(57)【要約】【課題】   格子不整合、電子ブロック層に比較的高い極化現象がある、多層界面において光線が容易に失われる等の問題を解決する、発光ダイオードの提供。【解決手段】 本発明の発光ダイオードは、電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）と活性層（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）の間にＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ材料から成り、かつ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である極化減少中間層（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）を形成した。【選択図】  図２
2010045338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードであって、
基板と、
前記基板上に配置された第１伝導層と、
前記第１伝導層上に配置された活性層（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）と、
前記活性層上に配置された極化減少中間層（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）と、
前記極化減少中間層上に配置された電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）と、
前記極化減少中間層上に配置された第２伝導層を含み、
そのうち、前記極化減少中間層が前記電子障壁層と前記活性層の格子不整合（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ）により発生する圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって引き起こされるエネルギーバンドの傾斜を減少し、キャリアオーバーフローの確率を低下させることを特徴とする、発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載の発光ダイオードであって、そのうち前記電子障壁層のバンドギャップ（ｂａｎｄ  ｇａｐ）が前記極化減少中間層のバンドギャップより大きく、かつ前記電子障壁層のバンドギャップが前記活性層のバンドギャップより大きく、前記極化減少中間層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、かつ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１であり、前記電子障壁層が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）であり、前記活性層が単一量子井戸（ｓｉｎｇｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造または多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造とすることができ、かつ前記第１伝導層がｎ型クラッド層、前記第２伝導層がｐ型クラッド層であることを特徴とする、発光ダイオード。
【請求項３】
発光ダイオードの極化減少中間層（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）であって、発光ダイオードの電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）と活性層（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）の間に配置され、そのうち、前記極化減少中間層と前記電子障壁層の格子定数（ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）が同じであることを特徴とする、発光ダイオードの極化減少中間層。
【請求項４】
発光ダイオードの極化減少中間層（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）であって、発光ダイオードの電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）と活性層（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）の間に配置され、そのうち、前記電子障壁層の格子定数（ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）が前記極化減少中間層のバンドギャップより大きいことを特徴とする、発光ダイオードの極化減少中間層。
【請求項５】
請求項４に記載の発光ダイオードの極化減少中間層であって、そのうち、前記電子障壁層のバンドギャップが前記活性層のバンドギャップより大きく、前記極化減少中間層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、かつ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１であり、かつ前記電子障壁層が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）であり、前記活性層が単一量子井戸（ｓｉｎｇｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造または多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造とすることができることを特徴とする、発光ダイオードの極化減少中間層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１ａに示すように、米国特許第２００３１１５６４２号の開示する従来の電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）を備えた窒化物発光ダイオードの構造は、ｎ型クラッド層１１、活性層１２（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）、ｐ型クラッド層１３、電子障壁層２８を含み、そのうち、前記電子障壁層２８が前記活性層１２とｐ型クラッド層１３の間に配置され、かつ前記活性層１２が前記ｎ型クラッド層１１上に配置される。上述の活性層１２は複数の量子井戸層１ａ、１ｂと複数の量子バリア層２ａ、２ｂ、２ｃを相互に積層した構造であり、かつ前記電子障壁層２８は前記ｎ型クラッド層１１からの電子を前記活性層１２内にブロックすることができる。前記活性層１２と前記ｐ型クラッド層１３の間に前記電子障壁層２８を形成する必要があるのは、主に窒化物半導体中の電子の移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）がホールよりずっと大きいため、電子が容易に前記活性層１２からオーバーフローしてしまうためである。
【０００３】
図１ｂに上述の発光ダイオードのエネルギーバンド（ｅｎｅｒｇｙ  ｂａｎｄ）の分布図を示す。そのうち、前記電子障壁層２８は前記活性層１２または前記ｐ型クラッド層１３と比較すると、明らかにより高いエネルギー準位を備えており、即ち、電子のオーバーフロー効果をブロックすることができる。
【０００４】
しかしながら、従来の電子障壁層２８と活性層１２の間は往々にして格子不整合のため、圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が発生し、エネルギーバンドの傾斜が起こり、キャリアオーバーフローの確率が増加してしまい、このために従来の発光ダイオードは発光効率が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２００３１１５６４２号
【特許文献２】米国特許第７０６７８３８号
【特許文献３】米国特許第６６９３３０７号
【特許文献４】米国特許第６７４４０６４号
【特許文献５】米国特許第７１１５９０８号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｏｒｉｇｉｎ  ｏｆ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｄｒｏｏｐ  ｉｎ  ＧＡＮ−ｂａｓｅｄ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ、Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．、ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ ９１、１８３５０７、２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の発明の背景に鑑みて、産業上の一部利益のニーズを満たすため、本発明は上述の従来の発光ダイオードが達成できない問題を解決するために用いることができる発光ダイオードを開示する。
【０００８】
本発明の目的は、格子不整合、電子ブロック層に比較的高い極化現象がある、多層界面において光線が容易に失われる等の問題を解決する、発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発光ダイオードは、基板、第１伝導層、活性層、極化減少中間層、電子障壁層、第２伝導層を含み、そのうち、前記第１伝導層が前記基板上に配置され、前記活性層が前記第１伝導層上に配置され、前記極化減少中間層が前記活性層上に配置され、前記電子障壁層が前記極化減少中間層上に配置され、前記第２伝導層が前記電子障壁層上に配置され、前記極化減少中間層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮであり、かつ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】従来の発光ダイオードの構造を示す概略図である。
【図１ｂ】従来の発光ダイオードのエネルギーバンド分布図である。
【図２】本発明の発光ダイオードの構造を示す概略図である。
【図３Ａ】従来の発光ダイオードのエネルギーバンド分布図である。
【図３Ｂ】極化減少中間層を有する発光ダイオードのエネルギーバンド分布図である。
【図３Ｃ】本発明と従来の発光ダイオードのエネルギーバンド分布比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明がここで探究する方向は、発光ダイオードである。本発明のより徹底的な理解を促すため、以下の説明において詳細なステップと構成を提示する。当然、本発明の実施は発光ダイオードの技術者が熟知する特殊な詳細に限定されない。また一方で本発明に対する不必要な限定を避けるため、公知の構成またはステップは詳細に説明していない。本発明の最良の実施例を以下で詳細に説明するが、これら詳細な説明のほか、本発明はその他の実施例に広く実施が可能であり、かつ本発明の範囲はこの実施例に限定されず、後付の特許請求の範囲に準じる。
【００１２】
発光ダイオード中のキャリアオーバーフローの確率を低くするため、米国特許第７０６７８３８号はキャリアブロック層（ｃａｒｒｉｅｒ  ｂｌｏｃｋ  ｌａｙｅｒ）を備えた発光ダイオードを開示しており、そのうち、このキャリアブロック層はＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦０.５、かつ０≦ｑ≦０.１）である。しかしながら、このキャリアブロック層とその下の半導体層の格子が不整合で、顕著な極化現象を発生する。
【００１３】
類似のもので、米国特許第６６９３３０７号もＡｌＧａＮ材料から形成されるオーバーフロー防止層（ｏｖｅｒｆｌｏｗ  ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を上述のキャリアブロック層としたものを開示している。但し、このオーバーフロー防止層はキャリアブロック層中の極化現象を解決していない。このため、キャリアブロック効率がやはりキャリアブロック層の傾斜エネルギーバンドの影響を受けて低下する。
【００１４】
このほか、米国特許第６７４４０６４号は活性層上に配置された複数層の量子バリアを開示して極化の問題を解決している。この複数層の量子バリアは歪補償（ｓｔｒａｉｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ）効果を備え、極化現象を解決するが、フレネル損失（ｆｒｅｓｎｅｌ  ｌｏｓｓ）に基づき、活性層の発する光線が複数層の量子バリアの多重界面で反射され、光の取り出し効率が低下する。
【００１５】
米国特許第７１１５９０８号は四元化合物から形成される半導体層により、従来のＧａＮ半導体層を代替し、極化現象の発生を低くしている。また、[Ｏｒｉｇｉｎ  ｏｆ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｄｒｏｏｐ  ｉｎ  ＧＡＮ−ｂａｓｅｄ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ、Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．、ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ ９１、１８３５０７、２００７]の論文において、四元化合物ＡｌＧａＩｎＮが形成する量子バリアと電子ブロック層がそれぞれ量子井戸及びＧａＮ極化と整合できれば、キャリアオーバーフローを減少できると指摘している。
【００１６】
上述に基づき、従来の半導体素子は格子不整合（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ）がある、電子ブロック層中に比較的高い極化現象がある、多層界面中で光線が容易に失われる等の問題があり、解決が待たれている。
【００１７】
このため、本発明は発光ダイオードの電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）と活性層（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）の間に、電子障壁層と格子が整合する四元化合物により極化減少中間層（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）形成をし、前記電子障壁層と前記活性層の格子不整合により発生する圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって引き起こされるエネルギーバンドの傾斜を減少し、キャリアオーバーフローの確率を抑えることができる。これにより、キャリアがより効果的に活性層に制限され、発光ダイオードの発光効率を高めることができる。
【００１８】
図２に上述の発光ダイオードの構造の概略図を示す。この発光ダイオードは基板１０１を含み、かつ該基板１０１上に第１伝導層１０２、活性層（ａｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）１０３、極化減少中間層（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）１０４、電子障壁層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）１０５、第２伝導層１０６を順にエピタキシャル成長で形成する。そのうち、上述の第１伝導層１０２はｎ型クラッド層とし、かつ第２伝導層１０６はｐ型クラッド層とすることができる。
【００１９】
上述の極化減少中間層は前記活性層１０３と前記電子障壁層の間に配置され、かつ前記極化減少中間層１０４と前記電子障壁層１０５の格子定数（ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）は同じであり、これにより電子障壁層１０５と格子整合（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ）し、前記電子障壁層１０５と前記活性層１０３の格子不整合により発生する圧電分極によって引き起こされるエネルギーバンドの傾斜を減少し、キャリアが第２伝導層１０６までオーバーフローする確率を低くすることができる。
【００２０】
さらに、前記電子障壁層１０５のバンドギャップ（ｂａｎｄ  ｇａｐ）は前記極化減少中間層１０４のバンドギャップより大きく、かつ前記電子障壁層１０５のバンドギャップは前記活性層１０３のバンドギャップより大きい。また、前記電子障壁層１０５は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）とすることができ、前記極化減少中間層１０４はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、そのうち０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１とすることができる。当然、上述の活性層１０３は単一量子井戸（ｓｉｎｇｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造または多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造とすることができる。
【００２１】
図３Ａに極化減少中間層１０４のない発光ダイオードのエネルギーバンド（ｅｎｅｒｇｙ  ｂａｎｄ）を示す。そのうち、点線はエネルギーバンドの分布を表す。図３Ａから分かるように、前記電子障壁層１０５と前記活性層１０３の格子不整合により発生する圧電分極によって引き起こされるエネルギーバンドの傾斜は、キャリアが前記第２伝導層１０６までオーバーフローする確率を大幅に高める。
【００２２】
図３Ｂに極化減少中間層１０４を有する発光ダイオードのエネルギーバンドを示す。そのうち、実線はエネルギーバンドの分布を表す。さらに図３Ｃに図３Ａと図３Ｂに示す発光ダイオードのエネルギーバンドの比較図を示す。そのうち、極化減少中間層１０４を有する発光ダイオードのエネルギーバンド（実線）は、明らかに極化減少中間層１０４のない発光ダイオードのエネルギーバンド（点線）の傾斜の問題を改善しており、キャリアをブロックして活性層１０３に戻す確率を大幅に向上し、これにより発光ダイオードの発光効率を高めることができる。
【００２３】
当然、上述の実施例の説明に基づき、本発明は多くの修正や差異があり得る。このため、後付の特許請求の範囲内で理解する必要があり、上述の詳細な説明のほか、本発明は幅広くその他の実施例においても実施することができる。上述は本発明の最良の実施例にすぎず、本発明の特許申請の範囲を限定するものではない。その他本発明の開示する要旨を逸脱せずに完成した同様の効果をもつ変更や修飾は、後付の特許請求の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２４】
１ａ、１ｂ 量子井戸層
２ａ、２ｂ、２ｃ 量子バリア層
１１  ｎ型クラッド層
１２  活性層
１３  ｐ型クラッド層
２８  電子障壁層
１０１       基板
１０２       第１伝導層
１０３       活性層
１０４       極化減少中間層
１０５       電子障壁層
１０６       第２伝導層
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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