JP5379703B2 - Ultraviolet semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to an ultraviolet semiconductor light emitting device.
紫外光の波長域で発光する紫外半導体発光素子は、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いる。 Ultraviolet semiconductor light-emitting elements that emit light in the ultraviolet wavelength region are expected to be applied to various fields such as hygiene, medicine, industry, lighting, and precision machinery.
しかしながら、エピタキシャル成長用の単結晶基板としてサファイア基板を用い、発光層の材料として窒化物半導体材料を用いた一般的な紫外半導体発光素子は、青色半導体発光素子に比べて、発光効率および光出力が小さく、広く産業化されていないのが現状である。 However, a general ultraviolet semiconductor light emitting device using a sapphire substrate as a single crystal substrate for epitaxial growth and a nitride semiconductor material as a material of a light emitting layer has lower luminous efficiency and light output than a blue semiconductor light emitting device. Currently, it is not widely industrialized.
ここにおいて、紫外半導体発光素子の発光効率が低い原因としては、貫通転位密度が高く、非発光再結合が支配的となり、内部量子効率が低いことや、p形窒化物半導体層の性能が不十分である、などの理由も挙げられるが、発光した紫外光の外部への光取り出し効率が低いことが大きな原因となっている。すなわち、一般的な紫外半導体発光素子では、サファイア基板の一表面側におけるn形窒化物半導体層と発光層とp形窒化物半導体層との積層膜がメサ構造を有し、それぞれ不透明な金属電極からなるn電極およびp電極がサファイア基板の上記一表面側で横方向に並んだ横型電極構造が採用され、サファイア基板からのみ光を取り出しており、n電極およびp電極に達する光の大部分が吸収されて利用されていないので、光取り出し効率が低い。なお、上述のメサ構造は、サファイア基板の上記一表面側にn形窒化物半導体層と発光層とp形窒化物半導体層との積層膜をMOVPE法などにより成膜した後で、n形窒化物半導体層の一部が露出するように上記積層膜をパターニングすることで形成されている。 Here, the reason why the luminous efficiency of the ultraviolet semiconductor light emitting device is low is that the threading dislocation density is high, non-radiative recombination becomes dominant, the internal quantum efficiency is low, and the performance of the p-type nitride semiconductor layer is insufficient. The reason is that the light extraction efficiency of the emitted ultraviolet light to the outside is low. That is, in a general ultraviolet semiconductor light-emitting device, the laminated film of the n-type nitride semiconductor layer, the light-emitting layer, and the p-type nitride semiconductor layer on one surface side of the sapphire substrate has a mesa structure, and each is an opaque metal electrode. The horizontal electrode structure in which the n-electrode and the p-electrode are arranged in the lateral direction on the one surface side of the sapphire substrate is adopted, and light is taken out only from the sapphire substrate, and most of the light reaching the n-electrode and p-electrode is Light absorption efficiency is low because it is absorbed and not used. Note that the above-described mesa structure is formed by forming a laminated film of an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer on the one surface side of the sapphire substrate by MOVPE or the like, and then performing n-type nitriding. The laminated film is formed by patterning so that a part of the physical semiconductor layer is exposed.
そこで、紫外半導体発光素子の分野においては、紫外域の波長において光透過率が高く且つ導電性を有した透明電極が望まれている。一般に、透明電極として用いる透明導電膜としては、バンドギャップの大きな酸化物系材料が用いられているが、紫外域での透明電極での光透過率を向上させた透明電極として、一般的なITO膜に比べて錫の含有量を高くし且つ成膜温度を高くしたITO膜(特許文献1参照)や、パルスレーザー蒸着法により成膜したGa2O3膜(特許文献2参照)が提案されている。 Therefore, in the field of ultraviolet semiconductor light emitting devices, a transparent electrode having high light transmittance and conductivity at an ultraviolet wavelength is desired. In general, an oxide-based material having a large band gap is used as a transparent conductive film used as a transparent electrode. However, as a transparent electrode with improved light transmittance in a transparent electrode in the ultraviolet region, a general ITO is used. An ITO film (see Patent Document 1) having a higher tin content and a higher film formation temperature than a film and a Ga 2 O 3 film (see Patent Document 2) formed by a pulse laser deposition method have been proposed. ing.
また、導電性の高い金属を光の吸収が起こらない程度に薄くすることで透明導電膜として用いることも提案されている(特許文献3)。 In addition, it has also been proposed to use a highly conductive metal as a transparent conductive film by making it thin enough to prevent light absorption (Patent Document 3).
ところで、上記特許文献1に記載の紫外半導体発光素子では、透明電極を構成するITO膜における錫の含有量を25質量%、ITO膜の蒸着時の基板温度を800℃とすることで、波長が330nm以上の紫外光に対して透過率を75%程度まで向上できる。しかしながら、波長が300nmになると光透過率が30%まで低下し、260nm以下の波長では光透過率が0%になってしまう。要するに、上記特許文献1に記載された紫外半導体発光素子のITO膜からなる透明電極は、波長が200nm〜300nmの深紫外域では透明性が不十分であり、特に波長が260nm以下では透明性を有していない。 By the way, in the ultraviolet semiconductor light-emitting device described in the above-mentioned Patent Document 1, the wavelength of tin is 25% by mass in the ITO film constituting the transparent electrode and the substrate temperature during the deposition of the ITO film is 800 ° C. The transmittance can be improved to about 75% for ultraviolet light of 330 nm or more. However, when the wavelength is 300 nm, the light transmittance is reduced to 30%, and at a wavelength of 260 nm or less, the light transmittance is 0%. In short, the transparent electrode made of the ITO film of the ultraviolet semiconductor light-emitting device described in Patent Document 1 has insufficient transparency in the deep ultraviolet region with a wavelength of 200 nm to 300 nm, and particularly has transparency at a wavelength of 260 nm or less. I don't have it.
また、上記特許文献2に記載された透明電極は、波長が1000nm〜250nmにおける平均光透過率は90%以上であるものの、波長が240nmの紫外光の透過率が40%程度であり、紫外半導体発光素子の光取り出し用の透明電極として用いるには光透過率が不十分である。また、上記特許文献2に記載された透明電極は、パルスレーザー蒸着法などの特殊な成膜方法で形成する必要があり、良好な導電性を得るためには高温での成膜やアニールが必要であり、プロセスが複雑になるとともにコストが高くなってしまう。
The transparent electrode described in
また、上記特許文献3に記載された透明電極は、膜厚が20nm以下のAlAg薄膜であり、AlAg薄膜に多数の孔が形成されるので、透明電極の表面側にパッドを設けた場合に、パッドの一部が孔を通して透明電極の下地のp形窒化物半導体層と接触し、パッドとp形窒化物半導体層との接触がオーミック接触にならず、ショットキー接触になってしまう懸念もある。また、上記特許文献3に記載された透明電極は、長期安定性や信頼性に課題がある。
Further, the transparent electrode described 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、発光波長が200nm〜300nmの紫外光の発光効率の向上を図れ、且つ、長期安定性および信頼性の向上を図れる紫外半導体発光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and an object thereof is an ultraviolet semiconductor capable of improving the emission efficiency of ultraviolet light having an emission wavelength of 200 nm to 300 nm and improving long-term stability and reliability. The object is to provide a light emitting element.
請求項1の発明は、200nm〜300nmの紫外域に発光波長を有する紫外半導体発光素子であって、n形窒化物半導体層とp形窒化物半導体層との間に発光層を有し、前記n形窒化物半導体層および前記p形窒化物半導体層それぞれに接触する一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、前記発光波長の紫外光に対する光吸収係数が5×104cm−1以下である金属材料により形成された透明金属層を少なくとも有する透明電極からなり、前記透明電極は、前記透明金属層の厚み方向の少なくとも一方の面側に、前記透明金属層とは異なる金属材料により形成され前記透明金属層に悪影響を及ぼす反応種の前記透明金属層への到達を阻止するブロック層を備え、前記ブロック層の金属材料は、Sb、Bi、あるいはそれらの合金の群から選択されることを特徴とする。
The invention of claim 1 is an ultraviolet semiconductor light emitting device having an emission wavelength in an ultraviolet region of 200 nm to 300 nm, and has a light emitting layer between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer , At least one electrode of the pair of electrodes in contact with the respective n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, the light absorption coefficient for ultraviolet light of the
この発明によれば、一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、200nm〜300nmの紫外域の発光波長の紫外光に対する光吸収係数が5×104cm−1以下である金属材料により形成された透明金属層を少なくとも有する透明電極からなることにより、発光層で発光した紫外光の電極での吸収を抑制することができて光取り出し効率の向上を図れるとともに、透明電極の低抵抗化を図れるから、発光効率の向上を図れる。
また、この発明によれば、前記透明電極は、前記透明金属層の厚み方向の少なくとも一方の面側に、前記透明金属層とは異なる金属材料により形成され前記透明金属層に悪影響を及ぼす反応種の前記透明金属層への到達を阻止するブロック層を備えるので、前記透明金属層の金属材料が活性の高い金属材料であっても、前記透明金属層に悪影響を及ぼす反応種をブロック層により阻止することができ、前記透明金属層の長期安定性を向上させることができるから、前記透明金属層の金属材料の選択の自由度が高くなる。
また、この発明によれば、前記ブロック層の金属材料は、Sb、Bi、あるいはそれらの合金の群から選択されるから、前記ブロック層の金属材料が前記透明金属層と合金化して前記ブロック層が化学的に安定となるので、前記透明電極の長期安定性および信頼性を高めることができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記紫外光の前記発光波長において透明な絶縁材料により形成され前記透明電極を保護する保護層を備えることを特徴とする。
この発明によれば、前記紫外光の前記発光波長において透明な絶縁材料により形成され前記透明電極を保護する保護層を備えることにより、前記透明電極の酸化などによる劣化が起こりにくく長期安定性および信頼性の向上を図れる。
According to this invention, at least one of the pair of electrodes is formed of a metal material having a light absorption coefficient of 5 × 10 4 cm −1 or less for ultraviolet light having an emission wavelength in the ultraviolet region of 200 nm to 300 nm. By forming the transparent electrode having at least the transparent metal layer, absorption of the ultraviolet light emitted from the light emitting layer can be suppressed and the light extraction efficiency can be improved and the resistance of the transparent electrode can be reduced. from Figure is the improvement in luminous efficiency.
Further, according to the present invention, the transparent electrode is formed of a metal material different from the transparent metal layer on at least one surface side in the thickness direction of the transparent metal layer, and is a reactive species that adversely affects the transparent metal layer. Is provided with a block layer that prevents the transparent metal layer from reaching the transparent metal layer, so that even when the metal material of the transparent metal layer is a highly active metal material, the reactive species that adversely affect the transparent metal layer are blocked by the block layer. Since the long-term stability of the transparent metal layer can be improved, the degree of freedom in selecting a metal material for the transparent metal layer is increased.
According to the invention, since the metal material of the block layer is selected from the group of Sb, Bi, or alloys thereof, the metal material of the block layer is alloyed with the transparent metal layer to form the block layer. Since it becomes chemically stable, the long-term stability and reliability of the transparent electrode can be improved.
The invention of
According to this invention, since the protective layer is formed of a transparent insulating material at the emission wavelength of the ultraviolet light and protects the transparent electrode, the transparent electrode is hardly deteriorated by oxidation or the like, and has long-term stability and reliability. Can improve the performance.
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記保護層の絶縁材料は、MgF2であることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記保護層の絶縁材料がMgF2であるので、前記保護層の絶縁材料として、Al2O3、SiO2などを採用する場合に比べて、前記保護層に起因した光損失を抑制することができる。 According to the present invention, since the insulating material of the protective layer is MgF 2 , the light caused by the protective layer is compared with the case where Al 2 O 3 , SiO 2 or the like is used as the insulating material of the protective layer. Loss can be suppressed.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記透明金属層の金属材料は、Na、K、Cs、Rbの群から選択されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, the metal material of the transparent metal layer is selected from the group of Na, K, Cs, and Rb.
この発明によれば、200nm〜300nmの紫外域に発光波長を有する紫外光に対して優れた光透過性を有する。 According to this invention, it has excellent light transmittance with respect to ultraviolet light having an emission wavelength in the ultraviolet region of 200 nm to 300 nm.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記透明金属層の厚みが50nm〜100nmであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, the transparent metal layer has a thickness of 50 nm to 100 nm.
この発明によれば、前記透明電極に流れる電流を前記透明電極の面内で均一に拡散させやすくなり、前記透明電極での電流密度の面内均一性を高めることができ、発光効率の向上を図れる。 According to this invention, the current flowing through the transparent electrode can be easily diffused uniformly in the plane of the transparent electrode, the in-plane uniformity of the current density in the transparent electrode can be improved, and the luminous efficiency can be improved. I can plan.
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5の発明において、前記ブロック層の厚みが5nm以下であることを特徴とする。 A sixth aspect of the invention is characterized in that, in the first to fifth aspects of the invention, the thickness of the block layer is 5 nm or less.
この発明によれば、前記ブロック層の厚みが5nm以下なので、前記ブロック層の金属材料が前記発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、前記ブロック層での紫外光の吸収を抑制することができる。 According to this invention, since the thickness of the block layer is 5 nm or less, even if the metal material of the block layer is a material having a low light transmittance with respect to the ultraviolet light of the emission wavelength, the absorption of the ultraviolet light in the block layer Can be suppressed.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記透明電極は、前記透明金属層における前記発光層側に前記発光層側の下地に対してオーミック接触となる金属材料からなるオーミックコンタクト層を備えていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the invention, the transparent electrode is made of a metal material that is in ohmic contact with the base of the light emitting layer on the light emitting layer side of the transparent metal layer. An ohmic contact layer is provided.
この発明によれば、前記透明電極がオーミックコンタクト層を備えていることにより、前記透明電極と前記発光層側の下地との接触抵抗を低減できるから、前記透明金属層の金属材料の選択の自由度が高くなるとともに、発光効率の向上を図れる。 According to this invention, since the transparent electrode includes the ohmic contact layer, the contact resistance between the transparent electrode and the base on the light emitting layer side can be reduced, so that the metal material of the transparent metal layer can be freely selected. As the degree increases, the luminous efficiency can be improved.
請求項8の発明は、請求項7の発明において、前記オーミックコンタクト層の金属材料は、Al、Ti、Hf、Zr、Cr、Au、Ni、Pt、Pd、In、あるいはそれらの合金の群から選択されることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記透明電極の下地の導電形(p形、n形)に関わらず、前記オーミックコンタクト層により下地に対してオーミック接触を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain ohmic contact with the base by the ohmic contact layer regardless of the conductivity type (p-type, n-type) of the base of the transparent electrode.
請求項9の発明は、請求項7または請求項8の発明において、前記オーミックコンタクト層の厚みが5nm以下であることを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、前記オーミックコンタクト層の厚みが5nmを超えないので、前記オーミックコンタクト層の金属材料が前記発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、前記オーミックコンタクト層での紫外光の吸収を抑制することができる。 According to the present invention, since the thickness of the ohmic contact layer does not exceed 5 nm, even if the metal material of the ohmic contact layer is a material having low light transmittance with respect to ultraviolet light having the emission wavelength, The absorption of ultraviolet light can be suppressed.
請求項10の発明は、請求項1ないし請求項9の発明において、前記透明電極の表面の一部に、Au、Al、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成されたパッドを備えることを特徴とする。 In a tenth aspect of the present invention, in the first to ninth aspects of the present invention, a part of the surface of the transparent electrode is provided with a pad formed of a material selected from the group of Au, Al, or an alloy thereof. It is characterized by that.
この発明によれば、Au、Al、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成されたパッドを備えることにより、一般的なボンディングワイヤなどの配線の接続が容易になるから、紫外半導体発光素子と外部回路との電気的な接続が容易になる。 According to the present invention, since a pad formed of a material selected from the group of Au, Al, or an alloy thereof is provided, it becomes easy to connect a wiring such as a general bonding wire. Electrical connection between the element and the external circuit is facilitated.
請求項1の発明では、波長が200nm〜300nmの紫外光の発光効率の向上を図れるという効果がある。 In the invention of claim 1, there is an effect that the luminous efficiency of ultraviolet light having a wavelength of 200 nm to 300 nm can be improved.
本実施形態の紫外半導体発光素子は、200nm〜300nm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って、図1(a),(b)に示すように、エピタキシャル成長用の単結晶基板1の一表面側にバッファ層2を介してn形窒化物半導体層3が形成され、n形窒化物半導体層3の表面側に発光層4が形成され、発光層4の表面側にp形窒化物半導体層5が形成されている。
The ultraviolet semiconductor light emitting device of this embodiment is an ultraviolet light emitting diode having an emission wavelength (emission peak wavelength) of 200 nm to 300 nm, and as shown in FIGS. 1A and 1B, a single crystal substrate for epitaxial growth N-type
また、本実施形態の紫外半導体発光素子は、単結晶基板1の上記一表面側において、円柱型のメサ構造を有し、一対の電極であるn電極(カソード電極)7とp電極(アノード電極)6とが単結晶基板1の上記一表面側で横方向に並んだ横型電極構造を採用している。すなわち、本実施形態の紫外半導体発光素子は、p形窒化物半導体層5の表面側(p形窒化物半導体層5における発光層4側とは反対側)にp電極6が形成されるとともに、n形窒化物半導体層3における発光層4の積層側にn電極7が形成されている。なお、上述のメサ構造は、後述のように、単結晶基板1の上記一表面側にバッファ層2とn形窒化物半導体層3と発光層4とp形窒化物半導体層5との積層膜をMOVPE法などにより成膜した後で、n形窒化物半導体層3の一部が露出するように上記積層膜をパターニングすることで形成されている。しかして、n電極7は、単結晶基板1の上記一表面側へバッファ層2、n形窒化物半導体層3、発光層4、p形窒化物半導体層5を順次成長させた後で、バッファ層2とn形窒化物半導体層3と発光層4とp形窒化物半導体層5との積層膜の所定領域をp形窒化物半導体層5の表面側からn形窒化物半導体層3の途中までエッチングすることにより露出させたn形窒化物半導体層3の表面に形成されている。
In addition, the ultraviolet semiconductor light emitting device of this embodiment has a cylindrical mesa structure on the one surface side of the single crystal substrate 1, and includes an n electrode (cathode electrode) 7 and a p electrode (anode electrode) as a pair of electrodes. 6) adopts a horizontal electrode structure in which 6 are aligned in the horizontal direction on the one surface side of the single crystal substrate 1. That is, in the ultraviolet semiconductor light-emitting device of this embodiment, the p-
ところで、本実施形態の紫外半導体発光素子は、p電極6を透明電極により構成してあり、p形窒化物半導体層5の表面側に、紫外光の発光波長において透明な絶縁材料により形成されp電極6を保護する保護層9を備えている。しかして、発光層4で発光した紫外光を、透明電極からなるp電極6および保護層9を通して効率良く取り出すことができる。言い換えれば、発光層4で発光した紫外光のp電極6での吸収を抑制することができて光取り出し効率の向上を図れる。
By the way, in the ultraviolet semiconductor light emitting device of this embodiment, the
ここにおいて、p電極6および保護層9の平面形状は円形状であり、保護層9の方がp電極6よりも直径がやや小さくなっている。なお、本実施形態では、メサ構造が円柱型なので、p電極6および保護層9の平面形状を円形状としてあるが、メサ構造の形状は特に限定するものではなく、p電極6および保護層9の平面形状も特に限定するものではない。ただし、p電極6および保護層9の平面形状はメサ構造の上面(ここでは、p形窒化物半導体層5の表面)と相似形として、光取り出し面の面積を広くすることが望ましい。
Here, the planar shape of the
一方、n電極7は、平面視においてp電極6を全周に亘って囲む円環状に形成されている。また、メサ構造の側面と上面の一部とに跨って、絶縁材料(例えば、SiO2など)からなる絶縁膜8が形成されており、p電極6の周部とp形窒化物半導体層5との間に絶縁膜8の一部が介在している。要するに、絶縁膜8において、p形窒化物半導体層5の表面に形成された部位には、p電極6とp形窒化物半導体層5とのコンタクト用の開口部8aが形成されている。なお、この絶縁膜8により、p電極6とn電極7との短絡を防止することができる。
On the other hand, the n-electrode 7 is formed in an annular shape surrounding the p-
また、本実施形態の紫外半導体発光素子は、p形窒化物半導体層5の表面側で透明電極8および保護層9を覆うようにパッド10が形成されており、当該パッド10には、保護層9の表面の一部を露出させる開口部10aが形成されている。要するに、パッド10は、p電極6の表面の一部に形成され、且つ、保護層9からの光取り出しを可能とするようにパターニングされている(開口部10aが形成されている)。
In the ultraviolet semiconductor light emitting device of this embodiment, a
ここにおいて、単結晶基板1としては、上記一表面が(0001)面、つまり、c面のサファイア基板を用いているが、単結晶基板1はサファイア基板に限定するものではなく、例えば、スピネル基板、シリコン基板、炭化シリコン基板、酸化亜鉛基板、リン化ガリウム基板、砒化ガリウム基板、酸化マグネシウム基板、硼化ジルコニウム基板、III族窒化物系半導体結晶基板などを用いてもよい。 Here, the single crystal substrate 1 is a sapphire substrate having one surface with a (0001) plane, that is, a c-plane. However, the single crystal substrate 1 is not limited to a sapphire substrate. For example, a spinel substrate Alternatively, a silicon substrate, a silicon carbide substrate, a zinc oxide substrate, a gallium phosphide substrate, a gallium arsenide substrate, a magnesium oxide substrate, a zirconium boride substrate, a group III nitride semiconductor crystal substrate, or the like may be used.
バッファ層2は、n形窒化物半導体層3の貫通転位を低減するとともにn形窒化物半導体層3の残留歪みを低減するために設けたものであり、AlN層により構成してあるが、AlN層に限らず、Alを構成元素として含む窒化物半導体層であればよく、AlGaN層やAlInN層などにより構成してある。
The
n形窒化物半導体層3は、発光層4へ電子を注入するためのであり、膜厚や組成は特に限定するものではないが、例えば、バッファ層2上に形成されたSiドープのn形Al0.55Ga0.45N層で構成してある。n形窒化物半導体層3は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、バッファ層2上のSiドープのn形Al0.7Ga0.3N層と、当該n形Al0.7Ga0.3N層上のSiドープのn形Al0.55Ga0.45N層とで構成してもよい。
The n-type
また、発光層4は、量子井戸構造を有し、障壁層と井戸層とを交互に積層してある。例えば、発光層4は、障壁層を膜厚が8nmのAl0.55Ga0.45N層により構成し、井戸層を膜厚が2nmのAl0.40Ga0.60N層により構成すればよい。なお、障壁層および井戸層の各組成は限定するものではなく、例えば、200nm〜300nmの範囲における所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、発光層4における井戸層の数は特に限定するものではなく、発光層4は、井戸層を複数備えた多重量子井戸構造に限らず、井戸層を1つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、障壁層および井戸層の各膜厚も特に限定するものではない。また、発光層4を単層構造として、当該発光層4と当該発光層4の厚み方向の両側の層(n形窒化物半導体層3、p形窒化物半導体層5)とでダブルへテロ構造が形成されるようにしてもよい。
Further, the
p形窒化物半導体層5は、発光層4へホールを注入するためのものであり、膜厚や組成は特に限定するものではないが、例えば、発光層4上に形成されたMgドープのp形AlGaN層からなる第1のp形窒化物半導体層と、第1のp形窒化物半導体層上に形成されたMgドープのp形AlGaN層からなる第2のp形窒化物半導体層7bと、第2のp形窒化物半導体層上に形成されたMgドープのp形GaN層からなる第3のp形窒化物半導体層とで構成してある。ここで、第1のp形窒化物半導体層および第2のp形窒化物半導体層の各組成は、第1のp形窒化物半導体層のバンドギャップエネルギが第2のp形窒化物半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、第2のp形窒化物半導体層の組成はバンドギャップエネルギが障壁層と同じになるように設定してある。また、p形窒化物半導体層5は、第1のp形窒化物半導体層の膜厚を15nm、第2のp形窒化物半導体層の膜厚を50nm、第3のp形窒化物半導体層の膜厚を15nmに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。また、p形窒化物半導体層5で採用する窒化物半導体も特に限定するものではなく、例えば、AlGaInNを用いてもよい。また、第3のp形窒化物半導体層には、AlGaInNだけではなく、InGaNを用いてもよい。
The p-type
p電極6を構成する透明電極は、図1(c)に示すように、発光層4の発光波長の紫外光に対する光吸収係数が5×104cm−1以下である金属材料により形成された透明金属層61を有している。ここにおいて、透明金属層61の金属材料としては、Na、K、Cs、Rbの群から選択すれば、光吸収係数が5×104cm−1以下であり、200nm〜300nmの紫外域に発光波長を有する紫外光に対して優れた光透過性を有する。光吸収係数が5×104cm−1の場合、膜厚が100nmのときの光透過率(反射を考慮しない)が約60%であり、光吸収係数が5×104cm−1よりも高い金属材料では光透過率が50%以下となり、透明電極としての透明性が不十分となってしまう。
The transparent electrode constituting the p-
ただし、上述の金属材料の群のうちの1つであるNaは、210nm以下の波長域でのみ透明である。また、上述の金属材料の群におけるKの光吸収率は、膜厚が100nmのときには12.3%、膜厚が50nmのときには6.5%、膜厚が25nmのときには3.3%であり、Rbの光吸収率は、膜厚が100nmのときには22.9%、膜厚が50nmのときには11.7%、膜厚が25nmのときには6.1%であり、Csの光吸収率は、膜厚が50nmのときには24.3%、膜厚が25nmのときには13.2%である。 However, Na, which is one of the group of metal materials described above, is transparent only in the wavelength region of 210 nm or less. Further, the light absorption rate of K in the above-described group of metal materials is 12.3% when the film thickness is 100 nm, 6.5% when the film thickness is 50 nm, and 3.3% when the film thickness is 25 nm. The light absorption rate of Rb is 22.9% when the film thickness is 100 nm, 11.7% when the film thickness is 50 nm, and 6.1% when the film thickness is 25 nm, and the light absorption rate of Cs is When the film thickness is 50 nm, it is 24.3%, and when the film thickness is 25 nm, it is 13.2%.
したがって、透明金属層61の厚みを100nm以下とする(つまり、透明金属層61の厚みの上限を100nmとする)ことにより、200nm〜300nmの紫外域に発光波長を有する紫外光に対して、光吸収率を25%以下という非常に透明性を実現できることが分かる。一方、p電極6の導電性を高くして電極として十分な機能を確保するという観点から、透明金属層61の下限は50nmとすることが好ましい。透明金属層61の厚みを50nm〜100nmとすれば、透明電極に流れる電流を透明電極の面内で均一に拡散させやすくなり、透明電極での電流密度の面内均一性を高めることができ、発光効率の向上を図れる。
Therefore, by setting the thickness of the
ここで、透明金属層61を単独で透明電極として用いることも可能であるが、上述した透明金属層61の金属材料は、アルカリ金属であり、融点が低く、大気中での反応性が高い(活性が高い)。そこで、p電極6を紫外半導体発光素子の電極として、より安定的に動作させるため、透明金属層61の厚み方向の少なくとも一方の面に、透明金属層61とは異なる金属材料により形成され透明金属層61に悪影響を及ぼす反応種(例えば、酸素、水分、半導体、金属など)の透明金属層61への到達を阻止するブロック層62を形成することが好ましい。ここにおいて、図1(c)に示した例では、透明金属層61の厚み方向の両方の面にブロック層62を形成してある。
Here, although the
このようなブロック62を設けることにより、透明電極61の金属材料が活性の高い金属材料であっても、透明金属層61に悪影響を及ぼす反応種をブロック層62により阻止することができ、透明金属層61の長期安定性を向上させることができるから、透明金属層61の金属材料の選択の自由度が高くなる。
By providing such a
ブロック層62の金属材料としては、透明金属層61と合金化して比較的安定な金属を形成することが可能な、Sb、Bi、あるいは、それらの合金の群から選択することが好ましい。この群から選択すれば、ブロック層62の金属材料が透明金属層61と合金化してブロック層62が化学的に安定となるので、透明電極の長期安定性および信頼性を高めることができる。ただし、ブロック層62の金属材料は、波長が200nm〜300nmの光に対して透明性を有していないので、厚みを5nm以下(つまり、5nmを超えない)にして形成することが好ましい。ここで、ブロック層62の厚みを5nm以下とすれば、ブロック層62の金属材料が発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、ブロック層62での紫外光の吸収を抑制することができる。
The metal material of the
さらに、本実施形態では、p形窒化物半導体層5と良好なオーミック接触を得るために、p電極6を構成する透明電極の透明金属層61における発光層4側に(図1(c)の例では、ブロック層62とp形窒化物半導体層5との間に)、発光層4側の下地(図1(c)の例では、p形窒化物半導体層5)に対してオーミック接触となる金属材料からなるオーミックコンタクト層63を設けてある。本実施形態では、透明電極がオーミックコンタクト層63を備えていることにより、透明電極と発光層4側の下地との接触抵抗を低減できるから、透明金属層61の金属材料の選択の自由度が高くなるとともに、発光効率の向上を図れる。
Furthermore, in the present embodiment, in order to obtain good ohmic contact with the p-type
オーミックコンタクト層63の金属材料は、Al、Ti、Hf、Zr、Cr、Au、Ni、Pt、Pd、In、あるいはそれらの合金の群から選択すればよく、この群から適宜選択すれば、透明電極の下地の導電形(p形、n形)に関わらず、オーミックコンタクト層63により下地に対してオーミック接触を得ることが可能となる。ただし、この群の金属材料は、波長が200nm〜300nmの光に対して透明性を有していないので、厚みを5nm以下(つまり、5nmを超えない)にして形成することが好ましい。言い換えれば、オーミックコンタクト層63の厚みを5nm以下とすれば、オーミックコンタクト層63の金属材料が発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、オーミックコンタクト層63での紫外光の吸収を抑制することができる。
The metal material of the
ところで、p電極6を構成する透明電極の積層構造は図1(c)および図2(a)の例に限らず、例えば、図2(b)〜(e)に示した積層構造でもよい。図2(b)は、同図(a)に対してブロック層62を備えていない点が相違し、同図(c)は、同図(a)に対してオーミックコンタクト層63を備えていない点が相違し、同図(d)は、同図(a)に対して透明金属層61における発光層4(図1(c)参照)側のブロック層62およびオーミックコンタクト層63を備えていない点が相違し、同図(e)は、同図(a)に対して透明金属層61における発光層4(図1(c)参照)側のブロック層62を備えていない点が相違する。
By the way, the laminated structure of the transparent electrode which comprises the
また、本実施形態では、p電極6を構成する透明電極が長期的に安定して動作するように、透明電極の最表面(図1(c)の例では、上側のブロック層62の表面)上に透明電極を保護する上述の保護層9を形成してある。ここで、保護層9には、導電性は必要でないため、発光波長が200〜300nmの紫外光に対して透明な絶縁材料を用いることができ、MgF2が最適である。本実施形態では、保護層9の絶縁材料がMgF2であるので、保護層9の絶縁材料として、Al2O3、SiO2などを採用する場合に比べて、保護層9に起因した光損失を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the outermost surface of the transparent electrode (in the example of FIG. 1C, the surface of the upper block layer 62) so that the transparent electrode constituting the
また、本実施形態では、透明電極の表面の一部に、上述のパッド10を備えている。ここにおいて、パッド10は、Au、Al、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成することが好ましく、このような材料により形成されたパッド10を備えることにより、パッケージや配線基板などの実装部材への実装時に、一般的なボンディングワイヤ(金細線、Al細線)などの配線の接続が容易になるから、紫外半導体発光素子と実装部材に形成された外部回路との電気的な接続が容易になる。ただし、パッド10は必ずシも設ける必要はない。
In the present embodiment, the above-described
なお、透明電極およびパッド10における成膜方法は、特に限定するものではないが、金属材料の種類などに応じて、抵抗加熱式の真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタ法などを適宜採用すればよい。
The film forming method on the transparent electrode and the
n電極7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膜との積層膜により構成してある。n電極7は、n形窒化物半導体層3に電気的に接触するものであり、接触抵抗が小さくオーミック接触が可能であれば、材料や膜厚、積層構造などは特に限定するものではない。ここで、本実施形態では、p電極6のみ透明電極により構成する例について説明したが、n電極7のみを透明電極により構成してもよいし、p電極6とn電極7との両方を透明電極により構成してもよく、いずれの場合も透明電極としては上述のp電極6と同様の構造を採用すればよい。
The n-electrode 7 is composed of a laminated film of a Ti film having a thickness of 20 nm, an Al film having a thickness of 100 nm, a Ti film having a thickness of 20 nm, and an Au film having a thickness of 200 nm. The n electrode 7 is in electrical contact with the n-type
以下、図1に示した紫外半導体発光素子の具体的な製造方法について説明する。 Hereinafter, a specific manufacturing method of the ultraviolet semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 will be described.
サファイア基板からなる単結晶基板1をMOVPE装置の反応炉内に導入した後、反応炉内の圧力を所定の成長圧力(例えば、10kPa≒76Torr)に保ちながら基板温度を所定温度(例えば、1250℃)まで上昇させてから所定時間(例えば、10分間)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し、その後、基板温度を上記所定温度と同じ成長温度(ここでは、1250℃)に保持した状態で、アルミニウムの原料であるトリメチルアルミニウム(TMAl)の流量を標準状態で0.05L/min(50SCCM)に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア(NH3)の流量を標準状態で0.05L/min(50SCCM)に設定してから、TMAlとNH3とを同時に反応炉内へ供給開始して単結晶のAlN層からなるバッファ層2を成長させる。なお、バッファ層2としては、単結晶のAlN層に限らず、単結晶のAlGaN層を採用してもよい。
After the single crystal substrate 1 made of a sapphire substrate is introduced into the reactor of the MOVPE apparatus, the substrate temperature is kept at a predetermined temperature (for example, 1250 ° C. while maintaining the pressure in the reactor at a predetermined growth pressure (for example, 10 kPa≈76 Torr). ), The one surface of the single crystal substrate 1 is cleaned by heating for a predetermined time (for example, 10 minutes), and then the substrate temperature is set to the same growth temperature (here, 1250 ° C.) as the predetermined temperature. ), The flow rate of trimethylaluminum (TMAl) that is a raw material of aluminum is set to 0.05 L / min (50 SCCM) in a standard state, and the flow rate of ammonia (NH 3 ) that is a raw material of nitrogen is set to after setting the 0.05L / min (50SCCM) under standard conditions, single sintered started supplying to the TMAl and NH 3 at the same time reactor Growing a
n形窒化物半導体層3の成長条件としては、成長温度を1200℃、成長圧力を上記所定の成長圧力(ここでは、10kPa)とし、アルミニウムの原料としてTMAl、ガリウムの原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素の原料としてNH3、n形導電性を付与する不純物であるシリコンの原料としてテトラエチルシラン(TESi)を用い、各原料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。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム(TEGa)、窒素の原料としてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてモノシラン(SiH4)を用いてもよい。
As growth conditions for the n-type
発光層4の成長条件としては、成長温度をn形窒化物半導体層3と同じ1200℃、成長圧力を上記所定の成長圧力(ここでは、10kPa)とし、アルミニウムの原料としてTMAl、ガリウムの原料としてTMGa、窒素の原料としてNH3を用いている。ここで、発光層4の障壁層の成長条件については、TESiを供給しないことを除けば、n形窒化物半導体層3の成長条件と同じに設定している。また、発光層4の井戸層の成長条件については、所望の組成が得られるように、III族原料におけるTMAlのモル比(〔TMAl〕/{〔TMAl〕+〔TMGa〕})を障壁層の成長条件よりも小さく設定している。なお、本実施形態では、障壁層に不純物をドーピングしていないが、これに限らず、障壁層の結晶品質が劣化しない程度の不純物濃度でシリコンなどのn形不純物をドーピングしてもよい。
The growth conditions of the
p形窒化物半導体層5の第1のp形窒化物半導体層および第2のp形窒化物半導体層の成長条件としては、成長温度を1050℃、成長圧力を上記所定の成長圧力(ここでは、10kPa)とし、アルミニウムの原料としてTMAl、ガリウムの原料としてTMGa、窒素の原料としてNH3、p形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料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。また、第3のp形窒化物半導体層の成長条件は、基本的に第2のp形窒化物半導体層の成長条件と同じであり、TMAlの供給を停止している点が相違する。ここにおいて、第1〜第3のp形窒化物半導体層のいずれの成長時もCp2Mgの流量は標準状態で0.02L/min(20SCCM)とし、第1〜第3のp形窒化物半導体層それぞれの組成に応じてIII族原料のモル比(流量比)を適宜変化させる。
The growth conditions of the first p-type nitride semiconductor layer and the second p-type nitride semiconductor layer of the p-type
上述の各成長条件で、単結晶基板1の上記一表面側へ、バッファ層2、n形窒化物半導体層3、発光層4、p形窒化物半導体層5を順次成長させる結晶成長工程が終了した後で、バッファ層2、n形窒化物半導体層3、発光層4、p形窒化物半導体層5の積層構造を有する単結晶基板1をMOVPE装置の反応炉から取り出す。
The crystal growth step of sequentially growing the
その後、n電極7およびp電極6を形成する電極形成工程を行う。
Then, the electrode formation process which forms the n electrode 7 and the
この電極形成工程では、まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、バッファ層2とn形窒化物半導体層3と発光層4とp形窒化物半導体層5との積層膜においてメサ構造の上面に対応する領域上にレジスト層(以下、第1のレジスト層と称する)を形成する。続いて、当該第1のレジスト層をマスクとして反応性イオンエッチングによりp形窒化物半導体層5の表面側からn形窒化物半導体層3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。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。
In this electrode formation step, first, the upper surface of the mesa structure is supported in the laminated film of the
上述のメサ構造を形成した後、第1のレジスト層を除去してから、単結晶基板1の上記一表面側の全面に絶縁膜8の基礎となるSiO2膜をPECVD法により形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を利用して、単結晶基板1の上記一表面側に上記SiO2膜のうちn電極7およびp電極6の形成予定領域に重なる部位などが開口されたレジスト層(以下、第2のレジスト層と称する)を形成する。続いて、第2のレジスト層をマスクとして上記SiO2膜の露出部位を、BHF(バッファードフッ酸)を用いたウェットエッチングにより除去することによって、パターニングされたSiO2膜からなる絶縁膜8を形成する。
After forming the above mesa structure, the first resist layer is removed, and then the SiO 2 film that forms the basis of the insulating
次に、単結晶基板1の上記一表面側におけるn電極7の形成予定領域のみ(つまり、n形窒化物半導体層3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3のレジスト層を形成する。その後、n電極7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、n電極7とn形窒化物半導体層3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(急速熱アニール処理)を行う。なお、n電極7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膜との積層膜とし、RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を900℃、アニール時間を1分とすればよい。
Next, the single crystal substrate 1 is patterned so that only the region where the n electrode 7 is to be formed on the one surface side (that is, a part of the n-type
次に、単結晶基板1の上記一表面側におけるp電極の形成予定領域のみ(つまり、p形窒化物半導体層5の表面の一部)が露出するようにパターニングされた第4のレジスト層を形成する。その後、p電極6におけるオーミックコンタクト層63の基礎となる厚みが2nmのNi膜の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4のレジスト層および当該第4のレジスト層上の不要膜(不要なNi膜)を除去する。続いて、N2ガス雰囲気中において所定のアニール温度(例えば、700℃)、アニール時間(20分)で熱アニール処理を行うことによって、オーミックコンタクト層63を形成する。
Next, a fourth resist layer patterned so that only the p electrode formation scheduled region (that is, part of the surface of the p-type nitride semiconductor layer 5) on the one surface side of the single crystal substrate 1 is exposed. Form. Thereafter, a Ni film having a thickness of 2 nm as a base of the
その後、オーミックコンタクト層63に対応する部位(つまり、p電極6の形成予定領域に対応する部位)が開口されたメタルマスクを用いて、オーミックコンタクト層63上に、膜厚が2nmのSb膜からなるブロック層62と、膜厚が50nmのK膜からなる透明金属層61と、膜厚が2nmのSb膜のブロック層62との積層膜を、抵抗加熱式の真空蒸着法により同一の真空蒸着装置で連続的に成膜した。
Thereafter, an Sb film having a film thickness of 2 nm is formed on the
その後、同じ真空蒸着装置内で、真空をブレークすることなく、別のメタルマスクを用いて、膜厚が200nmのMgF2膜からなる保護層9を成膜する。
Thereafter, the
その後、同じ真空蒸着装置内で、真空をブレークすることなく、他のメタルマスクを用いて、膜厚が300nmのAl膜からなるパッド10を成膜することにより、図1の構成の紫外半導体発光素子が得られる。
Thereafter, a
なお、上述の紫外半導体発光素子の製造にあたっては、パッド10の形成が終了するまでの全工程をウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の紫外半導体発光素子に分割すればよい。
In manufacturing the above-described ultraviolet semiconductor light-emitting device, all steps until the formation of the
以上説明した本実施形態の紫外半導体発光素子は、n形窒化物半導体層3およびp形窒化物半導体層5それぞれに接触する一対の電極(p電極6およびn電極7)のうちの少なくとも一方の電極が、200nm〜300nmの紫外域の発光波長の紫外光に対する光吸収係数が5×104cm−1以下である金属材料により形成された透明金属層61を少なくとも有する透明電極からなることにより、発光層5で発光した紫外光の電極での吸収を抑制することができて光取り出し効率の向上を図れるとともに、透明電極の低抵抗化を図れるから、発光効率の向上を図れる。しかも、紫外光の発光波長において透明な絶縁材料により形成され透明電極を保護する保護層9を備えているので、透明電極の酸化などによる劣化が起こりにくく長期安定性および信頼性の向上を図れる。
The ultraviolet semiconductor light emitting device of the present embodiment described above has at least one of a pair of electrodes (
また、上記実施形態では、紫外半導体発光素子をMOVPE法を利用して製造する方法について例示したが、結晶成長方法は、MOVPE法に限定するものではなく、例えば、ハライド気相成長法(HVPE法)や、分子線エピタキシー法(MBE法)などを採用してもよい。 In the above-described embodiment, the method of manufacturing the ultraviolet semiconductor light emitting element using the MOVPE method is exemplified. However, the crystal growth method is not limited to the MOVPE method. For example, the halide vapor phase growth method (HVPE method) is used. ), Molecular beam epitaxy (MBE), or the like.
また、上記実施形態の紫外半導体発光素子では、発光層4の発光波長が200nm〜300nmの範囲内で適宜設定されるので、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 semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the light emission wavelength of the
1 単結晶基板
2 バッファ層
3 n形窒化物半導体層
4 発光層
5 p形窒化物半導体層
6 p電極(透明電極)
7 n電極
9 保護層
10 パッド
61 透明金属層
62 ブロック層
63 オーミックコンタクト層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
7
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