(57)【要約】基板に対して垂直な側壁を備えた複数の半導体フィンガー部材を有する固体発光装置。多量子井戸が側壁上に基板に対して垂直に形成される。各多量子井戸は、フィンガー部材の側壁とフィンガー部材の導電型とは反対の第２半導体部材との間に挟まれる。電圧を受け入れるために、オーミックコンタクトが、フィンガー部材及び第２半導体部材に取り付けられる。装置は、放出された光がＵＶ領域となるようにＧａＮベースである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に、それぞれが前記基板に対して垂直な側壁を有する複数の第１導電型の半導体フィンガー部材と、
前記半導体フィンガー部材の各側壁に設けられ、第２材料からなるバリア層とバリア層との間に挿入される第１材料からなる複数の量子井戸層を含む多量子井戸構成とを備え、前記層は、前記基板に対して垂直で且つ外側層を含み、
前記フィンガー部材と導電型が反対の複数の半導体部材を備え、前記多量子井戸構成のそれぞれが前記半導体フィンガー部材側壁と前記半導体部材との間に挟まれるように、前記複数の半導体部材のそれぞれが、前記多量子井戸構成のそれぞれの外側層上に配置され、
前記半導体フィンガー部材及び前記半導体部材上にそれぞれ配置される第１及び第２オーミックコンタクトを備え、
前記第１及び第２材料は、前記第１オーミックコンタクトと第２オーミックコンタクトとの間に電圧を印加したときに特定の波長で発光する材料のクラスから選択される半導体光源装置。
【請求項２】
前記半導体フィンガー部材、半導体部材及び前記多量子井戸は、ＧａＮベースの材料であり、前記発光はＵＶ領域である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記半導体フィンガー部材及び前記半導体部材は、ＡｌＧａＮ材料である請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記多量子井戸の前記量子井戸層及び前記バリア層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）で構成され、
前記量子井戸層のｘ及びｙは、前記バリア層とは異なる請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体フィンガー部材は、互いに平行である請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記多量子井戸は、放出面と反対面とを備え、
前記反対面の後ろに配置されるブラッグ・リフレクタを含み、前記ブラッグ・リフレクタは、それに当たった何れの光をも前記放出面へと向きを変えるように動作する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記半導体フィンガー部材は、ｎ型又はｐ型半導体材料であり、
前記半導体部材は、導電型が反対であり、
前記半導体フィンガー部材の主要部分を囲んだ活性領域を含み、
前記活性領域の外にあるｎ型又はｐ型半導体材料は、電気的に中性化されている請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記多量子井戸はそれぞれ、上面及び底面と、互いに対向する第１端及び第２端とを含み、
前記多量子井戸それぞれの前記第１端及び第２端のそれぞれに配置される光リフレクタと、
生成光が前記上面を通過して外に出るのを防ぐように前記上面に配置されるクラディング層とを含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
基板と、
前記基板上に配置され、前記基板に対して垂直な側壁を有する導電型が反対の第１及び第２半導体部材と、
前記第１半導体部材と第２半導体部材との間に挟まれ、第２材料からなるバリア層とバリア層との間に挿入される第１材料からなる複数の量子井戸層を含む多量子井戸構成と、前記層は、前記基板に対して垂直であり、
前記第１及び第２半導体部材のそれぞれの上に配置される第１及び第２オーミックコンタクトとを備え、
前記第１及び第２材料は、前記第１電極と第２電極との間に電圧を印加したときに特定の波長で発光する材料のクラスから選択される元素半導体光源。
【請求項１０】
ベース部材上に絶縁性の半導体層を成長させ、
前記絶縁層上に第１導電型の第１半導体層を成長させ、
前記第１半導体層の一部を取り除き、前記ベース部材に対して垂直な側壁を有する複数の半導体フィンガー部材を形成し、
前記側壁を含む前記半導体フィンガー部材を覆って、交互に並ぶ量子井戸及びバリア層で構成される多量子井戸を成長させ、
前記多量子井戸を覆って、前記第１半導体層と導電型が反対の第２半導体層を成長させ、
前記多量子井戸及び前記第２半導体層を、前記フィンガー部材の上面から取り除き、
前記フィンガー部材のそれぞれの上にオーミックコンタクトを形成し、
前記フィンガー部材とフィンガー部材との間に配置される前記第２半導体層上にオーミックコンタクトを形成する工程を備える半導体光源の製造方法。
【請求項１１】
有機金属化学気相成長装置内での成長によって前記層を形成することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィンガー部材が互いに平行するように前記フィンガー部材を形成することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記多量子井戸の前記量子井戸及び前記バリア層をＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）から形成することを含み、
前記量子井戸層の前記ｘ及びｙは、前記バリア層のものとは異なる請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
活性領域の外にある導電型が反対の半導体材料が電気的に中性になるように前記半導体フィンガー部材の主要部分を囲む活性領域を形成することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記活性領域の外において前記装置にイオンを打ち込んで前記活性領域を形成することを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記多量子井戸が放出面と、反射層に隣接した反対面とを含むように、前記絶縁性の半導体層上に反射層を形成することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記装置から供給される生成光の波長に同調した１／４波長リフレクタとして前記リフレクタを形成することを含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光源に関するものであり、特に、ＵＶ領域の光を放出するのに特によく適合した固体光源に関するものである。ここで“光”とは、特定の波長を有する生成された波にあてはまる用語で、必ずしも電磁スペクトルの可視領域にあるものとは限らない。
【背景技術】
【０００２】
コンパクトでパワーと信頼性の高いＵＶ（紫外線）光源に対するニーズがある。かかる光源は、化学剤及び生物剤の検知を含む様々な用途に使用することができる。例えば、特定の波長を有するＵＶビームは、調査対象である領域に向けられ、存在する恐れのあるいかなる疑わしい剤の蛍光をも生じさせることができる。検知及び中性化装置は、当該領域をクリアにするため用いてよい。
【０００３】
かかる光源の別の用途は、可視光の生成である。より具体的には、ＵＶ照射は、照射に応答して可視領域の光を生成する特定の蛍光体に対して行ってもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体半導体ＵＶ光源は、こうしたニーズに応えるため開発された。後述するとおり、従来の半導体ＵＶ光源は、様々な欠陥を抱えており、例えば、損失及び非効率性をまねく結晶欠陥、光出力量を制限する内部反射、電圧を印加すると波長がシフトするといった問題がある。さらに、これらがより大きくなるようにこれらの装置の規模を変えると、パワー、即ち光出力がスケーリング因子に比例しては増加しない。
【０００５】
本発明は、かかる欠点を解消する半導体光源の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
基板と、前記基板上に、それぞれが前記基板に対して垂直な側壁を有する複数の第１導電型の半導体フィンガー部材(members)とを含む半導体光源装置を提供する。多量子井戸構成は、前記半導体フィンガー部材の各側壁に設けられ、第２材料からなるバリア層とバリア層との間に挿入された第１材料からなる複数の量子井戸層を含む。前記層は、基板に対して垂直で且つ外側層を含む。
【０００７】
前記フィンガー部材とは導電型が反対の複数の半導体部材が設けられる。また、複数の多量子井戸構成のそれぞれが半導体フィンガー部材側壁と半導体部材との間に挟まれるように、多量子井戸構成のそれぞれの外側層上に、これらの半導体部材が配置される。第１及び第２オーミックコンタクトは、それぞれ、前記半導体フィンガー部材及び半導体部材上に配置される。
【０００８】
前記多量子井戸の第１及び第２材料は、第１オーミックコンタクトと第２オーミックコンタクトとの間に電圧が印加されるときに特定の波長で発光する材料のクラスから選択される。好ましい実施形態においては、前記材料は、発光がＵＶ領域にあるＧａＮベースのものである。
【０００９】
他の観点においては、半導体光源の製造方法は、ベース部材上に絶縁性の半導体層を成長させ、前記絶縁層上に第１導電型の第１半導体層を成長させる工程を含む。第１半導体層の一部は取り除かれ、ベース部材に対し垂直になる側壁を有する複数の半導体フィンガー部材が形成される。
【００１０】
交互に並ぶ量子井戸とバリア層とで構成される多量子井戸を、側壁を含む前記半導体フィンガー部材を覆って成長させ、前記多量子井戸を覆って前記第１半導体層と導電型が反対の第２半導体層を成長させる。
【００１１】
前記多量子井戸及び第２半導体層は、フィンガー部材の上面から取り除かれ、各フィンガー部材上、及びフィンガー部材とフィンガー部材との間に配置される第２半導体層上に、オーミックコンタクトが形成される。
【００１２】
ここに詳細に記載した内容から、本発明のさらなる適用範囲は明らかであろう。しかし、この詳細な記載から本発明の精神及び範囲にある様々な変更及び改良が当業者にとって明らかとなるため、詳細な説明及び具体例は、本発明の好ましい実施形態を開示するものの、あくまでも例証のため提供されていることが理解されなければならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、以下に記載する詳細な説明及び添付の図面からさらに十分に理解されるものである。当該図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれてはおらず、例示としてのみ与えられる。
【００１４】
以下、垂直、水平、上部、底部、前方、後方といった用語は、説明を容易にするために使われるのであり、構造又は方向を限定するものではない。さらに、本発明は、様々な波長を生成するのに適用できるが、例示として、ＵＶ領域にある光の生成に関して記載するものである。当該波長は、約４００ｎｍ（ナノメートル）から４ｎｍである。
【００１５】
図１の半導体光源１０は、例えばサファイアなどのベース１３及びバッファ層１４で構成される基板１２を含む。ＵＶ生成には、ＧａＮ（窒化ガリウム）結晶系が好ましく、従って、バッファ層１４は、例えばｎ型半導体部材を形成するようにドーピングされたＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）で構成される。バッファ層１４の上には、薄い量子井戸と厚いバリア層が交互に並ぶ層で構成される多量子井戸構成１６が配置されている。
【００１６】
極めて基本的であるが、エネルギーギャップの小さい所定の半導体材料がエネルギーギャップのより大きい半導体材料からのエネルギーバリアとエネルギーバリアとの間に挟まれると、それらのバリアの間に量子井戸が形成される。電圧が印加されるｎ型半導体とｐ型半導体との間に多量子井戸構成が挟まれると、ｐ型半導体材料からの正孔がｎ型半導体材料からの電子と結合し、多量子井戸の組成と幅に応じて特定の波長のフォトンが放出される。ＧａＮベースの材料では、その波長はＵＶ領域にある。
【００１７】
ｐ型半導体部材１８は、多量子井戸１６の他方側に接触し、オーミックコンタクト２０及び２１がそれぞれｎ型バッファ層１４とｐ型部材１８上に配置される。これらのコンタクトの間に電圧が印加されるときＵＶ光が生成され、光線２６が示すように、主に上面２４から外に出て行く。
【００１８】
多量子井戸１６は、ＧａＮベースであり、結晶が水平に基板１２に平行に成長するとき転位と呼ばれる特定のクラスの欠陥が生じ、この欠陥は、電流が光に変換される領域の至るところで１０8ｃｍ-2を超えることがある。この欠陥密度は、装置の効率を著しく低下させ、ＵＶを生成するには受け入れられない。
【００１９】
図１の多量子井戸結晶配向の別の結果は、偏光効果である。この効果では、電場が、好ましくない波長シフトが駆動電流の作用として生じる量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect）を生成する。電場は、電子と正孔を分離させたままにしようとする力であり、分離されていれば、これらは、適切に結合していない。この量子閉じ込めシュタルク効果は、多量子井戸光モジュレータでは役立つが、多量子井戸光生成器では望まれない。
【００２０】
図１の装置の別の問題を図２に示す。参照符号３０は、生成されたフォトンを示しており、参照符号３１で示される経路を辿る。経路角が部材１８と空気の界面に接するところにおいて、経路角が臨界角φcより小さい場合には、そのフォトンは全光出力に寄与することになる。しかし、フォトン、例えばフォトン３４が経路３５を辿る場合、それは、臨界角φcより大きく、内部で反射されるため全光出力が減少することになる。
【００２１】
本発明による半導体光源は、これらの問題を解消するものであり、一実施形態を図３の斜視図と、これに対応する図４の断面図に示す。光源３８は、ベース４１及びバッファ層４２で構成される基板４０を含む。例として、ベース４１は、サファイアであってよく、バッファ層４２は、絶縁性のＡｌＧａＮによって構成されてよい。
【００２２】
装置は、第１導電型、例えばｎ型である複数の平行する半導体フィンガー部材４６を含む。半導体フィンガー部材４６は、基板４０に対して垂直である垂直側壁４８を有し、ＡｌＧａＮからなる。多量子井戸層がすべて基板４０に垂直になるように、多量子井戸構成５０は、これらの側壁４８上に成長させ配置させる。
【００２３】
複数のＡｌＧａＮ半導体部材５２はそれぞれ、多量子井戸５０の外側層上に設けられ、フィンガー部材４６と反対の導電型である。つまり、半導体部材５２は、同様にＡｌＧａＮからなるｐ型材料である。この構成により、各多量子井戸５０は、ｎ型半導体フィンガー４６とｐ型半導体部材５２との間に挟まれる。
【００２４】
オーミックコンタクト５４は、フィンガー部材４６のそれぞれの上部に配置され、一方、オーミックコンタクト５６は、それぞれの半導体部材５２と電気的に接触している。例えば、オーミックコンタクト５４は、チタンアルミ組成物であってよく、オーミックコンタクト５６は、ニッケル金組成物であってもよい。
【００２５】
図３において最もよく分かるとおり、オーミックコンタクト５４のすべてがパッド６０に接続しているオーミックコンタクトバス５８に接続され、オーミックコンタクト５６のすべてがパッド６４に接続しているオーミックコンタクトバス６２に接続される。動作時には、パッド６０と６４との間に電圧が印加され、これによって、多量子井戸５０から所望のＵＶ光が生成される。図３に示す装置は、基板上に同時に成長させた後、ｎ個以上の個片に分離して使用してもよいｎ個の装置のうちの１個を示していることに注意すべきである。
【００２６】
図５は、典型的な多量子井戸構成５０を幾分さらに詳細に示している。多量子井戸５０は、第１材料からなる相対的に薄い多量子井戸６８が第２材料からなるより厚いバリア層６９とバリア層６９との間に設けられることで交互に並ぶ層で構成される。ＧａＮ系を用いてＵＶを生成する場合、多量子井戸構造は、組成が互いに異なるＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮからなる交互に並ぶ層のいずれかの組み合わせで構成されてよい。このとき、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１で、ｘ及びｙの特定の選択によって光出力の波長が支配される。
【００２７】
ＧａＮ結晶を横方向に成長させると結晶欠陥が著しく少なくなる。本発明は、基板に対して垂直に、横方向成長させたＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮの互いに異なる層で構成される多量子井戸構造を成長させることでこの現象の利点を活かしている。ここでｘとｙは、隣接する層で互いに異なる。こうした構成により、従来技術の装置にあった転位を３〜６桁分減少させることができる。さらに、この構成により、前出の好ましくない量子閉じ込めシュタルク効果が解消される。
【００２８】
また、本発明の光源によると、図１の装置に比べ大きな光出力が可能になる。具体的には、図６によると、フォトン７２は、上部から、即ち、経路７３を通って多量子井戸５０の放出面から外に現れる。フォトン７４は、経路７５が示すように、臨界点を上回ったところで半導体５２／空気の界面に突き当たり、内側に反射する。しかし、内側に反射したフォトンは、半導体部材５２の上部から外に現れ、全光出力に寄与する。このことはフォトン７６についても同じで、経路７７を通って臨界角未満のところで界面に当たり半導体５２の側面から外へ現れるが、依然として装置上面からの全光出力に寄与する。
【００２９】
図７は、図３の装置３８の平面図で、装置の分離機能を説明している。製造プロセスの間に、選択された領域においてヘリウムイオンなどのイオンが装置に打ち込まれ、装置のｎ型及びｐ型半導体部分の導電性が中性化される。四角の点線部分８０で示すように、フィンガー部材４６の主要部分を取り囲む領域を選択的にマスクすることによって、四角の外にあるｎ型及びｐ型の半導体材料などすべてが電気的に中性なＡｌＧａＮに変換され、四角８０に含まれるフィンガー部材４６、多量子井戸５０及び半導体部材５２の一部のみが活性になる。
【００３０】
半導体光源を製造する好ましい方法として、周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）プロセスによるものがある。これについては図８Ａ〜８Ｆを参照する。
【００３１】
図８Ａのサファイアなどのベースウェハ４１は、グラファイト・サセプター（図示せず）上に配置され、ＭＯＣＶＤ装置の中で加熱される。絶縁性のＡｌＧａＮバッファ層４２は、ベース４１を覆って形成され、続いてドーパントを加えてフィンガー部材４６の前駆体であるｎ型ＡｌＧａＮ層４６'を成長させる。図８Ａの構造をＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、この構造に対してマスク及びエッチングを施し、図８Ｂに示すように複数のフィンガー部材４６を形成する。
【００３２】
前記構造を再びＭＯＣＶＤ装置に戻した後、図８Ｃに示すように、露出されたバッファ層４２及びフィンガー部材４６を覆って、参照符号５０'が示す多量子井戸の層を成長させる。多量子井戸の最終層が成長すると、ガスにドーパントを加えて多量子井戸層５０'を覆ってｐ型半導体５２'を成長させる。
【００３３】
この時点で、前記構造を取り出し、図７を用いて説明した分離を生成してもよい。このためには、図８Ｄに示すように、意図した分離領域上にマスク８２を配置し、矢印８４が示すように、装置に対してイオン打ち込みを行う。
【００３４】
マスク及びエッチングの工程により、フィンガー部材４６の上部から半導体５２'及び多量子井戸５０'が取り除かれ、図８Ｅの構造になる。続いて、図８に示すように、フィンガー部材４６及び半導体部材５２上にオーミックコンタクト５４及び５６がそれぞれ形成される。
【００３５】
光は、上部から、即ち、多量子井戸５０の放出面から投射される。しかし、光は、逆方向、即ち、多量子井戸の底面に向かっても放出される。この光の方向を放出面に向かって変えることができるなら、装置の取り出し効率を著しく向上させることができる。このことは、図９に示すように、製造プロセスにおいて別の層を追加することで達成することが可能になる。
【００３６】
図９においてベース４１及びバッファ４２は、図８Ａに示すものと同一である。基板４０は、装置の動作波長に同調した１／４波長リフレクタである追加の層８８を含む。プロセス工程は、図８Ｂから図８Ｆで説明する工程と同じであるが、図１０が示すように、多量子井戸５０の底面の裏側に反射層８８が配置される。
【００３７】
前記構造を拡大したものを図１１に示す。多量子井戸５０の反対面８９に向けられたいずれの光も、ブラッグ・リフレクタ８８によって放出面９０に向けて方向が変えられ、矢印９１が示すように、光出力に寄与することとなる。前記構造は、多量子井戸の水平部分９２を含むが、かかる部分は、電圧が印加される導電型が互いに反対の半導体と半導体の間には配置されず、従って、かかる部分には、それを横断する電場が印加されないこととなる。よって、それから光が放出されることはない。
【００３８】
以上説明した構造は、ＬＥＤ（発光ダイオード）の特徴を有していてもよい。また、前記構造は、レーザーダイオードとして動作してもよく、これについては図１２を参照する。図１２は、図３と同様だが、レーザー光を生成するよう改良されている。具体的には、半導体フィンガー部材４６、多量子井戸５０及び半導体部材５２を含むフィンガーのフロント、即ち、第１の端のそれぞれが、リフレクタ９４にそれぞれ置き換えられ、対応するリフレクタ９５は、フィンガーの、反対側の第２の端に配置される。
【００３９】
多量子井戸５０に沿って長手方向に移動するフォトンは、リフレクタ９４及び９５のため、前面及び反対面で反射することとなる。移動中、フォトンの一部がフロント・リフレクタ９４を経由してレーザー生成光として放射されるまで、フォトンは、ほかのフォトンの生成を促す。
【００４０】
多量子井戸５０の上面から生成光が現れないようにするため、電気的に中性の材料からなるクラッディング１００を、図１２に示すように、各多量子井戸５０の上面を覆って成長させる。
【００４１】
以上、本発明の原理を説明したにすぎない。よって、明細書において文言又は図によって明示されないものの、本発明の原理を具体化し、従って本精神及び範囲を逸脱しない多様な構成を当業者が工夫することは可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、従来技術による半導体光源を示す。
【図２】図２は、図１に示す従来技術の装置における光反射を説明している。
【図３】図３は、本発明の一実施形態の斜視図である。
【図４】図４は、図２の構造の一部を通る切断図である。
【図５】図５は、多量子井戸構成を示す。
【図６】図６は、本発明の装置における光反射を説明する。
【図７】図７は、図２の構造の平面図である。
【図８】図８Ａ〜８Ｆは、本発明の装置を製造する処理ステップを説明している。
【図９】図９は、使用することのできる代替基板を示す。
【図１０】図１０は、図９の基板を使った装置を示す。
【図１１】図１１は、図１０の基板の一部をより詳細に示す。
【図１２】図１２は、レーザービームを生成するため改良したものを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
2008515172.tif 000013
【図８Ｅ】
2008515172.tif 000014
【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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