JP4998701B2 - Iii−v族化合物半導体発光ダイオード - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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