JP2017085035A - 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
【解決手段】UVLED素子は、n型導電層、発光層、電子ブロック層、およびp型コンタクト層をこの順に備えている。p型コンタクト層のバンドギャップエネルギーEcontactおよび電子ブロック層のバンドギャップエネルギーEEBLがEcontact≦EEBLを満たしている。ホールに対するバリア高さが300meV以下である。
【選択図】図4
Description
ηEQE=ηIQE×ηINJ×ηLEE
の関係が成立する。
図1は本実施形態におけるUVLED素子100の概略構成を示す概略断面図である。UVLED素子100では、典型的には概して平板状のα−Al2O3単結晶であるサファイア基板110の一方の面104にAlN結晶等の材質のバッファー層120がエピタキシャル成長される。そのバッファー層120に接してn型導電層132、発光層134、および電子ブロック層(EBL)138がこの順に積層しエピタキシャル成長により形成されている。これらの層の材質は、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n型電極140が電気的に接続されている。これに対し、EBL138にはp型コンタクト層150さらに光反射器としても利用されるp型電極160が配置される。p型電極160は、p型コンタクト層150を介し、EBL138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から光出力が放射される。
上述したUVLED素子100の構成を採用した場合のキャリア注入効率ηINJを予測するために計算機による数値シミュレーションを実施した。当該数値シミュレーションに際し、本願の発明者は、LED素子におけるバンド設計のためのソフトウエア("SiLENSe"、STR Group, Inc. サンクトペテルブルク市、ロシア)を採用した。また、AlGaNのすべての層がAl0.54Ga0.46Nと格子整合していること、および、n型およびp型の双方でオーミックコンタクトが実現していること、との仮定を置いた。他の条件は上述した典型的条件に一致させた。
上記シミュレーション結果を解析することにより、本願の発明者らは、ホールの注入効率の値を決定するものがEBL138におけるホールに対するバリア高さであると考えるに至った。本文脈でのホールに対するバリア高さとは、「EBLにおける価電子帯のエネルギーの最大値とホールの擬フェルミ準位の値とのエネルギー差」と定義される。当該バリア高さは位置に依存していることから、EBL138の厚み全域にわたる幾何平均を採用する。
上述したようにEBL138のホールに対するバリア高さを減少させればキャリア注入効率が高まることが確認された(図8)。しかしホールに対するバリア高さは、p型コンタクト層150のアルミニウム分率yが0.8を超すと急増し、EBL138と一致する0.9を超え1となると最大となる(図7)。上述したようにアルミニウム分率yが0.8を超す組成でのバリア高さの増加は上述したものとは別の機構で説明される。
Econtact≦EEBL
を満たしていることにより、キャリア注入効率の低下を防ぎつつ動作させることができる。ただし、Econtactはp型コンタクト層150のバンドギャップエネルギーである。EEBLおよびEcontactは図4Aに示した例のように各位置で値が決まり、伝導帯と価電子帯のエネルギー差であるため材質が同一の範囲では殆ど一定となる。さらに、上記アルミニウム分率yの増大でp型領域のp型コンタクト層150のホール密度自体が小さくなっていれば、電子が電気伝導を担ってしまいホールは注入されにくくなる。EBL138のホールのバリア高さがこの領域で増大する上述した理由については、EBL138の価電子帯が、伝導帯のp型コンタクト層150に対する界面での大小関係の影響を受けて押し下げられ、価電子帯高さ(紙面下方方向の値)が大きくなるためと説明できることから、ホール注入効率の説明とも矛盾しない。
Eg(x,y)=xEg InN+yEg AlN+(1−x−y)Eg GaN
−bAl−Inxy−bAl−Ga(1−x−y)y−bGa−Inx(1−x−y)
ただし、Eg InN、Eg AlN、およびEg GaNは、InN、AlN、およびGaNのバンドギャップエネルギー、bAl−In、bAl−Ga、およびbGa−Inは線形補間からのずれの程度を決定するためのボーイングパラメータ(bowing parameter)、である。
Eg AlN=6.25eV(0K),6.21eV(300K)
Eg GaN=3.51eV(0K),3.43eV(300K)
Eg InN=0.78eV(0K),0.76eV(300K)
との値が報告されている。また、bAl−In、bAl−Ga、およびbGa−Inの値も文献によって異なり、例えばbAl−Gaは非特許文献1では0.7eVが推奨され、別の非特許文献2では1.0eVとされている。
Eg AlN=6.158eV
Eg GaN=3.438eV
Eg InN=0.642eV
bAl−Ga=1.0eV
bGa−In=1.2eV
bAl−In=4.5eV
本願の発明者はシミュレーションによる解析に当たりこれらの値をそのまま採用した。なお、ここでのバンドギャップエネルギーは温度300K(室温)での値である。また、本出願の数値シミュレーションにおいて採用したバンドギャップエネルギーは、特段説明の無い場合、温度300Kの値である。留意すべきは、本出願においてバンドギャップエネルギーの大小関係や数値自体により特定される事項が300Kのみで成立するべき事項ではなく、例えば、UVLED素子100における動作時の局所的な素子の温度において各事項が満たされていれば、所期の動作が期待できる点である。
ΔEc+ΔEv=ΔEg
の関係が成り立つ。そして価電子帯オフセットΔEvと伝導帯オフセットΔEcとでバンドギャップの差ΔEgを分け合う比率は、経験則として、AlN−GaNの混晶組成の全域において不変としても差し支えない。本実施形態のシミュレーションでも、AlN−GaNの混晶組成の全域について、
ΔEv=0.29ΔEg
という関係を仮定することができる。つまり上記経験則に基づいて、界面両側の半導体のバンドギャップエネルギーによりキャリアの振舞いが決定されるという関係が担保されている。
EBL138が多重量子障壁(MQB)である場合にも、上述した説明は僅かな修正で適用できる。その際、実際のMQBを的確に適用するためには、電子に対して実質的なバリア高さが高くなるように設計されるMQBの細部が考慮される。つまり、実際のMQBの実質的なバリア高さに影響する設計の要素は、例えばMQB周期をどの程度にするか、MQB周期を複数含むか、MQB全体の厚み、MQBにおける伝導帯の傾斜、およびMQB各層の組成に依存する。それでも、EBL138がMQBである場合には、バンドギャップエネルギーEEBLに代えMQB層におけるバンドギャップエネルギーの最大値EMQB−maxにより、p型コンタクト層150のバンドギャップエネルギーEcontactと対比して、
Econtact≦EMQB−max
を満たすものではキャリア注入効率の低下を防ぎつつ動作させることができ、発光層でのキャリア再結合が促進され発光効率が向上する。なお、上記バンドギャップエネルギーの最大値に代え、MQBの各層でのバンドギャップによる平均のバンドギャップエネルギーがp型コンタクト層150のバンドギャップエネルギーEcontactと等しいかより大きい場合には、さらにMQB層に強い電子ブロックの機能が期待できるため好ましい。
以下、シミュレーションにより獲得した知見を実際のUVLED素子にて確認した実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明する。本実施例は、シミュレーションにより獲得した知見を生かせる範囲で作製条件に変更を加えたUVLED素子の動作を確認している。実際のUVLED素子で上述したシミュレーションに対応した動作が得られることは別途確認している。このため、ここで示す実施例は、シミュレーションにおける計算の条件と必ずしも同一の条件にてUVLED素子を作製したものではない。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。説明済みの図面および符号を引き続き使用する。
UVLED素子100を含む紫外線発光モジュールを製造した。まず、第1面が(0001)面、かつ、(0001)面からのオフ角が0.20°のサファイア基板を有機金属気相成長装置のサセプタ上に設置し、キャリアガスとして水素を供給しながら、装置炉内温度が1100℃、かつ、炉内圧力が10kPaになるのを待って、窒化物半導体薄膜の形成を開始した。なお、キャリアガスの種類、炉内圧力は、成膜中は前記の状態でそれぞれ一定に保った。炉内の状態が安定した後、III族原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)を連続的に50sccm、V族原料としてNH3をパルス状にON・OFFさせながら100sccm供給することにより、AlN結晶核を約20nm形成した。次にキャリアガスのみ供給した状態で1300℃まで昇温した後、III族原料としてTMAを連続的に200sccm、V族原料としてNH3を連続的に400sccm供給することにより、全体の膜厚が約4μmとなるAlN下地層を形成した。この方法で形成されるAlN下地層の(10−12)面に対するX線回折のωスキャンによるX線ロッキングカーブ(X−Ray Rocking Curve:XRC)の半値幅を別途測定すると、約350arcsecであった。
実施例1と同様の方法でUVLED素子100を作製した後、サブマウント上に6素子を電気的に並列接続してフリップチップ実装した。さらに当該6素子全体を覆うようにアモルファスフッ素樹脂を塗布し、実施例1と同様の硬化条件にて樹脂を硬化させ、高出力動作用の紫外線発光モジュールを作製した。この紫外線発光モジュールにDC120mAを通電したところ、波長277nm、光出力40mWとなる発光特性を得た。
上述した本発明の実施形態は、種々の変形を伴う形態により実施することも好ましい。例えばp型コンタクト層のMg濃度が1.0×1018/cm3以上とすることも好ましい。当該Mg濃度をこの値以上とすれば、効率的にホールが注入され発光効率が向上する。また、p型コンタクト層のMg濃度は、1.0×1021/cm3以下とすることも好ましい。p型コンタクト層のMg濃度が約1020/cm3を超えるあたりからは、結晶性の劣化が顕著となりはじめ、さらにホール濃度も増加しにくくなる傾向が見られる。このため、p型コンタクト層のMg濃度は、1.0×1021/cm3以下の範囲で良好な結晶性を維持しつつ発光効率を向上させることが可能となって好ましく、さらに好ましくは、1020/cm3以下に設定される。これに応じ、p型コンタクト層150のホール濃度が1.0×1015/cm3以上とすることも好ましい。当該ホール濃度がこの値以上となると、効率的にホールが注入され発光効率が向上する。また、上述した増加しにくくなるホール濃度の値は、ホール濃度は、約1.0×1021/cm3であることから、この値以下のホール濃度により動作させることも好ましい。
102 光取出し面
104 基板の一方の面
110 基板
120 バッファー層
132 n型導電層
134 発光層
138 電子ブロック層(EBL)
140 n型電極
150 p型コンタクト層
160 p型電極
Claims (10)
- Inx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1,0<y1≦1)n型導電層と、
発光層と、
Inx2Aly2Ga1−x2−y2N(0≦x2<1,0<y2≦1)電子ブロック層と、
Inx3Aly3Ga1−x3−y3N(0≦x3<1,0<y3≦1)p型コンタクト層と
をこの順に備え、前記p型コンタクト層のバンドギャップエネルギーEcontactおよび前記電子ブロック層のバンドギャップエネルギーEEBLが
Econtact≦EEBL
を満たしている紫外発光ダイオード。 - 前記p型コンタクト層のバンドギャップエネルギーEcontactおよび前記発光層にて発光する光の光子エネルギーEemissionが
Eemission<Econtact
を満たしている請求項1に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記p型コンタクト層のアルミニウム分率y3は、前記p型コンタクト層のバンドギャップエネルギーEcontactが
4.83eV≦Econtact≦5.45eV
を満たすようなものである、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記p型コンタクト層のバンドギャップエネルギーEcontactおよび前記電子ブロック層のバンドギャップエネルギーEEBLが
0eV≦EEBL−Econtact≦0.966eV
を満たすものである、請求項1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(MQB)層であり、
前記p型コンタクト層のバンドギャップエネルギーEcontactおよび前記MQB層におけるバンドギャップエネルギーの最大値EMQB−maxが、
Econtact≦EMQB−max
を満たすものである、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Mg濃度が1.0×1018/cm3以上、1.0×1021/cm3以下である、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記p型コンタクト層のホール濃度が1.0×1015/cm3以上、1.0×1021/cm3以下である、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- n型導電層のバンドギャップエネルギーが4.5eV以上、6.2eV以下である、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 請求項1〜8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。
- Inx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1,0<y1≦1)n型導電層と、
発光層と、
Inx2Aly2Ga1−x2−y2N(0≦x2<1,0<y2≦1)電子ブロック層と、
Inx3Aly3Ga1−x3−y3N(0≦x3<1,0<y3≦1)p型コンタクト層と
をこの順に備え、前記電子ブロック層における価電子帯のエネルギーの最大値とホールの擬フェルミ準位の値とのエネルギー差により定められるホールに対するバリア高さが、300meV以下である紫外発光ダイオード。
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