(57)【要約】高放出強度および低効率ドループ半極性青色発光ダイオード（ＬＥＤ）。本発明の一実施形態において、発光素子は、青色放出波長においてピーク放出を有する、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、ＬＥＤは、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上で成長され、青色放出波長におけるピーク放出は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。
2014516214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子であって、
青色放出波長においてピーク放出を有する、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、
前記ＬＥＤは、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上で成長され、
前記青色放出波長における前記ピーク放出は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する、素子。
【請求項２】
前記ＬＥＤは、半極性（２０−２−１）ＧａＮ基板上で成長される、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記ＬＥＤは、半極性（２０−２１）ＧａＮ基板上で成長される、請求項１に記載の素子。
【請求項４】
前記青色放出波長は、４３０ナノメートル（ｎｍ）〜４７０ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の素子。
【請求項５】
前記ＬＥＤの効率ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１％未満であり、少なくとも５０Ａ／ｃｍ２の電流密度において、５％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満であり、または少なくとも２００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１５％未満である、請求項１に記載の素子。
【請求項６】
前記ＧａＮ基板上または前記ＧａＮ基板の上方のｎ型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｎ−ＳＬ）と、
障壁を有する１つ以上のインジウム含有量子井戸（ＱＷ）を備える、前記ｎ−ＳＬ上または前記ｎ−ＳＬの上方のＩＩＩ族窒化物活性領域であって、前記量子井戸は、あるＱＷ数、ＱＷ組成物、およびＱＷ厚を有し、前記障壁は、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有する、活性領域と、
前記活性領域上または前記活性領域の上方のｐ型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｐ−ＳＬ）と、
をさらに備え、
前記ｎ−ＳＬは、ある周期数と、ＳＬドーピングと、ＳＬ組成物と、それぞれがある層厚を有する複数の層とを備え、
前記ＱＷ数、前記ＱＷ組成物、前記ＱＷ厚、前記障壁組成物、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記ＳＬドーピング、前記ＳＬ組成物、前記層厚は、
前記ピーク放出が、前記青色放出波長におけるものであり、かつ、
前記ＬＥＤが、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度で駆動されるとき、前記青色放出波長における前記ピーク放出が、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する
ようなものである、請求項２に記載の素子。
【請求項７】
前記基板の半極性平面上または前記基板の半極性平面の上方のｎ型ＧａＮ層であって、
前記基板は、粗面背面を有する半極性ＧａＮ基板であり、前記粗面背面は、前記発光素子から光を抽出し、
前記ｎ−ＳＬは、前記ｎ型ＧａＮ層上または前記ｎ型ＧａＮ層の上方に交互のＩｎＧａＮおよびＧａＮ層を備える、
ｎ型ＧａＮ層と、
ＧａＮ障壁を有するＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を備える、前記ｎ−ＳＬ上または前記ｎ−ＳＬの上方の活性領域と、
交互のＡｌＧａＮおよびＧａＮ層を備える、前記活性領域上または前記活性領域の上方のｐ型超格子（ｐ−ＳＬ）と、
前記ｐ−ＳＬ上または前記ｐ−ＳＬの上方のｐ型ＧａＮ層と、
前記ｐ型ＧａＮ層上または前記ｐ型ＧａＮ層の上方のｐ型透明伝導性層と、
前記ｐ型透明伝導性層上または前記ｐ型透明伝導性層の上方のｐ型パッドと、
前記ｎ型ＧａＮ層へのｎ型接点と、
前記半極性ＧａＮ基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントと、
前記ＺｎＯサブマウントの端部に付着されたヘッダと、
前記ＬＥＤを封入する封入材料であって、ＬＥＤである前記素子構造の活性面積は、０．１ｍｍ２以下である、封入材料と
をさらに備える、請求項１に記載の素子構造。
【請求項８】
発光素子を製造する方法であって、
半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を成長させることを含み、
前記ＬＥＤは、青色放出波長において、ピーク放出を有し、
前記青色放出波長における前記ピーク放出は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する、方法。
【請求項９】
前記ＬＥＤは、半極性（２０−２−１）ＧａＮ基板上で成長される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＬＥＤは、半極性（２０−２１）ＧａＮ基板上で成長される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記青色放出波長は、４３０ナノメートル（ｎｍ）〜４７０ｎｍである、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＬＥＤの効率ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１％未満であり、少なくとも５０Ａ／ｃｍ２の電流密度において、５％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満であり、または少なくとも２００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１５％未満である、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＬＥＤを成長させることはさらに、
前記ＧａＮ基板上または前記ＧａＮ基板の上方にＩＩＩ族窒化物ｎ型超格子（ｎ−ＳＬ）を成長させることと、
前記ｎ−ＳＬ上または前記ｎ−ＳＬの上方に、障壁を有する１つ以上のインジウム含有量子井戸（ＱＷ）を備える、ＩＩＩ族窒化物活性領域を成長させることであって、前記量子井戸は、あるＱＷ数、ＱＷ組成物、およびＱＷ厚を有し、前記障壁は、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有する、ことと、
前記活性領域上または前記活性領域の上方に、ＩＩＩ族窒化物ｐ型超格子（ｐ−ＳＬ）を成長させることと
を含み、
前記ｎ−ＳＬは、ある周期数と、ＳＬドーピングと、ＳＬ組成物と、それぞれがある層厚を有する複数の層とを備え、
前記ＱＷ数、前記ＱＷ組成物、前記ＱＷ厚、前記障壁組成物、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記ＳＬドーピング、前記ＳＬ組成物、前記層厚は、
前記ピーク放出が、前記青色放出波長におけるものであり、かつ、
前記ＬＥＤが、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度で駆動されるとき、前記青色放出波長における前記ピーク放出が、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する、
ようなものである、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
発光素子であって、
青色放出波長においてピーク放出を有する、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、
前記ＬＥＤは、バルク半極性または非極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上で成長され、
効率ドループは、類似したインジウム（Ｉｎ）組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性ＧａＮ基板上で成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤより低い、素子。
【請求項１５】
前記半極性基板は、半極性（２０−２−１）基板である、請求項１４に記載の素子。
【請求項１６】
前記ＬＥＤの放出スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、類似したインジウム組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性ＧａＮ基板上で成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤの放出スペクトルのＦＷＨＭより低い、請求項１４に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／４９５，８４０号（Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｆ．  Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｃｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ、Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ、およびＳｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａにより２０１１年６月１０日出願、名称「ＨＩＧＨ  ＥＭＩＳＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＡＮＤ  ＬＯＷ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＤＲＯＯＰ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ｛２０−２−１｝  ＢＬＵＥ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ」、代理人事件番号３０７９４．４１６−ＵＳ−Ｐ１  （ＵＣ  ２０１１−８３３−１））の利益を主張し、その出願は、参照によって本明細書中に援用される。
【０００２】
本願は、同時係属および同一人に譲渡された米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｆ．  Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ、およびＣｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎにより２０１０年６月１０日出願、名称「ＬＯＷ  ＤＲＯＯＰ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＯＮ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、代理人事件番号３０７９４．４１５−ＵＳ−Ｕ１  （ＵＣ  ２０１１−８３２−１）、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもと、米国仮特許出願第６１／４９５，８２９号（Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｆ．  Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ、およびＣｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎにより２０１０年６月１０日出願、名称「ＬＯＷ  ＤＲＯＯＰ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＯＮ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ｛２０−２−１｝  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、代理人事件番号３０７９４．４１５−ＵＳ−Ｐ１  （ＵＣ  ２０１１−８３２−１））の利益を主張する））と、
米国特許出願第１２／２８４，４４９号（Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｔ．  Ｈａｒｄｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．  Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａにより２０１１年１０月２８日出願、名称「ＳＴＲＡＩＮ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ  ＳＨＯＲＴ−ＰＥＲＩＯＤ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＯＮ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ  ＦＯＲ  ＤＥＦＥＣＴ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＴＲＥＳＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」代理人事件番号３０７９４．３９６−ＵＳ−Ｕ１  （２０１１−２０３）、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／４０８，２８０号（Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｔ．  Ｈａｒｄｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．  Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａにより２０１０年１０月２９日出願、名称「ＳＴＲＡＩＮ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ  ＳＨＯＲＴ−ＰＥＲＩＯＤ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＯＮ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ  ＦＯＲ  ＤＥＦＥＣＴ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＴＲＥＳＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」、代理人事件番号３０７９４．３９６−ＵＳ−Ｐ１  （２０１１−２０３）の利益を主張する））と、
米国特許出願第１２／９０８，７９３号（名称「ＬＥＤ  ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＷＩＴＨ  ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＨＥＡＴ  ＤＩＳＳＩＰＡＴＩＯＮ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＳＴＡＮＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ」、Ｃｈｉｈ  Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ、Ｊｕｎ  Ｓｅｏｋ  Ｈａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪｕｎｉｃｈｉ  Ｓｏｎｏｄａにより２０１０年１０月２０日出願、代理人事件番号３０７９４．３３５−ＵＳ−Ｐ１、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもと、米国仮特許出願第６１／２５８，０５６号（名称「ＬＥＤ  ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＷＩＴＨ  ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＨＥＡＴ  ＤＩＳＳＩＰＡＴＩＯＮ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＳＴＡＮＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ」、Ｃｈｉｈ  Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ、Ｊｕｎ  Ｓｅｏｋ  Ｈａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪｕｎｉｃｈｉ  Ｓｏｎｏｄａにより２００９年１１月４日出願、代理人事件番号３０７９４．３３５−ＵＳ−Ｐ１の利益を主張する））と
に関連し、これらの出願のすべては、参照によって本明細書中に援用される。
【０００３】
（１．発明の分野）
本発明は、概して、電子および光電子素子の分野に関し、より具体的には、高放出強度および低効率ドループ半極性（例えば、｛２０−１−１｝）青色発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［Ｘ］によっていくつかの異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる）。
【０００５】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）は、携帯電話、背面照明、および一般的照明におけるその用途のため、多くの注目を集めている。しかしながら、ウルツ鉱結晶のｃ−平面上に成長されるＬＥＤは、活性領域中にバンド曲がりを生じさせる大規模な分極関連電場による量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）をこうむり、電子および正孔波動関数の空間分離が原因のより低い内部量子効率をもたらす。また、内部量子効率はさらに、キャリア濃度の３乗に比例する、オージェ非放射性再結合により、より高い電流密度領域において低減される。
【０００６】
半極性（２０−２−１）ＧａＮ系素子は、非常に小さいＱＣＳＥを呈し、電子−正孔波動関数重複の増加により、放射性再結合率を増加させるため、高放出効率ＬＥＤに対して有望である。加えて、半極性（２０−２−１）青色ＬＥＤはまた、異なる電流密度において、極性（ｃ−平面）青色ＬＥＤと比較して、より狭い半値全幅（ＦＷＨＭ）を呈し、これは、合金支援オージェ非放射性再結合を低減させるため、比較的に高内部量子効率に寄与し得る。
【０００７】
したがって、当技術分野において、ＬＥＤにおいて高放出強度および低効率ドループを提供するための改良された方法の必要性が存在する。本発明は、本必要性を満たす。具体的には、本発明は、高放出強度および低効率ドループ半極性｛２０−１−１｝青色ＬＥＤについて説明する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の先行技術における制限を克服し、かつ本明細書の熟読および理解に応じて明白となるであろう他の制限を克服するために、本発明は、半極性（２０−２−１）平面上に成長される、小型チップサイズ（〜０．１ｍｍ２）を有する窒化物系青色ＬＥＤを実証し、窒化物系青色ＬＥＤは、新規の透明な垂直幾何学形状ＺｎＯバーでパッケージ化され、パルス動作（１％デューティサイクル）下で、電流密度３５Ａ／ｃｍ２において、５２．５６％の外部量子効率（ＥＱＥ）レベル、およびわずか０．７％の効率ロールオーバー（ＥＱＥｐｅａｋ＝５２．９１％＠１０Ａ／ｃｍ２）、電流密度５０Ａ／ｃｍ２において、５０．６７％の外部量子効率（ＥＱＥ）レベル、およびわずか４．２５％の効率ロールオーバー、電流密度１００Ａ／ｃｍ２において、４８．４４％の外部量子効率（ＥＱＥ）レベル、およびわずか８．４６％の効率ロールオーバー、ならびに電流密度２００Ａ／ｃｍ２において、４５．３５％の外部量子効率（ＥＱＥ）レベル、およびわずか１４．３％の効率ロールオーバーを達成する。ＤＣ条件下、小型チップサイズを有する（２０−２−１）青色ＬＥＤはまた、電流密度３５Ａ／ｃｍ２において、５０．７３％のＥＱＥレベル、およびわずか１．６９％の効率ロールオーバー（ＥＱＥｐｅａｋ＝５１．６％＠２０Ａ／ｃｍ２）、電流密度５０Ａ／ｃｍ２において、４９．３１％のＥＱＥレベル、わずか４．４４％の効率ロールオーバー、電流密度１００Ａ／ｃｍ２において、４６．０２％のＥＱＥレベル、およびわずか１０．８１％の効率ロールオーバー、ならびに電流密度２００Ａ／ｃｍ２において、４１．４％のＥＱＥレベル、およびわずか１９．７９％の効率ロールオーバーを達成することができる。
【０００９】
本発明はまた、青色放出波長においてピーク放出を有する、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を開示し、ＬＥＤは、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上で成長され、青色放出波長におけるピーク放出は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。
【００１０】
ＬＥＤは、例えば、半極性（２０−２−１）または（２０−２１）ＧａＮ基板上で成長され得る。
【００１１】
青色放出波長は、４３０〜４７０ｎｍの範囲内であり得る。
【００１２】
ＬＥＤの効率ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１％未満であり、少なくとも５０Ａ／ｃｍ２の電流密度において、５％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満であり、および／または少なくとも２００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１５％未満であり得る。
【００１３】
素子はさらに、ＧａＮ基板上またはその上方のｎ型超格子（ｎ−ＳＬ）（例えば、ＩＩＩ族窒化物超格子（ＳＬ））と、障壁を有する１つ以上のインジウム含有量子井戸（ＱＷ）を備える、ｎ−ＳＬ上またはその上方のＩＩＩ族窒化物活性領域であって、量子井戸が、あるＱＷ数、ＱＷ組成物、およびＱＷ厚を有し、障壁が、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有する、活性領域と、活性領域上またはその上方のｐ型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｐ−ＳＬ）とを備え得る。ｎ−ＳＬは、ある周期数と、ＳＬドーピングと、ＳＬ組成物と、それぞれがある層厚を有する層とを備え得、ＱＷ数、ＱＷ組成物、ＱＷ厚、障壁組成物、障壁厚、障壁ドーピング、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成物、層厚は、ピーク放出が、青色放出波長におけるものであり、ＬＥＤが、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出が、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有するようなものであり得る。
【００１４】
ｎ−ＳＬは、ｎ型ＧａＮ層上またはその上方に、交互のＩｎＧａＮおよびＧａＮ層を備え得、ｎ型ＧａＮ層は、基板の半極性平面上またはその上方にある。
【００１５】
ＧａＮ障壁を伴うＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を備える、活性領域は、ｎ−ＳＬ上またはその上方にあり得る。
【００１６】
交互ＡｌＧａＮおよびＧａＮ層を備える、ｐ型ＳＬ（ｐ−ＳＬ）は、活性領域上またはその上方にあり得る。
【００１７】
基板は、粗面背面を有する、半極性ＧａＮ基板であり得、粗面背面は、発光素子から光を抽出する。
【００１８】
素子はさらに、ｐ−ＳＬ上またはその上方のｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層上またはその上方のｐ型透明伝導性層と、ｐ型透明伝導性層上またはその上方のｐ型パッドと、ｎ型ＧａＮ層へのｎ型接点と、半極性ＧａＮ基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントと、ＺｎＯサブマウントの端部に付着されたヘッダと、ＬＥＤを封入する封入材料とを備え得る。ＬＥＤ素子構造の活性面積は、０．１ｍｍ２以下であり得る。
【００１９】
本発明はさらに、青色放出波長においてピーク放出を有する、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を開示し、ＬＥＤは、バルク半極性または非極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上で成長され、効率ドループは、類似したインジウム（Ｉｎ）組成物を有し、かつ、類似した電流密度で動作する、極性ＧａＮ基板上で成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤより低い。ＬＥＤの放出スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、類似したインジウム組成物を有し、類似した電流密度で動作する、極性ＧａＮ基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤの放出スペクトルのＦＷＨＭより低くあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
次に、全体を通して類似参照数字が対応する部品を表す、図面を参照する。
【図１（ａ）】図１（ａ）は、本発明の一実施形態による、ＭＯＣＶＤによって半極性｛２０−２−１｝ＧａＮ基板上に成長された半極性｛２０−２−１｝ＬＥＤのエピ構造を図示する、断面概略図である。
【図１（ｂ）】図１（ｂ）は、素子へと加工された図１（ａ）の構造を図示する、断面概略図である。
【図１（ｃ）】図１（ｃ）は、ＬＥＤの半極性ＧａＮ基板に付着される酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントを図示する。
【図２】図２は、本発明のある実施形態による、光電子素子を製造する方法を図示する、流れ図である。
【図３】図３は、２００Ａ／ｃｍ２までの異なる電流密度における、半極性（２０−２−１）ＬＥＤの光出力（ＬＯＰ）（ｍＷ）および外部量子効率（ＥＱＥ）（％）を示す、グラフである。
【図４】図４は、２００Ａ／ｃｍ２までの異なるパルス（１％デューティサイクル）電流密度における、極性ｃ−平面（０００１）ＬＥＤおよび半極性（２０−２−１）ＬＥＤの両方のＬＯＰ（ｍＷ）およびＥＱＥ（％）を示す、グラフである。
【図５】図５は、異なる電流密度における、極性（ｃ−平面）および半極性（２０−２−１）ＧａＮ系素子の両方の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す。
【図６】図６は、図１（ｂ）に示されるような構造を有する青色発光ダイオードに対して、電流密度（Ａ／ｃｍ２）の関数としての放出波長（ｎｍ）および電流密度の関数としてのＦＷＨＭ（ｎｍ）を示す、グラフである。
【図７】図７（ａ）は、５１５ｎｍにおけるピーク放出波長および２５ｎｍのＦＷＨＭを有する（２０−２−１）ＬＥＤと、５１６ｎｍにおけるピーク放出波長および４０ｎｍのＦＷＨＭを有する（２０−２−１）ＬＥＤに対して、波長の関数としてのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）をプロットする、グラフである。図７（ｂ）は、ｃ−平面ＬＥＤ、（１１−２２）ＬＥＤ、（２０−２１）ＬＥＤ、および（２０−２−１）ＬＥＤに対して、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するＬＥＤの波長の関数としてのＦＷＨＭ（ｎｍ）をプロットする、グラフである。
【図８】図８（ａ）は、ｃ−平面ＬＥＤ、（１１−２２）ＬＥＤ、（２０−２１）ＬＥＤ、および（２０−２−１）ＬＥＤに対して、駆動電流の関数としてのＥＬ波長（ｎｍ）をプロットする、グラフであり、ＬＥＤチップサイズは、〜０．０１ｍｍ２である。図８（ｂ）は、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有する（（１１−２２）ＬＥＤ、（２０−２１）ＬＥＤ、および（２０−２−１）ＬＥＤ）ＬＥＤに対して駆動電流の関数としてのＦＷＨＭ（ｎｍ）をプロットする、グラフである。
【図９】緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するＬＥＤに対して、図９（ａ）は、駆動電流の関数としてのＥＬ波長（ｎｍ）およびＦＷＨＭをプロットする、グラフであって、図９（ｂ）は、種々の駆動電流の波長の関数としてのＥＬ強度をプロットする、グラフである。
【図１０】図１０は、等方性歪み構造（ｃ−平面）および異方性歪み構造（半極性）に対するオージェ再結合プロセスを図示する、図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の好ましい実施形態の説明において、本明細書の一部を形成し、かつ本発明が実施され得る特定の実施形態を例証する目的で示される添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことが理解される。
【００２２】
概要
本発明は、高放出強度および低効率ドループ半極性（２０−２−１）青色ＬＥＤを開示する。これらのＬＥＤは、懐中電灯、テレビ、街灯、自動車用照明、および一般的照明（屋内および屋外両方）を含む、種々の製品内で使用され得る。
【００２３】
半極性（２０−２−１）青色ＬＥＤにおいて観察されたドループ低減により、半極性（２０−２−１）青色ＬＥＤは、パターン化されたサファイア基板または炭化ケイ素基板上で成長された市販のｃ−平面ＬＥＤと比較して、特に、高放出強度および極低効率ロールオーバー素子において、利点をもたらす。
【００２４】
技術説明
極性（ｃ−平面）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）ＬＥＤのピーク量子効率は、超低電流密度（典型的には、＜１０Ａ／ｃｍ２）において生じ、さらなる注入電流の増加に伴って、徐々に減少し、これは、高電力ＬＥＤ用途に対する臨界制限となる。「効率ドループ」として知られる本現象は、ＬＥＤのピーク放出波長が、ＵＶスペクトル範囲から、青色および緑色スペクトル範囲に向かってさらに増加する間、より深刻となる。オージェ再結合、電子漏出、キャリア注入効率、分極場、および局在状態のバンドフィリング等、「効率ドループ」の起源に関する多くの理論が、報告されている。
【００２５】
ＩｎＧａＮ青色ＬＥＤにおける効率ドループの調査に関して、分極関連電場による非放射性オージェ再結合またはキャリア漏出が、効率ドループの原因に関係があるとされている。ＩｎＧａＮ青色ＬＥＤを成長させるための基板として半極性バルクＧａＮを使用することによって、分極誘発ＱＣＳＥは、活性領域内で低減され、より高い放射性再結合率をもたらし、ＬＥＤの全体的放出効率（外部量子効率）を増加させることができる。そのうえ、量子井戸内のキャリア濃度の低下をもたらす、半極性ＬＥＤの活性領域内の電子および正孔のより均一な分布が、非放射性オージェ再結合を低減させることができ、非放射性オージェ再結合は、効率ドループを生じさせる別のあり得るメカニズムである。
【００２６】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態による、ＭＯＣＶＤによって、ＧａＮ半極性｛２０−２−１｝基板１０２上に成長された青色ＬＥＤのエピ構造１００を図示する。本素子構造は、５×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を有する１μｍ厚の非ドープＧａＮ層１０４と、その後に続く１０対のｎ型ドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ／ＧａＮ（３／３ｎｍ）超格子（ＳＬ）１０６とから成る。次いで、３周期ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ活性領域１０８が、成長され、３周期ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ活性領域１０８は、３．０ｎｍ厚のＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸および１３ｎｍ厚のＧａＮ障壁（２×１０１７ｃｍ−３Ｓｉドーピングを有する第１のＧａＮ障壁）から成る。活性領域の上部には、電子遮断層（ＥＢＬ）として作用する５対のｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮ（２／２ｎｍ）ＳＬ１１０と、５×１０１７ｃｍ−３の正孔濃度を有する０．２μｍ厚のｐ型ＧａＮキャッピング層１１２とがある。
【００２７】
図１（ｂ）は、メサ１１４およびｐ型ＧａＮ層１１２上またはその上方のｐ型透明伝導性層（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）透明ｐ接点１１６）を図示する、素子（例えば、ＬＥＤ）へと加工された素子構造１００を図示する。Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ系ｎ接点１１８およびＴｉ／Ａｕ  ｐパッド１２０は、それぞれ、ｎＧａＮ層１０４およびＩＴＯ透明ｐ接点１１６上またはその上方に堆積されるか、あるいはそれらに接触する。ＧａＮ基板１０２の表面粗面化１２２もまた、示され、粗面背面１２２は、ＬＥＤから活性領域１０８によって放出される（例えば、散乱、屈折）光を抽出するための寸法を有する特徴を有する。
【００２８】
図１（ｃ）は、半極性ＧａＮ基板１０２の粗面背面１２２に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウント１２４およびＺｎＯサブマウント１２４の一端１２８  １２６に付着されたヘッダ１２６を図示する。ＬＥＤはさらに、ＬＥＤを封入する封入材料を備え得、ＬＥＤの活性面積は、例えば、０．１ｍｍ２以下である。
【００２９】
プロセスステップ
図２は、発光素子を製造する方法を図示し、方法は、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）を（例えば、バルク）半極性ＩＩＩ族窒化物または窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に成長させることを含み、ＬＥＤは、青色放出波長において、ピーク放出を有し、ＬＥＤが、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出（例えば、４３０または４７０ｎｍまたは４３０〜４７０ｎｍ）は、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。ＬＥＤを成長させることは、以下のステップを含み得る。
【００３０】
ブロック２００は、半極性ＩＩＩ族窒化物上またはその上方に（例えば、半極性ＩＩＩ族窒化物（例えば、バルク）基板１０２上またはその上方に、あるいは基板１０２の半極性平面１３０上またはその上方に）１つ以上の第１のＩＩＩ族窒化物層（例えば、緩衝層）および／またはｎ型ＩＩＩ族窒化物層１０４、１０６を成長させることを表す。半極性ＩＩＩ族窒化物は、半極性ＧａＮであり得る。半極性ＩＩＩ族窒化物は、半極性（２０−２−１）または（２０−２１）ＧａＮ基板１０２であり得る。第１または緩衝層は、ｎ型層１０４のうちの１つを備え得る。
【００３１】
ｎ型層は、ｎ−ＳＬ１０６を備え得る。
【００３２】
ｎ−ＳＬ１０６は、１つ以上のｎ型層１０４上またはその上方に、あるいは第１の層または緩衝層上またはその上方にあり得る。
【００３３】
ｎ−ＳＬは、ＳＬ層１０６ａ、１０６ｂ（例えば、１つ以上のインジウム（Ｉｎ）含有層およびガリウム（Ｇａ）含有層）、あるいは異なるＩＩＩ族窒化物組成物（例えば、ＩｎＧａＮおよびＧａＮ層）を有する交互の第１および第２のＩＩＩ族窒化物層１０６ａ、１０６ｂを備え得る。
【００３４】
ｎ−ＳＬ１０６は、ある周期数（例えば、少なくとも５または少なくとも１０）と、ＳＬドーピングと、ＳＬ組成物と、それぞれがある層厚を有する層１０６ａ、１０６ｂとを備え得る。第１および第２のＩＩＩ族窒化物層１０６ａ、１０６ｂは、第１または緩衝層１０４に格子整合される、歪補償層を備え得、第１および第２のＩＩＩ族窒化物層１０６ａ、１０６ｂは、緩和のための臨界厚（例えば、５ｎｍ未満）を下回る厚さを有し得る。歪補償層は、素子１００および／または活性領域１０８中の欠陥低減、歪み緩和、および／または応力工学のためのものであり得る。ｎ−ＳＬ１０６の周期数は、ブロック２０２において成長された活性領域１０８が、少なくとも５００ナノメートルだけ、第１の層１０４から分離されるようなものであり得る。
【００３５】
歪補償ＳＬ層に関するさらなる情報は、米国特許出願第１２／２８４，４４９号（Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｔ．  Ｈａｒｄｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａにより２０１１年１０月２８日出願、名称「ＳＴＲＡＩＮ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ  ＳＨＯＲＴ−ＰＥＲＩＯＤ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＯＮ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ  ＦＯＲ  ＤＥＦＥＣＴ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＴＲＥＳＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」、代理人事件番号３０７９４．３９６−ＵＳ−Ｕ１（２０１１−２０３））に見出すことができ、その出願は、参照によって本明細書中に援用される。
【００３６】
ブロック２０２は、ｎ−ＳＬ上またはその上方に、活性領域または１つ以上の活性層１０８を成長させることを表す。活性層１０８は、青色または緑色波長範囲またはそれより長い波長範囲（例えば、赤色または黄色光）内の波長におけるピーク強度、あるいは５００ｎｍ以上の波長におけるピーク強度を有する光（または、電磁放射）を放出し得る。しかしながら、本発明は、特定の波長で放出する素子１００に限定されず、素子１００は、他の波長で放出し得る。例えば、本発明は、紫外線発光素子１００に適用可能である。
【００３７】
発光活性層１０８は、インジウム（Ｉｎ）含有ＩＩＩ族窒化物層またはＩｎＧａＮ層等のＩＩＩ族窒化物層を備え得る。例えば、インジウム含有層は、１つ以上のＱＷ（あるＱＷ数、ＱＷ組成物、およびＱＷ厚を有する）と、ある障壁組成物、障壁厚、および障壁ドーピングを有するＱＷ障壁とを備え得る。例えば、インジウム含有層は、例えば、ＧａＮ障壁を有する、少なくとも２つまたは３つのＩｎＧａＮ  ＱＷを備え得る。ＩｎＧａＮ  ＱＷは、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１８％、または少なくとも３０％のインジウム組成物と、３ナノメートル以上、例えば、５ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、または少なくとも９ｎｍの厚さまたは井戸幅を有し得る。しかしながら、量子井戸厚はまた、３ｎｍ未満であり得るが、典型的には、２ｎｍ厚を上回る。
【００３８】
ブロック２０４は、活性領域上またはその上方に、１つ以上のＩＩＩ族窒化物ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（例えば、ｐ−ＳＬ層を備えるｐ−ＳＬ）を成長させることを表す。ｐ−ＳＬは、例えば、交互のＡｌＧａＮおよびＧａＮ層（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層）を備え得る。ｐ−ＳＬは、ＡｌＧａＮ電子遮断層を備え得る。
【００３９】
層１０４、１０６、１０８、１１０、および１１２は、ｐ−ｎ接合を形成し得る。概して、本発明の好ましい実施形態は、ＧａＮ半極性｛２０−２−１｝基板上に成長されたＬＥＤを備え、ＬＥＤにおいて、構造は、活性層の下方のｎ型ＳＬと、ＭＱＷ活性領域と、ＭＱＷの上方のｐ型ＳＬ層とを組み込む。ＭＱＷ活性領域は、典型的には、２つ以上のＱＷ、より好ましくは、少なくとも３つのＱＷを備えるべきである。
【００４０】
半極性平面、ＱＷ数、ＱＷ組成物（例えば、Ｉｎ組成物）、ＱＷ厚、障壁組成物、障壁厚、障壁ドーピング、ＳＬの周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成物、および層厚は、発光素子が、所望のドループ（例えば、素子が、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度で駆動されるとき、ドループは、１５％以下であり得る）を伴う、所望の放出波長（例えば、青色放出波長以上）におけるピーク放出を有するようなものであり得る。
【００４１】
ブロック２０６は、素子構造を加工することを表す。
【００４２】
半極性｛２０−２−１｝青色ＬＥＤはさらに、以下のように加工され得る。
【００４３】
１．続いて、３００×５００μｍ２ダイオードメサが、塩素系反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、隔離され得る。
【００４４】
２．２５０ｎｍ酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層が、透明ｐ接点として使用され得、（１０／１００／１０／１００ｎｍ）Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ層の積層が、ｎ−ＧａＮ接点として堆積され得る。
【００４５】
３．２００／５００ｎｍ厚のＴｉ／Ａｕ金属積層が、ＩＴＯ層およびｎ−ＧａＮ接点上に堆積され、ｐ−側およびｎ−側ワイヤボンドパッドとしての役割を果たし得る。
【００４６】
ブロック２０８は、最終結果（青色放出波長においてピーク放出を有する、ＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）のような素子）を表し、ＬＥＤは、（例えば、バルク）半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に成長され、ＬＥＤが、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度で駆動されるとき、青色放出波長におけるピーク放出は、１７ナノメートル未満のスペクトル幅を有する。発光素子は、少なくとも１００ｍＷまたは少なくとも５０ｍＷである、光出力を有し得る。素子は、非極性または半極性（例えば、２０−２−１）基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤを備え得、ＬＥＤの効率ドループは、３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１％以下であり、５０Ａ／ｃｍ２の電流密度において、５％以下であり、１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％以下であり、かつ／または２００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１５％以下であり得る。
【００４７】
発光素子は、１００／Ａｃｍ２超で動作するＩＩＩ族窒化物系半極性または非極性ＬＥＤを備え得る。
【００４８】
発光素子は、半極性（例えば、２０−２−１）または非極性基板（例えば、ＧａＮ）上に成長されたＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを備え得、効率ドループは、類似したインジウム（Ｉｎ）組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性（例えば、ＧａＮ）基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤより低くあり得る。
【００４９】
比較のために、参照極性（ｃ−平面）青色ＬＥＤが、同一の構造および波長を伴って成長され、次いで、半極性（２０−２−１）青色ＬＥＤと比較されたが、異なる数のｎ型およびｐ型ＳＬを有していた。
【００５０】
発光素子は、半極性または非極性基板（例えば、ＧａＮ）上に成長された窒化物系ＬＥＤを備え得、ＬＥＤの放出スペクトルのＦＷＨＭは、類似したインジウム組成物を有し、かつ類似した電流密度で動作する、極性（例えば、ＧａＮ）基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤの放出スペクトルのＦＷＨＭより低くあり得る。
【００５１】
本発明はさらに、異方性歪みが、効率ドループを低減させるために意図的に追加される窒化物系ＬＥＤを備える、発光素子を開示する。ＬＥＤは、ｃ−平面、半極性（例えば、２０−２−１）または非極性ＧａＮ基板、あるいはｃ−平面サファイア基板上に成長され得る。異方性歪みが、素子の発光層に追加され得る。異方性歪みは、素子中のオージェ再結合を低減させることができる。
【００５２】
特性評価
封入された素子を、自己加熱効果を防止するために、１ＫＨｚ周波数および１％デューティサイクルを有する、ＤＣおよびパルスモードの両方で試験した。試験を、２００ｍＡまでの順方向電流を用いて、室温（ＲＴ）で行った。図３は、２００Ａ／ｃｍ２までの異なる電流密度における、半極性（２０−２−１）ＬＥＤの光出力（ＬＯＰ）（ｍＷ）および外部量子効率（ＥＱＥ）（％）を示す、グラフである。素子は、図１（ａ）−（ｃ）に示される構造およびパッケージングを有する。
【００５３】
半極性（２０−２−１）をバルクＧａＮ基板として使用して、高放出強度および低効率ドループを達成する利点を図示するために、図４は、２００Ａ／ｃｍ２までの異なるパルス（１％デューティサイクル）電流密度における、極性ｃ−平面（０００１）ＬＥＤおよび半極性（２０−２−１）ＬＥＤの両方のＬＯＰ（ｍＷ）およびＥＱＥ（％）を示す、グラフであり、素子は、図１（ａ）−（ｃ）に示される構造およびパッケージングを有する。
【００５４】
異なる電流密度における対応するＥＱＥ数および効率ドループもまた、以下の表１に示される。
【００５５】
【表１】
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表１から分かるように、半極性（２０−２−１）平面上にＬＥＤを成長させることによって、効率ドループは、極性（ｃ−平面）ＬＥＤと比較して、電流密度３５Ａ／ｃｍ２において、２．７８％から０．７％に改善され、電流密度５０Ａ／ｃｍ２において、１０．６２％から４．２５％に改善され、電流密度１００Ａ／ｃｍ２において、１７．５９％から８．４６％に改善され、電流密度２００Ａ／ｃｍ２において、２８．８７％から１４．３％に改善され得る。
【００５６】
半極性（２０−２−１）平面上にＬＥＤを成長させることによる、全体的効率性能のこの大幅な改良は、合金支援非放射性オージェ再結合の低減によって説明され得る。図５は、異なる電流密度における、極性（ｃ−平面）および半極性（２０−２−１）ＧａＮ系素子両方の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す。
【００５７】
半極性青色ＬＥＤに対して、観察されたＦＷＨＭは、極性（ｃ−平面）ＬＥＤのＦＷＨＭより狭い。低減したＦＷＨＭに対して考えられる１つの説明は、ＱＷ中のＩｎＧａＮ組成物が、半極性（２０−２−１）上でより均一であることである。半極性（２０−２−１）上におけるより狭いＦＷＨＭの起源を検証するための実験が、現在、進行中である。より均一なＱＷ層が、実際に存在する場合、オージェ再結合プロセスを支援し得る、合金散乱が、半極性ＬＥＤにおいて低減されることが予測される。
【００５８】
図６は、図１（ｂ）に示されるような構造を有し、図１（ｃ）に示されるようにパッケージ化された青色発光ダイオードに対する、放出波長（ｎｍ）対電流密度（Ａ／ｃｍ２）およびＦＷＨＭ（ｎｍ）対電流密度を示す、グラフである。
【００５９】
図７（ａ）は、５１５ｎｍにおけるピーク放出波長および２５ｎｍのＦＷＨＭを有する（２０−２−１）ＬＥＤと、５１６ｎｍのピーク放出波長および４０ｎｍのＦＷＨＭを有する（２０−２−１）ＬＥＤとに対して、波長の関数としてのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）をプロットする、グラフである。
【００６０】
図７（ｂ）は、ｃ−平面ＬＥＤ、（１１−２２）ＬＥＤ、（２０−２１）ＬＥＤ、および（２０−２−１）ＬＥＤに対して、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するＬＥＤの波長の関数としてのＦＷＨＭ（ｎｍ）をプロットする、グラフである。
【００６１】
図８（ａ）は、ｃ−平面ＬＥＤ、（１１−２２）ＬＥＤ、（２０−２１）ＬＥＤ、および（２０−２−１）ＬＥＤに対して、駆動電流の関数としてのＥＬ波長（ｎｍ）をプロットする、グラフであり、ＬＥＤチップサイズは、〜０．０１ｍｍ２である。
【００６２】
図８（ｂ）は、（１１−２２）ＬＥＤ、（２０−２１）ＬＥＤ、および（２０−２−１）ＬＥＤに対して、緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するＬＥＤの駆動電流の関数としてのＦＷＨＭ（ｎｍ）をプロットする、グラフである。
【００６３】
緑色波長範囲内にピーク放出波長を有するＬＥＤに対して、図９（ａ）は、駆動電流の関数としてのＥＬ波長（ｎｍ）およびＦＷＨＭをプロットする、グラフであって、図９（ｂ）は、種々の駆動電流の波長の関数としてのＥＬ強度をプロットする、グラフである（図９（ｂ）の差し込み図は、加工されたＬＥＤ構造の上部表面を示す）。
【００６４】
図１０は、等方性歪み構造（ｃ−平面）および異方性歪み構造（半極性）に対するオージェ再結合プロセスを図示する、図であって、ΔｋおよびΔＥは、それぞれ、運動量およびエネルギーの差異であり、伝導帯および価電子帯における電子および正孔遷移に対する、運動量およびエネルギー保存に従うために、ΔｋおよびΔＥは、それぞれ、同一の大きさを有するが、反対符号を有する（Δｋ１＋Δｋ２＝０；ΔＥ１＋ΔＥ２＝０）はずである。
【００６５】
図に示されるように、運動量およびエネルギーが、遷移の間、保存され得るため（Δｋ１＝Δｋ２、ΔＥ１＝ΔＥ２）、電子−電子−正孔（ＥＥＨ）直接オージェ再結合が、等方性歪み構造において、容易に生じ得る。一方、ＥＥＨ直接オージェ再結合は、価電子帯の曲率増加により、異方性歪み構造において抑制される。この場合、エネルギーおよび運動量の両方を保存する、最終状態の利用可能性は、制限され、直接オージェ再結合が、低減される。その結果、合金散乱またはフォノン相互作用もまた、オージェ再結合が生じるための遷移に関与するにちがいない。前述のように、合金散乱が、優れたＩｎＧａＮ均一性により、（２０−２−１）ＱＷにおいて低減される場合、間接オージェ再結合プロセスもまた、低減されるはずである。その結果、効率ドループは、本半極性平面上で低減される。
【００６６】
あり得る修正および変形例
素子１００は、半極性または非極性素子であり得る。基板１０２は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板であり得る。素子層１０４−１１２は、半極性または非極性層であるか、あるいは半極性または非極性配向を有し得る（例えば、層１０４−１１２は、相互の上またはその上方に、および／または基板１０２の上部／主要／成長表面１３０上またはその上方に成長され得、上部／主要／成長表面１３０および素子層（例えば、活性層）１３０の上部表面は、半極性（例えば、２０−２−１または｛２０−２−１｝）または非極性平面である）。
【００６７】
ＱＷの数、ＱＷの厚さ、ＱＷおよび障壁組成物、ならびに活性領域ドーピングレベルの修正等、活性領域設計における変形例は、あり得る代替である。ｎ側およびｐ側のＳＬ層もまた、修正されてもよい。例えば、これらの層のいずれかは、省略され、異なる周期数を含有し、代替組成物またはドーピングを有し、または好ましい実施形態に示された厚さと異なる厚さで成長されてもよい。他の半極性平面または基板も、使用され得る。
【００６８】
他の変形例は、種々のあり得るエピタキシャル成長技法（分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、ＭＯＣＶＤ、気相エピタキシ、ハイドライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）等）、異なるドライエッチング技法（例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング）、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工、化学機械平坦化（ＣＭＰ）、および化学反応併用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）を含む。高光抽出構造の形成、フリップチップＬＥＤ、垂直構造ＬＥＤ、薄型ＧａＮ  ＬＥＤ、チップ形状ＬＥＤ、および高度パッケージング法（例えば、つり下げ型パッケージ、透明スタンドパッケージ等）もまた、使用され得る。
【００６９】
専門用語
用語「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ」、「ＧａＮ」、「ＩｎＧａＮ」、「ＡｌＧａＩｎＮ」、「ＩＩＩ族窒化物」、「ＩＩＩ窒化物」、または「窒化物」、およびその均等物は、化学式ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ここでは、０≦×≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１である）を有する、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体の合金組成物を指すことが意図される。これらの用語は、単一種、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎの個別の窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の二元および三元組成物を含むものと広義に解釈されることが意図される。故に、ＧａＮおよびＩｎＧａＮ材料を参照する以下の本発明の議論は、種々の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料種の形成に適用可能であることが理解される。さらに、本発明の範囲内の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料はさらに、少量のドーパントおよび／または他の不純物または含有材料を含んでもよい。
【００７０】
多くの（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ素子は、結晶の極性配向ｃ−平面に沿って成長されるが、これは、強圧電および自発分極の存在のため、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）をもたらす。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ素子内の分極効果を低下させるアプローチの１つは、結晶の非極性または半極性平面上に素子を成長させることである。
【００７１】
用語「非極性平面」は、ａ−平面として集合的に周知の｛１１−２０｝平面と、ｍ−平面として集合的に周知の｛１０−１０｝平面とを含む。そのような平面は、平面あたり等数のＩＩＩ族（例えば、ガリウム）および窒素原子を含有し、電荷中性である。後続の非極性層は、相互に均等であり、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。
【００７２】
用語「半極性平面」は、ｃ−平面、ａ−平面、またはｍ−平面として分類されることができない、任意の平面を指すために使用され得る。結晶学的観点では、半極性平面は、少なくとも２つの非ゼロｈ、ｉ、またはｋミラー指数および非ゼロ１ミラー指数を有する、任意の平面である。後続の半極性層は、相互に均等であり、したがって、結晶は、成長方向に沿って、分極を減少させる。
【００７３】
参考文献
以下の参考文献は、参照によって本明細書中に援用される。
【００７４】
１．Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ、Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ、Ｃｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ、Ｋｅｎｊｉ  Ｆｕｊｉｔｏ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．  Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．  ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｂｌｕｅ−Ｖｉｏｌｅｔ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  （２０−２−１）  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｄｒｏｏｐ  ａｔ  ２００  Ａ／ｃｍ２」Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ４  （２０１１）  ０８２１０４
２．Ｃ．  Ｃ．  Ｐａｎ、Ｉ．  Ｋｏｓｌｏｗ、Ｊ．  Ｓｏｎｏｄａ、Ｈ．  Ｏｈｔａ、Ｊ．  Ｓ．  Ｈａ、Ｓ．  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳ．  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる「Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｓｔａｎｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ」Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ４９  （２０１０）  ０８０２１０
３．Ｊ．  ＭａｔｔｈｅｗｓおよびＡ．  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ、Ｊ．  Ｃｒｙｓｔ．  Ｇｒｏｗｔｈ  ３２  ２６５  （１９７６）。
【００７５】
結論
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくる。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために提示された。本記述は、網羅的であることも、本発明を開示された正確な形態に限定することも意図されない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることが意図される。
【図１（ｃ）】
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【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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