ダイオード用エピタキシャル材料を獲得し、
前記n型InGaAlN層は、基板上に順次に覆われたGaNバッファ層とn型GaN層からなり、
前記GaNバッファ層は、GaN層、AlN層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層又は前記合金の組合せからなる、異種基板上にエピタキシャルされた遷移層であり、
前記n型GaN層はGaN層、AlN層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層又は前記合金の組合せからなるn型オーミック接触された接触層であり、
前記低分極化効果アクティブ層は、InAlGaN多量子ウェル構造分極化制御層とInAlGaN多量子ウェル構造発光層からなり、
前記InAlGaN分極化制御層は、第一のバリア層Iny1Alz1Ga1−y1−z1Nと第一の量子ウェル層Inx1Alm1Ga1−x1−m1Nからなる多量子ウェル構造であり、但し、y1<x1、0.1<x1<0.3、0<y1<0.15、0<z1<0.5、0<m1<0.5であり、
前記InAlGaN多量子ウェル構造発光層は、第二のバリア層InyAlzGa1−y−zNと第二の量子ウェル層InxAlmGa1−x−mNからなる多量子ウェル構造により形成された発光ダイオードアクティブ層であり、但し、y<x、0.1<x<0.3、0<y<0.15、0<z<0.5、0<m<0.5であり、
前記p型GaN層は、GaN層、InAlN層、AlGaN層、InAlGaN層又は前記合金の組合せからなる、p型オーミック接触の接触層である
という製造ステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。 - 前記GaNバッファ層の厚さが10nm〜3μmであることを特徴とする請求項2に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。
- 前記n型GaN層の厚さが20nm〜5μmであることを特徴とする請求項2に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。
- 前記第一のバリア層Iny1Alz1Ga1−y1−z1Nの厚さが5〜30nmであり、第一の量子ウェル層Inx1Alm1Ga1−x1−m1Nの厚さが1〜15nmであり、前記第一のバリア層Iny1Alz1Ga1−y1−z1Nと第一の量子ウェル層Inx1Alm1Ga1−x1−m1Nのドープ濃度が何れも0〜5×1018/cm3であり、その量子ウェルの周期数が1〜20であることを特徴とする請求項2に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。
- 前記第二のバリア層InyAlzGa1−y−zNの厚さが5〜30nmであり、第二の量子ウェル層InxAlmGa1−x−mNの厚さが1〜12nmであり、前記第二のバリア層InyAlzGa1−y−zNと第二の量子ウェル層InxAlmGa1−x−mN層のドープ濃度が何れも0〜5×1018/cm3であり、その量子ウェルの周期数が1〜20であることを特徴とする請求項2に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。
- 前記大きいエネルギーギャップを有するInAlGaN多量子ウェル構造発光層の設計エネルギーギャップは、前記小さいエネルギーギャップを有するInAlGaN多量子ウェル構造分極化制御層の設計エネルギーギャップに対して、50−400meV増大することを特徴とする請求項1に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。
- 前記p型GaN層の厚さが20nm〜1μmであることを特徴とする請求項1に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料の製造方法。
- 請求項1に記載の方法で製造された、基板を含む低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料であって、更に
基板の表面上に順次に覆われたn型InGaAlN層、低分極化効果アクティブ層及びp型InGaAlN層を含み、
前記基板がサファイア又はSiC基板であり、
前記n型InGaAlN層が、前記基板上に順次に覆われたGaNバッファ層とn型GaN層からなり、
前記GaNバッファ層が、GaN層、AlN層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層又は前記合金の組合せからなる、異種基板上にエピタキシャルされた遷移層であり、
前記n型GaN層がGaN層、AlN層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層又は前記合金の組合せからなるn型オーミック接触された接触層であり、
前記低分極化効果アクティブ層が、InAlGaN多量子ウェル構造分極化制御層とInAlGaN多量子構造発光層からなり、
前記InAlGaN分極化制御層が、第一のバリア層Iny1Alz1Ga1−y1−z1Nと第一の量子ウェル層Inx1Alm1Ga1−x1−m1Nからなる多量子ウェル構造層であり、但し、y1<x1、0.1<x1<0.3、0<y1<0.15、0<z1<0.5、0<m1<0.5であり、
前記InAlGaN多量子ウェル構造発光層が、第二のバリア層InyAlzGa1−y−zNと第二の量子ウェル層InxAlmGa1−x−mNからなる多量子ウェル構造発光ダイオードアクティブ層であり、但し、y<x、0.1<x<0.3、0<y<0.15、0<z<0.5、0<m<0.5であり、
前記InAlGaN多量子ウェル構造発光層のエネルギーギャップが、前記InAlGaN多量子ウェル構造分極化制御層のエネルギーギャップに対して、50−400meV増大し、
前記のp型GaN層が、GaN層、InAlN層、AlGaN層、InAlGaN層又は前記合金の組合せからなる、p型オーミック接触の接触層である
ことを特徴とする低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。 - 前記GaNバッファ層の厚さが10nm〜3μmであることを特徴とする請求項9に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。
- 前記n型GaN層の厚さが20nm〜5μmであることを特徴とする請求項9に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。
- 前記第一のバリア層Iny1Alz1Ga1−y1−z1Nの厚さが5〜30nmであり、第一の量子ウェル層Inx1Alm1Ga1−x1−m1Nの厚さが1〜15nmであり、前記第一のバリア層Iny1Alz1Ga1−y1−z1Nと第一の量子ウェル層Inx1Alm1Ga1−x1−m1Nのドープ濃度が何れも0〜5×1018/cm3であり、その量子ウェルの周期数が1〜20であることを特徴とする請求項9に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。
- 前記第二のバリア層InyAlzGa1−y−zNの厚さが5〜30nmであり、第二の量子ウェル層InxAlmGa1−x−mNの厚さが1〜12nmであり、前記第二のバリア層InyAlzGa1−y−zNと第二の量子ウェル層InxAlmGa1−x−mN層のドープ濃度が何れも0〜5×1018/cm3であり、その量子ウェルの周期数が1〜20であることを特徴とする請求項9に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。
- 前記InAlGaN多量子ウェル構造発光層のエネルギーギャップが、前記InAlGaN多量子ウェル構造分極化制御層のエネルギーギャップに対して、50−400eV増大することを特徴とする請求項9に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。
- 前記p型GaN層の厚さが20nm〜1μmであることを特徴とする請求項9に記載の低分極化効果のGaNベースド発光ダイオード用エピタキシャル材料。
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