JP6232611B2 - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
[1](111)面を有し、第1の導電型にドープされたIII−V族化合物半導体またはSiからなる基板と、前記基板の(111)面を被覆し、1または2以上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1または2以上のコアマルチシェルナノワイヤと、前記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、を有し、前記コアマルチシェルナノワイヤは、前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のInPからなり、前記基板の(111)面から前記開口部を通って上方に延伸する中心ナノワイヤと、前記中心ナノワイヤに含まれるInPよりもバンドギャップが大きく、かつ前記第1の導電型のウルツ鉱型構造の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ワイヤの側面を被覆する第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが小さいウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、前記第1のクラッド層を被覆する発光層と、前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体と同じ組成のウルツ鉱型構造の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、前記発光層を被覆する第2のクラッド層と、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる、前記第2のクラッド層を被覆するキャップ層と、を有する、発光素子。
[2]前記基板は、前記第1の導電型のInPからなり、前記第1のクラッド層は、前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、前記発光層は、ウルツ鉱型構造のGaPからなり、前記第2のクラッド層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、前記キャップ層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のGaPからなる、[1]に記載の発光素子。
[3]III−V族化合物半導体からなる1または2以上のコアマルチシェルナノワイヤを有する発光素子の製造方法であって、第1の導電型にドープされたIII−V族化合物半導体またはSiからなる基板であって、前記基板の(111)面が1または2以上の開口部を有する絶縁膜で被覆されている基板を準備するステップと、前記基板の(111)面から前記開口部を通して、第1の導電型のウルツ鉱型構造のInPからなる中心ナノワイヤを成長させるステップと、前記中心ナノワイヤの側面に、前記中心ナノワイヤに含まれるInPよりもバンドギャップが大きく、かつ前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層を形成するステップと、前記第1のクラッド層の上に、前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが小さいウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる発光層を形成するステップと、前記発光層の上に、前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体と同じ組成のウルツ鉱型構造の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のクラッド層を形成するステップと、前記第2のクラッド層の上に、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなるキャップ層を形成するステップと、前記基板上に第1の電極を形成し、かつ前記キャップ層上に第2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。
[4]前記基板は、前記第1の導電型のInPからなり、前記第1のクラッド層は、前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、前記発光層は、ウルツ鉱型構造のGaPからなり、前記第2のクラッド層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、前記キャップ層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のGaPからなる、[3]に記載の発光素子の製造方法。
本発明に係る発光素子は、ウルツ鉱型構造のInPからなるナノワイヤを下地結晶として作製された、ウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体(例えばGaP)からなる発光層を有することを一つの特徴とする。InPは、イオン性が高いため、GaPなどの他のIII−V族化合物半導体に比べてウルツ鉱型構造となりやすい。そこで、本発明では、ウルツ鉱型構造のInPからなるナノワイヤを作製し、このナノワイヤを下地結晶として用いることで、ウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる発光層を作製する。そこで、本発明に係る発光素子について説明する前に、ウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体層の形成方法について説明する。
[発光素子の構成]
次に、本発明に係る発光素子について説明する。本発明に係る発光素子は、III−V族化合物半導体からなる基板、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、量子井戸型またはダブルヘテロ型の発光ダイオードである。
次に、本発明に係る発光素子の製造方法について説明する。本発明に係る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、第1の導電型にドープされたIII−V族化合物半導体またはSiからなる基板であって、基板の(111)面が開口部を有する絶縁膜で被覆されている基板を準備する。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InP(111)基板やp型InP(111)基板、n型Si(111)基板、p型Si(111)基板などである。
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基板の(111)面から中心ナノワイヤを成長させ、次いで前記中心ナノワイヤの側面に複数の被覆層を形成する。
基板の表面から絶縁膜の開口部を通してウルツ鉱型構造のInPからなる中心ナノワイヤを成長させる。中心ナノワイヤの成長は、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、中心ナノワイヤの成長は、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ワイヤの成長は阻害される。
次いで、中心ナノワイヤの側面に被覆層を形成する。より具体的には、中心ナノワイヤの側面に第1のクラッド層を形成し、次いで第1のクラッド層の上に発光層、第2のクラッド層およびキャップ層をこの順番で積層させる。前述のとおり、ウルツ鉱型構造の中心ナノワイヤを下地結晶として使用することで、ウルツ鉱型構造の被覆層を形成することができる。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、中心ナノワイヤ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。
以上のように、本発明に係る発光素子の製造方法では、ウルツ鉱型構造のInPからなる中心ナノワイヤを下地結晶として、ウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる被覆層を形成する。従来のVLS成長法で作製されたウルツ鉱型構造のGaPには、閃亜鉛鉱型構造が混在してしまう(非特許文献4参照)。これに対し、本発明に係る発光素子の製造方法では、ウルツ鉱型構造のInPを下地結晶として、積層欠陥の無いウルツ鉱型構造の発光層(例えばGaP)を形成することができる。したがって、本発明に係る発光素子では、直接遷移による発光を実現することができ、緑色領域においても発光効率を向上させることができる。
本発明に係る発光素子の製造方法では、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もできる。
以下、図面を参照して本発明に係る発光素子をより詳細に説明する。ここでは、ウルツ鉱型構造のn型GaPからなる発光層を有する発光素子の例を示す。
(1)基板の準備
p型InP(111)A基板の表面に、スパッタリング法により膜厚約25nmのSiO2膜(絶縁膜)を形成した(図7A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、p型InP基板の(111)面を露出させた(図7B参照)。開口部の形状は六角形とし、開口部の径は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p型InP基板を減圧横型MOVPE装置(HR2339;大陽日酸株式会社)にセットし、p型InP基板表面から開口部を通してウルツ鉱型構造のp型InPナノワイヤ(中心ナノワイヤ)を成長させた(図7C参照)。
コアマルチシェルナノワイヤを形成したInP基板上に誘電体膜を形成した(図9B参照)。具体的には、ALD法により、膜厚20nmのAl2O3膜を形成した後、スパッタリング法により、膜厚40nmのSiO2膜を形成した。
20,120 絶縁膜
30 InPナノワイヤ
40 GaP層
100 発光素子
110,210 p型InP基板
130、230 コアマルチシェルナノワイヤ
131 中心ナノワイヤ
132 第1のクラッド層
133 発光層
134 第2のクラッド層
135 キャップ層
140,240 絶縁樹脂
150 第1の電極
160 第2の電極
170,270 誘電体膜
220 SiO2膜
231 p型InPナノワイヤ
232 p型AlP層
233 n型GaP層
234 n型AlP層
235 n型GaP層
250 Cr/Au多層膜
260 Ti/Au多層膜
Claims (4)
- (111)面を有し、第1の導電型にドープされたIII−V族化合物半導体またはSiからなる基板と、
前記基板の(111)面を被覆し、1または2以上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1または2以上のコアマルチシェルナノワイヤと、
前記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、を有し、
前記コアマルチシェルナノワイヤは、
前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のInPからなり、前記基板の(111)面から前記開口部を通って上方に延伸する中心ナノワイヤと、
前記中心ナノワイヤに含まれるInPよりもバンドギャップが大きく、かつ前記第1の導電型のウルツ鉱型構造の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ワイヤの側面を被覆する第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが小さいウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、前記第1のクラッド層を被覆する発光層と、
前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体と同じ組成のウルツ鉱型構造の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、前記発光層を被覆する第2のクラッド層と、
前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる、前記第2のクラッド層を被覆するキャップ層と、を有し、
前記中心ナノワイヤ、前記第1のクラッド層、前記発光層、前記第2のクラッド層および前記キャップ層には、閃亜鉛鉱型構造が混在していない、
発光素子。 - 前記基板は、前記第1の導電型のInPからなり、
前記第1のクラッド層は、前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、
前記発光層は、ウルツ鉱型構造のGaPからなり、
前記第2のクラッド層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、
前記キャップ層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のGaPからなる、
請求項1に記載の発光素子。 - III−V族化合物半導体からなる1または2以上のコアマルチシェルナノワイヤを有する発光素子の製造方法であって、
第1の導電型にドープされたIII−V族化合物半導体またはSiからなる基板であって、前記基板の(111)面が1または2以上の開口部を有する絶縁膜で被覆されている基板を準備するステップと、
前記基板の(111)面から前記開口部を通して、第1の導電型のウルツ鉱型構造のInPからなり、閃亜鉛鉱型構造が混在していない中心ナノワイヤを、金属触媒を用いずに成長させるステップと、
前記中心ナノワイヤの側面に、前記中心ナノワイヤに含まれるInPよりもバンドギャップが大きく、かつ前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、閃亜鉛鉱型構造が混在していない第1のクラッド層を形成するステップと、
前記第1のクラッド層の上に、前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体よりもバンドギャップが小さいウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、閃亜鉛鉱型構造が混在していない発光層を形成するステップと、
前記発光層の上に、前記第1のクラッド層に含まれるIII−V族化合物半導体と同じ組成のウルツ鉱型構造の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、閃亜鉛鉱型構造が混在していない第2のクラッド層を形成するステップと、
前記第2のクラッド層の上に、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、閃亜鉛鉱型構造が混在していないキャップ層を形成するステップと、
前記基板上に第1の電極を形成し、かつ前記キャップ層上に第2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。 - 前記基板は、前記第1の導電型のInPからなり、
前記第1のクラッド層は、前記第1の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、
前記発光層は、ウルツ鉱型構造のGaPからなり、
前記第2のクラッド層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のAlPからなり、
前記キャップ層は、前記第2の導電型のウルツ鉱型構造のGaPからなる、
請求項3に記載の発光素子の製造方法。
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