JP2009530803A

JP2009530803A - モノリシック白色発光ダイオード

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Publication number: JP2009530803A
Application number: JP2008558861A
Authority: JP
Inventors: マシー、ジャン; ダミラノ、バンジャマン
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2009-08-27
Also published as: US8470618B2; WO2007104884A1; US20090101934A1; EP1994571A1; FR2898434A1; FR2898434B1; KR20080104368A; US20110045623A1

Abstract

本発明は、III−V族の窒化物からなるマトリックス（１３）からなるデバイスに関する。前記マトリックス（１３）は、電流（１１）が流れる少なくとも１つの能動的な第1の部位（３，４，１２）と、電流が流れない少なくとも１つの受動的な第２の部位（５，６）とを備える。前記マトリックスは、III−V族の窒化物からなる第１の量子閉じ込め領域を形成するとともに、前記能動的な第１の部位（３，４，１２）内に配置される少なくとも１つの第１の領域（３）と、III−V族の窒化物からなる第２の量子閉じ込め領域を形成する、少なくとも１つの第２の領域（５）とを備える。デバイスは、前記第２の領域が前記マトリックスの受動的な部位（５，６）内に配置されていることを特徴とする。

Description

本発明は、発光ダイオードの分野、特にモノリシック発光ダイオードの分野に関する。

そのようなダイオードは、例えば、１つのダイオードが開示される特許文献１により知られている。そのダイオードは、マトリックスが上部に配置された基板を含むデバイスを備える。そのマトリックスは、それぞれ窒化アルミニウム(AlN)又は窒化ガリウム(GaN)の層内において大気温で可視スペクトルを発光する窒化ガリウム(GaN)型又は窒化ガリウム・インジウム(GaInN)型の少なくとも１つの量子井戸のスタックを備える。

特許文献１において、窒化系（アルミニウム、ガリウム、インジウム）、即ちIII−V族の窒化物材料が使用される。これらは広いバンドギャップを有するとともに、全可視スペクトルを発光可能な特性を有する半導体である。例えば、ダイオードの能動的な領域、即ちダイオードの電流が流れる領域内で、量子井戸、即ち青色を発光する窒化ガリウム・インジウム(GaInN)／窒化(アルミ)ガリウム((Al)GaN)の量子ドット、及び黄色を発光する他の量子ドットを混合することにより白色光が得られる。

更に、III−V族の窒化物はモノリシック発光ダイオードの製造には効率的な材料であると認められている。
米国特許第６，４４５，００９号明細書

しかしながら、電気的ポンピングによる発光出力は、発光される波長に応じて変化し、特に、青色の出力は黄色の出力の２倍良好であることが知られている。これは、青色を発光するダイオードは現在の市場で最も広範に使用されているためである。従って、青色及び黄色を発光するダイオードにおける光出力は、黄色を発光する量子ドット、又は量子井戸の特性によって制限される。

本発明の第１の目的は、異なる波長の電気的注入により、光出力によって制限されないことにある。
加えて、量子ドット、即ち量子井戸を使用する電気的注入ダイオードにおいて、量子ドット内、即ち量子井戸内の電子及び正孔の分布は、ダイオードに印加される電圧によって改善されることが知られている。従って、発光される色は、電流の密度によって変化する。

色の変更可能なダイオードが所望される場合、この特性は便利である。しかし、使用目的が照明である場合、それは白色を発光するには欠点となる。
従って、本発明の第２の目的は、ダイオードの電流の密度の作用としての発光色の変化を回避することにある。

非モノリシックダイオードの分野において、白色ダイオードは広範に使用されている。それらダイオードは青色を発光する第１のモノリシック部（青色ダイオード）を備え、その上部には、青色ダイオードによって放射される青色の光子の一部を吸収するとともに黄色の光子を再放射する燐光材料が配置され、そのような２つの光の組み合わせが白色光を提供する。

しかしながら、そのような標準的な青色ダイオード・燐光体の２部分のダイオードでは、一方で、青色ダイオードの上に配置された燐光体の欠点により、デバイスの一般的な性能が徐々に低下する結果となる。これは、白色光の低下を徐々に招くとともに、標準の青色発光ダイオードに対して白色発光ダイオードの寿命の制限を招く。

また他方で、そのような白色発光ダイオードの製造は、第１の従来工程である青色発光ダイオードのエピタキシャル成長に加えて、追加工程である燐光体の蒸着を必要とすることに留意されたい。従って、そのような追加工程である蒸着は、製造コストの増大を含む。

従って、本発明の別の目的は、エピタキシャル成長のみを通じて製造される、即ちモノリシックの白色発光ダイオードを提供することにある。
従って、本発明の別の目的は、時間が経っても発光特性が安定的な白色発光ダイオードを提供することにある。

米国特許出願第２００３／００６４３０号は、ケイ素(Si)又はセレン(Se)がドーピングされた窒化ガリウム(GaN)層を含み、黄色の発光を可能とするダイオードを開示する。また、そのような層において、発光は結晶欠陥の結果として深い層で生じることも知られている。従って、この種の層の量子効率は制限される。さらに、そのような深い層は、黄色で固定される波長で発光する。上述した文献のダイオードは、能動的な領域で発光する光と受動的な領域で発光する光とを組み合わせることによる全可視スペクトルで発光可能なダイオードを得ることはできない。

また、ダイオードの受動的な領域内に半導体層のスタックを備えるダイオードについて述べる米国特許出願公開第２００２／０１３９９８４号も知られている。そのような層のスタックは、光子の抽出効率を増大させるために、能動的な領域によって発光される波長に対するミラーを構成するように形成されている。更に、そのような層は、能動的な領域の波長と非常に近い発光波長、例えばスペクトル幅の半分の０．９倍未満を有する必要がある。従って、例えば、４５０ナノメートルの波長で２０ナノメートルの幅を有する青色発光ダイオードに関して、そのような層の発光波長は４５０乃至４５９ナノメートルの間である。上述の文献における半導体層の機能として、量子井戸のスタックのミラー特性を利用することにより、抽出効率を増大させながら、能動的な領域の色を変性させることはないため、例えば青色発光ダイオードは青色を維持する結果となる。

従って、そのようなダイオードは、能動的な領域で発光する光と受動的な領域で発光する光との色の組み合わせを可能とする。
本発明の別の目的は、全可視スペクトルを発光し得る、特に青色発光ダイオードによって励起される場合に発光し得るダイオードを提供することにある。

これらの目的の少なくとも１つは、III−V族の窒化物からなるマトリックスを備えるデバイスによって本発明に従い達成される。前記マトリックスは、電流が流れる少なくとも１つの能動的な第1の部位と、電流が流れない少なくとも１つの受動的な第２の部位とを備える。前記マトリックスは、前記能動的な第１の部位内に配置されるとともに、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の第１のスタックを備える少なくとも１つの第１の領域と、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の第２のスタックを備える少なくとも１つの第２の領域とを備える。前記第２の領域が前記マトリックスの受動的な部位内に配置されていることを特徴とする。

デバイスの能動的な部位及び受動的な部位内にそれぞれ配置された量子井戸、即ち量子ドットのスタックは、デバイスの出力において全可視スペクトルで広がる光を生成するために、第１の領域及び第２の領域によって発光される光を効率的に制御することを可能とする。

本発明に従い、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面を含む第１の領域は、第１の量子閉じ込めを形成し、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面を含む第２の領域は、第２の量子閉じ込めを形成する。

モノリシックマトリックスの受動的な部位内に第２の量子閉じ込め領域を配置することにより、本発明は、従来のダイオードにおける異なる量子領域を流れる電流の作用として生じる異なる発光に関する問題を解決する。

従って、本発明に従うデバイスでは、受動的な領域内に配置された第２の量子閉じ込め領域は、実際、第１の量子閉じ込め領域によって放射された光子によって光学的にポンピングされる。後者は、能動的な領域を流れるダイオードの電流によって電気的にポンピングされる。

従って、デバイスのマトリックスの受動的な領域内の第２の領域の光学的なポンピングは、電気的ポンピングに関連する欠点、特に発光が電流密度に依存する欠点を回避することを可能とする。
更に、１つのIII−V族の窒化物材料内に受動的な領域及び能動的な領域を備えるマトリックスのモノリシック構成は、１つのエピタキシャル成長工程のみを伴う本発明に従うデバイスを得ることを可能とする。

前記第１の領域は量子閉じ込めを形成し、かつ第２の領域は量子閉じ込めを形成し、即ちそのような領域間のマトリックスの一部がそのような領域間の量子ゲートを形成するように、マトリックス内のIII−V族の窒化物元素の分布が本発明に従って実施される。これは、本質的に知られているように、そのような材料のバンドギャップの作用として、III−V族の窒化物を選択することによって得られる。

特に、第１の領域によって発光される光の色に適用することができるように、前記少なくとも１つの第１の領域は、前記能動的な領域内を流れる前記電流による電気的注入を通じて少なくとも第１の波長の光子を放射することを可能とする。前記少なくとも第１の波長は、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第１のスタックの寸法と、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第１のスタックの組成とによって決定される。

同様に、前記少なくとも１つの第２の領域は、第１の領域によって放射される前記光子による光学的ポンピングを通じて少なくとも第２の波長の光子を放射することを可能とする。前記少なくとも１つの第２の波長は、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第２のスタックの寸法と、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第２のスタックの組成とによって決定される。

白色光を、特に照明用途のために拡散すべく、前記第１の領域及び第２の領域が選択されるため、前記波長の光子に対応する光信号と前記第２の波長の光子に対応する光信号との組み合わせが、実質的に白色光を拡散する。

光の発光の良好な出力を達成するために、前記少なくとも１つの第１の領域は、前記能動的な領域を流れる前記電流による電気的注入を通じて青色の光子を放射することを可能とする。

この場合、デバイスの出力で白色光を得るために、前記少なくとも１つの第２の領域は、前記第１の領域によって放射される前記光子による光学的ポンピングによって黄色の光子を放射することを可能とする。

黄色の発光は、量子井戸、即ち量子ドット面の１つのスタックのみを使用することで可能となる。
デバイスの出力において白色光を得ながら、色温度及び色票を改善することを可能とする別の実施形態に従えば、前記少なくとも１つの第２の領域は、前記第１の領域によって発光される前記光子による光学的ポンピングによって緑色及び赤色の光子を放射することを可能とする。

本発明の別の解決方法によれば、前記第１の領域は、窒化ガリウム・インジウム／窒化ガリウム型の量子井戸のスタックから構成される。
本発明のそのような実施形態において、前記第２の領域は、窒化ガリウム／窒化アルミニウム型の量子ドット面から構成される。

第１の能動的な領域の量子閉じ込めを形成しながら、第１の能動的な領域に向かう電流の通路を許容するために、III−V族の窒化物からなる前記マトリックスは、前記第１の領域に対する量子ゲートを形成する第３の導電部を含む。

また、本発明は、前述したようなデバイスと、前記電流を生成するための手段とを備える発光ダイオードに関する。前記電流を生成するための前記手段は、前記電流が流れる前記能動的な第１の部位と、前記電流が流れない前記受動的な第２の部位とを形成するように設けられている。

本発明は、以下の詳細な説明及び添付の図面からより良く理解されるであろう。
図１に示すように、本発明に従う発光ダイオード１は、以下に詳細に説明する種々の部位を備えるマトリックス１３が上部に形成された基板７を含む。

まず、マトリックス１３は、電流を導く能動的な部位、より詳しくは電流ライン１１を含む。そのような電流は、電流生成手段によって、例えば陽極端子１０Ａ及び陰極端子１０Ｂ並びに半透明コンタクト１０Ｃの形態で金属コンタクトによって生成される。従って、マトリックス１３の能動的な部位は、電流生成手段１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによって生成される電流が流れるマトリックス１３の一部として形成されている。そのような能動的な部位は、電流ライン１１が通過するように、能動的な部位内に配置された第１の領域３を備える。そのような領域３は、電流生成手段１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによって放射される電流により電気的にポンピングされることを可能とする量子閉じ込めに対応する。以下、ここではそれを電気的注入領域と称する。そのような電気的注入領域３は、例えば、窒化ガリウム・インジウム／窒化ガリウムの量子井戸のスタックから構成される。そのような電気的注入領域３の特性は、選択されるので、電流によって行われる電気的注入は、矢印８によって示されるように、例えば青色の光子の放射を可能とする。そのような電気的注入領域３は、n型にドーピングされた窒化ガリウム導電部４及びp型にドーピングされた窒化ガリウム部１２によって制限される。そのような部位４，１２の機能は、閉じ込め領域３を通じて流れる電流を導通することである。

電流生成手段１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、能動的な部位、及び量子閉じ込め電気的注入領域３は、一般に青色ダイオード２を形成し、その構成は本質的に知られている。
また、本発明に従えば、マトリックス１３は電場ライン１１が届かない受動的な部位を含む。本発明に従えば、量子閉じ込め領域５は、この受動的な部位内に配置される。そのような領域５は、例えば、窒化ガリウム／窒化アルミニウムの量子ドットのスタックから構成される。この領域５は、電気的注入領域３によって放射される光子により光学的にポンピングされる。以後、領域５は光学的ポンピング領域と呼ばれる。

電気的注入領域３によって放射される光子による光学的なポンピングに起因して、光学ポンピング領域５は受ける波長とは異なる波長の光子を放射する。より正確には、公知の光学的ポンピング方法に関して、光学的ポンピング領域５によって放射された光子の波長は、光学的ポンピング領域５が電気的注入領域３から受ける励起光子の波長よりも長い。また、受動的な部位は、光学的ポンピング領域の窒化ガリウムの量子ドットに対する量子ゲートの機能を有する窒化アルミニウム領域６を備える。光学的ポンピング領域の窒化ガリウム量子ドットの高さは、この領域によって放射される光子が実質的に黄色の波長を有するように選択される。量子ドット面の数は、幾分かの青い光子８が光学的ポンピング領域を通過するように選択される。そして、光学的ポンピング領域５は、青色／黄色の受動的な変換器の機能を有する。さらに、電気的注入領域３によって放射される青い光子８と光学的ポンピング領域５によって放射される黄色い光子８との組み合わせは、例えばサファイヤからなる透明基板７の出口において実質的に白色光の生成を可能とする。

電気的注入領域３及び光学的ポンピング領域５の発光特性は、これら領域の少なくとも１つの量子井戸及び量子ドットの寸法及び組成を改変することにより所望の色に適合される。

より詳しくは、図２における彩色チャートに表される全ての色の組み合わせが可能である。照明目的では、白色光を生成する色の組み合わせが選択されるが、彩色された光は前述したように第１の電気的注入領域３及び第２の光学的ポンピング領域５によって放射される波長の組み合わせによる結果であることに留意されたい。

より詳しくは、得られる色の色温度及び色票を改善するために、本発明に従う第１及び第２のスタックがいまだに存在する状態において、ダイオード１のマトリックス１３の受動的な領域内に配置されている赤色に発光する第１のスタック及び緑色に発光する第２のスタックの組み合わせには、黄色に発光する量子井戸のスタックが好適である。

電気的注入領域３及び光学的ポンピング領域３に対する量子閉じ込めの機能が果たされる限り、III−V族の窒化物材料の種々の組み合わせが本発明のマトリックス１３の構成に使用されてもよいことが当然のことである。III−V族の窒化物は、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム、及びこれらの化合物は、窒化（ガリウム、インジウム、アルミニウム）と表記される。より詳しくは、窒化ガリウムの量子ドットが、窒化アルミニウム内に使用されてもよいし、又は窒化ガリウム・インジウムの量子ドットが窒化アルミニウム内に使用されてもよいし、或いは窒化ガリウム・インジウムの量子ドットが窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlGaInN)内に使用されてもよい。また、窒化ガリウム・インジウム／窒化ガリウムの量子井戸が使用されてもよい。また、そのような組み合わせは、量子閉じ込めの条件に従うことが知られている。

マトリックス１３にIII−V族の窒化物のみを使用することは、１工程のエピタキシャル成長のみでダイオード１を製造することを可能とするととともに、そのような材料の光の発光特性を修正するという利点を可能とする。

ここで、本発明に従うマトリックス１３内の連続的な層を以下に示す表１において、本発明に従うマトリックス１３の例示的な構造及び寸法を詳細に説明する。

上の表１において、第３番目の項目の部材番号は、図１の部材番号に対応する。第１の電気的注入領域３は、窒化ガリウム・インジウム(Ga_0.85In_0.15N)の量子井戸の５つのスタック及び窒化ガリウムの１つの層から構成される。第２の光学的ポンピング領域は、窒化ガリウムの量子ドット面の２０のスタック及び窒化アルミニウムの１つの層から構成される。

表１に示される例示的な寸法及び組成は、電気的注入領域３を介して青色に発光し、光学的ポンピング領域５によって黄色に発光することを可能とする。
更に、組成及び寸法の他の組み合わせが当業者によって、より詳しくは図３、図４及び図５の発光グラフを用いて実施されてもよい。

図３は、窒化アルミニウム／窒化ガリウム／窒化アルミニウムの量子井戸、即ち窒化アルミニウム／窒化ガリウム／窒化アルミニウムの量子ドットにおけるナノメートル単位の発光波長を示す。発光波長は、量子井戸の幅、即ち量子ドットの寸法、より詳しくは量子ドットの高さに依存する。

図４は、量子効果を伴わない窒化ガリウム・インジウム(Ga_1-xIn_xN)の厚膜に関する発光波長を示す。より詳しくは、そのような発光波長は、インジウムのｘ成分に依存する。
最後に、図５は、窒化ガリウムのマトリックスにおける窒化ガリウム・インジウム(Ga_0.8In_0.2N)の量子井戸に関する発光波長を示す。

ここで、本発明の種々の改変の実施方法について説明する。
また、図６に示すように、量子閉じ込め光学的ポンピング領域５は、エピタキシャル成長の方向において量子閉じ込め電気的注入領域３上に配置されてもよい。そのような構成において、メタルコンタクト１０Ｃは、光学的ポンピング領域３を含む上部の能動的な部位を回避しながら、フィールドライン１１を方向付けるように除去される。動作において、電気的注入領域３は、例えば青色の光子をデバイス上部に放射するように電流ライン１１に従って電気的にポンピングされる。そして、そのような光子は、光学的ポンピング領域５を光学的にポンピングし、例えば黄色の光子を再放射する。そして、そのような光の組み合わせを通じて得られる光は、前述したように白色光である。

また、図７に示すように、ダイオード１のマトリックス１３の受動的な部位内に配置された、第１の量子閉じ込めの光学的ポンピング領域５Ａ及び第２の量子閉じ込めの光学的ポンピング領域５Ｂを備えるダイオード１として前述したような両実施形態を組み合わせることも可能である。第１の光学的ポンピング領域５Ａは、例えば、電気的注入領域３上に配置され、第２の光学的ポンピング領域５Ｂはその下に配置される。前述したように、電流生成手段１０Ａ，１０Ｂは、電流がマトリックスの受動的な部位を流れないように設けられる。両光学的ポンピング領域５Ａ，５Ｂは、同一の波長又は異なる波長の光子を放射するために選択される。

図示しない別の実施形態に従うと、電流が流れるマトリックス１３の能動的な部位内に幾つかの量子閉じ込め電気的注入領域３を配置することも可能である。
全ての実施形態において、両光学的及び電気的ポンピング領域によって放射される光子を組み合わせることにより要求される光の発光を得るために、当業者は光学的又は電気的ポンピング領域の厚みのパラメータを適合することが可能であることに留意されたい。また、図２に示すような色の組み合わせに関する示唆を使用することにより、当業者は白色光を得ることが可能であろう。第１の領域の青色発光、量子ドットの赤色発光及び緑色発光は、特に正確な色温度のみならず色票を得ることを可能とする。

本発明に従う例示的な発光ダイオードを示す。図１に従う発光ダイオードの組成の選択に対する色彩チャートを示す。図１に示されるようなデバイスに使用される窒化アルミニウム／窒化ガリウム／窒化アルミニウムの量子井戸、即ち窒化アルミニウム／窒化ガリウム／窒化アルミニウムの量子ドットにおけるナノメートル単位の発光波長を示す。図１のデバイスに使用される窒化ガリウム・インジウム(Ga_1-xIn_xN)の厚膜に関する発光波長を示す。図１のデバイスに使用される窒化ガリウム・インジウム(Ga_0.8In_0.2N)の井戸に関する発光波長を示す。本発明に従う別の例示的な発光ダイオードを示す。本発明に従う更に別の例示的な発光ダイオードを示す。

Claims

III−V族の窒化物からなるマトリックス（１３）を備えるデバイスであって、前記マトリックス（１３）は、電流が流れる少なくとも１つの能動的な第1の部位（３，４，１２）と、電流が流れない少なくとも１つの受動的な第２の部位（５，６，５Ａ，５Ｂ）とを備え、前記マトリックスは、前記能動的な第１の部位（３，４，１２）内に配置されるとともに、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の第１のスタックを備える少なくとも１つの第１の領域（３）と、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の第２のスタックを備える少なくとも１つの第２の領域（５，５Ａ，５Ｂ）とを備え、
前記第２の領域が前記マトリックスの前記受動的な部位（５，６）内に配置されていることを特徴とするデバイス。
前記少なくとも１つの第１の領域は、前記能動的な領域内を流れる前記電流による電気的注入を通じて少なくとも第１の波長の光子を放射することを可能とし、前記少なくとも第１の波長は、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第１のスタックの寸法と、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第１のスタックの組成とによって決定される請求項１に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの第２の領域は、前記第１の領域によって放射される前記光子による光学的ポンピングを通じて少なくとも第２の波長の光子を放射することを可能とし、前記少なくとも１つの第２の波長は、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第２のスタックの寸法と、III−V族の窒化物からなる量子井戸、即ち量子ドット面の前記第２のスタックの組成とによって決定される請求項２に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの第１の波長の光子に対応する光信号（８）と前記少なくとも１つの第２の波長の光子に対応する光信号（９）との組み合わせは、白色光を拡散するように、前記少なくとも第１の領域及び前記少なくとも第２の領域が選択される請求項３に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの第１の領域は、前記能動的な領域を流れる前記電流による電気的注入を通じて青色の光子を放射することを可能とする請求項１〜４の何れか１項に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの第２の領域は、前記第１の領域によって放射される前記光子による光学的ポンピングを通じて黄色の光子を放射することを可能とする請求項５に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの第２の領域は、前記第１の領域によって放射される前記光子による光学的ポンピングを通じて緑色及び赤色の光子を放射することを可能とする請求項５に記載のデバイス。
前記第１の領域は、窒化ガリウム・インジウム／窒化ガリウム型の量子井戸のスタックから構成される請求項１〜７の何れか１項に記載のデバイス。
前記第２の領域は、窒化ガリウム／窒化アルミニウム型の量子ドット面のスタックから構成される請求項１〜８の何れか１項に記載のデバイス。
請求項１〜９の何れか１項に記載のデバイスを備える発光ダイオードであって、前記電流を生成するための手段（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）を備え、前記電流生成手段は、前記電流が流れる前記能動的な第１の部位と、前記電流が流れない前記受動的な第２の部位とを形成するように設けられている発光ダイオード。