(57)【要約】【課題】窒化物系発光デバイス内に、電流を導くアパーチャを形成する。【解決手段】窒化物発光デバイス内に埋設アパーチャを形成する方法であり、非晶質または多結晶材料からなり、窒化物を含むアクティブ層の上にアパーチャ層を形成する。アパーチャ層材料も窒化物を含み、アパーチャ層はエッチングされてアパーチャが形成され、このアパーチャはエピタキシャル再成長によって、導電性材料で充填される。上記非晶質の層は結晶化され、電気抵抗性を有する材料を再成長期間または再成長前に形成する。電気抵抗性の材料内の導電性アパーチャは、アクティブ層の発光領域に電流を導くのに適している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物光電子デバイス内に電流を導くアパーチャを形成する方法であって、
光を射出させるため、窒化物を含むように結晶性アクティブ層を作製し、
アパーチャ層が最初から単結晶層にならないよう、約８００℃未満の温度で前記アクティブ層上に前記アパーチャ層を堆積し、
アパーチャを形成するために前記アパーチャ層をエッチングし、
電流を導く埋設アパーチャを作製するために窒化物を含む結晶性ヘテロ構造層を前記アパーチャ層上に再成長する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
堆積された前記アパーチャ層は非晶質アパーチャ層となる方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記結晶性ヘテロ構造の前記再成長により前記非晶質アパーチャ層が結晶化される方法。
【請求項４】
埋設アパーチャを有する光電子デバイスであって、
アクティブ層内において発光するアクティブ領域であり、窒化物を含むアクティブ領域と、
前記アクティブ領域上に形成され、アパーチャを有する結晶性の電気抵抗性アパーチャ層と、
前記抵抗性アパーチャ層上に形成され、窒化物を含む第２の結晶性層と、を含み、
該第２の結晶性層は、導電性を付与し、かつ、前記電気抵抗性層中のアパーチャを充填するようにドープされ、
前記第２の結晶性層は、前記電気抵抗性アパーチャ層とともに、発光させるために、前記アクティブ層内の選択アクティブ領域に電流を導く光電子デバイス。
【請求項５】
光を射出するための光電子デバイスであって、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された窒化物材料を含むアクティブ層と、
アパーチャを含み、結晶化アモルファス材料より形成された、電気抵抗性材料と、
電流が前記アパーチャから前記アクティブ層内のアクティブ領域に導かれ、該電流が発光を生じさせる、前記アパーチャを充填する導電性材料と、
を備える光電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
窒化物光電子デバイス内において電流を導くアパーチャを有する光電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ: vertical cavity surface-emitting lasers）や高性能ダイオードを含む、ＧａＡｓおよびＩｎＰの光電子デバイスは多くの場合、非導電層内のより導電性の高い「アパーチャ」を使用して、中心部の発光領域、すなわち「アクティブ」領域に電流を流す。これらのＧａＡｓおよびＩｎＰシステムのほとんどにおいて、非導電層より屈折率の高い材料がアパーチャ材料として選択され、これにより、発生した光場（optical field）をアパーチャが閉じ込めることができる。一部の「非共振」構造において、アパーチャの屈折率は周囲の屈折率よりも低く設計されており、損失をより高次モードに制御可能に誘導する。
【０００３】
さまざまな方法を用いて導電アパーチャを形成することができる。１つの方法において、パターンを化学エッチングにより形成した後、パターニングされた層の開口部内のアパーチャ材を再成長させることにより、アパーチャが形成される。そのような方法がD. Zhou 及び L. J. Mawst, Appl. Phys. Lett., v.76 (13), 2000, 頁1659 -1661に説明されており、ここに参照して援用する。ＡｌＧａＡｓ層に導電アパーチャを形成する他の方法としては、ＡｌＧａＡｓ層の選択した非導電領域を、選択的湿式熱酸化により絶縁性酸化物に転換させるなどの方法がある。酸化された材料の方が非酸化の材料よりも低い屈折率を有する。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６５３７５１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
導電アパーチャおよび／または導光アパーチャは、窒化インジウムアルミガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）発光デバイスにとって有益であるが、そのようなアパーチャを形成する適切な方法が今まで存在しなかった。窒化ヘテロ構造を化学エッチングして、パターニングされた層の開口部を再成長させる方法は、ＩｎＡｌＧａＮ結晶性合金が非常に安定で、化学的な攻撃に耐性を持つことから、困難である。窒化物系の材料は容易に酸化されないため、酸化技術も困難な方法であった。
【０００６】
したがって、窒化物系発光構造内に、電流を導くおよび／又は光学的に発生した場を閉じ込めるアパーチャを形成する方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
窒化光電子デバイス内に電流配向アパーチャを形成する方法に関する。この方法において、窒化物を含有するアパーチャ層を、こちらも窒化物を含有する結晶性アクティブ層上に堆積（deposit）する。堆積により、一般的に、アモルファス（非晶質）または多結晶アパーチャ層が形成される。アパーチャ層の堆積は、８００℃未満の低温で行う。アパーチャは、アパーチャ層内にエッチングにて形成される。その後、これもまた窒化物を含有する結晶性ヘテロ構造層をアパーチャ層上に再成長させ、結晶性ヘテロ構造層は、光または電流を導く（direct）ために利用可能な埋没アパーチャを生成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
電流を導くおよび／または発光窒化物デバイス内で光学的に発生した場を閉じ込めるための、導電アパーチャ部を含む構造、およびこの構造を形成するための方法について説明する。この方法では、薄い非晶質ＩｎＡｌＧａＮ層を形成し、その中に開口をエッチングしてからＩｎＡｌＧａＮ層を結晶化する。
【０００９】
図１はアパーチャ層１０４内に埋設アパーチャ１０６を含むＶＣＳＥＬアレイを示す。電極１０８は、上部ミラー層１１６を介して流れる電流１１２を供給する。アパーチャ１０６は、アクティブ領域層１２０のアクティブ領域に電流を向ける。電流は、アクティブ領域に光を発生させる。上部ミラー層１１６は下部ミラー層１２４とともにレーザーキャビティ（レーザー共振器）を形成する。典型的に、上部ミラー層と下部ミラー層は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：distributed Bragg reflector）であり、アクティブ領域内に光を閉じ込めて、誘導放出（stimulated emissions）を増強する（build up）。放射光１２８はアパーチャ１０６を介して放出される。ここで、「アパーチャ: aperture」は、なんらかの物質で充填され、又は充填されていない「開口部（孔）: opening」を指す。充填されている（埋められている）場合には、アパーチャ材料は、周囲の物質よりも電気伝導性が低いおよび／または周囲の物質よりも光学透過率が低い。
【００１０】
伝統的なＧａＡｓ製光電子光出力デバイスにおいて、アパーチャ層１０４と同様のＡｌＧａＡｓアパーチャ層を選択的に湿式熱酸化することによりアパーチャを形成することができる。１つの製作方法において、ＶＣＳＥＬアレイ内の隣接するＶＣＳＥＬ間の空隙１３２内に酸化剤（oxidizing agent）が入れられる。酸化剤は、空隙１３２の周囲からアパーチャ１０６を形成する領域へと向かって、アパーチャ層１０４を徐々に酸化していく。アパーチャ１０６を形成する領域が酸化される前に、酸化は終了する。アパーチャ層１０４がＡｌＧａＡｓである場合、非酸化のＡｌＧａＡｓアパーチャに接する酸化ＡｌＧａＡｓが生じる。アパーチャの非酸化ＡｌＧａＡｓは、周囲の酸化ＡｌＧａＡｓよりも高い屈折率を有し、射出される光の光学的ガイドとなる。酸化ＡｓｌＧａＡｓは、また、周囲のＡｌＧａＡｓよりも低い電気抵抗を有するため、アパーチャとデバイスのアクティブ領域を介して電流を流す。
【００１１】
本発明において、図１のＶＣＳＥＬ構造および類似の発光構造は、ＩｎＡｌＧａＮアパーチャ層を有するように作製することができる。そのようなデバイスにおいて、ＩｎＡｌＧａＮアパーチャ層はアパーチャ層１０４に対応する。図２から５は、そのような構造を形成するために要するステップの例を示す。
【００１２】
図２は、ヘテロ構造サファイア基板２０８上に形成されたＡｌＧａＮ  ＤＢＲミラー層２０４を示す。ＤＢＲミラー層は、一般的に、レーザーなどの共振キャビティデバイスに用いられる。ＡｌＧａＮ  ＤＢＲミラーは、典型的に、交互に対をなすＡｌｐＧａ１−ｐＮ層とＡｌｑＧａ１−ｑＮ層とによって作製される。交互の引張りひずみと圧縮ひずみが、交互の層間での高い屈折率コントラストを実現し、その結果、上記アクティブ領域によって生成される光の波長に対し高反射構造を得るように、ミラー層の成長が制御される。
【００１３】
ＩｎＡｌＧａＮアクティブ層２１２は、ミラー層２０４上に、ＭＯＣＶＤを用いてエピタキシャル成長させられる。Ｇａに対するＩｎとＡｌの量は、特定の構造のデザインと所望の射出波長とに基づき選択される。アクティブ層２１２が形成された後、非晶質アパーチャ層２１６が、アクティブ層２１２上に、低温、典型的には約５５０℃近辺（温度は典型的に４００℃から８００℃の間）の低温で堆積形成される。下限値がほぼ４００℃であるのは、それ以下の温度では窒化膜の窒素源としてよく使われるアンモニアの熱分解が困難であることに起因する。しかしながら、より低温でアンモニアを分解するために触媒や他の方法を採用したり、窒素源として別のソースを採用すれば、室温などを含む、より低い温度下にて、窒化膜を形成することができる。約８００℃を超える温度では、非晶質物質は、通常、結晶化する。非晶質アパーチャ層は典型的にＡｌＮであるが、ＧａＮや、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮの他の合金を使用することもできる。アパーチャ層の材料は、アクティブ層２１２上に、低温環境で、非晶質状にて堆積形成した後、結晶化できるものが望ましい。
【００１４】
非晶質アパーチャ層２１６は、通常、薄く、典型的には、５ｎｍから１００ｎｍの間の厚さであり、例えば厚さ２０ｎｍなどである。非晶質アパーチャ層２１６を薄く抑えることにより、その後の成長におけるひび割れ（クラッキング：cracking）を防止することができる。非晶質アパーチャ層の下にあるヘテロ構造は、典型的に、約７００℃から１２００℃の温度範囲で成長させた結晶性のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層であり、ここでｘとｙは、所望のデバイス特性に応じた０から１の間の数値である。
【００１５】
薄い非晶質アパーチャ層２１６の形成後、ウェハは、典型的に１００℃より低い温度、より典型的には室温まで冷却され、パターニングおよびエッチングのために成長リアクタから取り出される。標準的なフォトグラフィー技術を用いてアパーチャ層２１６をパターン化（パターニング）することもできる。特にアパーチャ層はフォトレジストで被覆し、マスキングし、ＵＶ放射に曝して、フォトレジストのマスキングされなかった領域を架橋することができる。マスキングされなかったフォトレジストの領域を除去すると、フォトレジスト内に開口部（opening）が形成される。パターニングされた開口部により、非晶質アパーチャ層内に、対応するアパーチャをエッチング液によってエッチング形成することができる。
【００１６】
明細書の大半はＭＯＣＶＤで成長させた非晶質アパーチャ層２１６についてであるが、他の実施形態において、アパーチャ層を物理蒸着法：物理気相成長法（ＰＶＤ）により堆積形成することもできる。ＰＶＤの場合、堆積温度はかなり低くてもよく、アパーチャ層も多結晶状態で堆積できる。非晶質アパーチャ層の場合と同様、単結晶アパーチャ層と異なり、多結晶アパーチャ層は、前述のとおりパターン化してエッチングした後、材料を再成長させてアパーチャを形成することができる。ここで「単結晶（single crystal）」アパーチャ層とは、アパーチャ層の結晶格子の配列が、広範囲にわたって破れることなく連続しているアパーチャ層を指す。「非単結晶材料（Non-single crystalline material）」は、ここでは、単結晶でないすべての材料を含むものと広く定義づけられ、非晶質材料および多結晶材料を含む。
【００１７】
図３と図４はそれぞれ、非晶質アパーチャ層３０８内に形成されたアパーチャ３０４の例を示す側面図と平面図である。図４は、円形のアパーチャ開口部を示しているが、アパーチャ開口部は、長方形や三角形を含むがそれに限定されない他の様々な形状であってもよい。アパーチャ形状及び面積は、アパーチャのアクティブ領域および導光特性を規定でき、アパーチャにより光電子デバイスから出力されるビームプロファイルを決定できる。典型的に、アパーチャの面積範囲は、４μｍ２から４００００μｍ２の間である。
【００１８】
様々な方法でアパーチャ開口部を形成およびエッチングすることができる。アパーチャ開口部を形成する１つの方法として、非晶質ＡｌＮアパーチャ層を湿式エッチングするためにリン酸などの化学薬品を使う方法がある。化学薬品は結晶性の窒化物構造を攻撃しないため、その下層の結晶性窒化物層３０４が自然にエッチングストップ層となっている。１つの実施形態において、エッチングストップを形成する結晶性窒化物層３１２は、（例えばアクティブ層２１２などの）光電子デバイスのアクティブ層（発光層）である。湿式（ウエット）化学エッチングの方が選択性が高く、汚染の可能性が低いが、乾式(ドライ)エッチングを用いてアパーチャ３０４を形成してもよい。
【００１９】
エッチング後は、図５に示すＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造層５０４がパターン化された表面上に更に再成長されている。再成長は通常ＭＯＣＶＤリアクタ内で起こる。ＩｎＡｌＧａＮ層５０４の再成長に使用される一般的に７００℃から１２００℃の高温は、ＡｌＮ非晶質アパーチャ層を自動的に結晶化するために概ね十分である。非晶質アパーチャ層の結晶化は、必ずしも、その後の成長ステップにおいて、アパーチャ領域だけでなくウェハ全域で、パターニングによって高品質の膜を確実に成長させた後に、非晶質アパーチャ層を結晶化するということには限らない。非晶質アパーチャ層の結晶化は、再成長プロセス中において、その場（in-situ）で達成できる。しかし、非晶質アパーチャ層３０８材料を結晶化させるには、温度が十分でない場合、有機金属を流す前に、１０００℃超のアニールステップ（典型的に約１０２５℃）を、ＭＯＣＶＤ成長工程に含むことができる。さらに、ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル層を成長させる前にアニールした、低温ＡｌＮ核形成層を用い、サファイア基板上に高品質窒化物ヘテロ構造を成長させる同様の技術について、アマノ他の米国特許第６５３７５１３号「半導体基板および半導体基板製作方法」に開示されている。
【００２０】
材料充填アパーチャ領域５１６を含む再成長層５０４は、再成長層に導電性を付与するために、典型的にエピタキシャル成長が行われ、かつｐ型のドーピングが行われる。アパーチャを取り囲むアパーチャ材料層３０８（典型的にはＡｌＮ）の現在は結晶質である材料は、電気的抵抗を有する。このように充填されたアパーチャ領域５１６は、アクティブ層３１２のアクティブ領域に注入電流を集める（funnel）アパーチャとして機能する。１つの実施形態において、ＡｌＮは、アパーチャ領域５１６を充填する周囲のＩｎＡｌＧａＮ材料よりも高い屈折率を備えるため、アパーチャは発生した光をアパーチャ領域に導き、かつ閉じ込める。１つの実施形態において、再成長したＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造層５０４は、また電流を電流源から拡散させる電流拡散層として機能する。電流源は、典型的にはヘテロ構造層５０４上に形成された金属コンタクトである。
【００２１】
図６と図７はそれぞれ、垂直共振面発光デバイスにおける、図５の構造を有する１つの実施形態に係る断面図と平面図である。図６において、電流拡散層５０４上に金属コンタクト６０４が形成されている。図示した例において、金属コンタクト６０４は、環状のｐ型金属コンタクトであり、電流６１２を供給する。アパーチャ領域５１６は、窒化物を含有するアクティブ層２１２のアクティブ領域へと電流を導き、そこで電子と正孔とが再結合して光子を発生する。電流はミラー層３１６を進み、ｎコンタクトに到着する。図６に示される実施形態において、ｐおよびｎコンタクトはウェハの同面側に形成されている。これは、メサ（mesas）をエッチングし、かつ、１つの電極（典型的には、メサ上部のｐコンタクト６０４）と、他の電極（典型的には、メサの下部において、横方向に隣接したｎコンタクト６２０）とを形成することにより達成できる。他の実施形態において、ミラー層３１６とサファイア基板３２０との間にレーザーリフトオフによりｎコンタクトを形成することができる。
【００２２】
図６において、上部ミラーセット６１６が、電流拡散層（再成長層とも称される）５０４及び金属コンタクト６０４の上に形成されている。１つの実施形態において、上部ミラーセットは、電子ビーム蒸着により堆積された誘電材料を用いて形成された、四分の一波長の厚さで交互に形成された層の分布ブラッグリフレクタである。ミラー層６１６を形成する材料は例えばシリコン酸化物を含む。上部ミラー層６１６と下部ミラー層２０４とは、垂直共振面発光ダイオードのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成する。ミラーの反射率が十分高ければ、デバイスは垂直共振面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として動作することができる。キャビティは共振モードにおいて発光を増強する。
【００２３】
図７は、発光デバイスの一例に係る上面図である。図７において、ｐ金属ルーティングワイヤ（配線）７０４は、ｐ金属コンタクト７０８を電流源（図示せず）に接続する。ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などの絶縁パッシベーション層が、上記配線をウェハ表面から分離している。
【００２４】
電流は、上記配線に沿って、ｐ金属コンタクトまで流れる。電流拡散層は、電流を環状の金属接点からアパーチャ層の中央アパーチャ領域まで横方向に分配する（distribute）。埋設アパーチャ７１２などの各アパーチャは、アクティブ層のアクティブ領域に電流を導き、電流は第２コンタクトを介してデバイスの外へ出る。多くの素子を同時に被覆するように、広範囲にわたって誘電ＤＢＲミラーを蒸着することができる。このようにして得られたデバイスは、用途により、上面または下面から発光する。下面発光デバイス（Bottom emitting device）の方が比較的単純な構造であるが、これは、高反射率を有する電子ビームにより蒸着された上部誘電ミラーを形成する方が、高反射率を有するＭＯＣＶＤ成長の下部エピタキシャルミラーを形成するよりも容易であるからである。十分に低い光学損失が達成されると、共振キャビティデバイスが垂直キャビティ発光レーザーとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】埋設アパーチャを内蔵したＶＣＳＥＬアレイを示す断面図である。
【図２】発光光電子デバイスを形成する際の中間構造を示す断面図であり、この中間構造は窒化アクティブ層上に堆積された低温非晶質アパーチャ層を有する。
【図３】ＶＣＳＥＬを形成する際に使用される中間構造を示す断面図であり、この中間構造はアパーチャ層にエッチング形成されたアパーチャを有する。
【図４】アパーチャ層の１実施形態に係る上面図である。
【図５】パターニングされたアパーチャ層上に再成長させた結晶性ヘテロ構造の横断面図である。
【図６】埋設アパーチャを有するＶＣＳＥＬの１実施形態に係る側方断面図である。
【図７】埋設アパーチャを有する窒化ＶＣＳＥＬの上面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０４  アパーチャ層、１０６  埋設アパーチャ、１１６  上部ミラー層、１２４  下部ミラー層。
【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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