JP2005347465A

JP2005347465A - 半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイス製造方法

Info

Publication number: JP2005347465A
Application number: JP2004164417A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nakao; 勇中尾; Katsunori Yanashima; 克典簗嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】簡易な製造プロセスによって作製することができる安価な半導体発光デバイスの提供を可能とする。
【解決手段】半導体発光デバイス１０は、ｎ型半導体１２、活性層１３、およびｐ型半導体１４を含み、活性層１３は、ｎ型半導体１２とｐ型半導体１４に挟まれるよう構成される。活性層１３には、発光中心イオン１８と量子ドット１９が含まれ、オーミック電極（１１、１５）を介して半導体発光デバイス１０に電圧が加えられると、ＦＲＥＴによりエネルギーが発光中心イオン１８に移動し、発光中心イオン１８を励起させる。その後、発光中心イオン１８のエネルギー準位は、発光準位に遷移し、さらに、基底エネルギー準位に遷移する。この際、発光中心イオン１８は、所定の可視の波長の光を放出する。発光中心イオン１８は、このような可視の波長の光を放出するように、希土類金属イオンや遷移金属イオン等から選択される。
【選択図】図１

Description

この発明は、製造プロセスが容易で安価な半導体発光デバイスおよびその半導体発光デバイスの製造方法に関する。

従来のＬＥＤ（Light Emitting Diode）のような半導体発光デバイスは、たとえば、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）のような一般的な薄膜形成技術によって、ＧａＡｓやサファイアなどの単結晶基板上に、化合物半導体からなるクラッド層や活性層をエピタキシャル成長させ製造する。

また、特許文献１ないし特許文献３に示すように、量子ドットやナノクリスタル技術を応用した、いくつかの半導体発光装置も提案されている。

特開２００１−２０３３８２号公報特開２００２−２４６６３９号公報特開平９−２９５８９１号公報

しかしながら、上述の有機金属気相成長法や分子線エピタキシ等を利用した製造方法では、大規模な結晶成長装置が必要となるという問題点がある。また、このような装置においては、大きな面積の基板への結晶成長を実現することも困難である。また、さらに、高価な原材料を使用するため、高価なデバイスとなってしまうという欠点もある。

したがって、この発明の目的は、簡易な製造プロセスによって作製することができる半導体発光デバイスと、その製造方法を提供することにある。

この発明のさらなる目的は、安価な半導体発光デバイスを提供し、また当該ＬＥＤデバイスを大型のデバイスとして安価に製造する製造方法を提供することにある。

第１の実施態様に係る発明は、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層とに挟まれた活性層を有し、活性層は量子ドットおよび発光中心イオンを含み、量子ドットの結晶サイズは、励起子ボーア半径の４倍以下であるように構成された半導体発光デバイスである。

第２の実施態様に係る発明は、第１の実施態様に係る発明において、発光中心イオンが、希土類金属イオンまたは遷移金属イオンであるように構成される半導体発光デバイスである。

第３の実施態様に係る発明は、第２の実施態様に係る発明において、発光中心イオンの発光準位が、可視の波長範囲であるように構成される半導体発光デバイスである。

第４の実施態様に係る発明は、第１の実施態様に係る発明において、量子ドットの周囲にある活性層の部分のバンドギャップは、量子ドットのバンドギャップより大きくなるように構成される半導体発光デバイスである。

この発明によって、簡易な製造プロセスによって作製することができる安価な半導体発光デバイスの提供が可能となる。

最初に、この発明の一実施形態に係る半導体発光デバイス（ＬＥＤデバイス）の構成を、図１を参照して説明する。ＬＥＤデバイス１０は、正極１７に接続されたオーミック電極１５と負極１６に接続されたオーミック電極１１を備え、これらのオーミック電極１５とオーミック電極１１の間に、ｐ型半導体（ｐ型半導体層）１４およびｎ型半導体（ｎ型半導体層）１２が配置される。また、図示するように、ｐ型半導体１４とｎ型半導体１２の間には、光を放出する部分である活性層１３が挟まれる。

ｐ型半導体１４は、通常、基板に相当する。また、活性層１３は、発光中心イオン１８と量子ドット１９とを含んでいる。ただし、図１では、発光中心イオン１８と量子ドット１９の配置について模式的に表したにすぎず、厳密には、それぞれが図示されているような位置関係にあるわけではない。また、発光中心イオン１８は、量子ドット１９の結晶外部に配置され、当該結晶の内部には含まれない。

ここで、量子ドット１９の周囲にある活性層１３の部分のバンドギャップは、量子ドット１９のバンドギャップより大きくなるように構成される。また、発光中心イオン１８は、可視の波長範囲に発光準位を有する希土類金属や遷移金属のイオンである。

次に、図２を参照して、図１に示す構造のＬＥＤデバイス１０の一部における、エネルギーと実空間の関係を説明する。この説明によって、この発明における光放出の原理が理解される。

図２の縦軸はエネルギーの大きさを表している。また、横軸は実空間を示しており、ここでは、図１に示すＬＥＤデバイス１０の各層をほぼ垂直に横断する方向に対応する。特に図２では、ＬＥＤデバイス１０のｐ型半導体１４、活性層１３、およびｎ型半導体１２の部分が表わされている。ただし、発光中心イオンに関するエネルギー準位の記載は便宜的なものであり、記載箇所と実空間の座標との対応関係はない。発光中心イオン１８は、前述のように、活性層１３に含まれる。

図１に示す電流ＩがＬＥＤデバイス１０に提供されると、トンネル効果により、ｐ型半導体１４内にあるホール２１（所定のエネルギー準位２３のキャリア）が活性層１３内の量子ドット２５に、ｎ型半導体１２内にある電子２２（所定のエネルギー準位２４のキャリア）が活性層１３内の量子ドット２６にそれぞれ注入される（矢印２７および矢印２８）。その後、量子ドット（２５、２６）に注入されたホール２１と電子２２は再結合するが（矢印２９）、その際に、ＦＲＥＴ（Foerster Resonant Energy Transfer）によって（矢印３０）、エネルギーが、量子ドットから発光中心イオンに移動する。その結果、輻射的あるいは非輻射的なエネルギー移動による発光中心イオン１８の励起が生じる。

ＦＲＥＴによる単位時間あたりのエネルギー移動Ｋは、以下の式１で表される。

ここで、Ｆ_H（ω）は規格化された量子ドットの発光スペクトルであり、σ_D（ω）は発光中心イオンの規格化された吸収断面積であり、Ｒは量子ドットと発光中心イオンの距離であり、ωは光の角振動数であり、τ_Hは量子ドットのキャリア寿命である。

こうして、発光中心イオン１８は、図２に示す基底エネルギー準位Ａから、エネルギー準位Ｂに励起される。その後、発光中心イオン１８のエネルギー準位は、エネルギー準位Ｂからエネルギー準位（発光準位）Ｃに遷移し、さらに、基底エネルギー準位Ａに遷移する。発光中心イオンは、この際に所定の波長の光を放出する。

また、ここで、量子ドット１９の結晶サイズは、基本的に、励起子ボーア半径の４倍以下のサイズであることが好ましい。このようなサイズであれば、一般に量子効果が期待できる。ここで、励起子ボーア半径ａ_Bは、以下の式２のように定義される。
ａ_B＝ｋ・η²／（μ・ｅ²）・・・(式２)
ただし、ｋは誘電率、η＝ｈ／（２π）、ｈはプランク定数、μ＝１／（ｍ_e ^-1＋ｍ_h ^-1）、ｍ_eは電子の有効質量、ｍ_hはホールの有効質量、ｅは電子の電荷である。

次に、図１に示した構成のＬＥＤデバイス１０の製造方法について説明する。最初に、Ｐ型シリコンウエハ上に、アルゴン（Ａｒ）等をキャリアガスとし、ＳｉＨ₄およびＯ₂（還元性のある他のガス（たとえば、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）等）でもよい）を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）または減圧ＣＶＤを実施する。これによって、ＳｉＯｘ（ただし、ｘは２．０未満、すなわち、酸素が少し欠損したもの）を成膜する。また、このような成膜は、反応性ＲＦ（Radio Frequency）スパッタを用いて行うことも可能である。

その後、イオン注入により、Ｅｕ³⁺、Ｅｒ³⁺等の希土類金属イオンを、上述のＣＶＤにより成膜された膜に注入（ドーピング）する。また、Ａｇ²⁺、Ｃｕ²⁺等の遷移金属を注入することも可能である。これらの注入（ドーピング）は、発光中心イオンの炭酸塩、硝酸塩等を用いた熱拡散により行うことも考えられる。

次に、たとえば、アルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ₂）の混合ガス雰囲気中で、１１００℃、１時間のアニール処理を施すことにより、シリコン（Ｓｉ）の量子ドット（小結晶）の析出形成と、ドーピングしたイオンの活性化が行われ、活性層１３が形成される。

その後、シラン、フォスフィンまたはアルシンを原料ガスとするプラズマＣＶＤにより、活性層１３上にｎ型半導体１２を成膜し、アルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ₂）の混合ガス雰囲気中で、１１００℃のアニール処理を施すことにより、活性化を行う。

次に、ｐ型半導体１４の裏面（図１において、ｐ型半導体１４の下側）およびｎ型半導体１２の上で、表面酸化膜を除去した後、それぞれに、スパッタあるいは蒸着によりＴｉを３０ｎｍ成膜し、その上にＡｕを１００ｎｍ成膜する。それから、たとえば、アルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ₂）の混合ガス雰囲気中で、４００℃ないし４５０℃のアニール処理を施す。これによって、チタンシリサイドの合金化が行われ、オーミック電極１１、１５がそれぞれ形成される。

このようにして製造されたＬＥＤデバイス１０の特性について、図３ないし図５を参照して説明する。図３は、ＬＥＤデバイス１０の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性の例を示すグラフであり、縦軸が電流（Ｉ）、横軸が電圧（Ｖ）である。ここで、電流Ｉの方向は、図１に示す矢印Ｉの方向であり、負極１６と正極１７の間に電圧を加える。図３に示されている線４０から分かるように、電圧が約３Ｖのときに電流Ｉが流れはじめ、以降、電圧値にほぼ比例して電流値も上昇する。

図４は、ＬＥＤデバイス１０の電流−発光量（Ｉ−Ｌ）特性の例を示すグラフであり、縦軸が発光量（Ｌ）、横軸が電流（Ｉ）である。図４の線５０から分かるように、電流値が小さい場合は、電流値にほぼ比例して発光量が増加するが、電流値がある一定値を越えると、発光量の増加度合いが徐々に緩やかになる。

図５は、ＬＥＤデバイス１０の発光スペクトルを示すグラフであり、Ｅｕ³⁺がドーピングされた場合のＬＥＤデバイス１０の例を示したものである。縦軸は光強度であり、横軸は波長を示している。縦軸は、波長５５０ｎｍから７５０ｎｍの間で最大の光強度（この例では、波長約６２０ｎｍの場合の光強度）を１．００とした場合の、相対的な光強度を表している。

図５の線６０から分かるように、波長６００ｎｍの付近で３つの大きな光強度のピークが観測され、さらに、波長７００ｎｍ付近で１つの大きなピークが観測される。したがって、ＬＥＤデバイス１０からは、上記のような可視光が放出される。なお、波長６００ｎｍ付近の光は、黄色または橙色の光であり、波長７００ｎｍ付近の光は赤色の光である。このようなスペクトルの形態、すなわち発光の色は、発光中心イオンや量子ドットの結晶サイズを変えることにより変更されうる。

上述したように、この発明では、発光中心イオンとして、可視の波長範囲に発光準位を有する希土類金属のイオンや遷移金属のイオンを用いる。ただし、希土類金属は、例示したＥｕやＥｒに限らず、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、およびＹｂ等を用いることが可能である。一方、遷移金属も、上述したＡｇやＣｕの他、Ｍｎ等が使用可能である。

この発明の一実施形態に係るＬＥＤデバイス１０の構成を示した略線図である。この発明の一実施形態に係るＬＥＤデバイス１０におけるエネルギーと実空間の関係を示す略線図である。この発明の一実施形態に係るＬＥＤデバイス１０の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性の例を示すグラフである。この発明の一実施形態に係るＬＥＤデバイス１０の電流−発光量（Ｉ−Ｌ）特性の例を示すグラフである。この発明の一実施形態に係るＬＥＤデバイス１０の発光スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１０・・・ＬＥＤデバイス、１１、１５・・・オーミック電極、１２・・・ｎ型半導体、１３・・・活性層、１４・・・ｐ型半導体、１６・・・負極、１７・・・正極、１８・・・発光中心イオン、１９・・・量子ドット

Claims

ｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層とに挟まれた活性層を有し、
前記活性層は量子ドットおよび発光中心イオンを含み、
前記量子ドットの結晶サイズは、励起子ボーア半径の４倍以下であることを特徴とする半導体発光デバイス。
請求項１に記載の半導体発光デバイスにおいて、
前記発光中心イオンが、希土類金属イオンまたは遷移金属イオンであることを特徴とする半導体発光デバイス。
請求項２に記載の半導体発光デバイスにおいて、
前記発光中心イオンの発光準位が、可視の波長範囲であることを特徴とする半導体発光デバイス。
請求項１に記載の半導体発光デバイスにおいて、
前記量子ドットの周囲にある前記活性層の部分のバンドギャップは、前記量子ドットのバンドギャップより大きくなるように構成されることを特徴とする半導体発光デバイス。