JP2022541527A - 発光ダイオード及び製造方法 - Google Patents

Abstract

発光ダイオード及び製造方法。
本発明は、活性領域を備え、三次元（３Ｄ）構造を有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。３Ｄ ＬＥＤは、
－ アルミニウムの第１の含有率及びインジウムの第１の含有率を有する第１のＧａＮ系層と、
－ 第１の層と活性領域の間に挟入され、それらと接触した、第２のＧａＮ系層であって、アルミニウムの第２の含有率及びインジウムの第２の含有率を有し、インジウムの第２の含有率は、第１の層と第２の層の界面に格子定数不整合の転位の形成が生じるように、厳密にインジウムの第１の含有率を超えている、第２のＧａＮ系層と、
を備える。
有利には、活性領域、第１の層及び第２の層は、半極性結晶面に沿って伸張する。
本発明は、そのような３Ｄ ＬＥＤの製造方法にも関する。

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスの分野に関する。本発明は、三次元構造を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードの分野において、特に有利な用途を見出している。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオード（ＬＥＤ）は、一般に、プレーナ技術と呼ばれる技術を用いて製造される。プレーナ技術は、基準平面上で基準平面に垂直の方向に二次元（２Ｄ）層のスタックを形成することで構成される。

このスタックは、一般に、電子－正孔対の発光再結合が生じる活性領域と呼ばれる領域を備え、これにより、主波長を有する光放射を得ることが可能になる。

ディスプレイ用途では、ＬＥＤは、主波長が青、又は緑、又は赤にある光放射を生成するように構成され得る。

例えばリソグラフィ／エッチング工程による、この事後的なスタックの構造化により、それぞれメサ構造を有する複数の発光ダイオードを形成することが可能になる。メサ構造は、典型的に、上面と側壁とを有する。事後的構造化により得られたこれらの側壁は、一般に、非発光表面再結合の出現を促進する（ｆａｖｏｕｒ）欠陥を有する。

マイクロＬＥＤの場合、数十ミクロン未満、例えば１０μｍ未満のメササイズでは、メサの表面積／容積比は増加し、側壁の作用は顕著になる。特に、非発光表面再結合のシェアが増大することにより、そのようなマイクロＬＥＤの非発光再結合の比率は高くなる。したがって、これらのマイクロＬＥＤの性能は低下する。

メサ側壁欠損部を減少させるために、三次元（３Ｄ）構造を直接形成することは、二次元（２Ｄ）プレーナスタックを構造化することに対する有望な代替手段である。そのような代替手段により、特に、非発光表面再結合の比率を大幅に低減することが可能になる。

図１Ａ及び図１Ｂは、ＬＥＤ又はマイクロＬＥＤの製造に使用される３Ｄ構造を示している。

これらの３Ｄ構造は、主に底面に垂直な方向に伸張するＧａＮ系マイクロワイヤ又はナノワイヤの形状をとり得る。

これらの構造は、マスキング層１３によって部分的に覆われた核生成層１２からのエピタキシャルな成長によって形成され得る。

これらの例では、核生成層１２は、二次元であり、底面において伸張する。３Ｄ構造の成長は、マスキング層１３の開口部１３０を通して生じる。

これらの３Ｄ構造は、様々な内部構成を持つことができる。

図１Ａは、軸構築物（アキシャルアーキテクチャ）と呼ばれる第１の構築物（アーキテクチャ）を示す。この軸構築物によれば、活性領域１２３は、３Ｄ構造内で、底面に対して並行に、横方向に伸張する。

このような軸構築物により、特に、ＧａＮをベースにした活性領域１２３において高濃度のインジウム（Ｉｎ）を組み込むことが可能になる。このような活性領域１２３は、波長が緑又は赤にある光放射を放出することができる。

したがって、この軸構築物は、緑色又は赤色３ＤマイクロＬＥＤを製造するために使用され得る。

しかしながら、そのような構築物は、低い発光収率（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｙｉｅｌｄ）を有する。

更に、高濃度のインジウムの場合、活性領域におけるインジウムの分布は、一般に、この型の軸構築物中で均一ではない。

図１Ｂは、放射状構築物と呼ばれる第２の構築物を示す。この放射状構築物によれば、活性領域１２３は、底面に対して垂直に、３Ｄ構造の側面に沿って伸張する。

このような放射状構築物は、青色で放出するＬＥＤでは、良好な発光収率を有する。

しかしながら、この収率は、５００ｎｍ超の波長を有する光放射を放出するインジウム豊富な放射状活性領域１２３では、縮小する。

したがって、この放射状構築物は、緑色又は赤色３ＤマイクロＬＥＤには適さない。

したがって、３Ｄ構造ＬＥＤの既存のソリューションでは、インジウムの有意な組み込み及び高い発光収率を得ることができない。

本発明は、上記の短所のいくつかを少なくとも部分的に克服することを目的とする。

特に、本発明の目的は、ＧａＮ系３Ｄ構造化発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供し、これにより活性領域内に高含有率のインジウムを組み込むことを可能にするとともに、発光収率を保持し、或いは増大させることである。

本発明の更に別の目的は、インジウムの分布が均一化された、ＧａＮ系３Ｄ構造化発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供することである。

本発明の別の目的は、そのような３Ｄ ＧａＮ ＬＥＤの製造方法を提供することである。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の記載及び添付図面を検討することで明らかになるであろう。他の利点は組み込まれていると理解される。

前述の目的を達成するために、本発明は、第１の態様により、窒化ガリウム（ＧａＮ）系三次元（３Ｄ）構造を有し、光放射を放出することを目的とした窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系活性領域を備える、発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供する。三次元（３Ｄ）構造は、テーパ頂部を有するワイヤの形状（３Ｄペンシル構造と呼ばれる３Ｄ構造）又はピラミッドの形状（３Ｄピラミッド構造と呼ばれる３Ｄ構造）を取る。

この発光ダイオードは、
－ アルミニウムの第１の含有率及びインジウムの第１の含有率を有する第１のＧａＮ系層と、
－ アルミニウムの第２の含有率及びインジウムの第２の含有率を有し、第１の層と活性領域の間に挟入され、それらと接触した、第２のＧａＮ系層を更に含む。

有利には、インジウムの第２の含有率は、第１の層と第２の層の界面に格子定数不整合の転位の形成が生じるように、厳密にインジウムの第１の含有率を超えている。

有利には、活性領域、第１の層及び第２の層は、半極性結晶面に沿って伸張する。

この展開は本発明につながり、以下のことを確認することを可能にした。
－ インジウムの活性領域への組み込みは、特に、活性領域を形成する層の極性及び３Ｄ構造における機械的応力の管理に依存すること、
－ 発光再結合の率、したがって発光収率は、ＩｎＧａＮ系活性領域内のピエゾ電界の強さに部分的に依存すること。このピエゾ電界はまた、活性領域を形成する層の極性に依存する。

３Ｄ構造化ＬＥＤの既存のソリューションでは、インジウムの組み込み、機械的応力の出現及びピエゾ電界の強度を効果的に制御することはできないように見える。

軸構築物（図１Ａ）の場合、活性領域は、活性領域内に強力なピエゾ電界を生じさせる極平面（図２Ａに示されるＧａＮ系材料の六方晶系結晶構造の平面ｃ又は－ｃ）上に形成される。

この強力なピエゾ電解は、電荷キャリア（電子及び正孔）の空間的分離を生じさせる。このキャリア間の分離は、電子－正孔再結合の率を大幅に低下させる。内部量子効率ＩＱＥ及び発光収率は低い。

軸構築物の極平面は、比較的大きな量のインジウムが活性領域に組み込まれることを可能にする。

しかしながら、活性領域内のインジウムの濃度［Ｉｎ］ａを高めることにより、例えば［Ｉｎ］ａ＞１７％とすることにより、活性領域のＩｎＧａＮ系材料には、ますます大きな機械的応力がかかる。したがって、構造的欠陥は、活性領域において塑性応力緩和によって形成され得る。このことにより、ＩＱＥ効率及び活性領域の発光収率が低下する。機械的応力及び／又は塑性緩和の増大は、活性領域内でのインジウムの不均一な分布を更に促進する。

放射状構築物（図１Ｂ）の場合、活性領域は、非極性平面（図２Ｂに示される、ＧａＮ系材料の六方晶系結晶構造の平面ａ又はｍ）上に形成される。

非極性平面における塑性応力緩和は、極平面における塑性応力緩和より早いように見える。このような結晶配向は、結晶欠陥の出現を促進する。これらの結晶欠陥、特に積層欠陥は、活性領域内で形成され、したがって急速に広がる。

ピエゾ電界の強度を最小限に抑えながら、インジウムの活性領域への組み込みを最適化するために、本発明は、図１Ｃ、２Ｃに示されるとおり、半極性平面上に活性領域を形成することを実現する。このような構築物は、以下でピラミッド構築物と呼ばれる。

半極性平面は、極平面とは異なり、弱いピエゾ電界を有するか、ピエゾ電解を有さない。一例によれば、半極性平面は、好ましくは、｛１０－１１｝型（図２Ｃ）のものであり、事実上、ピエゾ電界を有さない。

ピラミッド構築物の内部量子効率ＩＱＥは、軸構築物のものと比較して、改善されている。

主波長での光放射の放出もまた、広範囲の電流密度にわたって安定性が向上している。

半極性平面は更に、非極性平面より多くの量のインジウムが組み込まれることを可能にする。

このピラミッド構築物はまた、放射状建築物と比較してインジウムの組み込みをも向上させる。

更に、活性領域における機械的応力を効果的に緩和するために、本発明は、３Ｄ構造において、半極性平面に平行であり、それぞれインジウムが不十分である及びインジウムが豊富である第１及び第２のＧａＮ系層を形成する工程を提供する。これらの第１及び第２の層は、以下、「応力緩和構造」としても参照される。

第１の層と第２の層の間での格子定数の違いは、一般に「ミスフィット転位」と呼ばれる、第１の層と第２の層の間の界面における、格子定数不整合の転位を生じさせる。

ミスフィット転位（ＭＤ）の出現は、第１及び第２の層の塑性緩和に対応する。

したがって、応力緩和構造は、緩和されたＧａＮ系材料上に活性領域を形成することを可能にする。

したがって、この活性領域に組み込まれるインジウムの含有率は、この活性領域内の構造欠陥の濃度を最小限に抑えることによって増加する。

更に、少なくとも部分的に緩和された活性領域内でのインジウム分布の均一性が向上する。

好ましくは、第１及び第２の層はまた、それぞれアルミニウムが豊富であり（Ｇａ（Ｉｎ）ＡｌＮ）、アルミニウムが不十分である（Ｇａ（Ａｌ）ＩｎＮ）。アルミニウムの添加は、第１の層と第２の層の間での格子定数の差を強調することを可能にする。したがって、ＭＤの出現に要求される格子定数の差を得るために、インジウムが非常に豊富である第２の層を形成することは必要ではない。これにより、インジウムが豊富すぎる第２の層による光放射の吸収を防止することができる。

相乗作用として、応力緩和構造により生じたミスフィット転位は、ピラミッド構築物の半極性平面に限定される。

したがって、ミスフィット転位は、極性又は非極性平面内で生じる構造欠陥とは異なり、活性領域に伝播しない。

特に活性領域において展開する空間の電荷エリア上での、活性領域の動作に対するミスフィット転位の寄生的影響を回避するために、界面と活性領域の間に必要な距離ｄは、最小限に抑えることができる。

したがって、界面におけるミスフィット転位の閉じ込めは、第２の層の厚さを１５０ｎｍ未満の厚さに制限すること、例えば、１０ｎｍ～１５０ｎｍに構成することを可能にする。

したがって、このようなピラミッド構築物による統合された応力緩和構造は、機械的応力の効果的な管理を可能にする。この向上した応力管理に関連する他の利点については、以下で詳述される。この向上した応力管理は、一般に、ＩＱＥを向上させる。

したがって、応力緩和構造を有する、このピラミッド構築物ベースのＬＥＤは、特に緑色又は赤色の光放射放出の構成について、発光収率を向上させた。

本発明の第２の態様は、三次元（３Ｄ）構造を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法であって、前記ダイオードは、光放射を放出することを目的としたＩｎＧａＮ系活性領域を備える、方法に関する。

本方法は、以下の工程：
－ 基材上に少なくとも１つのＧａＮ系表面層を備える三次元構造を提供し、前記表面層が半極性結晶面に沿って伸張する、工程、
－ 前記半極性結晶面に沿って伸張し、アルミニウムの第１の含有率及びインジウムの第１の含有率を有する、第１のＧａＮ系層を、表面層上に形成する工程、
－ 前記半極性結晶面に沿って伸張し、アルミニウムの第２の含有率及びインジウムの第２の含有率を有する、第２のＧａＮ系層を、第１の層上に直接形成し、インジウムの第２の含有率は、第１の層と第２の層の界面に格子定数不整合の転位の形成が生じるように、厳密にインジウムの第１の含有率を超えている、工程、
－ 前記半極性結晶面に沿って伸張するＩｎＧａＮ系活性領域を、第２の層上に直接形成する工程
を含む。

本発明の用途、目的、並びに特徴及び利点は、以下の添付図面によって例示される、本発明の実施形態の詳細な説明から、より明らかになるであろう。

先行技術による軸構築物を有する３Ｄ ＬＥＤ構造を示す。 先行技術による放射状構築物を有する３Ｄ ＬＥＤ構造を示す。 本発明の一実施形態によるピラミッド構築物を有する３Ｄ ＬＥＤ構造を示す。 六方晶系結晶構造を有するｃ型極性面を示す。 六方晶系結晶構造の非極性ａ及びｍ型面を示す。 六方晶系結晶構造を有する｛１０－１１｝半極性面を示す。 本発明の一実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の一実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の一実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の一実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の別の実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の別の実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の別の実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。 本発明の別の実施形態によるピラミッド構築物３Ｄ ＬＥＤの製造工程を示す。

図面は例として挙げたものであり、本発明を限定するものではない。これらの図面は、原理の模式的表現となるものであり、本発明の理解を促進することを意図しており、必ずしも実際の用途の縮尺に基づいているわけではない。特に、異なる層の寸法及び３Ｄ ＬＥＤの領域は、現実を表しているわけではない。

本発明の実施形態の詳細な検討を始める前に、第１の態様による本発明は、特に、組み合わせて又は代替的に使用することができる、下記の任意の特徴を含むことを想起されたい。

一例によれば、アルミニウムの第１及び／又は第２の含有率は、０である。

一例によれば、インジウムの第１の含有率は、厳密にアルミニウムの第１の含有率未満である。

一例によれば、インジウムの第１の含有率は、０ではない。

一例によれば、インジウムの第２の含有率は、厳密にアルミニウムの第２の含有率を超える。

一例によれば、インジウムの第１の含有率［Ｉｎ］１は、０～１０％を占める。

一例によれば、インジウムの第２の含有率［Ｉｎ］２は、３～２５％を占める。

一例によれば、アルミニウムの第１の含有率［Ａｌ］１は、０～３５％を占める。

一例によれば、アルミニウムの第２の含有率［Ａｌ］２は、０～１０％を占める。

一例によれば、界面は、活性領域から距離ｄのところに位置し、ｄ＞１０ｎｍとなる。

一例によれば、半極性結晶面は、｛１０－１１｝型のものである。

一例によれば、ＬＥＤは５００ｎｍ～６５０ｎｍの範囲の波長を有する光放射を放出するように構成される。

一例によれば、三次元構造は、三次元ペンシル構造と呼ばれ、テーパ頂部を有するワイヤの形状をとる。

一例によれば、三次元構造は、三次元ピラミッド構造と呼ばれ、ピラミッドの形状をとる。

一例によれば、三次元構造は、プレーナ基材から形成される。

一例によれば、三次元構造は、テクスチャー表面を有する三次元基材から形成される。

一例によれば、基材は、ケイ素、ＧａＮ、サファイアから選択される材料をベースとする。

第２の態様による本発明は、特に、組み合わせて又は代替的に使用することができる、下記の任意の特徴を含む。

一例によれば、第１及び第２の層並びに活性領域の形成は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって生じる。

一例によれば、第１及び第２の層並びに活性領域の形成は、テクスチャー表面を有する三次元基材上で生じる。

一例によれば、活性領域の形成は、少なくとも部分的に５５０℃超の温度において生じる。

本発明において、ピラミッド構築物による応力緩和構造の形成は、特に３Ｄ ＬＥＤの製造を目的として行われる。

本発明は、活性領域を備える３Ｄ構造を有する様々なオプトエレクトロニクスデバイスのために、より広範に実施され得る。

オプトエレクトロニクスデバイスの活性領域とは、このデバイスによって供給される光放射の大部分が放出される元となる領域、又はこの装置によって受け取られる光放射の大部分が捕捉される元となる領域を意味する。

したがって、本発明は、レーザー又は太陽電池デバイスの文脈においても実施され得る。

明示的に言及されない限り、本発明の文脈において、第１の層と第２の層の間に挟入される第３の層の相対的な配置は、それらの層が互いに直接接触することを必ずしも意味するわけではなく、第３の層が、第１の層及び第２の層と直接接触するか、又は少なくとも他の１つの層若しくは少なくとも他の１つの要素によって離隔されることを意味することが明記される。

異なる層及び領域を形成する工程は、それらの工程が、厳密に順次的であるわけでは必ずしもない、いくつかの下位工程において実施され得るという、広い意味で理解される。

本発明では、ドーピングの型が指示される。これらのドーピングは非限定的例である。本発明は、ドーピングが反転されたすべての実施形態を対象とする。したがって、例示的実施形態において、第１の領域についてＰドーピング、第２の領域についてＮドーピングに言及する場合、本発明の記載は、少なくとも暗示的に、第１の領域がＮドーピングを有し、第２の領域がＰドーピングを有する、逆の例を説明する。

Ｐで表されるドーピングは、ドーパントの濃度に関わらず正電荷担体によるすべてのドーピングを包含する。したがって、Ｐドーピングは、Ｐ、Ｐ＋又はＰ＋＋ドーピングとして理解することができる。同様に、Ｎで表されるドーピングは、ドーパントの濃度に関わらず負電荷担体によるすべてのドーピングを包含する。したがって、Ｎドーピングは、Ｎ、Ｎ＋又はＮ＋＋ドーピングとして理解することができる。

これらの異なるドーピングに関連するドーパント濃度範囲は以下のとおりである。
Ｐ＋＋又はＮ＋＋ドーピング：１ｘ１０^２０ｃｍ^－３
Ｐ＋又はＮ＋ドーピング：５ｘ１０^１８ｃｍ^－３～９ｘ１０^１９ｃｍ^－３
Ｐ又はＮドーピング：１ｘ１０^１７ｃｍ^－３～５ｘ１０^１８ｃｍ^－３
固有ドーピング：１ｘ１０^１５ｃｍ^－３～１ｘ１０^１７ｃｍ^－３

以下では、材料Ｍに関して次の略称が用いられる。

Ｍ－ｉは、接尾辞－ｉについてマイクロエレクトロニクスの分野で通常用いられる用語法に従った、本来的に又は意図せずにドーピングされた材料Ｍを指す。

Ｍ－ｎは、接尾辞－ｎについてマイクロエレクトロニクスの分野で通常用いられる用語法に従った、Ｎ、Ｎ＋又はＮ＋＋によりドーピングされた材料Ｍを指す。

Ｍ－ｐは、接尾辞－ｐについてマイクロエレクトロニクスの分野で通常用いられる用語法に従った、Ｐ、Ｐ＋又はＰ＋＋によりドーピングされた材料Ｍを指す。

本特許出願では、用語「濃度」と「含有率」は同義である。

より詳細には、濃度は、モル若しくは原子分率などの相対的な単位で、又は立法センチメートル当たりの原子数（ａｔ．ｃｍ^－３）などの絶対的な単位で、表すことができる。

以下では、特に指示がない限り、濃度は、ａｔ％で表される原子分率である。

本特許出願では、用語「発光ダイオード」、「ＬＥＤ」又は単純に「ダイオード」は、同義で用いられる。「ＬＥＤ」は「マイクロＬＥＤ」としても理解することができる。

材料Ｍ「系」の基材、層、デバイスは、この材料Ｍのみを含むか、この材料Ｍ及び任意に他の材料、例えば合金成分、不純物又はドーピング成分を含む、基材、層、デバイスを意味する。したがって、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＬＥＤは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ若しくはＧａＮ－ｉ）、又はドーピングされた窒化ガリウム（ＧａＮ－ｐ、ＧａＮ－ｎ）、又は窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、又はアルミニウム及びインジウムの異なる含有率を有する窒化ガリウム（ＧａＩｎＡｌＮ）を含む。本発明の文脈において、材料Ｍは、概して結晶性である。

本特許出願において、優先的に、デバイスの層の厚さ及び高さが考慮される。厚さは、層の主要な伸張面に対して直角の方向に計測し、高さは、基材の底面に対して垂直に計測する。

用語「実質的に」、「およそ」、「のオーダーの」は、それらが値に関する場合、その値の「１０％以内」を意味し、又はそれらが角度方向に関する場合、その方向の「１０°以内」を意味する。したがって、平面に対して実質的に直角である方向は、その平面に対して９０±１０°の角度を有する方向を意味する。

ＬＥＤの幾何学的配置、結晶配向及び異なる層の構成を決定するために、走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）又は透過電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）或いは走査透過電子顕微鏡検査ＳＴＥＭを実行することが可能である。

ＴＥＭ内でのミクロ回折は、異なる層及び領域の結晶配向を決定することを可能にする。

ＴＥＭ又はＳＴＥＭはまた、構造欠陥、及び特にミスフィット転位の観察及び特定に最適である。非包括的な意味で以下に記載される様々な技術：暗視野及び明視野、弱いビーム、高角度での回折ＨＡＡＦ（「Ｈｉｇｈ Ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ（高角度環状暗視野）」の頭字語）におけるイメージングが、実施され得る。

異なる層又は領域の化学的組成物は、「Ｘ光子のエネルギー分散分析」を意味する「ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（エネルギー分散型Ｘ線分光）」の頭字語である、周知のＥＤＸ又はＸ－ＥＤＳ法を用いて決定され得る。

この方法は、３Ｄ ＬＥＤなどの小型デバイスの構成を分析することによく適合している。この方法は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）における冶金部門又は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）における薄板に対して実施され得る。

これらの技法は、特に、３Ｄ構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスが、本発明に記載される半極性面による応力緩和構造を備えるかどうかを決定することを可能にする。

次に、図３Ａ～３Ｄを参照しながら、本発明によるＬＥＤの第１の実施形態を説明する。

明確化のために、以下の記載は、３Ｄ ＬＥＤを構成する単一の基本３Ｄ構造に基づいている。３Ｄ ＬＥＤは、同一の基材上に分布する、隣接した複数の基本３Ｄ構造を備える。この複数物の他の基本３Ｄ構造は、以下に記載する基本３Ｄ構造と実質的に同一であると考えられる。

この第１の実施形態により得られる基本３Ｄ構造は、ＧａＮ系ピラミッドである。

ピラミッド型支持構造１２が、第１の工程において形成される（図３Ａ）。

ピラミッド型支持構造１２の側面は、ｃ軸が底面に対して垂直である六方晶系結晶構造の半極性面において得られる。

一例によれば、これらの側面は、｛２０－２１｝型の半極性面にほぼ対応するように、底面に対しておよそ８０°の角度を有し得る。

別の例によれば、これらの側面は、｛１０－１１｝型の半極性面にほぼ対応するように、底面に対して約６０°の角度を有し得る。

この支持構造１２は、ＧａＮ系材料から作製され得る。

このような構造は、平面基材１１から得ることができ、例えば、ケイ素又はサファイアから作製され得、任意にＧａＮ系核生成層（図示せず）を上に配置することができる。

例えば窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４から作製される、開口部を備えたマスキング層は、ＧａＮ系材料の成長を局所化することを可能にする。これらの開口部は、５０ｎｍ～３０μｍの範囲の寸法、例えば直径又は平均直径を有する。２つの開口部を隔離する距離は、１００ｎｍ～１０μｍの範囲であり得る。これらの開口部は、ＵＶ若しくはＤＵＶリソグラフィ（Ｄｅｅｐ ＵＶ（深ＵＶ）の頭字語）又は電子ビームリソグラフィによって作製され得る。

１つの可能性によれば、支持構造１２は、マスキング層の開口部を通して成長する。したがって、支持構造１２の底部の直径は、対応する開口部の直径と実質的に等しい。

ＧａＮ系材料の成長は、分子線エピタキシーＭＢＥ、塩素化ガス前駆体による気相エピタキシーＨＶＰＥ（「水素化物気相エピタキシー：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ」の頭字語）、化学蒸着ＣＶＤ及びＭＯＣＶＤ（「有機金属化学気相成長：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」の頭字語）、有機金属前駆体による気相エピタキシーＭＯＶＰＥ（「有機金属気相エピタキシー：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ」の頭字語）によって、行われ得る。任意に、成長の前に、従来の表面調製工程（化学洗浄、熱処理）を実行してよい。

したがって、成長開始時に、マスキング層の開口部に、発芽の島（ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｓｌａｎｄ）が出現し、成長条件に応じて、成長中にピラミッドの形状に発達する。特に、Ｖ／ＩＩＩ族元素の比、典型的にはＧａ／Ｎの比が１００以上である成長条件は、ピラミッドの形状におけるこれらの島の成長を促進する。

ＧａＮ系ピラミッドの形状における支持構造１２は、このように得られる（図３Ａ）。

一例によれば、この支持構造１２のＧａＮ系材料は、通常、緑色又は赤色ＬＥＤの製造に使用される、ＩｎＧａＮ合金であり得る。

しかしながら、このような塊状のＩｎＧａＮ支持構造１２は、緑色又は赤色光放射の発光波長において有意な吸収量を有する。

本発明は、一般にＩｎＧａＮ系活性領域の以降の形成に必要である、塊状のＩｎＧａＮ支持構造の使用を克服することを可能にする応力緩和構造を提供する。

その結果として且つ好ましくは、支持構造１２のＧａＮ系材料は、塊状ＧａＮから作製され得る。したがって、ＬＥＤから放出された光放射が支持構造１２により吸収される量は、大幅に低減される。ＬＥＤの収率は向上し得る。

別の例によれば、この支持構造１２のＧａＮ系材料は、アルミニウム含有率がインジウム含有率より大きい、ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｎ合金であり得る。

或いは、基材１１は、表面上にピラミッドの島を有するように、テクスチャード加工されていてよい。

ＧａＮ又はＩｎＧａＮの薄層は、この場合、支持構造１２を形成するように、これらのピラミッドの島上に堆積されてよい。

この場合、支持構造１２は、基材の材料、例えばケイ素、及びこの材料の上に配置されるＧａＮ系薄層から主に構成される。

支持構造１２は、Ｎ型ドーピングされたＧａＮ系領域を備え得る。公知の態様において、このＮ型ドーピングされた領域は、成長、着床及び／又は活性化アニーリングから生じ得る。Ｎ型ドーピングは特に、例えばシラン若しくはジシラン又はゲルマン蒸気を添加することによって、ケイ素又はゲルマニウムの供給源から、成長中に直接得ることができる。

次に、第２の工程において、応力緩和構造の第１の層１２１が形成され得る（図３Ｂ）。

この層はＧａＡｌ（Ｉｎ）Ｎ系であり、好ましくはＧａＡｌＮ系である。

この第１の層１２１のインジウムの濃度［Ｉｎ］_１は、０～１０％の範囲であり得る。

この第１の層１２１のアルミニウムの濃度［Ａｌ］_１は、０～３５％の範囲であり得る。

第１の層１２１は、好ましくは１０ｎｍ～１５０ｎｍの範囲である厚さを有する。

次に、第３の工程において、応力緩和構造の第２の層１２２が、第１の層１２１と直接接触した状態で形成される（図３Ｃ）。

この層はＧａＩｎ（Ａｌ）Ｎ系であり、好ましくはＧａＩｎＮ系である。

この第２の層１２２のインジウムの濃度［Ｉｎ］_２は、３～２５％の範囲であり得る。

この第２の層１２２のアルミニウムの濃度［Ａｌ］_２は、０～１０％の範囲であり得る。

第２の層１２２は、好ましくは１０ｎｍ～１５０ｎｍの範囲である厚さを有する。

各濃度［Ｉｎ］_１、［Ｉｎ］_２、［Ａｌ］_１、［Ａｌ］２は、第１及び第２の層１２１、１２２間の界面１２２１においてミスフィット転位が生成される一方、前記第１及び第２の層１２１、１２２により、ＬＥＤから放出される光放射の吸収量が最小限に抑えられるように、選択される。

一例によれば、アルミニウムの濃度［Ａｌ］_１及び［Ａｌ］_２は０であり、インジウムの濃度［Ｉｎ］_１及び［Ｉｎ］_２は、［Ｉｎ］_２＞［Ｉｎ］_１となるものであり、好ましくは［Ｉｎ］_２－［Ｉｎ］_１＞１０％である。

別の例によれば、アルミニウムの濃度［Ａｌ］_１及び［Ａｌ］_２は０でなく、［Ａｌ］_１／（［Ｉｎ］_１＋［Ａｌ］_１）≧０．８及び［Ｉｎ］_２／（［Ｉｎ］_２＋［Ａｌ］_２）≧０．２となる。

インジウムの所与の濃度［Ｉｎ］_１及び［Ｉｎ］_２に関して、０ではないアルミニウム濃度［Ａｌ］_１は、第１及び第２の層１２１、１２２間の格子定数の差を強調することを可能にする。したがって、これにより、インジウムの濃度［Ｉｎ］_２を下げる一方、第１及び第２の層１２１、１２２間の界面１２２１におけるミスフィット転位の形成を保持することが可能になる。

このインジウムの濃度［Ｉｎ］_２の相対的低下により、第２の層１２２の吸収量を制限することが可能になる。

第１及び第２の層１２１、１２２は、分子線エピタキシーＭＢＥ、塩素化ガス前駆体による気相エピタキシーＨＶＰＥ（「水素化物気相エピタキシー：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ」の頭字語）、化学蒸着ＣＶＤ及びＭＯＣＶＤ（「有機金属化学気相成長：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」の頭字語）、有機金属前駆体による気相エピタキシーＭＯＶＰＥ（「有機金属気相エピタキシー：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ」の頭字語）によって、形成され得る。

応力緩和構造により、ＬＥＤの３Ｄ構造の異なる層及び領域における、応力収支のより適切な分布が得られる。したがって、応力緩和構造は、ＬＥＤ又はオプトエレクトロニクスデバイス設計時の応力の良好なエンジニアリングの文脈において、特に有利である。

応力緩和構造により、例えばＬＥＤの３Ｄ構造において応力分布を均一に配分することが可能になる。したがって、３Ｄ構造の異なる層及び領域におけるインジウム分布の均一性が向上し得る。

この構造はまた、この層１２２の少なくとも上部部品において、残留応力含有率が低い又はない第２のＩｎＧａＮ系層１２２を形成するという目的も有している。

半極性面によるこの構造の特定の配向により、特に、界面１２２１においてミスフィット転位を制限することが可能になる。層１２２の上部部品は保持される。この上部部品は構造欠陥をほとんど又は一切有さない。

次の工程は、層１２２のこの上部部品上のＩｎＧａＮ系活性領域１２３（図３Ｄ）を形成することを目的とする。

この活性領域１２３は、第１及び第２の層１２１、１２２を形成するために実施される同じエピタキシー又は蒸着技術によって形成され得る。これらの層は、特に同じ成長枠組みにおいて形成され得る。

活性領域１２３は、公知の態様で、交互にＩｎＧａＮ量子井戸とＧａＮ又はＡｌＧａＮバリアを含み得る。

この活性領域１２３のエピタキシーによる成長は、部分的又は全体的に緩和された層１２２上で生じる。

したがって、領域１２３の結晶品質が向上する。

この活性領域１２３の量子井戸内でのインジウムの分布はまた、より良好な均一性を有する。

したがって、活性領域１２３の量子井戸のインジウム含有率を高める一方で、良好な結晶品質及びインジウム分布の良好な均一性を維持することが可能である。

したがって、高いインジウム含有率の量子井戸の成長温度は、高くなり得る。特に、５５０℃以上のオーダーの成長温度を用いることができる。これにより、良好な結晶品質を有するＩｎＧａＮ系量子井戸を得る工程が促進される。

ＩｎＧａＮ量子井戸の厚さは、全体の許容応力収支を超えることなく、増加することができる。これにより、活性領域１２３におけるオージェ損失の現象を限定することが可能になる。

したがって、発光収率が向上する。

３Ｄ ＬＥＤの構造を完成させるために、Ｐ型ドーピングされたＧａＮ系領域を形成する層が、活性領域１２３の上に堆積され得る。公知の態様において、このＰ型ドーピングされた領域は、成長、着床及び／又は活性化アニーリングから得ることができる。

本発明によるＬＥＤの第２の実施形態を図４Ａ～４Ｄに示す。

第１の実施形態に対する、この第２の実施形態の固有の特徴のみを以下で説明する。他の特徴は、第１の実施形態のものと同一であると考える。

この第２の実施形態により得られる基本３Ｄ ＧａＮ系構造はペンシル構造であり、テーパ頂部を有するワイヤの形状をとる。

この第２の実施形態による、この３Ｄ構造の形態学のみが、第１の実施形態による３Ｄ構造と異なる。

第１の工程において形成されるペンシル形状支持構造１２（図４Ａ）は、底部１２ａ及び頂部１２ｂを備える。

底部１２ａの側面は、底面に対して垂直である六方晶系結晶構造のｃ軸に実質的に沿って、配向される。

頂部１２ｂの側面は、六方晶系結晶構造の半極性面に沿って配向される。

次に、第１及び第２の層１２１、１２２、並びに活性領域１２３が、底部１２ａの側面上及び頂部１２ｂの側面上に形成される（図４Ｂ～４Ｄ）。

第１の実施形態の異なる層１２１、１２２及び領域１２３を形成する工程は、必要な変更を加えて、この第２の実施形態に適合させることができる。

第１の層１２１の形成は、特に、底部１２ａの側面上での部分１２１ａの形成及び頂部１２ｂの側面上での部分１２１ｂの形成を含む。第１の層１２１の部分１２１ａ及び１２１ｂは連続している（図４Ｂ）。

第２の層１２２の形成は、特に、部分１２１ａ上での部分１２２ａの形成及び部分１２１ｂ上での部分１２２ｂの形成を含む。第２の層１２２の部分１２２ａ及び１２２ｂは連続している（図４Ｃ）。部分１２１ｂ、１２２ｂは、第１の実施形態の応力緩和構造と同等の応力緩和構造を形成する。部分１２１ｂ、１２２ｂ間の界面１２２１ｂは、第１の実施形態について説明し具体例を示した界面１２２１と同等である。この界面は特に、部分１２１ｂ、１２２ｂを含む応力緩和によって生成されたミスフィット転位を限定することが可能になる。

活性領域１２３の形成は、特に、部分１２２ａ上での部分１２３ａの形成及び部分１２２ｂ上での部分１２３ｂの形成を含む。活性領域１２３の部分１２３ａ及び１２３ｂは連続している（図４Ｄ）。

一方では部分１２１ａ、１２２ａ、１２３ａの、他方では部分１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂのそれぞれの配向により、第１及び第２の層１２１、１２２並びに活性領域１２３の組成は、前記部分に応じて変化し得る。

特に、部分１２１ａ、１２２ａ、１２３ａのインジウム濃度は、それぞれ部分１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂのインジウム濃度より低い。対照的に、部分１２１ａ、１２２ａ、１２３ａのアルミニウム濃度は、適切である場合、部分１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂのアルミニウム濃度と実質的に等しい。したがって、電荷キャリアの電気注入は、好ましくは、１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂ部分において行われる。したがって、この第２の実施形態に記載されるペンシル形状支持構造１２に基づくオプトエレクトロニクスデバイスの動作は、第１の実施形態に記載されるピラミッド形状支持構造１２に基づくオプトエレクトロニクスデバイスの動作に似ている。第１の実施形態について言及された利点はまた、この第２の実施形態についても有効である。

本発明は、前述の例示的実施形態を通して記載された３Ｄ ＬＥＤの製造方法にも関する。

本発明は、上記に記載された実施形態に限定されず、特許請求の範囲によって扱われるすべての実施形態に及ぶ。

１１ 平面基材
１２ 支持構造
１２ａ 底部
１２ｂ 頂部
１３ マスキング層
１２１ 第１の層
１２１ａ 部分
１２１ｂ 部分
１２２ 第２の層
１２２ａ 部分
１２２ｂ 部分
１２３ 活性領域
１２３ａ 部分
１２３ｂ 部分
１３０ 開口部
１２２１ 界面
１２２１ｂ 界面

Claims (15)

1. 三次元（３Ｄ）構造を有し、光放射を放出することを目的としたＩｎＧａＮ系活性領域（１２３）を備える、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、前記三次元（３Ｄ）構造は、テーパ頂部を有するワイヤの形状又はピラミッドの形状をとり、前記ダイオードは、
   アルミニウムの第１の含有率及びインジウムの第１の含有率を有する第１のＧａＮ系層（１２１）と、
   前記第１の層（１２１）と前記活性領域（１２３）の間に挟入され、それらと接触した、第２のＧａＮ系層（１２２）であって、前記第２の層（１２２）は、アルミニウムの第２の含有率及びインジウムの第２の含有率を有し、インジウムの前記第２の含有率は、前記第１の層と前記第２の層（１２１、１２２）の界面（１２２１）に格子定数不整合の転位の形成が生じるように、厳密にインジウムの前記第１の含有率を超えている、第２のＧａＮ系層と、
   を更に備えることを特徴とし、
   前記活性領域（１２３）並びに前記第１の層及び第２の層（１２１、１２２）は、半極性結晶面に沿って伸張することを特徴とする、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオード（ＬＥＤ）。
2. インジウムの前記第１の含有率は、厳密にアルミニウムの前記第１の含有率未満であり、インジウムの前記第２の含有率は、厳密にアルミニウムの前記第２の含有率を超える、請求項１に記載のＬＥＤ。
3. インジウムの前記第１の含有率［Ｉｎ］１は、０～１０％を占める、請求項１又は２に記載のＬＥＤ。
4. インジウムの前記第２の含有率［Ｉｎ］２は、３～２５％を占める、請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
5. アルミニウムの前記第１の含有率［Ａｌ］１は、０～３５％を占める、請求項１から４のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
6. アルミニウムの前記第２の含有率［Ａｌ］２は、０～１０％を占める、請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
7. アルミニウムの前記含有率［Ａｌ］１及び［Ａｌ］２は０であり、インジウムの濃度［Ｉｎ］１及び［Ｉｎ］２は［Ｉｎ］２＞［Ｉｎ］１となる、請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
8. アルミニウムの前記含有率［Ａｌ］１及び［Ａｌ］２は０でなく、［Ａｌ］１／（［Ｉｎ］１＋［Ａｌ］１）≧０．８及び［Ｉｎ］２／（［Ｉｎ］２＋［Ａｌ］２）≧０．２となる、請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
9. 前記界面（１２２１）は、活性領域（１２３）から距離ｄのところに位置し、ｄ＞１０ｎｍとなる、請求項１から８のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
10. 前記半極性結晶面は、｛１０－１１｝型のものである、請求項１から９のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
11. ５００ｎｍ～６５０ｎｍの範囲の波長を有する光放射を放出するように構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
12. 前記三次元構造は、テクスチャー表面を有する三次元基材（１１）から形成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＬＥＤ。
13. 前記基材（１１）は、ケイ素、ＧａＮ、サファイアから選択される材料をベースとする、請求項１２に記載のＬＥＤ。
14. 三次元（３Ｄ）構造を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法であって、前記ダイオードは、光放射を放出することを目的としたＩｎＧａＮ系活性領域（１２３）を備え、以下の工程：
    基材上に少なくとも１つのＧａＮ系表面層を備える三次元構造を提供し、前記表面層が半極性結晶面に沿って伸張する、工程、
    前記半極性結晶面に沿って伸張し、アルミニウムの第１の含有率及びインジウムの第１の含有率を有する、第１のＧａＮ系層（１２１）を、表面層上に形成する工程、
    前記半極性結晶面に沿って伸張し、アルミニウムの第２の含有率及びインジウムの第２の含有率を有する、第２のＧａＮ系層（１２２）を、第１の層（１２１）上に直接形成し、インジウムの第２の含有率は、厳密にインジウムの前記第１の含有率を超えている、工程、
    前記半極性結晶面に沿って伸張する前記ＩｎＧａＮ系活性領域（１２３）を、前記第２の層（１２２）上に直接形成する工程
    を含む、方法。
15. 前記第１及び第２の層（１２１、１２２）並びに前記活性領域（１２３）の形成は、テクスチャー表面を有する三次元基材（１１）上で生じる、請求項１４に記載の方法。

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