JP2007173353A - フォトニック結晶発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率及びエネルギー効率が高い２次元フォトニック結晶発光ダイオードを提供する。
【解決手段】p型半導体クラッド層１２、活性層１１及びn型半導体クラッド層１３に、これら３つの層を通る空孔１６を周期的に設けることにより２次元フォトニック結晶を形成する。そして、p型半導体クラッド層１２及びn型半導体クラッド層１３内の空孔１６の内壁に酸化領域１７を形成する。電極から注入される正孔（電子）はp(n)型半導体クラッド層１２(１３)において酸化領域１７を避けて流れ、空孔１６の内壁から十分離れた位置で活性層に入り、正孔と電子が再結合して発光する。これにより、空孔１６の内壁付近において正孔と電子が再結合して光ではなく熱を発生すること（表面再結合）を抑えることができ、発光効率及びエネルギー効率を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、活性層等にフォトニック結晶を形成した発光ダイオード及びその製造方法に関する。

従来より、発光を効率よく取り出すことができる発光ダイオードの構成について検討がなされてきた。そのような構成の１つとして、素子内に２次元フォトニック結晶を形成することが挙げられる。

フォトニック結晶は誘電体から成る母材に周期構造を人工的に形成したものである。一般に、周期構造は母材とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を母材内に周期的に設けることにより形成される。異屈折率領域は、母材にそれとは屈折率の異なる部材を埋め込んで形成することもできるが、母材に空孔を設けて形成する方が、母材との屈折率の差を大きくすることができるうえ、製造も簡単である。

フォトニック結晶内では、その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関してバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域（波長帯）が存在する。その波長帯は、誘電体の屈折率や周期構造の周期により定まる。２次元フォトニック結晶では、この波長帯内の波長を有する光は、周期構造が形成された面内を伝播することができず、この面に垂直な方向にのみ伝播する。従って、発光ダイオードの素子内に２次元フォトニック結晶を形成することにより、素子内で発せられた光は２次元フォトニック結晶の面内には伝播せず、この面に垂直な方向にのみ取り出すことができるようになる。これにより、光の取り出し効率が向上する。

特許文献１には、このように素子内に２次元フォトニック結晶を形成した発光ダイオードが開示されている。この発光ダイオードは、１対の電極の間にp型半導体から成るp型半導体クラッド層（特許文献１では「p型ドープ層」）と、活性層と、n型半導体から成るn型半導体クラッド層（n型ドープ層）を設け、これら３層を貫通する空孔をこれらの層に平行な面内で周期的に多数形成したものである。この構成では、p型半導体クラッド層側から注入された正孔とn型半導体クラッド層側から注入された電子が活性層において再結合して発光し、得られた発光は、これらの層に平行な面内には伝播することができず、これらの層に垂直な方向にのみ取り出すことができる。これにより、この発光ダイオードでは高い取り出し効率が得られる。

特開2004-289096号公報（[0009]〜[0010]、[0015]、[0020]〜[0023]、[0025]、図1、図3）

半導体の表面付近では、界面の影響や格子欠陥等により、電子や正孔のエネルギー準位に欠陥準位が多数形成される。そのため、半導体の表面付近において電子と正孔が再結合した場合には、その過程において電子又は正孔がこの欠陥準位を占めることにより、光ではなく熱を放出する（表面再結合）。２次元フォトニック結晶発光ダイオードは、活性層に空孔が多数形成されているため、通常の発光ダイオードよりも活性層における表面の面積が大きく、表面再結合が生じやすい。表面再結合が生じると、光ではなく熱が放出されるため発光効率が低下すると共に、エネルギー効率が低下する。
特許文献１では、表面再結合速度が比較的遅いガリウム、インジウム、アルミニウム等のIII族元素と窒素を含む材料を活性層に用いることにより、表面再結合の影響を抑える、としている。

本発明が解決しようとする課題は、従来の２次元フォトニック結晶発光ダイオードよりも表面再結合の影響を受け難く、エネルギー効率及び発光効率の高い２次元フォトニック結晶発光ダイオードを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶発光ダイオードは、p型半導体クラッド層と、発光物質から成る活性層と、n型半導体クラッド層と、を１対の電極で挟んだ発光ダイオードにおいて、
該p型半導体クラッド層、該活性層及び該n型半導体クラッド層に、これらの層を通る空孔を多数、周期的に配し、
該p型半導体クラッド層と該n型半導体クラッド層のいずれか一方又は両方において、前記空孔の内壁の少なくとも一部を酸化させた、
ことを特徴とする。

本発明において、p型半導体クラッド層、活性層及びn型半導体クラッド層はいずれも、１つの層から形成することができる他、それぞれ異なる物質から成る複数の層から形成することもできる。

本発明の２次元フォトニック結晶発光ダイオードにおいて、前記p型半導体クラッド層と前記n型半導体クラッド層のいずれか一方又は両方に、前記活性層よりも容易に酸化する酸化容易物質を含有するものを用いることができる。

発明の実施の形態及び効果

本発明の２次元フォトニック結晶発光ダイオードは、p型半導体クラッド層、n型半導体クラッド層及び活性層の３つの層を積層して１対の電極の間に挟んだ構造を有する。なお、p型半導体クラッド層と活性層の間、活性層とn型半導体クラッド層の間、又はp(n)型半導体クラッド層と電極の間に、スペーサ等の他の層を挟んでもよい。
p型半導体クラッド層、n型半導体クラッド層、活性層及び電極には通常の発光ダイオードと同様のものを用いることができる。

p型半導体クラッド層、n型半導体クラッド層及び活性層に、これらの層を通る空孔を多数、周期的に設ける。これにより、これら３層は２次元フォトニック結晶として機能する。各空孔はこれら３層を貫通していてもよいし、p型半導体クラッド層又は／及びn型半導体クラッド層内で終止するものであってもよい。また、空孔の配置は従来と同様に、正方格子状や三角格子状等とすることができる。各空孔の形状も円柱状等、従来と同様とすることができる。

このp型半導体クラッド層及び／又はn型半導体クラッド層において、空孔の内壁の少なくとも一部を酸化させる。ここで、p型半導体クラッド層又はn型半導体クラッド層のいずれか一方のみの空孔の内壁を酸化させた場合、あるいはこれらの層のいずれか一方又は両方において空孔の内壁の一部分のみを酸化させた場合にも後述の効果は得られるが、より高い効果を得るためにはp型半導体クラッド層及びn型半導体クラッド層の双方において空孔の内壁を全部酸化させることが望ましい。

本発明の２次元フォトニック結晶発光ダイオードの作用及び効果について、空孔付近の断面を拡大して示した図１を用いて説明する。電極間に電圧を印加することにより、p型半導体クラッド層１２には正孔が、n型半導体クラッド層１３には電子が、それぞれ注入される。これら正孔及び電子は、電極間の電界により、p型半導体クラッド層１２（正孔）及びn型半導体クラッド層１３（電子）内を移動する。この時、各クラッド層内においては、空孔１６の内壁の少なくとも一部に酸化領域１７が形成されているため、正孔や電子は導電率の低い酸化領域１７を避けて通り、空孔１６から離れた位置において各クラッド層から活性層１１に注入される。そのため、本発明の２次元フォトニック結晶発光ダイオードは酸化領域１７のない従来のものよりも正孔及び電子の表面再結合が生じ難くなる。これにより、光の放出を伴う再結合が増加し、発光効率が向上する。また、表面再結合による熱の放出を抑えることができるため、エネルギー効率が向上する。

活性層の空孔内壁は酸化させないことが望ましい。活性層の空孔内壁が酸化すると、その酸化領域の近傍において不純物準位が形成され、光ではなく熱を発生する再結合が生じる恐れがあるためである。しかし、たとえ活性層の空孔内壁に酸化領域が存在したとしても、p型半導体クラッド層及びn型半導体クラッド層に酸化領域を設けることにより、正孔及び電子が活性層の酸化領域に入る確率は小さくなり、酸化領域における再結合の影響を抑えることができる。

本発明の２次元フォトニック結晶発光ダイオードにおいて、p型半導体クラッド層及び／又はn型半導体クラッド層の少なくとも一部に、活性層の構成物質よりも酸化し易い物質を用いると、素子の製造上有利である。例えば、p型半導体クラッド層及びn型半導体クラッド層には酸化容易物質を用い、活性層にはほとんど酸化しない物質を用いれば、空孔内壁全体を同一の酸化雰囲気に晒すことにより、両クラッド層を選択的に酸化させることができる。また、ある程度酸化する物質を活性層の構成物質に用いた場合においても、その構成物質よりも酸化反応速度が十分に速い酸化容易物質を両クラッド層に用い、活性層内の空孔内壁の酸化がほとんど生じない程度の短い反応時間で酸化処理することにより、両クラッド層内の空孔内壁を選択的に酸化させることができる。

p型半導体クラッド層及び／又はn型半導体クラッド層の酸化容易物質には、Alを含む半導体を用いることができる。そのような物質には、AlGaAs、AlGaP、AlGaInP、AlGaN等がある。
この場合、活性層の構成物質にはAlを含まないGaAs、GaP、GaInP、GaN等を用いることができる。これらの酸化容易物質及び活性層の構成物質を用いた場合、空孔の内壁を水蒸気に晒すと、アルミニウム含有酸化容易物質は酸化するのに対して活性層の構成物質は酸化されない。そのため、容易にクラッド層内の空孔内壁のみを選択的に酸化することができる。
また、活性層の構成物質に、酸化容易物質と同じ成分を有し、Gaに対するAlの含有量（Al含有量）が酸化容易物質におけるAl含有量よりも少ないものを用いることもできる。この場合には、空孔の内壁を水蒸気に晒す時間を調整することにより、活性層内の空孔内壁はほとんど酸化させずクラッド層内の空孔内壁のみを十分に酸化させることができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶発光ダイオードの実施例を図２及び図３を用いて説明する。
図２(a)に本実施例の２次元フォトニック結晶発光ダイオードの縦断面図を示す。この２次元フォトニック結晶発光ダイオードは、GaAs/InGaAsから成る活性層１１をp型AlGaAsから成るp型半導体クラッド層１２とn型AlGaAsから成るn型半導体クラッド層１３で挟み、これら３つの層の積層体をITOから成る上部電極１４とAuGeNiから成る下部電極１５で挟んだ構造を有する。上部電極１４の材料には、素子内で発光した光を透過させることができるものであれば、ITO以外のものを用いることもできる。なお、下部電極１５には、素子内で発光した光を反射させることができるものであれば、AuGeNi以外のものを用いることもできる。また、p型半導体クラッド層１２は、p型AlGaAsから成る層の上にp型GaAsを設けたものであってもよい。

p型半導体クラッド層１２、活性層１１及びn型半導体クラッド層１３に、これらの層に略垂直な方向に延びる空孔１６を設ける。空孔１６は、p型半導体クラッド層１２及び活性層１１を貫通してn型半導体クラッド層１３内で終止するように形成する。また、空孔１６は、p型半導体クラッド層１２における横断面A-A'での断面図（図２(b)）で示したように、これらの層に平行な面内で三角格子状に周期的に配置する。空孔１６の径は0.1μm、三角格子の１辺の長さは0.35μmである。このような周期で空孔１６を形成することにより、活性層１１において発光する波長0.98μmの光に対応するフォトニックバンドギャップが形成され、この光はこれら３層内において該層に平行な方向の伝播成分を持つことができなくなる。
なお、空孔１６はn型半導体クラッド層１３及び活性層１１を貫通してp型半導体クラッド層１２内で終止していてもよいし、これら３層を全て貫通していてもよい。

更に、空孔１６の内壁のうちp型半導体クラッド層１２及びn型半導体クラッド層１３の部分に酸化領域１７を形成する。この酸化領域１７はこれらの層の材料であるAlGaAsを酸化させたものである。酸化領域１７の厚さは約0.05μmとした。

本実施例の２次元フォトニック結晶発光ダイオードの動作を説明する。上部電極１４と下部電極１５の間に、上部電極１４側を正とする電圧を印加すると、上部電極１４側から正孔がp型半導体クラッド層１２に注入され、下部電極１５側から電子がn型半導体クラッド層１３に注入される。p(n)型半導体クラッド層１２(１３)内では、酸化領域１７内の方がそれ以外の領域よりも導電率が低いため、正孔及び電子は酸化領域１７、即ち空孔１６の内壁付近を避けるように流れる。これにより、正孔及び電子は内壁から十分に離れた位置においてp(n)型半導体クラッド層１２(１３)から活性層１１に注入され、再結合して発光する。そのため、内壁付近で表面再結合が生じることはほとんど無く、内壁でのエネルギーの損失及び発光効率の低下を生じることがない。

前述のように活性層１１、p型半導体クラッド層１２及びn型半導体クラッド層１３が２次元フォトニック結晶として作用することにより活性層１１で発せられた光はこれらの層に平行な方向に伝播できず、垂直な方向にのみ伝播する。下部電極１５側に伝播する光は下部電極１５で反射する。従って、活性層１１で発せられた光は高い効率で上部電極１４側から取り出すことができる。

このように、本実施例の２次元フォトニック結晶発光ダイオードは、空孔内壁にに酸化領域１７を設けることにより発光効率の低下を防ぐことができるため、酸化領域１７がない場合と比較して光の取り出し効率を高めることができる。

図３を用いて、本実施例の２次元フォトニック結晶発光ダイオードの製造方法を説明する。まず、下部電極１５を基板として、通常のMOCVD法等の方法によりn型半導体クラッド層１３、活性層１１及びp型半導体クラッド層１２を作製する(a)。次に、p型半導体クラッド層１２の上に、空孔１６を設ける位置を塞ぐように、電子ビーム露光法やナノインプリント法等によりマスク２１を形成し(b)、通常の蒸着法により上部電極１４を形成する。マスク２１を除去した(c)後、反応性イオンエッチングや誘導プラズマエッチング等の方法により、p型半導体クラッド層１２、活性層１１及びn型半導体クラッド層１３をエッチングし、空孔１６を形成する(d)。
次に、空孔１６の内部を400℃の水蒸気に60秒間晒す。これにより、p型半導体クラッド層１２及びn型半導体クラッド層１３内の空孔１６の内壁及びそこからわずかに半導体内に入った領域においてAlGaAsが酸化し、酸化領域１７が形成される(e)。これにより、本実施例の２次元フォトニック結晶発光ダイオードが完成する。

本発明に係る２次元フォトニック結晶発光ダイオードの動作を示す拡大図（縦断面図）。 本発明に係る２次元フォトニック結晶発光ダイオードの一実施例を示す縦断面図(a)及び断面A-A'における横断面図(b)。 本実施例の２次元フォトニック結晶発光ダイオードの製造方法を示す縦断面図(a)。

符号の説明

１１…活性層
１２…p型半導体クラッド層
１３…n型半導体クラッド層
１４…上部電極
１５…下部電極
１６…空孔
１７…酸化膜
２１…マスク

Claims (6)

1. p型半導体クラッド層と、発光物質から成る活性層と、n型半導体クラッド層と、を１対の電極で挟んだ発光ダイオードにおいて、
   該p型半導体クラッド層、該活性層及び該n型半導体クラッド層に、これらの層を通る空孔を多数、周期的に配し、
   該p型半導体クラッド層と該n型半導体クラッド層のいずれか一方又は両方において、前記空孔の内壁の少なくとも一部を酸化させた、
   ことを特徴とするフォトニック結晶発光ダイオード。
2. 前記p型半導体クラッド層と前記n型半導体クラッド層のいずれか一方又は両方が、前記活性層よりも容易に酸化する酸化容易物質を含有することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶発光ダイオード。
3. 前記酸化容易物質がAlGaAs、AlGaP、AlGaInP、AlGaNのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶発光ダイオード。
4. p型半導体クラッド層と、発光物質から成る活性層と、n型半導体クラッド層と、を１対の電極で挟んだ発光ダイオードの製造方法であって、
   該p型半導体クラッド層、該活性層及び該n型半導体クラッド層に、これらの層を通る空孔を多数、周期的に形成する工程と、
   該p型半導体クラッド層と該n型半導体クラッド層のいずれか一方又は両方において、前記空孔の内壁の少なくとも一部を酸化させる酸化工程と、
   を有することを特徴とするフォトニック結晶発光ダイオード製造方法。
5. 前記p型半導体クラッド層と前記n型半導体クラッド層のいずれか一方又は両方に、前記活性層よりも容易に酸化する酸化容易物質を含有するものを用いることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶発光ダイオード製造方法。
6. 前記酸化容易物質にAlGaAs、AlGaP、AlGaInP、AlGaNのいずれかを用い、前記酸化工程において空孔の内壁を水蒸気により酸化させることを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶発光ダイオード製造方法。

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