JP6788301B2 - AlInN膜および2次元フォトニック結晶共振器とこれらの製造方法ならびに半導体発光素子 - Google Patents
AlInN膜および2次元フォトニック結晶共振器とこれらの製造方法ならびに半導体発光素子 Download PDFInfo
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Description
基板上に形成されたGaNエピタキシャル膜上に設けられるAlInN膜であって、
AlInN層が積層されて形成されており、
積層された前記AlInN層の間に、厚み0.1〜10nmのGaN製、AlN製またはAlGaN製のキャップ層が設けられて、超格子構造が形成されており、
総厚みが200nmを超えていると共に、二乗平均平方根高さRMSが3nm以下であることを特徴とするAlInN膜である。
前記超格子構造における前記AlInN層の各々の厚みが、200nm以下であることを特徴とする第1の技術に記載のAlInN膜である。
前記AlInN層の表面におけるInのドロップレットの数が5×106個/cm2以下であることを特徴とする第1の技術または第2の技術に記載のAlInN膜である。
前記AlInN層の表面にInのドロップレットが存在しないことを特徴とする第3の技術に記載のAlInN膜である。
AlxIn1−xN(x=0.75〜0.90)であることを特徴とする第1の技術ないし第4の技術のいずれか1つの技術に記載のAlInN膜である。
基板上に形成されたGaNエピタキシャル膜上に、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、スパッタ法のいずれかの方法を用いて、700〜850℃の雰囲気下、AlInN層を厚み200nm以下にエピタキシャル成長させて形成するAlInN層形成工程を複数回繰り返して、所定の厚みとなるまで、AlInN層を成長させることを特徴とするAlInN膜の製造方法である。
前記AlInN層形成工程を複数回繰り返すに際して、先行する前記AlInN層形成工程と後続する前記AlInN層形成工程との間に、雰囲気温度をAlInNの成長温度よりも低い温度に維持して、所定時間、AlInN層の成長を中断させるAlInN層形成中断工程を設けることを特徴とする第6の技術に記載のAlInN膜の製造方法である。
前記AlInN層形成工程を複数回繰り返すに際して、先行する前記AlInN層形成工程と後続する前記AlInN層形成工程との間に、先行する前記AlInN層形成工程において形成された前記AlInN層の上に、前記AlInN層形成工程と同じ温度雰囲気下、厚み0.1〜10nmのGaN製、AlN製またはAlGaN製のキャップ層を形成させるキャップ層形成工程、および、前記キャップ層が形成された前記AlInN層をさらに昇温させると共に、AlInN層形成工程と同じ温度雰囲気まで降温させる昇温降温工程を設けることを特徴とする第6の技術に記載のAlInN膜の製造方法である。
前記昇温降温工程において所定の温度まで昇温した時点で、前記キャップ層形成工程において形成されたキャップ層の上に第二キャップ層を形成することを特徴とする第8の技術に記載のAlInN膜の製造方法である。
第1の技術ないし第5の技術のいずれか1つの技術に記載のAlInN膜を犠牲層として2次元フォトニック結晶共振器を製造する2次元フォトニック結晶共振器の製造方法であって、
GaNエピタキシャル膜が形成された基板上に、前記AlInN膜および発光層を形成させた後、
前記AlInN膜をウェットエッチングしてエアクラッド層を形成させることを特徴とする2次元フォトニック結晶共振器の製造方法である。
GaNエピタキシャル膜が形成された基板上に、AlInN膜をウェットエッチングして形成されたエアクラッド層および発光層を積層して構成されている2次元フォトニック結晶共振器であって、
前記エアクラッド層が、200nmを超える厚みに形成されていることを特徴とする2次元フォトニック結晶共振器である。
前記エアクラッド層が、前記発光層から出射される光の1波長分に対応する厚みに形成されていることを特徴とする第11の技術に記載の2次元フォトニック結晶共振器である。
前記GaNエピタキシャル膜が形成された基板が、サファイヤ基板、GaN基板、Si基板のいずれかの基板上に前記GaNエピタキシャル膜を積層して構成されていることを特徴とする第11の技術または第12の技術に記載の2次元フォトニック結晶共振器である。
基板側から順に、n型GaN層、GaN系発光層、p型GaN層が設けられており、前記n型GaN層と前記GaN系発光層との間に、第11の技術ないし第13の技術のいずれか1つの技術に記載の2次元フォトニック結晶共振器が配置されていることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明は上記の各技術に基づいてなされたものであり、
請求項1に記載の発明は、
GaNエピタキシャル膜が形成された基板上に、AlInN膜をウェットエッチングして形成されたエアクラッド層および発光層を積層して構成されている2次元フォトニック結晶共振器であって、
前記エアクラッド層が、200nmを超える厚みに形成されていることを特徴とする2次元フォトニック結晶共振器である。
請求項2に記載の発明は、
前記エアクラッド層が、前記発光層から出射される光の1波長分に対応する厚みに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶共振器である。
請求項3に記載の発明は、
前記GaNエピタキシャル膜が形成された基板が、サファイヤ基板、GaN基板、Si基板のいずれかの基板上に前記GaNエピタキシャル膜を積層して構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の2次元フォトニック結晶共振器である。
請求項4に記載の発明は、
基板側から順に、n型GaN層、GaN系発光層、p型GaN層が設けられており、前記n型GaN層と前記GaN系発光層との間に、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の2次元フォトニック結晶共振器が配置されていることを特徴とする半導体発光素子である。
最初に、本発明における検討経過について説明し、その後、具体的な実施の形態について説明する。なお、以下では、Eu添加GaN(GaN:Eu)を用いた赤色発光半導体を例に挙げて説明するが、GaN系の青色発光半導体、緑色発光半導体に対しても、同様に考えることができる。
上記したように、本発明は発光効率(発光強度)の増大化を図るものであり、そのための方策として、発光遷移確率の向上と光取り出し効率の向上が考えられる。
この内、発光遷移確率の向上について、本発明者は、前記したように、Eu添加GaN(GaN:Eu)を用いた赤色発光半導体において発光遷移効率を向上させて、100μWを超える光出力を得ている。
一方、光取り出し効率の向上については、光は臨界角以下の光しか空気中に取り出せないため、現状、上記した赤色発光半導体の発光波長である622nmにおけるGaNからの光取り出し量は約4%と低い水準に留まっており、さらなる光取り出し効率の向上が望まれている。
そこで、本発明者は、光の出射方向を制御して、GaN発光層の垂直方向へ光を出射させることができれば、光取り出し量を増加させることができ、光取り出し効率を向上できると考え、レーザダイオードなどで適用されている共振器分布ブラッグ反射器(共振器DBR:Distributed Bragg Reflector)を用いた共振器に思い至った。
2次元フォトニック結晶構造におけるエアクラッド層を形成する技術として、従来より、GaN層上にAlInN層を犠牲層として形成した後、ウェットエッチングする技術が提案されている。
以下、実施の形態に基づいて、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
最初に、本実施の形態に係るAlInN膜について説明する。本実施の形態に係るAlInN膜は、基板上に形成されたGaNエピタキシャル膜上に設けられるAlInN膜であって、AlInN層が積層されて形成されており、積層されたAlInN層の間に、厚み0.1〜10nmのGaN製、AlN製またはAlGaN製のキャップ層が設けられて、超格子構造が形成されており、総厚みが200nmを超えていると共に、二乗平均平方根高さRMSが3nm以下であることを特徴としている。
上記した本実施の形態に係るAlInN膜は、基板上に形成されたGaNエピタキシャル膜上に、有機金属気相成長法を用いて、700〜850℃、好ましくは780〜850℃の雰囲気下、AlInN層を厚み200nm以下、好ましくは100nm以下にエピタキシャル成長させて形成するAlInN層形成工程を複数回繰り返して、所定の厚みとなるまで、AlInN層を成長させることにより製造することができる。
第1の製造方法は、AlInN層形成工程を複数回繰り返すに際して、先行するAlInN層形成工程と後続するAlInN層形成工程との間に、雰囲気温度を700〜850℃に維持して、所定時間、AlInN層の成長を中断させるAlInN層形成中断工程を設ける方法である。
第2の製造方法は、AlInN層形成工程を複数回繰り返すに際して、先行するAlInN層形成工程と後続するAlInN層形成工程との間に、先行するAlInN層形成工程において形成されたAlInN層の上に、AlInN層形成工程と同じ温度雰囲気下、厚み0.1〜10nm、好ましくは1〜10nmのGaN製、AlN製またはAlGaN製のキャップ層を形成させるキャップ層形成工程、および、キャップ層が形成されたAlInN層をさらに昇温させると共に、AlInN層形成工程と同じ温度雰囲気まで降温させる昇温降温工程を設ける方法である。
次に、2次元フォトニック結晶共振器について説明する。2次元フォトニック結晶共振器は、一般的に超小型で光閉じ込め率が高いことを特徴としている。本実施の形態の2次元フォトニック結晶共振器は、エアクラッド層を備えており、エアクラッド層の厚みが200nmを超え、好ましくは発生対象の光の1波長に相当する長さ以上の厚みを有しており、これにより、Q値を一層向上させている。
そして、上記した2次元フォトニック結晶共振器を用いて製造された半導体発光素子は、発光1波長に対応した厚みにエアクラッド層が形成されているため、十分高いQ値を確保して発光強度の増大化を図ることができ、従来よりも飛躍的に発光効率の増大させることができる。
上記においては、2次元フォトニック結晶共振器を半導体発光素子に利用しているが、発光層に替えて吸光層を設けた場合には、吸光された光が2次元フォトニック結晶共振器内に閉じ込められて外に逃げることができないため、吸光効率を大きく向上させることができる。このため、このような2次元フォトニック結晶共振器を太陽電池に使用した場合には、光の電気への変換効率を大きく上昇させて高効率な太陽電池を提供することができる。
最初に、AlInN膜の作製について、図3を参照しながら説明する。なお、図3は、本実施の形態におけるAlInN膜の構造を説明する図である。
まず、サファイヤ基板100を有機金属気層成長装置の反応炉内に載置する。その後、反応炉内にアンモニアと水素を流した雰囲気状態で反応炉内を昇温して、サファイヤ基板100の表面をサーマルクリーニングする。
次に、反応炉内の温度雰囲気(基板温度)を800℃程度まで降温し、反応炉内に、キャリアガスである窒素、窒素原料であるアンモニア、III族原料のTMA(トリメチルアルミニウム)とTMIn(トリメチルインジウム)を供給する。
そこで、本実施例においては、Inのドロップレットの析出がまだ少なくAlInN膜の表面状態が悪化しているとは言えない膜厚、具体的には、100nm程度までの膜厚で、AlxIn1−xN層103の成膜を一時中断する。
以下、総厚が所望する厚みとなるまで、AlInN膜の形成とキャップ層の形成とを繰り返す。この間、キャップ層の形成時、Inのドロップレットが取り除かれるため、AlInN膜およびキャップ層を積層させて厚膜化しても、表面状態の悪化を招くことがない。
A:サファイヤ基板のサーマルクリーニング
B:GaN低温堆積緩衝層の形成
C:GaNエピタキシャル成長層の形成
D:AlxIn1−xN層の形成
E:AlxIn1−xN層と同じ成長温度でのAlxGa1−xNキャップ層(第一キャップ層)の形成
F:昇温後の温度で成長するAlxGa1−xNキャップ層(第二キャップ層)の形成
(a)表面状態
図5の成長シーケンスに従って作製されたAlInN膜(実施例)と、連続成長させて作製されたAlInN膜(比較例)について、その表面AFM像(1×1μmの領域)を取得し、その表面粗さの二乗平均平方根(RMS)値を評価した。図6に実施例のAlInN膜における表面AFM像を、図7に比較例のAlInN膜における表面AFM像を示す。
次に、実施例および比較例のAlInN膜についてX線回折測定を行った。得られたX線回折曲線を図8に示す。なお、図8において、(a)は比較例、(b)は実施例であり、それぞれ、横軸は回転角度(2θ)、縦軸はX線回折強度である。
次に、上記で作製されたAlInN膜を用いた2次元フォトニック結晶の作製について説明する。図9は、この2次元フォトニック結晶の作製工程を説明する図である。
まず、図9のAに示すように、上記において作成されたAlInN膜の上に、発光層であるEu添加GaN層106を形成する。
次に、AlInN膜を犠牲層として、図9のB〜Dの手順に従って、エアクラッド層を形成する。
本実施例においては、電子ビーム描画(EBレジスト)を用いて、Eu添加GaN層にナノサイズのパターンを作製しているが、ナノインプリントの方法を用いてもよい。
次に、図9のCに示すように、誘導結合性プラズマエッチング装置、もしくは反応性イオンエッチング装置を用いて、Eu添加GaN層からAlInN膜に向けてナノサイズの円孔を形成する。
次に、図9のDに示すように、犠牲層であるAlInN膜をウェットエッチングにより除去して、エアクラッド層を保持するブリッジの形成を行う。
次に、上記2次元フォトニック結晶共振器を備えた半導体素子(実施例)を作製して、2次元フォトニック結晶共振器のない従来の半導体素子(比較例)と共に、発光強度を測定して比較することにより、発光効率の増大化を確認した。
101 GaN低温堆積緩衝層
102 GaNエピタキシャル成長層
103 AlxIn1−xN層
104、105 AlxGa1−xNキャップ層
106 Eu添加GaN層
Claims (4)
- GaNエピタキシャル膜が形成された基板上に、AlInN膜をウェットエッチングして形成されたエアクラッド層および発光層を積層して構成されている2次元フォトニック結晶共振器であって、
前記エアクラッド層が、200nmを超える厚みに形成されていることを特徴とする2次元フォトニック結晶共振器。 - 前記エアクラッド層が、前記発光層から出射される光の1波長分に対応する厚みに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶共振器。
- 前記GaNエピタキシャル膜が形成された基板が、サファイヤ基板、GaN基板、Si基板のいずれかの基板上に前記GaNエピタキシャル膜を積層して構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の2次元フォトニック結晶共振器。
- 基板側から順に、n型GaN層、GaN系発光層、p型GaN層が設けられており、前記n型GaN層と前記GaN系発光層との間に、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の2次元フォトニック結晶共振器が配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
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