JP2007533164A - テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図5c
Description
この出願は、2004年4月15日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたIII−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第60/562,489号と、2004年10月1日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたIII−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第60/615,047号と、2005年1月21日に出願された「平坦で、ひだのある量子井戸に基づいた窒化物LED」なる名称の米国仮出願第60/645,704号とに基づく優先権を主張し、ここにその開示全体を参照によって組み入れる。
この発明を導いた研究の一部は、合衆国陸軍研究事務所によって与えられた契約第DAAD19−00−2−0004の下で提供された合衆国政府支援によって遂行されたものである。従って、合衆国政府はこの発明に相応の権利を有する。
発光ダイオード(LED)は、赤外、可視又は紫外(UV)領域の光を発生することが可能な半導体光学装置である。可視及び紫外で発光するLEDは、窒化ガリウム(GaN)と、その窒化インジウム(InN)及び窒化アルミニウム(AlN)との合金を使用して作られる。これらの装置は一般に、p−n接合として配置されたp及びn型半導体層からなる。標準的なLED装置では、半導体層は、研磨された基板、例えばシリコン上に均一に成長される。典型的な半導体層は、p又はn型層となるようにドープされている窒化ガリウム(GaN)によって形成される。
本発明は、光エミッタ又はセンサとして、あるいは太陽電池として使用される装置を提供する。この発明のエミッタについては、IQE及び光取り出し効率が従来の装置に対して改良される。センサ又は太陽電池については、光を装置に結合する効率も改良される。一実施形態では、半導体材料は、テクスチャ出しされた(テクスチャード)最初の半導体層が成長時に基板上に堆積されることからスタートして、複数の層として堆積される。一実施形態では、この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面形態を有するようにする。基板とテクスチャ出しされた層は、複合的半導体層の成長用テンプレート(型板)として使用され得る。例えば、装置は、第1のテクスチャ出しされた層の上に堆積された第2の層を備えることがある。これらの層は、p及びnドーパントを伴って堆積されて、p−n接合型発光ダイオード(LED)を形成することができる。テクスチャ出しされた発光層は、光脱出を強化する。最初の半導体層は、その上に量子井戸が成長される障壁層として役立つことが好ましい。複数の半導体層の各々は、第1の成長層のテクスチャと同様になり、かくして光が取り出されるLEDの外面は、最初の半導体層とほぼ同じテクスチャを有する。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。
本発明のLEDや光検出器は、外部光取り出し効率及び内部量子効率の一方又は双方が改良されている。光取り出し効率は、最初の半導体基板層からの層を適用するプロセスによって典型的に複製されるテクスチャ出しされた放出表面によって改良されている。成長速度の制御と適切な堆積手順の使用により、テクスチャ出しされた表面層を最初の半導体層上に形成することができる。このテクスチャは、後続の層が適用されるときにそれらの層を通して複製され、その結果、大幅に改良された光取り出し効率を有する放出層を生じる。最終表面のテクスチャ出しも、下地の基板を別にテクスチャ出しするか、あるいは深い溝で装飾された未研磨の基板を使用することによって達成可能である。何故ならば、ウエハは通常インゴットからソーを使用して切断されるからである。
好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。この場合、井戸は、半導体層を交互にしながら堆積され得る障壁及び量子井戸層の双方を備える。複合的量子井戸は、第1の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
本発明は、ここでは好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、当業者は、
4 第1の層
8 第2の層
9 上面
11,13 電極
Claims (52)
- 光学センサ、太陽電池又はエミッタとして使用される半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
前記基板上の第1の層であって、III−V材料からなると共に、その表面がテクスチャ出しされたトポロジーを有する第1の層と、
障壁層と交互になると共に、第1の層の表面によってテクスチャ出しされた1以上の量子井戸層とを備え、
障壁層はIII−V材料からなり、また量子井戸層はIII−V材料からなることを特徴とする半導体装置。 - 前記基板は、表面がテクスチャ出しされ、また前記第1及びそれに続く層は、基板のテクスチャ出しを複製する請求項1に記載の半導体装置。
- 第1の層と障壁層は、一致したIII−V組成を有する請求項1に記載の半導体装置。
- 基板は、(0001)サファイア、(11−20)サファイア、(0001)炭化シリコン、(0001)酸化亜鉛、(111)シリコン、(111)ヒ化ガリウム、(0001)窒化ガリウム、(0001)窒化アルミニウム及び(0001)AlGaNからなる群から選択された材料からなる請求項1に記載の半導体装置。
- 第1の層は、過剰HClの存在下におけるIII−V群材料のハライド気相成長法の結果である請求項1に記載の半導体装置。
- III−V群材料からなる上層を更に備え、この上層は、1つの障壁層に成長されたものである請求項1に記載の半導体装置。
- 第1の層と上層は、p及びn逆のドーパントを有して、それらの間のp−n接合を、前記1以上の量子井戸層を有する領域内に形成する請求項6に記載の半導体装置。
- 装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサからなる請求項7に記載の半導体装置。
- 基板は、前記第1の層から遠い側に、テクスチャ出しされた表面を有する請求項1に記載の半導体装置。
- 基板のテクスチャ出しされた表面は、s面の表面である請求項2に記載の半導体装置。
- 基板のs面の表面は、機械的にテクスチャ出しされたものである請求項10に記載の半導体装置。
- 基板のs面の表面は、リソグラフィ又はエッチングによってテクスチャ出しされたものである請求項10に記載の半導体装置。
- 第1の層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はそのような方法の組み合わせの1つ又は複数から生じた基板上の堆積物である請求項1に記載の半導体装置。
- 1以上の量子井戸層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はこれら方法の組み合わせによって成長されたものである請求項9に記載の半導体装置。
- 半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
III−V群材料からなり、前記基板上に成長されるときにテクスチャ出しされた第1の層とを備え、
前記層の表面は、テクスチャ出しされたトポロジーを有することを特徴とする半導体装置。 - 基板は、(0001)サファイア、(11−20)サファイア、(0001)炭化シリコン、(0001)酸化亜鉛、(111)シリコン、(111)ヒ化ガリウム、(0001)窒化ガリウム、(0001)窒化アルミニウム及び(0001)AlGaNからなる群から選択された材料からなる請求項15に記載の半導体装置。
- 第1の層は、過剰HClの存在下におけるハライド気相成長法によって基板上に成長されるときにテクスチャ出しされたものである請求項15に記載の半導体装置。
- 第2の層を更に備え、この第2の層は、III−V群材料からなる請求項15に記載の半導体装置。
- 第1の層と第2の層は、p及びn逆のドーパントをドープされて、それらの間にp−n接合を構成する請求項18に記載の半導体装置。
- 装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項19に記載の半導体装置。
- 1以上のテクスチャ出しされた量子井戸層を第1及び第2の層の間に更に備える請求項18に記載の半導体装置。
- 前記量子井戸層は、複数の障壁層をそれぞれの量子井戸層間に更に備え、各障壁層は、第1の層の表面に対応するテクスチャ出しされた表面を有する請求項21に記載の半導体装置。
- 装置は、1以上の量子井戸層を更に備え、それぞれは、第1の層の表面に対応するようにテクスチャ出しされた少なくとも1つの量子井戸層からなる請求項15に記載の半導体装置。
- 装置は、III−V群材料からなる上層を更に備える請求項23に記載の半導体装置。
- 前記層と上層は、p及びn逆のドーパントを有して、p−n接合を形成する請求項24に記載の半導体装置。
- 装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項25に記載の半導体装置。
- 半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及びAlGaNからなる群から選択された材料からなると共に、テクスチャ出しされた表面を有する基板と、
III−V群材料とドーパントからなり、前記基板のテクスチャ出しされた表面のテクスチャを複製する上面を有する第1の層と、
III−V群材料からなる第2の層と
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 基板は、(0001)サファイア、(11−20)サファイア、(0001)炭化シリコン、(0001)酸化亜鉛、(111)シリコン、(111)ヒ化ガリウム、(0001)窒化ガリウム、(0001)窒化アルミニウム及び(0001)窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項27に記載の半導体装置。
- 第1の層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はこれら方法の組み合わせの1つ又は複数により生じた基板上の堆積物である請求項27に記載の半導体装置。
- 第1の層と第2の層は、p及びn逆のドーパントを有して、p−n接合を構成する請求項27に記載の半導体装置。
- 装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項30に記載の半導体装置。
- 基板のテクスチャ出しされた表面に対応してテクスチャ出しされた1以上の量子井戸層を更に備える請求項27に記載の半導体装置。
- 前記量子井戸層は、複数の障壁層を備え、各障壁層は、基板のテクスチャ出しされた表面の複製を有する請求項32に記載の半導体装置。
- 量子井戸層は、前記第1の層と実質的に同じ組成である請求項33に記載の半導体装置。
- 装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項34に記載の半導体装置。
- 基板のテクスチャ出しされた表面は、リソグラフィ又はエッチングされた表面である請求項27に記載の半導体装置。
- 前記III−V材料は、III−V窒化物である先行する請求項のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体装置を製作するための方法であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板を与える工程と、
III−V群材料からなる第1の層を基板上に堆積する工程と備え、
前記層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされたものであり、前記層は、テクスチャ出しされたトポロジーを持つ表面を有することを特徴とする方法。 - 基板は、(0001)サファイア、(11−20)サファイア、(0001)炭化シリコン、(0001)酸化亜鉛、(111)シリコン、(111)ヒ化ガリウム、(0001)窒化ガリウム、(0001)窒化アルミニウム及び(0001)窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項38に記載の方法。
- 前記層は、過剰HClの存在下におけるハライド気相成長法によって堆積されたものである請求項38に記載の方法。
- 第2の層を第1の層上に堆積する工程を更に備え、第2の層は、III−V群材料からなる請求項38に記載の方法。
- 第1の層と第2の層を、p及びn逆のドーパントを伴って堆積する工程を備え、それらの間にp−n接合を形成する請求項41に記載の方法。
- 1以上の量子井戸層を前記第1の層及び第2の層上に堆積する工程を更に備え、各量子井戸層は、第1の層の表面を複製するテクスチャを有する請求項38に記載の方法。
- 量子井戸層を堆積する工程は、複数の障壁層を堆積する工程を含み、各障壁層は、第1の層の表面を複製するテクスチャ出しされた表面を有する請求項38に記載の方法。
- 前記障壁層は、量子井戸層と交互に堆積され、それぞれが第1の層のテクスチャを複製する請求項38に記載の方法。
- 半導体装置を製作するための方法であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなると共に、テクスチャ出しされた表面を有する基板を与える工程と、
III−V群材料からなると共に、基板の表面によってテクスチャ出しされた上面を有する第1の層を基板上に堆積する工程と、
この層の上にIII−V群材料からなる第2の層を堆積する工程と
を備えることを特徴とする方法。 - 基板は、(0001)サファイア、(11−20)サファイア、(0001)炭化シリコン、(0001)酸化亜鉛、(111)シリコン、(111)ヒ化ガリウム、(0001)窒化ガリウム、(0001)窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項46に記載の方法。
- 第1の層と第2の層の堆積工程は、それらの層をp及びn逆のドーパントを伴って堆積する工程を含み、それらの間にp−n接合を形成する請求項46に記載の方法。
- 前記第1及び第2の層間における基板の表面テクスチャを複製する1以上の量子井戸層を堆積する工程を備える請求項46に記載の方法。
- 量子井戸層を堆積する工程は、1以上の障壁層を堆積する工程を更に備え、各障壁層は、基板の表面を複製するテクスチャを有する請求項49に記載の方法。
- 量子井戸層を堆積する前記工程は、前記第1の層の組成と実質的に一致する組成を堆積する請求項50に記載の方法。
- 前記III−V材料は、III−V窒化物である請求項38〜51のいずれか1つに記載の方法。
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