JP5115925B2 - Microcrystalline nitride semiconductor optical / electronic devices with controlled crystal orientation and facets - Google Patents

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Description

本発明は、多結晶・微結晶構造からなる半導体電子素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor electronic device having a polycrystalline / microcrystalline structure.

半導体電子素子とは、pn接合またはpinなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード(以下、「LED」という。)や太陽電池や光センサなどの受光素子、ディスプレイなどに用いる電子放出素子などの光や電子を放出・吸収する半導体素子をいう。   The semiconductor electronic device is a light emitting diode (hereinafter referred to as “LED”) having a double heterojunction such as a pn junction or a pin, a light receiving device such as a solar cell or a photosensor, an electron emitting device used for a display, etc. A semiconductor element that emits and absorbs.

近年、窒化物半導体を用いた紫外、青、緑色発光ダイオードや蛍光体を組み合わせた白色発光ダイオードは既に実用化されている。   In recent years, ultraviolet, blue, and green light emitting diodes using nitride semiconductors and white light emitting diodes that combine phosphors have already been put into practical use.

中でも白色発光ダイオードは、現在の蛍光灯に代わる第4の照明として着目されており、発光効率などの特性は近年蛍光灯と同等もしくはそれ以上(>150lm/W)という報告もあり目覚しい進展をみせている。   In particular, white light emitting diodes are attracting attention as the fourth lighting alternative to current fluorescent lamps. In recent years, there have been reports that characteristics such as luminous efficiency are equal to or higher than fluorescent lamps (> 150lm / W). ing.

白色発光ダイオードの市場は今後大きく発展し、2015年には6500億円にものぼると予想されている。これらのことを考慮した場合、現在の窒化物系発光ダイオードのコストダウンは非常に重要な課題である。またディプレイなどへの応用も考えるとより大きな基板上に作製することが重要である。現在の窒化物半導体発光ダイオードは、サファイア基板上に成長しており、この基板の価格は2インチサイズで約1万円前後であり、またサファイア基板の大面積化は難しく、これらの問題が価格や応用面での問題となっている。   The market for white light emitting diodes is expected to grow significantly in 2015, and is expected to reach 650 billion yen in 2015. Considering these points, cost reduction of the current nitride-based light emitting diode is a very important issue. It is also important to fabricate on a larger substrate when considering application to displays and the like. The current nitride semiconductor light-emitting diodes are grown on a sapphire substrate, and the price of this substrate is about 10,000 yen for a 2-inch size, and it is difficult to increase the area of the sapphire substrate. And application problems.

これらの問題を解決する手法の一つとして、より安価で大面積化が容易なガラス基板などのアモルファス基板や多結晶窒化物半導体基板の使用が考えられる。事実、下記の特許文献にはサファイア単結晶基板に代わる大面積・安価な基板として多結晶・アモルファス基板を用いた窒化物半導体光デバイスに関する技術が開示されている。   As one of methods for solving these problems, it is conceivable to use an amorphous substrate such as a glass substrate and a polycrystalline nitride semiconductor substrate which are cheaper and can easily be enlarged. In fact, the following patent document discloses a technique related to a nitride semiconductor optical device using a polycrystalline / amorphous substrate as a large-area and inexpensive substrate instead of a sapphire single crystal substrate.

特開2000-133841号公報JP 2000-133841 A

特許文献1の技術では、石英基板上に多結晶窒化ガリウム(以後GaN)発光ダイオードを作製している。しかし、この多結晶発光ダイオードの発光強度は単結晶発光ダイオードに比べて100倍弱いと報告されている。   In the technique of Patent Document 1, a polycrystalline gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) light emitting diode is manufactured on a quartz substrate. However, it has been reported that the emission intensity of this polycrystalline light emitting diode is 100 times weaker than that of a single crystal light emitting diode.

このような多結晶発光ダイオードにおける特性悪化の主要因は単結晶との結晶品質の違いにある。特許文献1では、低温GaN緩和層を堆積するなどの工夫をし、可能な限り単結晶発光ダイオードに近い構造や特性を得ることを試みている。しかし、通常、多結晶構造では単結晶に比べ結晶粒界が格段に多いため、この粒界に存在する転位などの欠陥が非発光センターとなり、発光効率が大幅に低減してしまう。   The main cause of the characteristic deterioration in such a polycrystalline light emitting diode is a difference in crystal quality from the single crystal. In Patent Document 1, a device such as depositing a low-temperature GaN relaxation layer is devised to try to obtain a structure and characteristics as close as possible to a single crystal light emitting diode. However, since a polycrystalline structure usually has a larger number of crystal grain boundaries than a single crystal, defects such as dislocations present at the grain boundaries become non-light emitting centers, and the luminous efficiency is greatly reduced.

またこのような理由から、従来の多結晶基板上の発光ダイオードではコストを抑えることができても効率が悪く、低コストで且つ高効率な多結晶発光ダイオードの実現は非常に困難である。   For these reasons, a conventional light emitting diode on a polycrystalline substrate is inefficient even if the cost can be reduced, and it is very difficult to realize a low cost and highly efficient polycrystalline light emitting diode.

つまり、多結晶構造を基体とする高効率発光ダイオードなどの光素子を実現するには、結晶粒界で起きる非発光再結合を低減し、高効率化を実現しなければならない。そのためには、単にアモルファス基板や多結晶基板上に単結晶上の素子構造と類似した構造を作りこむのではなく、多結晶構造の特性を活かした新しい素子構造やその成長手法の開発が必要不可欠である。   That is, in order to realize an optical element such as a high-efficiency light-emitting diode based on a polycrystalline structure, it is necessary to reduce non-radiative recombination that occurs at a crystal grain boundary and achieve high efficiency. For that purpose, it is indispensable to develop a new device structure and its growth method that make use of the characteristics of the polycrystalline structure, rather than simply creating a structure similar to the device structure on a single crystal on an amorphous substrate or a polycrystalline substrate. It is.

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、安価で大面積化が容易な多結晶窒化物半導体基板を用いて、新規高効率光素子構造とその作製手法を提供することにある。   In view of the circumstances described above, an object of the present invention is to provide a novel high-efficiency optical device structure and a method for manufacturing the same using a polycrystalline nitride semiconductor substrate that is inexpensive and easy to increase in area.

本発明は、それぞれ異なる結晶面(ファセット)を有する結晶粒から成る多結晶もしくは微結晶窒化物半導体(以後単に多結晶窒化物半導体)を基体としており、各結晶粒のファセットがランダムになることを利用した、もしくはその構造を制御することを特徴とした半導体電子素子である。   The present invention is based on a polycrystalline or microcrystalline nitride semiconductor (hereinafter simply referred to as polycrystalline nitride semiconductor) composed of crystal grains having different crystal faces (facets), and the facets of each crystal grain are random. It is a semiconductor electronic device that is used or whose structure is controlled.

ここで述べる多結晶窒化物半導体は、半導体内に含まれる各結晶粒の平均直径が、GaN結晶における少数キャリアの拡散長(数十nm)よりも十分長い1mm以上であることを特徴とする。例えば、電子・光学顕微鏡の100mm2以上の像において、2つ以上の結晶方位の異なる結晶粒・微結晶から形成され、かつ各結晶粒・微結晶の面積の標準偏差が少なくても1mm2以上であることを特徴とする多結晶窒化物半導体を意味する。 The polycrystalline nitride semiconductor described here is characterized in that the average diameter of each crystal grain contained in the semiconductor is 1 mm or longer, which is sufficiently longer than the minority carrier diffusion length (several tens of nm) in the GaN crystal. For example, in an image of 100 mm 2 or more of an electron / optical microscope, it is formed from two or more crystal grains / microcrystals having different crystal orientations, and the standard deviation of the area of each crystal grain / microcrystal is at least 1 mm 2 or more. It means a polycrystalline nitride semiconductor characterized by

各微結晶もしくはその結晶粒の結晶軸配向、ファセットの形状、サイズ、混晶組成を制御し、異なった結晶面上での異なった結晶作製プロセスを同時進行させることにより、結晶面ごとの特性の違いを利用した白色を含む発光波長制御が可能な半導体光素子である。   By controlling the crystal axis orientation, facet shape, size, and mixed crystal composition of each crystallite or its crystal grains, and simultaneously proceeding with different crystal production processes on different crystal faces, the characteristics of each crystal face can be adjusted. This is a semiconductor optical device capable of controlling the emission wavelength including white using the difference.

InGaNやAlGaN混晶を用いてこれらの多結晶・微結晶半導体を形成すれば、各結晶粒ごとの混晶成長過程の違いから層厚や混晶組成が不均一性を示すことを利用し、蛍光体などを必要としない新しい白色光源としての応用が可能な半導体光素子が形成可能であり、まったく新しい安価・簡易な手法で白色光デバイスの形成が可能となる。   If these polycrystalline and microcrystalline semiconductors are formed using InGaN or AlGaN mixed crystals, the layer thickness and mixed crystal composition show non-uniformity due to the difference in the mixed crystal growth process for each crystal grain, A semiconductor optical element that can be applied as a new white light source that does not require a phosphor or the like can be formed, and a white light device can be formed by a completely new inexpensive and simple method.

多結晶窒化物半導体は、X線回折測定の2θ/θスキャンにおいて2つ以上の異なる結晶面方位からの回折が見られることを特徴とする半導体電子素子である。   A polycrystalline nitride semiconductor is a semiconductor electronic device characterized by diffracting from two or more different crystal plane orientations in a 2θ / θ scan of X-ray diffraction measurement.

多結晶窒化物半導体素子の基板材料としては紫外・可視・近赤外波長領域で透明な低コスト多結晶材料を好適とするが、単結晶基板やさらに安価な非晶質基板など、いかなる材料も利用可能であり、多結晶基板に限るものではない。   As a substrate material for a polycrystalline nitride semiconductor element, a low-cost polycrystalline material that is transparent in the ultraviolet, visible, and near-infrared wavelength region is suitable, but any material such as a single crystal substrate or a cheaper amorphous substrate can be used. It can be used and is not limited to a polycrystalline substrate.

本発明の一手段に係る多結晶窒化物半導体光素子は、上記の特徴を有する多結晶構造を基体とし、第1の量子井戸構造を含む活性層と、更に、この活性層を挟んで形成される第2のn型半導体クラッド層と、第3のp型クラッド層、それぞれに接続される一対のコンタクト層と、そのコンタクト層のそれぞれに接続される第一の電極及び第二の電極と、を有することも好ましい。   A polycrystalline nitride semiconductor optical device according to one means of the present invention is formed by using a polycrystalline structure having the above characteristics as a base, an active layer including a first quantum well structure, and further sandwiching the active layer. A second n-type semiconductor clad layer, a third p-type clad layer, a pair of contact layers connected to each, a first electrode and a second electrode connected to each of the contact layers, It is also preferable to have

また上記各手段において、第1多結晶半導体層はInxGa1-xN(0<x<1)、もしくはAlyGa1-z-yInzN(0<y<1、0<z<1)の式で表される多結晶窒化物半導体で形成される。   In each of the above means, the first polycrystalline semiconductor layer is expressed by the formula InxGa1-xN (0 <x <1) or AlyGa1-z-yInzN (0 <y <1, 0 <z <1). It is formed of a crystalline nitride semiconductor.

第2のn型クラッド層は、多結晶活性層に電子キャリアを注入・閉じ込めるために形成される層であり、限定されるわけではないが例えばGaN、InGaN混晶又はAlGaN混晶多結晶にSi等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。   The second n-type cladding layer is a layer formed for injecting and confining electron carriers in the polycrystalline active layer, and is not limited to, for example, GaN, InGaN mixed crystal or AlGaN mixed crystal polycrystalline Si. A layer in which, for example, impurities are implanted can be preferably used.

第3のp型クラッド層は、多結晶活性層に正孔キャリアを注入・閉じ込めるために形成される層であり、限定されるわけではないが例えばGaN、InGaN混晶又はAlGaN混晶多結晶にMg等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。   The third p-type cladding layer is a layer formed for injecting and confining hole carriers in the polycrystalline active layer, and is not limited to, for example, GaN, InGaN mixed crystal or AlGaN mixed crystal polycrystalline. A layer in which Mg or the like is implanted as an impurity can be preferably used.

以上、本発明により、新規な多結晶半導体光素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a novel polycrystalline semiconductor optical device can be provided.

本発明者らは、安価で大面積化が容易な多結晶半導体を用い、更にそれぞれ異なる結晶面を積極的に利用することで多結晶独自の特徴を活かした新しい光電子素子が開発できる点に想到し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present invention have come up with the idea that new optoelectronic devices can be developed that make use of the unique features of polycrystalline materials by using polycrystalline semiconductors that are inexpensive and easy to increase in area, and by actively using different crystal planes. Thus, the present invention has been completed.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は多くの異なる実施の形態、実施例として表すことができ、本実施形態、実施例に狭く限定されることがないのはいうまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention can be expressed as many different embodiments and examples, and needless to say, the present invention is not limited to the embodiments and examples.

(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る窒化物多結晶半導体の表面電子顕微鏡像(SEM:40×30mm2イメージ)である。同時に後方電子回折像(EBSP)により得た各結晶粒の結晶方位解析結果も示す。SEMとEBSPの結果を比較することにより、本実施形態に係る多結晶半導体が様々な結晶方位を持つ多結晶体であり、各結晶粒内では結晶方位が揃っており、結晶粒一つ一つの結晶品質は比較的高いと考えられる。この多結晶は比較的大きい結晶粒(この場合の平均結晶粒面積の標準偏差は40mm2)を持ち、GaN結晶における少数キャリアの拡散長(数十nm)よりもこの結晶粒面積が十分に大きいので結晶粒界の影響が小さく、それぞれランダムに配向した結晶粒から高効率発光が得られる可能性が高い。現在まで報告されている多結晶半導体研究のほとんどは、いかに単結晶半導体の結晶性に近づけるかという考えで研究が進められていたが、本発明では多結晶・微結晶構造のランダムな結晶配向性を積極的に利用するところに特徴がある。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a surface electron microscope image (SEM: 40 × 30 mm 2 image) of a nitride polycrystalline semiconductor according to the present embodiment. At the same time, the results of crystal orientation analysis of each crystal grain obtained by back electron diffraction image (EBSP) are also shown. By comparing the results of SEM and EBSP, the polycrystalline semiconductor according to the present embodiment is a polycrystalline body having various crystal orientations, and the crystal orientations are aligned within each crystal grain. The crystal quality is considered to be relatively high. This polycrystal has a relatively large crystal grain (the standard deviation of the average grain area in this case is 40 mm 2 ), and this crystal grain area is sufficiently larger than the minority carrier diffusion length (several tens nm) in the GaN crystal Therefore, the influence of the crystal grain boundary is small, and there is a high possibility that high-efficiency light emission can be obtained from the randomly oriented crystal grains. Most of the researches on polycrystalline semiconductors reported to date have been based on the idea of how close to the crystallinity of single crystal semiconductors, but in the present invention, random crystal orientation of polycrystalline / microcrystalline structures It is characterized by actively using.

図2は本実施形態に係る多結晶発光ダイオード(LED)構造の概略図である。本実施形態に係るLEDは、基板1、低温緩和層2、n型コンタクト層3、n型クラッド層4、活性層5、p型クラッド層6、p型コンタクト層7を順に積層して構成されている。またn型コンタクト層3上には第一の電極8が、p型コンタクト層7上には第二の電極9が形成されており、第一と第二の電極の間に電圧を印加することで活性層5に正孔及び電子を注入し、発光させることが可能である。   FIG. 2 is a schematic view of a polycrystalline light emitting diode (LED) structure according to this embodiment. The LED according to this embodiment includes a substrate 1, a low-temperature relaxation layer 2, an n-type contact layer 3, an n-type cladding layer 4, an active layer 5, a p-type cladding layer 6, and a p-type contact layer 7 stacked in this order. ing. A first electrode 8 is formed on the n-type contact layer 3, and a second electrode 9 is formed on the p-type contact layer 7. A voltage is applied between the first and second electrodes. Thus, holes and electrons can be injected into the active layer 5 to emit light.

基板1は、この上部に形成されるGaN等の各多結晶層を成長させるために用いられるものであり、またGaN結晶における少数キャリアの拡散長(数十nm)よりも十分大きい結晶粒面積を持つ多結晶層を成長させるために用いられるものである。限定されるわけではないが例えばAlNやGaN多結晶窒化物半導体基板やサファイア基板やSiC基板、ガラスなどのアモルファス基板、金属基板を基板に用いることができる。ここで、十分に大きい結晶粒を持つ多結晶層とは、例えば電子顕微鏡、光学顕微鏡像(100mm2以上のサイズ)において、2つ以上の結晶方位の異なる結晶粒・微結晶から形成され、各結晶粒・微結晶の面積の標準偏差が少なくても1mm2以上であることを特徴とする。 The substrate 1 is used for growing each polycrystalline layer such as GaN formed thereon, and has a crystal grain area sufficiently larger than the minority carrier diffusion length (several tens of nm) in the GaN crystal. It is used for growing a polycrystalline layer. Although not limited, for example, an AlN or GaN polycrystalline nitride semiconductor substrate, a sapphire substrate, a SiC substrate, an amorphous substrate such as glass, or a metal substrate can be used as the substrate. Here, the polycrystalline layer having sufficiently large crystal grains is formed of, for example, two or more crystal grains / microcrystals having different crystal orientations in an electron microscope and an optical microscope image (size of 100 mm 2 or more), The standard deviation of the area of crystal grains / microcrystals is at least 1 mm 2 or more.

低温緩和層2は、基板1上に成長する多結晶層の被覆率や平坦性向上させるための層であり、また上記結晶粒径を持つ多結晶層を成長するための層であり、限定されるわけではないがGaN多結晶やAlGaN混晶、InGaN混晶低温緩和層を好適に用いることができる。   The low-temperature relaxation layer 2 is a layer for improving the coverage and flatness of the polycrystalline layer grown on the substrate 1, and is a layer for growing the polycrystalline layer having the above crystal grain size. Although not necessarily, a GaN polycrystal, an AlGaN mixed crystal, or an InGaN mixed crystal low-temperature relaxation layer can be suitably used.

また低温緩和層2は、膜の被覆とその後の結晶化・結晶粒の増大のために用いることもできる。例えば、本実施例において基板1として、ガラスなどのアモルファス基板も用いることができるが、この場合まず低温緩和層を堆積後、基板温度を適切な温度に上昇することによって結晶化させ、結晶粒を大きくし、面積1mm2以上の複数の結晶粒を持つ多結晶構造の成長が可能となる。 The low-temperature relaxation layer 2 can also be used for film coating and subsequent crystallization / crystal grain increase. For example, an amorphous substrate such as glass can be used as the substrate 1 in this embodiment. In this case, first, after depositing a low-temperature relaxation layer, the substrate temperature is raised to an appropriate temperature to crystallize the crystal grains. It is possible to grow a polycrystalline structure having a plurality of crystal grains with an area of 1 mm 2 or larger.

n型コンタクト層3は、n型クラッド層4との導通を図るために形成される層であり、限定されるわけではないが例えばGaN多結晶、InGaN混晶又はAlGaN混晶多結晶にSi等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。   The n-type contact layer 3 is a layer formed for electrical connection with the n-type clad layer 4, and is not limited to, for example, GaN polycrystal, InGaN mixed crystal, AlGaN mixed crystal polycrystal, Si, etc. A layer in which is implanted as an impurity can be preferably used.

n型クラッド層4は、電子を活性層5に注入するためのものであって、限定されるわけではないが例えばGaN多結晶、AlGaN混晶やInGaN混晶多結晶にSi等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。   The n-type cladding layer 4 is for injecting electrons into the active layer 5 and is not limited to, for example, implanting Si or the like as an impurity into GaN polycrystal, AlGaN mixed crystal or InGaN mixed crystal polycrystal. The layer thus obtained can be suitably used.

活性層5は、基板1、コンタクト層2、クラッド層3上に形成されるため、ランダムに配向した多結晶窒化物半導体構造から成る。今まで報告されている多結晶半導体素子では、この多結晶構造を可能な限り単結晶構造に近づける努力が主流であったが、本実施形態では、このランダムに配向した結晶粒を積極的に利用することで新しい機能の発現が可能であることを示す。例えば“K. Nisizuka et. al.,
Appl. Phys. Lett., 85, 3122(2004)”ではInGaN混晶を活性層に用いた量子井戸構造において、そのIn組成やInGaN井戸層厚が下地層の結晶方位によって大きくことなり、360-450nm付近から異なる発光波長の光が検出されている。これらの発光は(0001)、(11-22)、(11-20)面からの発光であり、結晶方位ごとにInの組成やInGaN混晶の組成が異なるためだと考えられる。つまり様々な結晶方位を作りだし、InGaN混晶を成長すればIn組成もランダムに制御できる可能性がある。 これらの手法を利用すれば、現在の紫外LEDに蛍光体を用いて作製される白色LEDとは根本的に異なる手法で、まったく新しい白色LEDの実現が可能となる。
Since the active layer 5 is formed on the substrate 1, the contact layer 2, and the clad layer 3, it has a randomly oriented polycrystalline nitride semiconductor structure. In the polycrystalline semiconductor devices reported so far, efforts have been made to make the polycrystalline structure as close as possible to the single crystal structure, but in this embodiment, the randomly oriented crystal grains are actively used. This indicates that new functions can be expressed. For example, “K. Nisizuka et. Al.,
Appl. Phys. Lett., 85, 3122 (2004) ”, in the quantum well structure using InGaN mixed crystal as the active layer, its In composition and InGaN well layer thickness depend on the crystal orientation of the underlying layer. Light with different emission wavelengths is detected from around 450 nm, which is emitted from the (0001), (11-22), and (11-20) planes, and contains In composition and InGaN for each crystal orientation. This is probably because the crystal composition is different, that is, if various crystal orientations are created and an InGaN mixed crystal is grown, the In composition may be controlled at random. In this way, a completely new white LED can be realized by a fundamentally different method from white LEDs manufactured using phosphors.

しかし、上記文献記載の技術では、単結晶サファイア上に成長を行っており、LED構造自体も単結晶であるため、特殊な加工を施さない限り、多様な結晶方位をもつ単結晶構造を実現するのは困難であり、従来の蛍光体+紫外LEDを基体とした白色LEDよりもコストの面で大幅に上回ってしまう。本実施形態では、元々多結晶半導体を基体としているため、ランダムな結晶方位を有する活性層の形成が容易である。またサファイアなどの高価な基板を用いずに作製ができるため、コストの面で従来の白色LEDよりも断然に優れている。   However, in the technique described in the above document, the growth is performed on single crystal sapphire, and the LED structure itself is also a single crystal. Therefore, unless special processing is performed, single crystal structures having various crystal orientations are realized. This is difficult, and the cost is much higher than the white LED based on the conventional phosphor + ultraviolet LED. In this embodiment, since a polycrystalline semiconductor is originally used as a base, it is easy to form an active layer having a random crystal orientation. Moreover, since it can be produced without using an expensive substrate such as sapphire, it is far superior to the conventional white LED in terms of cost.

本実施形態に係る活性層5は、例えばInGaN混晶多結晶からなり、ランダムに配向した結晶粒ごとにIn組成の取り込み過程やInGaN混晶の成長速度が異なるため、結晶粒ごとに異なる発光波長を持つと考えられる。これらの配向性や各InGaN多結晶粒のIn組成のランダム性を積極的に利用、制御することで蛍光体を用いないまったく新しい白色LED構造の実現が期待できる。   The active layer 5 according to the present embodiment is made of, for example, InGaN mixed crystal polycrystal, and the In composition incorporation process and the growth rate of the InGaN mixed crystal are different for each randomly oriented crystal grain. It is thought to have. By actively utilizing and controlling these orientations and the randomness of the In composition of each InGaN polycrystalline grain, we can expect a completely new white LED structure that does not use phosphors.

p型クラッド層6は、正孔を多結晶活性層5に注入するために用いられるものであり、この層としては、限定されるわけではないが例えばGaN多結晶又はAlGaN混晶、InGaN混晶多結晶にMg等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。   The p-type cladding layer 6 is used for injecting holes into the polycrystalline active layer 5, and this layer is not limited to, for example, GaN polycrystalline or AlGaN mixed crystal, InGaN mixed crystal. A layer in which Mg or the like is implanted as an impurity in the polycrystal can be preferably used.

p型コンタクト層7は、正孔を活性層5に注入するために用いられるものであって、限定されるわけではないが例えばGaN多結晶やInGaN混晶、AlGaN混晶多結晶にMg等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。   The p-type contact layer 7 is used for injecting holes into the active layer 5, and is not limited to, for example, GaN polycrystal, InGaN mixed crystal, AlGaN mixed crystal polycrystalline material such as Mg. A layer implanted as an impurity can be preferably used.

第一の電極8は、活性層5に電子を注入させるために用いられるものであって、導電性を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えばアルミニウム(Al)やチタン(Ti)、金(Au)等により構成される電極層を好適に用いることができる。   The first electrode 8 is used for injecting electrons into the active layer 5 and is not limited as long as it has conductivity. For example, aluminum (Al), titanium (Ti), gold An electrode layer composed of (Au) or the like can be suitably used.

第二の電極9は、活性層5に正孔を注入するために用いられるものであって、導電性を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えばパラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、金(Au)等により構成される電極層を好適に用いることができる。   The second electrode 9 is used for injecting holes into the active layer 5 and is not limited as long as it has conductivity. For example, palladium (Pd), nickel (Ni), An electrode layer made of gold (Au) or the like can be preferably used.

以上、本実施形態に係る多結晶LEDは、第一の電極及び第二の電極の間に電圧が印加され、活性層5に電子及び正孔が注入されることで発光する。   As described above, the polycrystalline LED according to this embodiment emits light when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode and electrons and holes are injected into the active layer 5.

本発明に係る多結晶半導体を基体とした光素子は、現在の白色LEDの大幅なコストの低下や大面積化において産業上重要な素子と成り得る。また更に、可視光域に広い発光および受光波長を有することができるため、安価で高効率な太陽電池などへの利用が可能である。   The optical element based on a polycrystalline semiconductor according to the present invention can be an industrially important element in drastically reducing the cost and increasing the area of the current white LED. Furthermore, since it can have a wide light emission and light reception wavelength in the visible light region, it can be used for an inexpensive and highly efficient solar cell.

ここで、本実施形態に係る多結晶LEDの製造方法について説明する。本実施形態に係るLEDの製造方法は、基板1に低温緩和層2を形成する工程、n型コンタクト層3を形成する工程、n型クラッド層4を形成する工程、活性層5を形成する工程、p型クラッド層6を形成する工程、p型コンタクト層7を形成する工程、第一の電極8を形成する工程、第二の電極9を形成する工程、を有している。   Here, the manufacturing method of the polycrystalline LED according to this embodiment will be described. The LED manufacturing method according to this embodiment includes a step of forming a low-temperature relaxation layer 2 on a substrate 1, a step of forming an n-type contact layer 3, a step of forming an n-type cladding layer 4, and a step of forming an active layer 5. , A step of forming the p-type cladding layer 6, a step of forming the p-type contact layer 7, a step of forming the first electrode 8, and a step of forming the second electrode 9.

多結晶LED構造は、限定されるわけではないが例えば有機金属気相成長法、MBE法又はパルスレーザー堆積法を用いることができる。   The polycrystalline LED structure is not limited, and for example, metal organic chemical vapor deposition, MBE, or pulsed laser deposition can be used.

基板1は、この上部に形成されるGaN等の各多結晶層を成長させるために用いられるものであり、またGaN結晶における少数キャリアの拡散長(数十nm)よりも十分大きい結晶粒面積を持つ多結晶層を成長させるために用いられるものである。限定されるわけではないが、例えばGaNやAlN多結晶窒化物半導体基板やサファイア基板やSiC基板、ガラスなどのアモルファス基板、金属基板を基板に用いることができる。ここで、十分に大きい結晶粒を持つ多結晶層とは、例えば電子顕微鏡像や光学顕微鏡像(100mm2以上のイメージサイズ)において、2つ以上の結晶方位の異なる結晶粒・微結晶から形成され、各結晶粒・微結晶の面積の標準偏差が1mm2以上であることを特徴とする。 The substrate 1 is used to grow each polycrystalline layer such as GaN formed thereon, and has a crystal grain area sufficiently larger than the minority carrier diffusion length (several tens of nm) in the GaN crystal. It is used for growing a polycrystalline layer. Although not limited, for example, GaN, AlN polycrystalline nitride semiconductor substrate, sapphire substrate, SiC substrate, amorphous substrate such as glass, or metal substrate can be used as the substrate. Here, a polycrystalline layer having sufficiently large crystal grains is formed from, for example, two or more crystal grains / microcrystals having different crystal orientations in an electron microscope image or an optical microscope image (image size of 100 mm 2 or more). The standard deviation of the area of each crystal grain / microcrystal is 1 mm 2 or more.

基板1によっては多結晶半導体の被覆率や平坦性が異なるため、低温緩和層2を用いて被覆率や平坦性を向上させることができる。低温緩和層は限定されるわけではないが多結晶AlNやGaN、InNやその混晶で形成される。成長温度は例えば550℃程度の低温で成長する。   Since the coverage and flatness of the polycrystalline semiconductor differ depending on the substrate 1, the low-temperature relaxation layer 2 can be used to improve the coverage and flatness. The low temperature relaxation layer is not limited, but is formed of polycrystalline AlN, GaN, InN, or a mixed crystal thereof. The growth temperature grows at a low temperature of about 550 ° C., for example.

基板1にn型コンタクト層2を形成する工程は、基板1として導電性を有する多結晶半導体基板や金属基板、アモルファス基板、単結晶基板を用いる場合、本工程は省略可能である。   The step of forming the n-type contact layer 2 on the substrate 1 can be omitted when a conductive polycrystalline semiconductor substrate, metal substrate, amorphous substrate, or single crystal substrate is used as the substrate 1.

n型クラッド層3を形成する際の基板温度は、形成する層の材料によって異なるため適宜調整が可能であるが、SiドープGaN多結晶層を形成する場合は800℃以上1100℃以下が好ましい範囲である。厚みは約数μmである。   The substrate temperature when forming the n-type cladding layer 3 varies depending on the material of the layer to be formed and can be adjusted as appropriate. It is. The thickness is about several μm.

活性層5は、例えばInGaN混晶多結晶からなり、ランダムに配向した結晶粒ごとにIn組成の取り込み過程やInGaN混晶の成長速度が異なるため、結晶粒ごとに異なる発光波長を持つと考えられる。成長温度は例えば600℃から800℃の範囲であり、InGaN多結晶活性層の厚さは10〜100nmであるか、それ以下である。InGaN混晶は、下地の各結晶粒の情報をひきついで成長し、結晶粒ごとに結晶方位が異なるため、成長速度とIn原料の取り込まれ率が異なる。結果として、ランダムに形成された結晶粒により、XIn=0〜0.5の異なるIn組成を持つInGaN結晶粒が容易に形成可能であり、こららのInGaN多結晶粒のIn組成のランダム性を積極的に利用、制御することで蛍光体を用いないまったく新しい白色LED構造の実現が期待できる。 The active layer 5 is made of, for example, InGaN mixed crystal polycrystal, and it is considered that each of the crystal grains has a different emission wavelength because the incorporation process of the In composition and the growth rate of the InGaN mixed crystal are different for each randomly oriented crystal grain. . The growth temperature is, for example, in the range of 600 ° C. to 800 ° C., and the thickness of the InGaN polycrystalline active layer is 10 to 100 nm or less. InGaN mixed crystal grows with the information of each underlying crystal grain tightly, and since the crystal orientation differs for each crystal grain, the growth rate and the incorporation rate of In raw material are different. As a result, InGaN crystal grains having different In compositions with X In = 0 to 0.5 can be easily formed by randomly formed crystal grains, and the randomness of the In composition of these InGaN polycrystal grains is positive. By using and controlling them, it is expected to realize a completely new white LED structure that does not use phosphors.

p型クラッド層6、p型コンタクト層7を形成する工程は、上記n型クラッド層4を形成する工程と材料が異なる以外ほぼ同様の工程を採用することができる。   The process of forming the p-type cladding layer 6 and the p-type contact layer 7 can employ substantially the same process as the process of forming the n-type cladding layer 4 except for the material.

第一の電極8を形成する工程は、限定されるわけではないが、真空蒸着により形成することができる。第一の電極9はn型コンタクト層2の上に形成されるため、例えばフォトリソグラフィとドライエッチングを用いてn型コンタクト層2を露出させた後、第一の電極9を形成させる態様が好ましい。なおフォトリソグラフィを採用する場合、フォトリソグラフィに先立ち、SiO等の保護膜をプラズマCVD法等で全面に製膜することも好ましい態様である。なお第一の電極8は、形成した後、窒素雰囲気下でアニールすることでオーミック電極とすることが好ましい。 The step of forming the first electrode 8 is not limited, but can be formed by vacuum deposition. Since the first electrode 9 is formed on the n-type contact layer 2, it is preferable to form the first electrode 9 after exposing the n-type contact layer 2 using, for example, photolithography and dry etching. . When photolithography is employed, it is also a preferable aspect that a protective film such as SiO 2 is formed on the entire surface by plasma CVD or the like prior to photolithography. The first electrode 8 is preferably formed into an ohmic electrode after annealing in a nitrogen atmosphere.

第二の電極9を形成する工程は、限定されるわけではないが、真空蒸着により形成することができる。本工程は限定されるわけではないが、例えばSiO等の保護膜をプラズマCVD法等で全面に製膜し、p型コンタクト層8上に電流注入窓をパターニングにより形成し、その部分に第二電極9を形成することが好ましい形態である。また第二の電極9も、第一の電極と同様、窒素雰囲気下でアニールすることオーミック電極とすることが好ましい。なお、上記アニール、保護膜の製膜は第一の電極8の形成工程のものと同時に行うことができる。 The step of forming the second electrode 9 is not limited, but can be formed by vacuum deposition. Although this step is not limited, for example, a protective film such as SiO 2 is formed on the entire surface by a plasma CVD method or the like, and a current injection window is formed on the p-type contact layer 8 by patterning. Forming the two electrodes 9 is a preferred form. The second electrode 9 is also preferably an ohmic electrode by annealing in a nitrogen atmosphere, like the first electrode. The annealing and the protective film formation can be performed simultaneously with the first electrode 8 formation step.

以上の工程により、本実施形態に係る多結晶LEDを製造することができる。   Through the above steps, the polycrystalline LED according to the present embodiment can be manufactured.

本実施形態の一つとして太陽電池への応用も可能である。太陽電池の構造は本実施形態に係るLEDと類似しており、各層厚は異なるものの基板1、低温緩和層2、n型コンタクト層3、n型クラッド層4、多結晶活性層5、p型クラッド層6、p型コンタクト層7、を順に積層して構成されており、n型コンタクト層2上には第一の電極8が、p型コンタクト層7上には第二の電極9がそれぞれ積層されている。本実施形態における上記各層、各電極は、機能においてほぼ実施形態1と同様であり、その説明については省略する。   As one of the embodiments, application to a solar cell is also possible. The structure of the solar cell is similar to that of the LED according to this embodiment, and the thickness of each layer is different, but the substrate 1, the low-temperature relaxation layer 2, the n-type contact layer 3, the n-type cladding layer 4, the polycrystalline active layer 5, and the p-type. The clad layer 6 and the p-type contact layer 7 are sequentially laminated. The first electrode 8 is formed on the n-type contact layer 2 and the second electrode 9 is formed on the p-type contact layer 7. Are stacked. The respective layers and electrodes in the present embodiment are substantially the same in function as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.

以上の実施形態に係る多結晶半導体素子の効果を確認すべく、実際に多結晶AlN基板上GaN、InGaN多結晶構造を作成し、評価した。以下説明する。   In order to confirm the effect of the polycrystalline semiconductor device according to the above embodiment, GaN and InGaN polycrystalline structures were actually created and evaluated on a polycrystalline AlN substrate. This will be described below.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶構造の製造方法)
基板には多結晶AlN基板を用いた。成長には有機金属気相(MOCVD)成長法を用いてGaN多結晶低温緩和層を成長後、GaN多結晶層を2〜7μm成長させた。
(Manufacturing method of GaN polycrystalline structure on polycrystalline AlN substrate)
A polycrystalline AlN substrate was used as the substrate. For the growth, a GaN polycrystal low temperature relaxation layer was grown using a metal organic vapor phase (MOCVD) growth method, and then the GaN polycrystal layer was grown to 2 to 7 μm.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶成長における低温緩和層の効果)
成長工程は、まず多結晶AlN基板をMOCVD装置内で30分間1100℃で熱処理した後、550℃の低温でGaN緩和層を形成し、その後基板温度を1080℃に昇温し、多結晶GaN層を成長した。
GaN低温緩和層の有無によりGaN多結晶層の表面被覆率が変化する。図3に多結晶GaNの低温緩和層の有無による表面モフォロジーの変化を示した。ここで、成長圧力は200Torr一定とした。表面の電子顕微鏡像を比較すればわかるように、GaN低温緩和層を用いた場合、表面の被覆率が向上していることがわかる。つまり、GaN低温緩和層が多結晶GaN層の被覆率の増加において効果的であることがわかる。低温緩和層を用いて成長した多結晶GaNの被覆率は81%であるが、用いない場合は66%まで下がっている。
(Effect of low-temperature relaxation layer on GaN polycrystalline growth on polycrystalline AlN substrate)
In the growth process, a polycrystalline AlN substrate is first heat-treated in an MOCVD apparatus for 30 minutes at 1100 ° C., then a GaN relaxation layer is formed at a low temperature of 550 ° C., and then the substrate temperature is raised to 1080 ° C. Grew up.
The surface coverage of the GaN polycrystalline layer varies depending on the presence or absence of the GaN low-temperature relaxation layer. FIG. 3 shows changes in surface morphology depending on the presence or absence of a low-temperature relaxation layer of polycrystalline GaN. Here, the growth pressure was constant at 200 Torr. As can be seen by comparing electron microscope images of the surface, it can be seen that when the GaN low-temperature relaxation layer is used, the surface coverage is improved. That is, it can be seen that the GaN low-temperature relaxation layer is effective in increasing the coverage of the polycrystalline GaN layer. The coverage of polycrystalline GaN grown using the low-temperature relaxation layer is 81%, but it is reduced to 66% when not used.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶成長における成長圧力の効果1)
低温緩和層の効果が確認できたので、すべての成長工程に上記のGaN低温緩和層を挿入し、今度は成長圧力を変えて多結晶GaN層を成長した。成長温度は1080℃一定とし、成長圧力を30、76、200、300Torrと変化させて1時間成長を行った。図4に表面および断面の電子顕微鏡像を示す。成長圧力が低下するに従い、表面の多結晶GaNの被覆率が100%に近づくことがわかる。
また断面電子顕微鏡像から、多結晶GaNの各結晶粒は、基板である多結晶AlNの結晶粒に沿って成長していることがわかり、各結晶粒の特性自体は単結晶そのものと同等であると考えられる。
また成長圧力を低くすると、表面の平坦性が向上していることがわかる。このことから成長圧力を適宜選ぶことにより、表面被覆率と表面平坦性を制御可能であることがわかる。
(Effect of growth pressure on GaN polycrystal growth on polycrystal AlN substrate 1)
Since the effect of the low-temperature relaxation layer was confirmed, the above-mentioned GaN low-temperature relaxation layer was inserted into all the growth processes, and this time the growth pressure was changed to grow a polycrystalline GaN layer. The growth temperature was fixed at 1080 ° C., and the growth pressure was changed to 30, 76, 200, and 300 Torr, and the growth was performed for 1 hour. FIG. 4 shows electron microscope images of the surface and the cross section. It can be seen that the coverage of the polycrystalline GaN on the surface approaches 100% as the growth pressure decreases.
Moreover, it can be seen from the cross-sectional electron microscope image that each crystal grain of polycrystalline GaN grows along the crystal grain of polycrystalline AlN which is the substrate, and the characteristics of each crystal grain itself are equivalent to the single crystal itself. it is conceivable that.
It can also be seen that when the growth pressure is lowered, the flatness of the surface is improved. This shows that the surface coverage and surface flatness can be controlled by appropriately selecting the growth pressure.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶成長における成長圧力の効果2)
図5に成長圧力を変化させて成長した多結晶GaNサンプルのX線回折測定結果を示す。比較のためGaNを成長していない多結晶AlN基板の結果も示す。多結晶構造の形成を示す複数の結晶方位からの回折ピークが観測されている。多結晶GaNサンプルでは明らかに多結晶AlNからとは異なるピークが観測されており、GaN多結晶が成長していることが確認できる。これらの回折ピークも成長圧力により変化し、成長圧力が30Torrと低い場合、(0002)面の回折ピークが強くなっており多結晶膜の配向性が向上していることがわかる。
つまり、低成長圧力30Torrにおいて表面被覆率、平坦性、配向性が改善されている。
(Effect of growth pressure on GaN polycrystal growth on polycrystal AlN substrate 2)
FIG. 5 shows the result of X-ray diffraction measurement of a polycrystalline GaN sample grown by changing the growth pressure. For comparison, the result of a polycrystalline AlN substrate on which GaN is not grown is also shown. Diffraction peaks from a plurality of crystal orientations indicating the formation of a polycrystalline structure are observed. In the polycrystalline GaN sample, a peak clearly different from that of polycrystalline AlN is observed, and it can be confirmed that the GaN polycrystalline is growing. These diffraction peaks also change depending on the growth pressure. When the growth pressure is as low as 30 Torr, it can be seen that the diffraction peak on the (0002) plane is strong and the orientation of the polycrystalline film is improved.
That is, the surface coverage, flatness, and orientation are improved at a low growth pressure of 30 Torr.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶成長における成長圧力の効果3)
図6に成長圧力を変化させて成長した多結晶GaNサンプルの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す。ここでは比較のため市販されている単結晶バルクGaN基板のフォトルミネッセンス測定結果も同時に示す。多結晶GaNからの発光強度は成長圧力が高いほど高く、30Torrと低い圧力ではバルクGaNに比べ発光ピーク強度が約1/10まで減少した。しかし、300Torrで成長したサンプルでも、発光強度はバルクGaNサンプルと同等であったが、GaNの禁制帯幅(360nm)以外の低エネルギー側の発光が支配的であった。
(Effect of growth pressure on GaN polycrystal growth on polycrystal AlN substrate 3)
FIG. 6 shows a room temperature photoluminescence spectrum of a polycrystalline GaN sample grown at different growth pressures. Here, a photoluminescence measurement result of a commercially available single crystal bulk GaN substrate is also shown for comparison. The emission intensity from polycrystalline GaN is higher as the growth pressure is higher, and the emission peak intensity is reduced to about 1/10 at a pressure as low as 30 Torr compared to bulk GaN. However, even in the sample grown at 300 Torr, the emission intensity was equivalent to that of the bulk GaN sample, but the emission on the low energy side other than the forbidden band width (360 nm) of GaN was dominant.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶成長における成長温度依存性1)
次に多結晶GaNの成長温度依存性を調べた。成長圧力は比較的良好な光学特性を示した300Torrを採用し、多結晶GaNの成長温度を550、700、800、900、1080℃と変化させた。図7に多結晶GaNの表面電子顕微鏡像を示す。成長温度1080℃では被覆されていない領域も見られるが、成長圧力の制御と同様に成長温度を下げることによっても被覆率が向上し、900℃以下ではほぼ100%の被覆率を達成することができた。また表面の粗さ(RMS値で表示)は成長温度が低くなるほど小さくなり、550℃でもっとも低い0.09mmという値が得られた。以上の結果は成長温度を適宜選択することにより、被覆率や表面平坦性を制御することが可能であることを示している。
(Growth Temperature Dependence in GaN Polycrystalline Growth on Polycrystalline AlN Substrate 1)
Next, the growth temperature dependence of polycrystalline GaN was examined. The growth pressure was 300 Torr, which showed relatively good optical characteristics, and the growth temperature of polycrystalline GaN was changed to 550, 700, 800, 900, 1080 ° C. FIG. 7 shows a surface electron microscope image of polycrystalline GaN. Although an uncoated region can be seen at a growth temperature of 1080 ° C., the coverage can be improved by lowering the growth temperature in the same manner as controlling the growth pressure, and a coverage of almost 100% can be achieved at 900 ° C. or less. did it. Further, the surface roughness (expressed by RMS value) was smaller as the growth temperature was lower, and the lowest value of 0.09 mm was obtained at 550 ° C. The above results indicate that the coverage and surface flatness can be controlled by appropriately selecting the growth temperature.

(多結晶AlN基板上GaN多結晶成長における成長温度依存性2)
図8に成長温度を変化させた多結晶GaNサンプルの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す。比較のため単結晶バルクGaNサンプルの結果も同時に示す。成長温度を900℃としたサンプルは、単結晶バルクGaNとほぼ同等の発光強度と半値幅を示すことがわかった。つまり、成長圧力や成長温度を最適化することにより、大きな結晶粒をもつ多結晶構造の被覆率や平坦性、そして光学特性の改善が可能であることがわかった。具体的には、優れた光学特性を持つ多結晶GaN構造の実現には(1)低温GaN緩和層の導入(2)高成長圧力(〜300Torr)(3)最適な成長温度(〜900℃)の選定が重要であることがわかった。
このような多結晶GaNサンプルにおける優れた光学特性は、GaNにおける少数キャリアの拡散長(数十nm)よりも十分大きい面積を持つランダム配向結晶粒を積極的に用いた結果である。つまり、安価で大面積化が容易な多結晶構造においても、各多結晶・微結晶粒のランダム制御により高効率発光が得られ、光デバイス応用が十分可能であることが実験的に示唆された。
(Growth temperature dependence in GaN polycrystal growth on polycrystal AlN substrate 2)
FIG. 8 shows a room temperature photoluminescence spectrum of a polycrystalline GaN sample with the growth temperature changed. For comparison, the results of a single crystal bulk GaN sample are also shown. It was found that the sample with the growth temperature set at 900 ° C. showed substantially the same emission intensity and half width as single crystal bulk GaN. In other words, it was found that by optimizing the growth pressure and growth temperature, it is possible to improve the coverage, flatness, and optical characteristics of a polycrystalline structure having large crystal grains. Specifically, to realize a polycrystalline GaN structure with excellent optical properties, (1) introduction of a low-temperature GaN relaxation layer (2) high growth pressure (-300 Torr) (3) optimum growth temperature (-900 ° C) The selection of was found to be important.
The excellent optical characteristics of such a polycrystalline GaN sample are the result of positively using randomly oriented crystal grains having an area sufficiently larger than the minority carrier diffusion length (several tens of nm) in GaN. In other words, it was experimentally suggested that high-efficiency light emission can be obtained by random control of each polycrystalline and microcrystalline grains even in a polycrystalline structure that is inexpensive and easy to increase in area, and that it can be applied to optical devices sufficiently. .

(実施例2)
(多結晶InGaN混晶の成長)
次に多結晶・微結晶粒のランダム制御による効果を調べるために、上述した多結晶GaN上に多結晶InGaN混晶を成長し、各結晶粒に成長したInGaN混晶の組成やその光学特性について調べた。
(Example 2)
(Polycrystalline InGaN mixed crystal growth)
Next, in order to investigate the effect of random control of polycrystalline and microcrystalline grains, a polycrystalline InGaN mixed crystal is grown on the above-mentioned polycrystalline GaN, and the composition and optical characteristics of the InGaN mixed crystal grown on each crystalline grain. Examined.

多結晶InGaN混晶の成長は、上述した多結晶GaN膜上に成長温度700-800℃で成長を行った。成長圧力は200Torr一定とした。成長温度、インジウムとガリウムの原料供給比を変化させることで組成の異なるInGaN混晶の作製を行い評価した。   The polycrystalline InGaN mixed crystal was grown on the above-described polycrystalline GaN film at a growth temperature of 700 to 800 ° C. The growth pressure was constant at 200 Torr. InGaN mixed crystals with different compositions were prepared and evaluated by changing the growth temperature and the raw material supply ratio of indium and gallium.

図9に多結晶InGaNの表面・断面電子顕微鏡像(約70μm×100μm)を示す。多結晶InGaN混晶の結晶粒面積の標準偏差は約130mm2であり、GaN単結晶の少数キャリアの拡散長よりも十分に大きい結晶粒が形成されていることがわかる。また断面像から多結晶AlN基板上にInGaN/GaN多結晶構造が各下地結晶粒に沿って成長が起きていることがわかる。 FIG. 9 shows a surface / cross-sectional electron microscope image (about 70 μm × 100 μm) of polycrystalline InGaN. The standard deviation of the crystal grain area of the polycrystalline InGaN mixed crystal is about 130 mm 2 , indicating that crystal grains sufficiently larger than the minority carrier diffusion length of the GaN single crystal are formed. It can also be seen from the cross-sectional image that an InGaN / GaN polycrystalline structure grows along each underlying crystal grain on the polycrystalline AlN substrate.

図10に多結晶InGaNサンプルの表面電子顕微鏡像とそのEBSP測定結果を示す。二つの像の比較から各結晶粒が異なる面方位を持つ多結晶構造を形成していることが確認でき、各結晶粒は単結晶に近い結晶性を有することがわかる。図9(b)のEBSPにおいて赤、青、緑の各結晶粒の結晶面は(0002)、(1−120)、(10−10)ファセットに対応している。 FIG. 10 shows a surface electron microscope image of the polycrystalline InGaN sample and its EBSP measurement result. From the comparison of the two images, it can be confirmed that each crystal grain forms a polycrystalline structure having different plane orientations, and it can be seen that each crystal grain has crystallinity close to that of a single crystal. In the EBSP of FIG. 9B, the crystal planes of the red, blue, and green crystal grains correspond to (0002), (1-120), and (10-10) facets.

図11に低温PLスペクトルを示す。この図では4つの多結晶InGaNサンプルの測定結果と同条件で成長した単結晶InGaNの結果も同時に示した。同条件で成長した単結晶InGaNのIn組成は(i)9%、(ii)16%、(iii)25%、(iv)40%であった。点線で示したInGaN単結晶のフォトルミネッセンススペクトルに比べ、ブロードな発光スペクトルが得られていることがわかる。またIn組成の増加に伴い、発光波長も長波長化し赤色域からの発光も得られていることがわかる。   FIG. 11 shows a low temperature PL spectrum. In this figure, the results of single crystal InGaN grown under the same conditions as the measurement results of four polycrystalline InGaN samples are also shown. The In composition of single crystal InGaN grown under the same conditions was (i) 9%, (ii) 16%, (iii) 25%, and (iv) 40%. It can be seen that a broad emission spectrum is obtained compared to the photoluminescence spectrum of the InGaN single crystal indicated by the dotted line. It can also be seen that as the In composition increases, the emission wavelength becomes longer and light emission from the red region is also obtained.

図12は図10で示したサンプル(In組成は(iii)25%)のカソードルミネッセンス測定結果である。分光器の波長を515nm、590nmと固定したときの発光イメージをそれぞれ示す。明らかに波長515nmと590nmで得たイメージは異なっており、結晶粒ごとに異なった発光波長を有していることがわかる。つまり、各ファセットを制御することによりさまざまなIn組成を有するInGaN結晶粒の成長が可能であり、可視光域でブロードな発光波長を得ることができる。この結果は蛍光体を用いない多結晶ランダムファセット制御により白色光デバイスの実現が可能であることを示している。 FIG. 12 shows the results of cathodoluminescence measurement of the sample shown in FIG. 10 (In composition is (iii) 25%). The emission images when the wavelength of the spectroscope is fixed at 515 nm and 590 nm are shown respectively. Obviously, the images obtained at wavelengths of 515 nm and 590 nm are different, and it can be seen that each crystal grain has a different emission wavelength. That is, by controlling each facet, InGaN crystal grains having various In compositions can be grown, and a broad emission wavelength in the visible light region can be obtained. This result shows that a white light device can be realized by polycrystalline random facet control without using a phosphor.

図13は各結晶粒から得られたカソードルミネッセンススペクトルを示す。ここではIn組成(iv)40%の多結晶InGaNの結果を用いた。(0002)、(1−120)、(10−10)ファセットからの発光はそれぞれ異なっており、各結晶粒が異なるIn組成を持つことが改めて確認できた。また各結晶粒のIn組成は(10−10)、(1−120)、(0002)の結晶面順にIn組成が高くなっていることがわかった。これらの結果は、各結晶粒・ファセットの制御によりIn組成が制御可能であり、白色光の演色性も制御できることを示している。   FIG. 13 shows the cathodoluminescence spectrum obtained from each crystal grain. Here, the result of polycrystalline InGaN having an In composition (iv) of 40% was used. The light emission from the (0002), (1-120), and (10-10) facets was different, and it was confirmed again that each crystal grain had a different In composition. It was also found that the In composition of each crystal grain was higher in the order of the crystal planes (10-10), (1-120), and (0002). These results indicate that the In composition can be controlled by controlling each crystal grain and facet, and the color rendering property of white light can also be controlled.

図13に多結晶GaN上多結晶InGaNサンプルそして図2に示した実施形態とほぼ同構造をもった多結晶InGaN/GaNダブルへテロ構造におけるフォトルミネッセンススペクトルを示す。比較のため通常の蛍光体を用いた窒化物半導体白色LED、蛍光灯のスペクトルも同時に示す。すでに実用化されている白色LEDや蛍光灯は可視光域において非常にブロードな発光スペクトルを持つが、本実施形態により作製した多結晶InGaN混晶やそのダブルへテロ構造においても青(400−450nm)から赤(600nm)までのブロードな発光が得られており、ランダムファセット制御による多結晶InGaN構造の新規白色光デバイスへの応用可能性が示唆された。   FIG. 13 shows a photoluminescence spectrum of a polycrystalline InGaN sample on polycrystalline GaN and a polycrystalline InGaN / GaN double heterostructure having substantially the same structure as that of the embodiment shown in FIG. For comparison, a spectrum of a nitride semiconductor white LED using a normal phosphor and a fluorescent lamp is also shown. Already put into practical use, white LEDs and fluorescent lamps have a very broad emission spectrum in the visible light range, but blue (400-450 nm) is also present in the polycrystalline InGaN mixed crystal and its double heterostructure produced by this embodiment. ) To red (600 nm) has been obtained, suggesting the possibility of application to a novel white light device having a polycrystalline InGaN structure by random facet control.

以上の通り、上記実施例により、上記実施形態に係る多結晶半導体光機能素子の効果が達成できることを確認した。以上により新規な半導体光デバイスを実現することができる。   As described above, it was confirmed that the effects of the polycrystalline semiconductor optical functional device according to the above embodiment can be achieved by the above examples. As described above, a novel semiconductor optical device can be realized.

本発明に係る半導体光素子は、LEDや太陽電池として産業上利用可能である。また更に、受光素子や電子デバイス等広範な分野においても利用が可能である。   The semiconductor optical device according to the present invention can be industrially used as an LED or a solar cell. Furthermore, it can be used in a wide range of fields such as light receiving elements and electronic devices.

多結晶AlN基板の表面SEM、EBSP像とカラーマップSurface SEM, EBSP image and color map of polycrystalline AlN substrate 一実施形態に係る多結晶LEDの断面概略図である。。1 is a schematic cross-sectional view of a polycrystalline LED according to an embodiment. . 多結晶GaN膜の低温緩和層の効果:(a)緩和層なし(b)緩和層有りEffect of low-temperature relaxation layer of polycrystalline GaN film: (a) No relaxation layer (b) With relaxation layer 多結晶GaN膜の表面・断面SEM像の成長圧力依存性。図中の数値は被覆率を示す。Growth pressure dependence of surface and cross-sectional SEM images of polycrystalline GaN films. The numerical value in a figure shows a coverage. 多結晶GaN膜のXRD測定結果の成長圧力依存性。一番下は多結晶AlN基板のXRD測定結果。Growth pressure dependence of XRD measurement results for polycrystalline GaN films. The bottom is the XRD measurement result of the polycrystalline AlN substrate. 多結晶GaN膜の室温PLスペクトルの成長圧力依存性。Growth pressure dependence of room temperature PL spectrum of polycrystalline GaN film. 多結晶GaN膜の表面SEM像の成長温度依存性。数値は表面粗さを示す。Growth temperature dependence of surface SEM image of polycrystalline GaN film. The numerical value indicates the surface roughness. 多結晶GaN膜の室温PLスペクトルの成長温度依存性。Growth temperature dependence of room temperature PL spectrum of polycrystalline GaN film. 多結晶InGaN膜の表面・断面SEM像。The surface and cross-sectional SEM image of a polycrystal InGaN film | membrane. 多結晶InGaN膜の表面SEM像とEBSP像。Surface SEM image and EBSP image of polycrystalline InGaN film. 多結晶InGaN膜の低温PLスペクトル。図中の実線が多結晶InGaN、点線は同条件で成長した単結晶InGaNの測定結果。Low temperature PL spectrum of polycrystalline InGaN film. In the figure, the solid line is the measurement result of polycrystalline InGaN, and the dotted line is the measurement result of single crystal InGaN grown under the same conditions. 図10で示したSEM像のCLによるパンクロマティック像。(a)波長515nm(b)590nmの発光イメージ。The panchromatic image by CL of the SEM image shown in FIG. (a) Light emission image at a wavelength of 515 nm (b) 590 nm. 多結晶InGaNサンプルのCL測定による各結晶方位からの発光スペクトル Emission spectrum from each crystal orientation by CL measurement of polycrystalline InGaN sample

Claims (5)

ランダムな結晶面を有する複数の結晶粒からなる微結晶窒化物半導体電子素子であって、
異なった前記結晶面上で異なる組成又は膜厚を有するInGaN混晶微結晶を形成させた微結晶窒化物半導体電子素子。
A microcrystalline nitride semiconductor electronic device comprising a plurality of crystal grains having random crystal faces,
A microcrystalline nitride semiconductor electronic device in which InGaN mixed crystal microcrystals having different compositions or film thicknesses on different crystal planes are formed.
前記複数の結晶粒のうち90%以上において、1mm以上の面積である前記結晶面を有する請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。 2. The microcrystalline nitride semiconductor electronic device according to claim 1, wherein 90% or more of the plurality of crystal grains has the crystal plane having an area of 1 mm 2 or more. 前記複数の結晶粒の面積が、前記結晶粒における少数キャリアの拡散長よりも十分大きいことを特徴とする請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。   2. The microcrystalline nitride semiconductor electronic device according to claim 1, wherein an area of the plurality of crystal grains is sufficiently larger than a diffusion length of minority carriers in the crystal grains. X線回折測定の2θ/θスキャンを行った場合に、2つ以上の異なる結晶面方位からの回折が観測される請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。   The microcrystalline nitride semiconductor electronic device according to claim 1, wherein diffraction from two or more different crystal plane orientations is observed when 2θ / θ scan of X-ray diffraction measurement is performed. 走査型電子顕微鏡又は後方散乱電子回折像により、2つ以上の異なる前記結晶面を有する前記結晶粒の存在が確認できる請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
The microcrystalline nitride semiconductor electronic device according to claim 1, wherein the presence of the crystal grains having two or more different crystal planes can be confirmed by a scanning electron microscope or a backscattered electron diffraction image.
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