JP5296280B2 - ＧａＩｎＮからなる薄い半導体層およびその製造方法ならびにその半導体層を備えたＬＥＤさらにはこのＬＥＤを備えた照明デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、ＧａＩｎＮからなる薄い半導体層、および、その製造方法に関するものである。
本発明は、また、活性領域内にそのような薄層を備えている発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものであり、とりわけ、白色光を放出する発光ダイオードに関するものである。本発明は、さらには、そのようなダイオードを備えた照明デバイスに関するものである。
本発明の属する技術分野は、白色光の生成として規定することができる。この白色光は、１９６４年にＩＥＣによって定められた基準を満たすものである。
特に低コストかつ低消費エネルギーかつ長寿命かつ高エネルギー効率であるようなデバイスの開発を目的として、白色光の生成に関する多数の研究が、現在行われている。
白色光は、実質的に白熱ランプを使用することによって従来より得られているけれども、効率が５％程度であり寿命が約１０００時間といったように、効率が非常に悪くまた寿命も短いものである。蛍光灯は、蛍光ランプの場合には効率が約２５％であり寿命が約１０００時間といったように、より良好な効率を有しているとともに、より長い寿命を有している。しかしながら、蛍光灯は、多数の欠点を有している。蛍光灯は、真空チューブであって、製造が困難であるとともに高価となる。また、蛍光灯は、毒性の大きな水銀を数ミリグラム含有しており、そのため、寿命満了時における蛍光灯の破棄処分によって、深刻な環境問題が引き起こされる。
さらに、蛍光灯は、心地よい光を作ることができず、多くの場合、使用が制限されてしまう。
効率の面からは、現存の工業用ランプの中で最良のものは、低圧ナトリウムランプであって、この場合の効率は、３５％程度である。蛍光灯の場合と同じく、低圧ナトリウムランプは、心地よいものではない。すなわち、低圧ナトリウムランプは、その色のために、標準的な照明としては適切ではない。したがって、安全でありかつ信頼性が高くかつ丈夫であり長寿命を有しているとともに上記デバイスのエネルギー効率以上のエネルギー効率でもって低コストで白色光を生成し得るような他のデバイスに関しての研究がなされてきた。
例えば、蛍光物質や発光性ポリマーや発光性半導体も含めたような上記のまたは他の白色光源が、模索されてきた。
例えばＰＰＶといったような発光性ポリマーは、非常に安価であって、半透明電極間にポリマーを単に挿入するといったように、使用技術が非常に単純である。複数の個別色の組合せによってあるいはかなり広いスペクトルを有した単一化合物の使用によって、可視光範囲の全体を得ることができ、白色が放出される。しかしながら、現時点では、このような化合物は、オレンジ光でもって液晶スクリーンを照明すること以外には、使用されていない。このタイプの緑色および青色の発光体の寿命が短いことが、白色光を生成するに際しての発光性ポリマーの使用を不可能としている。
半導体による白色光の生成は、本質的に、窒化物に基づいており、特に、非常に高効率でもってかつ長寿命で緑色または青色を単独で放出するような、III 族元素の窒化物に基づいている。最も多用される窒化物タイプの化合物は、青色光または赤色光を放出するＧａＩｎＮである。
よって、例えばＧａＩｎＮといったような窒化物からなる薄層は、例えばＧａ（Ａｌ）Ｎといったような材料内に介装されることによって例えばＧａ（Ａｌ）Ｎといったような材料の禁止帯幅により発光波長が固定されすなわち発光色が固定され、特別に輝度の大きな発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の活性領域の基本的構成ブロックを形成する。
ＧａＩｎＮ層の厚さは、通常、１００オングストローム以下である。この場合には、しばしば、ＧａＩｎＮ／Ｇａ（Ａｌ）Ｎ量子井戸ＬＥＤｓと称する。このようなＬＥＤｓは、例えば青色や緑色といったような特定の色を中心とした発光を有している。
多くの場合、インジウム含有量によっておよび／またはＧａＩｎＮ層の厚さによって、量子井戸の遷移エネルギーを固定することすなわちＬＥＤの発光波長を固定することが、行われる。しかしながら、インジウム含有量が１０％を超えると、ＧａＩｎＮ／Ｇａ（Ａｌ）Ｎ量子井戸の光学的性質が、励起子（エキシトン）の異常に長い放射寿命や圧力の関数としての禁止帯幅のエネルギーの非常に小さな変動といったようなものも含めて、非常に特有のものとなる。
白色光の生成に際しては、ハイブリッド化技術を使用することによって、既に大きな効率（１０％超）を有している高輝度青色ＬＥＤｓが使用される。この場合、青色ＬＥＤを使用することによって、蛍光物質やポリマーをポンピングする。このような化合物からの黄色発光と青色ＬＥＤとが組み合わされることによって、色どうしの混合により、白色光が形成される。この技術は、NICHIA（登録商標）や、あるいは、HEWLETT-PACKARD（登録商標）や GELCORE（登録商標）や
SIEMENS-OSRAM（登録商標） によって、現在では幅広く使用されている。この技術の家庭用照明への応用は、極めて将来有望である。
SIEMENS-OSRAM（登録商標） によって、現在では幅広く使用されている。この技術の家庭用照明への応用は、極めて将来有望である。
しかしながら、ハイブリッド化特性に基づいて白色光を得ることを目的として、ＬＥＤと、例えば蛍光物質やポリマーといったような他の構成物質と、を結合することは、例えば封入前に青色ＬＥＤ上に蛍光物質またはポリマータイプの化合物を成膜するステップといったようなステップも含めたいくつかの技術ステップを備えた高価で複雑なプロセスである。
ＬＥＤとポリマー／蛍光物質とからなるハイブリッド化デバイスにおいて色どうしのバランスをとることは、容易ではなく、そのため、家庭用照明として『快適』なものとして品質評価される白色を得ることは、容易ではない。さらに、デバイスは、作製方法と同様に複雑なデバイスであり、多数の部材を備えるものであり、そのため、約１０００００時間といったような本来的寿命を有している基本的窒化物ＬＥＤよりも信頼性が低い。
最後に、ハイブリッド化システムにおいては損失が避けられないことのために、ハイブリッド化システムの真性（本来的）効率は、ポンピング用窒化物ＬＥＤの効率よりも小さい。
したがって、青色（または緑色）ＬＥＤと蛍光物質またはポリマーとからなるハイブリッド化デバイスの欠点を克服するため、直接的に白色光を放出する発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を使用可能とすることに興味がある。
最近になり、B.DAMILANO, N.GRANDJEAN, F.SEMOND, J.MASSIES and M.LEROUX, Appl. Phys. Lett. 75, 962 (1999) という文献において、周期表における III族元素の窒化物からなる半導体に基づくモノリシック構造内で、レーザーによる光学的励起を行うことによって、白色光を生成し得ることが示された。この場合、ＡｌＮ層によって互いに隔離された４つの面をなすＧａＮ量子ボックスからなる積層が使用される。量子ボックスのサイズは、発光波長の長さを固定する。したがって、４つの面から得られる発光が、色どうしの単純な混合原理によって白色であるように、各面における発光波長を調節するだけで十分である。うまくないことに、この構造は、発光ダイオード（ＬＥＤ）タイプの光電子工学的デバイスにおける活性領域として使用することができない。それは、ＡｌＮ材料に対してｐタイプドーピングを施すことができないという単純な理由によるものである。
さらに、このタイプの構造においては、電気的注入の制御が困難である。また、このタイプの構造は、色どうしのバランス化という問題点を引き起こしかねず、偶発的に白色を生成することが困難となることが起こり得る。
よって、直接的に白色光（あるいは、複数の色の混合によって得られる他の任意の色、特に、原色）を放出するとともに、市販の青色ＬＥＤや緑色ＬＥＤに関して現在使用されているＧａＩｎＮ／Ｇａ（Ａｌ）Ｎ量子井戸と同様に、ＬＥＤ内における活性領域として直接的に挿入し得るような、半導体層が要望されている。しかも、この単一の半導体層は、安全でありかつ信頼性が高くかつ検証されているとともにさらに限定されたステップ数しか有していないような方法を使用して、低コストで容易に製造し得ることが要望されている。
本発明の１つの目的は、上記要求を満たすことである。
この目的および他の目的は、本発明に基づき、混合によって特に白色光を得ることができるような複数の所定の色を有した少なくとも２つの可視光を放出するような、ＧａＩｎＮからなる単一の半導性の薄層によって得られる。
ＧａＩｎＮ層とは、ＧａＩｎＮからなる層を意味し、この場合、ＧａＩｎＮは、例えば、少量のヒ素またはリンまたはアンチモンを含有することができる。
少量とは、通常、５％未満の比率を意味している。
より詳細には、本発明による薄層は、それぞれの成膜体が所定色の可視光を放出する少なくとも２つのＧａＩｎＮ製成膜体（互いに同じ組成のものであっても良く、また、互いに異なる組成のものであっても良い）を並置することによってあるいは互いに積層することによって形成される。
有利には、互いに異なる少なくとも２つの所定の色を有した可視光の混合によって白色光が生成されるようになっている。
本発明に基づく極めて画期的な結果は、ＧａＩｎＮからなる単一薄層から、それぞれ所定の色を有している複数の光が放出されることである。従来技術においては、ＧａＩｎＮからなる単一薄層からは、ＬＥＤｓにおいて現在使用されている青色または緑色量子井戸の場合と同様に、例えば青色または緑色または黄色といったような明瞭に規定された色は、ただ１つしか得ることができなかった。
本発明においては、それぞれが異なる所定の色を有した複数の発光を、例えばＧａ（Ａｌ）Ｎといったようなバリアによって互いに明確に区画されたＧａＩｎ（Ａｌ）Ｎからなる複数の層から得るのではなく、ＧａＩｎＮからなる単一薄層から得る。
したがって、本発明における薄層は、上述したような DAMILANO 氏他による文献に開示された複雑な構造とは、基本的に相違している。上記文献においては、混合によって白色光を形成するような互いに異なる複数の波長で発光する互いに個別でありかつ互いに独立でありかつ互いに隔離されている４つの層を使用している。これに対し、本発明においては、上記文献とは対照的に、例えば４つといったような複数の互いに異なる波長で発光するただ１つの層を使用している。
Ｇａ（Ａｌ）Ｎからなるｐ−ｎ接合内においてＧａ（Ａｌ）Ｎバリアによって互いに隔離された少なくとも２つのＧａＩｎＮ層を配置することによって、ＧａＮシステムのために形成されたこのタイプの構造がＧａＩｎＮ／Ｇａ（Ａｌ）Ｎシステムに対して導入されたと仮定すれば、それらＧａＩｎＮ層からの発光は、例えば１つの発光が黄色を中心としさらに他の発光が青色を中心としたものとなり、結果的に得られる全体的な発光は、１９６４年にＩＥＣによって設定された基準に従った白色となることであろう。しかしながら、このタイプの構造においては、複数のＧａＩｎＮ層内への電子注入をチェックすることが容易ではなく、このため、色どうしのバランス化という問題点が引き起こされ、白色光を生成することが困難である。
本発明において採用された手段は、ＧａＩｎＮ合金に基づいた半導性単一薄層が単一色を放出するのではなく複数の色を放出する好ましくは混合によって白色光を生成するような複数の色を放出する点において、基本的に相違するものである。本発明においては、可視スペクトル内のどの波長でも単一薄層から連続的に放出させ得ることに言及しておくことは重要である。互いに異なる複数の所定色を有したこの可視光は、好ましくは混合によって白色光を生成するものではあるけれども、２つ以上の所定色の混合によって決定される色を有した任意の光を、本発明による薄層によって得ることができる。このような互いに異なる複数の所定色は、好ましくは、いわゆる原色（青色、緑色、あるいは、赤色）とされることが好ましい。
例えば、それぞれ青色、緑色、および、赤色を放出する３つの成膜体によって、白色を得ることができる。白色は、また、青色と黄色とを放出する２つだけの成膜体によって得ることもできる。
従来とは全く相違した画期的な態様で、本発明者らは、分子ジェットエピタキシー（Molecular Jet Epitaxy,ＥＪＭ）によって実験室内で形成した試料に関して光ルミネッセンスの実験を行い、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ製ヘテロ構造が、量子井戸から推測される振舞いを有していないことを示した。より詳細には、本発明者らは、驚くべきことに、ＧａＩｎＮ合金におけるフォトン放出が、関連する波動関数の広がりが原子メッシュで数個分の程度といったように極度に局在化したキャリアに起因するものであることを示した。本発明は、ＧａＩｎＮ合金内におけるキャリア濃度が非常に大きいことを実験的に検証することに、大いに基づいている。それは、キャリア濃度が非常に大きいことによって、波動関数どうしの結合を引き起こすことなく単一のエネルギーレベルをもたらすような数ナノメートルという厚さのＧａＩｎＮ成膜体を、複数並置することを可能とするからである。
半導性材料（Ａ）からなる厚さ（Ｌｗ）を有した薄層が、より広い禁止帯幅を有した材料（Ｂ）内に挿入される場合について考察すると、量子井戸Ｂ／Ａ／ＢのエネルギーＥ（Ｌｗ）は、Ｌｗによって固定（あるいは、規定、決定）される。材料（Ａ）からなる厚さ（Ｌｗ1，Ｌｗ2）を有した２つの成膜体が形成される場合には、量子井戸Ｂ／Ａ／Ａ／Ｂのエネルギーは、一義的なものであって、Ｌｗ1＋Ｌｗ2にのみ依存する。材料（Ａ）からなる厚さ（Ｌｂ）を有した非常に薄いバリアが、材料（Ａ）からなる２つの成膜体の間に挿入された場合には、結合した量子井戸Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂを有したシステムを得ることとなり、このシステムの基本レベルは、Ｌｗ1，Ｌｗ2，Ｌｂに依存する。ヒ化物タイプの従来の半導体（例えば、ＧａＡｓ）においては、キャリア（電子およびホール）に関連する波動関数は、数十オングストロームという横方向広がりを有している。よって、２つの井戸どうしの結合を切り離してそれぞれの井戸からの発光を観測するためには、バリア厚さ（Ｌｂ）は、１００オングストロームよりも厚くなければならない。本発明においては、ＧａＩｎＮに基づく複数の量子井戸内におけるキャリアの波動関数が、例えば１ナノメートル未満といったような非常に薄いバリアさえも要することなくそれら井戸どうしの結合がもはや存在しない程度にまで局在化していることが、観測されている。これは、画期的なことである。互いに相違する遷移エネルギーに対応した互いに異なる厚さを有したＧａＩｎＮ製の２つの成膜体を並置することにより、言い換えれば、Ｇａ（Ａｌ）Ｎ製バリアの中間成長を一切必要とすることなくそのような２つの成膜体を並置することにより、２つの個別的な遷移が得られる。したがって、本発明においては、厚さが１００オングストローム以下であるとともに、互いに結合を引き起こすことなく互いに異なる複数の波長において最大発光を有しているような、ＧａＩｎＮ製薄層を形成することができる。
よって、雰囲気温度において青色（０．４μｍ）から赤色（０．６６μｍ）までの可視範囲全体にわたって発光するＧａＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造が、ＥＪＭによって、また、ＥＰＶＯＭ（有機金属気相エピタキシー、Organo-Metallic
Vapour Phase Epitaxy）によって、形成された。
Vapour Phase Epitaxy）によって、形成された。
本発明は、また、可能であれば少量のヒ素またはリンまたはアンチモンを含有しているような、ＧａＩｎＮからなる単一の半導性の薄層であるとともに、それぞれ所定の色を有した少なくとも２つの可視光を放出する薄層の製造方法に関するものであって、各成膜どうしの間において成長を中断することによって複数の個別の時間ステップにおいて、それぞれが所定色の可視光を放出する複数のＧａＩｎＮ製成膜体（互いに同じ組成を有していても良く、また、互いに異なる組成を有していても良い）を順次的に成膜することにより、薄層が形成される。
有利には、所定色を有した少なくとも２つの可視光の混合によって白色光が生成される。
有利には、各成膜体によって放出される光の色は、各成膜体の成長温度および／または成長持続時間および／または成膜体の成長を支配する他のパラメータを変更することによって、および／または、成長中断時の温度および／または中断時間を変更することによって、固定される。
本発明においては、ＧａＩｎＮからなる単一薄層は、連続的にではなく、順次的に成膜される。つまり、各成膜どうしの間には、成長が中断される。言い換えれば、ＧａＩｎＮの成膜は、分割され、成長は、ＧａＩｎＮの所定量を成膜した後に各成膜体が所定色で発光するように、中断されなければならない。
さらに、極めて驚くべきことに、本発明においては、ＧａＩｎＮの厚さが遷移エネルギーを決定する直接的要因ではないことすなわちＧａＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造からの発光色を決定する直接的要因ではないことが、示された。これは、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓといったような従来のIII−V半導体において知られていることとは、相違している。それでも驚くべきことに、各成膜体の成長温度および／または成長持続時間および／または成膜時温度が、中断持続時間の分だけ中断される。
上述したことに関連して、本発明者らは、ＧａＩｎＮ内におけるルミネッセンスに関する対象物のサイズが数ナノメートルであることあるいは１ナノメートル未満でさえあることを証明するために、実験室内において一連の実験を行った。
それら対象物は、ＧａＩｎＮの成長時に形成され、それらのサイズしたがってそれらのエネルギーは、成膜時間および／または成長条件に依存する。
好ましくは、各成膜体からの発光色は、各成膜体の成長持続時間および／または成長温度を変更することによって、固定される。
各成膜どうしの間において成長を中断させている時には、温度を上昇させることができる。さらに、成長時に形成され非常に高濃度のキャリア濃度をもたらし結合形成を完全に防止する例えばＩｎＮやＩｎ−Ｉｎ対からなるクラスターといったような上記対象物は、真性のもの（本来的なもの）であり、使用されている成膜技術や成長技術に依存するものではない。言い換えれば、ここで説明した各層の予想外の性質は、ＧａＩｎＮ合金に関連した真性のものであり、使用されている成膜技術に依存するものではない。したがって、当業者に公知のすべての技術を使用することができる。このことは、本発明の極めて重要な利点である。
したがって、各成膜体は、分子ジェットエピタキシー（ＥＪＭ）によって形成することができ、また、有機金属気相エピタキシー（ＥＰＶＯＭ）によって形成することもできる。
本発明においては、ＥＰＶＯＭ技術が使用可能であることに大いに興味がある。それは、この技術が、青色や緑色や白色の窒化物ＬＥＤの製造のために現在では最も頻繁に使用されている技術であるからである。
よって、本発明の他の目的は、発光ダイオードであって、この発光ダイオードは、上述したような本発明による少なくとも１つの薄層を、活性領域内に備えている。
好ましくは、薄層は、したがって、ダイオードは、白色光を放出する。
最後に、本発明は、照明デバイスに関するものであって、好ましくは白色を生成する照明デバイスに関するものであって、この照明デバイスは、上記発光ダイオードを備えている。
よって、本発明においては、従来技術による白色光生成デバイスに関連するすべての欠点を克服することができ、低コストでかつ低エネルギー消費でかつ非常に長寿命で（例えば、１０００００時間）かつ非常に低電圧でかつ毒物を一切使用することなく、白色光を生成することができる。
本発明においては、電気ルミネッセンスによって直接的に、かつ、単一部材によってしたがってモノリシックに（『コンバータ』を必要とすることなく）、青色ＬＥＤと蛍光物質またはポリマーといったような他の構成部材との結合に基づいているような複雑で高価なハイブリッド化技術を使用することなく、白色光が生成される。本発明によるモノリシックシステムの効率は、損失が不可避であるようなハイブリッドシステムの効率よりも良好であることは、明らかである。
市販の緑色ＬＥＤや青色ＬＥＤにおいて現在使用されているＧａＩｎＮ／Ｇａ（Ａｌ）Ｎ量子井戸の場合と同じく、本発明による薄層は、活性領域として、ＬＥＤ内に容易に直接的に挿入することができる。
本発明は、薄色ＬＥＤｓのコストを低減する。それは、白色光の生成のために、窒化物製青色ＬＥＤに加えて、蛍光物質やポリマーを使用する必要がないからである。これにより、封入前にＬＥＤｓ上に蛍光物質／ポリマーを成膜するために必要な多数の技術ステップを省略することができて、製造方法を単純化することができる。プロセス内における他のステップは、同じままで残っている。したがって、本発明がＬＥＤｓの活性領域だけに関するものであることから、変形が不要である。
したがって、本発明によるＬＥＤｓや光生成デバイスは、信頼性が高く、単純であり、丈夫であり、長寿命であり、安価であり、環境に対する保護をもたらし、製造が容易であり、さらに、快適な光を生成する。製造プロセスにおいて、家庭用照明のための『快適な』白色を得るためにあるいは要望に応じた色の照明デバイスを得るために、色どうしのバランス化をとることが容易である。さらに、本発明による薄層は、単純であり、信頼性を改良することができる。窒化物製ＬＥＤは、約１０００００時間という評価寿命を有している。
成膜時間を変更することによって各成膜体の色が固定されているという本発明の一実施形態について、以下、添付図面を参照して詳細に説明する。図において、図１は、２つのＧａ（Ａｌ）Ｎ製バリア層とこれらの間に介装された本発明による薄層とを備えてなるヘテロ構造の、本発明による方法を使用した製造方法を示す図であって、成長軸（Ａ）を有した左側部分においては、時間（ｔ）の関数としての複数の層および成膜体の成長を示しており、右側部分においては、様々な層および成膜体の成長時に使用されたまた成長中断時（破線で示す部分）に使用された成長温度（Ｔ）を示しており、図２および図３は、成膜持続時間を変更しつつ（８分間、２分間、６分間、３分間）、数回にわたって成膜を行うことによってあるいは単一ステップでもって成膜を行うことによって形成された様々なＧａＩｎＮ層に関しての、雰囲気温度における光ルミネッセンスエネルギー（Ｅ、単位はｅＶ）の関数として光ルミネッセンス強度（Ｉ、任意単位）を示すグラフである。
白色光を放出するＧａＩｎＮ製薄層の製造には、ＧａＩｎＮ層と好ましくはＧａ（Ａｌ）Ｎ層とされる複数のバリア層とを備えてなるヘテロ構造の波長を、ＧａＩｎＮ合金に関する成長条件の関数として初期校正する必要がある。例えば青色光と黄色光とを混合することによって白色光を得るといったように複数の色を混合することによって白色光を得ることを可能とするためには、青色から黄色に少なくともわたって可視光スペクトルの広範な部分をカバーする必要がある。
校正後には、所望の色に対応した様々なＧａＩｎＮ製成膜体が、本発明による方法を使用して、形成され、これにより、同一組成を有したまたは異なる組成を有した様々なＧａＩｎＮ製成膜体が、積層配置することによってあるいは互いに並置することによって、得られる。これにより、各成膜体によって放出される様々な色の混合の結果として得られる色を放出する単一薄層を得ることができる。
ＬＥＤタイプのデバイスにおいては、本発明による薄層は、通常、基板をなすバリア層上に成膜される。バリア層は、例えばＧａ（Ａｌ）Ｎからなる層とすることができ、通常はｎタイプとされる。ヘテロ構造は、バリア層によって終端される。この終端層は、例えばＧａ（Ａｌ）Ｎからなる層とすることができ、通常はｐタイプとされる。
例示する実施形態においては、本発明によるＧａＩｎＮ製単一薄層からの白色発光を得るために、この層は、連続的にではなく、時間をおいて順次的に、成膜される。つまり、各ＧａＩｎＮの成膜後には、中断時間を挟んだ上で、次の成長が行われる。
使用される方法は、図１に概略的に示されている。図１は、温度（Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3 ）を示している。ここで、温度（Ｔ1 ）は、ＧａＩｎＮからなるｎ個の成膜体（ＧａＩｎＮ／１，ＧａＩｎＮ／２， … ，ＧａＩｎＮ／ｎ）に関して使用される温度であり、温度（Ｔ2 ）は、より高温の温度であって、成長中断時における温度あるいは（必要であれば）アニールのための温度であり、温度（Ｔ3 ）は、好ましくはＧａ（Ａｌ）Ｎから形成される基板バリア層および終端バリア層の成膜温度である。
温度（Ｔ1 ）は、通常は、５００℃〜８００℃とされる。
温度（Ｔ2 ）は、通常は、５００℃〜８００℃とされる。
温度（Ｔ3 ）は、通常は、７５０℃〜１０５０℃とされる。
この実施形態においては、各成膜体から放出される光の色は、成膜の持続時間や、例えば温度維持定数といったような他の成長パラメータによって、固定される。よって、ＧａＩｎＮの順次的な成膜時間は、例えば、Δｔd1，Δｔd2，…，Δｔdnに対応し、各成膜持続時間は、２〜８分間とされる。各成膜持続時間に対応して得られる光は、所定の色を有している。各成膜後には、Δｔｉ１，Δｔｉ２，…という時間にわたって、成長が中断される。成長の中断時には、成長条件に応じて温度（Ｔ1 ）よりも例えば１００℃または２００℃だけ高温とされた温度へとすなわちアニール温度（Ｔ2 ）へと、温度を上昇させる。ただし、この温度上昇操作は、必ずしも必要というわけではない。
各成膜体が１つの色に対応しておりかつすべての色の混合によって好ましくは白色光が生成されるようになっているような本発明による薄層を形成するすべての成膜体が形成された後には、終端層が成膜される。この終端層は、通常、ｐタイプのＧａ（Ａｌ）Ｎとされる。
以下、本発明を限定するものではなく単なる例示としてのいくつかの実験例を参照して、本発明について説明する。
［実験例１］
ＧａＩｎＮ製薄層が、ＧａＮ自身やサファイアやシリコンやシリコンカーバイドとすることができる所定基板上に既に成膜されたＧａＮ基板層上に、分子ジェットエピタキシー（ＥＪＭ）によって、以下の成長条件で成膜された。すなわち、薄層は、複数の時間ステップにおいて成膜を行うのではなく、２分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝２’、ｎ＝１）連続的に成膜された。終端層は、また、ＧａＮとされた。これにより、紫色で発光するヘテロ構造が得られた（図２における右側上段の曲線）。
ＧａＩｎＮ製薄層が、ＧａＮ自身やサファイアやシリコンやシリコンカーバイドとすることができる所定基板上に既に成膜されたＧａＮ基板層上に、分子ジェットエピタキシー（ＥＪＭ）によって、以下の成長条件で成膜された。すなわち、薄層は、複数の時間ステップにおいて成膜を行うのではなく、２分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝２’、ｎ＝１）連続的に成膜された。終端層は、また、ＧａＮとされた。これにより、紫色で発光するヘテロ構造が得られた（図２における右側上段の曲線）。
［実験例２］
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例１と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、実験例１と相違する点は、薄層が、８分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝８’、ｎ＝１）連続的に成膜された点である。これにより、赤色で発光するヘテロ構造が得られた（図２における左側中段の曲線）。
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例１と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、実験例１と相違する点は、薄層が、８分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝８’、ｎ＝１）連続的に成膜された点である。これにより、赤色で発光するヘテロ構造が得られた（図２における左側中段の曲線）。
［実験例３］
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例２と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、合計の成膜時間は８分間ではあるけれども、ＧａＩｎＮの成膜時間は、４つの順次的な成膜時間へと分割され、各成膜体に関しての成膜持続時間が、２分間とされた（Δｔd1＝Δｔd2＝Δｔd3＝Δｔd4＝２’、ｎ＝４）。しかも、各成膜どうしの間においては、成長が中断され（１分間という中断時間）、温度を、成長温度よりも１００〜２００℃高温へと上昇させた。これにより、紫色で発光するヘテロ構造が得られた（図２における右側下段の曲線）。しかも、発光のエネルギー位置は、２分間という単一ステップだけによって形成されたものと同じであった。
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例２と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、合計の成膜時間は８分間ではあるけれども、ＧａＩｎＮの成膜時間は、４つの順次的な成膜時間へと分割され、各成膜体に関しての成膜持続時間が、２分間とされた（Δｔd1＝Δｔd2＝Δｔd3＝Δｔd4＝２’、ｎ＝４）。しかも、各成膜どうしの間においては、成長が中断され（１分間という中断時間）、温度を、成長温度よりも１００〜２００℃高温へと上昇させた。これにより、紫色で発光するヘテロ構造が得られた（図２における右側下段の曲線）。しかも、発光のエネルギー位置は、２分間という単一ステップだけによって形成されたものと同じであった。
［実験例４］
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例１と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、実験例１と相違する点は、薄層が、３分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝３’、ｎ＝１）連続的に成膜された点である。
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例１と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、実験例１と相違する点は、薄層が、３分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝３’、ｎ＝１）連続的に成膜された点である。
これにより、青色で発光するヘテロ構造が得られた（図３における中段の曲線）。
［実験例５］
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例１と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、実験例１と相違する点は、薄層が、６分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝６’、ｎ＝１）連続的に成膜された点である。これにより、黄緑色で発光するヘテロ構造が得られた（図３における上段の曲線）。
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例１と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、実験例１と相違する点は、薄層が、６分間という成膜持続時間でもって単一ステップによって（Δｔd1＝６’、ｎ＝１）連続的に成膜された点である。これにより、黄緑色で発光するヘテロ構造が得られた（図３における上段の曲線）。
［実験例６］
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例４，５と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、成膜時間は、複数のステップへと分割された。成膜は、異なる時刻における複数のステップへと分割された。ＧａＩｎＮの第１成膜体は、実験例４の場合と同じ成長条件でもって３分間という成膜持続時間でもって（Δｔd1＝３’）成膜され、その後、第１成膜体と同じ公称組成を有したＧａＩｎＮの第２成膜体が、実験例５の場合と同じ成長条件でもって６分間という成膜持続時間でもって（Δｔd1＝６’）成膜された（ｎ＝２）。第１成膜体および第２成膜体に関し、他の成長条件は、同じままである。２回の成膜どうしの間においては、成長が短い時間にわたって中断され（約１分間という中断時間）、温度を、成長温度よりも１００〜２００℃高温へと上昇させた。図３（における中段の曲線）は、この実験例に対応する光ルミネッセンススペクトルが、単一層であっても、個別的に形成されたＧａＩｎＮ製の各成膜体の発光を実際に有していることを示している。
ＧａＩｎＮ製薄層が、実験例４，５と同様にしてＥＪＭによって成膜された。ただし、成膜時間は、複数のステップへと分割された。成膜は、異なる時刻における複数のステップへと分割された。ＧａＩｎＮの第１成膜体は、実験例４の場合と同じ成長条件でもって３分間という成膜持続時間でもって（Δｔd1＝３’）成膜され、その後、第１成膜体と同じ公称組成を有したＧａＩｎＮの第２成膜体が、実験例５の場合と同じ成長条件でもって６分間という成膜持続時間でもって（Δｔd1＝６’）成膜された（ｎ＝２）。第１成膜体および第２成膜体に関し、他の成長条件は、同じままである。２回の成膜どうしの間においては、成長が短い時間にわたって中断され（約１分間という中断時間）、温度を、成長温度よりも１００〜２００℃高温へと上昇させた。図３（における中段の曲線）は、この実験例に対応する光ルミネッセンススペクトルが、単一層であっても、個別的に形成されたＧａＩｎＮ製の各成膜体の発光を実際に有していることを示している。
最適化を行うことなく、各成膜体による２つの発光ピークの混合は、白色に近い発光を生成した。この実験例６および図３は、ＧａＩｎＮ合金の成膜時間を複数の時間ステップへと分割することによって、本発明によるＧａＩｎＮ製単一薄層から白色発光を得ることができることを示している。ＧａＩｎＮの各成長時間は、特定の色に対応し、これら色どうしの混合によって白色光が生成される。２つの色の混合に代えて、例えば青色と緑色と赤色とといったような３つの色の混合によって、同じ結果を得ることができる。同様に、ＥＰＶＯＭによっても同様の結果が得られることが既に確認されている。
Δｔd1 成長持続時間
Δｔdn 成長持続時間
Δｔi1 中断時間
Δｔi2 中断時間
Ｔ1 成長温度
Ｔ2 成長中断時の温度
Δｔdn 成長持続時間
Δｔi1 中断時間
Δｔi2 中断時間
Ｔ1 成長温度
Ｔ2 成長中断時の温度
Claims (16)
- ＧａＩｎＮからなる半導性の薄層であって、あるいは、５％未満という比率でもってヒ素またはリンまたはアンチモンを含有しているＧａＩｎＮからなる半導性の薄層であって、
前記薄層が、バリア層を介在させることなく互いに積層された少なくとも２つのＧａＩｎＮ製の成膜体を備え、
各成膜体が、所定色の可視光を放出し、この結果、前記薄層から、それぞれ所定の色を有した少なくとも２つの可視光が放出されることを特徴とする薄層。
- 請求項１記載の薄層において、
互いに異なる少なくとも２つの所定の色を有した前記可視光の混合によって白色光が生成されるようになっていることを特徴とする薄層。
- 請求項１記載の薄層において、
３つの成膜体が設けられ、これら成膜体は、青色、緑色、および、赤色のそれぞれを放出することを特徴とする薄層。
- 請求項１記載の薄層において、
２つの成膜体が設けられ、これら成膜体は、青色、および、黄色のそれぞれを放出することを特徴とする薄層。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄層において、
厚さが１００オングストローム以下であることを特徴とする薄層。
- ＧａＩｎＮからなる半導性の薄層であるとともに、あるいは、５％未満という比率でもってヒ素またはリンまたはアンチモンを含有しているＧａＩｎＮからなる半導性の薄層であるとともに、それぞれ所定の色を有した少なくとも２つの可視光を放出する薄層の製造方法であって、
各成膜体の成膜どうしの間において成長を中断することによって、バリア層を介在させることなく互いに積層された複数のＧａＩｎＮ製の成膜体であるとともにそれぞれが所定色の可視光を放出する複数のＧａＩｎＮ製成膜体を成膜することにより、前記薄層を形成することを特徴とする方法。
- 請求項６記載の方法において、
所定色を有した前記少なくとも２つの可視光の混合によって白色光を生成することを特徴とする方法。
- 請求項６記載の方法において、
各成膜体によって放出される光の色を、各成膜体の成長温度および／または成長持続時間および／または成膜体の成長を支配する他のパラメータを変更することによって、および／または必要であれば、成長中断時の温度および／または中断時間を変更することによって、固定することを特徴とする方法。
- 請求項８記載の方法において、
各成膜体によって放出される光の色を、各成膜体の成長持続時間および／または成長温度を変更することによって、固定することを特徴とする方法。
- 請求項６記載の方法において、
成長中断時には、温度を上昇させることを特徴とする方法。
- 請求項６〜１０のいずれか１項に記載の方法において、
各成膜体を、分子ジェットエピタキシーによって形成することを特徴とする方法。
- 請求項６〜１０のいずれか１項に記載の方法において、
各成膜体を、有機金属気相エピタキシーによって形成することを特徴とする方法。
- 発光ダイオードであって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載されたような薄層を、活性領域内に少なくとも１つは備えていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項１３記載の発光ダイオードにおいて、
白色光を放出することを特徴とする発光ダイオード。
- 照明デバイスであって、
請求項１３に記載されたような発光ダイオードを、少なくとも１つは備えていることを特徴とする照明デバイス。
- 白色光を放出する照明デバイスであって、
請求項１４に記載されたような発光ダイオードを、少なくとも１つは備えていることを特徴とする照明デバイス。
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