JP6789570B2 - 活性領域がＩｎＮの層を含む発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の分野、及びこのようなＬＥＤを備える発光デバイスの分野（スクリーン、プロジェクタ、スクリーンウォール等）に関する。本発明は、有利には、緑色及び／赤色に対応する波長範囲、すなわち約５００ｎｍから７００ｎｍの波長範囲で発光するＬＥＤに適用され得る。

現在、緑色に対応する波長範囲で発光するＬＥＤは、主に、ガリウムに対して約２５％を超えるかなりのインジウム組成を含むＩｎＧａＮ量子井戸を用いて製造される。このようなＬＥＤは、例えば、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。

これらのＬＥＤの問題の１つは、このようなＩｎＧａＮ量子井戸で起こる合金分離であり、それは、この合金分離によって生じる欠陥のために、良好な放射効率が、このような量子井戸内で得られることを可能にしない。これらのＬＥＤのもう１つの問題は、障壁層のＧａＮ（量子井戸がそれらの間に位置する）及び量子井戸のＩｎＧａＮの間に存在する高い応力に関連し、この応力は、これらの両方の材料の間の格子定数の差に起因し、欠陥形成、例えば量子井戸内の転位を引き起こす。この応力はまた、量子井戸のＩｎＧａＮの分離を促進する傾向にある。

量子井戸内の転位を低減するために、非特許文献２には、多重量子井戸のＬＥＤが開示されており、これらの量子井戸の各々は、その厚さが１モノレイヤ又は２モノレイヤに等しいＩｎＮ層によって形成され、各々のＩｎＮ層は、約１５ｎｍの厚さを有する２つのＧａＮ障壁層の間に配される。図１は、２モノレイヤの厚さに等しい厚さを有するＩｎＮ層によって形成され、各々が約１０ｎｍの厚さを有する２つのＧａＮ障壁層の間に配される量子井戸を含むＬＥＤにおいて得られる、対数目盛上の放射再結合レート（／ｃｍ^３・ｓ）を示す。しかし、この図において、ＩｎＮ層における放射再結合レートが、ＬＥＤのｎ側に位置するＧａＮ障壁層におけるものと同程度であり、ＩｎＮ層における非常に低い密度の状態のために、比較的低い（１０^２１再結合・ｃｍ^−３・ｓ^−１程度）ことが見られる。さらに、このような量子井戸に関して、緑色に対応する波長範囲における発光を有することが困難である。

上記のＬＥＤの発光波長範囲の問題を解決するために、非特許文献３には、ＧａＮ障壁層によってはなく、各々が約１０ｎｍの厚さを有するＩｎＧａＮ障壁層によって異なる量子井戸を分離するが提案されている。種々の量子井戸の間に障壁層を形成するためのＩｎＧａＮの使用によって、ＬＥＤによって発光される波長の値が増加することが可能になる。

図２は、２モノレイヤの厚さに等しい厚さを有するＩｎＮ層によって形成され、各々が約１０ｎｍの厚さを有する２つのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ障壁層の間に配される量子井戸において得られる、対数目盛上の放射再結合レート（／ｃｍ^３・ｓ）を示す。しかし、その放射再結合レートが図１に示される量子井戸に関しては、ＩｎＮ層における放射再結合レートはまた、ＬＥＤのｎ側に位置するＩｎＧａＮ障壁層におけるものと同程度であり、ＩｎＮ層における非常に低い密度の状態のために、比較的低い（１０^２１再結合・ｃｍ^−３・ｓ^−１程度）。

特許文献２には、２つのＩｎＧａＮ障壁層の間に配されるＩｎＮ中心層を含む対称的な量子井戸が記載されている。前述の通り、ＩｎＮ層における非常に低い密度の状態は、所望の波長範囲における十分な発光を得るために満足のいく放射再結合をレート有することを可能にしない。

米国特許出願公開第２０１３／００２８２８１号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０２０４３２８号明細書

Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｇｒｅｅｎ ＩｎＧａＮ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｏｖｅｒｌａｐ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ" ｂｙ Ｈ． Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ． １９， Ｉｓｓｕｅ Ｓ４， ｐｐ． Ａ９９１−Ａ１００７， ２０１１ "Ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＩｎＮ／ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ １ ＭＬ ａｎｄ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ＩｎＮ ｗｅｌｌｓ ｉｎｓｅｒｔｅｄ ｉｎ ＧａＮ ｍａｔｒｉｘ" ｂｙ Ａ． Ｙｏｓｈｉｋａｗａ ａｎｄ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９０， ０７３１０１ （２００７） "１−２ ＭＬ ｔｈｉｃｋ ＩｎＮ−ｂａｓｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｗｉｔｈ ＩｎＧａＮ ｂａｒｒｉｅｒｓ ｆｏｒ ｂｌｕｅ−ｇｒｅｅｎ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｅｒｓ" ｂｙ Ａ． Ｙｕｋｉ ｅｔ ａｌ．， ＰＨＹＳＩＣＡ ＳＴＡＴＵＳ ＳＯＬＩＤＩ Ｃ ６； Ｎｏ．Ｓ２；Ｓ４１７−Ｓ４２０ （２００９）

本発明の１つの目的は、発光ダイオードの活性領域の欠陥及び合金分離の問題を避けながら、特に緑色又は赤色に対応する波長範囲において、良好な放射再結合レートが得られることを可能にし、そのため良好な発光効率を有する発光ダイオードを提供することである。

このために、本発明は、ダイオードのｐｎ接合を共に形成する少なくとも１つのｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層及びｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層、並びに前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層及び前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層の間に配される活性領域を含む発光ダイオードであって、
放射再結合が生じることができ、
前記活性領域が、少なくとも
−厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}を有する第１のＩｎＮ層、
−厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}を有する第２のＩｎＮ層、
−前記第１のＩｎＮ層及び前記第２のＩｎＮ層の間に配される分離層であって、前記第１のＩｎＮ層が、前記分離層及び前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層の間に配され、前記分離層が、Ｉｎ_ＸｂＧａ_{（１−Ｘｂ）}Ｎを含み、約３ｎｍ以下の厚さを有する、分離層、
−前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層及び前記第１のＩｎＮ層の間に配されるＩｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層、
−前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１―Ｘｐ）}Ｎ層及び前記第２のＩｎＮ層の間に配されるＩｎ_Ｘ２Ｇａ_{（１−Ｘ２）}Ｎ層、
を含み、
前記インジウムの組成Ｘｎ、Ｘｐ、Ｘｂ、Ｘ１及びＸ２が、０から約０．２５の間であり、前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}及び前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}がｅ_{ＩｎＮ１０６}≦ｅ_{ＩｎＮ１０８}である、発光ダイオードを提供する。

両方のＩｎＮ層を分離する層の厚さが小さいために、電荷キャリアは、一方のＩｎＮ層から他方のＩｎＮ層まで容易に切り替わることができる。そのため、ダイオードのｐ側に位置する第２のＩｎＮ層は、正孔蓄積を形成し、これらの正孔は、ダイオードのｎ側に位置する第１のＩｎＮ層に容易に切り替わる。実質的に、等価な電子及び正孔濃度が第１のＩｎＮ層において得られ、それは、この第１のＩｎＮ層において非常に大きい放射再結合レートを有することを可能にし、そのため、従来技術より発光ダイオードの良好な発光効率を有することを可能にする。さらに、使用される材料に関して、緑色又は赤色に対応する波長範囲における発光が実際に実現される。最後に、この優れた発光効率は、高いインジウム濃度のＩｎＧａＮを用いることなく実現され、それは、発光ダイオードの活性領域における合金分離及び欠陥問題を避けることを可能にする。

そのため、両方のＩｎＮ層を分離する層の３ｎｍ以下の厚さは、非対称的なトンネル効果を得ることを可能にし、すなわち、電子は、第１のＩｎＮ層（ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１−Ｘｎ）}Ｎ層の側部に位置するもの）に捕獲され、正孔は、第２のＩｎＮ層（ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層の側部に位置するもの）から第１のＩｎＮ層まで切り替わることができる。第２のＩｎＮ層は、正孔蓄積を形成し、第１のＩｎＮ層は、ダイオードの発光層を形成する。

前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}及び前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}が、１モノレイヤから３モノレイヤの間であり、有利には、１モノレイヤから２モノレイヤの間である。

前記第１のＩｎＮ層及び前記第２のＩｎＮ層の１つ又は各々が、２モノレイヤから３モノレイヤの厚さを有するとき、前記インジウムの組成Ｘｂが、約０．１５以上であり得る。前記インジウムの組成Ｘｂが約０．１５未満であるとき、前記第１のＩｎＮ層及び前記第２のＩｎＮ層の前記１つ又は各々の厚さが、２モノレイヤ以下であり得る。

前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}及び前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}は、ｅ_{ＩｎＮ１０６}＜ｅ_{ＩｎＮ１０８}であり得る。この構成は、第１のＩｎＮ層及び第２のＩｎＮ層によってそれぞれ行われる発光層及び正孔蓄積の役割が向上することを可能にする。

前記インジウムの組成Ｘ１及びＸ２は、Ｘ１≦Ｘ２であり得る。前記インジウムの組成Ｘｎ、Ｘｐ、Ｘｂ、Ｘ１及びＸ２は、Ｘｎ＜Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘｐであり得、それは、電子分布が、活性領域の種々の層において均質化されることを可能にする。前記インジウムの組成Ｘｎ、Ｘｐ、Ｘｂ、Ｘ１及びＸ２は、Ｘｎ＝Ｘｐ＝０及び／又はＸ１＝Ｘｂ＝Ｘ２であり得、それは、前記発光ダイオードの製造が単純化されることを可能にする。

前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層の厚さ及び／又は前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層の厚さは、約２０ｎｍから１０μｍであり得、及び／又は、前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層の厚さ及び／又は前記Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_{（１−Ｘ２）}Ｎ層の厚さは、約１ｎｍから２００ｎｍの間であり得る。

前記発光ダイオードは、前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層に対して配される第１の金属電極及び前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層に対して配される第２の金属電極をさらに含み得る。

前記発光ダイオードの活性領域は、２を超える数のＩｎＮ層を含み得、これらのＩｎＮ層の各々は、ＩｎＧａＮ又はＧａＮを含み、約３ｎｍ以下の厚さを有する分離層によって前記隣接するＩｎＮ層の１つ又は各々から分離される。

前記発光ダイオードは、前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層及び前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層の間に配され、放射再結合が生じることができる幾つかの活性領域を含み得る。

前記発光ダイオードは、前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層及び前記活性領域の間に、ｎ型ドーピングＩｎＧａＮバッファ層をさらに含み、前記バッファ層のｎ型ドーピングＩｎＧａＮは、前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎのバンドギャップエネルギーの約９７％以下のバンドギャップエネルギーを有する。

本発明はまた、前記発光ダイオードの層が、互いの上に成長することによって作られた平坦な層であり、又は、前記発光ダイオードの層が、半径方向又は軸方向のナノワイヤとして成長することによって作られた、以上に記載されたような発光ダイオードに関する。

本発明はまた、以上に記載されたような少なくとも１つの発光ダイオードを備える発光デバイスに関する。

本発明は、添付の図面を参照して、決して限定的な目的ではなく単に示される例示的な実施形態の詳細な説明を読むことによってより理解される。

従来技術の発光ダイオードにおいて得られる放射再結合レートを示す。 従来技術の発光ダイオードにおいて得られる放射再結合レートを示す。 特定の実施形態による本発明の対象である発光ダイオードを概略的に示す。 例示的な第１の実施形態による本発明の対象である発光ダイオードの活性領域において得られる放射再結合レートを示す。 例示的な第１の実施形態による本発明の対象である発光ダイオードの活性領域において得られる電子及び正孔濃度を示す。 例示的な第２の実施形態による本発明の対象である発光ダイオードにおいて得られる放射再結合を示す。 ナノワイヤとして作られる本発明の目的である発光ダイオードを概略的に示す。 ナノワイヤとして作られる本発明の目的である発光ダイオードを概略的に示す。

以下に記載される種々の図面の同一、類似又は等価な部品は、ある図面から他の図面に切り替わることを容易にするために同一の参照符号が付される。

図面において示される種々の部品は、図面をより理解し易くするために、必ずしも均一なスケールで示されていない。

種々の可能性（代替案及び実施形態）は、互いに排他的ではないものと解釈されるべきであり、互いに組み合され得る。

特定の実施形態による発光ダイオード１００又はＬＥＤ１００を概略的に示す図３が初めに参照される。以下で使用されるＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎとの標記において、Ｘは、その材料のインジウムの組成を表し、すなわち、材料Ｉｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎにおけるインジウム及びガリウムの総量に対するインジウムの割合である。

ＬＥＤ１００は、約３×１０^１８ドナー／ｃｍ^３であるドナー濃度を有するｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層１０２（Ｉｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ−ｎとも称される）及び約２×１０^１９アクセプタ／ｃｍ^３であるアクセプタ濃度を有するｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１―Ｘｐ）}Ｎ層１０４（Ｉｎ_ＸｐＧａ_{（１―Ｘｐ）}Ｎ−ｐとも称される）によって形成されるｐｎ接合を含む。これらの２つのドーピングされた層１０２及び１０４の各々は、例えば、約２０ｎｍから１０μｍの厚さ（図３において示される軸Ｚに沿った寸法）を有する。第１の金属電極１０１は、Ｉｎ_ＸｎＧａ_{（１−Ｘｎ）}Ｎ−ｎ層１０２に対して配置され、ＬＥＤ１００のカソードを形成し、第２の金属電極１０３は、Ｉｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ−ｐ層１０４に対して配置され、ＬＥＤ１００のアノードを形成する。一般的に、Ｉｎ_ＸｎＧａ_{（１−Ｘｎ）}Ｎ−ｎ層１０２は、約１０^１７から１０^２０ドナー／ｃｍ^３のドナー濃度を有し得、Ｉｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ−ｐ層１０４は、約１０^１５から１０^２０アクセプタ／ｃｍ^３のアクセプタ濃度を有し得る。

ＬＥＤ１００は、ドーピングされた層１０２及び１０４の間に、ＬＥＤ１００の発光を引き起こす放射再結合が生じる活性領域１０５を含む。

活性領域１０５は、特に、Ｉｎ_ＸｎＧａ_{（１−Ｘｎ）}Ｎ−ｎ層１０２の側部に位置する第１のＩｎＮ層１０６、及びＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ−ｐ層１０４の側部に位置する第２のＩｎＮ層１０８を含む。ＩｎＮ層１０６及び１０８の両方は、Ｉｎ_ＸｂＧａ_{（１−ｘｂ）}Ｎを含む薄い分離層１１０によって互いに分離される。さらに、第１のＩｎＮ層１０６は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層１１２によってＩｎ_ＸｎＧａ_{（１−Ｘｎ）}Ｎ−ｎ層１０２から分離され、第２のＩｎＮ層１０８は、Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_{（１−Ｘ２）}Ｎ層１１４によってＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ−ｐ層１０４から分離される。

ＬＥＤ１００の活性領域１０５の全ての層（すなわち、図３の実施例における層１０６、１０８、１１０、１１２及び１１４）は、非意図的にドーピングされた材料（約１０^１７ｃｍ^−３である残留ドナー濃度ｎ_ｎｉｄ、又は１０^１６から１０^２０ドナー／ｃｍ^３を有する）を含む。

一般的に、インジウムの組成Ｘ１、Ｘ２及びＸｂの各々は、０から０．２５であり得る（これらのインジウムの組成の１つがゼロ値を有するとき、この組成に関連する材料は、ＧａＮである）。さらにまた、Ｘ１≦Ｘ２である。有利には、インジウムの組成Ｘ１及びＸ２は、０．０５≦Ｘ１≦０．０８及び０．１２≦Ｘ２≦０．２であり、インジウムの組成Ｘｂは、０．０５≦Ｘｂ≦０．２である。

これらの層１０２、１１２、１１４及び１０４のインジウムの組成Ｘｎ、Ｘ１、Ｘ２及びＸｐはそれぞれ、有利には、Ｘｎ＜Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘｐであり、それは、電子分布が、ＬＥＤ１００の活性領域１０５の層において均質化されることを可能にする。これらのインジウムの組成は、例えば、Ｘｎ＝０（それは、ｎ型ドーピング層１０２がＧａＮ−ｎを含む場合を意味する）、Ｘ１＝０．０５、Ｘ２＝０．１及びＸｐ＝０．１８である。

ＬＥＤ１００の製造を単純化するために、Ｘｎ＝Ｘｐ＝０（ドーピング層１０２及び１０４がそれぞれ、ＧａＮ−ｎ及びＧａＮ−ｐを含む）を有し、及び／又は、Ｘ１＝Ｘｂ＝Ｘ２を有することが可能であり、それは、例えば、これらの層１０２、１０４、１１０、１１２及び１１４が、同一の成長温度で作られることを可能にし、及び／又は、層１０６及び１０８が、同一の成長温度で作られることを可能にする。

それぞれｅ_{ＩｎＮ１０６}及びｅ_{ＩｎＮ１０８}で示されるＩｎＮ層１０６及び１０８の厚さ（図３において示される軸Ｚに沿った寸法）は、ｅ_{ＩｎＮ１０６}≦ｅ_{ＩｎＮ１０８}である。これらの厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}及びｅ_{ＩｎＮ１０８}の各々は、１モノレイヤから３モノレイヤの間であり（ＩｎＮの１モノレイヤが、約０．２５ｎｍの厚さに対応する）、好ましくは、１モノレイヤから２モノレイヤである。しかしながら、両方の厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}及びｅ_{ＩｎＮ１０８}の１つ又は各々が、２モノレイヤから３モノレイヤの間であるとき、例えば、Ｘｂ≧０．１５を有することが可能である。補足的方法において、Ｘｂ＜０．１５であるとき、これらの層の１つ又は各々の厚さは、好ましくは、約２モノレイヤ以下であるように選択される。

第２のＩｎＮ層１０８から第１のＩｎＮ層１０６に電荷キャリアが容易に切り替わることができるように、分離層１１０の厚さは、約３ｎｍ以下であり、有利には、約２ｎｍ以下である。互いに隣り合って作られる２つの量子井戸と異なり、両方のＩｎＮ層１０６及び１０８は、ＬＥＤ１００の同一の活性領域の一部であり、ＬＥＤ１００のこの活性領域１０５から発光を生成するように協働する。これらの層１１２及び１１４の厚さは、約１ｎｍから約２００ｎｍである。

ダイオード１００の例示的な第１の実施形態が以下に記載される。

ｎ型ドーピング層１０２は、約５００ｎｍの厚さを有し、約３×１０^１８ドナー／ｃｍ^３のドナー濃度を有するＧａＮ−ｎを含む。ｐ型ドーピング層１０４は、約５００ｎｍの厚さを有し、約２×１０^１９アクセプタ／ｃｍ^３のアクセプタ濃度を有するＧａＮ−ｐを含む。これらの層１１２及び１１４の各々は、約５ｎｍの厚さを有し、非意図的にドーピングされた、約１０^１７ｃｍ^−３の残留ドナー濃度ｎ_ｎｉｄを有するＧａＮ（ＧａＮ−ｎｉｄ）を含む。ＩｎＮ層１０６及び１０８の各々は、約２モノレイヤの厚さを有し、ＩｎＮ−ｎｉｄを含む。最後に、分離層１１０は、約１ｎｍの厚さを有し、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ−ｎｉｄを含む。

以下に記載されるシミュレーションは、ＡＴＬＡＳ（登録商標）のＳＩＬＶＡＣＯ（登録商標）シミュレーションソフトウェアを用いて行った。

図４は、以上に記載される例示的な第１の実施形態によるＬＥＤ１００の活性領域１０５の種々の層で得られた放射再結合レートを示す。ＬＥＤ１００の種々の層の参照符号は、図４においても思い起され、図４に示される垂直線は、ＬＥＤ１００の層間の界面を象徴するものである。この図において、約１０^２４再結合・ｃｍ^−３・ｓ^−１の最大放射再結合レートが、ＧａＮ−ｎ層１０２の側部に位置する第１のＩｎＮ層１０６において得られることが見られ、それは、図１及び図２に関連して前述されたような２つのＩｎＧａＮ又はＧａＮの障壁層の間に配される単一のＩｎＮ層によって形成される量子井戸を用いて得られる約１０^２１再結合・ｃｍ^−３・ｓ^−１のレートより非常に大きい。

図５は、上記の例示的な第１の実施形態によるＬＥＤ１００の活性領域１０５の種々の層において得られた、ｃｍ^３あたりの電子（符号１２０が付されたクロスによって表される）及び正孔（符号１２２が付されたダイヤモンドによって表される）の濃度を示す。この図は、実際には、ｎ型ドーピング層１０２の側部の第１のＩｎＮ層１０６において、電子及び正孔の濃度が実質的に等しく、それが、この第１のＩｎＮ層１０６において高い放射再結合レートを有することを可能にすることを示す。Ｎ型ドーピング層１０２の側部に位置する第１のＩｎＮ層１０６におけるこの良好な放射効率は、特に、両方のＩｎＮ層１０６、１０８の間の薄い分離層１１０の使用のおかげで得られる。それは、第２のＩｎＮ層１０８が、それによって、第１のＩｎＮ層１０６に向かって、これらの正孔が第１のＩｎＮ層１０６に移動する正孔蓄積を形成するからである。

ＬＥＤ１００の例示的な第２の実施形態が以下に記載される。

ｎ型ドーピング層１０２は、約５００ｎｍの厚さを有し、約３×１０^１８ドナー／ｃｍ^３のドナー濃度を有するＧａＮ−ｎを含む。ｐ型ドーピング層１０４は、約５００ｎｍの厚さを有し、約２×１０^１９アクセプタ／ｃｍ^３のアクセプタ濃度を有するＧａＮ−ｐを含む。これらの層１１２及び１１４の各々は、約２ｎｍの厚さを有し、約１０^１７ｃｍ^−３の残留ドナー濃度ｎ_ｎｉｄを有する、非意図的にドーピングされたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ−ｎｉｄ）を含む。２つのＩｎＮ層１０６及び１０８の両方は、ＩｎＮ−ｎｉｄを含む。しかしながら、例示的なこの第２の実施形態において、両方のＩｎＮ層１０６及び１０８は、異なる厚さを有する。そのため、ｎ型ドーピング層１０２の側部に位置する第１のＩｎＮ層１０６は、約１モノレイヤの厚さを有し、ｐ型ドーピング層１０４の側部に位置する第２のＩｎＮ層１０８は、約３モノレイヤの厚さを有する。最後に、分離層１１０は、約２ｎｍの厚さを有し、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ−ｎｉｄを含む。例示的な第２の実施形態によるＬＥＤ１００において得られる放射再結合レートは、図６に示される。

ＩｎＮ層１０６及び１０８の厚さにおけるこの非対称性は、最も薄いＩｎＮ層（ここでは、ｎ型ドーピング層１０２の側部に位置する第１のＩｎＮ層１０６）によって作られた発光が、促進されることを可能にする。それは、この低い厚さが、第１のＩｎＮ層１０６によって作られた発光における良好な制御を有することを可能にするからである。一方、第２のＩｎＮ層１０８のより厚い厚さは、この層によって満たされた正孔の蓄積又は取り込み（アップテイク）の役割を高めることを可能にし、そのため、第１のＩｎＮ層１０６において生じる再結合レートが増加されることを可能にする。他方、このような構造体に関して、第１のＩｎＮ層１０６がより薄いので、そのギャップを修正することなく第１のＩｎＮ層１０６における遷移エネルギーの増加を引き起こし、緑色に対応する波長である約５３０ｎｍの波長における効率的な発光が得られる。

全てのモード及び前述の例示的な実施形態において、ＬＥＤ１００の活性領域１０５は、２つを超えるＩｎＮ−ｎｉｄ層を含み得、これらのＩｎＮ層の各々は、この場合、層１１０と同様の薄い分離層によって、隣接するＩｎＮ層の１つ又は各々から分離され、ＩｎＧａＮ（これらの薄い分離層の各々のＩｎＧａＮのインジウムの割合が、互いに同様であり、又は同様でないものであり得る）又はＧａＮを含む。

さらに、全てのモード及び前述の例示的な実施形態において、ドーピング層１０２及び１０４の間に、例えば前述の活性領域１０５と同様であり、一方が他方の上に配される幾つかの活性領域を含み、各々が、前述の分離層１１０と同様の薄い分離層によって互いに分離される少なくとも２つのＩｎＮ層を含むように、ＬＥＤ１００を作ることが可能である。次いで、ＬＥＤは、多重量子井戸ＬＥＤを形成する。

ＬＥＤ１００の代替的な実施形態によれば、ｎ型ドーピング層１０２及びＩｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層１１２の間に、層１０４のＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ−ｐのバンドギャップエネルギーの約９７％以下のバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＮバッファ層を形成することが可能である。ｐ型ドーピング層１０４のバンドギャップエネルギーの約９７％以下のバンドギャップエネルギーのために、すなわち、このバッファ層のギャップが、ｐ型ドーピング層１０４（Ｅｇ_{ｂｕｆｆｅｒ}≦０．９７Ｅｇ_１０４）のギャップより少なくとも３％低いために、このようなバッファ層は、ＬＥＤ１００の構造中に非対称性を生成し、特にＬＥＤ１００のｐｎ接合に非対称性を生成する。この非対称性は、ＬＥＤ１００の正孔の循環を容易にし、キャリア（電子及び正孔）のより均質な分布が、ＬＥＤ１００の活性領域１０５において得られることを可能にする。これは、ＬＥＤ１００の活性領域１０５からの良好な発光をもたらし、そのため、ＬＥＤ１００の良好な内部量子収量をもたらす。このバッファ層は、有利には、ｐ型ドーピング層１０４の半導体のインジウムの組成であるＸｐ値より少なくとも２．５％だけ高いインジウムの組成を有するＩｎＧａＮを含む。

バッファ層及びｎ型ドーピング層１０２は、同一の組成及び／又はドーピングを有する半導体を含み得る。そのため、ｎ型ドーピング層１０２の半導体のインジウムの組成は、バッファ層の半導体のインジウムの組成と同様であり得、及び／又は、ｎ型ドーピング層１０２の半導体のドナー濃度は、バッファ層のｎ型ドーピング半導体のドナー濃度と同様であり得る。

あるいは、バッファ層の半導体のインジウム組成は、バッファ層の厚さに沿って変わり得、そのため、バッファ層の厚さに沿ったインジウムの組成の勾配を生成する。バッファ層に対して（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ／ＩｎＧａＮのスーパーネットワークを形成することも可能である。

ＬＥＤ１００が、層１１４及びｐ型ドーピング層１０４の間に配される、例えばＡｌＧａＮを含む電子ブロッキング層を含むことも可能である。このような電子ブロッキング層は、電子がｐ型ドーピング層１０４に向かうことから避けることを可能にする。このような電子ブロッキング層はまた、ＬＥＤの電流密度が増加したときにおける内部量子効率の損失であるＤＲＯＯＰを低減することを可能にし、この損失は、部分的に、電流が増加したときにおける活性領域１０５からの電子の逃避によるものである。

このようなＬＥＤ１００は、半極性において、平面ｃ（強力な内部電界の存在下）、平面Ｍ等に沿って、この構造体の配向に関係なく動作する。

ＬＥＤ１００は、図３に示されるような平坦なダイオードとして、すなわち基板（図３に示されない基板）に形成される層のスタックとして作られ得、種々の層の主要面が、基板の平面に平行（平面（Ｘ，Ｙ）に平行）に配される。

このような平坦なダイオードの形態のＬＥＤ１００の例示的な実施形態が以下に記載される。

初めに、約２μｍの厚さを有する第１のＧａＮ層の成長は、例えば、約１０００℃の温度でＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってサファイア基板上で行われる。この成長は、約５００ｎｍの厚さを有する、３×１０^１８ドナー／ｃｍ^３でシリコンがドーピングされたｎ−ＧａＮ層１０２を形成することによって完成される。次いで、この温度は、約８３０℃まで低下し、約１０ｎｍの非意図的にドーピングされたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを成長させ、層１１２を形成する。次いで、この温度は、約６００℃まで低下し、非意図的にドーピングされたＩｎＮの３モノレイヤを成長させ、第１のＩｎＮ層１０６を形成する。この温度は、約７２０℃まで上昇し、１ｎｍの非意図的にドーピングされたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを成長させ、分離層１１０を形成する。この温度は、約６００℃まで再び低下し、非意図的にドーピングされたＩｎＮの２モノレイヤを成長させ、第２のＩｎＮ層１０８を形成する。この温度は、約７５０℃まで再び上昇し、約１０ｎｍの非意図的にドーピングされたＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎを成長させ、層１１４を形成する。この温度は、約７３０℃まで低下し、５００ｎｍのマグネシウムドーピングされたＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎを成長させ、層１０４を形成する。次いで、第２の金属電極１０３は、ｐ型ドーピング層１０４にＮｉ／Ａｕ層として作られ、第１の金属電極１０１は、最後に、ｎ型ドーピング層１０２にＴｉ／Ａｕ層として作られる（ｎ型ドーピング層１０２が約２μｍの厚さを有する第１のＧａＮ層から固定されない後に）。

あるいは、ＬＥＤ１００は、ナノワイヤとして作られ得る。図７Ａは、軸方向のナノワイヤとして作られるこのようなＬＥＤ１００を示し、これらのナノワイヤは、成長される第１の電極１０１、ｎ型半導体（例えば、ガリウム）の基板１２４、ナノワイヤを可能にする核形成層１２６、ｎ型ドーピング層１０２、活性領域１０５、ｐ型ドーピング層１０４、及び第２の電極１０３によって形成されるスタックを含む。絶縁材料１２８は、軸Ｚに平行に延びるこれらのナノワイヤの少なくとも一部を囲い得る。

図７Ｂは、半径方向のナノワイヤとして作られるＬＥＤ１００を示し、これらのナノワイヤは、第１の電極１０１、半導体基板１２４、核形成層１２６及びｎ型ドーピング層１０２によって形成されたスタックを含む。絶縁部分１２８は、ｎ型ドーピング層１０２及び核形成層１２６を部分的に囲う。活性領域１０５（少なくとも層１０６、１０８、１１０、１１２及び１１４によって形成される）は、ｎ型ドーピング層１０２を少なくとも部分的に囲うように作られる。ｐ型ドーピング層１０４は、活性領域１０５を囲うように作られる。最後に、第２の電極１０３は、ｐ型ドーピング層１０４を被覆することによって作られる。

図７Ａ及び図７Ｂに記載される２つの例示的な実施形態に対する代替案として、この場合、ｐ型ドーピング層１０４が作られる、例えばｐ型窒化ガリウムである半導体基板１２４、及び、図７Ａ及び図７Ｂに記載されるものと逆の順序でＬＥＤ１００の他の要素を有するこれらのナノワイヤの構造体は、反転されることができる。

半径方向のナノワイヤの形態のダイオード１００の例示的な実施形態が以下に記載される。

約３×１０^１８ドナー／ｃｍ^３のドナー濃度を有するシリコンドーピングされたＧａＮナノワイヤは、サファイア基板上に、例えばＭＯＣＶＤによって約１０５０℃の温度で成長し、また、ナノワイヤ間にシリコンドーピングされたＧａＮ層を形成することによって作られ、この組立体は、第１のｎ型ドーピング層１０２に対応する。次いで、この温度は、約８３０℃まで低下し、約５０ｎｍの厚さの非意図的にドーピングされたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎのシェルを成長させ、層１１２を形成する。次いで、この温度は、約６００℃まで低下し、非意図的にドーピングされたＩｎＮの約３モノレイヤに等しい厚さを有するシェルを成長させ、第１のＩｎＮ層１０６を形成する。この温度は、約７２０℃まで増加し、約１ｎｍの厚さの非意図的にドーピングされたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎのシェルを成長させ、分離層１１０を形成する。この温度は、約６００℃まで再び低下し、非意図的にドーピングされたＩｎＮの約２モノレイヤの厚さを有するシェルを成長させ、第２のＩｎＮ層１０８を形成する。この温度は、約７５０℃まで再び増加し、約１０ｎｍの厚さの非意図的にドーピングされたＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎを有するシェルを成長させ、層１１４を形成する。活性領域１０５は、ここで、互いの上にシェルのスタックを形成する。この温度は、約７２０℃まで低下し、約５００ｎｍの厚さのマグネシウムドーピングＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎを有するシェルを成長させ、ｐ型ドーピング層１０４を形成する。第２の金属電極１０３は、次いで、ＭｇドーピングＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎシェル上にＮｉ／Ａｕとして作られ、第１の金属電極１０１は、次いで、ＧａＮナノワイヤ（前述のＳｉ−ｎ型ドーピング層１０２）の間に位置するＳｉドーピングされたＧａＮ層上にＴｉ／Ａｕ層として作られる。金属電極１０１を堆積する前に、ワイヤ間に堆積されたＮｉ／Ａｕ電極１０３は、ニッケル用にフッ素化反応イオンエッチングによってエッチングされ、金用にＫＩ化学エッチングによってエッチングされる。この実施形態によれば、ｎ型ドーピングされたＧａＮの連続的な２Ｄ層によって接続されたｎ型ドーピングされたナノワイヤが得られる。この場合、電極は、ナノワイヤのｐ型外部シェルに接触し、電極は、ナノワイヤ間のｎ型ＧａＮ層に接触する。

平坦なタイプのＬＥＤ１００に対して既に説明された種々の特性（厚さ、ドーピング等）は、ナノワイヤとして作られるＬＥＤ１００において同様であり得る。平坦な又はナノワイヤ形態のＬＥＤ１００を作るための上述の温度は、使用されるＭＯＣＶＤデバイスによって変わる。さらに、ナノワイヤの構造の場合において、温度は、ナノワイヤの直径、長さ及び密度に応じて変わる。多かれ少なかれインジウムがリッチである種々の層の間の急激な界面を得るために、ＩｎＧａＮ成長の前に表面に事前のインジウム堆積物を作ること、及び／又は、ＩｎＧａＮ成長の後に界面にインジウム蒸着物を作ることが可能である。

１００ 発光ダイオード
１０１ 第１の金属電極
１０２ ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層
１０３ 第２の金属電極
１０４ ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層
１０５ 活性領域
１０６ 第１のＩｎＮ層
１０８ 第２のＩｎＮ層
１１０ 分離層
１１２ Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層
１１４ Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_{（１−Ｘ２）}Ｎ層
１２０ 電子
１２２ 正孔
１２４ 半導体基板
１２６ 核形成層
１２８ 絶縁部分

Claims (10)

1. 発光ダイオード（１００）のｐｎ接合を共に形成する少なくとも１つのｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）及びｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層（１０４）、並びに前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）及び前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層（１０４）の間に配される活性領域（１０５）を含む発光ダイオード（１００）であって、
   放射再結合が生じることができ、
   前記活性領域（１０５）が、少なくとも
   −発光層を形成し、１モノレイヤから３モノレイヤの間の厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}を有する第１のＩｎＮ層（１０６）、
   −正孔蓄積を形成し、厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}を有する第２のＩｎＮ層（１０８）、
   −前記第１のＩｎＮ層（１０６）及び前記第２のＩｎＮ層（１０８）の間に配される分離層（１１０）であって、前記第１のＩｎＮ層（１０６）が、前記分離層（１１０）及び前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）の間に配され、前記分離層（１１０）が、Ｉｎ_ＸｂＧａ_{（１−Ｘｂ）}Ｎを含み、約３ｎｍ以下の厚さを有する、分離層（１１０）、
   −前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）及び前記第１のＩｎＮ層（１０６）の間に配されるＩｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層（１１２）、
   −前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１―Ｘｐ）}Ｎ層（１０４）及び前記第２のＩｎＮ層（１０８）の間に配されるＩｎ_Ｘ２Ｇａ_{（１−Ｘ２）}Ｎ層（１１４）、
   を含み、
   前記インジウムの組成Ｘｎ、Ｘｐ、Ｘ１及びＸ２が、０から０．２５の間であり、前記インジウムの組成Ｘｂが０．０５以上、０．２５以下であり、前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０６}及び前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}がｅ_{ＩｎＮ１０６}＜ｅ_{ＩｎＮ１０８}である、発光ダイオード（１００）。
2. 前記厚さｅ_{ＩｎＮ１０８}が、１モノレイヤから３モノレイヤの間である、請求項１に記載の発光ダイオード（１００）。
3. 前記第１のＩｎＮ層（１０６）及び前記第２のＩｎＮ層（１０８）の１つ又は各々が、２モノレイヤから３モノレイヤの厚さを有するとき、前記インジウムの組成Ｘｂが、約０．１５以上であり、又は、前記インジウムの組成Ｘｂが約０．１５未満であるとき、前記第１のＩｎＮ層（１０６）及び前記第２のＩｎＮ層（１０８）の前記１つ又は各々の厚さが、２モノレイヤ以下である、請求項２に記載の発光ダイオード（１００）。
4. 前記インジウムの組成Ｘ１及びＸ２が、Ｘ１≦Ｘ２であり、又は、前記インジウムの組成Ｘｎ、Ｘｐ、Ｘｂ、Ｘ１及びＸ２が、Ｘｎ＜Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘｐ、若しくは、Ｘｎ＝Ｘｐ＝０及び／又はＸ１＝Ｘｂ＝Ｘ２である、請求項１から３の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）。
5. 前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）の厚さ及び／又は前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層（１０４）の厚さが、約２０ｎｍから１０μｍであり、及び／又は、前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_{（１−Ｘ１）}Ｎ層（１１２）の厚さ及び／又は前記Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_{（１−Ｘ２）}Ｎ層（１１４）の厚さが、約１ｎｍから２００ｎｍの間である、請求項１から４の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）。
6. 前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）上に形成される第１の金属電極（１０１）及び前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層（１０４）上に形成される第２の金属電極（１０３）をさらに含む、請求項１から５の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）。
7. 前記活性領域（１０５）が、前記第１のＩｎＮ層（１０６）及び前記第２のＩｎＮ層（１０８）に加えて、少なくとも１つの追加のＩｎＮ層を含み、前記追加のＩｎＮ層が、ＩｎＧａＮ又はＧａＮを含み、約３ｎｍ以下の厚さを有する追加の分離層によって前記第１のＩｎＮ層（１０６）及び前記第２のＩｎＮ層（１０８）から分離される、請求項１から６の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）。
8. 前記活性領域（１０５）に加えて、前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）及び前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎ層（１０４）の間に配され、放射再結合が生じることができる追加の活性領域を含む、請求項１から７の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）。
9. 前記ｎ型ドーピングＩｎ_ＸｎＧａ_{（１―Ｘｎ）}Ｎ層（１０２）及び前記活性領域（１０５）の間に、ｎ型ドーピングＩｎＧａＮバッファ層（１１０）をさらに含み、前記バッファ層（１１０）のｎ型ドーピングＩｎＧａＮが、前記ｐ型ドーピングＩｎ_ＸｐＧａ_{（１−Ｘｐ）}Ｎのバンドギャップエネルギーの約９７％以下のバンドギャップエネルギーを有する、請求項１から８の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）。
10. 前記発光ダイオード（１００）の層が、互いの上に成長することによって作られた平坦な層であり、又は、前記発光ダイオード（１００）の層が、半径方向又は軸方向のナノワイヤとして成長することによって作られた、請求項１から９の何れか一項に記載の発光ダイオード（１００）の製造方法。

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