JP5260502B2 - Ｉｉｉ族窒化物白色発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、光電子デバイス及びそのデバイスを作製する方法に関し、特に白色発光ダイオードに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤｓ）は、光学表示装置、交通信号、データ記憶装置、通信、照明および医療分野への応用に広く使用されている。白色ＬＥＤの現在の応用には、自動車の計器パネル、液晶表示装置（ＬＣＤ）のバックライトが含まれる。白色ＬＥＤの重要な目標は、光度を増加して白色ランプの置き換えを可能にすることであり、また従来の電球に比べて約５０倍の長い寿命を持つことである。

従来の白色ＬＥＤは、通常、二つの方法に従って製造される。その一つでは、３つの別個のＬＥＤチップを単一のＬＥＤ体に封止して、そのＬＥＤ体では、赤チップ、青緑チップ及び青チップが発光を組み合わせて白色を生成する。広く使用される方法であって白色ＬＥＤを作製する別の方法では、蛍光体や有機色素といった蛍光性物質でコートされた、ＧａＮ系の高輝度の青色または紫外線の単一のＬＥＤチップを用いることを必要とする。蛍光物質の使用により、紫外線または青色から黄色又はより長い波長のフォトンへの変換によるエネルギロス及び信頼性問題がもたらされる。また、パッケージ組み立て工程が、ＬＥＤの色特性や品質に整合性を得るために重要になる。

白色ＬＥＤを生産する従来の取り組みは、チェンら（米国特許6,163,038号）によって研究されてきた。この特許には、少なくとも２つのエネルギバンドギャップをＬＥＤ構造に持つことによって白色光そのものを放射する白色ＬＥＤを作製する方法および白色ＬＥＤが記載されている。しかしながら、この技術は、白色発光を得るために多重量子井戸（ＭＱＷ）を使用するのみである。チェンらには、成長パラメータを調整することによって、異なる色を持つ光を発光するいくつかのＭＱＷを成長することが記載されているのみであり、それをどのように達成するのかについて具体化していない。チェンらには、可視光の全範囲を連続的にカバーする光を発光するＭＱＷを作製することが記載されていない。つまり、チェンらは、単に、単一のＬＥＤチップを使用して、発光スペクトルの複数のピークの光を生成しており、これらのピーク光は後で混合されている。このため、特定波長の光（例えば、３７０ｎｍ〜５００ｎｍ）を使用してベースとして利用している。

増強された発光のＬＥＤを作製するための関連技術は、チェンら（米国特許第6,645,885号）によって提案されており、この文献は、有機金属気相エピタキシによって成長されたインジウムナイトライド（ＩｎＮ）及びインジウムガリウムナイトライド（ＩｎＧａＮ）の量子ドットを形成することに関連している。この特許には、インジウムナイトライド（ＩｎＮ）及びインジウムリッチのインジウムガリウムナイトライド（ＩｎＧａＮ）の量子ドットが記載されており、この量子ドットは、ＭＯＣＶＤ成長中に、アンチサーファクタントとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）及びエチルジメチルインジウム（ＥＤＭＩｎ）の少なくとも一つを使用することによって形成された単一及び多重のＩｎ_ｘＧｎ_１−ｘＮ／Ｉｎ_ｙＧｎ_１−ｙＮの量子井戸（ＱＷ）に埋め込まれており、これらのドットからのフォトルミネッセンス波長は４８０ｎｍから５３０ｎｍの範囲にわたる。ＴＭＩｎ及び／又は他のインジウム前駆体の制御された量は、無転位の量子ドット（ＱＤ）の形成を引き起こす際に重要であり、アンモニア及びＴＭＩｎが引き続いて流される。この方法は、青及び緑の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の活性層の成長のために使用されることができる。しかしながら、この技術は、白色光を発生するダイオードを作製するものではない。白色光は、４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲を必要とする。しかしながら、チェンらの技術は、より小さい波長範囲の４８０ｎｍ〜５３０ｎｍを対象とするのみであり、白色光を発生するために使用されることができない。

このため、照明や液晶表紙デバイスのための光源といった応用分野に使用できる必要な信頼性を有し、高輝度及び高い演色性を有し、並びに作製に容易である新しい白色発光ダイオードを、半導体及び表示装置の現在の技術は必要としている。

したがって、本発明は、関連技術における不利益や制限による一又は複数の問題を実効的に取り除く白色発光ダイオードを作製することを目標とする。

本発明は、全ての可視の発光を一チップに含む発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明に従う一側面では、白色発光ダイオードは、ｎ型半導体層と、一又は複数の量子井戸構造と、ｐ型半導体層と、第１の電極と、第２の電極とを備える。各量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層及びＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層を備え、ここで、Ｘ＞０．３又はＸ＝０．３であり、また、Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ量子ドットを包含しており、ここでＸ＜Ｚ≦１である。量子井戸構造はｎ型半導体層を覆って形成されている。ｐ型半導体層は、量子井戸構造を覆って形成された。第１の電極は、ｐ型半導体層を覆って形成される。第２の電極は、ｎ型半導体層の表面の少なくとも一部分に形成される。

本発明に従う別の側面では、白色発光ダイオードは、ｎ型半導体層と、一又は複数の量子井戸構造と、ｐ型半導体層と、第１の電極と、第２の電極とを備える。各量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層及びＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層を備える。ここで、Ｘ＞Ｙであり、各量子井戸構造はＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ量子ドットを包含しており、ここでＸ＜Ｚ≦１である。Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層はｐ型ドーパントを含む。量子井戸構造はｎ型半導体層を覆って形成されている。ｐ型半導体層は、量子井戸構造を覆って形成される。第１の電極は、ｐ型半導体層を覆って形成される。第２の電極は、ｎ型半導体層の表面の少なくとも一部分に形成される。

上記の側面に従うダイオードでは、前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層はｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントの両方を含み、またＸ＞０又は３、Ｘ＝０．３である。量子井戸構造は４２０ｎｍから７５０ｎｍの範囲にわたる連続スペクトルを有する。前記量子ドットは、ＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくともいずれかを第１の流量でまず流して最初に核の形成を行って、ＴＭＧａ及びアンモニアと共にＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくともいずれか第２の流量で次いで流して前記核を成長させると共に、前記量子井戸構造内に覆うことによって、形成される。前記量子井戸構造の数は１〜３０の間にある。Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層の厚さは約１〜１０ｎｍであり、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層の厚さは約５〜３０ｎｍである。関係式１＞Ｘ＞Ｙ＞０またはＹ＝０が満たされることができる。ｎ型半導体層は基板上に形成されており、前記基板はサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ及びＺｎＯのいずれかからなる。ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、及びシランの少なくともいずれか一つがドーパントとして使用される。発光ダイオードは約４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲の光を発光する。井戸層のＩｎＮのモル分率Ｘは、長波長への発光波長量の拡張のために重要である。Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層におけるＸが高い場合、発光波長が長波長に拡張される。Ｘが０．３に等しいか、又は０．３より大きいとき、ＭＱＷからの発光スペクトルの範囲が６００ｎｍに等しいか、又は６００ｎｍより長い。Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層へのＺｎ、又はＺｎ及びＳｉの包含は、ＭＱＷからの発光の発光パワーの増加のために重要であり、特に長波長の範囲で重要である。

本発明の別の側面によれば、量子井戸構造は白色光を発光する。量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層と、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層に埋め込まれた、インジウムリッチの量子ドットと、量子ドット及び量子井戸層を覆うＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層とを備え、ここでＸ＞０．３又はＸ＝０．３である。

本発明の更なる別の側面によれば、量子井戸構造は白色光を発光する。量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層と、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層に埋め込まれたインジウムリッチの量子ドットと、量子ドット及び前記量子井戸層を覆うＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層とを備える。インジウムリッチＩｎＧａＮ量子ドットはｐ型ドーパントでドープされている。

上記の側面では、ＩｎＧａＮ量子井戸層はｐ型ドーパントでドープされている。ＩｎＧａＮ量子井戸層はｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの両方でドープされている。当該量子井戸構造は、４２０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲に連続的にわたる光を発光するように設けられている。ＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくともいずれかを第１の流量で最初に流してまず核の形成を行って、ＴＭＧ及びアンモニアと共にＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくとも一つを第２の流量で次いで流して核を成長させると共に量子井戸内に覆うことによって、量子ドットが形成される。Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ量子井戸層の厚さは約１〜１０ｎｍであり、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層の厚さは約５〜３０ｎｍである。

本発明の追加の特徴及び利点は以下の記述に示され、その記述から明らかになり、或いは、本発明の追加の特徴及び利点は、発明の実践から理解される。本発明の目的及び他の利点は添付図面でだけでなく記述及びクレームに特別に示された構造によって明確に理解され、また達成される。

発明の全般的な上記記述及び発明の詳細な引き続く記述の両方は、例示的及び説明のためのものであり、また請求された発明の更なる説明を提供するために意図されたものであることを理解されるべきである。

添付図面は、本発明の更なる理解を提供するために意図されると共に、この出願に含まれ出願の一部を構成するものであり、添付図面は、本発明の原理を説明するために役立つ記述と共に本発明の実施例を例示する。
図１は、活性層におけるＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層によってキャップされた複数のＱＷを有しており本発明に係る白色ＬＥＤの概略図であり、ここで、Ｘ＞０．３またはＸ＝０．３である。 図２は、Ｚｎ及びＳｉでドープされた井戸層によってキャップされた量子ドット（ＱＤ）を有しており本発明に係る量子井戸（ＱＷ）の概略図である。 図３は、本発明に係る白色ＬＥＤの室温におけるフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。 図４は、Ｚｎでドープされ本発明に係る多重量子井戸構造の室温におけるフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。 図５は、Ｚｎ及びＳｉでドープされ本発明に係る多重量子井戸構造の室温におけるフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。

本発明の好適な実施の形態に対して詳細に言及がなされ、実施の形態の例が添付図面において明らかにされる。

本発明では、エピタキシャル技術を用いてダイオードを作製する。本発明のダイオードは、量子ドット（ＱＷｓ）を利用して、少なくとも４２０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲の連続した広いピークを有しており、ＰＮ接合からのエレクトロルミネッセンスを生成する。

量子井戸（ＱＷｓ）は、電子の追加または除去が、有用なものにおいてその特性を変更するほど小さい物質粒子として規定されることができる。或いは、量子ドットは、非常に小さいデバイス、即ち入れ物であり、これは、一個程度の少ない数の自由電子を閉じ込める。量子井戸（ＱＷｓ）は、ナノメートルのオーダの寸法を有している。つまり、量子井戸は、１ｎｍ〜２００ｎｍのサイズ範囲を有することができる。多くの用途では、典型的なサイズは、２０ｎｍ〜８０ｎｍである。

エピタキシャル成長プロセスを用いて量子ドットは成長され、量子ドットは、多くの場合、周囲を囲む物質で三方向の全てでの閉じ込めを有する。リソグラフィにより規定される量子井戸（ＱＷｓ）では、量子井戸は、成長方向に沿って閉じ込めポテンシャルを提供する一方で、静電誘導ポテンシャル障壁が横方向の閉じ込めを提供する。

窒化物または酸化物の薄膜または量子井戸（ＱＷｓ）のエピタキシャル成長は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて達成されることができる。ＭＯＣＶＤは、有機金属の前駆体の希薄な混合物を含むキャリアガスの流れを用いる。このガス混合物は、５０Ｔｏｒｒ〜７５０Ｔｏｒｒの範囲の圧力で反応チャンバを流れ、そこでは、基板温度は従来のIII族窒化物用の摂氏５００度〜摂氏１２０度である。アンモニア（ＮＨ_３）が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＮといった窒化物層の形成のために窒素源として使用される。反応性のガスは分解して、必要に応じて数ナノメートルから数マイクロメートルのIII−Ｖ窒化物（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等）のエピタキシャル薄層を堆積する。

図１は、本発明に従う白色発光ダイオードを示す図面である。

図１は、サファイア基板、シリコンカーバンド（ＳｉＣ）基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、自立ＧａＮ基板またはその他の基板であることができる基板を示す。バッファ層２は、摂氏６００度付近の低温で成長されたＧａＮバッファ層であることができる、ｎ型ＧａＮ層３は、摂氏１０００度付近の高温で成長される。この層３には、ｎ導電性を得るようにＳｉが添加されていることができる。基板１が自立ＧａＮ基板であるとき、バッファ層２は必要とされない。バリア層４は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのバリア層であることができる。バリア層４を成長した後に、ＴＭＩｎといったインジウム前駆体が流されて、インジウムリッチのＱＷｓ５の形成のための“シード層”を形成する。このプロセスは、インジウムバーストとして参照される。層６は、高いインジウムモル分率を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層であり、ここで、ｘ＞０．３、又はｘ＝０．３である。ＧａＮ又はＩｎＧａＮの別のバリア層７が層６を覆って成長される。Ｚｎといったｐ型ドーパントで層６をドープして、より高い発光を長波長領域で得ることができる。更に高い発光を得るために、層６には、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが添加されることができる。ｐ型ドーパントはＺｎであり、ｎ型ドーパントはＳｉである。層８は、摂氏１０００度程度で成長されＭｇが添加されたｐ型ＧａＮであることができる。層８は、摂氏６５０度〜摂氏８５０度の範囲の温度で成長されたｐ型ＩｎＧａＮ層であることができる。この低温成長のｐ−ＩｎＧａＮ層は、ＭＱＷ構造からの発光強度がＭＱＷの形成の後の熱履歴に敏感である場合に好適である。この層８の上面に第１の電極９ａが形成される。第２の電極９ｂが層３を覆って形成される。

図１において、ｐ型層８は及びｎ型層３は、電極９ａ及び電極９ｂの入れ替えと共に、入れ替え可能である。

低温成長（ＬＴ）のＧａＮまたはＩｎＧａＮバリア層（図１における層４）の相対的に荒れた表面は、衝突するインジウム原子を維持する助けになり得て、その原子はＴＭＩｎ前駆体の分解に由来し、その表面により長く存在し、これによってインジウムの取り込みを増加させ、これは、また発光において赤色シフトなる。

トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）はしばしば前駆体として使用されるけれども、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）やエチルジメチルインジウム（ＥＤＭＩｎ）といった他の有機金属化合物を使用できる。これらの有機金属化合物は単独に、又は混合して使用できる。

本発明では、インジウムリッチの量子ドット（ＱＤ）が形成されると共に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ又はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの単一量子井戸または多重量子井戸においてその表面が覆われ、これらの量子井戸は、通常、長波長の光（黄色及び赤色）を発光する。量子ドット（ＱＤ）は、核として作用するＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）または他のインジウム前駆体を流すことによって誘起される。白色発光は、発光分布の強度及び波長を変化させることによって得られる。これは、例えばインジウムバースト中におけるＴＭＩｎ流の持続時間、ＴＭＩｎの分圧、反応炉の圧力や温度といった、量子ドット誘起工程の条件を調整することによって達成される。これは、また、ＩｎＧａＮ井戸の成長の持続時間、Ｉｎ有機金属前駆体（ＴＭＩｎ、ＴＥＩｎまたはＥＤＭＩｎ）の分圧、ＮＨ_３の分圧、反応炉の圧力、温度といった井戸層のエピタキシャル成長のパラメータを調整することによって達成されることができる。これらのパラメータを変更することによって、サイズ及びインジウム組成が変化する量子ドット（ＱＤ）が形成されることができる。

インジウムリッチのＱＤを形成するとき、２つの考慮が興味深い。第１に、核として作用するＴＭＩｎの量及びＴＭＩｎ流の持続時間が重要である。多すぎる流れはインジウムドロップレットを生成することになり、これは、インジウムリッチＷＤｓの形成と競合する。ＱＤの量子閉じ込め効果は、室温における非常に高い発光効率の理由となる。第２には、ＴＭＩｎ、ＴＭＧａ及びアンモニアの引き続く流れは、ＱＤと量子井戸の形成のために重要であり、該ＱＤは量子井戸でキャップされている。通常、量子井戸成長は、アンモニアの高い分圧により制御されるべきである。

ＩｎリッチのＱＤがキャップされる量子井戸の成長のための、ＴＭＩｎといったＩｎ有機金属前駆体の分圧は、発光の制御のために重要である。量子井戸の成長中におけるＴＭＩｎの分圧がより高くなると、ＱＤを持つ量子井戸構造からの発光パワーがより高くなる。井戸層のＩｎ組成ｘは、ＸＲＤ（Ｘ線回折法）、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）、または電子エネルギ損失分光（ＥＥＬＳ）によって測定することができる。Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸のＩｎ組成ｘを０．３より大きい又は０．３に等しくするようなＴＭＩｎ分圧で成長された量子井戸でＱＤがキャップされるとき、長波長における発光が、特に５００ｎｍ以上７５０ｎｍの範囲において劇的に増加される。ＱＤをキャップしている間にＴＭＩｎ分圧がより高い場合、結果としてＱＤのＩｎ組成がより高くなる。図３は、図１に概略的に示された白色ＬＥＤからのエレクトロンルミネッセンススペクトルを示す。この場合に、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の３周期が活性層のために採用される。ＴＭＩｎ及びＴＭＧａの分圧は、それぞれ、量子井戸の成長中に１．９Ｐａ及び１．１Ｐａである。ＥＬスペクトルは、連続的に４２０ｎｍから７５０ｎｍの広い範囲をカバーする。量子井戸の成長中に１．１ＰａのＴＭＩｎ分圧及び１．１ＰａのＴＭＩＧａ分圧を用いる別の成膜条件は、同じく試みられた。この場合、スペクトルは、４５０ｎｍ〜５８０ｎｍの範囲にわたった。量子井戸の成長中におけるより高いＴＭＩｎ分圧は、より長い波長における発光の増加のために有効である。

図２は、本発明の好適な別の実施の形態である。この図面は、量子井戸の周辺の概略的な構造を示す。ＬＥＤを完成させるためには、図１に示される構造に従って、少なくとも電極が必要である。

図２において、層１０は基板であり、その基板は好ましくはサファイア、ＳｉＣ、自立ＧａＮ、ＺｎＯである。層２０は、低温、典型的には、摂氏４５０度〜摂氏６００度の範囲で成長されたバッファ層である。層３０は、ｎ型ＧａＮであり、摂氏１０３０度程度で成長されたものである。層３０の典型的なドーパントは、Ｓｉである。層４０は、ＧａＮ層又はＩｎＧａＮ層である。層５０は、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層であり、その組成ｙは０．０１〜０．１であり、摂氏７００度〜摂氏８００度程度の温度で成長される。層５を成長した後に、複数のインジウムリッチＱＤ６０は、井戸層の成長の前にインジウム前駆体流を用いて形成される。層７０がＱＤを覆って形成され、層７０はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層であり、ここでｘはｙより大きく、好ましくは０．３より大きい。層７０は、長波長の発光の増強のために、Ｚｎ添加される。層８０は、別のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層であり、典型的には層５０に類似している。層９０は、摂氏７００度と摂氏１１００度との間の範囲の温度で成長されたｐ−ＧａＮキャップ層又はｐ−ＩｎＧａＮキャップ層である。

図２では、基板１０はＧａＮの成長のために適切な任意の材料であることができ、例えばサファイア、ＳｉＣ、自立ＧａＮ、ＺｎＯ及び厚さ約２００μｍ（マイクロメートル）〜５００μｍの厚さの代替物であることができる。層２０は、厚さ２０ｎｍ〜１００ｎｍの低温バッファ層であり、また多層のＡｌＧａＮ／ＧａＮバッファ層であることができる。層３０は、アンドープＧａＮ、ＳｉドープＧａＮ又はＭｇドープＧａＮであることができる。この層のＳｉ濃度は、２×１０^１７ｃｍ^−３〜９×１０^１８ｃｍ^−３の範囲にある。この層のＭｇ濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３〜３×１０^２０ｃｍ^−３の範囲にある。その厚さは１μｍ〜１０μｍの範囲にある。層４０は、約５ｎｍ〜３０ｎｍの厚さであるＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮである。層５０及び８０は、ＩｎＧａＮの替わりにＧａＮであることができる。層９０は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ厚のキャップ層であり、またＡｌＧａＮであることができる。

Ｚｎの層７０へのドーピングは、発光範囲を広げるために重要である。図４は、量子井戸の成長中におけるＤＥＺｎの異なる分圧を用い図２に例示されたＭＱＷ構造からのフォトルミネッセンススペクトルを示す。この場合、発光層は、４周期のＭＱＷからなり、また全ての井戸のために、ＴＭＧａ及びＴＭＩｎの分圧は、それぞれ、０．２７Ｐａ及び１．１Ｐａに保たれた。ＤＥＺｎの分圧がより高いと、量子井戸のＺｎの添加濃度がより高いという結果になり、このため５５０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲において高い発光になる。

Ｚｎ及びＳｉの同時添加は、発光の増強に有効である。図５は、量子井戸の成長中におけるシランの異なる分圧を用い図２に例示されたＭＱＷ構造からのフォトルミネッセンススペクトルを示す。この場合、発光層は、４周期のＭＱＷからなり、また全ての井戸の成長のために、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＤＥＺｎの分圧は、それぞれ、０．２７Ｐａ、１．１Ｐａ及び６．７×１０^−４Ｐａに保たれた。シランの分圧がより高いと、量子井戸のＳｉの添加濃度がより高いという結果になり、このため高い発光パワーになる。

図２における層４０の追加は、発光範囲を拡張するために重要である。本発明の如何なる考えに束縛されることなく、低温成長ＧａＮ（図２における層４０）は、ＩｎＧａＮ井戸とバリアとの間の圧縮応力を部分的に緩和すると考えられる。圧縮応力の該緩和は、発光における波長シフトという結果になりうる。この圧縮応力の緩和は、Ｋａｐｒｏｖの理論（MRS Internet J Nitride Semicond. Res. 3, 16 (1998)）に従ってＩｎＧａＮの相分離を増加させることがあり、その理論では、圧縮応力はＩｎＧａＮの相分離を抑制することができる。

低温成長（ＬＴ）ＧａＮ層（図２における層４０）の相対的に荒れた表面は、衝突インジウム原子を維持する助けになり、その原子はＴＭＩｎ前駆体の分解に由来し、その表面により長く存在し、これによってインジウムの取り込みを増加させ、これは、また発光において波長シフトという結果になる。

本発明に係る好適な実施の形態に従い白色発光ダイオードを形成する方法が以下に説明される。

第１に、低温バッファ層とそれから高温のｎ型ＧａＮ層が、サファイア基板を覆って成長され、後者は、通常、摂氏１０００度程度で行われた。次いで、温度が約摂氏７００度から摂氏８００度に低下させられて、ＧａＮ又はＩｎＧａＮバリア層を成長する。サファイア基板上への成膜のときに、低温バッファ層は必要とされる。

バリア層を成長した後に、ＴＭＩｎ及び他のインジウム有機金属の適切な量の前駆体が、アンモニアの存在の下で、反応チャンバに流される。ＴＭＩｎからのＩｎ原子は、ＩｎＧａＮバリア層の原子表面において集まり、核（種）を形成し、ＱＤが形成する。

本発明の好適な実施の形態では、単一の白色ＬＥＤがＭＯＣＶＤ（０００１）面サファイア基板上に成長された。ＭＯＣＶＤでは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を前駆体として用いて実行された。この白色ＬＥＤのために、２μｍ厚のアンドープバルクＧａＮが、ます、２５ｎｍ厚のＧａＮバッファ層上に成長された。これらの成長温度は、ＧａＮバッファ層及び高温ＧａＮ層のために、それぞれ、摂氏５００度から５６０度の範囲と、摂氏１０００度から１１００度の範囲であった。ＧａＮの成長の後に、成長温度は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮバリア及びＩｎＧａＮ井戸の堆積のために摂氏７００度程度（摂氏６５０度〜摂氏７５０度の範囲）に低下させられた。ＩｎＧａＮバリアのインジウム組成は、井戸のインジウム組成よりも小さい。ＧａＮ又はＩｎＧａＮバリアを成長した後であって、高Ｉｎ組成の井戸を成長するに先立って、ＴＭＧａ流を切り替えて遮断した状態で、ＴＭＩｎが２秒から５秒の範囲で変化させて、わずかの時間流された。この処理は、インジウムバーストと呼ぶ。このようなバーストは、様々なサイズ及びインジウム組成を持つＩｎＧａＮの複数のＱＤの成長の核（種）を生成する。バーストの持続時間は、各層において核（種）を形成するために変更されることができる。井戸の厚さは約３ｎｍであった、ＧａＮバリアの成長、インジウムバースト及びＩｎＧａＮ井戸の成長が４回繰り返された。

インジウムバーストは、０．５秒から１分又はそれ以上の範囲で変更される適切な時間で実行されることができる。しかしながら、２秒から５秒がインジウムバースト時間に好ましい。有機インジウム化合物の好適な流量は、インジウムバーストにおいて１００μｍｏｌ／分未満である。井戸の厚さは、約０．５ｎｍ〜１０ｎｍであり、好ましくは２ｎｍ〜４ｎｍであり、最も好ましくは３ｎｍである。

それ故に、Ｍｇ添加の高温ＧａＮ層は、４周期のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮのＭＱＷの上面に成長された。キャリアガスは、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの成長のために、それぞれ、Ｈ_２及びＮ_２であった。最後に、第１の電極がｐ型半導体上に形成され、第２の電極がＳｉ添加のＧａＮ層の一部に形成される。

異なる有機金属原料が、本発明の異なる構造における添加のために使用される。ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を、図１における例えば層３及び層８におけるＭｇ添加ＧａＮを生産されるために使用される。ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）が、層８における例えばｐドーピングを提供するために同様に使用されることができる。例えばＳｉ添加層８を形成するためにドーパントとしてシランを使用できる。

好適な実施形態の一例は４量子井戸構造を用いた。しかしながら、適切な数の量子井戸構造を用いることができる。実用的には、１〜６０の量子井戸構造が使用可能である。好ましくは、１〜３０の量子井戸構造が使用される。

本発明では、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層の厚さは０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲であり、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲である。Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層の厚さは２ｎｍ〜６０ｎｍの範囲であり、好ましくは５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲である。本発明の好適な実施の形態では、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層は、１＞ｘ＞ｙ＞０またはｙ＝０であるように、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層よりも大きな組成を有する。Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層の組成は、好ましくは０．３より大きい（ｘ＞０．３）。Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層は好ましくはＺｎ添加である。Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮにＳｉの共添加を行うことはより好ましい。

図３は、本発明の好適な実施の形態に従って形成された白色ＬＥＤのエレクトロルミネッセンススペクトルを示す。図３は、４２０ｎｍ〜７５０ｎｍの発光の波長範囲を示しており、この範囲は青、緑及び赤の原色を含んでいる。結果として、この発光ダイオードは白色光を生成する。

つまり、本発明のダイオードは、Ｉｎ前駆体の量、バースト持続時間及び温度といった、インジウムバーストのパラメータを調整することによって、約４２０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲の白色を放射することができる。量子井戸のインジウム組成を高くすると共に、この層にＺｎ及びＳｉの添加を行うと、特に赤色のスペクトラム範囲で劇的に発光が増強される。井戸層におけるＩｎ組成、Ｚｎ濃度及びＳｉ濃度の制御は、それぞれ、Ｉｎ前駆体（例えばＴＭＩｎ）、Ｚｎ前駆体（例えばＤＥＺｎ）及びＳｉ前駆体（例えばシラン）の分圧を調整することによって行われることができる。これらの成長パラメータの調整の組み合わせによって、発光パワーの制御だけでなく、広範囲なカラーインデックス制御が可能になる。白色ＬＥＤは、それ自身で白色を発光するものであり、分離された複数のＬＥＤの組み合わせ、或いは白色発光のための蛍光物質の利用を必要としない。本発明のＬＥＤはこのように安価であり、製造に便利であり、より安定しており、寿命が長い。

結果として、本発明は、従来技術における発光素子に対してはっきりとした利点を有しており、従来技術における発光素子は、いくつかのデバイスの組み合わせによって或いは蛍光体を用いる色変換によってのみ白色光を得るために複数の発光センタを有する。対照的に、本発明は、異なるサイズの量子ドットＱＤを利用して、単一のチップ上で異なる色が組み合されて白色光を生成する。したがって、本発明は、小型化、効率化、明度及び低コストを提供できる。

本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本発明のデュアル光ユニットを用いる液晶表示装置において、様々な変更及び修正が可能なことは当業者にとって明らかである。故に、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物からの本発明の変形及び変更に及ぶことが意図される。

Claims (20)

1. 白色発光ダイオードであって、
   ｎ型半導体層を備え、
   一又は複数の量子井戸構造を備え、各量子井戸構造は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層及びＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層を備え、ここで、Ｘ＞０．３又はＸ＝０．３であり、各量子井戸構造は前記Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層上に形成されたＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ量子ドットを包含しており、ここでｙ＜ｘ＜ｚ≦１、前記Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ量子ドットは１ｎｍ〜２００ｎｍのサイズを有し、前記量子井戸構造は前記ｎ型半導体層を覆って形成されており、
   前記量子井戸構造を覆って形成されたｐ型半導体層を備え、
   前記ｐ型半導体層を覆って形成された第１の電極を備え、
   前記ｎ型半導体層の第２の部分の表面の少なくとも一部分を覆って形成された第２の電極を備え、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層はｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントの両方を含み、該白色発光ダイオードの波長範囲は４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲にわたる連続スペクトルを含む、白色発光ダイオード。
2. 白色発光ダイオードであって、
   ｎ型半導体層を備え、
   一又は複数の量子井戸構造を備え、各量子井戸構造は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層及びＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層を備え、ここで、ｘ＞ｙであり、各量子井戸構造は前記Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層上に形成されたＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ量子ドットを包含しており、ここでｘ＜ｚ≦１、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層はｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントの両方を含み、該白色発光ダイオードの波長範囲は４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲にわたる連続スペクトルを含み、前記Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ量子ドットは１ｎｍ〜２００ｎｍのサイズを有し、前記量子井戸構造は前記ｎ型半導体層を覆って形成されており、
   前記量子井戸構造を覆って形成されたｐ型半導体層を備え、
   前記ｐ型半導体層を覆って形成された第１の電極を備え、
   前記ｎ型半導体層の表面の少なくとも一部分に形成された第２の電極を備える、白色発光ダイオード。
3. 前記ｎ型ドーパントはシリコンを含み、前記ｐ型ドーパントは亜鉛及びマグネシウムの少なくともいずれかを含む、請求項２に記載された白色発光ダイオード。
4. 前記ｎ型ドーパントのための前駆体の分圧は９．０×１０^−５Ｐａ〜１．８×１０^−４Ｐａの範囲内にある、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
5. 前記ｐ型ドーパントのための前駆体の分圧は、３．４×１０^−４Ｐａ〜６，７×１０^−４Ｐａの範囲内にある、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
6. ＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくともいずれか一つを第１の流量でまず流して最初に核の形成を行うと共に、ＴＭＧａ及びアンモニアと一緒にＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくともいずれか一つを第２の流量で次いで流して前記核を成長させ前記量子井戸構造内にキャップすることによって、前記量子ドットが形成される、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の白色発光ダイオード。
7. 前記量子井戸構造の数は１〜３０の間にある、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
8. 前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層の厚さは約１〜１０ｎｍであり、前記Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層の厚さは約５〜３０ｎｍである、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
9. １＞ｘ＞ｙ＞０またはｙ＝０である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
10. 前記ｎ型半導体層は基板上に形成されており、前記基板はサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ及びＺｎＯのいずれか一つからなる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
11. ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ジエチル亜鉛、及びシランの少なくともいずれかが、前記量子井戸構造の成長中にドーパントとして使用される、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された白色発光ダイオード。
12. 白色光を発光する量子井戸構造であって、
    ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなるバリア層と、
    Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層と、
    前記バリア層上に形成されておりｘ＞０．３の前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層に埋め込まれた、インジウムリッチの量子ドットと、
    前記量子ドット及び前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層を覆うＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層と、
    を備え、
    前記量子ドットは１ｎｍ〜２００ｎｍのサイズを有し、
    前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層はｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの両方を含み、該量子井戸構造の波長範囲は４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲にわたる連続スペクトルを含む、量子井戸構造。
13. 白色光を発光する量子井戸構造であって、
    ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなるバリア層と、
    ｐ型ドーパントでドープされたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層と、
    前記バリア層上に形成されており前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層に埋め込まれた、インジウムリッチのＩｎＧａＮの量子ドットと、
    前記量子ドット及び前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層を覆うＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層と、
    を備え、
    前記量子ドットは１ｎｍ〜２００ｎｍのサイズを有し、
    前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層はｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの両方を含み、該量子井戸構造の波長範囲は４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲にわたる連続スペクトルを含む、量子井戸構造。
14. 前記ｎ型ドーパントはシリコンを含み、前記ｐ型ドーパントは亜鉛及びマグネシウムの少なくともいずれかを含む、請求項１２又は請求項１３に記載された量子井戸構造。
15. 当該量子井戸構造はｎ型半導体層上に成長され、
    前記ｎ型半導体層は基板上に成長される、請求項１２〜請求項１４のいずれか一項に記載された量子井戸構造。
16. 前記量子井戸構造はｐ型半導体層に覆われ、
    前記ｐ型半導体層には第１の電極が形成される、請求項１２〜請求項１５のいずれか一項に記載された量子井戸構造。
17. ＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくともいずれか一つを第１の流量で最初に流してまず核の形成を行うと共に、ＴＭＧ及びアンモニアと共にＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ及びＥＤＭＩｎの少なくとも一つを第２の流量で次いで流して前記核を成長させて前記量子井戸内にキャップすることによって、前記量子ドットが形成される、請求項１２〜請求項１６のいずれか一項に記載の量子井戸構造。
18. 前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層の厚さは約１〜１０ｎｍであり、前記Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮバリア層の厚さは約５〜３０ｎｍである、請求項１２〜請求項１７のいずれか一項に記載の量子井戸構造。
19. １＞ｘ＞ｙ＞０またはｙ＝０である、請求項１２〜請求項１８のいずれか一項に記載の量子井戸構造。
20. ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ジエチル亜鉛、及びシランの少なくともいずれかが、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層の成長中にドーパントとして使用される、請求項１２〜請求項１９のいずれか一項に記載の量子井戸構造。

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