JP2019079994A - Template substrate and manufacturing method thereof, and light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外発光素子の作製に用いるテンプレート基板およびその製造方法に関するものである。また、そのテンプレート基板を用いた発光素子に関するものである。 The present invention relates to a template substrate used for producing an ultraviolet light emitting device and a method for producing the same. The present invention also relates to a light emitting element using the template substrate.
III 族窒化物半導体からなる発光素子では、光取り出しの向上や結晶性向上のために、サファイア基板表面に凸部を周期的に配列したパターンの凹凸形状を設けている。 In the light emitting element made of a group III nitride semiconductor, in order to improve the light extraction and the crystallinity, a concavo-convex shape of a pattern in which convex portions are periodically arranged is provided on the surface of the sapphire substrate.
特許文献１には、凹凸形状を有したサファイア基板上にIII 族窒化物半導体からなる半導体層を積層させた発光素子が記載されている。凹凸形状は、凸部が規則的に配列されたパターンであり、凸部は曲面状であることが記載されている。 Patent Document 1 describes a light emitting device in which a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor is stacked on a sapphire substrate having a concavo-convex shape. The concavo-convex shape is a pattern in which convex portions are regularly arranged, and it is described that the convex portions are curved.
また、特許文献２には、発光素子用のテンプレート基板が記載されている。テンプレート基板は、凹凸形状を有したサファイア基板上に、スパッタにより形成されたＡｌＮからなるバッファ層を介して、ＡｌＧａＮからなる下地層が形成された構成である。また、凹凸形状は凸部が碁盤目状に配列されたパターンであり、凸部は半球状であることが記載されている。 Patent Document 2 describes a template substrate for a light emitting element. The template substrate has a configuration in which an underlayer made of AlGaN is formed on a sapphire substrate having a concavo-convex shape via a buffer layer made of AlN formed by sputtering. The uneven shape is a pattern in which the convex portions are arranged in a grid pattern, and the convex portions are described to be hemispherical.
深紫外発光素子の場合、サファイア基板上にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮを成長させる必要がある。サファイア基板として凹凸加工しない平坦な面のものを使用した場合、基板上にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮを成長させるとクラックやヒロックを抑制することが困難であり、発光素子構造の形成が困難である。そのため、凹凸形状を有したサファイア基板を用い、クラックやヒロックの抑制を図る必要がある。 In the case of a deep ultraviolet light emitting device, it is necessary to grow AlGaN having a high Al composition ratio on a sapphire substrate. When a sapphire substrate having a flat surface which is not subjected to asperity processing is used, it is difficult to suppress cracks and hillocks when AlGaN having a high Al composition ratio is grown on the substrate, and it is difficult to form a light emitting device structure. . Therefore, it is necessary to suppress cracks and hillocks by using a sapphire substrate having a concavo-convex shape.
しかし、凹凸形状を有したサファイア基板上にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ層を形成すると、凸部の側面近傍に異常成長領域（通常の結晶とは異なる領域）が発生してしまうことがわかった。また、異常成長領域は発光層からの紫外線を吸収し、光取り出しを低下させてしまうことがわかった。 However, it has been found that when an AlGaN layer having a high Al composition ratio is formed on a sapphire substrate having a concavo-convex shape, an abnormal growth region (a region different from a normal crystal) is generated in the vicinity of the side surface of the convex portion. In addition, it has been found that the abnormal growth region absorbs ultraviolet light from the light emitting layer and reduces light extraction.
そこで本発明は、異常成長領域が抑制された紫外発光素子用のテンプレート基板を提供することである。また、そのテンプレート基板の製造方法を提供することである。また、そのテンプレート基板を用いた発光素子を提供することである。 Therefore, the present invention is to provide a template substrate for an ultraviolet light emitting device in which an abnormal growth region is suppressed. Another object is to provide a method of manufacturing the template substrate. Another object is to provide a light emitting element using the template substrate.
本発明は、紫外発光素子用のテンプレート基板であって、表面に凸部が周期的に配列された凹凸形状を有する基板と、基板上に、凹凸形状に沿って膜状に設けられたIII 族窒化物半導体からなるバッファ層と、基板上であって凸部頂点近傍を除く領域に、バッファ層を介して設けられたＡｌＧａＮからなる三次元成長層と、三次元成長層上および凸部頂点近傍を覆うようにして設けられ、Ａｌ組成比が三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮからなり、平坦な表面を有した埋め込み層と、を有し、凸部の形状は、基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、凸部表面全体の面積に対し、凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状である、ことを特徴とするテンプレート基板である。また、本発明はこのテンプレート基板を含む紫外発光の発光素子である。 The present invention is a template substrate for an ultraviolet light emitting element, which is a substrate having a concavo-convex shape in which convex portions are periodically arranged on the surface, and a group III member provided on the substrate in a film shape along the concavo-convex shape. A buffer layer made of a nitride semiconductor, a three-dimensional growth layer made of AlGaN provided on the substrate but excluding the vicinity of the top of the convex portion, and a buffer layer interposed therebetween, a three-dimensional growth layer and the vicinity of the top of the convex portion And a buried layer having a flat surface and made of AlGaN having an Al composition ratio equal to or less than the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer. The contact angle to the surface is 60 ° or more and 90 ° or less, and the area of the curved surface area in which the inclination angle with respect to the main surface of the substrate is in the range of 30 to 50 ° is 30% In particular, it has a shape that It is a template substrate to be marked. Further, the present invention is a light emitting element of ultraviolet light emission including this template substrate.
三次元成長層のＡｌ組成比を１０％以上とする場合に本発明は好適である。三次元成長層のＡｌ組成比が１０％以上の場合、凸部近傍に異常成長領域が発生しやすくなるが、そのような場合であっても本発明によれば効果的に異常成長領域の発生を抑制することができる。 The present invention is suitable when the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer is 10% or more. When the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer is 10% or more, an abnormal growth region is likely to be generated in the vicinity of the convex portion, but even in such a case, according to the present invention, the generation of the abnormal growth region is effective. Can be suppressed.
本発明は主面をｃ面とするサファイアからなる基板に好適である。また、凸部はレンズ状の形状が作製の容易さなどの点から好ましい。 The present invention is suitable for a substrate made of sapphire whose main surface is c-plane. Further, the convex portion is preferably in the shape of a lens from the viewpoint of easiness of production and the like.
また、本発明は、紫外発光素子用のテンプレート基板の製造方法であって、基板上に、凸部が周期的に配列された凹凸形状を形成する工程と、基板上に、凹凸形状に沿って膜状にIII 族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、基板上であって凸部頂点近傍を除く領域に、バッファ層を介してＡｌＧａＮを三次元成長させて三次元成長層を形成する工程と、三次元成長層上および凸部頂点近傍を覆うようにして、Ａｌ組成比が三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮを二次元成長させ、平坦な表面を有した埋め込み層を形成する工程と、を有し、凸部は、基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、凸部表面全体の面積に対し、凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状に形成する、ことを特徴とするテンプレート基板の製造方法である。 The present invention is also a method of manufacturing a template substrate for an ultraviolet light emitting element, comprising the steps of: forming a concavo-convex shape in which convex portions are periodically arranged on the substrate; and along the concavo-convex shape on the substrate. A step of forming a buffer layer made of a group III nitride semiconductor in a film form, and three-dimensionally growing AlGaN on a region of the substrate excluding the vicinity of the apex of the convex portion via the buffer layer to form a three-dimensional growth layer And a two-dimensional growth of AlGaN having an Al composition ratio equal to or less than the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer so as to cover the three-dimensional growth layer and the vicinity of the top of the convex portion; And the convex portion has a contact angle of 60 ° to 90 ° with respect to the main surface of the substrate, and the surface of the convex portion is inclined to the main surface of the substrate with respect to the area of the entire convex surface. Of a curved surface area whose angle is in the range of 30 It is a manufacturing method of a template board characterized by forming in a shape which becomes 30% or less in area.
本発明によれば、基板の凸部近傍に異常成長領域が発生するのを抑制することができ、紫外線の吸収を抑制することができる。 According to the present invention, generation of an abnormal growth region in the vicinity of the convex portion of the substrate can be suppressed, and absorption of ultraviolet light can be suppressed.
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。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.
図１は、実施例１のテンプレート基板の構成を示した図である。実施例１のテンプレート基板は、図１のように、基板１０と、三次元成長層１１と、埋め込み層１２と、アンドープ層１３と、ｎ型層１４と、によって構成されている。実施例１のテンプレート基板は、そのテンプレート基板上に半導体層を積層させて発光素子を形成するためのものであり、紫外発光素子（たとえば波長２５０〜３８０ｎｍ）用のものである。 FIG. 1 is a view showing the configuration of the template substrate of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the template substrate of the first embodiment is configured of a substrate 10, a three-dimensional growth layer 11, a buried layer 12, an undoped layer 13, and an n-type layer 14. The template substrate of Example 1 is for laminating a semiconductor layer on the template substrate to form a light emitting element, and is for ultraviolet light emitting element (for example, wavelength 250 to 380 nm).
基板１０は、サファイアからなり、主面はｃ面である。基板１０表面は、凹凸形状を有している。この凹凸形状によって光取り出しの向上を図るとともに、その上に積層される半導体層（三次元成長層１１、埋め込み層１２、アンドープ層１３、およびｎ型層１４）にクラックやヒロックが発生するのを抑制し、結晶性の向上を図っている。 The substrate 10 is made of sapphire and the main surface is c-plane. The surface of the substrate 10 has an uneven shape. While the light extraction is improved by the concavo-convex shape, generation of cracks and hillocks in the semiconductor layers (the three-dimensional growth layer 11, the buried layer 12, the undoped layer 13 and the n-type layer 14) stacked thereon is It suppresses and aims at the improvement of crystallinity.
凹凸形状は、図２に示すように、凸部１５が正三角格子状に周期的に配列されたパターンである。また、凸部１５は、図１に示すように、曲面状に突出したレンズ状である。ここでレンズ状とは、曲率一定の球面である場合だけでなく、非球面の曲面も含むものとする。 The concavo-convex shape is a pattern in which the convex portions 15 are periodically arranged in a regular triangular lattice shape, as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 1, the convex portion 15 is in the shape of a lens that protrudes in a curved shape. Here, the lens shape includes not only a spherical surface having a constant curvature but also an aspherical curved surface.
図３は、凸部１５を拡大して示した図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は平面図である。凸部１５の曲面の形状は、その曲面全体の面積Ｓ0 に対し、凸部１５の曲面のうち基板１０主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるような形状、つまりＳ／Ｓ0 ≦０．３である。このような形状とすることで、凸部１５の曲面上にバッファ層１６を介して成長する結晶に異常成長領域が発生するのを抑制することができる。図３（ｂ）のように、凸部１５はレンズ状で平面視で円であるから、曲面領域Ａは、平面視で同心円のリング状となる。 FIG. 3 is an enlarged view of the convex portion 15, FIG. 3 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 3 (b) is a plan view. The shape of the curved surface of the convex portion 15, with respect to the area S 0 of the entire curved surface, the area S of the curved regions A tilt angle θ with respect to the substrate 10 major surface is in a range of 30 to 50 ° of the curved surface of the convex portion 15 The shape is 30% or less, that is, S / S 0 ≦ 0.3. With such a shape, it is possible to suppress the occurrence of an abnormal growth region in the crystal grown on the curved surface of the convex portion 15 via the buffer layer 16. As shown in FIG. 3B, since the convex portion 15 is lens-shaped and is a circle in a plan view, the curved surface area A is a ring shape of a concentric circle in a plan view.
Ｓ／Ｓ0 ≦０．３とすることで異常成長領域の発生を抑制できる理由は、傾斜角度θ３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａのサファイア結晶の面方位が、ＡｌＧａＮ結晶に異常成長を発生させやすい面方位となっているためと推察される。Ｓ／Ｓ0 ≦０．３とすれば、このような結晶面の面積も十分に低減されるため、異常成長領域も低減されたと考えられる。 The reason why the occurrence of the anomalous growth region can be suppressed by setting S / S 0 ≦ 0.3 is that the plane orientation of the sapphire crystal in the curved surface region A, which is the range of the inclination angle θ30 to 50 °, causes the anomalous growth in the AlGaN crystal. It is presumed that the surface orientation is easy to generate. If S / S 0 ≦ 0.3, the area of such a crystal plane is sufficiently reduced, so it is considered that the abnormal growth region is also reduced.
より望ましくは、Ｓ／Ｓ0 ≦０．２、さらに望ましくはＳ／Ｓ0 ≦０．１である。最も望ましいのはＳ／Ｓ0 ＝０（つまりＳ＝０）とすることであるが、そのような形状は実際の作製上困難である。そのため、０．０１≦Ｓ／Ｓ0 とすることが望ましく、より望ましくは０．０５≦Ｓ／Ｓ0 である。 More preferably, S / S 0 ≦ 0.2, more preferably S / S 0 ≦ 0.1. Most desirable is to set S / S 0 = 0 (ie, S = 0), but such a shape is difficult in practical fabrication. Therefore, it is desirable to set 0.01 ≦ S / S 0, and more desirably 0.05 ≦ S / S 0 .
凸部１５は、接触角θ0 （基板１０表面の平坦面と凸部１５の曲面との接点における平坦面に対する曲面の成す角）が６０°以上９０°以下である。接触角θ0 が６０°未満では、凸部１５の高さＨが低くなり、十分に光取り出しを向上させることが難しくなる。また、基板１０上にＡｌＧａＮを三次元成長させることが難しくなり、結晶性を十分に向上させることが難しくなる。接触角θ0 が９０°より大きいと、埋め込みが難しくなり、ボイドを発生させてしまう可能性があり、また作製も容易でない。そのため望ましくない。より望ましくは６０〜７５°である。 The convex portion 15 has a contact angle θ 0 (an angle formed by the curved surface with respect to the flat surface of the contact point between the flat surface of the surface of the substrate 10 and the curved surface of the convex portion 15) is 60 ° or more and 90 ° or less. The contact angle theta 0 is less than 60 °, the height H of the projection 15 is lowered, it is difficult to sufficiently improve the light extraction. In addition, it becomes difficult to three-dimensionally grow AlGaN on the substrate 10, and it becomes difficult to sufficiently improve the crystallinity. If the contact angle θ 0 is larger than 90 °, embedding becomes difficult, voids may be generated, and fabrication is not easy. Therefore it is not desirable. More desirably, it is 60-75 degrees.
凸部１５の高さＨは、０．３〜１．０μｍとすることが好ましい。この範囲とすることで、光取り出しや結晶性を向上させる効果をより高めることができる。また、１．０μｍよりも高いと基板１０の凹凸形状を埋め込んで平坦化させるのに時間がかかる。また、凸部１５の高さＨが大きくなると、異常成長領域も厚くなる傾向にある。これらの点から高さＨは１．０μｍ以下とすることが望ましい。より望ましくは０．４〜０．８μｍである。 It is preferable that the height H of the convex portion 15 be 0.3 to 1.0 μm. By setting this range, the effect of improving light extraction and crystallinity can be further enhanced. If it is higher than 1.0 μm, it takes time to embed and planarize the uneven shape of the substrate 10. In addition, when the height H of the convex portion 15 becomes large, the abnormal growth region also tends to be thick. From these points, the height H is desirably 1.0 μm or less. More preferably, it is 0.4 to 0.8 μm.
凸部１５の配列周期Ｌは、凸部１５の配列周期Ｌ（隣接する凸部１５の中心間の距離）は、発光波長λの０．７５〜１．２５倍とすることが望ましい。この範囲とすることで、光取り出しをより向上させることができ、軸上強度をより向上させることができる。より望ましくは０．８〜１．２倍であり、さらに望ましくは０．９〜１．１倍である。 The arrangement period L of the convex portions 15 is preferably such that the arrangement period L of the convex portions 15 (the distance between the centers of the adjacent convex portions 15) is 0.75 to 1.25 times the light emission wavelength λ. By setting this range, the light extraction can be further improved, and the axial strength can be further improved. More preferably, it is 0.8 to 1.2 times, still more preferably 0.9 to 1.1 times.
凸部１５の直径Ｒは、配列周期Ｌの０．２５〜０．７５倍とすることが望ましい。ここで直径Ｒは、凸部１５の下面の直径である。凸部１５が平面視で円でない場合には下面の外接円の直径とする。直径Ｒをこの範囲とすることで、光取り出しをより向上させることができ、軸上強度をより向上させることができる。より望ましくは０．３〜０．７倍であり、さらに望ましくは０．４〜０．６倍である。 The diameter R of the convex portion 15 is desirably 0.25 to 0.75 times the arrangement period L. Here, the diameter R is the diameter of the lower surface of the convex portion 15. When the convex portion 15 is not a circle in plan view, it is the diameter of the circumscribed circle of the lower surface. By setting the diameter R in this range, the light extraction can be further improved, and the on-axis strength can be further improved. More preferably, it is 0.3 to 0.7 times, still more preferably 0.4 to 0.6 times.
なお、実施例１では凸部１５の表面形状を曲面のみで構成されたレンズ状としているが、凸部１５の曲面全体の面積Ｓ0 に対し、基板主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面の面積Ｓが３０％以下となるような形状であればレンズ状に限らず、曲面と平面の混合であったり、平面のみで構成された形状、たとえば角錐台や円錐台であってもよい。ただし、作製の容易さからレンズ状とすることが好ましい。 In Example 1, the surface shape of the convex portion 15 is a lens shape formed of only curved surfaces, but the inclination angle θ with respect to the main surface of the substrate is 30 to 50 ° with respect to the area S 0 of the entire curved surface of the convex portion 15 If the shape is such that the area S of the curved surface which is within the range is 30% or less, it is not limited to the lens shape, but is a mixture of curved and flat surfaces, or a shape composed of only flat surfaces, such as a truncated pyramid or truncated cone It may be. However, it is preferable to use a lens shape in view of easiness of preparation.
また、凸部１５の配列パターンを正三角格子状としているが、正方格子状、ハニカム状など任意の周期的なパターンとしてよい。ただし、埋め込み層１２による凹凸の埋め込みを良好とし、結晶品質を等方的とするために正三角格子状とすることが好ましい。 Further, although the arrangement pattern of the convex portions 15 is in the form of a regular triangular lattice, it may be an arbitrary periodic pattern such as a square lattice or a honeycomb. However, in order to make the embedding of the unevenness by the embedded layer 12 good and to make the crystal quality isotropic, it is preferable to make it in the shape of a regular triangular lattice.
また、基板１０の主面はｃ面に限らず、ａ面、ｍ面などであってもよいが、ｃ面とすることが好ましい。また、基板１０の材料はサファイアに限らず、III 族窒化物半導体を結晶成長可能であって紫外線を透過する材料であればよく、ＭｇＯ2 、Ｇａ2 Ｏ3 、ＡｌＮ、スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）などを用いてよい。 Further, the main surface of the substrate 10 is not limited to the c-plane, and may be an a-plane, an m-plane, or the like, but is preferably the c-plane. The material of the substrate 10 is not limited to sapphire, it may be a material of the group III nitride semiconductor be possible crystal growth transmits ultraviolet rays, MgO 2, Ga 2 O 3 , AlN, spinel (MgAl 2 O 4 ) May be used.
（バッファ層１６の構成）
バッファ層１６は、基板１０上に凹凸形状に沿って膜状に形成されている。バッファ層１６はスパッタ法により形成されたＡｌＮからなり、その厚さは１５〜３０ｎｍである。ＡｌＮに替えて、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどIII 族窒化物半導体であればよい。ただし、Ａｌ組成比が大きいほど三次元成長層１１の結晶性を向上できるため、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。
(Configuration of buffer layer 16)
The buffer layer 16 is formed on the substrate 10 in a film shape along the concavo-convex shape. The buffer layer 16 is made of AlN formed by a sputtering method, and its thickness is 15 to 30 nm. Instead of AlN, any group III nitride semiconductor such as AlGaN or GaN may be used. However, since the crystallinity of the three-dimensional growth layer 11 can be improved as the Al composition ratio increases, the Al composition ratio is preferably as large as possible, and more preferably, the Al composition ratio is 50% or more. And most desirable.
（三次元成長層１１の構成）
三次元成長層１１は、アンドープのＡｌＧａＮからなる。Ａｌ組成比は１２％である。図１のように、凸部１５間の平坦面１０ａ上、およびその平坦面１０ａ近傍の凸部１５上にバッファ層１６を介して形成されていて、凸部１５の頂点近傍には形成されていない。三次元成長層１１は、縦方向成長が優位な条件で成長させた層であり、縦方向成長によって転位の少ない高品質な結晶としている。
(Configuration of three-dimensional growth layer 11)
The three-dimensional growth layer 11 is made of undoped AlGaN. The Al composition ratio is 12%. As shown in FIG. 1, the buffer layer 16 is formed on the flat surface 10 a between the protrusions 15 and on the protrusions 15 near the flat surface 10 a, and is formed in the vicinity of the apex of the protrusions 15. Absent. The three-dimensional growth layer 11 is a layer grown under conditions in which the longitudinal growth is dominant, and the high-quality crystal with few dislocations is formed by the longitudinal growth.
なお、三次元成長層１１のＡｌ組成比は、２％以上であれば任意である。ただし、Ａｌ組成比が高いほど短波長側の透過率を高めることができるので、発光波長の選択幅を広げ、より汎用な紫外発光素子用のテンプレート基板とするために、Ａｌ組成比は１０％以上とすることが好ましい。また、Ａｌ組成比が高いほど、凸部１５近傍の領域に異常成長領域が発生しやすくなるが、実施例１のように凸部１５の曲面形状をＳ／Ｓ0 ≦０．３とすれば、１０％以上の高いＡｌ組成比の場合であっても効果的に異常成長領域の発生を抑制することができる。より好ましくは１０〜１５％、さらに好ましくは１０〜１３％である。また、三次元成長層１１には三次元成長を促進させるための不純物がドープされていてもよい。 The Al composition ratio of the three-dimensional growth layer 11 is arbitrary as long as it is 2% or more. However, the transmittance on the short wavelength side can be increased as the Al composition ratio increases, so the Al composition ratio is 10% in order to widen the selection range of the emission wavelength and to use as a template substrate for a more general ultraviolet light emitting element. It is preferable to set it as the above. Also, as the Al composition ratio is higher, an abnormal growth region is more likely to be generated in the region near the convex portion 15, but if the curved surface shape of the convex portion 15 is S / S 0 ≦ 0.3 as in Example 1. Even in the case of a high Al composition ratio of 10% or more, the occurrence of an abnormal growth region can be effectively suppressed. More preferably, it is 10 to 15%, further preferably 10 to 13%. Further, the three-dimensional growth layer 11 may be doped with an impurity for promoting three-dimensional growth.
また、三次元成長層１１の厚さ（凸部１５間の平坦面から三次元成長層１１表面までの厚さ）は、凸部１５の高さＨ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抑制して結晶性を向上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。 The thickness of the three-dimensional growth layer 11 (the thickness from the flat surface between the convex portions 15 to the surface of the three-dimensional growth layer 11) is 1 to 1.5 times the height H of the convex portion 15 Good. Within this range, the effect of improving the crystallinity by suppressing the concentration of dislocations can be sufficiently obtained. More preferably, it is 1.2 to 1.3 times.
（埋め込み層１２の構成）
埋め込み層１２は、アンドープのＡｌＧａＮからなる。Ａｌ組成比は１０％である。埋め込み層１２は、横方向成長によって凹凸を埋め込んで、表面を平坦化させるための層である。埋め込み層１２は三次元成長層１１上、および凸部１５頂点近傍に連続的に覆うようにして設けられており、その表面は平坦となっている。
(Structure of embedded layer 12)
The buried layer 12 is made of undoped AlGaN. The Al composition ratio is 10%. The buried layer 12 is a layer for filling the unevenness by lateral growth to flatten the surface. The buried layer 12 is provided so as to continuously cover the three-dimensional growth layer 11 and in the vicinity of the top of the convex portion 15, and the surface thereof is flat.
埋め込み層１２の厚さ（三次元成長層１１表面から埋め込み層１２表面までの厚さ）は、凹凸形状を埋め込んで表面が平坦となる厚さであれば任意の厚さでよいが、０．５〜３μｍとすることが好ましい。０．５μｍよりも薄いと、凹凸の埋め込みが不十分で埋め込み層１２表面が平坦とならない場合がある。 The thickness of the embedded layer 12 (the thickness from the surface of the three-dimensional growth layer 11 to the surface of the embedded layer 12) may be any thickness as long as the surface becomes flat by embedding the uneven shape. It is preferable to set it as 5-3 micrometers. If the thickness is smaller than 0.5 μm, the surface may not be flat due to insufficient embedding of the unevenness.
また、埋め込み層１２のＡｌ組成比は、三次元成長層１１と同一のＡｌ組成比としてもよいが、実施例１のように三次元成長層１１よりもＡｌ組成比を低くすることが好ましい。Ａｌ組成比を低くすることで横方向成長（二次元成長）が促進され、基板１０表面の凹凸形状の埋め込みがより容易となる。この場合、埋め込み層１２のＡｌ組成比は、三次元成長層１１よりも１〜５％低くすることが好ましい。また、埋め込み層１２に二次元成長を促進させるための不純物がドープされていてもよい。 Although the Al composition ratio of the buried layer 12 may be the same as the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer 11, it is preferable to make the Al composition ratio lower than that of the three-dimensional growth layer 11 as in the first embodiment. By lowering the Al composition ratio, lateral growth (two-dimensional growth) is promoted, and embedding of the uneven shape on the surface of the substrate 10 becomes easier. In this case, the Al composition ratio of the buried layer 12 is preferably 1 to 5% lower than that of the three-dimensional growth layer 11. Further, the buried layer 12 may be doped with an impurity for promoting two-dimensional growth.
（アンドープ層１３の構成）
アンドープ層１３は、厚さ０．１〜３μｍのアンドープＡｌＧａＮからなり、Ａｌ組成比は１０〜１５％である。このアンドープ層１３を設けることによって、転位を減少させて結晶品質の向上を図るとともに、基板１０との格子定数差による応力の緩和を図っている。アンドープ層１３は、埋め込み層１２のＡｌ組成比からｎ型層１４のＡｌ組成比まで連続的または段階的にＡｌ組成比を変化させた層としてもよい。
(Configuration of undoped layer 13)
The undoped layer 13 is made of undoped AlGaN with a thickness of 0.1 to 3 μm, and the Al composition ratio is 10 to 15%. By providing the undoped layer 13, dislocations are reduced to improve the crystal quality, and the stress due to the difference in lattice constant with the substrate 10 is alleviated. The undoped layer 13 may be a layer in which the Al composition ratio is changed continuously or stepwise from the Al composition ratio of the buried layer 12 to the Al composition ratio of the n-type layer 14.
（ｎ型層１４の構成）
ｎ型層１４は、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮからなり、厚さ０．１〜３μｍである。ｎ型層１４のＡｌ組成比は、アンドープ層１３のＡｌ組成比以上であれば任意であり、たとえば５〜５０％である。ｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉ濃度は１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 である。
(Configuration of n-type layer 14)
The n-type layer 14 is made of Si-doped n-AlGaN and has a thickness of 0.1 to 3 μm. The Al composition ratio of the n-type layer 14 is arbitrary as long as it is equal to or more than the Al composition ratio of the undoped layer 13, and is, for example, 5 to 50%. The n-type impurity is Si, and the Si concentration is 1 × 10 18 to 1 × 10 20 / cm 3 .
ｎ型層１４は複数の層で構成してもよく、その場合、III 族窒化物半導体からなる発光素子のｎ型層１４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型層１４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型層１４のうちｎ電極を設ける予定の領域の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。また、ｎ型を示す範囲内であれば、Ｓｉに加えてＭｇなど他の不純物をコドープし、透過率などの特性を調整してもよい。 The n-type layer 14 may be composed of a plurality of layers, in which case various configurations conventionally known as the configuration of the n-type layer 14 of the light emitting device made of a group III nitride semiconductor can be adopted. Further, in the n-type layer 14, the Si concentration may not be constant in the thickness direction, but may be changed continuously or stepwise. For example, the Si concentration in the region of the n-type layer 14 where the n electrode is to be provided may be increased, and the Si concentration in the other regions may be lower. Also, the Al composition ratio may be changed stepwise or continuously in the thickness direction. However, in order to reduce crystal dislocations and improve crystal quality, it is desirable that the Al composition ratio be uniform in the thickness direction. Moreover, if it is in the range which shows n type, other impurities, such as Mg, may be co-doped in addition to Si, and characteristics, such as a transmittance | permeability, may be adjusted.
なお、実施例１のテンプレート基板では、アンドープ層１３とｎ型層１４の積層構造を設けているが、ｎ型層１４を省略してもよいし、アンドープ層１３とｎ型層１４の双方を省略してもよい。また、アンドープ層１３を設けずに埋め込み層１２上にｎ型層１４を設けてもよい。 In the template substrate of the first embodiment, although the laminated structure of the undoped layer 13 and the n-type layer 14 is provided, the n-type layer 14 may be omitted, or both of the undoped layer 13 and the n-type layer 14 It may be omitted. Alternatively, the n-type layer 14 may be provided on the buried layer 12 without providing the undoped layer 13.
以上、実施例１のテンプレート基板では、凸部１５の接触角θ0 を６０°以上９０°以下とし、凸部１５の曲面の形状は、その曲面全体の面積Ｓ0 に対し、基板主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるような形状としている。そのため三次元成長層１１を成長させる際に凸部１５近傍に異常成長領域が発生してしまうのを抑制することができる。そのため、このテンプレート基板を利用して紫外発光素子を作製した場合、紫外発光素子から放射される紫外線が異常成長領域に起因して吸収されてしまうのを抑制することができ、光取り出しを向上させることができる。 As described above, in the template substrate of the first embodiment, the contact angle θ 0 of the convex portion 15 is set to 60 ° to 90 °, and the shape of the curved surface of the convex portion 15 is smaller than the area S 0 of the entire curved surface with respect to the main surface of the substrate. The shape is such that the area S of the curved surface area A in which the inclination angle θ is in the range of 30 to 50 ° is 30% or less. Therefore, when the three-dimensional growth layer 11 is grown, the occurrence of an abnormal growth region in the vicinity of the convex portion 15 can be suppressed. Therefore, when an ultraviolet light emitting element is manufactured using this template substrate, it is possible to suppress that the ultraviolet ray emitted from the ultraviolet light emitting element is absorbed due to the abnormal growth region, and the light extraction is improved. be able to.
特に、実施例１のテンプレート基板は、基板１０上にバッファ層１６を介して積層される三次元成長層１１のＡｌ組成比を１０％以上とする場合に好適である。Ａｌ組成比を高くすると異常成長領域が発生しやすくなるが、実施例１のテンプレート基板によれば、Ａｌ組成比を１０％以上とした場合でも効果的に異常成長領域の発生を抑制することができる。 In particular, the template substrate of Example 1 is suitable when the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer 11 stacked on the substrate 10 via the buffer layer 16 is 10% or more. When the Al composition ratio is high, the abnormal growth region is easily generated. However, according to the template substrate of Example 1, the generation of the abnormal growth region is effectively suppressed even when the Al composition ratio is 10% or more. it can.
次に、実施例１のテンプレート基板の製造方法について、図４を参照に説明する。 Next, a method of manufacturing the template substrate of Example 1 will be described with reference to FIG.
まず、サファイアからなり、主面がｃ面の基板１０を用意する。その基板１０の表面にマスク１７を形成する（図４（ａ）参照）。マスク１７はフォトリソグラフィやナノインプリントによって形成する。マスク１７の平面パターンは、凸部１５の平面パターンと同一であり、直径Ｒの円が周期Ｌで正三角格子状に配列されたパターンである。 First, a substrate 10 made of sapphire and having a c-plane main surface is prepared. A mask 17 is formed on the surface of the substrate 10 (see FIG. 4A). The mask 17 is formed by photolithography or nanoimprinting. The plane pattern of the mask 17 is the same as the plane pattern of the convex portion 15, and is a pattern in which circles of diameter R are arranged in a regular triangular lattice with a period L.
次に、基板１０表面をドライエッチングする。エッチングガスは塩素系ガスを用いる。塩素系ガスは、たとえばＣｌ2 、ＢＣｌ3 、ＳｉＣｌ4 などである。ここで、ドライエッチングはマスク１７が全て除去されて以後も引き続き行う。マスク１７がすべて除去された直後は凸部１５は釣鐘状となるが、ドライエッチングをさらに続けることで凸部１５は球面状に近づいていく。よって、凸部１５の曲面形状は、マスク１７が除去された後のドライエッチング時間によって調整することができる。そして、このドライエッチング時間の調整により、凸部１５の曲面形状が、その曲面全体の面積Ｓ0 に対し、基板主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるようなレンズ形状となるようにする（図４（ｂ）参照）。 Next, the surface of the substrate 10 is dry etched. The etching gas is a chlorine gas. The chlorine-based gas is, for example, Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 or the like. Here, the dry etching is continued even after the mask 17 is completely removed. Immediately after the mask 17 is completely removed, the convex portion 15 has a bell shape, but the convex portion 15 approaches a spherical shape by further continuing the dry etching. Therefore, the curved surface shape of the convex portion 15 can be adjusted by the dry etching time after the mask 17 is removed. Then, by adjusting the dry etching time, the curved surface shape of the convex portion 15 is the area S of the curved surface area A in which the inclination angle θ with respect to the main surface of the substrate is in the range of 30 to 50 ° with respect to the area S 0 of the entire curved surface. The lens shape is made to be 30% or less (see FIG. 4B).
次に、スパッタ法によってＡｌＮからなる厚さ１５〜３０ｎｍのバッファ層１６を形成する。基板温度は３００〜６００℃とし、圧力は１〜４Ｐａとする。バッファ層１６は、基板１０の凹凸に沿って膜状に形成される（図４（ｃ）参照）。スパッタの方式は、マグネトロンスパッタ、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、スパッタ意外にもＭＯＣＶＤ法やＰＰＤ（パルスプラズマ拡散）を用いてもよい。ただし、基板１０上にバッファ層１６を介して転位の少ない高品質なＡｌＧａＮを成長させるためには、スパッタ法によって形成することが望ましい。 Next, a buffer layer 16 of 15 to 30 nm thick made of AlN is formed by sputtering. The substrate temperature is 300 to 600 ° C., and the pressure is 1 to 4 Pa. The buffer layer 16 is formed in a film shape along the unevenness of the substrate 10 (see FIG. 4C). As a sputtering method, various methods such as magnetron sputtering, DC sputtering, RF sputtering, ion beam sputtering, and ECR sputtering can be used. In addition to the sputtering, MOCVD or PPD (pulsed plasma diffusion) may be used. However, in order to grow high quality AlGaN with few dislocations through the buffer layer 16 on the substrate 10, it is desirable to form by sputtering.
次に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、アンドープのＡｌＧａＮからなる三次元成長層１１を形成する。ＭＯＣＶＤ法では、たとえば、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）、Ｎ源としてアンモニアを用い、キャリアガスとして水素を用いる。もちろん、これら以外の従来知られている任意の原料ガス、キャリアガスを用いてよい。圧力は０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は９５０〜１０８０℃である。三次元成長層１１は、基板１０上のうち、凸部１５間の平坦面上、および凸部１５曲面上のうち頂点近傍を除く領域に形成する（図４（ｄ）参照）。このような低温で成長させることにより、縦方向成長が支配的となり、転位の少ない結晶を成長させることができる。 Next, a three-dimensional growth layer 11 made of undoped AlGaN is formed by a low pressure MOCVD method. In the MOCVD method, for example, TMG (trimethylgallium) as a Ga source, TMA (trimethylaluminum) as an Al source, ammonia as an N source, and hydrogen as a carrier gas are used. Of course, any conventionally known source gas or carrier gas other than these may be used. The pressure is 0.05 to 0.5 atm, and the growth temperature is 950 to 1080.degree. The three-dimensional growth layer 11 is formed on the flat surface between the convex portions 15 on the substrate 10 and in the region excluding the vicinity of the vertex on the curved surface of the convex portion 15 (see FIG. 4D). By growing at such a low temperature, longitudinal growth becomes dominant and crystals with few dislocations can be grown.
次に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、三次元成長層１１上に、アンドープのＡｌＧａＮからなる埋め込み層１２を形成する。圧力は０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は１１００〜１２００℃である。三次元成長層１１よりも高温で成長させることで横方向成長が支配的となる。これにより、三次元成長層１１上に埋め込み層１２を成長させるとともに、三次元成長層１１から横方向に埋め込み層１２を成長させ、凸部１５の頂点近傍も覆うようにする。この結果、三次元成長層１１から凸部１５頂点近傍にかけて連続的に埋め込み層１２が形成される。そして、埋め込み層１２が成長するにつれて凹部は埋め込まれていき、埋め込み層１２の表面は平坦となる（図４（ｅ）参照）。 Next, the buried layer 12 made of undoped AlGaN is formed on the three-dimensional growth layer 11 by the low pressure MOCVD method. The pressure is 0.05 to 0.5 atm, and the growth temperature is 1100 to 1200 ° C. By growing at a higher temperature than the three-dimensional growth layer 11, lateral growth becomes dominant. As a result, the buried layer 12 is grown on the three-dimensional growth layer 11, and the buried layer 12 is grown in the lateral direction from the three-dimensional growth layer 11, and the vicinity of the apex of the convex portion 15 is also covered. As a result, the buried layer 12 is continuously formed from the three-dimensional growth layer 11 to the vicinity of the top of the convex portion 15. Then, as the embedded layer 12 grows, the recess is embedded and the surface of the embedded layer 12 becomes flat (see FIG. 4E).
次に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、埋め込み層１２上にアンドープのＡｌＧａＮからなるアンドープ層１３、ｎ型層１４を順に形成する。圧力は０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は１１００〜１２００℃である。ｎ型ドーパントガスにはシランを用いる。以上の工程によって図１に示すテンプレート基板を製造する。 Next, an undoped layer 13 composed of undoped AlGaN and an n-type layer 14 are sequentially formed on the buried layer 12 by the reduced pressure MOCVD method. The pressure is 0.05 to 0.5 atm, and the growth temperature is 1100 to 1200 ° C. Silane is used as the n-type dopant gas. The template substrate shown in FIG. 1 is manufactured by the above steps.
図５（ａ）は、実施例１のテンプレート基板において、凸部１５近傍を撮影したＳＥＭ像である。また、図５（ｂ）は比較例１のテンプレート基板において、同様に凸部近傍を撮影したＳＥＭ画像である。比較例１は、凸部の形状をコーン状とした以外は実施例１と同様である。 FIG. 5A is a SEM image of the vicinity of the convex portion 15 in the template substrate of the first embodiment. Further, FIG. 5B is a SEM image of the vicinity of the convex portion in the same manner in the template substrate of Comparative Example 1. The comparative example 1 is the same as the example 1 except that the shape of the convex portion is a cone shape.
図５（ｂ）のように、比較例１では、凸部の近傍に通常の結晶とは異なる領域（異常成長領域）が見られることがわかる。図６（ｂ）のように、頂点近傍から平面までの間の凸部曲面の領域を、頂点近傍に近い順に斜面１〜３の３つの領域に等分すると、異常成長領域は斜面１、２の領域上に見られることがわかる。また、異常成長領域の上部に空隙が発生しており、結晶性に問題があることがわかる。 As shown in FIG. 5B, in Comparative Example 1, it can be seen that a region (abnormal growth region) different from a normal crystal is observed in the vicinity of the convex portion. As shown in FIG. 6 (b), when the region of the convex curved surface between the vicinity of the vertex and the plane is equally divided into three regions of slopes 1 to 3 in order of proximity to the vertex, the abnormal growth region becomes slopes 1 and 2. It can be seen on the area of In addition, it is understood that a void is generated in the upper part of the abnormal growth region, and there is a problem with crystallinity.
一方、図５（ａ）、図６（ａ）のように、実施例１の場合は、異常成長領域は凸部１５近傍の曲面のうち斜面２上に少し見られるのみであり、比較例１に比べて異常成長領域の範囲が大幅に縮小していることがわかる。 On the other hand, as shown in FIGS. 5 (a) and 6 (a), in the case of Example 1, the abnormal growth region is only slightly visible on the slope 2 among the curved surfaces in the vicinity of the convex portion 15. It can be seen that the range of the anomalous growth region is significantly reduced as compared with.
また、異常成長領域が見られる領域と凸部曲面の傾斜角度の関係を調べたところ、異常成長領域は傾斜角度が３０〜５０°の範囲に多く見られ、傾斜角度３０°未満や５０°を超えると異常成長領域はほとんど見られなかった。比較例１では、凸部の形状をコーン状としており、傾斜角度が３０〜５０°の領域が実施例１に比べて広い。そのため、比較例１の方が実施例１に比べて異常成長領域の発生範囲が広くなったと推察される。実施例１は比較例１に比べて異常成長領域が発生している位置が低く、異常成長領域の厚さは薄いが、比較例１はコーン状であるため高い位置まで異常成長領域が発生しており、その高い位置ほど異常成長領域が厚かった。このように、基板１０の平坦面からの位置が高いほど、異常成長領域が厚くなる傾向が見られた。 In addition, when the relationship between the area where the abnormal growth area is observed and the inclination angle of the convex curved surface is examined, the abnormal growth area is often found in the range of 30 to 50 °, and the inclination angle is less than 30 ° or 50 °. When it exceeded, the abnormal growth area was hardly seen. In the comparative example 1, the shape of a convex part is made into cone shape, and the area | region of 30 to 50 degrees of inclination angles is wider compared with Example 1. FIG. Therefore, it is surmised that the generation range of the abnormal growth region is wider in Comparative Example 1 than in Example 1. In Example 1, the position at which the abnormal growth region is generated is lower than that in Comparative Example 1, and the thickness of the abnormal growth region is thin. However, since Comparative Example 1 is cone-shaped, the abnormal growth region is generated to a high position. The higher the height, the thicker the abnormal growth region. Thus, the higher the position from the flat surface of the substrate 10, the thicker the abnormal growth region was.
図７は、凸部近傍のＡｌＧａＮのＡｌ組成比を測定した結果を示したグラフである。図７のように、凸部の頂点付近や平坦部では、実施例１と比較例１とでＡｌ組成比はほぼ同一であったが、斜面１〜３ではＡｌ組成比に違いが見られた。 FIG. 7 is a graph showing the result of measuring the Al composition ratio of AlGaN near the convex portion. As shown in FIG. 7, the Al composition ratio was substantially the same between Example 1 and Comparative Example 1 in the vicinity of the apex of the convex portion and in the flat portion, but a difference was observed in the Al composition ratio between slopes 1 to 3 .
比較例１では斜面１、２に異常成長領域が見られるが、斜面１と斜面２ではＡｌ組成比がおよそ１０％異なっており、斜面１ではおよそ１４％、斜面２ではおよそ４％のＡｌ組成比であった。このように、広範に異常成長領域が発生することでＡｌ組成比の濃淡が形成されていることがわかる。比較例１のテンプレート基板について透過率を測定したところ、吸収端は３７０ｎｍ以上であり、紫外線を吸収することがわかった。Ａｌ組成比の濃淡の差が大きく、一部にＡｌ組成比の低い領域が生じてしまうことが、紫外線を吸収する要因となっていると考えられる。 In Comparative Example 1, abnormal growth regions are found on slopes 1 and 2, but the Al composition ratio differs by about 10% between slope 1 and slope 2, and about 14% for slope 1 and about 4% for slope 2. It was a ratio. Thus, it can be seen that the density of the Al composition ratio is formed by the occurrence of the abnormal growth region in a wide range. The transmittance of the template substrate of Comparative Example 1 was measured, and it was found that the absorption edge was 370 nm or more and absorbed the ultraviolet light. It is considered that the generation of a region having a low Al composition ratio in part due to a large difference in density of the Al composition ratio is a factor to absorb ultraviolet light.
一方、実施例１では、異常成長領域が発生した斜面２にのみＡｌ組成比の高い領域が見られたが、斜面２におけるＡｌ組成比は１２％程度で比較例１におけるＡｌ組成比のピークよりも低く、他の領域はＡｌ組成比のばらつきは少なかった。実施例１のテンプレート基板について透過率を測定したところ、吸収端は３６５ｎｍ以下にあり、比較例１に比べて紫外線の吸収が抑制されていることがわかった。実施例１は、比較例１に比べてＡｌ組成比のばらつきが少ないため、比較例１に比べて紫外線の吸収が抑制されていると考えられる。 On the other hand, in Example 1, a region having a high Al composition ratio was observed only on the slope 2 where the abnormal growth region was generated, but the Al composition ratio in the slope 2 is about 12% from the peak of the Al composition ratio in Comparative Example 1. Also, the other regions had less variation in the Al composition ratio. The transmittance of the template substrate of Example 1 was measured. As a result, it was found that the absorption edge was at 365 nm or less, and the absorption of ultraviolet light was suppressed as compared with Comparative Example 1. Since the variation of the Al composition ratio in Example 1 is smaller than that in Comparative Example 1, it is considered that the absorption of ultraviolet rays is suppressed as compared to Comparative Example 1.
図８は、実施例２の発光素子の構成を示した図である。実施例２の発光素子は、フリップチップ型の素子であり、実施例１のテンプレート基板を利用して作製したものである。実施例２の発光素子は、実施例１のテンプレート基板上（ｎ型層１４上）に、発光素子構造が積層されている。具体的には、ｎ型層１４上に、発光層２０、電子ブロック層２１、ｐコンタクト層２２が順に積層されている。また、ｐコンタクト層２２側からｎ型層１４に達する溝が形成されており、その溝の底面に露出するｎ型層１４上にｎ電極２３が設けられている。また、ｐコンタクト層２２上に透明電極２４が設けられ、透明電極２４上にｐ電極２５が設けられている。 FIG. 8 is a view showing the configuration of a light emitting element of Example 2. The light emitting element of Example 2 is a flip chip type element, and is manufactured using the template substrate of Example 1. In the light emitting element of Example 2, the light emitting element structure is stacked on the template substrate (on the n-type layer 14) of Example 1. Specifically, on the n-type layer 14, the light emitting layer 20, the electron blocking layer 21, and the p contact layer 22 are sequentially stacked. Further, a groove is formed which reaches the n-type layer 14 from the p-contact layer 22 side, and the n-electrode 23 is provided on the n-type layer 14 exposed at the bottom of the groove. In addition, the transparent electrode 24 is provided on the p contact layer 22, and the p electrode 25 is provided on the transparent electrode 24.
発光層２０は、ｎ型層１４上に設けられている。発光層２０は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し回数はたとえば２〜５回である。井戸層の材料は、発光波長に応じて選択される。遠紫外発光の場合にはＡｌＧａＮが用いられ、近紫外発光の場合（波長３６５ｎｍ以上の場合）にはＧａＮやＩｎＧａＮが用いられる。井戸層のＡｌ組成比やＩｎ組成比は、発光素子の発光波長に応じて設計される。障壁層はＡｌＧａＮからなり、井戸層よりもＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮからなる。井戸層の厚さは１分子層〜１５ｎｍ、障壁層の厚さは２〜１５ｎｍである。井戸層や障壁層にはＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。なお、発光層２０はＳＱＷ（単一量子井戸構造）としてもよい。 The light emitting layer 20 is provided on the n-type layer 14. The light emitting layer 20 has an MQW structure in which a well layer and a barrier layer are repeatedly stacked. The number of repetitions is, for example, 2 to 5 times. The material of the well layer is selected according to the light emission wavelength. In the case of far-ultraviolet emission, AlGaN is used, and in the case of near-ultraviolet emission (in the case of a wavelength of 365 nm or more), GaN or InGaN is used. The Al composition ratio and the In composition ratio of the well layer are designed in accordance with the light emission wavelength of the light emitting element. The barrier layer is made of AlGaN, and is made of AlGaN having an Al composition ratio higher than that of the well layer. The thickness of the well layer is 1 to 15 nm, and the thickness of the barrier layer is 2 to 15 nm. AlGaInN may be used for the well layer and the barrier layer. The light emitting layer 20 may be SQW (single quantum well structure).
電子ブロック層２１は、発光層２０上に設けられている。電子ブロック層２１は、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮからなる。Ｍｇ濃度は１×１０19〜１×２０21／ｃｍ3 、Ａｌ組成比は３０〜５０％、厚さは１〜５０ｎｍである。電子ブロック層２１を設けることで電子がｐコンタクト層２２側に拡散して発光効率を低下させてしまうことを抑制している。この抑制効果をより高めるために、電子ブロック層２１のＡｌ組成比を発光層２０の障壁層のＡｌ組成比よりも１０％以上高くすることが好ましい。 The electron blocking layer 21 is provided on the light emitting layer 20. The electron blocking layer 21 is made of Mg-doped p-AlGaN. The Mg concentration is 1 × 10 19 to 1 × 20 21 / cm 3 , the Al composition ratio is 30 to 50%, and the thickness is 1 to 50 nm. By providing the electron block layer 21, it is suppressed that electrons are diffused to the p contact layer 22 side and the light emission efficiency is lowered. In order to further enhance this suppression effect, it is preferable to make the Al composition ratio of the electron blocking layer 21 10% or more higher than the Al composition ratio of the barrier layer of the light emitting layer 20.
ｐコンタクト層２２は、電子ブロック層２１上に設けられている。ｐコンタクト層２２は、電子ブロック層２１側から順に、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮからなる第１層、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなる第２層の積層である。第１層は厚さ２０〜１００ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０19〜１×２０20／ｃｍ3 、第２層は厚さ２〜１０ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０20〜１×２０22／ｃｍ3 である。第１層のＡｌ組成比は、電子ブロック層のＡｌ組成比よりも低く、かつｎ型層１４のＡｌ組成比よりも高くすることが望ましく、たとえば１０〜２０％である。 The p contact layer 22 is provided on the electron block layer 21. The p contact layer 22 is a stack of a first layer of Mg-doped p-AlGaN and a second layer of Mg-doped p-GaN in this order from the electron block layer 21 side. The first layer has a thickness of 20 to 100 nm, the Mg concentration is 1 × 10 19 to 1 × 20 20 / cm 3 , the second layer has a thickness of 2 to 10 nm, and the Mg concentration is 1 × 10 20 to 1 × 20 22 / cm It is three . The Al composition ratio of the first layer is desirably lower than that of the electron block layer and higher than that of the n-type layer 14, and is, for example, 10 to 20%.
透明電極２４は、ｐコンタクト層上にほぼ全面にわたって設けられている。透明電極２４は、ＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）からなる。ＩＺＯ以外にも、ＩＴＯ、ＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）など、発光素子の発光波長に対して透明な導電性材料であれば任意の材料を用いることができる。 The transparent electrode 24 is provided on substantially the entire surface of the p contact layer. The transparent electrode 24 is made of IZO (zinc-doped indium oxide). Other than IZO, any material can be used as long as it is a conductive material transparent to the emission wavelength of the light emitting element, such as ITO, ICO (cerium-doped indium oxide), and the like.
ｐ電極２５は、透明電極２４上に設けられている。ｐ電極２５の材料は、たとえば、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、などである。ｎ電極２３は、溝の底面に露出するｎ型層１４上に設けられている。ｎ電極２３の材料は、たとえば、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、などである。 The p electrode 25 is provided on the transparent electrode 24. The material of the p electrode 25 is, for example, Ni, Al, Au, Ag, or the like. The n electrode 23 is provided on the n-type layer 14 exposed at the bottom of the groove. The material of the n electrode 23 is, for example, Ni, Al, Au, Ag, or the like.
なお、ｎ型層１４上に構成される発光素子構造は、上記に限らず、紫外発光素子の素子構造として従来知られている任意の構造を採用することができる。 In addition, the light emitting element structure comprised on the n-type layer 14 can employ | adopt not only the above but arbitrary structures conventionally known as an element structure of an ultraviolet light emitting element.
以上、実施例２の発光素子では、素子作製に実施例１のテンプレート基板を用いており、このテンプレート基板は異常成長領域が低減されている。そのため、異常成長領域の存在に起因する紫外線の吸収が低減されている。たとえば、基板１０裏面側から測定した発光スペクトルとｐ電極２５側から測定した発光スペクトルとで、半値幅の差を２％以下、ピーク強度の差を２５％以下に抑えることができ、紫外線の吸収を十分に低減することができる。ここで、半値全幅の差が２％以下とは、基板１０裏面側から測定した発光スペクトルの半値幅をΔλ１、ｐ電極２５側から測定した発光スペクトルの半値幅をΔλ２として、０．９８×Δλ１≦Δλ２≦１．０２×Δλ１を満たすことである。また、ピーク強度の差が２５％以下とは、基板１０裏面側から測定した発光スペクトルのピーク強度をＰ１、ｐ電極２５側から測定した発光スペクトルのピーク強度をＰ２として、０．７５×Ｐ１≦Ｐ２≦１．２５Ｐ１を満たすことである。このように紫外線の吸収が抑制されるため、発光素子から放射される紫外線の光取り出しが向上している。 As mentioned above, in the light emitting element of Example 2, the template substrate of Example 1 is used for element production, and the abnormal growth area is reduced in this template substrate. Therefore, the absorption of ultraviolet light due to the presence of the abnormal growth region is reduced. For example, the difference between the half width and the peak intensity can be suppressed to 2% or less and 25% or less between the emission spectrum measured from the back side of the substrate 10 and the emission spectrum measured from the p electrode 25 side. Can be reduced sufficiently. Here, the difference between the full width at half maximum is 2% or less, assuming that the half width of the emission spectrum measured from the back side of the substrate 10 is Δλ1 and the half width of the emission spectrum measured from the p electrode 25 side is Δλ2, 0.98 × Δλ1. It is to satisfy ≦ Δλ2 ≦ 1.02 × Δλ1. The peak intensity difference of 25% or less means that the peak intensity of the emission spectrum measured from the back side of the substrate 10 is P1, and the peak intensity of the emission spectrum measured from the p electrode 25 side is P2, 0.75 × P1 ≦ It is to satisfy P2 ≦ 1.25P1. Thus, since absorption of ultraviolet rays is suppressed, light extraction of the ultraviolet rays emitted from the light emitting element is improved.
また、テンプレート基板中の基板１０が紫外線を吸収しないサファイアであるため、レーザーリフトオフなどによって基板１０を除去する必要がない。基板１０除去工程を省くことができるため、製造コストを低減することができる。また、基板１０を残すことにより、発光素子の物理的な強度を向上させることができる。これは、発光素子をガラスにより封止する際に特に有効である。 In addition, since the substrate 10 in the template substrate is sapphire that does not absorb ultraviolet light, there is no need to remove the substrate 10 by laser lift-off or the like. Since the process of removing the substrate 10 can be omitted, the manufacturing cost can be reduced. Further, by leaving the substrate 10, the physical strength of the light emitting element can be improved. This is particularly effective when sealing the light emitting element with glass.
図９は、実施例２の発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。比較のため、比較例１のテンプレート基板上に実施例２と同様の発光素子構造を設けた発光素子（比較例２）、および実施例２の発光素子からレーザーリフトオフによって基板１０を除去した発光素子（比較例３）についても発光スペクトルを示す。 FIG. 9 is a graph showing the emission spectrum of the light-emitting element of Example 2. For comparison, a light emitting element in which the light emitting element structure similar to that of Example 2 is provided on the template substrate of Comparative Example 1 (Comparative Example 2), and a light emitting element in which the substrate 10 is removed from the light emitting element of Example 2 by laser liftoff The emission spectrum is also shown for (Comparative Example 3).
図９のように、実施例２と比較例３とでは、発光スペクトル形状はほぼ同一であることがわかる。このことから、実施例２の発光素子では、異常成長領域の発生による紫外線の吸収が十分に抑制されていることがわかる。一方、比較例２の発光スペクトルを見ると、ピークよりも短波長側において実施例２や比較例３よりも強度が低下しており、異常成長領域による紫外線吸収が見られることがわかる。 As shown in FIG. 9, it can be seen that the emission spectrum shapes of Example 2 and Comparative Example 3 are almost the same. From this, it can be seen that in the light emitting device of Example 2, the absorption of ultraviolet light due to the occurrence of the abnormal growth region is sufficiently suppressed. On the other hand, the emission spectrum of Comparative Example 2 shows that the intensity is lower on the shorter wavelength side than the peak than in Example 2 and Comparative Example 3, and ultraviolet absorption by the abnormal growth region is observed.
本発明のテンプレート基板は、紫外発光素子の作製に利用することができる。 The template substrate of the present invention can be used for the production of an ultraviolet light emitting element.
１０：基板
１１：三次元成長層
１２：埋め込み層
１３：アンドープ層
１４：ｎ型層
１５：凸部
１６：バッファ層
２０：発光層
２１：電子ブロック層
２２：ｐコンタクト層
２３：ｎ電極
２４：透明電極
２５：ｐ電極
10: Substrate 11: Three-dimensional growth layer 12: Buried layer 13: Undoped layer 14: n-type layer 15: Convex part 16: Buffer layer 20: Light emitting layer 21: Electron block layer 22: p contact layer 23: n electrode 24: Transparent electrode 25: p electrode
Claims (6)
表面に凸部が周期的に配列された凹凸形状を有する基板と、
前記基板上に、前記凹凸形状に沿って膜状に設けられたIII 族窒化物半導体からなるバッファ層と、
前記基板上であって前記凸部頂点近傍を除く領域に、前記バッファ層を介して設けられたＡｌＧａＮからなる三次元成長層と、
前記三次元成長層上および前記凸部頂点近傍を覆うようにして設けられ、Ａｌ組成比が前記三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮからなり、平坦な表面を有した埋め込み層と、
を有し、
前記凸部の形状は、前記基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、前記凸部表面全体の面積に対し、前記凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状である、
ことを特徴とするテンプレート基板。 A template substrate for an ultraviolet light emitting element,
A substrate having a concavo-convex shape in which protrusions are periodically arranged on the surface;
A buffer layer made of a group III nitride semiconductor provided on the substrate in a film shape along the uneven shape;
A three-dimensional growth layer of AlGaN provided on the substrate and excluding the vicinity of the apex of the convex portion via the buffer layer;
A buried layer having a flat surface and made of AlGaN provided on the three-dimensional growth layer and in the vicinity of the top of the convex portion and having an Al composition ratio equal to or less than that of the three-dimensional growth layer;
Have
The shape of the convex portion is such that the contact angle with respect to the main surface of the substrate is 60 ° or more and 90 ° or less, and the inclination angle of the convex portion surface to the substrate main surface is 30 to The shape is such that the area of the curved surface area which is in the range of 50 ° is 30% or less,
A template substrate characterized by
基板上に、凸部が周期的に配列された凹凸形状を形成する工程と、
前記基板上に、前記凹凸形状に沿って膜状にIII 族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、
前記基板上であって前記凸部頂点近傍を除く領域に、前記バッファ層を介してＡｌＧａＮを三次元成長させて三次元成長層を形成する工程と、
前記三次元成長層上および前記凸部頂点近傍を覆うようにして、Ａｌ組成比が前記三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮを二次元成長させ、平坦な表面を有した埋め込み層を形成する工程と、
を有し、
前記凸部は、前記基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、前記凸部表面全体の面積に対し、前記凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状に形成する、
ことを特徴とするテンプレート基板の製造方法。 A method of manufacturing a template substrate for an ultraviolet light emitting device, comprising:
Forming a concavo-convex shape in which convex portions are periodically arranged on a substrate;
Forming a buffer layer made of a group III nitride semiconductor in a film shape along the uneven shape on the substrate;
Forming a three-dimensional growth layer by three-dimensionally growing AlGaN on the substrate except the vicinity of the top of the convex portion via the buffer layer;
A buried layer having a flat surface is formed by two-dimensionally growing AlGaN having an Al composition ratio equal to or less than the Al composition ratio of the three-dimensional growth layer so as to cover the top of the three-dimensional growth layer and the vicinity of the convex apex. Forming step;
Have
The convex portion has a contact angle of 60 ° to 90 ° with respect to the main surface of the substrate, and an inclination angle of 30 to 50 ° with respect to the main surface of the convex portion with respect to the entire surface of the convex portion. The surface area of the curved surface is within the range of 30% or less.
A method of manufacturing a template substrate characterized in that.
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