(57)【要約】  ＧａＰ基板上に直接成長させた直接バンドギャップＡｌＧａＩｎＮＳｂＡｓＰ材料系を用いて製造される高効率ＬＥＤ。【選択図】図１
2008516456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ｎ型ＧａＰ基板と、
ｂ）ｎ型または無ドープＡｌｘＧａ１−ｘＰバッファ層と、
ｃ）ｎ型または無ドープＡｌｙＧａ１−ｙＰホール漏れ防止層と、
ｄ）複数のｎ型、ｐ型または無ドープＡｌｚＧａ１−ｚＰバリア／ＡｌｎＩｎｍＧａ１−ｍ−ｎＮｃＡｓｖＳｂｋＰ１−ｃ−ｖ−ｋ活性層と、
ｅ）ｐ型または無ドープＩｎｗＡｌｓＧａ１−ｓ−ｗＰキャップ／コンタクト層と、
を備える、ＬＥＤ構造。
【請求項２】
組成係数ｘ、ｙ、ｚ、ｎ、ｍ、ｃ、ｖ、ｓ、ｗ、ｋが、０≦ｘ≦ｙ≦１、０≦ｚ，ｎ，ｍ，ｃ，ｖ，ｓ，ｗ，ｋ≦１である、請求項１に記載のＬＥＤ構造。
【請求項３】
ａ）ｐ型ＧａＰ基板と、
ｂ）ｐ型または無ドープＡｌｘＧａ１−ｘＰバッファ層と、
ｃ）複数のｎ型、ｐ型または無ドープＡｌｚＧａ１−ｚＰバリア／ＡｌｎＩｎｍＧａ１−ｍ−ｎＮｃＡｓｖＳｂｋＰ１−ｃ−ｖ−ｋ活性層と、
ｄ）ｎ型または無ドープＡｌｙＧａ１−ｙＰホール漏れ防止層と、
ｅ）ｎ型または無ドープＩｎｗＡｌｓＧａ１−ｓ−ｗＰキャップ／コンタクト層と、
を備える、ＬＥＤ構造。
【請求項４】
ｎ型、ｐ型または無ドープＡｌｔＧａ１−ｔＰ電流拡散／阻止層が、前記ＩｎｗＡｌｓＧａ１−ｓ−ｗＰキャップ／コンタクト層の前方、内部、または後方にある、請求項１に記載のＬＥＤ構造。
【請求項５】
ｎ型、ｐ型または無ドープＡｌｔＧａ１−ｔＰ電流拡散／阻止層が、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＰバッファ層の前方、内部、または後方にある、請求項３に記載のＬＥＤ構造。
【請求項６】
前記層間界面上または特定の前記層内部の任意の場所に堆積された、ｎ型またはｐ型デルタドーピング層をさらに備える、請求項１に記載のＬＥＤ構造。
【請求項７】
前記層間界面上または特定の前記層内部の任意の場所に堆積された、ｎ型またはｐ型デルタドーピング層をさらに備える、請求項３に記載のＬＥＤ構造。
【請求項８】
前記層間界面上または特定の前記層内部の任意の場所に堆積された、ｎ型またはｐ型デルタドーピング層をさらに備える、請求項４に記載のＬＥＤ構造。
【請求項９】
前記層間界面上または特定の前記層内部の任意の場所に堆積された、ｎ型またはｐ型デルタドーピング層をさらに備える、請求項５に記載のＬＥＤ構造。
【請求項１０】
超格子または「デジタル混晶」技術を用いて前記層または前記層の部分を成長させた、請求項１、３、４、または５に記載のＬＥＤ構造。
【請求項１１】
用いた最高の成長温度よりも高いアニーリング温度で、成長中または後に当該ＬＥＤ構造にアニーリングを加えることにより、光学性能の改善が達成される、請求項１、３、４、または５に記載のＬＥＤ構造。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＰ基板上に直接成長させた高効率発光ダイオードに関する。
【発明の背景】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた固体照射は、研究および事業において最も刺激的な対象の１つとなっている。これらのＬＥＤの用途には、フルカラーディスプレイ、信号送信、交通信号灯、自動車の照明、および携帯電話のバックライトが含まれる。一般照明用の白熱灯および蛍光灯に取って代わるためには、白色ＬＥＤが最終目標である。白色光を作るために、（１）青色ＬＥＤおよび黄色蛍光体、（２）紫外線ＬＥＤおよび３色蛍光体、ならびに（３）赤色、緑色および青色ＬＥＤの３色混合（ＲＧＢ法）の３つの主な方法がある。ＲＧＢ法は、３つのうちで最も効率的であると考えられている。最良の３色混合のための３波長は、４６０ｎｍ、５４０ｎｍおよび６１０ｎｍである。最初の２波長４６０ｎｍおよび５４０はＡｌＧａＩｎＮのＬＥＤから発生し、最後の６１０ｎｍはＧａＡｓ基板上で成長させたＡｌＧａＩｎＰ−ＬＥＤから発生する。現在用いられている黄色−赤色ＡｌＧａＩｎベースＬＥＤには、いくつかの問題点がある。第１の問題点は、電子閉じ込めが弱いため、黄色−赤色域において内部量子効率が低く、温度安定度が低いことである。第２の問題点は、光吸収性ＧａＡｓ基板を除去し、透明ＧａＰ基板または反射層をキャリア上にウエハー接合するという複雑かつ高コストな手順である。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、黄色−赤色ＬＥＤ用の活性領域としてＧａＰ（１００）基板上に直接成長させた直接バンドギャップＡｌＧａＩｎＮＳｂＡｓＰ材料系を用いる。ＧａＰ内に０．４％の窒素を取り込むことにより、この材料を間接から直接バンドギャップへと変換し、発光波長を黄色のスペクトル域にシフトする。透明ＧａＰ（１００）基板上での１段階成長を用いることにより、チップ加工が非常に簡素化される。
【発明の詳細な説明】
【０００４】
図１は本発明のＬＥＤの層構造を示し、図２は図１のＬＥＤ構造について可能なバンド図の１つの概略を示す。
【０００５】
図１および２を参照すると、ＧａＰ基板上に成長させた第１の層はＡｌｘＧａ１−ｘＰバッファ層である。デバイス構造の以降の成長のために平滑な表面を得るには、基板上で成長を開始する際にこれが必要となる。
【０００６】
第２の層はＡｌｙＧａ１−ｙＰホール漏れ防止層である。この目的は、ＬＥＤ構造の活性領域内にホールを閉じ込めて、その活性領域からの漏れを防ぐことである。次のＡｌｚＧａ１−ｚＰバリア層とともにタイプII（「階段」）ヘテロ接合を形成するので、この層が閉じ込めるのはホールだけである。ＡｌＰ材料をホール漏れ防止層として、ＧａＰ材料をバリア層として用いる場合に、最大の価電子帯オフセットを達成可能である。この場合の価電子帯オフセットは約５００ｍｅＶであるが、活性層内にホールを強力に閉じ込めるのに十分な大きさである。ＡｌｚＧａ１−ｚＰバリア層およびＡｌｎＩｎｍＧａ１−ｍ−ｎＮｃＡｓｖＳｂｋＰ１−ｃ−ｖ−ｋ活性層間の伝導帯オフセットが良好な電子閉じ込めに十分な大きさ（図３に示すＡｌＩｎＧａＰベースの従来のＬＥＤの３倍程度）である場合には、ＡｌＩｎＧａＰベースのＬＥＤの場合のように、活性層の外側に追加の閉じ込め層を有する必要がない。
【０００７】
図３は、（ａ）ＧａＰ／ＩｎＧａＮＰ／ＧａＰおよび（ｂ）Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（ＡｌＧａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐへテロ構造の伝導帯図を示す。ＧａＰとＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐは間接バンドギャップ材料なので、電子が存在するそれらの最小伝導帯が、点線で示すある有限電子運動量のΧ谷にある。ＩｎＧａＮＰおよび（ＡｌＧａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐは直接バンドギャップ材料なので、電子が存在するそれらの最小伝導帯（およびホールが存在するそれらの最大価電子帯）が、実線で示すΓ谷すなわちゼロ運動量にある。このようなヘテロ構造では、電子が低エネルギーＩｎＧａＮＰまたは（ＡｌＧａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性領域に存在し、高エネルギーのＧａＰまたはＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐバリアによってそれぞれ閉じ込められている。高温では、浅いポテンシャル井戸に閉じ込められた電子がバリアを越えるのに十分な熱エネルギーを獲得することが可能であるが、電子−ホール再結合からの発光が減少するように活性領域に失われる。したがって、ポテンシャルバリアが大きいほど、電子閉じ込めは大きくなり、デバイスの高温特性が良くなる。
【０００８】
第３の層は、複数のＡｌｚＧａ１−ｚＰバリア／ＡｌｎＩｎｍＧａ１−ｍ−ｎＮｃＡｓｖＳｂｋＰ１−ｃ−ｖ−ｋ活性層からなる活性領域である。活性層は、直接バンドギャップ材料層である。この領域が事実上の発光器となる。キャリア放射再結合プロセスがバリア層により分離された活性層の内部で起こる。構造内に注入されたキャリアから最大限に光を発生させるために、これらの複数の層が必要である。
【０００９】
最後の層はＩｎｗＡｌｓＧａ１−ｓ−ｗＰキャップ／コンタクト層である。この層は、デバイスが外部電極と接触するのためのものであり、活性領域を表面から分離してより良い電流拡散をもたらす。混晶にインジウムを加えることにより、半導体と電極に用いた金属の間のショットキーバリアを低減し、接点抵抗を低くするのに役立つ。
【００１０】
代替的な実施形態は図１と同じ構造を利用するが、ＩｎｗＡｌｓＧａ１−ｓ−ｗＰキャップ／コンタクト層の前方、内部、または後方に、ＡｌｔＧａ１−ｔＰ（ｎまたはｐ型または無ドープ）電流拡散／阻止層を有する（ｓ≦ｔ）。
【００１１】
別の代替的な実施形態は図１と同じ構造を利用するが、ＡｌｘＧａ１−ｘＰバッファ層の前方、内部、または後方に、ＡｌｔＧａ１−ｔＰ（ｎまたはｐ型または無ドープ）電流拡散／阻止層を有する（ｘ≦ｔ）。
【００１２】
ＡｌｔＧａ１−ｔＰ電流拡散／阻止層は、ＬＥＤ構造の電気的および光学的性質を高めるために用いられる。ＡｌｔＧａ１−ｔＰ電流拡散／阻止層（図４ａ）は、ＩｎｗＡｌｓＧａ１−ｓ−ｗＰキャップ／コンタクト層またはＡｌｘＧａ１−ｘＰバッファ層に対して大きい価電子帯オフセット（０．５ｅＶ以下）を持った比較的薄い層である。これは活性領域のＡｌｙＧａ１−ｙＰホール漏れ防止層とは反対側に配置されている。この層が、注入されたホールに対するポテンシャルバリアとなるため（図４ａ）、ホールがＡｌｔＧａ１−ｔＰ電流拡散／阻止層に沿って横方向に移動し、バリアを越えることが可能になり、活性領域へのキャリア注入をより均一にするようにｐ型接点／電極から電流を拡散させる。図４ｂは、電流拡散／阻止層が無い構造における電流を示す。この場合は、電流が「シャワーヘッド状に」活性領域内へと流入し、不均一な注入となってしまう。図４ｃは、電流拡散／阻止層が有る構造における電流を示す。この図に示すように、電流拡散／阻止層は、電流を広げて均一に注入する。ＡｌｔＧａ１−ｔＰ電流拡散／阻止層は、電流拡散には十分の厚さだが、ダイオードの満足な電流−電圧特性を提供するには十分な薄さである。通常、コンタクトパッドのサイズは、ＬＥＤの表面を覆わないようにできるだけ小さくすべきであり、デバイスから光が出てくるのを防ぐ。一方、コンタクトパッドのサイズを小さくすることによって、ＬＥＤの活性領域のより小さいエリアにキャリアが注入され、光の出力を下げることになる。最適なコンタクトパッドサイズがあり、これによってＬＥＤチップからの光出力が最大となる。コンタクトパッドの下側で電流拡散を高めることは極めて重要なことである。均一なキャリア注入を保持しつつ、ひいては光出力を増加しつつ、コンタクトパッドサイズを小さくすることが可能なためである。
【００１３】
さらなる実施形態は、図１のＬＥＤ構造の変形例であり、特定の層間界面上または特定の層内部の任意の場所に堆積されたｎまたはｐ型デルタドーピング層を用いる。これらのドーピング層は、ダイオードの電流−電圧特性を高める。デルタドーピングは「原子平面ドーピング」とも呼ばれ、ドーパント原子を成長中断表面上に付着させる。デルタドーピングは、局所的に高いドーピング濃度をもたらす。デルタドーピング層を用いることにより、ヘテロ接合の界面でのキャリア用ポテンシャルバリアが削減または除去されるので、電流−電圧特性が高まる。
【００１４】
特定の構造の個別の層または層の部分だけでなく、上述した構造の全てを、ランダム混晶ではなく超格子または「デジタル混晶」技術を用いて成長させることができる。ＡおよびＢ原子が１個の副格子を占め、Ｃ原子が別の副格子を占めるランダム混晶ＡｘＢ１−ｘＣでは、ＡおよびＢ原子がランダムに副格子内に分布している。ＡＣ／ＢＣ／ＡＣ／ＢＣの交互に重なった薄層から成る「デジタル混晶」では、ＡＣおよびＢＣの相対的な厚さを調整することにより、Ａの平均組成をランダム混晶のものと同じにすることが可能である。デジタル混晶のマクロ的性質がランダム混晶と類似するものとなるように、この層は、ランダム混晶のように電子が層全体にわたって移動できるよう十分な薄さとされる。例えば、複数のＡｌＰ／ＧａＰ薄層（デジタル混晶）のほうが、厚いＡｌＧａＰ層（ランダム混晶）よりも好ましい。前者はＧａＰ層で終わるため、反応性のアルミニウムが空気と接触するのを防ぐからである。
【００１５】
別の実施形態は、成長中または成長後にアニーリング（成長に用いられる最高温度よりも高い温度で基板を加熱する）を用いることにより、構造の光学的性質を高めることを含む。再結合プロセスにはＬＥＤチップの活性領域で発生する種類があり、放射性再結合は光子を放出する。数種の非放射性再結合プロセス（例えば深い準位によるもの、オージェプロセスによるもの）では、反応中に解放されたエネルギーがフォノンまたは熱に転換する。一般に、デバイスでは非放射性再結合事象をできるだけ減らしたい。最も多い非放射性再結合事象の原因は、深い準位すなわち非放射性再結合中心等の構造上の欠陥である。全ての欠陥が、置換半導体原子と異なるエネルギー準位構造を有するためである。欠陥には、自然欠陥（例えば空孔）、転位、不純物（外来原子）およびこれらの複合が含まれる。
【００１６】
窒素原子のサイズが活性領域で用いられる他の原子のサイズよりも非常に小さいため、窒素の取り込みが多くの点欠陥を引き起こし、非放射性再結合中心としてのキャリアを捕捉する傾向がある。ゆえに、これらの点欠陥がＬＥＤ構造の光学的性質を低下させる。アニーリングは、ＬＥＤ構造中、特に窒素含有活性領域において構造中の多くの点欠陥を減らすのに役立ち、その放射効率を高める。図５は、アニーリングによって、ＧａＰバリア間に挟まれた７ｎｍ厚ＩｎＧａＮＰ活性層を有する試料のフォトルミネッセンス強度がどのくらい増加するかを示している。ここでのアニーリングは、リン過圧下の成長直後にその場（成長チャンバ）で行われる。アニーリング温度は７００℃であり、アニーリング時間は２分である。
（バンドオフセット）
【００１７】
デバイスのヘテロ構造に由来する最も重要なパラメータの１つが、活性層およびバリア層間のバンドオフセット（ΔＥｃおよびΔＥｖ）である。通常、ΔＥｃが大きいほどデバイスパフォーマンスは良くなる。バンドオフセットが大きいほど、デバイスの最大効率が上がり、温度安定性が改善される。ここで説明するＬＥＤ構造の伝導帯オフセットは、従来のＡｌＩｎＧａＰベースのＬＥＤ構造の約３倍である。
【００１８】
例えば、ＧａＰバリア内にＩｎＧａＮＰ活性層があり、６１０ｎｍで発光するＬＥＤ構造は、ΔＥｃ＝２２５ｍｅＶ（図３ａ）を有する。現在生産されているＡｌＩｎＧａＰベースのＬＥＤは、同じ波長でΔＥｃ＝７５ｍｅＶ（図３ｂ）を有する。この大きなバンドオフセットによって、現在用いられているものよりもはるかに良い温度安定性を有する構造となる。例えばＬＥＤチップが発光性能を低下させることなく高い温度で動作可能となる。デバイスの駆動電流を増加させると、電気エネルギーの一部が熱に変わるためＬＥＤダイを加熱することになる。ゆえに、周囲接合温度が上昇して電子の熱エネルギーが増大する。キャリア（電子およびホール）の放射性再結合が発生する活性領域は、事実上キャリアのポテンシャル井戸である。加熱による電子の熱エネルギー増大は、ポテンシャルバリアを越えて活性領域を出ていくのに十分なエネルギーを有する高エネルギー電子の数の増加を引き起こす。活性領域を出ていく電子は、放射性再結合には関与しない。このことによって、高い動作温度でのＬＥＤチップの発光性能が低下する。ゆえに、活性領域において電子閉じ込めを良くするためには、できるだけ高いポテンシャルバリア高さが望ましい。本発明者らの材料系について、従来のＡｌＩｎＧａＰ材料系（図３参照）と比較して３倍の高さの伝導帯オフセットを実演したところ、高い駆動電流密度または高い温度でのＬＥＤチップの発光性能が良くなった。
【００１９】
本発明者らの材料系の別の利点は、ＡｌＩｎＧａＰ材料系と比較して活性領域のバンドギャップの温度依存性が低いことであり、これによって発光波長の温度安定性が良くなる。上述したように、高い駆動電流は周囲接合温度の上昇を引き起こす。結晶温度が上昇すると、材料のバンドギャップが小さくなる。これによって、高い駆動電流での動作時に、発光ピーク波長の赤色シフトが発生する、すなわち、ＬＥＤチップが発光色を変える。安定色ＬＥＤを得るためには、この影響を最小限に抑えるかまたは回避しなければならない。実験データは、６０ｍＡ以下の駆動電流で発光波長シフトが生じないことを示している（図６ａ）。市販のＡｌＩｎＧａＰベースベアＬＥＤチップは、駆動電流を１０から６０ｍＡへと増やした際に１３ｎｍの赤色シフトを示す（図６ｂ）。
（産業上の利用可能性）
【００２０】
これらのＬＥＤの用途には、フルカラーディスプレイ、信号送信、交通信号灯、自動車の照明、および携帯電話のバックライトが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のＬＥＤ構造を示す図である。
【図２】図１のＬＥＤ構造の概略バンド図である。
【図３ａ】ＩｎＧａＮＰ／ＧａＰベースＬＥＤの伝導帯オフセットを示す図である。
【図３ｂ】ＡｌＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＰベースＬＥＤの伝導帯オフセットを示す図である。
【図４ａ】埋め込み電流拡散／阻止層の概略バンド図である。
【図４ｂ】電流拡散／阻止層が無い構造内での電流拡散を示す図である。
【図５】ＧａＰバリア内のＩｎＧａＮＰ量子井戸のアニーリングフォトルミネッセンス特性を示す図である。
【図６ａ】ＩｎＧａＮＰベースベアＬＥＤチップのエレクトロルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図６ｂ】市販のＡｌＩｎＧａＰベースベアＬＥＤチップの発光波長の駆動電流に対する依存性を示す図である。
【図１】
2008516456.tif 000003
【図２】
2008516456.tif 000004
【図３ａ】
2008516456.tif 000005
【図３ｂ】
2008516456.tif 000006
【図４ａ】
2008516456.tif 000007
【図４ｂ】
2008516456.tif 000008
【図４ｃ】
2008516456.tif 000009
【図５】
2008516456.tif 000010
【図６ａ】
2008516456.tif 000011
【図６ｂ】
2008516456.tif 000012