量子スケールデバイス工学（１）

 

 

【最新の量子スケールデバイス工学】

量子ドット太陽電池や量子ドットレーザの製造技術を量子効果とか、量子ドット、あるい
は量子井戸とか、量子ナノエレクトロニクスなどと呼称されているが、ここでは量子スケ
ールとの呼称を使う。さて、ナノメートルサイズの半導体微結晶の量子ドットは、通常サ
イズの半導体には見られないユニークな電気的・光学的特性を示すことから、単接合型太
陽電池の限界を突破する有望な材料として研究されている。太陽電池やレーザーさらには
コンピュータといったデバイス次元での技術開発成果が相次いで報告されてきている。そ
のことをここでは、"量子ドット太陽電池元年"として表現してきた（『量子ドット太陽電
池元年 』）。今夜は高輝度の半導体発光素子の株式会社東芝の新規考案を例に、量子スケ
ールデバイス製造技術進化の要点を確認してみよう。

●量子スケール設計とは、組成配合と空間パラメータの決定

まず、この発明の技術背景には、窒化物半導体を用いた半導体発光素子の発光ダイオード
（ＬＥＤ）は、表示装置や照明に。また、レーザダイオード（ＬＤ）は、例えば、高密度
記憶ディスクへの読み書きのための光源に用いられ、さらに高輝度化が求められているこ
とがある。窒化物半導体を含むｎ形半導体層とｐ形半導体層と、発光部を備えた発光素子
は下図のように構成されているが、ｎ側障壁層と第１発光層、第１井戸層、第１障壁層の
間に設けられ、Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１－ｚ１Ｎ（０．２５＜ｚ１≦１）を含む第１ＡｌＧａＮ（窒
化ガリウムアルミ）層と第１障壁層に接する第１窒化物半導体層で構成された発光部から
放出される光のピーク波長λｐが５１５ナノメートルよりも長いという特徴もっている。

 

 【符号の説明】

１０…基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層体、 １１…バッフ
ァ層、 ２０…ｎ形半導体層、 ３０…多層積層体、 ４０…発光部、 ５０…ｐ形半導体層、
５１…第１ｐ形層、 ５２…第２ｐ形層、 ５３…第３ｐ形層、 ７０…ｎ側電極、８０…
ｐ側電極、 １１０、１１１、１１２、１１９ａ～１１９ｄ、１２０…半導体発光素子、
ＢＬ１～ＢＬｉ…第１～第ｉ障壁層、 ＢＬＮ…ｎ側障壁層、 ＥＬ…発光層、 ＥＬ１～
ＥＬｉ、ＥＬｎ…第１～第ｉ発光層、第ｎ発光層、 Ｌ０…中心条件線、 Ｌ１、Ｌ２…
第１、第２境界条件線、 ＭＬ…ＡｌＧａＮ層、 ＭＬ１～ＭＬｉ…第１～第ｉＡｌＧａＮ
層、 ＯＰ…出力パワー、 Ｐ０…点、 Ｑ０…点、 ＳＡ…厚膜層、 ＳＡ１～ＳＡｉ、
ＳＡｍ、ＳＡ（ｍ＋１）…第１～第ｉ厚膜層、第ｍ厚膜層、第（ｍ＋１）厚膜層、ＳＢ…
薄膜層、 ＳＢ１～ＳＢｉ、ＳＢｍ…第１～第ｉ薄膜層、第ｍ薄膜層、 ＷＬ…井戸層、
ＷＬ１～ＷＬｉ…第１～第ｉ井戸層、 λｐ…ピーク波長


ここで長々と詳細を記載しても意味をなさいない。要点だけ下図で抜き書きするとこうな
る。この図は多層積層体３０の構成を例示。多層積層体３０は、ｎ形半導体層２０と発光
部４０との間に設けられる。多層積層体３０は、＋Ｚ方向に沿って交互に積層された複数
の厚膜層ＳＡと複数の薄膜層ＳＢとを含む。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの厚さと同じ、ま
たは厚膜層ＳＡよりも薄い厚さを有する。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの組成とは異なる組
成を有することを表している。

 

例えば、複数の薄膜層ＳＢは、第１薄膜層ＳＢ１～第ｍ薄膜層ＳＢｍを含む。ここで「ｍ」
は２以上の整数で、複数の厚膜層ＳＡは、第１厚膜層ＳＡ１～第ｍ厚膜層ＳＡｍを含む。
複数の厚膜層ＳＡは、第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）の範囲でも良く、多層積層体は
超格子構造をもつ。厚膜層ＳＡの厚さは、例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。薄膜層
ＳＢの厚さは、例えば、１．５ｎｍ未満であり、かつ、厚膜層ＳＡの厚さ以下であり、
例えば、厚膜層ＳＡはＧａＮ（窒化ガリウム）を含む。薄膜層ＳＢは、ＩｎＧａＮ（窒化
ガリウムインジウム）を含む。 厚膜層ＳＡには、例えば実質的にＩｎを含まないＧａＮ層
が用いられる。多層積層体に含まれる層がＩｎＧａＮ層を含む場合、そのＩｎ組成は、後
に成長する井戸層ＷＬのＩｎ組成より低いことが良く、多層積層体は必要に応じて設けられ、
場合によっては省略もきる。半導体発光素子は、発光部から放出される光のピーク波長λｐ
は、５１５ｎｍよりも長い。すなわち、ピーク波長λｐが５１５ｎｍを超える場合において
井戸層ＷＬと、その井戸層ＷＬからみてｐ形半導体層の側に位置する障壁層ＢＬとの間に、
Ａｌ組成比ｚが０．２５よりも高いＡｌＧａＮ層を設け、これにより高い輝度が得られる。

この実験で、複数の半導体発光素子の発光のピーク波長λｐを測定すると、複数の半導体
発光素子は、ピーク波長λｐが異なっている。これは、

（１）井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比ｚのウェーハ面内の変動
（２）井戸層ＷＬの厚さのウェーハ面内の変動

などに基づいている。これにより、異なるピーク波長λｐを有する複数の半導体発光素子
が得られている。ＡｌＧａＮ層ＭＬにおけるＡｌ組成比ｚを変更した試料も作製したとこ
ろ、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比ｚを０.０９、０.１４及び０.１８としたものを、それぞ
れを参考例（半導体発光素子）とする。さらに、ＡｌＧａＮ層ＭＬを形成しない試料を、
井戸層ＷＬの形成の後、連続してキャップ層を形成し障壁層ＢＬを成長させ発光部を形成
させている。下図は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。つまり、これら
の図は、半導体発光素子、第１～第４参考例の半導体発光素子の特性の測定結果を示し、
横軸は、各半導体発光素子の試料におけるピーク波長λｐに対応。縦軸は、出力パワーＯ
Ｐ（演算増幅器）に対応する（対数表示）。出力パワーＯＰは、２０ｍＡの電流を流した
時の値である。

この実験結果から、発光部４０から放出される光のピーク波長λｐが、５１５ｎｍよりも
長い半導体発光素子において、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ（０．２５＜ｚ≦１）を含むＡｌＧａ
Ｎ層ＭＬを用いる。このＡｌＧａＮ層ＭＬは、井戸層ＷＬと、その井戸層ＷＬのｐ形半導
体層５０の側の障壁層ＷＬとの間に設けられる。すなわち、第１ＡｌＧａＮ層ＭＬ１は、
第１井戸層ＷＬと第１障壁層ＢＬ１との間に設けられる。これにより、高輝度が得られる。
実験のように高輝度が得られるのは、量子閉じ込めシュタルク効果による発光効率の低下
が抑制されたと考えているという。

つまり、輝度の向上が十分に発揮できるのは、ＡｌＧａＮ層ＭＬにおけるＡｌ組成比ｚが
０.２５よりも高いときで、ＡｌＧａＮ層ＭＬにおけるＡｌ組成比ｚが過度に高いと、結
晶品質に悪影響が生じる場合があり、Ａｌ組成比ｚが過度に高いと、電子の波動関数がシ
フトする効果が過度に生じ、正孔の波動関数との重なり積分値が逆に小さくなる傾向があ
り、その結果、発光効率が低下する。このように、ピーク波長λｐと、ＡｌＧａＮ層にお
けるＡｌ組成比ｚと、の間の適正な関係があると考えられる。このため、５１５ｎｍより
長波長の領域では、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比ｚは、０.２５よりも高く、０.５以
下に設定すればよい。その結果、高輝度で高効率の半導体発光素子が得られる。

この実験では、基板の主面は、ｃ面であり、各結晶層（ｎ形半導体層、発光層ＥＬ及びｐ
形半導体層５０など）の主面は、極性面であるｃ面となる。このとき、上記のようなピエ
ゾ電界による量子閉じ込めシュタルク効果が発生し易くなる。さらに、ＡｌＧａＮ層を用
いることでこの効果を抑制する。なお、井戸層と、その井戸層ＷＬのｎ形半導体層側の障
壁層との間に、ＡｌＧａＮ層を設ける構成が考えられるが、この構成では、電子の波動関
数のシフトする方向が逆になり、量子閉じ込めシュタルク効果による発光効率の低下の抑
制効果は得られない。すなわち、例えば、第１発光層において、第１井戸層と接するｎ側
障壁層ＢＬＮには、Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜１）が用いられ、障壁層）には、
Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）が用いられることになる。

さて、上写真図は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する透過型電子顕微鏡写
真像。半導体発光素子の結晶層（発光部）の断面の像である。図に表したように、半導体
発光素子は、ＡｌＧａＮ層は層状で、ＡｌＧａＮ層は、貫通した孔の領域や、大きく陥没
した領域は形成されていないＡｌＧａＮ層の陥没や貫通孔などによって、井戸層の一部が
露出して障壁層と実質的に接することもない。また、ＡｌＧａＮ層の各層において、原子
レベルでの平坦性が観察される。ＡｌＧａＮ層の厚さのＲＭＳ値は、０.５ｎｍ以下であ
る。井戸層の上にＡｌＧａＮの中間層を設け、素子の閾値電圧または駆動電圧を下げる試
みがある。この場合に、ＡｌＧａＮの中間層が、表面が陥没または貫通した複数の領域を
有する網目構造になる。陥没または貫通した複数の領域は、中間層の表面の１０％以上で
ある。このような網目構造は、中間層を低温で形成し、その上の障壁層の成長温度まで温
度を上昇させたときに、中間層などが分解して形成されると考えられている。

これに対して、ＡｌＧａＮ層の上にキャップ層を形成し、このキャップ層の形成温度は、
ＡｌＧａＮ層の形成温度と同程度で、そのキャップ層を形成した後に、温度を上昇し、高
い温度で障壁層を形成するようなプロセスで、ＡｌＧａＮ層の一部が分解することなどが
抑制される。このため、実施形態においては、ＡｌＧａＮ層ＭＬにおいては、成長させた
ときの状態である層状態が維持される。すなわち、網目構造ではない。実験では、Ａｌ
ＧａＮ層で、陥没しているまたは貫通孔が設けられている領域の面積は、ＡｌＧａＮ層の
層面のうちの１０％未満である。つまり、実質的にはそのような領域はないという。もし
キャップ層を設けない状態で、ＡｌＧａＮ層の上に高い温度で障壁層を形成するとＡｌ
ＧａＮ層に変形が生じる。そして、特に、Ａｌ組成比ｚが０.２５よりも高い場合に、こ
の変形が顕著となると考えられる。逆に、Ａｌ組成比ｚが０.２５よりも高いＡｌＧａＮ
層ＭＬにおいて、ＡｌＧａＮ層ＭＬが層状（平坦）である場合には、このようなキャップ
層を設けた上で、高温での障壁層を形成したと推定する。

また、上図は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。図
に表したように、半導体発光素子１１２においては、キャップ層が設けられる。例えば、
第１発光層は、第１ＡｌＧａＮ層と第１障壁層に接し、窒化物半導体を含む第１キャップ
層（キャップ層ＣＬ）を含み、第１ＡｌＧａＮ層で層状を維持が維持される。このキャッ
プ層は、電子顕微鏡観察などの解析手法により観察される場合もあり、観察されない場合
もあるという。図に例示した半導体発光素子１１２はＳＱＷ構成を有しているが、ＭＱＷ
構成を有する半導体発光素子において、キャップ層ＣＬを設けても良い。複数の発光層が
設けられる場合、第ｉ発光層ＥＬｉは、第ｉＡｌＧａＮ層ＭＬｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとに
接し、窒化物半導体を含む第ｉキャップ層ＣＬｉをさらに含むことができる。これにより、
ＡｌＧａＮ層ＭＬが層状となる（網目構造ではない）。例えば、ＡｌＧａＮ層の厚さのＲ
ＭＳ値は、０．５ｎｍ以下となる。この例では、ＡｌＧａＮ層の厚さは、約１.５ｎｍで
あるため、厚さのばらつきは、ＡｌＧａＮ層ＭＬの平均の厚さのプラスマイナス３３％以
下（０.５ｎｍ／１.５ｎｍ）である。障壁層の成長温度は、井戸層の成長温度以上で、障
壁層の成長温度と井戸層の成長温度との差は、２００℃以下が良い。障壁層の成長温度が、
井戸層の成長温度よりも低いと、障壁層にピットが発生し易い。障壁層の成長温度が井戸
層の成長温度よりも高く、障壁層の成長温度と井戸層の成長温度との差が２００℃を超え
ると、井戸層が劣化し易い。なお、ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さは、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下
が好ましい。ｎ側障壁層の厚さが３ｎｍ未満の場合は、表面の平坦性が十分でない。ｎ側
障壁層の厚さが５０ｎｍを超えると、多層積層体による結晶の歪みの緩和の効果が低くな
ると共に、駆動電圧が高くなる傾向がある。ｎ側障壁層の厚さが３ｎｍ以上５０ｎｍ以下
のときに高い平坦性と高い結晶品質と高効率な発光とが得られる。ｎ側障壁層の形成に、
サセプタの温度が９００℃以上１０００℃以下の範囲ではキャリアガスにはＮ_２が良い。
Ｈ_２をさらに添加しても良い。ただし、この場合には、Ｈ_２の流量は、総ガス流量の半分以下
に設定され高い結晶品質を得易い。

下図は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図。この図は、図４に例示した実験のデ
ータを基にして描かれている。図の横軸は、ピーク波長λｐである。縦軸は、ＡｌＧａＮ
層ＭＬにおけるＡｌ組成比ｚである。図中の円形印は、Ａｌ組成比ｚが０.９、０.１４、
０.１８及び０.３０のなかで、そのピーク波長λｐにおいて高い出力パワーＯＰが得られ
るＡｌ組成比ｚであることを示す。四角形印は、Ａｌ組成比ｚが０.９、０.１４、０.１８
及び０.３０のなかで、そのピーク波長λｐにおいて出力パワーＯＰが相対的に低くなるＡｌ
組成比ｚであることを示している。

以上、量子スケールデバイスの設計に関する新しい知見を考察してきた。今後も、関連情
報をシリーズとして、適宜、適時。時宜を得て掲載していく。このように高性能（高変換
効率）太陽電池製造技術（工学）は地道にあるが着実な進歩を感じ取っている。これを実
現し世界展開することが、わたし（たち）の究極のゴールである。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　


それにしても、饗庭野の演習場が五月蠅くなっている（主にヘリ騒音？）。万が一、日中
間で戦端が切られたなら、その日本側の第一級戦犯者の名前を直ちに二名挙げることがで
きる。そのようにわたしたち勤労国民は情勢を冷静に見ている。