JP2017050439A - 紫外発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】紫外発光素子の結晶品質、平坦性、凹凸埋め込み性を向上させること。
【解決手段】紫外発光素子は、凹凸加工が施された基板１０を有し、基板１０上にスパッタにより形成されたＡｌＮからなるバッファ層１１、アンドープのＡｌＧａＮからなるアンドープ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ層１３、発光層１４、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１５、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐコンタクト層１６が順に積層された構造を有している。そして、Ａｌ組成比が小さい順に、アンドープ層１２、ｎ層１３、ｐコンタクト層１６、電子ブロック層１５である。これにより素子全体としてＡｌ組成比が低減されている。その結果、結晶品質や平坦性、基板１０の凹凸の埋め込み性が向上している。
【選択図】図１

Description

本発明はIII 族窒化物半導体からなる紫外発光素子に関する。また、その製造方法に関する。
従来のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光素子では、材料による自己吸収を低減するために、各層を構成する材料としてバンドギャップエネルギーの大きなもの、具体的には室温で３．３９ｅＶ以上のものを用いる必要があり、主としてＡｌＧａＮが用いられている。
特許文献１には、次のような構成のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光素子が記載されている。特許文献１の紫外発光素子は、基板上に島状に形成された核と、その核を埋め込み、かつ覆うように形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成されたｎ型層と、発光層上に形成された発光層と、発光僧正に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成されたｐ型層と、を備えている。これらの層はいずれもＡｌＧａＮないしＡｌＮによって構成されている。そして、各層のＡｌ組成比は、ｎ型層が最も小さく、次にバッファ層とｐ型層、そして最もＡｌ組成比が大きいのは電子ブロック層となっている。
特開２０１３−２２２７４６号公報
紫外発光素子では、材料としてＡｌＧａＮを用いるため、ＧａＮに比べて縦方向に成長しやすく、結晶品質や平坦性の劣化が問題となる。また、基板として表面に凹凸加工を施した加工基板を用いる場合、凹凸を埋め込む必要がある。これらの問題を改善するためには、各層のＡｌ組成比はなるべく小さくしたい。しかし、特許文献１の紫外発光素子の構成ではＡｌ組成比が大きくなってしまう。
そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子において、結晶性、平坦性、加工基板の凹凸埋め込み性を向上させることである。
本発明は、III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子において、基板と、基板上に位置し、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体からなるバッファ層と、バッファ層上に位置し、Ａｌを含むアンドープのIII 族窒化物半導体からなるアンドープ層と、アンドープ層上に位置し、Ａｌを含むｎ型III 族窒化物半導体からなるｎ層と、ｎ層上に位置し、III 族窒化物半導体からなる紫外線を放射する発光層と、発光層上に位置し、Ａｌを含むｐ型III 族窒化物半導体からなる電子ブロック層と、電子ブロック層上に位置し、Ａｌを含むｐ型III 族窒化物半導体からなるｐコンタクト層と、を有し、バンドギャップエネルギーが小さい順に、アンドープ層、ｎ層、ｐコンタクト層、電子ブロック層である、ことを特徴とする紫外発光素子である。
本発明における紫外発光素子とは、波長２１０〜４００ｎｍの紫外線を放射する発光素子である。特に、波長３２０〜４００ｎｍのＵＶＡ領域の紫外線を放射する発光素子として本発明は有効である。なお、本発明において発光波長は、定格電流や実際に製品で使われる電流値におけるピーク波長を言うものとする。
アンドープ層をＧａＮまたはＡｌＧａＮ、ｎ層、電子ブロック層、およびｐコンタクト層をＡｌＧａＮとする場合、アンドープ層、ｎ層、電子ブロック層、およびｐコンタクト層１６のＡｌ組成比が、Ａｌ組成比が小さい順に、アンドープ層、ｎ層、ｐコンタクト層、電子ブロック層であればよい。
本発明は、基板としてバッファ層側の表面に、光取り出し向上のための凹凸が設けられたものを用いる場合に好適である。本発明によれば凹凸を埋め込んで平坦化するのが容易となる。また、バッファ層としてＡｌＮを用いれば、より凹凸の埋め込みが容易となる。
発光波長が３６５ｎｍよりも大きい場合にはアンドープ層としてＧａＮを用い、発光波長が３６５ｎｍよりも小さい場合にはアンドープ層としてＡｌＧａＮを用いる。自己吸収による損失を低減するためである。
発光波長が３５０ｎｍ以上で３７０ｎｍより短い場合、アンドープ層のＡｌ組成比が３〜６％、ｎ層のＡｌ組成比が６〜１０％、電子ブロック層のＡｌ組成比が３７〜５０％、ｐコンタクト層のＡｌ組成比が８〜１５％の範囲とするのがよい。結晶品質や平坦性、凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
また、発光波長が３７０ｎｍ以上で３９０ｎｍより短い場合、アンドープ層のＡｌ組成比が０〜２％、ｎ層のＡｌ組成比が１〜４％、電子ブロック層のＡｌ組成比が２９〜４０％、ｐコンタクト層のＡｌ組成比が５〜１０％の範囲とするのがよい。結晶品質や平坦性、凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
また、発光波長が３５０ｎｍより短い場合、アンドープ層のＡｌ組成比が６％以上、ｎ層のＡｌ組成比が１０％以上、電子ブロック層のＡｌ組成比が５０％以上、ｐコンタクト層のＡｌ組成比が１５％以上の範囲とするのがよい。結晶品質や平坦性、凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
また本発明は、III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子の製造方法において、凹凸が設けられた基板上に、スパッタまたはＰＰＤ（パルスプラズマ拡散）でＡｌＮからなるバッファ層を形成する工程と、バッファ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によってアンドープのIII 族窒化物半導体を成長させて基板の凹凸を埋め込み、表面が平坦なアンドープ層を形成する工程と、アンドープ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によってアンドープ層よりもバンドギャップエネルギーが大きなｎ型III 族窒化物半導体からなるｎ層を形成する工程と、ｎ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、III 族窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、発光層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きなｐ型III 族窒化物半導体からなる電子ブロック層を形成する工程と、電子ブロック層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、電子ブロック層よりもバンドギャップエネルギーが小さなｐ型III 族窒化物半導体からなるｐコンタクト層を形成する工程と、を有することを特徴とする紫外発光素子の製造方法である。
また本発明は、III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子の製造方法において、平坦な基板上に、スパッタまたはＰＰＤでＡｌＮからなるバッファ層を形成する工程と、バッファ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ＧａＮからなるアンドープ層を形成する工程と、アンドープ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型III 族窒化物半導体からなるｎ層を形成する工程と、ｎ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、III 族窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、発光層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きなｐ型III 族窒化物半導体からなる電子ブロック層を形成する工程と、電子ブロック層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、電子ブロック層よりもバンドギャップエネルギーが小さなｐ型III 族窒化物半導体からなるｐコンタクト層を形成する工程と、基板リフトオフ法により基板を除去し、アンドープ層を露出させる工程と、アンドープ層の露出させた表面側からウェットエッチングすることにより、アンドープ層を除去してｎ層を露出させるとともに、その露出させたｎ層の表面に凹凸を設ける工程と、を有することを特徴とする紫外発光素子の製造方法である。
本発明によれば、III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子全体としてＡｌ組成比を低減することができるため、結晶品質、平坦性、加工基板の埋め込み性などを向上させることができる。
実施例１の紫外発光素子の構成を示した図。 実施例１の紫外発光素子の構成の変形例を示した図。 実施例１の紫外発光素子の製造工程を示した図。 実施例２の紫外発光素子の構成を示した図。 実施例２の紫外発光素子の製造工程を示した図。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、実施例１の紫外発光素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１の紫外発光素子は、基板１０を有し、基板１０上にバッファ層１１を介してアンドープ層１２、ｎ層１３、発光層１４、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６が順に積層された構造を有している。また、ｐコンタクト層１６表面からｎ層１３に達する溝が形成され、溝底面に露出するｎ層１３上にｎ電極１８が位置している。また、ｐコンタクト層１６上にはｐ電極１７が位置している。また、実施例１の紫外発光素子は、発光層１４から基板１０側とは反対側へと放射される光をｐ電極１７によって基板１０側に反射させ、基板１０側から光を取り出すフリップチップ型の素子である。
基板１０は、ｃ面サファイア基板であり、一方の表面（バッファ層１１側の表面）に凹凸加工が施された加工基板である。基板１０の一方の表面に設けられた凹凸は、凸部が二次元周期的に配列されたものである。基板１０表面にこのような凹凸加工を設けることで光取り出しの向上を図っている。
凸部の形状は、たとえば角錐状、円錐状、角錐台状、円錐台状、角柱状、円柱状である。凸部を角錐、角錐台、角柱とする場合、その底面の形状は正多角形とするのがよく、たとえば正三角形、正方形、正六角形である。凸部の配列は、たとえば正方格子状、三角格子状、ハニカム状の配列である。
凸部の高さ、幅、間隔は任意であるが、０．１〜１０μｍの範囲とするのがよい。この範囲であれば十分に光取り出しを向上させることができ、アンドープ層１２によって基板１０の凹凸の埋め込みを図って平坦化させることができる。
なお、実施例１では凸部を配列したパターンとしているが、逆に反転して凹部を配列したパターンや、ストライプ状のパターンとしてもよい。また、図２のように凹凸加工を施していない平坦な表面のものを用いてもよい。
また、基板１０の材料として、サファイア以外にも、Ｓａ、ＳｉＣ、ＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ4 ）、ＺｎＯ、ＴｉＯ、ＡｌＮ、などを用いることができる。
バッファ層１１は、基板１０の凹凸加工側の表面に位置し、その表面の凹凸形状に沿って膜状に形成されている。また、バッファ層１１はアンドープのＡｌＮからなり、その厚さは５〜２０ｎｍである。また、バッファ層１１は、スパッタやＰＰＤ（パルスプラズマ拡散）により形成したものである。
なお、バッファ層１１は、ＡｌＧａＮなどＡｌを含むIII 族窒化物半導体でもよい。ただし、Ａｌ組成比が大きいほど基板１０の凹凸の埋め込み性がよく、より結晶表面を平坦化できるので、Ａｌ組成比はなるべく大きいことが望ましく、より望ましくはＡｌ組成比を５０％以上とし、実施例１のようにＡｌＮとすることが最も望ましい。
アンドープ層１２は、バッファ層１１上に位置し、その表面（バッファ層１１側とは反対側表面）は平坦となっている。アンドープ層１２を設けることにより、結晶の転位を低減して結晶品質を向上させ、基板１０の凹凸を埋め込んで結晶表面の平坦化を図っている。
アンドープ層１２の厚さは０．５〜１０μｍである。０．５μｍよりも薄いと、転位の低減効果が十分でなく、１０μｍよりも厚いと成長に時間がかかり、ウェハの反りなどの問題が生じるためである。より望ましくは１〜５μｍ、さらに望ましくは３〜５μｍである。
また、アンドープ層１２は、アンドープのＡｌＧａＮからなる。アンドープ層１２のＡｌ組成比は厚さ方向に一定である。アンドープ層１２のＡｌ組成比は、ｎ層１３のＡｌ組成比よりも小さく、かつ発光波長の吸収がないＡｌ組成比以上であればよい。たとえば、発光波長が３２０〜３６５ｎｍの場合は３〜６％であり、バンドギャップエネルギーに換算すると、３．４４〜３．４９ｅＶである。また、発光波長が３６５〜４００ｎｍの場合は０％より大きく２％以下であり、バンドギャップエネルギーに換算すると３．３９〜３．４２ｅＶである。
ピーク波長を３７０ｎｍよりも長い範囲とするのであれば、アンドープ層１２はＧａＮとしてもよい。アンドープ層１２としてＧａＮを用いれば、基板１０の凹凸の埋め込み性がＡｌを含む場合よりも良好となり、結晶性や表面平坦性を高めることができる。特に刃状転位が低減されて結晶性を高めることができる。
なお、アンドープ層１２のＡｌ組成比は厚さ方向に一定でなくともよく、連続的、段階的にｎ層１３のＡｌ組成比以下の値までＡｌ組成比を上げていってもよい。ただし、結晶の転位を軽減して結晶品質を向上させるためにはＡｌ組成比は厚さ方向に一様とすることが望ましい。アンドープ層１２のＡｌ組成比を厚さ方向に連続的、段階的に変化させる場合には、厚さ方向のＡｌ組成比の平均が、ｎ層１３のＡｌ組成比よりも小さければよい。
また、バッファ層１１とアンドープ層１２との間にラフ層を設けてもよい。ラフ層とは、アンドープ層１２を成長初期においてより低温で成長させたものであり、主としてバッファ層１１上にファセット面を結晶成長させた層（基板１０の凸部側面にバッファ層１１を介して成長させた層）である。このようなラフ層を設けることで転位の集中を防止して結晶品質を高めるとともに、表面平坦性を向上させることができる。ラフ層の厚さは、基板１０の凹凸加工における凸部の高さの１〜１．５倍とするのがよい。この範囲であれば転位の集中を防止する効果が十分に得られる。より望ましくは１．２〜１．３倍である。
ｎ層１３は、アンドープ層１２上に位置している。また、ｎ層１３は、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮからなる。ｎ層１３の厚さは０．５〜３μｍである。ｎ層１３のＳｉ濃度は、１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 である。
ｎ層１３のＡｌ組成比は、アンドープ層１２のＡｌ組成比よりも大きく、ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比よりも小さい。たとえば、発光波長が３２０〜３６５ｎｍの場合は６〜１０％であり、バンドギャップエネルギーに換算すると、３．４９〜３．５５ｅＶである。また、発光波長が３６５〜４００ｎｍの場合は０％より大きく４％以下であり、バンドギャップエネルギーに換算すると３．３９〜３．４５ｅＶである。
ｎ層１３は複数の層で構成してもよく、その場合、III 族窒化物半導体発光素子のｎ層の構成として従来知られている種々の構成を採用することができる。また、ｎ層１３において、厚さ方向にＳｉ濃度を一定とするのではなく、連続的ないし段階的に変化させてもよい。たとえば、ｎ層１３のうちｎ電極１８と接する領域のＳｉ濃度を高くし、他の領域はＳｉ濃度をそれよりも低くしてもよい。また、Ａｌ組成比についても、厚さ方向において段階的、または連続的に変化させてもよい。ただし、結晶の転位を軽減して結晶品質を向上させるためにはＡｌ組成比は厚さ方向に一様とすることが望ましい。ｎ層１３のＡｌ組成比を連続的、段階的に変化させる場合には、その厚さ方向のＡｌ組成比の平均が、アンドープ層１２のＡｌ組成比よりも大きく、ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比よりも小さければよい。また、ｎ型を示す範囲内であれば、Ｓｉに加えてＭｇなど他の不純物をＣｏドープし、透過率などの特性を調整してもよい。
なお、実施例１の紫外発光素子では、従来の青色発光素子においてｎ層１３と発光層１４との間に設けているｎ型ＳＬ層（超格子層）を設けていない。これは次の理由による。青色発光素子では、ｎ層１３に比べて発光層１４の格子体積が大きく、その格子不整合を緩和して発光層１４に係る応力を緩和させるために、従来ＩｎＧａＮとＧａＮなどを繰り返し積層したｎ型ＳＬ層（超格子層）を設けていた。しかし、紫外発光素子では、ｎ層１３に比べて発光層１４の格子体積が小さくなるため、発光層１４に係る応力は逆向きであり、ｎ型ＳＬ層を設けて発光層１４に係る応力を緩和させる必要性が少ない。そこで実施例１の紫外発光素子では、ｎ層１３と発光層１４との間にｎ型ＳＬ層を設けず、構成を簡略化している。もちろん、ＡｌＧａＮとＧａＮなどを繰り返し積層したｎ型ＳＬ層を設ける構成を採用してもかまわない。
発光層１４は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し回数は３〜１０である。障壁層は、ＡｌＧａＮからなり、厚さは２〜１５ｎｍである。井戸層は、所望の紫外発光波長に応じた材料が選択され、厚さは１分子層〜１５ｎｍである。ＧａＮの発光波長が３６５ｎｍ、ＡｌＮの発光波長が２１０ｎｍなので、発光波長を３６５ｎｍより長い範囲としたい場合には、井戸層としてＩｎＧａＮ系を用い、Ｉｎ組成比によって発光波長を調整するとよい。一方、発光波長を２１０ｎｍ以上で３６５ｎｍより短い範囲としたい場合には、井戸層としてＡｌＧａＮ系を用い、Ａｌ組成比によって発光波長を調整するとよい。もちろん、井戸層としてＡｌＧａＩｎＮを用い、Ａｌ組成比とＩｎ組成比の双方を調整して発光波長を調整してもよい。
なお、実施例１では発光層１４をＭＱＷ構造としているが、ＳＱＷ構造（単一量子井戸構造）としてもよい。
電子ブロック層１５は、発光層１４上に位置している。また、電子ブロック層１５は、Ｍｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮからなる層である。この電子ブロック層１５を発光層１４とｐコンタクト層１６との間に設けることで、発光層１４からｐコンタクト層１６側へと電子がオーバーフローすることを抑制している。電子ブロック層１５のＭｇ濃度は、１×１０19〜１×１０21／ｃｍ3 である。また、電子ブロック層１５の厚さは、１〜５０ｎｍである。
電子ブロック層１５のＡｌ組成比は、ｐコンタクト層１６および発光層１４の障壁層よりも大きい。たとえば、発光波長が３２０〜３６５ｎｍの場合は３７〜５０％であり、バンドギャップエネルギーに換算すると、４．１３〜４．４７ｅＶである。また、発光波長が３６５〜４００ｎｍの場合は２９〜４０％であり、バンドギャップエネルギーに換算すると３．９４〜４．２０ｅＶである。電子ブロック層１５のＭｇ濃度を上記範囲とする条件下において、電子ブロック層１５による電子のオーバーフロー抑制効果を十分とするためには、電子ブロック層１５のＡｌ組成比を発光層１４の障壁層のＡｌ組成比よりも１０％以上大きくするとよい。
なお、厚さ方向にＭｇ濃度を一定とするのではなく、連続的ないし段階的に変化させてもよい。また、Ａｌ組成比についても、厚さ方向において段階的、または連続的に変化させてもよい。また、ｐ型を示す範囲内であれば、Ｍｇに加えてＳｉなどの不純物をドープし、透過率などの特性を調整してもよい。また、電子ブロック層１５は単層でもよいが、複数の層で構成してもよい。たとえば、組成比の異なるIII 族窒化物半導体（たとえばＡｌＧａＮとＧａＮ）を交互に繰り返し積層した超格子構造とし、電子のオーバーフローを抑制する効果をより向上させてもよい。
ｐコンタクト層１６は、電子ブロック層１５上に位置している。ｐコンタクト層１６は、電子ブロック層１５側から順に、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮからなる第１ｐコンタクト層１６ａ、ＭｇドープのＧａＮからなる第２ｐコンタクト層１６ｂが積層された２層の構造である。ｐコンタクト層１６のうちｐ電極１７と接する表面層である第２ｐコンタクト層１６ｂをＧａＮとすることにより、コンタクト抵抗の低減を図っている。このＧａＮ層による吸収を考慮して、ｐコンタクト層１６ｂの厚さは２０ｎｍ以下とするのが望ましい。
第１ｐコンタクト層１６ａは、厚さ２０〜１００ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3 である。また、第２ｐコンタクト層１６ｂは、厚さ２〜１０ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０20〜１×１０22／ｃｍ3 である。
ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比（厚さ方向の平均）は、ｎ層１３のＡｌ組成比よりも大きく、電子ブロック層１５のＡｌ組成比よりも小さい。たとえば、発光波長が３２０〜３７０ｎｍの場合は８〜１５％であり、バンドギャップエネルギーに換算すると、３．５２〜３．６５ｅＶである。また、発光波長が３６５〜４００ｎｍの場合は５〜１０％であり、バンドギャップエネルギーに換算すると３．４７〜３．５５ｅＶである。
なお、ｐコンタクト層１６は単層としてもよく、また複層とする場合も上記の構成に限らず、従来知られている種々の複層構造を採用することができる。
また、ｐコンタクト層１６のＭｇ濃度は、厚さ方向に一定とするのではなく、連続的ないし段階的に変化させてもよい。また、Ａｌ組成比についても、厚さ方向において段階的、または連続的に変化させてもよい。また、ｐ型を示す範囲内であれば、Ｍｇに加えてＳｉなどの不純物をドープし、透過率などの特性を調整してもよい。
また、Ｍｇは結晶成長初期には結晶に入りにくく、Ａｌ組成比が高いほどＭｇが結晶に入りにくい。そこで、電子ブロック層１５やｐコンタクト層１６においてＭｇ濃度を厚さ方向に一定に制御するためには、結晶成長初期にＡｌ組成比を下げてＭｇが入りやすくし、その後にＡｌ組成比を上げて一定とするとよい。
アンドープ層１２、ｎ層１３、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６について、各層のＡｌ組成比の関係をまとめると、次の通りである。アンドープ層１２、ｎ層１３、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比をそれぞれｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４とする。層中で厚さ方向にＡｌ組成比が連続的ないし段階的に変化している場合には、ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４はそれぞれ厚さ方向のＡｌ組成比の平均を示すものとする。このとき、ｘ１＜ｘ２＜ｘ４＜ｘ３、を満たすように各層のＡｌ組成比が設定されている。このように各層のＡｌ組成比を構成することにより、紫外発光素子全体としてはＡｌ組成比を低減することができ、結晶品質、平坦性、基板１０の凹凸埋め込み性を向上させることができる。
最もＡｌ組成比の小さな層はアンドープ層１２であるから、自己吸収による損失を低減するためにはアンドープ層１２のＡｌ組成比が発光層１４の発光波長を吸収しないＡｌ組成比であれば十分である。発光波長が３６５ｎｍよりも大きければ、アンドープ層１２としてＧａＮを使用することも可能である。ＧａＮを使用すれば、結晶品質や平坦性、基板１０の凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
発光波長が３５０ｎｍ以上で３７０ｎｍより短い場合には、各層のＡｌ組成比を次の範囲とするのがよい。アンドープ層１２のＡｌ組成比が３〜６％、ｎ層１３のＡｌ組成比が６〜１０％、電子ブロック層１５のＡｌ組成比が３７〜５０％、ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比が８〜１５％である。この範囲とすると、結晶品質や平坦性、基板１０の凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
また、発光波長が３７０ｎｍ以上で３９０ｎｍより短い場合には、各層のＡｌ組成比を次の範囲とするのがよい。アンドープ層１２のＡｌ組成比が０〜２％、ｎ層１３のＡｌ組成比が１〜４％、電子ブロック層１５のＡｌ組成比が２９〜４０％、ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比が５〜１０％の範囲である。この範囲とすると、結晶品質や平坦性、基板１０の凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
また、発光波長が３５０ｎｍより短い場合には、上記ｘ１＜ｘ２＜ｘ４＜ｘ３を満たす範囲において各層のＡｌ組成比を次の範囲とするのがよい。アンドープ層１２のＡｌ組成比が６％以上、ｎ層１３のＡｌ組成比が１０％以上、電子ブロック層１５のＡｌ組成比が５０％以上、ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比が１５％以上である。結晶品質や平坦性、凹凸埋め込み性をさらに向上させることができる。
なお、III 族窒化物半導体はＭｇやＳｉの不純物濃度で吸収波長を調整できるので、それらの一方または両方をドープし、その濃度を調整することで、自己吸収による損失の低減を図ってもよい。
以上説明した実施例１の紫外発光素子は、全体としてＡｌ組成比が低減されており、結晶性、平坦性に優れている。また、基板１０表面に光取り出し向上のための凹凸加工が施されていても、その凹凸を埋め込んで平坦とすることができる。
次に、実施例１の紫外発光素子の製造工程について、図３を参照に説明する。
まず、表面に凹凸加工が施された基板１０を用意し、基板１０上にマグネトロンスパッタでＡｌＮからなるバッファ層１１を形成する（図３（ａ））。マグネトロンスパッタでは、窒素ガス雰囲気、高純度の金属アルミニウムをターゲットとして行う。基板温度は３００〜６００℃とし、圧力は１〜４Ｐａとする。バッファ層１１は、基板１０の凹凸に沿って膜状に形成される。スパッタの方式は、マグネトロンスパッタ以外にも、ＤＣスパッタ、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、ＥＣＲスパッタなどの各種方式を用いることができる。また、スパッタ以外にも、ＰＰＤ（パルスプラズマ拡散）を用いてバッファ層１１を形成してもよい。その場合は、バッファ層１１の形成前に、基板１０を水素または窒素雰囲気下、常圧で８００〜１１００℃に加熱して表面に付着した不純物を除去してもよい。
次に、バッファ層１１上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、アンドープ層１２、ｎ層１３、発光層１４、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６を順に形成する（図３（ｂ））。圧力は、０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は１１００〜１２００℃である。バッファ層１１とアンドープ層１２の間にラフ層を形成する場合には、アンドープ層１２の初期の成長温度を９５０〜１０８０℃の低温とし、その後所定の成長温度まで昇温すればよい。
ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスには、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｎ源としてアンモニア、ｐ型ドーパントガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ｎ型ドーパントガスとしてシランを用いた。キャリアガスには通常、水素を用い、Ｉｎを含む層を形成する場合にのみキャリアガスとして窒素を用いた。
バッファ層１１としてスパッタにより形成したＡｌＮを用い、アンドープ層１２としてｎ層１３よりもＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮを用い、さらに減圧成長としているため、アンドープ層１２は基板１０の凹凸を効果的に埋め込み、平坦化させることができる。
次に、ｐコンタクト層１６表面の一部領域をドライエッチングし、底面にｎ層１３が露出する溝を形成する。そして、ｐコンタクト層１６表面上にｐ電極１７、溝の底面に露出するｎ層１３上にｎ電極１８を形成することで、図１に示す実施例１の紫外発光素子が製造される。
以上のようにして作製した実施例１の紫外発光素子は、バッファ層１１をスパッタにより形成しており、アンドープ層１２を減圧ＭＯＣＶＤ法によって形成しているため、基板１０の凹凸の埋め込み性がよく、貫通転位密度が１×１０8 ／ｃｍ2 以下と少なく、平坦な表面を容易に得ることができる。
図４は、実施例２の紫外発光素子の構成を示した図である。図４のように、実施例２の紫外発光素子は、支持基板３０と、支持基板３０上に位置する接合層２９と、接合層２９上に位置するｐ電極２７と、ｐ電極２７上に位置するｐコンタクト層１６と、ｐコンタクト層１６上に位置する電子ブロック層１５と、電子ブロック層１５上に位置する発光層１４と、発光層１４上に位置するｎ層２３と、ｎ層２３上に位置するｎ電極２８と、によって構成されている。実施例２の紫外発光素子は、成長基板が除去され、縦方向に導通を取る構造である。
発光層１４、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６は、実施例１の紫外発光素子のと同一の構成である。ｎ層２３は、発光層２４側とは反対側の表面全面が露出し、凹凸が設けられている点以外は実施例１の紫外発光素子のｎ層１３と同一の構成である。また、Ａｌ組成比が小さい順に、ｎ層２３、ｐコンタクト層１６、電子ブロック層１５となっている。接合層２９は、ｐ電極２７と支持基板３０とを接合するための金属層である。
次に、実施例２の紫外発光素子の製造工程について、図５を参照に説明する。
まず、平坦な結晶成長用の基板２０を用意する。基板２０は、実施例１の紫外発光素子の基板１０と同様の材料を用いることができる。そして、基板２０上に、実施例１のバッファ層１１と同様に、スパッタにてＡｌＮからなるバッファ層２１を形成する。スパッタに替えてＰＰＤ（パルスプラズマ拡散）を用いてバッファ層１１を形成する場合は、バッファ層１１の形成前に、基板２０を水素または窒素雰囲気下、常圧で８００〜１１００℃に加熱して表面に付着した不純物を除去してもよい。
次に、バッファ層２１上に、実施例１と同様にして、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、アンドープ層２２、ｎ層２３、発光層１４、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６を順に形成する（図５（ａ））。ここで、アンドープ層２２には、アンドープのＧａＮを用いる。Ａｌや不純物を含まないため、結晶品質や平坦性を向上させることができる。
次に、ｐコンタクト層１６上に、蒸着やスパッタなどによってｐ電極２７を形成し、接合層２９によって支持基板３０と接合する（図５（ｂ））。
次に、レーザーリフトオフ法を用いて、バッファ層２１とともに基板２０を除去する（図５（ｃ））。すなわち、基板２０の裏面（バッファ層２１形成側とは反対側の面）側から所定波長のレーザーを照射し、バッファ層２１とアンドープ層２２の界面においてアンドープ層２２を分解することで、バッファ層２１とアンドープ層２２の界面で剥離させ、基板２０を分離、除去する。
なお、レーザーリフトオフ法以外にも、ケミカルリフトオフなどの従来知られている各種成長基板除去方法を用いてもよい。
次に、ウェットエッチングによって、露出したアンドープ層２２の表面側からエッチングしていき、アンドープ層２２を全て除去する。さらにｎ層２３の表面をエッチングして凹凸を設ける（図５（ｄ））。レーザーリフトオフによって露出するアンドープ層２２の表面はIII 族窒化物半導体の窒素極性面であり、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリ溶液や、リン酸などによってウェットエッチング可能である。また、それらのウェットエッチングは異方性を有しており、その異方性によってｎ層２３表面に凹凸を設けることができる。この凹凸により光取り出し効率の向上を図っている。
次に、凹凸が設けられたｎ層２３上に蒸着やスパッタなどによってｎ電極２８を形成することで、図４に示す実施例２の紫外発光素子が製造される。
以上述べた実施例２の紫外発光素子の製造方法では、バッファ層２１としてスパッタにより形成したＡｌＮを用い、アンドープ層２２としてＧａＮを用い、さらにＡｌ組成比が小さい順に、ｎ層２３、ｐコンタクト層１６、電子ブロック層１５とすることで、結晶品質や平坦性を向上させている。しかし、アンドープ層２２をＧａＮとすると紫外線を吸収してしまう。そこで、レーザーリフトオフ法によって基板２０を除去した後、ウェットエッチングによってアンドープ層２２を除去し、自己吸収による損失を低減している。また、実施例２では平坦な基板２０上にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるため、結晶品質や平坦性が高い。
なお、発光波長を３７０ｎｍより長い範囲とするのであれば、アンドープ層２２がＧａＮであっても自己吸収はないため、レーザーリフトオフ後にアンドープ層２２を全て除去せずに残してもよい。
［各種変形例］
なお、実施例１では、Ａｌ組成比が小さい順に、アンドープ層１２、ｎ層１３、ｐコンタクト層１６、電子ブロック層１５とし、実施例２では、Ａｌ組成比が小さい順に、ｎ層２３、ｐコンタクト層１６、電子ブロック層１５としているが、バンドギャップエネルギーがこの順であればよい。そして、その場合、ｎ層１３、２３、電子ブロック層１５、ｐコンタクト層１６についてはＡｌを含む任意の組成のIII 族窒化物半導体、アンドープ層１２については任意のIII 族窒化物半導体を用いることができる。もちろん、自己吸収がないように組成比を選ぶのが望ましいことは言うまでもない。
実施例１はフリップチップ型の素子であるが、本発明はフェイスアップ型の素子などに対しても適用することができる。
本発明の紫外発光素子は、発光波長３２０〜４００ｎｍのＵＶＡ−ＬＥＤとして特に有効である。
本発明の紫外発光素子は、殺菌、照明、樹脂硬化など各種用途に使用することができる。
１０、２０：基板
１１、２１：バッファ層
１２、２２：アンドープ層
１３、２３：ｎ層
１４：発光層
１５：電子ブロック層
１６：ｐコンタクト層
１７、２７：ｐ電極
１８、２８：ｎ電極
２９：接合層
３０：支持基板

Claims (9)

  1. III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子において、
    基板と、
    前記基板上に位置し、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体からなるバッファ層と、
    前記バッファ層上に位置し、アンドープのIII 族窒化物半導体からなるアンドープ層と、
    前記アンドープ層上に位置し、Ａｌを含むｎ型III 族窒化物半導体からなるｎ層と、
    前記ｎ層上に位置し、III 族窒化物半導体からなる発光層と、
    前記発光層上に位置し、Ａｌを含むｐ型III 族窒化物半導体からなる電子ブロック層と、
    前記電子ブロック層上に位置し、Ａｌを含むｐ型III 族窒化物半導体からなるｐコンタクト層と、
    を有し、
    バンドギャップエネルギーが小さい順に、前記アンドープ層、前記ｎ層、前記ｐコンタクト層、前記電子ブロック層である、
    ことを特徴とする紫外発光素子。
  2. 前記アンドープ層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、
    前記ｎ層、前記電子ブロック層、および前記ｐコンタクト層は、ＡｌＧａＮからなり、
    前記アンドープ層、前記ｎ層、前記電子ブロック層、および前記ｐコンタクト層１６のＡｌ組成比は、Ａｌ組成比が小さい順に、前記アンドープ層、前記ｎ層、前記ｐコンタクト層、前記電子ブロック層である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子。
  3. 発光波長が３５０ｎｍ以上で３７０ｎｍより短く、
    前記アンドープ層のＡｌ組成比が３〜６％、前記ｎ層のＡｌ組成比が６〜１０％、前記電子ブロック層のＡｌ組成比が３７〜５０％、前記ｐコンタクト層のＡｌ組成比が８〜１５％であることを特徴とする請求項２に記載の紫外発光素子。
  4. 発光波長が３７０ｎｍ以上で３９０ｎｍより短く、
    前記アンドープ層のＡｌ組成比が０〜２％、前記ｎ層のＡｌ組成比が１〜４％、前記電子ブロック層のＡｌ組成比が２９〜４０％、前記ｐコンタクト層のＡｌ組成比が５〜１０％であることを特徴とする請求項２に記載の紫外発光素子。
  5. 発光波長が３５０ｎｍより短く、
    前記アンドープ層のＡｌ組成比が６％以上、前記ｎ層のＡｌ組成比が１０％以上、前記電子ブロック層のＡｌ組成比が５０％以上、前記ｐコンタクト層のＡｌ組成比が１５％以上であることを特徴とする請求項２に記載の紫外発光素子。
  6. 前記基板のバッファ層側の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の紫外発光素子。
  7. 前記バッファ層は、ＡｌＮであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の紫外発光素子。
  8. III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子の製造方法において、
    凹凸が設けられた基板上に、スパッタまたはＰＰＤでＡｌＮからなるバッファ層を形成する工程と、
    前記バッファ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によってアンドープのIII 族窒化物半導体を成長させて前記基板の凹凸を埋め込み、表面が平坦なアンドープ層を形成する工程と、
    前記アンドープ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって前記アンドープ層よりもバンドギャップエネルギーが大きなｎ型III 族窒化物半導体からなるｎ層を形成する工程と、
    前記ｎ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、III 族窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
    前記発光層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、前記ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きなｐ型III 族窒化物半導体からなる電子ブロック層を形成する工程と、
    前記電子ブロック層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、前記ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、前記電子ブロック層よりもバンドギャップエネルギーが小さなｐ型III 族窒化物半導体からなるｐコンタクト層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする紫外発光素子の製造方法。
  9. III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子の製造方法において、
    平坦な基板上に、スパッタまたはＰＰＤでＡｌＮからなるバッファ層を形成する工程と、
    前記バッファ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ＧａＮからなるアンドープ層を形成する工程と、
    前記アンドープ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型III 族窒化物半導体からなるｎ層を形成する工程と、
    前記ｎ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、III 族窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
    前記発光層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、前記ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きなｐ型III 族窒化物半導体からなる電子ブロック層を形成する工程と、
    前記電子ブロック層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、前記ｎ層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、前記電子ブロック層よりもバンドギャップエネルギーが小さなｐ型III 族窒化物半導体からなるｐコンタクト層を形成する工程と、
    基板リフトオフ法により前記基板を除去し、前記アンドープ層を露出させる工程と、
    前記アンドープ層の露出させた表面側からウェットエッチングすることにより、前記アンドープ層を除去して前記ｎ層を露出させるとともに、その露出させた前記ｎ層の表面に凹凸を設ける工程と、
    を有することを特徴とする紫外発光素子の製造方法。
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