JP5437253B2 - 蛍光体を含まない赤色及び白色窒化物ベースのｌｅｄの作製 - Google Patents

蛍光体を含まない赤色及び白色窒化物ベースのｌｅｄの作製 Download PDF

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Description

本発明は、一般に発光ダイオードのための多重量子井戸構造、及び発光ダイオードのための多重量子井戸構造を作製する方法に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は照明源として機能することができ、通常、屋外フルカラーディスプレイ、交通信号灯、データストレージ、固体照明及び通信などの用途に使用される。通常、III族窒化物ベースのＬＥＤは、窒化インジウムガリウム／窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）多重量子井戸（ＭＱＷ）層のバンドギャップに対応する波長の光を発光する。ＧａＮ層のｐ−ｎ接合部の両端にバイアスが印加されると光が発生する。ＬＥＤでは、ｐ型及びｎ−ＧａＮ層により注入された正孔と電子とが活性層で結合してＬＥＤ表面から光を発光する。
例えば、緑色又は黄色ＬＥＤなどの長波長用途のために高Ｉｎ含量が取り入れられたりした場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷのエピタキシャル成長が実際的に困難な問題となる。さらに、高Ｉｎ取り入れで波長を増加させた発光では、通常、光出力効率が低下する。成長温度を低下させることによりＩｎの取入れ量を増やすことはできるが、通常、低い温度では結晶品質が劣化するのでフォトルミネセンス（ＰＬ）強度が低下する。
ＬＥＤの量子効率を高めるために、ＩｎＧａＮ量子ドットが研究されてきた（ＣＨＯＩ他による国際公開第２００４／０５４００６号Ａ１などを参照）。ＬＥＤからの発光色は、量子ドットの寸法を制御することにより青色から橙色に調節することができる（Ｇｒａｎｄｊｅａｎ他による米国特許第６，４４５，００９号Ｂ１などを参照）。ＤｅｎＢａａｒｓ他は、米国特許出願第２００６／０２５５３４７号Ａ１に、ＧａＮを１又はそれ以上の希土類遷移元素でドープして様々な色合いを有する調節可能なＬＥＤを得ることを記載している。これらの遷移元素はＣｒ、Ｔｉ及びＣｏを含み、これらの元素の組み合わせを使用して白色光を生成できることが提案されている。しかしながら、ＭＱＷ構造の薄い活性層内への注入の深さを制御することは実際的に困難である。
Ｃｈｕａ他は、米国特許出願第２００４／００２３４２７号Ａ１において、ＬＥＤのＭＱＷ構造の井戸層内に取り入れたＩｎＧａＮ量子ドットを使用した白色発光について記載している。しかしながら、ｐ−ドーパントマグネシウム（Ｍｇ）を活性化させるために高温の原位置アニーリングを行った際に、量子ドットの井戸層内又は障壁層内への外部拡散が生じた。通常、これによりＭＱＷ層が不明確となる。この結果、量子ドットによる閉じ込め効果が危うくなる可能性がある。さらに、米国特許出願第２００４／００２３４２７号Ａ１では、ＬＥＤからの発光色を正確に制御することができず、ＬＥＤの白色度が変動するようになっている。
現在のところ、可視赤色−橙色光源及び黄色光源は、通常リン酸アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＰ）材料に基づいて得られるのに対し、明緑色、青色及び紫色ＬＥＤは、通常ＧａＮベースの材料系から作製される。しかしながら、現在の技術では、ＧａＮベースのＬＥＤが、通常、白色発光を生成するための赤色成分を提供するのに必要な赤色発光を有することは知られていない。
通常、ＬＥＤから白色光を生成するためには、各々が赤色、緑色及び青色光という個々の色を発光する別個のＬＥＤの組み合わせが使用される。或いは、個々の青色及び黄色ＬＥＤを組み合わせて白色光を生成する。１つの不利な点は、白色光を生成するために異なる材料からなる複数のＬＥＤが使用され、これが作製技術の複雑さ及び全体の作製コストを増加させる点である。異なるダイオードの種類は異なる印加電圧を使用するので、結果として得られるデバイスは、通常複雑な制御電子回路を使用する。さらに、例えば（赤色発光用の）ＡｌＩｎＧａＰ及び（緑色及び青色発光用の）ＩｎＧａＮなどの使用する材料の異なる劣化速度が、通常、得られる白色光の信頼性又は品質に影響を及ぼす。白色光生成のために黄色蛍光体で被覆した青色ＬＥＤを使用する代替の作製方法に関しても、蛍光体の劣化により上述の信頼性／品質の問題が生じる。また通常、蛍光体の使用は製造コストを増加させるとともに、蛍光体における吸収に起因して外部量子効率を低下させる。
国際公開第２００４／０５４００６号Ａ１ 米国特許第６，４４５，００９号Ｂ１ 米国特許出願第２００６／０２５５３４７号Ａ１ 米国特許出願第２００４／００２３４２７号Ａ１
従って、上述の問題点の少なくとも１つに対処するために、発光ダイオードのための多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、及び発光ダイオードのためのＭＱＷ構造を作製する方法の必要性が存在する。
本発明の第１の態様によれば、発光ダイオードのための多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が提供され、このＭＱＷ構造は複数の量子井戸構造を含み、個々の量子井戸構造が、バリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、これらのバリア層及び井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含み、量子井戸構造の少なくとも１つが、井戸層上に形成されたキャッピング層をさらに含み、このキャッピング層が、第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含む。
個々の量子井戸構造は、量子ドットナノ構造の形成を促進するための、バリア層と井戸層との間に形成された湿潤層をさらに含むことができる。
量子井戸構造の少なくとも１つは、キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層をさらに含むことができ、上記第２のキャッピング層は、第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含む。
ＭＱＷ構造は、複数の量子井戸構造の最も外側の構造上に形成されたｐ型コンタクト構造をさらに含むことができ、このｐ型コンタクト構造は、電子ブロッキング層と、この電子ブロッキング層上に形成されたｐ型金属窒化物層とを含むことができる。
ｐ型金属窒化物層はインジウム（Ｉｎ）材料を含むことができる。
ｐ型金属窒化物層は、約７５０℃〜８００℃の間の温度を使用して形成することができる。
ＭＱＷ構造は、複数の量子井戸構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層をさらに含むことができる。
ＭＱＷ構造は赤色／黄色光を発光することができる。
ＭＱＷ構造は赤色光を発光することができる。
キャッピング層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を含むことができる。
キャッピング層の厚みは最大約３ｎｍに保持することができる。
量子ドットナノ構造は、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）量子ドットを含むことができる。
本発明の第２の態様によれば、発光ダイオード構造が提供され、この発光ダイオード構造は赤色／黄色発光多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含み、赤色／黄色発光ＭＱＷの個々の量子井戸構造が、バリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、これらのバリア層及び井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含み、赤色／黄色発光ＭＱＷの量子井戸構造の少なくとも１つが、井戸層上に形成されたキャッピング層をさらに含み、このキャッピング層が、第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含み、発光ダイオード構造はさらに、発光ダイオード構造から白色光を発光するために赤色／黄色発光ＭＱＷと一体に形成された青色発光ＭＱＷ構造を含む。
青色発光ＭＱＷ構造は、赤色／黄色発光ＭＱＷ構造の複数の量子井戸構造の最も外側の構造上に形成することができる。
赤色／黄色発光ＭＱＷ構造の複数の量子井戸構造の最も内側の構造は、青色発光ＭＱＷ構造上に形成することができる。
発光ダイオード構造は、赤色／黄色発光及び青色発光ＭＱＷ構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層と、赤色／黄色発光ＭＱＷ構造及び青色発光ＭＱＷ構造上に形成されたそれぞれのｐ型コンタクト構造とをさらに含むことができ、このｐ型コンタクト構造は各々、電子ブロッキング層と、この電子ブロッキング層上に形成されたｐ型金属窒化物層とを含むことができる。
発光ダイオード構造は、青色発光ＭＱＷ構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層と、青色発光ＭＱＷ構造の活性化するための、青色発光ＭＱＷ構造上に形成されたｐ型コンタクト層とをさらに含むことができ、赤色／黄色発光ＭＱＷ構造は、青色発光ＭＱＷ構造からの青色発光の吸収に基づいて赤色／黄色光を発光することができる。
キャッピング層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を含むことができる。
キャッピング層の厚みは最大約３ｎｍに保持することができる。
量子ドットナノ構造はインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）量子ドットを含むことができる。
本発明の第３の態様によれば、発光ダイオード構造が提供され、この発光ダイオード構造は赤色／黄色発光多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含み、赤色／黄色発光ＭＱＷの個々の量子井戸構造が、バリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、これらのバリア層及び井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含み、赤色／黄色発光ＭＱＷの量子井戸構造の少なくとも１つが、井戸層上に形成されたキャッピング層をさらに含み、このキャッピング層が、第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含み、発光ダイオード構造はさらに、青色発光ＭＱＷ構造と緑色発光ＭＱＷ構造とを含み、これらの青色発光ＭＱＷ構造及び緑色発光ＭＱＷ構造が、発光ダイオード構造から白色光を発光するために赤色／黄色発光ＭＱＷと一体に形成される。
赤色／黄色発光ＭＱＷ構造は、青色発光ＭＱＷ構造及び緑色発光ＭＱＷ構造上に形成することができる。
発光ダイオード構造は、赤色／黄色発光、青色発光及び緑色発光ＭＱＷ構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層と、青色発光ＭＱＷ構造及び緑色発光ＭＱＷ構造をそれぞれ活性化するための、青色発光ＭＱＷ構造及び緑色発光ＭＱＷ構造上に形成されたそれぞれのｐ型コンタクト構造とをさらに含むことができ、このｐ型コンタクト構造は各々、電子ブロッキング層と、この電子ブロッキング層上に形成されたｐ型金属窒化物層とを含むことができ、さらに赤色／黄色発光構造は、青色発光ＭＱＷ構造からの青色発光、緑色発光ＭＱＷ構造からの緑色発光、又はこれらの両方の吸収に基づいて赤色／黄色光を発光することができる。
キャッピング層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を含むことができる。
キャッピング層の厚みは最大約３ｎｍに保持することができる。
量子ドットナノ構造はインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）量子ドットを含むことができる。
本発明の第４の態様によれば、発光ダイオードのための多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を作製する方法が提供され、この方法は、各々がバリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、これらのバリア及び井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含む複数の量子井戸構造を形成するステップと、第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含むキャッピング層を井戸層上にさらに含むように量子井戸構造の少なくとも１つを形成するステップとを含む。
本発明の第５の態様によれば、発光ダイオード構造を作製する方法が提供され、この方法は、各々がバリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、これらのバリア及び井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含む複数の量子井戸構造を形成するステップと、第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含むキャッピング層を井戸層上にさらに含むように赤色／黄色ＭＱＷの量子井戸構造の少なくとも１つを形成するステップと、発光ダイオード構造から白色光を発光するために赤色／黄色発光ＭＱＷと一体に青色発光ＭＱＷ構造を形成するステップとを含む。
本発明の第６の態様によれば、発光ダイオード構造を作製する方法が提供され、この方法は、各々がバリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、これらのバリア及び井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含む複数の量子井戸構造を形成するステップと、第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含むキャッピング層を井戸層上にさらに含むように赤色／黄色ＭＱＷの量子井戸構造の少なくとも１つを形成するステップと、青色発光ＭＱＷ構造を赤色／黄色発光ＭＱＷと一体に形成するステップと、発光ダイオード構造から白色光を発光するために赤色／黄色発光ＭＱＷ及び青色発光ＭＱＷ構造と一体に緑色発光ＭＱＷ構造を形成するステップとを含む。
当業者には、例示のみの目的で図面とともに示す以下の説明から、本発明の実施形態がより良く理解されるとともに容易に明らかになるであろう。
単色ＬＥＤ構造を示す概略図である。 単色ＬＥＤ構造上の電気コンタクトの形成を示す概略図である。 黄色ＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長のグラフである。 橙色ＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長のグラフである。 赤色ＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長のグラフである。 調節可能な白色ＬＥＤ構造を示す概略図である。 調節可能な白色ＬＥＤ構造上の電気コンタクトの形成を示す概略図である。 「冷」白色ＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長グラフである。 別の調節可能な白色ＬＥＤ構造上の電気コンタクトの形成を示す概略図である。 さらに別の調節可能な白色ＬＥＤ構造を示す概略図である。 調節可能なＬＥＤ構造上の電気コンタクトの形成を示す概略図である。 黄色ＬＥＤ構造及び白色ＬＥＤ構造から得たＩ−Ｖ計測値を示す電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のグラフである。 白色ＬＥＤ構造の表面モルフォロジーを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図７に概略的に示す構造を有するサンプル白色ＬＥＤ構造の表面モルフォロジーを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図７に概略的に示す構造を有する白色ＬＥＤ構造の拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図７に概略的に示す構造を有する白色ＬＥＤ構造のエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長のグラフである。 図７に概略的に示す構造を有する白色ＬＥＤ構造から得たＩ−Ｖ計測値を示す電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のグラフである。 発光ダイオードのためのＭＱＷ構造を作製する方法を示すフロー図である。 発光ダイオードを作製する方法を示すフロー図である。 発光ダイオードを作製する別の方法を示すフロー図である。
説明する実施形態例では、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を使用してＬＥＤの成長が行われる。実施形態例では、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、マグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）及びシラン（ＳｉＨ4）が前駆体として使用される。ＬＥＤ表面上で元素を効果的に取り込むための搬送ガスとして水素及び窒素が使用される。
実施形態例では、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が、ＩｎＧａＮ井戸層上におけるＩｎＧａＮ量子ドットの取入れとともに規定の温度で成長する。その後、形成された量子井戸が薄い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層でキャッピングされる。以下、この実施形態例について詳述する。
ＡｌＮ層は、ＩｎＧａＮ量子ドットの外部拡散を防ぐためのキャップ層として機能することができる。ＩｎXＧａ1-XＮ又はＩｎＮ量子ドットの格子定数が約３．５４４６オングストローム（Å）であるのに対し、ＡｌＮ層の格子定数は約３．１１１４（Å）である。これにより、ＧａＮ／ＩｎＮ系（約１０．６％）と比較した場合、ＡｌＮ／ＩｎＮ系（約１３％）ではより大きな格子不整合が生じる。このより大きな格子不整合が、その後の層成長及びアニーリング処理中に高温が印加された場合の量子ドットの外部拡散をさらに阻止することができる。ＡｌＮ層は、その後のＩｎＧａＮ井戸の成長に対してより大きな圧縮応力を発生させる可能性があるので、本発明者らは、ＧａＮバリアの成長後かつＩｎＧａＮ量子ドット及びＩｎＧａＮ井戸層の成長前の中間層としてＡｌＮ層を使用することは推奨しない。この結果、インジウムの取入れ及びその発光波長の青色シフトが弱まる可能性がある。
図１は、この実施形態例の単色ＬＥＤ構造１００を示す概略図である。処理チャンバ内にサファイア基板１０２が準備される。サファイア基板１０２上のＧａＮの核生成を促進するために、基板１０２上で低温バッファ層１０６を約５２０℃〜５５０℃の温度範囲で約２６ｎｍの厚みに成長させる。１０18ｃｍ-3のドーピング濃度のＧａＮのｎ+層１０８を、層１０６上で約９００℃〜１０５０℃の温度で成長させる。層１０８が成長した後、ＧａＮバリア層１１０を、約２×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3のＳｉドーピング濃度で約５〜１５ｎｍの厚みに成長させる。当業者であれば、バリア層１１０をＳｉドーピングなしで成長させることはできるが、通常バリア層１１０の品質はＳｉドーピングで向上するので、Ｓｉドーピングが好ましいと思われる点を理解するであろう。
バリア層１１０が成長した後、温度が約７００〜７５０℃に下げられ、ｘ〜０．１０−０．２０の組成及び約１ｎｍの厚みを有するＩｎXＧａ1-XＮの薄い湿潤層１１２をバリア層１１０上で成長させる。湿潤層１１２は、Ｉｎバースト処理中の窒化インジウムリッチな量子ドットの取入れを促進することができる。薄い湿潤層１１２を形成した後、インジウム前駆体ＴＭＩｎが、基板１０２を越えて約２０μモル／分未満の流速で約６〜３０秒間流れて、０．２＜ｗ＜１．０とした場合ＩｎWＧａ1-WＮの１１４などのナノ構造又は「量子ドット」を形成する。インジウム前駆体ＴＭＩｎからのＩｎ原子は、ＩｎＧａＮの湿潤層の窒素ダングリングボンドにおいて分離して、前駆体の流速により決定される１１４などのＩｎＧａＮ量子ドット成長のためのシード層として機能することができる。１１４などのインジウムリッチなＩｎＧａＮ量子ドットのサイズを制御するために、アンチサーファクタントとしての機能を果たすＴＭＩｎフローの量及びＴＭＩｎフローの持続時間がモニタされる。ＴＭＩｎの流速が約２０μモル／分未満に、好ましくは約２０ｓｃｃｍ（４．５μモル／分）〜約８０ｓｃｃｍ（１８．０μモル／分）に保持されて、１１４などのＩｎリッチなＩｎＧａＮ量子ドットを形成する。
１１４などの量子ドットが成長した後、１１４などのナノ構造上でＩｎＧａＮ量子井戸層１１６を成長させ、約３〜５ｎｍの厚みの組み込まれたＩｎＧａＮ量子ドット／井戸層１１６を形成する。０．２＜ｗ＜０．５のインジウム組成をもたらすために、ＩｎWＧａ1-WＮ井戸層１１６の成長温度は約７００℃〜７５０℃に保持される。インジウムの取入れ量は所望の発光色に依存する。単色発光を得るために、ＭＱＷの成長中、１１４などの量子ドット及び井戸層１１６の成長中などは温度変動が最小限に抑えられる。井戸層１１６が成長した後、井戸層１１６はＡｌＮ層１１８でキャッピングされる。ＡｌＮ層１１８の厚みは、井戸層１１６と比較して（好ましくは約３ｎｍよりも薄く）相対的に薄く保たれる。この実施形態例では、ＩｎＧａＮ井戸層１１６の成長後、ＡｌＮ層１１８を成長させる前に約３０秒を越える時間間隔が保持される。より良好な結晶品質のために、ＡｌＮ層１１８及びＧａＮバリア層１１０を成長させるための温度は、ＩｎＧａＮ井戸層１１６を成長させるための温度よりも約０〜３０℃高く設定することができる。ＡｌＮ層１１８が成長した後、ＧａＮ層１０８を成長させるための条件と実質的に同じ条件を使用してＧａＮキャップ層１２０を成長させる。
バリア層１１０からＧａＮキャップ層１２０までが、赤色／黄色発光量子井戸構造１２２を形成する。この実施形態例では、バリア層１１０からＧａＮキャップ層１２０までを形成するステップを繰り返して（量子井戸構造１２４などを参照）赤色／黄色発光多重量子井戸（ＭＱＷ）構造１２６を形成する。
当業者であれば、説明を明確にするために図１には２つの量子井戸構造１２２、１２４のみを示しているが、量子井戸構造の数は３〜５などの範囲に及んでもよいことを理解するであろう。当業者であれば理解するであろうが、１２２、１２４などのより多くの量子井戸構造を形成することで、ＬＥＤ構造１００の光度を向上させるとともに波長領域を広げることができる。
この実施形態例では、例えば、ＧａＮバリア層１３２などの次の層がより高温で成長したりする場合、ＩｎＧａＮとは異なる格子定数を有するＡｌＮ層１１８が封入を行って、１１４などのＩｎリッチなＩｎＧａＮ量子ドットの井戸層１１６内への、又は次の量子井戸構造１２４のＧａＮバリア層１３２内への拡散を防ぐことができる。
量子井戸構造１２４のＧａＮキャップ層１２８を成長させるために、ＴＭＧａの流速を、次のｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させるために使用する流速と同じになるように設定することにより、ＴＭＧａのフローに実質的に連続性があるようになる。ＧａＮキャップ層１２８が成長した後、ＧａＮ層１３０を、約７４０℃〜７８０℃の温度で約２×１０17〜１×１０18ｃｍ-3のＳｉドーパント濃度により約１５〜３０ｎｍの厚みに成長させる。ｐ−ＡｌyＧａ1-yＮ（式中０．１＜ｙ＜０．３）を含む電子ブロッキング層１３３を、約２０〜５０ｎｍの厚みに成長させる。ｐ−ＡｌyＧａ1-yＮを成長させるためのＴＭＡフローは、約７５０〜８００℃の成長温度で約４０〜１００μモル／分に保持される。成長中、Ｃｐ2Ｍｇ源は約０．１５〜０．５μモル／分に維持される。ｐ−ＡｌＧａＮ層１３３は、電子がｐ−ＡｌＧａＮ領域１３４内へ横切るのを妨げるように機能して、ＭＱＷ構造１２６における効果的な再結合を可能にすることができる。
当業者であれば理解するであろうが、通常ｐ−ＧａＮを９００℃未満の、約７６０〜８２５℃の範囲内の温度で成長させて、量子ドットの外部拡散を防ぐ。しかしながら、この結果ｐ型の導電性が低下し、結晶品質が劣化する。この実施形態例では、ｐ−ＧａＮがインジウムを取り込んでｐ−ＩｎＧａＮを生成し、導電性を向上させる。ｐ−ＡｌＧａＮ層１３３が成長した後、ｐ型ＩｎＧａＮ層１３４を約１５０〜５００ｎｍの厚みに成長させる。従来のｐ−ＧａＮ層の成長により高い温度を使用するのとは対照的に、Ｍｇがドーパントとして使用され、約７６０〜８００℃の温度範囲で成長が行われる。この成長条件は、ＩｎリッチなＩｎＧａＮナノ構造の分解の可能性を考慮に入れている。ＴＭＩｎの流速は約８０〜１５０ｓｃｃｍの範囲内に設定され、チャンバ圧力は約２００Ｔｏｒｒ又はそれ以下に保たれる。水素雰囲気内でＭＯＣＶＤにより成長したＭｇドープＧａＮでは、ＭｇアクセプタがＨアクセプタにより不動態化され電気的に不活性なＭｇ−Ｈ錯体が生じる。この実施形態例では、ｐ−ＩｎＧａＮ層１３４を９００℃よりも低温で形成することはさておき、ＡｌＮ層１１８が１１４などのＩｎＧａＮ量子ドットの外部拡散のさらなる防止を支援できることを当業者であれば理解するであろう。
１つの実施態様では、窒素雰囲気内で原位置アニーリングを約１０〜２０分間行って、ｍが約０．０５〜０．１０の範囲内にあるｐ型ＩｎmＧａ1-mＮ内のＭｇを活性化させる。アニーリング温度は、ｐ型ＩｎmＧａ1-mＮ層１３４の成長温度を上回る約２０℃〜５０℃で保たれる。
この実施形態例では、ＧａＮ層１３０からｐ−ＩｎＧａＮ層１３４までがｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造１３６を形成する。
図２は、実施形態例の単色ＬＥＤ構造１００上の電気コンタクトの形成を示す概略図である。ＧａＮ層１０８の上部にある層が、誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を使用してエッチングされる。ｐ−ＩｎＧａＮ層１３４上にｐ−コンタクト２０２が形成され、ＧａＮ層１０８上にｎ−コンタクト２０４が形成される。ｐ−コンタクト２０２及びｎ−コンタクト２０４を使用して、ＬＥＤ構造１００を活性化して単色光を発光させるための注入電流を提供するためにｐ−ｎ接合部が形成される。
上述の実施形態例では、量子井戸構造１２２、１２４のそれぞれのＩｎＧａＮ湿潤層１１２などは、１１４などのインジウムリッチな量子ドットの形成を促進することができ、量子井戸構造１２２、１２４のそれぞれのＡｌＮ層１１８などは、１１４などのＩｎＧａＮ量子ドットが拡散するのを防ぐためのキャップとして機能することができる。さらに、それぞれのＩｎＧａＮ湿潤層１１２などは、Ｉｎリッチな量子ドットを形成して単色光を提供するためのより良好なサイズ制御を行うことができる。上記の実施形態例は、黄色、橙色及び／又は赤色発光などのための、より長い波長帯で作動できる単色ＬＥＤを提供することができる。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、黄色、橙色及び赤色ＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルをそれぞれ示す強度対波長グラフであり、これらの各々は上述の実施形態例を使用して得られる。１１４などのＩｎリッチな量子ドット（図１）の成長中のＴＭＩｎフロー及びＩｎＧａＮ量子井戸層１１６（図１）の成長温度が変化して、発光の色を変化させる。グラフは、約２０ｍＡの注入電流を使用して得た計測値に基づく。図３（ａ）〜図３（ｃ）から、それぞれの黄色、橙色及び赤色ＬＥＤの強度は相対的に同じであることが観察される。それぞれの黄色、橙色及び赤色ＬＥＤの中心周波数が、互いに約２０ｎｍずつ偏位していることも観察される。
図４は、別の実施形態例の調節可能な白色ＬＥＤ構造４００を示す概略図である。処理チャンバ内にサファイア基板４０２が準備される。サファイア基板４０２上のＧａＮの核形成を促進するために、基板４０２上で低温バッファ層４０６を約５２０℃〜５５０℃の温度範囲で約２５ｎｍの厚みに成長させる。１０18ｃｍ-3のドーピング濃度のＧａＮの層４０８を、層４０６上で約９００℃〜１０５０℃の温度で成長させる。層４０８が成長した後、青色発光量子井戸構造４１０を形成させる。
青色発光量子井戸構造４１０を形成するために、ＧａＮバリア層４１２を、約２×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3のＳｉドーピング濃度により約７６０℃〜８５０℃の温度で約５．０−１５．０ｎｍの厚みに成長させる。ＧａＮバリア層４１２が成長した後、０．１＜ｗ＜０．１６のインジウム組成をもたらすために、バリア層４１２上で約２．０〜４．０ｎｍの厚みを有するＩｎWＧａ1-WＮ井戸層４１４を約７６０℃〜７９０℃の温度で成長させる。ＩｎＧａＮ井戸層４１４が成長した後、ＩｎＧａＮ井戸層４１４の上でＧａＮキャップ層４１６を成長させる。説明を明確にするために、図４には１つの量子井戸構造４１０のみを示している。当業者であれば、量子井戸構造４１０を成長させるためのステップを例えば３〜５回繰り返してＭＱＷ構造を形成できることを理解するであろう。
青色発光量子井戸構造４１０を形成した後、ＧａＮ層４１８を約７４０℃〜７８０℃の温度で約２×１０17〜１×１０18ｃｍ-3のＳｉドーピング濃度により約１５〜３０ｎｍの厚みに成長させる。ｐ−ＡｌyＧａ1-yＮ（式中０．１＜ｙ＜０．３）を含む電子ブロッキング層４２０を、約８００℃〜１０２０℃で約２０〜５０ｎｍの厚みに成長させる。ｐ−ＡｌyＧａ1-yＮを成長させるためのＴＭＡフローは、約７５０〜８００℃の成長温度で約４０〜１００μモル／分に保持される。成長中、Ｃｐ2Ｍｇ源は約０．１５〜０．５μモル／分に維持される。ｐ−ＡｌＧａＮ層４２０が成長した後、ｐ−ＧａＮ層４２２を、Ｍｇをドーパントとして使用して約９００℃〜１０００℃で成長させる。この実施形態例では、層４１８、４２０及び４２２がｐ−ＧａＮコンタクト構造４２４を形成する。ｐ−ＧａＮコンタクト構造４２４を形成した後、ＧａＮキャップ層４２６を、ｐ−ＧａＮコンタクト構造４２４上で約８００℃〜約１０２０℃の温度範囲で約１０〜５０ｎｍの厚みに成長させる。ＧａＮキャップ層４２６が成長して、ｐ−ＧａＮ層４２２の表面を「平滑化」する。
ＧａＮキャップ層４２６が成長した後、赤色／黄色発光量子井戸構造４２８を成長させる。赤色／黄色発光量子井戸構造４２８を成長させるための処理ステップは、図１に関して赤色／黄色発光量子井戸構造１２２を成長させるために説明した処理ステップと実質的に同じである。この実施形態例では、ＩｎリッチなＩｎＧａＮ量子ドット成長中のＴＭＩｎフロー及びＩｎＧａＮ井戸層の成長温度を約１０℃〜３０℃だけ変化させて、量子井戸構造４２８が黄色又は橙色光などの異なる波長の赤色ベースの色を発光できるようにすることができる。
この実施形態例では、説明を明確にするために、図４には１つの量子井戸構造のみを示している。当業者であれば、量子井戸構造４２８を成長させるための処理ステップを例えば３〜５回繰り返してＭＱＷ構造を形成できることを理解するであろう（図１のＭＱＷ構造１２６と比較）。
量子井戸構造４２８が成長した後、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造４３０を形成させる。ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造４３０を形成するための処理ステップは、図１に関してｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層１３６を形成するために説明した処理ステップと実質的に同じである。
図５は、上述の実施形態例の調節可能な白色ＬＥＤ構造４００上の電気コンタクトの形成を示す概略図である。ｎ−ＧａＮ層４０８の上部にある層が、誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を使用してエッチングされる。次に、ｐ−ＧａＮ層４２２の上部にある層がＩＣＰを使用してエッチングされる。ｎ−ＧａＮ層４０８上にｎ−コンタクト５０２が形成され、ｐ−ＧａＮ層４２２上にｐ−コンタクト５０４が形成され、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造４３０のｐ−ＩｎＧａＮ層上にｐ−コンタクト５０５が形成される。青色発光量子井戸構造４１０が、コンタクト５０２とコンタクト５０４との間のｐ−ｎ接合を使用して活性化されるのに対し、黄色／赤色発光量子井戸構造４２８は、コンタクト５０２とコンタクト５０６との間のｐ−ｎ接合を使用して活性化される。
上述の実施形態例では、青色発光量子井戸構造４１０から上層へと通過する青色光の一部を黄色／赤色発光量子井戸構造４２８が吸収し、黄色光として再発光することができる。すなわち、黄色／赤色発光量子井戸構造４２８からの黄色光成分は、（コンタクト５０２とコンタクト５０６との間のｐ−ｎ接合に起因する）直接的なキャリアの再結合及び青色成分の一部の吸収の双方から生じる。さらに、黄色／赤色発光量子井戸構造４２８及び青色発光量子井戸構造４１０に様々な注入電流を別個に供給することができるので、ＬＥＤ構造４００は調節可能な白色光を提供することができる。
別の実施形態例では、赤色／黄色発光量子井戸構造及び青色発光量子井戸構造の成長の順番を逆にすることができる。従って、この実施形態例では、最初にサファイア基板上で赤色／黄色発光量子井戸構造が成長し、これにｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造、青色発光量子井戸構造及びｐ−ＧａＮコンタクト構造が続く。ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造を使用してｐ−ｎ接合を形成して赤色／黄色発光量子井戸構造を活性化することができ、またｐ−ＧａＮコンタクト構造を使用して別のｐ−ｎ接合を形成して青色発光量子井戸構造を活性化することができる。
上述の実施形態例では、青色発光量子井戸構造の前に黄色／赤色発光量子井戸構造が成長するので、黄色／赤色発光量子井戸構造から発光される黄色光は、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造を使用して形成されたｐ−ｎ接合にのみ基づく（すなわち、青色光の吸収を伴わない）。さらに、黄色／赤色発光量子井戸構造及び青色発光量子井戸構造に様々な注入電流を別個に供給することができるので、ＬＥＤ構造は調節可能な白色光を提供することができる。
図６は、「冷度」調節可能な白色ＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長のグラフである。この調節可能な白色ＬＥＤは、最初に黄色発光量子井戸構造が成長し、これに青色発光量子井戸構造が続くことを除き、調節可能な白色ＬＥＤ構造４００（図４）と実質的に同じ処理条件を使用して形成される。
図７は、さらに別の実施形態例の調節可能な白色ＬＥＤ構造７００を示す概略図である。ＬＥＤ構造７００は、ＧａＮ層７０１と、ＧａＮ層７０１上で成長した青色／緑色発光量子井戸構造７０２と、量子井戸構造７０２上で成長したｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４と、ｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４上で成長したＧａＮキャップ層７０６と、ＧａＮキャップ層７０６上で成長した赤色／黄色発光量子井戸構造７０８とを含む。ＬＥＤ構造７００を形成するための処理ステップは、赤色／黄色発光量子井戸構造７０８上にｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造が形成されないことを除き、図４に関するＬＥＤ構造４００を形成するための処理ステップと実質的に同じである。
この実施形態例では、説明を明確にするために、図７には青色／緑色発光量子井戸構造７０２及び赤色／黄色発光量子井戸構造７０８ごとに１つの量子井戸構造を示している。当業者であれば、各々が青色／緑色光及び赤色／黄色光をそれぞれ発光するためのＭＱＷ構造を形成するためのそれぞれの量子井戸構造７０２及び７０８の形成中に、量子井戸構造７０２及び７０８を成長させるための処理ステップを、例えば３〜５回反復できることを理解するであろう（例えば、図１のＭＱＷ構造１２６と比較）。
この実施形態例では、ＧａＮ層７０１の上にある層が誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を使用してエッチングされる。次いでｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４の上にある層がＩＣＰを使用してエッチングされる。ＧａＮ層７０１上にｎ−コンタクト７１０が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４上にｐ−コンタクト７１２が形成される。青色／緑色発光量子井戸構造７０２が、コンタクト７１０とコンタクト７１２との間のｐ−ｎ接合を使用して活性化されるのに対し、赤色／黄色発光量子井戸構造７０８は、青色／緑色発光量子井戸構造７０２から発光される青色光の吸収に基づいて活性化される。従って、この実施形態例では、赤色／黄色発光量子井戸構造７０８を活性化するための独立したｐ−ｎ接合は存在しない。
上述の実施形態例では、青色／緑色発光量子井戸構造７０２に様々な注入電流を供給することができるので、ＬＥＤ構造７００は調節可能な白色光を提供することができる。当業者であれば、吸収可能な青色光の量に基づいて、赤色／黄色発光量子井戸構造７０８を間接的に「調節可能」にできることを理解するであろう。
上述の実施形態例では、エレクトロルミネセンスの青色／緑色光をエレクトロルミネセンスの黄色／赤色光と混合することにより白色光が生成される。この実施形態例によりもたらされる１つの利点は、赤色／黄色発光量子井戸構造７０８が成長する前にｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４が成長するので、通常ＩｎＮ又はＩｎリッチなナノ構造／量子ドットの外部拡散を生じるｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４の高温成長及びアニーリングがもはや懸案事項でなくなる点にある。この実施形態例は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ結晶ベースの構造を提供することができ、現在の技術と比較してより良好な演色を実現することができる。この実施形態例では、ＧａＮキャップ層７０６が、ｐ−ＧａＮコンタクト構造７０４からのＭｇの外部拡散を防ぐこともできる。
図８は、さらに別の実施形態例における調節可能な白色ＬＥＤ構造８００を示す概略図である。処理チャンバ内にサファイア基板８０２が準備される。サファイア基板４０２上のＧａＮの核形成を促進するために、基板８０２上で低温バッファ層８０６を約５２０℃〜５５０℃の温度範囲で約２５ｎｍの厚みに成長させる。１０18ｃｍ-3のドーピング濃度を有するＧａＮの層８０８を、層８０６の上で約９００℃〜１０５０℃の温度で成長させる。層８０８が成長した後、青色発光量子井戸構造８１０が形成される。
緑色発光量子井戸構造８１０を形成するために、ＧａＮバリア層８１２を、約２×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3のＳｉドーピング濃度により約７５０℃〜８５０℃の温度で約５．０−１５．０ｎｍの厚みに成長させる。ＧａＮバリア層８１２が成長した後、０．１９＜ｗ＜０．２６のインジウム組成をもたらすために、約２．０〜４．０ｎｍの厚みを有するＩｎWＧａ1-WＮ井戸層８１４を、バリア層８１２上で約７３０℃〜７７０℃の温度で成長させる。ＩｎＧａＮ井戸層８１４が成長した後、ＩｎＧａＮ井戸層８１４上でＧａＮキャップ層８１６を成長させる。
この実施形態例では、説明を明確にするために、図８には１つの緑色発光量子井戸構造のみを示している。当業者であれば、量子井戸構造８１０を成長させるための処理ステップを、例えば３〜５回繰り返してＭＱＷ構造を形成できることを理解するであろう。
緑色発光量子井戸構造８１０を形成した後、緑色発光量子井戸構造８１０上でｐ−ＧａＮコンタクト構造８１８を成長させる。ｐ−ＧａＮコンタクト構造８１８を成長させるための処理ステップは、図４に関するｐ−ＧａＮコンタクト構造４２４を成長させるための処理ステップと実質的に同じである。ｐ−ＧａＮコンタクト構造８１８を形成した後、ｐ−ＧａＮコンタクト構造８１８上でＧａＮキャップ層８２０を成長させる。ＧａＮキャップ層８２０が成長した後、ＧａＮキャップ層８２０上に青色発光量子井戸構造８２２を形成させる。
青色発光量子井戸構造８２２を形成するための処理ステップは、図４に関する青色発光量子井戸構造４１０を形成するための処理ステップと実質的に同じである。この実施形態例では、説明を明確にするために、図８には１つの青色発光量子井戸構造のみを示している。当業者であれば、青色量子井戸構造８２２を成長させるための処理ステップを例えば３〜５回繰り返してＭＱＷ構造を形成できることを理解するであろう。
或いは、最初に青色発光量子井戸構造８２２を成長させ、これに緑色発光量子井戸構造８１０を続けることもできる。
この実施形態では、青色発光量子井戸構造８２２を形成した後、青色発光量子井戸構造８２２上で別のｐ−ＧａＮコンタクト構造８２４を成長させる。ｐ−ＧａＮコンタクト構造８２４を成長させるための処理ステップは、図４に関するｐ−ＧａＮコンタクト構造４２４を成長させるための処理ステップと実質的に同じである。ｐ−ＧａＮコンタクト構造８２４を形成した後、ｐ−ＧａＮコンタクト構造８２４上でＧａＮキャップ層８２６を成長させる。ＧａＮキャップ層８２６が成長した後、ＧａＮキャップ層８２６上に赤色発光量子井戸構造８２８が形成される。
赤色発光量子井戸構造８２８を形成するための処理ステップは、図１に関する赤色発光量子井戸構造１２２を形成するための処理ステップと実質的に同じである。この実施形態では、説明を明確にするために、図８には１つの赤色発光量子井戸構造のみを示している。当業者であれば、赤色量子井戸構造８２８を成長させるための処理ステップを例えば３〜５回反復してＭＱＷ構造を形成できることを理解するであろう（図１のＭＱＷ構造１２６を比較）。
図９は、上述の実施形態例のＬＥＤ構造８００の電気コンタクトの形成を示す概略図である。ＧａＮ層８０８の上にある層が誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を使用してエッチングされる。層８０８のエッチングに続き、ｐ−ＧａＮコンタクト構造８１８及びｐ−ＧａＮコンタクト構造８２４の上にある層がＩＣＰを使用して順番にエッチングされる。ＧａＮ層８０８上にｎ−コンタクト９０２が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト構造８１８上にｐ−コンタクト９０４が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト構造８２４上にｐ−コンタクト９０６が形成される。緑色発光量子井戸構造８１０が、コンタクト９０２とコンタクト９０４との間のｐ−ｎ接合を使用して活性化されるのに対し、青色発光量子井戸構造８２２は、コンタクト９０２とコンタクト９０６との間のｐ−ｎ接合を使用して活性化される。赤色発光量子井戸構造８２８は、緑色及び青色発光量子井戸構造８１０、８２２からそれぞれ発光される青色／緑色光の吸収に基づいて活性化される。従って、この実施形態例では、赤色発光量子井戸構造８２８を活性化するための独立したｐ−ｎ接合は存在しない。
上述の実施形態例では、緑色及び青色発光量子井戸構造８１０、８２２に様々な注入電流を供給することができるので、ＬＥＤ構造８００は調節可能な白色光を提供することができる。当業者であれば、吸収可能な青色／緑色光の量に基づいて、赤色発光量子井戸構造８２８を間接的に「調節可能」にできることを理解するであろう。
上述の実施形態例は、より長い波長領域における発光を実現するためにインジウムリッチなＩｎＧａＮ量子ドットを利用してインジウムの取入れを促進する単色の黄色、橙色及び／又は赤色ＬＥＤを提供することができる。
図１０は、黄色ＬＥＤ構造（図３（ａ）を参照）及び白色ＬＥＤ構造（図４を参照）から得たＩ−Ｖ計測値を示す電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のグラフである。プロット１００２は黄色ＬＥＤ構造から得た計測値に基づき、プロット１００４は白色ＬＥＤ構造から得た計測値に基づく。それぞれのＬＥＤ構造が安定した従来のダイオード特性を示すことがプロット１００２、１００４から観察できる。
図１１は、図４に関する白色ＬＥＤ構造４００の表面モルフォロジーを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像１１０２である。画像１１０２に示すように、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト構造４３０（図４）のｐ−ＩｎＧａＮ層は多孔質様の表面を有し、これが散乱効果を与えることにより、４１０、４２８などの量子井戸構造（図４）からの光抽出を促進する。
図１２は、図７に関する白色ＬＥＤ構造７００の表面モルフォロジーを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像１２０２である。画像１２０２は、Ｎｉ／Ａｕコンタクトパッド１２０４としてｐ−コンタクトを、Ｔｉ／Ａｌコンタクトパッド１２０８としてｎ−コンタクトを示している。
図１３は、図１２の画像１２０２を拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像１３０２である。画像１３０２に示すように、ｐ−コンタクトは１３０４のようなＮｉ／Ａｕ金属ストライプの形であり、１３０４のようなストライプの間に赤色／黄色発光量子井戸構造の表面１３０６が見える。
図１４は、図１２及び図１３のサンプル白色ＬＥＤ構造のエレクトロルミネセンススペクトルを示す強度対波長のグラフ１４０２である。グラフ１４０２は、約４５６ｎｍで発光ピーク１４０４を示す。発光１４０８の発光ピーク１４０４は、青色／緑色発光量子井戸構造により生み出される。グラフ１４０２はまた、幅広かつ低強度の発光１４０６も示す。発光１４０６は、赤色／黄色発光量子井戸構造により生み出される。当業者であれば、赤色／黄色発光量子井戸構造は、青色／緑色発光量子井戸構造から発光される青色光の吸収に基づいて活性化されるので、青色発光１４０８よりも赤色／黄色発光１４０６の方が強度が低いことを理解するであろう。
図１５は、図１２及び図１３のサンプル白色ＬＥＤ構造から得たＩ−Ｖ計測値を示す電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のグラフ１５０２である。白色ＬＥＤ構造が、約３Ｖのターンオン電圧と約５Ｖで約６０ｍＡの電流とを有する良好なＩ−Ｖ特性を示すことがグラフ１５０２から観察できる。
図１６は、発光ダイオードのためのＭＱＷ構造を作製する方法を示すフロー図である。ステップ１６０２において、複数の量子井戸構造が形成される。個々の量子井戸構造は、バリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、バリア層及び井戸層は第１の金属窒化物ベースの材料を含む。ステップ１６０４において、量子井戸構造の少なくとも１つが井戸層上にキャッピング層をさらに含むように形成され、キャッピング層は第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含む。
図１７は、発光ダイオード構造を作製する方法を示すフロー図である。ステップ１７０２において、赤色／黄色発光多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が形成される。赤色／黄色発光ＭＱＷの個々の量子井戸構造は、バリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、バリア層及び井戸層は第１の金属窒化物ベースの材料を含む。ステップ１７０４において、赤色／黄色発光ＭＱＷの量子井戸構造の少なくとも１つが井戸層上にキャッピング層をさらに含むように形成され、キャッピング層は第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含む。ステップ１７０６において、発光ダイオード構造から白色光を発光するために赤色／黄色発光ＭＱＷと一体に青色発光ＭＱＷ構造が形成される。
図１８は、発光ダイオードを作製する別の方法を示すフロー図である。ステップ１８０２において、赤色／黄色発光多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が形成される。赤色／黄色発光ＭＱＷの個々の量子井戸構造は、バリア層と、バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、バリア層及び井戸層は第１の金属窒化物ベースの材料を含む。ステップ１８０４において、赤色／黄色発光ＭＱＷの量子井戸構造の少なくとも１つが井戸層上にキャッピング層をさらに含むように形成され、キャッピング層は第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含む。ステップ１８０６において、青色発光ＭＱＷ構造が赤色／黄色発光ＭＱＷと一体に形成される。ステップ１８０８において、発光ダイオード構造から白色光を発光するために赤色／黄色発光ＭＱＷ及び青色発光ＭＱＷ構造と一体に緑色発光ＭＱＷ構造が形成される。
上述の実施形態では、井戸層に組み込まれたＩｎリッチなＩｎＧａＮ量子ドット又はナノ構造を使用して、赤色、琥珀色及び／又は黄色光を生成する。高温の原位置アニーリング中などにおけるＧａＮバリアへの外部拡散を防止するために、個々の活性量子井戸層は薄いＡｌＮ層により封入される。白色光を生成するために、異なる色のＭＱＷの組み合わせを単一のＬＥＤ構造内に組み入れることができる。従って、説明した実施形態例のデバイスを作動させるために複雑な回路を使用する必要性をなくすことができる。さらに、蛍光体を使用しないので作製技術を単純化することができ、この実施形態例により、通常のＲＧＢ ＬＥＤの場合のような蛍光体の劣化、及び異なる材料ベースのＬＥＤの異なる劣化作用の問題を解決することができる。説明した実施形態例はまた、ＬＥＤチップ上の蛍光体の外部コーティングの使用を排除することもできる。また、説明した実施形態例におけるＩｎリッチなＩｎＧａＮ量子ドットの取入れが、再結合効率をさらに高めるとともに、高温作動時などにおけるより良好な安定性を提供することができる。
さらに、個々の量子井戸構造から青色、緑色及び赤色という個々の原色の発光を行うことができる説明した実施形態例では、ドットサイズ及びＩｎ組成を制御することにより、例えば「冷」白色、「リンゴ」白色又は「暖」白色などの異なる品質の白色を得ることができる。
背景技術の項で説明したように、ＧａＮ ＬＥＤの生産は、主にＩｎＧａＮ層内の高インジウム取り入れを得ることが困難であることに起因して実際的に困難である。通常これは、インジウムの固体非混和性及び高温での分解に起因して生じる。上述の実施形態例では、ＴＭＩバーストステップ中のインジウムの取入れを促進するために薄いＩｎＧａＮ湿潤層を使用する。これにより、発光波長を赤色波長領域内に押しこむことが判明しているインジウムリッチなＩｎＧａＮ量子ドットの形成を促進することができる。例えば、より長い波長領域などにおいて単色の発光色を得るために、Ｉｎリッチな量子ドット及びＩｎＧａＮ井戸の成長中の温度は安定した状態に保たれる。この温度の変動は、電圧バイアスが印加された際に波長のわずかな変化につながる可能性がある。さらに、温度に関しては、ｐ−ＧａＮ層を約９００℃の温度で成長させた場合、形成されたインジウムリッチなＩｎＧａＮ量子ドットが、通常、井戸層内などに拡散するとともにバリア層内にも拡散する。説明した実施形態例では、ｐ−ＩｎＧａＮ層の成長中、温度が約７５０℃〜約８００℃に下げられる。約８００℃〜８５０℃での原位置アニーリングが、量子ドット内のインジウムの拡散により発光波長をシフトさせる可能性があることを理解できよう。従って、説明した実施形態例では、ＡｌＮ層を使用することにより、ｐ−ＩｎＧａＮ層の成長中、高温におけるその他の層の成長中、及び／又は約８００℃〜８５０℃での原位置アニーリング中におけるインジウムの量子ドットからの外部拡散を防ぐことができる。また、説明した実施形態例は、ＧａＮ ＬＥＤから原色の発光を得ることができ、これが固体照明のためのより良好な白色光の演色を可能にすることができる。
上述した実施形態例を使用して、看板及びディスプレイの照明、キーパッド導光、デジタルカメラのフラッシュ光、ＰＣモニタのバックライト、演色、固体照明を含む照明及び表示目的、及び自動車のテールライト及び交通信号灯などの数多くの用途にＩｎＧａＮ量子ドットＬＥＤを使用することができる。
当業者であれば、従来の有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）は、黄色、橙色及び赤色によるフレキシブルディスプレイを提供することができるが、通常ＯＬＥＤは、光束及びルミネセンス効率に関してはこの実施形態例のような無機ＬＥＤに劣ることを理解するであろう。
当業者であれば、広範にわたって説明した本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、特定の実施形態の形で示した本発明に対して数多くの変更及び／又は修正を行うことができることを理解するであろう。従ってあらゆる点において、本実施形態は限定的なものではなく例示的なものであると見なすべきである。

Claims (28)

  1. 発光ダイオードのための多重量子井戸（ＭＱＷ）構造であって、
    前記ＭＱＷ構造が複数の量子井戸構造を含み、個々の量子井戸構造が、
    バリア層と、
    前記バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層と、
    を含み、前記バリア層及び前記井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含み、
    前記量子井戸構造の少なくとも１つが、前記第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含む、前記井戸層上に形成されたキャッピング層と、
    前記第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含む、前記キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層とを、 さらに含むことを特徴とするＭＱＷ構造。
  2. 個々の量子井戸構造が、前記量子ドットナノ構造の形成を促進するための、前記バリア層と前記井戸層との間に形成された湿潤層をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＭＱＷ構造。
  3. 前記ＭＱＷ構造が、前記複数の量子井戸構造の最も外側の構造上に形成されたｐ型コンタクト構造をさらに含み、該ｐ型コンタクト構造が、電子ブロッキング層と、該電子ブロッキング層上に形成されたｐ型金属窒化物層とを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  4. 前記ｐ型金属窒化物層がインジウム（Ｉｎ）材料を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載のＭＱＷ構造。
  5. 前記ｐ型金属窒化物層が、約７５０℃〜８００℃の間の温度を使用して形成される、
    ことを特徴とする請求項４に記載のＭＱＷ構造。
  6. 前記ＭＱＷ構造が、前記複数の量子井戸構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  7. 前記ＭＱＷ構造が赤色から黄色までの波長範囲の光を発光することができる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  8. 前記ＭＱＷ構造が赤色光を発光することができる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  9. 前記キャッピング層が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  10. 前記キャッピング層の厚みが約３ｎｍ又はこれよりも薄く保持される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  11. 前記量子ドットナノ構造が窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含む、ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  12. 発光ダイオード構造であって、
    赤色から黄色までの波長範囲の光を発光する赤色／黄色発光の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含み、該赤色／黄色発光のＭＱＷの個々の量子井戸構造が、
    バリア層と、
    前記バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層と、
    を含み、前記バリア層及び前記井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含み、
    前記赤色／黄色発光のＭＱＷの前記量子井戸構造の少なくとも１つが、前記井戸層上に形成されたキャッピング層をさらに含み、該キャッピング層が、前記第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含み、そして、前記キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層をさらに含み、該第２のキャッピング層が、前記第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含み、
    前記発光ダイオード構造がさらに、
    前記発光ダイオード構造から白色光を発光するために前記赤色／黄色発光のＭＱＷと一体に形成された青色発光のＭＱＷ構造を含む、
    ことを特徴とする発光ダイオード構造。
  13. 前記青色発光のＭＱＷが、前記赤色／黄色発光のＭＱＷ構造の前記複数の量子井戸構造の最も外側の構造上に形成される、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード構造。
  14. 前記赤色／黄色発光のＭＱＷ構造の前記複数の量子井戸構造が前記青色発光のＭＱＷ構造上に形成される、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード構造。
  15. 前記赤色／黄色発光及び青色発光のＭＱＷ構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層と、前記赤色／黄色発光及び前記青色発光のＭＱＷ構造上に形成されたそれぞれのｐ型コンタクト構造とをさらに含み、該ｐ型コンタクト構造が各々、電子ブロッキング層と、該電子ブロッキング層上に形成されたｐ型金属窒化物層とを含む、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の発光ダイオード構造。
  16. 前記青色発光のＭＱＷ構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層と、前記青色発光のＭＱＷ構造を活性化するための、前記青色発光のＭＱＷ構造上に形成されたｐ型コンタクト構造とをさらに含み、前記赤色／黄色発光のＭＱＷ構造が、前記青色発光のＭＱＷ構造からの青色発光の吸収に基づいて赤色から黄色までの波長範囲の光を発光することができる、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオード構造。
  17. 前記キャッピング層が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を含む、
    請求項１２から請求項１６のいずれか１項に記載の発光ダイオード構造。
  18. 前記キャッピング層の厚みが約３ｎｍ又はこれよりも薄く保持される、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項１７のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  19. 前記量子ドットナノ構造が窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含む、ことを特徴とする請求項１２から請求項１８のいずれか１項に記載のＭＱＷ構造。
  20. 発光ダイオード構造であって、
    赤色から黄色までの波長範囲の光を発光する赤色／黄色発光の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含み、該赤色／黄色発光のＭＱＷの個々の量子井戸構造が、
    バリア層と、
    前記バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層と、
    を含み、前記バリア層及び前記井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含み、
    前記赤色／黄色発光のＭＱＷの前記量子井戸構造の少なくとも１つが、前記井戸層上に形成されたキャッピング層をさらに含み、該キャッピング層が、前記第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含み、そして、前記キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層をさらに含み、該第２のキャッピング層が、前記第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含み、
    前記発光ダイオード構造がさらに、
    青色発光のＭＱＷ構造と、
    緑色発光のＭＱＷ構造と、
    を含み、前記発光ダイオード構造から白色光を発光するために前記青色発光のＭＱＷ構造及び前記緑色発光のＭＱＷ構造が前記赤色／黄色発光のＭＱＷと一体に形成される、
    ことを特徴とする発光ダイオード構造。
  21. 前記赤色／黄色発光のＭＱＷ構造が、前記青色発光のＭＱＷ構造及び前記緑色発光のＭＱＷ構造上に形成される、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の発光ダイオード構造。
  22. 前記赤色／黄色発光、青色発光及び緑色発光のＭＱＷ構造の下にあるｎ+層に電気接触するためのｎ型コンタクト層と、
    前記青色発光のＭＱＷ構造及び前記緑色発光のＭＱＷ構造をそれぞれ活性化するための、前記青色発光のＭＱＷ構造及び前記緑色発光のＭＱＷ構造上に形成されたそれぞれのｐ型コンタクト構造と、
    をさらに含み、
    前記ｐ型コンタクト構造が各々、電子ブロッキング層と、前記電子ブロッキング層上に形成されたｐ型金属窒化物層とを含み、さらに前記赤色／黄色発光のＭＱＷ構造が、前記青色発光のＭＱＷ構造からの青色発光、前記緑色発光のＭＱＷ構造からの緑色発光、又はこれらの両方の吸収に基づいて赤色から黄色までの波長範囲の光を発光することができる、
    ことを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載の発光ダイオード構造。
  23. 前記キャッピング層が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を含む、
    ことを特徴とする請求項２０から請求項２２のいずれか１項に記載の発光ダイオード構造。
  24. 前記キャッピング層の厚みが約３ｎｍ又はこれよりも薄く保持される、
    ことを特徴とする請求項２０から請求項２３のいずれか１項に記載の発光ダイオード構造。
  25. 前記量子ドットナノ構造が窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含む、ことを特徴とする請求項２０から請求項２４のいずれか１項に記載の発光ダイオード構造。
  26. 発光ダイオードのための多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を作製する方法であって、
    複数の量子井戸構造であって、各々がバリア層と、前記バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、前記バリア層及び前記井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含む複数の量子井戸構造を形成するステップと、
    前記第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含む、前記井戸層上のキャッピング層と、前記第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含む、前記キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層とを、含むように前記量子井戸構造の少なくとも１つを形成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  27. 発光ダイオード構造を作製する方法であって、
    多重量子井戸構造であって（ＭＱＷ）、各々の量子井戸構造がバリア層と、前記バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、前記バリア層及び前記井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含む、赤色から黄色までの波長範囲の光を発光する赤色／黄色発光の多重量子井戸構造を形成するステップと、
    前記第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含むキャッピング層を前記井戸層上にさらに含み、そして、前記第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含む、前記キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層をさらに含むように、前記赤色／黄色発光のＭＱＷの前記量子井戸構造の少なくとも１つを形成するステップと、
    前記発光ダイオード構造から白色光を発光するために前記赤色／黄色発光のＭＱＷと一体に青色発光のＭＱＷ構造を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  28. 発光ダイオード構造を作製する方法であって、
    多重量子井戸構造であって（ＭＱＷ）、各々の量子井戸構造がバリア層と、前記バリア層上に形成され量子ドットナノ構造を組み込んだ井戸層とを含み、前記バリア層及び前記井戸層が第１の金属窒化物ベースの材料を含む、赤色から黄色までの波長範囲の光を発光する赤色／黄色発光の多重量子井戸構造を形成するステップと、
    前記第１の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属元素を有する第２の金属窒化物ベースの材料を含むキャッピング層を前記井戸層上にさらに含み、そして、前記第２の金属窒化物ベースの材料と比較して異なる金属成分を有する第３の金属窒化物ベースの材料を含む、前記キャッピング層上に形成された第２のキャッピング層をさらに含むように、前記赤色／黄色発光のＭＱＷの前記量子井戸構造の少なくとも１つを形成するステップと、
    前記赤色／黄色発光のＭＱＷと一体に青色発光のＭＱＷ構造を形成するステップと、
    前記発光ダイオード構造から白色光を発光するために前記赤色／黄色発光のＭＱＷ及び前記青色発光のＭＱＷ構造と一体に緑色発光のＭＱＷ構造を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
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