CN110998876A - 半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

半导体发光元件(10)包括：设于基板(20)上的n型氮化铝镓(AlGaN)系半导体材料的n型包覆层(24)；设于n型包覆层(24)上、被以发出波长300nm以上且360nm以下的深紫外光的方式构成的AlGaN系半导体材料的活性层(26)；以及设于活性层(26)上的p型半导体层。n型包覆层(24)被构成为波长300nm以下的深紫外光的透射率为10％以下。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体发光元件。
背景技术
近年，输出深紫外光的半导体发光元件的开发正在推进。深紫外光用的发光元件具有在氮化铝层(AlN)上依次层叠的氮化铝镓(AlGaN)系的n型包覆层、活性层、p型包覆层。例如，使用AlN摩尔分数超过50％的n型包覆层，以实现300nm以下的发光波长(例如，参照专利文献1)。
使用紫外线治疗作为针对特定的皮肤疾病的治疗方法。作为用于紫外线治疗的主要设备，有UVA波照射装置、UVB波照射装置、窄谱UVB(NB-UVB)照射装置等，分别使用荧光灯作为光源。近年来，308nm的紫外线作为治疗效果高的紫外线受到关注，使用氯化氙(XeCl)的准分子放电灯(所谓准分子灯)作为可输出308nm的波长的光源(例如，参照专利文献2)。
[在先技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特开2007-227494号公报
专利文献2：日本特开2008-73148号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
在紫外线治疗中，优选使用波长300nm以上的紫外线，特别是已知308～311nm附近的紫外线对治疗有效。另一方面，照射造成的不良影响大的波长小于300nm的紫外线优选不照射于治疗对象。
本发明鉴于以上课题而完成，其示例性的目的之一在于提供一种可输出适于紫外线治疗的波长的紫外光的半导体发光元件。
[用于解决技术课题的技术方案]
本发明的一种方案的半导体发光元件包括：设于基板上的n型氮化铝镓(AlGaN)系半导体材料的n型包覆层24；设于n型包覆层上、被以发出波长300nm以上且360nm以下的深紫外光的方式构成的AlGaN系半导体材料的活性层；以及设于活性层上的p型半导体层。n型包覆层被构成为波长300nm以下的深紫外光的透射率为10％以下。
根据本方案，能够输出适于紫外线治疗的波长300nm以上的深紫外光，并由n型包覆层使输出光中的波长小于300nm的不适于照射治疗的成分衰减。由此，不另行设置用于截断波长小于300nm的紫外光的波长滤波器也能够提供适于紫外线治疗的紫外光。
也可以是，n型包覆层被构成为活性层发出的深紫外光的峰值波长的透射率为70％以上。
也可以是，活性层具有量子阱构造，该量子阱构造包含AlGaN系半导体材料的一个以上的阱层，以及AlN摩尔分数高于阱层的AlGaN系半导体材料的一个以上的势垒层。也可以是，n型包覆层的AlN摩尔分数与阱层的AlN摩尔分数的差为10％以下。
也可以是，阱层的AlN摩尔分数为30％以下，n型包覆层的AlN摩尔分数为40％以下。
也可以是，活性层发出的深紫外光的峰值波长为305nm以上且315nm以下。
也可以是，还包括设于基板上的AlN的基底层；以及设于基底层与n型包覆层之间，AlN摩尔分数为40％以上且小于60％的AlGaN系半导体材料的缓冲层。
[发明效果]
根据本发明，能够提供一种可输出适于紫外线治疗的波长的紫外光的半导体发光元件。
附图说明
图1是概略地表示实施方式的半导体发光元件的构成的剖面图。
图2是示意性地表示半导体发光元件的能带的图。
图3是表示AlGaN系半导体材料的光吸收特性的曲线图。
图4是示意性地表示半导体发光元件的光输出的波长特性的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。此外，在说明中对相同的要素标注相同的附图标记，适当省略重复的说明。另外，为了帮助说明的理解，各附图中的各构成要素的尺寸比，不一定与实际的发光元件的尺寸比一致。
图1是概略地表示实施方式的半导体发光元件10的构成的剖面图。半导体发光元件10是被以发出中心波长λ为约360nm以下的“深紫外光”的方式构成的LED(LightEmitting Diode：发光二极管)芯片。为输出这样波长的深紫外光，半导体发光元件10由带隙为约3.4eV以上的氮化铝镓(AlGaN)系半导体材料构成。
本实施方式的半导体发光元件10被构成为发出峰值波长305nm以上且315nm以下的深紫外光，输出适于紫外线治疗的波段的紫外光。特别是输出被称为窄谱UVB的波长311nm±2nm的紫外线、作为治疗效果高的紫外线而受到关注的波长308nm～311nm的紫外线。另一方面，半导体发光元件10被构成为波长小于300nm的不适于紫外线治疗的波段的紫外光强度变小。
在本说明书中，“AlGaN系半导体材料”是指主要包括氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的半导体材料，也包括含有氮化铟(InN)等其它材料的半导体材料。因此，本说明书中提到的“AlGaN系半导体材料”例如可以用In1-x-yAlxGayN(0≦x+y≦1、0≦x≦1、0≦y≦1)的组分来表示，包括AlN、GaN、AlGaN、氮化铝铟(InAlN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(InAlGaN)。
另外，为了区别“AlGaN系半导体材料”中的实质上不包含AlN的材料，有时称作“GaN系半导体材料”。“GaN系半导体材料”中主要包括GaN及InGaN，其中也包括含有微量的AlN的材料。同样，为了区别“AlGaN系半导体材料”中的实质上不包含GaN的材料，有时称作“AlN系半导体材料”。“AlN系半导体材料”中主要包括AlN及InAlN，其中也包括含有微量的GaN的材料。
半导体发光元件10具备基板20、基底层21、缓冲层22、n型包覆层24、活性层26、电子阻挡层28、p型包覆层30、n侧电极32、以及p侧电极34。
基板20是针对半导体发光元件10发出的深紫外光具有透光性的基板，例如是蓝宝石(Al2O3)基板。基板20具有第1主表面20a和第1主表面20a的相反侧的第2主表面20b。第1主表面20a是作为用于使比基底层21靠上的各层成长的结晶成长面的一主表面。第2主表面20b是作为用于将活性层26发出的深紫外光取出到外部的光取出面的一主表面。在变形例中，基板20也可以是氮化铝(AlN)基板。
基底层21形成于基板20的第1主表面20a上。基底层21是用于使比缓冲层22靠上的各层形成的基础层(模板层)。基底层21例如是未掺杂的AlN层，具体地说是高温生长的AlN(HT-AlN：High Temperature AlN：高温氮化铝)层。此外，在基板20是AlN基板的情况下，基底层21也可以为高AlN组分(例如80％以上)的AlGaN层。在基板20是AlN基板的情况下，也可以不设基底层21。
缓冲层22是形成于基底层21上的AlGaN系半导体材料层。缓冲层22可以是未掺杂的AlGaN层，也可以是掺杂硅(Si)作为n型的杂质的n型AlGaN层。缓冲层22的AlN摩尔分数优选为40％以上且小于60％，优选为45％～55％程度。缓冲层22的厚度为0.1μm～3μm程度，例如为1μm～2μm程度。此外，也可以不设缓冲层22。
n型包覆层24形成于缓冲层22上。n型包覆层24是n型的AlGaN系半导体材料层。n型包覆层24以活性层26发出的深紫外光的峰值波长的透射率为70％以上，而300nm以下的紫外光的透射率为10％以下的方式选择组分比及厚度。n型包覆层24被构成为AlN摩尔分数为30％以上且40％以下，例如，被构成为34％以上且38％以下。n型包覆层24的厚度为0.1μm～5μm程度，例如为0.5μm～3μm程度。
比较缓冲层22及n型包覆层24，被构成为n型包覆层24的AlN摩尔分数低于缓冲层22。反言之，被构成为缓冲层22的AlN摩尔分数高于n型包覆层24。通过提高缓冲层22的AlN摩尔分数，能够缓和由AlN或高AlN组分的AlGaN构成的基底层21与缓冲层22之间的晶格常数差。
为提高n型包覆层24的结晶品质，优选缓冲层22与n型包覆层24的AlN组分的差异尽可能地小。优选缓冲层22与n型包覆层24的AlN摩尔分数的差为5％以上且25％以下，例如，优选为10％以上且20％以下。
活性层26由AlGaN系半导体材料构成，被夹在n型包覆层24与电子阻挡层28之间形成双异质接合构造。活性层26具有单层或多层的量子阱构造，例如，以由未掺杂的AlGaN系半导体材料形成的势垒层，与由未掺杂的AlGaN系半导体材料形成的阱层的层叠体构成。为输出波长355nm以下的深紫外光，活性层26被构成为带隙为3.4eV以上，例如，以发出峰值波长为305nm以上且315nm以下的深紫外光的方式选择AlN组分比。例如，被构成为阱层的AlN组分比为25％以上且35％以下，势垒层的AlN组分比为45％以上且55％以下。另外，阱层的AlN组分比被构成为与n型包覆层24的AlN组分比的差为10％以下。
电子阻挡层28形成于活性层26上。电子阻挡层28是未掺杂或p型的AlGaN系半导体材料层，例如被形成为AlN的摩尔分数为40％以上，优选为50％以上。电子阻挡层28也可以被形成为AlN的摩尔分数为80％以上，也可以由实质上不包含GaN的AlN系半导体材料形成。电子阻挡层具有0.1nm～10nm程度的厚度，例如具有1nm～5nm程度的厚度。
p型包覆层30是形成于电子阻挡层28上的p型半导体层。p型包覆层30是p型的AlGaN系半导体材料层，例如是掺杂镁(Mg)作为p型的杂质的AlGaN层。p型包覆层30具有300nm～700nm程度的厚度，例如，具有400nm～600nm程度的厚度。p型包覆层30也可以由实质上不包含AlN的p型GaN系半导体材料形成。
n侧电极32形成于n型包覆层24的局部区域上。n侧电极32由在n型包覆层24上依次层叠的钛(Ti)/铝(Al)/Ti/金(Au)的多层膜形成。n侧电极32也可以设于通过将n型包覆层24的局部区域去除而露出的缓冲层22上。p侧电极34形成于p型包覆层30上。p侧电极34由在p型包覆层30上依次层叠的镍(Ni)/金(Au)的多层膜形成。
图2是示意性地表示半导体发光元件10的能带的图。特别是示意性地表示活性层26附近的导带的基态能级。图2表示由使3层的势垒层36a、36b、36c(统称为势垒层36)，与3层的阱层38a、38b、38c(统称为阱层38)交替层叠的多量子阱构造构成活性层26的情况。活性层26不限于3层的量子阱构造，可以是单层的量子阱构造，也可以是2层或4层以上的量子阱构造。
如图所示，阱层38的基态能级E0最低，n型包覆层24的基态能级E2高于阱层38的基态能级E0。缓冲层22的基态能级E1高于n型包覆层24的基态能级E2。势垒层36的基态能级高于n型包覆层24的基态能级E2，与缓冲层22的基态能级E1是相同程度。势垒层36的基态能级可以高于缓冲层22的基态能级E1，也可以低于缓冲层22的基态能级E1。
图3是表示AlGaN系半导体材料的光吸收特性的曲线图，表示AlN摩尔分数为0％、27％、34％、38％、100％的情况下的光吸收特性。该曲线图的原数据示于J.F.Muth et.al.,MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research Res.4S1,G5.2(1999)，相对于引用源的曲线图追加了表示与波长300nm及310nm对应的能量位置的虚线。如图所示，可知若使AlGaN的AlN摩尔分数增大则带隙能升高，光吸收特性的曲线向高能量侧(纸面的右侧)移动。另外，可知若使AlN摩尔分数为34％～38％程度，则能够使分别针对波长300nm及310nm的吸收系数α的差增大。此外，n型包覆层24的透射率T能够根据曲线图所示的吸收系数α及n型包覆层24的厚度t，利用T＝exp(-αt)的式而求出。
例如，在使AlN摩尔分数为34％的情况下，针对波长300nm的吸收系数是约10μm-1，针对波长310nm的吸收系数是约1.5μm-1。这种情况下，若使厚度为0.24μm程度，则能够使针对波长300nm的透射率为10％以下，并使针对波长310nm的透射率为70％以上。另外，在使AlN摩尔分数为38％的情况下，针对波长300nm的吸收系数是约0.7μm-1，针对波长310nm的吸收系数是约0.1μm-1。这种情况下，若使厚度为3.3μm程度，则能够使针对波长300nm的透射率为10％以下，并使针对波长310nm的透射率为70％以上。另外，若使AlN摩尔分数为36％程度，则通过使厚度为1～3μm程度，能够使针对波长300nm的透射率为10％以下，并使针对波长310nm的透射率为70％以上。如上述这样，通过适当地设定n型包覆层24的AlN摩尔分数及厚度，能够使波长310nm附近的紫外光透过70％以上，并使波长300nm以下的紫外光的透射率为10％以下。此外，在峰值波长非310nm的情况下，为使所希望的峰值波长的透射率为70％以上，且波长300nm的透射率为10％以下，适当调整n型包覆层的AlN组分比及厚度即可。
图4是示意性地表示半导体发光元件10的光输出的波长特性的曲线图。曲线图的实线表示设有上述构成的n型包覆层24的情况。另一方面，曲线图的虚线表示使AlN组分比高于上述n型包覆层24从而使得活性层26的输出实质上未由n型包覆层吸收的情况。如图所示，根据实施方式，能够防止半导体发光元件10的峰值波长(例如310nm)的光输出的显著下降，并使波长小于300nm的光输出大幅地减小。由此，能够以n型包覆层24来截断对人体或动物等的照射的影响大的波长小于300nm的成分，并提供适于紫外线治疗的安全性高的紫外光。
以上，基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应当理解，本发明并不限定于上述实施方式，可进行各种设计变更，可具有各种变形例，并且这些变形例也在本发明的范围内。
在上述实施方式中，表示了活性层26的峰值波长为305nm～315nm的范围的情况。在变形例中，可以被构成为输出波长320nm以上的紫外光，也可以被构成为适合于提供320nm～400nm的长波长紫外线(UVA波)。在这种情况下，也可以通过将输出320nm～360nm的波长的AlGaN系的发光元件，与输出360nm～400nm的波长的GaN系的发光元件组合，从而构成适于UVA波的照射装置。
[附图标记说明]
10…半导体发光元件，20…基板，21…基底层，22…缓冲层，24…n型包覆层，26…活性层，36…势垒层，38…阱层。
[工业可利用性]
根据本发明，能够提供一种可输出适于紫外线治疗的波长的紫外光的半导体发光元件。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，其特征在于，包括：
设于基板上的n型氮化铝镓(AlGaN)系半导体材料的n型包覆层24，
被设于所述n型包覆层上、以发出波长300nm以上且360nm以下的深紫外光的方式构成的AlGaN系半导体材料的活性层，以及
设于所述活性层上的p型半导体层；
所述n型包覆层被构成为波长300nm以下的深紫外光的透射率为10％以下。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述n型包覆层被构成为所述活性层发出的深紫外光的峰值波长的透射率为70％以上。
3.如权利要求1或者2所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述活性层具有量子阱构造，该量子阱构造包含AlGaN系半导体材料的一个以上的阱层，以及AlN摩尔分数高于所述阱层的AlGaN系半导体材料的一个以上的势垒层；
所述n型包覆层的AlN摩尔分数与所述阱层的AlN摩尔分数的差为10％以下。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述阱层的AlN摩尔分数为35％以下，所述n型包覆层的AlN摩尔分数为40％以下。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述阱层的AlN摩尔分数为25％以上且35％以下，所述势垒层的AlN组分比为45％以上且55％以下。
6.如权利要求1至5的任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述活性层发出的深紫外光的峰值波长为305nm以上且315nm以下。
7.如权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述n型包覆层被构成为波长310nm的紫外光的透射率为70％以上。
8.如权利要求6或7所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述n型包覆层是AlN组分比为34％以上且38％以下的AlGaN系半导体材料。
9.如权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述n型包覆层的厚度为0.24μm以上且3.3μm以下。
10.如权利要求1至9的任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，还包括：
设于所述基板上的AlN的基底层，以及
设于所述基底层与所述n型包覆层之间，AlN摩尔分数为40％以上且小于60％的AlGaN系半导体材料的缓冲层。
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