(57)【要約】  バンドキャップの大きい無機のヘテロ構造内にエレクトロルミネッセンス層として量子ドットを採用した光電子デバイスが提供される。量子ドットは、デバイスの光学的活性部品として機能し、多重量子ドット層の実施形態では、格子不整合基板を有するヘテロ構造におけるナノスケールのエピタキシャル横方向成長（ＮＥＬＯＧ）を支援する。こうしたデバイスの量子ドットは、光学的に励起されて、フォトルミネッセンスを生じるのとは対照的に、電気的に励起され、エレクトロルミネッセンスを発する。エレクトロルミネッセンスには、本質的に「ストークス損失」が存在しないので、本発明のデバイスは、光学的に励起された量子ドットデバイスより高い効率を有する。さらに、本発明で得られたデバイスによれば、量子ドットの大きさと組成を調製し、製造プロセスを制御することにより、深い緑色の可視光を得ることができるとともに、白色光を含む可視スペクトル中の任意の他の色を得ることができる。
2007534146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドット光電子デバイスであって、
第１の導電型の第１の層と、
第１の層の一部領域の上にのみ配設され、第１の層の他の部分領域の上には配設されない量子ドット層と、
量子ドット層および第１の層の上に配設された、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層の上方で、第２の層の下方に配設されたカプセル層をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスであって、
基板をさらに有し、
第１の層は基板の上に積層されることを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項３に記載のデバイスであって、
基板は、電気絶縁体の群から選択された材料で構成されることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項３に記載のデバイスであって、
基板は、半導体の群から選択された材料で構成されることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項３に記載のデバイスであって、
基板は、サファイア、シリコン、二酸化シリコン、ガラス、シリコンカーバイド、ニオブ酸リチウム、没食子酸リチウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、酸化亜鉛からなる材料の群から選択された材料で構成されることを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のデバイスであって、
第１および第２の層は、量子ドットのバンドキャップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項１に記載のデバイスであって、
第１の層は、III属窒化物材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、単層の量子ドット層であることを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、多重量子ドット層であることを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、II−VI属半導体化合物から選択される材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、第１のII−VI属半導体化合物からなる内側コアと、第２のII−VI属半導体化合物からなる外側コアとを有する量子ドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）からなる内側コアと、硫化亜鉛（ＺｎＳ）からなる外側コアとを有する量子ドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１４】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドットは、単分散サイズ分布を有するドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドットは、多重分散サイズ分布を有するドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１６】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、第１の層の上に塊状に形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項１７】
請求項１に記載のデバイスであって、
第２の層は、III属窒化物材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項１８】
請求項２に記載のデバイスであって、
カプセル層は、III属窒化物材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項１９】
量子ドット光電子デバイスであって、
窪んだ表面を含む第１の導電型の第１の層と、
第１の層の窪んだ表面上に積層された複数の量子ドットであって、第１の層の表面の窪みに実質的に隣接して配置される量子ドットと、
量子ドット層および第１の層の上に配設された、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
請求項１９に記載のデバイスであって、
量子ドット層の上方で、第２の層の下方に配設されたカプセル層をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項２１】
請求項１９に記載のデバイスであって、
基板をさらに有し、
第１の層は基板の上に積層されることを特徴とするデバイス。
【請求項２２】
請求項２１に記載のデバイスであって、
基板は、電気絶縁体の群から選択された材料で構成されることを特徴とするデバイス。
【請求項２３】
請求項２１に記載のデバイスであって、
基板は、半導体の群から選択された材料で構成されることを特徴とするデバイス。
【請求項２４】
請求項２１に記載のデバイスであって、
基板は、サファイア、シリコン、二酸化シリコン、ガラス、シリコンカーバイド、ニオブ酸リチウム、没食子酸リチウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、酸化亜鉛からなる材料の群から選択された材料で構成されることを特徴とするデバイス。
【請求項２５】
請求項１９に記載のデバイスであって、
第１および第２の層は、量子ドットのバンドキャップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項２６】
請求項１９に記載のデバイスであって、
III属窒化物材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項２７】
請求項１９に記載のデバイスであって、
窪んだ表面を有する第１の層は、表面にエッチング窪みを有する第１の層であることを特徴とするデバイス。
【請求項２８】
請求項１９に記載のデバイスであって、
窪んだ表面を有する第１の層は、電子を放出する複数のフィールドエミッタを窪みの中に有することを特徴とするデバイス。
【請求項２９】
請求項１９に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、II−VI属半導体化合物から選択される材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項３０】
請求項１９に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、第１のII−VI属半導体化合物からなる内側コアと、第２のII−VI属半導体化合物からなる外側コアとを有する量子ドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項３１】
請求項１９に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）からなる内側コアと、硫化亜鉛（ＺｎＳ）からなる外側コアとを有する量子ドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項３２】
請求項１９に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、単分散サイズ分布を有するドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項３３】
請求項１９に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、多重分散サイズ分布を有するドットからなることを特徴とするデバイス。
【請求項３４】
請求項１９に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、第１の層の上に塊状に形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項３５】
請求項１９に記載のデバイスであって、
第２の層は、III属窒化物材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項３６】
請求項２０に記載のデバイスであって、
カプセル層は、III属窒化物材料からなることを特徴とするデバイス。
【請求項３７】
量子ドット光電子デバイスの製造方法であって、
第１の導電型の第１の層を基板の上に配設するステップと、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップと、
第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層を、量子ドット層および第１の層の上に配設するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層と第２の層の間にカプセル層を配設するステップをさらに有することを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３７に記載の方法であって、
第１の層を基板の上に配設するステップは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、第１の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、塊状の量子ドットが第１の層の上に配設されるように、量子ドット層を第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、量子ドット層を溶液の形態で配設するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、量子ドット層をスラリの形態で配設するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、量子ドット層を第１の層に化学的に固定するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、量子ドット層を固相基質に積層するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項３７に記載の方法であって、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、量子ドット層を多孔質のゾルゲルの固相基質に積層するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項３８に記載の方法であって、
量子ドット層および第１の層の上にカプセル層を配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、カプセル層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項３８に記載の方法であって、
量子ドット層および第１の層の上にカプセル層を配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、５００℃以下で、カプセル層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項３７に記載の方法であって、
第２の層を量子ドット層および第１の層の上に配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、第２の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項３８に記載の方法であって、
第２の層を量子ドット層および第１の層の上に配設するステップは、有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ）を用いて、第２の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項３８に記載の方法であって、
第２の層を量子ドット層および第１の層の上に配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、第２の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５１】
量子ドット光電子デバイスの製造方法であって、
第１の導電型の第１の層を基板の上に配設するステップと、
第１の層の表面に複数の窪みを形成するステップと、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップと、
第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層を、複数の量子ドット層および第１の層の上に配設するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項５２】
請求項５１に記載の方法であって、
複数の量子ドット層と第２の層の間にカプセル層を配設するステップをさらに有することを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の導電型層を基板の上に配設するステップは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、第１の導電型層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５４】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の層の表面に複数の窪みを形成するステップは、第１の層の表面に複数の窪みをエッチングするステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップは、量子ドット層を溶液の形態で配設するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５６】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップは、量子ドット層をスラリの形態で配設するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップは、量子ドット層を第１の層に化学的に固定するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップは、量子ドット層を固相基質に積層するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項５９】
請求項５１に記載の方法であって、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップは、量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップは、量子ドット層を窪んだゾルゲルの固相基質に積層するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５２に記載の方法であって、
量子ドット層および第１の層の上にカプセル層を配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、カプセル層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６１】
請求項５２に記載の方法であって、
量子ドット層および第１の層の上にカプセル層を配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、５００℃以下で、カプセル層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６２】
請求項５１に記載の方法であって、
第２の層を量子ドット層および第１の層の上に配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、第２の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６３】
請求項５１に記載の方法であって、
第２の層を量子ドット層および第１の層の上に配設するステップは、有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ）を用いて、第２の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６４】
請求項５１に記載の方法であって、
第２の層を量子ドット層および第１の層の上に配設するステップは、分子線エピタキシ法を用いて、第２の層を成長させるステップを有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子デバイスに関し、とりわけ（１）活性層として機能し、（２）ナノスケールの横方向のエピタキシャル成長を助長し、（３）光電子デバイスの製造を支援する量子ドットを有する光電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にＬＥＤと称する半導体発光ダイオードは１９６０年代に開発され、当時、ガリウムヒ素基板上のガリウムヒ素リンを用いて赤色可視光が生成された(N. Holonyak Jr. およびS. F. Bevacquaの「Ｇａ（Ａｓ１−ｘＰｘ）接合部からのコヒーレント（可視）発光（Coherent (Visible) Light Emission from Ga(As1-xPx) Junctions）」Appl. Phys. Lett. vol. 1, pp. 82-83, 1962を参照されたい。)。ここ４０年間で、ＬＥＤ技術は格段の進歩を遂げ、他の半導体材料が利用できるようになったこと、さらに光電子技術により、より広範な可視光スペクトルにわたって、より有用なデバイスが生産されるようになった。
【０００３】
ＬＥＤにより生成される照明光は、半導体デバイス中の電子と正孔の放射性再結合により生成され、エレクトロルミネッセンスの過程で光（光子）が生成される。ドープされた半導体材料においては、不純物原子により電子のバランスが変化し、自由電子が添加されるか、あるいは電子が移動できる正孔が生成される。これらのいずれか一方を加えることにより、半導体材料に導電性を与えることができる。伝導帯に過剰な電子を有する半導体をｎ型材料と称し、自由電子が拡散（diffusion）およびドリフト（drift）の過程を経て伝導エネルギ帯で移動する。伝導帯に過剰な正孔を有する半導体をｐ型材料といい、過剰な価電子欠如（正孔）を有するので、正孔は、正の電荷として、拡散（diffusion）およびドリフト（drift）の過程を経て価電子エネルギ帯で移動する。ヘテロ構造のＬＥＤは、ｎ型材料領域およびｐ型材料領域と、その間に時折量子サイズの活性層と、ｎ型領域およびｐ型領域に電気的に導電性導通させた電極とを有する。
【０００４】
ダブルヘテロ「量子井戸」構造のＬＥＤにおいて、ｎ型層からの自由電子がｐ型層からの正孔と活性層で再結合したとき、光が生成される。伝導帯から価電子帯に落ち込んだ電子のそれぞれに対応して、１つの光子が生成される可能性があり、その結果、照明光が形成される。所与の電子の再結合により光子が生成される確率を、材料の内部量子効率という。特定の材料、可視光の範囲にある直接バンドギャップを有する、いわゆる「バンドギャップの大きい」材料を用いて、ダイオードが作成されたときにのみ可視光が生成される。一般的な「白色光」を形成するには、赤色、緑色、および青色のいくつかの異なるエネルギの光子を混合する必要があるが、最近になるまで、高輝度の青色発光体を製造することができなかったため、一般的な照明用途としてＬＥＤを用いることはできなかった。
【０００５】
近年のＬＥＤの技術革新により、III−Ｖ属半導体材料を用いて、可視光スペクトルの両方の臨界領域における高効率ＬＥＤを生産できるようになった。例えば、黄色ＬＥＤから赤外ＬＥＤを製造するためには、III属ヒ素リン化物材料（III−ＡｓＰ）が１９６０年代から用いられてきた。また、青色ＬＥＤ〜緑色ＬＥＤおよび紫外ＬＥＤを製造するために、III属窒化物材料（III−Ｎ）が１９９０年代の半ばから用いられている（中村修二およびGerhard Fasolの「青色レーザダイオード（The Blue Laser Diode）」 Springer, Berlin (1997)を参照されたい。）。最も効率の高いＬＥＤは、より大きいハンドギャップを有し、より厚いｐ型層およびｎ型層の間に挟持された極めて薄い「量子サイズ」の発光合金層を有するダブルヘテロ構造を用いて生産される。こうしたデバイスの活性層は、一般に「量子井戸」と呼ばれ、電子および正孔に対する１次元（１Ｄ）のポテンシャル井戸として厳格に定義され、その膜厚は自由励起ボア半径と同じ程度かそれより薄い。実際の量子井戸においては、ｎ型層からの電子とｐ型層からの正孔は、量子的サイズで局在化され、量子井戸において本質的に２次元の波動関数を形成する１次元の閉じ込め効果を有する。
【０００６】
III属ヒ素リン化物（III−ＡｓＰ）デバイスのヘテロ構造は、高品位のIII−Ｖ属バルク基板（例えばＧａＡｓ）の上にエピタキシャル成長させるが、活性層の結晶性は極めて良好で、１ｃｍ四方あたりの結晶転位は１０００以下である。このように、III属ヒ素リン化物（III−ＡｓＰ）デバイスにおける電子−正孔の波動関数は、上述のように、実際にも１次元で閉じ込められている。図１は、従来技術によるIII属ヒ素リン化物（III−ＡｓＰ）デバイスの断面図である。デバイス１０は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる基板１２と、ｎ型のアルミニウム−インジウム−ガリウムリン（ＡｌＩｎＧａＰ）からなるｎ型の導電層１４と、インジウム−ガリウム−リン（ＩｎＧａＰ）からなる量子井戸層または活性層１６と、ｐ型のアルミニウム−インジウム−ガリウムリン（ＡｌＩｎＧａＰ）からなるｐ型の導電層１８とを有する。このデバイスは、１次元の閉じ込め効果を有する赤色ＬＥＤのヘテロ構造の一例である。
【０００７】
III属窒化物材料（III−Ｎ）は、通常、サファイア基板またはシリコンカーバイド基板の上に成長させる。III属窒化物材料（III−Ｎ）と基板の間の結晶不整合および熱伝導率の不整合に起因して、活性層の結晶構造の結晶性は低く、１ｃｍ四方あたりの結晶転位は１０９個に及ぶ。図２は、従来技術によるIII属窒化物材料（III−Ｎ）デバイスの断面図である。このデバイス２０は、サファイアからなる基板２２と、ｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型の導電層２４と、インジウム高分率ＩｎＧａＮ量子ドット２８を含む窒化インジウム−ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる量子井戸層または活性層２６と、ｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｐ型の導電層３０とを有する。量子サイズのインジウムリッチ（インジウム含有量の多い）ドットまたはナノ粒子は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いてＩｎＧａＮ量子井戸層の中で同時に形成される（K.P. O'Donnell、R.W. Martin、およびP.G. MiddletonのPhys Rev Let, 82, 237 (1999)を参照されたい）。ＩｎＧａＮ中のインジウム溶解度は、ＩｎＧａＮの熱力学的状態の関数であり、ＩｎＧａＮ中の量子ドットの形成は、ＭＯＣＶＤプロセス中の熱力学的状態関数の変数により規定される。現在では、量子ドットの形成プロセスを経験的に制御して、約３８０ｎｍ〜約５２０ｎｍまでの範囲にわたる波長を有する高効率の発光ダイオードを生産することができる。３８０ｎｍより短い波長に対しては、ＩｎＧａＮ中の相対的なインジウム組成量が欠如するため、高効率の発光デバイスを生産することができず、５２０ｎｍを超える波長に対しては、ＩｎＧａＮのナノ構造は高効率デバイス特性を実現することができない。
【０００８】
図２に示すIII属窒化物光電子デバイスにおいて、電子−正孔の波動関数が、III属ヒ素リン化物デバイスと同様に、量子井戸層内に閉じ込められた場合、２次元の電子および正孔の波動関数が電子および正孔に対する非放射性の電子−正孔再結合中心として機能するすべての結晶転位３２と同時に交錯するので、III属窒化物光電子デバイスはあまり効率よく発光しない。しかしながら、ＩｎＧａＮ活性層２６は、インジウム低分率ＩｎＧａＮ量子井戸の中のインジウム高分率ＩｎＧａＮ量子ドット２８からなるため、際立ったＩｎＮ−ＧａＮの相分離を有する。電子−正孔対は、３次元においてより小さいバンドギャップを有するインジウム分率のより高いＩｎＧａＮ量子ドットに閉じ込められ、結晶転位と相互作用することはない。組成による効果および量子サイズ効果により、量子ドットで青色可視光が生じる。したがって、結晶転位密度が高いにもかかわらず、高い効率を有するＩｎＧａＮ青色ＬＥＤを製造することができる。
【０００９】
図３は、従来技術によるエピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）を有するIII属窒化物（III−Ｎ）光電子デバイスの断面図である。エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）プロセスを用いると、貫通転位密度を極めて低く抑えることができる。このデバイス４０は、サファイアからなる基板４２と、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の２列のストライプ４６を含むｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型の導電層４４とを有する。このストライプは、基板から生じる転位４８が活性層に達する前に、転位４８を抑止する働きを有する。すなわち、このストライプは転位をフィルタ処理し、導電層のエピタキシャル横方向成長を阻止する傾向を有する。さらにこのデバイスは、インジウム高分率ＩｎＧａＮ量子ドット２８を含む窒化インジウム−ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる量子井戸層または活性層５０と、ｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｐ型の導電層５４とを有する。この構造を用いると、図２で示す具体例よりさらに高い効率を有するＩｎＧａＮ青色ＬＥＤを製造することができる。
【００１０】
III属ヒ素リン化物（III−ＡｓＰ）およびIII属窒化物（III−Ｎ）は、高効率の赤色および青色ＬＥＤおよびレーザダイオードを生産する上で良好な材料であるが、いずれの材料も高い効率を有する深い緑色デバイス、すなわち人間の眼の反応曲線のピーク付近にある５５５ｎｍ〜５８５ｎｍで発光するデバイスを提供するものではない（A. Bergh、G. Craford、A. Duggal、およびR. HaitzのPhysics Today, Dec 2001, p. 54の図６を参照されたい。）。このスペクトル領域において、最近市販されたセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）量子ドットは、いくらかの照明効果を呈している。近年、セレン化カドミウムドットの薄膜層を固い表面に蒸着し、ドットを３次元の「量子ドットソリッド（quantum dot solids）」に組み込み、典型的なマイクロ電子デバイスに採り入れる技術が格段に進歩した。例えば、ポリマ母体基材に分散されたセレン化カドミウムのナノ粒子を用いて、青色または紫外ＬＥＤに対するダウンコンバート層として用いられてきた（発明者Bawendiらの名の下、２００２年１２月３１日付けで発行された「量子ドット白色および着色発光ダイオード（Quantum Dot White and Colored Light Emitting Diodes）」と題する米国特許第６,５０１,０９１号を参照されたい。）。こうした量子ドットリン分散体は、その大きさが光の波長に比べて実質的に小さいので、低い光学的散乱特性を呈する。セレン化カドミウムの量子ドットは、無機の基材に分散させ得ることが分かっている。例えば、発明者Sundarらの名の下、２００３年７月３１日付けで公開された米国特許出願公開第２００３／０１４２９４４を参照されたい。加えて、セレン化カドミウムの量子ドットの単分子層が、上述の量子ドットＬＥＤに比して、２５％の改善と、０．４％の外部量子効率を有する有機ＬＥＤの活性層として用いられてきた（CoeらのNature, 420, 800 (2002)を参照されたい。）。
【００１１】
このように、高効率で動作するＬＥＤ、レーザダイオードおよび光センサなどの光電子デバイスを開発し、製造する要請がある。さらに、発光ダイオードの波長を、人間の眼の反応曲線のピーク付近にある「深い緑色」の範囲の波長（すなわち、５５５ｎｍ〜５８５ｎｍ）にまで拡張する要請がある。こうしたデバイス、およびその対応する製造方法は、安価であり、高い信頼性を有する必要がある。さらに、好適なデバイスは、デバイス特性に悪影響を与える転位を基板中に形成することなく、格子不整合基板に対応するものでなければならない。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、バンドギャップの大きい無機のダブルヘテロ構造の中のエレクトロルミネッセンス層として量子ドットを採用した光電子デバイスを提供するためのものである。こうしたデバイスの一例として、量子ドット発光ダイオード（ＱＤ−ＬＥＤ）、レーザダイオード、光センサなどが挙げられる。量子ドットは、このデバイスの光学的活性部品として機能し、多重量子ドットの実施形態においては、格子不整合基板を有するヘテロ構造におけるナノスケールのエピタキシャル横方向成長（ＮＥＬＯＧ）を支援する。こうしたデバイスの量子ドットは、光学的に励起されて、フォトルミネッセンス発光するのとは対照的に、、電気的に励起されて、エレクトロルミネッセンス（電界発光）を生じる。エレクトロルミネッセンスには、本質的に「ストークス損失」が存在しないので、本発明のデバイスは、光学的に励起された量子ドットデバイスより高い効率特性を有する。また本発明を用いたデバイスを用いて、可視スペクトル中の任意の他の色と同様に、深い緑色の可視光を得ることができ、ドットサイズを調製し、製造プロセスを制御することにより、白色光をも実現できる。デバイスに加えて、本発明によれば、量子ドットを採用する光電子デバイスの新規な製造手段が提供される。
【００１３】
本発明において、半導体量子ドットは２つの半導体電極の間に配設され、このとき電極のバンドギャップは、ドットよりも大きいため、（１）量子ドットに対する直接的な電気的励起を支援して、潜在的な「ストークス損失」を排除し、（２）量子閉じ込め環境における電子−正孔対の再結合を支援して、量子効率を最大化する。光学的に励起するアプローチでは、光子がダウンコンバートされる際は常にストークス損失が生じるので、本発明は、ＬＥＤの上面に量子ドットを配置するものに比して優れている。また、基本的に、有機電極は本発明で提案される無機半導体電極よりも不安定であるので、本発明は有機電極の間に量子ドットを配置するものに比して優れている。
【００１４】
本発明に係る１つの実施形態によれば、量子ドット光電子デバイスは、第１の導電型の第１の層と、第１の層の一部領域の上にのみ配設され、第１の層の他の部分領域の上には配設されない量子ドット層と、量子ドット層および第１の層の上に配設された、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層とを有するものとして定義される。このデバイスは、通常、基板を有し、第１の層は基板の上に積層される。ただし、いくつかの実施形態では、処理後、基板を除去してもよい。基板は、サファイア、シリコン、二酸化シリコン、ガラス、シリコンカーバイド、ニオブ酸リチウム、没食子酸リチウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、酸化亜鉛などの任意の適当な半導体材料または電気絶縁材料を用いて形成してもよい。さらにこのデバイスは、量子ドット層の上方で、第２の層の下方に配設されたカプセル層をさらに有していてもよい。
【００１５】
第１および第２の層は、通常、量子ドットのバンドキャップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成される。１つの実施形態では、第１および第２の層は、ｎ型やｐ型などのIII属窒化物材料からなる。形成することが任意であるカプセル層は、通常、非導電性の絶縁材料からなり、通常、第１および第２の層を形成するために用いた材料の非導電性タイプのものを用いて形成される。
【００１６】
量子ドット層は、通常、単層の量子ドット層であるが、択一的な実施形態では、多重量子ドット層を用いてもよい。量子ドット層は、II−VI属半導体化合物から選択される材料を用いて形成される。本発明の１つの実施形態では、量子ドット層は、第１のII−VI属半導体化合物からなる内側コアと、第２のII−VI属半導体化合物からなる外側コアとを有する量子ドットからなり、例えば、内側コアがセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）からなり、外側コアが硫化亜鉛（ＺｎＳ）からなる。こうしたコアがＣｄＳｅで、シェルがＺｎＳの大きさが２ｎｍ〜６ｎｍの量子ドットを用いて、可視スペクトル全体の色で発光させることができ、異なる大きさの量子ドットを混ぜ合わせて白色光を得ることができる。量子ドットを第１の層の上でパターン形成するか、あるいは事前に配置してもよく、第２の層のための核生成領域を形成し、ナノスケールのエピタキシャル横方向成長を妨げる。
【００１７】
択一的な実施形態によれば、量子ドット光電子デバイスは、窪んだ表面を含む第１の導電型の第１の層と、第１の層の窪んだ表面上に積層された複数の量子ドットであって、第１の層の表面の窪みに実質的に隣接して配置される量子ドットと、量子ドット層および第１の層の上に配設された、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層とを有するものとして定義される。このデバイスは、通常、基板を有し、第１の層は基板の上に積層される。ただし、いくつかの実施形態では、処理後、基板を除去してもよい。基板は、サファイア、シリコン、二酸化シリコン、ガラス、シリコンカーバイド、ニオブ酸リチウム、没食子酸リチウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、酸化亜鉛などの任意の適当な半導体材料または電気絶縁材料を用いて形成してもよい。
【００１８】
第１および第２の層は、通常、量子ドットのバンドキャップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成される。１つの実施形態では、第１および第２の層は、ｎ型やｐ型などのIII属窒化物材料からなる。第１の導電型層の表面上の窪みは、エッチングされた窪み、あるいは層の表面上に形成された任意の他のタイプの窪み、キャビティ、孔であってもよい。窪みの配置位置は、貫通転位の位置と相関があってもよい。この窪みは、デバイスに陰極線ルミネッセンスを与える機能を有するフィールドエミッタ構造体を有していてもよい。
【００１９】
複数の量子ドットは、第１の導電型層の表面上に配設されたとき、窪み開口部に向かって移動するように作製してもよい。すなわち、量子ドットは、窪み開口部に隣接するものとして定義してもよい。上述の実施形態と同様、複数の量子ドットは、II−VI属半導体化合物から選択される材料を用いて形成される。ある特定の実施形態では、複数の量子ドットは、II−VI属半導体化合物からなる内側コアと、別のII−VI属半導体化合物からなる外側コアとを有する量子ドットからなる。ドットの大きさにより、発光波長、すなわち生じる光の色が決定される。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、量子ドット光電子デバイスの製造方法が定義される。その製造方法は、第１の導電型の第１の層を基板の上に配設するステップと、量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップと、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層を、量子ドット層および第１の層の上に配設するステップとを有する。さらにその方法は、量子ドット層と第２の層の間にカプセル層を配設するステップをさらに有する。
【００２１】
第１の層を基板の上に配設するステップは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、第１の層を成長させるステップを有していてもよい。この段階においては、量子ドットがまだ配設されていないので、より高い温度で、すなわちより速いプロセスを用いることができる。量子ドット層は、ドロップキャスト法またはスピンコート法を用いて、溶液またはスラリの形態で配設してもよい。さらに量子ドット層をｎ型半導体材料層の上に（自己配列ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥプロセスにより）化学的に固定することにより配設してもよい。また、ゾルゲル基質などの多孔質固相基質に量子ドットを配設することも可能である。
【００２２】
量子ドットが配設された後の処理は、量子ドットの安定性を確保するために低温で行われる。例えば、カプセル層は、分子線エピタキシ法を用いて、５００℃以下で成長させることにより配設される。さらに、第２の層は、分子線エピタキシ法または有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ）を用いて成長させてもよい。
【００２３】
本発明のさらなる実施形態は、量子ドット光電子デバイスの製造方法により定義される。この製造方法は、第１の導電型の第１の層を基板の上に配設するステップと、第１の層の表面に複数の窪みを形成するステップと、第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップと、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層を、複数の量子ドット層および第１の層の上に配設するステップとを有する。第１の導電層上に形成された窪みは、ウェットエッチングプロセスまたは他の任意の適当な半導体処理技術を用いて形成することができる。
【００２４】
このように本発明は、バンドギャップの大きい無機のヘテロ構造の中のエレクトロルミネッセンス層として量子ドットを採用した光電子デバイスを提供する。量子ドットは、このデバイスの光学的活性部品として機能し、多重量子ドットの実施形態においては、格子不整合基板を有するヘテロ構造におけるナノスケールのエピタキシャル横方向成長（ＮＥＬＯＧ）を支援する。こうしたデバイスの量子ドットは、光学的に励起されて、フォトルミネッセンス発光するのとは対照的に、電気的に励起されて、エレクトロルミネッセンス（電界発光）を生じる。エレクトロルミネッセンスには、本質的に「ストークス損失」が存在しないので、本発明のデバイスは、光学的に励起された量子ドットデバイスより高い効率特性を有する。また本発明を用いたデバイスを用いて、可視スペクトル中の任意の他の色と同様に、深い緑色の可視光を得ることができ、ドットサイズを調製し、製造プロセスを制御することにより、白色光をも実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
すべてではないが、いくつかの実施形態を図示する添付図面を参照しながら、本発明により詳細に以下説明する。実際、これらの発明は、数多くの異なる態様において実現され、上述の実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本願明細書が適用可能な法的要請を満足させるために開示されるものである。本明細書中、同様の符号をもって同様の構成部品を示す。
【００２６】
本発明は、バンドギャップの大きい無機のヘテロ構造を有するエレクトロルミネッセンス層として量子ドットを採用した光電子デバイスを提供するためのものである。こうしたデバイスの一例として、量子ドット発光ダイオード（ＱＤ−ＬＥＤ）、レーザダイオード、光センサなどが挙げられる。量子ドットは、このデバイスの光学的活性部品として機能し、多重量子ドットの実施形態においては、格子不整合基板を有するヘテロ構造におけるナノスケールのエピタキシャル横方向成長（ＮＥＬＯＧ）を支援する。こうしたデバイスの量子ドットは、光学的に励起されて、フォトルミネッセンスを生じるのではなく、電気的に励起されて、エレクトロルミネッセンス（電界発光）を生じる。エレクトロルミネッセンスには、本質的に「ストークス損失」が存在しないので、本発明のデバイスは、光学的に励起された量子ドットデバイスより高い効率を有する。また本発明を用いたデバイスを用いて、可視スペクトル中の任意の他の色と同様に、深い緑色の可視光を得ることができ、ドットサイズを調製し、製造プロセスを制御することにより、白色光をも実現できる。デバイスに加えて、本発明によれば、量子ドットを採用する光電子デバイスの新規な製造手段が提供される。
【００２７】
図４は、本発明に係る１つの実施形態による、量子ドットを採用した光電子デバイスの断面図を示す。デバイス１００は、基板１０２と、第１の導電型を有する第１の導電層１０４と、量子ドット層１０６と、第１の導電層の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の導電層１０８とを有する。さらにこのデバイスは、量子ドット層を包み込むカプセル層（encapsulation layer）１１０を有する。
【００２８】
基板１０２は、任意の適当な半導体材料を用いて形成することができるが、例えば、サファイアやシリコンカーバイドなどを用いて形成してもよい。基板は、一般的には、量子ドット活性層で生じた光に対して光学的に透明である必要がある。ただし、透明でない、すなわち吸光性基板で光を反射するために、基板とデバイスのヘテロ構造の間に、反射層（例えば、離散的ブラッグ反射層、ＤＢＲ）を用いることができるので、基板が透明であることは絶対的な要請ではない。基板は、成長プロセス中、機械的に安定しているように十分厚くなければならない。ＭＯＣＶＤを用いて、窒化ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシャル成長させるために、通常、基板として市販された約２５０μｍ厚のサファイアウエハが用いられる。一般に、ＬＥＤデバイスのヘテロ構造を成長させ、ＬＥＤデバイスが作製された後は、サファイア基板は約７５μｍまで研磨される。
【００２９】
第１の層１０４は、基板１０２の上に配設される。「〜の上に配設される」とは、層（または構成要素）が直近に存在する下方、上方、または隣接する層（または構成要素）の上に直接的に形成されることを必ずしも意味しないことに留意されたい。第１の層は、デバイスの設計に応じて決定されるが、ｎ型導電層またはｐ型導電層である。第１の層は、通常、バンドキャップの大きい透明材料からなり、量子ドットより大きいバンドギャップを有する。バンドキャップの大きい材料を用いると、発光デバイスの吸光性が低く抑えられ、電子および正孔が活性層に閉じ込められ、発光効率が改善される。例えば、第１の導電層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などのIII属窒化物半導体材料を用いて形成してもよい。本発明に係る１つの実施形態においては、基板はサファイア、第１の導電層は窒化ガリウム（ＧａＮ）、とりわけｐ型またはｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第１の層は、完成したＬＥＤデバイスの活性層全体に拡散する微小な損失電流を実現できる程度に十分な厚みを有する。例えば、市販される窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）のへテロ構造ＬＥＤデバイスに対し、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層の膜厚は、通常、約３μｍ〜約５μｍである。実際の最適な膜厚は、用いられる材料の導電率に依存する。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、処理後、すなわち通常、第１の層１０４を基板上に成長させた後、基板１０２を除去してもよい。例えば、ハロゲン化気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）を用いて、厚い窒化ガリウム（ＧａＮ）層をサファイア基板上に成長させた後、例えばレーザリフトオフ法などのリフトオフにより、基板を除去してもよい。基板１０２を除去した後、第１の層１０４を「基板」と称してもよい。すなわち、ここで説明する実施形態において、完成したデバイスは窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を有するといってよい。
【００３１】
単一層または多重層として特徴付けられる量子ドット層１０６は、第１の層１０４の一部領域の上にのみ配設され、第１の層の他の部分領域の上には量子ドット層は配設されない。量子ドット層で表面が部分的に覆われたことにより、続いて配設される第２の層の核生成およびエピタキシャル横方向成長のための核生成領域が形成される。第１の導電型層中の貫通転位１１２の付近に選択的に量子ドットを配置してもよい。量子ドットが貫通転位に隣接して配置された場合、貫通転位が第２の層に延びることを、量子ドットが本質的に阻止するので、ナノメートルスケールのエピタキシャル成長した後の結晶性が改善される。覆われる表面の所定の割合および所定のパターンは、完成したデバイスから得られるエレクトロネミネッセンス（電界発光）を最適化するように選択される。例えば、ある特定の実施形態において、量子ドット層は、塊状に形成された量子ドットであり、それぞれの塊は、個々の量子ドットの大きさ（２ｎｍ〜３ｎｍ）から数μｍの範囲の大きさを有し、この範囲の間隔で配置され、５％〜９５％の範囲の表面を覆う。
【００３２】
量子ドット１０６は、通常、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのII−VI属半導体化合物を用いて形成される。本発明のある特定の実施形態においては、量子ドットは、内側コアと、もう１つのコアとからなり、両方のコアは異なるII−VI属材料を用いて構成してもよい。例えば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）で量子ドットの内側コアを構成し、硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用いて量子ドットの外側コアを形成してもよい。外側コアは、ある用途に対して量子ドットを安定化させるように機能する。量子ドットの大きさにより、ドットから生じる光の色が決まる。例えば、約３ｎｍ〜約４ｎｍの範囲の大きさを有するセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）／セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）のコアシェルの量子ドットから緑色光（すなわち、約５５５ｎｍ〜約５８５ｎｍの範囲の発光波長）が生じる。一方、均一な他の大きさを有する量子ドットからは赤色光および青色光が生じる。さまざまな大きさの量子ドットを混ぜ合わせて形成すると、白色光が生じる。
【００３３】
本発明の光電子デバイス１００は、通常、量子ドット層１０６および第１の層が露出した部分の上および近辺に配設されたカプセル層１１０を採用している。カプセル層は、一般に、非導電性の絶縁材料からなり、ほとんどの実施形態において、カプセル層は、第１および第２の層と共通する非導電性の母体材料から形成される。例えば、第１の層がｐ型またはｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成された実施形態において、カプセル層は非導電性の窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成してもよい。カプセル層は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の薄い層であり、量子ドットを包み込むように機能する。カプセル層の目的は、後続のプロセス工程のために量子ドットを機械的に安定化し、量子ドットに流れる電流経路を遮断することにある。このとき、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）の場合では真の量子井戸は存在せず、バンドギャップの大きい基材、すなわちｉ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）の中の、例えばセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）量子ドットの分布が存在する。原理的には、第２の層１０８を形成することにより量子ドットを包み込むことができ、こうした実施形態では、別個のカプセル層は必要とされない。ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）とｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）の間にセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）量子ドットが形成された場合でも、得られた構造は、依然として、ｎ型のＧａＮ層とｐ型のＧａＮ層の間にあるバンドギャップの大きい基材に含まれたセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）量子ドットの分布を有するので、この手法はうまく機能する。第２の層１０８は、量子ドット層１０６および第１の層１０４の上に配設される。第２の層が量子ドットを包み込むように機能する実施形態において、第２の層は、通常、量子ドットおよび第１の層の露出した部分の上に直接的に形成される。個別のカプセル層を設ける実施形態においては、第２の導電層は、通常、カプセル層１１０の上に直接的に形成される。第２の層は、導電性に関し、第１の層とは異なることに留意されたい。例えば、第１の層がｎ型層であるとき、第２の層はｐ型層であり、逆もまた成り立つ。
【００３４】
第１の層と同様、第２の層は、バンドギャップの大きい透明材料からなり、量子ドットより大きいバンドギャップを有するように形成される。第２の導電層は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのIII属窒化物半導体材料を用いて形成してもよい。通常、第２の層は、導電型は異なるが、第１の層と同じ母体基材から形成される。第２の層は、十分な電流が得られたＬＥＤデバイス構造に広がる程度に十分な厚みを有する。例えば、市販される窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）のへテロ構造において、第２の層は、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層で、通常、約０．１μｍ〜約０．５μｍの膜厚を有し、この膜厚はｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層を積層する最先端のＭＯＣＶＤ技術により制約される。
【００３５】
図５は、本発明に係る１つの実施形態による、多重量子ドット層を採用した光電子デバイスの断面図を示す。量子ドット層のパターンを変えることにより、格子不整合基板上におけるヘテロ構造のナノスケールのエピタキシャル横方向成長（ＮＥＬＯＧ）を支援することができる。図示したように、多重量子ドット層構造２００は、基板２０２と、第１の層２０４と、第１の量子ドット層２０６と、第２の量子ドット層２０８と、第３の量子ドット層２１０と、第１の層の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の層２１２とを有する。さらに、後続の量子ドット層を第２の層の上に配設する前に形成された各量子ドット層に対応する第１、第２および第３のカプセル層２１４，２１６，２１８を通常有する。核生成領域が存在し、エピタキシャル横方向成長が可能となるように、量子ドット層のそれぞれは、下方層（すなわち、第１の層または先の量子ドット層）の一部領域の上に配設される。図示した実施形態において、基板はサファイアで、第１の層はIII属窒化物半導体材料を用いて構成してもよい。これらの材料の格子は整合しないので、容易に転位が生じる。多重量子ドット層は、基板から生じる転位２２０が第２の導電型層に達する前に阻止されるように機能する。すなわち、多重量子ドット層は、転位を濾過（除去）し、導電層のエピタキシャル横方向成長を支援する。
【００３６】
図６は、本発明に係る択一的な実施形態による、量子ドットおよび第１の層に含まれるピット（窪み）／ピットを採用した光電子デバイスの断面図を示す。このデバイス３００は、基板３０２と、第１の層３０４と、量子ドット層３０６と、第１の導電層とは導電型が異なる第２の層３０８とを有する。さらにこのデバイスは、通常、量子ドット層を包み込むカプセル層３１０を有する。第１の導電型層は、量子ドット層が配設される第１の導電型層の表面に形成された、あるいは存在する複数のピット（窪み）で特徴付けられる。このピットは、通常、エッチングプロセスで形成されるが、他の形態の表面窪み形成プロセスを用いてもよい。第１の導電層の表面のピット開口部により、量子ドットを積層した際に移動できる領域が提供される。したがって、量子ドットは、第１の導電型層の表面にあるピット開口部に特徴的に隣接して配設される。さらにピット３１２は、ピットの内壁から外側に向かって延びる先鋭部を有するフィールドエミッタ構造体（電界放出構造体）３１４を有していてもよい。こうした実施形態において、デバイスに十分な電圧を印加すると、フィールドエミッタからの陰極線ルミネッセンスを伴ったエレクトロルミネッセンスが第１の導電層３０４から生じ、全体的に頑健で高効率な光電子デバイスが形成される。
【００３７】
本発明の別の実施形態によれば、量子ドット光電子デバイスの作製方法が提供される。この方法は、第１の層を基板の上に配設するステップと、その後に第１の層の一部の上にのみ量子ドット層を配設するステップと、第１の層とは異なる導電型を有する第２の層を量子ドット層および第１の導電型層の上に配設するステップとを有する。量子ドットで部分的に覆うことにより、層核生成のための核生成領域の存在、およびエピタキシャル横方向成長を可能にする。図７Ａ〜図７Ｅは、本発明に係る１つの実施形態による、量子ドット光電子デバイスの作製方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【００３８】
図７Ａは、基板５００上に配設された第１の層５０２の断面図である。通常、従来式の有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、第１の層を基板上に成長させる。迅速に効率よく成長させるために、従来式のＭＯＣＶＤ法は、（１０００℃以上の）比較的に高温で実施される。ある特定の実施形態においては、サファイアなどのテンプレート基板の上に、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層などの第１の層を約２μｍ〜約１０μｍ成長させる。ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）／サファイアのエピレディ（epi-ready）基板が数多くの供給者から市販されている。
【００３９】
図７Ｂは、第１の層５０２の一部領域に配設された量子ドット５０４の断面図で、第１の層の他の部分領域は量子ドット層により覆われていない様子を示す。本発明によれば、さまざまなプロセスを実行して、量子ドット層を第１の層の上に配設することができる。量子ドットを積層する前に、イオンミリング（ion milling）、ＭＢＥ、または予備的化学エッチングを用いて粗面化しておくことが推奨される。このように粗面化することにより、量子ドットの好適な位置を特定することができる。例えば、しばしば化学エッチングを用いて、結晶格子の乱れた材料を選択的にエッチングすることにより貫通転位が特定される。さらに、パターン形成およびリフトオフを用いて、量子ドット濃度の面積を決定し、ドット形成後の第１の層の十分な露出を確保する。
【００４０】
１つの実施形態において、量子ドット層が溶剤型溶液などの溶液形態でスピンオン法またはドロップキャスト法（dropcast processing）により配設される。ある特定の実施形態では、溶剤としてトルエンを用い、量子ドットに約５０μｇ／ｍｌ〜約２００μｇ／ｍｌの範囲の濃度のセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）／セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）のコアシェルを用いる。溶媒極性、蒸気圧、粘性などの溶液パラメータを変えて、積層およびデバイス特性を最適化する。この構造体を低温で乾燥させて、溶媒を蒸発させて、第１の層の上の量子ドットの位置を固定する。
【００４１】
択一的な実施形態によれば、トルエンとアルコールのスラリなどのスラリ形態でスピンオン法またはドロップキャスト法により量子ドット層を配設してもよい。別の実施形態では、化学的反応基を用いて量子ドットおよび表面を官能化し、量子ドットを表面に化学的に固定してもよい。別の実施形態では、量子ドットを多孔質のゾルゲルなどの固相基質に積層してもよい。ゾルゲル材料が有する多孔質特性により、その後にエピタキシャル横方向成長が可能となる。
【００４２】
図７Ｃは、任意であるカプセル層５０６が量子ドット層５０４および第１の層５０２の露出した領域の上に形成された後の光電子デバイス構造体の断面図である。カプセル層は、通常、非導電性の絶縁体からなる薄膜層、すなわち第１および第２の層の母体基材として用いられる半導体材料であって非導電性のものからなる薄膜層である。低温分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）や他の従来式の低温プロセスを用いて、カプセル層を形成してもよい。量子ドットを確実に安定させ、約５４０ｎｍ〜約５８０ｎｍ（深い緑色の範囲）の範囲のピーク波長を実現するためには、低温で処理することが不可欠である。
【００４３】
図７Ｄは、第２の層５０８がカプセル層５０６の上に形成された光電子デバイスの断面図である。通常、有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ）やＭＯＣＶＤなどの従来式の半導体プロセスを用いて、第２の層をカプセル層の上に成長させる。第２の層の膜厚は、一般に、第１の層の膜厚と同等であり、例えば、その膜厚は約２００ｎｍ〜約６００ｎｍである。図７Ｅは、第２の層５０８が、カプセル層を介さず、量子ドット５０４および第１の層５０２の上に形成される択一的方法を示す断面図である。本発明のこの実施形態において、第２の層が量子ドットを包み込むように機能する。量子ドットの安定性を確保し、必須となるピーク発光波長で発光するデバイスを実現するために、第２の導電層は、通常、低温ＭＢＥなどの低温プロセスにより積層される。
【００４４】
図８Ａ〜図８Ｅは、本発明に係る実施形態による量子ドット光電子デバイスの択一的な作成方法のさまざまな段階を示す断面図である。図８Ａは、第１の層６０２が基板６００の上に配設され、ピット（孔またはキャビティともいう）が第１の導電層の表面に形成された後の断面図である。通常、従来式のＭＯＣＶＤプロセスを用いて、第１の導電型層を基板上に成長させる。ある特定の実施形態では、不純物ドープされたシリコンまたは不純物ドープされたシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などからなる第１の層を、サファイアなどのテンプレート基板の上に約２μｍ〜約１０μｍ成長させる。第１の層のピットは、通常、従来式のウェットエッチングプロセスにより形成してもよい。さらに、このピットは、他の従来式の半導体プロセス技術を用いて形成するか、あるいは材料自体が多孔質であってもよい。このピットは、電子を放出して、量子ドットに衝突させ、デバイスに陰極線ルミネッセンスを与えるフィールドエミッタ構造体６０６を有していてもよい。
【００４５】
図８Ｂは、複数の量子ドット６０８がピットの開口部付近に配置されるように、第１の層の上に配設された量子ドットを示す断面図である。第１の層の表面上のピットは、一般に、不均一なトポグラフィを形成し、量子ドットはより低い表面レベルに向かって移動する傾向を有する。ピット開口部は、一般に、量子ドットが移動して配置される開口領域を提供する。本発明によれば、さまざまなプロセスを用いて、第１の層の上に量子ドット層を積層することができる。１つの実施形態では、溶剤型溶液などの溶液形態でスピンオン法またはドロップキャスト法を用いて、量子ドット層が積層される。択一的な実施形態では、トルエンとアルコールのスラリなどのスラリ形態でスピンオン法またはドロップキャスト法により量子ドット層を配設してもよい。別の実施形態では、量子ドットを官能化し、表面に化学的に固定してもよい。択一的には、別の実施形態によれば、量子ドットを多孔質のゾルゲルなどの固相基質に積層してもよい。ゾルゲル材料が有する多孔質特性により、その後にエピタキシャル横方向成長が可能となる。
【００４６】
図８Ｃは、形成することは任意であるが、カプセル層６１０が複数の量子ドット６０８の上、および第１の層６０２の露出領域の上に形成された後の光電子デバイス構造体の断面図である。カプセル層は、一般には、第１および第２の層の母体材料として機能する非導電性の絶縁材料から形成される。カプセル層は、低温ＭＢＥ法または任意の従来式の低温プロセスを用いて形成してもよい。
【００４７】
図８Ｄは、第２の層６１２がカプセル層６１０の上に形成された光電子デバイス構造体の断面図である。有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ）やＭＯＣＶＤなどの従来式の半導体プロセスを用いて、第２の層をカプセル層の上に成長させる。第２の層の膜厚は、一般に、第１の層の膜厚と同等であり、例えば、その膜厚は約２００ｎｍ〜約６００ｎｍである。図８Ｅは、第２の層６１２が、カプセル層を介さず、量子ドット６０８および第１の層６０２の上に形成される択一的方法を示す断面図である。本発明のこの実施形態において、第２の層が量子ドットを包み込むように機能する。量子ドットの安定性を確保し、必須となるピーク発光波長で発光するデバイスを実現するために、第２の導電層は、通常、低温ＭＢＥなどの低温プロセスにより積層される。
【００４８】
図９は、本発明のテスト前駆構造体のフォトルミネッセンスのグラフ表示である。光電子デバイスは、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）導電層およびサファイア基板の上に積層されたセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）量子ドット層を有する。直径約５．４ｎｍの量子ドットを、トルエン溶液を用いて、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層上に落下成形（drop cast）した後、６０℃で乾燥させる。第１のライン７００は、量子ドットの落下成形後、さらなる熱処理を行う前のデバイスが有するフォトルミネッセンスを示す。第２のライン７０２は、５００℃のＭＢＥ成長チャンバの中でおよそ３０分間乾燥させた後のデバイスが有するフォトルミネッセンスを示す。量子ドットのピーク波長が当初約５６６ｎｍであったものが、熱処理プロセス後、２０ｎｍシフトして約５４６ｎｍになっていることに留意されたい。ＭＢＥプロセスの完了後に（すなわち、第２の導電層を成長させた後に）、５６６ｎｍを実現するためには、約５８６ｎｍの波長範囲の発光を有する、より大きい径の量子ドットを用いることができる。
【００４９】
上述のように、本発明は、無機のバンドギャップの大きいヘテロ構造体に含まれるエレクトロルミネッセンス層として、量子ドットを採用した光電子デバイスを提供する。量子ドットは、デバイスの光学的活性部品として機能し、多重量子ドット層の実施形態では、格子不整合基板を有するヘテロ構造におけるナノスケールのエピタキシャル横方向成長（ＮＥＬＯＧ）を支援する。こうしたデバイスの量子ドットは、電気的に励起され、エレクトロルミネッセンスを発する。エレクトロルミネッセンスには、本質的に「ストークス損失」が存在しないので、本発明のデバイスは、光学的に励起された量子ドットデバイスより高い効率を有する。さらに、本発明で得られたデバイスを用いて、白色光を含む可視スペクトル中の任意の他の色と同様に、深い緑色の可視光を得ることができる。
【００５０】
本発明に関する技術の当業者が、上述の明細書および図面を参照すれば、上述した本発明の数多くの変形例および他の実施形態が想到される。したがって、本発明は、ここに開示された特定の実施形態に限定されることなく、他の実施形態が添付クレームの権利範囲に含まれるべきであることを理解されたい。特定の用語を用いたが、一般的な記述的文脈においてのみ用いられており、限定する意図はない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、従来技術によるIII属ヒ素リン化物の光電子デバイスの断面図である。
【図２】図２は、活性領域に量子ドットを採用した従来技術によるIII属窒化物の光電子デバイスの断面図である。
【図３】図３は、活性領域として量子ドットを有し、第１の導電層の転位を抑制する機構を有する従来技術によるIII属窒化物の光電子デバイスの断面図である。
【図４】図４は、活性領域として１つの量子ドット層を有する、本発明に係る１つの実施形態によるIII属窒化物の光電子デバイスの断面図である。
【図５】図５は、活性領域として多重量子ドット層を有する、本発明に係る１つの実施形態によるIII属窒化物の光電子デバイスの断面図である。
【図６】図６は、第１の導電型層の表面上のピット開口部に隣接して配置された複数の量子ドットを活性領域内に有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの択一的な製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの択一的な製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの択一的な製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの択一的な製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、活性領域として量子ドットを有する、本発明に係る１つの実施形態による光電子デバイスの択一的な製造方法におけるさまざまな工程を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明に係る１つの実施形態による、ｎ型ＧａＮ上のＣｄＳｅ量子ドットにより得られるフォトルミネッセンスのグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１００  デバイス、１０２  基板、１０４  第１の導電層、１０６  量子ドット層、１０８  第２の導電層、１１０  カプセル層、１１２  貫通転位、２００  多重量子ドット層構造、２０２  基板、２０４  第１の層、２０６  第１の量子ドット層、２０８  第２の量子ドット層、２１０  第３の量子ドット層、２１２  第２の層、２１４，２１６，２１８  第１、第２および第３のカプセル層、２２０  転位、３００  デバイス、３０２  基板、３０４  第１の層、３０６  量子ドット層、３０８  第２の層、３１０  カプセル層、３１２  ピット、３１４  フィールドエミッタ構造体、５０２  第１の層、５０４  量子ドット層、５０６  カプセル層、５０８  第２の層、６００  基板、６０２  第１の層、６０８  量子ドット、６１０  カプセル層、６１２  第２の層。
【図１】
2007534146.tif 000003
【図２】
2007534146.tif 000004
【図３】
2007534146.tif 000005
【図４】
2007534146.tif 000006
【図５】
2007534146.tif 000007
【図６】
2007534146.tif 000008
【図７Ａ】
2007534146.tif 000009
【図７Ｂ】
2007534146.tif 000010
【図７Ｃ】
2007534146.tif 000011
【図７Ｄ】
2007534146.tif 000012
【図７Ｅ】
2007534146.tif 000013
【図８Ａ】
2007534146.tif 000014
【図８Ｂ】
2007534146.tif 000015
【図８Ｃ】
2007534146.tif 000016
【図８Ｄ】
2007534146.tif 000017
【図８Ｅ】
2007534146.tif 000018
【図９】
2007534146.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月21日(2006.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドット光電子デバイスであって、
第１の導電型の第１の層と、
第１の層の一部領域の上にのみ配設され、第１の層の他の部分領域の上には配設されない量子ドット層と、
量子ドット層および第１の層の上に配設された、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層とを有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層の上方で、第２の層の下方に配設されたカプセル層をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスであって、
第１および第２の層は、量子ドットのバンドキャップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスであって、
量子ドット層は、半導体化合物から選択される材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
量子ドット光電子デバイスであって、
第１の導電型の第１の層と、
第１の層の上に積層された複数の量子ドットと、
量子ドット層および第１の層の上に配設された、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層とを有し、
第２の層は、第１の層より低い貫通転位密度を有することを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のデバイスであって、
量子ドット層の上方で、第２の層の下方に配設されたカプセル層をさらに有することを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項５に記載のデバイスであって、
第１および第２の層は、量子ドットのバンドキャップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項５に記載のデバイスであって、
複数の量子ドットは、半導体化合物から選択される材料を用いて形成されることを特徴とするデバイス。
【請求項９】
量子ドット光電子デバイスの製造方法であって、
第１の導電型の第１の層を基板の上に配設するステップと、
量子ドット層を、第１の層の他の部分領域の上には配設せずに、第１の層の一部領域の上にのみ配設するステップと、
第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層を、量子ドット層および第１の層の上に配設するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
量子ドット層と第２の層の間にカプセル層を配設するステップをさらに有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
量子ドット光電子デバイスの製造方法であって、
第１の導電型の第１の層を基板の上に配設するステップと、
第１の層の表面に複数の窪みを形成するステップと、
第１の層の表面の複数の窪みに実質的に隣接して配置されるように、複数の量子ドットを第１の層の表面上に配設するステップと、
第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の層を、複数の量子ドット層および第１の層の上に配設するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、
複数の量子ドット層と第２の層の間にカプセル層を配設するステップをさらに有することを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2007534146.tif 000020
2007534146.tif 000021
2007534146.tif 000022
2007534146.tif 000023