JP7405554B2 - UV light emitting element - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 令和 1年 9月 4日掲載 https://meeting.jsap.or.jp/program(第80回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集 13-060頁) [刊行物等] 令和 1年 9月18~21日 第80回応用物理学会秋季学術講演会 北海道大学札幌キャンパスArticle 30,
本発明は紫外線発光素子に関する。 The present invention relates to an ultraviolet light emitting device.
紫外線発光素子は、発光層のバンドギャップエネルギーを制御することにより発光波長を制御することができるとともに、寿命が長く信頼性が高い。そのため、照明、計測器用光源、殺菌用光源など様々な用途に利用されている。一般的な紫外線発光素子は、基板上に、発光層をp型窒化物半導体とn型窒化物半導体で挟んだPIN構造を有する。
発光素子の発光出力(発光強度)を高めるためには、発光効率を向上させる事が重要である。例えば、特許文献1には、活性層(発光層)とp型窒化物半導体層との間に量子障壁層を形成し、各層のバンドギャップエネルギーを調整する事で、発光効率を向上させる技術が開示されている。また、例えば非特許文献1には、活性層におけるキャリアのライフタイムを短くすることで非発光再結合割合を低減し、発光効率を向上させることが記載されている。
Ultraviolet light-emitting elements can control the emission wavelength by controlling the bandgap energy of the light-emitting layer, and have a long life and high reliability. Therefore, they are used for various purposes such as lighting, light sources for measuring instruments, and light sources for sterilization. A typical ultraviolet light emitting element has a PIN structure in which a light emitting layer is sandwiched between a p-type nitride semiconductor and an n-type nitride semiconductor on a substrate.
In order to increase the light emission output (light emission intensity) of a light emitting element, it is important to improve the light emission efficiency. For example, Patent Document 1 describes a technology that improves luminous efficiency by forming a quantum barrier layer between an active layer (emitting layer) and a p-type nitride semiconductor layer and adjusting the band gap energy of each layer. Disclosed. Furthermore, for example, Non-Patent Document 1 describes that by shortening the lifetime of carriers in the active layer, the non-radiative recombination rate is reduced and the luminous efficiency is improved.
紫外線発光素子には、発光強度をさらに高くすることが求められている。
本発明の課題は、より高い発光強度の実現が期待できる紫外線発光素子を提供することにある。
Ultraviolet light emitting elements are required to have even higher emission intensity.
An object of the present invention is to provide an ultraviolet light emitting element that can be expected to achieve higher emission intensity.
上記課題を解決するために、本発明の第一態様の紫外線発光素子は、下記の構成(1)(2)を有する。
(1)基板と、基板上に形成され、AlおよびGaを含む第一導電型窒化物半導体層と、第一導電型窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む材料で形成された発光層と、発光層上に形成され、第一導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する第二導電型窒化物半導体層と、を備える。発光層は、少なくとも一つの量子井戸層と前記量子井戸層を挟む量子障壁層とを備える。
(2)量子障壁層は、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が深さ方向で不均一であり、深さ方向における上記Al組成(%)の変化量が5%以上12%以下である。
In order to solve the above problems, the ultraviolet light emitting element of the first aspect of the present invention has the following configurations (1) and (2).
(1) A substrate, a first conductivity type nitride semiconductor layer formed on the substrate and containing Al and Ga, and a nitride semiconductor layer formed on the first conductivity type nitride semiconductor layer and containing Al and Ga. The device includes a light emitting layer made of a material, and a second conductivity type nitride semiconductor layer formed on the light emitting layer and having a conductivity different from that of the first conductivity type nitride semiconductor layer. The light emitting layer includes at least one quantum well layer and a quantum barrier layer sandwiching the quantum well layer.
(2) In the quantum barrier layer, the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material is nonuniform in the depth direction, and the amount of change in the Al composition (%) in the depth direction is 5% or more and 12%. It is as follows.
本発明の第二態様の紫外線発光素子は、上記構成(1)と下記の構成(3)を有する。
(3)量子障壁層は、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が深さ方向に垂直な面内で不均一であり、面内における上記Al組成(%)の変化量が5%以上16%以下である。
The ultraviolet light emitting device according to the second aspect of the present invention has the above configuration (1) and the following configuration (3).
(3) In the quantum barrier layer, the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material is nonuniform in a plane perpendicular to the depth direction, and the amount of change in the Al composition (%) in the plane is 5. % or more and 16% or less.
本発明の第三態様の紫外線発光素子は、上記構成(1)と下記の構成(4)(5)を有する。
(4)第二導電型窒化物半導体層に向かって量子井戸層から量子障壁層に切り替わる境界に、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が変化する第一組成傾斜層が存在し、第二導電型窒化物半導体層に向かって量子障壁層から量子井戸層に切り替わる境界に、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が変化する第二組成傾斜層が存在する。
(5)第一組成傾斜層における上記Al組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり20%以上50%以下であり、第二組成傾斜層における上記Al組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり9%以上20%以下である。
The ultraviolet light emitting device according to the third aspect of the present invention has the above configuration (1) and the following configurations (4) and (5).
(4) A first compositionally graded layer in which the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material changes is present at the boundary where the quantum well layer switches to the quantum barrier layer toward the second conductivity type nitride semiconductor layer. , a second compositionally graded layer in which the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material changes is present at the boundary where the quantum barrier layer switches to the quantum well layer toward the second conductivity type nitride semiconductor layer.
(5) The amount of change in the Al composition (%) in the first graded composition layer is 20% or more and not more than 50% per 1 nm of thickness, and the amount of change in the Al composition (%) in the second graded composition layer is: It is 9% or more and 20% or less per 1 nm of thickness.
本発明の第一態様、第二態様、第三態様の紫外線発光素子によれば、より高い発光強度の実現が期待できる。 According to the ultraviolet light-emitting elements of the first, second, and third aspects of the present invention, higher emission intensity can be expected.
〔第一乃至第三態様の紫外線発光素子〕
上述のように、本発明の第一乃至第三態様の紫外線発光素子は、基板と、基板上に形成され、AlおよびGaを含む第一導電型窒化物半導体層と、第一導電型窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む材料で形成された発光層と、発光層上に形成され、第一導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する第二導電型窒化物半導体層と、を備える。
[Ultraviolet light emitting device of the first to third embodiments]
As described above, the ultraviolet light emitting device of the first to third aspects of the present invention includes a substrate, a first conductivity type nitride semiconductor layer formed on the substrate and containing Al and Ga, and a first conductivity type nitride semiconductor layer formed on the substrate. A light emitting layer formed on the semiconductor layer and made of a material containing a nitride semiconductor containing Al and Ga; and a second conductive layer formed on the light emitting layer and having a conductivity different from that of the first conductivity type nitride semiconductor layer. type nitride semiconductor layer.
<構成>
(基板)
基板はAlを含む窒化物半導体を含む材料で形成されていることが好ましい。Alを含む窒化物半導体は例えばAlNである。Alを含む窒化物半導体は、AlNに限定されず、例えばAlGaNであってよい。ここで、「基板は…窒化物半導体を含む」という表現における「含む」という文言は、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量(例えばGa(Gaが主元素でない場合)、In、As、P、またはSb等の元素を数%以下)加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。
<Configuration>
(substrate)
Preferably, the substrate is made of a material containing a nitride semiconductor containing Al. A nitride semiconductor containing Al is, for example, AlN. The nitride semiconductor containing Al is not limited to AlN, and may be, for example, AlGaN. Here, the word "contains" in the expression "the substrate...contains a nitride semiconductor" means that the layer mainly contains a nitride semiconductor, but this expression also includes cases where other elements are included. It will be done. Specifically, slight changes are made to the composition of this layer by adding a small amount of other elements (for example, Ga (if Ga is not the main element), In, As, P, or Sb, etc., in a few percent or less). This expression also includes the addition of . In expressing the composition of other layers, the word "contains" has the same meaning. Moreover, the small amount of elements contained is not limited to the above.
また、基板は単結晶基板だけでなく、異種基板上に形成されたAlN薄膜やAlGaN薄膜を含む。
例えばAlN、AlGaN等の窒化物半導体単結晶基板、または、異種基材上にAlN、AlGaN等の窒化物半導体層が形成された基板(テンプレート基板)を用いると、基板の上側に形成する窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
Further, the substrate includes not only a single crystal substrate but also an AlN thin film and an AlGaN thin film formed on a different type of substrate.
For example, if a nitride semiconductor single crystal substrate such as AlN or AlGaN or a substrate (template substrate) in which a nitride semiconductor layer such as AlN or AlGaN is formed on a different substrate is used, the nitride formed on the upper side of the substrate The difference in lattice constant from the semiconductor layer becomes small, and threading dislocations can be reduced by growing the nitride semiconductor layer in a lattice-matched system.
また、基板は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、n型またはp型にドーピングされていてもよい。また、基板は、AlN等の窒化物半導体と、サファイア(Al2O3)、Si、SiC、MgO、Ga2O3、ZnO、GaNまたはInNとの混晶であり得る。
基板の作製方法としては、昇華法もしくはHVPE法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法が適用できる。また、基板の厚さは一例として100μm以上600μm以下であってよい。また、面方位はc面(0001)、a面{11-20}、m面{10-10}などが挙げられるが、より好ましくはc面基板である。
The substrate may also be doped n-type or p-type with donor or acceptor impurities. Further, the substrate may be a mixed crystal of a nitride semiconductor such as AlN and sapphire (Al 2 O 3 ), Si, SiC, MgO, Ga 2 O 3 , ZnO, GaN, or InN.
As a method for manufacturing the substrate, general substrate growth methods such as a vapor phase growth method such as a sublimation method or an HVPE method, and a liquid phase growth method can be applied. Further, the thickness of the substrate may be, for example, 100 μm or more and 600 μm or less. Further, examples of the plane orientation include c-plane (0001), a-plane {11-20}, m-plane {10-10}, etc., but a c-plane substrate is more preferable.
(第一導電型窒化物半導体層)
第一導電型窒化物半導体層は、導電性を有し、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。第一導電型窒化物半導体層は基板上に形成される。ここで、例えば「第一導電型窒化物半導体層は基板上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板の上に第一導電型窒化物半導体層が形成されることを意味するが、基板と第一導電型窒化物半導体層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、発光層上に電子ブロック層を介して第二導電型窒化物半導体層が形成される場合も、「第二導電型窒化物半導体層は発光層上に形成される」という表現に含まれる。
(First conductivity type nitride semiconductor layer)
The first conductivity type nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor layer that has conductivity and contains Al and Ga. A first conductivity type nitride semiconductor layer is formed on the substrate. Here, for example, the word "on" in the expression "the first conductivity type nitride semiconductor layer is formed on the substrate" means that the first conductivity type nitride semiconductor layer is formed on the substrate. However, this expression also includes the case where another layer is further present between the substrate and the first conductivity type nitride semiconductor layer. Regarding the relationships between other layers, the word "above" has the same meaning. For example, a case where a second conductivity type nitride semiconductor layer is formed on the light emitting layer via an electron blocking layer is also included in the expression "the second conductivity type nitride semiconductor layer is formed on the light emitting layer". .
第一導電型窒化物半導体層が含む窒化物半導体は、例えばAlxGa(1-x)N(0<x<1)である。AlxGa(1-x)N(0<x<1)を用いることより、深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層として形成する場合に、その結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第一導電型窒化物半導体層が含む窒化物半導体は、AlNおよびGaNの混晶であることが好ましい。第一導電型窒化物半導体層の窒化物半導体には、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。さらに基板との格子整合および発光層からの光取り出しの観点からAlxGa(1-x)N(0.6<x<1)であることがより好ましい。 The nitride semiconductor included in the first conductivity type nitride semiconductor layer is, for example, Al x Ga (1-x) N (0<x<1). By using Al x Ga (1-x) N (0<x<1), when forming a light-emitting layer using a material that corresponds to the band gap energy in the deep ultraviolet region, its crystallinity can be improved and the light-emitting efficiency can be improved. It becomes possible to improve the performance. From the viewpoint of achieving high luminous efficiency, the nitride semiconductor included in the first conductivity type nitride semiconductor layer is preferably a mixed crystal of AlN and GaN. In addition to N, impurities such as group V elements other than N such as P, As, and Sb, C, H, F, O, Mg, and Si are mixed into the nitride semiconductor of the first conductivity type nitride semiconductor layer. However, the types of impurity elements are not limited to this. Furthermore, from the viewpoint of lattice matching with the substrate and light extraction from the light emitting layer, Al x Ga (1-x) N (0.6<x<1) is more preferable.
また、第一導電型窒化物半導体層と第二導電型窒化物半導体層とは、互いに異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。一般に、n型半導体の方がp型半導体より結晶性に優れており、発光層への影響が低い。そのため、第一導電型窒化物半導体層がn型で、第二導電型窒化物半導体層がp型である事が好ましい。
また、第一導電型窒化物半導体層は0%以上5%未満の格子緩和率を有することが好ましい。それによって基板と第一導電型窒化物半導体層との界面においてミスフィット転位等の格子欠陥の発生を抑止でき、転位による影響を受けることなく高い発光強度を得ることができる。
Further, the first conductivity type nitride semiconductor layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer are nitride semiconductor layers having mutually different conductivities. Generally, an n-type semiconductor has better crystallinity than a p-type semiconductor, and has less influence on the light emitting layer. Therefore, it is preferable that the first conductivity type nitride semiconductor layer is n-type and the second conductivity type nitride semiconductor layer is p-type.
Further, it is preferable that the first conductivity type nitride semiconductor layer has a lattice relaxation rate of 0% or more and less than 5%. Thereby, the occurrence of lattice defects such as misfit dislocations at the interface between the substrate and the first conductivity type nitride semiconductor layer can be suppressed, and high luminous intensity can be obtained without being affected by dislocations.
また、第一導電型窒化物半導体層は300nm以上1000nm以下の膜厚を有することが好ましい。第一導電型窒化物半導体層の膜厚を1000nm以下にすると、格子緩和率を5%未満に制御しやすくなる。また、第一導電型窒化物半導体層の膜厚は、300nm以上にすると駆動電圧を低下させやすくなる。したがって、第一導電型窒化物半導体層の膜厚を上記の範囲とすることによって、格子緩和率の増加を抑制しつつ、発光強度を高めた紫外線発光素子を得ることが可能である。 Further, the first conductivity type nitride semiconductor layer preferably has a thickness of 300 nm or more and 1000 nm or less. When the thickness of the first conductivity type nitride semiconductor layer is 1000 nm or less, the lattice relaxation rate can be easily controlled to less than 5%. Further, when the thickness of the first conductivity type nitride semiconductor layer is set to 300 nm or more, the driving voltage is easily reduced. Therefore, by setting the film thickness of the first conductivity type nitride semiconductor layer within the above range, it is possible to obtain an ultraviolet light emitting element with increased emission intensity while suppressing an increase in lattice relaxation rate.
(発光層)
発光層は、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む材料で形成された層である。発光層は、第一導電型窒化物半導体層上に形成される。
発光層は、少なくとも一つの量子井戸層とこれを挟む量子障壁層とを備える。
第一態様の紫外線発光素子において、量子障壁層は、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が深さ方向で不均一であり、深さ方向における上記Al組成(%)の変化量が5%以上12%以下である。このように、量子障壁層にAlが少ない、つまりGaが局在している箇所が存在することで、キャリアのライフタイムが短くなり、優先的にキャリアが結合するようになる。その結果、第一態様の紫外線発光素子は、少数存在する貫通転位や不純物の影響を受けにくくなり、発光強度が増大する。
(Light emitting layer)
The light emitting layer is a layer formed of a material containing a nitride semiconductor containing Al and Ga. The light emitting layer is formed on the first conductivity type nitride semiconductor layer.
The light emitting layer includes at least one quantum well layer and a quantum barrier layer sandwiching the quantum well layer.
In the ultraviolet light emitting device of the first aspect, the quantum barrier layer has a non-uniform Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material in the depth direction, and an amount of change in the Al composition (%) in the depth direction. is 5% or more and 12% or less. In this way, the presence of a portion in which there is little Al in the quantum barrier layer, that is, where Ga is localized, shortens the carrier lifetime and allows carriers to bond preferentially. As a result, the ultraviolet light emitting device of the first embodiment becomes less susceptible to the effects of threading dislocations and impurities that exist in small numbers, and the emission intensity increases.
第二態様の紫外線発光素子において、量子障壁層は、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が深さ方向に垂直な面内で不均一であり、この面内における上記Al組成(%)の変化量が5%以上16%以下である。このように、量子障壁層にAlが少ない、つまりGaが局在している箇所が存在することで、キャリアのライフタイムが短くなり、優先的にキャリアが結合するようになる。その結果、第二態様の紫外線発光素子は、少数存在する貫通転位や不純物の影響を受けにくくなり、発光強度が増大する。
なお、波長半値幅の観点から、深さ方向および面内における上記Al組成(%)の変化量は、6%以上10%以下の範囲で分布することが好ましい。これにより、狭い波長半値幅と高い発光強度の両立が可能となる。
In the ultraviolet light emitting device of the second aspect, the quantum barrier layer has a non-uniform Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material in a plane perpendicular to the depth direction, and the Al composition (%) in this plane is non-uniform. %) is 5% or more and 16% or less. In this way, the presence of a portion in which there is little Al in the quantum barrier layer, that is, where Ga is localized, shortens the carrier lifetime and allows carriers to bond preferentially. As a result, the ultraviolet light-emitting device of the second embodiment becomes less susceptible to the effects of threading dislocations and impurities that exist in small numbers, and the emission intensity increases.
Note that, from the viewpoint of the wavelength half-width, the amount of change in the Al composition (%) in the depth direction and in the plane is preferably distributed in a range of 6% or more and 10% or less. This makes it possible to achieve both a narrow wavelength half-width and high emission intensity.
第三態様の紫外線発光素子においては、第二導電型窒化物半導体層に向かって量子井戸層から量子障壁層に切り替わる境界に、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が変化する第一組成傾斜層が存在し、第二導電型窒化物半導体層に向かって量子障壁層から量子井戸層に切り替わる境界に、上記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が変化する第二組成傾斜層が存在する。そして、第一組成傾斜層における上記Al組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり20%以上50%以下であり、第二組成傾斜層における上記Al組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり9%以上20%以下である。 In the ultraviolet light emitting device of the third aspect, the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material changes at the boundary where the quantum well layer switches to the quantum barrier layer toward the second conductivity type nitride semiconductor layer. A second composition in which a compositionally graded layer exists and the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material changes at the boundary where the quantum barrier layer switches to the quantum well layer toward the second conductivity type nitride semiconductor layer. Graded layers are present. The amount of change in the Al composition (%) in the first compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness, and the amount of change in the Al composition (%) in the second compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness. The thickness is 9% or more and 20% or less per 1 nm.
第一組成傾斜層における上記Al組成(%)の変化量が厚さ1nm当たり20%以上50%以下であることにより、発光波長の半値幅を狭くすることができる。
第二組成傾斜層における上記Al組成(%)の変化量が厚さ1nm当たり9%以上20%以下であることにより、内部電解によるキャリアの偏在化(シュタルク効果)を緩和することが可能となる。
When the amount of change in the Al composition (%) in the first compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness, the half width of the emission wavelength can be narrowed.
By setting the amount of change in the Al composition (%) in the second compositionally graded layer to 9% or more and 20% or less per 1 nm of thickness, uneven distribution of carriers due to internal electrolysis (Stark effect) can be alleviated. .
また、量子井戸層はAlとGaを含む窒化物半導体層であり、Al組成の中心値X(%)が30%以上75%以下であり、量子障壁層におけるAl組成の中心値Y(%)がX+10%≦Y≦100%を満たすことが好ましい。これは、紫外光を発光するために必要な量子井戸層のAl組成であり、この関係を満たすことは、Alを含む基板上に格子整合したエピタキシャル成長をするために必要となる。また、量子障壁層はキャリアの閉じ込めの観点から、量子井戸層のAl組成より十分に高いことが必要とされる。 Further, the quantum well layer is a nitride semiconductor layer containing Al and Ga, and the central value X (%) of the Al composition is 30% or more and 75% or less, and the central value Y (%) of the Al composition in the quantum barrier layer is 30% or more and 75% or less. It is preferable that X+10%≦Y≦100% be satisfied. This is the Al composition of the quantum well layer necessary for emitting ultraviolet light, and satisfying this relationship is necessary for lattice-matched epitaxial growth on a substrate containing Al. Further, from the viewpoint of carrier confinement, the quantum barrier layer is required to have a sufficiently higher Al composition than the quantum well layer.
また、量子井戸層の膜厚は1nm以上5nm以下であり、量子障壁層の膜厚は6nm以上15nm以下であることが好ましい。これは、キャリアの閉じ込めに必要な量子井戸の幅と量子障壁層の厚みとの間に関係があるためであり、量子障壁層が薄い場合にはキャリアの再結合量が低下し、量子井戸層の膜厚が厚いとキャリアの再結合割合が低下する。また、量子障壁層が薄い場合にはキャリアの閉じ込め機能が低下し、量子障壁層が厚い場合には、積層体全体の縦抵抗が増加するためである。 Further, the thickness of the quantum well layer is preferably 1 nm or more and 5 nm or less, and the thickness of the quantum barrier layer is preferably 6 nm or more and 15 nm or less. This is because there is a relationship between the width of the quantum well required for confining carriers and the thickness of the quantum barrier layer; when the quantum barrier layer is thin, the amount of carrier recombination decreases, and the quantum well layer As the film thickness increases, the recombination rate of carriers decreases. Further, if the quantum barrier layer is thin, the carrier confinement function is reduced, and if the quantum barrier layer is thick, the longitudinal resistance of the entire stack increases.
発光層が含む窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から例えばAlN、GaNの混晶であることが好ましい。発光層には、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。
また、発光素子の発光波長を深紫外領域の波長(280nm以下)としたい場合には、発光層が含む窒化物半導体はAl、GaおよびNを含むことが好ましい。また、発光効率を高める観点から、発光層は、Al、GaおよびNを含む量子井戸層と、AlNを含む量子障壁層とを有する多重量子井戸構造(MQW)であることが好ましい。
The nitride semiconductor included in the light emitting layer is preferably a mixed crystal of AlN or GaN, for example, from the viewpoint of achieving high luminous efficiency. In addition to N, the light-emitting layer may contain impurities such as group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si. However, this is not the case.
Furthermore, if the emission wavelength of the light emitting element is desired to be in the deep ultraviolet region (280 nm or less), the nitride semiconductor included in the light emitting layer preferably contains Al, Ga, and N. Further, from the viewpoint of increasing luminous efficiency, the light emitting layer preferably has a multiple quantum well structure (MQW) having a quantum well layer containing Al, Ga, and N and a quantum barrier layer containing AlN.
(第二導電型窒化物半導体層)
第二導電型窒化物半導体層は、第一導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。第二導電型窒化物半導体層は、発光層上に形成される。第二導電型窒化物半導体層が含む窒化物半導体は、例えばGaN、AlNまたはInNおよび、それらを含む混晶などである。第二導電型窒化物半導体層の窒化物半導体には、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si、Be等の不純物が混入していてよい。ただし、上記のように、第一導電型窒化物半導体層の導電性がn型で、第二導電型窒化物半導体層の導電性がp型である事が好ましい。
(Second conductivity type nitride semiconductor layer)
The second conductivity type nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor layer having conductivity different from that of the first conductivity type nitride semiconductor layer. A second conductivity type nitride semiconductor layer is formed on the light emitting layer. The nitride semiconductor included in the second conductivity type nitride semiconductor layer is, for example, GaN, AlN, InN, and a mixed crystal containing them. In addition to N, the nitride semiconductor of the second conductivity type nitride semiconductor layer contains impurities such as group V elements other than N such as P, As, and Sb, and C, H, F, O, Mg, Si, and Be. may be mixed in. However, as described above, it is preferable that the first conductivity type nitride semiconductor layer has n-type conductivity and the second conductivity type nitride semiconductor layer has p-type conductivity.
(電極)
紫外線発光素子は、さらに電極を備えることができる。電極は、n型電極およびp型電極の少なくとも一つであり得る。
n型電極の材料としては、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa2O3等の導電性酸化物等を用いることができる。また、n型電極は、第一導電型窒化物半導体層および第二導電型窒化物半導体層のうち、導電性がn型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
(electrode)
The ultraviolet light emitting element can further include an electrode. The electrode can be at least one of an n-type electrode and a p-type electrode.
Materials for the n-type electrode include metals such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, and Zr. , a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga 2 O 3 can be used. Moreover, it is preferable that the n-type electrode be formed so as to be in contact with a layer having n-type conductivity among the first conductivity type nitride semiconductor layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer.
p型電極の材料としては、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Pt、Cu、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ir、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa2O3等の導電性酸化物等を用いることができる。また、p型電極は、第一導電型窒化物半導体層および第二導電型窒化物半導体層のうち、導電性がp型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
電極の形成方法として、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。電極は単層であり得る。また、電極は積層であり得る。また、電極は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。
Materials for the p-type electrode include Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ir, Zr, etc. metals, mixed crystals thereof, or conductive oxides such as ITO or Ga 2 O 3 can be used. Further, the p-type electrode is preferably formed so as to be in contact with a layer having p-type conductivity among the first conductivity type nitride semiconductor layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer.
Examples of the method for forming the electrodes include resistance heating evaporation, electron gun evaporation, sputtering, and the like, but the method is not limited to these. The electrode can be a single layer. Also, the electrodes may be laminated. Further, the electrode may be subjected to heat treatment in an oxygen, nitrogen, or air atmosphere after forming the layer.
(紫外線発光モジュール)
第一乃至第三態様の紫外線発光素子を備えた発光装置は、紫外線発光モジュールとして使用することができる。紫外線発光モジュールは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。第一乃至第三態様の紫外線発光素子を備えた発光装置は、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体(容器、食品、医療機器等)殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・FPD・PCB・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
(UV light emitting module)
A light emitting device including the ultraviolet light emitting element of the first to third aspects can be used as an ultraviolet light emitting module. The ultraviolet light emitting module can be applied to devices in, for example, the medical/life science field, the environmental field, the industry/industrial field, the lifestyle/home appliance field, the agricultural field, and other fields. The light-emitting device equipped with the ultraviolet light-emitting element of the first to third aspects includes a synthesis/decomposition device for drugs or chemical substances, a sterilization device for liquids, gases, and solids (containers, foods, medical equipment, etc.), a cleaning device for semiconductors, etc. Surface modification equipment for films, glass, metals, etc.; exposure equipment for manufacturing semiconductors, FPDs, PCBs, and other electronic products; printing/coating equipment; adhesion/sealing equipment; transfer/forming equipment for films, patterns, mockups, etc.; It can be applied to measurement and inspection devices for banknotes, scratches, blood, chemical substances, etc.
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用または寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。
Examples of liquid sterilizers include automatic ice makers, ice trays and ice storage containers in refrigerators, water supply tanks for ice makers, cold water tanks, hot water tanks, and flow channels for freezers, ice makers, humidifiers, dehumidifiers, and water servers. Piping, stationary water purifiers, portable water purifiers, water heaters, water heaters, wastewater treatment equipment, disposers, toilet drain traps, washing machines, dialysis water sterilization modules, peritoneal dialysis connector sterilizers, disaster water storage systems, etc. It can be mentioned, but it is not limited to this.
Examples of gas sterilizers include air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor or bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor germicidal lights, and storage ventilation. Examples include, but are not limited to, systems, shoe boxes, chests of drawers, etc.
固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of solid sterilizers (including surface sterilizers) include vacuum packers, belt conveyors, hand tool sterilizers for medical, dental, barber and beauty salons, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick cases, cosmetic pouches, Examples include, but are not limited to, drain covers, toilet bowl washers, toilet bowl lids, etc.
<製造方法>
第一乃至第三態様の紫外線発光素子は、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。この工程は、例えば、分子線エピタキシー(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法、ハイドライド気相成長法(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)または有機金属気相成長(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等で行うことができる。
<Manufacturing method>
The ultraviolet light-emitting elements of the first to third aspects are manufactured through a process of forming each layer on a substrate. This process may be performed using, for example, molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Deposition method etc. be able to.
ここで、基板上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、例えばトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、例えばアンモニア(NH3)を含むN原料を用いて形成することができる。
紫外線発光素子は、基板上に形成された各層に対して、不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される。この工程は、例えば誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング等で行うことができる。
Here, among the layers formed on the substrate, the nitride semiconductor layer is made of an Al raw material containing, for example, trimethylaluminum (TMAl), a Ga raw material containing, for example, trimethyl gallium (TMGa) or triethyl gallium (TEGa), for example, ammonia, etc. It can be formed using an N raw material containing (NH 3 ).
Ultraviolet light emitting elements are manufactured through a process of removing unnecessary portions of each layer formed on a substrate by etching. This step can be performed, for example, by inductively coupled plasma (ICP) etching.
また、紫外線発光素子は、電極を形成する工程を経て製造され得る。この工程は、例えば電子線蒸着(EB)法や抵抗加熱法によって金属を蒸着させる等の種々の方法で行うことができる。
ここで、紫外線発光素子は、上記の工程を経て各層が形成された基板をダイシングにより個片へと分割して製造される。紫外線発光素子のように、製造過程に確率要素を含み得る製品については、一般に、中間物の評価(評価工程)が製造工程に含まれる。すなわち、評価工程における中間物の評価結果に基づいて最終製品の特性を予測し、中間物の選別、工程の選択または追加等が実施され得る。
紫外線発光素子の製造における中間物は、例えば電極を形成する前の基板および窒化物半導体積層体である。
Further, the ultraviolet light emitting device can be manufactured through a step of forming electrodes. This step can be performed by various methods, such as depositing metal by electron beam evaporation (EB) or resistance heating.
Here, the ultraviolet light emitting device is manufactured by dividing the substrate on which each layer is formed through the above steps into individual pieces by dicing. For products such as ultraviolet light emitting devices that may include a stochastic element in the manufacturing process, evaluation of intermediate products (evaluation process) is generally included in the manufacturing process. That is, the characteristics of the final product can be predicted based on the evaluation results of intermediates in the evaluation process, and intermediates can be sorted, processes can be selected or added, and so on.
Intermediates in the manufacture of ultraviolet light emitting devices include, for example, a substrate and a nitride semiconductor laminate before forming electrodes.
Alの組成は、窒化物半導体積層体中における原子マッピングで求める。この原子マッピングにはアトムプローブトモグラフィー(APT)を用いる。窒化物半導体積層体のAPT解析では、収束イオンビーム(FIB)加工(東芝製)によって、観察したい多層膜部位を、先端の曲率半径が100nm程度である針状試料へ加工する。半導体多層膜表面に電極が形成されている場合は電極が着いた状態で、電極がない場合はWの保護膜を形成して、FIBにより針状試料へ加工する。半導体積層体の膜の垂直方向が針状試料の軸方向になるように、かつ観察したいMQWなどの多層膜部分が針の先端付近にくるように加工する。 The composition of Al is determined by atomic mapping in the nitride semiconductor stack. Atom probe tomography (APT) is used for this atomic mapping. In APT analysis of a nitride semiconductor stack, a multilayer film part to be observed is processed into a needle-shaped sample with a radius of curvature of about 100 nm at the tip using focused ion beam (FIB) processing (manufactured by Toshiba). When electrodes are formed on the surface of the semiconductor multilayer film, the electrodes are attached, and when there are no electrodes, a protective film of W is formed and processed into a needle-shaped sample by FIB. The semiconductor stack is processed so that the vertical direction of the film is aligned with the axial direction of the needle-shaped sample, and the multilayer film portion of the MQW or the like to be observed is located near the tip of the needle.
この針状試料へ電圧パルス印加、あるいは電圧パルス印加と観察部位へのレーザーパルス照射を行い、針状試料先端から放出されたイオンを質量分析することによってイオン種を同定し、かつイオンが放出された針状試料内の位置を二次元検出器によって同定することで、針状試料内の原子の3次元分布を得る。
以上の通りにAPTによって膜中の原子のマッピングを深さ方向、深さ方向に垂直な面内で観察する。また、断面の深さ方向におけるラインプロファイルを抽出することによって、界面での原子拡散について評価する。
A voltage pulse is applied to this needle-shaped sample, or a voltage pulse is applied and a laser pulse is irradiated to the observation site, and the ion species emitted from the tip of the needle-shaped sample are subjected to mass spectrometry to identify the ion species. By identifying the position within the needle-like sample using a two-dimensional detector, a three-dimensional distribution of atoms within the needle-like sample is obtained.
As described above, mapping of atoms in the film is observed in the depth direction and in a plane perpendicular to the depth direction using APT. In addition, atomic diffusion at the interface is evaluated by extracting the line profile in the depth direction of the cross section.
このAPT法によってAl組成の中心値Xを測定する方法を下記に記載する。形成された針状試料に対して、深さ方向に垂直な面内では、試料中心の25%の領域を除去し、残りの領域におけるマッピングの平均値をAl組成の中心値Xとする。最大最小組成の算出は上記領域内での最大最小組成とする。この面内での算出を行うとき、界面近傍から少なくとも1nm離れた深さにおいて算出を行うこととする。また、深さ方向においては、同様に試料中心の25%の領域に相当する領域を除去し、さらに、積層体の場合は、界面近傍1nmの領域を除去し、残りの領域におけるマッピングの平均値をAl組成の中心値Xとする。最大最小組成の算出は上記領域内での最大最小組成とする。 A method for measuring the central value X of the Al composition using this APT method will be described below. In a plane perpendicular to the depth direction of the formed needle-shaped sample, 25% of the area at the center of the sample is removed, and the average value of the mapping in the remaining area is taken as the central value X of the Al composition. The maximum and minimum compositions are calculated using the maximum and minimum compositions within the above region. When performing calculation within this plane, calculation is performed at a depth at least 1 nm away from the vicinity of the interface. In addition, in the depth direction, a region corresponding to 25% of the center of the sample is similarly removed, and in the case of a laminate, a 1 nm region near the interface is removed, and the average value of the mapping in the remaining region is removed. Let be the center value X of the Al composition. The maximum and minimum compositions are calculated using the maximum and minimum compositions within the above region.
次に、界面におけるAlの拡散長の測定方法を下記に記載する。上記深さ方向におけるAPT法の測定結果からラインプロファイルを形成する。このラインプロファイルは、試料中心の50%の測定誤差を含む領域を除いた、ある深さでの膜面内組成の平均値として求める。このラインプロファイルにおいて、Al組成が或る値(N%)で平坦(10%以内の組成変動領域を平坦とする)な領域と、或る値とは異なる組成(M%)で平坦な領域と、の境界において、両領域のAl組成差の90%~10%となっている部分の膜厚をAl組成の拡散長とする。そして、この拡散長で組成Nと組成Mの差分を除算して、組成傾斜層1nm当たりのAl組成の変化量(%/nm)を算出する。また、MQW構造などにおいて、複数の境界部分が存在する場合は、その複数の境界部分の平均値を含めて算出する。 Next, a method for measuring the diffusion length of Al at the interface will be described below. A line profile is formed from the measurement results of the APT method in the depth direction. This line profile is determined as an average value of the in-plane composition of the film at a certain depth, excluding a region including a 50% measurement error at the center of the sample. In this line profile, there are two regions: a flat region with a certain Al composition value (N%) (the region of composition variation within 10% is considered flat) and a flat region with a composition different from a certain value (M%). At the boundary between , the film thickness of the portion where the difference in Al composition between the two regions is 90% to 10% is defined as the diffusion length of the Al composition. Then, by dividing the difference between the composition N and the composition M by this diffusion length, the amount of change (%/nm) in the Al composition per 1 nm of the composition gradient layer is calculated. Furthermore, if there are multiple boundaries in the MQW structure, etc., the average value of the multiple boundaries is included in the calculation.
〔実施形態〕
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
この実施形態では、本発明の一態様の窒化物半導体発光素子が紫外線発光素子に適用された例が記載されている。また、第一導電型の窒化物半導体層の導電型をn型、第二導電型の窒化物半導体層の導電型をp型としている。
[Embodiment]
Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the embodiments shown below. In the embodiments shown below, technically preferable limitations are made for carrying out the present invention, but these limitations are not essential to the present invention.
This embodiment describes an example in which a nitride semiconductor light-emitting element of one embodiment of the present invention is applied to an ultraviolet light-emitting element. Further, the conductivity type of the first conductivity type nitride semiconductor layer is n type, and the conductivity type of the second conductivity type nitride semiconductor layer is p type.
<全体構成>
先ず、図1~図3を用いて、この実施形態の紫外線発光素子10の全体構成を説明する。
図1および図2に示すように、紫外線発光素子10は、AlN基板1と、n型III族窒化物半導体層(第一導電型の窒化物半導体層)2と、窒化物半導体積層体3と、第一電極層4と、第二電極層5と、第一パッド電極6と、第二パッド電極7と、絶縁層8を有する。n型III族窒化物半導体層2は、AlN基板1上に形成されている。窒化物半導体積層体3は、n型III族窒化物半導体層2上の一部に形成されたメサ部であり、側面が斜面となっている。
<Overall configuration>
First, the overall configuration of the ultraviolet
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultraviolet
図2に示すように、窒化物半導体積層体3は、AlN基板1側から、n型III族窒化物半導体層(第一導電型窒化物半導体層)31、多重量子井戸層(発光層)32、電子ブロック層33、およびp型III族窒化物半導体層(第二導電型窒化物半導体層)35が、この順に形成されたものである。
なお、窒化物半導体積層体3は、AlN基板1上に、n型III族窒化物半導体層、多重量子井戸層、電子ブロック層、およびp型III族窒化物半導体層を、この順に形成して得た積層体に対して、メサエッチングで、第一電極層4が形成される部分をn型III族窒化物半導体層の厚さ方向の途中まで除去することで形成されている。つまり、窒化物半導体積層体3のn型III族窒化物半導体層31は、n型III族窒化物半導体層2上に連続して成膜されたものである。
As shown in FIG. 2, the
The
第一電極層4は、n型III族窒化物半導体層2上に例えば図3に示す平面形状で形成されている。第二電極層5は、p型III族窒化物半導体層35上に例えば図3に示す平面形状で形成されている。第一パッド電極6は、第一電極層4上に第一電極層4と同じ平面形状で形成されている。第二パッド電極7は、第二電極層5上に第二電極層5と同じ平面形状で形成されている。
紫外線発光素子10は、波長が230~300nmの紫外線を発光する素子である。
The first electrode layer 4 is formed on the n-type Group III
The ultraviolet
AlN基板1上に形成されたn型III族窒化物半導体層2,31は、n-AlxGa(1-x)N(0.40≦x≦0.90)層である。
多重量子井戸層(発光層)32は、AlGaNで形成された量子井戸層とAlGaNまたはAlNで形成された量子障壁層とが、交互に複数積層されたものである。量子障壁層のAl組成(%)は、深さ方向と深さ方向に垂直な面内で不均一であり、深さ方向での変化量は5%以上12%以下、深さ方向に垂直な面内での変化量は5%以上16%以下である。
The n-type group III
The multiple quantum well layer (light emitting layer) 32 is a plurality of quantum well layers formed of AlGaN and quantum barrier layers formed of AlGaN or AlN, which are stacked alternately. The Al composition (%) of the quantum barrier layer is nonuniform in the depth direction and in the plane perpendicular to the depth direction, and the amount of change in the depth direction is 5% to 12%, and the variation in the depth direction is 5% to 12%. The amount of change within the plane is 5% or more and 16% or less.
p型III族窒化物半導体層35に向かって量子井戸層から量子障壁層に切り替わる境界に、Al組成(%)が変化する第一組成傾斜層が存在し、p型III族窒化物半導体層35に向かって量子障壁層から量子井戸層に切り替わる境界に、Al組成(%)が変化する第二組成傾斜層が存在する。第一組成傾斜層におけるAl組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり20%以上50%以下であり、第二組成傾斜層におけるAl組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり9%以上20%以下である。
電子ブロック層33は、AlxGa(1-x)N(0.70≦x≦1.00)層である。
A first composition gradient layer in which the Al composition (%) changes exists at the boundary where the quantum well layer switches to the quantum barrier layer toward the p-type group III nitride semiconductor layer 35, and the p-type group III nitride semiconductor layer 35 At the boundary where the quantum barrier layer switches to the quantum well layer toward the top, there is a second compositionally graded layer in which the Al composition (%) changes. The amount of change in Al composition (%) in the first compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness, and the amount of change in Al composition (%) in the second compositionally graded layer is 9% per 1 nm of thickness. % or more and 20% or less.
The electron block layer 33 is an Al x Ga (1-x) N (0.70≦x≦1.00) layer.
p型III族窒化物半導体層35は、不純物としてMgを4×1019cm-3以上8×1020cm-3未満の範囲で含むGaN層であり、その膜厚が5nm以上100nm以下である。
第一電極層4はAlおよびNiを含む材料の合金層で形成されている。
第二電極層5はNiとAuとの合金層である。
第一パッド電極6および第二パッド電極7の材料としては、例えばAu、Al、Cu、Ag、Wなどが挙げられるが、導電性の高いAuが望ましい。
The p-type group III nitride semiconductor layer 35 is a GaN layer containing Mg as an impurity in a range of 4×10 19 cm -3 or more and less than 8×10 20 cm -3 , and has a film thickness of 5 nm or more and 100 nm or less. .
The first electrode layer 4 is formed of an alloy layer of a material containing Al and Ni.
The
Materials for the
絶縁層8は、n型III族窒化物半導体層2の第一電極層4で覆われていない部分と、窒化物半導体積層体3の第二電極層5で覆われていない部分と、第一電極層4の第一パッド電極6で覆われていない部分と、第二電極層5の第二パッド電極7で覆われていない部分と、第一パッド電極6および第二パッド電極7の下部の側面に形成されている。絶縁層8は第一パッド電極6および第二パッド電極7の上部の一部を覆うこともある。絶縁層8としては、例えば、SiN、SiO2、SiON、Al2O3、ZrO層などの酸化物や窒化物が挙げられる。
The insulating
<作用、効果>
実施形態の紫外線発光素子10は、量子障壁層のAl組成(%)の深さ方向での変化量が5%以上12%以下、深さ方向に垂直な面内での変化量が5%以上16%以下であり、第一組成傾斜層におけるAl組成(%)の変化量が厚さ1nm当たり20%以上50%以下であり、第二組成傾斜層におけるAl組成(%)の変化量が厚さ1nm当たり9%以上20%以下であることにより、高い発光強度を得ることができる。
また、基板としてAlN基板1を用いることで、基板上に結晶欠陥の少ないn型III族窒化物半導体層2および多重量子井戸層(発光層)32が形成されるため、高い光出力および狭い半値幅を有した発光スペクトルが得られる。
<Action, effect>
In the ultraviolet
In addition, by using the AlN substrate 1 as the substrate, the n-type group III
<AlN層の形成>
先ず、厚さが550μmのc面AlN基板に対して、有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いて、1300℃でのアニール処理を行った。次に、ホモエピタキシャル層であるAlN層を500nmの厚さで形成した。成膜条件は、温度を1200℃、V/III比を50、真空度を50hPa、成長レートを0.5μm/hrとした。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。
<Formation of AlN layer>
First, a c-plane AlN substrate with a thickness of 550 μm was annealed at 1300° C. using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus. Next, an AlN layer, which is a homoepitaxial layer, was formed to a thickness of 500 nm. The film forming conditions were a temperature of 1200° C., a V/III ratio of 50, a degree of vacuum of 50 hPa, and a growth rate of 0.5 μm/hr. Further, trimethylaluminum (TMAl) was used as an Al raw material, and ammonia (NH 3 ) was used as a N raw material.
<第一導電型窒化物半導体層の形成>
AlN層上に、第一導電型窒化物半導体層として、Siをドーパントとして含むn型AlGaN層(Al組成:70%)を500nmの厚さで形成した。成膜条件は、温度を1030℃、真空度を100hPa、V/III比を4000、成長レートを0.5μm/hrとした。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を、N原料としてアンモニア(NH3)、Si原料としてモノシラン(SiH4)を用いた。
<Formation of first conductivity type nitride semiconductor layer>
On the AlN layer, an n-type AlGaN layer (Al composition: 70%) containing Si as a dopant was formed with a thickness of 500 nm as a first conductivity type nitride semiconductor layer. The film forming conditions were a temperature of 1030° C., a vacuum degree of 100 hPa, a V/III ratio of 4000, and a growth rate of 0.5 μm/hr. Further, trimethylaluminum (TMAl) was used as an Al raw material, triethyl gallium (TEGa) was used as a Ga raw material, ammonia (NH 3 ) was used as a N raw material, and monosilane (SiH 4 ) was used as a Si raw material.
<発光層の形成>
n型AlGaN層上に、発光層として、量子井戸層と量子障壁層とを交互にそれぞれ5層有する多重量子井戸層を形成した。量子井戸層としては、AlGaN(Al組成:52%)層、すなわちAl0.52Ga0.48N層を形成した。量子障壁層としては、AlGaN(Al組成:75%)層、すなわちAl0.75Ga0.25N層を形成した。成膜条件は、真空度を50hPa、V/III比を4000とし、量子井戸層の成長レートを0.18μm/hrとし、量子障壁層の成長レートを0.15μm/hrとした。なお、成長温度は、サンプル毎に、表1に示す値に変化させた。
<Formation of light emitting layer>
A multi-quantum well layer having five quantum well layers and five quantum barrier layers alternately was formed as a light emitting layer on the n-type AlGaN layer. As the quantum well layer, an AlGaN (Al composition: 52%) layer, that is, an Al 0.52 Ga 0.48 N layer was formed. As the quantum barrier layer, an AlGaN (Al composition: 75%) layer, that is, an Al 0.75 Ga 0.25 N layer was formed. The film forming conditions were a vacuum degree of 50 hPa, a V/III ratio of 4000, a quantum well layer growth rate of 0.18 μm/hr, and a quantum barrier layer growth rate of 0.15 μm/hr. Note that the growth temperature was changed to the values shown in Table 1 for each sample.
No.1~33のサンプルでは、Al組成が52%の量子井戸層を厚さ3nmで形成する工程、Al組成が52%から75%まで変化する第一組成傾斜層の形成工程、Al組成が75%の量子障壁層を厚さ6nmで形成する工程、およびAl組成が75%から52%まで変化する第二組成傾斜層の形成工程を、この順に五回繰り返した。各サンプルの第一組成傾斜層および第二組成傾斜層の形成工程は、膜厚が表1に示す各値となるように行った。 For samples No. 1 to 33, a step of forming a quantum well layer with a thickness of 3 nm with an Al composition of 52%, a step of forming a first composition gradient layer in which the Al composition changes from 52% to 75%, and a step of forming a quantum well layer with a thickness of 3 nm with an Al composition of 52%. The step of forming a 75% quantum barrier layer with a thickness of 6 nm and the step of forming a second compositionally graded layer in which the Al composition changes from 75% to 52% were repeated five times in this order. The formation process of the first compositionally graded layer and the second compositionally graded layer of each sample was performed so that the film thicknesses had the respective values shown in Table 1.
サンプルNo.34では、第一組成傾斜層の形成工程を行わない以外はNo.3と同じ方法で発光層を形成した。サンプルNo.35では、第二組成傾斜層の形成工程を行わない以外はNo.3と同じ方法で発光層を形成した。サンプルNo.36では、第一および第二組成傾斜層の形成工程を行わない以外はNo.3と同じ方法で発光層を形成した。サンプルNo.37では、第一および第二組成傾斜層の形成工程を行わない以外はNo.30と同じ方法で発光層を形成した。サンプルNo.38では、第一および第二組成傾斜層の形成工程を行わない以外はNo.31と同じ方法で発光層を形成した。 In sample No. 34, the light-emitting layer was formed in the same manner as in sample No. 3, except that the step of forming the first compositionally gradient layer was not performed. In sample No. 35, the light-emitting layer was formed in the same manner as in sample No. 3, except that the step of forming the second compositionally gradient layer was not performed. In sample No. 36, the light-emitting layer was formed in the same manner as in No. 3 except that the step of forming the first and second compositionally gradient layers was not performed. In sample No. 37, the light-emitting layer was formed in the same manner as in No. 30, except that the step of forming the first and second compositionally gradient layers was not performed. In sample No. 38, the light-emitting layer was formed in the same manner as in No. 31 except that the step of forming the first and second compositionally gradient layers was not performed.
<電子ブロック層の形成>
発光層上に、電子ブロック層としてAlGaN(Al組成:85%)層を形成した。
<第二導電型窒化物半導体層の形成>
電子ブロック層の上に、第二導電型窒化物半導体層として、p型GaN層を形成した。
以上のようにして、AlN基板上に、第一導電型窒化物半導体層、発光層、電子ブロック層、および第二導電型窒化物半導体層による窒化物半導体積層体が形成された。
<Formation of electronic block layer>
An AlGaN (Al composition: 85%) layer was formed as an electron blocking layer on the light emitting layer.
<Formation of second conductivity type nitride semiconductor layer>
A p-type GaN layer was formed as a second conductivity type nitride semiconductor layer on the electron block layer.
As described above, a nitride semiconductor stack including a first conductivity type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, an electron block layer, and a second conductivity type nitride semiconductor layer was formed on the AlN substrate.
<量子障壁層および組成傾斜層のAl組成変化量の測定>
形成された窒化物半導体積層体を、30nm径の測定用サンプル(先端の曲率半径が100nm程度である針状試料)に加工し、APTを用いて観察することで、深さ方向における原子マッピング像と深さ方向に垂直な面内における原子マッピング像を得た。得られた各原子マッピング像から分かった量子障壁層のAl組成の変化量を表1に示す。
また、得られた深さ方向における原子マッピング像からラインプロファイルを解析して、第一組成傾斜層および第二組成傾斜層のAl組成の変化量を調べた。これらの結果も表1に示す。
<Measurement of Al composition change amount of quantum barrier layer and composition gradient layer>
The formed nitride semiconductor stack is processed into a measurement sample with a diameter of 30 nm (acicular sample with a radius of curvature of about 100 nm at the tip) and observed using APT to obtain an atomic mapping image in the depth direction. An atomic mapping image was obtained in a plane perpendicular to the depth direction. Table 1 shows the amount of change in the Al composition of the quantum barrier layer found from each atomic mapping image obtained.
In addition, line profiles were analyzed from the obtained atomic mapping images in the depth direction, and the amount of change in the Al composition of the first compositionally graded layer and the second compositionally graded layer was investigated. These results are also shown in Table 1.
なお、第一組成傾斜層の形成工程を行わなかったサンプルNo.34,No.36~38では、APT測定の分解能(0.3nm)以上の第一組成傾斜層は観察されなかった。同様に、第二組成傾斜層の形成工程を行わなかったサンプルNo.35~38では、APT測定の分解能(0.3nm)以上の第二組成傾斜層は観察されなかった。つまり、組成傾斜層の形成工程を行わなかった場合は、組成傾斜層が形成されていたとしても、その膜厚は0.3nm未満であったため、表1の膜厚の欄に「<0.3」と表示し、組成傾斜層のAl組成の変化量の欄には「0.0」と表示した。 Note that in samples No. 34 and No. 36 to 38 in which the step of forming the first compositionally gradient layer was not performed, the first compositionally gradient layer having a resolution higher than the resolution of APT measurement (0.3 nm) was not observed. Similarly, in samples Nos. 35 to 38 in which the step of forming the second compositionally graded layer was not performed, the second compositionally graded layer with a resolution higher than the APT measurement resolution (0.3 nm) was not observed. In other words, if the composition gradient layer formation step was not performed, even if the composition gradient layer had been formed, its film thickness would have been less than 0.3 nm, so the column for film thickness in Table 1 would be "<0. 3" and "0.0" was displayed in the column for the amount of change in Al composition of the compositionally graded layer.
<紫外線発光素子の作製>
窒化物半導体積層体に対してドライエッチングを行うことによって、n型AlGaN層の一部を露出させ、露出したn型AlGaN層上に、Ti、Al、NiおよびAuを含む合金電極(n型電極に相当)を形成した。また、p型GaN層(第二導電型窒化物半導体層)上に、NiおよびAuを含む合金電極(p型電極に相当)を形成した。
次に、AlN基板を、厚さが100μmになるように研削した後に、ダイシングにより紫外線発光素子の個片へと分割した。得られた紫外線発光素子を、電流100mAで駆動させて、ピーク波長265nmにおける発光強度を測定した。その結果も表1に示す。
<Production of ultraviolet light emitting device>
By performing dry etching on the nitride semiconductor stack, a part of the n-type AlGaN layer is exposed, and an alloy electrode (n-type electrode) containing Ti, Al, Ni, and Au is placed on the exposed n-type AlGaN layer. ) was formed. Further, an alloy electrode (corresponding to a p-type electrode) containing Ni and Au was formed on the p-type GaN layer (second conductivity type nitride semiconductor layer).
Next, the AlN substrate was ground to a thickness of 100 μm, and then divided into individual pieces of ultraviolet light emitting elements by dicing. The obtained ultraviolet light emitting device was driven with a current of 100 mA, and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was measured. The results are also shown in Table 1.
表1から分かるように、「量子障壁層のAl組成(%)の深さ方向での変化量が5%以上12%以下であること」および「深さ方向に垂直な面内での変化量が5%以上16%以下であること」のいずれかと、「第一組成傾斜層におけるAl組成(%)の変化量が厚さ1nm当たり20%以上50%以下であり、第二組成傾斜層におけるAl組成(%)の変化量が厚さ1nm当たり9%以上20%以下であること」を満たすことにより、高い発光強度(35mW以上)を得ることができる。 As can be seen from Table 1, "the amount of change in the Al composition (%) of the quantum barrier layer in the depth direction is 5% or more and 12% or less" and "the amount of change in the plane perpendicular to the depth direction". is 5% or more and 16% or less," and ``the amount of change in Al composition (%) in the first compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness, and the second compositionally graded layer is A high emission intensity (35 mW or more) can be obtained by satisfying the requirement that the amount of change in Al composition (%) is 9% or more and 20% or less per 1 nm of thickness.
1 基板
2 n型III族窒化物半導体層(第一導電型窒化物半導体層)
3 窒化物半導体積層体
31 n型III族窒化物半導体層(第一導電型窒化物半導体層)
32 多重量子井戸層(発光層)
33 電子ブロック層
35 p型III族窒化物半導体層(第二導電型窒化物半導体層)
4 第一電極層
5 第二電極層
6 第一パッド電極
7 第二パッド電極
8 絶縁層
10 紫外線発光素子
1 Substrate 2 N-type group III nitride semiconductor layer (first conductivity type nitride semiconductor layer)
3 Nitride semiconductor laminate 31 N-type group III nitride semiconductor layer (first conductivity type nitride semiconductor layer)
32 Multiple quantum well layer (light emitting layer)
33 Electron block layer 35 P-type group III nitride semiconductor layer (second conductivity type nitride semiconductor layer)
4
Claims (6)
前記基板上に形成され、AlおよびGaを含む第一導電型窒化物半導体層と、
前記第一導電型窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む材料で形成された発光層と、
前記発光層上に形成され、前記第一導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する第二導電型窒化物半導体層と
を備え、
前記発光層は、少なくとも一つの量子井戸層と前記量子井戸層を挟む量子障壁層とを備え、
前記量子障壁層は、前記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が深さ方向で不均一であり、前記深さ方向における前記Al組成(%)の変化量が5%以上12%以下であり、
前記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が深さ方向に垂直な面内で不均一であり、前記面内における前記Al組成(%)の変化量が5%以上16%以下であり、
前記第二導電型窒化物半導体層に向かって前記量子井戸層から前記量子障壁層に切り替わる境界に、前記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が変化する第一組成傾斜層が存在し、前記第二導電型窒化物半導体層に向かって前記量子障壁層から前記量子井戸層に切り替わる境界に、前記材料中の窒化物半導体のAl組成(%)が変化する第二組成傾斜層が存在し、
前記第一組成傾斜層における前記Al組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり20%以上50%以下であり、前記第二組成傾斜層における前記Al組成(%)の変化量は、厚さ1nm当たり9%以上20%以下である紫外線発光素子。 A substrate and
a first conductivity type nitride semiconductor layer formed on the substrate and containing Al and Ga;
a light emitting layer formed on the first conductivity type nitride semiconductor layer and made of a material containing a nitride semiconductor containing Al and Ga;
a second conductivity type nitride semiconductor layer formed on the light emitting layer and having a different conductivity from the first conductivity type nitride semiconductor layer;
The light emitting layer includes at least one quantum well layer and a quantum barrier layer sandwiching the quantum well layer,
In the quantum barrier layer , the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material is nonuniform in the depth direction, and the amount of change in the Al composition (%) in the depth direction is 5% or more and 12%. The following is
The Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material is nonuniform in a plane perpendicular to the depth direction, and the amount of change in the Al composition (%) in the plane is 5% or more and 16% or less. ,
A first composition gradient layer in which the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material changes is present at the boundary where the quantum well layer switches to the quantum barrier layer toward the second conductivity type nitride semiconductor layer. , a second compositionally graded layer in which the Al composition (%) of the nitride semiconductor in the material changes is present at the boundary where the quantum barrier layer switches to the quantum well layer toward the second conductivity type nitride semiconductor layer; death,
The amount of change in the Al composition (%) in the first compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness, and the amount of change in the Al composition (%) in the second compositionally graded layer is 20% or more and 50% or less per 1 nm of thickness. An ultraviolet light-emitting element having a UV radiation of 9% or more and 20% or less per 1 nm .
前記量子障壁層は、AlとGaを含みAl組成の中心値Y(%)がX+10%≦Y≦100%を満たす窒化物半導体層である請求項1~4のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 The quantum well layer is a nitride semiconductor layer containing Al and Ga and having an Al composition center value X (%) of 30% or more and 75% or less,
The ultraviolet rays according to any one of claims 1 to 4 , wherein the quantum barrier layer is a nitride semiconductor layer containing Al and Ga and having a central value Y (%) of Al composition satisfying X+10%≦Y≦100%. Light emitting element.
前記量子障壁層の膜厚は6nm以上15nm以下である請求項1~5のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 The thickness of the quantum well layer is 1 nm or more and 5 nm or less,
The ultraviolet light emitting device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the quantum barrier layer has a thickness of 6 nm or more and 15 nm or less.
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