JP4786691B2 - 半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔本発明の分野〕
本発明は、量子ドットを含んだ半導体デバイス、特に量子ドットを含んだ光電子半導体デバイス、およびその製造方法に関する。本発明は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）または半導体レーザダイオードに応用することができる。

〔発明の背景〕
発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）などの半導体光電子デバイスは、インジケータライト部品としての使用、固体光源としての使用、および光記憶システムにおける使用など、幅広く応用することができる。デバイスのアプリケーションへの適合性は、そのデバイスによって生成される光の波長に依存する。

光電子デバイスから放射される光の波長は、そのデバイスの発光領域の特性に依存する。発光領域は、以下では、デバイスの「能動領域（active region）」と称する。半導体発光デバイスは、通常は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）あるいは有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）などのエピタキシャル堆積技術を用いて形成される。これらのエピタキシャル堆積技術では、デバイスの層が基板上に連続的に堆積され、当該基板は、それぞれ光電子デバイスを含んだ個々のチップに分割される。これらのエピタキシャル堆積技術は、通常、最終的なチップサイズと同程度の長さスケールにおける基板表面の平面内における位置に応じて、堆積される各層の特性を制御することはほぼまたは全くできないという特徴を有している。従って、各チップの能動領域は、その表面領域全体において本質的に同一の特性を有している。この結果、各デバイス（チップ）が放射する光は、単一波長を有しているか、あるいは場合によっては、出力強度が最大値である波長周辺に分布する小さく連続した幅の波長幅を有している。このタイプのデバイスは、２つ以上の波長を有する光を混合する必要のある半導体光電子デバイスへの多くのアプリケーションには最適ではない。例えば、白色光として知覚される発光を生成するためには、少なくとも２つの波長を有する光を混合する必要がある。従って、２つ以上の発光波長で発光する光電子デバイスチップを形成することが求められる。このような光電子デバイスチップは、以下では、「多色」発光デバイスと称する。

多色発光デバイスを形成するためには、互いに発光波長の異なる２つ以上の個別チップを、単一パッケージ内において組み合わせるという方法がある。しかし、このマルチチップ方法には、重大な不都合点がある。パッケージ内において２つ以上のチップを組み合わせなければならないため、形成可能な最小パッケージサイズが、単一のチップパッケージが達成し得るサイズよりも大きくなる。さらに、波長の異なる光が別々の場所から放射されるため、成分波長（component wavelength）を効果的に混合させるためには、複雑で、高価で、かさばるパッケージが必要となる。従って、マルチチップパッケージは、低コストでコンパクトな光源を必要とするアプリケーションには不都合である。

これらの不都合点は、シングルチップによって多波長放射が供給されるモノリシック多色発光体（monolithic polychromatic light emitter）を用いることによって克服することができる。このタイプのデバイスは、発光波長が互い異なる複数の能動領域が基板上において互いに近接している配置されている場合は、基板が複数の個別チップに分割される際に各チップが発光波長の異なる能動領域を有するように形成することができる。

従来技術においては、エピタキシャル堆積技術を用いてモノリシック多色発光体を提供する方法が存在する。一つの方法として、それぞれ発光波長の異なる２つ以上の発光デバイス構造を、垂直方向に、すなわち堆積方向に沿ってスタックする方法がある。例えば、米国特許出願第２００２／００４１１４８号には、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から成る発光デバイスの最上部に堆積されたＩＩ−ＶＩ半導体材料から成る発光デバイスから形成されたデバイスが記載されている。また、米国特許出願第２００５／００６７６２７号および同２００６／００２７８２０号には、同様に垂直にスタックするパラダイムに基づいたデバイスが開示されている。米国特許出願第２００３／００４７７４２号には、複数の異なる基板上に独立して堆積された２つの発光デバイスを垂直に接合するための、ウェハボンディング技術の使用が開示されている。これらの垂直スタック方法においては、発光波長の異なるデバイスを垂直にスタックする処理は複雑であると共にコストが掛かり、動作中に発光波長の異なるデバイスに電流を注入するには独立制御が必要となるデバイス処理は非常に複雑であり、また、独立した発光波長を有する各能動領域を個々に成長させなければならないという不都合点を有している。

モノリシック多色エミッタを形成するための第２の方法は、発光波長の異なる複数の能動領域を、基板面内に横方向に配置するという方法である。米国特許出願第２００５／０１６１６８３号には、基板上に第１の発光デバイスを成長させ、当該デバイスをウェハ領域からエッチングによって除去し、エッチングされたこれら領域内に発光波長の異なる第２のデバイスを再成長させる方法が記載されている。この方法によって得られるデバイスは、当初の基板上に隣り合って配置された２つの独立した発光デバイスを有している。これと同様の結果は、米国特許第６，６８１，０６４号に従って、基板の規定領域内において複数のエピタキシャル堆積工程を行って、単一基板上に複数の発光デバイスを成長させることによって得られる。しかしこれらの方法は、使用される基板は１つのみであるが、個々の発光波長のためにデバイス構造全体をエピタキシャル成長させなければならないという重大な不都合点を有している。

発光デバイスのための周知のタイプの能動領域の１つは、量子ドットを含んでいる。量子ドットはポテンシャルボックスであり、ボックス内部では電子またはホールのいずれか１つ、あるいは電子とホールとの両方（以下では、電子およびホールは「キャリア」と総称する）が閉じ込められており、これらが、上記ボックスのサイズが微細であるために３つ全ての空間次元において顕著な量子サイズ効果を受ける。三次元的に量子を閉じ込めることによって、キャリアのエネルギー準位が個別の準位に量子化され、キャリアの状態密度が１つ以上のデルタ関数の形となる。

能動領域が量子ドットを含んでい半導体発光デバイスでは、量子ドットは、第１の半導体の結晶封入体であり、当該第１の半導体よりも大きい禁制エネルギーバンドギャップを有する第２の半導体のマトリックス（matrix）に埋め込まれている。上記封入体は、３つ全ての次元において十分に小さいため、キャリアは顕著な量子サイズ効果を受けることができる。量子ドットの特性は、そのサイズ、成分、および形状に強く依存している。量子ドットを含んでいる発光デバイスの能動領域に特に関連しているのは、量子ドットから放射される光の波長が、当該量子ドットのサイズ、成分、および形状に強く依存するという点である。

発光デバイスの能動領域内において用いる量子ドットの一般的な準備方法は、ＭＢＥまたはＭＯＶＰＥ技術などによるエピタキシャル堆積中における、基板表面上へのアイランドの自己組織化形成を利用する。能動領域に適した量子ドットは、アイランド材料がキャップ材料と基板との間に埋め込まれるように、アイランドの最上部にキャップ層を成長させることによって形成される。アイランド材料の禁制エネルギーバンドギャップがキャップ材料の禁制エネルギーバンドギャップおよび上部にアイランドが形成される基板の表面上の材料の禁制エネルギーバンドギャップよりも小さい場合、当該アイランド材料はポテンシャル・ボックスとして機能する。このボックスは、その寸法が３つ全ての空間次元において十分に小さい場合は、量子ドットとして機能する。自己組織化アイランド成長による量子ドット能動領域の形成は、当該分野において広く報告されている。

エピタキシャル成長中にアイランドを自己組織化形成する駆動力の１つとなり得るのは、堆積された材料が弾力的に緩和される際に有する格子定数と、成長面付近の基板内にあり、堆積された材料がエピタキシャル成長中に有する同等の格子定数（関連する格子定数は、基板の成長面に平行な面内に存在する）との差によって生じる歪である。堆積された材料と基板または上部に基板が堆積される下層との間に、上記のような格子定数の不一致が存在する場合は、一般的には次のような性質（behaviour）が観察される。まず、堆積された材料が、表面全体を被覆する平坦層を形成し（これは二次元（２Ｄ）成長と称される）、そして堆積が進むにつれ、上記層の表面上においてアイランドが核となり、続いて堆積された材料が上記平坦層内ではなく上記アイランド内に収容される（これは三次元（３Ｄ）成長と称される）。まず２Ｄモードで生じ、続いて３Ｄアイランド成長モードへと進んでいく層のエピタキシャル成長は、一般的には、ストランスキー・クラスタノフ成長と称される（以下ではＳＫ成長と称する）。２Ｄ成長段階において形成される平坦層は、一般的には、ぬれ層と称される。２Ｄ成長から３Ｄ成長への遷移が起こる位置のぬれ層の厚さは、一般的には、ぬれ層の臨界厚さと称される。ＳＫ成長によるアイランド形成は、従来技術において、幅広い材料系において報告されている。

２Ｄ成長から３Ｄ成長への遷移の駆動力は、堆積された材料の格子定数と、基板表面の格子定数との不一致に依存する。ＳＫ成長および２Ｄ成長から３Ｄ成長への遷移の詳細に渡る特性は、エピタキシャル堆積条件、および用いられる材料に依存する。しかし従来技術では、幅広い材料系において、下層と堆積された材料との間における格子定数の不一致が増加するのに伴って臨界厚さが小さくなることが一般的に報告されている。

堆積された材料と下層との間における格子定数の不一致が、２Ｄ成長から３Ｄ成長への遷移に与える影響を用いて、ＳＫ成長中においてアイランドが核を成す基板領域を制御することができる。この効果は、米国特許第５，６１４，４３５号に記載の方法において利用されており、基板の所定の領域内のみにおいて、アイランドの好ましい核生成が達成されている。好ましい核生成を達成するために提案される一方法は、アイランドを形成したい領域とアイランドを形成したくない領域とで表面の歪が異なる基板上においてＳＫ成長を生じさせるというものである。表面の歪における上記差は、堆積された材料と、基板表面における２種類の領域との間における格子定数の不一致に、差があることを意味している。不一致の差によって、ＳＫ成長中にアイランドを形成したい領域とアイランドを形成したくない領域とにおいて臨界厚さが異なる結果となり、基板表面の歪は、アイランドを形成したくない領域内における臨界厚さの方が大きくなるように選択される。アイランドは、ＳＫ成長中に堆積される材料の量が小さい方の臨界厚さを越えているが大きい方の臨界厚さは越えていない場合に、所望の領域内のみに形成される。米国特許第６，５８３，４３６号には、ＳＫ層成長に用いられる基板表面の歪を調節することによって、アイランドが核を成す領域を、上記と同様に制御する方法が記載されている。

米国特許第６，５０７，０４２号には、ＳＫ成長中に形成されるアイランドの特性を決定する際における基板表面の格子定数の重要性を示す方法が記載されている。同特許には、ＳＫ成長を用いて形成された量子ドット能動領域を有する発光デバイスの発光波長は、ＳＫ成長が行われる基板またはバッファ層の表面格子定数を選択することによって調節可能であることが記載されている。基板またはバッファ層の表面格子定数の選択は、基板またはバッファ層の組成を適切に選択することによって行うことができる。基板に対して大きい格子定数が選択された場合は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドットを含んでいると共に発光波長の長い能動領域が形成された。この基板表面の格子定数の選択方法は、別々のエピタキシャル堆積層内において成長されたデバイスの発光波長を調節する一方法を提供するものではあるが、単一層内における量子ドット特性を制御する備えはない。

S. Mokkapati et al. in "Controlling the properties of InGaAs quantum dots by selective-area epitaxy," Applied Physics Letters 86 113102 (2005)には、ＳＫアイランド成長により形成された量子ドットの特性を有利に面内制御することのできる、従来技術における既存の方法が記載されている。この方法は、一般的に、選択領域エピタキシーと称される。この方法では、ＳＫ成長に用いられる基板表面が、マスクされた領域を用いてパターン形成される。後のＳＫ成長中において、堆積された材料は、マスクされた領域に付着せずに、マスクを横切ってマスクされていない基板表面の領域に移動する。マスクからの移動の結果、マスク間の領域内に到着する材料の総量は、マスクされた領域のサイズとマスク間の領域のサイズとに依存することになる。従って、基板の複数の異なる領域内において異なるマスクパターンを用いることによって、ＳＫ成長中に形成されるアイランドは、基板の複数の異なる領域において異なる特性を有することができる。しかし、選択領域エピタキシー方法は、マスクされた表面上における直接エピタキシャル成長に依存しているため、マスク形成中に生じる表面の残留汚染によって、得られる量子ドットの特性が劣化し得るという、重大な不都合点を有している。この方法はさらに、新たなＳＫ成長が行われる度にマスクが基板表面上に堆積されるため、発光強度を高くするために各デバイス構造内において２つ以上の層のＳＫ成長が行われる発光デバイスのための量子ドット能動領域を準備するための方法としての適性は乏しいという、重大な制限を有している。

ＪＰ−Ａ−２００３ ３０９３２２は、バルクＩｎＰ層を有し、上部にはＩｎＰ領域とＧａＩｎＡｓＰ領域とが交互に設けられた基板の準備方法が開示している。続いて、当該基板上にＩｎＡｓ量子ドットが成長される。

関連する他の従来技術として、米国特許第５，０７５，７４２号、ＵＳ５，９５２，６８０、ＵＳ６，４４５，００９、およびB. Damilano et al. "From visible to white light emission by GaN quantum dots on Si(III) substrate" Appl. Phys. Lett. 75 962 (1999)がある。

〔発明の開示〕
本発明の第１の形態は、半導体表面を処理して当該半導体表面に複数の凹部である歪取り構造を設け、上記複数の凹部の各々について、それらの深さ、形状、側壁の断面形状および上記半導体表面上における分布のうちの少なくとも１つを調節することにより、平均表面格子定数の第１の値を有する上記表面の少なくとも１つの第１の領域と、上記第１の値とは異なる、平均表面格子定数の第２の値を有する上記表面の少なくとも１つの第２の領域とを得る工程と、上記少なくとも１つの第１の領域上および上記少なくとも１つの第２の領域上の両方に第１の自己組織化アイランドが形成される厚さまで、上記半導体表面上に第２の半導体層を堆積する工程であって、上記第１の領域上の上記第１の自己組織化アイランドは、上記第１の自己組織化アイランドの平均高さ、平均幅、平均形状および平均組成のうちのいずれかであるパラメータの第１の平均値を有するように形成され、上記第２の領域上の上記第１の自己組織化アイランドは、上記第１の平均値とは異なる、上記パラメータの第２の平均値を有するように形成される工程と、上記第２の半導体層上にキャップ層を堆積することによって、上記第１の自己組織化アイランドが量子ドットを形成する工程であって、上記第１の領域上の当該量子ドットは、上記第２の領域上の当該量子ドットとは異なる光学特性を有するように形成される工程とを含んでいる、半導体発光デバイスの製造方法を提供する。

なお、特徴「半導体表面を処理する工程」では、表面の全領域が処理される必要はないことに留意されたい。例えば、表面の第１の（または第２の）領域のみを処理して、その平均表面格子定数（ＡＳＬＰ）を変更し、第２の（または第１の）領域は未処理とすることも可能である。あるいは、表面の第１の領域と第２の領域との両方を処理して、第１の領域と第２の領域との両方が、表面の当初のＡＬＳＰとは異なるＡＳＬＰを有する（第１の領域および第２の領域が、互いに異なるＡＳＬＰを有する）ようにすることもできる。

上記半導体デバイスは、半導体発光デバイスであってよく、上記第１の領域上の量子ドットは、上記第２の領域上の量子ドットとは異なる光学特性を有していてよい。

あるいは、上記半導体デバイスは、フォトダイオードなどの感光半導体デバイスであってよく、上記第１の領域上の量子ドットは、上記第２の領域上の量子ドットとは異なる光吸収特性を有していてよい。

あるいは、上記半導体デバイスは、量子ドット内にキャリアが蓄積されるメモリデバイスであってよく、上記第１の領域上の量子ドットは、上記第２の領域上の量子ドットとは異なるキャリア蓄積特性を有していてよい。

本発明の第２の形態は、上記第１の形態の方法によって製造され、能動領域を有した半導体デバイスであって、当該能動領域の第１の部分は、複数の第１の量子ドットを含んでおり、当該能動領域の第２の部分は、複数の第２の量子ドットを含んでおり、上記第１の量子ドットは、上記第２の量子ドットとは異なる特性を有している、半導体デバイスを提供する。

本発明の他の特徴は、従属請求項に記載されている。

従って、本発明は、その異なる所定の領域内において異なる特性を有する量子ドットを含んだモノリシック半導体デバイス、およびその形成方法を提供する。本発明によると、エピタキシャル堆積中に、自己組織化アイランド形成によって量子ドットが形成される。本発明は、単一のエピタキシャル堆積プロセス中に、基板の異なる領域内において異なる特性を有するアイランドの自己組織化成長を提供する。

〔好ましい実施形態の説明〕
単一のエピタキシャル堆積プロセス中に、異なる特性を有するアイランドの自己組織化形成を達成する方法の主要な工程について、図１ａ〜図１ｃを参照しながら説明する。これらの図は、上記方法の工程を示す概略断面図である。図１ａは、その上部において堆積が行われる基板１（例えば半導体基板）の断面を示している。当該基板の表面は、領域２および３の２つの所定のタイプが所望の通りに分布するように準備される（図１ａには、便宜上、各タイプの１領域のみが示されている）。領域２内における平均表面格子定数（以下ではＡＳＬＰと称する）は、領域３内のＡＳＬＰよりも大きい。基板の表面格子定数は、基板表面または基板表面付近に位置する基板の成長面に平行な面内において測定される格子定数であり、当該成長面上にエピタキシャル成長される材料が有する格子定数である。ＡＳＬＰは、表面の平面内に位置する主要な全ての結晶軸に沿った表面格子定数の平均である。ＡＳＬＰは、高解像度のＸ線回折、反射高速電子回折、および走査形トンネル電子顕微鏡を含む、多くの分析技術を用いて決定することができる。

ＡＳＬＰが異なる領域２および領域３という、２つの所定のタイプを有する基板表面は、表面を処理することによって得られる。表面は、当初は、領域の一タイプ（例えば領域２）に所望されるＡＳＬＰに対応したＡＳＬＰを有していてよい。この場合、上記基板表面は、領域３のみを処理し、これら領域３内において異なるＡＳＬＰを得る（領域２は処理せず、当初のＡＬＳＰを保持している）ことによって得ることができる。あるいは、上記基板表面は、領域２および領域３を両方処理し、これら領域２および領域３が両方とも、当初の表面のＡＬＳＰとは異なるＡＳＬＰを有する（領域２は、領域３のＡＬＳＰとは異なるＡＳＬＰを有する）ようにして、得ることができる。

基板表面が、領域２および領域３を両方とも処理して、領域２および領域３が両方とも、当初の表面のＡＬＳＰとは異なるＡＳＬＰを有するようにすることによって得られる場合、領域２および領域３は、１つの処理工程において同時に処理してもよく、あるいは、領域２および領域３は、別々の処理工程において処理してもよい。

図１ａ〜図１ｃは、２つのタイプの領域のみを示している。しかし本発明は、これに限定されるものではなく、表面は３つ以上のタイプの領域を含んでいてよい。

基板１の表面上には、ＭＢＥまたはＭＯＶＰＥなどのエピタキシャル堆積技術を用いて、材料が堆積される。このとき、堆積される材料が、基板表面上においてＳＫ成長し、自己組織化アイランドを形成するように、材料が堆積される。従来技術において知られているように、ＳＫ成長中に形成される自己組織化アイランドの最終的な特性は、成長直後に成長遮断工程を用いることによって調節可能である。このような遮断工程を用いて自己組織化アイランドを形成可能である点、および、これとは反対に上記のような遮断工程を用いずに自己組織化アイランドを形成可能である点は、明らかに本発明の範囲内であると考えられる。自己組織化アイランドは、単に「アイランド」と略称される場合がある。

ＳＫアイランド形成のための臨界厚さは、表面の領域２および領域３の２つのタイプにおいて異なる。これは、領域２と領域３とにおけるＡＳＬＰの差が、堆積される材料の格子定数と基板表面の格子定数との不一致が２つのタイプの領域間において異なっていることを意味しているからである。これを説明するために、領域２におけるＳＫアイランド形成のための臨界厚さは、領域３におけるＳＫアイランド形成のための臨界厚さよりも大きいと仮定する。

ＳＫ層のための材料は、堆積される材料の等価２Ｄ厚さ（equivalent 2D thickness）（以下ではＥ２ＤＴと称する）が、領域２内および領域３内において同一となるように、基板１の表面上部に均一に堆積される。Ｅ２ＤＴは、堆積される材料が均一な厚さの層内に完全に収容された場合に、基板上に形成される層の厚さとして規定される。堆積される材料のＥ２ＤＴは、領域２および領域３全てにおける臨界厚さを越えるため、全ての領域内においてアイランドが形成される。（ここで用いられている「上部」という表現は、図１ａに示されているように配置された基板を称する。）
アイランドの自己組織化形成後における構造を示す概略断面図は、図１ｂに示されている。領域２と領域３とにおけるＳＫ臨界厚さの差によって、領域２内のぬれ層４の最終的な厚さは、領域３内のぬれ層５の最終的な厚さよりも大きくなる。領域２および領域３内に堆積されるＥ２ＤＴは同一であるため、領域３内のアイランド内に組み込まれる材料の体積は、領域２内のアイランド内に組み込まれる体積よりも大きい。従って、領域２内のアイランドの平均特性は、領域３内のアイランドの平均特性とは異なる。例えば、領域２内のアイランドと領域３内のアイランドとにおいて、以下の特性のうちいずれか１つ、あるいは以下の特性の任意の組み合わせが異なっていてよい：平均高さ（成長方向に沿って測定されるものであって、成長方向とは、基板に対して垂直方向（換言すれば、基板表面の平面に平行）である）、平均ラテラル寸法（例えば平均幅）（成長方向に対して垂直方向に測定する）、および平均形状。さらに、２つ以上の化学元素（例えばＡ_ｘＢ_１−ｘなどの半導体合金（ＡおよびＢは異なる化学元素））を含有する自己組織化アイランドにおいては、領域２内に形成されるアイランドの平均組成は、領域３内に形成されるアイランドの平均組成とは異なっていてよい。これは、ぬれ層およびアイランド内における元素の取り込みが、アイランドの成長中におけるアイランドの高さ、直径、および形状によって様々であるからである。

さらに、これらアイランドの平均値に関するあらゆる特性の分布は、領域２内のアイランドの集合と、領域３内のアイランドの集合とにおいて異なっていてよい。

個々のアイランドまたはアイランドの集合の特性におけるこれらの差の代わりに、あるいはこれらの差に加えて、領域２内における（基板成長面の単位面積当たりのアイランド数として規定される）アイランド密度は、領域３内におけるアイランド密度とは異なっていてよい。図１ｂは、領域２内に形成されたアイランド６の平均高さが領域２内に形成されたアイランド７の平均高さよりも小さい場合の例を示している。（従来技術において周知であるように、自己組織化ＳＫ成長中に形成されるアイランドは、通常は全て同一ではなく、平均サイズなどのアイランドの特性にバラつきがある場合が多い。図１ｂにおいて６および７で示されているアイランドは、領域２および領域３内に形成されたアイランドの集合の平均特性を概略的に示している。）
次に、図１ｃに示されているように、自己組織化アイランド６および７、並びにぬれ層４および５が、キャップ層８と共に成長（オーバーグロース）する。このキャップ層の禁制バンドギャップは、自己組織化アイランド６および７が量子ドットを形成するように、自己組織化アイランド６および７の禁制バンドギャップよりも大きい。

異なるタイプの領域２および３内に形成されるアイランド６および７の構造特性が異なるため、２つのタイプの領域２および３内に形成される量子ドット能動領域は、互いに異なる特性を示す。例えば、量子ドットから放射される光の波長は量子ドットのサイズに敏感であるため、領域２および領域３内の量子ドットからの発光波長は異なり得る。従ってこの方法によって、異なる特性を有する複数の量子ドット能動領域が、単一のエピタキシャル成長堆積によって、異なる幅で、且つ基板上の所定の場所にモノリシックに形成される。アイランド６および７のサイズを適切に選択することによって、自己組織化アイランド６によって形成される量子ドット、および自己組織化アイランド７によって形成される量子ドットの発光波長を、所望の通りに選択することができる。これによって、所望とする全体的なスペクトル出力を得ることができる。

タイプ２および３の領域のサイズおよび形状は、所望の通りに任意に組み合わせることができ、基板表面上におけるこれら領域の分布もまた、所望の通りに選択することができる。例えば、タイプ２および３の領域は、後に基板が分割されて個々のチップとなる際に、各チップが、所望の通りに分布された２つの能動領域を含むように、基板表面上に分布させることができる。

必要に応じて、１つ以上の別のＳＫ層をキャップ層８上において繰り返し堆積して、量子ドット層の垂直スタックを形成してもよい。キャップ層８の成長後に、キャップ層の表面領域９および１０のＡＳＬＰが、各領域２および３の当初の表面のＡＳＬＰと実質的に同一である場合、後のこれらＳＫ層は、個々の領域間における自己組織化アイランド特性において同様の差を示す。

図１ａ〜図１ｃは、２つの異なる発光波長を有する量子ドットをもたらす、異なる２つのタイプの領域のみを示している。しかし本発明は、これに限定されるものではなく、上記方法は、３つ以上のタイプの領域を含む表面にも適用可能である。一般的には、基板表面は、それぞれ異なるＡＳＬＰを有する各タイプの領域が、任意の所望の数で、任意の所望の通りに分布されるように、準備される。例えば、３つの異なる発光波長の量子ドットをもたらす、３つの異なるタイプの領域を備えることができる。

幅が異なる基板上の所定の領域内に、異なる特性を有する能動領域を形成する上記方法は、同様の結果を達成する従来技術による方法に対して、重要な利点を有している。従来技術に関して既述した通り、同様の結果を達成する従来技術による２つの既存の方法は、量子ドットの選択領域エピタキシャル成長か、あるいは、基板上の異なる領域上の異なる能動領域の連続成長かのいずれかに依存している。連続成長方法では、異なる各能動領域に対して、別のエピタキシャル堆積プロセスが少なくとも１つは必要となる。しかし本発明による方法では、単一のエピタキシャル堆積プロセスを用いて、所望する任意数の異なる能動領域特性を、基板上に組み込むことができる。必要とされるエピタキシャル堆積プロセスがわずか１つであることによって、コストが大幅に削減されると共に、多数の異なる能動領域を有する構造を実用的に形成するための柔軟性が得られる。本発明による方法は、マスク表面にＳＫ層を直接堆積する必要がないため、マスク処理中における表面の残留汚染に起因する量子ドット能動領域の特性劣化に関連する不都合点を回避することができるという点において、選択領域エピタキシーに対して利点を有している。本方法はさらに、各層に対して個々のマスクを形成する必要なく、量子ドットの複数の層のスタックを介して量子ドット特性の制御を維持できるという点において、選択領域エピタキシーに対して重要な利点を有している。これによって、高性能のデバイスに必要とされ得る、量子ドットの多層スタックを有した能動領域を形成することができる。

米国特許第５，６１４，４３５号および米国特許第６，５８３，４３６号に記載の方法は、ＳＫ成長中におけるアイランドの核生成に対し、一部の制御を提供するものである。しかし、両方法ともに、基板の異なる領域内に形成されるアイランドの特性について全く制御できない、著しい制約がある。

本発明はさらに、半導体表面を処理して、２つ（または２つ以上）のタイプの領域を得ることによって、２つ（または２つ以上）のタイプの領域２および３を含む表面を得ることができるという特徴を有している。つまり、後に表面上に成長される層が有する欠陥は低密度である。

対照的に、ＪＰ−Ａ−２００３−３０９３２２の方法では、表面は、ＩｎＰ基板上において、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰとが交互になった領域を有している。ＩｎＰ基板の領域上にＧａＩｎＡｓＰを成長させることによって、ＧａＩｎＡｓＰの格子定数とＩｎＰの格子定数との不一致に起因して、ＧａＩｎＡｓＰ内に欠陥（特に転位）が生じる結果となる。さらに、ウェットエッチングが困難な材料（例えば、ＩＩＩ族窒化物材料）に対しては、高品質の材料を上部に成長し得る表面をエッチングによって準備するのが困難である。これは、ＪＰ−Ａ−２００３−３０９３２２において再成長されたＧａＩｎＡｓＰ領域の欠陥のさらなる原因でもある。

上述のメカニズムのいずれによって生じる欠陥も、ＪＰ−Ａ−２００３−３０９３２２における表面上に後に成長される量子ドットの性能を大幅に劣化させ得る。この問題は、本発明に係る方法には存在しない。これは、半導体表面を処理して、上記２つ（または２つ以上）のタイプの領域を得るということは、表面上に後に成長される層の欠陥が低密度となり、これによってこれら層の品質が高くなることを意味しているからである。

本発明はさらに、上記表面を得るために必要なエピタキシャル工程が、ＪＰ−Ａ−２００３−３０９３２２の方法よりも少ないという利点を有している。

本発明の好ましい実施形態について、２つ以上の異なる波長成分を有する光を放射する発光デバイスを参照しながら、以下に説明する。しかし本発明は、発光デバイスに限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態に係る発光デバイスおよびその形成方法について、図２ａ〜図２ｄを参照しながら説明する。

本実施形態では、ＭＢＥを用いて、基板上に、弾性的に歪ませた表面層を有するヘテロ構造が堆積される。当該ヘテロ構造は、図２ａの概略断面に示されている。本実施形態では、基板１２は、サファイアベースの基板１４上に成長されたｎ型ドープされたＧａＮ層１３から成る、テンプレート基板である。ｎ型ＧａＮバッファ層１５、およびｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）（以下ではＡｌＧａＮと称する）層１６は、この順番で基板１２上に成長される。ＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰは、弾性的に緩和されたＡｌＧａＮ結晶のＡＳＬＰとは等しくない。これは、ＡｌＧａＮ層が、部分的または完全に、基板表面に平行な面内においてＧａＮバッファ層１５に歪まされるからであり、また、緩和されたＡｌＧａＮのＡＳＬＰは、ＧａＮバッファ層のＡＳＬＰとは等しくないからである（当該ＧａＮバッファ層のＡＳＬＰは、バルクＧａＮのＡＳＬＰとは異なっていてよい。これは、サファイア上に成長されるＧａＮ層は、常にバルクＧａＮのパラメータまで完全に緩和されないからである）。これには、ＡｌＧａＮ層の厚さを、完全な緩和が行われる位置の厚さよりも薄くして、ＡｌＧａＮ層内の歪が（プラスチック緩和または亀裂を介して）完全に緩和されないようにする必要がある。ＡｌＧａＮ層内における歪の緩和は、ほぼまたは全く行われないことが好ましいが、部分的に緩和させてよい。従って、ＡｌＧａＮ層１６は、弾性的に歪ませた表面層である。

上記ヘテロ構造は、ＭＢＥ堆積装置から除去され、そしてＡｌＧａＮ層１６内における弾性歪の緩和を制御するために、ＡｌＧａＮ層１６内／ＡｌＧａＮ層１６上に、歪取り構造（strain-relieving features）が備えられる。本実施形態では、これらの歪取り構造は、ピットまたはトレンチなど、ＡｌＧａＮ層１６内に形成された（例えばエッチングされた）凹部である（これらの凹部は、以下では、分かりやすくするために「ピット」と称する）。これらのピットがＡｌＧａＮ層１６にエッチングされる際に、当該ピットの側壁にに自由表面が導入される。これらの自由表面が設けられることによって、ＡｌＧａＮ層内における一部または全部の弾性歪が、当該自由表面の近傍において緩和される。このＡｌＧａＮ層内の弾性歪は、基板成長面に平行な面内、および、ピット側壁の自由表面の平面に垂直な方向において、完全または部分的に緩和される。この弾性歪が完全または部分的に緩和されることによって、ピット側壁近傍におけるＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰが、これらピットがエッチングされる前におけるＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰと比べて変化する。

弾性歪の緩和の程度、ひいてはＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰの値は、ピットの深さ、ピットの形状（成長面上における突出）、ピット側壁の断面形状、およびＡｌＧａＮ層１６の表面上におけるピットの分布に依存している。

図３ａ〜図３ｃは、ピット側壁の形状の実施例の概略断面図である。図３ａは、垂直な側壁を有するピットを示している。図３ｂは、当初の面の外向きの表面法線（surface normal）に対して９０°未満の角度を成す、外向きの表面法線を有する側壁を有するピットを示している。図３ｃは、当初の面の外向きの表面法線に対して９０°を超える角度を成す、外向きの表面法線を有する側壁を有するピットを示している。

図３ｄ〜図３ｇは、表面全体におけるピットの分布および形状の、可能な実施例の概略平面図である。図３ｄは、細長いピット２２の格子模様を示している。これらピット２２は細長く、ＡｌＧａＮ層１６の幅全体において互いに平行に伸びている。図３ｅは、ピット２２の長方形の碁盤目模様を示している。第１のセットの細長いピットは、ＡｌＧａＮ層１６の幅全体において互いに平行に伸びており、第２のセットの細長いピットは、互いに平行に、且つ上記第１のセットの細長いピットに対して実質的に垂直に伸びている。図３ｆは、三角形の碁盤目模様のピット２２を示している。第１のセットの細長いピットは、ＡｌＧａＮ層１６の幅全体において互いに平行に伸びており、第２のセットの細長いピットは、互いに平行に、且つ上記第１のセットの細長いピットと交差しながらも非垂直（例えば６０°）に伸びている。図３ｇは、ピット２２のアレイを示している。各ピットは、幅方向および長さ方向の両方において限定的であり、規則的なアレイに配置されている。図３ｇは、正方形の形状を有し、正方形のアレイに配置されたピット２２を示しているが、図３ｇに示されているピットの形状および／またはアレイとは異なったピットの形状および／またはアレイを有していてもよい。図３ｄ〜図３ｇは、歪取りピットの単なる実施例を示しており、本発明はこれら特定の実施例に限定されるものではないことを理解されたい。歪取りピットの任意の適切な配置を用いることができる。

ＡｌＧａＮ層１６内における弾性歪の緩和は、ピット側壁に垂直な方向において生じる。従って、図３ｄに示されているようにピットが分布している場合は、ピット側壁に平行な結晶学的方向に沿って測定される表面格子定数は、ピットをエッチングしても実質的には変化せず、また、ピット側壁に垂直な結晶学的方向に沿って測定される表面格子定数は、ピットをエッチングすることによって変化する。しかし、図３ｅに示されているようにピットが分布されている場合、表面格子定数は、ピット側壁に垂直な結晶学的方向に沿って、２つの垂直方向において変化する。しかしいずれの場合においても、（また図３ｆおよび図３ｇの場合においても）、ピットがエッチングされた後におけるＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰは、ピットがエッチングされる前のＡＳＬＰとは異なる。

ピットの深さ、形状、側壁設計、および／または分布パターンを適切に選択することによって、ＡｌＧａＮ層１６内における弾性歪の緩和の程度を制御することができる。表面格子定数は、ピットの深さ、形状、側壁設計、および／または分布パターンに応じて、ピット間の領域内において実質的に同一となるようにすることができ、あるいはピット間の領域内において異なるようにすることもできる。ピットの特定の深さ、特定の形状、特定の側壁設計、および特定の分布パターンの組み合わせは、以下ではピットパターン設計（ＰＰＤ）と称する。

ＡｌＧａＮ層１６の表面上におけるピットの分布は、例えば任意の適切なリソグラフィ技術（光学リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、干渉リソグラフィ、あるいはインプリントリソグラフィ）など、任意の適切な技術を用いて規定することができる。次にピットは、ピットの所望の深さ、形状、および側壁形状を提供する条件を用いた、任意の適切なエッチング技術（例えば誘導結合プラズマエッチング）を用いてエッチングされる。ピットがエッチングされた後、プラズマ化学気相成長法などの技術を用いて、二酸化ケイ素などの絶縁誘電体材料２１が堆積され、当該誘電体材料は、エッチングされたピットを充填し、ＡｌＧａＮ層１６の最上面上に突出する。

上記第１の実施形態では、第１のＰＰＤによるピットは、ＡｌＧａＮ層１６の表面の第１の領域のセット（図１ａの領域２に対応する）においてエッチングされ、第２のＰＰＤによるピットは、ＡｌＧａＮ層１６の表面の第２の異なる領域のセット（図１ａの領域３に対応する）においてエッチングされる。原理上、ピットは、１つの処理工程において第１の領域内と第２の領域内との両方にエッチングして設けてもよく、１つの処理工程において第１の領域内においてエッチングし、別の処理工程において第２の領域内においてエッチングして設けることも可能である。例えば、第１の領域内のピットは第１の側壁設計によって形成し、第２の領域内のピットは側壁設計の異なる第２の側壁設計によって形成することによって、第１の領域内において第１のＰＰＤを、第２の領域内において第２のＰＰＤを得ることができる。さらに別の実施例として、第１の領域内のピットは、上記に加えて、あるいは上記の代わりに、第１の分布パターンを有していてよく、第２の領域内のピットは、第２の異なる分布パターンを有していてよい。第１の領域のセットまたは第２の領域のセットのいずれにも含まれていないＡｌＧａＮ層１６の表面の領域内においては、ピットはエッチングされない。いずれのピットもエッチングされない表面の領域は、第１の領域および第２の領域とは異なる第３の領域のセットを形成する。第１の領域のセットおよび第２の領域のセットは、後の形成プロセスにおいて基板が個々のチップに分割される際に、各チップが、少なくとも１つの第１のＰＰＤの領域と、少なくとも１つの第２のＰＰＤの領域と、少なくとも１つのピットがエッチングされていない領域とを含むように分布される。これは、図４ａに示されている。図４ａは、基板２３の一部と、第１のＰＰＤおよび第２のＰＰＤがそれぞれ用いられている領域２４および２５の分布と、残りの領域２６の場所とを示す概略平面図である。

ＰＰＤが異なっていることによって、ＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰは、領域２４、２５、および２６間において異なり、第１の領域２４は第１の値を有し、第２の領域２５は第２の値を有し、第３の領域２６は第３の値を有する。以下の説明では、ＰＰＤは、領域２４内のＡＳＬＰが、領域２６内のＡＳＬＰよりも小さい領域２５内のＡＳＬＰよりも小さくなるようなＰＰＤであると見なされる。これら３つのタイプの領域は、各タイプの領域が互いに異なるＰＰＤを有する３つ全てのタイプの領域内にピットを設けることによって得ることができる。あるいは、１タイプの領域は、当初のＡＳＬＰを維持するように、ピットが形成されないようにしてもよい。

図２ｂは、或る特定のＰＰＤを有するピットパターン（すなわち、領域２４または２５のいずれか１つにおいて（図２ｂは、図４ａの全ての領域２４、２５、および２６を示していない））をエッチングし、これらピットに二酸化ケイ素などの絶縁誘電体材料２１を充填した後における、ヘテロ構造基板の概略断面図を示している。当該ヘテロ構造基板は、次に、ＭＢＥ堆積装置に戻され、自己組織化アイランド形成によって形成された量子ドットを含んだ能動領域を成長させるために基板として用いられる。このために、当該基板は、基板を洗浄するのに適した任意の方法によって洗浄され、当該基板上には、バッファ層２０（本実施例ではＡｌＧａＮバッファ層）が堆積される。次に、上記ヘテロ構造基板上に、例えばＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ここで、０≦ｘ≦１である。以下ではＩｎＧａＮと称する）層などの層が、ＳＫモードで成長される。ＩｎＧａＮぬれ層１７、および自己組織化ＩｎＧａＮアイランド４９は、図２ｃに示されている。

領域２４、２５、および２６間においてＡＳＬＰに差があることによって、これら３つのタイプの領域内において、ＩｎＧａＮアイランドの自己組織化形成のための臨界厚さが異なっている。領域２４内の臨界厚さは、領域２５内の臨界厚さよりも薄く、領域２５内の臨界厚さは、領域２６内の臨界厚さよりも薄い。ＳＫ層の成長中に堆積される材料のＥ２ＤＴは、基板の全領域内において実質的に同じであり、また、３つ全てのタイプの領域２４、２５、および２６内の臨界厚さを超過するように選択される。従って、３つ全てのタイプの領域内において自己組織化アイランドが形成される。しかし、領域２４内の臨界厚さが領域２５内の臨界厚さよりも薄いため、領域２４内のアイランドに収容される材料の量は、領域２５内のアイランドに収容される材料よりも多く、領域２４内の自己組織化アイランドの平均高さは、領域２５内の自己組織化アイランドのそれよりも高い。同様に、領域２５内のアイランドに収容される材料の量は、領域２６内のアイランドに収容される材料よりも多く、領域２５内の自己組織化アイランドの平均高さは、領域２６内の自己組織化アイランドのそれよりも高い。

アイランドの形成後、自己組織化アイランド４９を被覆するように、ぬれ層１７上にキャップ層１８が成長される。キャップ層１８は、自己組織化アイランドの材料よりも禁制バンドギャップの大きい材料から形成されているため、上述したように、自己組織化アイランド４９が量子ドットを構成する。

歪層１６は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０ｋ≦ｘ≦１）自己組織化アイランドおよびＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜y≦１）層１６の場合のように、自己組織化アイランドのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有していなければならない。

ＩｎＧａＮ自己組織化アイランド４９の場合、キャップ層１８に適切した材料は、例えばＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）である。従って、図２ａ〜図２ｄの実施形態では、ＩｎＧａＮアイランド４９を被覆するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎキャップ層１８およびｐ型ＧａＮ層１９が、この順番で、図２ｄに示されているように上記基板上に成長される。

ｐ型ＧａＮ層１９は、ＬＥＤ製造に必要なｐｎ接合を完成させるものである。図２ｄでは、層１９は、誘電体材料２１をオーバーグロースさせないものとして示されている。なぜならこれは、誘電体材料２１の最上部に多結晶ＧａＮが形成される可能性はあるが、実際に通常起こることであるからである。誘電体材料２１の主目的は、ｐ型層１９とｎ型層１６との間を通過するあらゆる電流を、能動領域を貫いて通過するようにすることである（すなわち誘電体材料２１は、能動領域を迂回するｐ型層１９とｎ型層１６との間のあらゆる直接経路を遮断する）。

ＬＥＤとのコンタクトを形成するのに適した任意の方法を用いて、ｐ型層１９およびｎ型ＧａＮバッファ層１５との金属コンタクトが、ＩＩＩ族窒化物材料から準備される。例えば、ｐ型ＧａＮ層１９の表面上に、熱蒸着などの技術を用いて、ニッケル層および金層がこの順番で堆積されて、ｐ型材料との電気コンタクトが形成され、そして領域２６の部分２７内において、誘導結合プラズマエッチングなどの技術を用いてｎ−ＧａＮ層まで行う第１のエッチングによって、ｎ−ＧａＮ層とのコンタクトが準備され、そして電子ビーム蒸着などの技術を用いて、チタン層およびアルミニウム層が堆積される。図４ｂは、領域２６の部分２７内に、ｎ−ＧａＮとのコンタクトを堆積した後における基板を示している。ｐ型ＧａＮ層とのコンタクト（図４ｂには示さず）は、領域２４、２５、および２６内のコンタクト層が全て互いに絶縁されるように、エッチングによって分割することができる。

コンタクト形成後、上記基板は、ソーイング（sawing）またはクリービング（cleaving）などの、任意の適切な基板分割方法を用いて、個々のチップに分割される。得られるチップ構造は、図４ｃに概略的に示されている。個々のチップ２８はそれぞれ、領域２４、２５、および２６を含んでおり、領域２４、２５、および２６はそれぞれ、ｐ型ＧａＮ層１９との電気コンタクト（図示せず）、およびｎ型ＧａＮ層とのコンタクト２７を有している。領域２４、２５、および２６内のコンタクト層が全て互いに絶縁されるようにｐ型ＧａＮとのコンタクトが分割された場合、各領域２４、２５、および２６は、他の２つの領域とは異なる高さ、ひいては異なる発光特性を有する量子ドットを含んだ能動領域を有する、個々にアドレス可能なＬＥＤである。

領域２４、２５、および２６間におけるＩｎＧａＮ量子ドットの平均高さにおける差によって、これらの領域の平均発光波長において差が生じる。極性または半極性結晶学的方向（例えば[0001]）に成長したウルツ鉱型構造を有する窒化物量子ドットの場合、当該量子ドット内に固有の自発的電界およびピエゾ電界が原因となって、発光波長が量子ドットの高さに非常に強く依存する。

ＩｎＧａＮ量子ドットの発光波長が量子ドットの高さに依存しているため、領域２４、２５、および２６内に形成されたＬＥＤから放射される光の主波長は、それぞれ異なる。一実施形態では、例えば、領域２６から放射される光のピーク発光波長は、４００ｎｍ〜４７０ｎｍ（青色光として認識される）であり、領域２５から放射される光のピーク発光波長は、４７０ｎｍ〜５７０ｎｍ（緑色光として認識される）であり、領域２４から放射される光のピーク発光波長は、５７０ｎｍ〜６４０ｎｍ（赤色光として認識される）である。領域２４、２５、および２６とのコンタクトが互いに絶縁されている場合、（３つ全てのＬＥＤに共通する）ｎ−コンタクトと個々のｐ−コンタクトそれぞれとの間に適切な電気的バイアスを印加することによって、発光波長の異なる複数のＬＥＤを個々に制御することができる。従って、領域２４、２５、および２６の１つ以上に発光させることによって、チップからの全光出力を変化させることができる。

本発明は、上述した特定の波長帯に限定されるものではない。例えば、３つの領域２４、２５、および２６の発光波長における差は、上述した実施例における差よりも小さくてもよい。

上記実施形態において層を堆積するために用いられたエピタキシャル堆積方法は、ＭＢＥである。しかし上記実施形態は、ＭＢＥの代わりに、ＭＯＶＰＥなど他のエピタキシャル堆積技術を用いて実施可能であることを、当業者であれば容易に理解するであろう。さらに、上記実施形態の単一の態様において、２つ以上の異なるエピタキシャル堆積技術を組み合わせて用いることも可能である。例えば、ピットがエッチングされる前に基板上に堆積される層は、ＭＯＶＰＥなどの技術を用いて堆積し、残りの層は、ＭＢＥなど別の技術を用いて堆積することができる。

上述の実施形態では、エピタキシャル成長のためのベース基板はサファイアであった。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、サファイアの代わりに他のベース基板を容易に用いることができる。このようなベース基板としては、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）、シリコン、炭化ケイ素、およびガラスが含まれるが、これらに限定されるものではない。

本実施形態では、六方晶ウルツ鉱型構造および立方晶閃亜鉛鉱型構造など、窒化物材料として存在が知られている任意のポリタイプを有するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ材料を用いることができる。窒化物材料の成長方向は、任意の結晶学的方向に沿った方向であってよい。

上述の実施形態では、ＧａＮ上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮ層１６内における弾性歪の緩和を制御することによって、基板の複数の領域間においてＡＳＬＰが調節される。ＡｌＧａＮ層の代わりに、完全または部分的に歪んだＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を用いることができる。あるいは、ＡｌＧａＮ層１６の代わりに、完全または部分的に歪んだ、組成の異なるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）の任意の組み合わせを含んだスタックを用いることもできる。一般的に、層１６および層１７は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系に属しているものであってよい（ただし、上述したように、層１６は、ぬれ層１７内に形成される自己組織化アイランドよりも大きいバンドギャップを有している）。（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系とは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）の構成を有する材料を意味している。

さらに、本発明は、歪層１６内に応力緩和構造を設けることによってＡＳＬＰに変化をもたせることに限定されるものではなく、基板のＡＳＬＰに制御された変化をもたせる任意の適切な方法を、ＳＫ量子ドット層の成長前に用いて、ＳＫ層の特性を同様に制御することができる。このような別の技術の一例としては、ラテラル・オーバーグロース（lateral overgrowth）技術を用いて、ＡＳＬＰのそれぞれ異なる複数の領域を含んだ基板を準備する技術がある。

ラテラル・オーバークロース技術の原理は、例えば、P. Gibart “Metal organic vapour phase epitaxy of GaN and lateral overgrowth” Rep. Prog. Phys. 67 667 (2004)に記載されている。過成長技術を用いた、ＡＳＬＰのそれぞれ異なる複数の領域を含む半導体表面の準備は、図８ａおよび図８ｂに示されている。図８ａおよび図８ｂは、準備プロセスの２つの異なる段階にある状態を示す概略断面図である。

第１の工程では、基板３８上に、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）「種（seeds）」結晶４２を準備する。図８ａおよび図８ｂに示されている実施例では、基板３８は、サファイアベースの基板４００上に成長されたＧａＮ層３９から成るテンプレート基板である。種４２を形成するための一方法としては、基板３８上にＳｉＯ_２マスク４１を堆積し、当該マスク内にアパーチャを形成し、そして上記基板上に、マスクのアパーチャ（すなわち、当初の基板表面が露出されている部分）内にのみＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ結晶が形成されるように、また、上記基板の平面に対して垂直な方向に沿ってＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ種４２が成長されるように、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを堆積する方法がある。図８ａは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ種４２が形成された後における基板を示している。

Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ種４２が形成されると、基板３８の平面内に位置する方向（すなわち、図８ａにおいて矢印４３によって示されている方向）に沿って「ラテラル」成長が生じるエピタキシャル堆積条件を用いて、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ「ウィング」４４を成長させる。ウィング４４の成長は、図８ｂに示されているように、隣り合う種４２から成長するウィング同士が、合体境界（coalescence boundary）４５において互いに合体するまで継続する。図８ａおよび図８ｂに示されているようなラテラル・オーバーグロース方法は、基板表面における結晶欠陥（例えば転位）の密度を低減するための方法として慣習的に用いられている。しかし本発明では、ラテラル・オーバーグロース方法は、異なる所定の領域内においてそれぞれ異なるＡＳＬＰを有する表面を設けるための手段として用いられる。図８ｂに示されている構造の最上面４６は、種４２を含んだ領域（これらの領域は、図８ｂにおいて符号４７で示されている）と、ウィング４４を含んだ表面４６の領域（これらの領域は、図８ｂにおいて符号４８で示されている）との、２つの異なるタイプの領域から成る。種４２は、表面の領域４７内のＡＳＬＰが、当初のＧａＮ層３９のＡＳＬＰと実質的に同じとなるように、基板のＧａＮ層３９に実質的に歪まされる。これらのウィングは、その成長方向に沿って（すなわち、図８ａの符号４３で示されている矢印に沿って平行に）弾性的に緩和されるため、表面の領域４８内のＡＳＬＰは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎウィング４４の組成に依存している。ウィング材料の組成は、ウィング材料の弾性的に緩和された格子定数が、種４２内の等価格子定数とは異なるように選択される。このように、ＡＳＬＰの値がそれぞれ異なる所定の複数の領域を含む表面４６が準備される。ＡＳＬＰがそれぞれ異なる複数の領域の表面上における分布は、種４２が形成される位置を制御することによって制御される。

上述の実施形態では、ＩｎＧａＮアイランドの自己組織化成長によって形成された量子ドットを含んだ能動領域が用いられた。しかし、ＩｎＧａＮの代わりに、ＳＫモードでのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の堆積を用いてもよい。

上述の実施形態では、自己組織化ＩｎＧａＮアイランドの単一層が用いられた。本実施形態に変化を加えた実施形態では、キャップ層１８の成長後に、自己組織化アイランドの第２の層が形成されるように、ＩｎＧａＮの第２の堆積を行うことができる。この第２の層自体はキャップ可能であり、所望する任意数のＩｎＧａＮ量子ドットの層を含んだスタックを形成するためのプロセスが繰り返し行われる。キャップ層１８の成長後に、キャップ層１８のＡＳＬＰが、ＡｌＧａＮ層１６のＡＳＬＰと同様に異なっている場合、後のＳＫ層は、個々の領域間における自己組織化アイランド特性において同様の差を示すことができる。上記追加的な層に対してこれ以上の処理を行う必要はなく、ＡＳＬＰの異なりは、層１６からキャップ層１８まで「持続」する。上記連続層は、層間のエピタキシャル堆積装置からのサンプルを除去することなく、次々と素早く成長させることができる。

ＩｎＧａＮの堆積条件は、このスタック内における全ての層に対して同一であってよく、あるいは同一でなくてもよい。量子ドットの層を２つ以上設けることによって、得られるチップから出力される光の光度が増す。

図９ａは、量子ドットの２つの層を組み込んだデバイスの概略断面図である。当該デバイスは、基板１２上に配置された、例えばＡｌ、Ｇａ、Ｎ層１６などの半導体層を有している。層１６は、ＡＳＬＰの第１の値を有する少なくとも第１の領域と、ＡＳＬＰの第２の異なる値を有する少なくとも１つの第２の領域とが設けられるように、処理される。図９ａの実施形態では、層１６は、ＡＳＬＰがそれぞれ第１、第２、および第３の値である、第１、第２、および第３の領域を有しており、上記第１、第２、および第３のＡＳＬＰ値は、互いに異なっている。

層１６上に、ぬれ層１７および自己組織化アイランド４９が形成されている厚さに、ＳＫモードで１層が成長する。ＳＫモードで成長された当該層は、層１６よりもバンドギャップが低い、例えばＩｎＧａＮ層などの（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層であってよい。層１６のＡＳＬＰ値は、３つの領域間において異なっているため、第１の領域Ａ内の自己組織化アイランド４９ａは、パラメータの第１の平均値を有し、第２の領域Ｂ内の自己組織化アイランド４９ｂは、パラメータの第２の平均値を有し、第３の領域Ｃ内の自己組織化アイランド４９ｃは、パラメータの第３の平均値を有することになる。これら第１、第２、および第３の平均値は、互いに異なっている。上記パラメータは、自己組織化アイランドの高さなど、上述したパラメータのうち任意のパラメータであってよい。

ぬれ層１７および自己組織化アイランド４９上には、キャップ層１８が設けられる。上述したように、キャップ層１８を設けることによって、自己組織化アイランド４９、４９ａ、４９ｂ、４９ｃが量子ドットを形成する。ぬれ層１７、自己組織化アイランド４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、およびキャップ層１８の組み合わせは、第１の活性層５３として機能する。

次に、キャップ層１８の表面上部に、第２の層内にぬれ層１７’および自己組織化アイランド４９’が形成される厚さに、第２の層がＳＫモードで成長する。キャップ層１８のＡＳＬＰが、層１６のＡＳＬＰと同様に異なっている場合、第２のＳＫ層の領域Ｄ’（第１のぬれ層の領域Ａの上）内に形成される自己組織化アイランド４９ａ’、第２のＳＫ層の領域Ｅ（第１のぬれ層１７の領域Ｂの上）内に形成される自己組織化アイランド４９ｂ'、および第２のＳＫ層の領域Ｆ（第１のぬれ層１７の領域Ｃの上）内に形成される自己組織化アイランド４９ｃ'は、互いに異なることになる。すなわち、これらアイランドは、異なる値のパラメータ（上述したパラメータのうちの任意のパラメータ）を有することになる。

第２のぬれ層１７'および自己組織化アイランド４９’上には、第２のキャップ層１８'が配置される。この結果、第２のぬれ層１７'上に形成された自己組織化アイランド４９ａ'、４９ｂ'、および４９ｃ'が、量子ドットを形成する。また、第２のぬれ層１７の３つの領域内の自己組織化アイランド４９ａ'、４９ｂ'、および４９ｃ'は互いに異なるため、得られる量子ドットの特性は互いに異なることになる。つまり、第２のぬれ層１７'の領域Ｄ内の自己組織化アイランドから形成される第４の量子ドットは、第２のぬれ層１７'の領域Ｅ内の自己組織化アイランド４９ｂ'から形成される第５の量子ドットとは異なる特性を有することになる（さらに、第２のぬれ層１７'の領域Ｆ内の自己組織化アイランド４９ｃ'から形成される第６の量子ドットは、さらに異なる特性を有する）。

第２のキャップ層１８'、自己組織化アイランド４９ａ’、４９ｂ’、４９ｃ’、および第２のぬれ層１７'は、共に第２の能動領域を構成する。図９ｂは、図９ａに対応する概略断面図であるが、下方のぬれ層１７および下方のキャップ層１８とは分離された第２のぬれ層１７'および第２のキャップ層１８'を示している。これによって、デバイスの様々な部品のラベリングが明りょうになる。

第２のキャップ層１８'のＡＳＬＰが、領域Ｄ、Ｅ、およびＦ間において異なる場合は、図９ａの第２のキャップ層１８'上に、ＳＫモードで成長する別の層および別のキャップ層を配置して、互いに特性の異なる量子ドットを含んだ別の能動領域を得ることができる。また、必要に応じて、ＳＫモードで成長するさらに別の層、およびキャップ層を設けることができる。

第２の能動領域５４は、第１の能動領域５３と一般的に同様の特性を有していることが好ましい。発光デバイスの場合、各能動領域５３および５４は、一実施例では、２つの能動領域が２つ設けられていることによってデバイスから出力される光の光度が（能動領域を１つしか有していないデバイスよりも）高くなるように、量子ドットが赤色スペクトル領域内においてピーク発光波長を有した領域と、量子ドットが緑色スペクトル領域内においてピーク発光波長を有した領域と、量子ドットが青色スペクトル領域内においてピーク発光波長を有した領域とを含んでいることが好ましい。

なお、図９ａおよび図９ｂに示されている自己組織化アイランドのサイズ、およびぬれ層の厚さは、単に、異なる領域Ａ、Ｂ、Ｃ；Ｄ、Ｅ、Ｆ内のぬれ層および自己組織化アイランド４９ａ、４９ｂ、４９ｃ；４９ａ’、４９ｂ’、４９ｃ’が、互いに異なるサイズを有していることを示すために選択されたのであって、複数の異なる領域内における自己組織化アイランドの相対的なサイズ、またはぬれ層の相対的な厚さの縮尺を示すものではないことに留意されたい。実際は、（例えば）領域Ａが領域ＢまたはＣよりも大きい自己組織化アイランドを有している場合であれば、領域Ｄは領域ＥまたはＦよりも大きい自己組織化アイランドを有している可能性が高い。これは、領域Ｄ、Ｅ、およびＦ内の自己組織化アイランドのサイズの差が、最終的には層１６のＡＳＬＰの差から生じているからである。

図９ａでは、分かりやすくするために、多数の層が省略されていることに留意されたい。例えば、本実施形態の実用的な態様では、一般的に、基板１２と層１６との間にバッファ層が含まれており、層１６とぬれ層１７との間にもバッファ層が含まれている。図９ａはさらにＡＳＬＰの異なる複数の領域に層１６が設けられるメカニズムを示すものではない。これは例えば、上述したように、層１６内にピットを設けることによって行うことができる。

基板１２は、図９ａには詳細に示されていない。基板１２は、図２ａを参照しながら説明したような基板であってよい。

必要に応じて、基板１２の下方の表面上に、より大きいデバイスを配置することができる。これについては、図７を参照しながら以下に説明する。

図９ａのデバイスの表面上部に、（図２ｄの層１９と同様の）ｐ型層を設けて、ＬＥＤのｐｎ接合を完成させることができる。

上述の実施形態では、３つの異なる主波長を放射する複数の領域を有するＬＥＤを準備するために、ＡＳＬＰの異なる３つのタイプの領域が用いられた。この方法は、例えば、互いに異なるＡＳＬＰを有していることによって各領域が区別される、２つの異なる主波長を放射する複数の領域、あるいは４つ以上の異なる主波長を放射する複数の領域など、所望する任意数のタイプの領域を用いるように拡大することができる。この結果、所望する任意数の主発光波長を有するＬＥＤを形成することができる。所望する主発光波長は、上記の実施形態において列挙された波長帯内である必要はない。

各ＰＰＤによってパターン形成される基板成長面の領域の割合は、所望の通りに変化をもたせることができる。例えば、領域２５内に形成された量子ドット能動領域からのルミネセンス効率が、領域２４内に形成された量子ドット能動領域からのルミネセンス効率よりも低い場合、低い方のルミネセンス効率を補償するために、領域２５によって占有される基板の成長面の部分を大きくすることができる。

上述の実施形態では、自己組織化ＩｎＧａＮアイランドの成長の直前に、ＡｌＧａＮバッファ層２０を成長させる。あるいは、スタック最上面におけるＡＳＬＰが、ＡｌＧａＮ層１６の表面におけるＡＳＬＰと実質的に同じである場合は、ＡｌＧａＮバッファ層２０の代わりに、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）の任意の組み合わせを含んだスタックを用いることができる。あるいは、いかなるバッファ層も成長させることなく、ぬれ層１７および自己組織化ＩｎＧａＮアイランド４９を、ＡｌＧａＮ層１６上に直接成長させることができる。

上述の実施形態では、ｐ型ＧａＮ層とのコンタクトは、領域２４、２５、および２６内のコンタクト層同士が全て絶縁されるように、エッチングを用いて分割される。絶縁されたこれらのコンタクトによって、能動領域全体に印加される電気的バイアスは、上記３つの領域間において異なっていてよい。あるいは、領域２４、２５、および２６内のコンタクト層同士は、互いに絶縁される必要はない。この場合、デバイスの動作中に印加されるバイアスは、３つ全ての領域内の能動領域において同一である。

上述した実施形態は、窒化物半導体材料から形成されたＬＥＤの実施例のためのものである。しかし、当業者には明らかであるように、上記方法は、ＳＫモードでの成長が可能な他の任意の半導体材料によって形成された自己組織化能動領域を有するＬＥＤに適合および適用可能である。これら他の半導体とは、任意のＩＩＩ−Ｖ族化合物（周期表の第３族の元素および周期表の第５族の元素を含んだ化合物）、例えばＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）、任意のＩＩ−ＶＩ族化合物（周期表の第２族の元素および周期表の第６族の元素を含んだ化合物）、およびＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ≦１）などである。

本発明の第２の実施形態に係る発光デバイスおよびその形成方法について、図５ａ〜図５ｂを参照しながら説明する。

図５ａまたは図５ｂの発光デバイスは、一般的に、第１の実施形態に係るデバイスと同一の方法を用いて形成される。しかし、基板上における複数の異なるＰＰＤゾーンの分布は、基板が分割されて個々のチップとなった後、チップの２つ以上のゾーン内にＰＰＤが少なくとも１つ存在するように選択される。図５ａは、本実施形態に係るチップの平面図であり、３つの異なるＰＰＤのゾーン２４、２５、および２６が、チップ全体に伸びる行となっている例を示している。上記チップは、ＰＰＤがそれぞれ異なる２つ以上のゾーン２４、２５、および２６を有している。図５ａは、ＰＰＤがそれぞれ異なる３つのゾーン２４、２５、および２６を含んだチップを示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。図５ｂは、本実施形態に係る別のチップの平面図であり、３つの異なるＰＰＤのゾーン２４、２５、および２６が、長さおよび幅寸法の両方において広がりが制限されており、互いに二次元において相互分散（interdispersed）している別の例を示している。図５ｂのチップもまた、３つの異なるＰＰＤの所望する任意の数のゾーン２４、２５、および２６を含んでいてよい。チップ上に同一タイプのゾーンが分布していることによって、これらのゾーンがチップ全体に分布されていない場合に比べて、デバイスから放射される光が遠視野で見られる際に各タイプのゾーンから放射される光の混合が改善される。

本実施形態では、発光デバイスの動作中に、能動領域全体における全てのタイプのゾーンに印加される電気的バイアスが同一となるように、チップ上の全てのゾーンに単一の電気コンタクトを形成することができる。あるいは、１タイプのゾーンが他のタイプのゾーンから独立して制御されるように、個々の電気的バイアスを印加して、複数の異なるゾーンとの電気コンタクト同士が互いに絶縁されるようにしてもよい。

本発明の第３の実施形態に係る発光アレイおよびその形成方法は、第１の実施形態において説明したものと類似している。

複数の異なるＰＰＤゾーンの分布は、２つ以上のＰＰＤのゾーンからなる繰り返し構造（repeat unit）が、二次元アレイである基板表面上に分布されるように選択される。第１の実施形態のエピタキシャル成長工程後、各ゾーンが、上記アレイ内のゾーンの行および列に従って電気的バイアスによって個々にアドレスされるように、アレイとの電気コンタクトが形成される。上記繰り返し構造内において各ＰＰＤで形成された各能動領域からの発光波長は、それぞれ異なっている。従って本実施形態は、２つ以上の発光波長を有する画素を含んだ、二次元発光マトリックスアレイを提供する。

第３の実施形態では、二次元アレイが形成されるように、それぞれ異なるＰＰＤゾーンが周期的に配置されるようにする必要がある。対照的に、第２の実施形態では、各タイプのＰＰＤゾーンからの光混合を改善することが意図されているため、それぞれ異なるＰＰＤゾーンが周期的に配置される必要はない。

本発明の第４の実施形態に係るレーザダイオードおよびその形成方法について、図６ａ〜図６ｃを参照しながら説明する。

第４の実施形態に係るレーザダイオードは、第１の実施形態に係るデバイスと多くの特徴を共有している。具体的には、基板の複数の異なる領域内における特性がそれぞれ異なるように、自己組織化アイランド成長によって量子ドットを形成する方法は、第１の実施形態に関連して説明した方法と同一である。第４の実施形態と第１の実施形態とで共有するこれらの特徴については、詳しい説明は省略する。

第１の実施形態に関連して説明した方法によると、それぞれ異なる特性を有する量子ドットの集合が、基板の複数の異なる所定の領域内に形成され、発光ダイオードの能動領域として用いられた。第４の実施形態では、これらの量子ドットの集合は、２つ以上の発光波長を有する量子ドットレーザダイオードが単一基板上に形成されるように、レーザダイオードの能動領域内において用いられる。

第４の実施形態に係るデバイスのためのヘテロ構造のエピタキシャル成長は、ＰＰＤのそれぞれ異なる領域の基板上における好ましい分布を除いては、第１の実施形態と同一であってよい。図６ａは、第４の実施形態における、基板３０上における２つのＰＰＤ３１および３２の分布の平面図である。図２ｄに示し、第１の実施形態に関連して既に説明したヘテロ構造層の成長後、基板が処理され、リッジ導波型レーザ構造（ridge-waveguide laser structure）または利得ガイド型レーザ構造（gain-guided laser structure）などの従来技術において周知の構造を用いてレーザダイオードデバイスが形成される。

第１のＰＰＤ３１のみまたは第２のＰＰＤ３２のみを含んだ基板の領域上に、個々のレーザデバイスのレーザ空洞が設けられる。例えば、リッジ導波型レーザ構造の場合、レーザ空洞はリッジ導波型の位置によって規定され、レーザ構造のリッジ導波型が形成された領域内のみに電流が注入される。図６ｂは、レーザ空洞５０および５１を形成するためのプロセス後に基板から切断されたチップを概略的に示している。例えばリッジ導波型レーザの場合、レーザ空洞５０および５１は、基板上に対応するリッジを形成することによって規定される。レーザ空洞５０は、第１のＰＰＤ３１でパターン形成された基板の領域内に設けられる。レーザ空洞５１は、第２のＰＰＤ３２でパターン形成された基板の領域内に設けられる。レーザ空洞の末端は、反射ミラー３４によって規定される。異なるＰＰＤ３１および３２を用いた結果、および第１の実施形態に関連して詳述した理由によって、チップの能動領域の第１の部分内の量子ドット（レーザ空洞５０に対応する）は、チップの能動領域の第２の部分内の量子ドット（レーザ空洞５１に対応する）とは異なる特性を有している。量子ドットレーザの発光波長は、レーザ空洞の能動領域内における量子ドットの特性（例えばサイズ、形状、および組成）に依存しているため、第１のレーザ空洞５０の能動領域は、第２のレーザ空洞５１の能動領域のレーザ波長とは異なる波長を有している。このレーザ波長の差は、図６ｂにおいて、λ_１およびλ_２と印された矢印によって示されている。これらの矢印は、レーザ中に放射される光の方向を示しており、λ_１およびλ_２は、２つのデバイスのレーザ波長（λ_１≠λ_２）である。従って、図６ｂに示されている個々のチップ３３は、単一基板上にモノリシックに形成された、レーザ発光波長の異なる２つの隣り合うデバイスを有している。

上述の第４の実施形態は、基板上における異なるＰＰＤを適切に選択および分布させることによって形成される、２つの異なるレーザ波長を有するデバイスに限定して記載されている。しかし、基板から切断されたシングルチップ上には、発光波長の異なる所望する任意数のレーザダイオードを共に配置することができる。例えば、図６ｂのチップが、第１および第２のＰＰＤとは異なる第３のＰＰＤを有する領域をさらに有している場合、当該第３のＰＰＤの領域は、チップの能動領域の第３の部分を形成する。

図２ａ〜図２ｄは、本発明のデバイスのために考え得る層構造の１つである。しかし本発明は、この層構造に限定されるものではなく、例えば能動領域付近における光の閉じ込めを改善するため、および、得られるデバイスのレーザ特徴を改善するために、図２ｄに示されているヘテロ構造に別のヘテロ構造層を追加することができる。例えば、従来技術では、導光層およびクラッド層を備えることは、デバイス内においてレーザ照射を生じさせるために必要な最小注入電流を低減するための一手段として周知であり、本発明がレーザダイオードに適用される際においても、ヘテロ構造内に上記の追加的な層を備えることが好ましい。

各レーザ空洞内におけるＰＰＤのタイプがわずか１つである上述のレーザ構造に加えて、上記第４の実施形態は、各レーザ空洞が２つ以上の異なるＰＰＤの領域を含むようにＰＰＤおよびレーザ空洞位置を選択するように、さらに拡大することができる。１つのレーザ空洞内に２つ以上のタイプの能動領域が存在することによって、１つの空洞から２つ以上のレーザ波長を同時に放射させることができる。これは例えば、それぞれ異なる値のＰＰＤ３１および３２を有する複数の領域とレーザ空洞５２とが（例えば垂直に）交差している、図６ｃに概略的に示されているチップ内において、１つのレーザ空洞からの２つの波長において誘導放射（stimulated emission）が生じるように、レーザ空洞５２の一部を、ＰＰＤ３１を有する領域上に配置し、レーザ空洞５２の一部を、ＰＰＤ３２を有する領域上に配置することによって行うことができる。この２つの波長におけるレーザ放射は、図６ｃにおいて、「λ_１、λ_２」と印された矢印によって示されている。この矢印は、デバイスから放射される光の方向を示しており、λ_１およびλ_２は２つのレーザ波長である。

本発明の第５の実施形態に係る発光デバイスおよびその形成方法について、図７を参照しながら説明する。

第５の実施形態に係る発光デバイスは、第１の実施形態と多くの特徴を共有している。具体的には、具体的には、基板の複数の異なる領域内における特性がそれぞれ異なるように、自己組織化アイランド成長によって量子ドットを形成する方法は、第１の実施形態に関連して説明した方法と同一である。第５の実施形態と第１の実施形態とで共通するこれらの特徴の詳しい説明は省略する。

第１の実施形態のデバイスでは、ｐ型層とｎ型層との間に電気的バイアスが印加された時に、量子ドットのいずれかの側にあるｐ型層１９およびｎ型層１５から量子ドット内にキャリアが注入されている。一方、第５の実施形態では、キャリアは、光子の吸収を介して量子ドット内に導入される。

図７は、デバイスのヘテロ構造部分の概略断面図である。第１の実施形態において説明した、弾性的に歪まされた層１６の成長前に、基板１２上に発光ダイオードヘテロ構造が堆積される。当該発光ダイオードヘテロ構造は、本実施形態では、少なくともｎ型III族窒化物層３５、III族窒化物能動領域３６、およびｐ型III族窒化物層３７から成る。III族窒化物能動領域３６は、例えば、少なくとも１つのＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層を含んでいる。

弾性的に歪ませた表面層１６上における自己組織化アイランド形成は、第１の実施形態において説明した最終的なIII族の窒化物層（ｐ型層１９）の成長が省略される点を除いて、第１の実施形態に関連して説明した方法と同一の方法を用いて行われる。図７には、自己組織化アイランド成長に関連する、第１および第５の実施形態に共通する層、すなわち、任意のバッファ層２０、ぬれ層１７、自己組織化アイランド４９、およびキャップ層１８が示されている。第１の実施形態に関連して既に詳しく説明したように、自己組織化アイランド４９は量子ドットを構成する。

基板の選択された領域内において、発光ヘテロ構造のｎ型層３５に、電気コンタクトが形成される。これらの電気コンタクトは、（例えば誘導結合プラズマエッチングを用いて）成長面からエッチングを行ってｎ型層３５を露出し、そしてチタン層およびアルミニウム層を、この順番で、上記領域内に蒸着させることによって形成される。基板の選択された別の領域内において、ｐ型層３７発光ダイオードヘテロ構造に、電気コンタクトが形成される。これらの電気コンタクトは、成長面からエッチングを行ってｐ型層３７を露出し、ニッケル層および金層を、この順番で、上記領域内に蒸着させることによって形成される。

上記発光ダイオードは、アイランド４９によって形成された量子ドットを照射するために配置される。ｎ型層３５とｐ型層３７との間に順方向電気的バイアスが印加されると、発光ダイオードの能動領域３６から光子が放出される。これらの光子は、ぬれ層１７および量子ドットを通過するため、その一部または全部が吸収され、これによって電子およびホールが量子ドット内に導入される。光子は、量子ドット内に電子およびホールが生成され、この電子およびホールが量子ドット内において最低の非占有エネルギー状態に緩和するように、量子ドット吸収させることができる。あるいは、光子は、ぬれ層内に電子およびホールが生成され、この電子およびホールが量子ドット内に拡散され、そして量子ドット内において最低の非占有エネルギー状態に緩和するように、ぬれ層１７内に吸収させることができる。電子およびホールは、量子ドット内において最低の非占有エネルギー状態に緩和された後、互いに再結合し、光子が放出される。量子ドットから放出される光子のエネルギーは、発光ダイオードの能動領域３６から放出される光子のエネルギーよりも小さい。量子ドットから放出される光子のエネルギーは、量子ドットのサイズ、形状、および組成などの特性に依存している。従って、量子ドットのこれらの特性は、基板の複数の異なる領域に用いられるＰＰＤに依存しているため、デバイスの各領域からの全体的な発光スペクトルは、その領域におけるＰＰＤの選択に依存している。

成長基板の表面全体に複数の異なるＰＰＤを分布させることによって、各領域からのピーク波長および発光スペクトルを様々に異ならせることができる。従って、基板表面全体におけるＰＰＤの分布を適切に選択することによって、基板が個々のチップに分割されたときに、各チップは、それぞれ異なる全体的な発光スペクトルを有する領域を少なくとも２つ含んでいる。

図７では、能動領域３６は、基板１２と量子ドットとの間に配置されている。しかし能動領域は、基本的には、量子ドットとは反対側の基板１２面上に配置することができる。

図７の実施形態のＰＰＤは、例えば、図４ａ〜図４ｃ、図５ａ〜図５ｂ、および図６ａ〜図６ｂを参照しながら説明した方法のいずれかによって配置することができる。

本発明について、発光デバイスを具体的に参照しながら説明してきた。しかし本発明は、発光デバイスに限定されるものではなく、基本的には、量子ドットを用い、１つの層内にそれぞれ異なる特性を有する量子ドットが設けられることが所望される任意のデバイスに適用することができる。

例えば本発明は、フォトダイオードなどの感光半導体デバイスにも適用することができる。本発明は、１つ以上の領域上の量子ドットが、１つ以上の他の領域上の量子ドットとは異なる光吸収特性を有している、感光半導体デバイスを提供することができる。

別の例として、本発明は、量子ドット内にキャリアが蓄積される半導体メモリデバイスに適用することができる。本発明は、１つ以上の領域上の量子ドットが、１つ以上の他の領域上における量子ドットとは異なるキャリア蓄積特性を有している、半導体メモリデバイスを提供する。

本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら例として説明する。添付図面は以下の通りである。

基板上の異なる所定の領域において異なる特性を有する量子ドットの形成工程を示す断面図である。 基板上の異なる所定の領域において異なる特性を有する量子ドットの形成工程を示す断面図である。 基板上の異なる所定の領域において異なる特性を有する量子ドットの形成工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る量子ドット発光デバイスの形成工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る量子ドット発光デバイスの形成工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る量子ドット発光デバイスの形成工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る量子ドット発光デバイスの形成工程を示す断面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面内にエッチングされた、歪取りピットの概略断面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面内にエッチングされた、歪取りピットの概略断面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面にエッチングされた、歪取りピットの概略断面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面内にエッチングされた、歪取りピットの概略平面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面内にエッチングされた、歪取りピットの概略平面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面内にエッチングされた、歪取りピットの概略平面図である。 弾性的に歪ませた表面層の表面内にエッチングされた、歪取りピットの概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る基板の平面図である。 コンタクト堆積後における、図４ａの基板の平面図である。 図４ａまたは図４ｂに示されている基板から切り取られた個別チップの平面図である。 本発明の別の形態に係る個別チップの平面図である。 本発明の別の形態に係る個別チップの平面図である。 本発明の別の形態に係る基板の平面図である。 図６ａに示されている基板から切り取られた個別チップの平面図である。 図６ａに示されている基板から切り取られた個別チップの平面図である。 図７は、本発明の別の形態に係る発光デバイスの断面図である。 ラテラルオーバーグロース技術を用いて、異なる平均表面格子定数を有する所定の領域を有する表面を準備する方法の段階を示す断面図である。 ラテラルオーバーグロース技術を用いて、異なる平均表面格子定数を有する所定の領域を有する表面を準備する方法の段階を示す断面図である。 本発明の別の形態に係るデバイスの概略断面図である。 図９ａの実施形態の概略分解断面図である。

符号の説明

１ 半導体表面
２ 第１の領域
３ 第２の領域
６ 自己組織化アイランド
７ 自己組織化アイランド
８ キャップ層

Claims (29)

1. 半導体表面を処理して当該半導体表面に複数の凹部である歪取り構造を設け、上記複数の凹部の各々について、それらの深さ、形状、側壁の断面形状および上記半導体表面上における分布のうちの少なくとも１つを調節することにより、平均表面格子定数の第１の値を有する当該半導体表面の少なくとも１つの第１の領域と、上記第１の値とは異なる、平均表面格子定数の第２の値を有する上記半導体表面の少なくとも１つの第２の領域とを得る工程と、
   上記少なくとも１つの第１の領域上および上記少なくとも１つの第２の領域上の両方に第１の自己組織化アイランドが形成される厚さまで、上記半導体表面上に第２の半導体層を堆積する工程であって、上記第１の領域上の上記第１の自己組織化アイランドは、上記第１の自己組織化アイランドの平均高さ、平均幅、平均形状および平均組成のうちのいずれかであるパラメータの第１の平均値を有するように形成され、上記第２の領域上の上記第１の自己組織化アイランドは、上記第１の平均値とは異なる、上記パラメータの第２の平均値を有するように形成される工程と、
   上記第２の半導体層上にキャップ層を堆積することによって、上記第１の自己組織化アイランドが量子ドットを形成する工程であって、上記第１の領域上の当該量子ドットは、上記第２の領域上の当該量子ドットとは異なる光学特性を有するように形成される工程とを含んでいる、半導体発光デバイスの製造方法。
2. 上記半導体表面は、上記第１の値および上記第２の値とは異なる、平均表面格子定数の第３の値を有する少なくとも１つの第３の領域をさらに含んでおり、これによって、当該第３の領域上の量子ドットは、上記第１の領域上の上記量子ドットおよび上記第２の領域上の上記量子ドットとは異なる光学特性を有している、請求項１に記載の方法。
3. 上記第１の領域上の上記量子ドットは、上記第２の領域上の上記量子ドットとは異なる光学特性を有しており、上記第３の領域上の量子ドットは、上記第１の領域上の上記量子ドットおよび上記第２の領域上の上記量子ドットとは異なる光学特性を有している、請求項２に記載の方法。
4. 上記パラメータは、上記半導体表面の平面に対して垂直な方向における、上記第１の自己組織化アイランドの平均高さである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 上記パラメータは、上記半導体表面の平面に平行な方向における、上記第１の自己組織化アイランドの平均幅である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 上記パラメータは、上記第１の自己組織化アイランドの平均形状である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 上記パラメータは、上記第１の自己組織化アイランドの平均組成である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 上記半導体表面は、第１の半導体層の表面であり、
   平均表面格子定数の上記第１の値を有する上記第１の領域を形成するために、上記第１の半導体層を処理する工程を含んでいる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 平均表面格子定数の上記第２の値を有する上記第２の領域を形成するために、上記第１の半導体層を処理する工程を含んでいる、請求項８に記載の方法。
10. 上記第１の半導体層は、歪んだ半導体層である、請求項８または請求項９に記載の方法。
11. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、上記第１の半導体層の上記第１の領域内に、１つ以上の歪取り構造を形成する工程を含んでいる、請求項１０に記載の方法。
12. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、上記第１の半導体層の上記第２の領域内に１つ以上の歪取り構造を形成する工程を含んでいる、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
13. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、上記第１の半導体層内に１つ以上の歪取りピットを形成する工程を含んでいる、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
14. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、上記第１の半導体層の上記第１の領域内に、第１の深さを有する１つ以上のピットを形成する工程と、上記第１の半導体層の上記第２の領域内に、上記第１の深さとは異なる第２の深さを有する１つ以上のピットを形成する工程とを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
15. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、
    上記第１の半導体層の上記第１の領域内に、上記第１の半導体層の平面上に突出する、第１の形状を有する１つ以上のピットを形成する工程と、
    上記第１の半導体層の上記第２の領域内に、上記第１の半導体層の上記平面上に突出する、上記第１の形状とは異なる第２の形状を有する１つ以上のピットを形成する工程とを含んでいる、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
16. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、
    上記第１の半導体層の上記第１の領域内に、第１の側壁設計を有する１つ以上のピットを形成する工程と、
    上記第１の半導体層の上記第２の領域内に、上記第１の側壁設計とは異なる第２の側壁設計を有する１つ以上のピットを形成する工程とを含んでいる、請求項１３、請求項１４、または請求項１５に記載の方法。
17. 上記第１の半導体層を処理する上記工程は、
    上記第１の半導体層の上記第１の領域内に、第１の分布パターンを有する１つ以上のピットを形成する工程と、
    上記第１の半導体層の上記第２の領域内に、上記第１の分布パターンとは異なる第２の分布パターンを有する１つ以上のピットを形成する工程とを含んでいる、請求項１３、請求項１４、または請求項１５に記載の方法。
18. 上記第２の半導体層の堆積前に、上記半導体表面上にバッファ層を堆積するさらなる工程を含んでいる、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 第２の自己組織化アイランドが形成される厚さまで、上記キャップ層上に上記第２の半導体層とは別の半導体層を堆積するさらなる工程と、
    上記別の半導体層上に上記キャップ層とは別のキャップ層を堆積することによって、上記第２の自己組織化アイランドが量子ドットを形成する工程とを更に含んでいる、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
20. 請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の方法によって製造された半導体デバイスであって、
    上記第１の自己組織化アイランドが形成される厚さまで堆積された上記第２の半導体層および上記キャップ層を含む第１の能動領域を有しており、
    上記第１の領域上における上記第１の能動領域は、上記パラメータの上記第１の平均値を有する上記第１の自己組織化アイランドから形成された複数の第１の量子ドットを含んでおり、
    上記第２の領域上における上記第１の能動領域は、上記パラメータの上記第２の平均値を有する上記第１の自己組織化アイランドから形成された複数の第２の量子ドットを含んでおり、
    上記第１の量子ドットは、上記第２の量子ドットとは異なる光学特性を有している、半導体デバイス。
21. 上記デバイスは、発光デバイスであり、
    上記第１の量子ドットは、上記第２の量子ドットとは異なる光学特性を有している、請求項２０に記載のデバイス。
22. 上記半導体表面は、上記第１の値および上記第２の値とは異なる、平均表面格子定数の第３の値を有する少なくとも１つの第３の領域をさらに含んでおり、
    上記第３の領域上における上記第１の能動領域は、上記パラメータの第３の平均値を有する上記第１の自己組織化アイランドから形成された複数の第３の量子ドットを含んでおり、
    上記第３の量子ドットは、上記第１の量子ドットおよび上記第２の量子ドットとは異なる光学特性を有している、請求項２０または請求項２１に記載のデバイス。
23. 上記第１の量子ドットは、上記第２の量子ドットとは異なる光学特性を有しており、
    上記第３の量子ドットは、上記第１の量子ドットおよび上記第２の量子ドットとは異なる光学特性を有している、請求項２２に記載のデバイス。
24. 上記第１の量子ドットは、スペクトルの青色領域内においてピーク発光波長を有しており、
    上記第２の量子ドットは、スペクトルの緑色領域内においてピーク発光波長を有しており、
    上記第３の量子ドットは、スペクトルの赤色領域内においてピーク発光波長を有している、請求項２３に記載のデバイス。
25. 上記第１の能動領域上に配置された第２の能動領域を含んでおり、
    上記第２の能動領域は、第２の自己組織化アイランドが形成される厚さまで堆積された上記第２の半導体層とは別の半導体層、上記第２の自己組織化アイランドから形成された量子ドットおよび上記キャップ層とは別のキャップ層を含んでいる、請求項２０から請求項２４のいずれか１項に記載のデバイス。
26. 上記第１の領域上における上記第２の能動領域は、複数の第４の量子ドットを含んでおり、
    上記第１の領域上における上記第２の能動領域は、複数の第５の量子ドットを含んでおり、
    上記第４の量子ドットは、上記第５の量子ドットとは異なる光学特性を有している、請求項２５に記載のデバイス。
27. 発光のための能動領域をさらに含んでおり、
    上記発光のための能動領域は、使用時に、上記第１の能動領域を放射するように構成されている、請求項２０から請求項２６のいずれか１項に記載のデバイス。
28. 上記半導体表面は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ表面である、請求項２０から請求項２６のいずれか１項に記載のデバイス。
29. 上記第２の半導体層は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層である、請求項２０から請求項２７のいずれか１項に記載のデバイス。

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