(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正孔を注入するためのｐドープ領域（１）と、
電子を注入するためのｎドープ領域（２）と、
複数の発光する第１種のＩｎＧａＮ量子井戸（４）と少なくとも１つの発光する第２種のＩｎＧａＮ量子井戸（５）とを有する活性領域と
を含む発光構造（７）であって、
前記活性領域は前記ｎドープ領域（２）と前記ｐドープ領域（１）の間に配置されており、前記第２種のＩｎＧａＮ量子井戸（５）のインジウム含有量は前記第１種のＩｎＧａＮ量子井戸（４）のインジウム含有量よりも高く、
前記第１種のＩｎＧａＮ量子井戸（４）は第１種の（Ｉｎ）ＧａＮバリア層（３）によって互いに分離されており、前記第２種の量子井戸（５）と前記第１種の辺縁の量子井戸（４）の間に第２種のバリア層（６）が配置されており、
前記第１種のバリア層（３）は１．０×１０17ｌ／ｃｍ3〜２．０×１０19ｌ／ｃｍ3の濃度でシリコンドープされており、
前記第２種のバリア層（６）は５×１０17ｌ／ｃｍ3を超えない濃度でシリコンドープされており、
前記第１種のバリア層（３）の厚さ（ｄ３）と前記第２種のバリア層（６）の厚さ（ｄ６）とは異なるように選定されており、
前記バリア層（３，６）の厚さ（ｄ３，ｄ６）はそれぞれ２ｎｍと６ｎｍの間である
ことを特徴とする発光構造（７）。
【請求項２】
前記第１種のバリア層（３）と前記第１種の量子井戸（４）のインジウム含有量の差は７％未満である、請求項１記載の発光構造（７）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第１種の量子井戸（４）は前記ｎドープ領域（２）に、前記少なくとも１つの第２種の量子井戸（５）は前記ｐドープ領域（１）に隣接している、請求項１または２記載の発光構造（７）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの第１種の量子井戸（４）のインジウム含有量は、前記少なくとも１つの第１種の量子井戸（４）から３７０ｎｍ〜４４０ｎｍまたは３７０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長域の放射が放射されるように設定されている、請求項１から３のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項５】
前記第１種のバリア層（３）のインジウム含有量は５％未満である、請求項１から４のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの第２種の量子井戸（５）のインジウム含有量は、前記少なくとも１つの第２種の量子井戸（５）から４４０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長域の放射が放射されるように設定されている、請求項１から５のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項７】
前記第２種の量子井戸（５）のインジウム含有量は１２％〜２５％であり、前記第２種の量子井戸（５）の厚さは、２ｎｍ〜７ｎｍである、請求項１から６のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項８】
前記第１種の量子井戸（４）のインジウム含有量は４％〜１２％であり、
前記第１種の量子井戸（４）の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍまたは２ｎｍ〜４ｎｍであり、
前記第１種の量子井戸（４）の数は前記第２種の量子井戸（５）の数よりも多い、請求項１から７のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項９】
前記発光構造（７）が正確に１つの第２種の量子井戸（５）と正確に１つの第２種のバリア層（６）を有する、請求項１から８のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項１０】
前記第１種の量子井戸（４）の個数は２〜３０である、請求項１から９のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項１１】
端の前記第１種の量子井戸（４）と前記第２種の量子井戸（５）が前記第２種のバリア層（６）に直に接している、請求項１から１０のいずれか１項記載の発光構造（７）。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項記載の発光構造（７）を有する素子であって、前記量子井戸の放射方向に、前記量子井戸（４，５）の光によって光学的にポンプされる蛍光体が後置して配置されている、ことを特徴とする素子。
【請求項１３】
複数の蛍光体の混合物が使用されており、当該混合物は前記第２種の量子井戸（５）に似た放射波長を有している、請求項１２記載の素子。
【請求項１４】
光路にＵＶ光または紫光の吸収体が配置されている、請求項１２または１３記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化インジウムガリウム量子井戸を含んだ発光構造に関する。
【０００２】
本特許出願は、ドイツ特許出願第10 2007 043 056.7号および第10 2007 058 723.8号の優先権を主張するものであり、それらの開示内容は参照により本願に含まれるものとする。
【０００３】
発光構造において、窒化インジウムガリウム量子井戸（以下ではＩｎＧａＮ量子井戸と呼ぶ）は（Ｉｎ）ＧａＮバリア層によって分離される。量子井戸とバリア層の間のヘテロ接合によって、電荷キャリア、つまり電子および正孔、の注入を困難にするポテンシャル障壁が形成される。ヘテロ接合のポテンシャル障壁は量子井戸とバリア層の間の高ピエゾ電界によって発生する。量子井戸の数とともにヘテロ接合の数も上昇するので、複数の量子井戸を含む発光構造を形成することは難しい。
【０００４】
したがって、解決すべき課題は、高い放射効率を有する発光構造を提供することである。
【０００５】
本願発明はｐドープされた領域とｎドープされた領域を包摂した発光構造を提示する。ｐドープされた領域は正孔注入のために設けられている。ｎドープされた領域は電子注入のために設けられている。
【０００６】
上記両領域の間には少なくとも１つの第１種のＩｎＧａＮ量子井戸が配置されている。有利には、上記両領域の間に第１種の量子井戸が複数配置されている。第１種の量子井戸は第１種の（Ｉｎ）ＧａＮバリア層によって、つまり、少なくともＧａＮと場合によってはさらにインジウムも含んでいてよい第１種のバリア層によって、互いに分離されている。
【０００７】
さらに、少なくとも１つの第２種のＩｎＧａＮ量子井戸も設けられている。第２種の量子井戸は第１種の量子井戸よりも高いインジウム含有量を特徴としている。
【０００８】
とりわけ、第１種の量子井戸は比較的低いインジウム含有量を有しており、第２種の量子井戸は比較的高いインジウム含有量を有している。それゆえ、発光構造は、とりわけバリア層の間に埋め込まれたインジウム含有量の低い多数の量子井戸から形成された活性領域を含んでいる。さらに、インジウム含有量の高い少なくとも１つの量子井戸が活性領域内に設けられている。有利には、少なくとも１つの第１種の量子井戸はｎドープされた領域に隣接しており、少なくとも１つの第２種の量子井戸はｐドープされた領域に隣接している。つまり、第１種の量子井戸は発光構造の活性領域のｎ側に配置されており、第２種の量子井戸は活性領域のｐ側に配置されている。この構造により、既に脱出した電荷キャリアを再び注入できるようになる。その結果、発光素子の効率が改善される。とりわけ、第１種の量子井戸のインジウム含有量が低いことによって、バリア層へのヘテロ接合におけるピエゾ電界が低減される。これにより、特に、インジウム含有量の高い量子井戸構造の場合に比べて、量子井戸構造への効率的な正孔注入が可能になる。
【０００９】
活性領域の中でｐドープ領域に隣接する側におけるインジウム含有量が高い量子井戸の場合、ｐドープ領域側のポテンシャル障壁は量子井戸構造近傍でのｐドーピングの制御と適切なドーパントプロフィールの選択とによって小さくすることができる。特に、ｐドープ剤としてマグネシウムが使用される。
【００１０】
発光構造の１つの実施形態では、第１種の量子井戸がＵＶ領域の光を放射し、第２種の量子井戸が青緑領域の光を放射するように、量子井戸が形成されている。
【００１１】
１つの実施形態によれば、第１種の量子井戸のインジウム含有量は、３７０ｎｍ〜４４０ｎｍの波長域の光線が放射されるように設定されている。第１種のバリア層をＧａＮから形成すれば、第１種の量子井戸から放射される光線の波長はとりわけ３７０ｎｍ〜４２０ｎｍである。これに対して、第１種のバリア層をＩｎＧａＮから形成すれば、波長はとりわけ３９０ｎｍ〜４４０ｎｍとなる。
【００１２】
第１種の量子井戸のインジウム含有量は有利には４％〜１２％に設定される。第１種の量子井戸はとりわけＩｎxＧａ1-xＮを含んでおり、０．０４≦ｘ≦０．１２である。
【００１３】
第１種の量子井戸の厚さは有利には２ｎｍ〜７ｎｍ、特に２ｎｍ〜４ｎｍである。
【００１４】
好ましくは、第１種のバリア層のインジウム含有量は５％未満となるように設定される。第１種のバリア層はとりわけＩｎxＧａ1-xＮを含んでおり、ｘ≦０．０５である。第１種のバリア層と第１種の量子井戸のインジウム含有量の差は７％未満でなければならない。特に好ましくは、差を５％未満にすべきである。
【００１５】
構造の１つの実施形態によれば、第２種の量子井戸のインジウム含有量は、４４０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長域の光線が放射されるように設定されている。
【００１６】
第２種の量子井戸のインジウム含有量は有利には１２％〜２５％である。第２種の量子井戸はとりわけＩｎxＧａ1-xＮを含んでおり、０．１２≦ｘ≦０．２５である。第２種の量子井戸の厚さは有利には２ｎｍ〜７ｎｍ、特に２ｎｍ〜４ｎｍである。
【００１７】
さらに長波長放射と短波長放射の強度比を制御するために、ドーピングとバリア層のドーパントプロフィールを適切に調節するようにしてもよい。１つの実施形態によれば、第１種のバリア層はシリコンでドープされている、それも１．０×１０17ｌ／ｃｍ3〜２．０×１０19ｌ／ｃｍ3の濃度でドープされている。
【００１８】
第１種の量子井戸を第２種の量子井戸から分離するために、これら２つの種類の量子井戸の間にさらに第２種のバリア層を設けてもよい。特に好ましくは、第１種の量子井戸と第２種の量子井戸が第２種のバリア層に直に隣接する。長波長放射と短波長放射の強度比を適切に調節するために、第２種のバリア層は５×１０17ｌ／ｃｍ3を超えない濃度でシリコンによってドープされている。第２種のバリア層はインジウム含有量の高い量子井戸とインジウム含有量の低い量子井戸の間のバリア層である。
【００１９】
強度比を制御するための別のパラメータはバリア層の厚さの適切な選択にある。有利には、バリア層の厚さは３ｎｍ〜１５ｎｍ、特に６ｎｍ〜１２ｎｍである。なお、第１種のバリア層の厚さと第２種のバリア層の厚さは同じにしてもよいし、異ならせてもよい。
【００２０】
長波長放射と短波長放射の強度比を調節するために、第１種の量子井戸の数も調節してよい。
【００２１】
量子井戸の数は好ましくは１〜３０である。
【００２２】
たしかに、活性領域の中でｐドープ領域に隣接する側では、第２種の量子井戸のインジウム含有量が比較的高いため、比較的高いポテンシャル障壁が生じる。しかし、これは適切なｐドーピングによって低減させることができるので、十分に良好な正孔伝導が保証される。ただし、第１種の量子井戸への正孔伝導は低下してしまう。それにもかかわらず第１種の量子井戸への良好な正孔注入を可能にするためには、ポテンシャル障壁を低くする。これは第１種の量子井戸のインジウム含有量を比較的少なくすることによって達成される。インジウム含有量は有利には第１種の量子井戸では第２種の量子井戸よりも低い。さらに、有利には、第１種の量子井戸のインジウム含有量と第２種のバリア層のインジウム含有量の差が減少させられる。これはバリア層中のインジウム含有量を上げることによって達成できる。しかし、この差の減少は量子井戸の電荷キャリア含有の低下につながる。それゆえ、有利には、第１種の量子井戸が複数を使用される。その一方で、第２種の量子井戸は１つで十分でありうる。つまり、第１種の量子井戸の数は有利には第２種の量子井戸の数よりも多い。ここに説明した構造は蛍光体の効率と演色を改善するために使用することができる。蛍光体は純物質として存在していてもよく、それゆえ好ましい波長域において放射することができる。あるいは、比較的広い波長スペクトルを放射する蛍光体の混合物も考えられる。
【００２３】
蛍光体または蛍光体の混合物を、明るさおよび／または演色に関して、とりわけ、構造から放射される光線のピークの相対強度に関して最適化してもよい。
【００２４】
ここに説明した構造は、特に、１つの蛍光体またはこの構造の量子井戸に似た放射波長を有する複数の蛍光体の混合物とあわせて使用することができる。蛍光体は構造から放射される短波長の光によって光学的にポンプすることができる。その結果放射されるスペクトルは、例えば、青色または緑色の領域における背景放射が拡大した、青色または緑色の領域が強化された放射として現れる。この広帯域の青色または緑色の放射は、人間の目には、比較的狭い波長域で放射される量子井戸の光よりも心地よくまたは軟らかく感じられる。
【００２５】
必要ならば、吸収後に蛍光体中に残った短波長の光成分を適切な吸収材によって吸収してもよい。この吸収材はコーティングまたはカプセルとしてよい。
【００２６】
これに相応して、発光構造を有する素子が提供される。この素子では、量子井戸の放射方向において少なくとも１つの蛍光体が発光構造に後置されており、この蛍光体は量子井戸の、とりわけ第１種の量子井戸の、光によって光学的にポンプされる。
【００２７】
ここで、蛍光体は純物質であってもよいし、複数の蛍光体の混合物であってもよい。例えば、蛍光体または混合物は量子井戸に似た放射波長を有していてよい。
【００２８】
蛍光体はそれぞれ異なる波長域の光を放射する互いに別の種類のものであってよい。
【００２９】
以下では、発光構造と素子を実施例に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】発光構造の概略的な断面を示す。
【図２】発光構造から放射されるスペクトルを波長に応じて示す。
【図３】発光構造と着色料の混合物とを有する素子を示す。
【図４】発光構造と種々の蛍光体とを有する素子を示す。
【図５】図４の素子から放射される光を波長に応じて示す。
【図６】青色光の領域に広いピークを有する図３の素子から放射される光を波長に応じて示す。
【図７】緑色光の領域に広いピークを有する図３の素子から放射される光を波長に応じて示す。
【００３１】
これらの図は縮尺通りではない。それゆえ、見易さのために、それぞれの寸法が拡大または縮小して表示されていることがある。
【００３２】
図中、同一の機能を果たす要素は同じ参照記号を付されている。
【００３３】
図１には、層の積み重ねを有する発光構造７が示されている。この構造の下面には、電圧が印加されたときに発光構造に電子を注入するために設けられたｎドープ領域２がある。
【００３４】
ｎドープ領域の上面には第１種の量子井戸４が複数配置されている。第１種の量子井戸４はＩｎＧａＮを含んでいる。ここで、インジウム含有量は、励起の際に量子井戸からＵＶ放射ないし紫光放射が放射されるように選ばれている。第１種の量子井戸４は第１種のバリア層によって互いに分離されている。発光構造７の上部には第２種の量子井戸５が配置されている。第２種の量子井戸５も同様に窒化インジウムガリウムを含んでいる。ここで、第２種の量子井戸５のインジウム含有量は青色または緑色のスペクトル領域で放射が行われるように選ばれている。第２種の量子井戸５は第２種のバリア層６によって直接隣接する第１種の量子井戸４から分離されている。有利には、第１種の量子井戸４の全体が第２種の量子井戸５の上にある。
【００３５】
第２種の量子井戸５の上面には、発光構造７への正孔の注入に使用されるｐドープ領域１がある。第２種のバリア層６の厚さｄ６は有利には３ｎｍ〜１５ｎｍ、特に２ｎｍ〜６ｎｍとしてよい。第１種のバリア層３の厚さｄ３についても同じことが言える。第１種のバリア層３は３ｎｍ〜１５ｎｍ、特に２ｎｍ〜６ｎｍの範囲の厚さを有する。厚さｄ３およびｄ６は同じであってよいし、異なっていてもよい。
【００３６】
ｐ側のポテンシャル障壁を制御するために、マグネシウムドーパントプロフィールが設計されている。このプロフィールで、マグネシウム濃度は、ｐ型伝導領域の下限から始まって、最大値がｐ型伝導領域の上限から２ｎｍ〜１５ｎｍの距離に達するまで連続的に上昇する。マグネシウムの最大濃度は１．０〜１００×１０18ｌ／ｃｍ3である。マグネシウム濃度は装置のｐ型コンタクトの方に向かってこの最大値から再び最小濃度に達するまで低下する。最小マグネシウム濃度は最大マグネシウム濃度の１／３から１／２である。例えば窒化ガリウム層として実施しうるｐ型コンタクトの方に向かって、マグネシウム濃度は再び上昇し、有利には５．０×１０19ｌ／ｃｍ3よりも高い。
【００３７】
第１種の量子井戸の数は変化しうる。これは破線で示された第１種の量子井戸４と第１種のバリア層３との組合せによって示唆されている。量子井戸の数は例えば１から３０の間で変化しうる。図１に示されているシステム全体が素子の一部、とりわけ発光ダイオード（ＬＥＤ）の一部であってもよい。
【００３８】
図２には、例えば図１に示されているような発光構造の放射スペクトルが示されている。第１種の量子井戸は、曲線１０４によって示されている波長λに依存する強度を有する光を放射する。曲線１０４は第１種の量子井戸４について波長に依存して光放射を示したものである。
【００３９】
第２種の量子井戸は、曲線１０５によって示されている波長に依存する強度を有する光を放射する。曲線１０５は波長に依存して第２種の量子井戸の放射を示したものである。放射光の全体的なスペクトルは曲線１００によって示されている。
【００４０】
図２の放射スペクトルは、例えば、インジウム含有量が３％を超えない第１種のバリア層、インジウム含有量はおよそ８％の第１種の量子井戸、インジウム含有量が５％を超えない第２種のバリア層、およびインジウム含有量は１８％までの第２種の量子井戸を使用することによって生じる。とりわけ、第１種のバリア層はｘ≦０．０３のＩｎxＧａ1-xＮを含んでおり、第１種の量子井戸はｘ≒０．０８のＩｎxＧａ1-xＮを含んでおり、第２種のバリア層はｘ≦０．０５のＩｎxＧａ1-xＮを含んでおり、第２種の量子井戸はｘ≦０．１８のＩｎxＧａ1-xＮを含んでいる。
【００４１】
第１種の量子井戸から放射される光は４００ｎｍ〜４５０ｎｍのピーク波長λ４を有している。
【００４２】
第２種の量子井戸から放射される光は４５０ｎｍ〜５００ｎｍのピーク波長λ５を有している。
【００４３】
図３には、例えば図１に示されている発光構造７の上に蛍光体層８の置かれた素子が示されている。なお、蛍光体層８は蛍光体の混合物を含んでいる。
【００４４】
図３の例では、蛍光体層８は、窒化ケイ酸塩に基づいた蛍光体の形で、青色に発光する蛍光体を含んでいてよい。緑色に発光する蛍光体は例えばＹＡＧに基づいた蛍光体としてよい。例えば、蛍光体として、ＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+）を使用してよい。
【００４５】
蛍光体層８は発光構造７から放射された光をポンプ動作の意味で部分的に吸収し、自らは種々の波長の光を放射する。
【００４６】
図３に示されている装置の放射光は例えば図６に示されている。図２に図示されているのと同様に実現されたピーク波長λ４およびλ５の他に、蛍光体層８から放射された光も存在している。蛍光体層８から放射される、波長に依存した光の強度は、図６の曲線１０８によって示されている。蛍光体層８から放射された光はピーク波長λ４およびλ５を有する放射に重畳して、スペクトル１００で示されている全体的な放射を形成する。蛍光体層８を使用することにより、何よりも青色スペクトル領域で放射されるピークの幅を明らかに広げることができることが分かる。これにより、人間の目による知覚がより心地よくなる。
【００４７】
図７には別の実施例が示されている。このケースでは、第２種の量子井戸の放射ピークは５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内に選ばれている。蛍光体層８を適切に選択することにより、蛍光体層８の放射も同様にこの波長域で行うことができる。蛍光体層８から放射される光は曲線１０８によって示されている。曲線１００によって示されているスペクトル全体において、蛍光体層８の使用により、ピーク波長がピーク波長λ５の領域にある場合に緑色光の領域の放射ピークが広がることが示されている。これにより、人間の目にとっての光の印象がより心地よくなる。
【００４８】
図４には、発光構造７の上面に同様に蛍光体の配置された素子が示されている。図３の実施形態とは異なり、異なる２つの種類の蛍光体を交互に積み重ねた層が設けられている。ここでは、第１種の蛍光体層９１と第２種の蛍光体層９２が交互している。
【００４９】
蛍光体層９１は有利には緑色に発光する蛍光体としてよく、一方、蛍光体層９２には黄赤色（オレンジ色）に発光する蛍光体が選ばれる。蛍光体層９１と９２の違いは励起効率にある。蛍光体層９１の励起効率は波長λ４での方が良く、蛍光体層９２では、波長λ５での方が励起効率が良い。
【００５０】
図４の実施形態では、放射スペクトルは図５に示されているように実現してよい。その際、異なる蛍光体材料を使用することにより、蛍光体材料からは異なる波長の光が放射される。第１種の蛍光体層９１はピーク波長λ９１をもつ光を放射する。波長に依存する強度は曲線１９１によって示されている。第２種の蛍光体層９２は、ピーク波長λ９１よりも大きなピーク波長λ９２をもつ光を放射する。第２種の蛍光体層９２によって放射される光の強度は曲線１９２によって示されている。全体スペクトル１００では、５００ｎｍから６００ｎｍを超えるまでの間の青色領域に達する非常にバランスのとれた強度が生じている。図４に示されている４波長放射体は良好な色分布を形成し、人間の目によって知覚される色印象を改善することができる。これはとりわけ色スペクトルの緑色領域における遮蔽を改善することによって可能になる。
【００５１】
図示された多層構成の利点は、チップ平面での変換を比較的薄い層を用いて実行できる点にある。とりわけ、層の厚さは薄い層を繰り返し堆積させることで全体として大きくすることができ、それによって光変換の効率も改善される。
【００５２】
さらに、最終的な放射スペクトルは蛍光体層９１と蛍光体層９２の厚さを適応調整することによって生じさせることができる。
【００５３】
本発明は実施例に基づいた上記の記述に限定されない。むしろ、本発明は、あらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴の組み合わせ各々が含まれ、このことはそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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