JP2014516214A - 高放出強度および低効率ドループ半極性青色発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
高放出強度および低効率ドループ半極性青色発光ダイオード(LED)。本発明の一実施形態において、発光素子は、青色放出波長においてピーク放出を有する、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を備え、LEDは、半極性窒化ガリウム(GaN)基板上で成長され、青色放出波長におけるピーク放出は、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度において、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。
Description
(関連出願への相互参照)
本願は、米国特許法第119条(e)のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第61/495,840号(Shuji Nakamura、Steven P. DenBaars、Daniel F. Feezell、Chih−Chien Pan、Yuji Zhao、およびShinichi Tanakaにより2011年6月10日出願、名称「HIGH EMISSION POWER AND LOW EFFICIENCY DROOP SEMIPOLAR {20−2−1} BLUE LIGHT EMITTING DIODES」、代理人事件番号30794.416−US−P1 (UC 2011−833−1))の利益を主張し、その出願は、参照によって本明細書中に援用される。
本願は、米国特許法第119条(e)のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第61/495,840号(Shuji Nakamura、Steven P. DenBaars、Daniel F. Feezell、Chih−Chien Pan、Yuji Zhao、およびShinichi Tanakaにより2011年6月10日出願、名称「HIGH EMISSION POWER AND LOW EFFICIENCY DROOP SEMIPOLAR {20−2−1} BLUE LIGHT EMITTING DIODES」、代理人事件番号30794.416−US−P1 (UC 2011−833−1))の利益を主張し、その出願は、参照によって本明細書中に援用される。
本願は、同時係属および同一人に譲渡された米国特許出願第xx/xxx,xxx号(Shuji Nakamura、Steven P. DenBaars、Shinichi Tanaka、Daniel F. Feezell、Yuji Zhao、およびChih−Chien Panにより2010年6月10日出願、名称「LOW DROOP LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURE ON GALLIUM NITRIDE SEMIPOLAR SUBSTRATES」、代理人事件番号30794.415−US−U1 (UC 2011−832−1)、この出願は、米国特許法第119条(e)のもと、米国仮特許出願第61/495,829号(Shuji Nakamura、Steven P. DenBaars、Shinichi Tanaka、Daniel F. Feezell、Yuji Zhao、およびChih−Chien Panにより2010年6月10日出願、名称「LOW DROOP LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURE ON GALLIUM NITRIDE SEMIPOLAR {20−2−1} SUBSTRATES」、代理人事件番号30794.415−US−P1 (UC 2011−832−1))の利益を主張する))と、
米国特許出願第12/284,449号(Matthew T. Hardy、Steven P. DenBaars、James S. Speck、およびShuji Nakamuraにより2011年10月28日出願、名称「STRAIN COMPENSATED SHORT−PERIOD SUPERLATTICES ON SEMIPOLAR GAN FOR DEFECT REDUCTION AND STRESS ENGINEERING」代理人事件番号30794.396−US−U1 (2011−203)、この出願は、米国特許法第119条(e)のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第61/408,280号(Matthew T. Hardy、Steven P. DenBaars、James S. Speck、およびShuji Nakamuraにより2010年10月29日出願、名称「STRAIN COMPENSATED SHORT−PERIOD SUPERLATTICES ON SEMIPOLAR GAN FOR DEFECT REDUCTION AND STRESS ENGINEERING」、代理人事件番号30794.396−US−P1 (2011−203)の利益を主張する))と、
米国特許出願第12/908,793号(名称「LED PACKAGING METHOD WITH HIGH LIGHT EXTRACTION AND HEAT DISSIPATION USING A TRANSPARENT VERTICAL STAND STRUCTURE」、Chih Chien Pan、Jun Seok Ha、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura、およびJunichi Sonodaにより2010年10月20日出願、代理人事件番号30794.335−US−P1、この出願は、米国特許法第119条(e)のもと、米国仮特許出願第61/258,056号(名称「LED PACKAGING METHOD WITH HIGH LIGHT EXTRACTION AND HEAT DISSIPATION USING A TRANSPARENT VERTICAL STAND STRUCTURE」、Chih Chien Pan、Jun Seok Ha、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura、およびJunichi Sonodaにより2009年11月4日出願、代理人事件番号30794.335−US−P1の利益を主張する))と
に関連し、これらの出願のすべては、参照によって本明細書中に援用される。
米国特許出願第12/284,449号(Matthew T. Hardy、Steven P. DenBaars、James S. Speck、およびShuji Nakamuraにより2011年10月28日出願、名称「STRAIN COMPENSATED SHORT−PERIOD SUPERLATTICES ON SEMIPOLAR GAN FOR DEFECT REDUCTION AND STRESS ENGINEERING」代理人事件番号30794.396−US−U1 (2011−203)、この出願は、米国特許法第119条(e)のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第61/408,280号(Matthew T. Hardy、Steven P. DenBaars、James S. Speck、およびShuji Nakamuraにより2010年10月29日出願、名称「STRAIN COMPENSATED SHORT−PERIOD SUPERLATTICES ON SEMIPOLAR GAN FOR DEFECT REDUCTION AND STRESS ENGINEERING」、代理人事件番号30794.396−US−P1 (2011−203)の利益を主張する))と、
米国特許出願第12/908,793号(名称「LED PACKAGING METHOD WITH HIGH LIGHT EXTRACTION AND HEAT DISSIPATION USING A TRANSPARENT VERTICAL STAND STRUCTURE」、Chih Chien Pan、Jun Seok Ha、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura、およびJunichi Sonodaにより2010年10月20日出願、代理人事件番号30794.335−US−P1、この出願は、米国特許法第119条(e)のもと、米国仮特許出願第61/258,056号(名称「LED PACKAGING METHOD WITH HIGH LIGHT EXTRACTION AND HEAT DISSIPATION USING A TRANSPARENT VERTICAL STAND STRUCTURE」、Chih Chien Pan、Jun Seok Ha、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura、およびJunichi Sonodaにより2009年11月4日出願、代理人事件番号30794.335−US−P1の利益を主張する))と
に関連し、これらの出願のすべては、参照によって本明細書中に援用される。
(1.発明の分野)
本発明は、概して、電子および光電子素子の分野に関し、より具体的には、高放出強度および低効率ドループ半極性(例えば、{20−1−1})青色発光ダイオード(LED)に関する。
本発明は、概して、電子および光電子素子の分野に関し、より具体的には、高放出強度および低効率ドループ半極性(例えば、{20−1−1})青色発光ダイオード(LED)に関する。
(2.関連技術の説明)
(注:本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の1つ以上の参照番号、例えば[X]によっていくつかの異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる)。
(注:本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の1つ以上の参照番号、例えば[X]によっていくつかの異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる)。
InGaN/GaN系高輝度発光ダイオード(LED)は、携帯電話、背面照明、および一般的照明におけるその用途のため、多くの注目を集めている。しかしながら、ウルツ鉱結晶のc−平面上に成長されるLEDは、活性領域中にバンド曲がりを生じさせる大規模な分極関連電場による量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)をこうむり、電子および正孔波動関数の空間分離が原因のより低い内部量子効率をもたらす。また、内部量子効率はさらに、キャリア濃度の3乗に比例する、オージェ非放射性再結合により、より高い電流密度領域において低減される。
半極性(20−2−1)GaN系素子は、非常に小さいQCSEを呈し、電子−正孔波動関数重複の増加により、放射性再結合率を増加させるため、高放出効率LEDに対して有望である。加えて、半極性(20−2−1)青色LEDはまた、異なる電流密度において、極性(c−平面)青色LEDと比較して、より狭い半値全幅(FWHM)を呈し、これは、合金支援オージェ非放射性再結合を低減させるため、比較的に高内部量子効率に寄与し得る。
したがって、当技術分野において、LEDにおいて高放出強度および低効率ドループを提供するための改良された方法の必要性が存在する。本発明は、本必要性を満たす。具体的には、本発明は、高放出強度および低効率ドループ半極性{20−1−1}青色LEDについて説明する。
前述の先行技術における制限を克服し、かつ本明細書の熟読および理解に応じ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、半極性(20−2−1)平面上に成長される、小型チップサイズ(〜0.1mm2)を有する窒化物系青色LEDを実証し、窒化物系青色LEDは、新規の透明な垂直幾何学形状ZnOバーでパッケージ化され、パルス動作(1%デューティサイクル)下で、電流密度35A/cm2において、52.56%の外部量子効率(EQE)レベル、およびわずか0.7%の効率ロールオーバー(EQEpeak=52.91%@10A/cm2)、電流密度50A/cm2において、50.67%の外部量子効率(EQE)レベル、およびわずか4.25%の効率ロールオーバー、電流密度100A/cm2において、48.44%の外部量子効率(EQE)レベル、およびわずか8.46%の効率ロールオーバー、ならびに電流密度200A/cm2において、45.35%の外部量子効率(EQE)レベル、およびわずか14.3%の効率ロールオーバーを達成する。DC条件下、小型チップサイズを有する(20−2−1)青色LEDはまた、電流密度35A/cm2において、50.73%のEQEレベル、およびわずか1.69%の効率ロールオーバー(EQEpeak=51.6%@20A/cm2)、電流密度50A/cm2において、49.31%のEQEレベル、わずか4.44%の効率ロールオーバー、電流密度100A/cm2において、46.02%のEQEレベル、およびわずか10.81%の効率ロールオーバー、ならびに電流密度200A/cm2において、41.4%のEQEレベル、およびわずか19.79%の効率ロールオーバーを達成することができる。
本発明はまた、青色放出波長においてピーク放出を有する、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を開示し、LEDは、半極性窒化ガリウム(GaN)基板上で成長され、青色放出波長におけるピーク放出は、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度において、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。
LEDは、例えば、半極性(20−2−1)または(20−21)GaN基板上で成長され得る。
青色放出波長は、430〜470nmの範囲内であり得る。
LEDの効率ドループは、少なくとも35A/cm2の電流密度において、1%未満であり、少なくとも50A/cm2の電流密度において、5%未満であり、少なくとも100A/cm2の電流密度において、10%未満であり、および/または少なくとも200A/cm2の電流密度において、15%未満であり得る。
素子はさらに、GaN基板上またはその上方のn型超格子(n−SL)(例えば、III族窒化物超格子(SL))と、障壁を有する1つ以上のインジウム含有量子井戸(QW)を備える、n−SL上またはその上方のIII族窒化物活性領域であって、量子井戸が、あるQW数、QW組成物、およびQW厚を有し、障壁が、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有する、活性領域と、活性領域上またはその上方のp型III族窒化物超格子(p−SL)とを備え得る。n−SLは、ある周期数と、SLドーピングと、SL組成物と、それぞれがある層厚を有する層とを備え得、QW数、QW組成物、QW厚、障壁組成物、障壁厚、障壁ドーピング、周期数、SLドーピング、SL組成物、層厚は、ピーク放出が、青色放出波長におけるものであり、LEDが、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出が、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有するようなものであり得る。
n−SLは、n型GaN層上またはその上方に、交互のInGaNおよびGaN層を備え得、n型GaN層は、基板の半極性平面上またはその上方にある。
GaN障壁を伴うInGaN多重量子井戸(MQW)を備える、活性領域は、n−SL上またはその上方にあり得る。
交互AlGaNおよびGaN層を備える、p型SL(p−SL)は、活性領域上またはその上方にあり得る。
基板は、粗面背面を有する、半極性GaN基板であり得、粗面背面は、発光素子から光を抽出する。
素子はさらに、p−SL上またはその上方のp型GaN層と、p型GaN層上またはその上方のp型透明伝導性層と、p型透明伝導性層上またはその上方のp型パッドと、n型GaN層へのn型接点と、半極性GaN基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛(ZnO)サブマウントと、ZnOサブマウントの端部に付着されたヘッダと、LEDを封入する封入材料とを備え得る。LED素子構造の活性面積は、0.1mm2以下であり得る。
本発明はさらに、青色放出波長においてピーク放出を有する、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を開示し、LEDは、バルク半極性または非極性窒化ガリウム(GaN)基板上で成長され、効率ドループは、類似したインジウム(In)組成物を有し、かつ、類似した電流密度で動作する、極性GaN基板上で成長されたIII族窒化物系LEDより低い。LEDの放出スペクトルの半値全幅(FWHM)は、類似したインジウム組成物を有し、類似した電流密度で動作する、極性GaN基板上に成長されたIII族窒化物系LEDの放出スペクトルのFWHMより低くあり得る。
次に、全体を通して類似参照数字が対応する部品を表す、図面を参照する。
図1(a)は、本発明の一実施形態による、MOCVDによって半極性{20−2−1}GaN基板上に成長された半極性{20−2−1}LEDのエピ構造を図示する、断面概略図である。
図1(b)は、素子へと加工された図1(a)の構造を図示する、断面概略図である。
図1(c)は、LEDの半極性GaN基板に付着される酸化亜鉛(ZnO)サブマウントを図示する。
図2は、本発明のある実施形態による、光電子素子を製造する方法を図示する、流れ図である。
図3は、200A/cm2までの異なる電流密度における、半極性(20−2−1)LEDの光出力(LOP)(mW)および外部量子効率(EQE)(%)を示す、グラフである。
図4は、200A/cm2までの異なるパルス(1%デューティサイクル)電流密度における、極性c−平面(0001)LEDおよび半極性(20−2−1)LEDの両方のLOP(mW)およびEQE(%)を示す、グラフである。
図5は、異なる電流密度における、極性(c−平面)および半極性(20−2−1)GaN系素子の両方の半値全幅(FWHM)を示す。
図6は、図1(b)に示されるような構造を有する青色発光ダイオードに対して、電流密度(A/cm2)の関数としての放出波長(nm)および電流密度の関数としてのFWHM(nm)を示す、グラフである。
図7(a)は、515nmにおけるピーク放出波長および25nmのFWHMを有する(20−2−1)LEDと、516nmにおけるピーク放出波長および40nmのFWHMを有する(20−2−1)LEDに対して、波長の関数としてのエレクトロルミネセンス(EL)をプロットする、グラフである。図7(b)は、c−平面LED、(11−22)LED、(20−21)LED、および(20−2−1)LEDに対して、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するLEDの波長の関数としてのFWHM(nm)をプロットする、グラフである。
図8(a)は、c−平面LED、(11−22)LED、(20−21)LED、および(20−2−1)LEDに対して、駆動電流の関数としてのEL波長(nm)をプロットする、グラフであり、LEDチップサイズは、〜0.01mm2である。図8(b)は、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有する((11−22)LED、(20−21)LED、および(20−2−1)LED)LEDに対して駆動電流の関数としてのFWHM(nm)をプロットする、グラフである。
緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するLEDに対して、図9(a)は、駆動電流の関数としてのEL波長(nm)およびFWHMをプロットする、グラフであって、図9(b)は、種々の駆動電流の波長の関数としてのEL強度をプロットする、グラフである。
図10は、等方性歪み構造(c−平面)および異方性歪み構造(半極性)に対するオージェ再結合プロセスを図示する、図である。
以下の好ましい実施形態の説明において、本明細書の一部を形成し、かつ本発明が実施され得る特定の実施形態を例証する目的で示される添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことが理解される。
概要
本発明は、高放出強度および低効率ドループ半極性(20−2−1)青色LEDを開示する。これらのLEDは、懐中電灯、テレビ、街灯、自動車用照明、および一般的照明(屋内および屋外両方)を含む、種々の製品内で使用され得る。
本発明は、高放出強度および低効率ドループ半極性(20−2−1)青色LEDを開示する。これらのLEDは、懐中電灯、テレビ、街灯、自動車用照明、および一般的照明(屋内および屋外両方)を含む、種々の製品内で使用され得る。
半極性(20−2−1)青色LEDにおいて観察されたドループ低減により、半極性(20−2−1)青色LEDは、パターン化されたサファイア基板または炭化ケイ素基板上で成長された市販のc−平面LEDと比較して、特に、高放出強度および極低効率ロールオーバー素子において、利点をもたらす。
技術説明
極性(c−平面)InGaN/GaN多重量子井戸(MQW)LEDのピーク量子効率は、超低電流密度(典型的には、<10A/cm2)において生じ、さらなる注入電流の増加に伴って、徐々に減少し、これは、高電力LED用途に対する臨界制限となる。「効率ドループ」として知られる本現象は、LEDのピーク放出波長が、UVスペクトル範囲から、青色および緑色スペクトル範囲に向かってさらに増加する間、より深刻となる。オージェ再結合、電子漏出、キャリア注入効率、分極場、および局在状態のバンドフィリング等、「効率ドループ」の起源に関する多くの理論が、報告されている。
極性(c−平面)InGaN/GaN多重量子井戸(MQW)LEDのピーク量子効率は、超低電流密度(典型的には、<10A/cm2)において生じ、さらなる注入電流の増加に伴って、徐々に減少し、これは、高電力LED用途に対する臨界制限となる。「効率ドループ」として知られる本現象は、LEDのピーク放出波長が、UVスペクトル範囲から、青色および緑色スペクトル範囲に向かってさらに増加する間、より深刻となる。オージェ再結合、電子漏出、キャリア注入効率、分極場、および局在状態のバンドフィリング等、「効率ドループ」の起源に関する多くの理論が、報告されている。
InGaN青色LEDにおける効率ドループの調査に関して、分極関連電場による非放射性オージェ再結合またはキャリア漏出が、効率ドループの原因に関係があるとされている。InGaN青色LEDを成長させるための基板として半極性バルクGaNを使用することによって、分極誘発QCSEは、活性領域内で低減され、より高い放射性再結合率をもたらし、LEDの全体的放出効率(外部量子効率)を増加させることができる。そのうえ、量子井戸内のキャリア濃度の低下をもたらす、半極性LEDの活性領域内の電子および正孔のより均一な分布が、非放射性オージェ再結合を低減させることができ、非放射性オージェ再結合は、効率ドループを生じさせる別のあり得るメカニズムである。
図1(a)は、本発明の一実施形態による、MOCVDによって、GaN半極性{20−2−1}基板102上に成長された青色LEDのエピ構造100を図示する。本素子構造は、5×1018cm−3の電子濃度を有する1μm厚の非ドープGaN層104と、その後に続く10対のn型ドープIn0.01Ga0.99N/GaN(3/3nm)超格子(SL)106とから成る。次いで、3周期InGaN/GaN MQW活性領域108が、成長され、3周期InGaN/GaN MQW活性領域108は、3.0nm厚のIn0.18Ga0.82N井戸および13nm厚のGaN障壁(2×1017cm−3Siドーピングを有する第1のGaN障壁)から成る。活性領域の上部には、電子遮断層(EBL)として作用する5対のp−Al0.2Ga0.8N/GaN(2/2nm)SL110と、5×1017cm−3の正孔濃度を有する0.2μm厚のp型GaNキャッピング層112とがある。
図1(b)は、メサ114およびp型GaN層112上またはその上方のp型透明伝導性層(例えば、インジウムスズ酸化物(ITO)透明p接点116)を図示する、素子(例えば、LED)へと加工された素子構造100を図示する。Ti/Al/Au系n接点118およびTi/Au pパッド120は、それぞれ、nGaN層104およびITO透明p接点116上またはその上方に堆積されるか、あるいはそれらに接触する。GaN基板102の表面粗面化122もまた、示され、粗面背面122は、LEDから活性領域108によって放出される(例えば、散乱、屈折)光を抽出するための寸法を有する特徴を有する。
図1(c)は、半極性GaN基板102の粗面背面122に付着された酸化亜鉛(ZnO)サブマウント124およびZnOサブマウント124の一端128 126に付着されたヘッダ126を図示する。LEDはさらに、LEDを封入する封入材料を備え得、LEDの活性面積は、例えば、0.1mm2以下である。
プロセスステップ
図2は、発光素子を製造する方法を図示し、方法は、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を(例えば、バルク)半極性III族窒化物または窒化ガリウム(GaN)基板上に成長させることを含み、LEDは、青色放出波長において、ピーク放出を有し、LEDが、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出(例えば、430または470nmまたは430〜470nm)は、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。LEDを成長させることは、以下のステップを含み得る。
図2は、発光素子を製造する方法を図示し、方法は、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を(例えば、バルク)半極性III族窒化物または窒化ガリウム(GaN)基板上に成長させることを含み、LEDは、青色放出波長において、ピーク放出を有し、LEDが、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出(例えば、430または470nmまたは430〜470nm)は、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。LEDを成長させることは、以下のステップを含み得る。
ブロック200は、半極性III族窒化物上またはその上方に(例えば、半極性III族窒化物(例えば、バルク)基板102上またはその上方に、あるいは基板102の半極性平面130上またはその上方に)1つ以上の第1のIII族窒化物層(例えば、緩衝層)および/またはn型III族窒化物層104、106を成長させることを表す。半極性III族窒化物は、半極性GaNであり得る。半極性III族窒化物は、半極性(20−2−1)または(20−21)GaN基板102であり得る。第1または緩衝層は、n型層104のうちの1つを備え得る。
n型層は、n−SL106を備え得る。
n−SL106は、1つ以上のn型層104上またはその上方に、あるいは第1の層または緩衝層上またはその上方にあり得る。
n−SLは、SL層106a、106b(例えば、1つ以上のインジウム(In)含有層およびガリウム(Ga)含有層)、あるいは異なるIII族窒化物組成物(例えば、InGaNおよびGaN層)を有する交互の第1および第2のIII族窒化物層106a、106bを備え得る。
n−SL106は、ある周期数(例えば、少なくとも5または少なくとも10)と、SLドーピングと、SL組成物と、それぞれがある層厚を有する層106a、106bとを備え得る。第1および第2のIII族窒化物層106a、106bは、第1または緩衝層104に格子整合される、歪補償層を備え得、第1および第2のIII族窒化物層106a、106bは、緩和のための臨界厚(例えば、5nm未満)を下回る厚さを有し得る。歪補償層は、素子100および/または活性領域108中の欠陥低減、歪み緩和、および/または応力工学のためのものであり得る。n−SL106の周期数は、ブロック202において成長された活性領域108が、少なくとも500ナノメートルだけ、第1の層104から分離されるようなものであり得る。
歪補償SL層に関するさらなる情報は、米国特許出願第12/284,449号(Matthew T. Hardy、Steven P. DenBaars、James S.Speck、およびShuji Nakamuraにより2011年10月28日出願、名称「STRAIN COMPENSATED SHORT−PERIOD SUPERLATTICES ON SEMIPOLAR GAN FOR DEFECT REDUCTION AND STRESS ENGINEERING」、代理人事件番号30794.396−US−U1(2011−203))に見出すことができ、その出願は、参照によって本明細書中に援用される。
ブロック202は、n−SL上またはその上方に、活性領域または1つ以上の活性層108を成長させることを表す。活性層108は、青色または緑色波長範囲またはそれより長い波長範囲(例えば、赤色または黄色光)内の波長におけるピーク強度、あるいは500nm以上の波長におけるピーク強度を有する光(または、電磁放射)を放出し得る。しかしながら、本発明は、特定の波長で放出する素子100に限定されず、素子100は、他の波長で放出し得る。例えば、本発明は、紫外線発光素子100に適用可能である。
発光活性層108は、インジウム(In)含有III族窒化物層またはInGaN層等のIII族窒化物層を備え得る。例えば、インジウム含有層は、1つ以上のQW(あるQW数、QW組成物、およびQW厚を有する)と、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有するQW障壁とを備え得る。例えば、インジウム含有層は、例えば、GaN障壁を有する、少なくとも2つまたは3つのInGaN QWを備え得る。InGaN QWは、少なくとも7%、少なくとも10%、少なくとも18%、または少なくとも30%のインジウム組成物と、3ナノメートル以上、例えば、5nm、少なくとも5nm、または少なくとも9nmの厚さまたは井戸幅を有し得る。しかしながら、量子井戸厚はまた、3nm未満であり得るが、典型的には、2nm厚を上回る。
ブロック204は、活性領域上またはその上方に、1つ以上のIII族窒化物p型III族窒化物層(例えば、p−SL層を備えるp−SL)を成長させることを表す。p−SLは、例えば、交互のAlGaNおよびGaN層(AlGaN/GaN層)を備え得る。p−SLは、AlGaN電子遮断層を備え得る。
層104、106、108、110、および112は、p−n接合を形成し得る。概して、本発明の好ましい実施形態は、GaN半極性{20−2−1}基板上に成長されたLEDを備え、LEDにおいて、構造は、活性層の下方のn型SLと、MQW活性領域と、MQWの上方のp型SL層とを組み込む。MQW活性領域は、典型的には、2つ以上のQW、より好ましくは、少なくとも3つのQWを備えるべきである。
半極性平面、QW数、QW組成物(例えば、In組成物)、QW厚、障壁組成物、障壁厚、障壁ドーピング、SLの周期数、SLドーピング、SL組成物、および層厚は、発光素子が、所望のドループ(例えば、素子が、少なくとも35A/cm2の電流密度で駆動されるとき、ドループは、15%以下であり得る)を伴う、所望の放出波長(例えば、青色放出波長以上)におけるピーク放出を有するようなものであり得る。
ブロック206は、素子構造を加工することを表す。
半極性{20−2−1}青色LEDはさらに、以下のように加工され得る。
1.続いて、300×500μm2ダイオードメサが、塩素系反応性イオンエッチング(RIE)によって、隔離され得る。
2.250nm酸化インジウムスズ(ITO)層が、透明p接点として使用され得、(10/100/10/100nm)Ti/Al/Ni/Au層の積層が、n−GaN接点として堆積され得る。
3.200/500nm厚のTi/Au金属積層が、ITO層およびn−GaN接点上に堆積され、p−側およびn−側ワイヤボンドパッドとしての役割を果たし得る。
ブロック208は、最終結果(青色放出波長においてピーク放出を有する、III族窒化物系発光ダイオード(LED)のような素子)を表し、LEDは、(例えば、バルク)半極性窒化ガリウム(GaN)基板上に成長され、LEDが、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出は、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。発光素子は、少なくとも100mWまたは少なくとも50mWである、光出力を有し得る。素子は、非極性または半極性(例えば、20−2−1)基板上に成長されたIII族窒化物系LEDを備え得、LEDの効率ドループは、35A/cm2の電流密度において、1%以下であり、50A/cm2の電流密度において、5%以下であり、100A/cm2の電流密度において、10%以下であり、かつ/または200A/cm2の電流密度において、15%以下であり得る。
発光素子は、100/Acm2超で動作するIII族窒化物系半極性または非極性LEDを備え得る。
発光素子は、半極性(例えば、20−2−1)または非極性基板(例えば、GaN)上に成長されたIII族窒化物LEDを備え得、効率ドループは、類似したインジウム(In)組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性(例えば、GaN)基板上に成長されたIII族窒化物系LEDより低くあり得る。
比較のために、参照極性(c−平面)青色LEDが、同一の構造および波長を伴って成長され、次いで、半極性(20−2−1)青色LEDと比較されたが、異なる数のn型およびp型SLを有していた。
発光素子は、半極性または非極性基板(例えば、GaN)上に成長された窒化物系LEDを備え得、LEDの放出スペクトルのFWHMは、類似したインジウム組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性(例えば、GaN)基板上に成長されたIII族窒化物系LEDの放出スペクトルのFWHMより低くあり得る。
本発明はさらに、異方性歪みが、効率ドループを低減させるために意図的に追加される窒化物系LEDを備える、発光素子を開示する。LEDは、c−平面、半極性(例えば、20−2−1)または非極性GaN基板、あるいはc−平面サファイア基板上に成長され得る。異方性歪みが、素子の発光層に追加され得る。異方性歪みは、素子中のオージェ再結合を低減させることができる。
特性評価
封入された素子を、自己加熱効果を防止するために、1KHz周波数および1%デューティサイクルを有する、DCおよびパルスモードの両方で試験した。試験を、200mAまでの順方向電流を用いて、室温(RT)で行った。図3は、200A/cm2までの異なる電流密度における、半極性(20−2−1)LEDの光出力(LOP)(mW)および外部量子効率(EQE)(%)を示す、グラフである。素子は、図1(a)−(c)に示される構造およびパッケージングを有する。
封入された素子を、自己加熱効果を防止するために、1KHz周波数および1%デューティサイクルを有する、DCおよびパルスモードの両方で試験した。試験を、200mAまでの順方向電流を用いて、室温(RT)で行った。図3は、200A/cm2までの異なる電流密度における、半極性(20−2−1)LEDの光出力(LOP)(mW)および外部量子効率(EQE)(%)を示す、グラフである。素子は、図1(a)−(c)に示される構造およびパッケージングを有する。
半極性(20−2−1)をバルクGaN基板として使用して、高放出強度および低効率ドループを達成する利点を図示するために、図4は、200A/cm2までの異なるパルス(1%デューティサイクル)電流密度における、極性c−平面(0001)LEDおよび半極性(20−2−1)LEDの両方のLOP(mW)およびEQE(%)を示す、グラフであり、素子は、図1(a)−(c)に示される構造およびパッケージングを有する。
異なる電流密度における対応するEQE数および効率ドループもまた、以下の表1に示される。
半極性(20−2−1)平面上にLEDを成長させることによる、全体的効率性能のこの大幅な改良は、合金支援非放射性オージェ再結合の低減によって説明され得る。図5は、異なる電流密度における、極性(c−平面)および半極性(20−2−1)GaN系素子両方の半値全幅(FWHM)を示す。
半極性青色LEDに対して、観察されたFWHMは、極性(c−平面)LEDのFWHMより狭い。低減したFWHMに対して考えられる1つの説明は、QW中のInGaN組成物が、半極性(20−2−1)上でより均一であることである。半極性(20−2−1)上におけるより狭いFWHMの起源を検証するための実験が、現在、進行中である。より均一なQW層が、実際に存在する場合、オージェ再結合プロセスを支援し得る、合金散乱が、半極性LEDにおいて低減されることが予測される。
図6は、図1(b)に示されるような構造を有し、図1(c)に示されるようにパッケージ化された青色発光ダイオードに対する、放出波長(nm)対電流密度(A/cm2)およびFWHM(nm)対電流密度を示す、グラフである。
図7(a)は、515nmにおけるピーク放出波長および25nmのFWHMを有する(20−2−1)LEDと、516nmのピーク放出波長および40nmのFWHMを有する(20−2−1)LEDとに対して、波長の関数としてのエレクトロルミネセンス(EL)をプロットする、グラフである。
図7(b)は、c−平面LED、(11−22)LED、(20−21)LED、および(20−2−1)LEDに対して、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するLEDの波長の関数としてのFWHM(nm)をプロットする、グラフである。
図8(a)は、c−平面LED、(11−22)LED、(20−21)LED、および(20−2−1)LEDに対して、駆動電流の関数としてのEL波長(nm)をプロットする、グラフであり、LEDチップサイズは、〜0.01mm2である。
図8(b)は、(11−22)LED、(20−21)LED、および(20−2−1)LEDに対して、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するLEDの駆動電流の関数としてのFWHM(nm)をプロットする、グラフである。
緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するLEDに対して、図9(a)は、駆動電流の関数としてのEL波長(nm)およびFWHMをプロットする、グラフであって、図9(b)は、種々の駆動電流の波長の関数としてのEL強度をプロットする、グラフである(図9(b)の差し込み図は、加工されたLED構造の上部表面を示す)。
図10は、等方性歪み構造(c−平面)および異方性歪み構造(半極性)に対するオージェ再結合プロセスを図示する、図であって、ΔkおよびΔEは、それぞれ、運動量およびエネルギーの差異であり、伝導帯および価電子帯における電子および正孔遷移に対する、運動量およびエネルギー保存に従うために、ΔkおよびΔEは、それぞれ、同一の大きさを有するが、反対符号を有する(Δk1+Δk2=0;ΔE1+ΔE2=0)はずである。
図に示されるように、運動量およびエネルギーが、遷移の間、保存され得るため(Δk1=Δk2、ΔE1=ΔE2)、電子−電子−正孔(EEH)直接オージェ再結合が、等方性歪み構造において、容易に生じ得る。一方、EEH直接オージェ再結合は、価電子帯の曲率増加により、異方性歪み構造において抑制される。この場合、エネルギーおよび運動量の両方を保存する、最終状態の利用可能性は、制限され、直接オージェ再結合が、低減される。その結果、合金散乱またはフォノン相互作用もまた、オージェ再結合が生じるための遷移に関与するにちがいない。前述のように、合金散乱が、優れたInGaN均一性により、(20−2−1)QWにおいて低減される場合、間接オージェ再結合プロセスもまた、低減されるはずである。その結果、効率ドループは、本半極性平面上で低減される。
あり得る修正および変形例
素子100は、半極性または非極性素子であり得る。基板102は、半極性または非極性III族窒化物基板であり得る。素子層104−112は、半極性または非極性層であるか、あるいは半極性または非極性配向を有し得る(例えば、層104−112は、相互の上またはその上方に、および/または基板102の上部/主要/成長表面130上またはその上方に成長され得、上部/主要/成長表面130および素子層(例えば、活性層)130の上部表面は、半極性(例えば、20−2−1または{20−2−1})または非極性平面である)。
素子100は、半極性または非極性素子であり得る。基板102は、半極性または非極性III族窒化物基板であり得る。素子層104−112は、半極性または非極性層であるか、あるいは半極性または非極性配向を有し得る(例えば、層104−112は、相互の上またはその上方に、および/または基板102の上部/主要/成長表面130上またはその上方に成長され得、上部/主要/成長表面130および素子層(例えば、活性層)130の上部表面は、半極性(例えば、20−2−1または{20−2−1})または非極性平面である)。
QWの数、QWの厚さ、QWおよび障壁組成物、ならびに活性領域ドーピングレベルの修正等、活性領域設計における変形例は、あり得る代替である。n側およびp側のSL層もまた、修正されてもよい。例えば、これらの層のいずれかは、省略され、異なる周期数を含有し、代替組成物またはドーピングを有し、または好ましい実施形態に示された厚さと異なる厚さで成長されてもよい。他の半極性平面または基板も、使用され得る。
他の変形例は、種々のあり得るエピタキシャル成長技法(分子線エピタキシ(MBE)、MOCVD、気相エピタキシ、ハイドライド気相エピタキシ(HVPE)等)、異なるドライエッチング技法(例えば、誘導結合プラズマ(ICP)エッチング)、反応性イオンエッチング(RIE)、集束イオンビーム(FIB)加工、化学機械平坦化(CMP)、および化学反応併用イオンビームエッチング(CAIBE)を含む。高光抽出構造の形成、フリップチップLED、垂直構造LED、薄型GaN LED、チップ形状LED、および高度パッケージング法(例えば、つり下げ型パッケージ、透明スタンドパッケージ等)もまた、使用され得る。
専門用語
用語「(Al,Ga,In)N」、「GaN」、「InGaN」、「AlGaInN」、「III族窒化物」、「III窒化物」、または「窒化物」、およびその均等物は、化学式AlxGayInzN(ここでは、0≦×≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、およびx+y+z=1である)を有する、(Al,Ga,In)N半導体の合金組成物を指すことが意図される。これらの用語は、単一種、Al、Ga、およびInの個別の窒化物、ならびにそのようなIII族金属種の二元および三元組成物を含むものと広義に解釈されることが意図される。故に、GaNおよびInGaN材料を参照する以下の本発明の議論は、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る。さらに、本発明の範囲内の(Al,Ga,In)N材料はさらに、少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を含んでもよい。
用語「(Al,Ga,In)N」、「GaN」、「InGaN」、「AlGaInN」、「III族窒化物」、「III窒化物」、または「窒化物」、およびその均等物は、化学式AlxGayInzN(ここでは、0≦×≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、およびx+y+z=1である)を有する、(Al,Ga,In)N半導体の合金組成物を指すことが意図される。これらの用語は、単一種、Al、Ga、およびInの個別の窒化物、ならびにそのようなIII族金属種の二元および三元組成物を含むものと広義に解釈されることが意図される。故に、GaNおよびInGaN材料を参照する以下の本発明の議論は、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る。さらに、本発明の範囲内の(Al,Ga,In)N材料はさらに、少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を含んでもよい。
多くの(Al,Ga,In)N素子は、結晶の極性配向c−平面に沿って成長されるが、これは、強圧電および自発分極の存在のため、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)をもたらす。(Al,Ga,In)N素子内の分極効果を低下させるアプローチの1つは、結晶の非極性または半極性平面上に素子を成長させることである。
用語「非極性平面」は、a−平面として集合的に周知の{11−20}平面と、m−平面として集合的に周知の{10−10}平面とを含む。そのような平面は、平面あたり等数のIII族(例えば、ガリウム)および窒素原子を含有し、電荷中性である。後続の非極性層は、相互に均等であり、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。
用語「半極性平面」は、c−平面、a−平面、またはm−平面として分類されることができない、任意の平面を指すために使用され得る。結晶学的観点では、半極性平面は、少なくとも2つの非ゼロh、i、またはkミラー指数および非ゼロ1ミラー指数を有する、任意の平面である。後続の半極性層は、相互に均等であり、したがって、結晶は、成長方向に沿って、分極を減少させる。
参考文献
以下の参考文献は、参照によって本明細書中に援用される。
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1.Yuji Zhao、Shinichi Tanaka、Chih−Chien Pan、Kenji Fujito、Daniel Feezell、James S. Speck、Steven P. DenBaars、およびShuji Nakamuraによる「High−Power Blue−Violet Semipolar (20−2−1) InGaN/GaN Light−Emitting Diodes with Low Efficiency Droop at 200 A/cm2」Applied Physics Express 4 (2011) 082104
2.C. C. Pan、I. Koslow、J. Sonoda、H. Ohta、J. S. Ha、S. Nakamura、およびS. P.DenBaarsによる「Vertical Stand Transparent Light−Emitting Diode Architecture for High−Efficiency and High−Power Light Emitting Diodes」Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 080210
3.J. MatthewsおよびA. Blakeslee、J. Cryst. Growth 32 265 (1976)。
2.C. C. Pan、I. Koslow、J. Sonoda、H. Ohta、J. S. Ha、S. Nakamura、およびS. P.DenBaarsによる「Vertical Stand Transparent Light−Emitting Diode Architecture for High−Efficiency and High−Power Light Emitting Diodes」Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 080210
3.J. MatthewsおよびA. Blakeslee、J. Cryst. Growth 32 265 (1976)。
結論
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくる。本発明の1つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために提示された。本記述は、網羅的であることも、本発明を開示された正確な形態に限定することも意図されない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることが意図される。
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくる。本発明の1つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために提示された。本記述は、網羅的であることも、本発明を開示された正確な形態に限定することも意図されない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることが意図される。
Claims (16)
- 発光素子であって、
青色放出波長においてピーク放出を有する、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を備え、
前記LEDは、半極性窒化ガリウム(GaN)基板上で成長され、
前記青色放出波長における前記ピーク放出は、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度において、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する、素子。 - 前記LEDは、半極性(20−2−1)GaN基板上で成長される、請求項1に記載の素子。
- 前記LEDは、半極性(20−21)GaN基板上で成長される、請求項1に記載の素子。
- 前記青色放出波長は、430ナノメートル(nm)〜470nmの範囲内である、請求項1に記載の素子。
- 前記LEDの効率ドループは、少なくとも35A/cm2の電流密度において、1%未満であり、少なくとも50A/cm2の電流密度において、5%未満であり、少なくとも100A/cm2の電流密度において、10%未満であり、または少なくとも200A/cm2の電流密度において、15%未満である、請求項1に記載の素子。
- 前記GaN基板上または前記GaN基板の上方のn型III族窒化物超格子(n−SL)と、
障壁を有する1つ以上のインジウム含有量子井戸(QW)を備える、前記n−SL上または前記n−SLの上方のIII族窒化物活性領域であって、前記量子井戸は、あるQW数、QW組成物、およびQW厚を有し、前記障壁は、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有する、活性領域と、
前記活性領域上または前記活性領域の上方のp型III族窒化物超格子(p−SL)と、
をさらに備え、
前記n−SLは、ある周期数と、SLドーピングと、SL組成物と、それぞれがある層厚を有する複数の層とを備え、
前記QW数、前記QW組成物、前記QW厚、前記障壁組成物、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記SLドーピング、前記SL組成物、前記層厚は、
前記ピーク放出が、前記青色放出波長におけるものであり、かつ、
前記LEDが、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度で駆動されるとき、前記青色放出波長における前記ピーク放出が、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する
ようなものである、請求項2に記載の素子。 - 前記基板の半極性平面上または前記基板の半極性平面の上方のn型GaN層であって、
前記基板は、粗面背面を有する半極性GaN基板であり、前記粗面背面は、前記発光素子から光を抽出し、
前記n−SLは、前記n型GaN層上または前記n型GaN層の上方に交互のInGaNおよびGaN層を備える、
n型GaN層と、
GaN障壁を有するInGaN多重量子井戸(MQW)を備える、前記n−SL上または前記n−SLの上方の活性領域と、
交互のAlGaNおよびGaN層を備える、前記活性領域上または前記活性領域の上方のp型超格子(p−SL)と、
前記p−SL上または前記p−SLの上方のp型GaN層と、
前記p型GaN層上または前記p型GaN層の上方のp型透明伝導性層と、
前記p型透明伝導性層上または前記p型透明伝導性層の上方のp型パッドと、
前記n型GaN層へのn型接点と、
前記半極性GaN基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛(ZnO)サブマウントと、
前記ZnOサブマウントの端部に付着されたヘッダと、
前記LEDを封入する封入材料であって、LEDである前記素子構造の活性面積は、0.1mm2以下である、封入材料と
をさらに備える、請求項1に記載の素子構造。 - 発光素子を製造する方法であって、
半極性窒化ガリウム(GaN)基板上にIII族窒化物系発光ダイオード(LED)を成長させることを含み、
前記LEDは、青色放出波長において、ピーク放出を有し、
前記青色放出波長における前記ピーク放出は、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度において、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する、方法。 - 前記LEDは、半極性(20−2−1)GaN基板上で成長される、請求項8に記載の方法。
- 前記LEDは、半極性(20−21)GaN基板上で成長される、請求項8に記載の方法。
- 前記青色放出波長は、430ナノメートル(nm)〜470nmである、請求項8に記載の方法。
- 前記LEDの効率ドループは、少なくとも35A/cm2の電流密度において、1%未満であり、少なくとも50A/cm2の電流密度において、5%未満であり、少なくとも100A/cm2の電流密度において、10%未満であり、または少なくとも200A/cm2の電流密度において、15%未満である、請求項8に記載の方法。
- 前記LEDを成長させることはさらに、
前記GaN基板上または前記GaN基板の上方にIII族窒化物n型超格子(n−SL)を成長させることと、
前記n−SL上または前記n−SLの上方に、障壁を有する1つ以上のインジウム含有量子井戸(QW)を備える、III族窒化物活性領域を成長させることであって、前記量子井戸は、あるQW数、QW組成物、およびQW厚を有し、前記障壁は、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有する、ことと、
前記活性領域上または前記活性領域の上方に、III族窒化物p型超格子(p−SL)を成長させることと
を含み、
前記n−SLは、ある周期数と、SLドーピングと、SL組成物と、それぞれがある層厚を有する複数の層とを備え、
前記QW数、前記QW組成物、前記QW厚、前記障壁組成物、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記SLドーピング、前記SL組成物、前記層厚は、
前記ピーク放出が、前記青色放出波長におけるものであり、かつ、
前記LEDが、少なくとも35アンペア/平方センチメートル(A/cm2)の電流密度で駆動されるとき、前記青色放出波長における前記ピーク放出が、17ナノメートル未満のスペクトル幅を有する、
ようなものである、請求項8に記載の方法。 - 発光素子であって、
青色放出波長においてピーク放出を有する、III族窒化物系発光ダイオード(LED)を備え、
前記LEDは、バルク半極性または非極性窒化ガリウム(GaN)基板上で成長され、
効率ドループは、類似したインジウム(In)組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性GaN基板上で成長されたIII族窒化物系LEDより低い、素子。 - 前記半極性基板は、半極性(20−2−1)基板である、請求項14に記載の素子。
- 前記LEDの放出スペクトルの半値全幅(FWHM)は、類似したインジウム組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性GaN基板上で成長されたIII族窒化物系LEDの放出スペクトルのFWHMより低い、請求項14に記載の素子。
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