JP5112761B2 - COMPOUND SEMICONDUCTOR ELEMENT, LIGHTING DEVICE USING SAME, AND METHOD FOR PRODUCING COMPOUND SEMICONDUCTOR ELEMENT - Google Patents
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本発明は、III−V族化合物半導体などの化合物半導体素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法に関し、特に半導体素子としては、基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成るものに関する。 The present invention relates to a compound semiconductor element such as a III-V compound semiconductor, a lighting device using the compound semiconductor element, and a method for manufacturing the compound semiconductor element. In particular, the semiconductor element includes a nanoscale nanocrystal or nanorod on a substrate. The present invention relates to a structure in which a columnar crystal structure is formed.
近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する化合物半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、主として、サファイア基板を用い、発光層の下部にシリコン(Si)がドーピングされたn+−GaN層から成るn−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム(Mg)がドーピングされたp−AlxGa1−xNから成る電子ブロック層、電子ブロック層の上部にp−GaNのコンタクト層がそれぞれ形成されて構成されている。これらのプレーナー型の発光素子(LED)は、基板のサファイアと、窒化物や酸化物の半導体層との格子定数が大きく異なり、かつ基板上に薄膜として形成されるので、結晶内に非常に多くの貫通転位を含んでおり、発光素子の効率を増加させるのは困難であった。 In recent years, compound semiconductor light emitting devices having a light emitting layer composed of a nitride semiconductor or an oxide semiconductor have attracted attention. The structure of this light-emitting element is mainly composed of an n-cladding layer and contact layer made of an n + -GaN layer doped with silicon (Si) at the lower part of the light-emitting layer, and magnesium (Mg) at the upper part of the light-emitting layer. ) Doped p-Al x Ga 1-x N, and a p-GaN contact layer is formed on the electron block layer. These planar light emitting devices (LEDs) have a large difference in lattice constant between the sapphire of the substrate and the nitride or oxide semiconductor layer and are formed as a thin film on the substrate. Therefore, it is difficult to increase the efficiency of the light-emitting element.
そこで、このような問題を解決する手法の従来例として、特許文献1が知られている。この従来例では、サファイア基板上に、n型GaNバッファ層を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体(ナノコラム)を形成しており、そのGaNナノコラム間に、柱状結晶構造の保護等のために透明絶縁物層を埋め込んだ後、透明電極および電極パッドが成膜されて構成されている。特に青色GaNナノコラムは、n型GaNナノコラム、InGaN量子井戸、p型GaNナノコラムから構成されている。
Therefore,
このGaNナノコラムLEDではプレーナー型LEDと違い、GaNエピ層成長時に点在していた成長核が横(面)方向に結合した後、平面で縦方向に成長してゆくというのではなく、成長核が前記横(面)方向に結合する前に縦方向に成長するので、貫通転位は原理上存在せず、貫通転位の周りに発生する点欠陥もプレーナー型と比較して圧倒的に少ないことが期待できる。このため、プレーナー型LEDに比べて極めて結晶品質の良いGaN単結晶が得られ、内部量子効率も飛躍的に向上することが期待できる。
上述のように構成されるナノコラムLEDでは、貫通転位の課題は解決されているが、プレーナー型LEDに対する難点として、p型電極の形成において、ナノコラム間への絶縁体の充填プロセスが難しく、p型電極の形成が困難であるという欠点を有する。すなわち、ナノコラムの先端に形成されるp型GaN層の上にp型電極を形成すると、その電極材がナノコラム間に入り込み、非常に薄い該p型GaN層が、活性層やn型GaN層とリークやショートを生じてしまう。このため、基板上にナノコラムを形成した後、SOG、SiO2、もしくはエポキシ樹脂などの透明絶縁物を、スピンコートなどで埋め込んで、その上に前記p型電極を形成することになる。しかしながら、液体状にした透明絶縁物には表面張力が働き、上手くナノコラム間の間隙中に入れ込むことは、前記スピンコーティングを用いても困難である。 In the nanocolumn LED configured as described above, the problem of threading dislocation has been solved. However, as a drawback to the planar type LED, in the formation of the p-type electrode, it is difficult to fill the insulator between the nanocolumns. It has the disadvantage that it is difficult to form electrodes. That is, when the p-type electrode is formed on the p-type GaN layer formed at the tip of the nanocolumn, the electrode material enters between the nanocolumns, and the very thin p-type GaN layer is separated from the active layer and the n-type GaN layer. Leaks or shorts will occur. For this reason, after forming the nanocolumn on the substrate, a transparent insulator such as SOG, SiO 2 , or epoxy resin is embedded by spin coating or the like, and the p-type electrode is formed thereon. However, the surface tension acts on the liquid transparent insulator, and it is difficult to put it into the gap between the nanocolumns even using the spin coating.
本発明の目的は、上部電極を容易に形成することができる化合物半導体素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法を提供することである。 The objective of this invention is providing the compound semiconductor element which can form an upper electrode easily, the illuminating device using the same, and the manufacturing method of a compound semiconductor element.
本発明の化合物半導体素子は、基板またはバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体を複数有する化合物半導体素子において、第1の導電型の電極に接続される前記基板またはバッファ層上に形成され、該柱状結晶構造体が成長してゆくための開口が穿設された絶縁膜と、透光性を有し、かつ前記第1の導電型とは反対の第2の導電型を示す有機金属から成り、第2の導電型の電極に接続され、前記柱状結晶構造体を封止する封止部材とを含み、前記柱状結晶構造体は、前記第1の導電型を示すコア部と、前記コア部を取り囲み、前記第1の導電型を示すシェル部とを有する同軸形状に形成され、それらのバンドギャップエネルギーの大きさが相互に異なることを特徴とする。 The compound semiconductor device of the present invention is formed on the substrate or buffer layer connected to the first conductivity type electrode in the compound semiconductor device having a plurality of nanoscale columnar crystal structures on the substrate or buffer layer, An insulating film having an opening for growing the columnar crystal structure, and an organic metal having translucency and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type; made, is connected to the second conductivity type electrode, said saw including a sealing member for sealing a columnar crystal structure, said columnar crystal structure comprises a core portion indicating said first conductivity type, the It is formed in a coaxial shape surrounding a core portion and having a shell portion showing the first conductivity type, and the magnitudes of their band gap energies are different from each other .
また、本発明の化合物半導体素子の製造方法は、基板またはバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体を複数有する化合物半導体素子の製造方法において、第1の導電型の電極に接続されることになる前記基板またはバッファ層上に、絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に前記絶縁膜をパターニングして、前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設する工程と、前記開口内で露出した前記基板またはバッファ層から、前記第1の導電型で前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程と、透光性を有し、かつ前記第1の導電型とは反対の第2の導電型を示す有機金属から成り、第2の導電型の電極に接続されることになる封止部材で前記柱状結晶構造体を封止する工程とを含み、前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程は、前記第1の導電型を示すコア部を成長させる工程と、前記コア部と相互に異なる大きさのバンドギャップエネルギーを有し、前記コア部を取り囲む同軸形状に、前記第1の導電型を示すシェル部を成長させる工程とを有することを特徴とする。 Also, the method for producing a compound semiconductor element of the present invention is to be connected to an electrode of the first conductivity type in the method for producing a compound semiconductor element having a plurality of nanoscale columnar crystal structures on a substrate or a buffer layer. An insulating film is formed on the substrate or buffer layer, and the insulating film is patterned into a shape corresponding to a column diameter to be grown at a position where the columnar crystal structure is to be grown. A step of forming an opening so that the buffer layer is exposed; a step of growing the columnar crystal structure with the first conductivity type from the substrate or the buffer layer exposed in the opening; The columnar crystal structure is a sealing member made of an organic metal having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and connected to an electrode of the second conductivity type. A step of sealing the body seen including, the step of crystal growth of the columnar crystal structures, the first growing a core part showing a conductivity type, the core portion and the mutually different sizes of band Growing a shell portion having the first conductivity type in a coaxial shape having gap energy and surrounding the core portion .
上記の構成によれば、基板またはその導電性の有無や結晶成長の関係で必要になるバッファ層上に、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が多数成長されて成る化合物半導体素子およびその製造方法において、その柱状結晶構造体を成長させるにあたって、SiO2,SiNなどから成る絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状にその絶縁膜をパターニングして、前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設する。その後、前記基板またはバッファ層および柱状結晶構造体の第1の導電型に対して、それらとは反対の第2の導電型を示す有機金属から成り、かつ透光性を有し、前記第2の導電型の電極に接続される封止部材を堆積させ、ベークすることで前記柱状結晶構造体を封止する。 According to the above configuration, a compound in which a large number of nanoscale columnar crystal structures called nanocolumns or nanorods are grown on a substrate or a buffer layer required for the presence or absence of conductivity and crystal growth. In growing a columnar crystal structure in a semiconductor device and its manufacturing method, an insulating film made of SiO 2 , SiN or the like is formed, and a column diameter to be grown at an arrangement position where the columnar crystal structure is to be grown The insulating film is patterned into a shape corresponding to the above, and an opening is formed so that the substrate or the buffer layer is exposed. Thereafter, the first conductivity type of the substrate or the buffer layer and the columnar crystal structure is made of an organic metal exhibiting a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and has a light-transmitting property. The columnar crystal structure is sealed by depositing and baking a sealing member connected to the conductive type electrode.
したがって、前記柱状結晶構造体の外周面と封止部材との間でpn接合を構成してその界面で発光を行わせる一方、第1の導電型である前記基板またはバッファ層と第2の導電型である封止部材との間は前記絶縁膜によって絶縁されており、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、上部電極は前記封止部材上に容易に形成することができる。 Accordingly, a pn junction is formed between the outer peripheral surface of the columnar crystal structure and the sealing member to emit light at the interface, while the substrate or buffer layer that is the first conductivity type and the second conductivity are formed. It is insulated from the sealing member, which is a mold, by the insulating film, and even if there is insufficient filling of the organic metal by the spin coating or the like, it is possible to prevent leakage and short-circuiting and improve reliability. be able to. Further, the upper electrode can be easily formed on the sealing member.
また、開口、したがって前記柱状結晶構造体の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、たとえば発光素子の場合には、結晶欠陥の少ない柱状結晶構造体の利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。 Further, the opening, and therefore the arrangement of the columnar crystal structures, that is, the arrangement pitch and arrangement pattern, and the column diameter can be arbitrarily set. For example, in the case of a light emitting device, the advantages of the columnar crystal structure with few crystal defects are obtained. In addition to being able to efficiently extract the generated light to the outside, it is possible to realize optical characteristics as intended by the designer, such as extraction with a desired light distribution. Further, by adjusting the column diameter, light having a desired wavelength can be generated, and light of a desired mixed color, for example, white light can be generated.
また、前記柱状結晶構造体を、同じ第1の導電型を示すコア部とシェル部とから成る同軸形状とし、それらのバンドギャップエネルギーの大きさを相互に異ならせることによって量子井戸(発光層)を形成することができ、発光効率を向上することができる。Further, the columnar crystal structure is formed into a coaxial shape including a core portion and a shell portion having the same first conductivity type, and the magnitudes of the band gap energies thereof are made different from each other to thereby form a quantum well (light emitting layer). Can be formed, and the luminous efficiency can be improved.
さらにまた、本発明の化合物半導体素子は、前記基板またはバッファ層と絶縁膜との間に、化合物半導体材料および添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないカタリスト材料層、または前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆく化合物種結晶層を有することを特徴とする。 Furthermore, the compound semiconductor device of the present invention dissolves and takes in the compound semiconductor material and additive material between the substrate or the buffer layer and the insulating film, and forms a composite with itself. And a compound seed crystal layer in which the compound semiconductor material and the additive material are adsorbed and bonded to grow into the columnar crystal structure.
上記の構成によれば、前記基板またはバッファ層上に柱状結晶構造体を成長させるにあたって、Ga,N,In,Alなどの化合物半導体材料や、Mg,Si,Znなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないNi,Cu,Fe,Auなどのカタリスト材料層や、前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくAlNなどの化合物種結晶層を前記基板またはバッファ層上に予め形成しておく。 According to the above configuration, when the columnar crystal structure is grown on the substrate or the buffer layer, a compound semiconductor material such as Ga, N, In, or Al, or an additive material such as Mg, Si, or Zn is used. In addition, the columnar crystal structure is formed by adsorbing and binding the catalyst material layer such as Ni, Cu, Fe, Au, etc., and the compound semiconductor material and the additive material which are taken in by dissolving them and do not form a composite with itself. A compound seed crystal layer such as AlN to be grown is formed in advance on the substrate or the buffer layer.
したがって、前記柱状結晶構造体を短時間で成長させることができる。 Therefore, the columnar crystal structure can be grown in a short time.
また、本発明の照明装置は、前記の化合物半導体素子を用いることを特徴とする。 Also, the illumination device of the present invention is characterized by using the compound semiconductor device.
上記の構成によれば、発光素子の信頼性を向上することができるとともに、その発光素子の上部電極を容易に形成することができる照明装置を実現することができる。 According to said structure, while being able to improve the reliability of a light emitting element, the illuminating device which can form easily the upper electrode of the light emitting element is realizable.
本発明の化合物半導体素子およびその製造方法は、以上のように、基板またはバッファ層上に、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が多数成長されて成る化合物半導体素子およびその製造方法において、その柱状結晶構造体を成長させるにあたって、絶縁膜を形成し、それをパターニングして前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設し、その後、前記基板またはバッファ層および柱状結晶構造体の第1の導電型に対して、それらとは反対の第2の導電型を示す有機金属から成り、かつ透光性を有し、前記第2の導電型の電極に接続される封止部材を堆積させ、ベークすることで前記柱状結晶構造体を封止する。 As described above, the compound semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention include a compound semiconductor device in which a large number of nanoscale columnar crystal structures called nanocolumns or nanorods are grown on a substrate or a buffer layer, and In the manufacturing method, when growing the columnar crystal structure, an insulating film is formed and patterned to form an opening so that the substrate or buffer layer is exposed, and then the substrate or buffer layer and the columnar structure are formed. It is made of an organic metal having a second conductivity type opposite to the first conductivity type of the crystal structure, has translucency, and is connected to the electrode of the second conductivity type. The columnar crystal structure is sealed by depositing and baking a sealing member.
それゆえ、前記柱状結晶構造体の外周面と封止部材との間でpn接合を構成してその界面で発光を行わせる一方、第1の導電型である前記基板またはバッファ層と第2の導電型である封止部材との間は前記絶縁膜によって絶縁されており、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、上部電極は前記封止部材上に容易に形成することができる。 Therefore, a pn junction is formed between the outer peripheral surface of the columnar crystal structure and the sealing member to emit light at the interface, while the substrate or buffer layer of the first conductivity type and the second It is insulated from the conductive sealing member by the insulating film, and even if there is insufficient organic metal filling due to the spin coating, etc., it can prevent leaks and shorts, improving reliability can do. Further, the upper electrode can be easily formed on the sealing member.
さらにまた、本発明の化合物半導体素子は、以上のように、前記基板またはバッファ層と絶縁膜との間に、化合物半導体材料および添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないカタリスト材料層、または前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆく化合物種結晶層を有する。 Furthermore, the compound semiconductor element of the present invention, as described above, dissolves and takes in the compound semiconductor material and additive material between the substrate or the buffer layer and the insulating film, and Has a catalyst material layer that does not form a composite, or a compound seed crystal layer that grows into the columnar crystal structure by adsorbing and bonding the compound semiconductor material and the additive material.
それゆえ、前記柱状結晶構造体を短時間で成長させることができる。 Therefore, the columnar crystal structure can be grown in a short time.
また、前記柱状結晶構造体を同じ導電型を示すコア部とクラッド部とから成る同軸形状とし、それらのバンドギャップエネルギーの大きさを相互に異ならせるので、量子井戸(発光層)を形成することができ、発光効率を向上することができる。 Further, the pre-Symbol coaxial shape consisting of a core portion and a clad portion showing the same conductivity type columnar crystal structure, since the different size of their band gap energy from each other, to form a quantum well (light emitting layer) And the luminous efficiency can be improved.
さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の化合物半導体素子を用いる。 Furthermore, the illumination device of the present invention uses the compound semiconductor element as described above.
それゆえ、発光素子の信頼性を向上することができるとともに、その発光素子の上部電極を容易に形成することができる照明装置を実現することができる。 Therefore, it is possible to improve the reliability of the light emitting element and to realize an illumination device that can easily form the upper electrode of the light emitting element.
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の第1の形態に係る化合物半導体素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、ナノコラムの形成にあたっては、フォトリソグラフィが用いられるが、その形成方法は本方法に限定されるものではなく、たとえば電子ビーム露光などの方法を用いても良いことは言うまでもない。また、本実施の形態では、ナノコラムの成長は、有機金属気相成長(MOCVD)によって行うことを前提としているが、ナノコラムの成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー(MBE)やハイドライド気相成長(HVPE)法等を用いてもナノコラムが作製可能である。以下、特に断らない限り、本実施の形態では、MOCVD装置を用いるものとする。さらにまた、ナノコラム結晶としてはGaNで説明するが、それに限定されるものではなく、酸化物、酸窒化物、その他の材料についても当てはまることは言うまでもない。また、絶縁性基板としてサファイア、導電性基板としてSiを用いたが、それらに限定されるものではなく、SiC、SiO2、ZnO、AlN等を用いることもできる。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of a light-emitting diode which is a compound semiconductor element according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, photolithography is used to form the nanocolumns, but the formation method is not limited to this method, and it goes without saying that a method such as electron beam exposure may be used. In this embodiment, it is assumed that nanocolumn growth is performed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). However, the nanocolumn growth method is not limited to this, and molecular beam epitaxy (MBE). Nanocolumns can also be fabricated using hydride vapor phase epitaxy (HVPE) or the like. Hereinafter, unless otherwise specified, an MOCVD apparatus is used in this embodiment. Furthermore, although GaN will be described as a nanocolumn crystal, it is not limited thereto, and it goes without saying that oxides, oxynitrides, and other materials are also applicable. Further, although sapphire is used as the insulating substrate and Si is used as the conductive substrate, the invention is not limited thereto, and SiC, SiO 2 , ZnO, AlN, or the like can also be used.
先ず、図1(a)で示すように、絶縁性基板であるサファイア基板1上に、前記MOCVD装置を用いて、既存の方法により、n型電極引出しのためのバッファ層となるn型GaN層2を1μm成長させた後に、基板1を取出し、EB蒸着により、絶縁膜であるSiO2薄膜4を50nm蒸着する。その後、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、たとえば直径100nmの径で所定の位置に開口部5を形成する。
First, as shown in FIG. 1A, an n-type GaN layer serving as a buffer layer for extracting an n-type electrode is formed on an
これをMOCVD装置に入れて温度900℃に設定し、この温度を保持しながら、GaN結晶成長の成長ガスであるTMG(トリメチルガリウム)およびNH3(アンモニア)を供給するとともに、n型の不純物材料となるZnをドーピングするために、DEZn(ジエチルジンク)を供給すると、Ga,N,Znの材料は前記開口部5から露出したn型GaN層2を種結晶として、図1(b)で示すようにGaN:Znナノコラム6に成長する。一方、SiO2薄膜4上に吸着した前記Ga,N,Znの材料は、該SiO2薄膜4の表面に長くとどまることができず、表面から離脱し、該SiO2薄膜4上にはGaN単結晶は形成されない。こうして前記開口部5にのみGaN:Znナノコラム6が成長する。10分ほどこの状態を維持することにより、前記GaN:Znナノコラム6は、高さ100nm程度に成長する。前記Znは、10−17〜10−19程度の濃度が望ましい。
This is put in an MOCVD apparatus, set to a temperature of 900 ° C., and while maintaining this temperature, TMG (trimethylgallium) and NH 3 (ammonia), which are growth gases for GaN crystal growth, are supplied and an n-type impurity material When DEZn (diethyl zinc) is supplied in order to dope Zn, the materials of Ga, N, and Zn are shown in FIG. 1B using the n-
次に、有機金属PEDOT:PSS(poly 3,4-ethylenedioxythiopheneにpoly 4-styrenesulfonateをドープしたもの)を含む水溶液を回転数8000rpmで60秒スピンコートし、厚みを約100nm堆積させる。その後、ホットプレート上にて120℃で1時間ベークして水分を取り除くことで、図1(c)で示すようにp型層7を形成する。
Next, an aqueous solution containing organometallic PEDOT: PSS (poly 3,4-ethylenedioxythiophene doped with poly 4-styrenesulfonate) is spin-coated at a rotation speed of 8000 rpm for 60 seconds to deposit about 100 nm in thickness. Thereafter, the p-
続いて、図1(d)で示すように、スパッタ蒸着により透明導電層であるNi5nm/ITO25nm積層膜を形成してp型透明電極8とし、そのp型透明電極8上にNi30nm/Au500nm積層膜を蒸着して通常のリソグラフィとエッチングとにより部分的にp型電極パッド9を形成する。その後、通常のフォトリソグラフィ技術とRIEにより将来n型電極を形成する部分をエッチングしてn型GaN層2を露出させ、リフトオフ技術を用いてこの部分にTi30nm/Au500nmを積層、パターニングしてn型電極10を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1 (d), a
上述のようにして作製された発光ダイオードにおいて、GaN:Znナノコラム6は、SiO2薄膜4の開口部5内に密着して成長するので、前記n型電極10に接続されるn型GaN層2と、p型透明電極8に接続されるp型層7とは電気的に絶縁される。ここで、前記GaN:Znナノコラム6のエネルギーバンドギャップは2.6eVであり、その発光波長は約460nmである。一方、前記PEDOT:PSSは正孔のみを伝導させる性質を有する有機金属であり、そのエネルギーバンドギャップは3eVである。したがって、前記p型層7は、GaN:Znナノコラム6からの発光波長に対して透明であるとともに、エネルギーバンドギャップの違いにより、GaN:Znナノコラム6はキャリア再結合発光のための井戸層の役割をする。
In the light-emitting diode manufactured as described above, the GaN:
このように構成することで、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、p型透明電極8は封止部材であるp型層7上に容易に形成することができる。
With such a configuration, even if there is insufficient filling of the organic metal by spin coating or the like, leakage or short-circuit can be prevented and reliability can be improved. The p-type
また、開口部5、したがってGaN:Znナノコラム6の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、結晶欠陥の少ないナノコラムの利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。さらにまた、前記有機金属に波長変換を行う蛍光体を混ぜ込むようにしてもよい。こうして、白色光に適応した発光ダイオードを実現することができ、前述のように光取出し効率および配光性に優れる点と併せて、該発光ダイオードは照明装置に極めて好適である。
Further, the arrangement of the
なお、ナノコラム6を成長させるにあたって、Ga,N,In,Alなどの化合物半導体材料や、Mg,Si,Znなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないNi,Cu,Fe,Auなどのカタリスト材料層や、前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくAlNなどの化合物種結晶層を基板またはバッファ層上に予め形成しておくことで、ナノコラムを短時間で成長させることができる。
In growing the
また、ナノコラム6がp型層7で封止されるので、結晶成長に有利な前記サファイア基板1を用いて、レーザーリフトオフ法を用いてナノコラム6をサファイア基板1から切離し、別途n型電極を貼付けて、基板の厚み方向に電流を供給するようにしてもよい。
Further, since the
[実施の形態2]
図2は、本発明の実施の第2の形態に係る化合物半導体素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。この発光ダイオードは、前述の発光ダイオードに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、基板に導性基板であるSi基板11を用いることである。先ずそのSi基板11上に、図2(a)で示すように、MOCVDによって、低温のGaNアモルファス層12を2μm堆積し、さらにその上に高温のGaN単結晶層13を数百nm堆積する。これらのGaNアモルファス層12およびGaN単結晶層13は、後述のGaN:Siナノコラム15の成長のバッファ層となる。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of a light-emitting diode that is a compound semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. This light-emitting diode is similar to the above-described light-emitting diode, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted that in the present embodiment, the
次に、前記図1と同様に、EB蒸着により、絶縁膜であるSiO2薄膜4を50μm蒸着し、さらに通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、前記開口部5を形成する。その後、再びMOCVD装置に入れて温度900℃に設定し、前記TMG、NH3およびn型の不純物材料となるSiをドーピングするために、シラン(SiH4)を供給することで、図2(b)で示すようにGaN:Siナノコラム15を100nm成長させる。ここで、GaN:Siナノコラム15のエネルギーバンドギャップは3.4eVである。
Next, similarly to FIG. 1, the SiO 2 thin film 4 which is an insulating film is deposited by 50 μm by EB deposition, and the
また注目すべきは、本実施の形態では、前記GaN:Siナノコラム15をコア層として、その周囲に同じくMOCVD装置を用いて、前記シラン(SiH4)に代えて、Inドーピングするために、トリメチルインジウム(In(CH3)3)を供給することで、図2(c)で示すように、シェル状にInGaN層16を成長させることである。このInGaN層16の厚みは、3nm程度である。その後、さらにこのInGaN層16の外側に、再びSiドープのn型GaN層17を5nmの厚みでシェル状に成長させて、これをキャップ層とする。このキャップ層は、電子障壁層としての役割と、InGaN層16からp型層7へのInの拡散防止の役割とを果たす。これらのInGaN層16およびn型GaN層17を多層に形成することにより、多重量子井戸を形成することも可能である。
It should also be noted that in the present embodiment, trimethyl trimethyl trioxide is used for In doping instead of the silane (SiH 4 ) using the GaN:
次に、前記図1と同様に、有機金属PEDOT:PSSを含む水溶液をスピンコートし、厚みを約100nm堆積させ、ベークして水分を取り除くことで、図1(d)で示すように前記p型層7を形成する。続いて、前記図1と同様に、スパッタ蒸着により透明導電層であるNi5nm/ITO25nm積層膜を形成してp型透明電極8とし、そのp型透明電極8上にNi30nm/Au500nm積層膜を蒸着して通常のリソグラフィとエッチングとにより部分的にp型電極パッド9を形成する。その後、本実施の形態では、Si基板11の裏面に、Ti30nm/Au500nmを蒸着してn型電極18を形成する。前記Si基板11は、事前にPドープにより充分な導電性を有するようにしておくことができるので、この裏面のn型電極18はコア層のGaN:Siナノコラム15と電気的に導通をとることができる。
Next, as in FIG. 1, the aqueous solution containing the organometallic PEDOT: PSS is spin-coated, deposited to a thickness of about 100 nm, baked to remove moisture, and the p is removed as shown in FIG. A
上述のようにして作製された発光ダイオードにおいて、GaN:Siナノコラム15は、SiO2薄膜4の開口部5内に密着して成長するので、前記n型電極18に接続されるGaN単結晶層13と、p型透明電極8に接続されるp型層7とは電気的に絶縁される。ここで、前記InGaN層16のエネルギーバンドギャップは2.6eV、発光波長は約460nmであり、前述のとおりPEDOT:PSSのエネルギーバンドギャップは3eVである。したがって、前記p型層7は、InGaN層16からの発光波長に対して透明であるとともに、エネルギーバンドギャップの違いにより、InGaN層16はキャリア再結合発光のための井戸層の役割をする。
In the light-emitting diode manufactured as described above, the GaN:
このように構成してもまた、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、p型透明電極8は封止部材であるp型層7上に容易に形成することができる。さらにまた、導電性基板を用いることで直列抵抗を減少し、より大電流、高出力のナノコラムLEDを実現することができる。
Even in such a configuration, even if the organic metal is insufficiently filled by the spin coating or the like, leakage or short-circuit can be prevented, and reliability can be improved. The p-type
ここで、n型コア層となるGaN:Siナノコラム15は、電子、正孔を蓄積する量子井戸の機能を有しており、電子、正孔をこの量子井戸に蓄えることにより、ここでの再結合の確率を上げ、高効率発光デバイスを実現できる。また、このn型コア層のバンドギャップ幅を変えることにより、所望の波長の光を取り出すことができる。n型コア層とn型シェル層となるInGaN層16とのバンドギャップの大小関係については、一概にどちらが良いとは言えず、n型コア層バンドギャップ幅Eg(core)<n型シェル層バンドギャップ幅Eg(shell)であれば、キャリア閉じ込めに優れ、発光再結合効率を向上させるという利点がある一方、正孔の伝導についてはバリアになり、直列寄生抵抗が大きくなるという欠点も有する。いずれにせよ、Eg(core)とEg(shell)との大きさが異なるものを用い、かつ前記のトレードオフを最適化することにより、n型コア層のみのナノコラムLEDよりも発光効率の高いナノコラムLEDを実現することができる。
Here, the GaN:
また好ましくは、遮光性のSi基板11を用いるので、前記SiO2薄膜4上に、ロジウムなどのMOCVDによるナノコラム成長時の高温に耐えられる反射膜を形成しておくことで、前記InGaN層16から側方に放射された光が前記Si基板11に吸収されることを防止することができる。前記ロジウムによる反射膜には、下層のSiO2薄膜4と一括して、ドライエッチングによって開口部5を形成することができる。
Preferably, since a light-shielding
なお、GaN:Siナノコラム15の先端で、直接p型層7と接触するけれども、pn接合で、この部分でも僅かに発光を生じ、大きな短絡電流が流れることはない。
Note that although the tip of the GaN:
[実施の形態3]
図3は、本発明の実施の第3の形態に係る化合物半導体素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。この発光ダイオードは、前述の図2で示す発光ダイオードに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、導性基板であるSi基板21上に、前述の図2と同様に、図3(a)で示すように、GaNアモルファス層12、GaN単結晶層13、SiO2薄膜4および開口部5を形成した後、MOCVD装置において、温度900℃に設定し、前記TMG、NH3と共に、p型の不純物材料となるMgをドーピングするために、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を供給することである。これによって、図3(b)で示すように、GaN:Mgナノコラム25を100nm成長させる。ここで、GaN:Mgナノコラム25のエネルギーバンドギャップも、3.4eVである。
[Embodiment 3]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of a light-emitting diode which is a compound semiconductor element according to the third embodiment of the present invention. This light-emitting diode is similar to the light-emitting diode shown in FIG. 2 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. It should be noted that in this embodiment, as shown in FIG. 3A, the GaN
その後、前記GaN:Mgナノコラム25をコア層として、その周囲に同じくMOCVD装置を用いて、前記シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)に代えて、Inドーピングするために、トリメチルインジウム(In(CH3)3)を供給することで、図3(c)で示すように、シェル状に前記InGaN層16を成長させる。このInGaN層16の厚みは、3nm程度である。その後、さらにこのInGaN層16の外側に、再びMgドープのp型GaN層26を5nmの厚みでシェル状に成長させて、これをキャップ層とする。このキャップ層は、電子障壁層としての役割と、InGaN層16から後述のn型層27へのInの拡散防止の役割とを果たす。これらのInGaN層16およびp型GaN層26を多層に形成することにより、多重量子井戸を形成することも可能である。
Then, using the GaN: Mg nanocolumn 25 as a core layer and using the same MOCVD apparatus, trimethylindium (In (CH) is used for In doping instead of the cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg). 3 ) By supplying 3 ), the
続いて、注目すべきは、p型のコア層に対応して、前記試料をMBE装置にセットし、有機物Alq3(Tris(8-hydroxyquinoline)にAlをドープしたもの)を真空(10−6Torr)中で、Kセル温度350℃で100分加熱蒸発させることで、前記試料上に厚み約100nmのAlq3を堆積させることである。この有機物Alq3は電子のみを伝導させる性質を有する有機金属であり、これがナノコラムLEDの前記n型層27を形成する。Alq3のエネルギーバンドギャップは2.5−2.7eVであり、前記InGaN層16からの発光波長に対して透明である。またこのエネルギーバンドギャップの違いにより、InGaN層16はキャリア再結合発光のための井戸層の役割をする。このような電子のみを伝導させる有機物としては、他にAnthraceneがあり、このエネルギーバンドギャップは3.9eVであり、より広い波長領域に亘って透明である。
Subsequently, it should be noted that the sample is set in an MBE apparatus corresponding to the p-type core layer, and the organic substance Alq 3 (Tris (8-hydroxyquinoline) doped with Al) is vacuumed (10 −6 ). In Torr), Alq 3 having a thickness of about 100 nm is deposited on the sample by heating and evaporation at a K cell temperature of 350 ° C. for 100 minutes. This organic substance Alq 3 is an organic metal having a property of conducting only electrons, and forms the n-
その後、スパッタ蒸着により透明導電層であるITO膜を25nm形成してn型透明電極28とし、そのn型透明電極28上にボンディングパッドとしてTi30nm/Au500nm積層膜を蒸着して、通常のリソグラフィとエッチングにより部分的にn型電極パッド29を形成する。さらに、前記Si基板21の裏面に、Ti30nm/Au500nmを蒸着してp型電極30を形成する。前記Si基板21は、事前にBドープにより充分な導電性を有するようにしておくことができるので、この裏面のp型電極30はコア層のGaN:Mgナノコラム25と電気的に導通をとることができる。
Thereafter, an ITO film, which is a transparent conductive layer, is formed by sputtering deposition to a thickness of 25 nm to form an n-type
このようにして、p型コア層およびp型シェル層を用いたナノコラムLEDを作製することができる。p型コア層およびp型シェル層を用いた場合、量子井戸の多数キャリアが正孔となり、通常、発光再結合で正孔が供給律速となる課題を解決することができ、さらに発光効率の高いナノコラムLEDを実現することができる。 In this way, a nanocolumn LED using a p-type core layer and a p-type shell layer can be produced. When the p-type core layer and the p-type shell layer are used, the majority carrier of the quantum well becomes a hole, and the problem that the hole is normally limited by supply of light by recombination of light emission can be solved. A nanocolumn LED can be realized.
1 サファイア基板
2 n型GaN層
4 SiO2薄膜
5 開口部
6 GaN:Znナノコラム
7 p型層
8 p型透明電極
9 p型電極パッド
10,18 n型電極
11,21 Si基板
12 GaNアモルファス層
13 GaN単結晶層
15 GaN:Siナノコラム
16 InGaN層
17 n型GaN層
25 GaN:Mgナノコラム
26 p型GaN層
27 n型層
28 n型透明電極
29 n型電極パッド
30 p型電極
1 sapphire substrate 2 n-type GaN layer 4 SiO 2
Claims (4)
第1の導電型の電極に接続される前記基板またはバッファ層上に形成され、該柱状結晶構造体が成長してゆくための開口が穿設された絶縁膜と、
透光性を有し、かつ前記第1の導電型とは反対の第2の導電型を示す有機金属から成り、第2の導電型の電極に接続され、前記柱状結晶構造体を封止する封止部材とを含み、
前記柱状結晶構造体は、前記第1の導電型を示すコア部と、前記コア部を取り囲み、前記第1の導電型を示すシェル部とを有する同軸形状に形成され、それらのバンドギャップエネルギーの大きさが相互に異なることを特徴とする化合物半導体素子。 In a compound semiconductor device having a plurality of nanoscale columnar crystal structures on a substrate or a buffer layer,
An insulating film formed on the substrate or buffer layer connected to the electrode of the first conductivity type and having an opening for the growth of the columnar crystal structure;
It is made of an organic metal having translucency and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and is connected to an electrode of the second conductivity type to seal the columnar crystal structure. look including a sealing member,
The columnar crystal structure is formed in a coaxial shape having a core portion showing the first conductivity type and a shell portion surrounding the core portion and showing the first conductivity type, and the band gap energy A compound semiconductor device having different sizes .
第1の導電型の電極に接続されることになる前記基板またはバッファ層上に、絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に前記絶縁膜をパターニングして、前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設する工程と、
前記開口内で露出した前記基板またはバッファ層から、前記第1の導電型で前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程と、
透光性を有し、かつ前記第1の導電型とは反対の第2の導電型を示す有機金属から成り、第2の導電型の電極に接続されることになる封止部材で前記柱状結晶構造体を封止する工程とを含み、
前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程は、前記第1の導電型を示すコア部を成長させる工程と、前記コア部と相互に異なる大きさのバンドギャップエネルギーを有し、前記コア部を取り囲む同軸形状に、前記第1の導電型を示すシェル部を成長させる工程とを有することを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。 In a method for producing a compound semiconductor device having a plurality of nanoscale columnar crystal structures on a substrate or a buffer layer,
An insulating film is formed on the substrate or buffer layer to be connected to the electrode of the first conductivity type, and corresponds to a column diameter to be grown at an arrangement position where the columnar crystal structure is to be grown. Patterning the insulating film into a shape and forming an opening so that the substrate or buffer layer is exposed;
Crystal growth of the columnar crystal structure with the first conductivity type from the substrate or buffer layer exposed in the opening;
The columnar sealing member is made of an organic metal having translucency and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and is connected to an electrode of the second conductivity type. look including a step of sealing the crystal structure,
The step of crystal-growing the columnar crystal structure has a step of growing a core portion showing the first conductivity type and a band gap energy having a magnitude different from that of the core portion, and surrounds the core portion. And a step of growing a shell portion having the first conductivity type in a coaxial shape .
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