JP5276977B2 - 半導体積層構造とその形成方法、および発光素子 - Google Patents
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Description
<発光デバイスの構成>
図1は、第1の実施の形態に係る発光デバイス10の構造を概略的に示す断面模式図である。発光デバイス10は、基材1と、下地層2と、バッファ層3と、n型導電層4と、多数の島状結晶5dによる量子ドット構造を有する発光層5と、p型導電層6とが、この順に積層された層状構造(半導体積層構造)を有するデバイスである。p型導電層6上には例えばAu/Niからなるp型電極7pが形成されている。また、n型導電層4の一部は露出しており、この露出した部分には、例えばAl/Tiからなるn型電極7nが形成されている。発光デバイス10は、p型電極7pとn型電極7nとの間に所定の電圧値の電圧を印加して通電することにより、発光層5から発光を生じるデバイスである。なお、図示の都合上、図1の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。
ここで、第1の実施の形態に係る発光デバイス10を実現する上で重要な、自己組織化による量子ドット構造の形成について説明する。
図4は、第2の実施の形態に係る発光デバイス20の構造を概略的に示す断面模式図である。なお、本実施の形態においては、第1の実施の形態に係る発光デバイス10と同様の作用効果を奏する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。発光デバイス20は、基材1と、下地層2と、n型導電層4と、第1クラッド層18と、多数の島状結晶15dによる量子ドット構造を有する発光層15と、第2クラッド層19と、p型導電層16とが、この順に積層された層状構造(半導体積層構造)を有するデバイスである。n型導電層4と、第1クラッド層18と、多数の島状結晶15dによる量子ドット構造を有する発光層15と、第2クラッド層19と、p型導電層16とは、下地層2の上にこの順に、MBE法によって連続的にエピタキシャル形成されてなる。p型導電層16上には例えばAu/Niからなるp型電極7pが形成されている。また、n型導電層4の一部は露出しており、この露出した部分には、例えばAl/Tiからなるn型電極7nが形成されている。
実施例1と同様の手順でエピタキシャル基板を用意し、これを実施例1と同様のMBE装置の中に設置した。
Claims (18)
- 半導体積層構造をエピタキシャル形成する方法であって、
(a)所定の基材の上にAlNである第1のIII族窒化物を用いて下地層を形成してなる下地基板の上に、AlxGa1−xN(0<x<1)である第2のIII族窒化物に所定のn型ドーパントを添加してなるn型導電層を形成するn型導電層形成工程と、
(b)前記第n型導電層の上に機能層を形成する機能層形成工程であって、
(b-1)GayIn1−yN(0<y≦1)である第3のIII族窒化物からなる複数の量子ドットを自己組織化的に形成する量子ドット形成工程と、
(b-2)Alの存在比率が前記第2のIII族窒化物におけるAlの存在比率以下である第4のIII族窒化物からなるマトリックス層を形成するマトリックス層形成工程と、
を繰り返すことにより量子ドット構造を有する機能層を形成する工程と、
を備え、
前記n型導電層形成工程と前記機能層形成工程とをMBE法によって連続的に行い、
前記n型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域を形成するための前記n型導電層形成工程と前記マトリックス層形成工程とを、前記第1のIII族窒化物と前記第2のIII族窒化物との組成差に起因して前記下地層と前記マトリックス領域との界面に作用する、積層方向に対し略垂直な方向への圧縮応力を維持しつつ行い、
前記量子ドット形成工程においては、前記圧縮応力が作用している前記マトリックス領域に前記量子ドットを形成する、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - エピタキシャル成長により半導体積層構造を形成する方法であって、
(a)所定の基材の上にAlNである第1のIII族窒化物を用いて下地層を形成してなる下地基板の上に、AlxGa1−xN(0<x<1)である第2のIII族窒化物に所定のn型ドーパントを添加してなるn型導電層を形成するn型導電層形成工程と、
(b)前記n型導電層の上に機能層を形成する機能層形成工程であって、
(b-1)GayIn1−yN(0<y≦1)である第3のIII族窒化物からなる複数の量子ドットを自己組織化的に形成する量子ドット形成工程と、
(b-2)Alの存在比率が前記第2のIII族窒化物におけるAlの存在比率以下である第4のIII族窒化物からなるマトリックス層を形成するマトリックス層形成工程と、
を繰り返すことにより量子ドット構造を有する機能層を形成する工程と、
を備え、
前記n型導電層形成工程と前記機能層形成工程とをMBE法によって連続的に行い、
前記n型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域を形成するための前記n型導電層形成工程と前記マトリックス層形成工程とにおいては、前記マトリックス領域を前記下地層に対する整合状態を維持しつつ成長させることで、前記マトリックス領域をなす前記第2および前記第4のIII族窒化物の面内格子定数を、それぞれのIII族窒化物が無応力状態で有する理想格子定数よりも小さくする、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - 請求項1または請求項2に記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記マトリックス層形成工程においては、前記マトリックス層を1nmより大きく20nmより小さい厚みに形成する、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記第2のIII族窒化物がAlxGa1−xN(0.26≦x≦0.54)である、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記第3のIII族窒化物がGaNである、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記量子ドット形成工程において、前記第3のIII族窒化物に希土類または遷移金属元素を添加して前記量子ドットを形成する、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - 請求項6に記載の半導体積層構造の形成方法であって、
(c)前記機能層の下端部に第1のクラッド層を設ける第1クラッド層形成工程と、
(d)前記機能層の上端部に第2のクラッド層を設ける第2クラッド層形成工程と、
をさらに備え、
前記n型導電層形成工程と前記第1クラッド層形成工程と前記機能層形成工程と前記第2クラッド層形成工程とをMBE法によって連続的に行い、
前記第1および第2のクラッド層を前記第4のIII族窒化物よりもAlの存在比率が大きいIII族窒化物によって形成する、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。 - エピタキシャル形成された半導体積層構造であって、
所定の基材と、
前記基材の上にAlNである第1のIII族窒化物により形成された下地層と、
前記下地層の上に、所定のn型ドーパントを添加してなるAlxGa1−xN(0<x<1)である第2のIII族窒化物により形成されたn型導電層と、
前記第n型導電層の上に形成され、GayIn1−yN(0<y≦1)である第3のIII族窒化物からなる複数の量子ドットがAlの存在比率が前記第2のIII族窒化物におけるAlの存在比率以下である第4のIII族窒化物からなるマトリックス層に埋め込まれてなる単位層の繰り返しによって量子ドット構造が実現されてなる機能層と、
を備え、
前記n型導電層と前記機能層とがMBE法によって連続的に形成されてなり、
前記n型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域を形成する各層においては、前記第1のIII族窒化物と前記第2のIII族窒化物との組成差に起因した、積層方向に対し略垂直な方向への圧縮応力が残存する、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - エピタキシャル形成された半導体積層構造であって、
所定の基材と、
前記基材の上にAlNである第1のIII族窒化物により形成された下地層と、
前記下地層の上に、所定のn型ドーパントを添加してなるAlxGa1−xN(0<x<1)である第2のIII族窒化物により形成されたn型導電層と、
前記第n型導電層の上に形成され、GayIn1−yN(0<y≦1)である第3のIII族窒化物からなる複数の量子ドットがAlの存在比率が前記第2のIII族窒化物におけるAlの存在比率以下である第4のIII族窒化物からなるマトリックス層に埋め込まれてなる単位層の繰り返しによって量子ドット構造が実現されてなる機能層と、
を備え、
前記n型導電層と前記機能層とがMBE法によって連続的に形成されてなり、
前記n型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域は前記下地層に対し整合状態で形成されており、前記マトリックス領域をなす前記第2および前記第4のIII族窒化物の面内格子定数が、それぞれのIII族窒化物が無応力状態で有する理想格子定数よりも小さい、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - 請求項8または請求項9に記載の半導体積層構造であって、
前記マトリックス層の厚みが1nmより大きく20nmより小さい、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - 請求項8ないし請求項10のいずれかに記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記第2のIII族窒化物がAlxGa1−xN(0.26≦x≦0.54)である、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - 請求項8ないし請求項11のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
前記第3のIII族窒化物がGaNである、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - 請求項8ないし請求項12のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
前記量子ドットにおいて、前記第3のIII族窒化物に希土類または遷移金属元素が添加されてなる、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - 請求項13に記載の半導体積層構造であって、
前記機能層の下端部に第1のクラッド層を備えるとともに前記機能層の上端部に第2のクラッド層を備え、
前記n型導電層と前記の第1クラッド層と前記機能層と前記の第2クラッド層とがMBE法によって連続的に形成されてなり、
前記第1および第2のクラッド層は前記第4のIII族窒化物よりもAlの存在比率が大きいIII族窒化物によって形成されてなる、
ことを特徴とする半導体積層構造。 - 請求項6または請求項7に記載の形成方法により得られた半導体積層構造の前記機能層の上に所定のp型導電層を備え、前記n型導電層と前記p型導電層にそれぞれ所定の電極を付加することにより形成されてなる発光素子。
- 請求項15に記載の発光素子であって、
前記p型導電層が、
それぞれに所定のp型ドーパントが添加されてなる第5のIII族窒化物からなる層と第6のIII族窒化物からなる層とが交互に積層された超格子構造を含む、
ことを特徴とする発光素子。 - 請求項13または請求項14に記載の半導体積層構造の前記機能層の上に所定のp型導電層を備え、前記n型導電層と前記p型導電層にそれぞれ所定の電極を付加することにより形成されてなる発光素子。
- 請求項17に記載の発光素子であって、
前記p型導電層が、
それぞれに所定のp型ドーパントが添加されてなる第5のIII族窒化物からなる層と第6のIII族窒化物からなる層とが交互に積層された超格子構造を含む、
ことを特徴とする発光素子。
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