JP4865118B2 - 半導体装置および半導体発光デバイスの製造方法 - Google Patents
半導体装置および半導体発光デバイスの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光デバイスに関し、特に、多結晶ＧａＮを含む半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物は、周期表のIII族に含まれる元素、つまりＡｌ，Ｇａ，Ｉｎを含む。これらの物質を基板上に被着させ、オプトエレクトロニックデバイスの層状構造を形成する。このデバイスは、広範囲の波長で可視光を発光できる。ＧａＮや、ＩｎＮ，ＡｌＮとのＧａＮ合金を可視光発光デバイスに用いて、高発光効率を達成できる。これらの物質の結晶ヘテロ構造物は、通常、気相成長法によって単結晶基板上にエピタキシャル状に被着される。例えば、既存の赤色発光素子と、青色および緑色発光のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）とを組み合わせて、屋外用フルカラーディスプレイを作成できる。
【０００３】
三原色（赤色、緑色、青色）全てを発光できるＬＥＤが生産されている。これらのデバイスは、大面積ディスプレイ用に使用できる潜在的な有用性がある。２色以上の色を混合することで、そのようなディスプレイにおいて中間色を作り出すことが潜在的に可能である。
【０００４】
単結晶III族窒化物ＬＥＤは高発光効率を有するが欠陥密度が高い。また、これらの材料は、〜１０10ｃｍ-2の転位密度を有することがあり得る。こうした広範な欠点は明らかに、これらの材料で作られたデバイス内でのキャリアの流れや再結合に影響していない。転位や積層欠陥等の広範な（つまり、一次元および二次元の）格子欠陥は通常、半導体物質のオプトエレクトロニック特性を帯びるという周知の悪影響を考えると、この非敏感性は注目に値する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
単結晶ＬＥＤ材料を用いて構成された周知のＬＥＤをフルカラーディスプレイに使用するという潜在的な可能性は、これらの物質を単結晶基板上に被着しなくてはならないが故に制限される。サファイアおよびシリコンカーバイト等の周知の単結晶基板は、制限された面積を有する場合のみ形成されてきた。したがって、そのような単結晶基板上に単結晶物質を被着させて形成することができるディスプレイの大きさも、非常に制限された。さらに、III族窒化物半導体構成物を被着するための単結晶基板を形成するのに適した材料の種類は限られている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多結晶III族窒化物半導体材料を提供する。本発明は更に、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、多結晶III族窒化物層を有するその他の発光デバイスとを提供する。
【０００７】
多結晶III族窒化物材料は、ＧａＮ及び、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の他のIII族窒化物とのＧａＮ合金を含む。これらの材料を可視発光デバイスに用いて、効率的発光を行うことができる。
【０００８】
本発明に係る半導体構成の一例は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファス（非晶質）である基板と、その基板上に形成された少なくとも一層の多結晶III族窒化物層とを含む。
【０００９】
この多結晶III族窒化物層は、この基板上に直接形成できる。この多結晶III族窒化物層を形成するために、初めに非晶質III族窒化物材料をこの基板上に被着し、次に、この非晶質層を固相結晶化する。この非晶質III族窒化物層は、低温成膜法によって基板上に形成される。
【００１０】
あるいは、多結晶III族窒化物層を形成する前に一層以上の下地層を形成し、その上に多結晶III族窒化物層を被着することもできる。この場合、上述のように最初に非晶質材料を被着するのではなく、III族窒化物層を直接、多結晶層として被着する。最初に湿(wetting)（核形成）層を基板に被着すると、その後基板上に形成される層の被着を促進できる。次に、湿層またはバッファ層等の下地層上に多結晶III族窒化物層を形成できる。
【００１１】
本発明に係る発光デバイスは、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板と、この基板上に形成されたＰ型およびＮ型の多結晶III族窒化物層とを有する。
【００１２】
本発明に係る発光デバイスは、適切な多結晶III族窒化物の活性層を更に有する。この活性層は、Ｐ型およびＮ型多結晶III族窒化物層の間に被着することができ、電気キャリアの再結合を向上する。
【００１３】
キャリア閉込め(carrier confinement)を向上するために、発光デバイスは、活性層上に形成された一層以上の閉込層を有する。閉込層は、III族窒化物を含むことができる。
【００１４】
上述のように、最初に多結晶のＰ型およびＮ型のIII族窒化物層と、活性層とを非晶質層として形成し、次に、これらを固相結晶化することで多結晶物質を形成できる。非晶質層を低温被着すれば、ＩｎＧａＮ活性層内のインジウム含有量を増大できる。これにより、この活性層は、より長い波長で可視光を発光できる。
【００１５】
あるいは、III族窒化物層を高温で成膜された多結晶層として基板上に形成することもできる。実施の形態では、最初に湿層を基板上に形成し、より高い温度でのガリウム窒化物の基板に対する膠着性を向上できる。
【００１６】
このＬＥＤを大面積カラーディスプレイに用いることができる。このディスプレイはモノクロディスプレイであっても、多色ディスプレイであっても良い。このディスプレイは、基板と、その基板上に形成されたピクセルアレイとを有する。この基板は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスであり、単結晶基板と比べて、比較的大面積に形成することができる。この基板上に被着された多結晶III族窒化物層は、構造的柔軟性を向上できる。各ピクセルそれぞれが、この基板上に形成された本発明に係る発光デバイスを構成する。この発光デバイスは、紫色光または近紫外光、あるいは選択された色の可視光を発光できる。
【００１７】
本発明に係る多色ディスプレイにおいて、各ピクセルは選択された色を発光できる。このピクセルは、赤色、緑色、または青色の蛍光体を有する。この蛍光体は、発光デバイス上方または基板の反対側の表面上に形成できる。このディスプレイは、ｎ電極（アドレス電極）と、個別にアドレス指定が可能な複数のｐ電極（制御電極）とを有し、これらの電極は発光デバイス上方に形成される。各蛍光体は発光デバイスから発光された光を吸収して状態遷移し、選択された波長で再発光する。これにより、このピクセルは三原色の異なる色を発光でき、大面積フルカラーディスプレイが提供できる。
【００１８】
本発明は、さらに、上記の半導体構成物、発光デバイス、およびディスプレイの形成方法を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る半導体構造１０の一例を示す。この半導体構造は、基板１２と、この基板１２上に形成されたIII族窒化物層１４とを含む。本発明の一態様によれば、基板１２は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである。例えば、基板１２は、石英またはシリカガラス等を含むことができる。これらの材料は、単結晶層状構造をエピタキシャル的に被着させるための基板として用いられるサファイヤやシリコンカーバイド等の周知の単結晶基板材料よりも、大きな面積の基板を提供できる。
【００２０】
III族窒化物層１４は多結晶であり、ＧａＮおよび、ＧａＮとＡｌＮやＩｎＮとの三元または四元合金を含むこともできる。例えば、III族窒化物はＩｎxＧａ1-xＮであってもよい。このような合金によれば、ｘの値、つまりＩｎの含有量に応じて発光の波長を変化させることができ、それにより全可視スペクトラムをカバーすることができる。
【００２１】
III族窒化物層１４は基板１２上にアモルファス層として被着され得る。次に、このアモルファス層を適切なエネルギー源によって処理して結晶化し、多結晶のIII族窒化物層１４を形成する。この多結晶層は、結晶質ＧａＮや、その合金等の結晶III族窒化構成物によって得られる発光効率に匹敵する発光効率を達成できる。
【００２２】
アモルファスのIII族窒化物層１４は適切な被着処理によって基板１２上に形成され得る。例えば、アモルファスIII族窒化物層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）によって基板上に被着できる。ＭＯＣＶＤは通常、エピタキシャル単結晶層を成長させるために使用される。他の周知の被着方法、またはIII族窒化物層を比較的広い基板面積に被着できる、今後開発される被着方法を用いることもできる。
【００２３】
アモルファスIII族窒化物層は、比較的低い基板温度において高被着率で形成することもできる。例えば、ＭＯＣＶＤを用いて、約５００〜６００℃の基板温度で石英基板上にアモルファスＧａＮを成長させることができる。
【００２４】
アモルファスＧａＮ（または、以下で述べる多結晶ＧａＮ）を形成するための適切な材料ガスソースは、３基のメチルを有するガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3）およびアンモニア（ＮＨ3）を含む。三元合金は、適切な材料ガスソースを添加して形成できる。例えば、ＩｎＧａＮは、３基のメチルを有するインジウムを添加することにより成長させることができる。
【００２５】
低成長温度によってアモルファスIII族窒化物層を形成すれば、三元合金層に含有される、いくつかの元素の量を増大できる。例えば、ＧａＮはＩｎＮと共に合金になり、ＩｎＧａＮ三元合金のバンドギャップを広げて赤色にする。これにより、全可視スペクトラムを効果的にカバーできる。しかし、単結晶物質においては、十分に高いインジウム含有率を有するＩｎＧａＮを従来の被着技術で形成することは困難である。これは混和性の問題に因る。つまり、これらの層において、Ｉｎが豊富な領域と、Ｇａが豊富な領域とが分離してしまうのである。ＩｎＧａＮを低温被着すると、インジウム含有量を増大できる。これによって、可視スペクトラムの増補領域(extended region)をカバーする合金を生成する。さらに、低温被着によって、ＩｎＮの高蒸気圧に関連する問題を軽減する。
【００２６】
基板上に形成されたアモルファスIII族窒化物層は、レーザ結晶化によって固相結晶化される。例えば、アモルファスＧａＮは、エキシマレーザ等の適切なレーザを用いて結晶化できる。レーザフルエンスおよびレーザビームをアモルファス層に適用する回数を変更して、アモルファスIII族窒化物を十分に結晶化できる。
【００２７】
図２は、本発明に係る半導体層状構造２０の他の例を示す。この層状構造２０では、基板上にIII族窒化物層が多結晶層として形成される。この時、最初にアモルファス層を形成することはしない。これらの多結晶層は、上記のアモルファス層を形成する際に使用する温度より高い基板温度で形成できる。
【００２８】
分子ビームエピタキシーによってシリカガラス基板上に多結晶ＧａＮが被着されることが実証されている。
【００２９】
図２に示すように、多結晶III族窒化物によって基板をより良くカバーするために、一層以上の中間層（図２において層２４，２６）を基板２２とIII族窒化物層２８との間に形成することが好ましい。これら中間層には湿層２４が含まれていてもよい。この湿層２４は、表面および界面でのエネルギー準位機構の作用により被着性（wetting）を増すものである。例えば、石英およびその他の適切な多結晶つまり実質的に非晶質またはアモルファスである基板に対するガリウムの膠着係数が低いことを補償するために、予めＡｌＮまたはＧａＮ等の適切なIII族窒化物の薄膜をこれらの基板上に被着できる。この薄膜は、せいぜい原子一個分の厚みを有し、基板の一部のみをカバーするように被着できる。つまり、この薄膜はサブ単層である。あるいは、この湿層２４によって基板表面２２のほぼ全面をカバーすることもできる。このようにカバーした湿層２４は、核形成膜として作用し、基板を、その上に形成されるIII族窒化物層によって均一にカバーできるようにする。
【００３０】
薄膜２４に加えて、一層以上のバッファ層２６を湿層２４上に被着することもできる。このバッファ層２６は、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等のIII族窒化物によって形成される。例えば、アモルファスＧａＮの薄いバッファ層２６を湿層２４上に被着できる。アモルファスバッファ層は低温で被着できる。その後、多結晶ＧａＮの被着に先だって行われる加熱ステップ中にて、このアモルファス物質の固相結晶化が行われる。例えば、アモルファス物質は、デポジットチャンバ内の温度を約１０５０℃に上昇させることで結晶化できる。ＮＨ3−Ｈ2雰囲気等の適切な環境下で、再結晶化を行うことができる。このバッファ層は通常、約１００〜５００Å以上の厚みを有する。
【００３１】
本発明に係る半導体構造物の実施の形態の中には、バッファ層２６を形成しない形態もある。バッファ層は通常、半導体構造物に被着して、基板と、この基板上にその後形成される層との間の格子整合を向上させる。しかし本発明では、基板と被着層との間の格子整合は、単結晶基板と薄膜とを有する半導体構成物における程には重要な考慮事項ではない。このバッファ層によって、被着層による基板のカバレッジを向上できる。したがって、これらのバッファ層を、この目的あるいは他の周知の目的のために使用できる。
【００３２】
図１および図２に示す半導体層状構造１０，２０を多様な発光デバイスに用いることができる。以下で詳述するように、この半導体層状構成物を発光ダイオードやカラーディスプレイ等に用いることができる。当業者も、こうした他の適用が可能であることが分かるであろう。
【００３３】
図３は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）３０の一例を示す。ＬＥＤ３０は基板３２を有する。この基板３２は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである。この基板３２上に薄い湿層３４を成長させる。この湿層３４は、上述のように、ＡｌＮ等の適切なIII族窒化物を含むことができる。この湿層３４上にバッファ層３６を形成する。このバッファ層３６は、上述のように、ＧａＮやＡｌＮ等の任意の適切なIII族窒化物質を含むことができる。バッファ層３６をアモルファス層として形成した後、より高い温度で固相結晶化して多結晶層を形成できる。
【００３４】
湿層３４およびバッファ層３６を基板上に形成した後、少なくとも一層のｎ型（またはｐ型）III族窒化物層３８をバッファ層３６上に成長させる。例えば、III族窒化物層３８は、ｎ型III族窒化物層３８を被着する間に適切なドーパントを添加して形成されたｎ型ＧａＮであってもよい。ＧａＮに添加する適切なｎ型ドーパントは、Ｓｉ等を含む。
【００３５】
ｎ型III族窒化物層３８上方で活性層４０を成長させる。この活性層４０によって電子−正孔再結合効率を高める。活性層４０は、所望の波長で可視光を生成するように設計されたＩｎＧａＮ等の合金を含む。例えば、この合金は所望の波長で青色光を生成するように設計されたＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎの組成を有しても良い。ＩｎおよびＧａの比率を調節して活性層４０の組成を変更し、活性層４０のバンドギャップを変更できる。これにより、ＬＥＤ３０が発光する光の波長を変化させる。活性層４０の厚みを十分に小さくすると、量子力学的閉込効果を重視できる。このように薄い活性層４０は量子井戸として周知である。通常、活性層４０は約１０−１００Åの厚みを有する。
【００３６】
ＩｎＧａＮ活性層４０のインジウム含有量を増大するためには、活性層４０を０．５−１００μｍ厚のＩｎＧａＮ層上に被着する。このアプローチによって、高インジウム含有の活性領域におけるＩｎＧａＮ合金分離を軽減でき、ＬＥＤ３０によるスペクトル発光の単色性を向上する。
【００３７】
ＺｎＧｅＮ2活性層は、ＧａＮ等のIII族窒化物層の間に形成することもできる。ＺｎＧｅＮ2は、約２．７ｅＶのバンドギャップを有する。一方、ＧａＮは約３．４ｅＶのバンドギャップを有する。
【００３８】
キャリア閉込層（図示せず）を、活性層４０の上方およびあるいはまたは下方に形成して、電気キャリア閉込を向上することができる。このキャリア閉込層は、ＡｌＧａＮの合金等のIII族−V窒化物を含むことができる。
【００３９】
ｐ型III族窒化物層４２を、活性層４０上（または、キャリア閉込層が活性層４０上に形成されたＬＥＤの実施の形態においては、そのキャリア閉込層上）に形成する。ｐ型III族窒化物層が活性層４０下に形成されたＬＥＤ３０の場合、ｎ型III族窒化物層は、活性層４０（または、キャリア閉込層）の上に形成される。ｐ型III族窒化物層４２を形成するための適切なｐ型ドーパントは、マグネシウム等を含む。
【００４０】
本発明に係る発光ダイオードは、ｎ型III族窒化物層３８を基板上に直接適用して形成してもよい。この時、ｎ型III族窒化物層３８と基板との間に湿層３４およびあるいはまたはバッファ層３６は形成しない。この場合、ｎ型III族窒化物層３８は、活性層４０およびｐ型III族窒化物層４２と同様、低温でアモルファス層として形成し、その後、ｎ型およびｐ型III族窒化物層３８、４２および活性層４０に対してエネルギーを作用させて固相結晶化させることもできる。例えば、ｎ型およびｐ型III族窒化物層３８、４２および活性層４０は、上述のようにレーザ結晶化できる。上述のように、低温被着によって、活性層４０の、インジウム等の合金となる元素の含有率を高めることができる。
【００４１】
ＬＥＤ３０等の本発明に係る発光デバイスを大面積ディスプレイに用いることができる。これは、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板を、本発明に係る発光デバイスに用いることにより実現できる。上述のように、こうした基板は単結晶基板より大面積にすることができ、したがって、この発光デバイスを有する大面積ディスプレイを製作できる。
【００４２】
本発明に係る発光デバイスを、大面積モノクロディスプレイに用いることができる。モノクロディスプレイは、本発明に係る発光デバイスの構造と、これに含まれる特定の活性層とに応じて選択された色の光を発光できる。
【００４３】
本発明に係る発光デバイスは、広域多色およびフルカラーディスプレイにも使用できる。図４は、本発明に係るフルカラーディスプレイ５０の一例を示す。このディスプレイ５０は、石英またはシリカガラス基板等の多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板５２を有することができる。基板５２上に多結晶発光デバイス５４のアレイを形成する。本発明に係る発光デバイス５４は、例えば、上述のＬＥＤ３０であってもよく、当業者には周知である従来のフォトリソグラフィによって形成することができる。この発光デバイス５４は、選択された波長の光を発光できる。例えば、発光デバイス５４は、紫色光または近紫外光を発光できる。ディスプレイ５０は、各々選択された色を発光できるピクセルを組み合わせる。図４から図６に示すように、多様な蛍光物質６０，６２，６４を発光デバイス５４上に配置できる。これらの蛍光物質６０，６２，６４は、発光デバイス５４から発光された波長の光エネルギーを吸収し、選択された波長や色の光を発光し得るように選択される。例えば、ディスプレイ５０が全色発光できるように、蛍光物質６０，６２，６４はそれぞれ赤色、緑色、青色の光を発光するように励起される。
【００４４】
各ピクセルは、発光デバイス５４に加えて、個別にアドレス指定が可能な制御電極５６を有する。各電極５６は蛍光物質６０，６２，６４の一つに対応づけられる。最終コンタクトは、コモン電極５８であってもよい。
【００４５】
図５は、本発明に係るディスプレイ７０の他の例を示す。このディスプレイ７０は、基板７２と、この基板上に形成された本発明に係る発光デバイス７４のアレイとを有する。この実施の形態において、発光デバイス７４は、青色光を直接発光する。三原色全部を生成するために、ディスプレイ７０は更に、青色光を吸収し、赤色および緑色光をそれぞれ再発光する蛍光体８０および８２を有する。したがって、ディスプレイ７０は、赤色、緑色、青色の光を発光できる。図示したように、各ピクセルは、個別にアドレス指定が可能な制御電極７６を有する。このディスプレイ７０は更に、コモン電極７８も有する。
【００４６】
図６は、本発明に係るディスプレイ９０の他の例を示す。このディスプレイ９０は、基板９２と、この基板９２上に形成された発光デバイス９４のアレイとを有する。発光デバイス５４と同様、発光デバイス９４は、紫色光と、近紫外光とを発光する。基板９２は透明である。ディスプレイ９０は、ディスプレイ５０とは対照的に、基板９２の底面１０６に形成された３個の蛍光物質１００，１０２，１０４を有する。蛍光物質１００，１０２，１０４はそれぞれ、赤色、緑色、青色を発光できる。各ピクセルは発光デバイス９４上に形成された個別にアドレス指定が可能な制御電極９６を更に有する。ディスプレイ９０はコモン電極９８も有する。
【００４７】
本発明に係るカラーディスプレイは、モノクロディスプレイであってもよい。このようなディスプレイは、青色等の選択された色の光を発光する発光デバイスアレイを有することができる。あるいは、この発光デバイスは、紫色光または近紫外光を発光でき、各発光色（赤色、緑色または青色）は各発光デバイスに関連することができる。
【００４８】
このディスプレイは、二色の選択された色を発光するように構成することができる。例えば、この発光デバイスが、第一の色を発光し、蛍光体が第二の色を発光することができる。
【００４９】
図７は、本発明に係るアクティブマトリクスカラーディスプレイにおける各ピクセルに対する回路を概略的に示す。このピクセルは、本発明に係る発光デバイス１１０を有する。
【００５０】
本発明に係る発光デバイスの形成方法の一例では、石英基板上にアモルファスＧａＮ層をＭＯＣＶＤによって約５５０℃の温度で被着する。次に、エキシマレーザを用いて、このアモルファス層を固相結晶化する。結晶化においては、１４２ｍＪ／ｃｍ2のレーザフルエンスを有するシングルパルスを用いる。
【００５１】
図８および図９は、それぞれ、上記の方法で形成されたアモルファスＧａＮと、レーザ結晶化された多結晶ＧａＮのＸ線回折スペクトラム（２Θ／Θスキャン）を示す。図９では、多結晶ＧａＮ物質の２回のピークが示されている。これらのピークは、ＧａＮ（００２）、ＧａＮ（００４）として区別される。
【００５２】
これらの実験結果より、エキシマレーザを用いてアモルファスＧａＮを結晶化して、多結晶ＧａＮを形成できることが分かる。
【００５３】
本発明に係る発光デバイスの形成方法の他の例では、多結晶ＧａＮを１０５０℃の高温で成長させて、石英上に直接被着する。石英上での多結晶ＧａＮ膜の成膜は、最初に石英基板上にＡｌＮ核形成膜を形成することを含む一連の被着工程の後に行われる。ＡｌＮ核形成層を形成することで、石英上のガリウム窒化物の膠着係数が低いことを補償する。ＡｌＮ核形成層を薄いサブ単層膜として基板の一部に適用した後に、この核形成層上に薄いアモルファスＧａＮバッファ層を約５５０℃で被着する。このアモルファスＧａＮバッファ層の厚みは約３００Åである。このＧａＮバッファ層は、ＮＨ3：Ｈ2雰囲気中で温度を約１０５０℃に上昇させることで固相結晶化する。その後、結晶化されたＧａＮバッファ層上に多結晶ＧａＮを厚く被着して、層状の半導体構造を形成する。
【００５４】
多結晶ＧａＮ構造の構造特性は、レーザ結晶化された物質の構造特性と非常に類似する。さらに、この構造は、サファイア上で成長させたエピタキシャルＧａＮ膜に匹敵するフォトルミネセンスを示す。
【００５５】
本発明に係る発光デバイスの形成方法の別の実施の形態では、多結晶ＧａＮデバイス構造を、上述の方法と同様の方法を用いて形成する。特に、ＡｌＮ核形成層と、ＧａＮバッファ層とを最初に石英基板上で成長させ、次にｐ型およびｎ型層をＧａＮバッファ層上に形成することで、ＬＥＤ構造を形成する。特に、ＧａＮバッファ層上にＳｉドープｎ型ＧａＮ層を約１０５０℃で成長させる。薄いＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ（推定組成）シングル量子井戸活性層を、ｎ型ＧａＮ層上で成長させる。ｎ型ＧａＮ層は約４μｍ厚であり、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎは約３０Å厚である。最後に、約０．２μｍ厚のＭｇドープｐ型ＧａＮ層をＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層上に形成する。
【００５６】
図１０は、多結晶ＧａＮ ＬＥＤ構造における発光強度を波長の関数として示すグラフである。図示したように、このＬＥＤは青色光を発光する。
【００５７】
同時に、単結晶ＬＥＤの比較サンプルをｃ配向サファイア基板上で成長させ、構造および性能特性について、多結晶構造と比較する。
【００５８】
これらの物質を用いて、Ｔｉ／Ａｕ ｐコンタクト金属を蒸着し、当該金属膜を１ｍｍセンタにて〜５００μｍドットにパターニングし、周囲の物質をアルゴンイオンミリングして、ＬＥＤを形成する。エッチングの深さは約１μｍであり、これにより下に形成されたｎ型物質を露出させる。この深さは、サファイア基板上で成長させたエピタキシャルＬＥＤにおいて一般的な深さである。ＬＥＤ動作では、金属プロープチップをｎ型ＧａＮ層表面に接触させて、ｎ型コンタクトを形成する。
【００５９】
単結晶サファイア基板上で成長させた単結晶ＬＥＤ物質が通常、鏡のような表面を有することとは異なり、石英基板上で成長させた多結晶物質の表面は非常にザラザラしている。この不規則な表面のため、ｐｎ接合部は、イオンミリングによって均一に削除されないこともあった。さらに、この表面形態のために、ｐ型ＧａＮ／金属接触の性質が曖昧になった。これは、ｐ型ＧａＮが比較的薄く、各結晶を完全にカバーしないことがあるためである。
【００６０】
この表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で見ると、結晶は全般的に数ミクロン、つまりフィルム厚と同じ程度の大きさであることが分かる。さらに、フラットトップの六角形断面結晶が存在することは、ｃ配向成長の傾向があることを示唆する。この好適な配向があることは、図１１のＸ線回折スペクトラムに、ランダム配向の多結晶列が有すると思われる強度に比べて強い（００２）反射が示されていることからも、同様に明らかである。
【００６１】
下記の表１は、回折強度の測定値を、完全にランダムな多結晶（Joint Committee on Powder Diffraction Standards（JCPDS）（1976））の対応の値と比較したものである。それぞれの場合、回折強度Ｉは（１０１）反射の強度Ｉ(101)を用いて正規化される。この理由は、Ｉ(101)が晶子のランダムアセンブリ状態から得られる最強の反射であると思われるからである。表１から、（００２）反射が特に顕著であり、これは、石英基板上で成長させたIII族窒化物膜が好適なｃ配向を有することを示す。また、（００４）反射も比較的強い。測定されたスペクトラム中に存在しない非対称反射もある。
【００６２】
【表１】
多結晶の配向は完全にランダムではないが、この構造はそれでも非常に不規則的である。例えば、多くの自然成長面は、ＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）が成長する間、露出されている。成長率および合金組成は、層を成長させる際に基板となる平面による影響を受けるため、多結晶に対する量子井戸パラメータは、単結晶ＬＥＤに対する分布よりも広くなると考えることが自然である。このような量子井戸厚範囲および組成を呈する場合、ＬＥＤ発光におけるスペクトル単色性は低くなるはずである。これは、図１２から明らかである。図１２は、同じ成長進行状態の単結晶ＬＥＤ（サファイア基板）を通って収集された発光と、多結晶ＬＥＤ（石英基板）を通って収集された発光との比較を示す。両スペクトラムとも〜４３０ｎｍでピークに達する一方、多結晶ＬＥＤのスペクトラル幅は、単結晶ＬＥＤの二倍近くになる。
【００６３】
多結晶デバイスについて検出された発光は、単結晶ＬＥＤに比べて約１００倍弱かった。多結晶ＬＥＤからのエレクトロルミネセンスは比較的弱いが、いくつかの要因のために２種類のＬＥＤの発光効率を有意義に比較することが阻害されている。つまり、コンタクト構成が最適化されていないこと、および、多結晶ＬＥＤにおいて電流パスが完全に規定されていないことによって、多結晶ＬＥＤが低効率となると思われる。例えば、単結晶ＬＥＤにおいて接合パスは、光がｐコンタクトの下からのみ発光されるように充分に制限されている。これに対して、多結晶からの発光パターンは、より複雑であり、明るい発光スポットが二つのコンタクトの間の領域に多く観察される。このような分布では、ファイバーカップルスペクトルメータによって発光を効率よく収集できないので、図１２に示すように、発光効率が低く示されてしまう。
【００６４】
しかし、多結晶物質で構成されたＬＥＤでは、このように発光パターンが分散することはそれほど珍しくない。多結晶膜中に存在する粒子境界の数が多いので、供給された電流が接合部を横切ってＩｎＧａＮ量子井戸に供給されるためには、複雑なパスを横切って晶子を通過せざるを得ない。この結果、顕微鏡で見ると、この発光は２個のコンタクトの間およびその周辺部に多くの小さく明るいスポットを有することになる。これは、ダイオード電流によって呈された侵出パス(percolation path)に相当する。さらに、このように単純な構成では、金属コンタクトの機能も疑わしい。これは、ｎ型コンタクトがＴｉ／Ａｕドットの一つになろうが、プローブ先端が腐食領域に直接接触しようが、ＬＥＤ動作が観察されるためである。
【００６５】
コンタクト間に発光スポットが見られること、および腐食表面に配置されたｎコンタクトと、成長表面に配置されたｎコンタクトとの間に顕著な差異が見られないことから、腐食ステップは、全晶子においてｐｎ接合部を完全に貫通しているわけではないことが明白である。
【００６６】
より洗練されたエッチングを行って接合部をより均一に除去したり、およびあるいはまたは物質を更に型抜きして電流接合パスを規定する等、デバイス構造をより最適化することで、これらの多結晶デバイスからのルミネセンス効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る層状半導体構造の一例の断面を示す模式図である。
【図２】 本発明に係る層状半導体構造の別の例の断面を示す模式図である。
【図３】 本発明に係る発光デバイスの一例の断面を示す模式図である。
【図４】 本発明に係る多色ディスプレイの一例の断面構造を示す模式図である。
【図５】 本発明に係る多色ディスプレイの他の例の断面構造を示す模式図である。
【図６】 本発明に係る多色ディスプレイの他の例の断面構造を示す模式図である。
【図７】 図４，５，６に示すフルカラーディスプレイのアクティブマトリクスアレイにおける一個のピクセルの回路の一例を示す概略図である。
【図８】 石英基板上に被着したアモルファスＧａＮのＸ線回折スペクトラム（２Θ／Θスキャン）を示すグラフである。
【図９】 本発明に係る石英基板上に被着したレーザ結晶化された、ＧａＮ（００２）および（００４）ピークを含むＧａＮのＸ線回折スペクトラムを示すグラフである。
【図１０】 本発明に係る多結晶ＧａＮ構造を含む発光デバイスの発光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図１１】 本発明に係る石英基板上で成長させた多結晶ＩｎＧａＮ発光デバイスのＸ線回折スペクトラムを示すグラフである。
【図１２】 ｃ面サファイア基板上にエピタキシャル的に成長させた単結晶ＬＥＤ用および、本発明に係る石英基板上に被着させた多結晶発光デバイス用のＩｎＧａＮ発光デバイスの発光スペクトラルを示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 半導体構造、２０ 半導体層状構造、１２，２２，３２，５２，７２，９２ 基板、１４，２８，３８ III族窒化物層、２４，３４ 湿層、２６，３６ バッファ層、３０ ＬＥＤ、３８ ｎ型III族窒化物層、４０ 活性層、４２ ｐ型III族窒化物層、５０ フルカラーディスプレイ、５４ 多結晶発光デバイス、５６，７６，９６ 制御電極、５８，７８，９８ コモン電極、６０，６２，６４ 蛍光物質、７０、９０ ディスプレイ、７４，９４，１１０ 発光デバイス、８０，８２ 蛍光体。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光デバイスに関し、特に、多結晶ＧａＮを含む半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物は、周期表のIII族に含まれる元素、つまりＡｌ，Ｇａ，Ｉｎを含む。これらの物質を基板上に被着させ、オプトエレクトロニックデバイスの層状構造を形成する。このデバイスは、広範囲の波長で可視光を発光できる。ＧａＮや、ＩｎＮ，ＡｌＮとのＧａＮ合金を可視光発光デバイスに用いて、高発光効率を達成できる。これらの物質の結晶ヘテロ構造物は、通常、気相成長法によって単結晶基板上にエピタキシャル状に被着される。例えば、既存の赤色発光素子と、青色および緑色発光のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）とを組み合わせて、屋外用フルカラーディスプレイを作成できる。
【０００３】
三原色（赤色、緑色、青色）全てを発光できるＬＥＤが生産されている。これらのデバイスは、大面積ディスプレイ用に使用できる潜在的な有用性がある。２色以上の色を混合することで、そのようなディスプレイにおいて中間色を作り出すことが潜在的に可能である。
【０００４】
単結晶III族窒化物ＬＥＤは高発光効率を有するが欠陥密度が高い。また、これらの材料は、〜１０10ｃｍ-2の転位密度を有することがあり得る。こうした広範な欠点は明らかに、これらの材料で作られたデバイス内でのキャリアの流れや再結合に影響していない。転位や積層欠陥等の広範な（つまり、一次元および二次元の）格子欠陥は通常、半導体物質のオプトエレクトロニック特性を帯びるという周知の悪影響を考えると、この非敏感性は注目に値する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
単結晶ＬＥＤ材料を用いて構成された周知のＬＥＤをフルカラーディスプレイに使用するという潜在的な可能性は、これらの物質を単結晶基板上に被着しなくてはならないが故に制限される。サファイアおよびシリコンカーバイト等の周知の単結晶基板は、制限された面積を有する場合のみ形成されてきた。したがって、そのような単結晶基板上に単結晶物質を被着させて形成することができるディスプレイの大きさも、非常に制限された。さらに、III族窒化物半導体構成物を被着するための単結晶基板を形成するのに適した材料の種類は限られている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多結晶III族窒化物半導体材料を提供する。本発明は更に、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、多結晶III族窒化物層を有するその他の発光デバイスとを提供する。
【０００７】
多結晶III族窒化物材料は、ＧａＮ及び、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の他のIII族窒化物とのＧａＮ合金を含む。これらの材料を可視発光デバイスに用いて、効率的発光を行うことができる。
【０００８】
本発明に係る半導体構成の一例は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファス（非晶質）である基板と、その基板上に形成された少なくとも一層の多結晶III族窒化物層とを含む。
【０００９】
この多結晶III族窒化物層は、この基板上に直接形成できる。この多結晶III族窒化物層を形成するために、初めに非晶質III族窒化物材料をこの基板上に被着し、次に、この非晶質層を固相結晶化する。この非晶質III族窒化物層は、低温成膜法によって基板上に形成される。
【００１０】
あるいは、多結晶III族窒化物層を形成する前に一層以上の下地層を形成し、その上に多結晶III族窒化物層を被着することもできる。この場合、上述のように最初に非晶質材料を被着するのではなく、III族窒化物層を直接、多結晶層として被着する。最初に湿(wetting)（核形成）層を基板に被着すると、その後基板上に形成される層の被着を促進できる。次に、湿層またはバッファ層等の下地層上に多結晶III族窒化物層を形成できる。
【００１１】
本発明に係る発光デバイスは、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板と、この基板上に形成されたＰ型およびＮ型の多結晶III族窒化物層とを有する。
【００１２】
本発明に係る発光デバイスは、適切な多結晶III族窒化物の活性層を更に有する。この活性層は、Ｐ型およびＮ型多結晶III族窒化物層の間に被着することができ、電気キャリアの再結合を向上する。
【００１３】
キャリア閉込め(carrier confinement)を向上するために、発光デバイスは、活性層上に形成された一層以上の閉込層を有する。閉込層は、III族窒化物を含むことができる。
【００１４】
上述のように、最初に多結晶のＰ型およびＮ型のIII族窒化物層と、活性層とを非晶質層として形成し、次に、これらを固相結晶化することで多結晶物質を形成できる。非晶質層を低温被着すれば、ＩｎＧａＮ活性層内のインジウム含有量を増大できる。これにより、この活性層は、より長い波長で可視光を発光できる。
【００１５】
あるいは、III族窒化物層を高温で成膜された多結晶層として基板上に形成することもできる。実施の形態では、最初に湿層を基板上に形成し、より高い温度でのガリウム窒化物の基板に対する膠着性を向上できる。
【００１６】
このＬＥＤを大面積カラーディスプレイに用いることができる。このディスプレイはモノクロディスプレイであっても、多色ディスプレイであっても良い。このディスプレイは、基板と、その基板上に形成されたピクセルアレイとを有する。この基板は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスであり、単結晶基板と比べて、比較的大面積に形成することができる。この基板上に被着された多結晶III族窒化物層は、構造的柔軟性を向上できる。各ピクセルそれぞれが、この基板上に形成された本発明に係る発光デバイスを構成する。この発光デバイスは、紫色光または近紫外光、あるいは選択された色の可視光を発光できる。
【００１７】
本発明に係る多色ディスプレイにおいて、各ピクセルは選択された色を発光できる。このピクセルは、赤色、緑色、または青色の蛍光体を有する。この蛍光体は、発光デバイス上方または基板の反対側の表面上に形成できる。このディスプレイは、ｎ電極（アドレス電極）と、個別にアドレス指定が可能な複数のｐ電極（制御電極）とを有し、これらの電極は発光デバイス上方に形成される。各蛍光体は発光デバイスから発光された光を吸収して状態遷移し、選択された波長で再発光する。これにより、このピクセルは三原色の異なる色を発光でき、大面積フルカラーディスプレイが提供できる。
【００１８】
本発明は、さらに、上記の半導体構成物、発光デバイス、およびディスプレイの形成方法を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る半導体構造１０の一例を示す。この半導体構造は、基板１２と、この基板１２上に形成されたIII族窒化物層１４とを含む。本発明の一態様によれば、基板１２は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである。例えば、基板１２は、石英またはシリカガラス等を含むことができる。これらの材料は、単結晶層状構造をエピタキシャル的に被着させるための基板として用いられるサファイヤやシリコンカーバイド等の周知の単結晶基板材料よりも、大きな面積の基板を提供できる。
【００２０】
III族窒化物層１４は多結晶であり、ＧａＮおよび、ＧａＮとＡｌＮやＩｎＮとの三元または四元合金を含むこともできる。例えば、III族窒化物はＩｎxＧａ1-xＮであってもよい。このような合金によれば、ｘの値、つまりＩｎの含有量に応じて発光の波長を変化させることができ、それにより全可視スペクトラムをカバーすることができる。
【００２１】
III族窒化物層１４は基板１２上にアモルファス層として被着され得る。次に、このアモルファス層を適切なエネルギー源によって処理して結晶化し、多結晶のIII族窒化物層１４を形成する。この多結晶層は、結晶質ＧａＮや、その合金等の結晶III族窒化構成物によって得られる発光効率に匹敵する発光効率を達成できる。
【００２２】
アモルファスのIII族窒化物層１４は適切な被着処理によって基板１２上に形成され得る。例えば、アモルファスIII族窒化物層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）によって基板上に被着できる。ＭＯＣＶＤは通常、エピタキシャル単結晶層を成長させるために使用される。他の周知の被着方法、またはIII族窒化物層を比較的広い基板面積に被着できる、今後開発される被着方法を用いることもできる。
【００２３】
アモルファスIII族窒化物層は、比較的低い基板温度において高被着率で形成することもできる。例えば、ＭＯＣＶＤを用いて、約５００〜６００℃の基板温度で石英基板上にアモルファスＧａＮを成長させることができる。
【００２４】
アモルファスＧａＮ（または、以下で述べる多結晶ＧａＮ）を形成するための適切な材料ガスソースは、３基のメチルを有するガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3）およびアンモニア（ＮＨ3）を含む。三元合金は、適切な材料ガスソースを添加して形成できる。例えば、ＩｎＧａＮは、３基のメチルを有するインジウムを添加することにより成長させることができる。
【００２５】
低成長温度によってアモルファスIII族窒化物層を形成すれば、三元合金層に含有される、いくつかの元素の量を増大できる。例えば、ＧａＮはＩｎＮと共に合金になり、ＩｎＧａＮ三元合金のバンドギャップを広げて赤色にする。これにより、全可視スペクトラムを効果的にカバーできる。しかし、単結晶物質においては、十分に高いインジウム含有率を有するＩｎＧａＮを従来の被着技術で形成することは困難である。これは混和性の問題に因る。つまり、これらの層において、Ｉｎが豊富な領域と、Ｇａが豊富な領域とが分離してしまうのである。ＩｎＧａＮを低温被着すると、インジウム含有量を増大できる。これによって、可視スペクトラムの増補領域(extended region)をカバーする合金を生成する。さらに、低温被着によって、ＩｎＮの高蒸気圧に関連する問題を軽減する。
【００２６】
基板上に形成されたアモルファスIII族窒化物層は、レーザ結晶化によって固相結晶化される。例えば、アモルファスＧａＮは、エキシマレーザ等の適切なレーザを用いて結晶化できる。レーザフルエンスおよびレーザビームをアモルファス層に適用する回数を変更して、アモルファスIII族窒化物を十分に結晶化できる。
【００２７】
図２は、本発明に係る半導体層状構造２０の他の例を示す。この層状構造２０では、基板上にIII族窒化物層が多結晶層として形成される。この時、最初にアモルファス層を形成することはしない。これらの多結晶層は、上記のアモルファス層を形成する際に使用する温度より高い基板温度で形成できる。
【００２８】
分子ビームエピタキシーによってシリカガラス基板上に多結晶ＧａＮが被着されることが実証されている。
【００２９】
図２に示すように、多結晶III族窒化物によって基板をより良くカバーするために、一層以上の中間層（図２において層２４，２６）を基板２２とIII族窒化物層２８との間に形成することが好ましい。これら中間層には湿層２４が含まれていてもよい。この湿層２４は、表面および界面でのエネルギー準位機構の作用により被着性（wetting）を増すものである。例えば、石英およびその他の適切な多結晶つまり実質的に非晶質またはアモルファスである基板に対するガリウムの膠着係数が低いことを補償するために、予めＡｌＮまたはＧａＮ等の適切なIII族窒化物の薄膜をこれらの基板上に被着できる。この薄膜は、せいぜい原子一個分の厚みを有し、基板の一部のみをカバーするように被着できる。つまり、この薄膜はサブ単層である。あるいは、この湿層２４によって基板表面２２のほぼ全面をカバーすることもできる。このようにカバーした湿層２４は、核形成膜として作用し、基板を、その上に形成されるIII族窒化物層によって均一にカバーできるようにする。
【００３０】
薄膜２４に加えて、一層以上のバッファ層２６を湿層２４上に被着することもできる。このバッファ層２６は、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等のIII族窒化物によって形成される。例えば、アモルファスＧａＮの薄いバッファ層２６を湿層２４上に被着できる。アモルファスバッファ層は低温で被着できる。その後、多結晶ＧａＮの被着に先だって行われる加熱ステップ中にて、このアモルファス物質の固相結晶化が行われる。例えば、アモルファス物質は、デポジットチャンバ内の温度を約１０５０℃に上昇させることで結晶化できる。ＮＨ3−Ｈ2雰囲気等の適切な環境下で、再結晶化を行うことができる。このバッファ層は通常、約１００〜５００Å以上の厚みを有する。
【００３１】
本発明に係る半導体構造物の実施の形態の中には、バッファ層２６を形成しない形態もある。バッファ層は通常、半導体構造物に被着して、基板と、この基板上にその後形成される層との間の格子整合を向上させる。しかし本発明では、基板と被着層との間の格子整合は、単結晶基板と薄膜とを有する半導体構成物における程には重要な考慮事項ではない。このバッファ層によって、被着層による基板のカバレッジを向上できる。したがって、これらのバッファ層を、この目的あるいは他の周知の目的のために使用できる。
【００３２】
図１および図２に示す半導体層状構造１０，２０を多様な発光デバイスに用いることができる。以下で詳述するように、この半導体層状構成物を発光ダイオードやカラーディスプレイ等に用いることができる。当業者も、こうした他の適用が可能であることが分かるであろう。
【００３３】
図３は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）３０の一例を示す。ＬＥＤ３０は基板３２を有する。この基板３２は、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである。この基板３２上に薄い湿層３４を成長させる。この湿層３４は、上述のように、ＡｌＮ等の適切なIII族窒化物を含むことができる。この湿層３４上にバッファ層３６を形成する。このバッファ層３６は、上述のように、ＧａＮやＡｌＮ等の任意の適切なIII族窒化物質を含むことができる。バッファ層３６をアモルファス層として形成した後、より高い温度で固相結晶化して多結晶層を形成できる。
【００３４】
湿層３４およびバッファ層３６を基板上に形成した後、少なくとも一層のｎ型（またはｐ型）III族窒化物層３８をバッファ層３６上に成長させる。例えば、III族窒化物層３８は、ｎ型III族窒化物層３８を被着する間に適切なドーパントを添加して形成されたｎ型ＧａＮであってもよい。ＧａＮに添加する適切なｎ型ドーパントは、Ｓｉ等を含む。
【００３５】
ｎ型III族窒化物層３８上方で活性層４０を成長させる。この活性層４０によって電子−正孔再結合効率を高める。活性層４０は、所望の波長で可視光を生成するように設計されたＩｎＧａＮ等の合金を含む。例えば、この合金は所望の波長で青色光を生成するように設計されたＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎの組成を有しても良い。ＩｎおよびＧａの比率を調節して活性層４０の組成を変更し、活性層４０のバンドギャップを変更できる。これにより、ＬＥＤ３０が発光する光の波長を変化させる。活性層４０の厚みを十分に小さくすると、量子力学的閉込効果を重視できる。このように薄い活性層４０は量子井戸として周知である。通常、活性層４０は約１０−１００Åの厚みを有する。
【００３６】
ＩｎＧａＮ活性層４０のインジウム含有量を増大するためには、活性層４０を０．５−１００μｍ厚のＩｎＧａＮ層上に被着する。このアプローチによって、高インジウム含有の活性領域におけるＩｎＧａＮ合金分離を軽減でき、ＬＥＤ３０によるスペクトル発光の単色性を向上する。
【００３７】
ＺｎＧｅＮ2活性層は、ＧａＮ等のIII族窒化物層の間に形成することもできる。ＺｎＧｅＮ2は、約２．７ｅＶのバンドギャップを有する。一方、ＧａＮは約３．４ｅＶのバンドギャップを有する。
【００３８】
キャリア閉込層（図示せず）を、活性層４０の上方およびあるいはまたは下方に形成して、電気キャリア閉込を向上することができる。このキャリア閉込層は、ＡｌＧａＮの合金等のIII族−V窒化物を含むことができる。
【００３９】
ｐ型III族窒化物層４２を、活性層４０上（または、キャリア閉込層が活性層４０上に形成されたＬＥＤの実施の形態においては、そのキャリア閉込層上）に形成する。ｐ型III族窒化物層が活性層４０下に形成されたＬＥＤ３０の場合、ｎ型III族窒化物層は、活性層４０（または、キャリア閉込層）の上に形成される。ｐ型III族窒化物層４２を形成するための適切なｐ型ドーパントは、マグネシウム等を含む。
【００４０】
本発明に係る発光ダイオードは、ｎ型III族窒化物層３８を基板上に直接適用して形成してもよい。この時、ｎ型III族窒化物層３８と基板との間に湿層３４およびあるいはまたはバッファ層３６は形成しない。この場合、ｎ型III族窒化物層３８は、活性層４０およびｐ型III族窒化物層４２と同様、低温でアモルファス層として形成し、その後、ｎ型およびｐ型III族窒化物層３８、４２および活性層４０に対してエネルギーを作用させて固相結晶化させることもできる。例えば、ｎ型およびｐ型III族窒化物層３８、４２および活性層４０は、上述のようにレーザ結晶化できる。上述のように、低温被着によって、活性層４０の、インジウム等の合金となる元素の含有率を高めることができる。
【００４１】
ＬＥＤ３０等の本発明に係る発光デバイスを大面積ディスプレイに用いることができる。これは、多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板を、本発明に係る発光デバイスに用いることにより実現できる。上述のように、こうした基板は単結晶基板より大面積にすることができ、したがって、この発光デバイスを有する大面積ディスプレイを製作できる。
【００４２】
本発明に係る発光デバイスを、大面積モノクロディスプレイに用いることができる。モノクロディスプレイは、本発明に係る発光デバイスの構造と、これに含まれる特定の活性層とに応じて選択された色の光を発光できる。
【００４３】
本発明に係る発光デバイスは、広域多色およびフルカラーディスプレイにも使用できる。図４は、本発明に係るフルカラーディスプレイ５０の一例を示す。このディスプレイ５０は、石英またはシリカガラス基板等の多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板５２を有することができる。基板５２上に多結晶発光デバイス５４のアレイを形成する。本発明に係る発光デバイス５４は、例えば、上述のＬＥＤ３０であってもよく、当業者には周知である従来のフォトリソグラフィによって形成することができる。この発光デバイス５４は、選択された波長の光を発光できる。例えば、発光デバイス５４は、紫色光または近紫外光を発光できる。ディスプレイ５０は、各々選択された色を発光できるピクセルを組み合わせる。図４から図６に示すように、多様な蛍光物質６０，６２，６４を発光デバイス５４上に配置できる。これらの蛍光物質６０，６２，６４は、発光デバイス５４から発光された波長の光エネルギーを吸収し、選択された波長や色の光を発光し得るように選択される。例えば、ディスプレイ５０が全色発光できるように、蛍光物質６０，６２，６４はそれぞれ赤色、緑色、青色の光を発光するように励起される。
【００４４】
各ピクセルは、発光デバイス５４に加えて、個別にアドレス指定が可能な制御電極５６を有する。各電極５６は蛍光物質６０，６２，６４の一つに対応づけられる。最終コンタクトは、コモン電極５８であってもよい。
【００４５】
図５は、本発明に係るディスプレイ７０の他の例を示す。このディスプレイ７０は、基板７２と、この基板上に形成された本発明に係る発光デバイス７４のアレイとを有する。この実施の形態において、発光デバイス７４は、青色光を直接発光する。三原色全部を生成するために、ディスプレイ７０は更に、青色光を吸収し、赤色および緑色光をそれぞれ再発光する蛍光体８０および８２を有する。したがって、ディスプレイ７０は、赤色、緑色、青色の光を発光できる。図示したように、各ピクセルは、個別にアドレス指定が可能な制御電極７６を有する。このディスプレイ７０は更に、コモン電極７８も有する。
【００４６】
図６は、本発明に係るディスプレイ９０の他の例を示す。このディスプレイ９０は、基板９２と、この基板９２上に形成された発光デバイス９４のアレイとを有する。発光デバイス５４と同様、発光デバイス９４は、紫色光と、近紫外光とを発光する。基板９２は透明である。ディスプレイ９０は、ディスプレイ５０とは対照的に、基板９２の底面１０６に形成された３個の蛍光物質１００，１０２，１０４を有する。蛍光物質１００，１０２，１０４はそれぞれ、赤色、緑色、青色を発光できる。各ピクセルは発光デバイス９４上に形成された個別にアドレス指定が可能な制御電極９６を更に有する。ディスプレイ９０はコモン電極９８も有する。
【００４７】
本発明に係るカラーディスプレイは、モノクロディスプレイであってもよい。このようなディスプレイは、青色等の選択された色の光を発光する発光デバイスアレイを有することができる。あるいは、この発光デバイスは、紫色光または近紫外光を発光でき、各発光色（赤色、緑色または青色）は各発光デバイスに関連することができる。
【００４８】
このディスプレイは、二色の選択された色を発光するように構成することができる。例えば、この発光デバイスが、第一の色を発光し、蛍光体が第二の色を発光することができる。
【００４９】
図７は、本発明に係るアクティブマトリクスカラーディスプレイにおける各ピクセルに対する回路を概略的に示す。このピクセルは、本発明に係る発光デバイス１１０を有する。
【００５０】
本発明に係る発光デバイスの形成方法の一例では、石英基板上にアモルファスＧａＮ層をＭＯＣＶＤによって約５５０℃の温度で被着する。次に、エキシマレーザを用いて、このアモルファス層を固相結晶化する。結晶化においては、１４２ｍＪ／ｃｍ2のレーザフルエンスを有するシングルパルスを用いる。
【００５１】
図８および図９は、それぞれ、上記の方法で形成されたアモルファスＧａＮと、レーザ結晶化された多結晶ＧａＮのＸ線回折スペクトラム（２Θ／Θスキャン）を示す。図９では、多結晶ＧａＮ物質の２回のピークが示されている。これらのピークは、ＧａＮ（００２）、ＧａＮ（００４）として区別される。
【００５２】
これらの実験結果より、エキシマレーザを用いてアモルファスＧａＮを結晶化して、多結晶ＧａＮを形成できることが分かる。
【００５３】
本発明に係る発光デバイスの形成方法の他の例では、多結晶ＧａＮを１０５０℃の高温で成長させて、石英上に直接被着する。石英上での多結晶ＧａＮ膜の成膜は、最初に石英基板上にＡｌＮ核形成膜を形成することを含む一連の被着工程の後に行われる。ＡｌＮ核形成層を形成することで、石英上のガリウム窒化物の膠着係数が低いことを補償する。ＡｌＮ核形成層を薄いサブ単層膜として基板の一部に適用した後に、この核形成層上に薄いアモルファスＧａＮバッファ層を約５５０℃で被着する。このアモルファスＧａＮバッファ層の厚みは約３００Åである。このＧａＮバッファ層は、ＮＨ3：Ｈ2雰囲気中で温度を約１０５０℃に上昇させることで固相結晶化する。その後、結晶化されたＧａＮバッファ層上に多結晶ＧａＮを厚く被着して、層状の半導体構造を形成する。
【００５４】
多結晶ＧａＮ構造の構造特性は、レーザ結晶化された物質の構造特性と非常に類似する。さらに、この構造は、サファイア上で成長させたエピタキシャルＧａＮ膜に匹敵するフォトルミネセンスを示す。
【００５５】
本発明に係る発光デバイスの形成方法の別の実施の形態では、多結晶ＧａＮデバイス構造を、上述の方法と同様の方法を用いて形成する。特に、ＡｌＮ核形成層と、ＧａＮバッファ層とを最初に石英基板上で成長させ、次にｐ型およびｎ型層をＧａＮバッファ層上に形成することで、ＬＥＤ構造を形成する。特に、ＧａＮバッファ層上にＳｉドープｎ型ＧａＮ層を約１０５０℃で成長させる。薄いＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ（推定組成）シングル量子井戸活性層を、ｎ型ＧａＮ層上で成長させる。ｎ型ＧａＮ層は約４μｍ厚であり、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎは約３０Å厚である。最後に、約０．２μｍ厚のＭｇドープｐ型ＧａＮ層をＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層上に形成する。
【００５６】
図１０は、多結晶ＧａＮ ＬＥＤ構造における発光強度を波長の関数として示すグラフである。図示したように、このＬＥＤは青色光を発光する。
【００５７】
同時に、単結晶ＬＥＤの比較サンプルをｃ配向サファイア基板上で成長させ、構造および性能特性について、多結晶構造と比較する。
【００５８】
これらの物質を用いて、Ｔｉ／Ａｕ ｐコンタクト金属を蒸着し、当該金属膜を１ｍｍセンタにて〜５００μｍドットにパターニングし、周囲の物質をアルゴンイオンミリングして、ＬＥＤを形成する。エッチングの深さは約１μｍであり、これにより下に形成されたｎ型物質を露出させる。この深さは、サファイア基板上で成長させたエピタキシャルＬＥＤにおいて一般的な深さである。ＬＥＤ動作では、金属プロープチップをｎ型ＧａＮ層表面に接触させて、ｎ型コンタクトを形成する。
【００５９】
単結晶サファイア基板上で成長させた単結晶ＬＥＤ物質が通常、鏡のような表面を有することとは異なり、石英基板上で成長させた多結晶物質の表面は非常にザラザラしている。この不規則な表面のため、ｐｎ接合部は、イオンミリングによって均一に削除されないこともあった。さらに、この表面形態のために、ｐ型ＧａＮ／金属接触の性質が曖昧になった。これは、ｐ型ＧａＮが比較的薄く、各結晶を完全にカバーしないことがあるためである。
【００６０】
この表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で見ると、結晶は全般的に数ミクロン、つまりフィルム厚と同じ程度の大きさであることが分かる。さらに、フラットトップの六角形断面結晶が存在することは、ｃ配向成長の傾向があることを示唆する。この好適な配向があることは、図１１のＸ線回折スペクトラムに、ランダム配向の多結晶列が有すると思われる強度に比べて強い（００２）反射が示されていることからも、同様に明らかである。
【００６１】
下記の表１は、回折強度の測定値を、完全にランダムな多結晶（Joint Committee on Powder Diffraction Standards（JCPDS）（1976））の対応の値と比較したものである。それぞれの場合、回折強度Ｉは（１０１）反射の強度Ｉ(101)を用いて正規化される。この理由は、Ｉ(101)が晶子のランダムアセンブリ状態から得られる最強の反射であると思われるからである。表１から、（００２）反射が特に顕著であり、これは、石英基板上で成長させたIII族窒化物膜が好適なｃ配向を有することを示す。また、（００４）反射も比較的強い。測定されたスペクトラム中に存在しない非対称反射もある。
【００６２】
【表１】
【００６３】
多結晶デバイスについて検出された発光は、単結晶ＬＥＤに比べて約１００倍弱かった。多結晶ＬＥＤからのエレクトロルミネセンスは比較的弱いが、いくつかの要因のために２種類のＬＥＤの発光効率を有意義に比較することが阻害されている。つまり、コンタクト構成が最適化されていないこと、および、多結晶ＬＥＤにおいて電流パスが完全に規定されていないことによって、多結晶ＬＥＤが低効率となると思われる。例えば、単結晶ＬＥＤにおいて接合パスは、光がｐコンタクトの下からのみ発光されるように充分に制限されている。これに対して、多結晶からの発光パターンは、より複雑であり、明るい発光スポットが二つのコンタクトの間の領域に多く観察される。このような分布では、ファイバーカップルスペクトルメータによって発光を効率よく収集できないので、図１２に示すように、発光効率が低く示されてしまう。
【００６４】
しかし、多結晶物質で構成されたＬＥＤでは、このように発光パターンが分散することはそれほど珍しくない。多結晶膜中に存在する粒子境界の数が多いので、供給された電流が接合部を横切ってＩｎＧａＮ量子井戸に供給されるためには、複雑なパスを横切って晶子を通過せざるを得ない。この結果、顕微鏡で見ると、この発光は２個のコンタクトの間およびその周辺部に多くの小さく明るいスポットを有することになる。これは、ダイオード電流によって呈された侵出パス(percolation path)に相当する。さらに、このように単純な構成では、金属コンタクトの機能も疑わしい。これは、ｎ型コンタクトがＴｉ／Ａｕドットの一つになろうが、プローブ先端が腐食領域に直接接触しようが、ＬＥＤ動作が観察されるためである。
【００６５】
コンタクト間に発光スポットが見られること、および腐食表面に配置されたｎコンタクトと、成長表面に配置されたｎコンタクトとの間に顕著な差異が見られないことから、腐食ステップは、全晶子においてｐｎ接合部を完全に貫通しているわけではないことが明白である。
【００６６】
より洗練されたエッチングを行って接合部をより均一に除去したり、およびあるいはまたは物質を更に型抜きして電流接合パスを規定する等、デバイス構造をより最適化することで、これらの多結晶デバイスからのルミネセンス効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る層状半導体構造の一例の断面を示す模式図である。
【図２】 本発明に係る層状半導体構造の別の例の断面を示す模式図である。
【図３】 本発明に係る発光デバイスの一例の断面を示す模式図である。
【図４】 本発明に係る多色ディスプレイの一例の断面構造を示す模式図である。
【図５】 本発明に係る多色ディスプレイの他の例の断面構造を示す模式図である。
【図６】 本発明に係る多色ディスプレイの他の例の断面構造を示す模式図である。
【図７】 図４，５，６に示すフルカラーディスプレイのアクティブマトリクスアレイにおける一個のピクセルの回路の一例を示す概略図である。
【図８】 石英基板上に被着したアモルファスＧａＮのＸ線回折スペクトラム（２Θ／Θスキャン）を示すグラフである。
【図９】 本発明に係る石英基板上に被着したレーザ結晶化された、ＧａＮ（００２）および（００４）ピークを含むＧａＮのＸ線回折スペクトラムを示すグラフである。
【図１０】 本発明に係る多結晶ＧａＮ構造を含む発光デバイスの発光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図１１】 本発明に係る石英基板上で成長させた多結晶ＩｎＧａＮ発光デバイスのＸ線回折スペクトラムを示すグラフである。
【図１２】 ｃ面サファイア基板上にエピタキシャル的に成長させた単結晶ＬＥＤ用および、本発明に係る石英基板上に被着させた多結晶発光デバイス用のＩｎＧａＮ発光デバイスの発光スペクトラルを示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 半導体構造、２０ 半導体層状構造、１２，２２，３２，５２，７２，９２ 基板、１４，２８，３８ III族窒化物層、２４，３４ 湿層、２６，３６ バッファ層、３０ ＬＥＤ、３８ ｎ型III族窒化物層、４０ 活性層、４２ ｐ型III族窒化物層、５０ フルカラーディスプレイ、５４ 多結晶発光デバイス、５６，７６，９６ 制御電極、５８，７８，９８ コモン電極、６０，６２，６４ 蛍光物質、７０、９０ ディスプレイ、７４，９４，１１０ 発光デバイス、８０，８２ 蛍光体。
Claims (2)
- 多結晶又はアモルファスである基板と、
前記基板上に形成された少なくとも一層の多結晶ＩＩＩ族窒化物層と、
前記基板と前記少なくとも一層の多結晶ＩＩＩ族窒化物層との間に形成され、表面及び界面でのエネルギー準位機構の作用により被着性を増す層としてＡｌＮ湿層と、
前記ＡｌＮ湿層と前記少なくとも一層の多結晶ＩＩＩ族窒化物層との間にＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮの少なくとも１つからなるバッファ層と、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 多結晶又はアモルファスである基板上に、表面及び界面でのエネルギー準位機構の作用により被着性を増す層としてＡｌＮ湿層を形成するステップと、少なくとも前記ＡｌＮ湿層を挟んで前記基板上に少なくとも一層の多結晶ＩＩＩ族窒化物層を形成するステップと、前記ＡｌＮ湿層を形成するステップの後に、前記ＡｌＮ湿層上にＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮの少なくとも１つからなるバッファ層を形成するステップと、を有することを特徴とする半導体発光デバイスの製造方法。
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