(57)【要約】ＬＥＤの効率は、トンネル接合ダイオードにより分離された、直列の複数の活性領域を組み込むことにより増大される。また、これにより、ＬＥＤが、より長い波長で動作することも可能になる。
2008518440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード構造体（200）であって、
基板（210）と、
前記基板上に形成された複数の層構造体（297、299）とを含み、
前記複数の層構造体のそれぞれが、トンネル接合（225、245）、及び一対のクラッディング層（215、224、230、240）により囲まれた量子井戸活性領域（220、235）からなり、前記複数の層構造体は、前記複数の層構造体の第１の構造体（297）が前記基板に最も近く、前記複数の層構造体の第２の構造体（299）が前記基板（200）から最も離れているように、前記基板（210）に対して垂直スタックで構成されている、発光ダイオード構造体（200）。
【請求項２】
前記クラッディング層（215、224、230、240）が、ＡｌＧａＩｎＮからなる、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記基板（200）が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、及びＧａＮを含むグループから選択された材料からなる、請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記トンネル接合（225、245）が、ｎ型ドーピングされたＡｌＧａＩｎＮ層（227、247）を含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
前記ｎ型ドーピングされたＡｌＧａＩｎＮ層（227、247）が、約２・１０２０／ｃｍ３〜約３・１０２０／ｃｍ３の範囲の濃度までｎ型ドーパントでドーピングされる、請求項４に記載の構造体。
【請求項６】
前記ｎ型ドーパントがシリコンである、請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
前記ｎ型ドーピングされたＡｌＧａＩｎＮ層（227、247）が、約１０ｎｍ（１００Å）〜約５０ｎｍ（５００Å）の範囲の厚みを有する、請求項４に記載の構造体。
【請求項８】
前記トンネル接合（225、245）が、ｐ型ドーピングされたＡｌＧａＩｎＮ層（226、246）を含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項９】
前記量子井戸活性領域（220、235）が、ＧａＮ障壁層により互いから分離されている複数のＩｎＧａＮの量子井戸からなる、請求項１に記載の構造体。
【請求項１０】
前記トンネル接合（225、245）が、逆方向にバイアスされるように動作可能である、請求項１に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の動作効率は、多数の態様で改善され得る。これらには、半導体層の品質の改善、及びＬＥＤの光出力の結合を最大にするための構造の設計の改善が含まれる。
【０００２】
緑色のＧａＩｎＮのＬＥＤに関する図１のグラフ１１０で示されるように、ＡｌＧａＩｎＮ又はＩｎＧａＮに基づいたＬＥＤの動作効率は、正味の駆動電流が増加するにつれて、減少する。この作用は、駆動電流の増加によって引き出される熱に起因して効率が減少するＬＥＤの良く知られた作用のほかに存在する。該作用は、高い駆動電流においてＡｌＧａＩｎＮ又はＩｎＧａＮの性能を制限する。さらに、ＡｌＧａＩｎＮ又はＩｎＧａＮのＬＥＤに関して、電流が増加すると、より短い波長への波長シフトが生じる。
【０００３】
発明の概要
本発明によれば、トンネル接合により分離された、直列の複数の活性領域が、ＡｌＧａＩｎＮ又はＩｎＧａＮのＬＥＤに組み込まれる。一定の入力電力の場合、本発明によるＬＥＤは、より高い駆動電圧を必要とするが、電流および電流密度は、１／ｎに低減され、ここでｎは活性領域の数である。より低い駆動電流で動作する能力により、ＡｌＧａＩｎＮ又はＩｎＧａＮのＬＥＤの効率が改善され、駆動電流に起因した波長シフトが低減される。
【０００４】
発明の詳細な説明
図２は、本発明によるＬＥＤ構造体２００を示す。ｎ型（ＡｌｘＩｎ（１−ｘ））ｙＧａ（１−ｙ）Ｎクラッディング層２１５（ｘ＝０、ｙ＝０又はｘ＝０の状態）が、基板２１０上に約２μｍ〜約５μｍの範囲の典型的な厚みまで成長され、基板２１０は一般に、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＧａＮ又はＡｌＮである。一般に１〜１０個のＩｎＧａＮ量子井戸を含み、一般にＧａＮ障壁層により互いから分離されている、量子井戸活性領域２２０が、ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２１５上に成長される。量子井戸活性領域２２０の成長に続いて、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２２４が一般に約０．０３μｍ〜約０．５μｍ厚の範囲の厚みまで成長される。次に、トンネル接合２２５が、高濃度にドーピングされたｐ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２２６を一般に約１０ｎｍ（１００Å）〜約５０ｎｍ（５００Å）の範囲の厚みまで成長させ、次に高濃度にドーピングされたｎ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２２７を一般に約１０ｎｍ（１００Å）〜約５０ｎｍ（５００Å）の範囲の厚みまで成長させることにより、形成される。ｐ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２２６は、一般に約６・１０１９／ｃｍ３〜約１・１０２０／ｃｍ３の範囲の濃度までマグネシウムで高濃度にｐ型ドーピングされる。Ｎ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２２７は、一般に１・１０２０／ｃｍ３よりはるかに大きい濃度、例えば約２・１０２０／ｃｍ３〜約３・１０２０／ｃｍ３の範囲の濃度までシリコンで高濃度にｎ型ドーピングされる。層構造体２９７は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２１５、量子井戸活性領域２２０、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２２４、及びトンネル接合２２５からなる。
【０００５】
トンネル接合２２５に続いて、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２３０が成長される。次いで、第２の量子井戸活性領域２３５が、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２３０の上に成長される。第２の量子井戸活性領域２３５は、量子井戸活性領域２２０と同様である。その後、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２４０が、量子井戸活性領域２３５の上に成長される。次に、トンネル接合２４５が、ｐ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２４６を一般に約１０ｎｍ（１００Å）〜約５０ｎｍ（５００Å）の範囲の厚みまで成長させ、次にｎ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２４７を一般に約１０ｎｍ（１００Å）〜約５０ｎｍ（５００Å）の範囲の厚みまで成長させることにより、形成される。ｐ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２４６は、一般に約６・１０１９／ｃｍ３〜約１・１０２０／ｃｍ３の範囲の濃度までマグネシウムで高濃度にｐ型ドーピングされる。Ｎ＋＋ＡｌＧａＩｎＮ層２４７は、一般に１・１０２０／ｃｍ３よりはるかに大きい濃度、例えば約２・１０２０／ｃｍ３〜約３・１０２０／ｃｍ３の範囲の濃度までシリコンで高濃度にｎ型ドーピングされる。層構造体２９９は、ＬＥＤの役割を果たし、ＬＥＤ構造体２００の基本的な構成要素である。層構造体２９９は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２３０、量子井戸活性領域２３５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２４０、及びトンネル接合２４５からなる。層構造体２９９は、望み通りに、ＬＥＤ構造体２００の垂直スタック（積層体）において、任意の回数だけ繰り返され得る。
【０００６】
最後に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層が、垂直スタックにおいて最後のトンネル接合の上に成長され、例えば、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２５０が、ＬＥＤ構造体２００のトンネル接合２４５の上に成長される。次いで、量子井戸活性領域２２０と２３５に類似した量子井戸活性領域２５５が、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２５０の上に成長され、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２７０が、量子井戸活性領域２５０の上に成長される。層構造体２９８は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２５０、量子井戸活性領域２５５、及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッディング層２７０からなる。層構造体２９８は、ＬＥＤの役割を果たす。
【０００７】
図２のトンネル接合２４５と２２５は、ＬＥＤ構造体２００の動作において、逆方向にバイアスされる。逆方向にバイアスをかけているトンネル接合２４５と２５５により、電流が活性領域２５５、２３５、及び２２０を直列に流れることが可能になる。ＬＥＤ構造体２００において合計ｎ個の量子井戸活性領域が存在する場合、ＬＥＤ構造体２００に印加された電圧Ｖは、ｎ個の量子井戸活性領域の両端でほぼ等しく分割され（コンタクトの両端の考えられる寄生電圧降下の理由により）、そのため、各層構造体２９９が量子井戸活性領域と関連付けられている各層構造体２９９の両端にＶ／ｎの電圧降下が存在する。これは、ＬＥＤ構造体２００の効率を増大させながら、電流を低減し、各量子井戸活性領域２２０、２３５、及び２５５において電流密度も１／ｎに低減する。例えば、図２に関して、３つの量子井戸活性領域２２０、２３５、及び２５５が明確に示されており、そのため、各量子井戸活性領域２２０、２３５、及び２５５の両端の電圧降下は、駆動電流Ｉの状態で、印加電圧Ｖの約１／３であり、単一の量子井戸活性領域の場合から１／３に低減される。図３は、層構造体２９７、２９９、及び２９８がＬＥＤの役割を果たすことを示すＬＥＤ構造体２００の略図を示す。一般に、本発明による実施形態において、合計で約２〜１０個の層構造体が使用される。
【０００８】
図４のグラフは、順方向駆動電流と共に主波長のシフトを示す。ＡｌＧａＩｎＮ又はＩｎＧａＮのＬＥＤの場合、波長は一般に、グラフ４１０で看取されるように、駆動電流が増加するにつれて、より短い波長の方へシフトする。図５のグラフ５１０は、約２０ｍＡの一定の駆動電流に対する波長の関数としての相対的な効率を示す。相対的な効率は、Ｉｎの量が低減されるにつれて改善される。最も高い順方向駆動電流において所望の主波長を得るために、量子井戸活性領域は、ＩｎＧａ(Ａｌ)Ｎの適切な組成で成長される。本発明に従ってＬＥＤの動作が最も高い順方向駆動電流未満で生じる場合、主波長はより長くなるであろう。従って、より少ないＩｎの組成を用いて、ＬＥＤの効率を改善しながら、同じ所望の主波長を得る。
【０００９】
本発明は特定の実施形態に関連して説明されたが、当業者には明らかなように、多くの代替案、修正案、及び変形案が上記の説明に鑑みて明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想と範囲内にある他の係る代替案、修正案、及び変形案をすべて包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】効率の減衰対電流を示すグラフである。
【図２】本発明による実施形態を示す図である。
【図３】本発明によるＬＥＤ構造の略図である。
【図４】順方向の駆動電流と共に主波長のシフトを示す図である。
【図５】一定の駆動電流に対する波長の関数としての相対的な効率を示す図である。
【図１】
2008518440.tif 000003
【図２】
2008518440.tif 000004
【図３】
2008518440.tif 000005
【図４】
2008518440.tif 000006
【図５】
2008518440.tif 000007
【国際調査報告】
2008518440.tif 000008
2008518440.tif 000009