JP2011511463A - インジウム混和の増加による、窒化物発光ダイオードの偏光の向上 - Google Patents

Abstract

本発明は、無極性ＬＥＤから高偏光比を得るための技術を提供する。その発光層内に高Ｉｎ含有量を有する無極性ＬＥＤは、高偏光比を伴う発光特徴を保有する傾向にある。４７７ｎｍ（約２８％のＩｎ含有量または組成に対応する）の波長で発光するＬＥＤは、４７７ｎｍより短い波長で発光するいずれの他の検討されたＬＥＤと比較して、最高偏光比（０．８７）を提供することが認められている。無極性ＩＩＩ族窒化物基板上に調製された発光ダイオード（ＬＥＤ）構造の発光層中のインジウム（Ｉｎ）含有量の増加は、より少ないＩｎ含有量を含有するＬＥＤ構造より高い発光偏光比をもたらす。偏光比は、４７０ｎｍより長い波長において、０．７より高いはずである。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、２００８年２月１日に出願された、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｍａｓｕｉ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓらによる、「ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＯＦ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ−ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＢＹ ＩＮＣＲＥＡＳＥＤ ＩＮＤＩＵＭ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ」というタイトルの、同時係属中で同一譲受人の米国仮特許出願第６１／０２５，５９２号、代理人整理番号３０７９４．２５９−ＵＳ−Ｐ１（２００８−３２３−１）の利益を主張し、その出願は本明細書に参考として援用される。

本出願は以下の同時係属中で同一譲受人の米国特許出願に関連する：
本出願と同日に出願された、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｍａｓｕｉ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓらによる、「ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＯＦ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ−ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＢＹ ＷＡＦＥＲ ＯＦＦ−ＡＸＩＳ ＣＵＴ」というタイトルの、米国実用特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号、代理人整理番号３０７９４．２６０−ＵＳ−Ｕ１（２００８−３６１−２）で、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、２００８年２月１日に出願された、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｍａｓｕｉ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓらによる、「ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＯＦ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ−ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＢＹ ＷＡＦＥＲ ＯＦＦ−ＡＸＩＳ ＣＵＴ」というタイトルの、同時係属中で同一譲受人の米国仮特許出願第６１／０２５，６００号、代理人整理番号３０７９４．２６０−ＵＳ−Ｐ１（２００８−３６１−１）の利益を主張し、これらの出願は本明細書に参考として援用される。

（１．本発明の分野）
本発明は、発光ダイオードに関し、より具体的には、インジウム（Ｉｎ）混和の増加による、窒化物発光ダイオードの偏光の向上に関する。

（本発明の背景）
（２．関連技術の説明）
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、多くの用途の中でもとりわけ、表示ランプ、局所照明器、および光送信機として、過去３０年にわって使用されている。過去１０年においては、青色および緑色ＬＥＤ系高輝度アルミニウム−インジウム−窒化ガリウム［（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ］が開発され、一般照明およびフルカラーディスプレイ用途に出現し始めている。

ＬＥＤ加工の観点において、従来のＬＥＤは、非干渉性かつ非偏光発光のため、ダイがパッケージに取り付けられる際、ＬＥＤパッケージの特定のダイ方位を画定することは、必須ではない。一般的ＬＥＤ加工では、ダイ方位は、ＬＥＤウエハがダイスカットされる際にのみ重要であって、これは、ウエハ上へのＬＥＤフォトリソグラフィパターニングが、結晶方向に沿って、パターンを配向することによって行なわれる理由である。本配向プロセスは、ダイ分割を信頼性のあるものにし、より高い生産収率をもたらす。

絶縁基板（例えば、サファイア）上に調製されるＡｌＩｎＧａＮ ＬＥＤの場合、２つの電気接点がＬＥＤダイの片側に生成され、パッケージに対するダイ方位は、正および負の金属接点の位置の観点から重要である。信頼性のあるダイ分割および電気接点のためのこのような配向は、必ずしもＬＥＤ加工のみにおいてではなく、いずれの半導体素子にとっても、一般的慣行である。しかしながら、ＬＥＤダイ配向は、発光特性の観点から、加工に考慮されてはいない。

内部電気分極は、光電子工学において使用される半導体の中でも、ＡｌＩｎＧａＮ系の特異的特性であって、本特性は、該材料系の六方晶構造に由来する。図１は、その標示付け規約とともに、結晶主軸ａｌ １０２、ａ２ １０４、ａ３ １０６、ｃ軸１０８、および一般的な着目結晶平面（ｒ平面１１０、ａ平面１１２、ｍ平面１１４、およびｃ平面１１６）を伴う、一般的六方晶構造１００を図式的に示す。

電気分極は、ｃ軸に沿った反転対称の欠如によって、六角形構造内に生成される。例えば、ＧａＮの場合、図２は、ＧａＮ結晶２００中の原子の配列を例示し、白丸２０２は、ガリウム（Ｇａ）原子を表し、黒丸２０４は、窒素（Ｎ）原子を表す。図２に示されるＧａＮ２００のｃ軸２０６に沿って、Ｇａ原子２０２（陽イオン、正の電荷を帯びている）およびＮ原子２０４（陰イオン、負の電荷を帯びている）は、交互に位付けられ、全体として、電気的中性が維持される。また、図２には、ａ軸２０８も示される。

しかしながら、反転対称の欠如のため、原子が、ｃ軸に沿って、互いに対してその理想的位置から変位されると、本ｃ軸に沿って、内部電場が存在する。ＡｌＩｎＧａＮ系内の原子は、通常、その理想的位置を維持しないため、本分極場は、ほぼ常に、ｃ軸に沿って存在する。このような理由から、ｃ平面は、極性平面と呼ばれる。分極場は、これらの特定の軸に沿った反転対称によって、ａ軸またはｍ軸のいずれに沿っても存在しない。このような理由から、ａ平面およびｍ平面は、無極性平面と呼ばれる。これらの無極性平面に対して、偏極ベクトル（分極場の方向および強度を表す）は、正味偏極ベクトルがｃ軸に平行であるため、平面に平行である。

ＡｌＩｎＧａＮ材料は、従来、ｃ方向（すなわち、ｃ軸に沿った方向）、したがって、ｃ平面上に成長される。ｃ平面上に成長されるＬＥＤは、極僅かな偏光を示す。本ｃ平面上では、分極場は、面内成分を有さず、ＬＥＤの量子井戸（ＱＷ）構造中のｃ平面内の等方性機械応力は、ＱＷ内のキャリア再結合の性質を変化させない。

近年、ａおよびｍ平面上にＡｌＩｎＧａＮ ＬＥＤを調製することが可能となっている。これらのＬＥＤは、直線偏光発光を呈する。分極場は、平面内の特定の方向（ｃ方向）にあって、ＱＷ内の応力は、基板とＱＷとの間の異なる格子不整合度によって、ａまたはｍ平面内の２つの垂直方向に等方性である。発明者らは、これらの無極性ＬＥＤからの発光は、ｃ軸に垂直方向の直線偏光であることを認めている。直線偏光は、波動伝搬に対して垂直の一平面内においてのみ、その電場を有する電磁波である。非偏光は、波動伝搬に対して垂直の平面方向に、その電場を均等に分布させる。偏光の主要用途は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のための背面照明であって、ＬＥＤは、従来の冷陰極蛍光灯と比較して、そのコンパクト性およびエネルギー効率により有益である。

また、半極性平面上に調製されるＡｌＩｎＧａＮ ＬＥＤも、偏光を放出することが認められている。ｃ軸に平行な偏極ベクトルの射影は、無極性平面場合と同様に、半極性平面上にある。

偏光発光は、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎの無極性および半極性方位に調製されるＬＥＤから、実験的に認められている。あらゆる従来のＬＥＤは、非偏光を放出するが、偏光発光は、ＬＣＤのための背面照明等のある用途において有用であると考えられる。

偏光発光の利点を享受するため、高偏光比が好ましい。したがって、ＬＥＤにおいて、高偏光比を得るための技術改良の必要性が、当技術分野に存在する。

（本発明の概要）
本発明は、無極性ＬＥＤから高偏光比を得るための技術を提供する。その発光層内に高Ｉｎ含有量を有する無極性ＬＥＤは、高偏光比を伴う発光特徴を保有する傾向にある。４７７ｎｍ（約２８％のＩｎ含有量または組成に対応する）の波長で発光するＬＥＤは、４７７ｎｍより短い波長で発光するいずれの他の検討されたＬＥＤと比較して、最高偏光比（０．８７）を提供することが認められている。

上述の従来技術における制限を克服し、本明細書の熟読および理解によって明白となるであろう他の制限を克服するために、本発明は、偏光を放出するＬＥＤを開示する。

ＬＥＤは、１つ以上の発光層を含んでもよく、発光層のＩｎ含有量は、発光層によって発光される偏光の偏光比が０．８超のものである。Ｉｎ含有量を伴う発光層は、ＩＩＩ族窒化物層上に形成されてもよく、Ｉｎ含有量は、偏光比を０．８超に増加させるために、ＩＩＩ族窒化物層との格子不整合の増加によって、発光層内に歪を増加させる。

ＬＥＤは、１つ以上の（Ａｌ_ｚＪｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体を含んでもよく、（Ａｌ_ｚＪｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体は、ウルツ鉱結晶の無極性方位上にエピタキシャルに、あるいはＧａＮ基板またはＧａＮ鋳型（ＧａＮ鋳型は、例えば、異種基板上に調製されるＧａＮ層である）上にエピタキシャルに調製されてもよい。さらに、（Ａｌ_ｚＪｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体は、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１を伴う、ＧａＮではない（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ基板または鋳型上にエピタキシャルに調製され、ＧａＮと異なる歪管理のための基盤を設定してもよい。

ＬＥＤは、量子井戸（ＱＷ）構造または二重ヘテロ（ＤＨ）構造を含んでもよく、ＱＷ（例えば、単一ＱＷ構造または多重ＱＷ構造）あるいはＤＨ構造は、活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する１つ以上の障壁層またはクラッド層間に埋め込まれる発光活性層を含む。

活性層は、範囲０＜ｙ≦１内のＩｎ含有量（ｙ）を伴うＩｎ_ｙＧａＮを含んでもよく、Ｉｎ含有量は、活性層中に誘発される歪を制御し、誘発される歪は、偏光の偏光度を制御する。例えば、活性層は、活性層中のｙ値より小さいＩｎ含有量（ｙ）値を有する１つ以上のＩｎ_ｙＧａＮまたはＧａＮ層間に埋め込まれる（Ｉｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、およびｘ＋ｙ＝１）を含んでもよい。別の実施例では、活性層は、活性層中の歪を調節し、偏光の偏光度を制御するためのＡｌＩｎＧａＮである。活性層は、歪を解放する不整合転位の発生を回避するために、臨界厚より薄くてもよい。

本発明は、ＬＥＤから放出される光の偏光度を制御するステップを含む、ＬＥＤを加工する方法をさらに開示する。制御ステップは、活性層中のＩｎ含有量を変化させ、誘発される歪を制御するステップであってもよい。例えば、活性層が、１つ以上のＩｎ_ｙＧａＮまたはＧａＮ障壁層間に埋め込まれる（Ｉｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、およびｘ＋ｙ＝１）を含む場合、制御ステップは、障壁層のＩｎ含有量は不変のまま、活性層中のＩｎ含有量（ｙ、０＜ｙ≦１）を変化させ、誘発される歪を制御するステップを含んでもよい。加えて、本方法は、障壁層のＡｌ含有量は不変のまま、ＡｌＩｎＧａＮに対する活性層のアルミニウム含有量を変化させ、歪を調節するステップをさらに含んでもよい。

さらなる実施例として、制御ステップは、ＬＥＤの１つ以上の発光層中のＩｎ含有量を増加させることによって、偏光度を増加させるステップであってもよい。Ｉｎ含有量を伴う発光層は、ＩＩＩ族窒化物層上に形成されてもよく、Ｉｎ含有量の増加は、偏光比を増加させるために、ＩＩＩ族窒化物層との格子不整合の増加によって、発光層中の歪を増加させる。

次に、図面を参照する（同一参照番号は、全体を通して対応する部品を表す）。
図１は、一般的六方晶構造および着目結晶平面の概略図である。 図２は、ＧａＮ結晶中の原子の配列を例示し、白丸は、Ｇａを表し、黒丸は、Ｎを表す。 図３は、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）発光波長（ナノメートル、ｎｍ）の関数として、１ｍＡ駆動電流における偏光比を例示するグラフであって、ＥＬは、１ｍＡ駆動電流に応答して、単一量子井戸（ＳＱＷ）を含む発光層によって放出され、発光波長は、ＳＱＷ中のＩｎ組成を変動させることによって変化し、４７７ｎｍの発光波長は、２８％のＩｎ組成に対応し、発光波長およびＩｎ組成は、線形関係を有し、３６５ｎｍの発光波長は、０％のＩｎ組成に対応する（０．００の偏光比は、ｃ平面ＬＥＤを使用して達成可能であることに留意されたい）。 図４は、ＬＥＤを加工し、ＬＥＤから放出される光の偏光度を制御する方法を例示する工程図である。 図５（ａ）は、ＬＥＤ構造の断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＬＥＤの上面図の概略図であって、偏光方向ａおよびｂを例示し、ａおよびｂは、直交し、素子表面の同一平面上にある。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、ＬＣＤ動作の原理を例示し、従来の技術では、偏光は、第１の偏光子を通過後に得られる。

（本発明の詳細な説明）
好ましい実施形態の以下の説明では、本明細書の一部を形成し、本発明が実践され得る特定の実施形態の一例として示される、付随の図面が参照される。他の実施形態が利用されてもよく、構造的変化は、本発明の範囲から逸脱することなく成され得ることを理解されたい。

（用語）
ここで、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料の本特定の研究分野の慣習に基づく、本開示で使用される用語を明確にすることは有意義である。

電気分極および偏光は両方とも、本発明における重要な概念であるが、異なる物理的現象である。但し、両方とも「偏極」と称されている。

電気分極は、偏極ベクトルおよび内部分極電場に関し、特定の材料系の結晶構造に基づく。この場合、材料は、「偏極」材料と称される。材料が内部電気分極を有さない場合、「無極性」材料と称される。

偏光は、電磁波放出に関し、光は、「偏光」と称される場合が多い。偏光の概念は、電磁波が空間中を伝搬する様子に基づく。

平面に垂直な偏極ベクトルを有する極性材料の結晶平面は、「極性」平面と称される。平面に平行な偏極ベクトルを有する平面は、「無極性」平面と称される。平面に対していずれかの他の角度で偏極ベクトルを有する平面は、「半極性」平面と称される。本慣習（極性、無極性、または半極性）が、素子（例えば、ＬＥＤ）に適用される場合、素子がその（極性、無極性、または半極性）結晶平面上に調製されることを意味する。

（概要）
無極性および半極性ＡｌＩｎＧａＮ系ＬＥＤは、偏光を放出するように示されている一方、従来のＬＥＤは、非偏光のみ放出する。無極性ＬＥＤの偏光比の最高報告値は、０．８である（室温測定）。実践用途の場合、依然として、より高い偏光比が必要とされる。本発明は、発光層中のＩｎ含有量を増加させることによって、無極性ＬＥＤからのエレクトロルミネセンスにおいて、より高い偏光比を達成する。

例えば、本発明は、１つ以上の発光層のためにＩｎＧａＮを使用してもよく、ＩｎＧａＮは、異なる歪度または量が、異なるＩｎ組成を伴うＩｎＧａＮ層中に導入されるように、ＧａＮ上に成長されている。Ｉｎ組成および異なる歪量は、発光波長差によって認められている。

ＧａＮ層中の歪は、例えば、ＡｌＧａＮ基板を使用して、ＡｌＧａＮ基板の上面にＧａＮ層を成長させることによって変化されてもよい。具体的には、本発明は、ＧａＮ基板上に異なるＩｎ組成を伴うＩｎＧａＮを成長させ、異なる歪度を導入するステップを説明する。例えば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ基板との間の大き過ぎる不整合（格子定数の差が大き過ぎることによって生じる）は、歪を弛緩させる不整合転位を導入し、それによって、高Ｉｎ組成を伴っても、非歪ＩｎＧａＮ層をもたらす場合がある。

（技術説明）
無極性および半極性ＬＥＤからの偏光発光が報告されている。偏光比は、偏光度を示す数字であって、０は、光の偏光がなく、１は、完全偏光である。これらの無極性および半極性ＬＥＤの偏光比の一般的な値は、０．８である。これらの偏光源を使用する実践的用途の場合、高偏光比が必要とされる。

無極性ＬＥＤの偏光比を増加させるためのいくつかの方法が存在する。使用されるＬＥＤ構造および／または基板を変化させることによって誘発される歪は、偏光比に影響を及ぼすであろう。技術は、ＬＥＤ構造中の歪制御層の導入または異種基板の使用を含んでもよい。入念に調製されたＬＥＤチップは、迷光を低減し、偏光比を増加させることが可能である。低温（約１００Ｋ）で動作するＬＥＤは、偏光比を増加させる別の方法である。しかしながら、これは、光源用途にとって実用的ではない。外部技術、例えば、偏光子の使用が周知であるが、エネルギー効率の観点から好ましくない。

本発明に説明される技術は、偏光比を向上させる方法の１つである。発明者らは、発光層中のＩｎ含有量を増加させることによって、偏光比が改良されることを実験的に認めている。

図３は、ＬＥＤからの発光の偏光比が、無極性ＬＥＤの発光層中のＩｎ含有量を増加させることによって増加される様子を例示するグラフであって、発光層は、ＩＩＩ族窒化物材料から成る。図３に示されるように、発光波長およびＩｎ含有量は、ほぼ線形関係を有し、例えば、４７７ｎｍの発光波長は、２８％のＩｎ組成に対応し、３６５ｎｍの発光波長は、０％のＩｎ組成に対応する。さらに、偏光比は、発光波長の増加に伴って増加する傾向にあって、発光層中のＩｎ含有量の増加に直接対応する。具体的には、偏光比は、発光波長およびＩｎ組成の増加に伴って増加する。

これらの効果は、理論的に研究されているが、実験的に検証されてはいない。発明者らは、理論的研究に従って、これらの現象が発光層の歪状態に起因すると考える。

それでもなお、４７７ｎｍの波長（約２８％のＩｎ含有量に対応する）で発光するＬＥＤは、４７７ｎｍより短い波長で発光する任意の他の検証されたＬＥＤと比較して、最高偏光比（０．８７）を提供することを認めている。したがって、その発光層中に高Ｉｎ含有量を有する無極性ＬＥＤは、高偏光比を伴う発光特徴を保有する傾向にある。

（可能性として考えられる修正例および変形例）
本発明の可能性として考えられる修正例は、ＬＥＤ構造内に歪制御層を導入することである。理論および実験によると、高偏光比が発光層中の高歪によって生じるのに伴って、歪制御層の導入が、偏光比を変化させるであろう。例えば、発光ＩｎＧａＮ層の片側または両側にＡｌＧａＮ層を挿入することは、ＩｎＧａＮ層中の歪を増加させるであろう。これは、ＡｌＧａＮがＧａＮより小さい格子定数を有し、ＩｎＧａＮ層がより大きい格子不整合を被るためである。これらの歪制御層は、ＩｎＧａＮ発光層の近傍に挿入される必要はないが、ＩｎＧａＮ層中の歪が向上されるように、ＬＥＤ構造内のいずれかの場所に挿入される。

本発明は、レーザ等の他の素子に適用されてもよい。

（プロセスステップ）
図４は、ＬＥＤから放出される光の偏光度（例えば、偏光比）を制御するステップを例示する工程図である。本方法は、以下のステップを含む。

ブロック４００は、活性層（例えば、１つ以上の発光層）中のＩｎ含有量を変化または制御し、ＬＥＤの活性層から放出される光の偏光度または偏光比を制御するステップを表す。制御ステップは、活性層中のＩｎ含有量を変化させ、誘発される歪を制御するステップであってもよい。例えば、制御ステップは、ＬＥＤの発光活性層中のＩｎ含有量を増加させることによって、偏光度（または、偏光比）を増加させるステップであってもよい。通常は、活性層は、１つ以上のＩｎ_ｙＧａＮまたはＧａＮ障壁層間に埋め込まれる（Ｉｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、およびｘ＋ｙ＝１）を含む。この場合、ステップは、障壁層のＩｎ含有量は不変のまま、ＬＥＤの活性層中のＩｎ含有量を変化させ、誘発される歪を制御するステップを含んでもよい。通常は、Ｉｎ含有量を伴う発光層は、ＩＩＩ族窒化物層上に形成（例えば、成長）され、Ｉｎ含有量の増加は、偏光比を増加させるために、ＩＩＩ族窒化物層との格子不整合の増加によって、発光層中の歪を増加させる。

ブロック４０２は、障壁層のＡｌ含有量は不変のまま、活性層がＡｌＩｎＧａＮを含有するように、活性層のアルミニウム（Ａｌ）含有量を変化させ、歪を調節するステップを表す（任意ステップ）。ブロック４０４は、ＬＥＤ内の発光層の片側または両側に、１つ以上の歪制御層を導入し、偏光比または偏光度を変化させるステップを表す（任意ステップ）。

ブロック４０６は、方法の最終結果、すなわち、ＬＥＤを表す。ＬＥＤは、例えば、無極性（または、半極性）ＬＥＤであってもよい。

図５（ａ）は、偏光５０２を発光するＬＥＤ５００の断面図である。ＬＥＤ５００は、１つ以上の（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体層５０４に基づいてもよいし、またはそれを含んでもよい。（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体５０４は、ウルツ鉱結晶等の基板または鋳型５０６上にエピタキシャルに調製（例えば、成長）されてもよい。例えば、基板または鋳型５０６は、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１を伴うＧａＮまたは（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ等のＩＩＩ族窒化物を含んでもよい。ＧａＮ鋳型５０６は、サファイア、尖晶石、ＳｉＣ、およびＳｉ等の異種基板５１０上に調製されるＧａＮ層であってもよい。加えて、（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体５０４は、ウルツ鉱結晶の無極性方位（例えば、ａ平面またはｍ平面等の無極性平面５０８）上にエピタキシャルに調製（例えば、成長）されてもよい。

基板または鋳型５０６が、（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎである（但し、ＧａＮではない）場合、基板または鋳型５０６は、偏光５０２の偏光度を制御する（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体５０４中の歪を設定してもよい。ＧａＮではない（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ基板５０６または鋳型（式中、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）は、ＧａＮと異なる歪管理の別の基盤を設定可能である。

ＬＥＤは、Ｉｎ含有量を伴う活性層５１２を含み、Ｉｎ含有量は、活性層５１２中の誘発される歪を制御し（例えば、Ｉｎ含有量を変化させることによって）、誘発される歪は、活性層５１２によって放出される偏光５０２の偏光度を制御する。例えば、活性層（例えば、発光層）５１２のＩｎ含有量は、発光層５１２によって放出される偏光５０２の偏光比が０．８超であるようなものであってもよい。通常は、Ｉｎ含有量を伴う発光層５１２は、ＩＩＩ族窒化物層５１４ａ、５０６上に形成（例えば、成長）され、Ｉｎ含有量は、偏光比を０．８超に増加させるために、ＩＩＩ族窒化物層５１４ａ、５０６との格子不整合の増加によって、発光層５１２中の歪を増加させる。

ＬＥＤ５００は、ＱＷ構造またはＤＨ構造を含んでもよく、ＱＷまたはＤＨ構造は、活性層５１２のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する１つ以上の障壁層５１４ａ、５１４ｂまたはクラッド層間に埋め込まれる薄発光活性層５１２を含む。したがって、活性層５１２は、例えば、単一ＱＷ構造または多重ＱＷ構造であってもよい。

活性層５１２は、範囲０＜ｙ≦１内のＩｎ含有量ｙを伴うＩｎ_ｙＧａＮを含んでもよく、Ｉｎ含有量は、活性層５１２中の誘発される歪を制御し、誘発される歪は、偏光５０２の偏光度を制御する。例えば、活性層５１２は、活性層５１２のｙ値より小さいｙ値を有する１つ以上のＩｎ_ｙＧａＮまたはＧａＮ層５１４ａ、５１４ｂ間に埋め込まれる（Ｉｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、およびｘ＋ｙ＝１）であってもよい。別の実施例では、活性層５１２は、障壁層５１４ａ、５１４ｂは不変のまま、Ａｌ、したがって、ＡｌＩｎＧａＮをさらに含み、歪を調節してもよい。活性層５１２中のＡｌ含有量は、活性層５１２中の歪を調節し、活性層によって放出される偏光５０２の偏光度を制御してもよい。活性層５１２は、十分に薄く（臨界厚５１６より薄い）維持され、歪を解放し得る不整合転位の発生を回避してもよい（例えば、通常は、偏光度を制御する活性層５１２中の歪の解放を回避する）。

また、活性領域５１２によって放出される光５０２を伝送する素子５００の上表面５１８が示される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の（表面５１８の垂線に沿った）概略上面図であって、表面５１８の垂直方向に放出される光５０２の偏光比を例示する。光５０２（ρ）の偏光比は、ρ＝（Ｉ_ａ＋Ｉ_ｂ）／（Ｉ_ａ−Ｉ_ｂ）として一般的に定義され、式中、Ｉ_ａおよびＩ_ｂは、それぞれ、面内方向ａおよびｂに平行（すなわち、素子表面５１８に平行またはその同一平面上にある）の極性（電場）を有する光５０２の強度である（ａおよびｂ方向は、互いに直交する）。言い換えると、Ｉ_ａは、方向ａに偏光を有する光５０２の強度であって、Ｉ_ｂは、方向ｂに偏光を有する光５０２の強度である。ρがゼロ、すなわち、Ｉ_ａ＝Ｉ_ｂの時、光５０２は、非偏光である。Ｉ_ａがＩ_ｂと等しくない時、光５０２は、（部分的に）直線偏光される。Ｉ_ａまたはＩ_ｂがゼロ（すなわち、ρが単位元）である時、光５０２は、（完全に）直線偏光される。

議論を容易にするために（ａおよびｂが表面５１８に平行であるように）、図５（ａ）は、表面５１８に垂直に出現する光５０２のみ示す。しかしながら、他の角度および他の表面から出現する光も可能である。したがって、本発明の偏光比の測定は、表面５１８に垂直に放出される光５０２を観察することによって行なわれたが、偏光ａおよびｂは、通常は、観察方向（すなわち、光５０２の伝搬方向）に対して決定される。したがって、光５０２が表面５１２に垂直に伝搬しない場合、ａおよびｂは、必ずしも表面５１８に平行ではない。実際、光５０２は、表面５１２から任意の方向に伝搬し、偏光ａおよびｂは、観察方向（視線の位置）に対するものである。

（利点および改良点）
本発明は、Ｉｎ含有量を増加させることによって、ＬＥＤ内のエレクトロルミネセンスの偏光の向上を検証した。本発明は、素子の発光層中のＩｎ含有量の増加にのみ依存する（歪制御層が挿入されない限り）。故に、材料成長の追加プロセス、無菌室処理、または素子パッケージングは、必要とされない。Ｉｎ含有量の変化は、偏光度ではなく、発光波長を変化させるために一般に使用されている。

本発明の特定の用途の１つは、ＬＣＤの背面照明のためのものである。ＬＣＤは、フラットパネルディスプレイにおける成長技術である。自己発光素子ではないため、ＬＣＤは、ディスプレイユニット内に光源を必要とする。光源は、現在、冷陰極蛍光灯からＬＥＤに変化しつつあり、したがって、ＬＥＤ市場の本部門は、増加するであろうことが期待される。

ＬＣＤ６００は、図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、偏光技術に基づく。液晶６０２の薄層は、電気的制御された偏光回転子として作用する。直線偏光６０４が、液晶層６０２上に入射すると、光６０４は、液晶６０２を電気的に動作６０８させることによって、通過（図６（ａ）の光出力６０６）または遮断（光出力６０６がない、図６（ｂ））され得る。ＬＣＤユニット６００が必要とするものは、光源６１０によって放出される源光６１４の好ましくない偏光成分を濾光するためのプラスチックシートである、線形偏光子６１２と組み合わせた光源６１０である。例えば、図６（ｂ）は、交流（ＡＣ）電圧６０８が液晶６０２に印加されると、光出力６１６が偏光子６１８によって遮断されるように、液晶６０２が、偏光６０４を回転させないことを示す。図６（ａ）は、印加されるＡＣ電圧６０８の不在下、液晶６０２が偏光６０４を回転させ、偏光子６１８を通過し、光出力６０６を形成する偏光を有する光６２０を形成することを示す。また、図６（ａ）および図６（ｂ）には、配向膜６２２が示される。

偏光子６１２の透過率は、通常は、８０％であって、したがって、光６１４の２０％は、偏光子６１２によって損失される。１つ以上の偏光ＬＥＤ（光源６１０として）がＬＣＤ適用される場合、偏光子６１２は、もはや必要とされず、ディスプレイ輝度が、大幅に増加される。加えて、ディスプレイユニット６００の重量が減少される。これらの利点を達成するために、高偏光比が、ＬＥＤ６１０のために必要とされる。本発明は、本目的に寄与する単純な技術である。

（参考文献）
以下の参考文献が本明細書中で参考として援用される。

１． Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ，ｅｔ ａｌ．，“Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ−ｍ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｍ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４５，Ｌ１１９７（２００６）。この論文は、バルクＧａＮ基板上に加工された無極性のＬＥＤについて０．７７の偏光比を報告している。

２． Ｈ．Ｔｓｕｊｉｍｕｒａ，ｅｔ ａｌ．，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ｍ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６，Ｌ１０１０（２００７）。この論文は、バルクＧａＮ基板上に加工された無極性のＬＥＤについて０．８の最大偏光比を報告している。

３． Ｓ．Ｎａｋａｇａｗａ，“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ｎｏｎｐｏｌａｒ ｍ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９１，１７１１１０（２００７）。この論文は、偏光比における温度の影響を報告している。報告された最高数は０．９８（１００Ｋにて測定）。室温においては偏光比として０．８５が報告されている。

４． Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，“Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｓｔｒａｉｎｅｄ ＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６，Ｌ７８９（２００７）。この論文は、無極性および他の入射面において偏光の理論的計算を提供する。

５． Ｈｉｓａｓｈｉ Ｍａｓｕｉ，Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ，Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ，Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，“Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍ−ｏｒｉｅｎｔｅｄ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｉｎｄｉｕｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４１（２００８）２２５１０４（７ｐｐ）。

（結論）
ここで、本発明の好ましい実施形態の説明を結論付ける。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、例示および説明の目的のために提示されている。本発明を包括的または開示される正確な形態に限定することを意図するものではない。多くの修正例および変形例が、上述の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、本発明を実施するための形態によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されることが意図される。

Claims (21)

1. 偏光を放出する、発光ダイオード（ＬＥＤ）。
2. 前記ＬＥＤは、１つ以上の発光層から成り、該発光層のインジウム（Ｉｎ）含有量は、該発光層によって放出される前記偏光の偏光比が０．８超のものである、請求項１に記載のＬＥＤ。
3. 前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物層上に形成され、該発光層の前記Ｉｎ含有量は、前記偏光比を０．８超に増加させるために、該ＩＩＩ族窒化物層との格子不整合の増加によって、該発光層中の歪を増加させる、請求項２に記載のＬＥＤ。
4. 前記ＬＥＤは、１つ以上の（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体から成る、請求項１に記載のＬＥＤ。
5. 前記（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体は、ウルツ鉱結晶の無極性方位上にエピタキシャルに調製される、請求項４に記載のＬＥＤ。
6. 前記（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体は、ＧａＮ基板またはＧａＮ鋳型上にエピタキシャルに調製される、請求項４に記載のＬＥＤ。
7. 前記ＧａＮ鋳型は、異種基板上に調製されるＧａＮ層である、請求項６に記載のＬＥＤ。
8. 前記（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ半導体は、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１を伴う、ＧａＮではない、（Ａｌ_ｚＩｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ基板または鋳型上に調製され、ＧａＮと異なる歪管理のための基盤を設定する、請求項４に記載のＬＥＤ。
9. 前記ＬＥＤは、量子井戸（ＱＷ）構造または二重ヘテロ（ＤＨ）構造から成り、該ＱＷまたはＤＨ構造は、発光活性層であって、該活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する１つ以上の障壁層またはクラッド層間に埋め込まれる、発光活性層を含む、請求項１に記載のＬＥＤ。
10. 前記活性層は、該活性層のＩｎ含有量（ｙ）値より小さいｙ値を有する１つ以上のＩｎ_ｙＧａＮまたはＧａＮ層間に埋め込まれる（Ｉｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、およびｘ＋ｙ＝１）を含む、請求項９に記載のＬＥＤ。
11. 前記活性層は、単一ＱＷ構造または多重ＱＷ構造である、請求項９に記載のＬＥＤ。
12. 前記活性層は、範囲０＜ｙ≦１内のインジウム（Ｉｎ）含有量ｙを伴うＩｎ_ｙＧａＮを含み、該Ｉｎ含有量は、該活性層中で誘発される歪を制御し、該誘発される歪は、前記偏光の偏光度を制御する、請求項９に記載のＬＥＤ。
13. 前記活性層は、臨界厚より薄く、歪を解放する不整合転位の発生を回避する、請求項９に記載のＬＥＤ。
14. 前記活性層は、歪を調節するためのＡｌＩｎＧａＮである、請求項９に記載のＬＥＤ。
15. 発光ダイオード（ＬＥＤ）から放出される光の偏光度を制御することを含む、ＬＥＤを加工する方法。
16. 前記制御ステップは、活性層中のインジウム（Ｉｎ）含有量を変化させ、誘発される歪を制御するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. （１）前記ＬＥＤは、活性層を含み、
    （２）該活性層は、１つ以上のＩｎ_ｙＧａＮまたはＧａＮ障壁層間に埋め込まれる（Ｉｎ_ｙＧａ_ｘ）Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、およびｘ＋ｙ＝１）を含み、
    （３）前記制御ステップは、該障壁層のＩｎ含有量は不変のまま、該活性層中の前記Ｉｎ含有量（ｙ、０＜ｙ≦１）を変化させ、前記誘発される歪を制御することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記障壁層のＡｌ含有量は不変のまま、ＡｌＩｎＧａＮに対する前記活性層のアルミニウム（Ａｌ）含有量を変化させ、歪を調節することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記制御ステップは、前記ＬＥＤの１つ以上の発光層中のインジウム（Ｉｎ）含有量を増加させることによって、前記偏光度を増加させることを含む、請求項１５に記載の方法。
20. ＩＩＩ族窒化物層上に前記Ｉｎ含有量を伴う発光層を形成することをさらに含み、該Ｉｎ含有量の増加は、偏光比を増加させるために、該ＩＩＩ族窒化物層との格子不整合の増加によって、該発光層中の歪を増加させる、請求項１８に記載の方法。
21. 発光ダイオード（ＬＥＤ）から発光させるための方法であって、
    該ＬＥＤの発光領域から発光させることを含み、該発光領域のインジウム含有量は、該光の偏光比が０．８超のものである、方法。

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