(57)【要約】【課題】本発明は、発光効率が高い多重量子井戸構造及びそれを有する発光ダイオードを提供する。【解決手段】本発明に係る多重量子井戸構造は、２つの第一バリア層と、前記２つの第一バリア層の間に挟まれた２つの井戸層と、前記２つの井戸層の間に挟まれたドープされた第二バリア層と、を備える。前記第二バリア層の伝導帯及び価電子帯は、前記第二バリア層にそれぞれ隣接する井戸層の伝導帯及び価電子帯に徐々に遷移され、前記第二バリア層のドープ濃度は、１つの井戸層から他の井戸層までの方向に沿って徐々に変化する。【選択図】図２
2014022736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの第一バリア層と、
前記２つの第一バリア層の間に挟まれた２つの井戸層と、
前記２つの井戸層の間に挟まれたドープされた第二バリア層と、を備える多重量子井戸構造において、
前記第二バリア層の伝導帯及び価電子帯が、前記第二バリア層にそれぞれ隣接する前記井戸層の伝導帯及び価電子帯に徐々に遷移され、前記第二バリア層のドープ濃度が、１つの前記井戸層から他の前記井戸層までの方向に沿って徐々に変化することを特徴とする多重量子井戸構造。
【請求項２】
前記井戸層の材料がＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、その中で、ｘ＞０であることを特徴とする、請求項１に記載の多重量子井戸構造。
【請求項３】
前記第一バリア層の材料がＧａＮであり、前記第二バリア層の材料がＩｎｙＧａ１−ｙＮであり、その中で、ｘ＞ｙ≧０であり、ｙ値が、一つの井戸層から他の井戸層までの方向に沿って０に近づくことを特徴とする、請求項２に記載の多重量子井戸構造。
【請求項４】
前記第一バリア層の材料がＡｌｚＧａ１−ｚＮであり、前記第二バリア層の材料がＡｌｙＧａ１−ｙＮであり、その中で、ｚ＞ｙ≧０であり、ｙ値が、一つの井戸層から他の井戸層までの方向に沿ってｚに近づくことを特徴とする請求項２に記載の多重量子井戸構造。
【請求項５】
第一導電型半導体層と、第二導電型半導体層と、前記第一導電型半導体層と前記第二導電型半導体層との間に挟まれた少なくとも一つの請求項１から４のいずれか一項に記載の多重量子井戸構造と、を備えることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】
ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に挟まれた多重量子井戸構造と、を備える発光ダイオードにおいて、
前記多重量子井戸構造は、２つの第一バリア層と、前記２つの第一バリア層の間に挟まれた複数の井戸層と、隣接する前記井戸層の間にそれぞれ挟まれた複数のドープされた第二バリア層と、を備え、前記第二バリア層の伝導帯及び価電子帯が、前記第二バリア層にそれぞれ隣接する前記井戸層の伝導帯及び価電子帯に徐々に遷移され、前記ｐ型半導体層に近い前記第二バリア層のドープ濃度が、前記第二バリア層の両側に位置する前記２つの井戸層の中の１つの井戸層から他の井戸層までの方向に沿って徐々に変化することを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体構造に関し、特に多重量子井戸構造及びそれを有する発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、高輝度、低電圧、低消費電力、長寿命である等の利点を有することから、新しいタイプの光源として、現在広く利用されている。
【０００３】
従来の発光ダイオード構造は多重量子井戸構造を含む。該多重量子井戸構造は、一般的に、複数のバリア層及びこのバリア層と互いに交互に設置される複数の井戸層を備える。井戸層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーバンドギャップは、バリア層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーバンドギャップより小さい。従って、バリア層はより大きなエネルギーバンドギャップを有するので、ｐ型半導体層からｎ型半導体層に移動する正孔とｎ型半導体層からｐ型半導体層に移動する電子とは井戸層に閉じ込められ、且つ正孔と電子とは井戸層で結合して発光する。
【０００４】
しかし、従来の多重量子井戸構造では、正孔の有効質量が電子の有効質量より重いので、正孔の移動速度は電子の移動速度より遅い。従って、電子及び正孔は、井戸層に不均一に分布されるため、発光ダイオード構造の発光効率が低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明は、発光効率が高い多重量子井戸構造及びそれを有する発光ダイオードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る多重量子井戸構造は、２つの第一バリア層と、前記２つの第一バリア層の間に挟まれた２つの井戸層と、前記２つの井戸層の間に挟まれたドープされた第二バリア層と、を備える。前記第二バリア層の伝導帯及び価電子帯は、前記第二バリア層にそれぞれ隣接する前記井戸層の伝導帯及び価電子帯に徐々に遷移され、前記第二バリア層のドープ濃度は、１つの前記井戸層から他の前記井戸層までの方向に沿って徐々に変化する。
【０００７】
本発明に係る発光ダイオードは、第一導電型半導体層と、第二導電型半導体層と、前記第一導電型半導体層と前記第二導電型半導体層との間に挟まれた少なくとも一つの上記の多重量子井戸構造と、を備える。
【０００８】
本発明に係る発光ダイオードは、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に挟まれた多重量子井戸構造と、を備える。前記多重量子井戸構造は、２つの第一バリア層と、前記２つの第一バリア層の間に挟まれた複数の井戸層と、隣接する前記井戸層の間にそれぞれ挟まれた複数のドープされた第二バリア層と、を備える。前記第二バリア層の伝導帯及び価電子帯は、前記第二バリア層にそれぞれ隣接する前記井戸層の伝導帯及び価電子帯に徐々に遷移され、前記ｐ型半導体層に近い前記第二バリア層のドープ濃度は、前記第二バリア層の両側に位置する前記２つの井戸層の中の１つの井戸層から他の井戸層までの方向に沿って徐々に変化する。
【発明の効果】
【０００９】
従来の技術と比べて、本発明に係る多重量子井戸構造及び発光ダイオードは、２つの井戸層の間に挟まれた第二バリア層を備え、該第二バリア層のドープ濃度は、１つの井戸層から他の井戸層までの方向に沿って徐々に変化する。これにより、第二バリア層の価電子帯は、相対的に小さな変化幅を有し、相対的に小さな変化幅を有する第二バリア層の価電子帯は、正孔がｐ型半導体層からｎ型半導体層に向かって移動する時に受けた抵抗を減少させることができる。これにより、より多くの正孔が容易に移動でき、多重量子井戸構造内の正孔の数量を増加させ、多重量子井戸構造における電子及び正孔の分布の均一性を向上させる。従って、多重量子井戸構造及び発光ダイオードの発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る多重量子井戸構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【図２】図１に示した多重量子井戸構造のエネルギーバンドを示す図である。
【図３】従来の多重量子井戸構造のエネルギーバンドを示す図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る多重量子井戸構造のエネルギーバンドを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態に係る発光ダイオード１０は、第一導電型半導体層１１、多重量子井戸構造１２及び第二導電型半導体層１３を備える。
【００１３】
第一導電型半導体層１１はｎ型ドープされたＧａＮ半導体層である。本実施形態において、第一導電型半導体層１１はサファイア基板１４上に形成される。好ましくは、サファイア基板１４に核形成層（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）１５が形成され、第一導電型半導体層１１はこの核形成層１５上に形成される。
【００１４】
多重量子井戸構造１２は第一導電型半導体層１１上に形成される。該多重量子井戸構造１２は、２つの第一バリア層１２０と、２つの第一バリア層１２０との間に挟まれた２つの井戸層１２２と、２つの井戸層１２２との間に挟まれた第二バリア層１２４と、を備える。
【００１５】
第二バリア層１２４の伝導帯及び価電子帯の準位は、該第二バリア層１２４にそれぞれ隣接する井戸層１２２の伝導帯及び価電子帯の準位に徐々に遷移する。本実施形態において、第二バリア層１２４はＩｎがドープされたＧａＮ半導体層である。
【００１６】
第二導電型半導体層１３はｐ型ドープされたＧａＮ半導体層である。該第二導電型半導体層１３は多重量子井戸構造１２上に形成される。本実施形態において、第二導電型半導体層１３と多重量子井戸構造１２との間にはｐ型ドープされたＡｌＧａＮ層１６が挟まれている。
【００１７】
図３に示した従来の多量子井戸構造のエネルギー準位の分布と図２に示した本発明の多重量子井戸層のエネルギー準位の分布とを比較すると、図２に示した本発明の第二バリア層１２４の価電子帯準位は比較的小さな変化幅を有するため、第二バリア層１２４と井戸層１２２との間の価電子帯準位差を減少させることができる。これにより、第二導電型半導体層１３から第一導電型半導体層１１に向かって移動する正孔が受けた抵抗を減少させることができる。これにより、より多くの正孔が容易に移動でき、多重量子井戸構造１２内の正孔の数量を増加させ、多重量子井戸構造１２における電子及び正孔の分布の均一性を向上させる。従って、多重量子井戸構造１２の発光効率を向上させることができる。
【００１８】
本実施形態において、上記の技術的効果を得るために、多重量子井戸構造１２の各層の製造材料は、下記の２つの技術方案を備える。
【００１９】
技術方案一において、第一バリア層１２０の材料はＧａＮであり、井戸層１２２の材料はＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、第二バリア層１２４の材料はＩｎｙＧａ１−ｙＮである。その中で、ｘ＞ｙ≧０であり、ｙ値は、井戸層１２２の底部から井戸層１２２の頂部までの方向（即ち、図１において矢印で示すように、発光ダイオード１０の各層の成長方向）に沿って０に近づく。これにより、第二バリア層１２４の伝導帯及び価電子帯の準位は、第二バリア層１２４にそれぞれ隣接する井戸層１２２の伝導帯及び価電子帯の準位に徐々に遷移される。
【００２０】
技術方案二において、第一バリア層１２０の材料はＡｌｚＧａ１−ｚＮであり、井戸層１２２の材料はＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、第二バリア層１２４の材料はＡｌｙＧａ１−ｙＮである。その中で、ｘ＞０、ｚ＞ｙ≧０であり、ｙ値は、井戸層１２２の底部から井戸層１２２の頂部までの方向（即ち、図１において矢印で示すように、発光ダイオード１０の各層の成長方向）に沿ってｚに近づく。これにより、第二バリア層１２４の伝導帯及び価電子帯の準位は、第二バリア層１２４にそれぞれ隣接する井戸層１２２の伝導帯及び価電子帯の準位に徐々に遷移される。
【００２１】
また、他の実施形態において、多重量子井戸構造１２は、２つの第一バリア層１２０と、２つの第一バリア層１２０との間に挟まれた２つ以上の井戸層１２２と、隣接する２つの井戸層１２２の間に挟まれた第二バリア層１２４とを備えても良い。第二導電型半導体層１３に近い第二バリア層１２４の伝導帯及び価電子帯の準位は、該第二バリア層１２４にそれぞれ隣接する井戸層１２２の伝導帯及び価電子帯の準位に徐々に遷移される。
【００２２】
また、井戸層１２２の数量は３つ以上であっても良い。これに応じて、隣接する２つの井戸層１２２の間に挟まれた第二バリア層１２４の数量を２つ以上にすることができる。以下、３つの井戸層１２２及び２つの第二バリア層１２４を例として説明する。
【００２３】
図４を参照すると、多重量子井戸構造１２の２つの第一バリア層１２０の間には、３つの井戸層１２２及び２つの第二バリア層１２４が設置されている。該２つの第二バリア層１２４は、それぞれ隣接する２つの井戸層１２２の間に挟まれる。第一バリア層１２０、井戸層１２２及び第二バリア層１２４の製造材料は、上記の技術方案一及び技術方案二に基づいて選択することができる。
【００２４】
また、図４に示した２つの第二バリア層１２４において、ｐ型半導体層１３に最も近い第二バリア層１２４に対して、上記の技術方案一及び技術方案二が提供する構造及び材料を採用さえすれば、発光ダイオード１０の発光効率を向上させることができる。即ち、ｐ型半導体層１３に最も近い第二バリア層１２４の価電子帯準位が比較的小さな変化幅を有しさえすれば、発光ダイオード１０の発光効率を向上させることができる。他の第二バリア層１２４は、上記の構造及び材料に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２５】
１０  発光ダイオード
１１  第一導電型半導体層
１２  多重量子井戸構造
１２０    第一バリア層
１２２  井戸層
１２４  第二バリア層
１３  第二導電型半導体層
１４  サファイア基板
１５  核形成層
１６  ｐ型ドープされたＡｌＧａＮ層
【図１】
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【図２】
2014022736.tif 000004
【図３】
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【図４】
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