JP2015216352A - 紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器 - Google Patents
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Abstract
Description
ηEQE=ηIQE×ηEIE×ηLEE
の関係が成立する。
xmin=−0.0060W+2.26
により求まる下限値xmin以上の値にされていると好ましい。AlN混晶組成比xは、その下限が放射UVの主要波長の値と関連づけて決定されると、上述した透過率を実現することができる。AlN混晶組成比xは、AlNがなくGaNのみであればx=0となり、AlNのみであればx=1となる数値であり、AlGaNとまとめて記載した場合にAlxGa1−xNとも表現される。AlN混晶組成比xの下限値xminは、具体的な波長に関連づければ、例えば260nmでは0.7(70%)、280nmでは0.58(58%)である。これら以外の波長でも、上式から決まるxminを下限としてp型コンタクト層のAlN混晶組成比xが決定されていれば、透過率を高めたp型コンタクト層により、本発明の効果を発揮することができる。
の高い紫外光源が実現できることは、260〜280nmの殺菌波長の範囲において実施上の要求に適合する光源を実現できる点において重用である。
図1は、本実施形態における概念を示す説明図である。図1では左右それぞれに、従来のLED素子100および本実施形態のLED素子100Aの概略の断面構成を示す。両LED素子において、基板にいくつかの層を介し形成された発光層からは、すべての方向に光が放たれる。従来はp型コンタクト層がp型GaNであるため、深紫外の放射UVは、p型コンタクト層を通過する際に吸収されている。また、両LED素子に共通して、UVを透過させる材質の屈折率が2を越す程度である。そのため、放射UVの大半は基板から出射できず導波路モードとなって内部を伝搬する。具体的には、紫外発光層から、反射、屈折を経ずに直接外部に取り出される光は、発光した光(放射UV)のうち、基板側に向かうものに限定され、基板の法線方向から約20度程度の開き角の円錐の作る立体角の範囲の光のみに限定される。この立体角は全体の約8%程度に過ぎない。従来のp型コンタクト層を採用すると残りの成分が外部に取出される見込みはない。
図2は、従来のLED素子100および本実施形態のLED素子100Aの両者に共通する概略構成を示す斜視図である。また、図3はその概略断面図である。LED素子100および100Aでは、概して平板状のα−Al2O3単結晶であるサファイア基板110の一方の面104にバッファー層120がAlN結晶等の材質によりエピタキシャル成長される。そのバッファー層120に接するように、紫外発光層130が配置される。紫外発光層130の結晶もバッファー層120に対しエピタキシャル成長されている。紫外発光層130の構成は、従来のLED素子100であるか本実施形態のLED素子100Aであるかによらず共通している。具体的には、紫外発光層130の構成は、バッファー層120の側から、n型導電層132、再結合層134、およびp型導電層136がこの順に積層し形成されている。紫外発光層130の材質は、典型的にはAlGaNまたはそれに微量元素(n型のためにはSi、p型のためにはMgなど)をドーピングした組成である。n型導電層132には第1電極140が電気的に接続されている。これに対し、p型導電層136には、従来のLED素子100の場合には、p型コンタクト層150、さらに第2電極として作用させる反射電極160が配置される。本実施形態のLED素子100Aの場合には、p型導電層136にp型コンタクト層150Aが形成され、さらに、反射電極160Aが配置される。反射電極160または160Aは、それぞれp型コンタクト層150または150Aを介し、p型導電層136との電気的接続を確立している。そして、サファイア基板110の他方の面である光取出し面102から光出力Lが放射される。
次に、本実施形態のLED素子の製造方法を説明する。図4は、本実施形態のLED素子100Aの製造方法を示すフローチャートである。本実施形態におけるLED素子100Aの製造工程は、基板準備工程S110、バッファー層成長工程S120、紫外発光層形成工程S130、p型コンタクト層形成工程S140、電極形成工程S150を含んでいる。
次に、第1実施形態を実施例に基づきさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。以下の説明においては、これまでに説明した図面も引き続き参照し、説明済みの要素の符号はそのまま用いる。
本実施形態の実施例1として、まず電気的側面での動作が可能かどうか確認した。なお、実施例1は、全般において、p型コンタクト層150Aにはp型AlGaNを利用しているものの、第2電極のためには、従来と同様の反射率の低い挿入金属層162および反射電極160の構成を採用している。
次に、実施例2として、p型コンタクト層150Aに採用する材質の光学的特性を確認するために、p型コンタクト層150Aのための材質の透過率を測定した。図7はp型コンタクト層150Aと同一の膜の透過スペクトルを実測したグラフである。測定サンプルの膜は、エピタキシャル成長のためのAlNバッファー層が形成されたサファイア基板の当該バッファー層に対し、AlN混晶組成比xを0.6(60%、組成波長270nm)とするp型コンタクト層150Aのための成膜条件でAlGaNを形成したものである。透過率測定用のサンプルでは、測定の精度を高めるため、AlGaNの厚みをp型コンタクト層150Aに実際に採用する厚みの2倍とした。また、界面反射の影響を含まない内部透過率の値を算出するため、反射率も同時に測定した。その結果、透過率測定用のサンプルでは、AlN混晶組成比xが0.6の場合(組成波長が270nmとなる組成の場合)、279nmで94%もの高い透過率となることを確認した。厚みが2倍の膜に対するこの値は、AlN混晶組成比xが0.6の場合のp型コンタクト層150Aの内部透過率が279nmで97%であることに相当する。なお、279nmの放射UVの波長は別の実施例にて示すように実現可能である。また、0.6というAlN混晶組成比xは、実施例1にて説明したように、電気的側面での動作に支障を生じない値である。このように、p型コンタクト層150Aの内部透過率として、放射UVの波長において90%を超え、また、95%をも上回る高い値を確認した。また、測定値は示さないが、AlN混晶組成比x(組成波長)を変更することにより、透過率が急激に低下する波長(吸収端)がシフトすることを確認した。
xmin=−0.0060W+2.26
により求まる下限値xmin以上の値にされていると好ましい。図8でハッチングされた領域のAlN混晶組成比xを各波長で採用することが好ましく、上式のxminは直線で示されている。
次に実施例3として、第2電極による反射の増強を試みた。図9は、挿入金属層と第2電極のための各種の金属膜についての反射スペクトルである。測定は、p型コンタクト層150Aに形成された第2電極のp型コンタクト層150A側での入射および反射のための測定値を得るため、サファイア基板に金属膜を形成し、サファイア基板側から金属膜に入射した光に対する反射スペクトルを測定した。サファイア基板にAl膜のみを十分な厚みで形成した場合には、例えば270nmで91%程度の反射率が測定された。これに対し従来の挿入金属層162および反射電極160として採用されてきたNi(25nm)/Au(150nm)では、270nmにおいて30%程度の反射率であった。なお、Ni(25nm)/Au(150nm)は、まず挿入金属層としてNiを25nm厚だけ形成し、そのNi層に接してAuを150nm厚に形成した金属膜である。つまり、従来の反射電極160には改善の余地がある。本願の発明者らは、Alの高い反射率を可能な限り維持しつつ、挿入金属層として用いるNiの効果を検討した。
次に実施例4として、透過率を高めたp型コンタクト層150Aと反射率が高められた第2電極とを組み合わせたLED素子100Aの実用性を実証した。具体的にはLED素子100Aにおいて、光取出し効率ηLEEが実際に高まること、および外部量子効率ηEQEが高まることを確認した。なお、実施例4のLED素子100Aのサンプルではこれまでの実施例サンプルにおいてMQBの最適化を図った。これは、p型コンタクト層150Aにおいて透過率を高めること、すなわちAlN混晶組成比xが高められることに伴い、ホール濃度が不足して電子のリーク(オーバーフロー)が生じやすくなり、電子注入効率ηEIEの低下が懸念されるため、および本実施形態のLED素子100Aのもつ可能性を引き出すためである。最適化の具体的内容は、p型導電層136に配置するMQBのバリア高を増大させて電子ブロック効果を増強した。透過率を高めたp型コンタクト層150Aは、たとえそれによる電子注入効率ηEIEの低下という電気的側面での不利が生じても、MQB等の電子ブロック層により対処可能である。
本願の発明者らは、260〜280nm波長域のうち、上述したものよりも一層短い波長での動作を確認するため、260nm付近での発光素子を作製した。具体的には、LED素子100Aの実施例サンプルE10およびE11を表2に示す条件により作製した。
次に本願の発明者等は、第1実施形態におけるLED素子100Aのために図9にて上述した第2電極の構成のうち、最も反射率が高いAl単層膜に着目した。この高い反射率を活かすには、第2電極をAl単層膜の反射電極160Aとし、そのAl単層膜をp型コンタクト層150Aに直に接する配置が有利である。他方、オーミックコンタクトの条件を成立させるためには、p型コンタクト層150Aに直に接する位置にはNiなどの挿入金属層162を配置しなくてはならない。これら光学的側面と電気的側面とを考慮し、本願の発明者らは、パターン化された挿入金属層を採用することとした。この形態を本願の第2実施形態として説明する。
第2実施形態の上述した着想を実施例に基づきさらに詳細に説明する。
まず本実施形態の着想の有効性を確認した実施例(実施例6)を説明する。図16は、実施例6において作製したサンプルの構造を示す断面図であり、図16(a)および(b)は、LED素子100Bおよび100Cそれぞれのための実施例サンプルE12およびE13を示す。各サンプルでは一片の素子のために2種の第2電極を形成した。各サンプルは、実施例4と同様に光取り出し比を評価するための2種の第2電極の特性の比較対照を容易にし、第2電極の構成以外の他の条件の影響を可能な限り排除して評価ができるように準備したものである。各サンプルの2種の第2電極は、一方がNi(5nm)/Au(100nm)の構成を持つものであり、他方がドットパターン(5μm角、ピッチ15μmの二次元正方格子)のNi(5nm)/Au(100nm)とした挿入金属層162Bおよび162Cを、さらにAl(100nm)の反射電極160Bおよび160Cにより覆うものである。
上述した本発明の各実施形態は、種々の変形を伴う形態により実施することも好ましい。特に、p型コンタクト層150A、150B、150Cのいずれかにより透過率が高まり、第2電極160A、160B、160Cのいずれかにより反射率が高まれば、導波路モードによってLED素子100A、100B、100Cの内部を伝播する光を外部に取り出すための各種の方策がいずれも効果的に作用することとなる。また、電気的側面での対策も変形が可能である。
変形例の1つがバッファー層にボイド(空隙)を設けることである。ボイドは、屈折・散乱など現象を引き起こし、伝播する光の方向を変化させる方向変換作用を発揮する。図18は第1実施形態のある変形例において得られるLED素子の構成を示す断面図であり、ボイドVが形成される変形例である。ボイドVは、バッファー層120Bの結晶成長工程において形成される。その形成のための典型的な手法において、サファイア基板110Aの表面にパターニングにより高低差が付けられている。バッファー層120Bを形成する際に、サファイア基板110Aの高いところ(凸部)において結晶成長速度が速く、低いところ(凹部)において遅くなる。この現象を利用すれば、バッファー層120Bを成長させる過程において位置選択的に結晶成長を促進または抑制することができる。また、バッファー層120Bの結晶成長の条件において、面内方向に成長が促進される条件を適用すれば、ボイドVを成長と共に塞ぐようにして連続した結晶となるバッファー層120Bを成膜することができる。このようにしてボイドを含むようにされたバッファー層120Bでは、LED素子100Bから放射UVが出射する際に臨界角以上に傾斜して導波路モードになって伝播する光の方向を、エネルギー損失を伴わずに変化させることができる。p型コンタクト層150Aが強い吸収を持つ場合、そこに入射した導波路モードとなった光も吸収してしまう。各実施形態のLED素子100A、100B、100Cの構成ではp型コンタクト層150A、150B、150Cによる吸収が弱いため、挿入金属層162およびいずれかの反射電極を含む第2電極の反射機能と相まって、導波路モードとなった光を再び取り出すことに寄与する。ボイドの方向変換作用は、p型コンタクト層の少ない吸収により効果的に光取出し効率ηLEEの向上に作用することができる。
各実施形態においてp型コンタクト層の透過率を高めることは、光取出し効率ηLEEを高める別の手法と両立することもできる。光取出し効率ηLEEを高めるために、紫外発光層130から第2電極側に発せられる光や、導波路モードとなって伝播する光は、ともに最終的に外界に出射される。LED素子の第2電極とは反対側に位置する表面や、別の界面のうち屈折率ステップを伴う表面または界面のいずれかにモスアイ構造が形成されていれば、その出射の際に内部に戻る光を抑制できるため好ましい。モスアイ構造が形成される面を例示すれば、第2電極とは反対側に位置するLED素子と外界との最表面となる表面(例えば基板110の光取出し面102)、LED素子をUV透過性媒体(樹脂、ガラス質透明体など)で封止する際のLED素子とUV透過性媒体との界面である。屈折率ステップが大きくなる面のいずれかにモスアイ構造が形成されていれば好ましい。モスアイ構造は、波長を基準にしてそれより小さい面内のサイズで凹凸をもつ任意の表面形状を指しており、屈折率ステップとなる面において、その表面形状のために屈折率ステップによる反射が抑制されているようなものをいう。このような構造では、屈折率ステップのある界面において外部に出射する放射UVのインピーダンスが低下するために、表面反射が軽減される。
上述した各実施形態のさらに別の典型例として、電子ブロック層について説明する。光取出し効率ηLEEを高める各実施形態において、電子注入効率ηEIEを高めるための手法は外部量子効率ηEQEを高める点で重要である。なかでも各実施形態はp型コンタクト層150Aの透過率を高めるためにホール濃度を犠牲にすることから、そのことによる電子注入効率ηEIEの低下を補う手法が併用できるかどうかは実用性に影響する。この電子注入効率ηEIEを高める手段として既にMQBに関連して上述したように、p型導電層136に設ける電子ブロック層138は有効な手段である。
各実施形態の変形例として、p型導電層136や、任意選択として設けられる電子ブロック層138、およびp型コンタクト層150Aというキャリア(ホール)濃度が低下するp型層のいずれかにインジウム(In)を導入することも有用である。p型InAlGaNにはInを導入することにより、キャリア濃度が高まることを本願の発明者らは確認している(非特許文献3)。具体的には、ドーピングレベルの低濃度(1×1018cm−3)から2%程度までの濃度範囲でInを含有させて作製したp型InAlGaNとすることが好ましい。なお、このような組成のp型コンタクト層150Aでは、組成波長がおおむねAlN混晶組成比で決まり、また組成波長より長波長の領域での透過率にもほとんど影響はない。このため、p型導電層136、電子ブロック層138、およびp型コンタクト層150Aに対し本実施形態の上記説明をほとんど変更することなく適用することができる。Inを導入するためには、トリメチルインジウムジイソプロピルアミンアダクト(TMInアダクト)等の原料ガスを適時に適量添加する。
各実施形態において発光出力を向上するために、紫外発光層、特に再結合層134にもInを導入することが有用である。紫外発光層130や再結合層134のAlNとGaNとの混晶の組成にInを例えば0.3%程度混入することにより、280nm付近で発光する量子井戸の内部量子効率が増強されることを本願の発明者らは確認している(非特許文献2)。そのメカニズムについて、AlGaN中のInの組成が揺らぐこと(変調)により、キャリアの局在化が生じる結果、発光に寄与する再結合する電子とホールの比率が増加し、貫通転位の結晶欠陥で非発光で再結合することによる損失が抑制できるためと本願の発明者は考えている。この変形例においても、Inの組成比は、ドーピングレベル(1×1018cm−3)から最高で2%程度とすることが有用である。
各実施形態の変形例として、上述したサファイア基板110に代え、AlN結晶の基板を採用することもできる。この変形例では、AlN結晶によるバッファー層120が省略される場合がある。紫外発光層130は、AlN結晶、またはバッファー層(利用される場合)に接して配置され、エピタキシャル成長される。AlN結晶の基板を利用する場合であっても、p型コンタクト層の透過率を高めることや、第2電極の反射率を高めることは、光取り出し効率を向上させ、外部量子効率の向上にも役立つ。サファイア基板110を採用する場合におけるすべての説明は、AlN結晶の基板を採用する変形例についても適用される。
上述した第2実施形態におけるパターン化された挿入金属層160Cと多層構造のp型コンタクト層150Cとを採用する構成のLED素子100C(図14(b))では、さらに電気特性を改良する変形を行なうことにより実用性をさらに高められる。その変形は、パターン化したp型GaN層を、多層構造のp型コンタクト層とパターン化された挿入金属層との双方に直に接して挟まれる位置に追加することである。図19は、一例の構成のLED素子100Dにおいて、パターン化されたp型GaN層152を、パターン化された挿入金属層162DのNi層と多層構造のp型コンタクト層150Dとの間に配置する例を示す拡大断面図である。反射電極160Dは、パターン化されたp型GaN層152、挿入金属層162Dを覆い、挿入金属層162Dもp型GaN層152も介さずp型コンタクト層150Dに直に接する領域Rをさらにもつように高い反射率のAl層を形成することによって完成される。
各実施形態のLED素子100A〜Dにより得られる、効率が高められた紫外線の放出源は、それを用いる電気機器の有用性をも高める。このような電気機器は任意であり特段限定されない。そのような電気機器の非限定的な例を挙げれば、殺菌装置、浄水装置、化学物質の分解装置(排ガス浄化装置等を含む)、情報記録・再生装置、等が含まれている。これら電気機器を動作させる際には、効率が高い紫外線の放出源が得られれば、動作のための電力が抑制できて環境負荷が低下しランニングコストも抑制される。また、放出源の効率が高まれば、これら電気機器の構成において放出源自体の数を抑制できるばかりか、放熱構造や駆動電源の構成等も簡素化される。これらは、電気機器の小型化・軽量化に寄与し、機器価格も抑制される。
102 光取出し面
104 基板の一方の面
110、110A 基板
120、120B バッファー層
130 紫外発光層
132 n型導電層
134 再結合層
136 p型導電層
140 第1電極
150 p型コンタクト層
150A p型コンタクト層(高透過性)
150B p型コンタクト層(バルクp型AlGaN)
150C p型コンタクト層(多層型)
152 p型GaN層(パターン化されたもの)
160 反射電極
160A 反射電極(高反射性)
160B〜D、 反射電極(高反射性、Al)
162 挿入金属層
162B〜D 挿入金属層(パターン化されたもの)
Claims (20)
- 単結晶のサファイアまたはAlN結晶の基板と、
該基板に接して、または該基板上に設けられた追加のバッファー層に接して配置され、少なくともn型導電層、再結合層、およびp型導電層が該基板の側からこの順に積層して配置されているAlNとGaNの混晶の紫外発光層と、
前記p型導電層に電気的に接続しているAlNとGaNの混晶のp型コンタクト層と、
前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射UVに対し反射性を示し前記p型コンタクト層に電気的に接続して配置されている反射電極と
を備えている紫外発光ダイオード。 - 前記p型コンタクト層は、前記放射UVが厚み方向に一度通過する際の前記放射UVに対する透過率が90%以上である請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記透過率が95%以上である請求項2に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記p型導電層に電子ブロック層が配置されている請求項1〜3のいずれかに記載の紫外発光ダイオード。
- 前記電子ブロック層が多重量子障壁である請求項4に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記p型コンタクト層の材質が、前記放射UVの主要波長に比べ短い波長を組成波長としてもつようにされている、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記p型コンタクト層の組成AlxGa1−xNにおけるAlN混晶組成比xが、前記放射UVの主要波長の値をW(単位:nm)として、
xmin=−0.0060W+2.26
により求まる下限値xmin以上の値にされている、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記AlN混晶組成比xが0.7であり、
前記放射UVの主要波長の値が260nmである、請求項7に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記反射電極がAlを主成分とする金属膜であり、
オーミックコンタクトのための挿入金属層が前記p型コンタクト層と該金属膜とによって挟まれている請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記挿入金属層がNi膜であり5nmより薄くされている請求項9に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記挿入金属層がNi膜であり実質的厚みが1nmである請求項9に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記挿入金属層は、前記p型コンタクト層に対して一部のみ覆うようにパターン化されて配置されており、
前記反射電極は、
前記挿入金属層が存在しない位置において前記p型コンタクト層に直に接しており、
前記挿入金属層が存在する位置において、前記挿入金属層と前記p型コンタクト層とが前記挿入金属層を挟んでいるものである、
請求項9に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記挿入金属層は、前記p型コンタクト層に直に接する位置にNi膜を有する単層または複層の金属膜である、請求項12に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記p型コンタクト層は、AlN混晶組成比の互いに異なる層が厚み方向に積層された多層構造になっており、
これにより、パターン化された前記挿入金属層から前記p型導電層に向かって前記p型コンタクト層を伝播する正孔が、前記基板面内の向きに拡散される、請求項12に記載の紫外発光ダイオード。 - パターン化されたp型GaN層をさらに備えており、
パターン化された該p型GaN層の少なくとも一部が、多層構造の前記p型コンタクト層とパターン化されている前記挿入金属層との双方に直に接して挟まれているものである
請求項14に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記追加のバッファー層が設けられており、該バッファー層にボイドが形成されている請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記基板が除去されている請求項16に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記放射UVの主要波長が260nm以上280nm以下のいずれかの波長である請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
-
前記p型導電層、前記p型コンタクト層のいずれかの前記AlNとGaNの混晶の材質にさらにInが含まれている請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の紫外発光ダイオードを紫外線の放出源として備える電気機器。
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