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公開番号2022071179
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-05-13
出願番号2022036024,2018517812
出願日2022-03-09,2016-10-07
発明の名称琥珀色~赤色の発光を有するIII族窒化物半導体発光LED
出願人オステンド・テクノロジーズ・インコーポレーテッド
代理人個人
主分類H01L 33/06 20100101AFI20220506BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】相分離の問題を生じることなく、高出力の琥珀色~赤色の光を放出するために、十分に高いインジウム濃度を保持する。
【解決手段】インジウム含有III族窒化物発光領域が、n型及びp型III族窒化物クラッド層との間に挟まれ、多重量子井戸(MQW)の複数のセットを含む。n型クラッド層上に形成される第1のMQWセットは、相対的に低いインジウム濃度を有する。第2のMQWセットは、相対的に中程度のインジウム濃度を含む。上記p型クラッド層に隣接する第3のMQWセットは、3つのMQWセットのうち相対的に最も高いインジウム濃度を取り込む。最初2つのMQWセットは、予歪み層として利用される。MQWセットとMQWセットの間に、中間歪補償層(ISCL)が追加される。最初の2つのMQWセットとISCLとの組み合わせにより、相分離が防止され、上記第3のMQWセットのインジウム取り込みが強化される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
基板上にスタックされた複数の多重量子井戸セットを備え、
第1の前記多重量子井戸セットは、前記基板に隣接し、低いインジウム濃度を有し;
前記第1の多重量子井戸セットの上方の各前記多重量子井戸セットは、漸進的に上昇する濃度を有し;
最上部の前記多重量子井戸セットは、琥珀色~赤色の光を放出するよう選択された最も高いインジウム濃度を有し;
隣接する前記多重量子井戸セットは、Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層によって隔てられ、各前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層は、前記最上部多重量子井戸セットにおける総歪みを低減するために、各前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層の上下にバリア層を有する、III族窒化物半導体LED。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記第1の多重量子井戸セットの下のバリア層;
前記最上部多重量子井戸セットの上の電子ブロック層;
前記電子ブロック層の上のクラッド層;及び
前記クラッド層の上のコンタクト層
を更に備える、請求項1に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項3】
前記第1の多重量子井戸セット及び第2の多重量子井戸セットは、予歪み効果を生成する、請求項1に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項4】
前記基板上にスタックされた前記複数の多重量子井戸セットは、前記基板上にスタックされた3つ以上の前記多重量子井戸セットを備える、請求項1に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項5】
低いインジウム濃度を有する前記第1の多重量子井戸セットのインジウム濃度は、17%以下である、請求項4に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項6】
前記第1の多重量子井戸セットと前記最上部多重量子井戸セットとの間の前記多重量子井戸セットのインジウム濃度は、20%超である、請求項4に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項7】
前記最上部多重量子井戸セットのインジウム濃度は、30%超である、請求項4に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項8】
前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層のAl濃度は変動し、前記基板に最も近い前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層が、他の前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層より高いAl濃度を有する、請求項4に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項9】
前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層のうちの少なくとも1つのAl濃度は、前記層内の複数の離散的ステップとして、又は連続的変動として、変動する、請求項4に記載のIII族窒化物半導体LED。
【請求項10】
各前記Al
x
Ga
1-x
N(0<x≦1)中間歪補償層はGaNで構成され、各前記多重量子井戸セットはInGaNで構成される、請求項4に記載のIII族窒化物半導体LED。
(【請求項11】以降は省略されています)

発明の詳細な説明【関連出願の相互参照】
【0001】
本出願は、2015年10月8日出願の米国仮特許出願第62/239,122号及び2016年10月6日出願の米国特許出願第15/287,384号の便益を主張するものである。
続きを表示(約 2,900 文字)【技術分野】
【0002】
本明細書において本発明は一般に、琥珀色~赤色領域の可視光を放出するIII族窒化物半導体発光デバイスに関する。これを製造する方法が開示される。
【背景技術】
【0003】
発光ダイオード(LED)及びレーザダイオード(LD)(簡潔さのために、本明細書中ではLED及びLDをそれぞれLEDと呼ぶ場合がある)といった従来技術のIII族窒化物系青色発光構造体は、市販されており、ピーク外部量子効率(external quantum efficiency:EQE)が80%超である。緑色スペクトル領域において動作する場合、従来技術のLEDのEQEは青色LEDのEQEの半分未満に低下する。III族窒化物半導体発光素子のEQEはなおさら、琥珀色及び赤色スペクトル領域に向かって非常に急激に低下する。III族窒化物発光素子の効率損失に関して、2つの一般的な原因がある:(1)III族窒化物発光構造体のInGaN層とGaN層との間の大きな格子不整合(混和性が顕著になり、比較的長い波長のために遥かに高いインジウム濃度が必要となる);及び(2)c面極性GaN上に成長させたInGaN QWが、強い圧電場から生じる量子閉じ込めシュタルク効果(quantum-confined Stark effect:QCSE)を不可避的に受け、これが、特に比較的インジウム濃度が必要とされる長波長域における放射再結合速度の低下を引き起こす。
【0004】
例えばLED等のIII族窒化物発光デバイスにおいてInGaN系長波長(600nm超の波長の琥珀色~赤色)を達成するのは困難であるが、このようなデバイスは、シングルチップの、ソリッドステート照明及びモノリシックマルチカラー光変調デバイス(Ref[1])を実現するために極めて望ましい。更に、LED及びLD等のInGaN系発光構造体のデバイス性能は、AlInGaP材料系をベースとする発光素子等の他の長波長発光構造体よりもバンドギャップオフセットが大きいため、温度依存性が低い。更に、GaN系赤色波長発光LED材料構造は有益には、GaN系青色LED及び緑色LEDと温度膨張が一致し、これにより、ウェハ結合を用いてマルチカラーソリッドステート発光素子(Ref[2-4])を生成するGaN系スタックLED発光構造体に適合する。よって、LED及びLD等のInGaN系長波長発光構造体は、多くの用途において優れたものとなり得る。
【0005】
結晶のc軸に沿って成長する従来技術のInGaN系赤色波長発光素子(LED又はLD等)の分野において、これらは全て、不十分な材料品質により「相分離(phase separation)」(当業者にはインジウム偏析としても公知)を呈する。例えばR.Zhangらによる特許文献1(発明の名称:“Method for forming a GaN-based quantum well LED with red light”)、Jong-ll Hwangらによる非特許文献1(タイトル:“Development of InGaN-based red LED grown on (0001) polar surface”)を参照のこと。この相分離は、スペクトル上の比較的短い波長域における1つ又は複数の追加の発光ピークとして現れ、図2(b)、(c)に示すように色純度を不可避的に低下させる。従って、材料品質及びデバイス性能について妥協せずにインジウムの取り込みを増やすためのアプローチが、LED及びLD等の長波長発光、琥珀色~赤色、III族窒化物系発光構造体を得るためには必須である。本明細書において開示される方法及びデバイスは、ソリッドステート照明システム、ディスプレイシステム、及び600nm超の波長のソリッドステート発光素子を必要とする多数の他の用途において使用される、高性能長波長III族窒化物半導体発光デバイスへの道を開く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
米国特許出願公開第20110237011A1号
【非特許文献】
【0007】
Appl. Phys. Express 7, 071003 (2015)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
以下、図面を参照して様々な実施形態を説明する。図面において同一の参照符号は、複数の図にわたり同一の又は同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1は、本開示によるIII族窒化物半導体LEDデバイス10の例示的な、ただし非限定的な実施形態の一部分の断面図である。
図2aは、30mAの電流注入で琥珀色光及び赤色光を放出する図1のIII族窒化物半導体LEDデバイス10のELスペクトルを示すグラフである。挿入図は、30mA及び100mAの注入電流での短波長スペクトル領域内の、図1の琥珀色LED及び赤色LED10の両方のELスペクトルを示す。
図2bは、従来技術:米国特許出願公開第20110237011A1号における光ルミネセンス(photoluminescence:PL)スペクトルを示す。
図2cは、従来技術:Appl. Phys. Express 7, 071003 (2015)における電流依存性ELスペクトルを示す。
図3は、赤色光を放出する図1のIII族窒化物半導体LEDデバイス10に関する、電流の関数としての出力電力及び相対EQE(オンウェハ構成で実施された測定)を示すグラフである。
図4は、赤色光を放出する図1のIII族窒化物半導体LEDデバイス10に関する、電流の関数としてのピーク波長シフト及び半値全幅(full width at half maximum:FWHM)を示すグラフである。
図5は、琥珀色光を放出する図1のIII族窒化物半導体LEDデバイス10に関する、電流の関数としての出力電力及び相対EQEを示すグラフである。
図6は、琥珀色光を放出する図1のIII族窒化物半導体LEDデバイス10に関する、電流の関数としてのピーク波長シフト及びFWHMを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明は、エピタキシャル成長プロセス中に構造体の発光活性領域内の結晶歪みを操作することにより製作される、LED、LD等の長波長発光III族窒化物系半導体発光構造体に関する。本明細書中では限定することなく、本発明のIII族窒化物半導体発光構造体は、LEDデバイス構造体の文脈において例示される。しかしながら当業者は、LDを含むがこれに限定されない他のIII族窒化物半導体発光素子の設計に本発明の方法を応用する方法を認識するであろう。
(【0011】以降は省略されています)

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