(57)【要約】【課題】発光効率及び受光効率を向上する光半導体素子を提供する。【解決手段】光半導体素子は、半導体の基板１１と、第１導電性を有し、基板の第１面から外方に向かって延びるコア層１２と、コア層１２の側面を覆う活性層１３と、第２導電性を有し、活性層１３の側面及びコア層１２の基板とは反対側の第１端部を覆うシェル層１４と、第２導電性を有し、シェル層１４よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、シェル層１４の側面及びシェル層４の基板とは反対側の第２端部を覆うコンタクト層１５と、コンタクト層１５よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、コンタクト層１５の基板とは反対側の第３端部を覆う結晶性の被覆層１６と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の基板と、
第１導電性を有し、前記基板の第１面から外方に向かって延びるコア層と、
前記コア層の側面を覆う活性層と、
第２導電性を有し、前記活性層の側面及び前記コア層の前記基板とは反対側の第１端部を覆うシェル層と、
第２導電性を有し、前記シェル層よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、前記シェル層の側面及び前記シェル層の前記基板とは反対側の第２端部を覆うコンタクト層と、
前記コンタクト層よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、前記コンタクト層の前記基板とは反対側の第３端部を覆う結晶性の被覆層と、
を備える光半導体素子。
【請求項２】
前記シェル層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層の発光波長又は受光波長に対応するエネルギーよりも大きく、
前記コンタクト層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層の発光波長又は受光波長に対応するエネルギーよりも小さく、
前記被覆層のバンドギャップエネルギーは、活性層の発光波長又は受光波長に対応するエネルギーよりも大きい請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記コンタクト層の前記第３端部における量子力学的な実効バンドギャップエネルギーは、前記活性層の発光波長又は受光波長に対応するエネルギーよりも大きい請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記コア層がＩｎＰを用いて形成され、前記シェル層がＩｎＰを用いて形成され、前記コンタクト層がＩｎＧａＡｓを用いて形成され、前記被覆層がＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＩｎＰを用いて形成される請求項１〜３の何れか一項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記コア層がＧａＡｓを用いて形成され、前記シェル層がＡｌＧａＡｓを用いて形成され、前記コンタクト層がＧａＡｓを用いて形成され、前記被覆層がＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを用いて形成される請求項１〜３の何れか一項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記コンタクト層の側面上に配置される第１電極層と、
前記基板の第２面上に配置される第２電極層と、を備える請求項１〜５の何れか一項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
半導体の基板上に、第１導電性を有し、外方に向かって延びるコア層を形成し、
前記コア層の側面を覆う活性層を形成し、
第２導電性を有し、前記活性層の側面及び前記コア層の前記基板とは反対側の第１端部を覆うシェル層を形成し、
第２導電性を有し、前記シェル層よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、前記シェル層の側面及び前記シェル層の前記基板とは反対側の第２端部を覆うコンタクト層を形成し、
前記コンタクト層よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、前記コンタクト層の前記基板とは反対側の第３端部を覆う、結晶性の被覆層を形成する、光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子及び光半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光又は受光する光半導体素子が用いられている。
【０００３】
例えば、光半導体素子として、基板の表面から外方に向かってワイヤ状に延びるナノ構造体のコア層を有し、コア層の側面上に、発光又は受光する活性層と、シェル層とを順番に積層したナノワイヤ型の光半導体素子が提案されている。
【０００４】
ナノワイヤ型の光半導体素子は、基板から垂直方向に延びる活性層を有するので、同じ平面積を有する積層型の光半導体素子と比べて、発光出力が大きいという特徴を有する。
【０００５】
図１は、従来例のナノワイヤ型の光半導体素子を示す図である。
【０００６】
光半導体素子１１０は、半導体の基板１１１の表面から外方に向かってワイヤ状に延びるナノ構造体のコア層１１２を有する。コア層１１２は、縦長であり、長手方向の基板側の端部１１２ｂは、基板１１１と接合している。コア層１１２は、基板１１１上に積層された絶縁層１１９の開口部から、外方に向かって延びている。
【０００７】
また、光半導体素子１１０は、コア層１１２の側面及びコア層１１２の基板とは反対側の端部１１２ａを覆う活性層１１３と、活性層１１３の側面及び活性層１１３の基板とは反対側の端部を覆うシェル層１１４を備える。活性層１１３及びシェル層１１４も、基板１１１の表面から外方に向かって縦長に延びる形状を有する。
【０００８】
更に、光半導体素子１１０は、シェル層１１４と、第１電極層１１７との間の抵抗を低減するコンタクト層１１５を備える。コンタクト層１１５は、シェル層１１４の側面及びシェル層の基板とは反対側の端部を覆う。コンタクト層１１５も、基板１１１の表面から外方に向かって縦長に延びる形状を有する。基板１１１の第２面上には、第２電極層１１８が配置される。
【０００９】
コンタクト層１１５の基板とは反対側の端部上には、保護層１２０ａが配置される。また、絶縁層１１９と第１電極層１１７との間には、保護層１２０ｂが配置される。
【００１０】
光半導体素子１１０は、例えば、第１電極層１１７及び第２電極層１１８を用いて、活性層１１３に電流を注入することにより光子を生成し、生成された光子は、活性層１１３の基板とは反対側の端部から外部へ出力される。
【００１１】
活性層１１３の基板とは反対側の端部から外部へ出力された光子は、シェル層１１４及びコンタクト層１１５と、光子に対してほぼ透明な保護層１２０ａを通って、光半導体素子１１０の外部へ取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表２００９−５０７３９８号公報
【特許文献２】特表２０１２−５２９７５６号公報
【特許文献３】特表２０１３−５２１６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
半導体を用いて形成されるコンタクト層１１５のバンドギャップエネルギーが小さい程、金属を用いて形成される第１電極１１７とコンタクト層１１５との間のショットキー障壁を低減して、オーミック抵抗を低くすることができる。
【００１４】
そのため、通常、コンタクト層１１５のバンドギャップエネルギーが、活性層１１３の発光波長に対応するエネルギーよりも小さい材料を用いて、コンタクト層１１５が形成される。
【００１５】
しかし、コンタクト層１１５のバンドギャップエネルギーが、活性層１１３の発光波長に対応する光子のエネルギーよりも小さいので、活性層１１３から出力された光子の一部が、コンタクト層１１５で吸収される。そのため、光半導体素子１１０の発光効率が損なわれるという問題があった。
【００１６】
同様に、光半導体素子１１０を受光素子として用いる場合には、外部から活性層１１３に入力される光子の一部がコンタクト層１１５で吸収されて、受光効率が損なわれるという問題があった。
【００１７】
本明細書では、発光効率及び受光効率を向上する光半導体素子及び光半導体素子の製造方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、半導体の基板と、第１導電性を有し、上記基板の第１面から外方に向かって延びるコア層と、上記コア層の側面を覆う活性層と、第２導電性を有し、上記活性層の側面及び上記コア層の上記基板とは反対側の第１端部を覆うシェル層と、第２導電性を有し、上記シェル層よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、上記シェル層の側面及び上記シェル層の上記基板とは反対側の第２端部を覆うコンタクト層と、上記コンタクト層よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、上記コンタクト層の上記基板とは反対側の第３端部を覆う結晶性の被覆層と、を備える。
【００１９】
また、本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、半導体の基板上に、第１導電性を有し、外方に向かって延びるコア層を形成し、上記コア層の側面を覆う活性層を形成し、第２導電性を有し、上記活性層の側面及び上記コア層の上記基板とは反対側の第１端部を覆うシェル層を形成し、第２導電性を有し、上記シェル層よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、上記シェル層の側面及び上記シェル層の上記基板とは反対側の第２端部を覆うコンタクト層を形成し、上記コンタクト層よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、上記コンタクト層の上記基板とは反対側の第３端部を覆う、結晶性の被覆層を形成する。
【発明の効果】
【００２０】
上述した本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、発光効率及び受光効率が向上する。
【００２１】
また、本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、発光効率及び受光効率が向上した光半導体素子が得られる。
【００２２】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２３】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来例の光半導体素子を示す図である。
【図２】本明細書に開示する光半導体素子の一実施形態を示す図である。
【図３】コンタクト層のバンド構造を示す図である。
【図４】実効バンドギャップエネルギーの計算を説明する図である。
【図５】（Ａ）は、コンタクト層の膜厚と実効バンドギャップエネルギーとの関係を説明する図であり、（Ｂ）は、コンタクト層の膜厚と損失光の利用効率との関係を説明する図である。
【図６】被覆層のバンドギャップエネルギーと損失光の利用効率との関係を説明する図である。
【図７】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その１）を説明する図である。
【図８】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その２）を説明する図である。
【図９】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その３）を説明する図である。
【図１０】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その４）を説明する図である。
【図１１】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その５）を説明する図である。
【図１２】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その６）を説明する図である。
【図１３】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その７）を説明する図である。
【図１４】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その８）を説明する図である。
【図１５】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その９）を説明する図である。
【図１６】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その１０）を説明する図である。
【図１７】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その１１）を説明する図である。
【図１８】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の工程（その１２）を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本明細書で開示する光半導体素子の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００２６】
図２は、本明細書に開示する光半導体素子の一実施形態を示す図である。
【００２７】
本実施形態の光半導体素子１０は、電流が注入されて発光するか、又は、光を受光して、電圧を発生する。
【００２８】
光半導体素子１０は、半導体の基板１１と、コア層１２と、コア層１２を覆う活性層１３と、活性層１３を覆うシェル層１４と、シェル層１４を覆うコンタクト層１５と、コンタクト層１５の基板とは反対側の端部を覆う被覆層１６を備える。
【００２９】
コンタクト層１５の側面上には、第１電極層１７が配置され、基板１１の第２面１１ｂ上には、第２電極層１８が配置される。第１電極層１７と基板１１との間には、両者を電気的に絶縁する絶縁層が配置される。絶縁層１９は、コア層１２以外の第１面１１ａ側の部分と、基板１１及び第２電極層１８とを電気的に絶縁する。
【００３０】
また、光半導体素子１０は、被覆層１６を覆って保護する保護層２０ａ、２０ｂを備える。保護層２０ａ、２０ｂは、被覆層１６の端部１６ａを覆う端部２０ａと、被覆層１６の側部１６ｂを覆う側部２０ｂを有する。保護層の側部２０ｂは、絶縁層１９上も覆う。保護層２０ａ、２０ｂは電気絶縁性を有し、保護層の側部２０ｂも、絶縁層１９と共に、第１電極層１７と、基板１１との間を電気的に絶縁する。また、保護層２０ａ、２０ｂは、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応するエネルギーを有する光子に対する吸収係数が低く、実質的に光子に対して透明な材料を用いて形成されることが好ましい。
【００３１】
コア層１２は、第１導電性を有し、基板１１の第１面１１ａから、絶縁層１９の開口部１９ａを通って、外方に向かってワイヤ状に延びるナノ構造体を有する。コア層１２は、第１面１１から外方に向かって垂直に延びる縦長の形状を有する。コア層１２は、長手方向における基板側の端部１２ｂ及び基板とは反対側の端部１２ａを有する。基板側の端部１２ｂは、基板１１と接合する。
【００３２】
活性層１３は、コア層１２の基板とは反対側の端部１２ａを覆う端部１３ａと、コア層１２の側面を覆う側部１３ｂを有する。コア層１２を覆う活性層１３も、基板１１の第１面１１ａから外方に向かって縦長に延びる形状を有する。活性層１３は、電流が注入されて、光子を生成するか、又は、光子を吸収してキャリアを生成する。活性層１３は、例えば、量子井戸構造又はダブルヘテロ構造を有する。
【００３３】
光半導体素子１０が発光素子として用いられる場合、活性層１３で生成された光子は、活性層１３の基板とは反対側の端部１３ａから、外方に向かって出力される。また、光半導体素子１０が受光素子として用いられる場合、外部から入力された光子は、活性層１３の基板とは反対側の端部１３ａから、活性層１３の内部に取り込まれる。
【００３４】
シェル層１４は、第２導電性を有し、活性層１３の基板とは反対側の端部１３ａを覆う端部１４ａと、活性層１３の側部１３ｂを覆う側部１４ｂを有する。シェル層１４の端部１３ａは、活性層１３の端部１３ａを介して、コア層１２の基板とは反対側の端部１２ａを覆っている。活性層１３を覆うシェル層１４も、基板１１の第１面１１ａから外方に向かって縦長に延びる形状を有する。
【００３５】
光半導体素子１０において、シェル層１４と、活性層１３と、コア層１２が積層された構造は、ＰＩＮ構造を形成する。
【００３６】
コンタクト層１５は、シェル層１４と同じ第２導電性を有し、シェル層１４の基板とは反対側の端部１４ａを覆う端部１５ａと、シェル層１４の側部１４ｂを覆う側部１５ｂを有する。シェル層１４を覆うコンタクト層１５も、基板１１の第１面１１ａから外方に向かって縦長に延びる形状を有する。
【００３７】
コンタクト層１５は、半導体を用いて形成されるシェル層１４と、金属を用いて形成される第１電極層１７との間の抵抗を低減する。この観点から、半導体を用いて形成されるコンタクト層１５は、シェル層１４のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。これにより、第１電極層１７とコンタクト層１５との間のショットキー障壁を低減して、オーミック抵抗を低くすることができる。
【００３８】
被覆層１６は、コンタクト層１５の基板とは反対側の端部１５ａを覆う端部１６ａと、コンタクト層１５の側部１５ｂを部分的に覆う側部１６ｂを有する。被覆層１６ａは、意図的なドーパントの添加はされておらず、結晶性を有し、好ましくは単結晶である。被覆層１６ａは、転位等の欠陥を有していても良いが、欠陥を有していないことが好ましい。
【００３９】
半導体の被覆層１６は、コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する。
【００４０】
図３は、コンタクト層のバンド構造を示す図である。
【００４１】
図３は、シェル層１４及びコンタクト層１５及び被覆層１６のバンド構造を示す。価電子帯の上端のエネルギー準位をＥｖ、伝導帯の下端のエネルギー準位をＥｃで示す。
【００４２】
上述したように、コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２は、被覆層１６のバンドギャップエネルギーＥ１及びシェル層１４のバンドギャップエネルギーＥ３よりも小さい。被覆層１６のバンドギャップエネルギーＥ１とシェル層１４のバンドギャップエネルギーＥ３とは同じであっても、異なっていても良い。図３に示す例では、被覆層１６のバンドギャップエネルギーＥ１は、シェル層１４のバンドギャップエネルギーＥ３よりも大きい。
【００４３】
また、光半導体素子１０では、図３の式（１）に示すように、被覆層１６のバンドギャップエネルギーＥ１及びシェル層１４のバンドギャップエネルギーＥ３は、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応する光子のエネルギーＥｐよりも大きい。また、コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２は、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応する光子のエネルギーＥｐよりも小さい。
【００４４】
コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２を小さくすることにより、第１電極層１７とコンタクト層１５との間のショットキー障壁をより低減して、オーミック抵抗を更に低くしている。その結果、コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２は、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応する光子のエネルギーＥｐよりも小さくなっている。
【００４５】
活性層１３の発光波長又は受光波長に対応する光子のエネルギーＥｐに対して、コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２が小さいので、エネルギーＥｐを有する光子がコンタクト層１５を通る時に、光子がコンタクト層１５で吸収され得る。コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２と、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応する光子のエネルギーＥｐとの差が大きい程、コンタクト層１５で吸収される光子の量が高くなる。
【００４６】
一方、活性層１３の光子のエネルギーＥｐに対して、被覆層１６のバンドギャップエネルギーＥ１及びシェル層１４のバンドギャップエネルギーＥ３が大きいので、エネルギーＥｐを有する光子が、被覆層１６又はシェル層１４で吸収されることは実質的にはない。
【００４７】
図３に示すように、光半導体素子１０は、被覆層１６の端部１６ａと、シェル層１４の端部１３ａと、コンタクト層１５の端部１５ａとが、量子井戸構造を形成する。
【００４８】
その結果、コンタクト層１５の基板とは反対側の端部１５ａにおける量子力学的な実効バンドギャップエネルギーＥ２ａを、コンタクト層１５を形成する半導体のバンドギャップエネルギーＥ２よりも増大させることができる。量子力学的な実効バンドギャップエネルギーＥ２ａを、コンタクト層１５を形成する半導体のバンドギャップエネルギーＥ２よりも増大させることにより、エネルギーＥｐを有する光子がコンタクト層１５で吸収される量を低減できる。
【００４９】
ここで、コンタクト層１５の端部１５ａの量子力学的な実効バンドギャップエネルギーＥ２ａは、光子が、コンタクト層１５の端部１５ａを通る時に感じるエネルギーギャップを意味する。
【００５０】
図３の式（２）に示すように、コンタクト層１５の基板とは反対側の端部１５ａにおける量子力学的な実効バンドギャップエネルギーＥ２ａを、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応する光子のエネルギーＥｐよりも大きくすることもできる。Ｅ２ａ＞Ｅｐであれば、エネルギーＥｐを有する光子がコンタクト層１５を通る時に、光子がコンタクト層１５で吸収されることを実質的に防止できる。
【００５１】
次に、量子力学的な実効バンドギャップエネルギーの計算方法について、図４を参照しながら、以下に説明する。
【００５２】
図３に示すバンド構造において、価電子帯のポテンシャルエネルギーをＶｖ（ｘ）とし、伝導帯のポテンシャルエネルギーをＶｃ（ｘ）とする。ここで、ｘは、積層構造の厚さ方向の位置を示す。ｍｅは、電子の有効質量であり、ｍｈは、正孔の有効質量である。ΔＥｃは、伝導帯の電子のエネルギー固有値の変化量であり、ΔＥｖは、価電子帯の正孔のエネルギー固有値の変化量である。Ψ（ｘ）は、電子又は正孔の波動関数である。電子又は正孔の運動方程式は、図４の式（３）で表される。
【００５３】
図４の式（３）を解くことにより、ΔＥｃ及びΔＥｖが求まる。
【００５４】
量子力学的な実効バンドギャップエネルギーＥｆｆ（図３のＥ２ａに対応する）は、図４の式（４）により求められる。ここで、Ｅｇは、コンタクト層１５を形成する半導体のバンドギャップエネルギー（図３のＥ２に対応する）である。被覆層１６のバンドギャップエネルギーＥ１及びシェル層１４のバンドギャップエネルギーＥ３が、コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＥ２よりも大きいので、コンタクト層１５の端部１５aにおけるΔＥｃ及びΔＥｖは増加する。
【００５５】
図５（Ａ）は、コンタクト層の膜厚と実効バンドギャップエネルギーとの関係を説明する図である。図５（Ｂ）は、コンタクト層の膜厚と損失光の利用効率との関係を説明する図である。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、計算された結果である。
【００５６】
損失光の利用効率ηは、図４の式（５）に示すように定義される。損失光の利用効率は、コンタクト層１５を被覆層１６で覆うことにより、被覆層１６で覆われない時と比べて、吸収されていた光の内のどれだけの光を外へ取り出せるかという割合を示している。ここで、Ｉｂは、コンタクト層１５が被覆層１６で覆われていない時の損失光量であり、Ｉｑは、コンタクト層１５が被覆層１６で覆われている時の実効バンドギャップエネルギーを用いた計算された損失光量である。損失光量は、活性層が出力した光子の内、コンタクト層において吸収される光子の量である。
【００５７】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、シェル層１４がｐ型の導電性を有するＩｎＰが用いて形成され、コンタクト層１５がｐ型の導電性を有するＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ（バンドギャップエネルギー：０．７８８ｅＶ）を用いて形成される。そして、被覆層１６がＩｎＰを用いて形成された光半導体素子について計算した結果である。活性層１３の発光波長は、１５５０ｎｍとした。
【００５８】
図５（Ａ）に示すように、コンタクト層１５の膜厚が１００ｎｍ以下では、膜厚の減少と共に、実効バンドギャップエネルギーが増加しており、膜厚が２０ｎｍ以下になると、実効バンドギャップエネルギーが急激に増加する。
【００５９】
この時、図５（Ｂ）に示すように、コンタクト層１５の膜厚が１００ｎｍ以下では、膜厚の減少と共に、損失光の利用効率が増加しており、膜厚が２０ｎｍ以下になると、損失光の利用効率が１００％となって、コンタクト層１５における光の吸収が無くなる。即ち、膜厚が２０ｎｍ以下になると、活性層１３から出力された全ての光を光半導体素子の外部へ取り出せることが分かる。
【００６０】
次に、被覆層１６のバンドギャップエネルギーを変化させた時の損失光の利用効率について計算した結果を、図を参照して、以下に説明する。
【００６１】
図６は、被覆層のバンドギャップエネルギーと損失光の利用効率との関係を説明する図である。
【００６２】
被覆層１６の厚さを２０ｎｍとして、被覆層１６のバンドギャップエネルギーを、コンタクト層１５と同じ０．７８８ｅＶから、２倍の１．６ｅＶの範囲に変化させた時の損失光の利用効率を計算した。その他の計算条件は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）と同じである。
【００６３】
被覆層１６のバンドギャップエネルギーが増加するのと共に、損失光の利用効率が増加しており、被覆層１６のバンドギャップエネルギーが約１．２ｅＶ以上になると、損失光の利用効率が約１００％となった。
【００６４】
このように、被覆層１６を形成する半導体としては、コンタクト層１５よりも高いバンドギャップエネルギーを有していれば、種々の材料を用いることができることが分かる。例えば、コンタクト層１５が、ｐ型の導電性を有するＩｎＧａＡｓを用いて形成される時には、被覆層１６として、ＩｎＧａＡｓＰ混晶等を用いることができる。
【００６５】
上述した本実施形態の光半導体素子１０によれば、コンタクト層１５の実効バンドギャップエネルギーを増加させて、発光効率及び受光効率が向上することができる。特に、コンタクト層１５の実効バンドギャップエネルギーを、活性層１３の発光波長又は受光波長に対応するエネルギーよりも大きくすれば、コンタクト層１５における光の吸収を実質的に無くすことができる。
【００６６】
また、光半導体素子１０は、コンタクト層１５を介して、第１電極層１７とシェル層１４とを電気的に接続することにより、接触抵抗を低減して、効率良く発光又は受光することができる。
【００６７】
次に、上述した光半導体素子を製造する本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。
【００６８】
まず、図７に示すように、ｎ型の導電性を有する半導体の基板１１の第１面１１ａ上に、開口部１９ａを有する絶縁層１９が形成される。本実施形態では、基板１１の形成材料として、ＩｎＰ基板を用いた。ｎ型のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３とすることができる。絶縁層１９は、ＳｉＯ２を用いて形成された。
【００６９】
そして、開口部１９ａから露出する基板１１の部分に金属微粒子２１が形成される。
【００７０】
次に、図８に示すように、金属微粒子２１を触媒として用いて、基板１１の第１面１１ａから外方に向かって延びるコア層１２が形成される。コア層１２は、絶縁層１９の開口部１９ａから、外方に向かってワイヤ状に延びる。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びホスフィン（ＰＨ３）を供給し、ｎ型の導電性を有するＩｎＰにより形成されるコア層１２を形成した。硫化水素（Ｈ２Ｓ）を供給し、ｎ型のドーパントとして、硫黄（Ｓ）を用いた。ｎ型のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３とすることができる。そして、コア層１２の基板とは反対側の端部１２ａから、金属微粒子２１が除去される。本実施形態では、以下に述べるＭＯＶＰＥ法の工程においても、Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用い、Ｐの原料としてホスフィン（ＰＨ３）を用いる。
【００７１】
次に、図９に示すように、コア層１２の基板とは反対側の端部１２ａを覆う端部１３ａと、コア層１２の側面を覆う側部１３ｂを有する活性層１３が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、量子井戸構造を有する活性層１３を形成した。井戸層の形成材料として、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓを用いた。また、バリア層の形成材料として、ＩｎＰを用いた。井戸層の膜厚を５ｎｍとして、発光波長を１５５０ｎｍとした。なお、活性層１３は、井戸層又はバリア層が他の混晶組成を有していても良いし、膜厚又は発光波長はこの数値に限られるものではない。例えば、バリア層を、ＩｎＧａＡｓＰを用いて形成しても良い。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法において、Ｇａの原料として、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を供給し、Ａｓの原料として、アルシン（ＡｓＨ３）を供給する。
【００７２】
そして、ｐ型の導電性を有し、活性層１３の基板とは反対側の端部１３ａを覆う端部１４ａと、活性層１３の側部１３ｂを覆う側部１４ｂを有するシェル層１４が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型の導電性を有するＩｎＰにより形成されるシェル層１４を形成した。また、本実施形態では、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を供給し、ｐ型のドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）を用いた。ｐ型のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
【００７３】
そして、ｐ型の導電性を有し、シェル層１４よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、シェル層１４の基板とは反対側の端部１４ａを覆う端部１５ａと、シェル層１４の側部１４ｂを覆う側部１５ｂを有するコンタクト層１５が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型の導電性を有するＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓにより形成されるコンタクト層１５を形成した。
【００７４】
ここで、ＩＩＩ族元素（Ｉｎ及びＧａ）に対するＶ族元素（Ａｓ）の原料ガスの比率を大きくすることにより、端部１５ａの厚さを、側部１５ｂの厚さよりも薄くすることができる。ＩＩＩ族元素（Ｉｎ及びＧａ）に対するＶ族元素（Ａｓ）の原料ガスの比率を、１００〜１０００倍にすると、端部１５ａの厚さを、側部１５ｂの厚さの半分以下にすることができる。例えば、側部１５ｂの厚さが２〜２００ｎｍとなるように原料ガスを供給すれば、端部１５ａの厚さが１００ｎｍ以下となる。このようにして、図５（Ａ）に示すように、量子力学的な実効バンドギャップエネルギーを、コンタクト層１５を形成する半導体のバンドギャップエネルギーＥ２よりも増大させることができる。
【００７５】
特に、側部１５ｂの厚さが２〜４０ｎｍとなるように原料ガスを供給すれば、端部１５ａの厚さが２０ｎｍ以下となる。このようにして、図５（Ｂ）に示すように、コンタクト層１５における光の吸収を無くすことができる。
【００７６】
次に、図１０に示すように、コンタクト層１５よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、コンタクト層１５の基板とは反対側の端部１５ａを覆う端部１６ａと、コンタクト層１５の側部１５ｂを覆う側部１６ｂを有する結晶性の被覆層１６が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、アンドープのＩｎＧａＰにより形成される被覆層１６を形成した。被覆層１６の側部１６ｂの厚さは、例えば、５０〜２００ｎｍとすることができる。上述したように、ＩＩＩ族元素（Ｉｎ及びＧａ）に対するＶ族元素（Ｐ）の原料ガスの比率を大きくすることにより、端部１６ａの厚さを、側部１６ｂの厚さよりも薄くすることができる。ＩｎＧａＰのバンドギャップエネルギーは、Ｇａの組成比を高くするのと共に増加するが、Ｇａの組成比の増加と共に格子不整合による歪みが増大する。被覆層１６内の歪みを抑える観点から、被覆層１６の側部１６ｂの厚さが５０ｎｍ以下の時には、Ｇａの組成比を２０％以下とし、側部１６ｂの厚さが５０ｎｍ〜２００ｎｍの時には、Ｇａの組成比を５％以下とすることが好ましい。
【００７７】
被覆層１６の形成材料としては、コンタクト層１５よりも高いバンドギャップエネルギーを有していれば、他の半導体を用いることができる。例えば、被覆層１６として、ＡｌＧａＩｎＰを用いることができる。
【００７８】
次に、図１１に示すように、被覆層１６及び絶縁層１９上を覆う保護層２０が形成される。保護層２０は、被覆層１６の端部１６ａ及び側部１６ｂ上に形成される。本実施形態では、ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮにより形成される保護層２０を形成した。図には明確に示していないが、保護層２０を形成する時の異方性により、被覆層１６の端部１６ａを覆う保護層２０の部分の厚さよりも、側部１６ｂを覆う保護層２０の部分の厚さが薄く形成される。
【００７９】
次に、図１２に示すように、絶縁層１９上にマスクＭ１が形成される。マスクＭ１は、被覆層１６の側部１６ｂを所定の高さまで覆うように形成される。
【００８０】
次に、図１３に示すように、マスクＭ１を用いて、被覆層１６の側部１６ｂを覆う保護層２０の部分がエッチングにより除去されて、被覆層１６の側部１６ｂが露出する。被覆層１６の端部１６ａを覆う保護層２０の部分（以下、保護層の端部２０ａともいう）は、厚さが厚いので、エッチング後も被覆層１６の端部１６ａ上に残る。また、マスクＭ１に覆われている保護層２０の部分（以下、保護層の側部２０ｂともいう）も、エッチングされずに残る。
【００８１】
次に、図１４に示すように、マスクＭ１が除去される。
【００８２】
次に、図１５に示すように、保護層の端部２０ａ及び側部２０ｂをマスクとして、被覆層１６の側部１６ｂの一部がエッチングにより除去されて、コンタクト層１５の側部１５ｂが露出する。
【００８３】
次に、図１６に示すように、保護層の端部２０ａ及び側部２０ｂ、並びにコンタクト層１５の側部１５ｂを覆う第１電極層１７が形成される。本実施形態では、第１電極層１７として、Ｔｉ／ＴｉＷ／Ａｕの積層構造を用いた。半導体であるコンタクト層１５の側部１５ｂと、金属である第１電極層１７とは、ショットキー接合する。
【００８４】
次に、図１７に示すように、一部分を露出させつつ第１電極層１７を覆うマスクＭ２が形成される。第１電極層１７は、保護層の端部２０ａを覆う部分が、マスクＭ２には覆われずに露出している。
【００８５】
次に、図１８に示すように、マスクＭ２を用いて、第１電極層Ｍ２がエッチングにより除去されて、保護層の端部２０ａ及び第１電極層１７の一部が露出する。
【００８６】
次に、図２に示すように、マスクＭ２を除去した後、基板１１の第２面１１ｂ上に第２電極層１８が形成されて、光半導体素子１０が得られる。本実施形態では、第２電極層１８として、ＡｕＧｅ／Ａｕの積層構造を用いた。
【００８７】
なお、他の光半導体素子の製造方法において、活性層が生成した光がコンタクト層において吸収されることを回避するために、活性層が生成した光が通るコンタクト層の部分をエッチングにより除去することが提案されている。しかし、コンタクト層を部分的にエッチングにより除去すると、コンタクト層に対して、エッチングによる損傷を与えるおそれがある。一方、本実施形態の光半導体素子１０の製造方法では、コンタクト層に対して損傷を与えるようなおそれがない。
【００８８】
次に、上述した光半導体素子を製造する本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。本実施形態では、光半導体素子を形成する材料が上述した第１実施形態とは異なる部分があるが、製造工程自体は同様なので、同じ図面を参照しながら、以下に説明する。
【００８９】
まず、図７に示すように、ｎ型の導電性を有する半導体の基板１１の第１面１１ａ上に、開口部１９ａを有する絶縁層１９が形成される。本実施形態では、基板１１の形成材料として、ＧａＡｓ基板を用いた。ｎ型のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３とすることができる。絶縁層１９は、ＳｉＯ２を用いて形成された。
【００９０】
そして、開口部１９ａから露出する基板１１の部分に金属微粒子２１が形成される。
【００９１】
次に、図８に示すように、金属微粒子２１を触媒として用いて、基板１１の第１面１１ａから外方に向かって延びるコア層１２が形成される。コア層１２は、絶縁層１９の開口部１９ａから、外方に向かってワイヤ状に延びる。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）及びアルシン（ＡｓＨ３）を供給し、ｎ型の導電性を有するＧａＡｓにより形成されるコア層１２を形成した。硫化水素（Ｈ２Ｓ）を供給し、ｎ型のドーパントとして、硫黄（Ｓ）を用いた。ｎ型のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３とすることができる。そして、コア層１２の基板とは反対側の端部１２ａから、金属微粒子２１が除去される。本実施形態では、以下に述べるＭＯＶＰＥ法の工程においても、Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、Ａｓの原料としてアルシン（ＡｓＨ３）を用いる。
【００９２】
次に、図９に示すように、コア層１２の基板とは反対側の端部１２ａを覆う端部１３ａと、コア層１２の側面を覆う側部１３ｂを有する活性層１３が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ダブルヘテロ構造を有する活性層１３を形成した。具体的には、活性層１３として、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを用いた。ＧａＡｓ層の膜厚を６０ｎｍとして、発光波長８７０ｎｍとした。なお、活性層１３は、他の混晶組成のヘテロ構造を有していても良いし、膜厚又は発光波長はこの数値に限られるものではない。また、活性層１３は、ＳＣＨ構造及び量子井戸構造を有していても良い。例えば、活性層１３は、ＡｌＧａＡｓ（ＳＣＨ層）／ＧａＡｓ（バリア層）／ＩｎＧａＡｓ（井戸層）／ＧａＡｓ（バリア層）／ＡｌＧａＡｓ（ＳＣＨ層）を用いて形成しても良い。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法において、Ａｌの原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給した。
【００９３】
そして、ｐ型の導電性を有し、活性層１３の基板とは反対側の端部１３ａを覆う端部１４ａと、活性層１３の側部１３ｂを覆う側部１４ｂを有するシェル層１４が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型の導電性を有するＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層により形成されるシェル層１４を形成した。また、本実施形態では、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を供給し、ｐ型のドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）を用いた。ｐ型のドーパント濃度は、例えば、５×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
【００９４】
そして、ｐ型の導電性を有し、シェル層１４よりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、シェル層１４の基板とは反対側の端部１４ａを覆う端部１５ａと、シェル層１４の側部１４ｂを覆う側部１５ｂを有するコンタクト層１５が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型の導電性を有するＧａＡｓにより形成されるコンタクト層１５を形成した。
【００９５】
ここで、ＩＩＩ族元素（Ｇａ）に対するＶ族元素（Ａｓ）の原料ガスの比率を大きくすることにより、端部１５ａの厚さを、側部１５ｂの厚さよりも薄くすることができる。ＩＩＩ族元素（Ｇａ）に対するＶ族元素（Ａｓ）の原料ガスの比率を、１００〜１０００倍にすると、端部１５ａの厚さを、側部１５ｂの厚さの半分以下にすることができる。例えば、側部１５ｂの厚さが１００〜２００ｎｍとなるように原料ガスを供給すれば、端部１５ａの厚さが１００ｎｍ以下となる。このようにして、図５（Ａ）に示すように、量子力学的な実効バンドギャップエネルギーを、コンタクト層１５を形成する半導体のバンドギャップエネルギーＥ２よりも増大させることができる。
【００９６】
次に、図１０に示すように、コンタクト層１５よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、コンタクト層１５の基板とは反対側の端部１５ａを覆う端部１６ａと、コンタクト層１５の側部１５ｂを覆う側部１６ｂを有する結晶性の被覆層１６が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、アンドープのＡｌＧａＡｓにより形成される被覆層１６を形成した。被覆層１６の側部１６ｂの厚さは、例えば、１００〜２００ｎｍとすることができる。上述したように、ＩＩＩ族元素（Ａｌ及びＧａ）に対するＶ族元素（Ａｓ）の原料ガスの比率を大きくすることにより、端部１６ａの厚さを、側部１６ｂの厚さよりも薄くすることができる。Ａｌの組成比を高くするのと共に、歪みを増大することなく、ＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーを増加させることができる。
【００９７】
被覆層１６の形成材料としては、コンタクト層１５よりも高いバンドギャップエネルギーを有していれば、他の半導体を用いることができる。例えば、被覆層１６として、ＡｌＡｓ又はＧａＡｓを用いることができる。
【００９８】
次に、図１１に示すように、被覆層１６及び絶縁層１９上を覆う保護層２０が形成される。保護層２０は、被覆層１６の端部１６ａ及び側部１６ｂ上に形成される。本実施形態では、ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２により形成される保護層２０を形成した。図には明確に示していないが、保護層２０を形成する方法の異方性により、被覆層１６の端部１６ａを覆う保護層２０の部分の厚さよりも、側部１６ｂを覆う保護層２０の部分の厚さが薄く形成される。
【００９９】
次に、図１２に示すように、絶縁層１９上にマスクＭ１が形成される。マスクＭ１は、被覆層１６の側部１６ｂを所定の高さまで覆うように形成される。
【０１００】
次に、図１３に示すように、マスクＭ１を用いて、被覆層１６の側部１６ｂを覆う保護層２０の部分がエッチングにより除去されて、被覆層１６の側部１６ｂが露出する。被覆層１６の端部１６ａを覆う保護層２０の部分（以下、保護層の端部２０ａともいう）は、厚さが厚いので、エッチング後も被覆層１６の端部１６ａ上に残る。また、マスクＭ１に覆われている保護層２０の部分（以下、保護層の側部２０ｂともいう）も、エッチングされずに残る。
【０１０１】
次に、図１４に示すように、マスクＭ１が除去される。
【０１０２】
次に、図１５に示すように、保護層の端部２０ａ及び側部２０ｂをマスクとして、被覆層１６の側部１６ｂの一部がエッチングにより除去されて、コンタクト層１５の側部１６ｂが露出する。
【０１０３】
次に、図１６に示すように、保護層の端部２０ａ及び側部２０ｂ、並びにコンタクト層１５の側部１５ｂを覆う第１電極層１７が形成される。本実施形態では、第１電極層１７として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を用いた。半導体であるコンタクト層１５の側部１５ｂと、金属である第１電極層１７とは、ショットキー接合する。
【０１０４】
次に、図１７に示すように、一部分を露出させつつ第１電極層１７を覆うマスクＭ２が形成される。第１電極層１７は、保護層の端部２０ａを覆う部分が、マスクＭ２には覆われずに露出している。
【０１０５】
次に、図１８に示すように、マスクＭ２を用いて、第１電極層Ｍ２がエッチングにより除去されて、保護層の端部２０ａ及び第１電極層１７の一部が露出する。
【０１０６】
次に、図２に示すように、マスクＭ２を除去した後、基板１１の第２面１１ｂ上に第２電極層１８が形成されて、光半導体素子１０が得られる。本実施形態では、第２電極層１８として、ＡｕＧｅ／Ａｕの積層構造を用いた。
【０１０７】
本発明では、上述した実施形態の光半導体素子及び光半導体素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【０１０８】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１０９】
１０    光半導体素子
１１    基板
１２    コア層
１２ａ    基板とは反対側の端部
１２ｂ    基板側の端部
１３    活性層
１３ａ    端部
１３ｂ    側部
１４    シェル層
１４ａ    端部
１４ｂ    側部
１５    コンタクト層
１５ａ    端部
１５ｂ    側部
１６    被覆層
１６ａ    端部
１６ｂ    側部
１７    第１電極層
１８    第２電極層
１９    絶縁層
１９ａ    開口部
２０、２０ａ、２０ｂ    保護層
２１    金属微粒子
Ｍ１    マスク
Ｍ２    マスク
【図１】
2015153883.tif 000003
【図２】
2015153883.tif 000004
【図３】
2015153883.tif 000005
【図４】
2015153883.tif 000006
【図５】
2015153883.tif 000007
【図６】
2015153883.tif 000008
【図７】
2015153883.tif 000009
【図８】
2015153883.tif 000010
【図９】
2015153883.tif 000011
【図１０】
2015153883.tif 000012
【図１１】
2015153883.tif 000013
【図１２】
2015153883.tif 000014
【図１３】
2015153883.tif 000015
【図１４】
2015153883.tif 000016
【図１５】
2015153883.tif 000017
【図１６】
2015153883.tif 000018
【図１７】
2015153883.tif 000019
【図１８】
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