JP5822190B2 - 多波長発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
表面に面方位が相互に異なる第1、第2、及び第3結晶成長面を有すると共に該第1、第2、及び第3結晶成長面に対応する第1、第2、及び第3発光領域が構成されたサファイア基板と、
上記サファイア基板直上の上記第1発光領域にその主面上に積層されるように設けられ上記第1結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体が結晶成長して形成された第1半導体層と、
上記第1半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第1半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された第1のドーパントがドープされた半導体層と、
上記第1のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第1のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された所定の波長の光を発光する第1半導体発光層と、
上記サファイア基板直上の上記第2発光領域にその主面上に積層されるように設けられ上記第2結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体が結晶成長して形成された、上記第1半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第2半導体層と、
上記第2半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第2半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された第2のドーパントがドープされた半導体層と、
上記第2のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第2のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された、及び/又は、上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体がエピタキシャル結晶成長して形成され且つ上記第1半導体発光層とは層厚が異なる、上記第1半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第2半導体発光層と、
上記サファイア基板直上の上記第3発光領域にその主面上に積層されるように設けられ上記第3結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体が結晶成長して形成された、上記第1及び第2半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第3半導体層と、
上記第3半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第3半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体が結晶成長して形成された第3のドーパントがドープされた半導体層と、
上記第3のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第3のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された、及び/又は、上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体がエピタキシャル結晶成長して形成され且つ上記第1及び第2半導体発光層とは層厚が異なる、上記第1及び第2半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第3半導体発光層と、
を備え、
上記第1、第2、及び第3結晶成長面のうちのいずれかが上記サファイア基板の主面で、残りの2つのうちの一方が上記サファイア基板の表面に形成された第1凹溝の側面で、且つ他方が上記サファイア基板の表面に上記第1凹溝の延びる方向に角度を有して延びるように形成された第2凹溝の側面である。
表面に面方位が相互に異なる第1、第2、及び第3結晶成長面を有するサファイア基板を準備する準備工程と、
上記準備工程で準備したサファイア基板の第1結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板直上に第1発光領域を構成してその主面上に積層するように第1半導体層を形成する第1半導体層形成工程と、
上記第1半導体層形成工程で形成した第1半導体層直上にその主面上に積層するように、該第1半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体をエピタキシャル結晶成長させて第1のドーパントがドープされた半導体層を形成する第1のドーパントがドープされた半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備したサファイア基板の第2結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板直上に第2発光領域を構成してその主面上に積層するように、第1半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第2半導体層を形成する第2半導体層形成工程と、
上記第2半導体層形成工程で形成した第2半導体層直上にその主面上に積層するように、該第2半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体をエピタキシャル結晶成長させて第2のドーパントがドープされた半導体層を形成する第2のドーパントがドープされた半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備したサファイア基板の第3結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板直上に第3発光領域を構成してその主面上に積層するように、第1及び第2半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第3半導体層を形成する第3半導体層形成工程と、
上記第3半導体層形成工程で形成した第3半導体層直上にその主面上に積層するように、該第3半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体をエピタキシャル結晶成長させて第3のドーパントがドープされた半導体層を形成する第3のドーパントがドープされた半導体層形成工程と、
上記第1のドーパントがドープされた半導体層形成工程で形成した第1のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層するように、該第1のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として半導体をエピタキシャル結晶成長させて所定の波長の光を発光する第1半導体発光層を形成すると同時に、上記第2のドーパントがドープされた半導体層形成工程で形成した第2のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層するように、該第2のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体をエピタキシャル結晶成長させて、及び/又は、上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第1半導体発光層とは層厚が異なるようにエピタキシャル結晶成長させて、上記第1半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第2半導体発光層を形成し、また、上記第3のドーパントがドープされた半導体層形成工程で形成した第3のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層するように、該第3のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体をエピタキシャル結晶成長させて、及び/又は、上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第1及び第2半導体発光層とは層厚が異なるようにエピタキシャル結晶成長させて、上記第1及び第2半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第3半導体発光層を形成する第1〜第3半導体発光層形成工程と、
を備え、
上記第1、第2、及び第3結晶成長面のうちのいずれかを上記サファイア基板の主面とし、残りの2つのうちの一方を上記サファイア基板の表面に形成された第1凹溝の側面とし、且つ他方を上記サファイア基板の表面に上記第1凹溝の延びる方向に角度を有して延びるように形成された第2凹溝の側面とする。
図1〜3は本実施形態に係る多波長発光素子100を示す。
本実施形態に係る多波長発光素子100はベースとなる基板110を備えている。
本実施形態に係る多波長発光素子100は、基板110上の第1〜第3発光領域A1〜A3に積層されるように設けられた第1〜第3u-半導体層131〜133を備えている。これらの第1〜第3u-半導体層131〜133は、第1〜第3結晶成長面121〜123を起点として、それぞれアンドープの半導体が結晶成長して形成されたものである。
本実施形態に係る多波長発光素子100は、第1〜第3u-半導体層131〜133に積層されるように設けられた第1〜第3n型半導体層141〜143を備えている。これらの第1〜第3n型半導体層141〜143は、第1〜第3u-半導体層131〜133の主面を起点として、それぞれn型ドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成されたものである。従って、第1〜第3n型半導体層141〜143は、第1〜第3u-半導体層131〜133の主面と同一の結晶面を主面とする。
本実施形態に係る多波長発光素子100は、第1〜第3n型半導体層141〜143に積層されるように設けられた第1〜第3発光層151〜153を備えている。これらの第1〜第3発光層151〜153は、第1〜第3n型半導体層141〜143の主面を起点として、それぞれ半導体がエピタキシャル結晶成長して形成されたものである。従って、第1〜第3発光層151〜153は、第1〜第3n型半導体層141〜143及び第1〜第3u-半導体層131〜133の主面と同一の結晶面を主面とする。
本実施形態に係る多波長発光素子100は、第1〜第3発光層151〜153に積層されるように設けられた第1〜第3p型半導体層161〜163を備えている。
本実施形態に係る多波長発光素子100は、第1〜第3n型半導体層141〜143に電気的に接続するように設けられた第1〜第3n型電極171〜173、及び第1〜第3p型半導体層161〜163に電気的に接続するように設けられた第1〜第3p型電極181〜183を備えている。
次に、本実施形態に係る多波長発光素子100の製造方法について図5(a)〜(f)に基づいて説明する。以下の本実施形態に係る多波長発光素子100の製造方法では、ウエハ110’(基板110)上に第1〜第3u-半導体層131〜133としてのu-GaN層、第1〜第3n型半導体層141〜143としてのSiをドープしたn型GaN層、第1〜第3発光層151〜153としての多重量子井戸層(第1〜第3井戸層151a〜153a:InGaN層、第1〜第3障壁層151b〜153b:GaN層)、及び第1〜第3p型半導体層161〜163としてのMgをドープしたp型GaN層の各半導体層を順に形成した後、第1〜第3n型GaN層141〜143及び第1〜第3p型GaN層161〜163の上に第1〜第3n型電極171〜173及び第1〜第3p型電極181〜183をそれぞれ形成するものを例とする。
ウエハ110’の各多波長発光素子100の形成領域において、図5(a)に示すように、凹溝形成予定部分だけが開口部となるようにフォトレジストのパターニングを形成し、図5(b)に示すように、フォトレジスト200をエッチングレジストとしてエッチングすることにより、ウエハ110’の表面に第1及び第2凹溝111,112を形成した後、フォトレジスト200を除去する。
以下の各半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)、分子線エピタキシ法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)、ハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)等が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した各半導体層の形成方法について説明する。
上記MOVPE装置を用い、表面に第1及び第2凹溝111,112を形成加工したウエハ110’を、表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、ウエハ110’を1050〜1150℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を10k〜100kPaとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてH2を流通させ、その状態を数分間保持することによりウエハ110’をサーマルクリーニングする。
反応容器内の圧力を10k〜100kPaとし、また、反応容器内にキャリアガスH2を5〜15L/min(以下、ガス流量は基準状態(0℃、1気圧)での値とする)の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、V族元素供給源(NH3)、III族元素供給源1(TMG)、及びn型ドーピング元素供給源(SiH4)を、それぞれの供給流量が0.1〜5L/min、50〜150μmol/min、及び1〜5×10-3μmol/minとなるように流す。
ウエハ110’の温度を800℃程度とすると共に反応容器内の圧力を10k〜100kPaとし、また、反応容器内にキャリアガスN2を5〜15L/minの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、V族元素供給源(NH3)、III族元素供給源1(TMG)、及びIII族元素供給源2(TMI)を、それぞれの供給流量が0.1〜5L/min、5〜15μmol/min、及び2〜30μmol/min流す。
ウエハ110’の温度を1000〜1100℃とすると共に反応容器内の圧力を10k〜100kPaとし、また、反応容器内にキャリアガスのH2を5〜15L/minの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、V族元素供給源(NH3)、III族元素供給源1(TMG)、III族元素供給源3(TMA)、及びp型ドーピング元素供給源(Cp2Mg)を、それぞれの供給流量0.1〜5L/min、50〜150μmol/min、2〜80μmol/min、及び0.03〜30μmol/min流す。
ウエハ110’上に積層形成した半導体層を部分的に反応性イオンエッチングすることにより第1〜第3n型GaN層141〜143を露出させた後、真空蒸着、スパッタリング、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の方法により第1〜第3n型GaN層141〜143上に第1〜第3n型電極171〜173及び第1〜第3p型GaN層161〜163上に第1〜第3p型電極181〜183をそれぞれ形成する。
110 基板
110’ ウエハ
111 第1凹溝
112 第2凹溝
121〜123 第1〜第3結晶成長面
131〜133 第1〜第3u-半導体層(第1〜第3u-GaN層)
141〜143 第1〜第3n型半導体層(第1〜第3n型GaN層)
151〜153 第1〜第3発光層
151a〜153a 第1〜第3井戸層(第1〜第3半導体発光層)
151b〜153b 第1〜第3障壁層
161〜163 第1〜第3p型半導体層(第1〜第3p型GaN層)
171〜173 第1〜第3n型電極
181〜183 第1〜第3p型電極
200 フォトレジスト
A1〜A3 第1〜第3発光領域
Claims (3)
- 表面に面方位が相互に異なる第1、第2、及び第3結晶成長面を有すると共に該第1、第2、及び第3結晶成長面に対応する第1、第2、及び第3発光領域が構成されたサファイア基板と、
上記サファイア基板直上の上記第1発光領域にその主面上に積層されるように設けられ上記第1結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体が結晶成長して形成された第1半導体層と、
上記第1半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第1半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された第1のドーパントがドープされた半導体層と、
上記第1のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第1のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された所定の波長の光を発光する第1半導体発光層と、
上記サファイア基板直上の上記第2発光領域にその主面上に積層されるように設けられ上記第2結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体が結晶成長して形成された、上記第1半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第2半導体層と、
上記第2半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第2半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された第2のドーパントがドープされた半導体層と、
上記第2のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第2のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された、及び/又は、上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体がエピタキシャル結晶成長して形成され且つ上記第1半導体発光層とは層厚が異なる、上記第1半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第2半導体発光層と、
上記サファイア基板直上の上記第3発光領域にその主面上に積層されるように設けられ上記第3結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体が結晶成長して形成された、上記第1及び第2半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第3半導体層と、
上記第3半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第3半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体が結晶成長して形成された第3のドーパントがドープされた半導体層と、
上記第3のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層されるように設けられ、該第3のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体がエピタキシャル結晶成長して形成された、及び/又は、上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体がエピタキシャル結晶成長して形成され且つ上記第1及び第2半導体発光層とは層厚が異なる、上記第1及び第2半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第3半導体発光層と、
を備え、
上記第1、第2、及び第3結晶成長面のうちのいずれかが上記サファイア基板の主面で、残りの2つのうちの一方が上記サファイア基板の表面に形成された第1凹溝の側面で、且つ他方が上記サファイア基板の表面に上記第1凹溝の延びる方向に角度を有して延びるように形成された第2凹溝の側面である赤、緑、及び青の光を発光するように構成された多波長発光素子。 - 請求項1に記載された多波長発光素子において、
上記第1及び第2半導体層を形成する半導体がGaNであると共に、上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体がInGaNである多波長発光素子。 - 表面に面方位が相互に異なる第1、第2、及び第3結晶成長面を有するサファイア基板を準備する準備工程と、
上記準備工程で準備したサファイア基板の第1結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板直上に第1発光領域を構成してその主面上に積層するように第1半導体層を形成する第1半導体層形成工程と、
上記第1半導体層形成工程で形成した第1半導体層直上にその主面上に積層するように、該第1半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体をエピタキシャル結晶成長させて第1のドーパントがドープされた半導体層を形成する第1のドーパントがドープされた半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備したサファイア基板の第2結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板直上に第2発光領域を構成してその主面上に積層するように、第1半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第2半導体層を形成する第2半導体層形成工程と、
上記第2半導体層形成工程で形成した第2半導体層直上にその主面上に積層するように、該第2半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体をエピタキシャル結晶成長させて第2のドーパントがドープされた半導体層を形成する第2のドーパントがドープされた半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備したサファイア基板の第3結晶成長面を起点としてドーパントがドープされていない半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板直上に第3発光領域を構成してその主面上に積層するように、第1及び第2半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第3半導体層を形成する第3半導体層形成工程と、
上記第3半導体層形成工程で形成した第3半導体層直上にその主面上に積層するように、該第3半導体層の主面を起点としてドーパントがドープされた半導体をエピタキシャル結晶成長させて第3のドーパントがドープされた半導体層を形成する第3のドーパントがドープされた半導体層形成工程と、
上記第1のドーパントがドープされた半導体層形成工程で形成した第1のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層するように、該第1のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として半導体をエピタキシャル結晶成長させて所定の波長の光を発光する第1半導体発光層を形成すると同時に、上記第2のドーパントがドープされた半導体層形成工程で形成した第2のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層するように、該第2のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体をエピタキシャル結晶成長させて、及び/又は、上記第1半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第1半導体発光層とは層厚が異なるようにエピタキシャル結晶成長させて、上記第1半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第2半導体発光層を形成し、また、上記第3のドーパントがドープされた半導体層形成工程で形成した第3のドーパントがドープされた半導体層直上にその主面上に積層するように、該第3のドーパントがドープされた半導体層の主面を起点として上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体をエピタキシャル結晶成長させて、及び/又は、上記第1及び第2半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第1及び第2半導体発光層とは層厚が異なるようにエピタキシャル結晶成長させて、上記第1及び第2半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第3半導体発光層を形成する第1〜第3半導体発光層形成工程と、
を備え、
上記第1、第2、及び第3結晶成長面のうちのいずれかを上記サファイア基板の主面とし、残りの2つのうちの一方を上記サファイア基板の表面に形成された第1凹溝の側面とし、且つ他方を上記サファイア基板の表面に上記第1凹溝の延びる方向に角度を有して延びるように形成された第2凹溝の側面とする赤、緑、及び青の光を発光するように構成された多波長発光素子の製造方法。
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