JP7405554B2 - 紫外線発光素子 - Google Patents
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Description
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。
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。
(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。
(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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
電子ブロック層33は、AlxGa(1-x)N(0.70≦x≦1.00)層である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (6)
- 基板と、
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。 - 前記基板はAlN基板であり、前記基板の転位密度は1×105cm-2以下である請求項1記載の紫外線発光素子。
- 前記第一導電型窒化物半導体層の格子緩和率は0%以上5%未満である請求項1または2記載の紫外線発光素子。
- 前記第一導電型窒化物半導体層の膜厚は300nm以上750nm以下である請求項1~3のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
- 前記量子井戸層は、AlとGaを含みAl組成の中心値X(%)が30%以上75%以下の窒化物半導体層であり、
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。 - 前記量子井戸層の膜厚は1nm以上5nm以下であり、
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。
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