半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎベースの発光ダイオードの製造のための方法
５６０〜５８０ｎｍの範囲においてピーク放射波長を有する、黄色発光ダイオード（ＬＥＤ）が開示される。該ＬＥＤは、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、該ＬＥＤのアクティブ層は、インジウム（Ｉｎ）含有の単一量子井戸構造または多重量子井戸構造から成る。該ＬＥＤ量子井戸は、２〜７ｎｍの範囲の厚さを有する。また、少なくとも一つの半極性の黄色ＬＥＤが含まれる、多色ＬＥＤあるいは白色ＬＥＤも開示される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｈｉｒｏｈｉｋｏ Ｈｉｒａｓａｗａ、Ｒｏｙ Ｂ．Ｃｈｕｎｇ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．ＳｐｅｃｋおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．２６４−ＵＳ−Ｐ１（２００８−４１５−１）、２００８年４月４日出願の同時係属中かつ同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／０４２，６４４号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張し、当該出願は本明細書において参照により援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中かつ同一人に譲渡された出願に関連する。
【０００３】
すなわち、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｒｏｙ Ｂ．Ｃｈｕｎｇ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＯＣＶＤ ＧＲＯＷＴＨ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＰＬＡＮＡＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．２７４−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３４）、本願と同日出願の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号であって、当該出願は、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｒｏｙ Ｂ．Ｃｈｕｎｇ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＯＣＶＤ ＧＲＯＷＴＨ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＰＬＡＮＡＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．２７４−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３４）、２００８年４月４日出願の米国仮出願第６１／０４２，６３９号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張する、出願と、
Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎｂａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＦ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＤＯＰＥＤ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＬＡＹＥＲＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．１８７−ＵＳ−Ｕ１（２００６−６７８）、２００７年８月１６日出願の米国特許出願第１１／８４０，０５７号であって、当該出願は、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎｂａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＦ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＤＯＰＥＤ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＬＡＹＥＲＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．１８７−ＵＳ−Ｐ１（２００６−６７８−１）、２００６年８月１６日出願の米国仮出願第６０／８２２，６００号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張する、出願とであって、
これらの出願は本明細書において参照により援用される。
【０００４】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、黄色発光ダイオード（ＬＥＤ）およびそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
（２．関連技術の説明）
（注：本出願は明細書全体にわたって指し示されている通り、例えば［ｘ］のようなブラケット内の一つ以上の参照番号によって、多数の異なる出版物を参照する。これらの参照番号に従って並べられたこれらの異なる出版物のリストは、以下の「参考文献」と題するセクションで見られる。これらの出版物のそれぞれは本明細書において参照により援用される。）
現在の電子および光電子デバイス向けの窒化物技術は極性のｃ方向に沿って成長される窒化物膜を利用する。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物ベースの光電子および電子デバイスにおける従来のｃ面量子井戸（ＱＷ）構造は、強い圧電性かつ自発性の分極の存在に起因して、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を受ける。ｃ方向に沿った強い固有の電場は電子とホールの空間的隔離を引き起こし、ひいては制限されたキャリア再結合効率、低減された振動子強度、および赤方偏移した放射をもたらす。
【０００６】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発性かつ圧電性の分極効果を除去する一つのアプローチは、デバイスを結晶の無極性面上に成長させることである。このような面は同数のＧａ原子とＮ原子を含み、電荷的中性である。さらには、その後の無極性の層は結晶学的に互いに同等であり、結晶が成長方向に沿って分極されない。ＧａＮ内のこのような２つのファミリーの対称性の同等な無極性面は、集合名詞的にａ面として知られる｛１１−２０｝ファミリーと、集合名詞的にｍ面として知られる｛１−１００｝ファミリーである。残念ながら、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（ＵＣＳＢ）の研究者によってもたらされた進歩にもかかわらず、無極性窒化物の成長は困難なままであり、ＩＩＩ族窒化物産業において未だ広く採用されていない。
【０００７】
ＧａＮ光電子デバイスにおける分極効果を低減し、あるいは可能ならば除去するための別のアプローチは、デバイスを結晶の半極性面上に成長させることである。半極性面の用語は、２つの零でないｈ、ｉ、またはｋミラー指数、および零でないｌミラー指数を有する広範な面を参照するのに使われ得る。ｃ面ＧａＮヘテロエピタキシーにおける半極性面の一部のよく見られる例は、ピットのファセットで見られる、｛１１−２２｝、｛１０−１１｝、および｛１０−１３｝面である。これらの面はまた、たまたま、著者らがプレーナー膜の形で成長させた面とちょうど同じである。ウルツ鉱型結晶構造における他の半極性面の例には、｛１０−１２｝、｛２０−２１｝および｛１０−１４｝面があるが、これに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルはこれらの面内に横たわるのでもなく、これらの面に垂直でもなく、寧ろ面の表面の法線に対して幾らかの角度で傾いている。例えば、｛１０−１１｝および｛１０−１３｝面はｃ面に対してそれぞれ６２．９８°および３２．０６°である。
【０００８】
自発性の分極に加えて、窒化物に内在する第２の分極は圧電性の分極である。これは、異なる組成（およびそれゆえ異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物へテロ構造において成長されるときに起こり得るのと同様に、材料が圧縮歪みまたは引っ張り歪みを被るときに起こる。例えば、ＧａＮテンプレート上の薄いＡｌＧａＮ層は面内引っ張り歪みを有し、ＧａＮテンプレート上の薄いＩｎＧａＮ層は面内圧縮歪みを有し、どちらもＧａＮとの格子不整合に起因する。それゆえ、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ ＱＷについては、圧電性の分極はＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発性の分極とは逆方向を向く。ＧａＮと格子整合したＡｌＧａＮ層については、圧電性の分極はＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発性の分極と同じ方向を向く。
【０００９】
ｃ面窒化物上の半極性面を使用することの利点は、総計的な分極が低減されることである。特定の面上の特定の合金組成については零の分極すらあり得る。このような論議は将来の科学文献で詳細が議論されよう。重要な点はｃ面窒化物構造の分極と比べて分極が低減されることである。低減された分極場はより厚いＱＷの成長を可能にする。これにより、より高いインジウム（Ｉｎ）組成と、ひいてはより長い波長の放射が、達成され得る。より長い波長の放射領域における半極性／無極性ベースの窒化物ＬＥＤを製造するために多くの努力がなされている［１〜６］。
【００１０】
本明細書により半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ半導体結晶上に青色、緑色、および黄色のＬＥＤを製造することを可能にする発明を開示する。ＬＥＤからのより長い波長の放射がＡｌＩｎＧａＰ材料系から報告されているが、窒化物およびリン化物のいずれにおいても、５６０ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲で放射する黄色ＬＥＤの開発に成功していない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の先行技術における制限を克服し、および本明細書を読解することで明確になる他の制限を克服するために、本発明は、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、５６０ナノメートル（ｎｍ）より長いピーク放射波長と、２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流において３．５ミリワット（ｍＷ）より大きい出力パワーとを有する、少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色のＬＥＤを開示する。
【００１２】
ＬＥＤは典型的には光を放射するためのアクティブ層を含み、ここで、半極性面は、十分に厚いアクティブ層の厚みと、十分に高いアクティブ層のインジウム（Ｉｎ）組成と、十分に高いアクティブ層の結晶の品質とを可能にし、それによって、光が、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する。アクティブ層は典型的には、少なくとも一つのＱＷを含む、Ｉｎ含有の単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含み、ＱＷは、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーを得るのに十分に高い結晶の品質を有する。一例に、ＱＷは２ｎｍから７ｎｍの範囲の厚みを有し、および／または結晶の品質は９×１０９ｃｍ−２以下の貫通転位（ＴＤ）密度である。
【００１３】
本発明はさらに、黄色、アンバー色、または赤色の発光ＬＥＤ（例えば、半極性面上に成長される半極性の黄色ＬＥＤ）が含まれる、多色の光を放射するための多色ＬＥＤデバイス、および黄色、アンバー色、または赤色の発光ＬＥＤ（例えば、半極性面上に成長される半極性の黄色ＬＥＤ）が含まれる、白色の光を放射するための白色ＬＥＤを開示する。半極性の黄色ＬＥＤは、例えば、｛１１−２２｝半極性面上に成長されるＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤであり得る。
【００１４】
本発明はさらに、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される、青色発光のＱＷおよび黄色発光のＱＷが含まれる、白色ＬＥＤデバイスを開示する。典型的には、白色ＬＥＤデバイスは、青色の光を放射するための第１のＩｎ組成を有する、第１のＩｎＧａＮ ＱＷである青色発光のＱＷと、黄色の光を放射するための第２のＩｎ組成を有する、第２のＩｎＧａＮ ＱＷである黄色発光のＱＷとが含まれる、ＭＱＷを含む。
【００１５】
本発明はさらに、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上への成長により、黄色、アンバー色、または赤色のＬＥＤを製造する方法を開示し、そのような方法によって、ＬＥＤが５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する光を放射する。本発明はまた、白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスを製造する方法を開示し、そのような方法は、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に、青色発光の量子井戸を成長させること、および黄色発光の量子井戸を成長させることを含む。さらに、本発明は、ＬＥＤから白色の光を放射する方法を開示し、そのような方法は、青色発光の量子井戸から青色の光を放射すること、および黄色発光の量子井戸から黄色の光を放射することを含み、ここで、青色発光の量子井戸および黄色発光の量子井戸は一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
ここでは図面を参照し、図中では、全体にわたって、同一の参照番号は対応する部分を表わす。
【図１】図１は、本発明に従った、半極性ＧａＮ薄膜のための成長プロセスのフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従った、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ、またはＳＱＷを含む窒化物ベースのダイオードデバイス層の堆積についての、温度プロファイル（温度対時間）である。
【図３】図３は、ＬＥＤ技術を使用する異なる材料系（ｃ面ＵＣＳＢ、無極性ＵＣＳＢ、ｃ面ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ここで０≦ｘ≦１）、半極性ＵＣＳＢ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ、およびＮｉｃｈｉａ ＬＥＤによるＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＩＷＮ）２００６（ＩＷＮ０６））について、外部量子効率（ＥＱＥ）対ピーク放射波長（ｎｍ）、および現在の開発状況のグラフであり、人間の眼の波長応答（眼の感度プロファイル）もまた示されている。
【図４ａ】図４（ａ）は、（ＳＱＷおよびＭＱＷについて）ＬＥＤ中のＱＷの数、またはＭＱＷ周期の数に対する、半極性ＬＥＤからのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）の出力パワー（任意単位、ａ．ｕ．）およびＥＬのピーク放射波長（ｎｍ）の依存性をプロットしているグラフである。
【図４ｂ】図４（ｂ）は、ＱＷの厚み（ｎｍ）に対する、半極性ＬＥＤからのＥＬの出力パワー（ａ．ｕ．）およびピークのＥＬの波長（ｎｍ）の依存性をプロットしているグラフである。
【図５ａ】図５（ａ）は、１ｍＡから１００ｍＡまでの直流（ＤＣ）電流の関数として、（１１−２２）ＧａＮ上に成長された黄色ＬＥＤのＥＬのピーク放射波長（ｎｍ、塗り潰しの円）およびＥＬの半値全幅（ＦＷＨＭ）（ｎｍ、中空の三角）をプロットしている。
【図５ｂ】図５（ｂ）は、１０％デューティサイクルかつ１０ＫＨｚでのパルス電流について、半極性面上のＩｎＧａＮ ＱＷを含む黄色発光ＬＥＤ（塗り潰しのダイヤモンドおよび円）、およびＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤ（中空の三角）について、駆動電流（ｍＡ）の関数として、出力パワー（ｍＷ）およびＥＱＥ（％）をプロットしている。
【図６】図６は、半極性面上に成長された、半極性の、黄色、アンバー色または赤色のＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤの断面の概略図である。
【図７】図７は、Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ ｄ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ（ＣＩＥ）１９３１年の（ｘ，ｙ）色度図であり、ここで、各ＬＥＤの実際の座標は図７の座標と一致しない可能性があることを指摘した上で、三角形の中の領域はＵＣＳＢ半極性の青色、緑色および黄色ＬＥＤを結合することによって生成され得る色を示し、三角形の周囲に沿って走るスケールは、色座標ｘ，ｙに対応し、光の波長をナノメートル（ｎｍ）で示す。
【図８】図８は、単一の構造内に２つの異なるバンドギャップを有するＱＷを使用して製造され得る白色ＬＥＤ向けのバンド構造の概略図であり、白色ＬＥＤの層を横切る位置の関数としてエネルギーをプロットしている。
【図９】図９は、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される一つ以上の青色発光のＱＷおよび黄色発光のＱＷが含まれる、白色ＬＥＤの断面の概略図である。
【図１０】図１０は、（１１−２２）黄色ＬＥＤデバイスの［１−１００］断面における透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像であり、ここで、スケールは４０ｎｍの距離を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の好ましい実施形態の記載では、本明細書の一部分を成し、かつ例示を目的として発明が実施され得る特定の実施形態が示される添付図面への参照がされている。本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、構造上の変更がされ得ると解されるべきである。
【００１８】
（概要）
本発明は、｛１０−１−１｝、｛１１−２２｝、および他の面のようなバルク半極性ＧａＮ基板を有する、青色、緑色、黄色、白色、および他の色のＬＥＤの製造のための方法を記載する。半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ半導体結晶は、前述の開示で記載したように、構造内の内部分極の不連続性に起因する、零あるいは低減された内部電場を有する多層構造の製造を可能にする。本発明はＩＩＩ族窒化物ベースの光電子工学における最初の黄色ＬＥＤを記載する。さらに、本発明は、膜の品質の改善をもたらすｎ型ＧａＮの低温成長を援用する。半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ半導体の配向の使用は、低減された内部電場と、ひいては［０００１］窒化物半導体に比べてより長い波長の放射のための、より厚いＱＷとより高いＩｎ組成をもたらす。黄色ＬＥＤの発明は、高出力の白色ＬＥＤの製造を可能にする。
【００１９】
（技術的説明）
（プロセスステップ）
本発明は有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）を介した半極性｛１０−１−１｝および｛１１−２２｝ＧａＮの成長の方法、および黄色ＬＥＤの製造の方法を記載する。図１は、後続の段落に記載される本発明の実施形態に従って、｛１０−１−１｝または｛１１−２２｝バルクＧａＮ基板上の半極性ＧａＮ薄膜のためのＭＯＣＶＤ成長プロセスのステップを図解したフローチャートである。
【００２０】
ブロック１００は反応炉への基板の装填を表わす。例えば、半極性ＬＥＤ構造の成長のため、バルク｛１０−１−１｝または｛１１−２２｝ＧａＮ基板がＭＯＣＶＤ反応炉へ装填される。
【００２１】
ブロック１０２は水素および／または窒素および／またはアンモニア雰囲気下での基板の加熱を表わす。水素および／または窒素雰囲気下で基板を加熱するため、反応炉のヒーターがオンされ、設定温度に近づけられる。一般的に、窒素および／または水素は大気圧下で基板上を流れる。
【００２２】
ブロック１０４は基板上へのｎ型窒化物半導体膜／層（この場合はｎ型ＧａＮ）の堆積を表わす。ブロック１０２の加熱ステップの後、温度が１１００℃に設定され、ｎ型ＧａＮの成長を開始するため毎分５４μｍｏｌ（マイクロモル毎分）のトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）がジシランと共に３０分間反応炉へ導入される。４ｓｌｍ（標準リットル毎分）のアンモニア（ＮＨ３）もこの段階で導入され、成長の終了まで一定のレベルに保たれる。
【００２３】
ブロック１０６はｎ型窒化物層上への窒化物ＭＱＷの堆積を表わす。ブロック１０４の所望のｎ型ＧａＮの厚さが達成されたら、反応炉の温度設定ポイントが８１５℃に下げられ、毎分６．９μｍｏｌのトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が反応炉へ導入されて２０ｎｍの厚さのＧａＮバリア層が成長される。所望の厚さのＧａＮバリアが達成されたら、３ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ ＳＱＷを堆積するため毎分１０．９μｍｏｌのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）が反応炉へ導入される。ＩｎＧａＮ層の堆積後、ＱＷ構造を完了させるＧａＮの成長のため、毎分６．９μｍｏｌのＴＥＧａが再び反応炉へ導入される。このステップはＭＱＷを形成するために複数回繰り返され得る。
【００２４】
ブロック１０８は電子ブロック層の堆積を表わす。ＳＱＷ／ＭＱＷが堆積されたら、Ｍｇが僅かにドープされた１０ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ電子ブロック層を形成するために、毎分３．６μｍｏｌのＴＭＧａ、毎分０．７μｍｏｌのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、および毎分２．３６×１０−２μｍｏｌのＣｐ２Ｍｇが反応炉へ導入される。
【００２５】
ブロック１１０はＳＱＷ／ＭＱＷ上への低温窒化物ｐ型半導体膜の堆積を表わす。ブロック１０８にて所望のＡｌＧａＮの厚さが達成されたら、反応炉の設定温度が１０分間８２０℃に保たれる。この期間の最初の３分間は、毎分１２．６μｍｏｌのＴＭＧａと毎分９．８×１０−２μｍｏｌのＣｐ２Ｍｇが反応炉へ導入される。最後の７分間は、Ｃｐ２Ｍｇの流れが２倍にされる。それから、温度が１分内に８７５℃に近づけられ、この近づける時間の間にＴＭＧａの流れは一定に保たれ、Ｃｐ２Ｍｇは元の毎分９．８×１０−２μｍｏｌへ低減される。ｐ−ＧａＮの成長は８７５℃においてもう１分間継続される。
【００２６】
ブロック１１２は水素欠乏雰囲気ガス内での膜（特にｐ−ＧａＮ）のアニーリングを表わす。反応炉が冷却したら、ブロック１００〜１１０で形成された窒化物ダイオード構造が取り除かれ、ＭｇがドープされたＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）を活性化するために７００℃の温度で１５分間水素欠乏雰囲気内でアニールされる。
【００２７】
ブロック１１４は本方法の結果物である、より長い波長の放射を有する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎダイオード膜を表わし、ここで、ブロック１０４〜１１０で成長される層は典型的には半極性の配向にて成長され、例えばブロック１００の基板の半極性面上に成長させることによる。例えば、本方法は、黄色、アンバー色、または赤色のＬＥＤを製造するために使用され得、そのような方法は、ＬＥＤが５６０ｎｍより長いピーク放射波長および２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーを有する光を放射するように、ＬＥＤを少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長させることを含む。典型的には、半極性面は、十分に厚いアクティブ層の厚みと、十分に高いアクティブ層のインジウム（Ｉｎ）組成と、十分に高いアクティブ層の結晶の品質とを可能にし、それによって、光が、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する。結晶の品質は、例えば９×１０９ｃｍ−２以下の転位密度（例えばＴＤ）であり得る。量子井戸は、例えば２ｎｍから７ｎｍの範囲の厚みを有し得る。
【００２８】
本方法はまた、白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスを製造するために使用され得、そのような方法は、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に青色の光および黄色の光を放射するＱＷを成長させることを含む。
【００２９】
成長を完了した後、ブロック１１４の半極性ＧａＮはＬＥＤへ加工処理される。先ず、ブロック１１０のｐ−ＧａＮ上に、ｐ型コンタクトのための電子ビーム蒸着器によって、２０００オングストローム（Å）から２５００Åの厚さのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）が堆積される。ＩＴＯは、３５０ｎｍから８００ｎｍの間の光の波長について９０％よりも高いという、従来のメタルｐ型コンタクト（ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）、つまりＮｉ／Ａｕのような、同じ波長領域において約４０％の透明度を有するもの）に比べて、より高い透明度を有する。ＩＴＯコンタクトによってより高い光の抽出が期待される。
【００３０】
ＩＴＯが堆積されたら、ｎ型ＧａＮを露出するために１から３分間Ｃｌ２ガスを使用したドライエッチング技術によってブロック１１４の膜にメサが形成される。それから、ＩＴＯを透明にするために、５００℃から７００℃の温度で５から１０分間、Ｎ２およびＯ２雰囲気下でＩＴＯ層がアニールされる。ｎ型ＧａＮ層へのオーミックコンタクト（ｎ−コンタクト）を形成するために、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｎｉ、およびＡｕ層を有するメタルコンタクトが電子ビーム蒸着器によってｎ−ＧａＮ層上に堆積される。Ｎ−コンタクトはまた、３００℃〜５００℃の温度で３〜５分間Ｎ２雰囲気下でアニールされる。ＬＥＤ製造の最終ステップは、パッケージ化の目的のためにｎ−コンタクトおよびＩＴＯ上に電子ビーム蒸着によって３０００Åから６０００Åの厚さのＡｕ層を堆積することである。
【００３１】
（利点と改善点）
既存の実用化は、表面に平行なｃ面を有したＧａＮを成長させる。現在のｃ面窒化物技術に比べて、本発明には幾つかの有利な傑出点がある。図２は本発明の実施形態についての温度プロファイル（温度対時間）を示し、１０００℃でのシリコンがドープされたＧａＮ（ＧａＮ：Ｓｉ）の成長、それに続く８００℃でのＳＱＷ構造（第１のＧａＮバリア層、ＩｎＧａＮ層、第２のＧａＮバリア層）の成長、それに続く８００℃でのＡｌＧａＮ電子ブロック層の成長、それに続く８０５℃および８５０℃でのＭｇがドープされたＧａＮ（ＧａＮ：Ｍｇ）の成長を示している。
【００３２】
通常、ｃ面ＧａＮ膜のためのｎ−ＧａＮは典型的には１０５０℃の温度で堆積／成長される。図２は、しかしながら、本発明はｃ面ＩＩＩ族窒化物（例えばＧａＮ）の成長に使用される温度よりも１０〜５０℃低い低温でｎ型ＩＩＩ族窒化物（例えばブロック１０４のｎ−ＧａＮ）を堆積／成長させることを示し、それゆえ、低温成長されたｎ−ＧａＮは低温成長されたｐ−ＧａＮと同様に利用される。図２はまた、ＭＱＷ上のｐ型ＩＩＩ族窒化物層（例えばブロック１１０のｐ−ＧａＮ）は、ｃ面ＩＩＩ族窒化物またはＧａＮの成長に使用される温度よりも最高２５０℃低い温度で成長されることを示す。
【００３３】
現在のｃ面の青色ＬＥＤは毎分３．９〜８．６μｍｏｌのＴＭＩｎを使用して成長され、２〜２．５ｎｍの典型的な厚さのＱＷを生成する。本発明におけるＳＱＷの堆積（ブロック１０６）の期間中、より高い流量の毎分１０．６μｍｏｌのＴＭＩｎおよびより低い温度（１０〜４０℃低い）が使用され、より厚いＱＷが成長される。従って、ブロック１０６のＩｎ含有ＱＷまたはＩｎ含有ＭＱＷは、ｃ面窒化物ベースの発光ＱＷ層の厚さよりも厚い厚さに、ｃ面窒化物ベースの発光ＱＷ層を成長させるのに使用される成長速度よりも速い成長速度、および／またはｃ面窒化物ベースの発光ＱＷ構造を成長させるのに使用される温度よりも低い温度（１０〜４０℃低い）で、ｎ型層の上に成長される。その結果は、より長い波長の放射を可能にする、より高いＩｎＮ組成とより高い品質のアクティブ領域である。
【００３４】
既存の実用化は黄色ＬＥＤを生産することができていない。図３は、ｃ面ＵＣＳＢ ＬＥＤ、無極性ＵＣＳＢ ＬＥＤ、ｃ面ＩｎＧａＮ ＬＥＤ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ ＬＥＤ、およびＮｉｃｈｉａによるＩＷＮ０６について、現在利用可能なＬＥＤの、放射されるピーク波長に対する外部量子効率（ＥＱＥ）を図示する。表１にアンバー色領域における商用可能なＡｌＩｎＧａＰベースのＬＥＤをまとめる。図３および表１の両方から分かるように、ＩＩＩ族リン化物あるいはＩｎ窒化物材料系のいずれにおいても、５６０ｎｍ〜５８０ｎｍのピーク波長を放射する黄色ＬＥＤは存在していない。赤色およびアンバー色のＬＥＤはしばらくの間ＡｌＩｎＧａＰ材料系により生産されており、可視スペクトルの紫外、青色、および緑色の領域における光を放射するＬＥＤは（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ合金（ｃ面ＵＣＳＢ、無極性ＵＣＳＢ、およびｃ面ＩｎＧａＮ）により生産されている。しかしながら、本発明に先立って、これまでどの材料系においても５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの間の波長の黄色領域においてＬＥＤは製造されていない。
【００３５】
初めて、本発明は、ＡｌＩｎＧａＰベースの商用ＬＥＤからのより長い波長の発光に匹敵する出力パワーを有する、より長い波長での光を放射する窒化物ＬＥＤを達成した（図３に「半極性‐ＵＣＳＢ」と指し示される、５６４ｎｍの波長で５．９ｍＷ、および５７５．７ｎｍの波長で３．５ｍＷを放射する本発明のＬＥＤ）。波長５６４ｎｍの光を放射するＬＥＤ、および波長５７５．７ｎｍの光を放射するＬＥＤについて、外部量子効率はそれぞれ１３．４％および８．２％である［６］。図３に示されるように、｛１１−２２｝および／または｛１０−１１｝面を使用する、４５０ｎｍの波長で光を放射する青色ＬＥＤ、および５２０ｎｍの波長で光を放射する緑色ＬＥＤは（それらは半極性面上のＬＥＤ）、ＵＣＳＢにより開発された。
【００３６】
【表１】
図４（ａ）は、ＱＷの数に対する、ＬＥＤの出力パワーおよび放射のピーク波長の依存性を示す。半極性ＬＥＤの出力パワーは、基板の裏を通したシリコン光検出器を使用して光出力を測定することにより評価された。ピーク波長において小さなシフトしかなく、出力パワーの変化は０．１ｍＷ以内であり、前に議論された成長条件によって実現されたＱＷの高い品質を指し示していることに注目することが重要である。さらに、この結果は、より少ない成長時間を有する、より効率的な成長を指し示し、ひいてはＩｎＧａＮの熱予算が大幅に減少され得る。本発明は、このことが黄色ＬＥＤの製造に成功した一因であると確信する。
【００３７】
図４（ｂ）は、ＱＷの厚みと半極性ＬＥＤから放射される出力パワーおよびピーク波長との間の関係を観測するためのセットの実験の結果を記載する。ピーク放射波長は、ＱＷの厚みが増大するほど、アクティブ層内のインジウム組成が高くなるほど、増大する。しかしながら、キャリア再結合の効率に直接的に関係する出力パワーは、この特定のサンプルについては３ｎｍの光学的厚さを示し、そして急峻に落ち込む。この振舞いは、より高いＩｎ組成を有するアクティブ層の不十分な結晶品質にほぼ起因するようである。高品質なＱＷと３ｎｍに最適化されたＱＷの厚みとの組み合わせによって、本発明は５６０ｎｍから５８０ｎｍの範囲においてピーク波長を有する光を放射する高出力ＬＥＤを生産することができた。
【００３８】
図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）は、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と２０ｍＡの電流で３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する、少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色のＬＥＤを図示する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）は、ＬＥＤは典型的には光を放射するためのアクティブ層を含むことを示し、ここで、半極性面は、十分に厚いアクティブ層の厚みと、十分に高いアクティブ層のＩｎ組成と、十分に高いアクティブ層の結晶の品質とを可能にし、それによって、光が、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する。
【００３９】
（ＬＥＤ構造）
図６はまた、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面６０２上に成長され、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する、少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色のＬＥＤ６００を図示する。半極性面６０２は、ＧａＮのトップ表面６０４（または後続の層が成長される表面）あるいは半極性の配向（例えば半極性方向６０８に成長される）を有するＩＩＩ族窒化物基板６０６である。ＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面６０２は、例えば｛１１−２２｝または｛１０−１−１｝半極性面であり得るが、他の半極性面もまた可能である。
【００４０】
ＬＥＤ６００はアクティブ層を含み、ＬＥＤ６００のアクティブ層は、Ｉｎ含有ＳＱＷ構造６１０（ＱＷ６１２（例えばＧａＮバリア層６１４とＧａＮバリア層６１６との間のＩｎＧａＮ ＱＷ６１２）を含む）あるいはＭＱＷ構造６１８（例えば、ＱＷ６１２（例えばＧａＮバリア層６１４と６１６との間のＩｎＧａＮ ＱＷ６１２）とＱＷ６２０（ＧａＮバリア層６１６と６２２との間のＩｎＧａＮ ＱＷ層６２０）を含む２周期のＭＱＷ構造６１８を含むが、ＭＱＷ構造６１８はＭＱＷ構造が２つ以上のＱＷ６１２、６２０を含むように２周期より多く含み得る）が含まれる。
【００４１】
ＱＷ６１２、６２０はピーク放射波長および出力パワーを有する光を放射するためのものである。ピーク放射波長はＱＷ６１２、６２０中のＩｎ量が増加するほど増大し、ＱＷ６１２および６２０の厚み６２４および６２６を増大させるとＱＷ６１２および６２０中のインジウム量が増加する。それゆえ、ＱＷ６１２および６２０は、５６０ｎｍより長いピーク放射波長を有する光（例えばアンバー色、黄色またはアンバー色の光）を放射するのに十分に高いＩｎ量を得るために、十分に厚い厚み６２４および６２６を有する。ＱＷは典型的には２ｎｍから７ｎｍの厚み６２４および６２６（すなわち厚み６２４および６２６はそれぞれ２ｎｍ〜７ｎｍの厚さ）を有する。ＱＷ６１２、６２０はより厚く、それゆえｃ面（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）ＮベースのＱＷに比べてより長い波長を有する光を放射することができる。一例に、ＬＥＤ６００中のＱＷ６１２、６２０の数および／または厚み６２４、６２６は、図４（ａ）および図４（ｂ）中の出力パワーとＥＬのピーク波長の曲線との交点に対応する厚み６２４、６２６およびＱＷ６１２、６２０の数を選ぶことによって、波長の放射および出力パワーを最適化（すなわち最大化）するよう選択され得る。
【００４２】
ＱＷ構造６１０、またはＭＱＷ構造６１８は、ｐ型窒化物（例えばＧａＮ）層６２８とｎ型窒化物（例えばＧａＮ）層６３０との間にある。ｐ−ＧａＮ６２８、ｎ−ＧａＮ６３０はそれぞれホール、電子をＱＷ６１２、６２０に提供し、それによって電子とホールがＱＷ６１２のバンドギャップエネルギーに対応する最小の光子エネルギーを有する光を放射するためにＱＷ６１２内で再結合できる。ＱＷ６１２中に混入されるＩｎ量はＱＷのバンドギャップを決定し、ひいては放射される光子の最小エネルギー、ゆえに光子の波長を決定する。
【００４３】
ＬＥＤ６００は典型的にはさらに、ｐ型ＧａＮ層６２８へのオーミックコンタクトを形成するｐ型コンタクト層（例えばＩＴＯ）６３２と、ｎ型ＧａＮ層６３０へのオーミックコンタクトを形成するｎ型コンタクト層（例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）６３４とを含む。外部電源は、ｐ−コンタクト層６３２とｎ−コンタクト層６３４との間に電流または電圧を供給し得、ひいては電子とホールが光を放射するために再結合できるように電子とホールをＱＷ６１２中へドライブするのに必要な電力を供給する。メタライゼーション層（例えばＡｕ）６３６および６３８は、ＬＥＤ６００と外部電源との間の電気的／機械的なコンタクトを改善するために、ｐ−コンタクト層６３２上およびｎ−コンタクト層６３４上にあり得る。
【００４４】
ＬＥＤ６００はまた、バリア層６２２とｐ型ＧａＮ層６２８との間に電子ブロック層６４０（例えばＡｌＧａＮ）を含み得る。
【００４５】
典型的には、層６３０、６１０、６１８、６４０、および６２８は、方向６０８に沿ってそれぞれのトップ上に、および基板６０６上に（例えば、層６０６上に層６３０、層６３０上に層６１４、層６１４上に層６１２、層６１２上に層６１６、など）、エピタキシャル成長される。このような方法では、ＱＷ層６１２、６２０はそれぞれ半極性の配向、つまり半極性面６０２の半極性の配向を有するトップ表面６４２、６４４を有する。典型的には、ｎ型層６３０、バリア層６１４、バリア層６１６、バリア層６２２、ブロック層６４０、ｐ型層６２８はそれぞれ、半極性の配向、つまり半極性面６０２の半極性の配向を有するトップ表面６４６、６４８、６５０、６５２、６５４、および６５６を有する。
【００４６】
黄色ＬＥＤの製造に成功したことにより、半極性ベースのＬＥＤのスペクトルを拡幅した。図７の色度図は、半極性ＧａＮ基板上に製造される多色ＬＥＤの可能性を示す。現在の白色ＬＥＤは、ＹＡＧ蛍光体上で輝く４５０ｎｍ（青色）ＬＥＤを有するＹＡＧ蛍光体を使用して製造される。これは白色ＬＥＤの製造に最も普通に使用される技術ではあるが、この技術の最大の欠点は蛍光体膜での５０％の変換損失である。白色ＬＥＤを生産するための他の方法はＬＥＤの異なる色を結合することである。図７によって示されるように、青色と黄色のＬＥＤを結合することにより、専ら窒化物技術をベースにした高出力かつ高効率の白色ＬＥＤを製造することが可能になる。加えて、高出力の多色ＬＥＤは今や、青色、緑色、および黄色の半極性ベースの窒化物ＬＥＤ、および赤色のＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤを結合することによって可能である。
【００４７】
図７は、黄色ＬＥＤの発明は今や、青色、緑色、および黄色のＬＥＤの結合によって多色ＬＥＤの製作を可能にすること、および高出力の白色ＬＥＤが青色と黄色のＬＥＤを結合することによって実現され得ることを示す。図３に示されるように、｛１１−２２｝および／または｛１０−１１｝面を使用する、４５０ｎｍの波長で光を放射する青色ＬＥＤ、および５２０ｎｍの波長で光を放射する緑色ＬＥＤは（それらは半極性面上のＬＥＤ）、ＵＣＳＢにより開発された［３、５］。図７の三角形７００の中の領域は、ＵＣＳＢ半極性の青色（例えば波長λ＝４３３．５ｎｍの光を放射）、緑色（例えばλ＝５１９．２ｎｍの光を放射）、および黄色（例えば波長λ＝５６４ｎｍの光を放射）のＬＥＤを結合することによって生成され得る色を示す。このように、多色の光を放射する多色ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤ６００（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝面などの半極性面６０２上に成長され、黄色の光を放射する少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性の黄色ＬＥＤ６００）、および他の窒化物ベースの（または窒化物ベースでない）ＬＥＤであって青色、緑色、赤色、および／または他の色の光を放射するものが含まれる。同様に、白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤ６００（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝面などの半極性面上に成長され、黄色の光を放射する少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性の黄色ＬＥＤ６００）、および他の窒化物ベースの、および窒化物ベースでないＬＥＤであって青色、緑色、赤色、および／または他の色の光を放射するものが含まれ得、それによって複数のＬＥＤにより放射される光の結合が白色の光になる。例えば、白色発光ＬＥＤデバイスは青色発光ＬＥＤおよび黄色発光ＬＥＤを含み得る。
【００４８】
単一の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ材料系による、可視スペクトルの広範囲で放射する高品質なＱＷの成長は、可能性のある別の技術を示唆する。デバイス中の異なるバンドギャップのＩｎＧａＮアクティブ層の成長は単一の白色ＬＥＤ構造を製作するのに利用され得る。このような白色ＬＥＤ構造のバンド構造８００が図８に示され、伝導バンドＥｃ、価電子バンドＥｖ、半極性のｎ型ＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）層８０４と半極性のｐ型ＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層８０６との間のＭＱＷ構造８０２を図示し、ここで、ＭＱＷ構造８０２は、青色の光８１０を放射するためのＱＷ８０８（Ｉｎ組成ｘを有する、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ）と、黄色の光８１６、８１８を放射するためのＱＷ８１２、８１４（Ｉｎ組成ｘを有する、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ）と、バリア層８２０、８２２（例えばＧａＮ）とを含む。ＱＷ８０８のバンド構造は、青色のアクティブ領域８０８内のＩｎの解離が最小で、黄色のアクティブ領域８１２、８１４用により高いホール注入があるように注意深く設計される。ＳＱＷは青色のアクティブ領域８０８用に、およびＭＱＷは黄色の放射８１６、８１８の効率を上げるために黄色のアクティブ領域８１２、８１４用に利用され得る。フリップチップ実装技術とこのバンド構造により、白色ＬＥＤは単一のデバイス上に実現され得る。青色の光８１０は少なくともＱＷ８０８内のバンドギャップエネルギー（Ｅｃ−Ｅｖ）に等しいエネルギーを有して放射され、黄色の光８１６、８１８は少なくともＱＷ８１２、８１４内のバンドギャップエネルギー（Ｅｃ−Ｅｖ）に等しいエネルギーを有して放射される。
【００４９】
図９は、図６に基づき、白色ＬＥＤ９００を図示し、そのようなＬＥＤは、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面６０２上に成長される（例えば単一の成長構造における）、一つ以上の青色発光ＱＷ９０２および一つ以上の黄色発光ＱＷ６１２、６２０を含む。このように、ＬＥＤ９００は、青色発光ＱＷ９０２および黄色発光ＱＷ６１２が含まれるＭＱＷを含む。典型的には、ＬＥＤ９００の青色のアクティブ領域９０４は、第１のＧａＮバリア層９０６と第２のＧａＮバリア層６１４との間に、青色の光を放射するための少なくとも一つの青色発光ＱＷ９０２（例えば、青色の光を放射するための第１のＩｎ組成と厚み９０８を有する第１のＩｎＧａＮ ＱＷ）を含み、黄色のアクティブ領域６１０は、第２のＧａＮバリア層６１４と第３のＧａＮバリア層６１６との間に、黄色の光を放射するための黄色発光ＱＷ６１２（例えば、黄色の光を放射するための第２のＩｎ組成と厚み６２４、６２６を有する第２のＩｎＧａＮ ＱＷ）を含み、一つ以上のＩＩＩ族窒化物の半極性面６０２は、ＩＩＩ族窒化物のｎ型層６３０または基板６０６の表面６４６、６０４である（ただし、半極性面６０２は他の層の表面であり得る）。青色のアクティブ領域９０４および黄色のアクティブ領域６１０、６１８は典型的には、ｎ型層６３０とｐ型層６２８との間にある。上述したように、黄色のアクティブ領域６１８は通常（ただし限定されないが）ＭＱＷ構造であり、図９の層６１０、９０４、６１８、６４０、６２８、および６３０は典型的には他のトップ上にエピタキシャル成長され、半極性の配向６０８を有する。
【００５０】
図６および図９の実施形態において、ＱＷ６１２、６２０、および９０２のＩｎ含有量、および厚み６２４、６２６、９０８は、ＱＷ６１２、６２０、および９０２によって放射される光の最小のバンドギャップ、ゆえに波長を決定する。これらの例では、Ｉｎ含有量および厚み９０８は、アクティブ層９０２が青色の光（または青色の光に対応する波長）を放射するように選択され、Ｉｎ含有量および厚み６２４、６２６は、アクティブ層６１２、６２０が黄色、アンバー色および／または赤色の光（または黄色、アンバー色および／または赤色の光に対応する波長）を放射するように選択される。しかしながら、青色のアクティブ領域９０４は、多色を放射するＬＥＤデバイス（多色ＬＥＤデバイス）または白色の光を放射するＬＥＤデバイス（白色ＬＥＤデバイス）を得るために、他の色の光を放射するアクティブ領域、あるいはｎ型層６３０とｐ型層６２８との間に導入／成長され得る他の色の光を放射する追加的なアクティブ領域に代替され得る。他の色の光を放射するアクティブ領域は、ＱＷが他の色の光を放射することができるようなＩｎ混入ｘ（例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ）および厚みをＱＷが有することを必要とする。
【００５１】
図１０は、（１１−２２）ＧａＮ基板上の半極性のＩｎＧａＮ ＱＷ構造の代表的な断面ＴＥＭ画像を示し、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層１０００、ＧａＮ：Ｓｉ１０００上のＩｎＧａＮ ＱＷ層１００２、ＩｎＧａＮ ＱＷ１００２上のＧａＮキャップ層１００４、ＧａＮキャップ層１００４上のＡｌＧａＮ電子ブロック層１００６、ＡｌＧａＮ電子ブロック層１００６上のｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層１００８、低いＴＤ密度（＜５×１０６ｃｍ−２）、および急峻な界面１０１０、１０１２を有するプレーナーＩｎＧａＮ ＱＷ１００２を示す。ＱＷ６１２および６２０の結晶の品質を上げることにより、デバイス６００の出力パワーを増大させ、例えば、ＱＷ６１２および６２０は、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい、あるいは２００ｍＡの電流において２９．２ｍＷより大きい出力パワーを得るのに十分に高い結晶の品質を有する。図１０は、結晶の品質は、ＴＤ、プレーナーＱＷおよび／または急峻な界面１０１２であるか、あるいはこれらによって測定され得ることを示す。このように、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーが、５×１０６ｃｍ−２以下あるいは９×１０９ｃｍ−２以下のＴＤ密度で得られ得る。
【００５２】
（参考文献）
以下の参考文献は本明細書において参照により援用される。
【００５３】
【表２】
（結び）
ここでは本発明の好ましい実施形態の記載を締め括る。前述の一つ以上の発明の実施形態の記載は図示および記載の目的のために提示された。それは網羅的であったり正確な開示形態で発明を限定することを意図したものではない。先述の教示に照らして様々な改変および変形が可能である。発明の範囲はこの詳細な説明によるのではなく、寧ろ添付の特許請求の範囲によって限定されることを意図している。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｈｉｒｏｈｉｋｏ Ｈｉｒａｓａｗａ、Ｒｏｙ Ｂ．Ｃｈｕｎｇ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．ＳｐｅｃｋおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．２６４−ＵＳ−Ｐ１（２００８−４１５−１）、２００８年４月４日出願の同時係属中かつ同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／０４２，６４４号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張し、当該出願は本明細書において参照により援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中かつ同一人に譲渡された出願に関連する。
【０００３】
すなわち、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｒｏｙ Ｂ．Ｃｈｕｎｇ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＯＣＶＤ ＧＲＯＷＴＨ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＰＬＡＮＡＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．２７４−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３４）、本願と同日出願の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号であって、当該出願は、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｒｏｙ Ｂ．Ｃｈｕｎｇ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＯＣＶＤ ＧＲＯＷＴＨ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＰＬＡＮＡＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．２７４−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３４）、２００８年４月４日出願の米国仮出願第６１／０４２，６３９号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張する、出願と、
Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎｂａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＦ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＤＯＰＥＤ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＬＡＹＥＲＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．１８７−ＵＳ−Ｕ１（２００６−６７８）、２００７年８月１６日出願の米国特許出願第１１／８４０，０５７号であって、当該出願は、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎｂａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＦ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＤＯＰＥＤ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＬＡＹＥＲＳ」と題され、代理人整理番号３０７９４．１８７−ＵＳ−Ｐ１（２００６−６７８−１）、２００６年８月１６日出願の米国仮出願第６０／８２２，６００号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張する、出願とであって、
これらの出願は本明細書において参照により援用される。
【０００４】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、黄色発光ダイオード（ＬＥＤ）およびそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
（２．関連技術の説明）
（注：本出願は明細書全体にわたって指し示されている通り、例えば［ｘ］のようなブラケット内の一つ以上の参照番号によって、多数の異なる出版物を参照する。これらの参照番号に従って並べられたこれらの異なる出版物のリストは、以下の「参考文献」と題するセクションで見られる。これらの出版物のそれぞれは本明細書において参照により援用される。）
現在の電子および光電子デバイス向けの窒化物技術は極性のｃ方向に沿って成長される窒化物膜を利用する。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物ベースの光電子および電子デバイスにおける従来のｃ面量子井戸（ＱＷ）構造は、強い圧電性かつ自発性の分極の存在に起因して、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を受ける。ｃ方向に沿った強い固有の電場は電子とホールの空間的隔離を引き起こし、ひいては制限されたキャリア再結合効率、低減された振動子強度、および赤方偏移した放射をもたらす。
【０００６】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発性かつ圧電性の分極効果を除去する一つのアプローチは、デバイスを結晶の無極性面上に成長させることである。このような面は同数のＧａ原子とＮ原子を含み、電荷的中性である。さらには、その後の無極性の層は結晶学的に互いに同等であり、結晶が成長方向に沿って分極されない。ＧａＮ内のこのような２つのファミリーの対称性の同等な無極性面は、集合名詞的にａ面として知られる｛１１−２０｝ファミリーと、集合名詞的にｍ面として知られる｛１−１００｝ファミリーである。残念ながら、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（ＵＣＳＢ）の研究者によってもたらされた進歩にもかかわらず、無極性窒化物の成長は困難なままであり、ＩＩＩ族窒化物産業において未だ広く採用されていない。
【０００７】
ＧａＮ光電子デバイスにおける分極効果を低減し、あるいは可能ならば除去するための別のアプローチは、デバイスを結晶の半極性面上に成長させることである。半極性面の用語は、２つの零でないｈ、ｉ、またはｋミラー指数、および零でないｌミラー指数を有する広範な面を参照するのに使われ得る。ｃ面ＧａＮヘテロエピタキシーにおける半極性面の一部のよく見られる例は、ピットのファセットで見られる、｛１１−２２｝、｛１０−１１｝、および｛１０−１３｝面である。これらの面はまた、たまたま、著者らがプレーナー膜の形で成長させた面とちょうど同じである。ウルツ鉱型結晶構造における他の半極性面の例には、｛１０−１２｝、｛２０−２１｝および｛１０−１４｝面があるが、これに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルはこれらの面内に横たわるのでもなく、これらの面に垂直でもなく、寧ろ面の表面の法線に対して幾らかの角度で傾いている。例えば、｛１０−１１｝および｛１０−１３｝面はｃ面に対してそれぞれ６２．９８°および３２．０６°である。
【０００８】
自発性の分極に加えて、窒化物に内在する第２の分極は圧電性の分極である。これは、異なる組成（およびそれゆえ異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物へテロ構造において成長されるときに起こり得るのと同様に、材料が圧縮歪みまたは引っ張り歪みを被るときに起こる。例えば、ＧａＮテンプレート上の薄いＡｌＧａＮ層は面内引っ張り歪みを有し、ＧａＮテンプレート上の薄いＩｎＧａＮ層は面内圧縮歪みを有し、どちらもＧａＮとの格子不整合に起因する。それゆえ、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ ＱＷについては、圧電性の分極はＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発性の分極とは逆方向を向く。ＧａＮと格子整合したＡｌＧａＮ層については、圧電性の分極はＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発性の分極と同じ方向を向く。
【０００９】
ｃ面窒化物上の半極性面を使用することの利点は、総計的な分極が低減されることである。特定の面上の特定の合金組成については零の分極すらあり得る。このような論議は将来の科学文献で詳細が議論されよう。重要な点はｃ面窒化物構造の分極と比べて分極が低減されることである。低減された分極場はより厚いＱＷの成長を可能にする。これにより、より高いインジウム（Ｉｎ）組成と、ひいてはより長い波長の放射が、達成され得る。より長い波長の放射領域における半極性／無極性ベースの窒化物ＬＥＤを製造するために多くの努力がなされている［１〜６］。
【００１０】
本明細書により半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ半導体結晶上に青色、緑色、および黄色のＬＥＤを製造することを可能にする発明を開示する。ＬＥＤからのより長い波長の放射がＡｌＩｎＧａＰ材料系から報告されているが、窒化物およびリン化物のいずれにおいても、５６０ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲で放射する黄色ＬＥＤの開発に成功していない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の先行技術における制限を克服し、および本明細書を読解することで明確になる他の制限を克服するために、本発明は、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、５６０ナノメートル（ｎｍ）より長いピーク放射波長と、２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流において３．５ミリワット（ｍＷ）より大きい出力パワーとを有する、少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色のＬＥＤを開示する。
【００１２】
ＬＥＤは典型的には光を放射するためのアクティブ層を含み、ここで、半極性面は、十分に厚いアクティブ層の厚みと、十分に高いアクティブ層のインジウム（Ｉｎ）組成と、十分に高いアクティブ層の結晶の品質とを可能にし、それによって、光が、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する。アクティブ層は典型的には、少なくとも一つのＱＷを含む、Ｉｎ含有の単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含み、ＱＷは、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーを得るのに十分に高い結晶の品質を有する。一例に、ＱＷは２ｎｍから７ｎｍの範囲の厚みを有し、および／または結晶の品質は９×１０９ｃｍ−２以下の貫通転位（ＴＤ）密度である。
【００１３】
本発明はさらに、黄色、アンバー色、または赤色の発光ＬＥＤ（例えば、半極性面上に成長される半極性の黄色ＬＥＤ）が含まれる、多色の光を放射するための多色ＬＥＤデバイス、および黄色、アンバー色、または赤色の発光ＬＥＤ（例えば、半極性面上に成長される半極性の黄色ＬＥＤ）が含まれる、白色の光を放射するための白色ＬＥＤを開示する。半極性の黄色ＬＥＤは、例えば、｛１１−２２｝半極性面上に成長されるＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤであり得る。
【００１４】
本発明はさらに、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される、青色発光のＱＷおよび黄色発光のＱＷが含まれる、白色ＬＥＤデバイスを開示する。典型的には、白色ＬＥＤデバイスは、青色の光を放射するための第１のＩｎ組成を有する、第１のＩｎＧａＮ ＱＷである青色発光のＱＷと、黄色の光を放射するための第２のＩｎ組成を有する、第２のＩｎＧａＮ ＱＷである黄色発光のＱＷとが含まれる、ＭＱＷを含む。
【００１５】
本発明はさらに、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上への成長により、黄色、アンバー色、または赤色のＬＥＤを製造する方法を開示し、そのような方法によって、ＬＥＤが５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する光を放射する。本発明はまた、白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスを製造する方法を開示し、そのような方法は、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に、青色発光の量子井戸を成長させること、および黄色発光の量子井戸を成長させることを含む。さらに、本発明は、ＬＥＤから白色の光を放射する方法を開示し、そのような方法は、青色発光の量子井戸から青色の光を放射すること、および黄色発光の量子井戸から黄色の光を放射することを含み、ここで、青色発光の量子井戸および黄色発光の量子井戸は一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
ここでは図面を参照し、図中では、全体にわたって、同一の参照番号は対応する部分を表わす。
【図１】図１は、本発明に従った、半極性ＧａＮ薄膜のための成長プロセスのフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従った、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ、またはＳＱＷを含む窒化物ベースのダイオードデバイス層の堆積についての、温度プロファイル（温度対時間）である。
【図３】図３は、ＬＥＤ技術を使用する異なる材料系（ｃ面ＵＣＳＢ、無極性ＵＣＳＢ、ｃ面ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ここで０≦ｘ≦１）、半極性ＵＣＳＢ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ、およびＮｉｃｈｉａ ＬＥＤによるＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＩＷＮ）２００６（ＩＷＮ０６））について、外部量子効率（ＥＱＥ）対ピーク放射波長（ｎｍ）、および現在の開発状況のグラフであり、人間の眼の波長応答（眼の感度プロファイル）もまた示されている。
【図４ａ】図４（ａ）は、（ＳＱＷおよびＭＱＷについて）ＬＥＤ中のＱＷの数、またはＭＱＷ周期の数に対する、半極性ＬＥＤからのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）の出力パワー（任意単位、ａ．ｕ．）およびＥＬのピーク放射波長（ｎｍ）の依存性をプロットしているグラフである。
【図４ｂ】図４（ｂ）は、ＱＷの厚み（ｎｍ）に対する、半極性ＬＥＤからのＥＬの出力パワー（ａ．ｕ．）およびピークのＥＬの波長（ｎｍ）の依存性をプロットしているグラフである。
【図５ａ】図５（ａ）は、１ｍＡから１００ｍＡまでの直流（ＤＣ）電流の関数として、（１１−２２）ＧａＮ上に成長された黄色ＬＥＤのＥＬのピーク放射波長（ｎｍ、塗り潰しの円）およびＥＬの半値全幅（ＦＷＨＭ）（ｎｍ、中空の三角）をプロットしている。
【図５ｂ】図５（ｂ）は、１０％デューティサイクルかつ１０ＫＨｚでのパルス電流について、半極性面上のＩｎＧａＮ ＱＷを含む黄色発光ＬＥＤ（塗り潰しのダイヤモンドおよび円）、およびＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤ（中空の三角）について、駆動電流（ｍＡ）の関数として、出力パワー（ｍＷ）およびＥＱＥ（％）をプロットしている。
【図６】図６は、半極性面上に成長された、半極性の、黄色、アンバー色または赤色のＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤの断面の概略図である。
【図７】図７は、Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ ｄ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ（ＣＩＥ）１９３１年の（ｘ，ｙ）色度図であり、ここで、各ＬＥＤの実際の座標は図７の座標と一致しない可能性があることを指摘した上で、三角形の中の領域はＵＣＳＢ半極性の青色、緑色および黄色ＬＥＤを結合することによって生成され得る色を示し、三角形の周囲に沿って走るスケールは、色座標ｘ，ｙに対応し、光の波長をナノメートル（ｎｍ）で示す。
【図８】図８は、単一の構造内に２つの異なるバンドギャップを有するＱＷを使用して製造され得る白色ＬＥＤ向けのバンド構造の概略図であり、白色ＬＥＤの層を横切る位置の関数としてエネルギーをプロットしている。
【図９】図９は、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される一つ以上の青色発光のＱＷおよび黄色発光のＱＷが含まれる、白色ＬＥＤの断面の概略図である。
【図１０】図１０は、（１１−２２）黄色ＬＥＤデバイスの［１−１００］断面における透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像であり、ここで、スケールは４０ｎｍの距離を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の好ましい実施形態の記載では、本明細書の一部分を成し、かつ例示を目的として発明が実施され得る特定の実施形態が示される添付図面への参照がされている。本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、構造上の変更がされ得ると解されるべきである。
【００１８】
（概要）
本発明は、｛１０−１−１｝、｛１１−２２｝、および他の面のようなバルク半極性ＧａＮ基板を有する、青色、緑色、黄色、白色、および他の色のＬＥＤの製造のための方法を記載する。半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ半導体結晶は、前述の開示で記載したように、構造内の内部分極の不連続性に起因する、零あるいは低減された内部電場を有する多層構造の製造を可能にする。本発明はＩＩＩ族窒化物ベースの光電子工学における最初の黄色ＬＥＤを記載する。さらに、本発明は、膜の品質の改善をもたらすｎ型ＧａＮの低温成長を援用する。半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ半導体の配向の使用は、低減された内部電場と、ひいては［０００１］窒化物半導体に比べてより長い波長の放射のための、より厚いＱＷとより高いＩｎ組成をもたらす。黄色ＬＥＤの発明は、高出力の白色ＬＥＤの製造を可能にする。
【００１９】
（技術的説明）
（プロセスステップ）
本発明は有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）を介した半極性｛１０−１−１｝および｛１１−２２｝ＧａＮの成長の方法、および黄色ＬＥＤの製造の方法を記載する。図１は、後続の段落に記載される本発明の実施形態に従って、｛１０−１−１｝または｛１１−２２｝バルクＧａＮ基板上の半極性ＧａＮ薄膜のためのＭＯＣＶＤ成長プロセスのステップを図解したフローチャートである。
【００２０】
ブロック１００は反応炉への基板の装填を表わす。例えば、半極性ＬＥＤ構造の成長のため、バルク｛１０−１−１｝または｛１１−２２｝ＧａＮ基板がＭＯＣＶＤ反応炉へ装填される。
【００２１】
ブロック１０２は水素および／または窒素および／またはアンモニア雰囲気下での基板の加熱を表わす。水素および／または窒素雰囲気下で基板を加熱するため、反応炉のヒーターがオンされ、設定温度に近づけられる。一般的に、窒素および／または水素は大気圧下で基板上を流れる。
【００２２】
ブロック１０４は基板上へのｎ型窒化物半導体膜／層（この場合はｎ型ＧａＮ）の堆積を表わす。ブロック１０２の加熱ステップの後、温度が１１００℃に設定され、ｎ型ＧａＮの成長を開始するため毎分５４μｍｏｌ（マイクロモル毎分）のトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）がジシランと共に３０分間反応炉へ導入される。４ｓｌｍ（標準リットル毎分）のアンモニア（ＮＨ３）もこの段階で導入され、成長の終了まで一定のレベルに保たれる。
【００２３】
ブロック１０６はｎ型窒化物層上への窒化物ＭＱＷの堆積を表わす。ブロック１０４の所望のｎ型ＧａＮの厚さが達成されたら、反応炉の温度設定ポイントが８１５℃に下げられ、毎分６．９μｍｏｌのトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が反応炉へ導入されて２０ｎｍの厚さのＧａＮバリア層が成長される。所望の厚さのＧａＮバリアが達成されたら、３ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ ＳＱＷを堆積するため毎分１０．９μｍｏｌのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）が反応炉へ導入される。ＩｎＧａＮ層の堆積後、ＱＷ構造を完了させるＧａＮの成長のため、毎分６．９μｍｏｌのＴＥＧａが再び反応炉へ導入される。このステップはＭＱＷを形成するために複数回繰り返され得る。
【００２４】
ブロック１０８は電子ブロック層の堆積を表わす。ＳＱＷ／ＭＱＷが堆積されたら、Ｍｇが僅かにドープされた１０ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ電子ブロック層を形成するために、毎分３．６μｍｏｌのＴＭＧａ、毎分０．７μｍｏｌのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、および毎分２．３６×１０−２μｍｏｌのＣｐ２Ｍｇが反応炉へ導入される。
【００２５】
ブロック１１０はＳＱＷ／ＭＱＷ上への低温窒化物ｐ型半導体膜の堆積を表わす。ブロック１０８にて所望のＡｌＧａＮの厚さが達成されたら、反応炉の設定温度が１０分間８２０℃に保たれる。この期間の最初の３分間は、毎分１２．６μｍｏｌのＴＭＧａと毎分９．８×１０−２μｍｏｌのＣｐ２Ｍｇが反応炉へ導入される。最後の７分間は、Ｃｐ２Ｍｇの流れが２倍にされる。それから、温度が１分内に８７５℃に近づけられ、この近づける時間の間にＴＭＧａの流れは一定に保たれ、Ｃｐ２Ｍｇは元の毎分９．８×１０−２μｍｏｌへ低減される。ｐ−ＧａＮの成長は８７５℃においてもう１分間継続される。
【００２６】
ブロック１１２は水素欠乏雰囲気ガス内での膜（特にｐ−ＧａＮ）のアニーリングを表わす。反応炉が冷却したら、ブロック１００〜１１０で形成された窒化物ダイオード構造が取り除かれ、ＭｇがドープされたＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）を活性化するために７００℃の温度で１５分間水素欠乏雰囲気内でアニールされる。
【００２７】
ブロック１１４は本方法の結果物である、より長い波長の放射を有する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎダイオード膜を表わし、ここで、ブロック１０４〜１１０で成長される層は典型的には半極性の配向にて成長され、例えばブロック１００の基板の半極性面上に成長させることによる。例えば、本方法は、黄色、アンバー色、または赤色のＬＥＤを製造するために使用され得、そのような方法は、ＬＥＤが５６０ｎｍより長いピーク放射波長および２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーを有する光を放射するように、ＬＥＤを少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長させることを含む。典型的には、半極性面は、十分に厚いアクティブ層の厚みと、十分に高いアクティブ層のインジウム（Ｉｎ）組成と、十分に高いアクティブ層の結晶の品質とを可能にし、それによって、光が、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する。結晶の品質は、例えば９×１０９ｃｍ−２以下の転位密度（例えばＴＤ）であり得る。量子井戸は、例えば２ｎｍから７ｎｍの範囲の厚みを有し得る。
【００２８】
本方法はまた、白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスを製造するために使用され得、そのような方法は、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に青色の光および黄色の光を放射するＱＷを成長させることを含む。
【００２９】
成長を完了した後、ブロック１１４の半極性ＧａＮはＬＥＤへ加工処理される。先ず、ブロック１１０のｐ−ＧａＮ上に、ｐ型コンタクトのための電子ビーム蒸着器によって、２０００オングストローム（Å）から２５００Åの厚さのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）が堆積される。ＩＴＯは、３５０ｎｍから８００ｎｍの間の光の波長について９０％よりも高いという、従来のメタルｐ型コンタクト（ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）、つまりＮｉ／Ａｕのような、同じ波長領域において約４０％の透明度を有するもの）に比べて、より高い透明度を有する。ＩＴＯコンタクトによってより高い光の抽出が期待される。
【００３０】
ＩＴＯが堆積されたら、ｎ型ＧａＮを露出するために１から３分間Ｃｌ２ガスを使用したドライエッチング技術によってブロック１１４の膜にメサが形成される。それから、ＩＴＯを透明にするために、５００℃から７００℃の温度で５から１０分間、Ｎ２およびＯ２雰囲気下でＩＴＯ層がアニールされる。ｎ型ＧａＮ層へのオーミックコンタクト（ｎ−コンタクト）を形成するために、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｎｉ、およびＡｕ層を有するメタルコンタクトが電子ビーム蒸着器によってｎ−ＧａＮ層上に堆積される。Ｎ−コンタクトはまた、３００℃〜５００℃の温度で３〜５分間Ｎ２雰囲気下でアニールされる。ＬＥＤ製造の最終ステップは、パッケージ化の目的のためにｎ−コンタクトおよびＩＴＯ上に電子ビーム蒸着によって３０００Åから６０００Åの厚さのＡｕ層を堆積することである。
【００３１】
（利点と改善点）
既存の実用化は、表面に平行なｃ面を有したＧａＮを成長させる。現在のｃ面窒化物技術に比べて、本発明には幾つかの有利な傑出点がある。図２は本発明の実施形態についての温度プロファイル（温度対時間）を示し、１０００℃でのシリコンがドープされたＧａＮ（ＧａＮ：Ｓｉ）の成長、それに続く８００℃でのＳＱＷ構造（第１のＧａＮバリア層、ＩｎＧａＮ層、第２のＧａＮバリア層）の成長、それに続く８００℃でのＡｌＧａＮ電子ブロック層の成長、それに続く８０５℃および８５０℃でのＭｇがドープされたＧａＮ（ＧａＮ：Ｍｇ）の成長を示している。
【００３２】
通常、ｃ面ＧａＮ膜のためのｎ−ＧａＮは典型的には１０５０℃の温度で堆積／成長される。図２は、しかしながら、本発明はｃ面ＩＩＩ族窒化物（例えばＧａＮ）の成長に使用される温度よりも１０〜５０℃低い低温でｎ型ＩＩＩ族窒化物（例えばブロック１０４のｎ−ＧａＮ）を堆積／成長させることを示し、それゆえ、低温成長されたｎ−ＧａＮは低温成長されたｐ−ＧａＮと同様に利用される。図２はまた、ＭＱＷ上のｐ型ＩＩＩ族窒化物層（例えばブロック１１０のｐ−ＧａＮ）は、ｃ面ＩＩＩ族窒化物またはＧａＮの成長に使用される温度よりも最高２５０℃低い温度で成長されることを示す。
【００３３】
現在のｃ面の青色ＬＥＤは毎分３．９〜８．６μｍｏｌのＴＭＩｎを使用して成長され、２〜２．５ｎｍの典型的な厚さのＱＷを生成する。本発明におけるＳＱＷの堆積（ブロック１０６）の期間中、より高い流量の毎分１０．６μｍｏｌのＴＭＩｎおよびより低い温度（１０〜４０℃低い）が使用され、より厚いＱＷが成長される。従って、ブロック１０６のＩｎ含有ＱＷまたはＩｎ含有ＭＱＷは、ｃ面窒化物ベースの発光ＱＷ層の厚さよりも厚い厚さに、ｃ面窒化物ベースの発光ＱＷ層を成長させるのに使用される成長速度よりも速い成長速度、および／またはｃ面窒化物ベースの発光ＱＷ構造を成長させるのに使用される温度よりも低い温度（１０〜４０℃低い）で、ｎ型層の上に成長される。その結果は、より長い波長の放射を可能にする、より高いＩｎＮ組成とより高い品質のアクティブ領域である。
【００３４】
既存の実用化は黄色ＬＥＤを生産することができていない。図３は、ｃ面ＵＣＳＢ ＬＥＤ、無極性ＵＣＳＢ ＬＥＤ、ｃ面ＩｎＧａＮ ＬＥＤ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ ＬＥＤ、およびＮｉｃｈｉａによるＩＷＮ０６について、現在利用可能なＬＥＤの、放射されるピーク波長に対する外部量子効率（ＥＱＥ）を図示する。表１にアンバー色領域における商用可能なＡｌＩｎＧａＰベースのＬＥＤをまとめる。図３および表１の両方から分かるように、ＩＩＩ族リン化物あるいはＩｎ窒化物材料系のいずれにおいても、５６０ｎｍ〜５８０ｎｍのピーク波長を放射する黄色ＬＥＤは存在していない。赤色およびアンバー色のＬＥＤはしばらくの間ＡｌＩｎＧａＰ材料系により生産されており、可視スペクトルの紫外、青色、および緑色の領域における光を放射するＬＥＤは（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ合金（ｃ面ＵＣＳＢ、無極性ＵＣＳＢ、およびｃ面ＩｎＧａＮ）により生産されている。しかしながら、本発明に先立って、これまでどの材料系においても５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの間の波長の黄色領域においてＬＥＤは製造されていない。
【００３５】
初めて、本発明は、ＡｌＩｎＧａＰベースの商用ＬＥＤからのより長い波長の発光に匹敵する出力パワーを有する、より長い波長での光を放射する窒化物ＬＥＤを達成した（図３に「半極性‐ＵＣＳＢ」と指し示される、５６４ｎｍの波長で５．９ｍＷ、および５７５．７ｎｍの波長で３．５ｍＷを放射する本発明のＬＥＤ）。波長５６４ｎｍの光を放射するＬＥＤ、および波長５７５．７ｎｍの光を放射するＬＥＤについて、外部量子効率はそれぞれ１３．４％および８．２％である［６］。図３に示されるように、｛１１−２２｝および／または｛１０−１１｝面を使用する、４５０ｎｍの波長で光を放射する青色ＬＥＤ、および５２０ｎｍの波長で光を放射する緑色ＬＥＤは（それらは半極性面上のＬＥＤ）、ＵＣＳＢにより開発された。
【００３６】
【表１】
図４（ａ）は、ＱＷの数に対する、ＬＥＤの出力パワーおよび放射のピーク波長の依存性を示す。半極性ＬＥＤの出力パワーは、基板の裏を通したシリコン光検出器を使用して光出力を測定することにより評価された。ピーク波長において小さなシフトしかなく、出力パワーの変化は０．１ｍＷ以内であり、前に議論された成長条件によって実現されたＱＷの高い品質を指し示していることに注目することが重要である。さらに、この結果は、より少ない成長時間を有する、より効率的な成長を指し示し、ひいてはＩｎＧａＮの熱予算が大幅に減少され得る。本発明は、このことが黄色ＬＥＤの製造に成功した一因であると確信する。
【００３７】
図４（ｂ）は、ＱＷの厚みと半極性ＬＥＤから放射される出力パワーおよびピーク波長との間の関係を観測するためのセットの実験の結果を記載する。ピーク放射波長は、ＱＷの厚みが増大するほど、アクティブ層内のインジウム組成が高くなるほど、増大する。しかしながら、キャリア再結合の効率に直接的に関係する出力パワーは、この特定のサンプルについては３ｎｍの光学的厚さを示し、そして急峻に落ち込む。この振舞いは、より高いＩｎ組成を有するアクティブ層の不十分な結晶品質にほぼ起因するようである。高品質なＱＷと３ｎｍに最適化されたＱＷの厚みとの組み合わせによって、本発明は５６０ｎｍから５８０ｎｍの範囲においてピーク波長を有する光を放射する高出力ＬＥＤを生産することができた。
【００３８】
図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）は、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と２０ｍＡの電流で３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する、少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色のＬＥＤを図示する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）は、ＬＥＤは典型的には光を放射するためのアクティブ層を含むことを示し、ここで、半極性面は、十分に厚いアクティブ層の厚みと、十分に高いアクティブ層のＩｎ組成と、十分に高いアクティブ層の結晶の品質とを可能にし、それによって、光が、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する。
【００３９】
（ＬＥＤ構造）
図６はまた、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面６０２上に成長され、５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーとを有する、少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色のＬＥＤ６００を図示する。半極性面６０２は、ＧａＮのトップ表面６０４（または後続の層が成長される表面）あるいは半極性の配向（例えば半極性方向６０８に成長される）を有するＩＩＩ族窒化物基板６０６である。ＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面６０２は、例えば｛１１−２２｝または｛１０−１−１｝半極性面であり得るが、他の半極性面もまた可能である。
【００４０】
ＬＥＤ６００はアクティブ層を含み、ＬＥＤ６００のアクティブ層は、Ｉｎ含有ＳＱＷ構造６１０（ＱＷ６１２（例えばＧａＮバリア層６１４とＧａＮバリア層６１６との間のＩｎＧａＮ ＱＷ６１２）を含む）あるいはＭＱＷ構造６１８（例えば、ＱＷ６１２（例えばＧａＮバリア層６１４と６１６との間のＩｎＧａＮ ＱＷ６１２）とＱＷ６２０（ＧａＮバリア層６１６と６２２との間のＩｎＧａＮ ＱＷ層６２０）を含む２周期のＭＱＷ構造６１８を含むが、ＭＱＷ構造６１８はＭＱＷ構造が２つ以上のＱＷ６１２、６２０を含むように２周期より多く含み得る）が含まれる。
【００４１】
ＱＷ６１２、６２０はピーク放射波長および出力パワーを有する光を放射するためのものである。ピーク放射波長はＱＷ６１２、６２０中のＩｎ量が増加するほど増大し、ＱＷ６１２および６２０の厚み６２４および６２６を増大させるとＱＷ６１２および６２０中のインジウム量が増加する。それゆえ、ＱＷ６１２および６２０は、５６０ｎｍより長いピーク放射波長を有する光（例えばアンバー色、黄色またはアンバー色の光）を放射するのに十分に高いＩｎ量を得るために、十分に厚い厚み６２４および６２６を有する。ＱＷは典型的には２ｎｍから７ｎｍの厚み６２４および６２６（すなわち厚み６２４および６２６はそれぞれ２ｎｍ〜７ｎｍの厚さ）を有する。ＱＷ６１２、６２０はより厚く、それゆえｃ面（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）ＮベースのＱＷに比べてより長い波長を有する光を放射することができる。一例に、ＬＥＤ６００中のＱＷ６１２、６２０の数および／または厚み６２４、６２６は、図４（ａ）および図４（ｂ）中の出力パワーとＥＬのピーク波長の曲線との交点に対応する厚み６２４、６２６およびＱＷ６１２、６２０の数を選ぶことによって、波長の放射および出力パワーを最適化（すなわち最大化）するよう選択され得る。
【００４２】
ＱＷ構造６１０、またはＭＱＷ構造６１８は、ｐ型窒化物（例えばＧａＮ）層６２８とｎ型窒化物（例えばＧａＮ）層６３０との間にある。ｐ−ＧａＮ６２８、ｎ−ＧａＮ６３０はそれぞれホール、電子をＱＷ６１２、６２０に提供し、それによって電子とホールがＱＷ６１２のバンドギャップエネルギーに対応する最小の光子エネルギーを有する光を放射するためにＱＷ６１２内で再結合できる。ＱＷ６１２中に混入されるＩｎ量はＱＷのバンドギャップを決定し、ひいては放射される光子の最小エネルギー、ゆえに光子の波長を決定する。
【００４３】
ＬＥＤ６００は典型的にはさらに、ｐ型ＧａＮ層６２８へのオーミックコンタクトを形成するｐ型コンタクト層（例えばＩＴＯ）６３２と、ｎ型ＧａＮ層６３０へのオーミックコンタクトを形成するｎ型コンタクト層（例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）６３４とを含む。外部電源は、ｐ−コンタクト層６３２とｎ−コンタクト層６３４との間に電流または電圧を供給し得、ひいては電子とホールが光を放射するために再結合できるように電子とホールをＱＷ６１２中へドライブするのに必要な電力を供給する。メタライゼーション層（例えばＡｕ）６３６および６３８は、ＬＥＤ６００と外部電源との間の電気的／機械的なコンタクトを改善するために、ｐ−コンタクト層６３２上およびｎ−コンタクト層６３４上にあり得る。
【００４４】
ＬＥＤ６００はまた、バリア層６２２とｐ型ＧａＮ層６２８との間に電子ブロック層６４０（例えばＡｌＧａＮ）を含み得る。
【００４５】
典型的には、層６３０、６１０、６１８、６４０、および６２８は、方向６０８に沿ってそれぞれのトップ上に、および基板６０６上に（例えば、層６０６上に層６３０、層６３０上に層６１４、層６１４上に層６１２、層６１２上に層６１６、など）、エピタキシャル成長される。このような方法では、ＱＷ層６１２、６２０はそれぞれ半極性の配向、つまり半極性面６０２の半極性の配向を有するトップ表面６４２、６４４を有する。典型的には、ｎ型層６３０、バリア層６１４、バリア層６１６、バリア層６２２、ブロック層６４０、ｐ型層６２８はそれぞれ、半極性の配向、つまり半極性面６０２の半極性の配向を有するトップ表面６４６、６４８、６５０、６５２、６５４、および６５６を有する。
【００４６】
黄色ＬＥＤの製造に成功したことにより、半極性ベースのＬＥＤのスペクトルを拡幅した。図７の色度図は、半極性ＧａＮ基板上に製造される多色ＬＥＤの可能性を示す。現在の白色ＬＥＤは、ＹＡＧ蛍光体上で輝く４５０ｎｍ（青色）ＬＥＤを有するＹＡＧ蛍光体を使用して製造される。これは白色ＬＥＤの製造に最も普通に使用される技術ではあるが、この技術の最大の欠点は蛍光体膜での５０％の変換損失である。白色ＬＥＤを生産するための他の方法はＬＥＤの異なる色を結合することである。図７によって示されるように、青色と黄色のＬＥＤを結合することにより、専ら窒化物技術をベースにした高出力かつ高効率の白色ＬＥＤを製造することが可能になる。加えて、高出力の多色ＬＥＤは今や、青色、緑色、および黄色の半極性ベースの窒化物ＬＥＤ、および赤色のＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤを結合することによって可能である。
【００４７】
図７は、黄色ＬＥＤの発明は今や、青色、緑色、および黄色のＬＥＤの結合によって多色ＬＥＤの製作を可能にすること、および高出力の白色ＬＥＤが青色と黄色のＬＥＤを結合することによって実現され得ることを示す。図３に示されるように、｛１１−２２｝および／または｛１０−１１｝面を使用する、４５０ｎｍの波長で光を放射する青色ＬＥＤ、および５２０ｎｍの波長で光を放射する緑色ＬＥＤは（それらは半極性面上のＬＥＤ）、ＵＣＳＢにより開発された［３、５］。図７の三角形７００の中の領域は、ＵＣＳＢ半極性の青色（例えば波長λ＝４３３．５ｎｍの光を放射）、緑色（例えばλ＝５１９．２ｎｍの光を放射）、および黄色（例えば波長λ＝５６４ｎｍの光を放射）のＬＥＤを結合することによって生成され得る色を示す。このように、多色の光を放射する多色ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤ６００（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝面などの半極性面６０２上に成長され、黄色の光を放射する少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性の黄色ＬＥＤ６００）、および他の窒化物ベースの（または窒化物ベースでない）ＬＥＤであって青色、緑色、赤色、および／または他の色の光を放射するものが含まれる。同様に、白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤ６００（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝面などの半極性面上に成長され、黄色の光を放射する少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性の黄色ＬＥＤ６００）、および他の窒化物ベースの、および窒化物ベースでないＬＥＤであって青色、緑色、赤色、および／または他の色の光を放射するものが含まれ得、それによって複数のＬＥＤにより放射される光の結合が白色の光になる。例えば、白色発光ＬＥＤデバイスは青色発光ＬＥＤおよび黄色発光ＬＥＤを含み得る。
【００４８】
単一の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ材料系による、可視スペクトルの広範囲で放射する高品質なＱＷの成長は、可能性のある別の技術を示唆する。デバイス中の異なるバンドギャップのＩｎＧａＮアクティブ層の成長は単一の白色ＬＥＤ構造を製作するのに利用され得る。このような白色ＬＥＤ構造のバンド構造８００が図８に示され、伝導バンドＥｃ、価電子バンドＥｖ、半極性のｎ型ＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）層８０４と半極性のｐ型ＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層８０６との間のＭＱＷ構造８０２を図示し、ここで、ＭＱＷ構造８０２は、青色の光８１０を放射するためのＱＷ８０８（Ｉｎ組成ｘを有する、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ）と、黄色の光８１６、８１８を放射するためのＱＷ８１２、８１４（Ｉｎ組成ｘを有する、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ）と、バリア層８２０、８２２（例えばＧａＮ）とを含む。ＱＷ８０８のバンド構造は、青色のアクティブ領域８０８内のＩｎの解離が最小で、黄色のアクティブ領域８１２、８１４用により高いホール注入があるように注意深く設計される。ＳＱＷは青色のアクティブ領域８０８用に、およびＭＱＷは黄色の放射８１６、８１８の効率を上げるために黄色のアクティブ領域８１２、８１４用に利用され得る。フリップチップ実装技術とこのバンド構造により、白色ＬＥＤは単一のデバイス上に実現され得る。青色の光８１０は少なくともＱＷ８０８内のバンドギャップエネルギー（Ｅｃ−Ｅｖ）に等しいエネルギーを有して放射され、黄色の光８１６、８１８は少なくともＱＷ８１２、８１４内のバンドギャップエネルギー（Ｅｃ−Ｅｖ）に等しいエネルギーを有して放射される。
【００４９】
図９は、図６に基づき、白色ＬＥＤ９００を図示し、そのようなＬＥＤは、一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面６０２上に成長される（例えば単一の成長構造における）、一つ以上の青色発光ＱＷ９０２および一つ以上の黄色発光ＱＷ６１２、６２０を含む。このように、ＬＥＤ９００は、青色発光ＱＷ９０２および黄色発光ＱＷ６１２が含まれるＭＱＷを含む。典型的には、ＬＥＤ９００の青色のアクティブ領域９０４は、第１のＧａＮバリア層９０６と第２のＧａＮバリア層６１４との間に、青色の光を放射するための少なくとも一つの青色発光ＱＷ９０２（例えば、青色の光を放射するための第１のＩｎ組成と厚み９０８を有する第１のＩｎＧａＮ ＱＷ）を含み、黄色のアクティブ領域６１０は、第２のＧａＮバリア層６１４と第３のＧａＮバリア層６１６との間に、黄色の光を放射するための黄色発光ＱＷ６１２（例えば、黄色の光を放射するための第２のＩｎ組成と厚み６２４、６２６を有する第２のＩｎＧａＮ ＱＷ）を含み、一つ以上のＩＩＩ族窒化物の半極性面６０２は、ＩＩＩ族窒化物のｎ型層６３０または基板６０６の表面６４６、６０４である（ただし、半極性面６０２は他の層の表面であり得る）。青色のアクティブ領域９０４および黄色のアクティブ領域６１０、６１８は典型的には、ｎ型層６３０とｐ型層６２８との間にある。上述したように、黄色のアクティブ領域６１８は通常（ただし限定されないが）ＭＱＷ構造であり、図９の層６１０、９０４、６１８、６４０、６２８、および６３０は典型的には他のトップ上にエピタキシャル成長され、半極性の配向６０８を有する。
【００５０】
図６および図９の実施形態において、ＱＷ６１２、６２０、および９０２のＩｎ含有量、および厚み６２４、６２６、９０８は、ＱＷ６１２、６２０、および９０２によって放射される光の最小のバンドギャップ、ゆえに波長を決定する。これらの例では、Ｉｎ含有量および厚み９０８は、アクティブ層９０２が青色の光（または青色の光に対応する波長）を放射するように選択され、Ｉｎ含有量および厚み６２４、６２６は、アクティブ層６１２、６２０が黄色、アンバー色および／または赤色の光（または黄色、アンバー色および／または赤色の光に対応する波長）を放射するように選択される。しかしながら、青色のアクティブ領域９０４は、多色を放射するＬＥＤデバイス（多色ＬＥＤデバイス）または白色の光を放射するＬＥＤデバイス（白色ＬＥＤデバイス）を得るために、他の色の光を放射するアクティブ領域、あるいはｎ型層６３０とｐ型層６２８との間に導入／成長され得る他の色の光を放射する追加的なアクティブ領域に代替され得る。他の色の光を放射するアクティブ領域は、ＱＷが他の色の光を放射することができるようなＩｎ混入ｘ（例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ）および厚みをＱＷが有することを必要とする。
【００５１】
図１０は、（１１−２２）ＧａＮ基板上の半極性のＩｎＧａＮ ＱＷ構造の代表的な断面ＴＥＭ画像を示し、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層１０００、ＧａＮ：Ｓｉ１０００上のＩｎＧａＮ ＱＷ層１００２、ＩｎＧａＮ ＱＷ１００２上のＧａＮキャップ層１００４、ＧａＮキャップ層１００４上のＡｌＧａＮ電子ブロック層１００６、ＡｌＧａＮ電子ブロック層１００６上のｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層１００８、低いＴＤ密度（＜５×１０６ｃｍ−２）、および急峻な界面１０１０、１０１２を有するプレーナーＩｎＧａＮ ＱＷ１００２を示す。ＱＷ６１２および６２０の結晶の品質を上げることにより、デバイス６００の出力パワーを増大させ、例えば、ＱＷ６１２および６２０は、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい、あるいは２００ｍＡの電流において２９．２ｍＷより大きい出力パワーを得るのに十分に高い結晶の品質を有する。図１０は、結晶の品質は、ＴＤ、プレーナーＱＷおよび／または急峻な界面１０１２であるか、あるいはこれらによって測定され得ることを示す。このように、２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーが、５×１０６ｃｍ−２以下あるいは９×１０９ｃｍ−２以下のＴＤ密度で得られ得る。
【００５２】
（参考文献）
以下の参考文献は本明細書において参照により援用される。
【００５３】
【表２】
（結び）
ここでは本発明の好ましい実施形態の記載を締め括る。前述の一つ以上の発明の実施形態の記載は図示および記載の目的のために提示された。それは網羅的であったり正確な開示形態で発明を限定することを意図したものではない。先述の教示に照らして様々な改変および変形が可能である。発明の範囲はこの詳細な説明によるのではなく、寧ろ添付の特許請求の範囲によって限定されることを意図している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色の発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
該ＬＥＤは、
少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、
５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーと
を有する、ＬＥＤ。
【請求項２】
光を放射するためのアクティブ層をさらに備え、
前記半極性面は、
十分に厚い該アクティブ層の厚みと、
十分に高い該アクティブ層のインジウム（Ｉｎ）組成と、
十分に高い該アクティブ層の結晶の品質と
を可能にし、
それによって、該光が、
５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーと
を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
前記ＬＥＤのアクティブ層は、
少なくとも一つの量子井戸を備える、インジウム（Ｉｎ）含有の単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を備え、
該量子井戸は、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーを得るのに十分に高い結晶の品質を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
前記量子井戸は、２ｎｍから７ｎｍの範囲の厚みを有する、請求項３に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
前記結晶の品質は、９×１０９ｃｍ−２以下の転位密度である、請求項３に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
請求項１に記載のＬＥＤを備える、多色ＬＥＤデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のＬＥＤを備える、白色ＬＥＤデバイス。
【請求項８】
多色発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、該デバイスは、
少なくとも一つの半極性の黄色ＬＥＤを備える、デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の多色ＬＥＤデバイスであって、前記半極性の黄色ＬＥＤは、
ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝半極性面上に成長されるＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤである、デバイス。
【請求項１０】
白色発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、該デバイスは、
少なくとも一つの半極性の黄色ＬＥＤを備える、デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の白色ＬＥＤデバイスであって、前記半極性の黄色ＬＥＤは、
ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝半極性面上に成長されるＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤである、デバイス。
【請求項１２】
白色ＬＥＤデバイスであって、該デバイスは、
一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される、
青色発光の量子井戸と、
黄色発光の量子井戸と
を備える、デバイス。
【請求項１３】
多重量子井戸をさらに備え、該多重量子井戸は、
青色の光を放射するための第１のＩｎ組成を有する、第１のＩｎＧａＮ量子井戸である青色発光の量子井戸と、
黄色の光を放射するための第２のＩｎ組成を有する、第２のＩｎＧａＮ量子井戸である黄色発光の量子井戸と
を備える、請求項１２に記載の白色ＬＥＤデバイス。
【請求項１４】
黄色、アンバー色、または赤色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、該方法は、
少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に該ＬＥＤを成長させることを包含し、
それによって、該ＬＥＤが、
５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーと
を有する光を放射する、方法。
【請求項１５】
白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスを製造する方法であって、該方法は、
一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に、
青色発光の量子井戸を成長させることと、
黄色発光の量子井戸を成長させることと
を包含する、方法。
【請求項１６】
ＬＥＤから白色の光を放射する方法であって、該方法は、
青色発光の量子井戸から青色の光を放射することと、
黄色発光の量子井戸から黄色の光を放射することと
を包含し、
該青色発光の量子井戸と該黄色発光の量子井戸は、
一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される、方法。
【請求項１】
少なくとも一つの黄色、アンバー色または赤色の発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
該ＬＥＤは、
少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長され、
５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーと
を有する、ＬＥＤ。
【請求項２】
光を放射するためのアクティブ層をさらに備え、
前記半極性面は、
十分に厚い該アクティブ層の厚みと、
十分に高い該アクティブ層のインジウム（Ｉｎ）組成と、
十分に高い該アクティブ層の結晶の品質と
を可能にし、
それによって、該光が、
５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーと
を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
前記ＬＥＤのアクティブ層は、
少なくとも一つの量子井戸を備える、インジウム（Ｉｎ）含有の単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を備え、
該量子井戸は、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーを得るのに十分に高い結晶の品質を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
前記量子井戸は、２ｎｍから７ｎｍの範囲の厚みを有する、請求項３に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
前記結晶の品質は、９×１０９ｃｍ−２以下の転位密度である、請求項３に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
請求項１に記載のＬＥＤを備える、多色ＬＥＤデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のＬＥＤを備える、白色ＬＥＤデバイス。
【請求項８】
多色発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、該デバイスは、
少なくとも一つの半極性の黄色ＬＥＤを備える、デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の多色ＬＥＤデバイスであって、前記半極性の黄色ＬＥＤは、
ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝半極性面上に成長されるＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤである、デバイス。
【請求項１０】
白色発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって、該デバイスは、
少なくとも一つの半極性の黄色ＬＥＤを備える、デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の白色ＬＥＤデバイスであって、前記半極性の黄色ＬＥＤは、
ＩＩＩ族窒化物ベースの｛１１−２２｝半極性面上に成長されるＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤである、デバイス。
【請求項１２】
白色ＬＥＤデバイスであって、該デバイスは、
一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される、
青色発光の量子井戸と、
黄色発光の量子井戸と
を備える、デバイス。
【請求項１３】
多重量子井戸をさらに備え、該多重量子井戸は、
青色の光を放射するための第１のＩｎ組成を有する、第１のＩｎＧａＮ量子井戸である青色発光の量子井戸と、
黄色の光を放射するための第２のＩｎ組成を有する、第２のＩｎＧａＮ量子井戸である黄色発光の量子井戸と
を備える、請求項１２に記載の白色ＬＥＤデバイス。
【請求項１４】
黄色、アンバー色、または赤色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、該方法は、
少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に該ＬＥＤを成長させることを包含し、
それによって、該ＬＥＤが、
５６０ｎｍより長いピーク放射波長と、
２０ｍＡの電流において３．５ｍＷより大きい出力パワーと
を有する光を放射する、方法。
【請求項１５】
白色の光を放射する白色ＬＥＤデバイスを製造する方法であって、該方法は、
一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に、
青色発光の量子井戸を成長させることと、
黄色発光の量子井戸を成長させることと
を包含する、方法。
【請求項１６】
ＬＥＤから白色の光を放射する方法であって、該方法は、
青色発光の量子井戸から青色の光を放射することと、
黄色発光の量子井戸から黄色の光を放射することと
を包含し、
該青色発光の量子井戸と該黄色発光の量子井戸は、
一つ以上のＩＩＩ族窒化物ベースの半極性面上に成長される、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１１−５１７０９８（Ｐ２０１１−５１７０９８Ａ）
【公表日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０３２４４（Ｐ２０１１−５０３２４４）
【出願日】平成２１年４月６日（２００９．４．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３９６６７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２４３１５
【国際公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（５９２１３０６９９）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (364)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月６日（２００９．４．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３９６６７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２４３１５
【国際公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（５９２１３０６９９）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (364)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
【Ｆターム（参考）】
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