JP5948698B2 - Ultraviolet light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、紫外発光素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an ultraviolet light emitting device and a method for manufacturing the same.
可視光〜紫外線の波長域で発光する窒化物半導体発光素子は、低消費電力、小型という利点から、衛生、医療、工業、照明、精密機械などの様々な分野への応用が期待されており、青色光の波長域など、一部の波長域では既に実用化に至っている。 Nitride semiconductor light-emitting elements that emit light in the visible to ultraviolet wavelength range are expected to be applied in various fields such as hygiene, medical, industrial, lighting, and precision machinery because of their low power consumption and small size. It has already been put into practical use in some wavelength regions such as the blue light wavelength region.
しかしながら、窒化物半導体発光素子においては、青色光を発光する窒化物半導体発光素子(以下、青色発光素子と称する)に限らず、発光効率および光出力の、より一層の向上が望まれている。特に、紫外線の波長域の光を発光する窒化物半導体発光素子(以下、紫外発光素子と称する)は、現状では、青色発光素子に比べて外部量子効率および光出力が著しく劣るという問題が実用化への大きな障壁となっている。その原因の一つしては、発光層の発光効率(以下、内部量子効率と称する)が低いことが挙げられる。 However, nitride semiconductor light emitting devices are not limited to nitride semiconductor light emitting devices that emit blue light (hereinafter referred to as blue light emitting devices), and further improvements in light emission efficiency and light output are desired. In particular, nitride semiconductor light-emitting elements that emit light in the ultraviolet wavelength region (hereinafter referred to as ultraviolet light-emitting elements) are currently in practical use due to their significantly lower external quantum efficiency and light output than blue light-emitting elements. It has become a big barrier to. One of the causes is that the light emitting layer has low light emission efficiency (hereinafter referred to as internal quantum efficiency).
窒化物半導体結晶により構成される発光層の内部量子効率は、貫通転位の影響を受ける。ここで、貫通転位の転位密度が高い場合には、非発光再結合が支配的になり、内部量子効率を低下させる原因となる。 The internal quantum efficiency of the light emitting layer formed of the nitride semiconductor crystal is affected by threading dislocations. Here, when the dislocation density of threading dislocations is high, non-radiative recombination becomes dominant, which causes a decrease in internal quantum efficiency.
これに対し、230nm〜350nmの紫外波長領域で発光する深紫外発光素子に関しては、サファイア(0001)基板上にAlN高品質バッファ成長構造を設けることで発光効率を向上させたものが提案されている(特許文献1)。 On the other hand, with respect to the deep ultraviolet light emitting device that emits light in the ultraviolet wavelength region of 230 nm to 350 nm, a light emitting efficiency improved by providing an AlN high quality buffer growth structure on a sapphire (0001) substrate has been proposed. (Patent Document 1).
上述のAlN高品質バッファ成長構造は、サファイア(0001)基板上に順次形成された、AlN核形成層と、パルス供給AlN層と、連続成長AlN層とを有している。 The AlN high-quality buffer growth structure described above has an AlN nucleation layer, a pulse supply AlN layer, and a continuously grown AlN layer, which are sequentially formed on a sapphire (0001) substrate.
AlN核形成層と、パルス供給AlN層と、連続成長AlN層とは、MOCVD装置により形成されている。AlN核形成層は、NH3パルス供給法を用い第1の成長モードである初期核形成モードで成長され、パルス供給AlN層は、NH3パルス供給法を用い第2の成長モードである低速成長モードで成長され、連続成長AlN層は、高速縦方向成長モードで成長されている。ここで、特許文献1には、第2の成長モードは、グレインサイズを拡張し、転位を低減するモードであり、凹凸を有するAlN核形成層を平坦に埋め込むことができる旨が記載されている。また、特許文献1には、高速縦方向成長モードは、さらに平坦性を向上させるとともにクラックの発生を抑制するモードであり、NH3パルス供給法によるAlN成長法を用いていない旨が記載されている。NH3パルス供給法によるAlN成長法は、AlソースであるTMAlを連続的に供給するとともに、NソースであるNH3をパルス状に供給する方法である。
The AlN nucleation layer, the pulse supply AlN layer, and the continuously grown AlN layer are formed by an MOCVD apparatus. The AlN nucleation layer is grown in the initial nucleation mode which is the first growth mode using the NH 3 pulse supply method, and the pulse supply AlN layer is the slow growth which is the second growth mode using the NH 3 pulse supply method. The continuous growth AlN layer is grown in a high-speed longitudinal growth mode. Here,
特許文献1では、AlN核形成層、パルス供給AlN層および連続成長AlN層の成長温度が、それぞれ、1300℃、1200℃および1200℃となっている。
In
上述の貫通転位は、窒化物半導体に対して格子不整合の大きいサファイアなどの材料からなる基板をエピタキシャル成長用の単結晶基板として用いた場合に、特に成長界面で発生し易い。従って、貫通転位密度の少ない窒化物半導体結晶層を得るためには、成長初期の各構成元素の振る舞いを制御することが非常に重要な要素となる。 The above threading dislocations are particularly likely to occur at the growth interface when a substrate made of a material such as sapphire having a large lattice mismatch with respect to the nitride semiconductor is used as a single crystal substrate for epitaxial growth. Therefore, in order to obtain a nitride semiconductor crystal layer having a low threading dislocation density, it is a very important factor to control the behavior of each constituent element at the initial stage of growth.
一方、特許文献1に記載された深紫外発光素子のAlN高品質バッファ成長構造では、成長初期に、サファイア(0001)基板上に多数のAlN核を形成している。ここで、貫通転位は、隣り合うAlN核が結合する際に、その境界で発生しやすい。
On the other hand, in the AlN high-quality buffer growth structure of the deep ultraviolet light-emitting device described in
しかしながら、上述のAlN核形成層を備えたAlN高品質バッファ成長構造では、AlN核形成層を成長するときに、Alの拡散長が短く、成長初期にAlN核が高密度で生成される。また、特許文献1では、深紫外発光素子の製造装置としてMOCVD装置を用い、Alの原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用い、Nの原料ガスとしてアンモニア(NH3)を用いている。上述の深紫外発光素子では、その製造に際して、AlN核形成層を成長するときに、一般的なAlの原料ガスであるTMAlと一般的なNの原料ガスであるNH3とが気相中で反応し、ナノメートルオーダのパーティクル(ナノパーティクル)が形成されてしまうことが推測される。このため、上述の深紫外発光素子では、AlN核形成層を成長するときに、ナノパーティクルが単結晶基板の表面に存在し、AlN結晶の成長を阻害するものと推測される。したがって、窒化物半導体結晶の構成元素にAlを含めなければならない紫外発光素子を製造する場合には、窒化物半導体結晶の構成元素にAlを含まない青色発光素子と比較して、窒化物半導体結晶内に多くの貫通転位が存在してしまうため、発光効率が低かった。
However, in the AlN high-quality buffer growth structure provided with the AlN nucleation layer described above, when the AlN nucleation layer is grown, the Al diffusion length is short, and AlN nuclei are generated at a high density in the initial stage of growth. Further, in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、貫通転位を低減することが可能な紫外発光素子およびその製造方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the ultraviolet light emitting element which can reduce a threading dislocation, and its manufacturing method.
本発明の紫外発光素子は、単結晶基板と、単結晶基板の一表面上に形成されAlxGa1-xN(0<x<1)からなる複数の島状の核と、隣り合う前記核の間の隙間を埋め込み且つ全ての前記核を覆うように前記単結晶基板の前記一表面側に形成されたAlyGa1-yN(0<y≦1)からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されたn形AlzGa1-zN(0<z≦1)からなるn形窒化物半導体層と、前記n形窒化物半導体層における前記バッファ層側とは反対側に形成されAlaGa1-aN(0<a≦1)からなる井戸層を有する量子井戸構造の発光層と、前記発光層における前記n形窒化物半導体層側とは反対側に形成されたp形窒化物半導体層とを備え、x<yであることを特徴とする。 The ultraviolet light emitting device of the present invention includes a single crystal substrate, and a plurality of island-like nuclei formed on one surface of the single crystal substrate and made of Al x Ga 1-x N (0 <x <1). A buffer layer made of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) formed on the one surface side of the single crystal substrate so as to fill the gaps between the nuclei and cover all the nuclei; An n -type nitride semiconductor layer made of n-type Al z Ga 1 -zN (0 <z ≦ 1) formed on the buffer layer, and the n-type nitride semiconductor layer opposite to the buffer layer side A light emitting layer having a quantum well structure having a well layer made of Al a Ga 1-a N (0 <a ≦ 1) and formed on the side opposite to the n-type nitride semiconductor layer side in the light emitting layer and a p-type nitride semiconductor layer, wherein x <y.
この紫外発光素子において、y=1であることが好ましい。 In this ultraviolet light emitting element, y = 1 is preferable.
この紫外発光素子において、a<xであることが好ましい。 In this ultraviolet light emitting element, it is preferable that a <x.
この紫外発光素子において、z<xであることが好ましい。 In this ultraviolet light emitting element, it is preferable that z <x.
この紫外発光素子において、前記核は、前記単結晶基板から離れるにつれてAlの組成であるxが大きくなっていることが好ましい。 In this ultraviolet light emitting element, it is preferable that x, which is an Al composition, increases as the nucleus moves away from the single crystal substrate.
この紫外発光素子において、前記単結晶基板がc面サファイア基板であることが好ましい。 In this ultraviolet light emitting device, the single crystal substrate is preferably a c-plane sapphire substrate.
本発明の紫外発光素子の製造方法は、前記紫外発光素子の製造方法であって、前記単結晶基板を準備して反応炉内に配置した後に、前記単結晶基板の前記一表面上に複数の前記核を形成する第1工程と、前記バッファ層を形成する第2工程と、前記n形窒化物半導体層を形成する第3工程と、前記発光層を形成する第4工程と、前記p形窒化物半導体層を形成する第5工程とを備え、前記第1工程は、第1基板温度および第1成長圧力下において、前記反応炉内にAlの原料ガスとGaの原料ガスとNの原料ガスとを所定のモル比で供給することによって、前記単結晶基板の前記一表面上に複数のAlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる結晶核を形成する第1ステップと、AlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる前記結晶核をAlxGa1-xN(0<x<1)からなる前記核とするようにGaを脱離させる第2ステップとを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing an ultraviolet light-emitting device according to the present invention is a method for manufacturing the ultraviolet light-emitting device, wherein after the single crystal substrate is prepared and placed in a reaction furnace, a plurality of surfaces are formed on the one surface of the single crystal substrate. A first step of forming the nucleus; a second step of forming the buffer layer; a third step of forming the n-type nitride semiconductor layer; a fourth step of forming the light emitting layer; and the p-type. A fifth step of forming a nitride semiconductor layer, wherein the first step includes an Al source gas, a Ga source gas, and an N source in the reactor under a first substrate temperature and a first growth pressure. By supplying gas at a predetermined molar ratio, crystal nuclei composed of a plurality of Al b Ga 1-b N (0 <b <1 and b <x) are formed on the one surface of the single crystal substrate. From the first step to be formed and Al b Ga 1-b N (0 <b <1 and b <x) And a second step of desorbing Ga so that the crystal nucleus is the nucleus composed of Al x Ga 1-x N (0 <x <1).
この紫外発光素子の製造方法において、前記第2ステップでは、Alの前記原料ガスとGaの前記原料ガスとを供給せずにNの前記原料ガスを供給し、且つ、前記単結晶基板の温度である基板温度を、前記第1ステップでの前記第1基板温度よりも高く設定した状態での熱処理を行うことが好ましい。 In the method of manufacturing an ultraviolet light emitting element, in the second step, the source gas of N is supplied without supplying the source gas of Al and the source gas of Ga, and at the temperature of the single crystal substrate. It is preferable to perform the heat treatment in a state where a certain substrate temperature is set higher than the first substrate temperature in the first step.
この紫外発光素子の製造方法において、前記第2ステップでは、Alの前記原料ガスとGaの前記原料ガスとを供給せずにNの前記原料ガスを供給し、且つ、前記単結晶基板の温度である基板温度を、前記第1ステップでの前記第1基板温度よりも下げずに、前記反応炉へ供給する水素ガスの供給量を、前記第1ステップにおいて前記原料ガスを輸送するためのキャリアガスである水素ガスの供給量よりも多く設定した状態で熱処理を行うことが好ましい。 In the method of manufacturing an ultraviolet light emitting element, in the second step, the source gas of N is supplied without supplying the source gas of Al and the source gas of Ga, and at the temperature of the single crystal substrate. A carrier gas for transporting the raw material gas in the first step without changing a certain substrate temperature to be lower than the first substrate temperature in the first step. It is preferable to perform the heat treatment in a state where the amount of hydrogen gas is set to be larger than the supply amount.
本発明の紫外発光素子においては、単結晶基板の一表面上に形成されAlxGa1-xN(0<x<1)からなる複数の島状の核と、隣り合う前記核の間の隙間を埋め込み且つ全ての前記核を覆うように前記単結晶基板の前記一表面側に形成されたAlyGa1-yN(0<y≦1)からなるバッファ層とを備え、x<yであるので、貫通転位を低減することが可能となるという効果がある。 In the ultraviolet light emitting device of the present invention, a plurality of island-shaped nuclei made of Al x Ga 1-x N (0 <x <1) formed on one surface of a single crystal substrate and the adjacent nuclei A buffer layer made of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) formed on the one surface side of the single crystal substrate so as to fill the gap and cover all the nuclei, and x <y Therefore, there is an effect that threading dislocations can be reduced.
本発明の紫外発光素子の製造方法においては、前記単結晶基板の前記一表面上に複数の前記核を形成する第1工程と、前記バッファ層を形成する第2工程とを備え、前記第1工程は、前記単結晶基板の前記一表面上に複数のAlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる結晶核を形成する第1ステップと、AlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる前記結晶核をAlxGa1-xN(0<x<1)からなる前記核とするようにGaを脱離させる第2ステップとを備えるので、貫通転位を低減することが可能な紫外発光素子を提供できるという効果がある。 The method for manufacturing an ultraviolet light emitting device of the present invention includes a first step of forming a plurality of the nuclei on the one surface of the single crystal substrate, and a second step of forming the buffer layer. The process includes a first step of forming a crystal nucleus composed of a plurality of Al b Ga 1-b N (0 <b <1 and b <x) on the one surface of the single crystal substrate, and Al b Ga Ga is desorbed so that the crystal nucleus composed of 1-b N (0 <b <1 and b <x) becomes the nucleus composed of Al x Ga 1-x N (0 <x <1). Since the second step is provided, it is possible to provide an ultraviolet light emitting element capable of reducing threading dislocations.
(実施形態1)
以下では、本実施形態の紫外発光素子について図1に基づいて説明する。
(Embodiment 1)
Below, the ultraviolet light emitting element of this embodiment is demonstrated based on FIG.
紫外発光素子は、単結晶基板1と、単結晶基板1の一表面上に形成された複数の島状の核2と、隣り合う核2の間の隙間を埋め込み且つ全ての核2を覆うように単結晶基板1の上記一表面側に形成されたバッファ層3とを備えている。ここにおいて、紫外発光素子は、核2が、AlxGa1-xN(0<x<1)からなり、バッファ層3が、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなり、x<yとなっている。
The ultraviolet light emitting element fills the gap between the
さらに、紫外発光素子は、バッファ層3上に形成されたn形AlzGa1-zN(0<z≦1)からなるn形窒化物半導体層4と、n形窒化物半導体層4におけるバッファ層3側とは反対側に形成された量子井戸構造の発光層5とを備えている。ここにおいて、紫外発光素子は、n形窒化物半導体層4が、n形AlzGa1-zN(0<z≦1)からなる。また、紫外発光素子は、量子井戸構造の井戸層5bが、AlaGa1-aN(0<a≦1)からなる。
Further, the ultraviolet light emitting element includes an n -type
さらに、紫外発光素子は、発光層5におけるn形窒化物半導体層4側とは反対側に形成されたp形窒化物半導体層7を備えている。
Further, the ultraviolet light emitting element includes a p-type
また、紫外発光素子は、n形窒化物半導体層4に電気的に接続された第1電極14と、p形窒化物半導体層7に電気的に接続された第2電極17とを備えている。
Further, the ultraviolet light emitting device includes a
また、紫外発光素子は、p形窒化物半導体層7における発光層5側とは反対側にp形コンタクト層8を設け、第2電極17を、p形コンタクト層8の一部の上に形成することが好ましい。要するに、紫外発光素子は、第2電極17が、p形コンタクト層8を介してp形窒化物半導体層7に電気的に接続されていることが好ましい。ここで、紫外発光素子は、発光層5とp形窒化物半導体層7との間に電子ブロック層6を設けることが好ましい。
In the ultraviolet light emitting device, the p-
また、紫外発光素子は、メサ構造を有しており、n形窒化物半導体層4における発光層5側において露出させた表面4aの一部の上に第1電極14が形成されている。
The ultraviolet light emitting element has a mesa structure, and the
また、紫外発光素子は、上述のように発光層5の井戸層5bがAlaGa1-aN(0<a≦1)からなり、210nm〜360nmの紫外波長領域に発光波長(発光ピーク波長)を有する紫外発光ダイオードである。
Further, in the ultraviolet light emitting element, the
以下、紫外発光素子の各構成要素について詳細に説明する。 Hereinafter, each component of the ultraviolet light emitting element will be described in detail.
単結晶基板1は、エピタキシャル成長用の基板である。この単結晶基板1は、上記一表面が(0001)面のサファイア基板、つまり、c面サファイア基板(α−Al2O3基板)が好ましい。ただし、c面サファイア基板は、(0001)からのオフ角が、0〜0.2°のものが好ましい。これにより、紫外発光素子の製造時において、単結晶基板1の上記一表面上に核2の群を形成する際に、核2の密度を低減することが可能となり、バッファ層3の高品質化を図ることが可能となる。これは、核2を形成するために供給される原子が、単結晶基板1の上記一表面上で拡散し安定な場所で結晶成長に寄与しやすくなり、単結晶基板1のオフ角が小さいほどテラス幅が長く、核2の密度を減少させやすくなるからである。なお、単結晶基板1は、c面サファイア基板に限らず、例えば、β−Ga2O3基板などの酸化ガリウム基板でもよい。
複数の島状の核2は、単結晶基板1とn形窒化物半導体層4との格子定数差などに起因してn形窒化物半導体層4に発生する貫通転位を低減するために設けたものである。本実施形態の紫外発光素子では、核2の高さ寸法を10nm程度に設定してあるが、この値に特に限定するものではない。核2の高さ寸法については、大きすぎると、格子定数の関係から、バッファ層3にクラックが生じ、小さすぎると、バッファ層3を形成するための成長核としての機能を発揮できなくなる懸念がある。このため、核2の高さ寸法は、例えば、0.5nm〜50nm程度の範囲で設定することが好ましく、1nm〜25nm程度の範囲で設定することが、より好ましい。要するに、核2は、高さ寸法が0.5nm〜50nm程度の微結晶であることが好ましく、高さ寸法が1nm〜25nm程度の微結晶であることが、より好ましい。また、複数の島状の核2は、高さ寸法のばらつきが小さいほうが好ましい。
The plurality of island-
また、核2は、AlxGa1-xN(0<x<1)からなる。ここで、AlxGa1-xN(0<x<1)の組成比は、特に限定するものではないが、AlxGa1-xN(0<x<1)のバンドギャップエネルギが、n形窒化物半導体層4および井戸層5bそれぞれのバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定することが好ましい。例えば、n形窒化物半導体層4のAlの組成であるzが0.65、井戸層5bのAlの組成であるaが0.5の場合、AlxGa1-xN(0<x<1)のAlの組成であるxは、0.66〜0.99の範囲で設定することが好ましい。ここで、核2は、xを0.66とした場合、Al0.66Ga0.34Nからなり、xを0.99とした場合、Al0.99Ga0.01Nからなる。本実施形態の紫外発光素子では、一例として、AlxGa1-xN(0<x<1)のAlの組成であるxを0.8としてある。つまり、本実施形態の紫外発光素子の一例では、核2を、Al0.8Ga0.2Nにより構成してある。なお、AlxGa1-xN(0<x<1)は、Gaの組成である1−xが0.01未満でもよい。つまり、核2は、この核2の成長時にGaがドーピングされたAlNでもよい。
The
バッファ層3は、貫通転位を減少させることを目的として設けたものであり、膜厚が薄すぎると貫通転位の減少が不十分となりやすく、膜厚が厚すぎると格子不整合に起因したクラックの発生や、複数の紫外発光素子を形成するウェハの反りが大きくなる懸念がある。このため、バッファ層3の膜厚は、500nm〜10μm程度の範囲で設定することが好ましく、1μm〜5μmの範囲で設定することが、より好ましい。また、バッファ層3の膜厚は、このバッファ層3の表面が平坦化されるように設定することが好ましい。本実施形態の紫外発光素子では、一例として、バッファ層3の膜厚を3μmに設定してあるが、一例であり、特に限定するものではない。
The
バッファ層3は、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなり、x<yとなっていればよい。本実施形態の紫外発光素子では、一例として、AlyGa1-yN(0<y≦1)のAlの組成であるyを1としてある。つまり、本実施形態の紫外発光素子の一例では、バッファ層3を、AlNにより構成してある。
The
n形窒化物半導体層4は、発光層5へ電子を輸送するためのものである。n形窒化物半導体層4の膜厚は一例として2μmに設定してあるが、膜厚は特に限定するものではない。また、n形窒化物半導体層4は、n形AlzGa1-zN(0<z≦1)からなる。ここで、n形窒化物半導体層4を構成するn形AlzGa1-zN(0<z≦1)の組成比は、発光層5で発光する紫外光を吸収しない組成比であれば、特に限定するものではない。例えば、発光層5における井戸層5bのAlの組成であるaが0.5、障壁層5aのAlの組成が0.65の場合、n形AlzGa1-zN(0<z≦1)のAlの組成であるxは、障壁層5aのAlの組成と同じ0.65とすることができる。すなわち、発光層5の井戸層5bがAl0.5Ga0.5Nからなり、障壁層5aがAl0.65Ga0.35Nからなる場合、n形窒化物半導体層4は、例えば、n形Al0.65Ga0.35Nとすることができる。また、本実施形態の紫外発光素子では、一例として、n形窒化物半導体層4の膜厚を2μmに設定してあるが、この膜厚に限定するものではない。なお、n形窒化物半導体層4のドナー不純物としては、例えば、Siが好ましい。また、n形窒化物半導体層4の電子濃度は、例えば、1×1018〜1×1019cm-3程度の範囲で設定すればよい。本実施形態では、一例として、n形窒化物半導体層4の電子濃度を8×1018cm-3に設定してある。
The n-type
発光層5は、注入されたキャリア(ここでは、電子と正孔)を光に変換するものであり、量子井戸構造を有している。量子井戸構造は、障壁層5aと井戸層5bとからなる。図1に示した例では、障壁層5aと井戸層5bとが交互に積層されており、井戸層5bの数が2であるが、井戸層5bの数は特に限定するものではない。要するに、量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。また、井戸層5bおよび障壁層5aの各膜厚も特に限定するものではない。ただし、発光層5は、井戸層5bの膜厚が厚すぎると、井戸層5bに注入された電子および正孔が、量子井戸構造における格子不整合に起因するピエゾ電界に起因して、空間的に分離してしまい、発光効率が低下する。また、発光層5は、井戸層5bの膜厚が薄すぎる場合、キャリアの閉じ込め効果が低下し、発光効率が低下する。このため、井戸層5bの膜厚は、1nm〜5nm程度が好ましく、1.3nm〜3nm程度が、より好ましい。また、障壁層5aの膜厚は、例えば、5nm〜15nm程度の範囲で設定することが好ましい。本実施形態では、一例として、井戸層5bの膜厚を2nmに設定し、障壁層5aの膜厚を10nmに設定してあるが、これらの膜厚に限定するものではない。
The light-emitting
発光層5は、所望の発光波長の紫外光を発光するように井戸層5bのAlの組成を設定してある。ここにおいて、AlaGa1-aN(0<a≦1)からなる井戸層5bを備えた発光層5は、井戸層5bのAlの組成であるaを変化させることにより、発光波長を210nm〜360nmの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。例えば、所望の発光波長が265nm付近である場合には、Alの組成であるaを0.50に設定すればよい。
In the
電子ブロック層6は、発光層5へ注入された電子のうち、発光層5中で正孔と再結合されなかった電子が、p形窒化物半導体層7側へ漏れる(オーバーフロー)のを抑制するために、発光層5とp形窒化物半導体層7との間に設けてある。電子ブロック層6は、p形AlcGa1-cN(0<c<1)からなる。ここで、p形AlcGa1-cN(0<c<1)の組成比は、特に限定するものではないが、電子ブロック層6のバンドギャップエネルギが、p形窒化物半導体層7もしくは障壁層5aのバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定することが好ましい。また、電子ブロック層6の正孔濃度は、特に限定するものではない。また、電子ブロック層6の膜厚については、特に限定するものではないが、膜厚が薄すぎるとオーバーフロー抑制効果が減少し、膜厚が厚すぎると紫外発光素子の抵抗が大きくなってしまう。ここで、電子ブロック層6の膜厚については、Alの組成であるcや正孔濃度などの値によって適した膜厚が変化するので、一概には言えないが、1nm〜50nmの範囲で設定することが好ましく、5nm〜25nmの範囲で設定することが、より好ましい。
The
p形窒化物半導体層7は、発光層5へ正孔を輸送するためのものである。また、p形窒化物半導体層は、p形AldGa1-dN(0<d<1)からなる。ここで、p形AldGa1-dN(0<d<1)の組成比は、発光層5で発光する紫外光を吸収しない組成比であれば、特に限定するものではない。例えば、上述のように発光層5における井戸層5bのAlの組成が0.5、障壁層5aのAlの組成が0.65の場合、p形AldGa1-dN(0<d<1)のAlの組成であるdは、例えば、障壁層5aのAlの組成であるaと同じ0.65とすることができる。すなわち、発光層5の井戸層5bがAl0.5Ga0.5Nからなる場合、p形窒化物半導体層7は、例えば、p形Al0.65Ga0.35Nにより構成することができる。p形窒化物半導体層7のアクセプタ不純物としては、Mgが好ましい。
The p-type
また、p形窒化物半導体層7の正孔濃度は、特に限定するものではなく、p形窒化物半導体層7の膜質が劣化しない正孔濃度の範囲において、より高い濃度のほうが好ましい。しかしながら、p形AldGa1-dN(0<d<1)の正孔濃度がn形AlzGa1-zN(0<z≦1)の電子濃度よりも低いので、p形窒化物半導体層7の膜厚が、厚すぎると、紫外発光素子の抵抗が大きくなりすぎる。このため、p形窒化物半導体層7の膜厚は、200nm以下が好ましく、100nm以下が、より好ましい。なお、本実施形態の紫外発光素子では、一例として、p形窒化物半導体層7の膜厚を20nmに設定している。
Further, the hole concentration of the p-type
p形コンタクト層8は、第2電極17との接触抵抗を下げ、第2電極17との良好なオーミック接触を得るために設けてある。p形コンタクト層8は、p形GaNからなる。ここで、p形コンタクト層8を構成するp形GaNの正孔濃度は、p形窒化物半導体層7よりも高濃度とすることが好ましく、例えば、7×1017cm-3程度とすることにより、第2電極17との良好な電気的接触を得ることが可能である。ただし、p形GaNの正孔濃度は、特に限定するものではなく、第2電極17との良好な電気的接触が得られる正孔濃度の範囲で適宜変更してもよい。p形コンタクト層8の膜厚は、100nmに設定してあるが、これに限らず、例えば、50nm〜150nmの範囲で設定すればよい。
The p-
n電極である第1電極14は、膜厚が20nmのTi膜と、膜厚が100nmのAl膜と、膜厚が20nmのTi膜と、膜厚が200nmのAu膜とが積層された積層膜を形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。この積層膜の構成や膜厚は特に限定するものではない。また、紫外発光素子は、第1電極14上に、例えばAu膜からなる第1パッド(図示せず)が形成されている。この第1パッドは、第1電極14の形成後に、形成してある。なお、第1パッドについては、第1電極14と別途に形成せずに、第1電極14が第1パッドを兼ねるようにしてもよい。
The
p電極である第2電極17は、膜厚が15nmのNi膜と、膜厚が100nmのAu膜との積層膜を形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。この積層膜の構成や膜厚は特に限定するものではない。また、紫外発光素子は、第2電極17上に、例えばAu膜からなる第2パッド(図示せず)が形成されている。この第2パッドは、第2電極17の形成後に、形成してある。
The
以下、本実施形態の紫外発光素子の製造方法について説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the ultraviolet light emitting element of this embodiment is demonstrated.
(1)単結晶基板1を反応炉に導入する工程
この工程では、例えばc面サファイア基板からなる単結晶基板1をMOCVD装置の反応炉内に導入する。この工程では、反応炉への単結晶基板1の導入前に、単結晶基板1に対して薬品による前処理を行うことにより、単結晶基板1の表面を清浄化することが好ましい。また、この工程では、反応炉へ単結晶基板1を導入した後、反応炉の内部の真空引きを行い、その後、高純度化された窒素ガスなどを反応炉内へ流すことによって反応炉内を窒素ガスで満たしてから、排気するようにしてもよい。これにより、この工程では、単結晶基板1を導入する際に意図せず混入した空気などの気体を排気することが可能となる。なお、単結晶基板1は、紫外発光素子を複数形成することが可能なウェハ状態のものが好ましい。
(1) Step of introducing the
(2)単結晶基板1を加熱して単結晶基板1の上記一表面を清浄化する工程
この工程は、反応炉内に導入された単結晶基板1の温度である基板温度を、第1規定温度まで昇温し、さらに、この第1規定温度での加熱により単結晶基板1の上記一表面を清浄化する。第1規定温度は、1100℃に設定している。
(2) Step of heating the
より具体的に説明すれば、この工程では、反応炉内の圧力を第1規定圧力に減圧した後、反応炉内を第1規定圧力に保ちながら基板温度を第1規定温度まで上昇させてから、この第1規定温度で第1規定時間の加熱を行うことにより単結晶基板1の上記一表面を清浄化する。この工程では、反応炉内へH2ガスを供給した状態で単結晶基板1を加熱することにより、清浄化を効果的に行うことができる。
More specifically, in this step, after reducing the pressure in the reaction furnace to the first specified pressure, the substrate temperature is raised to the first specified temperature while maintaining the first specified pressure in the reaction furnace. The one surface of the
ここにおいて、第1規定圧力は、10kPa≒76Torrに設定している。第1規定温度は、1000〜1150℃の温度範囲で設定することが好ましく、1050〜1100℃の温度範囲で設定することが、より好ましい。基板温度が1000℃よりも低い場合には、清浄化の効果が得られにくくなる。第1規定時間は、10分間に設定している。なお、第1規定圧力および第1規定時間それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。 Here, the first specified pressure is set to 10 kPa≈76 Torr. The first specified temperature is preferably set in a temperature range of 1000 to 1150 ° C, and more preferably set in a temperature range of 1050 to 1100 ° C. When the substrate temperature is lower than 1000 ° C., it is difficult to obtain a cleaning effect. The first specified time is set to 10 minutes. The values of the first specified pressure and the first specified time are examples, and are not particularly limited.
(3)AlxGa1-xN(0<x<1)からなる複数の島状の核2を形成する工程(第1工程)
この工程では、反応炉内の圧力を第2規定圧力に保ちながら基板温度を第1規定温度と同じ第2規定温度で保持した状態で、反応炉内へAlの原料ガスとGaの原料ガスとNの原料ガスとを供給することによって単結晶基板1の上記一表面上に複数の島状の核2を形成する。つまり、この工程では、核2の群を形成する。
(3) Step of forming a plurality of island-
In this step, while maintaining the substrate temperature at the second specified temperature, which is the same as the first specified temperature, while maintaining the pressure in the reactor at the second specified pressure, the Al source gas, the Ga source gas, By supplying N source gas, a plurality of island-
より具体的に説明すれば、この工程では、単結晶基板1の温度である基板温度を、AlxGa1-xN(0<x<1)からなる複数の島状の核2を成長可能な第2規定温度とする。この第2規定温度は、第1規定温度と同様、c面サファイア基板からなる単結晶基板1の上記一表面が変質しない温度が好ましく、1000〜1150℃の温度範囲で設定することが好ましく、1000〜1100℃の温度範囲で設定することが、より好ましい。この工程では、単結晶基板1の上記一表面上でのGaの拡散長がAlの拡散長よりも長いので、III−V族の窒化物半導体からなる核2におけるIII族の構成元素がAlだけの場合に比べて、単結晶基板1の上記一表面上に形成される核2の密度(単位面積当たりの核2の数)を低減することが可能となる。この工程では、基板温度が1000℃よりも低い場合、Al原子の拡散が十分に行われなくなって、単結晶基板1の上記一表面上に形成される核2の密度の制御が難しくなる(低密度化することが難しくなる)。このため、後述の第2工程での成長時において、隣り合う2同士が結合する際に界面で発生する転位が増加し、結果として高品質なバッファ層3が得られなくなる可能性が高くなる。
More specifically, in this step, a plurality of island-
この工程では、第2規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第2規定温度を第1規定温度と同じ1100℃としている。なお、第2規定圧力および第2規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。 In this step, the second specified pressure is 10 kPa which is the same as the first specified pressure, and the second specified temperature is 1100 ° C. which is the same as the first specified temperature. Note that the values of the second specified pressure and the second specified temperature are examples, and are not particularly limited.
また、この工程では、TMAlの流量を標準状態で0.05L/min(50SCCM)、TMGaの流量を標準状態で0.01L/min(10SCCM)、NH3の流量を標準状態で0.05L/min(50SCCM)にそれぞれ設定してある。ここにおいて、TMAl、TMGaおよびNH3それぞれのキャリアガスとしては、例えば、H2ガスを採用することが好ましい。なお、TMAl、TMGaおよびNH3それぞれの流量は一例であり、特に限定するものではない。 In this step, the TMAl flow rate is 0.05 L / min (50 SCCM) in the standard state, the TMGa flow rate is 0.01 L / min (10 SCCM) in the standard state, and the NH 3 flow rate is 0.05 L / min in the standard state. Each is set to min (50 SCCM). Here, as the carrier gas for TMAl, TMGa and NH 3 , for example, it is preferable to employ H 2 gas, for example. Note that the flow rates of TMAl, TMGa, and NH 3 are merely examples, and are not particularly limited.
(4)AlyGa1-yN(0<y≦1)からなるバッファ層3を形成する工程(第2工程)
この工程は、第1工程の後でIII族の構成元素の原料ガスとV族の構成元素の原料ガスとを供給することによってAlyGa1-yN(0<y≦1)からなるバッファ層3を形成する工程である。ここにおいて、各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、H2ガスを採用することが好ましい。
(4) Step of forming
In this step, a buffer composed of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) is supplied by supplying a group III constituent element source gas and a group V constituent element source gas after the first step. In this step, the
この工程は、単結晶基板1の上記一表面上に形成されている核2の群を基に所定膜厚(例えば、3μm)のバッファ層3を形成する。バッファ層3は、貫通転位密度を低減させることを目的として設けるものである。
In this step, the
この工程では、例えば、反応炉内の圧力を第3規定圧力に保ちながら基板温度を第3規定温度(所定の成長温度)に保持した状態で、AlyGa1-yN(0<y≦1)のIII族の原料ガスおよびV族の原料ガスを反応炉内へ供給開始して、バッファ層3を形成する。この工程では、第3規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第3規定温度を1200℃としている。なお、第3規定圧力および第3規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, for example, in the state where the substrate temperature is maintained at the third specified temperature (predetermined growth temperature) while maintaining the pressure in the reactor at the third specified pressure, Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ The supply of the group III source gas and the group V source gas of 1) into the reaction furnace is started, and the
この工程では、例えば、AlyGa1-yN(0<y≦1)のAlの組成であるyを1とする場合、つまり、バッファ層3をAlNとする場合、例えば、III族の原料ガスとしてのTMAlと、V族の原料ガスとしてのNH3とを反応炉内へ供給する。この場合には、例えば、TMAlの流量を標準状態で0.05L/min(50SCCM)に設定し、且つ、NH3の流量を標準状態で0.1L/min(100SCCM)に設定してから、TMAlとNH3とを反応炉内へ供給すればよい。
In this step, for example, when y, which is an Al composition of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1), is set to 1, that is, when the
また、この工程では、AlyGa1-yN(0<y≦1)のAlの組成であるyを1未満とする場合、III族の原料ガスとしてのTMAlおよびTMGaと、V族の原料ガスとしてのNH3とを反応炉内へ供給すればよい。この場合には、Alの組成であるyが所望の値(0<y<1)となるようにIII族の原料ガスにおけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})などを設定すればよい。 Further, in this step, TMy and TMGa as group III source gases and group V source when y which is the Al composition of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) is less than 1 NH 3 as a gas may be supplied into the reaction furnace. In this case, the molar ratio of TMAl in the group III source gas ([TMAl] / {[TMAl] + [TMGa]} so that y which is the composition of Al becomes a desired value (0 <y <1)). ) Etc. may be set.
(5)n形窒化物半導体層4を形成する工程(第3工程)
この工程は、バッファ層3上にn形窒化物半導体層4を形成する工程である。
(5) Step of forming n-type nitride semiconductor layer 4 (third step)
This step is a step of forming the n-type
この工程では、例えば、反応炉内の圧力を第4規定圧力に保ちながら基板温度を第4規定温度(所定の成長温度)に保持した状態で、n形AlzGa1-zN(0<z≦1)のIII族の原料ガス、V族の原料ガスおよびn形導電性を付与する不純物の原料ガスを反応炉内へ供給開始して、n形窒化物半導体層4を形成する。この工程では、第4規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第4規定温度を1100℃としている。なお、第4規定圧力および第4規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, for example, the pressure in the reactor while holding the substrate temperature while keeping the fourth specified pressure to the fourth predetermined temperature (predetermined growth temperature), n-type Al z Ga 1-z N ( 0 < The supply of a group III source gas of z ≦ 1), a group V source gas, and an impurity source gas imparting n-type conductivity is started into the reaction furnace to form the n-type
この工程では、Alの原料ガスとしてTMAl、Gaの原料ガスとしてTMGa、Nの原料ガスとしてNH3、n形導電性を付与する不純物であるSiの原料ガスとしてテトラエチルシラン(TESi)を用いている。また、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしては、H2ガスを用いている。ここで、TESiの流量は標準状態で0.0009L/min(0.9SCCM)としている。また、Alの組成が所望の値(例えば、0.65)となるようにIII族の原料ガスにおけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})を設定している。なお、各原料ガスは特に限定するものではなく、例えば、Gaの原料としてトリエチルガリウム(TEGa)、Nの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Siの原料としてモノシラン(SiH4)を用いてもよい。また、各原料ガスそれぞれの流量は、一例であり、特に限定するものではない。 In this step, TMAl is used as the Al source gas, TMGa is used as the Ga source gas, NH 3 is used as the N source gas, and tetraethylsilane (TESi) is used as the Si source gas that imparts n-type conductivity. . Further, H 2 gas is used as a carrier gas for transporting each source gas. Here, the flow rate of TESi is set to 0.0009 L / min (0.9 SCCM) in a standard state. Further, the molar ratio of TMAl in the group III source gas ([TMAl] / {[TMAl] + [TMGa]}) is set so that the Al composition becomes a desired value (for example, 0.65). . Each source gas is not particularly limited. For example, triethylgallium (TEGa) may be used as a Ga source material, hydrazine derivative may be used as a N source gas, and monosilane (SiH 4 ) may be used as a Si source material. Moreover, the flow rate of each source gas is an example, and is not particularly limited.
(6)発光層5を形成する工程(第4工程)
この工程は、n形窒化物半導体層4上に発光層5を形成する工程である。
(6) Step of forming the light emitting layer 5 (fourth step)
This step is a step of forming the
この工程では、例えば、反応炉内の圧力を第5規定圧力に保ちながら基板温度を第5規定温度(所定の成長温度)に保持した状態で、III族の原料ガスおよびV族の原料ガスを反応炉内へ供給開始して、発光層5を形成する。この工程では、第5規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第5規定温度を1100℃としている。なお、第5規定圧力および第5規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, for example, with the substrate temperature maintained at the fifth specified temperature (predetermined growth temperature) while maintaining the pressure in the reactor at the fifth specified pressure, the group III source gas and the group V source gas are added. The supply into the reaction furnace is started to form the
この工程では、一例として、発光層5の井戸層5bがAl0.5Ga0.5Nとなり、障壁層5aがAl0.65Ga0.35Nとなるように井戸層5bおよび障壁層5aそれぞれの成長条件を設定している。なお、井戸層5bおよび障壁層5aそれぞれの組成比は特に限定するものではなく、この工程では、井戸層5bおよび障壁層5aそれぞれの所望の組成比に基づいて、井戸層5bおよび障壁層5aそれぞれの成長条件を設定すればよい。
In this step, as an example, the growth conditions of the
この工程では、Alの原料ガスとしてTMAl、Gaの原料ガスとしてTMGa、Nの原料ガスとしてNH3を用い、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしてH2ガスを用いている。ここで、発光層5の井戸層5bの成長条件については、所望の組成比が得られるように、III族の原料ガスにおけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})を設定している。また、この工程では、井戸層5bの成長条件における上記モル比を、障壁層5aの成長条件における上記モル比よりも小さく設定している。なお、本実施形態の紫外発光素子では、障壁層5aに不純物をドーピングしていないが、これに限らず、障壁層5aの結晶品質が劣化しない程度の濃度でSiなどの不純物をドーピングしてもよい。ここで、Siの原料ガスとしては、例えば、TESiを用いることができる。各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、Gaの原料としてTEGa、Nの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Siの原料としてSiH4を用いてもよい。また、各原料ガスそれぞれの流量は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, TMAl is used as the Al source gas, TMGa is used as the Ga source gas, NH 3 is used as the N source gas, and H 2 gas is used as the carrier gas for transporting each source gas. Here, regarding the growth conditions of the
(7)電子ブロック層6を形成する工程
この工程は、発光層5上に電子ブロック層6を形成する工程である。
(7) Step of forming the
この工程では、例えば、反応炉内の圧力を第6規定圧力に保ちながら基板温度を第6規定温度(所定の成長温度)に保持した状態で、III族の原料ガスおよびV族の原料ガスを反応炉内へ供給開始して、電子ブロック層6を形成する。この工程では、第6規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第6規定温度を1100℃としている。なお、第6規定圧力および第6規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。発光層5の成長条件における基板温度と電子ブロック層6の成長条件における基板温度とは、同じ温度であることが好ましいが、必ずしも同じ温度である必要はない。
In this step, for example, with the substrate temperature maintained at the sixth specified temperature (predetermined growth temperature) while maintaining the pressure in the reactor at the sixth specified pressure, the group III source gas and the group V source gas are added. The supply into the reaction furnace is started, and the
この工程では、Alの原料ガスとしてTMAl、Gaの原料ガスとしてTMGa、Nの原料ガスとしてNH3、p形導電性に寄与する不純物であるMgの原料ガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしてH2ガスを用いている。ここで、Alの組成が所望の値(例えば、0.9)となるようにIII族の原料ガスにおけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})を設定している。各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、Gaの原料としてTEGa、Nの原料ガスとしてヒドラジン誘導体を用いてもよい。各原料ガスそれぞれの流量は、一例であり、特に限定するものではない。 In this step, TMAl is used as the Al source gas, TMGa is used as the Ga source gas, NH 3 is used as the N source gas, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2) is used as the Mg source gas that contributes to p-type conductivity. Mg) is used, and H 2 gas is used as a carrier gas for transporting each source gas. Here, the molar ratio of TMAl in the group III source gas ([TMAl] / {[TMAl] + [TMGa]}) is set so that the Al composition becomes a desired value (for example, 0.9). Yes. Each source gas is not particularly limited. For example, TEGa may be used as a Ga source material, and a hydrazine derivative may be used as an N source gas. The flow rate of each source gas is an example and is not particularly limited.
(8)p形窒化物半導体層7を形成する工程(第5工程)
この工程は、電子ブロック層6上にp形窒化物半導体層7を形成する工程である。なお、電子ブロック層6を設けていない場合には、発光層5上にp形窒化物半導体層7を形成する工程となる。
(8) Step of forming p-type nitride semiconductor layer 7 (fifth step)
This step is a step of forming the p-type
この工程では、例えば、反応炉内の圧力を第7規定圧力に保ちながら基板温度を第7規定温度(所定の成長温度)に保持した状態で、III族の原料ガスおよびV族の原料ガスを反応炉内へ供給開始して、p形窒化物半導体層7を形成する。この工程では、第7規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第7規定温度を1100℃としている。なお、第7規定圧力および第7規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, for example, with the substrate temperature maintained at the seventh specified temperature (predetermined growth temperature) while maintaining the pressure in the reactor at the seventh specified pressure, the group III source gas and the group V source gas are mixed. The supply into the reaction furnace is started, and the p-type
この工程では、Alの原料ガスとしてTMAl、Gaの原料ガスとしてTMGa、Nの原料ガスとしてNH3、p形導電性を付与する不純物であるMgの原料ガスとしてCp2Mgを用い、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしてはH2ガスを用いている。ここで、Alの組成が所望の値(例えば、0.65)となるようにIII族の原料ガスにおけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})を設定している。Alの組成がn形窒化物半導体層4におけるAlの組成と同じ場合には、n形窒化物半導体層4の成長条件と同じモル比に設定することができる。各原料ガスそれぞれの流量は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, TMAl is used as the Al source gas, TMGa is used as the Ga source gas, NH 3 is used as the N source gas, and Cp 2 Mg is used as the Mg source gas that imparts p-type conductivity. H 2 gas is used as a carrier gas for transporting the gas. Here, the molar ratio of TMAl in the group III source gas ([TMAl] / {[TMAl] + [TMGa]}) is set so that the Al composition becomes a desired value (for example, 0.65). Yes. When the Al composition is the same as the Al composition in the n-type
(9)p形コンタクト層8を形成する工程
この工程は、p形窒化物半導体層7上にp形コンタクト層8を形成する工程である。
(9) Step of forming p-
この工程では、例えば、反応炉内の圧力を第8規定圧力に保ちながら基板温度を第8規定温度(所定の成長温度)に保持した状態で、III族の原料ガスおよびV族の原料ガスを反応炉内へ供給開始して、p形コンタクト層8を形成する。この工程では、第8規定圧力を第1規定圧力と同じ10kPaとし、第8規定温度を1050℃としている。なお、第8規定圧力および第8規定温度それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
In this step, for example, the group III source gas and the group V source gas are added while maintaining the substrate temperature at the eighth specified temperature (predetermined growth temperature) while maintaining the pressure in the reactor at the eighth specified pressure. Supply into the reaction furnace is started, and the p-
この工程では、Gaの原料ガスとしてTMGa、Nの原料ガスとしてNH3、p型導電性を付与する不純物であるMgの原料ガスとして、Cp2Mgを用い、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしてH2ガスを用いている。 In this step, TMGa is used as the Ga source gas, NH 3 is used as the N source gas, and Cp 2 Mg is used as the Mg source gas that imparts p-type conductivity, and the carrier for transporting each source gas is used. H 2 gas is used as the gas.
(1)の工程においてMOCVD装置の反応炉内に単結晶基板1を導入した後、(9)の工程が終了するまでは、MOCVD装置の反応炉内で連続的に結晶成長を行う。そして、p形コンタクト層8の成長が終わった後、基板温度を室温付近まで降温させ、核2とバッファ層3とn形窒化物半導体層4と発光層5と電子ブロック層6とp形窒化物半導体層7とp形コンタクト層8との積層構造が成長されている単結晶基板1をMOCVD装置から取り出す。要するに、本実施形態の紫外発光素子の製造方法では、核2とバッファ層3とn形窒化物半導体層4と発光層5と電子ブロック層6とp形窒化物半導体層7とp形コンタクト層8との積層構造を、MOCVD法により形成している。
After the
(10)p形不純物を活性化するためのアニールを行う工程
この工程は、アニール装置のアニール炉内において所定のアニール温度で所定のアニール時間だけ保持することにより、電子ブロック層6、p形窒化物半導体層7およびp形コンタクト層8のp形不純物を活性化する工程である。ここでは、アニール温度を750℃、アニール時間を10分に設定してあるが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。アニール装置としては、例えば、ランプアニール装置、電気炉アニール装置などを採用することができる。
(10) Step of performing annealing for activating p-type impurities In this step, the
(11)メサ構造を形成する工程
まず、一般的なフォトリソグラフィ技術を利用して、単結晶基板1の上記一表面側に成長された上記積層構造において、メサ構造の上面に対応する領域上に、第1のレジスト層を形成する。続いて、第1のレジスト層をマスクとして、上記積層構造を表面側(ここでは、p形コンタクト層8の表面側)からn形窒化物半導体層4の途中までエッチングすることによって、メサ構造を形成する。その後、第1のレジスト層を除去する。上記積層構造のエッチングは、例えば、反応性イオンエッチングにより行うことができる。なお、メサ構造の面積および形状は特に限定するものではない。
(11) Step of forming mesa structure First, in the stacked structure grown on the one surface side of the
(12)n形窒化物半導体層4の露出させた表面4a上に第1電極14を形成する工程
単結晶基板1の上記一表面側における第1電極14の形成予定領域のみ(つまり、n形窒化物半導体層4のうち厚みが薄くなった部位の一部)が露出するようにパターニングされた第2のレジスト層を形成する。その後、例えば、膜厚が20nmのTi膜と膜厚が100nmのAl膜と膜厚が20nmのTi膜と膜厚が200nmのAu膜との積層膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、リフトオフを行うことにより、第2のレジスト層および当該第2のレジスト層上の不要膜を除去する。その後、第1電極14とn形窒化物半導体層4との接触がオーミック接触となるように、N2ガス雰囲気中でRTA(Rapid Thermal Annealing)処理を行う。積層膜の構造および各膜厚は一例であり、特に限定するものではない。また、RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を800℃、アニール時間を1分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。
(12) Step of forming the
(13)第2電極17を形成する工程
単結晶基板1の上記一表面側における第2電極17の形成予定領域のみ(ここでは、p形コンタクト層8の表面の一部)が露出するようにパターニングされた第3のレジスト層を形成する。その後、例えば膜厚が15nmのNi膜と膜厚が100nmのAu膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、リフトオフを行うことにより、第3のレジスト層および当該第3のレジスト層上の不要膜を除去する。その後、第2電極17とp形コンタクト層8との接触がオーミック接触となるように、N2ガス雰囲気中でRTA処理を行う。積層膜の構造および各膜厚は一例であり、特に限定するものではない。また、RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を400℃、アニール時間を15分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。
(13) Step of Forming
(14)第1パッドおよび第2パッドを形成する工程
この工程では、フォトリソグラフィ技術および薄膜形成技術を利用して第1パッドおよび第2パッドを形成する。薄膜形成技術としては、例えば、電子ビーム蒸着法などを採用することができる。
(14) Step of Forming First Pad and Second Pad In this step, the first pad and the second pad are formed using photolithography technology and thin film formation technology. As the thin film formation technique, for example, an electron beam evaporation method or the like can be employed.
この工程が終了することにより、紫外発光素子が複数形成されたウェハが完成する。要するに、上述の(1)〜(14)の工程を順次行うことにより、紫外発光素子が複数形成されたウェハが完成する。 By completing this step, a wafer on which a plurality of ultraviolet light emitting elements are formed is completed. In short, by sequentially performing the steps (1) to (14) described above, a wafer on which a plurality of ultraviolet light emitting elements are formed is completed.
(15)ウェハから個々の紫外発光素子に分割する工程
この工程は、ダイシング工程であり、ウェハをダイシングソーなどによって裁断することで、個々の紫外発光素子(チップ)に分割する。これにより、1枚のウェハから複数の紫外発光素子を得ることができる。紫外発光素子のチップサイズとしては、例えば、350μm□や1mm□などが挙げられるが、特に限定するものではない。
(15) Process of Dividing from Wafer into Individual Ultraviolet Light Emitting Elements This process is a dicing process, and the wafer is cut into individual ultraviolet light emitting elements (chips) by cutting with a dicing saw or the like. Thereby, a plurality of ultraviolet light emitting elements can be obtained from one wafer. Examples of the chip size of the ultraviolet light emitting element include 350 μm □ and 1 mm □, but are not particularly limited.
ところで、上述の第1工程は、以下に説明する第1ステップと第2ステップとを備えた工程としてもよい。 By the way, the above-mentioned 1st process is good also as a process provided with the 1st step and 2nd step which are demonstrated below.
第1ステップは、第1基板温度および第1成長圧力(第1規定圧力)下において、反応炉内にAlの原料ガスとGaの原料ガスとNの原料ガスとを所定のモル比で供給することによって、単結晶基板1の上記一表面上に複数のAlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる結晶核を形成するステップである。この第1ステップでは、例えば、第1基板温度を1100℃、第1成長圧力を10kPaとすればよいが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
The first step supplies Al source gas, Ga source gas, and N source gas in a predetermined molar ratio into the reaction furnace at a first substrate temperature and a first growth pressure (first specified pressure). This is a step of forming crystal nuclei composed of a plurality of Al b Ga 1-b N (0 <b <1 and b <x) on the one surface of the
第2ステップは、AlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる結晶核をAlxGa1-xN(0<x<1)からなる核2とするようにGaを脱離させるステップである。要するに、第1ステップと第2ステップとを備えた第1工程では、第1ステップと第2ステップとを行うことにより、所望の組成のAlxGa1-xN(0<x<1)からなる核2を形成することができる。
In the second step, a crystal nucleus composed of Al b Ga 1-b N (0 <b <1 and b <x) is used as a
第2ステップとしては、以下の例がある。 As the second step, there are the following examples.
第2ステップの一例では、Alの原料ガスとGaの原料ガスとを供給せずにNの原料ガスを供給し、且つ、単結晶基板1の温度である基板温度を、第1ステップでの基板温度よりも高く設定した状態での熱処理を行う。この熱処理を行う基板温度は、例えば、1300℃とすればよい。また、この熱処理を行う熱処理時間は、例えば、2分とすればよい。要するに、熱処理は、基板温度を1300℃として2分間だけ行うようにすればよい。第2ステップにおいて熱処理を行う基板温度は、1300℃に限らない。ただし、基板温度が低すぎるとGaが脱離せず、また、基板温度が高すぎると、GaだけでなくAlも脱離してしまう。このため、基板温度は、例えば、Gaを脱離させることが可能で且つAlの脱離を抑制することが可能な1100℃〜1350℃程度の範囲で設定するのが好ましく、1150℃〜1300℃が、より好ましい。また、熱処理時間は、核2の組成比や構造、熱処理を行う基板温度などに基づいて適宜設定すればよい。
In an example of the second step, the source gas of N is supplied without supplying the source gas of Al and the source gas of Ga, and the substrate temperature, which is the temperature of the
また、第2ステップの他の例では、Alの原料ガスとGaの原料ガスとを供給せずにNの原料ガスを供給し、且つ、単結晶基板1の温度である基板温度を、第1ステップでの基板温度よりも下げずに、反応炉へ供給するH2ガス(水素ガス)の供給量を、第1ステップにおいて原料ガスを輸送するためのキャリアガスであるH2ガスの供給量よりも多く設定した状態で熱処理を行う。第1ステップおよび第2ステップそれぞれのH2ガスの供給量は、例えば、標準状態で5L/min(5SLM)、標準状態で10L/min(10SLM)とすればよい。なお、第1ステップおよび第2ステップそれぞれのH2ガスの供給量の値は、特に限定するものではない。
In another example of the second step, an N source gas is supplied without supplying an Al source gas and a Ga source gas, and the substrate temperature which is the temperature of the
以上説明した本実施形態の紫外発光素子は、単結晶基板1と、単結晶基板1の一表面上に形成された複数の島状の核2と、隣り合う核2の間の隙間を埋め込み且つ全ての核2を覆うように単結晶基板1の上記一表面側に形成されたバッファ層3とを備えている。さらに、紫外発光素子は、バッファ層3上に形成されたn形AlzGa1-zN(0<z≦1)からなるn形窒化物半導体層4と、n形窒化物半導体層4上に形成された量子井戸構造の発光層5と、p形窒化物半導体層7とを備えている。ここで、紫外発光素子は、n形窒化物半導体層4が、n形AlzGa1-zN(0<z≦1)からなり、量子井戸構造の井戸層5bが、AlaGa1-aN(0<a≦1)からなる。また、紫外発光素子は、核2が、AlxGa1-xN(0<x<1)からなり、バッファ層3が、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなり、x<yとなっている。
The ultraviolet light emitting device of the present embodiment described above embeds a gap between the
紫外発光素子は、核2がAlxGa1-xN(0<x<1)からなる一方でバッファ層3がAlyGa1-yN(0<y≦1)からなり、x<yであるので、従来のようにAlN核を形成する場合や核2の組成をバッファ層3と同じ組成に設定する場合に比べて、製造時に、単結晶基板1の上記一表面上でのIII族原子の平均の拡散長を長くすることが可能となる。しかして、本実施形態の紫外発光素子では、核2の密度を低減可能となる。これにより、本実施形態の紫外発光素子では、貫通転位を低減することが可能となる。要するに、本実施形態の紫外発光素子では、バッファ層3の貫通転位密度を低減することが可能となって、発光層5の貫通転位密度を低減することが可能となる。よって、本実施形態の紫外発光素子では、発光効率の向上を図ることが可能となる。
In the ultraviolet light emitting element, the
また、紫外発光素子は、複数の核2の各々が島状に形成されているので、核2に応力がかかりにくく、バッファ層3の厚膜化を図りながらも、クラックの発生が起こりにくくなる。これにより、紫外発光素子は、貫通転位密度のより一層の低減を図ることが可能となる。また、紫外発光素子は、製造時におけるウェハの反りを低減することが可能となり、取り扱いが容易になる。その結果、紫外発光素子は、量産性や製造歩留まりを向上させることが可能となる。
Further, since each of the plurality of
また、紫外発光素子は、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなるバッファ層3のAlの組成であるyについて、y=1としてもよい。この場合、紫外発光素子は、バッファ層3がAlNとなる。AlNのバンドギャップエネルギが6.2eVであるので、紫外発光素子は、例えば、220nm程度の発光波長の紫外光を発光するように発光層5が設計されたとしても、発光層5で発光した紫外光がバッファ層3で吸収されるのを防止することができ、効率良く取り出される。
In the ultraviolet light emitting element, y = 1 may be set for y which is the Al composition of the
また、紫外発光素子は、核2を構成するAlxGa1-xN(0<x<1)におけるAlの組成であるxと、井戸層5bを構成するAlaGa1-aN(0<a≦1)におけるAlの組成であるaとの関係について、a<xであることが好ましい。これにより、紫外発光素子は、さらに核密度を減少させ転位密度を低減させることが可能となり、また、井戸層5bで発光した紫外光が核2で吸収されることなく効率良く取り出される。紫外発光素子は、単結晶基板1側から紫外光を取り出す場合、発光効率を向上させるためにa<xとすることが重要である。
Further, the ultraviolet light-emitting element has an Al composition of Al x Ga 1-x N (0 <x <1) constituting the
また、紫外発光素子は、核2を構成するAlxGa1-xN(0<x<1)におけるAlの組成であるxと、n形窒化物半導体層4を構成するn形AlzGa1-zN(0<z≦1)におけるAlの組成であるzとの関係について、z<xであることが好ましい。これにより、紫外発光素子は、核2の格子定数がn形窒化物半導体層4の格子定数よりも小さくなるので、n形窒化物半導体層4が核2からも圧縮応力を受けることとなり、n形窒化物半導体層4にクラックが発生しずらくなる。
In addition, the ultraviolet light emitting element has a composition of Al in Al x Ga 1-x N (0 <x <1) constituting the
また、紫外発光素子は、単結晶基板1がc面サファイア基板であることが好ましい。これにより、紫外発光素子は、単結晶基板1が紫外光の透過性に優れているので、発光効率の向上を図ることが可能となる。
In the ultraviolet light emitting element, the
また、上述した紫外発光素子の製造方法は、単結晶基板1を準備して反応炉内に配置した後に、単結晶基板1の上記一表面上に複数の核2を形成する第1工程と、バッファ層3を形成する第2工程と、n形窒化物半導体層4を形成する第3工程と、発光層5を形成する第4工程と、p形窒化物半導体層7を形成する第5工程とを備えている。そして、上述の紫外発光素子の製造方法では、第1工程を第1ステップと第2ステップとを備えた工程とすることが好ましい。第1ステップは、第1基板温度および第1成長圧力下において、反応炉内にAlの原料ガスとGaの原料ガスとNの原料ガスとを所定のモル比で供給することによって、単結晶基板1の上記一表面上に複数のAlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる結晶核を形成するステップである。また、第2ステップは、AlbGa1-bN(0<b<1、且つ、b<x)からなる結晶核をAlxGa1-xN(0<x<1)からなる核2とするようにGaを脱離させるステップである。これにより、本実施形態の紫外発光素子の製造方法では、貫通転位を低減することが可能な紫外発光素子を提供できる。また、紫外発光素子は、第1工程でのIII族原子の拡散を促進させる観点から、核2のAlの組成が小さいことが好ましいが、Alの組成が小さくなるにつれ、クラックが発生する懸念や、井戸層5bで発光した紫外光が核2で吸収されてしまう懸念が生じる。これに対して、本実施形態の紫外発光素子の製造方法では、第1工程を、上述の第1ステップと第2ステップとを備えた工程とすることにより、第1ステップでIII族原子の平均の拡散長を長くすることによる核密度の低減を図り、第2ステップで所望の発光波長の紫外光の吸収を防止可能な組成比の核2を形成することが可能となる。
The above-described method for manufacturing an ultraviolet light emitting device includes a first step of forming a plurality of
なお、核2の密度を左右する成長条件として、基板温度、V/III比、各原料ガスそれぞれの供給量、成長圧力などが考えられる。しかしながら、単結晶基板1の上記一表面側においてAl原子を拡散させるためには、Al原子に運動エネルギを基板温度で与えることが必要であり、運動エネルギが小さければ、たとえ基板温度以外のパラメータを変化させたとしても、拡散長が短いため、核2の密度を制御することが難しい。また、AlはGaに比べて拡散長が短い。このため、核2での紫外光の吸収が防止され且つ核密度を低減することが可能な紫外発光素子を製造するために第1工程で重量なパラメータは、III族の原料ガスにおけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})、基板温度であると考えられる。
As growth conditions that influence the density of the
この製造方法では、第2ステップにおいて、Alの原料ガスとGaの原料ガスとを供給せずにNの原料ガスを供給し、且つ、単結晶基板1の温度である基板温度を、第1ステップでの基板温度よりも高く設定した状態での熱処理を行うようにすることが好ましい。これにより、この製造方法では、熱処理を行う基板温度を第1ステップでの基板温度よりも高くすることでGaの脱離が促進されるから、第2ステップを比較的短い時間で終了させることが可能となり、生産性を向上させることが可能となる。
In this manufacturing method, in the second step, an N source gas is supplied without supplying an Al source gas and a Ga source gas, and the substrate temperature, which is the temperature of the
また、この製造方法では、第2ステップにおいて、Alの原料ガスとGaの原料ガスとを供給せずにNの原料ガスを供給し、且つ、単結晶基板1の温度である基板温度を、第1ステップでの基板温度よりも下げずに、反応炉へ供給する水素ガスの供給量を、第1ステップにおいて原料ガスを輸送するためのキャリアガスである水素ガスの供給量よりも多く設定した状態で熱処理を行うことが好ましい。これにより、この製造方法では、第2ステップにおいて還元性ガスである水素ガスの流量を多くすることでGaの脱離が促進されるから、第2ステップを比較的短い時間で終了させることが可能となり、生産性を向上させることが可能となる。
In this manufacturing method, in the second step, N source gas is supplied without supplying Al source gas and Ga source gas, and the substrate temperature, which is the temperature of the
(実施形態2)
以下では、本実施形態の紫外発光素子について図2に基づいて説明する。
(Embodiment 2)
Below, the ultraviolet light emitting element of this embodiment is demonstrated based on FIG.
本実施形態の紫外発光素子は、核2の構造が実施形態1の紫外発光素子とは相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
The ultraviolet light emitting element of this embodiment is different from the ultraviolet light emitting element of
本実施形態の紫外発光素子における核2は、単結晶基板1から離れるにつれてAlの組成であるxが大きくなっていることが好ましい。
As for the
(実施形態2)
本実施形態の紫外発光素子では、AlxGa1-xN(0<x<1)からなる複数の島状の核2の各々を、単結晶基板1の上記一表面上に形成されたAl0.7Ga0.3N2aと、このAl0.7Ga0.3N2a上に形成されたAl0.9Ga0.1N2bとで構成してある。なお、本実施形態の紫外発光素子では、単結晶基板1の上記一表面の法線方向におけるAl0.7Ga0.3N2aの高さ寸法を5nm、Al0.9Ga0.1N2bの高さ寸法を5nmに設定してあるが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。
(Embodiment 2)
In the ultraviolet light emitting device of this embodiment, each of the plurality of island-
本実施形態の紫外発光素子では、核2とバッファ層3との格子定数差などに起因して新たな欠陥が生じるのを抑制することが可能となり、転位密度の低減および発光効率の向上を図ることが可能となる。
In the ultraviolet light-emitting device of this embodiment, it is possible to suppress the occurrence of new defects due to the difference in lattice constant between the
本実施形態の紫外発光素子では、核2におけるAlの組成であるxが、上記法線方向において2段階に変化しているが、これに限らず、3段階以上でもよいし、連続的に変化した構成でもよい。
In the ultraviolet light emitting device of the present embodiment, x which is the composition of Al in the
本実施形態の紫外発光素子の製造方法は、基本的には実施形態1で説明した製造方法と同じであり、所望の核2の構成に基づいて、第1工程の成長条件を適宜変更すればよい。
The manufacturing method of the ultraviolet light emitting element of the present embodiment is basically the same as the manufacturing method described in the first embodiment, and if the growth conditions in the first step are appropriately changed based on the configuration of the desired
実施形態1,2の紫外発光素子では、発光層5の発光波長が210nm〜360nmの範囲内で設定されているので、発光波長が紫外域の発光ダイオードを実現できるから、水銀ランプや、エキシマランプなどの深紫外光源の代替光源として用いることが可能となる。
In the ultraviolet light emitting elements of the first and second embodiments, since the light emission wavelength of the
1 単結晶基板
2 核
3 バッファ層
4 n形窒化物半導体層
5 発光層
5b 井戸層
7 p形窒化物半導体層
1
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