JP2016508668A - モノリシックな白色ダイオードを製造するための方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、発光ダイオードを製造する方法に関連しており、その方法は、支持体（１０）の前面上に発光層（２０）を準備するステップを含み、発光層は、異なる波長で放射する少なくとも二つの隣接する量子井戸（２１、２２、２３）を含み、量子井戸（２１、２２、２３）は、支持体の前面に接触していることを特徴としている。本発明によると、発光層を堆積するステップは、支持体の前面が異なる温度の少なくとも二つの領域を含むように、前面と反対の支持体の背面の温度を局所的に変化させることにあるサブステップを含む。
Description
本発明は、発光ダイオード及びそれに関連する製造方法の技術分野に関連している。特に、本発明は、白色光を放射する発光ダイオードの分野に関連している。
米国特許出願公開第２００６／００４９４１５号明細書から、可視スペクトルにある光、例えば白色光または所定の色の光を放射するのに適したモノリシックな発光ダイオードは知られている。
そのようなモノリシックの発光ダイオードは、以下を含む。
−サファイア基板１、
−サファイア基板１上の窒化ガリウム（以下本文において「ＧａＮ」として知られる）のバッファ層２Ａ、２Ｂ、
−ＧａＮのバッファ層上のｎドープ窒化ガリウム（以下本文において「ｎ−ＧａＮ」として知られる）の層２Ｃ、
−ｎ−ＧａＮ層２Ｃ上の金属コンタクト３、
−窒化インジウム及びガリウムＩｎＧａＮタイプ（以下本文において「ＩｎＧａＮ」として知られる）及びＧａＮのバリア層の量子井戸のスタック４、
−ＧａＮ／ＩｎＧａＮスタック上のｐドープ窒化ガリウム（以下本文において「ｐ−ＧａＮ」として知られる）の層６、
−ｐ−ＧａＮ層６上の金属コンタクト７。
−サファイア基板１、
−サファイア基板１上の窒化ガリウム（以下本文において「ＧａＮ」として知られる）のバッファ層２Ａ、２Ｂ、
−ＧａＮのバッファ層上のｎドープ窒化ガリウム（以下本文において「ｎ−ＧａＮ」として知られる）の層２Ｃ、
−ｎ−ＧａＮ層２Ｃ上の金属コンタクト３、
−窒化インジウム及びガリウムＩｎＧａＮタイプ（以下本文において「ＩｎＧａＮ」として知られる）及びＧａＮのバリア層の量子井戸のスタック４、
−ＧａＮ／ＩｎＧａＮスタック上のｐドープ窒化ガリウム（以下本文において「ｐ−ＧａＮ」として知られる）の層６、
−ｐ−ＧａＮ層６上の金属コンタクト７。
量子井戸のスタックは、青色領域（４Ｂ、４Ｋ、４Ｍ）、または緑色領域（４Ｄ、４Ｆ、４Ｈ）を放射する量子井戸とＧａＮ（４Ａ、４Ｃ、４Ｅ、４Ｇ、４Ｊ、４Ｌ、４Ｎ）のバリア層の交互の重ね合せから構成されている。異なる色を放射する量子井戸のこのスタックは、白色光を得ることを可能にする。
しかしながら、緑色領域を放射する量子井戸の内部量子効率が、青色領域を放射する内部量子効率より少ないという事実のため、得られる白色の質（または演色評価数の頭字語「ＣＲＩ」）は、良くも悪くもない。その結果は、青色の傾向を示す「白っぽい（ｗｈｉｔｉｓｈ）」色である。ダイオードの光学出力を増大させるために注入電流が増大されるとき、この現象は際立つ。それ故、量子井戸が単一の電気励起源にさらされているだけのそのようなダイオード発光スペクトルを制御することは非常に難しい。最後に、そのようなスタックを作るために必要な温度サイクルの増加に起因した、積層した全体の構造を損傷させることなく異なる波長で放射する量子井戸のスタックを作ることは非常に難しい。特に、ダイオードの製造の最後のステップ、すなわち、量子井戸のスタック上の層ｐの形成は、非常に高いインジウム量を有する量子井戸（緑色の井戸）を損傷し得る。なぜなら、この層ｐは通常、１０００℃を超える温度でエピタキシャルに成長されるからである。
本発明の一つの目的は、欠点の少なくとも一つを緩和することを可能にする新たなタイプの発光ダイオード、及びそれに関連する新たな製造方法を提案することである。
この目的のために、本発明は発光ダイオードの製造方法を提案し、その方法は、支持体の前面上に発光層を準備するステップを含み、前記発光層は、異なる波長で放射する少なくとも二つの隣接する量子井戸を含み、前記量子井戸は、前記支持体の前記前面と接触している。
本発明との関連において、「隣接する量子井戸」との用語は、並んで配置され、積層されていない、すなわち、発光ダイオードの成長軸Ａ−Ａ’で、全く同一の高さで配置される、異なる波長で放射する少なくとも二つの量子井戸を意味することが理解され、前記量子井戸は互いに接触していることが好ましい。
上述の方法の好ましい、しかし非制限的な態様は以下の通りである。
発光層を堆積するステップは、支持体の前面が少なくとも二つの異なる温度の領域を含むように支持体の背面の温度を局所的に変化させることにあるサブステップを含み、これは、各々の異なる温度領域上で形成される量子井戸内に取り込まれるインジウムの量を変化させることを可能にしている。
発光層を堆積するステップは、それぞれの領域に各々の量子井戸を成長させることにあるサブステップを含み、有利的に、同一の支持体は、第１の温度にあるいくつかの領域、及び第２の温度にあるいくつかの領域を含むことができ、二つの向き合う第１の温度にある領域は、第２の温度にある領域によって離されている。
支持体の加熱温度を局所的に変化させることにあるサブステップは、その背面の下で支持体を加熱することにあり、前記支持体は、その背面上に少なくとも一つの島を含み、これは、異なる温度の領域を含む支持体を得ることを可能にしている。
その方法は、支持体の背面上に少なくとも一つのパターンをつくることにある支持体を処理するステップを含む。
支持体を処理するステップは、段差を含む刻み目のある背面を有する支持体を得るために、複数のパターンを作ることにある。
支持体を処理するステップは、異なる厚さ及び／または表面積の段差を含む刻み目のある背面を有する支持体を得るために、複数のパターンを作ることにある。
処理ステップは、少なくとも一つの溝を作るために、その背面上で支持体をエッチングするステップを含む。
処理ステップは、支持体の背面上で少なくとも一つの島を作るために、支持体の背面上に材料を堆積するステップを含む。
その方法はさらに、以下のステップ含む。
−基板上に電子輸送層を堆積するステップ、
−発光層上に電子阻止層、例えば窒化ガリウム及びアルミニウムＡｌＧａＮの層など、を堆積するステップ、
−発光層上に正孔輸送層を堆積するステップ、
−ダイオードの電源への接続を可能にする金属コンタクトを形成するステップ。
−基板上に電子輸送層を堆積するステップ、
−発光層上に電子阻止層、例えば窒化ガリウム及びアルミニウムＡｌＧａＮの層など、を堆積するステップ、
−発光層上に正孔輸送層を堆積するステップ、
−ダイオードの電源への接続を可能にする金属コンタクトを形成するステップ。
有利的に、各量子井戸の成長は、
−インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素の気体前駆体からの有機金属気相エピタキシーにより、または
−インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素を含む元素源からの分子線エピタキシーにより
達成され得る。
−インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素の気体前駆体からの有機金属気相エピタキシーにより、または
−インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素を含む元素源からの分子線エピタキシーにより
達成され得る。
本発明はまた、支持体の前面上に発光層を含むダイオードに関連しており、発光層は、異なる波長で放射する少なくとも二つの隣接する量子井戸を含み、前記量子井戸は、支持体の前面と接触している。
上述のダイオードの好ましい、しかし非制限的な態様は、以下の通りである。
−隣接する量子井戸は、異なる寸法（幅、長さ）を有している
−支持体は、その背面上にパターンを含む基板を含み、発光層は基板の前面にわたって延在している
−支持体は窒化ガリウムＧａＮの基板、例えば、極性、半極性、または非極性の窒化ガリウムＧａＮの基板など、を含む
−ダイオードは、ダイオードの背面の全表面にわたってカソードを形成する金属層を含む。
−隣接する量子井戸は、異なる寸法（幅、長さ）を有している
−支持体は、その背面上にパターンを含む基板を含み、発光層は基板の前面にわたって延在している
−支持体は窒化ガリウムＧａＮの基板、例えば、極性、半極性、または非極性の窒化ガリウムＧａＮの基板など、を含む
−ダイオードは、ダイオードの背面の全表面にわたってカソードを形成する金属層を含む。
本発明による方法及びそれに関連した製造物の別の利点及び特徴は、添付の図面から、非限定的な実施例として与えられた、実施形態の様々な変形の以下の説明においてより明らかとなる。
本発明による発光ダイオード、及びそのようなダイオードの製造方法のいくつかの実施例の詳細な説明が続く。
１．発光ダイオード
１．１ 一般的な構造
図２から４に関して、白色光を放射するダイオードの三つの変形が図示されている。
１．１ 一般的な構造
図２から４に関して、白色光を放射するダイオードの三つの変形が図示されている。
これらの発光ダイオードは、以下を含む。
−ｎドープ電子輸送層１０、例えばｎドープ窒化ガリウムｎ−ＧａＮの層など
−電子輸送層１０上の量子井戸のセット２０
−電子阻止層（ＥＢＬ）２６、例えば窒化ガリウム及びアルミニウムＡｌＧａＮの層など。この層は、ｐドープまたは非ドープタイプであり得る
−量子井戸のセット上のｐドープ正孔輸送層３０、例えばｐドープ窒化ガリウムｐ−ＧａＮの層など
−任意的に、正孔輸送層３０上のｐ＋＋ドープ窒化ガリウムｐ＋＋ＧａＮ４０（すなわち、より重くドープされたｐ−ＧａＮ層）の層。
−ｎドープ電子輸送層１０、例えばｎドープ窒化ガリウムｎ−ＧａＮの層など
−電子輸送層１０上の量子井戸のセット２０
−電子阻止層（ＥＢＬ）２６、例えば窒化ガリウム及びアルミニウムＡｌＧａＮの層など。この層は、ｐドープまたは非ドープタイプであり得る
−量子井戸のセット上のｐドープ正孔輸送層３０、例えばｐドープ窒化ガリウムｐ−ＧａＮの層など
−任意的に、正孔輸送層３０上のｐ＋＋ドープ窒化ガリウムｐ＋＋ＧａＮ４０（すなわち、より重くドープされたｐ−ＧａＮ層）の層。
１．２ 初期基板
図２及び３に図示された実施形態において、発光ダイオードはまた、輸送層１０、３０、量子井戸のセット２０、ＡｌＧａＮの電子阻止層２６、及びｐ＋＋ＧａＮ層４０を支持している初期基板５０を含む。この初期基板５０は、以下で更に詳細に説明されるように、発光ダイオードを準備するために使用される。
図２及び３に図示された実施形態において、発光ダイオードはまた、輸送層１０、３０、量子井戸のセット２０、ＡｌＧａＮの電子阻止層２６、及びｐ＋＋ＧａＮ層４０を支持している初期基板５０を含む。この初期基板５０は、以下で更に詳細に説明されるように、発光ダイオードを準備するために使用される。
図２で図示された実施形態において、初期基板５０は、サファイアウェハ５２上の窒化ガリウム膜５１から構成される。図３の場合において、初期基板５０は、自立型（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）の窒化ガリウム５３の層である。
図３及び４で図示されたダイオードの場合において、当業者は、発光ダイオードを準備するときに、初期基板として働いているものが電子輸送層１０であると認識できる。
１．３ カソードを形成する第１金属コンタクト
全ての場合において、ダイオードは、カソードを形成している第１金属コンタクト６０を含む。この第１金属コンタクト６０は、発光ダイオードに電力を供給するため、より正確には、電子輸送層１０に電子を供給するため、電源（図示せず）の負極に接続することを目的としている。
全ての場合において、ダイオードは、カソードを形成している第１金属コンタクト６０を含む。この第１金属コンタクト６０は、発光ダイオードに電力を供給するため、より正確には、電子輸送層１０に電子を供給するため、電源（図示せず）の負極に接続することを目的としている。
図２で図示された実施形態において、第１金属コンタクト６０は、電子輸送層１０の前面１１上に形成され、サファイアウェハ５２は電気的に絶縁している。
図３及び４において図示された実施形態において、第１金属コンタクト６０は、発光ダイオードの背面６１に位置している。より具体的には、
−図３で図示された実施形態において、第１金属コンタクト６０は、自立型窒化ガリウムＧａＮ層５３の背面にわたって延在している
−図４で図示された実施形態において、第１金属コンタクト６０は、電子輸送層１０の背面にわたって延在している。
−図３で図示された実施形態において、第１金属コンタクト６０は、自立型窒化ガリウムＧａＮ層５３の背面にわたって延在している
−図４で図示された実施形態において、第１金属コンタクト６０は、電子輸送層１０の背面にわたって延在している。
具体的に、図３の場合において、基板は、故意にドープされていない自立型ＧａＮである。それ故、そのような基板上にＳｉドープ（ｎ−タイプ）ＧａＮのエピタキシャル再処理を実行することが必要である。図４の場合において、自立型基板はすでにｎドープされている。それ故、基板の役割に加えて、電子輸送の役割も果たす。この最後の場合は、ｐ層に向かう最適化された電子輸送に対して最も有利である。
窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ電子輸送層または自立型ＧａＮ層）に基づく初期基板の使用は、第１金属コンタクト６０をダイオードの背面６１に置くことを可能にしている。図２の構造と比較して、ダイオードの直列抵抗はこのように減少され、加熱に起因する電流損失はこのように制限され、これはそのような発光ダイオードの光出力を向上させる。
さらに、初期基板が窒化ガリウムに基づくとき、第１金属コンタクト６０が、発光層により放射された光子流を発光ダイオードの前面に向かって反射させることによりさらに後者の光出力を向上させるために、ダイオード（図３で例示されるように）の背面６１の全表面上にわたって有利的に作られることができる。
１．４ 量子井戸のセット
量子井戸のセット２０は、電子輸送層１０の前面１１にわたって延在している。量子井戸のこのセットは「ｎ」個の量子井戸から構成され、「ｎ」は２以上の自然整数である。
−図２で図示された実施形態において、量子井戸のセットは、２つの量子井戸２１、２２から構成される
−図４で図示された実施形態において、量子井戸のセットは、３つの量子井戸２１、２２、２３から構成される
−図３で図示された実施形態において、量子井戸のセットは、４つの量子井戸２１、２２、２３、２４から構成される。
量子井戸のセット２０は、電子輸送層１０の前面１１にわたって延在している。量子井戸のこのセットは「ｎ」個の量子井戸から構成され、「ｎ」は２以上の自然整数である。
−図２で図示された実施形態において、量子井戸のセットは、２つの量子井戸２１、２２から構成される
−図４で図示された実施形態において、量子井戸のセットは、３つの量子井戸２１、２２、２３から構成される
−図３で図示された実施形態において、量子井戸のセットは、４つの量子井戸２１、２２、２３、２４から構成される。
すべての場合において、量子井戸２１、２２、２３、２４のセット２０は隣接しており、すなわち、それらは電子輸送層１０の前面１１上に並んで配置されている。
各々の量子井戸２１、２２、２３、２４は、窒化インジウムアルミニウムガリウムＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮの少なくとも一層から構成され、インジウム及び／またはアルミニウム及び／またはガリウムの濃度は、量子井戸の間で互いに異なる。
量子井戸の各々が異なる色の光を放射するように、各々の量子井戸２１、２２、２３、２４は、一つの（または複数の）所与の波長で光を放射するように適合される。隣接した量子井戸のセット（または井戸の列）は、ダイオードの周囲内に、好ましくは含まれなければならない。言い換えると、井戸のこの列の横寸法は、１００μｍと１ｍｍの間にあるダイオードの一般寸法より小さくなければならない。
図４で図示された変形の実施形態において、第１量子井戸２１は青色光を放射するのに適合され、第２量子井戸２２は緑色光を放射するのに適合され、且つ第３量子井戸２３は赤色光を放射するのに適合されている。
図２で図示された変形の実施形態において、第１量子井戸２１は青色光を放射するのに適合され、且つ第２量子井戸２２は緑色光を放射するのに適合されている。図４で図示された変形の実施形態において、４つの量子井戸２１、２２、２３、２４は、それぞれ青色、緑色、赤色、及び黄色の光を放射する。
全ての場合において、量子井戸のセット２０によって放射された異なる色（赤、緑、青、黄など）の光の混合は、所定の色、特に白色光の合成光を放射することを可能にしている。
各々の量子井戸２１、２２、２３、２４の横寸法は、所望の合成色に依存している。これは、合成色が各量子井戸によって放射される光の強度に応じているからである。
例えば、赤、緑、及び青の色に対して、
−青色領域で放射する量子井戸の光出力は、緑色領域で放射する量子井戸の光出力より大きく、
−緑色領域で放射する量子井戸の光出力は、赤色の量子井戸の光出力より大きい、
ことが知られている。
−青色領域で放射する量子井戸の光出力は、緑色領域で放射する量子井戸の光出力より大きく、
−緑色領域で放射する量子井戸の光出力は、赤色の量子井戸の光出力より大きい、
ことが知られている。
従って、これらの三つの色の光を放射する量子井戸２１、２２、２３から、白色の合成光を放射するために、
−青色領域で放射する量子井戸２１の寸法は、緑色領域で放射する量子井戸２２の寸法より小さくなり、
−緑色領域で放射する量子井戸２２の寸法は、赤色領域で放射する量子井戸２３の寸法より小さくなる。
−青色領域で放射する量子井戸２１の寸法は、緑色領域で放射する量子井戸２２の寸法より小さくなり、
−緑色領域で放射する量子井戸２２の寸法は、赤色領域で放射する量子井戸２３の寸法より小さくなる。
従って、量子井戸のセット２０の量子井戸２１、２２、２３、２４の寸法は、目標とされる応用によって決定される。
同様のことが、様々な量子井戸の形状に対しても適用される。
図２から４で図示された実施形態において、量子井戸のセットの各量子井戸は、平行六面体状である。
変形において、図５で図示されたように、量子井戸は円筒形であり得る。
この実施形態において、量子井戸のセットは、
−青色光を放射するように適用された、円筒形の第１量子井戸２１と、
−緑色光を放射するように適合された、第１量子井戸２１の周辺に沿って走る円筒管状の第２量子井戸２２と、
−赤色光を放射するように適合された、第２量子井戸２２の周辺に沿って走る円筒管状の第３量子井戸２３と、
を含む。
−青色光を放射するように適用された、円筒形の第１量子井戸２１と、
−緑色光を放射するように適合された、第１量子井戸２１の周辺に沿って走る円筒管状の第２量子井戸２２と、
−赤色光を放射するように適合された、第２量子井戸２２の周辺に沿って走る円筒管状の第３量子井戸２３と、
を含む。
１．５ 正孔輸送層、ＧＡＮｐ＋＋層及び第２金属コンタクト
上で述べたように、ダイオードはまた、
−電子阻止層２６、例えばガリウム及びアルミニウムＡｌＧａＮの層など、
−正孔輸送層３０、例えばｐドープ窒化ガリウムの層など、
を含む。
上で述べたように、ダイオードはまた、
−電子阻止層２６、例えばガリウム及びアルミニウムＡｌＧａＮの層など、
−正孔輸送層３０、例えばｐドープ窒化ガリウムの層など、
を含む。
この正孔輸送層３０は、量子井戸のセット２０の前面２５上に堆積された電子阻止層２６の全表面にわたって延在している。電子輸送層１０及び正孔輸送層３０は、ダイオードの電荷注入層を形成している。
このように、アノードを形成している第２金属コンタクト７０を通して、正孔輸送層３０は、電源（図示せず）の正極に接続することが意図される。
この第２金属コンタクト７０は、
−正孔輸送層３０と直接接触するか、または
−図２から４に図示されたような、正孔輸送層の前面の全表面にわたって延在している中間のｐ＋＋ＧａＮ層４０と接触する
ことができる。
−正孔輸送層３０と直接接触するか、または
−図２から４に図示されたような、正孔輸送層の前面の全表面にわたって延在している中間のｐ＋＋ＧａＮ層４０と接触する
ことができる。
この重くｐドープされたｐ＋＋ＧａＮ中間層４０ｃは、金属に近い電気伝導特性を有している。
そのようなｐ＋＋ＧａＮ層の使用は、正孔輸送層３０の全表面にわたって、電源から来る電荷の良好な分布を可能にしている。
金属コンタクトｐは通常、厚い金属パッド（数百ｎｍ）７０から作られ、薄い（１０ｎｍほど）金属層がダイオードの全表面ｐを覆う。それは電流線を均一に分布する機能を有しており、井戸において電子−正孔対の放射再結合及びそれによる光子流がダイオードの全表面に均一に分布される。
ここで、発光ダイオードを得る方法の様々な実施例の説明が続く。方法のこれらの実施例は、青色、緑色、及び赤色の光を放射する量子井戸を含むダイオードの製造に関して説明される。
２．製造方法
２．１ 一般原理
窒化ガリウム及びインジウムＩｎＧａＮで作られる量子井戸によって放射される光の波長は、量子井戸が作られた局所熱に依存している。
２．１ 一般原理
窒化ガリウム及びインジウムＩｎＧａＮで作られる量子井戸によって放射される光の波長は、量子井戸が作られた局所熱に依存している。
これは、量子井戸により放射される光の色が、そのインジウム濃度に依存しているからである。
しかしながら、量子井戸におけるインジウムの包含は、量子井戸が準備された局所熱に、それ自体依存しており、量子井戸の準備温度がより低いほど、量子井戸を形成する層におけるインジウムの濃度はより高くなる。
このようにして、青色領域を放射する量子井戸の準備温度は、緑色領域を放射する量子井戸の準備温度より高い。同様に、緑色領域を放射する量子井戸の準備温度は、赤色領域を放射する量子井戸の準備温度より高い。
異なる色の光を放射する複数の隣接する量子井戸を含むダイオードを製造するために、以下で説明される方法において、複数の量子井戸が作られる支持体の前面の表面温度を局所的に変化させることが提案されている。
これは、異なる波長で放射する複数の隣接する量子井戸であって、支持体の前面に接触している量子井戸を含む発光層を得ることを可能にしている。
２．２ 製造方法の実施形態
図６は、異なる波長で放射する隣接する量子井戸２１、２２、２３、２４から構成される発光層２０を含むダイオードの製造方法の実施例を図示している。
図６は、異なる波長で放射する隣接する量子井戸２１、２２、２３、２４から構成される発光層２０を含むダイオードの製造方法の実施例を図示している。
方法の第一段階１００は、発光ダイオードが製造される初期基板５０を処理することからなる。
方法の第二段階２００は、発光ダイオードを準備することからなる。
この第二段階は、気相成長炉で実行される。
そのような炉は、以下の一般原理で操作する。初期基板５０は、サセプター８０の上面に配置される。このサセプター８０は、サセプター８０の上面、それ故、初期基板５０の加熱を可能にする加熱素子（図示せず）を含む。前駆体が、キャリアガスによって初期基板へ案内される。加熱された初期基板に接触して、気体はそれから熱分解によって分解され、堆積の成長を供給する。
このように、従来の気相成長炉において、初期基板の加熱は、それが置かれるサセプター８０を加熱することによって得られる。
特定の実施形態において、製造方法は、発光ダイオードが準備される基板の温度を局所的に変化させるために、この一般原理を用いる。
特に、製造方法の第一段階は、基板の背面上に段差（またはパターン）を形成するステップからなり、前記段差に面する基板の前面の温度の変化を招く。
２．２．１ 基板の処理
前に述べたように、初期基板５０は様々なタイプであり得る。
前に述べたように、初期基板５０は様々なタイプであり得る。
例えば、初期基板５０は、
−サファイアウェハ５２上のＧａＮ窒化ガリウム膜５１、あるいは
−自立型窒化ガリウム層５３
を含むことができる。
−サファイアウェハ５２上のＧａＮ窒化ガリウム膜５１、あるいは
−自立型窒化ガリウム層５３
を含むことができる。
窒化ガリウム層（または膜それぞれ）は、極性、半極性、または非極性であり得る。
極性の窒化ガリウムの使用は、高い光出力を有する赤色光を放射する量子井戸を準備することをより困難にする。具体的には、量子井戸を準備するのに用いられる窒化ガリウムＧａＮの極性の存在は、電子−正孔遷移エネルギーを減少させ、それにより放射波長を波長のより高い値に推移させる電界を量子井戸に含み、これは、例えば赤色を得るのに有益である。しかし同時に、この電界の存在は、伝導帯の電子と価電子帯の正孔が、量子井戸の両側に互いに空間的にかけ離れている（シュタルク効果）という事実に起因して、光出力を大幅に減少させる。この放射波長の赤色へのシフトと量子井戸の光出力の減少は、量子井戸がより厚いときに、より大きくなる。極性の窒化ガリウムの基板を使用して、赤色領域を放射する量子井戸を達成し、且つ電子及び正孔の波動関数の重複を増大させる（光出力を向上させる）ために、ＩｎＧａＮ合金中のインジウム含有量を増やすと同時に、小さな厚さの量子井戸（波動関数の良好な重複）を作ることがこのように必要となる。しかしながら、高いインジウム含有量を有する井戸の構造品質は損なわれ、また、低い光出力を導く。
非極性の窒化ガリウム（極性がない）または半極性（極性の窒化ガリウムの極性の１０倍より低い）の使用は、シュタルク効果を避けることを可能にしている。電界がない中で、井戸内の電子及び正孔の波動関数の重複が改善され、高い光出力に都合がよい。さらに、半極性及び非極性の亜硝酸化合物においてインジウムの導入レベルはより高いことが証明されている。それ故、これらの方針は、長い放射波長及び高い光出力を有する量子井戸を得ることに有利である。
図７に関して、基板の処理の第１の変形例が図示されており、基板の背面上に段差を作ることを可能にしている。
この実施例において、基板は、それぞれが青色、緑色、及び赤色の光を放射する量子井戸を含むダイオードの製造のために使用されることを意図している。
第１マスク１０６が、初期基板５０の背面６１上に堆積される（ステップ１０１）。赤色光を放射する量子井戸は、第１マスクによって覆われる領域上に準備される。
第１マスク１０６の堆積は、基板の背面の全表面上に樹脂を堆積させ、それから樹脂の開口に対応する、覆われていないストリップを残すことによって達成することができる。
第１金属の堆積（ステップ１０２）が、第１マスクの開口に実施される。これは、初期基板５０の背面にわたって延在する第１の厚さの金属ストリップ１０７の形成を誘導する。金属ストリップ１０７の第１の厚さは、量子井戸ごとに要求される放射色に依存している。
第２マスク１０８（ステップ１０３）が、第１マスク１０６の開口の一部を覆うように堆積される。青色光を放射する量子井戸は、第１および第２マスク１０６、１０８によって覆われていない領域上に準備される。
第２マスク１０８の堆積は、初期基板５０の背面の全表面上に樹脂の新たな堆積を実行し、第２マスクの開口に対応するストリップを暴露させることによって達成される。
第２金属の堆積（ステップ１０４）が、第２マスクの開口に実施される。金属ストリップ１０９は、第２マスク１０８の開口に延在している第２の厚さで得られる。ここで再び、堆積した金属の第２の厚さは、量子井戸に対して要求される放射波長に応じている。
第１および第２マスク１０６、１０８が、除去される（ステップ１０５）。
刻み目のある背面（ｃｒｅｎｅｌａｔｅｄ ｂａｃｋ ｆａｃｅ）が、
−第２の厚さの金属ストリップ１０９を支持している領域により、
−第２の厚さより少ない第１の厚さの金属ストリップ１０７を支持している領域により、及び
−金属ストリップのない領域により、
形成される段差を含む初期基板が得られる。
−第２の厚さの金属ストリップ１０９を支持している領域により、
−第２の厚さより少ない第１の厚さの金属ストリップ１０７を支持している領域により、及び
−金属ストリップのない領域により、
形成される段差を含む初期基板が得られる。
この初期基板５０はそれから、ダイオードを準備する第２段階を実施するために、炉内に置かれる。
図８で図示したように、刻み目のある背面は、加熱サセプター８０と接触している。
第２の厚さのストリップが延在している背面の領域６１１はサセプターと接触しており、同時に、その他の領域６１２、６１３（すなわち、ストリップのない領域６１３及び第１の厚さのストリップが延在する領域６１２）が、サセプターから多少離れている。
このように、初期基板の局所的な温度は、その関連する領域に従って変化する。
−領域６１１上に位置する基板の部分は、第１の温度Ｔ１であり、例えばこれらの領域６１１上に準備される青色光を放射する量子井戸である。
−領域６１２上に位置する基板の部分は、第２の温度Ｔ２であり、例えばこれらの領域６１２上に準備される緑色光を放射する量子井戸である。
−領域６１３上に位置する基板の部分は、第３の温度Ｔ３であり、例えばこれらの領域６１３上に準備される赤色光を放射する量子井戸である。
−領域６１１上に位置する基板の部分は、第１の温度Ｔ１であり、例えばこれらの領域６１１上に準備される青色光を放射する量子井戸である。
−領域６１２上に位置する基板の部分は、第２の温度Ｔ２であり、例えばこれらの領域６１２上に準備される緑色光を放射する量子井戸である。
−領域６１３上に位置する基板の部分は、第３の温度Ｔ３であり、例えばこれらの領域６１３上に準備される赤色光を放射する量子井戸である。
当業者であれは、異なる厚さのストリップを形成するために、基板の背面上に堆積される材料が金属に限定されていないことは理解できる。二酸化ケイ素のような他の熱伝導材料が使用され得る。
変形例において、断熱材料が、初期基板の背面上に堆積され得る。この場合、断熱材料は、高いインジウム濃度の量子井戸（すなわち、赤色及び緑色の光を放射する量子井戸）をその上に準備することが望まれる領域に配置され、短い波長で放射する量子井戸を準備することが望まれる領域の下には断熱材料がない。
図１０に関して、初期基板５０の処理のもう一つの変形例が図示されている。この変形例において、段差を形成するために初期基板５０の背面上に材料を堆積せず、初期基板５０がエッチングされる。
第１マスク１１６が、初期基板５０の背面上に堆積される（ステップ１１１）。青色光を放射する量子井戸は、第１マスクによって覆われた領域上に準備される。
第１マスク１１６の堆積は、樹脂の層を堆積し、及び第１マスクの開口を形成するストリップを取ることによって得られることができる。
初期基板のエッチング（ステップ１１２）は、第１マスク１１６の開口を通して実施される。これは、初期基板５０の背面において、第１の深さの溝１１７の形成を招く。
第１マスク１１６の開口を部分的に覆う第２マスク１１８が堆積される（ステップ１１３）。赤色光を放射する量子井戸は、第１および第２マスクの開口上に準備される。
第２マスク１１８の堆積は、初期基板５０の背面の全表面上に樹脂の新たな堆積を実施して、第２マスク１１８の開口と一致しているストリップを取ることによって達成され得る。
第２のエッチング（ステップ１１４）は、第２マスク１１８の開口でなされる。第２の深さの溝１１９が、初期基板５０において得られる。
第１および第２のマスク１１６、１１８が、除去される（ステップ１１５）。
−第２の深さの溝１１９を含む領域により、
−第２の深さより少ない第１の深さの溝１１７を支持している領域により、及び
−溝のない領域により、
形成された段差を含む刻み目のある背面を有する、図９で図示されたような初期基板５０が得られる。
−第２の深さより少ない第１の深さの溝１１７を支持している領域により、及び
−溝のない領域により、
形成された段差を含む刻み目のある背面を有する、図９で図示されたような初期基板５０が得られる。
図７で図示された変形例の実施形態に関して、溝の第１および第２の深さは、量子井戸に対して要求される波長に応じている。
２．２．２ ダイオードの準備
処理された初期基板５０は、気相成長炉のサセプター上に配置される。
処理された初期基板５０は、気相成長炉のサセプター上に配置される。
ｎドープ電子輸送層、例えばｎドープ窒化ガリウムｎ−ＧａＮの層などが、初期基板５０上に堆積される（ステップ２１０）。
電子輸送層の堆積は例えば、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）、または、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって達成され得る。
量子井戸のセット２０がそれから準備される（ステップ２２０）。
初期基板５０の背面上に存在する段差に起因して、これらの段差に面する局所的な温度は、輸送層１０の表面で異なる。
−サセプターと接触する段差（サセプターと基板との間の距離ｄ１がゼロ）は、サセプターの加熱素子により生成された熱を、基板と電子輸送層を通して効率的に導き、その結果、サセプター８０と接触する基板の領域上に位置する材料のボリュームは温度Ｔ１となる。
−サセプター８０から距離ｄ２だけ間隔をあけられた段差は、加熱素子により生成された熱を少ない効率（サセプター８０と基板５０の間の距離ｄ２に起因して）で導き、その結果、距離ｄ２だけ間隔をあけられた領域上に延在する材料のボリュームがＴ１より下の温度Ｔ２となる。
−サセプター８０から距離ｄ３（ｄ２より大きい）だけ間隔をあけられた段差は、サセプター８０の加熱素子により生成された熱をさらに少ない効率で導き、その結果、距離ｄ３だけ間隔をあけられる領域上に延在する材料のボリュームがＴ２より下の温度Ｔ３となる。
−サセプターと接触する段差（サセプターと基板との間の距離ｄ１がゼロ）は、サセプターの加熱素子により生成された熱を、基板と電子輸送層を通して効率的に導き、その結果、サセプター８０と接触する基板の領域上に位置する材料のボリュームは温度Ｔ１となる。
−サセプター８０から距離ｄ２だけ間隔をあけられた段差は、加熱素子により生成された熱を少ない効率（サセプター８０と基板５０の間の距離ｄ２に起因して）で導き、その結果、距離ｄ２だけ間隔をあけられた領域上に延在する材料のボリュームがＴ１より下の温度Ｔ２となる。
−サセプター８０から距離ｄ３（ｄ２より大きい）だけ間隔をあけられた段差は、サセプター８０の加熱素子により生成された熱をさらに少ない効率で導き、その結果、距離ｄ３だけ間隔をあけられる領域上に延在する材料のボリュームがＴ２より下の温度Ｔ３となる。
量子井戸の準備は、インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素の気体前駆体からの有機金属気相エピタキシーによって、または、インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素からなる元素源からの分子線エピタキシーによって、実施される。
量子井戸２１、２２、２３は、電子輸送層１０の表面上に形成される。温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３により、量子井戸２１、２２、２３は、多少高いインジウム濃度を含む。
具体的には、層中のインジウムの取り込みは、この層の処理温度に応じており、より低いこの処理温度は、より大きな量のインジウムが取り込まれ、逆に、より高い温度は、より小さな量のインジウムが取り込まれる。
インジウムのそれらの異なる濃度により、量子井戸２１、２２、２３は、異なる色の光を放射する。
複数の隣接した量子井戸は、異なるインジウム濃度で得られ、異なる波長で発光放射線を放射する。
ｐドープ電子阻止層（ＥＢＬ）２６が、量子井戸のセット２０上に堆積される（ステップ２３０）。この電子阻止層は例えば、ｐドープの気体及びアルミニウムｐ−ＡｌＧａＮ層である。電子阻止層２６は、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）、または、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって堆積される。
ｐドープ正孔輸送層３０が、電子阻止層上に堆積される（ステップ２３０）。この正孔輸送層３０は例えば、ｐドープ窒化ガリウムｐ−ＧａＮ層である。正孔輸送層３０は、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）、または、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって堆積される。
方法のもう一つのステップは、電源に接続することを可能にする、ダイオードの金属コンタクトを作ること（ステップ２４０）からなる。コンタクト６０は、（例えば、基板の背面上に）作られる。もう一つのコンタクト７０は、正孔輸送層３０の前面上に作られる。
３． 実施例及び結果
一連の量子井戸の成長が、基板の背面上の真空の存在に起因する基板の表面上での温度変化の概念の有効性を示すために実行された。
一連の量子井戸の成長が、基板の背面上の真空の存在に起因する基板の表面上での温度変化の概念の有効性を示すために実行された。
上で示されたように、合金ＩｎｘＧａ１−ｘＮの組成は成長温度に非常に敏感であり、同一の流動条件において、エピタキシー温度が低いとき、インジウム含有量はより高い。
基板温度は主にホットサセプターとの接触によって得られるので、（サセプターと基板の間で）接触がない場合、コールドスポットが局所的に得られる。
この研究において、サファイアウェハ上で各々が窒化ガリウムＧａＮ膜（極性または半極性）から成る基板が使用された。
対照として働く基板は、処理されなかった。その他は、
−それらの背面上で１μｍの厚さの、
−それらの背面上で２μｍの厚さの、
二酸化ケイ素のストリップパターンを得るように処理された。
−それらの背面上で１μｍの厚さの、
−それらの背面上で２μｍの厚さの、
二酸化ケイ素のストリップパターンを得るように処理された。
量子井戸の構造は、これらの基板上で展開された。
フォトルミネセンス（図１２及び１３を参照）による、及び、カソードルミネセンス（図１４を参照）による性質評価が採用された。
図１２は、半極性の窒化ガリウム層を含む基板、より正確には、
−対照基板（すなわち、背面上にパターンを含まない、処理されない基板）
−その背面上に１μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
−その背面上に２μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
に対して得られたフォトルミネセンススペクトルを図示している。
−対照基板（すなわち、背面上にパターンを含まない、処理されない基板）
−その背面上に１μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
−その背面上に２μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
に対して得られたフォトルミネセンススペクトルを図示している。
異なる色の光を放射する２つの隣接した量子井戸を含む発光層が、各々の処理された基板上に形成された。
１μｍのストリップを含む基板のスペクトル９１が、対照基板のスペクトル９０より広いことに気付く。
２μｍのストリップを含む基板のスペクトル９２は、非常に広く、青−紫領域、及び緑−黄領域において二つの最大の領域を示している。
図１３は、極性の窒化ガリウムの層を含む基板、より正確には、
−対照基板（すなわち、背面上にパターンを含まない、処理されない基板）
−その背面上に１μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
−その背面上に２μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
に対して得られたフォトルミネセンススペクトルを図示している。
−対照基板（すなわち、背面上にパターンを含まない、処理されない基板）
−その背面上に１μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
−その背面上に２μｍの厚さのＳｉＯ２ストリップを含む処理された基板
に対して得られたフォトルミネセンススペクトルを図示している。
ストリップを含む二つの基板のスペクトル９１、９２は、対照基板のスペクトル９０より広い。２μｍのストリップを含む基板のスペクトル９２は、より極端である。
ストリップを含む二つの基板のスペクトル９１、９２は、対照基板のスペクトル９０より高い波長で集中しており、成長の間の低い平均温度の標示である。
カソードルミネセンスによる性質評価に対して、一連のスペクトルが、（その構造は、図１３におけるフォトルミネセンススペクトル９２に対応している）基板の背面上に２μｍの厚さの二酸化ケイ素のストリップを保持しているサファイア基板上のエピタキシャルな極性井戸上で、数十μｍでスポットライトの位置を変化させることでとられた（示された測定の範囲は４ｍｍを越えて延在している）。
図１４において図示されるように、（すでにフォトルミネセンスによって確認された）量子井戸の波長の２つの範囲９３、９４が明確に観察される。
周期的な交替がこのように強調され、基板の背面上に配置されたＳｉＯ２ストリップに起因したウェハの局所的な温度差と一致している。これらの局所的な波長の変化は、鋭く、ダイオードの寸法のスケールで複数の波長を得るための、及びこのようにして白色ダイオードを得るための必要条件である。
上述した方法は、所定の光を放射するダイオードの製造を可能にしている。
当業者であれば、ここで示された新たな教示から実質的に逸脱することなく、上述の方法に対して多くの修正がなされ得ることが理解できる。
従って、ここで挙げられた実施例が特定の具体例のみであり、決して制限的でないことは明らかである。
１ サファイア基板
２Ａ、２Ｂ バッファ層
２Ｃ ｎドープ窒化ガリウムの層
３ 金属コンタクト
４ 量子井戸のスタック
６ ｐドープ窒化ガリウムの層
７ 金属コンタクト
１０ 電子輸送層
１１ 前面
３０ 正孔輸送層
４０ ｐ＋＋ＧａＮ層
５０ 基板
５１ 窒化ガリウム膜
５３ 自立型窒化ガリウム層
６０ 金属コンタクト
７０ 金属コンタクト
８０ サセプター
１０６ 第１マスク
１０７ 金属ストリップ
１０８ マスク
１０９ 金属ストリップ
１１６ 第１マスク
１１７ 溝
１１８ マスク
１１９ 溝
２Ａ、２Ｂ バッファ層
２Ｃ ｎドープ窒化ガリウムの層
３ 金属コンタクト
４ 量子井戸のスタック
６ ｐドープ窒化ガリウムの層
７ 金属コンタクト
１０ 電子輸送層
１１ 前面
３０ 正孔輸送層
４０ ｐ＋＋ＧａＮ層
５０ 基板
５１ 窒化ガリウム膜
５３ 自立型窒化ガリウム層
６０ 金属コンタクト
７０ 金属コンタクト
８０ サセプター
１０６ 第１マスク
１０７ 金属ストリップ
１０８ マスク
１０９ 金属ストリップ
１１６ 第１マスク
１１７ 溝
１１８ マスク
１１９ 溝
Claims (17)
- 発光ダイオードを製造する方法であって、前記方法は、支持体（５０、１０）の前面上に発光層（２０）を準備するステップ（２２０）を含み、前記発光層は、異なる波長を放射する少なくとも二つの隣接する量子井戸（２１、２２、２３、２４）を含み、前記量子井戸（２１、２２、２３、２４）は、前記支持体の前記前面と接触していることを特徴とする方法。
- 前記発光層を堆積させる前記ステップは、前記支持体の前記前面が異なる温度の少なくとも二つの領域を含むように、前記前面の反対側の前記支持体の背面の温度を局所的に変化させることにある、請求項１に記載の方法。
- 前記支持体の局所的な温度変化は、異なる寸法の領域上で達成される、請求項２に記載の方法。
- 前記発光層を堆積させる前記ステップは、それぞれの領域上で各々の量子井戸を成長させることにあるサブステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
- 前記支持体の加熱温度を局所的に変化させることにある前記サブステップは、その背面の下で前記支持体を加熱することにあり、前記支持体はその背面上に少なくとも一つの島を含む、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記支持体の背面上に少なくとも１つのパターンを作ることにある前記支持体を処理するステップを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記支持体を処理するステップは、段差を含む刻み目のある背面を有する支持体を得るために、複数のパターンを作ることにある、請求項６に記載の方法。
- 前記支持体を処理するステップは、異なる厚さ及び／または表面の段差を含む刻み目のある背面を有する支持体を得るために、複数のパターンを作ることにある、請求項６に記載の方法。
- 前記処理するステップは、少なくとも一つの溝を作るために、前記支持体をその背面上でエッチングするステップを含む、請求項６に記載の方法。
- 前記処理するステップは、前記支持体の背面上に少なくとも一つの島を作るために、前記支持体の背面上で材料を堆積させるステップを含む、請求項６に記載の方法。
- −基板（５０）上に電子輸送層（１０）を堆積するステップ（２１０）、
−前記発光層（２０）上に電子阻止層（２６）を堆積するステップ（２３０）、
−電子阻止層（２６）上に正孔輸送層（３０）を堆積するステップ（２３０）、
−ダイオードの電源への接続を可能にする金属コンタクト（６０、７０）を形成するステップ、
を含む請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。 - 各量子井戸の成長は、
−インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素の気体前駆体からの有機金属気相エピタキシーにより、または
−インジウム、アルミニウム、ガリウム、及び窒素を含む元素源からの分子線エピタキシーにより、
達成される、請求項４に記載の方法。 - 発光ダイオードであって、支持体（５０、１０）の前面上に発光層（２０）を含み、前記発光層は、異なる波長で放射する少なくとも二つの隣接する量子井戸（２１、２２、２３、２４）を含み、前記量子井戸（２１、２２、２３、２４）は、前記支持体（５０、１０）の前記前面と接触していることを特徴とする、発光ダイオード。
- 前記支持体は、その背面上にパターンを含む基板を含み、前記発光層は、前記基板の前記前面にわたって延在している、請求項１３に記載の発光ダイオード。
- 前記支持体は、窒化ガリウムＧａＮ基板を含む、請求項１３または１４に記載の発光ダイオード。
- 前記支持体は、半極性または非極性の窒化ガリウムＧａＮ基板を含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記ダイオードの背面の全表面にわたってカソードを形成している金属層を含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
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