JP2005012063A

JP2005012063A - 紫外発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2005012063A
Application number: JP2003176228A
Authority: JP
Inventors: Akito Kuramata; 朗人倉又
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】３７０ｎｍ以下の波長の紫外光を高輝度で出力する紫外発光素子を提供する。
【解決手段】紫外発光素子は、表面に所定の凹凸を有する基板（１１）と、この基板上に結晶成長した窒化アルミニウム単結晶層（１２）と、窒化アルミニウム単結晶層上に設けられた波長が３７０ｎｍ以下の紫外光を発光する発光層（１４）とを備える。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、波長３７０ｎｍ以下の紫外域での発光波長を有する紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）は、樹脂硬化分析や医療用マーカの照射光源、光触媒の励起光源、あるいは白色ＬＥＤを実現するための構成部品として、種々の用途が期待されている。
【０００３】
紫外ＬＥＤの発光層の材料としては、通常ＩｎＧａＮが用いられるが、短波長にするためにインジウム（Ｉｎ）の組成を減らしていくと、出力が著しく低下する。これは、Ｉｎ組成揺らぎによる局在化の効果が低減し、非発光再結合中心にキャリアが捕獲される割合が高くなるためと考えられている。
【０００４】
紫外ＬＥＤの光出力を大きくするためには、転位密度を低減するのが有効であることが知られている。非発光再結合中心の発生は貫通転位に起因すると考えられるため、転位密度を低減することによって非発光再結合中心の形成を抑制し、活性層での発光効率を改善しようとするものである。
【０００５】
紫外発光素子の転位密度を低減する方法として、横方向のラテラル成長を利用する方法がある（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、窒化ガリウム（ＧａＮ）の横方向成長を利用して転位密度を低減した、発光波長３７０ｎｍのＬＥＤが実現されている。
【０００６】
図１は、このような紫外ＬＥＤの断面構成を示す。基板１０１上に、バッファ層１０２を介してストライプ状に形成されたＧａＮシード層１０３から、ＧａＮを縦方向と横方向に同時に成長させ、隣接するシード（不図示）から横方向に成長してきた結晶と合体、平坦化することにより、転位密度が低減された平坦な表面のＧａＮ低転位化層１０４を実現している。この低転位化層１０４上に、ｎ型コンタクト層１０５、ｎ型クラッド層１０６、活性層１０７、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９から成るＬＥＤ構造を設けている。ｐ型コンタクト１０９とｎ型コンタクト１０５には、それぞれｐ電極１１０とｎ電極１１１が接続され、ｐ電極１１０上に電極パッドが設けられている。
【０００７】
また、転位密度を低減するために、転位が屈曲する現象を利用する方法も知られている（たとえば、特許文献２参照）。図２は、このような方法で作製された紫外ＬＥＤの断面構成を示す。凹凸形状を有する基板２０１上に、ＧａＮ系の低温バッファ層２０２を介してＧａＮ低転位化層２０４を成長する。凹凸形状が平坦になっていく過程において転位が屈曲する現象を利用し、転位同士を合体させて、あるいは、転位線を側面に抜けさせることによって転位密度を低減している。結晶成長により凹凸を埋め込むことによって低転位の平坦面が得られ、その上にｎ型クラッド層２０６、活性層２０７，ｐ型クラッド層２０８、ｐ型コンタクト層２０９が積層されたＬＥＤ構造を配置している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−６０７１９号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−２８０６０９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したいずれの従来技術においても、低転位化を実現するためにＧａＮの低転位化層を用いている。しかし、発光波長をＧａＮのバンドギャップに相当する３７０ｎｍ以下にしようとすると、発光効率が著しく低下する。たとえば、発光層（あるいは活性層）を３６０ｎｍの光を発光する組成に設計すると、３７１ｎｍの発光波長の場合と比較して、発光効率は１／１０に低下し、出力は半分以下になる。これは、発光層性層から出る光が低転位化層を構成するＧａＮに吸収されてしまい、ＬＥＤの光出力が妨げられるからだと考えられる。
【００１１】
これでは、転位密度を低減して発光効率を改善したにもかかわらず、光が吸収され、発光効率の改善が無駄になってしまう。
【００１２】
一方で、光触媒として用いられるルチル型二酸化チタンの照射光として、３６０ｎｍ以下の紫外光の実用化が望まれている。また、医療用マーカの蛍光体を光らせる照射光としても、波長が３５０ｎｍ以下の紫外光が要求されている。
【００１３】
そこで、本発明は、３７０ｎｍ以下の短波長の光を高出力で発光する紫外ＬＥＤと、その製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、基本的には、凹凸基板上に結晶層を成長して低転位化を図る手法を採用する。また、低転位化層の材料として、エネルギーバンドギャップが大きい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる。
【００１５】
具体的には、本発明の第１の側面では、半導体発光素子は、表面に所定の凹凸を有する基板と、この基板の凹凸上に結晶成長した窒化アルミニウム単結晶層と、窒化アルミニウム単結晶層上に設けられた波長が３７０ｎｍ以下の紫外光を発光する発光層とを備える。
【００１６】
基板表面の凹凸は、窒化アルミニウム結晶の［１１−２０］方向に沿ったストライプ状の凹凸であるのが望ましい。
【００１７】
発光層は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、波長が２００ｎｍ〜３７０ｎｍの紫外光を発光する組成を有する。発光層は、たとえば単層の量子井戸、あるいは多重量子井戸（ＭＱＷ）である。
【００１８】
この構成では、凹凸基板上に結晶成長された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層において、転位の屈曲現象により転位が低減されており、非発光再結合中心の形成が抑制されている。また、ＡｌＮのバンドギャップは６．２ｅＶと大きいため、波長２００ｎｍ以上の光に対しては透明である。したがって、本発明で想定している波長２００ｎｍ〜３７０ｎｍの波長の光に対して、光吸収による光出力の低下という問題がない。このように、窒化アルミニウム層において、低転位化と紫外光に対する透明性の双方を確保することによって、３７０ｎｍ以下の波長の光を実用に適したパワーで出力することが可能になる。
【００１９】
本発明の第２の側面では、半導体発光素子の製造方法は、
（ａ）表面に所定の凹凸形状が加工された基板を形成する工程と、
（ｂ）基板の表面から、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を結晶成長させて、表面が平坦なＡｌＮ層を形成する工程と、
（ｃ）前記窒化アルミニウム層上に、第１導電型のクラッド層、活性層、第１導電型とは逆の２導電型のクラッド層を順次成長して、波長３７０ｎｍ以下の紫外光の発光構造を形成する工程とを含む。
【００２０】
表面に凹凸がある基板上にＡｌＮを成長すると、成長が進むにつれ表面が凹凸から平坦へと変化していくが、その過程で転位が屈曲し合体し、あるいは側面に抜けて、転位線がそこで終端する。したがって、ＡｌＮをある程度の膜厚に成長することで、低転位化された平坦な表面が得られる。
【００２１】
基板表面の凹凸は、たとえばリソグラフ工程とエッチング工程を組み合わせて形成することができる。
【００２２】
表面の凹凸形状をストライプ状にする場合は、ストライプが窒化アルミニウム結晶の［１１−２０］方向に沿って延びるように基板を加工する。ストライプ状の凹凸をこの方向にそって形成することによって、窒化アルミニウムの横方向への成長が抑制され、ＡｌＮ結晶の成長過程で斜めのファセットが形成されやすくなる。したがって、基板から上方に伝播した転位線がファセット面で屈曲され、貫通転位を低減することができる。
【００２３】
結果として、発光効率を改善し、かつ、窒化アルミニウム層で紫外光の吸収が起きないので、高出力の紫外線ＬＥＤが製造される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下で、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態に係る紫外発光素子（ＬＥＤ）の断面構成図である。紫外発光素子は、表面に凹凸を有する基板１１と、基板１１上に位置する表面が平坦な窒化アルミニウム（ＡｌＮ）低転位化層１２を有する。ＡｌＮ低転位化層１２の上に、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６のＬＥＤ積層構造を有する。
【００２６】
ｐ型コンタクト層１６上にｐ電極１７が位置し、ｐ電極１７上に電極パッド１９が設けられている。一方、一部露出されたｎ型クラッド層１３上に、ｎ電極１８が設けられている。
【００２７】
基板１１は、実施形態ではサファイア基板を用いる。しかし、この例に限定されるわけではなく、活性層１４の発光波長に対して透明であり、かつ結晶成長の雰囲気に耐えられる物質であれば、任意の基板を用いることができる。たとえば、マグネシアスピネル等を使用してもよい。
【００２８】
凹凸形状は、任意の形状を採用することができ、規則的なパターンでも不規則なものでもよい。多角形や円形を並べた形状、直線ストライプ、同心円などのパターンで凹凸を形成できる。
【００２９】
基板１１の表面の凹凸パターンを直線ストライプ状とする場合は、凸部の幅ｗ１を０．１μｍ〜１０μｍ、凹部の幅ｗ２を０．１μｍ〜１０μｍ、深さｄを０．１μｍ〜１０μｍの範囲で適宜設定できる。
【００３０】
凹凸形状として直線ストライプを選択する場合は、ストライプの方向が，ＡｌＮの［１１−２０］方向と平行であることが望ましい。この場合、成長初期に、ストライプの凹凸を埋め込んで成長するＡｌＮ単結晶の横方向の成長が抑制されて、成長面が三角形状に傾斜するので、ＡｌＮ層の成長につれて基板１１からの転位線が屈曲して成長面に抜け、最終的な平坦なＡｌＮ層１２の転位密度が低減される。
【００３１】
ＡｌＮ層１２の厚さに関しては，凹凸パターン形状、寸法、ＡｌＮ層１２の成長条件に応じて、表面が平坦化するまでの厚さが異なるが，概ね凹部の幅ｗ２の数倍程度の厚さとすることで、ＣＭＰ等の加工を必要とせずに平坦な表面が得られる。
【００３２】
ＡｌＮ層１２上のｎ型クラッド層１３は、たとえば膜厚２μｍであり、実施形態では、シリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎを用いる。もっとも、活性層の波長に応じて、十分なキャリア閉じ込めが可能となるようなバンドギャップを有する物質を選択すればよいので、ターゲットとする発光波長に応じて、組成が決定される。ｎ型の不純物濃度も特に限定されず、抵抗と結晶性を考慮して適宜設定される。
【００３３】
活性層１４は、本実施形態では、膜厚２．８ｎｍのＩｎ_０．０５Ａｌ_０．３４Ｇａ_０．６１Ｎ量子井戸と、膜厚７ｎｍのＩｎ_０．０２Ａｌ_０．６０Ｇａ_０．３８Ｎ障壁層とを３周期繰り返すＭＱＷ構造とする。この場合、発光波長は３４０ｎｍとなる。活性層の組成、膜厚、周期数は、ターゲットとする発光波長に合わせて、２００ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲で適宜調節することができる。さらに短波長側の紫外光を発光させる場合は、活性層のＡｌの組成を大きくするとともに、クラッド層のＡｌ組成も増大させてバンドギャップを大きくすることによって、キャリアを閉じ込める。
【００３４】
ｐ型クラッド層１５には，例えば，マグネシウム（Ｍｇ）がドープされた膜厚１２ｎｍのｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎと、膜厚３ｎｍのｐ−ＧａＮを１０周期繰り返した超格子（ＳＬ）の多層構造とする。超格子を用いるのは、抵抗率を低減するためである。ｎ型クラッド層１３と同様に、活性層１４の波長に応じて，十分なキャリア閉じ込めが可能となるようなバンドギャップを有する物質を選択することができる。
【００３５】
ｐ型コンタクト層１６には、例えば，膜厚が５０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープされたｐ−ＧａＮ層を用いる。ｐ電極１７を構成する金属に対して接触抵抗が低い物質を用いる。また光吸収を避けるため、厚さは薄いほうが好ましい。
【００３６】
ｐ電極１７は、透光性のある金属材料の薄膜とする。ｐ電極１７上には、ボンディング用のＡｕ電極パッド１９を有する。一方、一部露出したｎ型クラッド層１３の表面に、ｎ電極１８を有する。
【００３７】
図４および５は、図３に示す紫外ＬＥＤの製造工程を示す図である。
【００３８】
まず、図４（ａ）に示すように、たとえばサファイア基板１１の表面に、所定の凹凸を形成する。基板表面の凹凸は、例えば、通常のリソグラフィ工程とエッチング工程を組み合わせることによって形成される。あるいは、ダイシング、レーザ加工により凹凸パターンを形成してもよい。
【００３９】
基板１１表面にストライプ状の凹凸を形成する場合は，ストライプの方向を、次工程で基板１１上に形成する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）結晶の［１１−２０］方向と平行にするのが望ましい。凸部と凹部の幅は、例えば１μｍとする。深さは，例えば、０．５μｍに設定する。
【００４０】
次に、図４（ｂ）に示すように、基板１１の凹凸面上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を成長する。成長方法としては、例えば、通常のＭＯＣＶＤ法を用いる。成長条件は、一例として、成長温度１１００℃、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の供給量が１ｓｃｃｍ、ＮＨ３（アンモニア）の供給量が１．２ｓｌｍとする。基板１１の凹凸上に形成されるＡｌＮ結晶の形状は、ストライプの方向、成長温度、ＴＭＡとアンモニアの流量比などによって変化するが、ＡｌＮ結晶の成長初期に、図４（ｂ）に示すような三角形状のファセット１２ａが形成されるように、凹凸形状と、成長条件を組み合わせるのが望ましい。
【００４１】
上述したように、基板の凹凸形状をＡｌＮ結晶の［１１−２０］方向と平行に形成しているので、基板１１表面の凸部あるいは凹部から成長するＡｌＮの横方向の成長が抑制され、斜めのファセット１２ａが形成されやすくなる。
【００４２】
次に、図４（ｃ）に示すように、ＡｌＮの成長を続けると、成長初期には基板１１の凸部の上面と凹部の底面に分かれていたＡｌＮが、基板１１の凹凸を乗り越えて合体する。合体したばかりの状態では，ＡｌＮ層１２ｂの表面はまだ凹凸になっている。このような傾斜した凹凸表面を有する状態で結晶成長を行うことにより、基板１１側から伝播した転位線が、ＡｌＮの凹凸面（傾斜したファセット面）で横方向に屈曲して貫通転位が低減し、全体として転位密度が低減する。
【００４３】
次に、図４（ｄ）に示すように、さらに成長を続けると、ＡｌＮの表面が平坦化し、表面が平坦なＡｌＮ層１２が形成される。このときのＡｌＮ層１２の厚さは、例えば３μｍである。
【００４４】
この実施形態のように、基板１１の凹凸表面から表面が平坦になる厚さまでＡｌＮ層１２を成長してもよいし、所定の厚さになったところで、表面研磨により平坦化する方法を採用してもよい。
【００４５】
次に、図５（ｅ）に示すように、平坦化したＡｌＮ層１２上に、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６を順次成長して、ＬＥＤ積層構造を形成する。
【００４６】
ｎ型クラッド層１３は、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ３（アンモニア）、ＳｉＨ４（シラン）を所定の流量で供給して、シリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎを膜厚２μｍに成長する。
【００４７】
活性層１４は、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアの供給量を制御して、アンドープのＩｎ_０．０５Ａｌ_０．３４Ｇａ_０．６１Ｎと、Ｉｎ_０．０２Ａｌ_０．６０Ｇａ_０．３８Ｎを、それぞれ膜厚２．８ｎｍと７ｎｍで交互に成長して、１０周期のＭＱＷを形成する。
【００４８】
ｐ型クラッド層１５は、たとえばＴＭＧ，ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）の供給を制御して、Ｍｇをドープしたｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎと、ｐ−ＧａＮを、それぞれ膜厚１２ｎｍと３ｎｍずつ交互に１０周期成長する。このようにｐ型クラッド層１５を超格子構造として、抵抗を低減する。
【００４９】
ｐ型コンタクト層１６は、ＴＭＧとアンモニアとＣｐ_２Ｍｇを所定の流量で供給して、Ｍｇドープされたｐ−ＧａＮを膜厚５０ｎｍに成長する。
【００５０】
次に、図５（ｆ）に示すように、ＬＥＤ積層構造の一部を、たとえば通常のリソグラフィ工程とＲＩＥなどのエッチング工程の組み合わせで除去し、ｎ型クラッド層１３の一部を露出する。この後、ｐ電極１７とｎ電極１８を、ｐ型コンタクト層１５と露出したｎ型クラッド層１３上に、蒸着等により形成する。本実施形態では、ｐ電極１７は、透光性のある金属材料、たとえばＮｉＡｕを用いて、膜厚２０ｎｍ程度に形成する。さらに、ｐ電極１７上にボンディング用の電極パッド１９を形成する。最後に、素子をウエハから切り出してＬＥＤ素子とする。
【００５１】
図６は、本発明の紫外ＬＥＤの変形例を示す。図６の構成では、ｐ型コンタクト層１６上に設けるｐ電極２７の膜厚を厚くして、電極としての機能とともに、反射膜としての機能を持たせる。ｐ電極２７は、たとえばＲｈ（ロジウム）で膜厚２００ｎｍとする。この場合、電極パッド２９をｐ電極２７の全面に形成する。活性層１４で発光した光のうち、ｐクラッド層１５側に放射した光はｐ電極／反射膜２７で反射されて、基板１１側に戻る。しがたって、光の出射方向は、矢印で示すように、基板裏面から出射する構成となる。
【００５２】
ＡｌＮ低転位化層は、図３の例と同様に、基板の凹凸表面から成長したものであり、転位密度を低減してある。また、活性層１４は、波長が２００ｎｍ〜３７０ｎｍの紫外光を発光する組成となっている。
【００５３】
最後に、上記説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）表面に所定の凹凸を有する基板と、
前記基板上に結晶成長した窒化アルミニウム単結晶層と、
前記窒化アルミニウム単結晶層上に設けられた波長が３７０ｎｍ以下の紫外光を発光する発光層と
を備える紫外発光素子。
（付記２）前記凹凸は、窒化アルミニウム結晶の［１１−２０］方向に沿ったストライプ状の凹凸であることを特徴とする付記１に記載の紫外発光素子。
（付記３）前記発光層は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、波長が２００ｎｍ〜３７０ｎｍの紫外光を発光する組成を有することを特徴とする付記１に記載の紫外発光素子。
（付記４）前記発光層は、Ｉｎ_０．０５Ａｌ_０．３４Ｇａ_０．６１Ｎの量子井戸と、Ｉｎ_０．０２Ａｌ_０．６０Ｇａ_０．３８Ｎの障壁を所定周期繰り返す多重量子井戸構造を有することを特徴とする付記３に記載の紫外発光素子。
（付記５）前記窒化アルミニウム単結晶層上で、前記発光層を挟み込む互いに異なる導電型のクラッド層をさらに備えることを特徴とする付記１に記載の紫外発光素子。
（付記６）前記基板は、前記発光層の発光波長に対して透明な材料で構成されることを特徴とする付記１に記載の紫外発光素子。
（付記７）表面に所定の凹凸を加工した基板を形成する工程と、
前記基板の表面から、窒化アルミニウムを結晶成長させて、表面が平坦な窒化アルミニウム層を形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層上に、第１導電型のクラッド層、活性層、第１導電型とは逆の２導電型のクラッド層を順次成長して、波長３７０ｎｍ以下の紫外光の発光構造を形成する工程と
を含む紫外発光素子の製造方法。
（付記８）前記基板の準備工程は、前記基板の表面を、窒化アルミニウム結晶の［１１−２０］方向に沿ったストライプ状の凹凸に加工する工程をさらに含むことを特徴とする付記７に記載の紫外発光素子の製造方法。
（付記９）前記窒化アルミニウム層の形成工程は、表面が平坦化する厚さまで前記窒化アルミニウムを結晶成長させることを特徴とする付記７または８に記載の紫外発光素子の製造方法。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、波長２００ｎｍ以上の光に対して透明なＡｌＮ結晶で転位を低減しているので、低転位化と透明性の確保を両立できる。
【００５５】
この結果、３７０ｎｍ以下の波長の紫外光を高出力する紫外ＬＥＤが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】転位を低減した従来の紫外発光素子の構成例を示す図である。
【図２】転位を低減した従来の紫外発光素子の別の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る紫外発光素子の断面構成を示す図である。
【図４】図３に示す紫外発光素子の製造工程図（その１）である。
【図５】図３に示す紫外発光素子の製造工程図（その２）である。
【図６】本発明の紫外発光素子の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１１基板
１２窒化アルミニウム（ＡｌＮ）低転位化層
１３ｎ型クラッド層
１４活性層（発光層）
１５ｐ型クラッド層
１６ｐ型コンタクト層
１７ｐ電極
１８ｎ電極
１９、２９電極パッド
２７ｐ電極／反射膜

Claims

表面に所定の凹凸を有する基板と、
前記基板上に結晶成長した窒化アルミニウム単結晶層と、
前記窒化アルミニウム単結晶層上に設けられた波長が３７０ｎｍ以下の紫外光を発光する発光層と
を備える紫外発光素子。
前記凹凸は、窒化アルミニウム結晶の［１１−２０］方向に沿ったストライプ状の凹凸であることを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子。
前記発光層は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、波長が２００ｎｍ〜３７０ｎｍの紫外光を発光する組成を有することを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子。
前記窒化アルミニウム単結晶層上で、前記発光層を挟み込む互いに異なる導電型のクラッド層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子。
表面に所定の凹凸を加工した基板を形成する工程と、
前記基板の表面から、窒化アルミニウムを結晶成長させて、表面が平坦な窒化アルミニウム層を形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層上に、第１導電型のクラッド層、活性層、第１導電型とは逆の２導電型のクラッド層を順次成長して、波長３７０ｎｍ以下の紫外光の発光構造を形成する工程と
を含む紫外発光素子の製造方法。