JP5943339B2 - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
前記複数のコアマルチシェルナノワイヤにおいて、互いに隣接する前記コアマルチシェルナノワイヤのそれぞれの側面の間の空隙には、隣接する前記コアマルチシェルナノワイヤのそれぞれの前記上方側の側面を被覆する前記第2の電極、前記コアマルチシェルナノワイヤにおいて、前記第2の電極と前記IV族半導体基板の間の前記側面を被覆する誘電体膜、及び前記それぞれの第2の電極の間の透明な絶縁体または絶縁体よりも熱伝導率が高い半絶縁性半導体で充填されている、発光素子。
本発明の発光素子は、IV族半導体基板、絶縁膜、III−V族化合物半導体からなるコアマルチシェルナノワイヤ、第1の電極および第2の電極を有する。後述するように、本発明の発光素子は、1)ナノワイヤがIV族半導体基板の(111)面上に配置されており、2)ナノワイヤがコアマルチシェル構造であり、かつ3)ナノワイヤの側面が金属電極(第2の電極)で被覆されていることを特徴とする。
本発明の発光素子の製造方法は、1)基板を準備する第1のステップと、2)コアマルチシェルナノワイヤを形成する第2のステップと、3)第1の電極および第2の電極を形成する第3のステップを含む。
第1のステップでは、(111)面を有するIV族半導体基板と前記(111)面を被覆する絶縁膜とを含む基板を準備する。IV族半導体基板の種類は、(111)面を有するものであれば特に限定されず、例えばn型シリコン(111)基板やp型シリコン(111)基板である。
第2のステップでは、絶縁膜上にコアマルチシェルナノワイヤを形成する。より具体的には、開口部を通して露出したIV族半導体基板の(111)面から中心ナノロッドを成長させ、次いで前記中心ナノロッドの側面に複数の被覆層を形成する。このとき、中心ナノロッドを成長させる前に、交互原料供給変調法によりIV族半導体基板の(111)面にIII−V族化合物半導体の薄膜を形成することが好ましい。
IV族半導体基板にIII族元素を含む原料ガスとV族元素を含む原料ガスとを交互に提供して(以下「交互原料供給変調法」という)、絶縁膜の開口部を通して露出した(111)A面または(111)B面にIII−V族化合物半導体の薄膜を形成する。この交互原料供給変調法による薄膜形成は、中心ナノロッドを成長させるために必要な温度よりも低い温度にて行われることが好ましい。たとえば、交互原料供給変調法による薄膜形成は、約400℃で行うか、または400℃から昇温しながら行えばよい。
III−V化合物半導体の薄膜を形成した後に、IV族半導体基板の表面から絶縁膜の開口部を通してIII−V族化合物半導体からなる中心ナノロッドを成長させる。中心ナノロッドの成長は、例えば有機金属化学気相エピタキシ法(以下「MOVPE法」ともいう)や、分子線エピタキシ法(以下「MBE法」ともいう)などにより行われる。好ましくは、中心ナノロッドの成長は、MOVPE法により行われる。なお、開口部以外の領域では、絶縁膜により中心ナノロッドの成長は阻害される。
第2のステップでは、中心ナノロッドの側面に被覆層を形成する。より具体的には、中心ナノロッドの側面に第1のバリア層を形成し、次いで第1のバリア層の上に量子井戸層、第2のバリア層およびキャッピング層をこの順番で積層させる。被覆層の形成は、例えば有機金属化学気相エピタキシ法(以下「MOVPE法」ともいう)や、分子線エピタキシ法(以下「MBE法」ともいう)などにより行われる。作業工程を減らす観点からは、被覆層の形成方法は、中心ナノロッドの製造方法と同じであることが好ましい。
第3のステップでは、第1の電極および第2の電極を形成する。
本発明の発光素子(レーザー発振器を含む)の製造方法では、互いに発光波長が異なる複数の発光素子を1つの基板上に同時に製造することができる。
実施の形態1では、n型シリコン(111)基板を有する本発明の発光素子の例を示す。
実施の形態2では、p型シリコン(111)基板を有する本発明の発光素子の例を示す。
実施の形態3では、コアマルチシェルナノワイヤ間の空隙が半絶縁性半導体で充填されている本発明の発光素子の例を示す。
1.発光素子の作製
(1)基板の準備
n型シリコン(111)基板を、熱酸化処理して、表面に膜厚20nmのSiO2膜(絶縁膜)を形成した(図5A参照)。電子線ビームリソグラフィーおよびウェットケミカルエッチングによりSiO2膜に周期的に開口部を形成して、シリコン基板の(111)面を露出させた(図5B参照)。開口部の形状は六角形とし、開口部の直径は100nmとした。開口部の中心間距離は、400nmとした。
絶縁膜を形成したシリコン基板を減圧横型MOVPE装置(HR2339;大陽日酸株式会社)にセットした。シリコン基板の温度を925℃に上昇させて5分間維持することで、開口部内のシリコン基板表面に形成された自然酸化膜を除去した。次いで、シリコン基板の温度を925℃から400℃に低下させた。水素化ヒ素ガスを水素ガス(キャリアガス)とともに供給した。水素化ヒ素の分圧は1.3×10-4atmとした。
コアマルチシェルナノワイヤを形成したシリコン基板上に誘電体膜を形成した(図7B参照)。具体的には、ALD法により、膜厚15nmのAl2O3膜を形成した後、スパッタリング法により、膜厚50nmのSiO2膜を形成した。
図14は、作製した発光素子の電流電圧曲線を示すグラフである。内装図は、片対数グラフに変換したものである。この実験では、コアマルチシェルナノワイヤの長さは3μmであり、そのうち上部2μmの部分の側面が第2の電極で被覆されている発光素子を使用した。これらのグラフから、作製した発光素子は、立ち上がり電圧が1.4Vのpn接合ダイオードとして機能していることがわかる。
実施例1では、コアマルチシェルナノワイヤ間の空隙を絶縁樹脂(BCB樹脂)で充填した発光素子を作製した例を示した。実施例2では、コアマルチシェルナノワイヤ間の空隙を半絶縁性半導体(GaAs)で充填した発光素子を作製した例を示す。
(1)基板の準備およびコアマルチシェルナノワイヤの作製
実施例1と同様の手順で、n型シリコン(111)基板の上にコアマルチシェルナノワイヤを作製した(図11参照)。
コアマルチシェルナノワイヤを形成したシリコン基板上に誘電体膜を形成した(図10A参照)。具体的には、ALD法により、膜厚15nmのAl2O3膜を形成した後、スパッタリング法により、膜厚50nmのSiO2膜を形成した。
Claims (15)
- (111)面を有し、第1の導電型にドープされたIV族半導体基板と、
前記IV族半導体基板の(111)面を被覆し、複数の開口部を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に配置され、III−V族化合物半導体からなる複数のコアマルチシェルナノワイヤと、
前記IV族半導体基板に接続された第1の電極と、
前記コアマルチシェルナノワイヤの側面を被覆し、かつ前記コアマルチシェルナノワイヤの側面に接続された第2の電極と、
を有する発光素子であって、
前記コアマルチシェルナノワイヤは、
前記第1の導電型のIII−V族化合物半導体からなり、前記IV族半導体基板の(111)面から前記開口部を通って上方に延伸する、中心ナノロッドと、
前記中心ナノロッドに含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが大きく、かつ前記第1の導電型のIII−V族化合物半導体からなり、前記絶縁膜上において前記中心ナノロッドの側面を被覆する第1のバリア層と、
前記第1のバリア層に含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが小さいIII−V族化合物半導体からなり、第1のバリア層を被覆する量子井戸層と、
前記第1のバリア層に含まれるIII−V族化合物半導体と同じ組成のIII−V族化合物半導体であり、かつ前記第1の導電型と異なる第2の導電型のIII−V族化合物半導体からなり、前記量子井戸層を被覆する第2のバリア層と、
前記第2の導電型のIII−V族化合物半導体からなる層を含み、前記第2の電極とオーミック接続を形成できる、前記第2のバリア層を被覆するキャッピング層と、を有し、
前記複数のコアマルチシェルナノワイヤにおいて、互いに隣接する前記コアマルチシェルナノワイヤのそれぞれの側面の間の空隙には、
隣接する前記コアマルチシェルナノワイヤのそれぞれの前記上方側の側面を被覆する第2の電極、
前記コアマルチシェルナノワイヤにおいて、前記第2の電極と前記IV族半導体基板の間の前記側面を被覆する誘電体膜、
及び、前記それぞれの第2の電極の間の透明な絶縁体または絶縁体よりも熱伝導率が高い半絶縁性半導体が充填されている、発光素子。 - 前記中心ナノロッドの長軸は、前記IV族半導体基板の(111)面に対して垂直である、請求項1に記載の発光素子。
- 前記第1のバリア層および前記第2のバリア層に含まれるIII−V族化合物半導体は、3元化合物半導体または4元化合物半導体であり、
前記中心ナノロッド側から前記量子井戸層側に向けてバンドギャップが徐々に小さくなるように、前記第1のバリア層におけるIII族元素またはV族元素の組成は、前記中心ナノロッド側から前記量子井戸層側に向けて徐々に変化しており、かつ
前記キャッピング層側から前記量子井戸層側に向けてバンドギャップが徐々に小さくなるように、前記第2のバリア層におけるIII族元素またはV族元素の組成は、前記キャッピング層側から前記量子井戸層側に向けて徐々に変化している、
請求項1に記載の発光素子。 - 前記第2の電極は、前記コアマルチシェルナノワイヤの周方向の全周を被覆し、
前記コアマルチシェルナノワイヤの長軸の全長において、前記誘電体が被覆している部分以外の全面に前記第2の電極が被覆しており、前記長軸の全長において前記長軸に沿った長さの前記第2の電極が占める割合は10%以上である、請求項1に記載の発光素子。 - 前記コアマルチシェルナノワイヤは、前記IV族半導体基板の表面1cm2あたり10億本以上配置されている、請求項1に記載の発光素子。
- 前記第1のバリア層および前記第2のバリア層に含まれるIII−V族化合物半導体は、前記量子井戸層に含まれるIII−V族化合物半導体よりも屈折率が小さく、
前記絶縁膜は、全反射絶縁膜を含み、
前記コアマルチシェルナノワイヤの長軸の両端の2つの端面のうち、前記絶縁膜に接触していない端面は、外部雰囲気に露出しているか、部分反射絶縁膜で被覆されており、
前記量子井戸層の2つの端面のうち、前記絶縁膜に接触している端面は、前記絶縁膜に含まれる全反射絶縁膜と界面を形成し、
前記量子井戸層の2つの端面のうち、前記絶縁膜に接触していない端面は、外部雰囲気または前記部分反射絶縁膜と界面を形成する、
請求項1に記載の発光素子。 - 前記絶縁膜は、2以上の領域に区分されており、
前記絶縁膜の2以上の領域のそれぞれには、開口部が形成されており、
前記開口部の中心間距離または前記開口部のサイズは、前記2以上の領域ごとに異なり、
前記コアマルチシェルナノワイヤの組成は、前記2以上の領域ごとに異なる、
請求項6に記載の発光素子。 - IV族半導体基板とIII−V族化合物半導体からなる複数のコアマルチシェルナノワイヤとを有する発光素子の製造方法であって、
(111)面を有するIV族半導体基板と、前記(111)面を被覆し、複数の開口部を有する絶縁膜とを含む基板を準備するステップと、
前記基板を低温熱処理して、前記(111)面を(111)1×1面とするステップと、
前記基板に低温条件下でIII族原料またはV族原料を供給して、前記(111)面を(111)A面または(111)B面に変換するステップと、
前記IV族半導体基板の(111)面から前記開口部を通して、第1の導電型のIII−V族化合物半導体からなる中心ナノロッドを成長させるステップと、
前記中心ナノロッドの側面に、前記中心ナノロッドに含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが大きく、かつ前記第1の導電型のIII−V族化合物半導体からなる第1のバリア層を形成するステップと、
前記第1のバリア層の上に、前記第1のバリア層に含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが小さいIII−V族化合物半導体からなる量子井戸層を形成するステップと、
前記量子井戸層の上に、前記第1のバリア層に含まれるIII−V族化合物半導体と同じ組成のIII−V族化合物半導体であり、かつ前記第1の導電型と異なる第2の導電型のIII−V族化合物半導体からなる第2のバリア層を形成するステップと、
前記第2のバリア層の上に、前記第2の導電型のIII−V族化合物半導体からなるキャッピング層を形成して前記複数のコアマルチシェルナノワイヤを形成するステップと、
前記複数のコアマルチシェルナノワイヤにおいて、前記コアマルチシェルナノワイヤのそれぞれについて表面を誘電体で覆ったのち互いに隣接する前記コアマルチシェルナノワイヤの側面の前記誘電体層の間を絶縁体または半絶縁性半導体で充填するステップと、
前記複数のコアマルチシェルナノワイヤのそれぞれについて、前記絶縁体または半絶縁性半導体をそのままとして前記複数のコアマルチシェルナノワイヤのそれぞれの側面と上側の端面の前記誘電体層を選択的に除去して、前記コアマルチシェルナノワイヤの側面と前記絶縁体または半絶縁性半導体との間に空隙を形成するステップと、
前記空隙に金属材料を充填して、前記複数のコアマルチシェルナノワイヤのそれぞれの側面に第2の電極を形成するステップと、
前記IV族半導体基板上に第1の電極を形成するステップと、
を含む、発光素子の製造方法。 - 前記基板を低温熱処理するステップの前に、前記基板を高温熱処理することにより、前記IV族半導体基板の表面に形成された自然酸化膜を除去するステップをさらに含む、請求項8に記載の製造方法。
- 前記(111)A面または前記(111)B面に変換された(111)1×1面に、V族原料とIII族原料とを交互に供給することで、III−V族化合物半導体の薄膜を形成するステップをさらに含む、請求項8に記載の製造方法。
- 前記(111)面を(111)1×1面とするステップと、前記(111)面を前記(111)A面または(111)B面に変換するステップとを、順に行なうか、または同時に行う、請求項8に記載の製造方法。
- 前記III族原料は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムまたはタリウムを含むガスである、請求項8に記載の製造方法。
- 前記V族原料は、窒素、リン、ヒ素、アンチモンまたはビスマスを含むガスである、請求項8に記載の製造方法。
- 前記(111)面を被覆する絶縁膜は、前記IV族半導体基板の表面の熱酸化膜である、請求項8に記載の製造方法。
- 前記基板を準備するステップにおいて、
前記絶縁膜は、2以上の領域に区分されており、
前記絶縁膜の2以上の領域のそれぞれには、開口部が形成されており、
前記開口部の中心間距離または前記開口部のサイズは、前記2以上の領域ごとに異なる、請求項8に記載の製造方法。
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