(57)【要約】【解決手段】  本発明は、Ｎ型の伝導層と多重量子井戸とＰ型の伝導層とを備え、多重量子井戸の少なくとも２つの周期構造における各周期には、ポテンシャル井戸の第１のサブ層とポテンシャル障壁の第２のサブ層と第３のサブ層とが順次に積層されており、且つ、第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１＜第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２＜第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３、且つ、Ｅｇ３とＥｇ２との差は１．５ｅＶ以上である発光ダイオードエピタキシャルウエハを提供する。追加のポテンシャルエネルギー障壁がより優れる制限効果を有し、素子が動作する時に、バイアスを印加した場合にエネルギーバンドに傾きが生じて、大きいバンドギャップのポテンシャル障壁の突出が生成し、該エネルギーバンド差により、電荷担体のオーバーフローをより防止し、放射再結合の効率と輝度を向上できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型の伝導層と、多重量子井戸と、Ｐ型の伝導層とを含み、多重量子井戸の少なくとも２つの周期構造における各周期は、ポテンシャル井戸である第１のサブ層と、ポテンシャルエネルギー障壁である第２のサブ層と、第３のサブ層とが順次積層されていて、且つ、前記第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１と、第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２と、第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３との関係が、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３である、発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
Ｅｇ３とＥｇ２との差が、少なくとも１．５ｅＶ以上である、請求項１に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記第３のサブ層の厚さは、３０オングストローム以下である、請求項１に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
多重量子井戸の各周期は、第１のサブ層と、第２のサブ層と、第３のサブ層とが順次積層されていて、前記第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１と、第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２と、第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３との関係が、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記多重量子井戸の少なくとも１つの周期構造において、更に第１のサブ層は、少なくとも２種類の半導体材料が積層されて形成されており、少なくとも２種類の半導体材料の積層方法は、第２のサブ層側へ近いほどＥｇが高くなり、且ついずれも第２のサブ層のＥｇ２よりも低い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードの多重量子井戸。
【請求項６】
前記多重量子井戸の少なくとも１つの周期構造において、更に第２のサブ層は、少なくとも２種類以上の半導体材料が積層されて形成されており、少なくとも２種類の半導体材料の積層方法は、第１のサブ層側から遠いほどＥｇが高くなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記多重量子井戸の少なくとも１つの周期構造において、更に第３のサブ層は、少なくとも２種類以上の半導体材料が積層されて形成されており、少なくとも２種類の半導体材料の積層方法は、第２のサブ層側から遠いほどＥｇが高くなり、且つ、いずれも第２のサブ層のＥｇ２よりも高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項８】
前記多重量子井戸は、第１のサブ層と第２のサブ層とが積層された周期が少なくとも１つと、第１のサブ層と第２のサブ層と第３のサブ層とが順次積層されていて、前記第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１と第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２と第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３との関係が、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３である周期構造が少なくとも２つとを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項９】
前記発光ダイオードは、窒化ガリウム発光ダイオードである、請求項１に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
前記第３のサブ層は、ＡｌｗＧａ１−ｗＮであり、０．９５≦ｗ≦１である、請求項９に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１１】
前記第３のサブ層は、ＡｌＮである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
前記第３のサブ層ＡｌＮの厚さは、１０〜１５オングストロームである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
前記発光ダイオードの発光波長は、３５０〜３７０ｎｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
記第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１は、３．３〜３．５ｅＶである、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２は、３．５５〜３．９ｅＶである、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記第２のサブ層のＥｇ２と第１のサブ層のＥｇ１とのエネルギーバンドギャップの差は、０．２５〜０．３０ｅＶである、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
前記周期構造の数は、２〜２０である、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記第１のサブ層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、０≦ｘ≦０．０３である、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項１９】
前記第２のサブ層は、ＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｙ−ｚＮであり、０≦ｙ≦０．０２であり、０．０６≦ｚ≦０．１２である、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項２０】
前記第２のサブ層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮであり、０．０６≦ｚ≦０．１２である、請求項１３に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項２１】
前記第１のサブ層、第２のサブ層及び第３のサブ層の厚さは、それぞれ３００オングストローム以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項２２】
前記第１のサブ層の厚さは、２０〜１５０オングストロームであり、第２のサブ層の厚さは、５０〜３００オングストロームである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項２３】
前記量子井戸の総厚さは、１００〜３０００オングストロームである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハ。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１項に記載の発光ダイオードエピタキシャルウエハから得られた発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置のエピタキシーの分野に関し、特に、高いエネルギーバンドギャップ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｂａｎｄｇａｐ、略称Ｅｇ）を有する多重量子井戸を有する発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード(ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ)は、半導体のＰＮ接合を発光材料として利用し、電気を直接光に変換する半導体固体発光装置である。発光ダイオードは、一般的に、Ｎ型半導体層、発光領域及びＰ型半導体層のエピタキシャル構造を含む。発光領域は、通常、最初が２種類の異なる半導体材料薄膜が互いに積層されて電子又は正孔のポテンシャル井戸が形成されている多重量子井戸構造を使用する。多重量子井戸の発光は、井戸層内に制限された電子正孔対の放射再結合により達成される。使用する時に、ＬＥＤの両端に電圧を印加すると、トンネリング、拡散、または、熱放射の形で電荷担体が多重量子井戸に進入し、注入された電荷担体の大部分が多重量子井戸に捕獲されて制限され、井戸層内の放射再結合により光が放射され、発光波長は、使用された井戸層材料のエネルギーバンドギャップに依存する。発光輝度は、内部量子効率と光取り出し効率に依存し、内部量子効率の向上は、主に井戸深さ、厚さ、組成、構造など多重量子井戸の構造の調整によるものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、従来の多重量子井戸のポテンシャル井戸とポテンシャル障壁との２種類の半導体を積層した周期構造において、より高いエネルギーバンドギャップの半導体層を追加することにより、周期構造のエネルギーバンドギャップの分布を改善し、発光効率及びリーク電流機能を向上させた発光ダイオードエピタキシャルウエハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の技術方案は、Ｎ型の伝導層、多重量子井戸及びＰ型の伝導層を含む発光ダイオードエピタキシャルウエハであって、多重量子井戸の少なくとも２つの周期構造における各周期に、ポテンシャル井戸である第１のサブ層、ポテンシャル障壁である第２のサブ層及び第３のサブ層が順次積層されていて、前記第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１と第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２と第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３との関係が、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３であることを特徴とする。
【０００５】
好ましくは、前記多重量子井戸は、少なくとも第１のサブ層と第２のサブ層とが積層された１つの周期と、少なくとも第１のサブ層と第２のサブ層と第３のサブ層とが順次積層された２つの周期と、を含む、周期的積層構造を含む。
【０００６】
より好ましくは、前記第３のサブ層Ｅｇ３とＥｇ２との差は、少なくとも１．５ｅＶ以上である。
【０００７】
より好ましくは、前記第３のサブ層の厚さは３０オングストローム以下である。
【０００８】
より好ましくは、前記多重量子井戸の総厚さは１００〜３０００オングストロームである。
【０００９】
より好ましくは、前記第１のサブ層の厚さは、５０〜８０オングストロームである。
【００１０】
より好ましくは、前記第２のサブ層の厚さは、１５０〜２１０オングストロームである。
【００１１】
より好ましくは、前記発光ダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードである。
【００１２】
前記第３のサブ層は、ＡｌｗＧａ１−ｗＮであり、０．９５≦ｗ≦１である。
【００１３】
より好ましくは、前記第２のサブ層のＥｇ２と第１のサブ層のＥｇ１とのエネルギーバンドギャップの差は、０．２５〜０．３０ｅＶの範囲内である。
【００１４】
より好ましくは、前記発光ダイオードの発光波長領域は紫外線であり、さらに好ましくは、発光波長は３５０〜３７０ｎｍである。
【００１５】
より好ましくは、第１のサブ層のＥｇ１範囲は３．３〜３．５ｅＶの間であり、第２のサブ層のＥｇ２範囲は３．５５〜３．９０の間である。
【００１６】
より好ましくは、第１のサブ層のＥｇ１の範囲は３．３〜３．４ｅＶの間であり、第２のサブ層のＥｇ２の範囲は３．５９〜３．７ｅＶの間であり、第３のサブ層のＥｇ３は６．０〜６．２ｅＶの間である。
【００１７】
より好ましくは、前記第１のサブ層はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であり、Ｉｎの含有量の調整によりＥｇ１を調整し、より好ましくは、前記ｘの含有量が０〜０．０３の間にある。
【００１８】
より好ましくは、前記第２のサブ層は、ＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｙ−ｚＮ(０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１)であり、Ｅｇ２は、Ｉｎ及びＡｌの含有量の調整により調整される。より好ましくは、前記ｙの含有量は０〜０．０２の間にあり、前記ｚの含有量は０．０６〜０．１２の間にある。
【００１９】
より好ましくは、前記第３のサブ層は、ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０≦ｗ≦１）であり、Ｅｇ３は、Ａｌの含有量の調整により調整され、前記ｗの含有量は、０．９５〜１の間にある。
【００２０】
より好ましくは、前記ｗが１である時、前記第３のサブ層はＡｌＮであり、Ｅｇ３は６．２であり、前記第３のサブ層の厚さは１０〜１５オングストロームである。
【００２１】
より好ましくは、前記多重量子井戸から得られる発光ダイオードは、フェイスアップまたはフリップチップまたは垂直型またはマイクロ発光ダイオードとして作製することができる。
【００２２】
好ましくは、前記多重量子井戸は、周期的積層構造を含み、全ての周期的積層構造の積層順序は、第１のサブ層、第２のサブ層及び第３のサブ層且つ少なくとも２つの周期が積層されて形成されており、前記第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１と、第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２と、第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３との関係が、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３である。
【００２３】
好ましくは、前記多重量子井戸の少なくとも１つの周期的構造において、更に第１のサブ層は、少なくとも２種類の半導体材料が積層されて形成されており、少なくとも２種類の半導体材料の積層方法は、第２のサブ層側へ近いほどＥｇが高くなる。
【００２４】
好ましくは、前記多重量子井戸の少なくとも１つの周期的構造において、更に第２のサブ層は、少なくとも２種類の半導体材料が積層されて形成されており、少なくとも２種類の半導体材料の積層方法は、第１のサブ層側から遠いほどＥｇが高くなる。
【００２５】
好ましくは、前記多重量子井戸の少なくとも１つの周期的構造において、更に第３のサブ層は、少なくとも２種類の半導体材料が積層されて形成されており、少なくとも２種類の半導体材料の積層方法は、第２のサブ層側から遠いほどＥｇが高くなり、且つ、いずれも第２のサブ層のＥｇ２よりも高く、より好ましくは、前記第３のサブ層の少なくとも２種類の半導体材料のＥｇは、第２のサブ層のＥｇ２より少なくとも１．５ｅＶ高い。
【発明の効果】
【００２６】
本発明で提案する前記エピタキシャル構造は、全ての発光領域の発光ダイオードに広く適用でき、前記多重量子井戸構造は、発光放射を提供し、従来の２層の異なる半導体材料からなる井戸と障壁とが周期的に繰り返して積層された多重量子井戸構造に基づいて、前記多重量子井戸の少なくとも２層における各積層の障壁層に、上記障壁層（Ｅｇ２）よりもバンドギャップの高い追加制限層（Ｅｇ３）を成長させることにより、追加のポテンシャル障壁=がより高い制限効果が得られ、素子が動作する時に、バイアスを印加した場合にエネルギーバンドに傾きが生じて、第３のサブ層Ｅｇ３とＥｇ２との差が少なくとも１．５ｅＶ以上になると、大きいバンドギャップのポテンシャル障壁の突起（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂａｒｒｉｅｒｓｐｉｋｅ）が生じ、この特殊なエネルギーバンド差の設計により、電荷担体のオーバーフローを更に防止することができ、放射再結合の効率を増加させ、輝度を向上させることができる。
【００２７】
また、バンドギャップが大きいということは、より絶縁に近いことを意味し、ＭＱＷの各層にＥｇ３層を適宜な厚さに制御することで、電荷担体の制限効果を有効に確保しつつ、逆方向電流を遮断し、劣化するリーク電流能力を改善することができる。
【００２８】
本発明の他の特徴および利点は、以下の説明において陳述するが、一部は明細書から明白なものであり、或いは本発明を実施することにより理解される。本発明の目的及びその他の利点は、明細書、特許請求の範囲、添付の図面により特に示される構造によって実現し獲得される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
図面は本発明のより一層の理解のために供するものであり、また明細書の一部を構成するものであり、本発明の実施例と共に本発明の解釈に用いられ得るが、本発明を限定するものではない。また、図面における数値は概要を示すにすぎず、比率に応じて描かれたものではない。
【図１】本発明の実施例１のサンプル１の発光ダイオードの構造を示す図である。
【図２ａ】本発明の実施例１のサンプル１の発光ダイオードのＴＥＭ図である。
【図２ｂ】本発明の実施例１のサンプル１の発光ダイオードのＴＥＭ図である。
【図３】発光ダイオードの量子井戸のＸ線スペクトル線走査成分プロファイル分析図である。
【図４】本発明の実施例１に係る波長−輝度スキャッタグラムである。
【図５】本発明の実施例２及び３に係る発光ダイオードの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例５に係る発光ダイオードの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例６に係る発光ダイオードの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例７に係る発光ダイオードの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の高エネルギーバンドギャップ超格子層を有する発光ダイオードの実質的な特徴とその実用性をより理解しやすくするために、以下、本発明のいくつかの具体的な実施例を図面を参照してさらに詳細に説明する。以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３１】
本発明に用いられる技術用語は具体的な実施方式を記述する目的で使われ、本発明に制限されないことを理解されたい。本発明に使われる技術用語は、文脈において明確に示されない限り、「一」、「一つの」及び「該」等の奇数記述方式には複数記述方式も含む。本発明において技術用語の「包含」、「含む」、「含有」が使われているのは、記述の特徴、全体、ステップ、操作、素子、及び／又はパッケージの存在を説明するためであって、一つ又は複数の他の特徴、全体、ステップ、操作、素子、パッケージ、及び／又はそれらの組み合わせの存在や増加を除外するのではないことを更に理解されたい。
【００３２】
特に定義されていない限り、本発明に用いられるあらゆる用語（技術的用語及び科学用語）は、当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が通常理解される意味と同様の意味を持つことを理解されたい。そして、本発明において明確に定義するもの以外、本発明に使われる用語はこれらの用語が当該明細書の文脈と関わる分野の意味と一致する意味を有すること、且つ理想化したり正式過ぎる意味で捉えないようにすることを更に理解されたい。
【００３３】
本発明の第１の実施形態は、窒化ガリウム系発光ダイオードのエピタキシャル構造であるが、これに限定されるものではない。変換できるように、発光ダイオードは、フェイスアップ構造であっても、フリップ型構造であってもよい。図１は、この発光ダイオードが採用するエピタキシャル構造が示される図であり、前記エピタキシャル構造は、下から上にＮ型伝導層１１０、発光層１２０、Ｐ型電子ブロック層１３０及びＰ型伝導層１４０を順次に含む。該発光ダイオードのエピタキシャル構造は、エピタキシャル成長基板上にＭＯＣＶＤ成長させて得たものである。エピタキシャル構造は、Ｐ型伝導層側を永久基板上にトランスファーしてチップを得た。本発明は、従来の垂直型発光ダイオードの作製方法を用いて得られた。
【００３４】
Ｎ型伝導層１１０及びＰ型伝導層１４０は、発光層１２０より広いバンドギャップの窒化物系半導体層からなり、具体的な実施例では、ＡｌＧａＮ層又はＧａＮでもよい。
【００３５】
Ｐ型電子ブロック層１３０は、発光層１２０とＰ型伝導層１４０との間に位置し、エネルギーバンドギャップがＰ型伝導層１４０より大きく、Ａｌを含む窒化物系半導体層から作製され、単層又は多層構造であってもよく、例えば超格子構造でもよい。
【００３６】
発光層１２０は、少なくとも２つの周期構造から構成され、各周期構造は、一般的に少なくとも２つの異なる材料の薄層構造を含み、その材料が窒化物系半導体層であり、好ましくは意図せずにドープであり、少なくとも２つの周期構造Ａが第１のサブ層と第２のサブ層と第３のサブ層とを含有し、第１のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ１と第２のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ２と第３のサブ層のエネルギーバンドギャップＥｇ３との関係がＥｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３であり、第１のサブ層を井戸とし、第２のサブ層を障壁とし、障壁の層の上に更に第３のサブ層を積層することにより、追加のポテンシャル障壁を形成してより優れた制限効果を提供でき、素子が動作する時に、バイアスを印加した場合にエネルギーバンドに傾きが生じて、この大きいバンドギャップのポテンシャル障壁の突起(Ｅｇ３、ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｓｐｉｋｅ)により、電荷担体のオーバーフローを更に防止することができ、放射再結合の効率を増加させ、輝度を向上させることができる。更に、バンドギャップが大きいということは、より絶縁に近いことを意味し、ＭＱＷの各層にＥｇ３層を適切な厚さに成長させることで、更に逆方向電流を遮断し、劣化するリーク電流能力を改善することができる。また、この階段状のポテンシャル障壁（Ｅｇ２＜Ｅｇ３）は、ＭＱＷ井戸障壁全体の応力を調節することに役立つ。第３のサブ層Ｅｇ３は、電荷担体を制限する効果を確保し、電荷担体のオーバーフローを効果的に防止するために、Ｅｇ２より少なくとも１．５ｅＶ以上大きいことが好ましい。厚さは３０オングストローム以下であることが好ましい。第１のサブ層と第２のサブ層の厚さは、井戸と障壁の厚さを調整するためのものであり、第３のサブ層の膜厚が薄いと追加のポテンシャル障壁による制限効果が十分ではなく、第３のサブ層の厚さが厚いと電気伝導性が悪くなり発光域の特性が低下し、電圧が上昇する。
【００３７】
該構造は窒化物系発光ダイオードにより好適に使用され、発光波長は２１０〜４２０ｎｍである。好ましくは、周期構造Ａは、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮまたはＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮまたはＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＮを用いることができる。例えば、第１のサブ層１２１は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを用いることができ、ｘの値の大きさにより発光波長を調整でき、ｘが大きいと発光波長が短く、ｘが小さいと発光波長が長く、第２のサブ層１２２は、ＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（その中、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｙ＋ｚ≦１である）を用いることができ、第３のサブ層１２３は、ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｗは０〜１の間）であることが好ましい。同時に、Ｅｇ１は第１のサブ層のＩｎの含有量により調整でき、Ｅｇ２は第２のサブ層のＡｌ及びＩｎの含有量により調整でき、Ｅｇ３は第３のサブ層のＡｌの含有量により調整できる。第１のサブ層Ｅｇ１は、好ましくは３．３〜３．５ｅＶであり、より好ましくは３．３〜３．４ｅＶであり、厚さは好ましくは３００オングストローム以下であり、第２のサブ層Ｅｇ２は、好ましくは３．５５〜３．９ｅＶ、より好ましくは３．５９〜３．７０ｅＶであり、厚さは好ましくは３００オングストローム以下である。第３のサブ層のＥｇ３は１．５ｅＶより大きく、より好ましくはＡｌＮであり、Ｅｇ３は６．２ｅＶであり、第３のサブ層の厚さは１０〜１５オングストロームである。また、窒化物発光ダイオードは、ＩｎとＡｌのドーピングにより得た量子井戸の井戸及び障壁の材料が主に採用され、格子定数の配置傾向がＩｎＮ＜ＧａＮ＜ＡｌＮであり、本発明により多重量子井戸構造は、格子定数が階段状に変化する（例えば第1層ＩｎＧａＮ＜第2層ＩｎＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ＜第３層ＡｌＧａＮまたはＡｌＮのように）材料の積層で構成することを実現し、ＭＱＷ井戸障壁全体の格子整合の調整及び応力解放に役立ち、結晶品質を向上させる。逆に、Ｅｇ３を井戸と障壁の間に配置すると、本発明の階段式の構造に比べて電荷担体の移動が難しくなり、Ｅｇ３の第３のサブ層と第１のサブ層との応力差が大きく、応力解放が本発明の階段式の配列に比べて悪くなる。
【００３８】
以下は、永久基板がシリコン基板であり、Ｐ型電子ブロック層がＡｌＧａＮであり、主発光波長が３６５〜３７０ｎｍである２種類の紫外ＬＥＤ垂直チップサンプルである。チップサイズが３２５μｍ＊３２５μｍであり、サンプル１は図１に示されるようにエピタキシャル構造を採用し、成長基板はサファイア、Ｎ型半導体層はＡｌＧａＮ、Ｐ型半導体層はＡｌＧａＮを採用し、発光層１２０は具体的にはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘの含有率が０．５ａｔ％、層の平均厚さが７６オングストローム）／ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｚの含有率が８ａｔ％、層の平均厚さが１７７オングストローム）／ＡｌＮの３層を交互に積層して（層の平均厚さ１０オングストローム）、周期の数が５で形成した高エネルギーバンドギャップ構造を採用し、サンプル２の相違点は、多重量子井戸が通常のＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの積層構造を採用し、その他の層がサンプル１と同じであり、多重量子井戸層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘの含有率が０．５ａｔ％、層の平均厚さが７６オングストローム)／ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｚの含有率が８ａｔ％、層の平均厚さが１７７オングストローム）の２層を交互に積層して1つの周期として、周期の数が５で形成した。
【００３９】
図２ａは、サンプル１の透過型電子顕微鏡写真であり、発光層多重量子井戸が５つの周期的積層構造であることがわかる。図２ｂは、サンプル１の多重量子井戸層の拡大倍率の透過型電子顕微鏡写真であって、各周期構造における第１のサブ層、第２のサブ層、第３のサブ層の厚さの分布を測定したものである。
【００４０】
図３は、多重量子井戸のＥＤＸ線走査型成分プロファイル分析図であり、図中から、周期構造の数と各周期におけるＡｌの含有量の変化傾向が分かり、且つ各周期構造の積層の仕方と相対的な厚さとを概略的に確認できる。
【００４１】
図４は、サンプル１(ａ及びｂ)とサンプル２(ａ及びｂ)の電流１５０ｍＡにおける波長−輝度散布図を示し、ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャルウエハを成長させる際に用いられる搬送トレイが円形であり、搬送トレイ上の異なる位置にあることによりエピタキシャルウエハの成長品質が違うので、搬送トレイ上の同じ位置にあるサンプル１とサンプル２の２つのエピタキシャルウエハサンプルを比較し、右側の中実点の測定データはサンプル１の２つの位置の成長サンプルを示し、左側の中実点の測定データはサンプル２の２つの位置の成長サンプルを示す。図４から分かるように、両サンプル共、放射波長が全て３６５〜３７０ｎｍの間の波長域に分布しており、サンプル１の両サンプルの発光輝度は、サンプル２の発光輝度より著しく高くなっており、即ち、サンプル１の輝度が大きく上昇している。且つ、熱冷態係数Ｈ／Ｃ(８５度及び２５度での輝度比)を測定したことにより、サンプル１（ａ及びｂ）のＨ／Ｃは７８〜８０％と従来のＨ／Ｃ値(７０％未満)に比べて高く、熱態で作動する時の輝度安定性の改善に有効であった。
【００４２】
上記２種類の試料を、環境温度６５℃、ジャンクション温度１２５℃の条件で、電流１５０ｍＡで４８Ｈまたは９６Ｈの劣化試験を行い、その後逆方向電圧５Ｖを印加して劣化リーク電流テストを行ったところ、ΔＩＲは４８Ｈまたは９６Ｈの場合の電流値と初期状態の電流値との差を示し、この差が小さいほどダイオードの量子井戸の品質が良く、ＰＮ接合が逆方向電圧において電流がより流れにくいことを示し、これからの素子の動作または使用において、より安定した逆方向特性を示すことを意味する。以下の各パラメータを測定した。下記表１から分かるように、サンプル１(ａ、ｂ)の劣化リーク電流は著しく改善された。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
上記の実施例において、発光ダイオードの発光層１２０の周期構造は、主に第１種の周期構造Ａ（第１のサブ層１２１、第２のサブ層１２２及び第３のサブ層１２３を含む）で構成されている。
【００４５】
また、他の実施例（実施例２）において、発光層１２０は、例えば、少なくとも第１種の周期構造Ａと第２種の周期構造Ｂとから構成される組み合わせ構造であって、第１種の周期構造Ａの各サブ層は実施例１の構造を参考にして配置することができ、第２種の周期構造Ｂは、第４のサブ層１２４及び第５のサブ層１２５で構成されていればよく、第４、第５のサブ層の材料は、第１のサブ層から第２のサブ層まで同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００４６】
具体的な実施例３において、第１種の周期構造Ａは、Ｐ型電子ブロック層１３０に近傍して配置され、第２種の周期構造Ｂは、Ｎ型伝導層１１０に近傍して配置され、第４のサブ層１２４は、第１のサブ層１２１と同じ材料層を用い、第５のサブ層１２５は、第２のサブ層１２２と同じ材料を用い、例えば、第１の周期構造Ａは、サンプル１のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの構造で、その周期の数は２以上、例えば、２〜２９周期であり、第２の周期構造Ｂは、サンプル２のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ設置の構造で、その周期数は１以上、例えば、１〜２８周期であり、図５に参照する。
【００４７】
他の具体的な実施例４において、第１種の周期構造Ａは、Ｎ型伝導層１１０に近傍して配置され、第２種の周期構造Ｂは、電子ブロック層１３０に近傍して配置され、第４のサブ層１２４は、第１のサブ層１２１と同じ材料層を用い、第５のサブ層１２５は、第２のサブ層１２２と同じ材料を用い、例えば、第１種の周期構造Ａは、サンプル１のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの構造で、その周期数は２以上、例えば、２〜２９周期であり、第２種の周期構造Ｂは、サンプル２のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの構造で、その周期数は１以上、例えば、１〜２８である。
【００４８】
他の具体的な実施例５において、少なくとも１つの周期構造の第１のサブ層は、２つの半導体材料の組み合わせにより構成されており、２種類の半導体層材料１２１１及び１２１２の積層順序は、Ｅｇが低いほうから高いほうに積層される。図６に示されるように、例えば、サンプル１のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの構造で、その周期数が２以上、例えば２〜２９周期であり、少なくとも１つの周期のＩｎｘＧａ１−ｘＮが２種類の異なるＩｎの含有量（具体的には、ｘの含有量が０〜０．０３）で積層される。
【００４９】
具体的な実施例６において、少なくとも１つの周期的構造の第２のサブ層は、２種類の半導体材料の組み合わせにより構成されており、２種類の半導体層材料１２２１及び１２２２の積層順序は、Ｅｇが低いほうから高いほうに積層される。例えば、サンプル１のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの構造で、その周期数が２以上、例えば、２〜２９周期であり、少なくとも１つの周期における第２のサブ層は、ｙとｚが異なるＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｙ−ｚＮの組成であり、ＩｎとＡｌの含有量の調整により第２のサブ層の少なくとも２種類の半導体材料のＥｇを調整する。図７に示されるように、より好ましくは、ｙの含有量は０〜０．０２の間にあり、ｚの含有量は０．０６〜０．１２の間にある。
【００５０】
具体的な実施例７において、少なくとも１つの周期構造の第３のサブ層は、２種類の半導体材料の組み合わせにより構成されており、少なくとも２種類の半導体層材料１２３１及び１２３２の積層順序は、Ｅｇが低いほうから高いほうに積層される。図８に示されるように、例えば、サンプル１のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの構造で、その周期数が２以上、例えば、２〜２９周期であり、より好ましくは、少なくとも1つの周期のＡｌＮを、ＡｌＧａＮとＡｌＮを組み合わせて積層した構造に変え、第３層の少なくとも２種類の半導体材料のＥｇがＥｇ２よりも大きく少なくとも１．５ｅＶ以上であることが好ましい。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、当業者であれば本発明の主旨から離れないという前提の下、若干の変更や修飾が可能で有り、それら変更や修飾も本発明の保護範囲に含まれるべきである。
【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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【図８】
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【国際調査報告】
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