JP4998701B2 - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体発光ダイオード - Google Patents
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Description
本発明はIII-V族化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードに関し、より詳細には、光の取り出し領域と電流注入領域を分離し、光の外部への取り出し効率を改善したIII-V族化合物半導体発光ダイオードに関する。
III-V化合物半導体(AlGaAs, AlGaInP, AlGaInNなど)を材料とする発光ダイオードは白熱電球や蛍光灯に変わる次世代の省エネルギー・長寿命の照明表示用の光源として大きな注目を集めている。
発光ダイオードの発光効率は一般的に内部量子効率と光の外部への取り出し効率の積で決まる。近年の結晶成長技術の進歩によって、内部量子効率に関しては、特にAlGaAs, AlGaInP系材料において、100%に近いものが実現されている。これに対して、活性層で発生した光を効率よく外部へ取り出すことは非常に困難であり、発光ダイオードの発光効率を制限する最も大きな要因になっていると言っても過言ではない。
これには２つの基本的な原因がある。第１の原因は、いわゆる光の全反射の問題である。すなわち、III-V族化合物半導体の屈折率は通常１よりかなり大きいため、光は半導体と空気との界面で全反射され、半導体内部に戻されてしまう。外部へ取り出せるのは全反射の臨界角より小さい角度で界面に入射する光である。例えば、GaAsの場合、全反射の臨界角は約16.1°で、この臨界角の内にある光の割合はわずかに0.5×(1-cos16.1°)=２%である。さらに、臨界角内の光も一部は表面で反射されるため、実際に外部へ取り出せる光の割合は１%程度しかない。光の全反射を抑えるために、これまでに（1)屈折率の高い樹脂で封止する、（2)結晶を逆の角錐形状にダイシングする（非特許文献１）、（3)マイクロキャビティーで光の放射を制御する（非特許文献２）、（4)半導体表面上に意図的に微小凹凸を形成し、界面での光の散乱を利用し、光の入射角度を変化させる（非特許文献３）などの方法が取られている。
第２の原因は、金属電極による光の遮蔽である。発光ダイオードの駆動電流は通常結晶の表面に形成された金属の電極から注入される。この場合、電極直下の電流密度が最も高いが、そこで発生した光はほとんど電極でブロックされるため、表面へ取り出すことはできない。この問題を解決するために、これまでに、注入された電流を横方向においてできるだけ電極領域の外へ拡散させることに着目した技術がいくつか提案されている。主な技術としては（1)活性層と電極との間に厚い電流拡散層（10μm程度）を設ける（非特許文献４）、（2)金属電極とITO透明電極の複合構造を用いる（非特許文献５）、(3)電極直下に電流ブロック層を導入する（非特許文献６）などがある。しかし、これらの構造を用いるとしても、金属電極直下あるいはその近傍の電流密度が最も高いことに変わりがなく、その効果は限定的なものであった。また、厚い電流拡散層や電流ブロック層の導入により、製造工程が複雑になり、生産コストが高くなってしまう問題も生じてくる。
さらに、従来の発光ダイオード構造においては、電極から注入されたキャリアは電極近傍に集中し、電極から離れるとキャリアの密度、すなわち発光強度が急激に減少する。このため、１つの発光ダイオードチップから得られる光の出力パワーに限界があり、高い光出力パワーが必要な応用の場合、多数のチップを用いなければならない。
さらに、従来の発光ダイオード構造においては、電極から注入されたキャリアは電極近傍に集中し、電極から離れるとキャリアの密度、すなわち発光強度が急激に減少する。このため、１つの発光ダイオードチップから得られる光の出力パワーに限界があり、高い光出力パワーが必要な応用の場合、多数のチップを用いなければならない。
本発明の目的は、上記の金属電極による光の遮蔽問題を原理的に完全になくすことができ、しかも界面での全反射も効果的に抑えることのできるIII-V族化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードを提供することにある。また、本発明の他の目的は、発光ダイオードの光出力パワーはチップの面積に比例して増大するため、単一のチップから高い光出力パワーが容易に得られるIII-V族化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードを提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に電流注入のためのオーミック電極が形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
ここで、活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に電極を形成することは、活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面が成長中に維持され、発光ダイオードの最表面に存在することを意味する。
第２の手段は、複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより低い結晶面を発光領域として、該発光領域から放射される光の放射経路を避けるように、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に前記発光領域に比べて幅の狭い電流注入のためのオーミック電極が形成されていて、前記発光領域と前記オーミック電極領域とを空間的に分離されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第３の手段は、複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に電流注入のための第１のオーミック電極が形成され、さらに、前記基板を前記成長層から除去した後の前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、電流注入のための第２のオーミック電極が形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか一つの手段において、前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面が、該複数の結晶面のうちよりバンドギャップエネルギーの高い第１の結晶面と、よりバンドギャップエネルギーの低い第２の結晶面と、該第１と第２の結晶面の間に位置する一つ以上の結晶面とを含み、該第１と第２の結晶面の間に位置する該結晶面が、前記第１の結晶面のバンドギャップエネルギーと第２の結晶面のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーであることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段おいて、前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面が面内方向においてアレイ状に多数配列されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第６の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段おいて、前記基板が２つの(111)A面ならびに上部および底部の２つの（001）面によって構成される[1-10]方向の溝形状を含む基板であり、前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とするIII−V族化合物半導体発光ダイオードである。
第７の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記基板が２つの(111)A面と１つの上部(001)面によって構成される[1-10]方向のＶ溝形状を含む基板であり、前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第８の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記基板が(111)A面、上部(001)面、ならびに該(111)A面および上部(001)面との間に形成される少なくとも１つの高指数面を有する基板であり、前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の上部(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第９の手段は、第1の手段ないし第８の手段のいずれか1つの手段において、前記III-V族化合物半導体発光ダイオードの活性層が、二元化合物の場合は量子井戸構造、三元および四元混晶の場合は量子井戸構造またはバルク構造を用いることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第１の手段は、複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に電流注入のためのオーミック電極が形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
ここで、活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に電極を形成することは、活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面が成長中に維持され、発光ダイオードの最表面に存在することを意味する。
第２の手段は、複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより低い結晶面を発光領域として、該発光領域から放射される光の放射経路を避けるように、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に前記発光領域に比べて幅の狭い電流注入のためのオーミック電極が形成されていて、前記発光領域と前記オーミック電極領域とを空間的に分離されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第３の手段は、複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に電流注入のための第１のオーミック電極が形成され、さらに、前記基板を前記成長層から除去した後の前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、電流注入のための第２のオーミック電極が形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか一つの手段において、前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面が、該複数の結晶面のうちよりバンドギャップエネルギーの高い第１の結晶面と、よりバンドギャップエネルギーの低い第２の結晶面と、該第１と第２の結晶面の間に位置する一つ以上の結晶面とを含み、該第１と第２の結晶面の間に位置する該結晶面が、前記第１の結晶面のバンドギャップエネルギーと第２の結晶面のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーであることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段おいて、前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面が面内方向においてアレイ状に多数配列されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第６の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段おいて、前記基板が２つの(111)A面ならびに上部および底部の２つの（001）面によって構成される[1-10]方向の溝形状を含む基板であり、前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とするIII−V族化合物半導体発光ダイオードである。
第７の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記基板が２つの(111)A面と１つの上部(001)面によって構成される[1-10]方向のＶ溝形状を含む基板であり、前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第８の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記基板が(111)A面、上部(001)面、ならびに該(111)A面および上部(001)面との間に形成される少なくとも１つの高指数面を有する基板であり、前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の上部(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
第９の手段は、第1の手段ないし第８の手段のいずれか1つの手段において、前記III-V族化合物半導体発光ダイオードの活性層が、二元化合物の場合は量子井戸構造、三元および四元混晶の場合は量子井戸構造またはバルク構造を用いることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオードである。
本発明のIII-V族化合物半導体発光ダイオードによれば、少なくとも活性層となるエピタキシャル成長層がバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面から構成され、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に電流注入のための金属電極を形成し、電流注入領域と発光領域を空間的に分離したので、従来の技術で問題となっていた金属電極による光の遮蔽がほとんどない発光ダイオードが得られる。
また、凸形の断面形状を有する基板を使用しているので、全反射の臨界角より小さい角度で表面に入射する光の割合が増加し、半導体と空気の界面での全反射をも効果的に抑えることが可能になる。
さらに、本発明のIII-V族化合物半導体発光ダイオードの光出力パワーは、試料の面積に比例して増加させることができるので、高い光出力パワーを必要とする応用に特に適している。
また、凸形の断面形状を有する基板を使用しているので、全反射の臨界角より小さい角度で表面に入射する光の割合が増加し、半導体と空気の界面での全反射をも効果的に抑えることが可能になる。
さらに、本発明のIII-V族化合物半導体発光ダイオードの光出力パワーは、試料の面積に比例して増加させることができるので、高い光出力パワーを必要とする応用に特に適している。
以下、本発明の実施形態を図１ないし図１０を用いて説明する。
図１および図２は本実施形態の発明に係るIII-V族化合物半導体発光ダイオードの模式図である。
これらの図において、1はn型(001)GaAs基板、2はAl組成の低いAlGaAs、3はAl組成の高いAlGaAs、4はp型オーミック電極、5はn型オーミック電極、6は電子の移動方向、7は正孔の移動方向、8はGaAs量子井戸活性層である。
図１および図２は本実施形態の発明に係るIII-V族化合物半導体発光ダイオードの模式図である。
これらの図において、1はn型(001)GaAs基板、2はAl組成の低いAlGaAs、3はAl組成の高いAlGaAs、4はp型オーミック電極、5はn型オーミック電極、6は電子の移動方向、7は正孔の移動方向、8はGaAs量子井戸活性層である。
模式図１および２を用いて、本発明のIII-V族化合物半導体発光ダイオードの基本構成について説明する。まず、ホトリソグラフィーおよびウェットエッチングを用いて(001)平坦GaAs基板1上に(111)A傾斜面と上部および底部の二つの(001)平坦面を持つU形の溝を[1-10]方向にアレイ状に形成する。次に、有機金属気相エピタキシーなどの結晶成長法を用いて上記加工形状基板1上に発光ダイオード構造になる化合物半導体の多層膜、例えば(Al)GaAs/AlGaAsを成長させる。このような非平坦形状基板上に化合物半導体の多層膜が成長する場合、適当な成長条件において、III族原子の一部は(111)A傾斜面から上部および底部の(001)平坦面へ拡散していく性質がある。また、この拡散過程において、Ga原子の拡散速度は一般的にAl原子より速い。これらの結晶成長の異方性により、結晶の成長膜厚およびAl組成は結晶面方位によって異なってくる。すなわち、(111)A傾斜面の膜厚が上部および底部の(001)平坦面より薄く、またそのAl組成が(001)平坦面より高い。したがって、(Al)GaAs量子井戸を活性層8に用いた場合、量子閉じ込め効果およびバンドギャップエネルギーのAl組成依存性から、(111)A傾斜面の量子井戸のエネルギー準位は上部および底部の(001)平坦面量子井戸のエネルギー準位より高い。ここで、量子井戸活性層の場合について説明したが、AlGaAs、AlGaInPなどの三元および四元混晶を活性層の材料に用いた場合、活性層の構造としてバルク構造を取ることも可能である。
最後に、電流注入のための表面側のオーミック電極４を、（001）平坦面から放射される光の放射経路をできるだけ避けるように、(111)A傾斜面の一部に選択的に形成する。この構造において、(111)A傾斜面から注入されたキャリアは(Al)GaAs活性層、又は(Al)GaAs活性層及びAlGaAs障壁層を通してエネルギー準位の低い(001)平坦面量子井戸に移動し、そこで発光させることができる。この場合、（001）平坦面に移動するキャリアの割合は(111)A傾斜面量子井戸と(001)平坦面量子井戸とのエネルギー差に対して指数関数的に増加するため、傾斜面量子井戸と平坦面量子井戸とのエネルギー差が熱エネルギーに比べて十分大きければ、キャリアは100％に近い割合で(001)平坦面に移動することが可能である。これは、換言すれば、オーミック電極直下のキャリア密度が限りなく0に近づくことを意味する。このため、本発明の発光ダイオードにおいては、従来の技術と違って、電極直下はキャリアの飽和が最も起きにくい領域に相当し、オーミック電極が原理的に無限小に形成することが可能である。例えば、現在のホトリソグラフィー技術を用いれば、幅1μm以下のオーミック電極が容易に形成できる。このように、オーミック電極４の幅を発光領域に比べて十分小さくすれば、電流注入領域と発光領域を空間的に完全に分離することができ、金属電極による上の半球状の空間に放射される光の遮蔽を完全になくすことが原理的に可能になる。
さらに、図２に示すように、図１の発明において、成長に用いた形状基板を選択エッチングあるいはエピタキシャルリフトオフなどの方法で発光ダイオード構造の本体となるエピタキシャル成長層から除去し、裏面側のオーミック電極5も、表面側のオーミック電極4と同様に、(001)平坦面量子井戸から放射される光の放射経路をできるだけ避けるように、(111)A傾斜面の一部に選択的に小さく形成する。これにより、金属電極による全空間に放射される光の遮蔽がなくなり、100％に近い光の取り出し効率の実現が期待できる。
さらに、図２に示すように、図１の発明において、成長に用いた形状基板を選択エッチングあるいはエピタキシャルリフトオフなどの方法で発光ダイオード構造の本体となるエピタキシャル成長層から除去し、裏面側のオーミック電極5も、表面側のオーミック電極4と同様に、(001)平坦面量子井戸から放射される光の放射経路をできるだけ避けるように、(111)A傾斜面の一部に選択的に小さく形成する。これにより、金属電極による全空間に放射される光の遮蔽がなくなり、100％に近い光の取り出し効率の実現が期待できる。
また、(111)A傾斜面と上部(001)平坦面からなる凸形の断面形状はマイクロレンズの働きがあり、表面での全反射を効果的に抑えることが可能になる。すなわち、本来、全反射の臨界角より大きい角度で(001)平坦面に入射する光の一部は全反射の臨界角より小さい角度で(111)A傾斜面に入射することができるため、外部に取り出せる光の割合が増える。
さらに、上記の説明から明らかなように、U溝パターンが基板上にアレイ状に多数配列されているため、従来のデバイスのような発光強度の面内分布がなく、光が基板全体にわたって均一に発生するため、チップの面積を大きくすることができ、単一のチップから高い光出力パワーを容易に取り出すことができる。
次に、本発明に係るV溝形GaAs基板を用いたAlGaAs/GaAs発光ダイオードの製造方法について図３ないし図６を用いて説明する（実施例１）。
これらの図において、9はSiドープn型Al0.65Ga0.35As障壁層、10はノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層、11はノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層、12はZnドープp型Al0.65Ga0.35As障壁層、13はノンドープGaAs量子井戸活性層、14はZnドープGaAsキャップ層、15はSiO2膜、16はSiドープn型GaAsバッファー層、17はSiドープn型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層、18はSiドープn型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層、19はSiドープn型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸、20はノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層、21はノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層、22はノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸、23はノンドープ(001)平坦面GaAs量子井戸、24はノンドープ(111)A傾斜面GaAs量子井戸、25はノンドープV溝底三日月状GaAs量子細線、26はノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層、27はノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層、28はノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸、29はZnドープp型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層、30はZnドープp型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層、31はZnドープp型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸、32はn型オーミック電極(AuGe/Ni/Au)、33はp型オーミック電極(Ti/Au)、34はCr/Auボンディングパッドである。
これらの図において、9はSiドープn型Al0.65Ga0.35As障壁層、10はノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層、11はノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層、12はZnドープp型Al0.65Ga0.35As障壁層、13はノンドープGaAs量子井戸活性層、14はZnドープGaAsキャップ層、15はSiO2膜、16はSiドープn型GaAsバッファー層、17はSiドープn型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層、18はSiドープn型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層、19はSiドープn型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸、20はノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層、21はノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層、22はノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸、23はノンドープ(001)平坦面GaAs量子井戸、24はノンドープ(111)A傾斜面GaAs量子井戸、25はノンドープV溝底三日月状GaAs量子細線、26はノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層、27はノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層、28はノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸、29はZnドープp型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層、30はZnドープp型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層、31はZnドープp型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸、32はn型オーミック電極(AuGe/Ni/Au)、33はp型オーミック電極(Ti/Au)、34はCr/Auボンディングパッドである。
このV溝形基板は、図１のU形基板の作製において底部の(001)平坦面がなくなるまでエッチングすることによって形成したもので、表面のオーミック電極はセルフアライン的に形成できる利点を持っている。
図３において、n型の(001)GaAs基板１上に、ホトリソグラフィーおよびウェットエッチング（NH4OH:H2O2:H2O=1:3:50）を用いて[1-10]方向に周期４μmのV溝パターンを形成する。次に、上記基板1上に、有機金属気相エピタキシー法を用いて、0.37μmのSiドープn型GaAsバッファー層16、0.71μmのSiドープn型Al0.65Ga0.35As障壁層9、0.25μmのノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層10、14.5nmのノンドープGaAs量子井戸活性層13、0.15μmのノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層11、0.73μmのZnドープp型Al0.65Ga0.35As障壁層12、および25nmのZnドープp型GaAsキャップ層14を順次成長させる。ここで、Alの組成および成長膜厚は(001)上部平坦面で測定したものである。この成長において、Al、GaおよびAsの原料としてそれぞれトリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルガリウム(TEGa)およびターシャリブチルアルシン(TBAs)を用いた。また、成長温度は690℃とした。
図４は上記の発光ダイオード試料の結晶構造の詳細を示す断面模式図である。この図に示すように、V溝の底において、GaAs量子井戸層およびAlGaAs障壁層はそれぞれ三日月状の量子細線25（横幅40nm程度）および垂直量子井戸19,22,28,31と呼ばれる幅15nm程度のAl組成の低いストライプ構造になっている。ノンドープAlGaAs障壁層10,11の各結晶面、すなわち(001)平坦面、(111)A傾斜面およびV溝底垂直量子井戸のAl組成は、ホトルミネセンスで測定した結果、それぞれ約0.3（室温におけるバンドギャップエネルギー=1.798eV）、0.34（室温におけるバンドギャップエネルギー=1.848eV）、0.26（室温におけるバンドギャップエネルギー=1.748eV）である。また、(001)平坦面量子井戸23、(111)A傾斜面量子井戸24およびＶ溝底の三日月状量子細線25の厚さはそれぞれ約14.5、7.3および15.4nmである。
その後、プラズマCVD法により、厚さ140nmのSiO2膜を試料の表面にデポし、ホトリソグラフィーおよびウェットエッチングを用いて、幅200μmのボンディングパッド形成用のストライプパターン15をV溝の垂直方向に形成する。
その後、プラズマCVD法により、厚さ140nmのSiO2膜を試料の表面にデポし、ホトリソグラフィーおよびウェットエッチングを用いて、幅200μmのボンディングパッド形成用のストライプパターン15をV溝の垂直方向に形成する。
次に、図５において、p型オーミック電極形成用の金属として、Ti(40nm)とAu(150nm)を真空蒸着法で表面に蒸着する。次に、フォトレジストを塗布し、V溝表面を平坦化させる。その後、O2プラズマアッシングを行い、V溝の中にのみフォトレジストが一部残るように(001)平坦面および(111)A傾斜面の一部を露出させる。次に、V溝の中に残っているフォトレジストをマスクとして用い、AuとTiをそれぞれKI:I2系およびHF:H2O2:H2O系のエッチング液でエッチングし、(111)A傾斜面およびV溝底にp型オーミック電極33を形成する。なお、p型オーミック電極33はホトリソグラフィーとリフトオフ技術を用いても形成可能である。さらに、試料の裏面全面にn型電極形成のために、AuGe/Ni/Auを真空蒸着する。最後に、アロイ処理を行い、p型オーミック電極33およびn型オーミック電極32が完成する。
次に、図６において、ボンディングパッドとして、SiO2膜15のストライプ上に、幅の少し狭いCr/Auパターン(180μm)34をホトリソグラフィーとリフトオフ法を用いて形成し、デバイスが完成する。
図７は、サイズ1x1mm2（ボンディングパッド領域除去）のチップの室温、直流駆動の条件で測定した発光スペクトルを示す図である。
なお、測定に用いたチップはリードフレームにダイボンドしているのみであり、エポキシ樹脂による封止は行っていない。
同図に示すように、(111)A傾斜面量子井戸、(001)平坦面量子井戸およびV溝底量子細線からの発光はそれぞれ836.2nm、848.7と857.5nmおよび864.3nm付近に観測された。(001)平坦面量子井戸からの発光は強く観測され、(111)A傾斜面から注入されたキャリアは効率よく(001)平坦面に移動していることがはっきりと確認できる。また、ここで示していないが、100K程度の低温での測定では、(111)A傾斜面量子井戸からの発光がほとんど観測されておらず、(111)A傾斜面から注入されたキャリアは100％に近い効率で(001)平坦面量子井戸およびV溝底の量子細線に移動していることも判明している。室温で(111)A傾斜面量子井戸の発光が観測されたのは、この実験に用いた試料の(111)A傾斜面量子井戸と(001)平坦面量子井戸との発光エネルギーの差(21.8〜36.8meV)が小さく、室温において一部のキャリアが熱エネルギー(26meV)によって(001)量子井戸から(111)A量子井戸に励起されたためである。これは、成長条件の最適化あるいは混晶材料(AlGaAs)の使用により(111)A傾斜面量子井戸と(001)平坦面量子井戸およびV溝底量子細線とのエネルギー差を大きくするによって解決可能である。
なお、測定に用いたチップはリードフレームにダイボンドしているのみであり、エポキシ樹脂による封止は行っていない。
同図に示すように、(111)A傾斜面量子井戸、(001)平坦面量子井戸およびV溝底量子細線からの発光はそれぞれ836.2nm、848.7と857.5nmおよび864.3nm付近に観測された。(001)平坦面量子井戸からの発光は強く観測され、(111)A傾斜面から注入されたキャリアは効率よく(001)平坦面に移動していることがはっきりと確認できる。また、ここで示していないが、100K程度の低温での測定では、(111)A傾斜面量子井戸からの発光がほとんど観測されておらず、(111)A傾斜面から注入されたキャリアは100％に近い効率で(001)平坦面量子井戸およびV溝底の量子細線に移動していることも判明している。室温で(111)A傾斜面量子井戸の発光が観測されたのは、この実験に用いた試料の(111)A傾斜面量子井戸と(001)平坦面量子井戸との発光エネルギーの差(21.8〜36.8meV)が小さく、室温において一部のキャリアが熱エネルギー(26meV)によって(001)量子井戸から(111)A量子井戸に励起されたためである。これは、成長条件の最適化あるいは混晶材料(AlGaAs)の使用により(111)A傾斜面量子井戸と(001)平坦面量子井戸およびV溝底量子細線とのエネルギー差を大きくするによって解決可能である。
また、図６のデバイス構造および図７の発光スペクトルから分かるように、三日月状量子細線25は金属電極33の直下にあるにも係わらず、この領域から非常に強い発光が観測されている。これは、図８に示すような横方向導波効果によるものだと考えられる。すなわち、このデバイスにおいてAl組成の低い障壁層10,11（Al組成約30%）はAl組成の高い障壁層9,12(Al組成約65%)によって挟まれている横方向導波路と考えられる。そして量子細線25の発光の一部35は横方向においてこの導波路に導かれ、(111)A傾斜面を通って電極33の間の光取出し領域から外部へ取り出されると考えられる。
図９は、光出力パワーおよび外部量子効率の注入電流依存性を示す図である。
同図に示すように、50mA付近で約7%の外部量子効率が得られている。また、室温と低温(4.5K)との積分発光強度の比較から、室温における内部量子効率は約46%であると計算される。これらの値を用いると、約15.2%という光の外部への取り出し効率が得られる。これは平坦基板の場合の外部取り出し効率の理論値より約一桁も高い値である。また、CCDカメラによる発光パターン観測の結果、(001)平坦面と(111)A傾斜面が交差する領域の発光強度が(001)平坦面の中心部より強いことも分かった。これらの結果から(111)A傾斜面の存在による界面での全反射の抑制効果がはっきりと確認できた。今後、エポキシ樹脂でチップを封止することにより、取り出し効率がさらに高められるものと考えられる。
同図に示すように、50mA付近で約7%の外部量子効率が得られている。また、室温と低温(4.5K)との積分発光強度の比較から、室温における内部量子効率は約46%であると計算される。これらの値を用いると、約15.2%という光の外部への取り出し効率が得られる。これは平坦基板の場合の外部取り出し効率の理論値より約一桁も高い値である。また、CCDカメラによる発光パターン観測の結果、(001)平坦面と(111)A傾斜面が交差する領域の発光強度が(001)平坦面の中心部より強いことも分かった。これらの結果から(111)A傾斜面の存在による界面での全反射の抑制効果がはっきりと確認できた。今後、エポキシ樹脂でチップを封止することにより、取り出し効率がさらに高められるものと考えられる。
次に、本発明の他の実施例を図10a及び10bを用いて説明する。
図10aは本実施例の試料成長に用いた基板の断面模式図で、図10bは本実施例の発明に係わるIII-V族化合物半導体発光ダイオードの断面模式図である。
この図において、36は(111)A面より指数の高い結晶面である。
まず、ホトリソグラフィーを用いて(001)平坦GaAs基板1上にフォトレジストのライン・スペースパターンを[1-10]方向に形成する。次に、NH4OH:H2O2:H2O = 1:3:50液を用いて上記基板をエッチングし、２つの(111)A傾斜面および１つの(001)上部平坦面によって構成されるV溝形パターンを基板上に形成する。その後、フォトレジストが(001)平坦面に残ったまま、エッチング液を、例えばNH4OH:H2O2:H2O = 4:0.5:40に変更し追加エッチングを行う。この追加エッチングによって、(111)A傾斜面と(001)平坦面の間に(111)A面より指数の高い結晶面36、例えば(113)A面を形成することができる（図10a）。ここで追加エッチングに用いたNH4OH:H2O2:H2O液のH2O2の量を変えることによって、形成する高指数面36の面方位、すなわち、高指数面36と(001)平坦面との交差角度を制御することができる。例えば(113)A面の他、(112)A面、(114)A面などの高指数面36が形成できる。なお、図10aでは(111)A傾斜面と(001)平坦面の間に１つの高指数面36が形成される場合を示したが、例えばエッチング液を段階的に変えることで、この高指数面36が２つ以上の面方位を有する、即ち、(111)A傾斜面と(001)平坦面の間に２つ以上の高指数面を形成することも可能である。
図10aは本実施例の試料成長に用いた基板の断面模式図で、図10bは本実施例の発明に係わるIII-V族化合物半導体発光ダイオードの断面模式図である。
この図において、36は(111)A面より指数の高い結晶面である。
まず、ホトリソグラフィーを用いて(001)平坦GaAs基板1上にフォトレジストのライン・スペースパターンを[1-10]方向に形成する。次に、NH4OH:H2O2:H2O = 1:3:50液を用いて上記基板をエッチングし、２つの(111)A傾斜面および１つの(001)上部平坦面によって構成されるV溝形パターンを基板上に形成する。その後、フォトレジストが(001)平坦面に残ったまま、エッチング液を、例えばNH4OH:H2O2:H2O = 4:0.5:40に変更し追加エッチングを行う。この追加エッチングによって、(111)A傾斜面と(001)平坦面の間に(111)A面より指数の高い結晶面36、例えば(113)A面を形成することができる（図10a）。ここで追加エッチングに用いたNH4OH:H2O2:H2O液のH2O2の量を変えることによって、形成する高指数面36の面方位、すなわち、高指数面36と(001)平坦面との交差角度を制御することができる。例えば(113)A面の他、(112)A面、(114)A面などの高指数面36が形成できる。なお、図10aでは(111)A傾斜面と(001)平坦面の間に１つの高指数面36が形成される場合を示したが、例えばエッチング液を段階的に変えることで、この高指数面36が２つ以上の面方位を有する、即ち、(111)A傾斜面と(001)平坦面の間に２つ以上の高指数面を形成することも可能である。
次に、フォトレジストを除去した後、上記基板上に有機金属気相エピタキシー法を用いて実施例１と同様の構造を持つ発光ダイオード構造を成長する。ここで、高指数面36の幅及びAl組成は成長条件、特に成長温度およびAsの流量によって制御可能である。従って上記と同様に結晶成長の異方性により、エピタキシャル成長させた活性層や障壁層が面内方向において、(111)A面、高指数面36及び(001)面ごとに異なるバンドギャップエネルギーを有するよう調整できる。具体的に、活性層に関しては、(111)A面でよりバンドギャップエネルギーが高く、(001)面でよりバンドギャップエネルギーが低く、高指数面36でそれらの間のバンドギャップエネルギーを有する活性層を成長できる。また本実施例では障壁層にAlGaAsを用いているため、この障壁層についても結晶成長の異方性により、(111)A面でバンドギャップエネルギーがより高く、(001)面でバンドギャップエネルギーがより低く、高指数面36でその間のバンドギャップエネルギーを有する障壁層を成長できる。
そして結晶成長の後、実施例１と同じプロセスを用いてp型電極33およびn型電極32をそれぞれ(111)A面の一部(V溝の中)および裏面全面に形成し、図10bのような発光ダイオードが得られる。この電極(33)については、(111)A面を超えて一部が高指数面36にまで及んでいても良い。
この構造において、電極から注入されたキャリアは(Al)GaAs活性層、又は(Al)GaAs活性層及びAlGaAs障壁層を通してエネルギー準位の低い(001)平坦面量子井戸及びV溝底の三日月状量子細線に移動され、そこで発光させることができる。
このデバイスにおいて、高指数面36の存在によって、V形電極間の光取出し領域の横方向断面形状は、全反射の抑制に最も有効である半円状に近づく。このため、高指数面36がない場合に比べて全反射の抑制効果がさらに向上されるものと期待できる。
そして結晶成長の後、実施例１と同じプロセスを用いてp型電極33およびn型電極32をそれぞれ(111)A面の一部(V溝の中)および裏面全面に形成し、図10bのような発光ダイオードが得られる。この電極(33)については、(111)A面を超えて一部が高指数面36にまで及んでいても良い。
この構造において、電極から注入されたキャリアは(Al)GaAs活性層、又は(Al)GaAs活性層及びAlGaAs障壁層を通してエネルギー準位の低い(001)平坦面量子井戸及びV溝底の三日月状量子細線に移動され、そこで発光させることができる。
このデバイスにおいて、高指数面36の存在によって、V形電極間の光取出し領域の横方向断面形状は、全反射の抑制に最も有効である半円状に近づく。このため、高指数面36がない場合に比べて全反射の抑制効果がさらに向上されるものと期待できる。
１ n型(001)GaAs基板
２ Al組成の低いAlGaAs
３ Al組成の高いAlGaAs
４ p型オーミック電極
５ n型オーミック電極
６ 電子の移動方向
７ 正孔の移動方向
８ GaAs量子井戸活性層
９ Siドープn型Al0.65Ga0.35As障壁層
１０ ノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層
１１ ノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層
１２ Znドープp型Al0.65Ga0.35As障壁層
１３ GaAs量子井戸活性層
１４ ZnドープGaAsキャップ層
１５ SiO2膜
１６ Siドープn型GaAsバッファー層
１７ Siドープn型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層
１８ Siドープn型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層
１９ Siドープｎ型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸
２０ ノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層
２１ ノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層
２２ ノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸
２３ ノンドープ(001)平坦面GaAs量子井戸
２４ ノンドープ(111)A傾斜面GaAs量子井戸
２５ ノンドープV溝底三日月状GaAs量子細線
２６ ノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層
２７ ノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層
２８ ノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸
２９ Znドープp型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層
３０ Znドープp型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層
３１ Znドープp型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸
３２ n型オーミック電極(AuGe/Ni/Au)
３３ p型オーミック電極(Ti/Au)
３４ Cr/Auボンディングパッド
３５ 量子細線発光（一部）の取り出し方向
３６ (111)A面より指数の高い結晶面
２ Al組成の低いAlGaAs
３ Al組成の高いAlGaAs
４ p型オーミック電極
５ n型オーミック電極
６ 電子の移動方向
７ 正孔の移動方向
８ GaAs量子井戸活性層
９ Siドープn型Al0.65Ga0.35As障壁層
１０ ノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層
１１ ノンドープAl0.3Ga0.7As障壁層
１２ Znドープp型Al0.65Ga0.35As障壁層
１３ GaAs量子井戸活性層
１４ ZnドープGaAsキャップ層
１５ SiO2膜
１６ Siドープn型GaAsバッファー層
１７ Siドープn型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層
１８ Siドープn型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層
１９ Siドープｎ型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸
２０ ノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層
２１ ノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層
２２ ノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸
２３ ノンドープ(001)平坦面GaAs量子井戸
２４ ノンドープ(111)A傾斜面GaAs量子井戸
２５ ノンドープV溝底三日月状GaAs量子細線
２６ ノンドープ(001)平坦面Al0.3Ga0.7As障壁層
２７ ノンドープ(111)A傾斜面Al0.34Ga0.66As障壁層
２８ ノンドープAl0.26Ga0.74As垂直量子井戸
２９ Znドープp型(001)平坦面Al0.65Ga0.35As障壁層
３０ Znドープp型(111)A傾斜面Al0.69Ga0.31As障壁層
３１ Znドープp型Al0.61Ga0.39As垂直量子井戸
３２ n型オーミック電極(AuGe/Ni/Au)
３３ p型オーミック電極(Ti/Au)
３４ Cr/Auボンディングパッド
３５ 量子細線発光（一部）の取り出し方向
３６ (111)A面より指数の高い結晶面
Claims (9)
- 複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、
前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に電流注入のためのオーミック電極が形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオード。 - 複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、
前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより低い結晶面を発光領域として、該発光領域から放射される光の放射経路を避けるように、前記活性層のバンドギャップエネルギーのより高い結晶面の光取出し側の表面の一部に前記発光領域に比べて幅の狭い電流注入のためのオーミック電極が形成されていて、前記発光領域と前記オーミック電極領域とを空間的に分離されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオード。 - 複数の結晶面を有する基板上にエピタキシャル成長させた成長層に少なくとも障壁層および活性層を有するIII-V族化合物半導体発光ダイオードにおいて、
前記成長層が、該成長層の少なくとも前記活性層が面内方向においてバンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面を有し、該複数の結晶面のうち、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に電流注入のための第１のオーミック電極が形成され、さらに、前記基板を前記成長層から除去した後の前記バンドギャップエネルギーのより高い結晶面に、前記バンドギャップエネルギーのより低い結晶面から放射される光の放射経路を避けるように、電流注入のための第２のオーミック電極が形成されていることを特徴とするIII-V族化合物半導体発光ダイオード。 - 前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面が、該複数の結晶面のうちよりバンドギャップエネルギーの高い第１の結晶面と、よりバンドギャップエネルギーの低い第２の結晶面と、該第１と第２の結晶面の間に位置する一つ以上の結晶面とを含み、該第１と第２の結晶面の間に位置する該結晶面が、前記第１の結晶面のバンドギャップエネルギーと第２の結晶面のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーであることを特徴とする請求項１、２または３に記載のIII-V族化合物半導体発光ダイオード。
- 前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の結晶面が面内方向においてアレイ状に多数配列されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光ダイオード。
- 前記基板が２つの(111)A面ならびに上部および底部の２つの（001）面によって構成される[1-10]方向の溝形状を含む基板であり、
前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体発光ダイオード。 - 前記基板が２つの(111)A面と１つの上部(001)面によって構成される[1-10]方向のＶ溝形状を含む基板であり、
前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光ダイオード。 - 前記基板が(111)A面、上部(001)面、ならびに該(111)A面および上部(001)面との間に形成される少なくとも１つの高指数面を有する基板であり、
前記バンドギャップエネルギーの異なる前記複数の結晶面のうち、該バンドギャップエネルギーのより低い結晶面及び該バンドギャップエネルギーのより高い結晶面がそれぞれ前記基板の上部(001)面および(111)A面に成長され、前記オーミック電極が(111)A面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光ダイオード。 - 前記III-V族化合物半導体発光ダイオードの活性層が、二元化合物の場合は量子井戸構造、三元および四元混晶の場合は量子井戸構造またはバルク構造を用いることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のIII-V族化合物半導体発光ダイオード。
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