JP3660801B2 - ＧａＮ系半導体発光素子 - Google Patents
ＧａＮ系半導体発光素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3660801B2 JP3660801B2 JP15583898A JP15583898A JP3660801B2 JP 3660801 B2 JP3660801 B2 JP 3660801B2 JP 15583898 A JP15583898 A JP 15583898A JP 15583898 A JP15583898 A JP 15583898A JP 3660801 B2 JP3660801 B2 JP 3660801B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gan
- layer
- crystal layer
- quantum dot
- base surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系材料を用いた半導体発光素子（以下、「ＧａＮ系発光素子」ともいう）に関するものであり、詳しくは、発光のメカニズムに係る部分の構造が、ＧａＮ系半導体材料による多重の量子ドット構造であるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系発光素子は、近年高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）が実現されたのを機会に研究が活発に行われており、半導体レーザの室温連続発振の報告も聞かれる様になっている。
【０００３】
ＧａＮ系発光素子のなかでも、緑色〜青色の短い波長の発光が得られ、しかも高い発光効率が得られるものとして、発光層（活性層）にＩｎＧａＮの量子井戸層を用いたものがある。
ＩｎＧａＮを用いて量子井戸層を形成する場合、その熱力学的な不安定性から、層全体にわたって均一な組成比にはならず、層中で局所的にＩｎ組成比の異なった部分が発生する。この部分は量子ドットに似た性質をもつ。ＩｎＧａＮの量子井戸層を発光層として用いた発光素子では、この量子ドット的な部位が、層の厚み方向のみならず３次元的な方向について励起子を閉じ込める作用を示し、この部分でキャリアの再結合発光が起きると言われており、これがＩｎＧａＮ量子井戸層が高い発光効率で発光し得る要因の１つとされている。
【０００４】
ＩｎＧａＮ量子井戸層中の量子ドット的な部位は、ＩｎＧａＮ自体の性質によって層中に存在するものである。他方、ＧａＡｓ系の材料では、ドット材料と基板材料との格子不整合を利用した量子ドットの形成が知られている。
これらに対して、近年、ＧａＮ系材料からなる結晶層の表面に特殊な表面処理を施すことによって、該結晶層の表面上にこれと格子整合性の良好なＧａＮ系半導体を量子ドットとして突起状に成長させ得ることが明らかとなった (Appl.Phys.Lett.69(1996)4096 ）。この量子ドット形成のメカニズムは、前記ＩｎＧａＮや、ＧａＡｓ系における量子ドットの形成とは全く異なるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＧａＮ系材料による量子ドットの形成が可能であることは明らかとなっている。しかし、このＧａＮ系の量子ドットを用いてＧａＮ系発光素子を構成するためには、未だ、量子ドット構造の好ましい態様や、量子ドットの個々の大きさ、量子ドット全体の分布の程度などの点で最適な態様が明らかにはされていない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決し、ＧａＮ系発光素子のための量子ドットの最適な態様を示し、より高効率なＧａＮ系発光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、以下の特徴を有するものである。
（１）下記（ｉ）のＧａＮ系の多重量子ドット構造を、発光に係る部分として有し、
該ＧａＮ系の多重量子ドット構造中の各段の量子ドットに用いられるＧａＮ系材料をドット材料とよび、そのベース面となる結晶層に用いられるＧａＮ系材料をベース材料とよぶとき、ドット材料とベース材料とが下記（ ii ）の格子整合性を満たす関係にあり、そのベース面の表面状態がアンチサーファクタントによって変化させられたことによってドット材料がベース面に量子ドットとして成長したものであること、
を特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
（ｉ）ＧａＮ系材料からなる結晶層（Ａ）の上面をベース面とし、該ベース面上に、ＧａＮ系材料からなる量子ドットが分散して形成されさらにＧａＮ系材料からなる結晶層（Ｂ）が前記量子ドットを内部に埋め込むように形成され、
結晶層（Ｂ）の上面を新たにベース面とする繰り返しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込む結晶層（Ｂ）の形成とが繰り返され、これによって結晶層（Ａ）上には、量子ドットと結晶層（Ｂ）との組を１段としてこれが２段以上積層されており、かつ、各段の量子ドットの材料のバンドギャップは、そのベース面となる結晶層の材料およびそれを埋め込む結晶層（Ｂ）の材料の各々のバンドギャップよりも小さいものであるＧａＮ系の多重量子ドット構造。
（ ii ）ベース面の表面状態を変化させるような表面処理を施すことなく該ベース面上にドット材料を直接的に結晶成長させたとき、ドット材料がベース面上に膜状に結晶成長し得るようなドット材料とベース材料との格子整合性。
（２）上記ＧａＮ系の多重量子ドット構造において、各段の各々の量子ドットの寸法を、結晶層（Ｂ）の層厚方向については高さｈとし、結晶層（Ｂ）の拡がる方向については幅ｗとし、各段のベース面上における量子ドットの分散の度合いを密度ρとするとき、０．５ｎｍ≦ｈ≦５０ｎｍ、０．５ｎｍ≦ｗ≦２００ｎｍ、１０ ６ ｃｍ −２ ≦ρ≦１０ １３ ｃｍ −２ 、である上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（３）上記ＧａＮ系の多重量子ドット構造における結晶層（Ａ）が第１の伝導型のクラッド層であり、最上段の結晶層（Ｂ）の上にさらに第２の伝導型のクラッド層が設けられている上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【００１２】
【作用】
本発明において、発光に係る部分として用いられる上記（ｉ）のＧａＮ系の多重量子ドット構造を構成する各段の量子ドットは、ＧａＮ系材料からなる結晶層の上面（即ち、上記（ｉ）におけるベース面）上に、ＧａＮ系材料を量子ドットとして成長させたものである。ただし、ベース材料とドット材料とは、上記（ii）の関係にある。即ち、ドット材料は、ベース面の表面状態を何ら変化させることなく従来通りの結晶成長法・成長条件にてベース面上に成長させた場合には、従来知られているとおり、膜としてベース面上を全面覆う結晶層として成長する材料である。即ち、共にＧａＮ系材料であるベース材料とドット材料とは、少なくともその程度に格子整合しているということである。
【００１３】
共にＧａＮ系材料であるベース材料とドット材料とが、上記のような格子整合の関係にある状態において、ドット材料をベース面上に膜状としてではなく量子ドットとして成長させるためには、ベース面にアンチサーファクタント（ベース面であるＧａＮ系結晶層表面の表面状態を変化させる物質）を作用させる。アンチサーファクタントの作用によるＧａＮ系結晶層表面の表面状態の変化については、詳しくは解明されていないが、表面自由エネルギーが小さくなる変化であると考えられる。ベース面の表面状態をこのように変化させることによって、ドット材料は、ＧａＮ系材料からなるベース面上に、量子ドットとして成長する。
【００１４】
上記のようにしてベース面上に量子ドットを成長させ、さらにベース面の残りの領域を結晶成長の出発面としてＧａＮ系材料からなる結晶層（Ｂ）を成長させて該結晶層（Ｂ）自体の内部に量子ドットを埋め込む。本発明は、この量子ドットとそれを埋め込む結晶層（Ｂ）との組合せを、上記（ｉ）のように成長を繰り返して多段に積層し、従来にはないＧａＮ系の多重量子ドット構造とし、これを発光現象に係る構造として発光素子に用いたものである。ここでいう発光現象は、電子またはホールの注入によって量子ドット中において励起子（エトキシ）あるいは電子とホールとが再結合し発光する現象である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のＧａＮ系発光素子の一例を示す断面図であって、説明のために簡単な構造のＬＥＤを例として示している。同図のＬＥＤは、結晶基板１上に、ＧａＮ系材料からなる結晶層を順次成長させて積み重ね、多重の量子ドット構造３を含む積層体Ｓを形成し、これにｐ型側の電極６とｎ型側の電極７を設けて構成したものである。多重の量子ドット構造３は、５段の構造を例示している。層２はｎ型コンタクト層、層５はｐ型コンタクト層、層４はｐ型クラッド層である。また、同図の例では、多重の量子ドット構造３において最初のベース面を提供する結晶層Ａは、前記ｐ型クラッド層４に対応するｎ型クラッド層としての役割を果たす層となっている。層２〜層５は、いずれもＧａＮ系材料からなる。
【００１６】
図１の例における伝導型（ｐ型、ｎ型）の上下位置関係は、伝導型を形成するための加工上の理由から、結晶基板側をｎ型とし上層側をｐ型とする一般的なものとなっている。また、同図の例では、結晶基板に絶縁体（サファイア結晶基板）を用いており、層２の上面を露出させ、その面に電極７を設けるという電極配置となっている。以下、本発明の発光素子の他の態様を説明する場合にも、ｐ／ｎ型の上下関係、電極配置については、これと同様の例を挙げて説明する。しかし、ｐ／ｎ型の上下が逆の態様や、結晶基板が導電性を有する場合の電極配置なども自由に選択してよい。
【００１７】
多重量子ドット構造は、ＧａＮ系材料からなる結晶層を最下層としてその上に量子ドットと、それを内部に埋め込む結晶層（以下、この結晶層を「キャップ層」とも呼ぶ）との組が２段以上多段に積層された構造である。これらは全てＧａＮ系材料からなるものである。
図１の例についてより詳しく説明すると、ＧａＮ系材料からなる結晶層Ａを、多重構造の最下層とし、その上面をベース面とする。該ベース面上には、ＧａＮ系材料からなる量子ドットｄ１が分散した状態として形成されている。このベース面のうち、量子ドットｄ１が形成されなかった部分を結晶成長の出発面として、ＧａＮ系材料からなる結晶層（キャップ層）Ｂ１が量子ドットｄ１を埋め込むまで成長している。この量子ドットとキャップ層との組を１段として数える。
【００１８】
さらに、上記キャップ層Ｂ１の上面を新たにベース面として再び量子ドットｄ２を形成し、これを埋め込むまでキャップ層Ｂ２を成長させるという繰り返しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込むキャップ層の形成とが繰り返されている。この繰り返しによって、結晶層Ａ上には、量子ドットとキャップ層との組が（ｄ１、Ｂ１）〜（ｄ５、Ｂ５）として、５段まで積層され、多重量子ドット構造となっている。
【００１９】
本発明でいう多重量子ドット構造は、各段の量子ドットが、各々のドット材料よりもバンドギャップの大きい材料にて包含された構造をいう。図１の例では、最下層の結晶層Ａから最上段の結晶層Ｂ５までが多重量子ドット構造である。この多重量子ドット構造を発光に係る部分として用いるために、必要に応じてさらに他の結晶層を、発光のメカニズムに関与する層として加えてもよい。また、多重量子ドット構造内の各層の伝導型は、多重量子ドット構造による目的の発光のメカニズムに応じて、次に示す例の他自由に決定してよい。
【００２０】
図１の例では、最下層の結晶層Ａが第１の伝導型（ｎ型）のクラッド層として機能しており、発光のメカニズムのために、多重量子ドット構造３上にさらに第２の伝導型（ｐ型）のクラッド層４が加えられている。層Ａはｎ型であり、層Ｂ１から層Ｂ５までの各層はアンドープ層であって弱いｎ型となっている。
【００２１】
図２（ａ）の例では、最下層の結晶層Ａは、量子ドットｄ１をより大きなバンドギャップの材料で閉じ込めるための層であって、さらにバンドギャップの大きいｎ型・ｐ型クラッド層が加えられ、これらが多重量子ドット構造３を上下から挟み込んでいる。層Ａから層Ｂ３までの各層はアンドープ層であって弱いｎ型となっている。
【００２２】
図２（ｂ）の例は、多重量子ドット構造３の内部に両クラッド層が含まれる例であって、最下層の結晶層Ａがｎ型クラッド層、最上段の結晶層Ｂ３がｐ型クラッド層となっている。層Ｂ１、Ｂ２はアンドープ層であって弱いｎ型となっている。
【００２３】
各段の量子ドットに用いられるドット材料のバンドギャップは、そのベース面となる結晶層のベース材料、およびそれを埋め込むキャップ層の材料（以下、「キャップ材料」という）の各々のバンドギャップよりも小さいものであればよい。これは、各段の量子ドットに電子およびホールを効率よく注入し、この部分をより高効率な発光部とするためである。ドット材料とその周囲の材料とのバンドギャップの関係がこの条件を満足するのであれば、各段のバンドギャップは互いに異なっていてもよい。
【００２４】
本発明のＧａＮ系発光素子に用いられるＧａＮ系材料とは、式ＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体である。なかでもＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが有用なものとして挙げられる。
ＧａＮ系の多重量子ドット構造において、上記バンドギャップの関係を満たす材料の組合せとしては、例えば、ベース材料およびキャップ材料をＡｌx Ｇａ(1-x) Ｎとし、ドット材料をＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎとする組合せ（ただし０＜Ｘ、０≦Ｙ、Ｙ＜Ｘである）などが挙げられる。
【００２５】
ドット材料には、例えば、発光強度を増大させることなどを目的として、Ｓｉなどの不純物をドーピングしてもよい。
【００２６】
また、ベース材料、ドット材料、キャップ材料のうちの１以上のものには、さらに、Ｂ、Ａｓ、Ｐから選ばれる１以上の元素を含有させてもよい。
【００２７】
個々の量子ドットの形状は、材料や成長条件によって異なるが、多面体状、柱状、半球状となる。
【００２８】
このＧａＮ系の多重量子ドット構造を高効率にて発光させるためには、各段の量子ドットについては、個々のドットの大きさ、およびそのベース面における量子ドット全体の分布の程度を最適な範囲とすることが必要となる。また、多重量子ドット構造全体については、層厚、量子ドットの密度、材料の組成などに、段毎に変化をつけるなどが好ましい態様となる。本発明では、これら量子ドット形成のための最適な範囲、多重構造全体としての好ましい態様を与えている。これを次に述べる。
【００２９】
個々の量子ドットの大きさは、量子ドット構造において発光効率に影響を与える重要な要素であり、量子閉じ込め効果が十分に得られるサイズであることが重要である。個々の量子ドットの大きさは、キャップ層の層厚方向についての量子ドットの寸法（ベース面から量子ドットのトップまでの距離）を高さｈとし、キャップ層の拡がる方向についての量子ドットの最大寸法を幅ｗとして好ましい範囲を限定する。
【００３０】
量子ドットの高さｈ、幅ｗは、発光に寄与する励起子の閉じ込めの意味からは小さい方が好ましいが、実際の量子ドット作製における寸法の制御性などを考慮すると、これらは共に０．５ｎｍ以上であることが好ましい。また、これらの最大寸法については、量子効果の観点から、高さｈは５０ｎｍ以下、幅ｗは２００ｎｍ以下が好ましい。従って、０．５ｎｍ≦ｈ≦５０ｎｍ、０．５ｎｍ≦ｗ≦２００ｎｍ、が好ましい範囲となる。
【００３１】
各段のベース面における量子ドット全体の分散の度合いは、該ベース面における発光源の密度であるため、これもまた発光効率に影響を与える重要な要素である。この量子ドットの分散の度合いについては、密度（単位面積当たりの量子ドットの数）ρとして表し範囲を限定する。
【００３２】
密度ρは、量子ドット１つ１つからの発光は弱いので、発光効率を考慮すると１０6 ｃｍ-2以上とすることが好ましく、また、量子ドットの大きさにもよるが、量子ドット同士が互いに接触しないように１０13ｃｍ-2以下とすることが好ましい。従って、１０6 ｃｍ-2≦ρ≦１０13ｃｍ-2が好ましい範囲となる。
【００３３】
上記量子ドットの高さｈ、幅ｗ、密度ρ、各段の層厚（即ちキャップ層の層厚）、各段のドット材料、キャップ材料の組成など、各段の仕様を決定づけるパラメータは、隣合った段同士で互いに異なるように選択してもよい。例えば、量子ドットとキャップ層の組が３段の積層構造である場合、段が変わる毎に発光波長がＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）と変わるように、各段のドット材料の組成、量子ドットの高さｈ、幅ｗ、密度ρ、キャップ層の層厚などを設定することなどが挙げられる。
【００３４】
各段の仕様を変化させる場合の変化の態様は、上記以外にも、目的に応じて自由に選択してよく、段が変わる毎に仕様のパラメータを単調に増加（減少）させるような変化、２種類の仕様を交互とするような変化、中央付近の段を変化のピークとするような変化などが挙げられる。また、１段毎に変化させるだけではなく、２段毎に変化させるなど、隣合った複数の段の仕様を同じとし複数段毎に変化させる態様としてもよい。材料の組成に変化をもたせる場合、ドット材料とキャップ材料とを共に変化させてもよく、また、ドット材料を一定にしてキャップ材料だけを変化させるなど、一方の材料だけを変化させてもよい。
【００３５】
上記説明によるＧａＮ系の多重量子ドット構造と、必要に応じてこれに加えられるクラッド層などの結晶層とを１ユニットとして、このユニットを任意の数だけ積層して発光素子の内部に設けてもよい。この構造によって、例えば、ユニット毎に異なる発光波長とする等、素子の機能の幅を拡げることが可能となる。
【００３６】
ベース面に量子ドットを形成するには、上記作用の説明で述べたように、ベース面にその表面状態を変化させる物質（アンチサーファクタント）を作用させてから量子ドットに用いられるＧａＮ系材料を結晶成長させる。ベース面にアンチサーファクタントを作用させるには、ベース面とアンチサーファクタントとを接触させればよい。接触の方法は限定されないが、例えば、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＧａＮ結晶層上面をベース面としてＧａＮの量子ドットを形成する場合であれば、ＭＯＣＶＤ装置内でＡｌＧａＮ結晶層が成長した後、該装置内にガス状のアンチサーファクタントを供給すればよい。その後、Ｇａ材料、Ｎ材料等を供給し、ＧａＮ結晶を成長させる。
【００３７】
アンチサーファクタントをガス状として供給するには、例えば、テトラエチルシランをアンチサーファクタントとするのであれば、その溶液にＨ2 ガスをバブリングさせることにより、Ｈ2 ガスをキャリアガスとして供給する方法が挙げられる。
【００３８】
アンチサーファクタントとして用いられる物質は、ベース材料とドット材料との組合せによって適当なものが選択でき、限定されない。例えば上記のように、ＡｌＧａＮ結晶層上にＧａＮを量子ドットとして形成させる場合のアンチサーファクタントとしては、テトラエチルシランが挙げられる。その他、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、またはこれらの混合ガス、Ｃｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）等が挙げられる。
【００３９】
個々の量子ドットの大きさ、形状、量子ドットの分散の度合いは、アンチサーファクタントの供給量、量子ドットの成長温度、ベース材料の組成をパラメータとして変化させることによって制御することができる。
量子ドットを成長させるときの結晶成長方法は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどが挙げられる。
【００４０】
結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよく、例えば、従来からＧａＮ系結晶を成長させる際に汎用されている、サファイア、水晶、ＳｉＣ等が挙げられる。なかでも、サファイアのＣ面、Ａ面、６Ｈ−ＳｉＣ基板、特にＣ面サファイア基板が好ましい。またこれら材料の表面に、ＧａＮ系結晶との格子定数や熱膨張係数の違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯやＡｌＮ等のバッファー層を設けたものであっても良く、さらにはＧａＮ系結晶の薄膜を表層に有するものでもよい。図１の例では、基礎となるサファイア結晶基板１ａ上に、格子整合性を改善するためのバッファー層１ｂが形成されたものを結晶基板１として用いている。
【００４１】
【実施例】
本実施例では、図１に示す構造のＬＥＤを実際に製作した。ただし、多重量子ドット構造３は、図では（ｄ１、Ｂ１）〜（ｄ５、Ｂ５）の５段として示されているが、本実施例では１０段とした。また、多重構造全体の構成としては、段が変わる毎に材料の変化や量子ドットの仕様に変化を設けることはせず、全ての段を同様に形成した。各段のキャップ材料は全てＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎとし、ドット材料をすべてＧａＮとした。また、ｎ型クラッド層である結晶層Ａの材料、ｐ型クラッド層４の材料は、共にＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとした。
【００４２】
〔結晶基板１の形成〕
最も基礎の結晶基板１ａとしてはサファイアＣ面基板を用いた。まずこのサファイア基板１ａをＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲気下で１２００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を５００℃まで下げＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニアを流し、ＡｌＮ低温バッファー層１ｂを３０ｎｍ成長させ、結晶基板１を得た。
【００４３】
〔ｎ型コンタクト層２の形成〕
成長温度を１０００℃に昇温し、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ原料としてアンモニア、ドーパント原料としてシランを流し、ｎ型ＧａＮコンタクト層２を３μｍ成長させた。
【００４４】
〔多重量子ドット構造３の形成〕
▲１▼層Ａの形成；成長温度を１１００℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント原料としてシランを供給し、ｎ型ＡｌＧａＮ層Ａを０．５μｍ成長させた。この層Ａは、ｎ型クラッド層としての機能を果たす層である。
【００４５】
▲２▼層Ａ上面（ベース面）の表面処理；成長温度を１０００℃とし、Ｈ2 ガスをキャリアとしてテトラエチルシランを供給し、層Ａ上面に１０秒間接触させた。
【００４６】
▲３▼１段目の量子ドットｄ１の形成；ＴＭＧ、アンモニアを供給し、ベース面上にＧａＮ量子ドットｄ１を形成した。個々の量子ドットの高さｈの平均は６ｎｍ、幅ｗの平均は４０ｎｍであった。また、ベース面上における量子ドットの分散の度合い（密度、即ち単位面積当たりの量子ドットの数）ρは、３×１０9 ｃｍ-2であった。
【００４７】
▲４▼１段目のキャップ層Ｂ１の形成；成長温度を１１００℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給し、ベース面のうち量子ドットが形成されていない領域を結晶成長の出発面として、量子ドットが内部に埋め込まれるよう、層厚１０ｎｍのキャップ層Ｂ１を成長させた。
【００４８】
▲５▼２段目以上の形成；キャップ層の上面を新たにベース面とすることによって上記▲２▼〜▲４▼の工程を繰り返すことによって、層Ａ上に、量子ドットとそれを埋め込むキャップ層との組を合計１０段積層した。
【００４９】
〔ｐ型クラッド層４の形成〕
成長温度を１１００℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層４を０．５μｍ成長させた。
【００５０】
〔ｐ型コンタクト層５の形成〕
成長温度を１０００℃とし、ＴＭＧ、アンモニア、およびドーパント原料としてＣｐ2 Ｍｇを供給し、ｐ型ＧａＮコンタクト層５を１μｍ成長させた。
【００５１】
〔電極の形成等〕
試料を装置から取り出し、窒素雰囲気、８００℃で２０分間アニール処理を行った。最後に、ｐ型コンタクト層５の上にｐ型電極６を形成し、また、ドライエッチングにより積層体の上面からｐ型層と量子ドット構造の一部をエッチング除去し、ｎ型コンタクト層２の上面を露出させ、ｎ型電極７を形成し、ＬＥＤとした。
【００５２】
このＬＥＤを、Ｔｏ−１８ステム台にマウントし、２０ｍＡでの光度の測定を行ったところ、１５０ｍｃｄであった。
【００５３】
比較例
実施例１において、量子ドットとキャップ層との組を１段だけとしたこと以外は、実施例１と同様にＬＥＤを作製した。このＬＥＤについて、実施例１と同様に２０ｍＡでの光度の測定を行ったところ、７５ｍｃｄであった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のＧａＮ系発光素子は、ＧａＮ系材料からなる量子ドット構造を発光に係る部分として有するものであり、しかも最適な態様として、多段化された量子ドット構造となっている。さらには、各段の個々の量子ドットの高さ、幅、量子ドットの分散の度合いの適正な範囲を限定し、多段の構造全体についても段毎に仕様の変化を与えることを提案するものである。これらの最適化への態様によって、より高効率なＧａＮ系発光素子が得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＮ系発光素子の一例を示す断面図である。同図では、説明のために、各層の厚み、量子ドット・電極の寸法などを誇張して示しており、実際の比率とは異なる。また、他の層と区別するために、電極、層Ａ、Ｂ１〜Ｂ５にハッチングを施している。
【図２】多重量子ドット構造の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 結晶基板
２ ｎ型コンタクト層
３ 多重量子ドット構造
Ａ ｎ型クラッド層
ｄ１〜ｄ５ 各段の量子ドット
Ｂ１〜Ｂ５ 各段のキャップ層
４ ｐ型クラッド層
５ ｐ型コンタクト層
６ ｐ型電極
７ ｎ型電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系材料を用いた半導体発光素子（以下、「ＧａＮ系発光素子」ともいう）に関するものであり、詳しくは、発光のメカニズムに係る部分の構造が、ＧａＮ系半導体材料による多重の量子ドット構造であるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系発光素子は、近年高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）が実現されたのを機会に研究が活発に行われており、半導体レーザの室温連続発振の報告も聞かれる様になっている。
【０００３】
ＧａＮ系発光素子のなかでも、緑色〜青色の短い波長の発光が得られ、しかも高い発光効率が得られるものとして、発光層（活性層）にＩｎＧａＮの量子井戸層を用いたものがある。
ＩｎＧａＮを用いて量子井戸層を形成する場合、その熱力学的な不安定性から、層全体にわたって均一な組成比にはならず、層中で局所的にＩｎ組成比の異なった部分が発生する。この部分は量子ドットに似た性質をもつ。ＩｎＧａＮの量子井戸層を発光層として用いた発光素子では、この量子ドット的な部位が、層の厚み方向のみならず３次元的な方向について励起子を閉じ込める作用を示し、この部分でキャリアの再結合発光が起きると言われており、これがＩｎＧａＮ量子井戸層が高い発光効率で発光し得る要因の１つとされている。
【０００４】
ＩｎＧａＮ量子井戸層中の量子ドット的な部位は、ＩｎＧａＮ自体の性質によって層中に存在するものである。他方、ＧａＡｓ系の材料では、ドット材料と基板材料との格子不整合を利用した量子ドットの形成が知られている。
これらに対して、近年、ＧａＮ系材料からなる結晶層の表面に特殊な表面処理を施すことによって、該結晶層の表面上にこれと格子整合性の良好なＧａＮ系半導体を量子ドットとして突起状に成長させ得ることが明らかとなった (Appl.Phys.Lett.69(1996)4096 ）。この量子ドット形成のメカニズムは、前記ＩｎＧａＮや、ＧａＡｓ系における量子ドットの形成とは全く異なるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＧａＮ系材料による量子ドットの形成が可能であることは明らかとなっている。しかし、このＧａＮ系の量子ドットを用いてＧａＮ系発光素子を構成するためには、未だ、量子ドット構造の好ましい態様や、量子ドットの個々の大きさ、量子ドット全体の分布の程度などの点で最適な態様が明らかにはされていない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決し、ＧａＮ系発光素子のための量子ドットの最適な態様を示し、より高効率なＧａＮ系発光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、以下の特徴を有するものである。
（１）下記（ｉ）のＧａＮ系の多重量子ドット構造を、発光に係る部分として有し、
該ＧａＮ系の多重量子ドット構造中の各段の量子ドットに用いられるＧａＮ系材料をドット材料とよび、そのベース面となる結晶層に用いられるＧａＮ系材料をベース材料とよぶとき、ドット材料とベース材料とが下記（ ii ）の格子整合性を満たす関係にあり、そのベース面の表面状態がアンチサーファクタントによって変化させられたことによってドット材料がベース面に量子ドットとして成長したものであること、
を特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
（ｉ）ＧａＮ系材料からなる結晶層（Ａ）の上面をベース面とし、該ベース面上に、ＧａＮ系材料からなる量子ドットが分散して形成されさらにＧａＮ系材料からなる結晶層（Ｂ）が前記量子ドットを内部に埋め込むように形成され、
結晶層（Ｂ）の上面を新たにベース面とする繰り返しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込む結晶層（Ｂ）の形成とが繰り返され、これによって結晶層（Ａ）上には、量子ドットと結晶層（Ｂ）との組を１段としてこれが２段以上積層されており、かつ、各段の量子ドットの材料のバンドギャップは、そのベース面となる結晶層の材料およびそれを埋め込む結晶層（Ｂ）の材料の各々のバンドギャップよりも小さいものであるＧａＮ系の多重量子ドット構造。
（ ii ）ベース面の表面状態を変化させるような表面処理を施すことなく該ベース面上にドット材料を直接的に結晶成長させたとき、ドット材料がベース面上に膜状に結晶成長し得るようなドット材料とベース材料との格子整合性。
（２）上記ＧａＮ系の多重量子ドット構造において、各段の各々の量子ドットの寸法を、結晶層（Ｂ）の層厚方向については高さｈとし、結晶層（Ｂ）の拡がる方向については幅ｗとし、各段のベース面上における量子ドットの分散の度合いを密度ρとするとき、０．５ｎｍ≦ｈ≦５０ｎｍ、０．５ｎｍ≦ｗ≦２００ｎｍ、１０ ６ ｃｍ −２ ≦ρ≦１０ １３ ｃｍ −２ 、である上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（３）上記ＧａＮ系の多重量子ドット構造における結晶層（Ａ）が第１の伝導型のクラッド層であり、最上段の結晶層（Ｂ）の上にさらに第２の伝導型のクラッド層が設けられている上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【００１２】
【作用】
本発明において、発光に係る部分として用いられる上記（ｉ）のＧａＮ系の多重量子ドット構造を構成する各段の量子ドットは、ＧａＮ系材料からなる結晶層の上面（即ち、上記（ｉ）におけるベース面）上に、ＧａＮ系材料を量子ドットとして成長させたものである。ただし、ベース材料とドット材料とは、上記（ii）の関係にある。即ち、ドット材料は、ベース面の表面状態を何ら変化させることなく従来通りの結晶成長法・成長条件にてベース面上に成長させた場合には、従来知られているとおり、膜としてベース面上を全面覆う結晶層として成長する材料である。即ち、共にＧａＮ系材料であるベース材料とドット材料とは、少なくともその程度に格子整合しているということである。
【００１３】
共にＧａＮ系材料であるベース材料とドット材料とが、上記のような格子整合の関係にある状態において、ドット材料をベース面上に膜状としてではなく量子ドットとして成長させるためには、ベース面にアンチサーファクタント（ベース面であるＧａＮ系結晶層表面の表面状態を変化させる物質）を作用させる。アンチサーファクタントの作用によるＧａＮ系結晶層表面の表面状態の変化については、詳しくは解明されていないが、表面自由エネルギーが小さくなる変化であると考えられる。ベース面の表面状態をこのように変化させることによって、ドット材料は、ＧａＮ系材料からなるベース面上に、量子ドットとして成長する。
【００１４】
上記のようにしてベース面上に量子ドットを成長させ、さらにベース面の残りの領域を結晶成長の出発面としてＧａＮ系材料からなる結晶層（Ｂ）を成長させて該結晶層（Ｂ）自体の内部に量子ドットを埋め込む。本発明は、この量子ドットとそれを埋め込む結晶層（Ｂ）との組合せを、上記（ｉ）のように成長を繰り返して多段に積層し、従来にはないＧａＮ系の多重量子ドット構造とし、これを発光現象に係る構造として発光素子に用いたものである。ここでいう発光現象は、電子またはホールの注入によって量子ドット中において励起子（エトキシ）あるいは電子とホールとが再結合し発光する現象である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のＧａＮ系発光素子の一例を示す断面図であって、説明のために簡単な構造のＬＥＤを例として示している。同図のＬＥＤは、結晶基板１上に、ＧａＮ系材料からなる結晶層を順次成長させて積み重ね、多重の量子ドット構造３を含む積層体Ｓを形成し、これにｐ型側の電極６とｎ型側の電極７を設けて構成したものである。多重の量子ドット構造３は、５段の構造を例示している。層２はｎ型コンタクト層、層５はｐ型コンタクト層、層４はｐ型クラッド層である。また、同図の例では、多重の量子ドット構造３において最初のベース面を提供する結晶層Ａは、前記ｐ型クラッド層４に対応するｎ型クラッド層としての役割を果たす層となっている。層２〜層５は、いずれもＧａＮ系材料からなる。
【００１６】
図１の例における伝導型（ｐ型、ｎ型）の上下位置関係は、伝導型を形成するための加工上の理由から、結晶基板側をｎ型とし上層側をｐ型とする一般的なものとなっている。また、同図の例では、結晶基板に絶縁体（サファイア結晶基板）を用いており、層２の上面を露出させ、その面に電極７を設けるという電極配置となっている。以下、本発明の発光素子の他の態様を説明する場合にも、ｐ／ｎ型の上下関係、電極配置については、これと同様の例を挙げて説明する。しかし、ｐ／ｎ型の上下が逆の態様や、結晶基板が導電性を有する場合の電極配置なども自由に選択してよい。
【００１７】
多重量子ドット構造は、ＧａＮ系材料からなる結晶層を最下層としてその上に量子ドットと、それを内部に埋め込む結晶層（以下、この結晶層を「キャップ層」とも呼ぶ）との組が２段以上多段に積層された構造である。これらは全てＧａＮ系材料からなるものである。
図１の例についてより詳しく説明すると、ＧａＮ系材料からなる結晶層Ａを、多重構造の最下層とし、その上面をベース面とする。該ベース面上には、ＧａＮ系材料からなる量子ドットｄ１が分散した状態として形成されている。このベース面のうち、量子ドットｄ１が形成されなかった部分を結晶成長の出発面として、ＧａＮ系材料からなる結晶層（キャップ層）Ｂ１が量子ドットｄ１を埋め込むまで成長している。この量子ドットとキャップ層との組を１段として数える。
【００１８】
さらに、上記キャップ層Ｂ１の上面を新たにベース面として再び量子ドットｄ２を形成し、これを埋め込むまでキャップ層Ｂ２を成長させるという繰り返しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込むキャップ層の形成とが繰り返されている。この繰り返しによって、結晶層Ａ上には、量子ドットとキャップ層との組が（ｄ１、Ｂ１）〜（ｄ５、Ｂ５）として、５段まで積層され、多重量子ドット構造となっている。
【００１９】
本発明でいう多重量子ドット構造は、各段の量子ドットが、各々のドット材料よりもバンドギャップの大きい材料にて包含された構造をいう。図１の例では、最下層の結晶層Ａから最上段の結晶層Ｂ５までが多重量子ドット構造である。この多重量子ドット構造を発光に係る部分として用いるために、必要に応じてさらに他の結晶層を、発光のメカニズムに関与する層として加えてもよい。また、多重量子ドット構造内の各層の伝導型は、多重量子ドット構造による目的の発光のメカニズムに応じて、次に示す例の他自由に決定してよい。
【００２０】
図１の例では、最下層の結晶層Ａが第１の伝導型（ｎ型）のクラッド層として機能しており、発光のメカニズムのために、多重量子ドット構造３上にさらに第２の伝導型（ｐ型）のクラッド層４が加えられている。層Ａはｎ型であり、層Ｂ１から層Ｂ５までの各層はアンドープ層であって弱いｎ型となっている。
【００２１】
図２（ａ）の例では、最下層の結晶層Ａは、量子ドットｄ１をより大きなバンドギャップの材料で閉じ込めるための層であって、さらにバンドギャップの大きいｎ型・ｐ型クラッド層が加えられ、これらが多重量子ドット構造３を上下から挟み込んでいる。層Ａから層Ｂ３までの各層はアンドープ層であって弱いｎ型となっている。
【００２２】
図２（ｂ）の例は、多重量子ドット構造３の内部に両クラッド層が含まれる例であって、最下層の結晶層Ａがｎ型クラッド層、最上段の結晶層Ｂ３がｐ型クラッド層となっている。層Ｂ１、Ｂ２はアンドープ層であって弱いｎ型となっている。
【００２３】
各段の量子ドットに用いられるドット材料のバンドギャップは、そのベース面となる結晶層のベース材料、およびそれを埋め込むキャップ層の材料（以下、「キャップ材料」という）の各々のバンドギャップよりも小さいものであればよい。これは、各段の量子ドットに電子およびホールを効率よく注入し、この部分をより高効率な発光部とするためである。ドット材料とその周囲の材料とのバンドギャップの関係がこの条件を満足するのであれば、各段のバンドギャップは互いに異なっていてもよい。
【００２４】
本発明のＧａＮ系発光素子に用いられるＧａＮ系材料とは、式ＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体である。なかでもＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが有用なものとして挙げられる。
ＧａＮ系の多重量子ドット構造において、上記バンドギャップの関係を満たす材料の組合せとしては、例えば、ベース材料およびキャップ材料をＡｌx Ｇａ(1-x) Ｎとし、ドット材料をＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎとする組合せ（ただし０＜Ｘ、０≦Ｙ、Ｙ＜Ｘである）などが挙げられる。
【００２５】
ドット材料には、例えば、発光強度を増大させることなどを目的として、Ｓｉなどの不純物をドーピングしてもよい。
【００２６】
また、ベース材料、ドット材料、キャップ材料のうちの１以上のものには、さらに、Ｂ、Ａｓ、Ｐから選ばれる１以上の元素を含有させてもよい。
【００２７】
個々の量子ドットの形状は、材料や成長条件によって異なるが、多面体状、柱状、半球状となる。
【００２８】
このＧａＮ系の多重量子ドット構造を高効率にて発光させるためには、各段の量子ドットについては、個々のドットの大きさ、およびそのベース面における量子ドット全体の分布の程度を最適な範囲とすることが必要となる。また、多重量子ドット構造全体については、層厚、量子ドットの密度、材料の組成などに、段毎に変化をつけるなどが好ましい態様となる。本発明では、これら量子ドット形成のための最適な範囲、多重構造全体としての好ましい態様を与えている。これを次に述べる。
【００２９】
個々の量子ドットの大きさは、量子ドット構造において発光効率に影響を与える重要な要素であり、量子閉じ込め効果が十分に得られるサイズであることが重要である。個々の量子ドットの大きさは、キャップ層の層厚方向についての量子ドットの寸法（ベース面から量子ドットのトップまでの距離）を高さｈとし、キャップ層の拡がる方向についての量子ドットの最大寸法を幅ｗとして好ましい範囲を限定する。
【００３０】
量子ドットの高さｈ、幅ｗは、発光に寄与する励起子の閉じ込めの意味からは小さい方が好ましいが、実際の量子ドット作製における寸法の制御性などを考慮すると、これらは共に０．５ｎｍ以上であることが好ましい。また、これらの最大寸法については、量子効果の観点から、高さｈは５０ｎｍ以下、幅ｗは２００ｎｍ以下が好ましい。従って、０．５ｎｍ≦ｈ≦５０ｎｍ、０．５ｎｍ≦ｗ≦２００ｎｍ、が好ましい範囲となる。
【００３１】
各段のベース面における量子ドット全体の分散の度合いは、該ベース面における発光源の密度であるため、これもまた発光効率に影響を与える重要な要素である。この量子ドットの分散の度合いについては、密度（単位面積当たりの量子ドットの数）ρとして表し範囲を限定する。
【００３２】
密度ρは、量子ドット１つ１つからの発光は弱いので、発光効率を考慮すると１０6 ｃｍ-2以上とすることが好ましく、また、量子ドットの大きさにもよるが、量子ドット同士が互いに接触しないように１０13ｃｍ-2以下とすることが好ましい。従って、１０6 ｃｍ-2≦ρ≦１０13ｃｍ-2が好ましい範囲となる。
【００３３】
上記量子ドットの高さｈ、幅ｗ、密度ρ、各段の層厚（即ちキャップ層の層厚）、各段のドット材料、キャップ材料の組成など、各段の仕様を決定づけるパラメータは、隣合った段同士で互いに異なるように選択してもよい。例えば、量子ドットとキャップ層の組が３段の積層構造である場合、段が変わる毎に発光波長がＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）と変わるように、各段のドット材料の組成、量子ドットの高さｈ、幅ｗ、密度ρ、キャップ層の層厚などを設定することなどが挙げられる。
【００３４】
各段の仕様を変化させる場合の変化の態様は、上記以外にも、目的に応じて自由に選択してよく、段が変わる毎に仕様のパラメータを単調に増加（減少）させるような変化、２種類の仕様を交互とするような変化、中央付近の段を変化のピークとするような変化などが挙げられる。また、１段毎に変化させるだけではなく、２段毎に変化させるなど、隣合った複数の段の仕様を同じとし複数段毎に変化させる態様としてもよい。材料の組成に変化をもたせる場合、ドット材料とキャップ材料とを共に変化させてもよく、また、ドット材料を一定にしてキャップ材料だけを変化させるなど、一方の材料だけを変化させてもよい。
【００３５】
上記説明によるＧａＮ系の多重量子ドット構造と、必要に応じてこれに加えられるクラッド層などの結晶層とを１ユニットとして、このユニットを任意の数だけ積層して発光素子の内部に設けてもよい。この構造によって、例えば、ユニット毎に異なる発光波長とする等、素子の機能の幅を拡げることが可能となる。
【００３６】
ベース面に量子ドットを形成するには、上記作用の説明で述べたように、ベース面にその表面状態を変化させる物質（アンチサーファクタント）を作用させてから量子ドットに用いられるＧａＮ系材料を結晶成長させる。ベース面にアンチサーファクタントを作用させるには、ベース面とアンチサーファクタントとを接触させればよい。接触の方法は限定されないが、例えば、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＧａＮ結晶層上面をベース面としてＧａＮの量子ドットを形成する場合であれば、ＭＯＣＶＤ装置内でＡｌＧａＮ結晶層が成長した後、該装置内にガス状のアンチサーファクタントを供給すればよい。その後、Ｇａ材料、Ｎ材料等を供給し、ＧａＮ結晶を成長させる。
【００３７】
アンチサーファクタントをガス状として供給するには、例えば、テトラエチルシランをアンチサーファクタントとするのであれば、その溶液にＨ2 ガスをバブリングさせることにより、Ｈ2 ガスをキャリアガスとして供給する方法が挙げられる。
【００３８】
アンチサーファクタントとして用いられる物質は、ベース材料とドット材料との組合せによって適当なものが選択でき、限定されない。例えば上記のように、ＡｌＧａＮ結晶層上にＧａＮを量子ドットとして形成させる場合のアンチサーファクタントとしては、テトラエチルシランが挙げられる。その他、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、またはこれらの混合ガス、Ｃｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）等が挙げられる。
【００３９】
個々の量子ドットの大きさ、形状、量子ドットの分散の度合いは、アンチサーファクタントの供給量、量子ドットの成長温度、ベース材料の組成をパラメータとして変化させることによって制御することができる。
量子ドットを成長させるときの結晶成長方法は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどが挙げられる。
【００４０】
結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよく、例えば、従来からＧａＮ系結晶を成長させる際に汎用されている、サファイア、水晶、ＳｉＣ等が挙げられる。なかでも、サファイアのＣ面、Ａ面、６Ｈ−ＳｉＣ基板、特にＣ面サファイア基板が好ましい。またこれら材料の表面に、ＧａＮ系結晶との格子定数や熱膨張係数の違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯやＡｌＮ等のバッファー層を設けたものであっても良く、さらにはＧａＮ系結晶の薄膜を表層に有するものでもよい。図１の例では、基礎となるサファイア結晶基板１ａ上に、格子整合性を改善するためのバッファー層１ｂが形成されたものを結晶基板１として用いている。
【００４１】
【実施例】
本実施例では、図１に示す構造のＬＥＤを実際に製作した。ただし、多重量子ドット構造３は、図では（ｄ１、Ｂ１）〜（ｄ５、Ｂ５）の５段として示されているが、本実施例では１０段とした。また、多重構造全体の構成としては、段が変わる毎に材料の変化や量子ドットの仕様に変化を設けることはせず、全ての段を同様に形成した。各段のキャップ材料は全てＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎとし、ドット材料をすべてＧａＮとした。また、ｎ型クラッド層である結晶層Ａの材料、ｐ型クラッド層４の材料は、共にＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとした。
【００４２】
〔結晶基板１の形成〕
最も基礎の結晶基板１ａとしてはサファイアＣ面基板を用いた。まずこのサファイア基板１ａをＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲気下で１２００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を５００℃まで下げＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニアを流し、ＡｌＮ低温バッファー層１ｂを３０ｎｍ成長させ、結晶基板１を得た。
【００４３】
〔ｎ型コンタクト層２の形成〕
成長温度を１０００℃に昇温し、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ原料としてアンモニア、ドーパント原料としてシランを流し、ｎ型ＧａＮコンタクト層２を３μｍ成長させた。
【００４４】
〔多重量子ドット構造３の形成〕
▲１▼層Ａの形成；成長温度を１１００℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント原料としてシランを供給し、ｎ型ＡｌＧａＮ層Ａを０．５μｍ成長させた。この層Ａは、ｎ型クラッド層としての機能を果たす層である。
【００４５】
▲２▼層Ａ上面（ベース面）の表面処理；成長温度を１０００℃とし、Ｈ2 ガスをキャリアとしてテトラエチルシランを供給し、層Ａ上面に１０秒間接触させた。
【００４６】
▲３▼１段目の量子ドットｄ１の形成；ＴＭＧ、アンモニアを供給し、ベース面上にＧａＮ量子ドットｄ１を形成した。個々の量子ドットの高さｈの平均は６ｎｍ、幅ｗの平均は４０ｎｍであった。また、ベース面上における量子ドットの分散の度合い（密度、即ち単位面積当たりの量子ドットの数）ρは、３×１０9 ｃｍ-2であった。
【００４７】
▲４▼１段目のキャップ層Ｂ１の形成；成長温度を１１００℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給し、ベース面のうち量子ドットが形成されていない領域を結晶成長の出発面として、量子ドットが内部に埋め込まれるよう、層厚１０ｎｍのキャップ層Ｂ１を成長させた。
【００４８】
▲５▼２段目以上の形成；キャップ層の上面を新たにベース面とすることによって上記▲２▼〜▲４▼の工程を繰り返すことによって、層Ａ上に、量子ドットとそれを埋め込むキャップ層との組を合計１０段積層した。
【００４９】
〔ｐ型クラッド層４の形成〕
成長温度を１１００℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層４を０．５μｍ成長させた。
【００５０】
〔ｐ型コンタクト層５の形成〕
成長温度を１０００℃とし、ＴＭＧ、アンモニア、およびドーパント原料としてＣｐ2 Ｍｇを供給し、ｐ型ＧａＮコンタクト層５を１μｍ成長させた。
【００５１】
〔電極の形成等〕
試料を装置から取り出し、窒素雰囲気、８００℃で２０分間アニール処理を行った。最後に、ｐ型コンタクト層５の上にｐ型電極６を形成し、また、ドライエッチングにより積層体の上面からｐ型層と量子ドット構造の一部をエッチング除去し、ｎ型コンタクト層２の上面を露出させ、ｎ型電極７を形成し、ＬＥＤとした。
【００５２】
このＬＥＤを、Ｔｏ−１８ステム台にマウントし、２０ｍＡでの光度の測定を行ったところ、１５０ｍｃｄであった。
【００５３】
比較例
実施例１において、量子ドットとキャップ層との組を１段だけとしたこと以外は、実施例１と同様にＬＥＤを作製した。このＬＥＤについて、実施例１と同様に２０ｍＡでの光度の測定を行ったところ、７５ｍｃｄであった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のＧａＮ系発光素子は、ＧａＮ系材料からなる量子ドット構造を発光に係る部分として有するものであり、しかも最適な態様として、多段化された量子ドット構造となっている。さらには、各段の個々の量子ドットの高さ、幅、量子ドットの分散の度合いの適正な範囲を限定し、多段の構造全体についても段毎に仕様の変化を与えることを提案するものである。これらの最適化への態様によって、より高効率なＧａＮ系発光素子が得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＮ系発光素子の一例を示す断面図である。同図では、説明のために、各層の厚み、量子ドット・電極の寸法などを誇張して示しており、実際の比率とは異なる。また、他の層と区別するために、電極、層Ａ、Ｂ１〜Ｂ５にハッチングを施している。
【図２】多重量子ドット構造の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 結晶基板
２ ｎ型コンタクト層
３ 多重量子ドット構造
Ａ ｎ型クラッド層
ｄ１〜ｄ５ 各段の量子ドット
Ｂ１〜Ｂ５ 各段のキャップ層
４ ｐ型クラッド層
５ ｐ型コンタクト層
６ ｐ型電極
７ ｎ型電極
Claims (3)
- 下記（ｉ）のＧａＮ系の多重量子ドット構造を、発光に係る部分として有し、
該ＧａＮ系の多重量子ドット構造中の各段の量子ドットに用いられるＧａＮ系材料をドット材料とよび、そのベース面となる結晶層に用いられるＧａＮ系材料をベース材料とよぶとき、ドット材料とベース材料とが下記（ ii ）の格子整合性を満たす関係にあり、そのベース面の表面状態がアンチサーファクタントによって変化させられたことによってドット材料がベース面に量子ドットとして成長したものであること、
を特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
（ｉ）ＧａＮ系材料からなる結晶層（Ａ）の上面をベース面とし、該ベース面上に、ＧａＮ系材料からなる量子ドットが分散して形成されさらにＧａＮ系材料からなる結晶層（Ｂ）が前記量子ドットを内部に埋め込むように形成され、
結晶層（Ｂ）の上面を新たにベース面とする繰り返しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込む結晶層（Ｂ）の形成とが繰り返され、これによって結晶層（Ａ）上には、量子ドットと結晶層（Ｂ）との組を１段としてこれが２段以上積層されており、かつ、各段の量子ドットの材料のバンドギャップは、そのベース面となる結晶層の材料およびそれを埋め込む結晶層（Ｂ）の材料の各々のバンドギャップよりも小さいものであるＧａＮ系の多重量子ドット構造。
（ ii ）ベース面の表面状態を変化させるような表面処理を施すことなく該ベース面上にドット材料を直接的に結晶成長させたとき、ドット材料がベース面上に膜状に結晶成長し得るようなドット材料とベース材料との格子整合性。 - 上記ＧａＮ系の多重量子ドット構造において、各段の各々の量子ドットの寸法を、結晶層（Ｂ）の層厚方向については高さｈとし、結晶層（Ｂ）の拡がる方向については幅ｗとし、各段のベース面上における量子ドットの分散の度合いを密度ρとするとき、０．５ｎｍ≦ｈ≦５０ｎｍ、０．５ｎｍ≦ｗ≦２００ｎｍ、１０６ｃｍ−２≦ρ≦１０１３ｃｍ−２、である請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
- 上記ＧａＮ系の多重量子ドット構造における結晶層（Ａ）が第１の伝導型のクラッド層であり、最上段の結晶層（Ｂ）の上にさらに第２の伝導型のクラッド層が設けられている請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15583898A JP3660801B2 (ja) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | ＧａＮ系半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15583898A JP3660801B2 (ja) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | ＧａＮ系半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11354839A JPH11354839A (ja) | 1999-12-24 |
| JP3660801B2 true JP3660801B2 (ja) | 2005-06-15 |
Family
ID=15614611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15583898A Expired - Fee Related JP3660801B2 (ja) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | ＧａＮ系半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3660801B2 (ja) |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6475882B1 (en) | 1999-12-20 | 2002-11-05 | Nitride Semiconductors Co., Ltd. | Method for producing GaN-based compound semiconductor and GaN-based compound semiconductor device |
| JP4665286B2 (ja) * | 2000-03-24 | 2011-04-06 | 三菱化学株式会社 | 半導体基材及びその製造方法 |
| WO2001080311A1 (en) * | 2000-04-17 | 2001-10-25 | Virginia Commonwealth University | Defect reduction in gan and related materials |
| JP3285341B2 (ja) | 2000-06-01 | 2002-05-27 | 士郎 酒井 | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 |
| JP3466144B2 (ja) | 2000-09-22 | 2003-11-10 | 士郎 酒井 | 半導体の表面を荒くする方法 |
| JP4063520B2 (ja) | 2000-11-30 | 2008-03-19 | 日本碍子株式会社 | 半導体発光素子 |
| JP3872327B2 (ja) | 2000-12-04 | 2007-01-24 | 日本碍子株式会社 | 半導体発光素子 |
| JP3520919B2 (ja) | 2001-03-27 | 2004-04-19 | 士郎 酒井 | 窒化物系半導体装置の製造方法 |
| JP3548735B2 (ja) | 2001-06-29 | 2004-07-28 | 士郎 酒井 | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 |
| US7005685B2 (en) | 2002-02-28 | 2006-02-28 | Shiro Sakai | Gallium-nitride-based compound semiconductor device |
| KR100540548B1 (ko) * | 2002-12-10 | 2006-01-11 | 엘지이노텍 주식회사 | 양자점 발광 소자 및 그의 제조 방법 |
| KR100974789B1 (ko) | 2003-01-13 | 2010-08-06 | 엘지이노텍 주식회사 | 질화갈륨계 반도체 소자 및 그 제조방법 |
| JP4526252B2 (ja) * | 2003-08-26 | 2010-08-18 | 富士通株式会社 | 光半導体装置及びその製造方法 |
| US7019325B2 (en) * | 2004-06-16 | 2006-03-28 | Exalos Ag | Broadband light emitting device |
| TWI249966B (en) * | 2004-10-20 | 2006-02-21 | Genesis Photonics Inc | Light-emitting device having porous light-emitting layer |
| CN100395900C (zh) * | 2004-11-29 | 2008-06-18 | 新世纪光电股份有限公司 | 具多孔性发光层的发光元件 |
| JP2006228916A (ja) * | 2005-02-17 | 2006-08-31 | Sony Corp | 発光素子 |
| CN101208810B (zh) * | 2005-03-24 | 2010-05-12 | 科技研究局 | Ⅲ族氮化物白光发光二极管 |
| US7521777B2 (en) | 2005-03-31 | 2009-04-21 | Showa Denko K.K. | Gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure and production method thereof |
| JP4853134B2 (ja) * | 2006-06-27 | 2012-01-11 | パナソニック電工株式会社 | 半導体発光素子の製造方法および装置 |
| TWI318815B (en) * | 2006-12-20 | 2009-12-21 | Ind Tech Res Inst | Multiwavelength semiconductor laser array and method of manufacturing the same |
| JP4762202B2 (ja) * | 2007-06-28 | 2011-08-31 | 株式会社東芝 | 半導体量子ドット素子、その製造方法、光スイッチ、半導体レーザ、および光検出器 |
| JP4445556B2 (ja) | 2008-02-18 | 2010-04-07 | 国立大学法人広島大学 | 発光素子およびその製造方法 |
| JP4392045B2 (ja) | 2008-03-19 | 2009-12-24 | 国立大学法人広島大学 | 発光素子およびその製造方法 |
| US8044382B2 (en) | 2008-03-26 | 2011-10-25 | Hiroshima University | Light-emitting device and method for manufacturing the same |
| SE533090C2 (sv) * | 2008-07-09 | 2010-06-22 | Qunano Ab | Nanostrukturerad ljusdiod |
| JP5504618B2 (ja) | 2008-12-03 | 2014-05-28 | 豊田合成株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法 |
| KR101023173B1 (ko) | 2009-01-22 | 2011-03-18 | 한양대학교 산학협력단 | 에피택셜 성장 방법 |
| JP5468571B2 (ja) * | 2011-06-21 | 2014-04-09 | パナソニック株式会社 | 半導体発光素子 |
| JP2013239690A (ja) * | 2012-04-16 | 2013-11-28 | Sharp Corp | 超格子構造、前記超格子構造を備えた半導体装置および半導体発光装置、ならびに前記超格子構造の製造方法 |
| CN104157759B (zh) * | 2014-08-20 | 2017-01-25 | 中国科学院半导体研究所 | 高密度高均匀InGaN量子点结构及生长方法 |
-
1998
- 1998-06-04 JP JP15583898A patent/JP3660801B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11354839A (ja) | 1999-12-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3660801B2 (ja) | ＧａＮ系半導体発光素子 | |
| JP4552828B2 (ja) | 半導体発光素子の製造方法 | |
| JP4063520B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| US20040056258A1 (en) | Multi-wavelength luminous element | |
| JP2008544567A (ja) | 窒化物多重量子ウェルを有するナノロッドアレイ構造の発光ダイオード、その製造方法、及びナノロッド | |
| US20110201142A1 (en) | Method of Manufacturing a Light-Emitting Device | |
| US8716048B2 (en) | Light emitting device and method for manufacturing the same | |
| KR20040050279A (ko) | 양자점 발광 소자 및 그의 제조 방법 | |
| KR100380536B1 (ko) | 터널접합 구조를 가지는 질화물반도체 발광소자 | |
| KR20120013076A (ko) | 나노로드 기반의 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| JP2001345478A (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 | |
| JP3667995B2 (ja) | ＧａＮ系量子ドット構造の製造方法およびその用途 | |
| JPH11354842A (ja) | ＧａＮ系半導体発光素子 | |
| JP5075298B1 (ja) | 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法 | |
| JPH11354843A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物系量子ドット構造の製造方法およびその用途 | |
| JP4178836B2 (ja) | 窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法 | |
| JP2004214337A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
| JP3753369B2 (ja) | 窒化物系半導体発光素子 | |
| JPH11145513A (ja) | 半導体発光素子の製造方法 | |
| JP2021044329A (ja) | 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 | |
| JP2005251922A (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP7319559B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
| JP7260807B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 | |
| US20230411553A1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting element | |
| JP2001313441A (ja) | 半導体発光素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031201 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040330 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040528 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20040528 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040531 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050222 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050318 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090325 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |