JP2021034732A - 量子バリアがドーピングされた深紫外ｌｅｄ及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ及び製造方法を提供する。【解決手段】量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤは、サファイヤ基板１上に、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２、量子井戸活性層３、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層４、及びＰ型ＧａＮコンタクト層５が順に配置される。量子井戸活性層３は、順に堆積された６サイクルの量子積層により構成され、量子積層は、量子バリア層と量子井戸層を含み、量子バリア層は、１２ｎｍのＡｌ０．５５Ｇａ０．４５Ｎ量子バリアであり、量子バリア層のＳｉドーピング濃度は５×１０１８〜１×１０１９である。量子バリアのドーピングを利用して分極自己遮蔽の効果を実現し、量子井戸内部のキャリア波動関数のオーバーラップ率を増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、光電子技術の分野に関し、特に、量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ及び製造方法に関する。

現在、ＡｌＧａＮ材料をベースとした深紫外ＬＥＤ（即ち、紫外線波長λ＜３００ｎｍ）は、消毒、空気と水の浄化、生化学的検出、光通信などの幅広い潜在的な用途があるため、多くの科学者の注目を集めている。ただし、深紫外ＬＥＤの低い外部量子効率は、現在応用要件をまだ満たすことができない。これは、主に低い内部量子効率と光抽出効率によって制限される。

ＡｌＧａＮ材料に存在する強い非対称性により、その内部に強い自発分極とピエゾ分極があり、生じた分極電場は、量子井戸内の正孔キャリアと電子キャリアの波動関数を分離し、それらが相互結合して光子を生成する確率を減らすため、ＬＥＤの内部量子効率と光抽出効率に深刻な影響を与える。従来の深紫外ＬＥＤチップのエピタキシャル構造設計に基づいて、深紫外ＬＥＤの量子井戸波動関数のカバレッジを改善するという点では、従来技術の問題を解決するために、深紫外ＬＥＤの構造を新しく設計する必要がある。

本発明の目的は、従来技術におけるＡｌＧａＮ材料の分極電場が紫外ＬＥＤの内部量子効率を制限するという問題を解決するために、量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ及び製造方法を提供することである。

上記の技術的問題を解決するために、本発明は次の第１解決策を提供する。量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤは、サファイヤ基板、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層を含む。サファイヤ基板上には、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層が順に配置される。量子井戸活性層は、順に堆積された６サイクルの量子積層により構成され、量子積層は、量子バリア層と量子井戸層を含み、前記量子バリア層は、１２ｎｍのＡｌ_０．５５Ｇａ_０．４５Ｎ量子バリアであり、前記量子バリア層のＳｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９である。

好ましくは、量子井戸層は、３ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎ量子井戸であり、かつ量子井戸層はドーピングされていない。

好ましくは、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さは２〜３μｍであり、Ｓｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９である。

好ましくは、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層の厚さは２５ｎｍであり、Ｍｇドーピング濃度は１×１０^１９〜３×１０^１９である。

好ましくは、Ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さは３００ｎｍ、Ｍｇドーピング濃度は１×１０^１９〜５×１０^１９である。

上記の技術的問題を解決するために、本発明は、次の第２解決策を提供する。量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法は、具体的に、有機金属化学気相成長法を採用して、サファイヤ基板上に、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層を順に堆積する。量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法は、上記の第１解決策におけるいずれかの量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤを製造するために使用される。

好ましくは、量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤを製造するとき、使用されるＧａソースはトリメチルガリウムＴＭＧａであり、ＡｌソースはトリメチルガリウムＴＭＡｌであり、窒素ソースはアンモニアＮＨ_３であり、搬送ガスは水素Ｈ_２であり、Ｎ型とＰ型のドーピングソースはそれぞれシランＳｉＨ_４とマグネソセンＣｐ_２Ｍｇである。

好ましくは、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、量子井戸活性層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、Ｐ型ＧａＮコンタクト層を堆積するときの反応温度は９５０〜１０００℃である。

本発明の有益な効果は、次のとおりである。従来技術とは異なり、本発明は、量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ及び製造方法を提供し、量子バリアのドーピングを利用して分極自己遮蔽の効果を実現し、量子井戸内部のキャリアの波動関数のオーバーラップ率を増加させ、それにより深紫外ＬＥＤの光出力パワーを改善する。

本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態の構造模式図である。 本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における量子井戸活性層の構造模式図である。 本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態の原理模式図である。 本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における量子バリア層のドーピング濃度と波動関数カバレッジ及び光出力パワーとの間の曲線関係図である。 本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における量子井戸層の正孔キャリア濃度と量子バリア層のドーピング濃度との間の曲線関係図である。 本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における発光パワーと量子バリア層ドーピング濃度との曲線関係図である。

以下では、本発明の実施形態に係る添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る技術的解決手段を明確かつ充分に説明する。当然のことながら、ここで説明する実施形態は本発明の実施形態の全てではなく一部にすぎない。当業者が創造的な作業なしに本発明の実施例に基づいて得られる全ての他の実施例は、本発明の保護範囲に含まれるべきである。

本発明によって提供された第１解決策については、図１と図２を参照されたい。図１は、本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態の構造模式図であり、図２は、本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における量子井戸活性層の構造模式図である。本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤは、サファイヤ基板１、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２、量子井戸活性層３、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層４、及びＰ型ＧａＮコンタクト層５を含む。サファイヤ基板１上には、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２、量子井戸活性層３、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層４、及びＰ型ＧａＮコンタクト層５が順に配置される。

具体的には、上記の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの各層構造及び構成成分について、それぞれ詳しく説明する。本実施形態では、量子井戸活性層３は、順に堆積された６サイクルの量子積層３１により構成され、量子積層３１は、量子バリア層３１１と量子井戸層３１２を含み、量子バリア層３１１は、１２ｎｍのＡｌ_０．５５Ｇａ_０．４５Ｎ量子バリアであり、前記量子バリア層３１１のＳｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９である。量子井戸層は、３ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎ量子井戸であり、かつ量子井戸層はドーピングされていない。また、好ましくは、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さは２〜３μｍであり、Ｓｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９である。Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層の厚さは２５ｎｍであり、Ｍｇドーピング濃度は１×１０^１９〜３×１０^１９である。Ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さは３００ｎｍ、Ｍｇドーピング濃度は１×１０^１９〜５×１０^１９である。

図３を参照されたい。図３は、本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態の原理模式図である。図３を参照しながら、上記の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの原理を詳しく説明する。図３の（ａ）は、量子バリア層がドーピングされていない場合である。格子不整合によるピエゾ分極とＡｌＧａＮ材料自体の自発分極により、非常に強い分極電場がインターフェイスで生成され、量子井戸のエネルギーバンドが曲がる。それにより、量子井戸の電子と正孔キャリアの波動関数が分離され、放射再結合の確率が低下する。結果として、ドーピングがない場合、内部量子効率が低い。図３の（ｂ）は、量子バリア層に適切な量のＳｉがドーピングされている場合である。量子バリア層に適切な量のケイ素不純物がドーピングされた後、ケイ素不純物により活性化し生成された逆方向の電場は、量子バリア自体の分極電場を効果的に遮蔽することができる。それにより、量子井戸の活性領域におけるエネルギーバンドの傾斜程度が低減され、量子井戸内部のキャリアの波動関数のオーバーラップ率が向上するため、放射再結合の確率が向上し、深紫外ＬＥＤの内部量子効率が向上する。

本発明によって提供された第２解決策は、具体的には、量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法である。この方法は、主に有機金属化学気相成長法を採用して、サファイヤ基板上に、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層を順に堆積する。本実施形態では、量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤを製造するとき、使用されるＧａソースはトリメチルガリウムＴＭＧａであり、ＡｌソースはトリメチルガリウムＴＭＡｌであり、窒素ソースはアンモニアＮＨ_３であり、搬送ガスは水素Ｈ_２であり、Ｎ型とＰ型のドーピングソースはそれぞれシランＳｉＨ_４とマグネソセンＣｐ_２Ｍｇである。各層構造を堆積するときの好ましい温度条件は次のとおりである。Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、量子井戸活性層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、Ｐ型ＧａＮコンタクト層を堆積するときの反応温度は９５０〜１０００℃である。

第２解決策の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法は、上記の第１解決策の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤを製造するために使用されるため、２つの解決策の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの構造と機能は一致するべきである。

さらに、上記の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの量子バリア層のドーピング濃度と波動関数カバレッジ、量子井戸層のキャリア濃度及び発光パワーとの間の関係を研究するために、それぞれテストを実施した。具体的なデータは図４〜６を参照されたい。図４は、本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における量子バリア層のドーピング濃度と波動関数カバレッジ及び光出力パワーとの間の曲線関係図である。図４からわかるように、量子バリア層のＳｉドーピング濃度の増加に伴い、波動関数のオーバーラップ率と発光パワーはいずれも徐々に上昇する傾向を示すが、最終的な発光パワーは最大値を持ち、常に上昇することができない。図５は、本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における量子井戸層の正孔キャリア濃度と量子バリア層のドーピング濃度との間の曲線関係図である。図５からわかるように、量子バリア層のＳｉドーピング濃度の増加に伴い、量子井戸層の正孔キャリアの濃度は減少傾向を示す。これは、Ｓｉドーピング濃度が徐々に増加することで、量子井戸層のエネルギーバンド傾斜程度が徐々に軽減することを示す。図６は、本発明の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの一実施形態における発光パワーと量子バリア層のドーピング濃度との曲線関係図である。図６からわかるように、量子バリア層のＳｉドーピング濃度の増加に伴い、深紫外ＬＥＤの発光パワーは、まず上昇し、次に下降する傾向を示す。最初に、発光パワーは、Ｓｉドーピング濃度の増加に伴って徐々に上昇し、最適なドーピング濃度を超えると、正孔キャリアの過度の減少により、深紫外ＬＥＤの発光パワーは徐々に抑制される。図４〜６のデータ特徴に基づいて、深紫外ＬＥＤの発光性能を最適な状態に維持する必要がある場合、Ｓｉドーピング濃度を正確に制御する必要があることがわかる。本発明では、量子バリア層の最適なＳｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９であり、このＳｉ２次元表面ドーピング方式で製造された深紫外ＬＥＤの効果が最も良好である。

従来技術とは異なり、本発明は量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ及び製造方法を提供し、量子バリアのドーピングを利用して分極自己遮蔽の効果を実現し、量子井戸内部のキャリア波動関数のオーバーラップ率を増加させ、それにより深紫外ＬＥＤの光出力パワーを改善する。

以上の実施例は本発明の実施形態のみを詳細且つ具体的に示しているが、本発明の保護範囲を限定するものではないと理解すべきである。当業者にとっては、本発明の創造的構想から逸脱しない前提で、幾つかの変形や改善を行うことができ、これらはすべて本発明の保護範囲に属するべきであると理解しなければならない。従って、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に指定された内容を基準とする。

Claims (8)

1. 量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤであって、サファイヤ基板、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層を含み、前記サファイヤ基板上には、Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層が順に配置され、
   前記量子井戸活性層は、順に堆積された６サイクルの量子積層により構成され、前記量子積層は、量子バリア層と量子井戸層を含み、前記量子バリア層は、１２ｎｍのＡｌ_０．５５Ｇａ_０．４５Ｎ量子バリアであり、前記量子バリア層のＳｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９である、ことを特徴とする量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ。
2. 前記量子井戸層は、３ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎ量子井戸であり、前記量子井戸層はドーピングされていない、ことを特徴とする請求項１に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ。
3. 前記Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さは２〜３μｍであり、Ｓｉドーピング濃度は５×１０^１８〜１×１０^１９である、ことを特徴とする請求項１に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ。
4. 前記Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層の厚さは２５ｎｍであり、Ｍｇドーピング濃度は１×１０^１９〜３×１０^１９である、ことを特徴とする請求項１に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ。
5. 前記Ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さは３００ｎｍであり、Ｍｇドーピング濃度は１×１０^１９〜５×１０^１９である、ことを特徴とする請求項１に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤ。
6. 量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法であって、有機金属化学気相成長法を採用して、サファイヤ基板上にＮ型ＡｌＧａＮコンタクト層、量子井戸活性層、Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層、及びＰ型ＧａＮコンタクト層を順に堆積し、
   前記量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤを製造するために使用される、ことを特徴とする方法。
7. 前記量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤを製造するとき、使用されるＧａソースはトリメチルガリウムＴＭＧａであり、ＡｌソースはトリメチルガリウムＴＭＡｌであり、窒素ソースはアンモニアＮＨ_３であり、搬送ガスは水素Ｈ_２であり、Ｎ型とＰ型のドーピングソースはそれぞれシランＳｉＨ_４とマグネソセンＣｐ_２Ｍｇである、ことを特徴とする請求項６に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法。
8. 前記Ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、
   前記量子井戸活性層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、
   前記Ｐ型ＡｌＧａＮキャリア輸送層を堆積するときの反応温度は１０５０〜１０８０℃であり、
   前記Ｐ型ＧａＮコンタクト層を堆積するときの反応温度は９５０〜１０００℃である、ことを特徴とする請求項６に記載の量子バリアがドーピングされた深紫外ＬＥＤの製造方法。