JP7478286B2 - 発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
図1(a)は第1の実施形態にかかる半導体発光デバイスの模式断面図、図1(b)は多重量子井戸層拡大模式断面図、である。
半導体発光デバイス10は、基板12と、多重量子井戸層40と、を少なくとも有する。
図1(a)に表すように、半導体発光デバイス10は、AlGaAsクラッド層を含む第1の層14、AlGaAsクラッド層を含む第2の層16、上部電極50、および下部電極60をさらに有することができる。
図2(a)に表すように、半導体発光デバイス110は、AlGaAsクラッド層を含む第1の層114、多重量子井戸層140、AlGaAsクラッド層を含む第2の層116、を有する。InxGa1-xAs井戸層141は、x=0.15かつ厚さ6nmである。また、GaAs1-yPy障壁層160のy=0.05かつ厚さ30nmである。比較例では、GaAs基板112に対してInGaAs井戸層141の格子定数は大きいが、GaAs基板112に対してGaAsP障壁層160の格子定数が小さくなるようにして応力が釣り合う関係とされる。なお、発光波長は約950nmなどである。
断面TEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)観察写真図に表す白色ストライプ部分がInGaAs井戸層141~150を表し、その両側はGaAsP障壁層160を表す。結晶成長方向は、下方から上方に向かっており、下から5層目までは上側障壁層との界面はほぼ平坦に保たれている。他方、6層目よりも上方になるほど上側障壁層との界面の平坦性が損われ井戸層厚さにゆらぎが発生している。この界面不均一性は結晶成長が進行するほど(写真図で上方になるほど)増加する。この不均一性はInGaAs井戸層141~150の格子緩和(膜厚ゆらぎなど)によるもので、結晶成長が進行するほどGaAsP障壁層での歪補償が機能しなくなるためと思われる。
InGaAs井戸層401~410は、InxGa1-xAsのIn混晶比xおよび厚さT1が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、障壁層411~419は、GaAs1-yPyのP混晶比yが異なる少なくとも2つの領域を含む。図4では、GaAsP障壁層は、P混晶比yの高い第1領域416~419がP混晶比yの低い第2領域411~415の上方に結晶成長される。GaAsP障壁層の第1領域416~419は、P混晶比yが結晶成長方向(積層方向)に沿って、たとえば、0.051から0.054に増大する。すなわち、GaAsP障壁層411~419のP混晶比yは一定ではなく変化する。
InGaAs井戸層401~410は、InxGa1-xAsのIn混晶比xおよび厚さT1が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、GaAsP障壁層411~419は、GaAs1-yPyのP混晶比yが異なる少なくとも2つの領域を含む。図5では、GaAsP障壁層は、P混晶比yの高い第1領域416~419がP混晶比yの低い第2領域411~415の上方に結晶成長(積層)される。すなわち、GaAsP障壁層416~419は、P混晶比yが、たとえば、0.055で一定とされる。また、第2領域411~415は、P混晶比yが、たとえば、0.05とより低くかつ一定とされる。
InGaAs井戸層401~410は、InxGa1-xAsのIn混晶比xおよび厚さT1が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、GaAsP障壁層411~419は、厚さが異なる少なくとも2つの領域を含む。GaAsP障壁層411~419の厚さは、たとえば、30.0nm~31.6nmまで、たとえば、結晶成長方向(積層方向)に沿って0.2nmずつ連続的に増加する。このようすると、30nm以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、10000時間動作後の光出力の低下を、たとえば、1%以下などと低減できる。
InGaAs井戸層401~410は、InxGa1-xAsのIn混晶比xおよび厚さT1が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、GaAsP障壁層411~419は、その厚さが結晶成長方向(積層方向)に沿って変化する。図7では、厚さが大きい第3領域416~419が厚さの小さい第4領域411~415の上に結晶成長(積層)により設けられる。たとえば、GaAsP障壁層の第4領域411~415の厚さは、たとえば、30nmと一定であるが、GaAsP障壁層の第3領域416~419の厚さが結晶成長方向(積層方向)に沿って、たとえば、30.2~30.8nmまで0.2nmずつ連続的に増加する。
InGaAs井戸層401~410は、InxGa1-xAsのIn混晶比xおよび厚さT1が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、GaAsP障壁層411~419は、その厚さが結晶成長方向(積層方向)に沿って変化する。図8では、第3領域416~419が厚さの小さい第4領域411~415の領域の上に設けられる。たとえば、GaAsP障壁層411~415の厚さは、たとえば、30nmと一定であり、GaAsP障壁層416~419の厚さは、たとえば、31nmと一定でありかつ障壁層411~415の厚さよりも大きい。
InGaAs井戸層401~410は、InxGa1-xAsのIn混晶比xおよび厚さT1が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、障壁層1011~1019は、AlzGa1-zAs1-yPy(0.05≦y≦0.058)からなるものとし、その厚さは、たとえば、すべて30nmであるとする。障壁層にAlを加えたことでバンドギャップが大きくなり、井戸層へのキャリアの閉じ込め効果を高めることができる。但し、障壁高さが増加することでキャリア注入に必要なバイアス電圧も増加する。
第1の実施形態では、GaAs基板12上に、AlGaAsクラッド層を含む第1の層14、多重量子井戸層40、AlGaAsクラッド層を含む第2の層16がこの順序に結晶成長される。第8の実施形態では、別に用意した支持基板1101の表面に、第2の層16の表面をウェーハ状態で貼り付けたのち、結晶成長に用いたGaAs基板12を剥離する。支持基板1101としては、たとえば、Si、Ge、Al2O3、Al2O3以外の酸化膜、および金属のうちのいずれかとすることができる。
Claims (9)
- GaAs基板と、
前記GaAs基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Al1-xGaxAs1-yPy(0<x≦1、0<y<1)で表されるAlGaAsPを含み、前記井戸層は、組成式InzGa1-zAs(0<z<1)で表されるInGaAsを含む、多重量子井戸層と、
を備え、
前記AlGaAsPの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも小さく、
前記InGaAsの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、を含む、第1領域および第2領域を有し、前記第1領域は、前記GaAs基板と前記第2領域との間に位置し、
前記複数の井戸層は、同じ組成「z」を有するInGaAsを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記第2領域の前記障壁層におけるAlGaAsPのP組成「y」は、前記第1領域の前記障壁層におけるAlGaAsPのP組成「y」よりも大きい、発光ダイオード。 - 前記第1領域は、第1障壁層と、前記第1障壁層上に設けられる第2障壁層と、を含み、
前記第2領域は、第3障壁層と、前記第3障壁層上に設けられる第4障壁層と、を含み、
前記第2障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」は、前記第1障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」よりも大きく、
前記第4障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」は、前記第3障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」よりも大きい、請求項1記載の発光ダイオード。 - 前記第1領域は、第1障壁層と、前記第1障壁層上に設けられる第2障壁層と、を含み、
前記第2領域は、第3障壁層と、前記第3障壁層上に設けられる第4障壁層と、を含み、
前記第2障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」は、前記第1障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」と同じであり、
前記第4障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」は、前記第3障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」よりも大きい、請求項1記載の発光ダイオード。 - 前記第1領域は、第1障壁層と、前記第1障壁層上に設けられる第2障壁層と、を含み、
前記第2領域は、第3障壁層と、前記第3障壁層上に設けられる第4障壁層と、を含み、
前記第2障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」は、前記第1障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」と同じであり、
前記第4障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」は、前記第3障壁層のAlGaAsPにおけるP組成「y」と同じである、請求項1記載の発光ダイオード。 - GaAs基板と、
前記GaAs基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Al1-xGaxAs1-yPy(0<x≦1、0<y<1)で表されるAlGaAsPを含み、前記井戸層は、組成式InzGa1-zAs(0<z<1)で表されるInGaAsを含む、多重量子井戸層と、
を備え、
前記AlGaAsPの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも小さく、
前記InGaAsの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、含む、第1領域および第2領域を有し、前記第1領域は、前記GaAs基板と前記第2領域との間に
位置し、
前記複数の井戸層は、同じ組成「z」を有するInGaAsを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記複数の障壁層は、同じ組成「y」を有するAlGaAsPを含み、
前記第1領域から前記第2領域に向かう第1方向において、前記第2領域における前記障壁層の層厚は、前記第1領域における前記障壁層の層厚よりも大きい、発光ダイオード。 - 前記第1領域は、第1障壁層と、前記第1障壁層上に設けられる第2障壁層と、を含み、
前記第2領域は、第3障壁層と、前記第3障壁層上に設けられる第4障壁層と、を含み、
前記第2障壁層の前記第1方向の層厚は、前記第1障壁層の前記第1方向の層厚よりも大きく、前記第4障壁層の前記第1方向の層厚は、前記第3障壁層の前記第1方向の層厚よりも大きい、請求項5記載の発光ダイオード。 - GaAs基板と、
前記GaAs基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Al1-xGaxAs1-yPy(0<x≦1、0.05≦y≦0.058)で表されるAlGaAsPを含み、前記井戸層は、組成式InzGa1-zAs(0<z≦0.2)で表されるInGaAsを含む、多重量子井戸層と、
を備え、
前記AlGaAsPの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも小さく、
前記InGaAsの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、を含む、第1領域および第2領域を有し、前記第1領域は、前記GaAs基板と前記第2領域との間に位置し、
前記複数の井戸層は、同じ組成「z」を有するInGaAsを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記第2領域の前記障壁層におけるAlGaAsPのP組成「y」は、前記第1領域の前記障壁層におけるAlGaAsPのP組成「y」よりも大きく、
前記多重量子井戸層から放射される光の発光スペクトル幅が30nm以下である発光ダイオード。 - 前記GaAs基板と、前記多重量子井戸層と、の間に設けられた下地層をさらに備え、
前記下地層は、In、Ga、Al、PおよびAsのいずれかを含む化合物半導体を含む、請求項1~6のいずれか1つに記載の発光ダイオード。 - 組成式Al1-xGaxAs1-yPy(0<x≦1、0<y<1)で表されるAlGaAsPを含む障壁層と、組成式InzGa1-zAs(0<z<1)で表されるInGaAsを含む井戸層と、を含む多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に設けられる第2基板と、を有する発光ダイオードの製造方法であって、
GaAs基板上に、前記多重量子井戸層の前記障壁層と前記井戸層とを交互に形成する工程と、
前記多重量子井戸層上に前記第2基板を接合する工程と、
前記GaAs基板を除去する工程と、
を備え、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記第1障壁層と複数の前記井戸層とを含む、第1領域および第2領域を有し、前記第2領域は、前記第1領域と前記第2基板との間に位置し、
前記AlGaAsPの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも小さく、
前記InGaAsの格子定数は、前記GaAs基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層中の前記井戸層は、同じ組成「z」を有するInGaAsを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記第2領域の前記障壁層におけるAlGaAsPのP組成「y」は、前記第1領域の前記障壁層におけるAlGaAsPのP組成「y」よりも大きいか、
または、前記多重量子井戸層中の前記障壁層は、同じ組成「y」を有するAlGaAsPを含み、前記第1領域から前記第2領域に向かう方向において、前記第2領域における前記障壁層の層厚は、前記第1領域における前記障壁層の層厚よりも大きく、
前記第2基板は、Si、Ge、酸化膜、および金属のうちのいずれか1つを含む、発光ダイオードの製造方法。
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