(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸を含むダイオード構造、
前記量子井戸内での電子及び正孔の結合によって生じる光子にカップリングする振動数でのプラズモン振動を助成する強化層、
前記強化層と前記量子井戸との間に設けられたバリア層であって、当該バリア層が、１０ｎｍ未満の厚さを有する絶縁性の層を含み、且つ前記強化層と前記ダイオード構造との間の拡散を阻止するもの、並びに
前記バリア層を貫通してパターン化された導電性の、Ｐｔからなるコンタクト
を備えている、発光ダイオード。
【請求項２】
前記強化層が、銀及び金からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記絶縁性の層が、二酸化チタンを含む、請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記ダイオード構造が、
ｐ型ドーピングを有する多層を含むｐ型構造、
ドープされていない材料の多層を含む固有構造、及び
ｎ型ドーピングを有する多層を含むｎ型構造
を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
量子井戸を備えているダイオード構造を製造し、
前記ダイオード構造上に、１０ｎｍ未満の厚さを有する絶縁性の層を含むバリア層を堆積し、
前記バリア層を通じてコンタクトを形成し、当該コンタクトがＰｔからなり、
前記バリア層上に強化層を堆積することを含み、
前記強化層が、前記量子井戸と相互作用し、前記量子井戸内での電子−正孔の結合からの自然放出率を増大させるプラズモンを助成し、前記バリア層が、前記強化層と前記ダイオード構造との間の拡散を阻止し、
前記コンタクトが、前記強化層と前記ダイオード構造との間に電気的な接続を形成する、製造方法。
【請求項６】
前記強化層が、銀及び金からなる群から選択される材料を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記絶縁性の層が、二酸化チタンを含む、請求項５又は６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記ダイオード構造が、
ｐ型ドーピングを有する多層を含むｐ型構造、
ドープされていない材料の多層を含む固有構造、及び
ｎ型ドーピングを有する多層を含むｎ型構造
を含む、請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、照明及び光信号伝達のために、電気エネルギーを光エネルギーに変換することができる。一般に、ＬＥＤは、典型的にはｐ−ｉ−ｎ接合を有する半導体ダイオードである。ＬＥＤに順方向にバイアスをかけた場合、ダイオードのｎ型材料からの電子の流れとダイオードのｐ型材料からの正孔とが結合する。ＬＥＤは、一般に、電子の伝導帯と正孔の価電子帯との適切なエネルギー差を生じさせる材料を使用し、それにより、電子と正孔との結合によって光子を自然放出することができる。エネルギー差は一般に、利用される材料によって制限されるが、その他、光の所望の振動数を生じさせるように調整又は選択することができる。加えて、ＬＥＤは、異なるエネルギーの伝導帯を有する材料の多層を利用することができ、それにより、電子又は正孔を閉じ込め、自然放出率を増大（強化）させる傾向を有する量子井戸が生成され、それによって、光生成のエネルギー効率が改善される。
【０００２】
ＬＥＤにおける量子井戸の自然放出率は、量子井戸の固有の特性ではなく、量子井戸の電磁気的な環境に依存する。プラズモニックＬＥＤ（plasmonic LED）は、量子井戸を、量子井戸内へと延びる電子−プラズマ振動による表面プラズモンポラリトンの形成を助成する金属に近接して配置することによって、上記現象を利用することができる。この電子−プラズマ振動又はプラズモンは、パーセル効果（Purcell effect）によって量子井戸内での電子−正孔対の再結合率を増大させ、ＬＥＤを駆動させる電流の変化とそれに対応するＬＥＤから発せられる光の変化との間での遅延を減少させる。プラズモニックＬＥＤは、約２０％を超える照射効率を維持しながら、約１０ＧＨｚ以上の変調速度で発光することができ、これは、ＶＣＳＥＬ及び他の半導体レーザの変調速度及び効率に十分匹敵するものである。「PLASMON ENHANCED LIGHT-EMITTING DIODES」と題する国際出願第ＵＳ／２００８／００１３１９号は、高データレート信号送信（high data rate signaling）で使用されるのに十分速度の大きい従来のプラズモニックＬＥＤをいくつか記載している。
【０００３】
プラズモニックＬＥＤの製造における１つの課題は、プラズモニックＬＥＤのための適切な振動数の表面プラズモンを助成することができる利用可能な材料である。ＬＥＤに適した利用可能な材料による、発せられる光の振動数の制限を考慮すると、銀及び金が、ＬＥＤの応答を改善するための望ましいカップリングを有する表面プラズモンを有することが見出されている。残念なことに、銀及び金は、所望の強化を提供するためには量子井戸の近くに設けなくてはならず、ＬＥＤにおいて使用される半導体材料内で移動又は拡散する傾向を有し、そして、この拡散は、ＬＥＤの急速な劣化及び短絡を生じさせ得る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１Ａ】望ましくない拡散を防止するが、量子井戸とのプラズモン相互作用を許容するよう代替的なバリア構造を使用する、本発明の態様によるプラズモニックＬＥＤの断面図を概略的に示す。
【図１Ｂ】望ましくない拡散を防止するが、量子井戸とのプラズモン相互作用を許容するよう代替的なバリア構造を使用する、本発明の態様によるプラズモニックＬＥＤの断面図を概略的に示す。
【図２】本発明の別の態様によるプラズモニックＬＥＤのより詳細な断面図を示す。
【図３】本発明の別の態様によるプラズモニックＬＥＤの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
異なる図面での同じ参照番号を使用した場合、類似又は同一の事項を示すものとする。
【０００６】
本発明の一局面によれば、プラズモニックＬＥＤは、半導体構造と金属層（例えば、銀又は金層）との間にバリアを含んでいてよく、当該金属層は、ＬＥＤ性能を強化（増大）させる振動数でのプラズモン振動を助成する。一態様では、バリアは、薄くてよく（例えば、約１０ｎｍ未満）、絶縁材料、例えば酸化物、及び非拡散金属（例えば、白金）のような導電性材料のコンタクト構造を含む。比較的薄く、多くの場合、誘電材料からなるバリアによって、金属層の表面プラズモン振動の、ＬＥＤ内の量子井戸との相互作用を可能にするが、このバリアは、銀又は金のような金属の強化層から半導体層内への拡散又はスパイキング（spiking）を阻止し得る。パターン化されたコンタクトは、ＬＥＤへの電流の注入のためのオーミックコンタクトであり、白金のような非拡散金属からなっていてよい。さらに、コンタクトは、光抽出（取出し）を向上させるようにパターン化されていてよく、コンタクトの面積は、良好な電流注入を保証しながらも、量子井戸と強化層との間の光−プラズモン相互作用を確実にするために最小化することができる。別の態様では、バリアは、さらに薄く（例えば、約２ｎｍ）、白金のような非拡散性の導電材料からなっていてよく、この材料は、銀若しくは金のような金属の金属層から拡散又はスパイキングを阻止する。バリア金属の、量子井戸における自然放出の強化のためのプラズモン性質が乏しい場合であっても、バリアが十分に薄いので、金属層における、量子井戸との所望の表面プラズモンの相互作用を可能にする。
【０００７】
図１Ａに、本発明の一態様によるプラズモニックＬＥＤ１００の断面の概略図を示す。ＬＥＤ１００は、ｐ−ｉ−ｎ構造を有しており、概括的には、ｐ型構造１１０、固有構造１２０及びｎ型構造１３０を含む。固有構造１２０は、多層構造であり、一般に、ｎ型構造１３０から注入された電子が、ｐ型構造１１０から注入された正孔と結合する時に自然放出によって生じる光（つまり光子）の源である量子井戸を含む。強化構造１４０は、量子井戸からの自然放出率を増大させる（強化する）振動数を有する表面プラズモン振動を助成する材料の層１４２を含む。層１４２は、ブランケット層であるか、又は、層１４２内でのプラズモンの特性の変更を望む場合には、パターン化若しくは粗面化されていてよい。一般に、より大きな強化は、強化構造１４０（詳細には、コンタクト１４６のプラズモニック特性が乏しい場合が多いので、層１４２）を、量子井戸により近くに配置し、それにより、プラズモン振動の効果が量子井戸内に延在するようにすることによって達成できる。強化層１４２は典型的には、約８００ｎｍの光子波長で自然放出を著しく強化するためには、量子井戸から約５０ｎｍ未満でなくてはならない。より長い波長の光を生成するＬＥＤにおいては、分離はより大きくすることができる。図１Ａでは、強化構造１４０は、ｎ型構造に隣接しているが、ｐ型構造１１０がｎ型構造１３０より薄い態様では、ｐ型構造１１０に隣接して配置されている方が好ましい。
【０００８】
強化構造１４０中の層１４２は、純粋又は合金の銀又は金のような金属からなっていてよいが、他の金属も適当であり得る。層１４２から半導体構造への金属原子の拡散又はスパイキングは、特に、層１４２が、自然放出を強化するために量子井戸に近接していなくてはならないので、問題となる。例えば、ＧａＡｓは、金及び金ベースの合金に容易に溶解することが観察されている。その結果、溶解により、ガリウム（Ｇａ）及びヒ素（Ａｓ）の同量が金格子内へ侵入する。ヒ素は、金格子を簡単に通過でき、金の自由表面から蒸発できることが知られている。そのような材料の原子は、粒界又は他のそのような欠陥に沿って金属化（金属部）に侵入すると考えられるが、拡散は、極めて低濃度で且つ高移動度を有する侵入型の原子として侵入する可能性がある。この現象は、他のＬＥＤで使用されるＩｎＧａＰコンタクト層でも観察される。
【０００９】
層１４２から隣接する半導体層への拡散を防ぐため、ＬＥＤ１００は、層１４２とｎ型構造１３０とを電気的に接続するパターン化された導電性のコンタクト１４６を含む絶縁性のバリア層１４４を備えている。バリア層１４４及びパターン化されたコンタクト１４６は、１０ｎｍ未満の厚みを有し、好ましくは約５ｎｍであってよい。一般に、バリア層１４４及びコンタクト１４６が層１４２からの拡散を十分に阻止するのであれば、バリア層１４４及びコンタクト１４６は、できるだけ薄くてよい。
【００１０】
ＬＥＤ１００は、ＬＥＤ１００を横切る順バイアス方向での適切な電圧をかけることによって作動させることができる。例えば、図１Ａのｐ−ｉ−ｎ構成において、正の極性を有する電気信号を、ＬＥＤ１００の層１４２にかけることができ、一方、層１１０は、参照電圧又は接地に接続されている。電気信号は、一般に、コンタクト構造（図１Ａに図示せず）を通ってＬＥＤ１００に付与される。ｎ型構造１１０への比較的負の電圧は、電子を固有構造１２０内の量子井戸へ向かって駆動するものとして考えられ、層１４２への比較的正の電圧は、正孔を量子井戸に向かって駆動するものとして考えられる。量子井戸は、ＬＥＤ１００の残りの層の電子バンドギャップよりも小さい直接電子バンドギャップエネルギーを有する直接バンドギャップ半導体材料からなっていてよい。与えられた電圧差が、ｎ型構造１３０から電子を、ｐ型構造１１０から正孔を量子井戸へと注入するのに十分であれば、量子井戸における電子及び正孔の結合によって生じる自然放出が光を発生させ、この光は、前記ＬＥＤ１００から、強化構造１４０とは反対の側にあるｐ型構造１１０を通って出力することができる。
【００１１】
構造１４０により達成され得る強化は、電子及び正孔の結合を電子−正孔双極子の崩壊（decay）として扱うことによって理解され得る。一般に、崩壊する双極子の自然放出率は、双極子の強さだけでなく、双極子の電磁的な環境にも依存する。双極子の近くの電磁的な環境を変化させることによって、双極子の自然崩壊率を調整する（つまり、抑える又は向上させる）ことができ、これは「パーセル効果」と呼ばれる。この場合、光の所望の振動数にカップリングするプラズモン振動を助成する強化構造１４０を導入することは、電子−正孔双極子が崩壊する率を所望の電磁的モード又は振動数へ強化（増大）する。パーセル係数Ｆｐは、その強化の度合いを定量化するものであり、以下の式
Ｆｐ＝複合環境中での自然放出率／バルク材料中での自然放出率
により得られる。式中、複合環境とは、隣接する強化構造１４０を備えている量子井戸を指し、バルク材料とは、強化構造１４０なしの、周りを囲む材料、例えばｎ型並びにｐ型構造１３０及び１１０を指す。パーセル係数が大きいほど、自然放出率は高くなる。
【００１２】
図１Ｂに、本発明の別の態様による、バリア層１４８を有する強化構造１４５を利用するＬＥＤ１５０を例示する。ＬＥＤ１５０は、ｐ型構造１１０、固有構造１２０、ｎ型構造１３０及び金属層１４２を含み、これらは、図１ＡのＬＥＤ１００における対応する構造と同一であってよい。ＬＥＤ１５０は、バリア１４８が、より厚い金属（例えば、Ａｇ又はＡｕ）層１４２と下層の半導体構造との間に設けられた白金のような非拡散金属の極めて薄い（５ｎｍ未満）層である点で、ＬＥＤ１００と異なっている。バリア層１４８は、自然放出の強化のためのプラズモン特性は乏しくてよいが、層１４８は、層１４８及び１４２の組合せの表面プラズモン強化が単一の厚い層１４２と同じように高効率となり得るに十分に薄い。特に、Ｐｔ／Ａｕ組合せ層は、Ｐｔ部分が十分に薄い（例えば、５ｎｍ未満）場合、自然放出の増大において、単一のＡｕ層と同じくらい良い効率を有し得る。さらに、バリア層１４８が２〜３ｎｍの薄さの白金層である場合、バリア層１４８は、金属層１４２と下層の半導体構造との間の望しくない拡散を防ぐことができる。導電性のバリア層１４８は、層１４２と下層の半導体構造との間の低抵抗の接続を提供するという利点も有する。
【００１３】
図２に、本発明の特定の態様による、約８００ｎｍの波長を有する光を生じさせるＬＥＤ２００を示す。ＬＥＤ２００は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基体２５０、基体２５０上の多層のｎ型構造１３０、ｎ型構造１３０上の多層の固有構造１２０、固有構造１２０上の多層のｐ型構造１１０、及びｐ型構造１１０上の強化構造１４０を含む。以下のＬＥＤ２００の説明は、本発明の特定の一態様の詳細を提供するものである。しかし、当業者より理解されるように、材料、ドーパント、ドープ濃度、層の数、層の順及び層厚みといった特定の構造的なパラメータに関する詳細は、ＬＥＤの異なる態様のバリエーションに関するものとなっている。
【００１４】
基体２５０上に堆積又は成長させることができるｎ型構造１３０は、図２の例示的な態様では、５つの層２３２、２３４、２３５、２３６及び２３８を含む。底層２３２は、厚さ約２０ｎｍのインジウム−ガリウム−リン（ＩｎＧａＰ）のｎ型層であり、ケイ素（Ｓｉ）で約２×１０１８ｃｍ３の濃度にドープされている。次の３つの層２３４、２３５及び２３６は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びヒ素（Ａｓ）の混合物である。層２３２上に設けられている層２３４は、厚さ約３００ｎｍのＡｌ．３５Ｇａ．６５Ａｓであり、ケイ素で２×１０１８ｃｍ３の濃度にドープされている。層２３５上に設けられている層２３６は、厚さ約５００ｎｍのＡｌ．６５Ｇａ．３５Ａｓであり、ケイ素で約５×１０１７ｃｍ３の濃度にドープされている。層２３４及び２３６の間に設けられている層２３５は、ｘが０．３５〜０．６５の領域をとるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ混合物である傾斜層であり、これにより、層２３５の組成が、層２３４の組成から層２３６の組成へと円滑に移行するようになっている。傾斜層２３５は、約１５ｎｍの厚みを有し、ケイ素で約２×１０１８ｃｍ３の濃度にドープされている。上層のｎ型層２３８は、厚さ約１５ｎｍのｘが０．６５〜０．３５の領域をとるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの別の傾斜層であり、これにより、層２３８は、層２３６の組成から上層の層２２２の組成へと円滑に移行するようになっている。組成が傾斜した半導体層２３５及び２３８は、位置により異なる電子バンドギャップを有しており、堆積プロセス中に使用される構成成分の組成又は比を変化させることによってによって製作することができる。傾斜層は、接合の不連続を抑え、それにより、半導体層間の直列抵抗を低減することによって、電流を改善するために使用される。
【００１５】
固有構造１２０は、３つの層２２２、２２５及び２２８を含み、それにより、約８００ｎｍの所望の波長で光子を発生させるバンドギャップ構造を有する量子井戸を形成する。例示的な態様では、底層２２２は、Ａｌ．３５Ｇａ．６５Ａｓであり且つ厚さ約８０ｎｍであるドープされていない又は固有の混合物である。層２２５は、厚さ約１０ｎｍの混合物ＧａＡｓ．８８５Ｐ．１１５であり、層２２８は、ドープされていないＡｌ．３５Ｇａ．６５Ａｓであるが、厚さ約１０ｎｍの別の層である。層２２２、２２５及び２２８のバンドギャップは、層２２５が量子井戸に対応するように構成されている。さらに、量子井戸層２２５は、約＋０．４２％の引張り歪みを有しており、これは、層２２５の厚み及び量子井戸層２２５並びに層２２２及び２２８の格子定数の差によるものである。
【００１６】
ｐ型構造１１０は、図２の態様で、３つの層２１２、２１４及び２１６を含む。層２１２は、固有の層２２８と同じ混合物Ａｌ．３５Ｇａ．６５Ａｓであるが、厚さ約４０ｎｍであり、約１×１０１８ｃｍ３の濃度で炭素のドープがなされたｐ型である。層２１４は、厚さ約７ｎｍのＡｌ．２Ｇａ．８Ａｓであり、炭素のようなドーパントで約１×１０１８ｃｍ３の濃度にドープされている。層２１６は、厚さ約３ｎｍであり且つ亜鉛で約１×１０１８ｃｍ３の濃度にドープされているｐ型ＩｎＧａＰである。一般に、パーセル係数を大きくするためには、ｐ型構造１１０は、固有構造１２０内の上層の強化構造１４０と量子井戸との間の分離を最小限にするためにできるだけ薄くなっている。
【００１７】
強化構造１４０は、図１Ａに関連して上述したものと実質的に同じ構造を有していてよい。特に、強化構造１４０は、二酸化ケイ素のような絶縁材料、又はより好ましくは、隣接する半導体構造の屈折率により十分に適合する二酸化チタンのような高屈折率の絶縁体からなるバリア層１４４を含む。バリア層１４４は、好ましくは、約１０ｎｍ未満の厚さを有する。コンタクト１４６は、導電性の材料、例えば非拡散性の金属からなっており、層１４２とバリア１４４との間の界面で量子井戸の光モードと表面プラズモンとの相互作用を可能にする開口を有するパターンを有する。コンタクト１４６は、量子井戸からの自然放出の強化のプラズモン特性が乏しい材料からなっていてよく、したがって、コンタクト１４６のエリアでの所望のプラズモン相互作用を阻止し得る。理想的には、コンタクト１４６が表面プラズモン強化にほとんど寄与しないので、コンタクト１４６によって占有された面積は、最小限に維持される。したがって、コンタクトをより小さく作ることによって、自然放出の強化を改善することができるが、ＬＥＤ２００を通して駆動される電流に対する抵抗を増大させることもできる。コンタクト１４６の面積は、自然放出の強化及びダイオード抵抗についての問題を補償するように選択することができる。別態様では、強化構造１４０は、金属層１４２と下層の半導体構造との間の低抵抗コンタクトを提供する図１Ｂの強化構造１４５に置き換えることができる。
【００１８】
図３に、外部電極３１０及び３６０を含むプラズモニックＬＥＤ３００を示す。ＬＥＤ３００は、ｐ型構造１１０及び固有構造１２０を含み、これは、上述した種類のものであってよい。ＬＥＤ３００のｎ型構造３３０は、図２の層２３４、２３５、２３６及び２３８を含んでいてよい。層２３２は、基体２５０（図２）を貫通してエッチングを行い、ＬＥＤ３００の発光エリアの周りを囲む領域３５０（図３）が残るようにするプロセスのためのエッチストップ層として機能する。電極３６０は、基体の残りの領域３５０上に設けられ、任意の適切な組成物からなっていてよく、例えば、チタン接着層及び金コンタクト層を含んでいてよい。透明導体、例えばインジウムスズ酸化物は、別態様で又は追加的に、前記ＬＥＤ３００の発光エリア上にわたり利用することができる。
【００１９】
ＬＥＤ３００の強化構造は、ＡｇＺｎ又は極めて薄い（＜５ｎｍ）Ｐｔ拡散バリアを有するＰｔ／ＡｇＺｎのような材料の層１４２を含み、量子井戸中での自然放出によって生じる光子と強くカップリングして表面プラズモンを助成することができる。この層１４２は、標準的な技術、例えばｅビーム堆積又はスパッタリングによって堆積することができる。層１４２は、コンタクト３１０に電気的に接続されている。バリア層１４４及びコンタクト１４６は、図３の態様において、層１４２とｐ型構造１１０との間に設けられている。ＬＥＤ３００の活性エリアは、半導体構造の外部分内に注入された酸素によって規定することができ、それにより、駆動電流が導かれる活性領域の周りを囲む絶縁性の酸化物領域を生成する。別態様では、メサ構造を、量子井戸を通って底部ｎ型ＡｌＧａＡｓ層へエッチングすることによって形成することができる。高データレート信号送信のためのＬＥＤ３００の活性領域は、典型的には、約１０〜５０μｍの幅又は直径を有しており、それは、より大きなエリアでは、容量を増大させ信号の遅延を引き起こす傾向があるからである。ポリイミドのような材料の絶縁性の層３２０を、堆積させることもでき、それにより、電極３１０を通りＬＥＤ３００の活性エリアへの駆動電流がより十分に閉じ込めらる。
【００２０】
ＬＥＤ３００は、データ電送のために高い振動数変調を有していてよい正の極性の電気信号を電極３１０に付与することによって、作動させることができる。そして、電流は、電極３１０から層１４２及びコンタクト１４６を通ってｐ型構造１１０へと流れ、ｐ型構造１１０は、正孔を固有構造１２０へと注入する（つまり、固有構造１２０における電子価電子状態を空にする）。駆動電流はまた、電極３６０から、領域３５０、層２３２及びｎ型構造３３０を通って固有構造１２０へと流れる電子に対応し、その場合、導電電子は空の価電子状態となり、光子の自然放出を生じさせる。層１４２におけるプラズモン振動の利用可能性は、自然放出を所望の電磁モードへと強化させる。
【００２１】
以上、本発明を特定の態様を参照して説明したが、当該説明は、本発明の用途の例であるにすぎず、限定として解釈されるべきではない。開示の態様の特徴の他の様々な変更及び組合せが、以下の特許請求の領域により規定された本発明の範囲内にある。
【図１Ａ】
0005683493.tif 000002
【図１Ｂ】
0005683493.tif 000003
【図２】
0005683493.tif 000004
【図３】
0005683493.tif 000005