JP2012507875A

JP2012507875A - ｐ型ＧａＮが薄く、かつＡｌＧａＮ電子遮断層を含まない窒化ガリウムベースの発光ダイオード

Info

Publication number: JP2012507875A
Application number: JP2011534862A
Authority: JP
Inventors: ホンチョン，; アヌラグティアギ，; ジェームズエス．スペック，; スティーブンピー．デンバース，; シュウジナカムラ，
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2012-03-29
Also published as: US8044383B2; WO2010053880A1; US20120037884A1; US20110037085A1; US8227819B2; KR20110086129A

Abstract

１００ｎｍ以下の厚さを有するｐ型層と、ｎ型層と、発光するためのｐ型層とｎ型層との間に位置付けられる活性層とを有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、ＬＥＤは、別個の電子遮断層を含まない。一実施形態において、活性層は、４ｎｍ以上の厚さを有する１つ以上の量子井戸を備えている。さらに、一実施形態において、活性層は、活性層内で電子担体を捕捉し、閉じ込め、それにより、電子遮断層の機能を提供するための十分に厚い厚さと組成とを有する。

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）により、同時係属の同一人に譲渡された米国仮出願第６１／１１１，６４２号（２００８年１１月５日出願、ＨｏｎｇＺｈｏｎｇ，ＡｎｕｒａｇＴｙａｇｉ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ、名称「ＴＨＩＮＰ−ＴＹＰＥＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＡＮＤＡＬＵＭＩＮＵＭＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＥＬＥＣＴＲＯＮ−ＢＬＯＣＫＩＮＧＬＡＹＥＲＦＲＥＥＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤＬＩＧＨＴＥＭＩＴＴＩＮＧＤＩＯＤＥＳ」、代理人事件番号３０７９４．２９１−ＵＳ−Ｐ１（２００９−１５６））の利益を主張する。該出願は、参照により本明細書に引用される。

本願は、以下の、同時係属の同一人に譲渡された米国特許出願に関連する：
米国特許出願第１２／３７０，４７９号（２００９年２月１２日出願、ＡｒｐａｎＣｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＳｔａｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ、名称「ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮＯＦＮＯＮＰＯＬＡＲＩＮＤＩＵＭＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ，」、代理人事件番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｃ２）。該出願は、米国特許法第１２０条により、米国特許出願第１１／６２１，４７９号（２００７年１月９日出願、現在は米国特許第７，５０４，２７４号（２００９年３月１７日発行）、ＡｒｐａｎＣｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＳｔａｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ，ＵｍｅｓｈＫ．Ｍｉｓｈｒａ、名称「ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮＯＦＮＯＮＰＯＬＡＲＩＮＤＩＵＭＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ，」、代理人事件番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｃ１（２００４−４９５−３））の継続出願であり、該出願は、米国特許法第１２０条により、米国特許出願第１１／１２３，８０５号（２００５年５月６日出願、現在は米国特許第７，１８６，３０２号（２００７年３月６日発行）、ＡｒｐａｎＣｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＳｔａｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ，ＵｍｅｓｈＫ．Ｍｉｓｈｒａ、名称「ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮＯＦＮＯＮＰＯＬＡＲＩＮＤＩＵＭＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ，」、代理人事件番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｕ１（２００４−４９５−２））の継続出願であり、該出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）により、米国仮出願第６０／５６９，７４９号（２００４年５月１０日出願、ＡｒｐａｎＣｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＳｔａｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ，ＵｍｅｓｈＫ．Ｍｉｓｈｒａ、名称「ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮＯＦＮＯＮＰＯＬＡＲＩｎＧａＮＴＨＩＮＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ，」、代理人事件番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｐ１（２００４−４９５−１））の利益を主張する；
米国特許出願第１１／６２１，４８２号（２００７年１月９日出願、ＴｒｏｙＪ．Ｂａｋｅｒ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＰａｕｌＴ．Ｆｉｎｉ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ、名称「ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＴＨＥＧＲＯＷＴＨＯＦＰＬＡＮＡＲＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥ，」、代理人事件番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｃ１（２００５−４７１−３））。該出願は、米国特許法第１２０条により、米国特許出願第１１／３７２，９１４号（２００６年３月１０日出願、現在は米国特許第７，２２０，３２４号（２００７年５月２２日発行）、ＴｒｏｙＪ．Ｂａｋｅｒ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＰａｕｌＴ．Ｆｉｎｉ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ、名称「ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＴＨＥＧＲＯＷＴＨＯＦＰＬＡＮＡＲＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥ，」、代理人事件番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｕ１（２００５−４７１−３））の継続出願であり、該出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）により、米国仮出願第６０／６６０，２８３号（２００５年３月１０日出願、ＴｒｏｙＪ．Ｂａｋｅｒ，ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ，ＰａｕｌＴ．Ｆｉｎｉ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ、名称「ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＴＨＥＧＲＯＷＴＨＯＦＰＬＡＮＡＲＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥ，」、代理人事件番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｐ１（２００５−４７１−１））の利益を主張する；
米国特許出願第１１／８５２，９０８号（２００７年９月１０日出願、Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、名称「ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲＡ−ＰＬＡＮＥＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳＧＲＯＷＮＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ，」、代理人事件番号３０７９４．２４５−ＵＳ−Ｉ１（２００２−３０１−４））。該出願は、米国特許出願第１０／４１３，６９１号（２００３年４月１５日出願、ＭｉｃｈａｅｌＤ．Ｃｒａｖｅｎ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ、名称「ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲＡ−ＰＬＡＮＥＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳＧＲＯＷＮＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ，」、代理人事件番号３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１（２００２−２９４−２））の一部継続出願であり、該出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）により、米国仮出願第６０／３７２，９０９号（２００２年４月１５日出願、ＭｉｃｈａｅｌＤ．Ｃｒａｖｅｎ，ＳｔｅｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＴａｌＭａｒｇａｌｉｔｈ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ，ＵｍｅｓｈＫ．Ｍｉｓｈｒａ、名称「ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲＡ−ＰＬＡＮＥＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，」、代理人事件番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３））の利益を主張する；および、
米国特許出願第１１／４７２，０３３号（２００６年６月２１日出願、ＭｉｃｈａｅｌＤ．Ｃｒａｖｅｎ，ＳｔｅｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＴａｌＭａｒｇａｌｉｔｈ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ，ＵｍｅｓｈＫ．Ｍｉｓｈｒａ、名称「ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ（Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）ＮＱＵＡＮＴＵＭＷＥＬＬＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳ，」、代理人事件番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｄ１（２００２−３０１−３））。該出願は、米国特許法第１２０条、１２１条により、米国特許出願第１０／４１３，６９０号（２００３年４月１５日出願、現在は米国特許第７，０９，５１４号（２００６年８月１５日発行）、ＭｉｃｈａｅｌＤ．Ｃｒａｖｅｎ，他、名称「ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ（Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）ＮＱＵＡＮＴＵＭＷＥＬＬＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳ，」、代理人事件番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０１−２））の分割出願であり、該出願に基づく利益を主張し、該出願は、米国特許法第第１１９条（ｅ）により、米国仮出願第６０／３７２，９０９号（２００２年４月１５日出願、ＭｉｃｈａｅｌＤ．Ｃｒａｖｅｎ，ＳｔｅｃｉａＫｅｌｌｅｒ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ＴａｌＭａｒｇｌｉｔｈ，ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ，ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ，ＵｍｅｓｈＫ．Ｍｉｓｈｒａ、名称「ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲＡ−ＰＬＡＮＥＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，」、代理人事件番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３））の利益を主張する。上記全ての出願は、参照により本明細書に引用される。

（発明の分野）
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、種々の照明の用途のための高効率および高輝度ＬＥＤ、およびこうしたＬＥＤの製造方法に関する。

（注記：本願は、括弧内の１つ以上の参照番号（例えば、参考文献［ｘ］）によって、本明細書を通して指示されるように、いくつかの異なる刊行物を参照する。このような参照番号に従って順序付けられたこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」の項に列挙される。これらの刊行物はそれぞれ、参照することによって本明細書に組み込まれる。）
窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのワイドバンドギャップ半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）が、およそ１５年の間、利用可能となっている。ＬＥＤ開発の進展により、ＬＥＤ技術に大きな変化がもたらされ、フルカラーＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤ交通信号、白色ＬＥＤ等が実現した。

非常に効率の良い白色ＬＥＤが、蛍光灯の潜在的な代替物として大きな関心を集めている。例えば、白色ＬＥＤ（１３０−１５０ルーメン／ワット［１］）の発光効率は、既に、通常の蛍光灯（７５ルーメン／ワット）の発光効率を超えている。それにもかかわらず、現在市販されているウルツ鉱窒化物ベースのＬＥＤは、それらの［０００１］ｃ極成長方位のための、多重量子井戸（ＭＱＷ）内の分極関連の電場の存在によって特徴付けられる。ヘテロ界面における自発および圧電分極の両方における不連続性によって、量子井戸内に内部電場が生じ、これは、担体分離（量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を生じさせ、量子井戸内の放射再結合率を低減させる［２−５］。適正な放射再結合率を維持するには、ｃ極光発光デバイスは、典型的には、薄い（３ｎｍ未満の）量子井戸を有する［６−７］。

これらの分極関連の効果を低減させるために、非極性平面（つまり、（１−１００）ｍ面または（１１−２０）ａ面）上におけるＩＩＩ族窒化物デバイスの成長が実証されている［８−９］。こうした効果を低減、できれば排除するための別のアプローチは、ｃ−方向に対して傾斜している結晶面、すなわち、半極性平面上においてＩＩＩ族窒化物デバイスを成長させることである。これらの平面は、ｃ面のＩＩＩ族窒化物材料と比較して、ヘテロ構造における分極不連続を低減しており、ｃ面から約４５°に方位付けられた半極性平面について、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造内には分極の不連続は存在しない［５］。量子井戸領域内の分極関連の電場が低減すると、半極性方位のＩｎＧａＮ量子井戸内の電子および正孔波動関数は、所与の量子井戸厚さについて、ｃ極配向のＩｎＧａＮ量子井戸内の電子および正孔波動関数よりも多く重複を有する（このためより高い放射効率がもたらされる）と考えられる。換言すると、放射再結合率への不利益な効果について心配せずに、半極性ＬＥＤに厚い量子井戸設計を利用することができる。異なる半極性平面（（１０−１−１）、（１０−１−３）、（１１−２２）平面等を含む）上で成長されたデバイスが実証されており、これらは、大幅に低減した分極関連の電場を示す［１０−１２］。しかしながら、これらのヘテロエピタキシャルに成長したデバイスの出力電力は、積層欠陥および貫通転位という問題を抱えている。最近になって、高品質の自立ＧａＮ基板の登場により、無極性のｍ面、半極性（１０−１−１）、および（１１−２２）自立ＧａＮ基板上における４０７ｎｍ〜５１３ｎｍの範囲のピーク放射波長を有する、高性能の無極性および半極性ＬＥＤが報告されている［１３−１７］。しかしながら、これらのデバイスの出力電力は、今も典型的な最新のｃ極デバイスよりも低く、それは、部分的には、最適化されていないＬＥＤエピタキシャル層構造を原因とする可能性がある。

本発明は、この問題を解決すると期待されている新規の半極性ＬＥＤエピタキシャル層構造を示す。

上述の従来技術における制限を克服し、かつ本発明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も克服するために、本発明は、薄い（つまり１００ナノメートル（ｎｍ）未満の）ｐ型ＧａＮ層を含み、ＡｌＧａＮ電子遮断層（ＥＢＬ）を含まないＧａＮベースの半極性方位発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造するための新規のアプローチを含む。好適な実施形態において、ＬＥＤのための基板として、自立半極性（１０−１−１）ＧａＮが使用される。本発明は、既存の半極性ＬＥＤを超えるいくつかの利点を提供する。まず、ｐ型ＧａＮが薄く、かつＡｌＧａＮＥＢＬを含まない設計により、直列抵抗、ひいてはＧａＮベースのＬＥＤの動作電圧を低下させることができる。さらに、薄いｐ型ＧａＮ層は、量子井戸領域から発せられる光の吸収を低減し得る。さらに、正孔担体の注入効率は、ＡｌＧａＮＥＢＬの除去によって恩恵を受ける可能性がある。

一実施形態において、ＬＥＤは、発光のために、１００ｎｍ以下の厚さを有するｐ型層と、ｎ型層と、ｐ型層とｎ型層との間に位置付けられる活性層であって、ｐ型層、ｎ型層、および活性層は、半極性窒化物ベースの材料から成る、活性層と、を備える。例えば、ｐ型層は、最大でも５０ｎｍの厚さを有する。ＬＥＤは、ＩＩＩ族窒化物ベースであってもよいが、例えば、ＡｌＧａＮ電子遮断層は含まない。

活性層は、４ｎｍ以上の厚さを有する１つ以上の量子井戸を含んでもよく、活性層／量子井戸は、活性層内で電子担体を捕捉し、閉じ込め、それにより、電子遮断層の機能を提供するように、十分厚い厚さと、組成とを有する。量子井戸は、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸であり得る。

本発明のＬＥＤは、別個のＡｌＧａＮ遮断層と、より厚いｐ型層とを備える、ＬＥＤと比較して、より高い発光効率、結晶品質、正孔注入効率、より低い直列抵抗、動作電圧、および光吸収を有し得る。

本発明は、さらに、基板上にｎ型層を堆積させるステップと、ｎ型層上に、発光するための活性層を堆積させる（例：４ｎｍより大きく、かつ、活性層内で電子担体を捕捉し、閉じ込め、それにより、電子遮断層の機能を提供するような厚さおよび組成に、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を成長させる）ステップと、活性層上に、１００ｎｍ以下の厚さ（例：最大でも５０ｎｍの厚さ）までｐ型層を堆積させるステップとを含み、ｐ型層、ｎ型層、および活性層は、半極性窒化物ベースの材料から成る、ＬＥＤを製造するための方法を開示する。

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（ａ）は、本発明の一実施形態に従う、ＬＥＤの概略断面図である。図１（ｂ）は、本発明の活性領域の一例の概略断面図である。図２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮＭＱＷまたは単一量子井戸（ＳＱＷ）を含む、ｐ型ＧａＮが薄く、かつＡｌＧａＮＥＢＬを含まない半極性ＬＥＤのためのエピタキシャル層構造の別の例の概略断面図である。図３は、本発明に従う、ＬＥＤのさらに別の例の概略断面図である。図４は、本発明の方法を示すフローチャートである。

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得、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。

（概要）
本発明の目的は、性能および製造可能性を向上させた、半極性方位のＧａＮベースのＬＥＤを生成することである。提案されたデバイスは、典型的には、種々のディスプレイ、照明、および固体の照明用途のための光源として使用される。

ｐ型ＧａＮが薄く、かつＡｌＧａＮ−ＥＢＬを含まないＬＥＤ構造の実現は、（本発明は、ＬＥＤエピタキシャル構造をさらに簡略化するため）ＧａＮベースのＬＥＤの製造可能性における複合的な進歩を可能にし、低減された電圧動作およびより高い結晶品質を有するデバイスを作成できる可能性がある。半極性ＧａＮプラットフォームは、より高い放射再結合率、ひいてはより高い内部量子効率を有するデバイス等の性能的な利点を提供することが期待される。これらの利点は、種々の商品のコストを削減する可能性がある。

（用語）
本明細書で使用されるように、「（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ」またはＩＩＩ族窒化物は、単一種、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎ、さらに、これらのＩＩＩ族金属種の二元、三元および四元組成のそれぞれの窒化物を含むように、幅広く解釈されることを意図している。従って、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎという用語は、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮ、さらに、三元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、ならびに四元化合物ＡｌＧａＩｎＮを、こうした用語に含まれる種として考える。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）化合物種のうちの２つ以上が存在する場合、化学量論的比率および「非化学量論的（ｏｆｆ−ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）」比率（組成内に存在する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のそれぞれの存在する相対分子量に関する）を含む、全ての可能性のある組成を、本発明の幅広い範囲内で用いることができる。従って、ＧａＮ材料を参照する、以降の本発明の記載は、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料種の形成に適用可能であることが理解されよう。さらに、本発明の範囲内の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料は、微量のドーパントおよび／または他の不純物または含有材料（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌ）を含み得る。

（技術的説明）
本発明は、（Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ）Ｎ等の、しかし、これに制限されない合金で構成される半導体ＬＥＤである。そのｐ型ＧａＮ厚さが１５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であるこれまでに報告された他の半極性ＬＥＤ［１４−１８］と比較して、提案されたデバイスは、より薄いｐ型ＧａＮ層（つまり１００ｎｍ未満であり、典型的な値は５０ｎｍ）を含む。さらに、以前に報告された半極性ＬＥＤ［１４−１８］とは異なり、提案されたデバイスは、典型的には、量子井戸領域とｐ型ＧａＮ層との間に挟まれたＡｌＧａＮ電子遮断層（ＥＢＬ）を含まない。デバイスは、十分に確立された半導体デバイス製造技術を用いて成長および処理される。

図１（ａ）は、光を発するために、１００ｎｍ以下（例：最大でも５０ｎｍ）の厚さ１０４を有するｐ型層１０２、ｎ型層１０６、およびｐ型層１０２とｎ型層１０６との間に位置決めされる活性領域または層１０８を含む、本発明に従うデバイス１００（例：ＬＥＤ）を示す。活性層１０８は、典型的に、しかし必ずしもそうでなくてもよいが、活性層１０８内で電子担体を捕捉し、閉じ込め、それにより、ＥＢＬの機能を提供するように、十分厚い厚さ１１０および組成を有する。このため、本発明は、発光および電子遮断機能の両方を提供する１つの層１０８として、ＥＢＬと活性層１０８とを統合し得る。このため、一実施形態において、ＬＥＤ１００は、電子遮断のために特化して成長された別個のＥＢＬ（層１０２、１０６、１０８とは異なる）を含まない。例えば、ＬＥＤ１００は、典型的にはＡｌＧａＮ遮断層を含まない。

このため、ＬＥＤは、別個のＡｌＧａＮ遮断層およびより厚いｐ型層を含むＬＥＤと比較して、より高い発光効率、結晶品質、正孔注入効率、より低い直列抵抗、動作電圧、および光吸収を有し得る。

ＬＥＤは、典型的には、例えば、ＩＩＩ族窒化物（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層である層１０２、１０６、および１０８のＩＩＩ族窒化物ベースである。

図１（ｂ）に示すように、活性層１０８は、発光のために、４ｎｍ以上の厚さ１１４、および組成（例：ＩｎＧａＮ）を有する１つ以上の量子井戸１１２を含み得る。さらに、活性層１０８は、量子井戸１１２内で電子担体を捕捉および閉じ込めることにより、電子遮断層の機能を提供するような、組成および厚さ１１４を有する１つ以上の量子井戸１１２を含み得る。量子井戸１１２（例：ＩｎＧａＮ）は、典型的には、第１の量子井戸障壁１１６（例：ＧａＮ）および第２の量子井戸障壁１１８（例：ＧａＮ）の間に挟まれる。電子担体は、典型的には、電力源に応答して、活性層１０８および量子井戸１１２へと流れ、デバイス１００によって発せられる光を生成するために、活性層１０８および量子井戸１１２内の正孔と再び結合する。

ＬＥＤ１００は、典型的には半極性または非極性方位１２０を有し、例えば、層１０２、１０６、および１０８は、非極性または半極性方位１２０に沿って成長され、または、活性層１０８およびｎ型層１０６の間の界面１２２、ならびに活性層１０８およびｐ型層１０２の間の界面１２４が選択された非極性または半極性平面となるように、切り取られる。量子井戸１１２および第１の障壁１１６の間の界面１２６ならびに量子井戸１１２および第２の障壁１１８の間の界面１２８も、選択された非極性または半極性平面である。半極性または非極性方位１２０は、典型的には、ＱＣＳＥが、ｃ面デバイスと比較して低くなるように、量子閉じ込め方向（量子井戸１１２内の電子および正孔がエネルギー障壁によって閉じ込められる方向は、障壁層１１６、１１８によって提供される）に沿っている。

一実施形態において、全ての層、例えばｐ型層１０２、ｎ型層１０６、および活性層１０８は、半極性窒化物ベースの材料から成る。

図２は、提案されたデバイスについての典型的なエピタキシャル層構造２００を示す。これは、本発明の一実施形態である。他のエピタキシャル構造も可能であり、以下にいくつかの代替の実施形態が提案される。第１の例として、デバイス２００は、最初に、意図せずにドープされた（ＵＩＤ）および／またはｎ型ＧａＮ層２０４、次に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮＳＱＷまたはＭＱＷを含み得る量子井戸領域２０６、次に、薄いｐ型ＧａＮ層２０８を有する、半極性（１０−１−１）の自立ＧａＮ基板２０２上に成長される。デバイスの半極性方位により、個々の量子井戸厚さは、典型的にｃ極デバイス（つまり４ｎｍより大きい）で使用されるものよりも厚くすることができる。（１０−１−１）自立ＧａＮ基板２０２は、半極性（１０−１−１）平面である、その上に層２０４がエピタキシャルに成長される表面２１０を有する。

図３は、薄いｐ型ＧａＮ層３０２を有し、ＡｌＧａＮＥＢＬを含まない、自立半極性（１０−１−１）ＧａＮ基板３０４上に有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）によって成長させた半極性ＬＥＤデバイス３００の第２の例を示す。ＬＥＤエピタキシャル層構造は、１．０μｍの厚さのシリコンドープｎ型ＧａＮ３０６、３ｎｍの厚さの量子井戸３０８および３０ｎｍの厚さのＵＩＤＧａＮ障壁３１０、３１２を含む活性層、３０ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ型ＧａＮ層３０２、ならびに２０ｎｍの厚さの高濃度Ｍｇドープｐ^＋型ＧａＮ接触層３１４を含む。成長後、ＬＥＤが製造され、シルバーヘッダ上でパッケージングされる。２５０ｎｍの厚さのインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）がｐ型ＧａＮ接触３１６として使用され、Ｔｉ／Ａｕが、ｐ型およびｎ型電極３１８、３２０として使用された。代表的なＬＥＤ３００が、（封入化なし、また、意図的な光抽出方法なしで）直流（ＤＣ）動作で、積分球内におけるベアヘッダ（ｂａｒｅｈｅａｄｅｒ）上で試験された。２０ミリアンプ（ｍＡ）の駆動電流において、４４４ｎｍのピーク発光波長および１５．２ミリワット（ｍＷ）の出力電力が計測された。比較において、資料［１５］に記載される（封入化なし、また意図的な光抽出方法なしの）ベアシルバーヘッダ上で積分球において計測された最良の半極性青色ＬＥＤの出力電力は、ＤＣ動作、２０ｍＡで、１１．６ｍＷにすぎなかった。厚い（２００ｎｍ）ｐ型ＧａＮ層およびＡｌＧａＮＥＢＬを除き、この半極性ＬＥＤ（［１５］に記載される）は、ピークＥＬ発光波長、結晶方位、量子井戸厚さ、およびＩＴＯのｐ接触厚等、本発明の第２の例とほぼ同一であることに留意されたい。

ＧａＮベースのＬＥＤの種々のカテゴリを作成するための提案されたエピタキシャル構造の実施が、本発明の核である。このエピタキシャル構造は、標準的な半導体処理技術を使用して、種々のＰ型ＧａＮ層が薄く、かつＡｌＧａＮＥＢＬを含まない半極性（ＴＰＡＦ）ＬＥＤを製造し得る。

上記および以下に記載されるように、本発明には複数の応用例および修正例が存在する。

（プロセスステップ）
図４は、以下のステップを含む、ＬＥＤを製造する方法を示す。

ブロック４００は、基板上、例えば非極性または半極性の基板上、あるいは基板の非極性または半極性の平面上、あるいは半極性または非極性の成長を支持する基板上に、第１の伝導型（例：ｎ型層）を有する層を堆積すること（例：成長させること）を示す。ｎ型層は、例えば、ＩＩＩ族窒化物の非極性または半極性方位に沿って成長し得る。

ブロック４０２は、第１の伝導型を有するブロック４００の層上で発光するための活性層または領域を堆積すること（例：成長させること）を示す。一例において、活性層を堆積することは、４ｎｍ以上の厚さを有する１つ以上の量子井戸を成長させることを含む。さらに、方法は、典型的には、しかし必ずしもそうでなくてもよいが、電子担体を捕獲および閉じ込めることにより、電子遮断層の機能を提供する厚さにまで、およびそのような機能を提供する組成を用いて活性層を堆積することを含む。例えば、活性層の堆積は、電子担体を捕獲および閉じ込める厚さおよび組成を有する１つ以上の量子井戸の成長を含み得る。量子井戸は、ＩｎＧａＮ量子井戸として成長され得る。

このため、ＡｌＧａＮ遮断層等の別個の電子遮断層は、ＬＥＤ内に含まれる必要はない。

活性層は、典型的には、ブロック４００内で成長される第１の伝導型を有する層の非極性または半極性平面上において、ＩＩＩ族窒化物の非極性または半極性方位に沿っている。

ブロック４０４は、ブロック４０２の活性層上に第２の伝導型（例：ｐ型層）および１００ｎｍ以下の厚さを有する層を堆積すること（例：成長させること）を示す。一例において、ステップは、最大５０ｎｍの厚さにまでｐ型層を堆積することを含む。ｐ型層は、例えば、ＩＩＩ族窒化物の非極性または半極性方位に沿って成長し得る。

ブロック４０６は、方法の最終結果、ＬＥＤ等のデバイスを示す。ｐ型層、活性層、およびｎ型層は、典型的にはＩＩＩ族窒化物であり、ＬＥＤは、典型的には、例えばＡｌＧａＮ電子遮断層を含まない。全ての層、例えば、ｐ型層、ｎ型層および活性層は、半極性窒化物ベースの材料から成ってもよい。堆積ステップ（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）によって、別個のＡｌＧａＮ遮断層およびより厚いｐ型層を備えるＬＥＤと比較して、より高い発光効率、結晶品質、正孔注入効率、より低い直列抵抗、動作電圧、および光吸収が生じ得る。

（考えられる修正）
ＴＰＡＦＬＥＤの成長は、全ての他の半極性平面、および非極性のａ面およびｍ面を含むが、これに限定されない、半極性（１０−１−１）平面以外の（Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ）Ｎ結晶方位で実施され得る。「半極性平面」という用語は、ｃ面、ａ面、またはｍ面として分類することができない任意の平面を指すように使用できる。結晶学的用語において、半極性平面は、少なくとも２つのゼロ以外のｈ、ｉ、またはｋのミラー指数およびゼロ以外のｌのミラー指数を有する任意の平面になる。非極性のｍ面およびａ面は、それぞれ、（１０−１０）および（１１−２０）平面を指す。

好適な実施形態は、成長する構造と一致する組成格子を有する自立半極性窒化物ウエハ上に成長される、上記の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎの薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスを示した。自立半極性窒化物ウエハは、外部基板を厚い半極性窒化物層から除去することによって、バルク窒化物インゴットまたはブールを個々の半極性窒化物ウエハにカットすることによって、または任意の他の考えられる結晶成長またはウエハ製造技術によって作成し得る。本発明の範囲は、全ての考えられる結晶成長方法およびウエハ製造技術によって作成される全ての考えられる自立半極性窒化物ウエハ上の半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎの薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスの成長および製造を含む。基板は、いくつかの例において、さらに、薄膜化され、および／または研磨され、および／または除去され得る。

同様に、上記の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎ薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスは、成長される構造に一致する組成格子を有する自立非極性窒化物ウエハ上に成長され得る。自立半極性窒化物ウエハは、厚い半極性窒化物層から外部基板を除去することによって、バルク窒化物インゴットまたはブールを個々の半極性窒化物ウエハにカットすることによって、または任意の他の考えられる結晶成長またはウエハ製造技術によって作成し得る。本発明の範囲は、全ての考えられる結晶成長方法およびウエハ製造技術によって作成される全ての考えられる自立半極性窒化物ウエハ上の非極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎの薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスの成長および製造を含む。基板は、いくつかの例において、さらに、薄膜化され、および／または研磨され得る。

さらに、自立ＧａＮ以外の外部基板を、半極性または非極性テンプレートの成長のために使用できる。本発明の範囲は、全ての考えられる基板の全ての考えられる結晶学的な方位における半極性および非極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎ薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスの成長および製造を含む。これらの基板は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ケイ素、酸化亜鉛、窒化ホウ素、アルミン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、没食子酸リチウム、一部置換尖晶石、およびγ−ＬｉＡｌＯ_２構造を共有する第４正方酸化物を含むが、これに限定されない。

上記の半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎデバイスは、自立ＧａＮウエハ上に成長された。しかしながら、本発明の範囲は、さらに、非極性または半極性のエピタキシャル横方向過成長（ＥＬＯ）テンプレート上で成長された非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）Ｎデバイスを含む。ＥＬＯ技術とは、以降のエピタキシャル層における貫通転位（ＴＤ）の密度を低下させる方法である。ＴＤ密度が低下すると、デバイスパフォーマンスの向上につながる。

（Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ）Ｎ量子井戸およびヘテロ構造設計の変形例は、本発明の範囲から逸脱せずに可能である。例えば、低アルミニウム組成ＡｌＧａＮ層（Ａｌ_ｘＧａＮ_１−ｘＮ、０＜ｘ＜０．５）およびＡｌＩｎＧａＮ第４層を、量子井戸障壁として使用できる。さらに、層の特定の厚さおよび組成、成長された量子井戸の数、および含有物は、特定のデバイス設計に固有の変数であり、本発明の代替の実施形態において使用し得る。

本発明は、量子井戸を含まないＴＰＡＦＧａＮベースのＬＥＤを作成するように使用され得る。一例として、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ二重ヘテロ構造を含むＬＥＤ構造がある。

（利点および改善）
本発明は、既存の半極性ＬＥＤを超えるいくつかの利点を提供する。ｐ型ＧａＮが薄く、かつＡｌＧａＮ−ＥＢＬを含まない半極性ＬＥＤは、より高い発光有効性を有すると期待される。これは、ｐ型ＧａＮ層が薄く、かつＡｌＧａＮＥＢＬが存在しないため、直列抵抗、ひいてはＧａＮベースのＬＥＤの動作電圧を低下させることができるためである。さらに、薄いｐ型ＧａＮ層は、量子井戸領域から発する光の吸収を低減し得る。さらに、ＡｌＧａＮＥＢＬは、量子井戸活性領域内の電子担体の捕捉および閉じ込めを改善するが、正孔担体の注入の阻害もするため［１９］、正孔担体の注入効率は、ＡｌＧａＮＥＢＬの除去による恩恵を受ける可能性がある。ＡｌＧａＮＥＢＬの代わりに、半極性成長方位によって容易にされる厚い量子井戸設計は、電子担体の捕捉および閉じ込めに役立つように利用することができる（厚い量子井戸は電子担体の捕捉および閉じ込めにおいてより効率的であると期待される［２０−２２］）。

本発明の実施は、さらに、より高いＬＥＤ結晶品質を生じさせると期待される。これは、（好適には、ＩｎＧａＮ量子井戸成長温度よりずっと高い温度で成長される）薄いｐ型ＧａＮ層は、より短い成長時間しか必要とせず、これにより、ＩｎＧａＮ量子井戸領域を高温にさらすことを短くして、高温を原因とするＩｎＧａＮ量子井戸領域の考えられる悪化を緩和するためである。さらに、ＡｌＧａＮＥＢＬ層がないことは、このＡｌＧａＮ層が、典型的には、ＩｎＧａＮ量子井戸の転位を避けるために、ＩｎＧａＮ量子井戸成長温度前後で成長するので、全体的なエピタキシャル層結晶品質を向上させると予想される。高品質のＡｌＧａＮ成長に望ましくない、この温度で成長されるＡｌＧａＮは、低い結晶品質、特に、高欠陥密度が問題となる可能性がある。提案されたデバイスは、既存のデバイスと比較して大幅に簡略化されたエピタキシャル構造を有するため、本発明は、ＬＥＤの製造可能性をさらに向上させることができることに留意されたい。

その直列抵抗、光吸収を低減させ、ＩｎＧａＮ量子井戸の品質をより良く保存させるために、半極性方位ＧａＮベースのＬＥＤにおいて薄いｐ型ＧａＮ層を採用するという概念は、新規のものであると考えられる。ＬＥＤエピタキシャル層の正孔担体注入および結晶品質を向上させるための、ＡｌＧａＮ電子遮断層を含まない半極性方位ＧａＮベースのＬＥＤの概念も、新規であると考えられる。

（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、例証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制限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制限されることが意図される。

Claims

１００ｎｍ以下の厚さを有するｐ型層と、
ｎ型層と、
該ｐ型層と該ｎ型層との間に位置付けられる活性層と
を備え、該ｐ型層、該ｎ型層、および該活性層は、半極性窒化物ベースの材料から成る、
発光ダイオード（ＬＥＤ）。
前記ｐ型層は、最大でも５０ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
前記ＬＥＤは、ＩＩＩ族窒化物ベースであり、ＡｌＧａＮ電子遮断層を含まない、請求項１に記載のＬＥＤ。
前記活性層は、４ｎｍ以上の厚さを有する１つ以上の量子井戸を備えている、請求項１に記載のＬＥＤ。
前記活性層は、該活性層内で電子担体を捕捉し、閉じ込め、それにより、電子遮断層の機能を提供するための十分に厚い厚さと組成とを有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
前記活性層は、前記厚さを有する１つ以上の量子井戸を備える、請求項５に記載のＬＥＤ。
前記量子井戸は、ＩｎＧａＮ量子井戸である、請求項６に記載のＬＥＤ。
別個のＡｌＧａＮ遮断層とより厚いｐ型層とを備えているＬＥＤと比較して、より高い発光効率、結晶品質、正孔注入効率、より低い直列抵抗、動作電圧、および光吸収を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、
（ａ）基板上にｎ型層を堆積させるステップと、
（ｂ）該ｎ型層上に、発光するための活性層を堆積させるステップと、
（ｃ）該活性層上に、１００ｎｍ以下の厚さまでｐ型層を堆積させるステップと
を含み、該ｐ型層、ｎ型層、および活性層は、半極性窒化物ベースの材料から成る、
方法。
前記ｐ型層を最大でも５０ｎｍの厚さまで堆積させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
前記ｐ型層、前記活性層、および前記ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物であり、前記ＬＥＤは、ＡｌＧａＮ電子遮断層を含まない、請求項９に記載の方法。
前記活性層を堆積させるステップは、４ｎｍ以上の厚さを有する１つ以上の量子井戸を成長させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
前記活性層内で電子担体を捕捉し、閉じ込め、それにより、電子遮断層の機能を提供する厚さまで、およびそのような組成で、前記活性層を堆積させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
前記活性層を堆積させるステップは、前記厚さおよび組成を有する１つ以上の量子井戸を成長させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
前記量子井戸は、ＩｎＧａＮ量子井戸として成長させられる、請求項１４に記載の方法。
前記堆積させるステップ（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、別個のＡｌＧａＮ遮断層とより厚いｐ型層とを備えているＬＥＤと比べて、より高い発光効率、結晶品質、正孔注入効率、より低い直列抵抗、動作電圧、および光吸収をもたらす、請求項９に記載の方法。
前記堆積させるステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、半極性方向に沿って成長させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。