(57)【要約】  発光ダイオードと発光ダイオードの製造方法。発光ダイオードは第１の組の多重量子井戸（ＭＱＷｓ）を有し、第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、量子ドット（ＱＤｓ）または量子ドット状構造に核成長サイトを供給するウェッティングレイヤを有する。また第２の組の多重量子井戸を有し、前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれは、第１の組の多重量子井戸に比べてフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長がシフトされて示されるように形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の組の多重量子井戸（ＭＱＷｓ）であって、第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、量子ドット（ＱＤｓ）または量子ドット状構造に核成長サイトを供給するウェッティングレイヤを、各多重量子井戸の井戸層に有する第１の組の多重量子井戸と、
第２の組の多重量子井戸であって、第１の組の多重量子井戸に比べてフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長がシフトされて示されるように、前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれが形成される第２の組の多重量子井戸と、
を備える発光ダイオード。
【請求項２】
前記量子ドット又は量子ドット状構造は、Ｉｎ原子を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記第１の組の多重量子井戸は、約３から５の多重量子井戸を含む、請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記第２の組の多重量子井戸は、約２から５の多重量子井戸を含む、先の請求項のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＧａベース井戸層とを備える、先の請求項のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＩｎＧａベースウェッティングレイヤと、前記ＩｎＧａウェッティングレイヤの上に形成されるＧａベース井戸層とを備える、先の請求項のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記第１の組の多重量子井戸はｎ型ドープＧａベース層の上に形成され、前記第２の組の多重量子井戸は前記第１の組の多重量子井戸の上に形成され、Ｇａベースキャップ層は前記第２の組の多重量子井戸の上に形成され、ｐ型ドープＧａベース層は前記Ｇａベースキャップ層の上に形成される、請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
さらに、前記ｎ型ドープＧａベース層と前記ｐ型ドープＧａベース層とそれぞれ接触する電気的コンタクトを備える、請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記第１と第２の組の多重量子井戸は、基板上に支持される、先の請求項のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記多重量子井戸は、ＩｎＧａ／Ｇａ，ＩｎＧａ／ＡｌＧａ，Ｇａ／ＡｌＧａ，そしてＩｎＧａ／ＡｌＩｎＧａからなる群の中の一材料系を含む、先の請求項のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記多重量子井戸は、前記材料系の窒化物又はリン化物を含む、請求項１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記ダイオードの結合ＰＬスペクトルは、約４００〜８００ｎｍの可変波長領域に及ぶ、先の請求項のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
第１の組の多重量子井戸（ＭＱＷｓ）であって、第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、量子ドット（ＱＤｓ）または量子ドット状構造に核成長サイトを供給するウェッティングレイヤを、各多重量子井戸の井戸層に有する第１の組の多重量子井戸を形成する工程と、
第２の組の多重量子井戸であって、第１の組の多重量子井戸に比べてフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長がシフトされて示されるように、前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれが形成される第２の組の多重量子井戸を形成する工程と、
を有する発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
前記量子ドット又は量子ドット状構造は、Ｉｎ原子を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の組の多重量子井戸は、約３から５の多重量子井戸を含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の組の多重量子井戸は、約２から５の多重量子井戸を含む、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＩｎＧａベース井戸層とを備える、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＩｎＧａベースウェッティングレイヤと、前記ＩｎＧａウェッティングレイヤの上に形成されるＧａベース井戸層とを備える、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の組の多重量子井戸はｎ型ドープＧａベース層の上に形成され、前記第２の組の多重量子井戸は前記第１の組の多重量子井戸の上に形成され、Ｇａベースキャップ層は前記第２の組の多重量子井戸の上に形成され、ｐ型ドープＧａベース層は前記Ｇａベースキャップ層の上に形成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、前記ｎ型ドープＧａベース層と前記ｐ型ドープＧａベース層とそれぞれ接触する電気的コンタクトを備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１と第２の組の多重量子井戸は、基板上に支持される、請求項１３乃至２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の組の多重量子井戸は、前記第２の組の多重量子井戸よりも低温で形成される、請求項１３乃至２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の組の多重量子井戸は、前記第２の組の多重量子井戸よりも高いＩｎプリカーサ流で形成される、請求項１３乃至２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記多重量子井戸は、ＩｎＧａ／Ｇａ，ＩｎＧａ／ＡｌＧａ，Ｇａ／ＡｌＧａ，そしてＩｎＧａ／ＡｌＩｎＧａからなる群の中の一材料系を含む、請求項１３乃至２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記多重量子井戸は、前記材料系の窒化物又はリン化物を含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く発光ダイオードと発光ダイオードの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤｓ）は、屋外フルカラーディスプレイ、交通信号灯、データストレージ、固体照明、通信などの多くの分野で用いられている。現在、発光ダイオードは特定の波長の光のみを発する。白色発光ダイオードは、青、緑、赤の三原色の光を発する３つの別々の発光ダイオードで構成されている。従来のダイオードは、典型的にはＡｌＧａＡｓ（赤）、ＡｌＩｎＧａＰ（オレンジ−黄−緑）、ＩｎＧａＮ（緑−青）の無機化合物半導体からなる。これらのダイオードは、化合物半導体のバンドギャップに対応した周波数の単色光を発する。時間が経つと、これらの異なる材料の劣化時間の違いが、得られる白の範囲に問題を引き起こす可能性がある。これはまた、蛍光体ベース白色発光ダイオードにも当てはまり、蛍光体の異なる劣化率により、そのデバイスが白色光を生成できる寿命が、そのデバイスそのものの寿命よりも短くなる。この手法の更なる問題は、低発光効率、ストック損失、そして蛍光層がそのデバイスに組み込まれる際の複雑な実装を含み、これが発光ダイオードの非信頼性につながる。フルカラーディスプレイでは、発光ダイオードはバックライトとして用いられ、発光ダイオードが、個々の波長成分の強度が一定な光を発することが不可欠である。
【０００３】
蛍光体ベース発光ダイオードでは、青色発光ダイオードを、より広いスペクトルにわたる光に、典型的には黄色に変換するために、蛍光体被覆が用いられる。黄色と青の光の結合は、白色光の発光を可能とする。あるいは、三色の赤−緑−青（ＲＧＢ）のような光を発生するために、複数の蛍光体混合が用いられる。しかしながら、蛍光体が特定波長の光のみを発するため、黄、緑、またはシアンの範囲は調節可能ではない。さらに、青、緑、赤の発光ダイオードの各々が独立してアドレスされなければならず、フィードバックが必要となるため、この手法は高価で複雑である。
【０００４】
発光ダイオードの中で、３族窒化物ベース発光ダイオードは、例えば、ＡｌＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ、ＩｎＮのような、２元および３元合金を用いることにより、バンドギャップが変化し、紫外から赤外までの広範囲の発光スペクトルに及ぶため、光エレクトロニクスの分野において、かなりの関心を引いてきた。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷｓ）は、３族窒化物ベース発光ダイオードやレーザダイオード（ＬＤｓ）の活性領域によく用いられている。しかしながら、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷｓ）のエピタキシャル成長は、緑や赤の発光ダイオードのような長波長の用途のために、高いＩｎ含有量を含まなければならないときに、大きな難題をもたらす。更に、波長が増加した、または、Ｉｎ含有率がより高い発光に対して、光の出力効率は低下する傾向にある。成長温度を低下させることにより、Ｉｎの含有量は増加するが、結晶品質が悪化するため、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度は低下する。
【０００５】
近年、ＰＬ発光の赤方偏移を実現するために、Chua等によってインジウム量子ドットが研究されている（Soo Jin Chua et al. US 2004/0023427 A1,  ２００４年２月５日公開）。単一及び多重ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ量子井戸（ＱＷｓ）に埋め込まれた窒化インジウム（ＩｎＮ）とインジウムリッチな窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）量子ドットは、ＭＯＣＶＤ成長の間の抗界面活性剤としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いて形成され、そして、フォトルミネッセンス波長が４８０から５３０ｎｍにシフトしてきた（J. Zhang et. al. Appl. Phys. Lett. v80, p485-487, 2002）。しかしながら、そのような技術を用いた発光ダイオードの成長は、多重量子井戸からの緑の発光を生じるだけである。現在、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸から赤の発光が得られる可能性はない。Perez-Solorzanoと共同研究者は、位置制御したピラミッド型ＩｎＧａＮ量子ドット（ＱＤｓ）から赤に近い発光を報告した（Perez-Solorzano et al. Appl. Phys. Lett. v87, p163121-1, 2005）が、赤の発光を生じるＧａＮベースＬＥＤの報告はない。現実的な赤橙色や黄色の可視光源は、ＡｌＩｎＧａＰを用いて実現されており、明るい緑、青、紫の発光ダイオードは、ＧａＮベースの材料系により製造されている。しかしながら、これらのダイオードを組み合わせることによって、十分な輝度のフルカラーディスプレイを提供することができるが、波長可変の光を発することができる単一の多重量子井戸構造は存在していない。
【０００６】
米国特許出願公開US2005/0082543には、広バンドギャップ材料で欠陥の少ないナノ構造の製造方法と、光エレクトロニクスデバイスが開示されている。ナノリソグラフィーで規定されたテンプレートは、広バンドギャップ材料のナノ構造の形成に用いられるとともに、蛍光体を含まないモノリシックな白色発光ダイオードの製造に用いられている。その製造は、波長の異なる光を発生させるために、量子ドットのサイズを調整することによりなされる。白色光は、３０％の赤色光、５９％の緑色光、１１％の青色光を発生するようにサイズを調節した量子ドットを混合することにより、集合的に生成される。ナノパターン基板は、ＳｉＯ２やリソグラフィー技術で用いる他のパターンマスクを含む。このようにして、その製造には、異なる色の発光を生ずるための量子ドットパターンを形成するために、特別なテンプレートが必要となり、発光ダイオードを製造するための方法が複雑となり、コストが増大する。
【０００７】
米国特許出願公開US2003/127660 A1 には、ホストマトリクスに埋め込まれた量子ドットと、そのドットが選択された色の二次発光を引き起こす一次光源とを有する電子デバイスが開示されている。ホストマトリクスは、固体で透明なプレポリマーのコロイドと、様々なサイズの分布をもつ量子ドットからなる。この量子ドットは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳなどの材料からなる。例えば、固体光源はドットに照射するために使用され、それによりドットを、ドットのサイズ分布の色特性のフォトルミネッセンス光で発光させる。発光は純色（単分散サイズ分布の量子ドットに相当する）、又は混色（多分散サイズ分布の量子ドットに相当する）となる。しかし、やはりこの製法にも、高分子のホストマトリクスという特別な「テンプレート」が必要となる。さらに、この製法は発光を停止し得る異物を用いる量子ドットの実装を必要とする。そのため、この製造技術は複雑で、その結果、発光ダイオードのコストを増加させ、潜在的な発光の停止を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、上記問題点の少なくとも一つを扱うことを努める発光装置を提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、第１の組の多重量子井戸（ＭＱＷｓ）を有する発光ダイオードであって、第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、量子ドット（ＱＤｓ）または量子ドット状構造に核成長サイトを供給するウェッティングレイヤを、各多重量子井戸の井戸層に有する第１の組の多重量子井戸と、第２の組の多重量子井戸であって、第１の組の多重量子井戸に比べてフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長がシフトされて示されるように、前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれが形成される第２の組の多重量子井戸と、を備える発光ダイオードが提供される。
前記量子ドット又は量子ドット状構造は、Ｉｎ原子を含んでもよい。
前記第１の組の多重量子井戸は、約３から５の多重量子井戸を含んでもよい。
前記第２の組の多重量子井戸は、約２から５の多重量子井戸を含んでもよい。
前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＧａベース井戸層とを備えてもよい。
前記第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＩｎＧａベースウェッティングレイヤと、前記ＩｎＧａウェッティングレイヤの上に形成されるＧａベース井戸層とを備えてもよい。
前記第１の組の多重量子井戸はｎ型ドープＧａベース層の上に形成され、前記第２の組の多重量子井戸は前記第１の組の多重量子井戸の上に形成され、Ｇａベースキャップ層は前記第２の組の多重量子井戸の上に形成され、ｐ型ドープＧａベース層は前記Ｇａベースキャップ層の上に形成されてもよい。
前記発光ダイオードは、さらに、前記ｎ型ドープＧａベース層と前記ｐ型ドープＧａベース層とそれぞれ接触する電気的コンタクトを備えてもよい。
前記第１と第２の組の多重量子井戸は、基板上に支持されてもよい。
前記多重量子井戸は、ＩｎＧａ／Ｇａ，ＩｎＧａ／ＡｌＧａ，Ｇａ／ＡｌＧａ，そしてＩｎＧａ／ＡｌＩｎＧａからなる群の中の一材料系を含んでもよい。
前記多重量子井戸は、前記材料系の窒化物又はリン化物を含んでもよい。
前記ダイオードの結合ＰＬスペクトルは、約４００〜８００ｎｍの可変波長領域に及んでもよい。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、第１の組の多重量子井戸（ＭＱＷｓ）であって、第１の組の多重量子井戸（ＭＱＷｓ）であって、第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、量子ドット（ＱＤｓ）または量子ドット状構造に核成長サイトを供給するウェッティングレイヤを、各多重量子井戸の井戸層に有する第１の組の多重量子井戸を形成する工程と、第２の組の多重量子井戸であって、第１の組の多重量子井戸に比べてフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長がシフトされて示されるように、前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれが形成される第２の組の多重量子井戸を形成する工程と、を有する発光ダイオードの製造方法が提供される。
前記量子ドット又は量子ドット状構造は、Ｉｎ原子を含んでもよい。
前記第１の組の多重量子井戸は、約３から５の多重量子井戸を含んでもよい。
前記第２の組の多重量子井戸は、約２から５の多重量子井戸を含んでもよい。
前記第２の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＩｎＧａベース井戸層とを備えてもよい。
前記第１の組の多重量子井戸のそれぞれは、Ｇａベース障壁層と、前記Ｇａベース障壁層の上に形成されるＩｎＧａベースウェッティングレイヤと、前記ＩｎＧａウェッティングレイヤの上に形成されるＧａベース井戸層とを備えてもよい。
前記第１の組の多重量子井戸はｎ型ドープＧａベース層の上に形成され、前記第２の組の多重量子井戸は前記第１の組の多重量子井戸の上に形成され、Ｇａベースキャップ層は前記第２の組の多重量子井戸の上に形成され、ｐ型ドープＧａベース層は前記Ｇａベースキャップ層の上に形成されてもよい。
前記方法は、さらに、前記ｎ型ドープＧａベース層と前記ｐ型ドープＧａベース層とそれぞれ接触する電気的コンタクトを備えてもよい。
前記第１と第２の組の多重量子井戸は、基板上に支持されてもよい。
前記第１の組の多重量子井戸は、前記第２の組の多重量子井戸よりも低温で形成されてもよい。
前記第１の組の多重量子井戸は、前記第２の組の多重量子井戸よりも高いＩｎプリカーサ流で形成されてもよい。
前記多重量子井戸は、ＩｎＧａ／Ｇａ，ＩｎＧａ／ＡｌＧａ，Ｇａ／ＡｌＧａ，そしてＩｎＧａ／ＡｌＩｎＧａからなる群の中の一材料系を含んでもよい。
前記多重量子井戸は、前記材料系の窒化物又はリン化物を含んでもよい。
【００１１】
本発明の実施形態は、以下に記載される記述の例のみにより、そして図面と結合することにより、その技術の通常の知識を有する者によく理解され、容易に明白となるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態のＬＥＤのサンプル構造を示す模式断面図である。
【図２】図１のＬＥＤのｐ型ＩｎＧａＮの表面モフォロジーのＳＥＭ画像である。
【図３】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図４】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図５】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図６】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図７】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図８】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図９】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１０】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１１】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１２】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１３】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１４】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１５】本実施形態の発光素子の製法を示す模式断面図である。
【図１６】本実施形態のＬＥＤのＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１７】図１６のＬＥＤの二重ＰＬピークの発光スペクトルを示すグラフである。
【図１８】図１６のＬＥＤの２組の多重量子井戸を示す断面ＴＥＭ画像である。
【図１９】図１６のＬＥＤの異なる電圧におけるＣＩＥ色度図における色座標を示すものである。以下の点は以下の電圧範囲に対応する。（Ａ）点：３−４Ｖ、（Ｂ）点：５−７Ｖ、（Ｃ）点：８−１０Ｖ、（Ｄ）点：１１−２０Ｖを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態の発光ダイオードの成長は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて行った。トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、シラン（ＳｉＨ４）は、プリカーサとして用いられた。元素の効率的な含有のため、キャリアガスとして水素と窒素が用いられた。
【００１４】
発光ダイオードでは、異なる波長の発光を得るため、２組の多重量子井戸（図１の１００、１０２参照）を異なる温度で成長させた。サファイア基板（図１の層１参照）等の上の低温ＧａＮバッファ（図１の層２参照）の上に成長させた高温ＧａＮ層（図１の層３参照）の後、ＭＯＣＶＤチャンバの温度を約７００〜７５０℃に下げ、約３から５の井戸からなる第１の組の多重量子井戸を成長させた。ｎｓが約２．０×１０１７ｃｍ−３でＳｉドーピングし、約５．０〜１０．０ｎｍの厚さのＧａＮ障壁（図１の層４参照）を最初に成長させる。ｘの組成が約０．１０〜０．２０、約１ｎｍの厚さのＩｎｘＧａ１−ｘＮの薄いウェッティングレイヤ（図１の層５参照）を成長させ、Ｉｎバーストプロセスの間、窒化インジウムリッチな量子ドットの含有が増す。インジウムプリカーサからのＩｎ原子は、ＩｎＧａＮのウェッティングレイヤのダングリングボンドで分離し、プリカーサの流量によって決まるＩｎＧａＮ量子ドットと井戸層（図１の層６参照）の順次成長のシード層として働く。抗界面活性剤として作用するＴＭＩｎの量とＴＭＩｎ流の持続時間は、インジウムリッチな量子ドットの成長に重要である。流量が少なすぎると量子ドットの成長のために十分なシードを形成できない可能性があり、持続時間が長すぎると井戸層を粗くする可能性があることが見出された。
【００１５】
第１の組の多重量子井戸の成長の後、第２の組の多重量子ドットの成長のためにさらに約３０℃温度を増加させる前に、約１０〜３０ｎｍのアンドープＧａＮ層（図１の層７参照）を、約７２０〜７５０℃で成長させる。ｎ型ＧａＮ障壁（図１の層８参照）を約５．０〜１０．０ｎｍの厚さで成長させ、ＩｎＧａＮ（図１の層９参照）井戸を約２．０〜５．０ｎｍの厚さで成長させる。第２の組の多重量子井戸の成長の間のＴＭＩｎ流は、蒸気圧やＴＭＩ源の温度に基づいて、約３００ｓｃｃｍまたは４３．０μｍｏｌ／ｍｉｎに下げられる。ＴＭＩ流量の低下はＰＬ発光の青方偏移を引き起こすことが見出された。第２の組の多重量子井戸は、約２〜５の井戸からなる。
【００１６】
第２の組の多重量子井戸の成長の後、ＧａＮの薄いキャップ層（図１の層１０参照）を、約７８０〜８００℃で約１５〜３０ｎｍの厚さで成長させる。次に、厚さ２０〜４０ｎｍのＡｌａＧａ１−ａＮの層（図１の層１１参照）を成長させる。ここで、ａは約０．１〜０．３の間である。続いて、ｐ型ＩｎＧａＮ層（図１の層１２参照）を約１５０〜３００ｎｍの厚さで成長させる。マグネシウムをｐドーパントとして用い、チャンバでの成長は、約７５０〜８００℃で行われる。ＴＭＩｎ流量は、約３００Ｔｏｒｒ未満の圧力で、約８０〜１５０ｓｃｃｍの範囲に設定される。続いて、水素雰囲気でＭｇドープＧａＮの薄いエピ層の成長のために、圧力を約５０〜３００Ｔｏｒｒに下げる。これにより接触抵抗を改善することが見出された。第１の組の多重量子井戸の井戸層（図１の層６参照）のＩｎリッチなＩｎＧａＮナノ構造の外方拡散を防ぐために、従来のｐ型ＧａＮにインジウムがドープされ、ｐ型ＩｎＧａＮ（図１の層１２参照）の成長が約７５０〜８００℃の範囲で保たれる。ｐ型ＩｎＧａＮ（図１の層１２参照）のＭｇを活性化するために、付加的なインシチュ（in-situ）アニールは行わない。
【００１７】
図１は、本実施形態の２組のＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸１００、１０２の構造の模式断面図を示す。層１は基板であり、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や他の基板であり得る。層２は低温ＧａＮバッファであり、サファイア基板上のＧａＮの核形成を促進するために、約２５ｎｍの厚さで、かつ５００〜５５０℃で成長させる。層３はＳｉドープ高温ＧａＮ層であり、約１０００〜１０５０℃で成長させ、約２×１０１７から９×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされる。層４から層６は、第１の組の多重量子井戸である。層４は、約２×１０１７から２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした、ＳｉドープＧａＮ障壁である。層５は、ＴＭＩｎバースト前のＩｎｘＧａ１−ｘＮ事前成長のウェッティングレイヤである。インジウム含有量、ｘは、約０．１から０．２の範囲にわたる。層５の成長の後、層６が堆積される前にインジウムリッチな量子ドットの成長のシードを形成するために、ＴＭＩｎとアンモニアが流された。流量は、約３から１２秒の持続期間の間、約１０〜８０μｍｏｌ／ｍｉｎに保たれる一方、ＴＭＩｎが流れる間、チャンバ内の温度が約１０度ランプ降下させられる。層６はインジウムリッチなナノ構造１０４が埋め込まれたＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層であり、ここでｙ＞ｘである。埋め込まれたＩｎリッチなナノ構造１０４は、インジウム含有量が約１０から６０％変動し、より長い波長の光を発する。層７は、約７２０〜７５０℃で成長させた、約１５〜３０ｎｍのアンドープＧａＮキャップ層である。層８〜９は第２の組の多重量子井戸を示し、第１の組の多重量子井戸の温度よりも約３０℃、温度を増加させている。第２の組の多重量子井戸のインジウムの構成物であるＩｎｚＧａ１−ｚＮは、第１の組の多重量子井戸のＩｎｙＧａ１−ｙＮと比べて、ｚ＜ｙとなるモル分率を有する。層１０は、約７８０〜８００℃で約１５〜３０ｎｍの低温ＧａＮの薄いキャップ層である。層１１は、厚さ２０〜４０ｎｍのＡｌａＧａ１−ａＮの層であり、ここでａは約０．１〜０．３の間である。層１２は、Ｍｇドープ（ｐ型）ＩｎｍＧａ１−ｍＮ層であり、ここでｍは約０．０５〜０．１の間である。
【００１８】
図２は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１２の表面モフォロジー２００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。表面モフォロジー２００は、多孔性に見える。
【００１９】
そして、ｐ型ＩｎＧａＮ（層１２、図１）とｎ型ＧａＮ（層３、図１）のそれぞれに、ショットキーとオーミックコンタクトの処理が行われる。図３から１５を参照して、以下、製造プロセスのより詳細な記述をする。
【００２０】
図３を参照すると、一実施形態において、電圧を変化することにより、赤からシアンの光を発するデバイスの製造方法は、ＧａＮバッファ層のエピ層３０２と、ｎ型ＧａＮ層３０４とを備える基板３００を供給することを含む。エピ層３０２は、約５００〜５５０℃でＧａＮの核形成（バッファ）層の成長からなり、ｎ型ＧａＮ層３０４は１０００〜１０５０℃で成長させる。
【００２１】
次に、図４に示されるように、基板３００はほぼ同じ温度に保たれ、ＳｉドープＧａＮの層４００が、約２×１０１７から１×１０１８ｃｍ−３のドーピング濃度で堆積される。
【００２２】
そして、基板３００はほぼ同じ温度に保たれ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮの層５００がＧａＮ層４００の上に、ウェッティングレイヤとして働くために形成される。ここで、ｘは約０．１０から０．２０の範囲にわたる。基板３００の温度を約１０℃低下させ、約３から１２秒の間、約１０〜８０μｍｏｌ／ｍｉｎの流量でインジウムプリカーサを流すことにより、図６に示されるように、ＩｎｗＧａ１−ｗＮの量子ドット状構造６００が形成される。ここで、０．２＜ｗ＜１．０である。
【００２３】
次に、ＩｎｗＧａ１−ｗＮの量子ドット状構造６００の成長が達成される安定した温度に基板３００を保ちながら、図７に示されるように、ＩｎｙＧａ１−ｙＮの井戸層７００が形成される。ここで、ｙ＞ｘである。図４から７を参照して説明されたステップは３回繰り返され、図８に示される多重量子井戸構造８００、８０２、８０４を形成する。ここで、各構造８００、８０２、８０４は、層４００と、層５００と、量子ドット状構造６００と、井戸層７００とを有する（図４から７）。
【００２４】
次に、基板３００は図３を参照して上述したステップと同じ温度である約７００℃から８５０℃に保たれ、図９に示されるようにＧａＮのキャップ層９００が堆積される。そして、基板３００の温度を３０℃増加させ、図１０に示されるように、約２×１０１７から１×１０１８ｃｍ−３のドーピング濃度のＳｉドープＧａＮの層１０００が堆積される。基板はほぼ同じ温度に保たれ、図１１に示されるように、ＩｎｚＧａ１−ｚＮの井戸層１１００が形成される。ここで、ｚ＜ｙである。図１０と１１を参照して説明されたステップは２回繰り返され、図１２に示される多重量子井戸構造１２００、１２０２を形成する。各構造１２００、１２０２は、ＳｉドープＧａＮ層１０００と、井戸層１１００とを有する（図１０、１１）。
【００２５】
基板３００はほぼ同じ温度に保たれ、図１３に示されるように、約２×１０１７から１×１０１８ｃｍ−３のドーピング濃度のＳｉドープＧａＮのキャップ層１３００が堆積される。そして、基板の温度を約３０℃増加させ、図１４に示されるように、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの層１４００が形成される。ここで、０．１＜ｘ＜０．３である。基板はほぼ同じ温度に保たれ、図１５に示されるように、約１×１０１８から１×１０１９ｃｍ−３のＭｇドーピングしたｐ型ＩｎｍＧａ１−ｍＮのキャップ層１５００が堆積される。ここで、ｍは約０．０５と０．１０の間である。
【００２６】
そして、デバイスのコンタクトを形成する処理が行われる。誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を用い、ＢＣｌ３とＣｌ２プラズマを用いて図１の層３（図３の層３０４）に達するように、メサのエッチングが行われる。ｐ型ＩｎＧａＮ層１５００へのｐコンタクトに続いて、ｎ型ＧａＮへのｎコンタクトが次に堆積される。
【００２７】
説明した実施形態は、印加電圧を変えることにより異なる色を発光することができる、単一のＧａＮベースＬＥＤパッケージチップを製造しようとする。発光ダイオードの品質の観点では、本実施形態は、特に白色発光ダイオードや自動車の方向指示照明に用いられる際の、発光ダイオードの組の寿命の違いの問題を解決することができる。ＧａＮベース発光ダイオードは、量子井戸中の量子ドットを用いて所望の波長の発光を生ずるので、劣化の問題と、蛍光体の使用に伴って異なる色の発光を達成するためのパッケージングの困難性が解決される。本実施形態は、また、ダイオードに印加される電圧を変えることにより、発光波長そのものが可変であるため、所望の発光波長を得るために多色の色混合装置の使用を避ける。
【００２８】
図１６は、発光ダイオードのＩ−Ｖ特性の一例を示す。この実施形態においては、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸の成長の間に、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）バーストを用いて、Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎウェッティングレイヤの上に、ＩｎリッチなＩｎＧａＮナノ構造を成長させる。抗界面活性剤としてＴＭＩｎを用いて形成されるこれらのＩｎリッチなＩｎＧａＮナノ構造は、約５０〜８０ｎｍの範囲に及び、構造の中の「量子ドット状」状態となり、ＩｎＧａＮ井戸層の中のＩｎの含有を増す核形成サイトとして作用する。これにより、図１７に示されるように５００〜７００ｎｍの範囲の波長の広いＰＬ発光ピークが生じる。ＩｎＧａＮナノ構造１８００が埋め込まれた層が、図１８の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像で観察されうる。異なる波長の発光を生じるため、２組の多重量子井戸が備えられている。図１７に示されるように、第１の組の多重量子井戸は約５００〜７００ｎｍの広い発光帯１７００をもたらし、第２の組の多重量子井戸は、４６０ｎｍに発光ピーク１７０２を可能とする。図１９は、ＣＩＥ（国際照明委員会）の色度図において、異なる電圧の発光ダイオードの発光の色座標を示し、特に（ａ）３〜４Ｖ、（ｂ）５−７Ｖ、（ｃ）８−１０Ｖ、（ｄ）１１−２０Ｖである。
【００２９】
電圧を変えることにより色が調整可能な発光ダイオードを製造することができることは、多くの重要な応用に役立つ。それは、以下のものを含む。
・照明や表示の目的。これは、掲示板の照明、店舗、住宅、歩道の表示を含む。
・ＬＣＤバックライト、キーパッド導光、デジタルカメラのフラッシュ発光、ＰＣモニタのバックライト。発光ダイオードの使用、特にレインボーＬＥＤは、さらに発光ダイオードが色表現を提供する可能性を高めるだろう。
・固体照明。
・自動車のヘッドライトや交通信号灯。
【００３０】
広く記載された本発明の趣旨や範囲から離れることなく、特定の実施形態で示された本発明に、当業者が多数の変更かつ／または修正をすることができることが理解されるであろう。したがって、本実施形態は、全ての点について例示であり限定的ではないものとして考慮される。
【００３１】
図１と３から１５の模式図は、縮尺が正確なものではないことに注意する。本発明はまた、Ｉｎ／Ｇａ、ＩｎＧａ／ＡｌＧａ、Ｇａ／ＡｌＧａ、ＩｎＧａ／ＡｌＩｎＧａ（井戸／障壁）系ベースデバイスを含む、リン化物ベースの発光素子のような他の材料を含むものにも適用することができる。電圧の関数としての色と、デバイスの全波長領域は、異なる材料の間で変化し得ることが理解されるだろう。用いられるウェッティングレイヤは、井戸層の組成に依存する。同様の３元又は４元合金を用いることができ、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＰウェッティングレイヤをＩｎｙＧａ１−ｙＰ井戸層に用いることができる。ここで、ｘ＜ｙである。量子ドットの形成に含まれる組成は、また、井戸層の組成によって決まる。説明した例においてＩｎ原子が含まれたのは、Ｉｎは必要な赤方偏移と窒化材料の広いスペクトルを生じることができるためである。ＧａＰの場合、用いられるＩｎＰ量子ドットは、赤型から赤外の発光を増すことができる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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