JP2023536678A - マイクロ発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
Description
図1~図8を参照されたい。本発明の目的に基づいて、本実施例は、マイクロ発光ダイオードのエピタキシャル構造及びその製造方法を提供する。該製造方法は、以下のステップを含んでいる。
まず、第1遷移層5を成長する。温度を750~1000℃に下げて、第1遷移層を成長する。まず、第1ドーピング半導体層5Aを成長する。第1ドーピング半導体層は、材料がAlaInbGa(1-a-b)Nであり、GaNであることが好ましく、ドーピング濃度が5E18~5E19/cm3の範囲内にあり、厚さが200~1000Åの範囲内にある。次に、第2ドーピング半導体層5Bを成長する。第2ドーピング半導体層5Bは材料がGaNであることが好ましく、ドーピング濃度が5E17~5E18/cm3の範囲内にあり、厚さが200~1000Åの範囲内にある。そして、第3ドーピング半導体層5Cを成長する。第3ドーピング半導体層5Cは材料がGaNであることが好ましく、ドーピング濃度が5E17~5E19/cm3の範囲内にあり、厚さが300~3000Åの範囲内にある。第1ドーピング半導体層と第2ドーピング半導体層と第3ドーピング半導体層との成長温度は、同じであっても異なってもよい。本実施例においては、同じ温度を採用する。第1遷移層は、発光層と底層との間の不整合転位を効果的に減少して、発光層と底層との間の応力を緩和して、発光層の結晶体の品質を向上させることができる。
第2遷移層は、第1バンドギャップ半導体層6A及び第2バンドギャップ半導体層6Bからなる積み重ねられた周期構造である。温度を700~950℃に下げて、まず、第1バンドギャップ半導体層6Aを成長する。第1バンドギャップ半導体層6Aは、材料がInGaNであることが好ましく、意図せずにドーピングされた層であり、厚さが10~100Åの範囲内にある。次に、第2バンドギャップ半導体層6Bを成長する。第2バンドギャップ半導体層6Bは、材料がGaNであることが好ましく、ドーピング濃度が5E17~1E19/cm3の範囲内にあり、厚さが50~500Åの範囲内にある。周期数が2~30の範囲内にあることが好ましい。第1バンドギャップ半導体層と第2バンドギャップ半導体層との成長温度は、同じであっても異なってもよく、本実施例においては、同じ温度を採用する。周期内のInの成分は、同じであっても異なってもよく、本実施例において同じであることが好ましい。本実施例において、第2遷移層の周期数が3つであり、上記3つの周期のバンドギャップが同じであることは好ましい。第2遷移層のバンドギャップが、第1遷移層のものよりも小さいので、第2遷移層は底層とそれに続く高In成分の材料との不整合転位を減少して、発光層の結晶体の品質を向上させることができる。
本実施例が実施例1と異なっているのは、本実施例に係る遷移層のバンドギャップの関係が従来の構造と同じであることにある。従来の構造は、一般的にU型層と、N型層と、遷移層と、発光層と、P型層と、を含んでいる。図7に示されるように、遷移層の総厚さと発光層の厚さとの比率は、一般的に1:1~5:1の範囲内にある。従来の構造と異なっているのは、本実施例においては発光層の厚さと遷移層の厚さとの比率を調整することによって、遷移層の総厚さ及び発光層の総厚さの比率が5≦x≦50となっており、本実施例においては厚さの比率が5:1~20:1の範囲内にあることが好ましい。発光層の厚さを薄くして、遷移層の厚さを増加して、遷移層と発光層との厚さの比率を調整することによって、キャリアの生成効率を向上させて、活性領域の結晶体の品質を向上させて、放射再結合効率を向上させて、低電流での特性を改善させることができる。
本実施例が実施例1と異なっているのは、本実施例に係る遷移層、発光層の厚さが従来の構造と同じであることにある。従来の構造は、一般的にU型層と、N型層と、遷移層と、発光層と、P型層と、を含んでいる。図7に示されるように、遷移層は、一般的に従来のInGaN/GaNからなる交互に積み重ねられた周期構造である。従来の構造と異なっているのは、本実施例においては遷移層が複合遷移層構造となっており、発光層と遷移層との間が段階式ドーピングとなっており、且つ遷移層、N型層、及び発光層のバンドギャップが、以下の関係:Egn≧Eg1>Eg2>Eg3>Egを満たしていることにある。それにより、発光層と底層と間の不整合転位を大いに減少させて、キャリアの局部分布を減少させて、キャリアの注入を改善させて、キャリアの均一分布を促進させて、放射再結合効率を向上させて、効率のピーク値を電流密度に対して左側へ移動させて、低電流での発光効率を向上させることができる。
本実施例が実施例1と異なっているのは、本実施例に係る積み重ねられた層における第2遷移層において、周期ごとの各周期内でIn、Al成分が漸次に変化し、増大又は減少となり、平均バンドギャップの漸次的な減少又は増大を示すことにある。これは、格子不整合応力を更に減少させることが目的である。
本実施例が実施例1と異なっているのは、本実施例に係る積み重ねられた層における第3遷移層において、周期ごとにIn、Al成分が漸次に変化し、増大又は減少となり、平均バンドギャップの漸次的な減少又は増大を示すことにある。これは、格子不整合応力を更に減少させることが目的である。
本実施例が実施例1と異なっているのは、本実施例に係る積み重ねられた層における第2遷移層と第3遷移層において、In、Al成分の変化及びバンドギャップの変化が、実施例4と実施例5からの任意の組み合わせ方式となっていることにある。
2 核生成層
3 U-GaN層
4 N-GaN層
5 第1遷移層
5A 第1ドーピング半導体層
5B 第2ドーピング半導体層
5C 第3ドーピング半導体層
6 第2遷移層
6A 第1バンドギャップ半導体層
6B 第2バンドギャップ半導体層
7 第3遷移層(第1部分:第1半導体層7A1、第2半導体層7B1、第3半導体層7C1、第4半導体層7D1、第2部分:第1半導体層7A2、第2半導体層7B2、第3半導体層7C2、第4半導体層7D2、を含む)
8 発光層(井戸層8A、障壁層8B、を含む)
9 低温のP型層
10 高温のPAlGaN層
11 高温のPGaN層
Claims (27)
- N型層と、遷移層と、発光層と、P型層と、を少なくとも含んでいるマイクロ発光ダイオードであって、
前記遷移層の構造は、成長方向に沿って、第1遷移層と、第2遷移層と、第3遷移層と、を含んでおり、
前記遷移層のバンドギャップは、N型層のものと発光層のものとの間にあり、N型層のバンドギャップをEgnと定義し、第1遷移層のバンドギャップをEg1と定義し、第2遷移層のバンドギャップをEg2と定義し、第3遷移層のバンドギャップをEg3と定義し、発光層のバンドギャップをEgaと定義すると、以下の関係:Egn≧Eg1>Eg2>Eg3>Egaを満たしている、
ことを特徴とする、マイクロ発光ダイオード。 - 前記第1遷移層は、ドーピングが異なるAセクションの半導体層を含んでおり、且つ1≦A≦30となっている、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第1遷移層のドーピング濃度は、1E17~5E19/cm3の範囲内にある、
ことを特徴とする請求項2に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第1遷移層の厚さは、50Å~5000Åの範囲内にある、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第1遷移層の組成材料は、AlaInbGa(1-a-b)N、且つ0≦a<1、0≦b≦1となっている、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第2遷移層は、構造がL組のバンドギャップが異なる2種類の半導体層からなる積み重ねられた構造を少なくとも含んでおり、且つバンドギャップが異なる2種類の半導体層を、第1バンドギャップ半導体層及び第2バンドギャップ半導体層とそれぞれ定義する、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記Lは1~100の範囲内にある、
ことを特徴とする請求項6に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第2遷移層のドーピング濃度は、1E17~1E19/cm3の範囲内にある、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第2遷移層の厚さは、100Å~5000Åの範囲内にある、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第2遷移層においては、第1バンドギャップ半導体層の材料がAlcIndGa(1-c-d)Nであり、第2バンドギャップ半導体層の材料がAleInfGa(1-e-f)Nであり、0≦c<1、0≦d<1、0≦e<1、0≦f<1、d≠f、且つc>0又はe>0である場合、c≠eとなっている、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層は、構造がM組のバンドギャップが異なる2種類の半導体層からなる積み重ねられた構造を少なくとも含んでおり、該2種類の半導体層を、第1半導体層及び第2半導体層とそれぞれ定義する、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記Mは、1~50の範囲内にある、
ことを特徴とする請求項11に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層においては、M≧2である場合、N型側に近いNL個の周期の積み重ねられた構造のドーピング濃度が、P型側に近い残りのM-NLの積み重ねられた構造のドーピング濃度以下であり、残りのM-NLの周期数をNHと定義すると、1≦NL≦50、0≦NH<50となっている、
ことを特徴とする請求項12に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層においては、前記NL周期のドーピング濃度をc1と定義し、前記NH周期のドーピング濃度をc2と定義すると、c1≦c2、且つc1が1E17~5E18/cm3の範囲内にあり、c2が1E17~1E20/cm3の範囲内にある、
ことを特徴とする請求項13に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層の厚さは、50Å~5000Åの範囲内にある、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層における第1半導体層及び第2半導体層は、それぞれの組成材料がAlmInnGa(1-m-n)N、InkGa1-kNであり、0<k<1、0≦m<1、0≦n<1となっている、
ことを特徴とする請求項11に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層の構造には、第3半導体層と、第4半導体層と、が更に含まれている、
ことを特徴とする請求項13に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記第3遷移層における第3半導体層及び第4半導体層は、組成材料がAlpInqGa(1-p-q)Nであり、0≦p<1、0≦q<1となっている、
ことを特徴とする請求項17に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記発光層においては、意図せずにドーピングされた周期数をN1と定義し、意図的にドーピングされた周期数をN2と定義すると、以下の関係:N2≦N1、且つ1≦N1≦20、0≦N2<10を満たしている、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記発光層における意図的にドーピングされた周期数N2のドーピング濃度をc3と定義すると、c3が1E17~1E20/cm3の範囲内にある、
ことを特徴とする請求項19に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 第3遷移層におけるN型側に近い周期数をNLと定義し、P型側に近い残りのM-NLの周期数をNHと定義し、NL周期のドーピング濃度をc1と定義し、NH周期のドーピング濃度をc2と定義し、発光層における意図的にドーピングされた周期数をN2と定義すると、前記発光層における意図的にドーピングされた周期数N2=0である場合、NH>0、且つc2>c1となっている、
ことを特徴とする請求項19に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 第3遷移層におけるN型側に近い周期数をNLと定義し、P型側に近い残りのM-NLの周期数をNHと定義し、NL周期のドーピング濃度をc1と定義し、NH周期のドーピング濃度をc2と定義し、発光層における意図的にドーピングされた周期数をN2と定義すると、前記発光層における意図的にドーピングされた周期数N2≠0である場合、NH≧0、c3≧c2≧c1となっている、
ことを特徴とする請求項19に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 基板と、U型層と、N型層と、遷移層と、発光層と、P型層と、を少なくとも含んでいるマイクロ発光ダイオードであって、
遷移層は、N型層と発光層との間に介在しており、遷移層の総厚さをt1と定義し、発光層は、遷移層とP型層との間に介在しており、井戸層と障壁層からなる積み重ねられた構造であり、発光層の総厚さをt2と定義すると、t1>t2となり、更に、遷移層の総厚さt1の発光層の総厚さt2に対する比率をxと定義すると、xが以下の関係:5≦x≦150を満たしている、
ことを特徴とする、マイクロ発光ダイオード。 - 発光層の総厚さは、50Å~2000Åの範囲内にある、
ことを特徴とする請求項23に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 遷移層の総厚さは、500Å~15000Åの範囲内にある、
ことを特徴とする請求項23に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 前記マイクロ発光ダイオードの水平サイズは、1μm×1μm~300μm×300μmの範囲内にある、
ことを特徴とする請求項1又は請求項23に記載のマイクロ発光ダイオード。 - 請求項1~26のいずれか一項に記載のマイクロ発光ダイオードを含んでいる、
ことを特徴とする、発光装置。
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