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JP2002335011A - Ｉｉｉ族窒化物発光デバイスの輝度を増大させる方法 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物発光デバイスの輝度を増大させる方法

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Publication number
JP2002335011A
JP2002335011A JP2002053867A JP2002053867A JP2002335011A JP 2002335011 A JP2002335011 A JP 2002335011A JP 2002053867 A JP2002053867 A JP 2002053867A JP 2002053867 A JP2002053867 A JP 2002053867A JP 2002335011 A JP2002335011 A JP 2002335011A
Authority
JP
Japan
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base layer
layer
light emitting
sub
thickness
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002053867A
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English (en)
Inventor
Reena Khare
カーレイ リーナ
Werner K Goetz
ケイ ゴーズ ウィーナー
Michael D Camras
ディー カムラス マイケル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lumileds LLC
Original Assignee
Lumileds LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Lumileds LLC filed Critical Lumileds LLC
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良された光学的性能を有するＬＥＤを提供
すること。 【解決手段】 基層上のベース層に堆積させたIII族窒
化物発光活性領域を用いたＬＥＤは、３.５μｍより大
きい厚さを有する、意図的に位置合わせをずらした基層
の上に成長させたベース層について向上した光学的特性
を示す。位置合わせをずらした基層および厚いベース層
の使用に起因する向上した光学的特性には、向上した輝
度、向上した量子効率、および、最大量子効率が発生す
る際における電流の低減が含まれる。位置合わせずらし
角度およびベース層の厚さの両方をさらに大きくできる
が、位置合わせずらし角度を０.０５〜０.５０度の範囲
内とし、ベース層の厚さを６.５〜９.５μｍの範囲内と
した説明例が与えられる。いくつかの場合、より厚いベ
ース層を用いることでデバイス全体から基層を除去でき
る十分な構造的支持が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、III族窒化物発光
ダイオードの輝度（brightness）を増大させることに関
する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）は、高輝度を
達成でき、かつ、ディスプレイ、イルミネータ（illumi
nator）、インジケータ（indicator）、プリンタ、およ
び、特に光学ディスクリーダ（optical disk reader）
を含む多数のアプリケーションを有することができる、
高耐久性ソリッドステート光源である。直接遷移型半導
体は、ＬＥＤを製造するための選択対象材料であり、電
気から光を発生させる。ある重要な階級（class）の発
光システムは、一般的に「III族窒化物」と省略され
る、III族原子（特に、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）と窒素Ｎと
の化合物アロイに基づいている。ある族（family）のII
I族窒化物化合物は、一般的な組成（ＩｎxＧａ 1-x）yＡ
ｌ1-yＮ（ここで、０≦ｘ、ｙ≦１）を有する。III族窒
化物は、紫外線、青、緑、黄および赤波長を含む、可視
および近紫外線電磁スペクトルの大部分にまで及ぶ光を
発することができる。ＬＥＤの輝度およびその他の光学
的特性を向上させることが、重要な技術的目的となって
いる。一般的な従来技術にかかるＬＥＤ構造の一部が図
１に示されている。従来技術において知られているその
他のＬＥＤの構成要素（電極、窓材料等）は、明瞭化の
ために省略されている。
【０００３】ＬＥＤは、一般的には、発光活性領域の形
成に先行して基層の一表面にエピタキシャル的に堆積さ
せた１つ以上の層を有する。これらのエピタキシャル層
は、ｎ型伝導性を有することができる「ベース層」を形
成する。図１は、ｎ型ＧａＮ層の真下にＧａＮ層を有す
るベース層の一例を示す。シングルおよびダブルへテロ
構造ならびにホモ接合（homojunctions）を用いること
もできるが、電子と正孔との放射再結合が起こる発光活
性領域は、ベース層の上に、一般的には少なくとも単一
の量子井戸という形で形成される。活性領域の上には、
ｐ型伝導性注入および閉じ込め領域が存在する。（図１
では省略された）正コンタクトおよび負コンタクトもま
た設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】より高いＬＥＤ輝度お
よびより高い量子効率を含む改良された光学的性能を有
するＬＥＤが、依然として必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】（発明の開示）本発明
は、発光デバイス、特に、ｎ型伝導性のベース層上に堆
積させたIII族窒化物の発光活性領域を用いるＬＥＤの
ための構造に関する。ベース層を成長させる基層は、主
結晶表面から意図的に位置合わせをずらしてカットされ
る。意図的な基層の位置合わせずらしに加えて、３.５
μｍより厚いベース層が用いられる。本発明のいくつか
の実施形態では、厚いベース層が存在することによっ
て、デバイスのための十分な機械的支持が得られるの
で、発光システムから基層を完全に取り除くことがで
き、さらにデバイスの性能を向上させることができる。
【０００６】ｃ軸から位置合わせをずらしたサファイア
基層上に厚いベース層を堆積させる場合についての例を
提示する。位置合わせずらし角度は、０.０５度から略
０．５０度の範囲内である。本発明では、３.５μｍよ
り厚い、好ましくは、７μｍ―１０μｍの範囲内の厚さ
のベース層を用いる。３.５μｍより厚いベース層を用
いることと、該ベース層を位置合わせずらしがなされた
基層上に成長させることとを組み合わせることが、驚く
ほどに発光が向上することにつながる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明は、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）についてのエピタキシャル層の厚さおよび結晶方位
に関し、特に、改良された発光特性の要因となる、基層
の方位（orientation）、および、基層と発光活性領域
との間のベース層の厚さに関する。ベース層は、バッフ
ァ層または核化層のような基層に近い層、および、遷移
層のような活性領域に近い層を含む、基層と活性領域と
の間の１つの層または複数の層である。サファイア基層
上のｎ型伝導性ベース層上に堆積させた、インジウムガ
リウム窒化物より構成されたダブルへテロ構造多重量子
井戸発光活性領域に基づくＬＥＤに関連して、特定例が
組み込まれる。これらの例は、例示のみを意図したもの
である。本発明は、ホモ接合、シングルおよびダブルへ
テロ構造、ならびに、単一または多重量子井戸の実施形
態に適用可能なものである。
【０００８】本発明によれば、基層が、意図的に主結晶
平面（main crystal plane）から位置合わせをずらして
カットされ、この位置合わせをずらした基層の上に厚い
ベース層を成長させる。厚いベース層をオフ軸（off-ax
is）成長させることによる様々な実施形態で例示される
改良点の中には、より高い輝度および改良された効率が
ある。外れ軸サファイア基層上に厚いｎ型ＧａＮベース
層を成長させることが、１つの実施形態である。
【０００９】（基層の方位およびベース層）ＬＥＤを製
造することができる基層には、サファイア、ＳｉＣ、Ｇ
ａＮ、ＧａＡｓ、および、特にＧａＰが含まれる。サフ
ァイア基層上に位置合わせをずらしてベース層を成長さ
せる特定の場合についての例が組み込まれる。しかしな
がら、サファイアは、本明細書では一説明例として記載
されているが、様々な実施形態における限定を意図した
ものではない。サファイア、すなわち、αＡｌ2Ｏ3は、
空間群Ｒ３ｃに属する六方晶構造を有する。基本的構造
は、アルミニウム原子の平面に差し込まれた酸素の六方
最密平面から成る。図２は、サファイア結晶の単位（un
it）セルの構造、および、通例、ａ、ｃ、ｍおよびｒで
指定される平面を表現している。｛０００１｝平面は
「ｃ平面」と指定され、「ｃ軸」はこのｃ平面に垂直で
ある。しかしながら、サファイアおよびIII族窒化物
は、大きな格子間不整合を有する。サファイア基層の上
面にIII族窒化物層を堆積させるためには、最初に、バ
ッファ層とも呼ばれる薄いIII族核化層を堆積させなけ
ればならない。この後に、残りのベース層を堆積させる
ことができる。ベース層は、キャリアを発光層へ移動さ
せることを可能とする。ベース層は、一般的には、１つ
以上のIII族窒化物材料（アンドープ、ｎ型またはｐ
型）を含む。
【００１０】本発明者らは、ベース層についてその他の
材料を用いることが可能であることを認識しつつ、ドー
ピングしたＧａＮサブ層、適度にドーピングしたＧａＮ
サブ層、アンドーピングのＧａＮサブ層、およびまた
は、意図せずにドーピングしたＧａＮサブ層を含む、ｎ
ドーピングＧａＮベース層を例として考える。ドーピン
グを段階的に行ったベース層をも用いることが可能であ
る。ベース層のドーピングレベルについては、基層の方
向に向かうにつれて低くすることができ、活性領域の方
向に向かうにつれて高くすることができるが、活性領域
または基層の近くの領域についてはこの段階的に行うド
ーピングを適用しないようにすることもできる。ｎ型ベ
ース層を堆積させ、ＭＱＷ活性領域を製造し、かつ、ｐ
型層を堆積させる典型的な手順については、"Introduct
ion to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light
Emitting Diodes"（S.Nakamura、S.F.Chichibu編、Tay
lor&Francis, 2000）、および、"Materials Research S
ociety Symposium Proceedings, Vol.395, Gallium Nit
ride and Related Materials"（F.A.Ponce、R.D.Dupui
s、S.Nakamura、J.A.Edmond編、Materials Research So
ciety, 1996）の８７９〜８８７頁に著わされている "I
nGaN Light emitting Diodes with Quantum-Well Struc
tures"（S.Nakamura著）を含む、様々な一般的文献に記
載されている。
【００１１】ＬＥＤについての従来の製造技術は、ベー
ス層をひとまとめに備えた１つ以上の層を成長させるこ
と、および、基層から活性領域への遷移（transition）
を可能とすること、を含む。サファイア基層を用いる従
来技術にかかるＬＥＤでは、ベース層については、従
来、典型的には「オン軸（on-axis）」すなわち「位置
合わせした（aligned）」成長により、ｃ軸に沿ってサ
ファイア基層上に成長させている。「オン軸」とは、サ
ファイア結晶が、ｃ結晶（crystallographic）平面（ま
たはその他の主結晶平面）に沿うようにできるだけ精密
にカットすること、および、ベース層をｃ軸に対して略
垂直に成長させることを強調している。
【００１２】本発明では、ベース層を成長させるサファ
イア（またはその他の）基層を、図２に示したｃ軸（ま
たはその他の主結晶軸）に対して精密に垂直にカットさ
れるのではなく、この基層を垂直面（perpendicularit
y）から少しずらして傾斜させる。よって、これらの実
施形態に基づいてベース層を堆積させる基層表面は、精
密には、図２に示したｃ平面ではない。本発明者らは、
成長平面に対する法線とｃ軸に対する法線との間の角度
を表すために「位置合わせずらし（misalignment）」ま
たは「傾斜角度（tilt angle）」を用いる。よって、位
置合わせをずらした、オフ軸の成長は、このような主結
晶平面から位置合わせをずらした基層表面上にベース層
を成長させることを表す。指定結晶軸に関する位置合わ
せずらし（misalignment）の方向についても指定するこ
とができる。本明細書で考えるサファイア基層上におけ
る成長例においては、ｍ平面に対するｃ軸の位置合わせ
ずらしの方向を「ｍ平面傾斜」と示し、ａ平面に対する
ｃ軸の位置合わせずらしの方向を「ａ平面傾斜」と示
す。しかしながら、オフ軸成長平面は、単にｍ平面また
はａ平面のみに限定されない任意の方位（orientatio
n）を有することができる。その他の基層に対するオフ
軸成長についても、主結晶軸に関する位置合わせずらし
の方向の点では、完全に類似した方法で定めることがで
きる。
【００１３】約０.０５度より大きい傾斜角度を厚いベ
ース層と組み合わせて用いるときに光学的性能が向上す
るということが、実験により示唆されている。全体的
に、０.０５度以上位置合わせをずらして基層上に厚い
ベース層を成長させることにより、位置合わせずらしの
角度に明確な上限なく、ＬＥＤの輝度およびその他の光
学的特性が向上する、ということが見出されている。改
良された輝度を有するＬＥＤをもたらす傾斜角度は、II
I族窒化物ベース層の歪み（strain）状態に依存する可
能性がある。歪みとは、バルク結晶に関するエピタキシ
ャル層の格子定数の偏差（deviation）を表す。ｃ平面
サファイア基層上に成長させたIII族窒化物層は「圧縮
状態にある（in compression）」（側面の格子定数はバ
ルク結晶のそれよりも小さい）。しかしながら、III族
窒化物結晶にＳｉを導入することにより圧縮の度合いを
低減することができ、このような導入を高いドーピング
レベルで行うことにより、結晶は「伸張状態にある（in
tension）」（側面の格子定数はバルク結晶のそれより
も大きい）。図３には、歪み状態「Ａ」および歪み状態
「Ｂ」を有するＬＥＤについて、相対光出力効率が示さ
れている。歪み状態「Ａ」については０.３度の位置合
わせずらし角度が好ましいが、歪み状態「Ｂ」について
は０.５度の位置合わせずらし角度を用いることにより
輝度が向上する。歪み状態「Ｂ」は、歪み状態「Ａ」に
対してより大きな伸張を表しており、Ｓｉをより多くド
ーピングすることにより実現された。Ｓｉのドーピング
濃度をさらに高くすること、および、より厚いベース層
の傾斜角度を０.５度より大きくすることも好ましいで
あろうことが期待され、傾斜角度を１度としても向上し
た輝度が観測されている。
【００１４】格子間不整合の基層におけるあるセットの
成長条件のもとでは、成長している層には、クラック
（亀裂）が生ずるかもしれない。クラックが生ずる限度
は、著しくクラックが生ずることなく（特定のドーピン
グがなされた）層を成長させることができる最大厚さで
あるので、デバイス性能は逆の影響を受ける。ドーピン
グと厚さとの間にはトレードオフの関係が有りえ、ドー
ピングを少なくするほど、層にクラックが生ずるまでは
層をより厚く成長させることができる。
【００１５】ｍ平面、ａ平面、およびｃ平面からの中間
方向（intermediate direction）傾斜は、サファイア上
にベース層を成長させることに関連して調査されてい
る。光学的性能の著しい変化については、本明細書で報
告した測定値の精度に対する傾斜方向の変化に関連し
て、何ら観測されていない。本明細書で与えられる最大
傾斜角度は、ｃ平面からのｍ平面の傾斜である。０.０
５度未満の傾斜角度は、オン軸とほとんど相違していな
い。よって、本明細書では、任意方向における０〜０.
０５度の傾斜角度を示すために「オン軸」を用いる。
【００１６】基層上に発光デバイスを製造する際には、
典型的には、１つ以上の組成層（constituent layer）
を含むベース層を、基層と発光活性領域との間における
遷移（transition）領域として、基層上に成長させる。
ベース層を含むサブ層を成長させるためには、典型的に
は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が用いられ
るが、その他の堆積技術を用いることができ、これらの
技術は本発明の範囲内に含まれる。具体的な議論をする
ために、本発明者らは、特定例として、サファイア基層
上にベース層を成長させることを説明するが、このよう
な例を説明することによって、特に、Ｓｉｃ、ＧａＮ、
ＧａＡｓ、ＧａＰのようなその他の基層を排除する意図
はない。
【００１７】図４は、本発明の一実施形態に基づくＬＥ
Ｄデバイスの一部の断面についての概略図である。この
デバイスは、オフ軸基層上に約３.５μｍより大きい厚
さにまで成長させたＡｌＩｎＧａＮのベース層を含む。
ベース層における第１層または領域は、典型的には、
（図示しない）バッファ層または核化層である。ベース
層における最終層または領域については、（図示しな
い）遷移層とすることができ、この遷移層は、上述した
ベース層成長と活性領域との間の遷移を可能とする。発
光する活性領域をベース層の上に成長させる。活性領域
については、ホモ接合、シングルもしくはダブルへテロ
構造、または、単一もしくは多重量子井戸構造とするこ
とができる。活性領域の上にＡｌＩｎＧａＮ閉じ込め層
を成長させる。このＡｌＩｎＧａＮ層については、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮを含む、任意の組成の
ＡｌＩｎＧａＮとすることができ、ｎ型、ｐ型、アンド
ープ、または、段階的に行うドーピング分布（profil
e）とすることができる。２つのＡｌＩｎＧａＮ層は、
互いに異なる組成を有することができる。ＡｌＩｎＧａ
Ｎベース層は、基層の方向に向かうにつれて概して減少
し、かつ、活性領域の方向に向かうにつれて増加するよ
うな段階的なドーピングレベルを有することができる
が、上述したように、基層に近いもしくは活性領域に近
い、その他の領域もしくは層については、この段階的な
ドーピングを適用しなくすることもできる。ＡｌＩｎＧ
ａＮベース層については、基層に近いサブ層と活性領域
に近いサブ層とを含むサブ層より構成することができ、
活性領域に近いサブ層は基層に近いサブ層よりも多くド
ーピングがなされる。活性領域に近いサブ層について
は、基層に近いサブ層よりも多くドーピングがなされた
ｎ型またはｐ型とすることができる。サブ層ドーピング
は、例えば、基層に近いｎ型サブ層よりも多くｎ型にド
ープされた、活性領域に近いサブ層と、基層に近いｐ型
サブ層よりも多くｐ型にドープされた、活性領域に近い
サブ領域と、基層に近いｎ型サブ層よりも多くｐ型にド
ープされた、活性領域に近いサブ層と、基層に近いｐ型
サブ層よりも多くｎ型にドープされた、活性領域に近い
サブ層と、を含む。基層と活性領域との間のｐ型ベース
層は、例えば、トンネル接合デバイスにおいて、ならび
に、より従来方式に近いｐ−ｕｐデバイスよりも大きな
逆極性電場を有するｎ−ｕｐデバイスにおいて発生しう
る。
【００１８】図５、すなわち本発明の一実施形態は、サ
ファイア基層１、および、基層と発光活性領域５との間
のベース層３を示す、ＬＥＤデバイスの一部の断面につ
いての概略図である。サファイア基層１におけるバッフ
ァ層（図示せず）上に堆積させたベース層３のサブ層を
構成するｎ型ＧａＮ２のベース層は、主結晶平面から位
置合わせがずれている。サファイア（オン軸またはオフ
軸）上における窒化物のバッファ層成長は、格子間不整
合により、正確にはエピタキシャルでないと認識され
る。むしろ、サファイア上に窒化物を成長させる初期段
階は、サファイア上に堆積させるようなＧａＮのアモル
ファス相から固相結晶化（solid phase crystallizatio
n）によって進められると思われる。この後のベース層
は、バッファ層上にエピタキシャル的に成長する。以下
に説明する一実施形態では、ベース層はｎ型ＧａＮであ
る。特別な予防策が何らとられなければ、堆積したＧａ
Ｎは、ｎ型の伝導性を有する傾向がある。すなわち、特
別なドーパントを導入せずにＧａＮを堆積させると、一
般的にはｎ型の材料が結果として生ずる。この「意図し
ない」ｎ型ドーピングは、自然界に存在する気体からの
ｎ型不純物（例えばシリコンおよび酸素）がＧａＮ中に
組み込まれることに起因する。しかしながら、適量のド
ーパントがＧａＮ中に明確に導入されるベースサブ層２
として、ｎ型ドープＧａＮを用いることもできる。適量
のドーパントを明確に導入することによって、意図しな
いドーピングによるものよりも、制御され複製可能なＬ
ＥＤ構造を得ることができる。本明細書で提示した例で
は、サブ層２は、意図せずにドープされたｎ型となって
いる。
【００１９】実際には、ドーピングレベルは、クラック
限度に達する前までに成長させることができるサブ層２
の厚さに対して、影響を与える。本発明者らは、十分に
低いドーピングレベル、典型的には約５×１０18ドーパ
ント原子／ｃｍ3未満のドーピングレベルを有する、意
図せずにまたは適度にドーピングされたＧａＮ層を表す
ために、「少なくドーピングされた（lightly doped）
ＧａＮ」という用語を用いる。少なくドーピングされた
サブ層を用いることにより、クラックレベルに達するこ
となく、所望の厚さにまでベース層を成長させることが
できる。サブ層２として用いられるＧａＮ以外の材料に
対して「少なくドーピングする」ことは、同様に、クラ
ックレベルに到達する前までに所望の厚さにまでの成長
を可能とするドーピングレベルを表す。一実施形態で
は、少なくドーピングされたＧａＮ２サブ層の厚さは、
４.５μｍである。
【００２０】この実施形態では、少なくドーピングされ
たＧａＮ２の上に、ｎ型にドーピングされたＧａＮ４の
サブ層を成長させる。この実施形態では、ｎ型にドーピ
ングされたＧａＮ４の厚さは、２μｍである。ｎ型Ｇａ
Ｎ４は、典型的には、略１０ 18−１０20ドーパント原子
／ｃｍ3の範囲の濃度にまでドーピングされる。この実
施形態では、ｎ型にドーピングされたＧａＮ４は、略１
０19ドーパント原子／ｃｍ3オーダのドーパント濃度を
有する。本明細書で提示する例としてＳｉドーパントを
用いるが、このＳｉドーパントは、本発明の範囲におけ
る限定とはなならないものである。Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎお
よびＯは、III族窒化物ｎ型にドーピングする際に用い
られるドーパント原子に含まれる。ｐ型ドーパントに
は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、ＣおよびＣｄが含まれる。別の
１つの層もしくは複数の層、または、ベース層３の領域
については、活性領域５より先に設けることができる。
遷移層または領域（図示せず）は、ベース層３の一部で
あり、少なくドーピングすることができるものであり、
かつ、ベース層の前の部分（previous part）と活性領
域５との間における遷移として機能する。
【００２１】ベース層３の上には、活性発光領域５が存
在する。いくつかの実施形態では、多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）は、より大きなバンドギャップ材料の障壁層により
分離された、いくつかの量子井戸層を含む。ＩｎＧａＮ
量子井戸については、典型的な障壁層は、より大きなバ
ンドギャップのＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよび
ＡｌＩｎＧａＮを含む。ｎ型ＧａＮバッファ領域を有す
るサファイア基層上のＩｎＧａＮ ＭＱＷという表現
で、本発明を説明しているが、本発明は、本質的にこの
ようなＬＥＤ構造に限定されない。
【００２２】「閉じ込め層」および「注入層」として知
られるｐ型伝導性の層は、図６に示すように、ｎ型ベー
ス層からみて活性領域の向かい側に存在する。ｐ層につ
いての典型的な材料、寸法およびドーパント濃度は、こ
の業界で知られており、先に引用した文献で与えられて
おり、例えば、まずはｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ０.
２５）の１００−１０００Åであり、この後にｐ型Ｇａ
Ｎの１００−３０００Åである。ｐ型ＧａＮの上に、よ
り多くドーピングしたｐ型層を形成して、良好なｐ電極
のオーミックコンタクトを確保することができる。
【００２３】図１に示したような典型的な従来技術にか
かるＬＥＤでは、オン軸で基層の上に、全体として３.
５μｍ未満の厚さでベース層を成長させる。本発明の一
実施形態にかかる図５には、図１におけるベース層より
厚くなるように、オフ軸基層に成長させたベース層３が
示されている。すなわち、本発明では、オフ軸基層上に
成長させた約３.５μｍより大きい厚さを有するベース
層３を用いる。ベース層３の好ましい厚さは、オフ軸基
層上に成長させる略６.５μｍから略９.５μｍである。
輝度が向上することは、オフ軸エピタキシャル成長と組
み合わせて厚いベース層３を用いることに起因する。言
語上の便宜のために、３.５μｍ未満の全範囲を「薄
い」として示し、かつ、３.５μｍ以上の全範囲を「厚
い」として示すように、「薄い」および「厚い」ベース
層を引用する。
【００２４】本明細書で提示した例では、ｎ型ＧａＮ層
４を約２μｍの厚さに維持しており、少なくドーピング
したＧａＮ層２を厚くすることによりベース層３を厚く
している。これは単なる例示であり、本明細書で提示し
たベース層を厚くすることについては、ベース層を構成
する任意のサブ層または任意の組み合わせのサブ層を厚
くすることにより実現することができる。約３.５μｍ
より厚い、好ましくは、オフ軸基層上に成長させる略
６.５μｍから約９.５μｍの範囲をとるベース層３によ
り結果として本発明を実施することができるが、オフ軸
で成長させた略２００μｍにまで達する著しく厚い層も
実現することができる。輝度は、オフ軸成長させたベー
ス層の厚さを増加させることにより増加し、本発明で
は、厚さについての上限が存在しない。しかしながら、
ＬＥＤ構造全体の厚さを増大させると、製造における複
雑性を高める傾向、例えば、スループットおよびデバイ
スの特異性（singulation）に影響を与える傾向があ
る。
【００２５】（基層の除去）基層の主要な機能とは、完
成されるべき（complete）発光デバイスにおける様々な
層を製造することができるプラットフォームを提供する
ことである。よって、基層は、製造される間および動作
する間において、機械的な強度および安定性をもたら
す。しかしながら、発光デバイスが動作する間には、基
層の光学的特性が（その他の特性の中でも）実効光抽出
（light extraction）に干渉し、これにより、デバイス
性能を妨げうる。本明細書で用いた厚いベース層は、い
くつかの場合には、厚いベース層の製造の後にデバイス
から基層を分離することを可能とするのに十分な機械的
安定性をもたらす。
【００２６】（例）様々なオフ軸傾斜角度について、お
よび、様々な厚さのｎ型ベース層について、いくつかの
例を用いてＬＥＤの輝度およびその他の光学的特性を比
較する。データは、図５に概略的に示すようなＩｎＧａ
Ｎ ＭＱＷ ＬＥＤに関する。
【００２７】異なる主発光波長を有するいくつかの群の
ＬＥＤが製造された。図６は、薄いまたは厚いベース層
を有するＬＥＤの輝度について、主発光波長の関数とし
てルーメンで表したＬＥＤ輝度を示している。「厚い」
ベース層の厚さが図６に示すように約６.５μｍである
一方、「薄い」ベース層の厚さは約３.５μｍである。
驚いたことに、厚いベース層とオフ軸ベース層とを組み
合わせて用いることにより達成された向上した発光は、
別々に考えられる各効果からの向上度の合計を著しく上
回っている。例えば、略５１０ｎｍでは、図６は、部分
１００として薄いオン軸から厚いオン軸にすることによ
り得られた向上度を示している。薄いオン軸から薄いオ
フ軸にすることにより得られた向上度は、１００＋１０
１として示されている。厚いベース層とオフ軸ベース層
とを組み合わせることにより得られた向上度は、１００
＋１０１＋１０２であり、別々に考えられる厚い効果と
オフ軸の効果による寄与度の合計（１００＋１０１＋１
００＝フラックスレベル２００）を著しく上回ってい
る。よって、オフ軸基層上での成長と厚いベース層とを
共に組み合わせることにより、各部分の合計を予測せず
かつ明らかに上回る発光の向上が達成される。
【００２８】図７は、ＬＥＤを駆動する順方向電流の関
数として光生成の相対的効率を示す。データは、絶対光
出力（ルーメン）に換算した目盛が付されていないが、
ＬＥＤ駆動電流を、発せられた光の測定のために用いら
れる特定の光検出器により生成された電流と比較してい
る。よって、データポイントからデータポイントへの、
および、曲線から曲線への、発光効率の相対変化を、図
７から抽出することができる。
【００２９】図７におけるデータは、ｃ軸からｍ平面の
方向への位置合わせずらしの２つの角度についての、図
５で概略的に示した厚いベース層（層３は略６.５μ
ｍ）に関するものである。上部の曲線は、位置合わせず
らしの角度を略０.３９度としベース層の厚さを約６.５
μｍとした基層上に成長させたデバイスから、測定され
ている。下部の曲線は、ベース層の厚さを約６.５μｍ
としたオン軸の基層上に成長させたデバイスから、測定
される。同等の厚さを有する厚いベース層をともに有す
る２つのデバイスについて、オフ軸堆積は、オン軸堆積
よりも効率曲線において大きな最大値を有する、という
ことが図７からわかる。加えて、オフ軸堆積は、オン軸
堆積よりも低い電流値にピークを有する（オン軸の１
２.６ｍＡに対して７.９ｍＡ）のがわかる。
【００３０】図７に示すような、オフ軸堆積についての
より高い効率を達成することは、同一電流について著し
く明るいＬＥＤを提供できるので、間違いなく好まし
い。しかしながら、また、より低い電流値での最大効率
を達成することは、より好ましいＬＥＤ構造の証拠であ
る。発光効率は、電子と正孔の放射再結合、および、非
放射損失メカニズムにより、部分的に決定される。非放
射損失は、低電流でのＬＥＤの性能を左右する傾向があ
る。より大きな電流は非放射損失を飽和させる傾向があ
るので、より大きな電流での発光効率が増加することと
なる。よって、より低い電流でのピーク効率は、非放射
損失メカニズムがほとんどないことの証拠となるので、
欠陥が少なくかつ全体的により良いＬＥＤ材料であるこ
とを示している。
【００３１】図８は、オン軸およびオフ軸のサファイア
基層を同一の反応室（reactor）に入れ、その他の点に
おいて同一の条件で製造したＬＥＤの実験を示す。図８
に示すすべての実験は、厚さが略６.５μｍの厚いベー
ス層を用いている。よって、図８によれば、その他の実
験間の変動による効果を除去しているので、本発明に基
づく厚いベース層についての傾斜させた基層対傾斜させ
ない基層の発光に対する効果を明確に比較することがで
きる。図８は、傾斜させた基層上に厚いベース層を成長
させることに起因して輝度が高められていることを、明
確に示す。
【００３２】本発明に基づいて形成されて得られた高輝
度ＬＥＤは、ピクセル構成要素としての赤色、緑色およ
び青色ＬＥＤを用いたカラーディスプレイパネルに特に
適している。このようなディスプレイは、周知なもので
あり、図９に表現されている。ディスプレイパネル３０
０は、画像を表示するために周知の回路により選択的に
照射される、赤色、緑色および青色それぞれのＬＥＤの
アレイを有する。簡略化のために図９には３つのピクセ
ルのみしか示していない。一実施形態では、各原色は列
状に配置されている。別の実施形態では、これらの原色
は三角形のようなその他のパターンで配置されている。
ＬＣＤディスプレイのバックライトとしても高輝度ＬＥ
Ｄを用いることができる。
【００３３】本発明を詳細に説明してきたが、本明細書
による開示を与えられた当業者であれば、本明細書に記
載された発明概念の思想から逸脱することなく本発明に
変更を施すことができることを理解できよう。したがっ
て、本明細書で説明した特定の実施形態および好ましい
実施形態に本発明の範囲を限定することは、意図されて
いない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術にかかるＬＥＤ層状構造の一部につい
ての概略断面図。
【図２】サファイア単位セルの概略図。
【図３】方位ずらし（mis-orientation）角度を０.３度
および０.５度として方位ずらしがなされたｃ平面サフ
ァイア基層上に成長させたＬＥＤについての相対発光効
率を示す（歪み状態Ａおよび歪み状態Ｂを持ったベース
層を有するＬＥＤ構造についてのデータを示す）図。
【図４】本発明の一実施形態に基づくＬＥＤ層お状構造
の一部についての概略断面図。
【図５】本発明の別の実施形態に基づくＬＥＤ層状構造
の一部についての概略断面図。
【図６】オン軸（０.０５度未満の傾斜角度）およびオ
フ軸（約０.２０度から約０.４０度の範囲の傾斜角度）
で成長させた薄い（３.５μｍ）および厚い（６.５μ
ｍ）ベース層を有するＬＥＤについての主波長の関数と
しての輝度を示す図。
【図７】オン軸（０.０３度）およびオフ軸（０.３９
度）で成長させた図５に示した厚いベース層（６.５μ
ｍ）ＬＥＤについて、順方向電流の関数としての相対発
光効率を示す図。
【図８】位置合わせずらしを適用しておよび適用しない
基層上に厚いベース層（６.５μｍ）を用いて成長させ
た同一のデバイス構造に対する４つの実験についての主
波長を関数としての輝度を示す図。
【図９】本発明の高輝度ＬＥＤを組み込んだディスプレ
イデバイスを示す図。
【符号の説明】
１ サファイア基層 ２ Ｎ型ＧａＮのサブ層 ３ ベース層 ４ ＧａＮのサブ層 ５ 発光活性領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィーナー ケイ ゴーズ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロ アルト スザンヌ ドライ ヴ 4205 (72)発明者 マイケル ディー カムラス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94087 サニーヴェイル ピッピン アベ ニュー 890 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA04 AA12 AA40 CA02 CA03 CA04 CA05 CA23 CA25 CA33 CA34 CA35 CA37 CA40 CA46 CA49 CA53 CA54 CA58 CA65 CA77 CB36 FF01 5F045 AA04 AB14 BB16 CA10 DA61 5F052 JA07 KA01 KA03 KA05

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 主結晶表面から少なくとも０.０５度の
    角度で位置合わせずらしがなされた上部表面を有する基
    層の上に形成された、約３.５μｍを上回る厚さを有す
    るベース層と、 該ベース層の上に形成されたIII族窒化物の発光領域
    と、を含む発光デバイスを具備することを特徴とする構
    造。
  2. 【請求項２】 前記位置合わせずらしの角度は、０.０
    ５度から１０度の範囲内にあることを特徴とする請求項
    １に記載の構造。
  3. 【請求項３】 前記位置合わせずらしの角度は、０.０
    ５度から５度の範囲内にあることを特徴とする請求項１
    に記載の構造。
  4. 【請求項４】 前記位置合わせずらしの角度は、０.０
    ５度から５度の範囲内にあることを特徴とする請求項１
    に記載の構造。
  5. 【請求項５】 前記厚さは、約３.５μｍから約２００
    μｍであることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  6. 【請求項６】 前記厚さは、約３.５μｍから約２０μ
    ｍであることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  7. 【請求項７】 前記厚さは、約３.５μｍから約１０μ
    ｍであることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  8. 【請求項８】 前記厚さは、約３.５μｍから約７μｍ
    であることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  9. 【請求項９】 前記厚さは、約３.５μｍからクラック
    限度であることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  10. 【請求項１０】 前記厚さは、前記基層を除去する際に
    前記発光デバイスを支持するのに十分であることを特徴
    とする請求項１に記載の構造。
  11. 【請求項１１】 前記基層は除去されることを特徴とす
    る請求項１０に記載の構造。
  12. 【請求項１２】 前記基層は、サファイア、炭化珪素、
    窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、および、リン化ガリウム
    を含む群より選択されることを特徴とする請求項１に記
    載の構造。
  13. 【請求項１３】 前記基層はサファイアであり、前記主
    結晶平面はｃ平面であることを特徴とする請求項１に記
    載の構造。
  14. 【請求項１４】 前記ベース層は、前記発光領域の方向
    に向かうにつれて増加するドーピングレベルを有するこ
    とを特徴とする請求項１に記載の構造。
  15. 【請求項１５】 前記ベース層は、前記発光領域の方向
    に向かうにつれて減少するドーピングレベルを有するこ
    とを特徴とする請求項１に記載の構造。
  16. 【請求項１６】 前記ベース層は、複数のサブ層を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の構造。
  17. 【請求項１７】 前記ベース層は、前記基層の前記上部
    表面の上の第１サブ層と、該第１サブ層の上の第２サブ
    層とを含み、該第２サブ層は、前記第１サブ層よりも多
    くドーピングがなされていることを特徴とする請求項１
    ６に記載の構造。
  18. 【請求項１８】 前記第１サブ層は少なくドーピングが
    なされていることを特徴とする請求項１７に記載の構
    造。
  19. 【請求項１９】 前記第１サブ層は、少なくドーピング
    がなされた窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項
    １８に記載の構造。
  20. 【請求項２０】 前記第２サブ層は、ｎ型の窒化ガリウ
    ムを含むことを特徴とする請求項１９に記載の構造。
  21. 【請求項２１】 前記第２サブ層の上の第３サブ層を含
    むことを特徴とする請求項１７に記載の構造。
  22. 【請求項２２】 前記第３サブ層は少なくドーピングが
    なされていることを特徴とする請求項２１に記載の構
    造。
  23. 【請求項２３】 前記第２サブ層は、少なくとも約１０
    18ドーパント原子／ｃｍ3でドーピングがなされている
    ことを特徴とする請求項２０に記載の構造。
  24. 【請求項２４】 少なくとも１つの青色発光デバイス、
    少なくとも１つの緑色発光デバイス、および、少なくと
    も１つの赤色発光デバイスを含むディスプレイデバイス
    を具備する請求項１に記載の構造であって、 前記青色発光デバイス、前記緑色発光デバイス、およ
    び、前記赤色発光デバイスの少なくとも１つが、 主結晶平面から少なくとも０.０５度の角度で位置合わ
    せずらしがなされた上部表面を有する基層の上に形成さ
    れた、約３.５μｍを上回る厚さを有するベース層と、 該ベース層の上に形成されたIII族窒化物の発光領域
    と、を含むことを特徴とする構造。
  25. 【請求項２５】 発光デバイスのための構造を形成する
    方法であって、 ａ）上部表面を有する基層を設ける工程であって、前記
    上部表面が前記基層の主結晶表面から少なくとも０.０
    ５度で位置合わせずらしがなされている工程と、 ｂ）前記基層の前記上部表面の上にベース層を堆積させ
    る工程であって、該ベース層が約３.５μｍを上回る厚
    さを有する工程と、 ｃ）前記ベース層の上にIII族窒化物の発光領域を形成
    する工程と、を具備することを特徴とする方法。
  26. 【請求項２６】 前記基層の上に前記ベース層を堆積さ
    せる工程の後に該基層を除去する工程を具備することを
    特徴とする請求項２５に記載の方法。
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