半導体積層構造及びこれを備えた光学素子並びに半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法
【課題】量子ドットのサイズ、組成等と独立に広帯域化を図ることのできる半導体積層構造及びこれを備えた光学素子並びに半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法を提供する。
【解決手段】半導体積層構造１において、基板１０と、第１量子ドット層３０と、スペーサ層４０と、第２量子ドット層５０と、キャップ層６０と、をこの順で有し、スペーサ層４０の厚さを、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とした。
【解決手段】半導体積層構造１において、基板１０と、第１量子ドット層３０と、スペーサ層４０と、第２量子ドット層５０と、キャップ層６０と、をこの順で有し、スペーサ層４０の厚さを、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の量子ドット層を有する半導体積層構造、これを備えた光学素子及び半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用装置や分光分析用の光源として、広帯域光源が用いられている。広帯域光源として、一般的にハロゲンランプが用いられているが、サイズが大きく、寿命が短く、熱線の影響が大きいという欠点を有している。
一方、半導体光学素子であるＬＥＤ等は、ハロゲンランプと比較して、サイズが小さく、寿命が長く、特定波長領域のみの光を放出させることができるという利点があるが、光の半値幅は５０ｎｍ程度と短い。
【０００３】
そこで、本願発明者らは、III-V族半導体からなる量子ドットによる広帯域発光を提案している（例えば、特許文献１、２等参照）。この広帯域化方法では、量子ドットのサイズ及び組成を分散させることで、広帯域化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００４／０５５９００号
【特許文献２】特開２００９−０４４０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、量子ドットのサイズの分散を大きくすると、大型サイズのドットに歪みによる欠陥が生じてしまう。また、量子ドットの組成の分散を大きくすると、格子不整合が大きくなって、これによっても歪みによる欠陥が生じてしまう。このようにして生じた欠陥は、非発光の再結合中心として作用するため、サイズや組成の分散による広帯域化には限界があった。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、量子ドットのサイズ及び組成と独立に広帯域化を図ることのできる半導体積層構造及びこれを備えた光学素子並びに半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明では、基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で有し、前記スペーサ層の厚さを、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とした半導体積層構造が提供される。
【０００８】
上記半導体積層構造において、前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈することが好ましい。
【０００９】
上記半導体積層構造において、前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きいことが好ましい。
【００１０】
また、前記目的を達成するため、本発明では、上記半導体積層構造と、前記半導体積層構造の基板側に形成される第１電極と、前記半導体積層構造のキャップ層側に形成される第２電極と、を備える光学素子が提供される。
【００１１】
さらに、前記目的を達成するため、本発明では、基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で配置し、前記スペーサ層の厚さを変化させることにより、光学スペクトルを実質的に変化させる半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法が提供される。
【００１２】
上記半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法において、前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈することが好ましい。
【００１３】
上記半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法において、前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、量子ドットのサイズ及び組成と独立に、スペーサ層の厚さを変化させて広帯域化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体積層構造の模式断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、半導体積層構造の製造方法の説明図であって、（ａ）は基板上に下地層を形成した状態を示し、（ｂ）は下地層上に量子ドットを形成した状態を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、半導体積層構造の製造方法の説明図であって、（ｃ）は量子ドットが形成された下地層上にスペーサ層を形成した状態を示し、（ｄ）はスペーサ層上に量子ドットを形成した状態を示す。
【図３】図３は、半導体積層構造のガスフローシーケンスの一例を示す。
【図４】図４は、スペーサ層の変化による発光波長と発光強度の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、スペーサ層の厚さと、短波長側及び長波長側の光学スペクトルの強度の比を示すグラフである。
【図６】図６は、短波長側と長波長側の発光強度が等しいと見積もったスペーサ層厚さにおける、発光波長と発光強度を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態を示す半導体積層構造を用いたＬＥＤ素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図３は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は半導体積層構造の模式断面図である。
【００１７】
図１に示すように、半導体積層構造１は、基板１０と、基板１０上に形成された下地層２０と、下地層２０上に形成された第１量子ドット層３０と、を備えている。また、半導体積層構造１は、第１量子ドット層３０が形成された下地層２０を覆うスペーサ層４０と、スペーサ層４０上に形成された第２量子ドット層５０と、を備えている。さらに、半導体積層構造１は、第２量子ドット層５０が形成されたスペーサ層４０を覆うキャップ層６０を備えている。
【００１８】
基板１０はIII−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては基板１０はＧａＡｓである。基板１０の材質としては、下地層２０、第１量子ドット層３０、スペーサ層４０、第２量子ドット層５０及びキャップ層６０の形成時の温度に耐えうるものであれば特に限定されず、各種の化合物半導体の他、金属酸化物等のセラミックスやサファイア等の鉱物を採用してもよい。基板１０に用いて好適な化合物半導体としては、例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。また、基板１０の厚さは特に限定されず、例えば６２５μｍ程度とすることができる。
【００１９】
下地層２０は、III−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、下地層２０はＧａＡｓである。下地層２０のIII−Ｖ族化合物半導体の種類は、第１量子ドット層３０のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップの大きいものであれば特に限定されない。下地層２０に用いて好適な化合物半導体としては、ＧａＡｓの他に例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。また、下地層２０の厚さは特に限定されず、例えば９０ｎｍ程度とすることができる。
【００２０】
第１量子ドット層３０の量子ドット３２は、III−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、第１量子ドット層３０の量子ドット３２はＩｎＡｓである。量子ドット３２の化合物半導体の種類としては、ＩｎＡｓの他に例えば、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。第１量子ドット層３０の量子ドット３２の平均高さ及び密度は特に限定されず、例えば０．５〜５ｎｍ程度、１０９〜１０１１ｃｍ−２程度の範囲内とすることができる。
【００２１】
スペーサ層４０は、III−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、スペーサ層４０はＧａＡｓである。スペーサ層４０のIII−Ｖ族化合物半導体の種類としては、第１量子ドット層３０の量子ドット３２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップの大きいものであれば特に限定されない。スペーサ層４０に用いて好適な化合物半導体としては、ＧａＡｓの他に例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等やIII属窒化物半導体を挙げることができる。
【００２２】
下地層２０のIII−Ｖ族化合物半導体及びスペーサ層４０のIII−Ｖ族化合物半導体は、第１量子ドット層３０の量子ドット３２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップが大きい。これにより、半導体積層体１は、バンドギャップが大きい下地層２０及びスペーサ層４０の間に、バンドギャップが小さい第１量子ドット層３０が挟まれた構造を有している。
【００２３】
第２量子ドット層５０の量子ドット５２は、第１量子ドット層３０の量子ドット３２と同じIII−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、第２量子ドット層５０の量子ドット５２はＩｎＡｓである。量子ドット５２の化合物半導体の種類としては、ＩｎＡｓの他に例えば、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。第２量子ドット層５０の量子ドット５２の平均高さ及び密度は特に限定されず、例えば０．５〜５ｎｍ程度、１０９〜１０１１ｃｍ−２程度の範囲内とすることができる。
【００２４】
キャップ層６０は、スペーサ層４０と同じIII−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、キャップ層６０はＧａＡｓである。キャップ層６０のIII−Ｖ族化合物半導体の種類としては、第２量子ドット層５０の量子ドット５２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップの大きいものであれば特に限定されない。キャップ層６０に用いて好適な化合物半導体としては、ＧａＡｓの他に例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。
【００２５】
スペーサ層４０のIII−Ｖ族化合物半導体及びキャップ層６０のIII−Ｖ族化合物半導体は、第２量子ドット層５０の量子ドット５２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップが大きい。これにより、半導体積層体１は、バンドギャップが大きいスペーサ層４０及びキャップ層６０の間に、バンドギャップが小さい第２量子ドット層５０が挟まれた構造を有している。スペーサ層４０の厚さは、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とされている。
【００２６】
以下、本実施形態の半導体積層構造１の製造方法について、図２Ａ、図２Ｂ及び図３を参照して説明する。図２Ａ及び図２Ｂは半導体積層構造の製造方法の説明図であり、図３は半導体積層構造のガスフローシーケンスの一例を示す。
本実施形態の半導体積層構造１の製造方法は、下地層形成工程と、第１ドット形成工程と、スペーサ層形成工程と、第２ドット形成工程と、キャップ層形成工程とを備えている。
【００２７】
これらの各工程は、有機金属気相成長法を用いて同一の反応室内で連続的に行う。この有機金属気相成長法では、反応室内に供給された原料ガス（有機金属のガス）が高温の状態になると分解、化学反応を起こし、基材や下地層等の上に結晶情報を引き継いでエピタキシャル成長する。
【００２８】
この有機金属気相成長法では、原料ガスとして、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ３）３）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ３）３）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ３）３）、ＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン、ｔ−Ｃ４Ｈ９ＡｓＨ）、ＡｓＨ３（アルシン）、ＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン、ｔ−Ｃ４Ｈ９ＰＨ２）やＰＨ３（ホスフィン）を適宜選択して用いることができる。
【００２９】
また、反応室内への原料ガス供給時には、Ｈ２、Ｎ２等をキャリアガスとして用いることができる。これにより、結晶成長に十分な量の成長用原料をガスとして、安定した流量で供給することができる。
【００３０】
＜下地層形成工程＞
下地層形成工程では、有機金属気相成長法により基板１０上に下地層２０を形成する。この下地層形成工程では、反応室内に基板１０を配置し、反応室を下地層２０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分を含む雰囲気にする。そして、基板１０の温度をIII−Ｖ族化合物半導体が結晶成長する下地層形成温度にする。これにより、基板１０の上にIII−Ｖ族化合物半導体たるＧａＡｓを結晶成長させて下地層２０を形成する（図２Ａ（ａ））。
【００３１】
本実施形態では、Ｈ２をキャリアガスとして、図３に示すように、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓをそれぞれ所定の流量で反応室に供給している。また、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度を下地層形成温度に設定した状態で、所定の下地層形成時間（図３中Ａ）だけ保持する。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ２００ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、下地層形成温度及び下地層形成時間は、例えば５００℃及び１０分とすることができる。
【００３２】
＜第１ドット形成工程＞
第１ドット形成工程では、有機金属気相成長法を用いて、下地層２０上に量子ドット３２を形成する。第１ドット形成工程では、反応室を第１量子ドット層３０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分を含む雰囲気にする。これにより、下地層２０上に、III−Ｖ族化合物半導体よりなる量子ドット３２を形成する（図２Ａ（ｂ））。
【００３３】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＥＧａの供給を停止した後、所定のインターバルをおいて反応室へＴＭＩｎの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度を第１ドット形成温度に設定した状態で、所定の第１ドット形成時間（図３中Ｂ）だけ保持する。ＴＭＩｎ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ１５０ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、スペーサ層形成温度及びスペーサ層形成時間は、例えば５００℃及び４秒とすることができる。
【００３４】
＜スペーサ層形成工程＞
スペーサ層形成工程では、有機金属気相成長法により第１量子ドット層３０上にスペーサ層４０を形成する。スペーサ層形成工程では、反応室をスペーサ層４０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分とを含む雰囲気にする。そして、基板１０の温度をIII−Ｖ族化合物半導体が結晶成長するスペーサ層形成温度にする。これにより、第１量子ドット層３０の上にIII−Ｖ族化合物半導体たるＧａＡｓを結晶成長させてスペーサ層４０を形成する（図２Ｂ（ｃ））。
【００３５】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＭＩｎの供給を停止した後、反応室へＴＥＧａの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度をスペーサ形成温度に設定した状態で、所定のスペーサ層形成時間（図３中Ｃ）だけ保持する。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ２００ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、スペーサ層形成温度及びスペーサ層形成時間は、例えば５００℃とすることができる。スペーサ層形成時間を変化させることにより、スペーサ層４０の厚さを変化させることができる。
【００３６】
＜第２ドット形成工程＞
第２ドット形成工程では、有機金属気相成長法を用いて、スペーサ層４０上に量子ドット５２を形成する。本実施形態においては、第２ドット形成工程は、第１ドット形成工程と同じ条件である。第２ドット形成工程では、反応室を第２量子ドット層５０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分を含む雰囲気にする。これにより、スペーサ層４０上に、III−Ｖ族化合物半導体よりなる量子ドット５２を形成する（図２Ｂ（ｄ））。
【００３７】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＥＧａの供給を停止した後、所定のインターバルをおいて反応室へＴＭＩｎの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度を第２ドット形成温度に設定した状態で、所定の第２ドット形成時間（図３中Ｄ）だけ保持する。ＴＭＩｎ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ１５０ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、スペーサ層形成温度及びスペーサ層形成時間は、例えば５００℃及び４秒とすることができる。
【００３８】
＜キャップ層形成工程＞
キャップ層形成工程では、有機金属気相成長法により第２量子ドット層５０上にキャップ層６０を形成する。キャップ層形成工程では、反応室をキャップ層６０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分とを含む雰囲気にする。そして、基板１０の温度をIII−Ｖ族化合物半導体が結晶成長するキャップ層形成温度にする。これにより、第２量子ドット層５０の上にIII−Ｖ族化合物半導体たるＧａＡｓを結晶成長させてキャップ層６０を形成する（図１）。
【００３９】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＭＩｎの供給を停止した後、反応室へＴＥＧａの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度をスペーサ形成温度に設定した状態で、所定のキャップ層形成時間（図３中Ｅ）だけ保持する。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ２００ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、キャップ層形成温度及びキャップ層形成時間は、例えば５００℃及び３分とすることができる。
【００４０】
ここで、スペーサ層４０の厚さによる半導体積層構造１の光学スペクトルの変化を、図４を参照して説明する。図４は、スペーサ層の変化による発光波長と発光強度の変化を示すグラフである。尚、図４のデータは、スペーサ層４０の厚さによる光学スペクトルの変化を観察するため、第１量子データ層３０と第２量子データ層５０を同じ条件で作製している。また、発光波長及び発光強度のデータは、Ａｒイオンレーザ（５１４．５ｎｍ、８８ｍＷ）を励起光として用い、量子ドットの発光は２０ｃｍの分光器で分光した後、ＩｎＧａＡｓ光電子増倍管で検出した。また、測定温度は室温とした。
【００４１】
図４に示すように、スペーサ層４０が十分に厚いと１１００ｎｍ付近をピークとした第１スペクトルとなり、スペーサ層４０が十分に薄いと１１９５ｎｍ付近をピークとした第２スペクトルとなる。具体的には、スペーサ層４０が１００ｎｍのときに１１００ｎｍ付近がピークとなり、１０ｎｍのときに１１９５ｎｍ付近となる。そして、１０ｎｍを超えて１００ｎｍ未満は、スペーサ層４０の厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する前述の変化範囲となっている。ここでいう「実質的に変化」とは、第１スペクトルと第２スペクトルとを重ね合わせた状態であることをいう。スペーサ層４０の厚さが当該変化範囲であるとき、第１及び第２スペクトルの強度が実質的に１：１となる場合を除き、光学スペクトルはピークの長波長側又は短波長側に肩を有する。具体的には、スペーサ層４０が５０ｎｍのときに１１２０ｎｍ付近がピークとなって長波長側に肩を有し、３０ｎｍのときに１１９０ｎｍ付近がピークとなって短波長側に肩を有している。スペーサ層４０が３０ｎｍ及び５０ｎｍの場合の光学スペクトルは、スペーサ層４０が変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと、スペーサ層４０が変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを所定の比率で重ね合わせた形状を呈する。
【００４２】
ここで、図５は、スペーサ層の厚さと、第１及び第２スペクトルの強度の比を示すグラフである。
図５に示すように、１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍのデータに基づいて、スペーサ層４０の厚さと第１及び第２スペクトルの強度の比を調べたところ、スペーサ層４０の厚さが４４ｎｍのときに両者のスペクトルの強度が１：１となることがわかった。
【００４３】
そこで、スペーサ層４０を４４ｎｍとしたところ、図６に示すような光学スペクトルが得られた。図６は、短波長側と長波長側の発光強度が等しいと見積もったスペーサ層厚さにおける、発光波長と発光強度を示すグラフである。図６に示すように、光学スペクトルは、１１５５ｎｍを中心とし、半値幅が第１スペクトルと比べて大きくなった。具体的に、第１スペクトルでは、半値幅が７５ｎｍであったところ、４４ｎｍのスペーサ層４０を介在させることにより半値幅が１２３ｎｍにまで拡大した。また、第２スペクトルの半値幅１０７ｎｍよりも拡大した。
【００４４】
このように、本実施形態の半導体積層構造１によれば、第１量子ドット層３０上にスペーサ層４０を形成して第２量子ドット層５０を形成することにより、量子ドット３２，５２のサイズ及び組成と独立に、スペーサ層４０の厚さを変化させて光学スペクトルの広帯域化を図ることができる。すなわち、第１量子ドット３０と第２量子ドット５０との間に前述の変化範囲とされたスペーサ層４０を介在させた上で、これらの量子ドット３２，５２の組成やサイズを異なるものとすることにより、効果的に広帯域化を図ることができる。
【００４５】
尚、前記実施形態においては、半導体積層構造１を発光させて取得した光学スペクトルに基づいて説明をしているが、半導体積層構造１を発光にも受光にも用いることができることはいうまでもない。
【００４６】
また、前記実施形態においては、２つの量子ドット層を設けた例を示したが、３以上の量子ドット層を設けてもよいことは勿論である。３つの量子ドット層を有する半導体積層構造は、例えば、下地層、第１量子ドット層、第１スペーサ層、第２量子ドット層、第２スペーサ層、第３量子ドット層、キャップ層を、この順で形成して作製することができる。この場合、第２スペーサ層は、第２量子ドット層のキャップ層としても機能し、第１スペーサ層は、第２量子ドット層の下地層としても機能することとなる。
【００４７】
図７は、本発明の第２の実施形態を示す半導体積層構造を用いたＬＥＤ素子の模式断面図である。
図７に示すように、このＬＥＤ素子１０１は、ｎ型半導体基板１１０と、ｎ型半導体層１２０と、下地層１２２と、第１量子ドット層３０と、スペーサ層４０と、第２量子ドット層５０と、キャップ層６０と、ｐ型半導体層１７０とがこの順に積層されている。本実施形態においては、下地層１２２と、第１量子ドット層３０と、スペーサ層４０と、第２量子ドット層５０と、キャップ層６０と、が半導体積層構造をなしている。そして、スペーサ層４０の厚さは、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とされている。
【００４８】
また、ｎ型半導体基板１１０の下面とｐ型半導体層１７０の上面には、それぞれ、ｎ側オーミック電極１１１とｐ側オーミック電極１７１が形成されている。ｎ側オーミック電極１１１は、下地層１２２側に形成される第１電極をなし、ｐ側オーミック電極１７１は、キャップ層６０側に形成される第２電極をなしている。ｎ型半導体基板１１０、ｎ型半導体層１１５，ｐ型半導体層１７０は、半導体積層構造の第１量子ドット層３０及び第２量子ドット層５０を形成する半導体よりも禁制帯幅の大きい半導体を用いる。例えば、量子ドットがＩｎＡｓの場合には、ＧａＡｓとすることができる。
【００４９】
以上のように構成されたＬＥＤ素子１０１は、順方向の電流を注入することにより、電子と正孔が第１量子ドット層３０及び第２量子ドット層５０に注入され、半導体積層構造から光が発せられる。この光の半値幅は、スペーサ層４０が前述の変化範囲であることから、比較的大きいものとなっている。
【００５０】
尚、第２の実施形態においては、光学素子としてＬＥＤ素子を用いたものを示したが、ＬＥＤ素子をはじめとるす発光素子以外にも、受光素子として構成することもできるし、その他、具体的な細部構成は適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 半導体積層構造
１０ 基板
２０ 下地層
３０ 第１量子ドット層
３２ 量子ドット
４０ スペーサ層
５０ 第２量子ドット層
５２ 量子ドット
６０ キャップ層
１０１ ＬＥＤ素子
１１０ 基板
１１１ ｎ側オーミック電極
１２０ ｎ型半導体層
１２２ 下地層
１７０ ｐ型半導体層
１７１ ｐ側オーミック電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の量子ドット層を有する半導体積層構造、これを備えた光学素子及び半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用装置や分光分析用の光源として、広帯域光源が用いられている。広帯域光源として、一般的にハロゲンランプが用いられているが、サイズが大きく、寿命が短く、熱線の影響が大きいという欠点を有している。
一方、半導体光学素子であるＬＥＤ等は、ハロゲンランプと比較して、サイズが小さく、寿命が長く、特定波長領域のみの光を放出させることができるという利点があるが、光の半値幅は５０ｎｍ程度と短い。
【０００３】
そこで、本願発明者らは、III-V族半導体からなる量子ドットによる広帯域発光を提案している（例えば、特許文献１、２等参照）。この広帯域化方法では、量子ドットのサイズ及び組成を分散させることで、広帯域化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００４／０５５９００号
【特許文献２】特開２００９−０４４０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、量子ドットのサイズの分散を大きくすると、大型サイズのドットに歪みによる欠陥が生じてしまう。また、量子ドットの組成の分散を大きくすると、格子不整合が大きくなって、これによっても歪みによる欠陥が生じてしまう。このようにして生じた欠陥は、非発光の再結合中心として作用するため、サイズや組成の分散による広帯域化には限界があった。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、量子ドットのサイズ及び組成と独立に広帯域化を図ることのできる半導体積層構造及びこれを備えた光学素子並びに半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明では、基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で有し、前記スペーサ層の厚さを、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とした半導体積層構造が提供される。
【０００８】
上記半導体積層構造において、前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈することが好ましい。
【０００９】
上記半導体積層構造において、前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きいことが好ましい。
【００１０】
また、前記目的を達成するため、本発明では、上記半導体積層構造と、前記半導体積層構造の基板側に形成される第１電極と、前記半導体積層構造のキャップ層側に形成される第２電極と、を備える光学素子が提供される。
【００１１】
さらに、前記目的を達成するため、本発明では、基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で配置し、前記スペーサ層の厚さを変化させることにより、光学スペクトルを実質的に変化させる半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法が提供される。
【００１２】
上記半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法において、前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈することが好ましい。
【００１３】
上記半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法において、前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、量子ドットのサイズ及び組成と独立に、スペーサ層の厚さを変化させて広帯域化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体積層構造の模式断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、半導体積層構造の製造方法の説明図であって、（ａ）は基板上に下地層を形成した状態を示し、（ｂ）は下地層上に量子ドットを形成した状態を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、半導体積層構造の製造方法の説明図であって、（ｃ）は量子ドットが形成された下地層上にスペーサ層を形成した状態を示し、（ｄ）はスペーサ層上に量子ドットを形成した状態を示す。
【図３】図３は、半導体積層構造のガスフローシーケンスの一例を示す。
【図４】図４は、スペーサ層の変化による発光波長と発光強度の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、スペーサ層の厚さと、短波長側及び長波長側の光学スペクトルの強度の比を示すグラフである。
【図６】図６は、短波長側と長波長側の発光強度が等しいと見積もったスペーサ層厚さにおける、発光波長と発光強度を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態を示す半導体積層構造を用いたＬＥＤ素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図３は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は半導体積層構造の模式断面図である。
【００１７】
図１に示すように、半導体積層構造１は、基板１０と、基板１０上に形成された下地層２０と、下地層２０上に形成された第１量子ドット層３０と、を備えている。また、半導体積層構造１は、第１量子ドット層３０が形成された下地層２０を覆うスペーサ層４０と、スペーサ層４０上に形成された第２量子ドット層５０と、を備えている。さらに、半導体積層構造１は、第２量子ドット層５０が形成されたスペーサ層４０を覆うキャップ層６０を備えている。
【００１８】
基板１０はIII−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては基板１０はＧａＡｓである。基板１０の材質としては、下地層２０、第１量子ドット層３０、スペーサ層４０、第２量子ドット層５０及びキャップ層６０の形成時の温度に耐えうるものであれば特に限定されず、各種の化合物半導体の他、金属酸化物等のセラミックスやサファイア等の鉱物を採用してもよい。基板１０に用いて好適な化合物半導体としては、例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。また、基板１０の厚さは特に限定されず、例えば６２５μｍ程度とすることができる。
【００１９】
下地層２０は、III−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、下地層２０はＧａＡｓである。下地層２０のIII−Ｖ族化合物半導体の種類は、第１量子ドット層３０のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップの大きいものであれば特に限定されない。下地層２０に用いて好適な化合物半導体としては、ＧａＡｓの他に例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。また、下地層２０の厚さは特に限定されず、例えば９０ｎｍ程度とすることができる。
【００２０】
第１量子ドット層３０の量子ドット３２は、III−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、第１量子ドット層３０の量子ドット３２はＩｎＡｓである。量子ドット３２の化合物半導体の種類としては、ＩｎＡｓの他に例えば、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。第１量子ドット層３０の量子ドット３２の平均高さ及び密度は特に限定されず、例えば０．５〜５ｎｍ程度、１０９〜１０１１ｃｍ−２程度の範囲内とすることができる。
【００２１】
スペーサ層４０は、III−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、スペーサ層４０はＧａＡｓである。スペーサ層４０のIII−Ｖ族化合物半導体の種類としては、第１量子ドット層３０の量子ドット３２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップの大きいものであれば特に限定されない。スペーサ層４０に用いて好適な化合物半導体としては、ＧａＡｓの他に例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等やIII属窒化物半導体を挙げることができる。
【００２２】
下地層２０のIII−Ｖ族化合物半導体及びスペーサ層４０のIII−Ｖ族化合物半導体は、第１量子ドット層３０の量子ドット３２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップが大きい。これにより、半導体積層体１は、バンドギャップが大きい下地層２０及びスペーサ層４０の間に、バンドギャップが小さい第１量子ドット層３０が挟まれた構造を有している。
【００２３】
第２量子ドット層５０の量子ドット５２は、第１量子ドット層３０の量子ドット３２と同じIII−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、第２量子ドット層５０の量子ドット５２はＩｎＡｓである。量子ドット５２の化合物半導体の種類としては、ＩｎＡｓの他に例えば、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。第２量子ドット層５０の量子ドット５２の平均高さ及び密度は特に限定されず、例えば０．５〜５ｎｍ程度、１０９〜１０１１ｃｍ−２程度の範囲内とすることができる。
【００２４】
キャップ層６０は、スペーサ層４０と同じIII−Ｖ族化合物半導体よりなる。本実施形態においては、キャップ層６０はＧａＡｓである。キャップ層６０のIII−Ｖ族化合物半導体の種類としては、第２量子ドット層５０の量子ドット５２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップの大きいものであれば特に限定されない。キャップ層６０に用いて好適な化合物半導体としては、ＧａＡｓの他に例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等やIII族窒化物半導体を挙げることができる。
【００２５】
スペーサ層４０のIII−Ｖ族化合物半導体及びキャップ層６０のIII−Ｖ族化合物半導体は、第２量子ドット層５０の量子ドット５２のIII−Ｖ族化合物半導体よりもバンドギャップが大きい。これにより、半導体積層体１は、バンドギャップが大きいスペーサ層４０及びキャップ層６０の間に、バンドギャップが小さい第２量子ドット層５０が挟まれた構造を有している。スペーサ層４０の厚さは、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とされている。
【００２６】
以下、本実施形態の半導体積層構造１の製造方法について、図２Ａ、図２Ｂ及び図３を参照して説明する。図２Ａ及び図２Ｂは半導体積層構造の製造方法の説明図であり、図３は半導体積層構造のガスフローシーケンスの一例を示す。
本実施形態の半導体積層構造１の製造方法は、下地層形成工程と、第１ドット形成工程と、スペーサ層形成工程と、第２ドット形成工程と、キャップ層形成工程とを備えている。
【００２７】
これらの各工程は、有機金属気相成長法を用いて同一の反応室内で連続的に行う。この有機金属気相成長法では、反応室内に供給された原料ガス（有機金属のガス）が高温の状態になると分解、化学反応を起こし、基材や下地層等の上に結晶情報を引き継いでエピタキシャル成長する。
【００２８】
この有機金属気相成長法では、原料ガスとして、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ３）３）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ３）３）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ３）３）、ＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン、ｔ−Ｃ４Ｈ９ＡｓＨ）、ＡｓＨ３（アルシン）、ＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン、ｔ−Ｃ４Ｈ９ＰＨ２）やＰＨ３（ホスフィン）を適宜選択して用いることができる。
【００２９】
また、反応室内への原料ガス供給時には、Ｈ２、Ｎ２等をキャリアガスとして用いることができる。これにより、結晶成長に十分な量の成長用原料をガスとして、安定した流量で供給することができる。
【００３０】
＜下地層形成工程＞
下地層形成工程では、有機金属気相成長法により基板１０上に下地層２０を形成する。この下地層形成工程では、反応室内に基板１０を配置し、反応室を下地層２０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分を含む雰囲気にする。そして、基板１０の温度をIII−Ｖ族化合物半導体が結晶成長する下地層形成温度にする。これにより、基板１０の上にIII−Ｖ族化合物半導体たるＧａＡｓを結晶成長させて下地層２０を形成する（図２Ａ（ａ））。
【００３１】
本実施形態では、Ｈ２をキャリアガスとして、図３に示すように、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓをそれぞれ所定の流量で反応室に供給している。また、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度を下地層形成温度に設定した状態で、所定の下地層形成時間（図３中Ａ）だけ保持する。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ２００ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、下地層形成温度及び下地層形成時間は、例えば５００℃及び１０分とすることができる。
【００３２】
＜第１ドット形成工程＞
第１ドット形成工程では、有機金属気相成長法を用いて、下地層２０上に量子ドット３２を形成する。第１ドット形成工程では、反応室を第１量子ドット層３０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分を含む雰囲気にする。これにより、下地層２０上に、III−Ｖ族化合物半導体よりなる量子ドット３２を形成する（図２Ａ（ｂ））。
【００３３】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＥＧａの供給を停止した後、所定のインターバルをおいて反応室へＴＭＩｎの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度を第１ドット形成温度に設定した状態で、所定の第１ドット形成時間（図３中Ｂ）だけ保持する。ＴＭＩｎ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ１５０ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、スペーサ層形成温度及びスペーサ層形成時間は、例えば５００℃及び４秒とすることができる。
【００３４】
＜スペーサ層形成工程＞
スペーサ層形成工程では、有機金属気相成長法により第１量子ドット層３０上にスペーサ層４０を形成する。スペーサ層形成工程では、反応室をスペーサ層４０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分とを含む雰囲気にする。そして、基板１０の温度をIII−Ｖ族化合物半導体が結晶成長するスペーサ層形成温度にする。これにより、第１量子ドット層３０の上にIII−Ｖ族化合物半導体たるＧａＡｓを結晶成長させてスペーサ層４０を形成する（図２Ｂ（ｃ））。
【００３５】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＭＩｎの供給を停止した後、反応室へＴＥＧａの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度をスペーサ形成温度に設定した状態で、所定のスペーサ層形成時間（図３中Ｃ）だけ保持する。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ２００ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、スペーサ層形成温度及びスペーサ層形成時間は、例えば５００℃とすることができる。スペーサ層形成時間を変化させることにより、スペーサ層４０の厚さを変化させることができる。
【００３６】
＜第２ドット形成工程＞
第２ドット形成工程では、有機金属気相成長法を用いて、スペーサ層４０上に量子ドット５２を形成する。本実施形態においては、第２ドット形成工程は、第１ドット形成工程と同じ条件である。第２ドット形成工程では、反応室を第２量子ドット層５０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分を含む雰囲気にする。これにより、スペーサ層４０上に、III−Ｖ族化合物半導体よりなる量子ドット５２を形成する（図２Ｂ（ｄ））。
【００３７】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＥＧａの供給を停止した後、所定のインターバルをおいて反応室へＴＭＩｎの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度を第２ドット形成温度に設定した状態で、所定の第２ドット形成時間（図３中Ｄ）だけ保持する。ＴＭＩｎ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ１５０ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、スペーサ層形成温度及びスペーサ層形成時間は、例えば５００℃及び４秒とすることができる。
【００３８】
＜キャップ層形成工程＞
キャップ層形成工程では、有機金属気相成長法により第２量子ドット層５０上にキャップ層６０を形成する。キャップ層形成工程では、反応室をキャップ層６０を構成するIII族元素成分とＶ族元素成分とを含む雰囲気にする。そして、基板１０の温度をIII−Ｖ族化合物半導体が結晶成長するキャップ層形成温度にする。これにより、第２量子ドット層５０の上にIII−Ｖ族化合物半導体たるＧａＡｓを結晶成長させてキャップ層６０を形成する（図１）。
【００３９】
本実施形態では、図３に示すように、反応室へのＴＭＩｎの供給を停止した後、反応室へＴＥＧａの供給を開始する。そして、反応室を所定圧力とし、基板１０の温度をスペーサ形成温度に設定した状態で、所定のキャップ層形成時間（図３中Ｅ）だけ保持する。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓの流量は、例えば、それぞれ２００ｓｃｃｍ及び１９．７ｓｃｃｍとすることができる。また、反応室の圧力は、例えば、７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、キャップ層形成温度及びキャップ層形成時間は、例えば５００℃及び３分とすることができる。
【００４０】
ここで、スペーサ層４０の厚さによる半導体積層構造１の光学スペクトルの変化を、図４を参照して説明する。図４は、スペーサ層の変化による発光波長と発光強度の変化を示すグラフである。尚、図４のデータは、スペーサ層４０の厚さによる光学スペクトルの変化を観察するため、第１量子データ層３０と第２量子データ層５０を同じ条件で作製している。また、発光波長及び発光強度のデータは、Ａｒイオンレーザ（５１４．５ｎｍ、８８ｍＷ）を励起光として用い、量子ドットの発光は２０ｃｍの分光器で分光した後、ＩｎＧａＡｓ光電子増倍管で検出した。また、測定温度は室温とした。
【００４１】
図４に示すように、スペーサ層４０が十分に厚いと１１００ｎｍ付近をピークとした第１スペクトルとなり、スペーサ層４０が十分に薄いと１１９５ｎｍ付近をピークとした第２スペクトルとなる。具体的には、スペーサ層４０が１００ｎｍのときに１１００ｎｍ付近がピークとなり、１０ｎｍのときに１１９５ｎｍ付近となる。そして、１０ｎｍを超えて１００ｎｍ未満は、スペーサ層４０の厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する前述の変化範囲となっている。ここでいう「実質的に変化」とは、第１スペクトルと第２スペクトルとを重ね合わせた状態であることをいう。スペーサ層４０の厚さが当該変化範囲であるとき、第１及び第２スペクトルの強度が実質的に１：１となる場合を除き、光学スペクトルはピークの長波長側又は短波長側に肩を有する。具体的には、スペーサ層４０が５０ｎｍのときに１１２０ｎｍ付近がピークとなって長波長側に肩を有し、３０ｎｍのときに１１９０ｎｍ付近がピークとなって短波長側に肩を有している。スペーサ層４０が３０ｎｍ及び５０ｎｍの場合の光学スペクトルは、スペーサ層４０が変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと、スペーサ層４０が変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを所定の比率で重ね合わせた形状を呈する。
【００４２】
ここで、図５は、スペーサ層の厚さと、第１及び第２スペクトルの強度の比を示すグラフである。
図５に示すように、１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍのデータに基づいて、スペーサ層４０の厚さと第１及び第２スペクトルの強度の比を調べたところ、スペーサ層４０の厚さが４４ｎｍのときに両者のスペクトルの強度が１：１となることがわかった。
【００４３】
そこで、スペーサ層４０を４４ｎｍとしたところ、図６に示すような光学スペクトルが得られた。図６は、短波長側と長波長側の発光強度が等しいと見積もったスペーサ層厚さにおける、発光波長と発光強度を示すグラフである。図６に示すように、光学スペクトルは、１１５５ｎｍを中心とし、半値幅が第１スペクトルと比べて大きくなった。具体的に、第１スペクトルでは、半値幅が７５ｎｍであったところ、４４ｎｍのスペーサ層４０を介在させることにより半値幅が１２３ｎｍにまで拡大した。また、第２スペクトルの半値幅１０７ｎｍよりも拡大した。
【００４４】
このように、本実施形態の半導体積層構造１によれば、第１量子ドット層３０上にスペーサ層４０を形成して第２量子ドット層５０を形成することにより、量子ドット３２，５２のサイズ及び組成と独立に、スペーサ層４０の厚さを変化させて光学スペクトルの広帯域化を図ることができる。すなわち、第１量子ドット３０と第２量子ドット５０との間に前述の変化範囲とされたスペーサ層４０を介在させた上で、これらの量子ドット３２，５２の組成やサイズを異なるものとすることにより、効果的に広帯域化を図ることができる。
【００４５】
尚、前記実施形態においては、半導体積層構造１を発光させて取得した光学スペクトルに基づいて説明をしているが、半導体積層構造１を発光にも受光にも用いることができることはいうまでもない。
【００４６】
また、前記実施形態においては、２つの量子ドット層を設けた例を示したが、３以上の量子ドット層を設けてもよいことは勿論である。３つの量子ドット層を有する半導体積層構造は、例えば、下地層、第１量子ドット層、第１スペーサ層、第２量子ドット層、第２スペーサ層、第３量子ドット層、キャップ層を、この順で形成して作製することができる。この場合、第２スペーサ層は、第２量子ドット層のキャップ層としても機能し、第１スペーサ層は、第２量子ドット層の下地層としても機能することとなる。
【００４７】
図７は、本発明の第２の実施形態を示す半導体積層構造を用いたＬＥＤ素子の模式断面図である。
図７に示すように、このＬＥＤ素子１０１は、ｎ型半導体基板１１０と、ｎ型半導体層１２０と、下地層１２２と、第１量子ドット層３０と、スペーサ層４０と、第２量子ドット層５０と、キャップ層６０と、ｐ型半導体層１７０とがこの順に積層されている。本実施形態においては、下地層１２２と、第１量子ドット層３０と、スペーサ層４０と、第２量子ドット層５０と、キャップ層６０と、が半導体積層構造をなしている。そして、スペーサ層４０の厚さは、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とされている。
【００４８】
また、ｎ型半導体基板１１０の下面とｐ型半導体層１７０の上面には、それぞれ、ｎ側オーミック電極１１１とｐ側オーミック電極１７１が形成されている。ｎ側オーミック電極１１１は、下地層１２２側に形成される第１電極をなし、ｐ側オーミック電極１７１は、キャップ層６０側に形成される第２電極をなしている。ｎ型半導体基板１１０、ｎ型半導体層１１５，ｐ型半導体層１７０は、半導体積層構造の第１量子ドット層３０及び第２量子ドット層５０を形成する半導体よりも禁制帯幅の大きい半導体を用いる。例えば、量子ドットがＩｎＡｓの場合には、ＧａＡｓとすることができる。
【００４９】
以上のように構成されたＬＥＤ素子１０１は、順方向の電流を注入することにより、電子と正孔が第１量子ドット層３０及び第２量子ドット層５０に注入され、半導体積層構造から光が発せられる。この光の半値幅は、スペーサ層４０が前述の変化範囲であることから、比較的大きいものとなっている。
【００５０】
尚、第２の実施形態においては、光学素子としてＬＥＤ素子を用いたものを示したが、ＬＥＤ素子をはじめとるす発光素子以外にも、受光素子として構成することもできるし、その他、具体的な細部構成は適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 半導体積層構造
１０ 基板
２０ 下地層
３０ 第１量子ドット層
３２ 量子ドット
４０ スペーサ層
５０ 第２量子ドット層
５２ 量子ドット
６０ キャップ層
１０１ ＬＥＤ素子
１１０ 基板
１１１ ｎ側オーミック電極
１２０ ｎ型半導体層
１２２ 下地層
１７０ ｐ型半導体層
１７１ ｐ側オーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で有し、
前記スペーサ層の厚さを、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とした半導体積層構造。
【請求項２】
前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈する請求項１に記載の半導体積層構造。
【請求項３】
前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きい請求項１又は２に記載の半導体積層構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の基板側に形成される第１電極と、
前記半導体積層構造のキャップ層側に形成される第２電極と、を備える光学素子。
【請求項５】
基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で配置し、
前記スペーサ層の厚さを変化させることにより、光学スペクトルを実質的に変化させる半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法。
【請求項６】
前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈する請求項５に記載の半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法。
【請求項７】
前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きい請求項５または６に記載の半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法。
【請求項１】
基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で有し、
前記スペーサ層の厚さを、当該厚さの変化により光学スペクトルが実質的に変化する変化範囲とした半導体積層構造。
【請求項２】
前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈する請求項１に記載の半導体積層構造。
【請求項３】
前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きい請求項１又は２に記載の半導体積層構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の基板側に形成される第１電極と、
前記半導体積層構造のキャップ層側に形成される第２電極と、を備える光学素子。
【請求項５】
基板と、第１量子ドット層と、スペーサ層と、第２量子ドット層と、キャップ層と、をこの順で配置し、
前記スペーサ層の厚さを変化させることにより、光学スペクトルを実質的に変化させる半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法。
【請求項６】
前記光学スペクトルは、前記スペーサ層が前記変化範囲よりも厚い場合の第１スペクトルと前記スペーサ層が前記変化範囲よりも薄い場合の第２スペクトルとを重ね合わせた形状を呈する請求項５に記載の半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法。
【請求項７】
前記光学スペクトルは、前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルよりも半値幅が大きい請求項５または６に記載の半導体積層構造における光学スペクトルの広帯域化方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−３８８４５（Ｐ２０１２−３８８４５Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６１３５（Ｐ２０１０−１７６１３５）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年６月１７日掲載 ｈｔｔｐ：／／ｉｃｃｇ１６．ｔｉｐｃ．ｃｎ／ ｈｔｔｐ：／／２１０．７２．１５４．１８９／Ｐｒｅｌｉｍ＿Ａｂｓｔｒａｃｔ＿Ｄｉｓｐｌａｙ．ｐｈｐ？ＥＩＤ＝７６５
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年６月１７日掲載 ｈｔｔｐ：／／ｉｃｃｇ１６．ｔｉｐｃ．ｃｎ／ ｈｔｔｐ：／／２１０．７２．１５４．１８９／Ｐｒｅｌｉｍ＿Ａｂｓｔｒａｃｔ＿Ｄｉｓｐｌａｙ．ｐｈｐ？ＥＩＤ＝７６５
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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