JP2022051304A - Ultraviolet light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外線発光素子に関する。 The present invention relates to an ultraviolet light emitting device.
窒化物半導体を用いた紫外発光デバイスは、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で大きな期待が集まっている。
従来の青色や白色の光を発光する半導体発光装置では、外部からの衝撃や汚れおよび水分の浸入を防ぐために、発光ダイオード(LED)をシリコーン樹脂等の有機部材で封止することが行われている。また、半導体発光装置の特性劣化の抑制や信頼性向上ために、樹脂等の有機部材を用いて周辺部材の接合や実装を行うことも一般に知られている。
Ultraviolet light emitting devices using nitride semiconductors are highly expected in fields such as high-efficiency white lighting, sterilization, medical treatment, and high-speed treatment of environmental pollutants.
In conventional semiconductor light emitting devices that emit blue or white light, light emitting diodes (LEDs) are sealed with an organic member such as silicone resin in order to prevent external impact, dirt, and moisture intrusion. There is. Further, it is generally known that peripheral members are joined or mounted using an organic member such as a resin in order to suppress deterioration of characteristics and improve reliability of the semiconductor light emitting device.
また、樹脂封止を行う方法以外で、外部からの衝撃や汚れおよび水分の浸入を防ぐ方法として、半導体素子のメサ構造の半導体積層部あるいは電極に、酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜を形成し、半導体素子を保護する手法も一般的に知られている(特許文献12を参照)。 In addition to the resin sealing method, as a method of preventing external impact, dirt, and infiltration of moisture, an insulating film such as silicon oxide or silicon nitride is formed on the semiconductor laminated portion or the electrode of the mesa structure of the semiconductor element. However, a method for protecting a semiconductor element is also generally known (see Patent Document 12).
特許文献1には、絶縁保護膜をSi3N4またはSiO2を用いて形成することが記載されている。
特許文献2には、絶縁保護膜として、窒化シリコン(SiNx)膜、酸化シリコン(SiO2)膜あるいはオキシナイトライド(SiON)膜のいずれかの膜を形成することが記載されている。また、特許文献2に記載された窒化シリコン(SiNx)膜の形成方法では、界面付近ではNリッチなSiNx膜が形成される可能性があると記載されている。
Patent Document 1 describes forming an insulating protective film using Si 3 N 4 or SiO 2 .
Patent Document 2 describes that a silicon nitride (SiN x ) film, a silicon oxide (SiO 2 ) film, or an oxynitride (SiON) film is formed as an insulating protective film. Further, in the method for forming a silicon nitride (SiN x ) film described in Patent Document 2, it is described that an N-rich SiN x film may be formed in the vicinity of the interface.
紫外線発光素子、特に波長300nm以下の紫外線を発光する紫外線発光素子の場合、樹脂封止による保護を行うと、紫外線により樹脂が劣化するため、特性が悪化し、寿命が短くなる。また、十分な寿命を確保するためには、光出力を非常に小さくしなければならず、実用的な光出力と寿命とを両立することは困難である。さらに、絶縁保護膜としてSi3N4を用いた場合でも、実用的な光出力と寿命とを両立するという点で改善の余地がある。
本発明の課題は、実用的な光出力と寿命の両方に優れた紫外線発光素子を提供することである。
In the case of an ultraviolet light emitting element, particularly an ultraviolet light emitting element that emits ultraviolet rays having a wavelength of 300 nm or less, if protection is performed by resin encapsulation, the resin is deteriorated by the ultraviolet rays, so that the characteristics are deteriorated and the life is shortened. Further, in order to secure a sufficient life, the light output must be made very small, and it is difficult to achieve both a practical light output and a life. Further, even when Si 3 N 4 is used as the insulating protective film, there is room for improvement in terms of achieving both practical light output and longevity.
An object of the present invention is to provide an ultraviolet light emitting device having excellent both practical light output and long life.
上記課題を達成するために、本発明の一態様の紫外線発光素子は、下記の構成(1)および(2)を必須要件とする。
(1)基板と、基板上に形成された半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、第1導電型の第1窒化物半導体層を有する基部と、基部上の一部から突出するメサ部とを有する。メサ部は、基部の第1窒化物半導体層に連続する第1導電型の第1窒化物半導体層と、この第1窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体発光層と、窒化物半導体発光層上に形成された第2導電型の第2窒化物半導体層と、を有する。
(2)メサ部の側面および頂面を覆う窒化シリコン層を有する。この窒化シリコン層の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)が1.0以上である。
In order to achieve the above problems, the ultraviolet light emitting device of one aspect of the present invention requires the following configurations (1) and (2) as essential requirements.
(1) A substrate and a semiconductor laminated portion formed on the substrate are provided, and the semiconductor laminated portion includes a base having a first conductive type first nitride semiconductor layer and a mesa protruding from a part on the base. Has a part. The mesa portion includes a first conductive type first nitride semiconductor layer continuous with the first nitride semiconductor layer at the base, a nitride semiconductor light emitting layer formed on the first nitride semiconductor layer, and a nitride semiconductor. It has a second conductive type second nitride semiconductor layer formed on the light emitting layer.
(2) It has a silicon nitride layer that covers the side surface and the top surface of the mesa portion. The composition ratio (Si / N ratio) of silicon to nitrogen in this silicon nitride layer is 1.0 or more.
本発明の紫外線発光素子は、実用的な光出力と寿命の両方に優れた紫外線発光素子となることが期待できる。 The ultraviolet light emitting device of the present invention can be expected to be an ultraviolet light emitting device having excellent both practical light output and long life.
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
[全体構成]
先ず、図1を用いて、この実施形態の紫外線発光素子100の全体構成を説明する。図1は、紫外線発光素子100の基板面に垂直な断面を示している。
図1に示すように、紫外線発光素子100は、基板10と、基板10上に形成された半導体積層部20と、保護膜30と、第1電極40と、第2電極50と、Pad電極60を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the embodiments shown below. In the embodiments shown below, technically preferable limitations are made for carrying out the present invention, but this limitation is not an essential requirement of the present invention.
[overall structure]
First, the overall configuration of the ultraviolet
As shown in FIG. 1, the ultraviolet
半導体積層部20は、第1導電型の第1窒化物半導体層21aである基部211と、基部211上の一部から突出するメサ部212とを有する。メサ部212は、基部211の第1窒化物半導体層21aに連続する第1導電型の第1窒化物半導体層21bと、第1窒化物半導体層21b上の一部に形成された窒化物半導体発光層22と、窒化物半導体発光層22上に形成された第2導電型の第2窒化物半導体層23を有する。メサ部212の側面の傾斜角αは鋭角である。
The semiconductor laminated
保護膜30は、酸化シリコン層31と窒化シリコン層32の二層構造を有し、メサ部212の側面212bの全体と頂面(第2窒化物半導体層23の上面)212aの一部(第2電極50が形成されていない部分)、および基部211である第1窒化物半導体層21aの上面211aの一部(第1電極40が形成されていない部分)を覆っている。窒化シリコン層32の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)は1.0以上である。
第1電極40は、半導体積層部20の基部211である第1窒化物半導体層21a上の一部に形成されている。
The
The
第2電極50は、半導体積層部20のメサ部212を構成する第2窒化物半導体層23上の一部に形成されている。
保護膜30の酸化シリコン層31は、メサ部212の側面212bの全体と頂面212aの一部、および基部211である第1窒化物半導体層21aの上面211aの一部を直接覆っている。酸化シリコン層31は、第1電極40および第2電極50との間に隙間を設けて形成されている。窒化シリコン層32は、酸化シリコン層31の外側を覆うとともに、酸化シリコン層31と第1電極40および第2電極50との隙間、第1電極40および第2電極50の上面周縁部にも形成されている。
Pad電極60は、第1電極40および第2電極50と電気的に接続されている。
The
The
The
[作用、効果]
一般に窒化シリコンはSi3N4と表せられるように、窒化シリコンの化学量論的な窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)は0.75である。本実施形態の紫外線発光素子100では、窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)が1.0以上の窒化シリコン層32を含む保護膜30で、メサ部212の側面212bおよび頂面212aを被覆することで、実用的な光出力と長寿命の両方に優れたものとなる。
また、メサ部212の側面の傾斜角αが鋭角であるため、αが直角および鈍角の場合と比較して、保護膜30による被覆性能により優れたものとなる。
[Action, effect]
Generally, silicon nitride is expressed as Si 3 N 4 , and the composition ratio (Si / N ratio) of silicon to the chemically quantitative nitrogen of silicon nitride is 0.75. In the ultraviolet
Further, since the inclination angle α of the side surface of the
[各層についての詳細]
<基板>
基板10としては、その上に第1導電型の第1窒化物半導体層を形成可能なものであれば特に制限されない。基板10として、具体的にはサファイア、Si、SiC、MgO、Ga2O3、ZnO、GaN、InN、AlN、あるいはこれらの混晶基板等が挙げられる。
基板10の上層側に形成するn型窒化物半導体層との格子定数差が小さく、格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる観点や、ホールガス発生のための格子歪みを大きくできる観点から、GaN、AlN、AlGaN等の窒化物半導体をバルクとする単結晶基板や、ある材料上に成長されたGaN、AlN、AlGaN等の窒化物半導体層(テンプレートとも称される)を基板10として用いることが好ましい。基板10は不純物が混入していてもよい。
また、基板10は、光取り出し向上の観点から、半導体積層部20が形成される面と反対側の面が加工されたものであってもよい。
[Details about each layer]
<Board>
The
The viewpoint that the lattice constant difference from the n-type nitride semiconductor layer formed on the upper layer side of the
Further, the
<半導体積層部>
半導体積層部20は、図1に示すように、基板10上に形成された第1導電型の第1窒化物半導体層21(基部211をなす第1窒化物半導体層21aおよびこれに連続するメサ部212の第1窒化物半導体層21b)と、第1窒化物半導体層21上の一部(メサ部212の第1窒化物半導体層21b上)に形成された窒化物半導体発光層22と、窒化物半導体発光層22上に形成された第2導電型の第2窒化物半導体層23を有する。
<Semiconductor laminated part>
As shown in FIG. 1, the semiconductor laminated
本実施形態の紫外線発光素子100は、上記層の他にバッファ層やバリア層、コンタクト層等の他の機能を発現させるための層をさらに備えていてもよい。
本実施形態の紫外線発光素子において、「第1導電型」「第2導電型」とは、一方がn型導電型の場合は他方がp型導電型であることを意味する。すなわち、第1導電型の窒化物半導体層がn型の場合は、第2導電型の窒化物半導体層がp型となる。生産性と発光効率の観点から、第1導電型の窒化物半導体層がn型であることが好ましい。
In addition to the above layer, the ultraviolet
In the ultraviolet light emitting device of the present embodiment, the "first conductive type" and "second conductive type" mean that when one is an n-type conductive type, the other is a p-type conductive type. That is, when the first conductive type nitride semiconductor layer is n-type, the second conductive type nitride semiconductor layer is p-type. From the viewpoint of productivity and luminous efficiency, it is preferable that the first conductive type nitride semiconductor layer is n-type.
メサ構造の半導体積層部(第1窒化物半導体層を有する基部と、基部上の一部から突出するメサ部と、を有する半導体積層部)を形成する方法は特に制限されないが、基板上にMBEやMOCVD等の公知の製膜装置を用いて各層を積層し、フォトリソグラフィー法でマスクパターンを形成し、ドライエッチングやウエットエッチングにより所望の領域をエッチングすることにより形成することが可能である。 The method for forming a semiconductor laminated portion having a mesa structure (a semiconductor laminated portion having a base portion having a first nitride semiconductor layer and a semiconductor laminated portion having a mesa portion protruding from a part on the base portion) is not particularly limited, but MBE is not particularly limited. It is possible to form by laminating each layer using a known film forming apparatus such as MOCVD or MOCVD, forming a mask pattern by a photolithography method, and etching a desired region by dry etching or wet etching.
<第1導電型の第1窒化物半導体層>
第1導電型の第1窒化物半導体層21は、図1に示すように基板10上に直接設けられていてもよい。また、基板10上に第1型導電型の第1窒化物半導体層21以外の層が設けられ、その上に第1型導電型の第1窒化物半導体層21が設けられていてもよい。例えば、基板10上にバッファ層が設けられ、このバッファ層の上に第1型導電型の第1窒化物半導体層21としてn型AlGaN層が設けられ、その上に窒化物半導体発光層22が設けられていてもよい。
第1型導電型の第1窒化物半導体層21は、窒化物半導体であれば特に制限はされないが、高い発光効率を実現する観点からAlN,GaN,InNの混晶であることが望ましい。第1型導電型の第1窒化物半導体層21には、P、As、SbといったV族元素や、C、H、F、O、Mg、Siといった不純物が混入していてもよい。
<First conductive type first nitride semiconductor layer>
The first conductive type first
The first type conductive type first
<発光層>
窒化物半導体発光層22は、図1に示すように、メサ部の第1窒化物半導体層21b上に直接設けられていてもよい。また、第1窒化物半導体層21b上に窒化物半導体発光層22以外の層が設けられ、その上に窒化物半導体発光層22が設けられていてもよい。窒化物半導体発光層22の形成位置は特に限定はされない。具体的には、第1窒化物半導体層21b上にアンドープAlGaN層が設けられ、その上に窒化物半導体発光層22が設けられていてもよい。
<Light emitting layer>
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor
窒化物半導体発光層22は窒化物半導体層であれば特に制限はされないが、高い発光効率を実現する観点からAlN,GaN,InNの混晶であることが望ましい。窒化物半導体発光層22には、Nの他にP、As、Sbといった他のV族元素や、C、H、F、O、Mg、Siといった不純物が混入していてもよい。また、窒化物半導体発光層22は、量子井戸構造でも単層構造でもよいが、高い発光効率を実現する観点から少なくとも1つの井戸構造を有していることが望ましい。
また、基板10上に形成する窒化物半導体層の格子整合の観点から、窒化物半導体発光層22から発せられる紫外線の波長範囲は210nm以上300nm以下であることが望ましい。
The nitride semiconductor
Further, from the viewpoint of lattice matching of the nitride semiconductor layer formed on the
<第2導電型の第2窒化物半導体層>
第2導電型の第2窒化物半導体層23は、図1に示すように窒化物半導体発光層22上に直接設けられていてもよい。また、窒化物半導体発光層22上に第2導電型の第2窒化物半導体層23以外の層が設けられ、その上に第2導電型の第2窒化物半導体層23が設けられていてもよい。例えば、窒化物半導体発光層22上に構成元素の比率が連続的または離散的に変化する傾斜組成層が設けられ、その上に第2導電型の第2窒化物半導体層23が設けられていてもよい。
第2導電型の第2窒化物半導体層23の形成位置は特に限定はされない。紫外線発光素子100は、窒化物半導体発光層22と傾斜組成層との間に相対的にバンドギャップの大きいバリア層を更に有していてもよい。また、他の形態では、基板10上に直接または間接的に第2導電型の第2窒化物半導体層23が設けられていてもよい。
<Second conductive type second nitride semiconductor layer>
The second conductive type second
The formation position of the second conductive type second
<保護膜>
本実施形態の紫外線発光素子100において、保護膜30は、酸化シリコン層31とSiNx(X≦1)層である窒化シリコン層32との二重構造であり、酸化シリコン層31の外側に窒化シリコン層32が形成されている。
酸化シリコン層31は形成されていなくてもよいし、窒化シリコン層32が酸化シリコン層31より内側に形成されていてもよい。その場合には、窒化シリコン層32が、メサ部212の側面212bの全体と頂面212aの一部、および基部211である第1窒化物半導体層21aの上面211aの一部を直接覆うことになる。
なお、二重構造の保護膜30を構成する窒化シリコン層32以外の層としては、酸化シリコン、酸化アルミニウム等が挙げられる。
<Protective film>
In the ultraviolet
The
Examples of the layer other than the
保護膜を形成する方法は特に制限されないが、例えばプラズマCVD装置、スパッタ装置、真空蒸着装置等により形成することが可能である。窒化シリコン層をプラズマCVD装置で作製する場合、構成元素であるシリコンの供給ガスとしてモノシラン(SiH4)を、窒素の供給ガスとしてアンモニア(NH3)を用いる方法が広く知られている。
窒化シリコン層の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)を1.0以上とする方法は特に制限されないが、例えばプラズマCVD方を用いる場合は、供給ガスの供給量および供給比率を調整することで実現可能である。
生産性やデバイスへの応力の観点から、窒化シリコン層の膜厚は10nm以上1000nm以下であることが好ましく、50nm以上500nm以下であることがより好ましい。
The method for forming the protective film is not particularly limited, but it can be formed by, for example, a plasma CVD device, a sputtering device, a vacuum vapor deposition device, or the like. When the silicon nitride layer is produced by a plasma CVD apparatus, a method of using monosilane (SiH 4 ) as a supply gas of silicon as a constituent element and ammonia (NH 3 ) as a supply gas of nitrogen is widely known.
The method of setting the composition ratio (Si / N ratio) of silicon to nitrogen in the silicon nitride layer to 1.0 or more is not particularly limited, but for example, when the plasma CVD method is used, the supply amount and supply ratio of the supply gas are adjusted. It is feasible.
From the viewpoint of productivity and stress on the device, the film thickness of the silicon nitride layer is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 50 nm or more and 500 nm or less.
<第1電極、第2電極>
本実施形態の紫外線発光素子100では、窒化物半導体発光層22に電力を供給するための第1電極40および第2電極50が、基部211の上面211aおよびメサ部212の頂面212aにそれぞれ形成されている。第1電極40は基板10の裏面(第1窒化物半導体層が形成されている面とは反対の面)に形成されていてもよい。
<1st electrode, 2nd electrode>
In the ultraviolet
各電極は、例えばNi/Au合金層(典型的には、p型コンタクトに対して使用される)又はTi/Al/Ti/Auスタック層(典型的には、n型コンタクトに対して使用される)であり、例えばスパッタリング又は蒸着によって形成される。電極はUV(紫外線)反射器も含んでいてよい。UV反射器は、電極に向かって発光する光子を再度方向付けする(光子が半導体層構造から逃げることができないように)こと、並びに所望の発光面、例えば底部表面に向けて光子を再度方向付けることによって、デバイスの活性領域において生成される光子の抽出効率を改善するように設計される。
また、電極の材料は導電性の材料、例えば金、ニッケル、アルミ、チタン及びそれらの組み合わせなどでもよい。
Each electrode is used, for example, for a Ni / Au alloy layer (typically used for p-type contacts) or a Ti / Al / Ti / Au stack layer (typically used for n-type contacts). ), For example, formed by sputtering or vapor deposition. The electrode may also include a UV (ultraviolet) reflector. The UV reflector reorients the photons that emit light toward the electrodes (so that the photons cannot escape from the semiconductor layer structure) and reorients the photons toward the desired light emitting surface, eg, the bottom surface. Thereby, it is designed to improve the extraction efficiency of photons generated in the active region of the device.
Further, the material of the electrode may be a conductive material such as gold, nickel, aluminum, titanium or a combination thereof.
[適用できる装置について]
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子100は、各種の装置に適用可能である。
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子100は、紫外線ランプが用いられている既存の全ての装置に適用可能であり、また置換可能である。特に、波長280nm以下の深紫外線を用いている装置に適用可能である。
[Applicable devices]
The ultraviolet
The ultraviolet
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子100は、例えば、医療又はライフサイエンス分野、環境分野、産業又は工業分野、生活又は家電分野、農業分野、及びその他分野の装置に適用可能である。
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子100は、薬品や化学物質の合成又は分解装置、液体、気体、及び固体(容器、食品、医療機器等)に対する殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム、ガラス及び金属等の表面改質装置、半導体、フラットパネルディスプレイ(FPD)、プリント基板(PCB)及びその他電子品製造用の露光装置、印刷又はコーティング装置、接着又はシール装置、フィルム、パターン及びモックアップ等の転写又は成形装置、紙幣、傷、血液及び化学物質等の測定又は検査装置に適用可能である。
The ultraviolet
The ultraviolet
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置や製氷皿、また貯氷容器及び製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク又は温水タンク、その流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるがこの限りではない。 Examples of liquid sterilizers include automatic ice maker and ice trays in refrigerators, water tanks for ice storage containers and ice makers, freezers, ice makers, humidifiers, dehumidifiers, cold water tanks or hot water tanks for water servers, and the like. Channel piping, stationary water purifier, portable water purifier, water dispenser, water heater, wastewater treatment device, disposer, toilet drain trap, washing machine, dialysis water sterilization module, peritoneal dialysis connector sterilizer, disaster water storage system Etc., but this is not the case.
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。
固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用、歯科用、床屋用及び美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。
Examples of gas sterilizers include air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor and bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor sterilizers, and storage ventilation. Systems, shoe boxes, tons, etc. can be mentioned, but this is not the case.
Examples of solid sterilizers (including surface sterilizers) include vacuum packers, conveyor belts, medical, dental, barber and beauty salon hand tool sterilizers, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick boxes, cosmetic pouches, etc. Examples include, but are not limited to, drainage ditch lids, toilet bowl local cleaners, toilet bowl lids, and the like.
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
このサンプルは、実施形態に記載された構造の紫外線発光素子100であって、以下の構成を有する。
基板10はAlN基板である。第1窒化物半導体層21は不純物としてSiを2.0×1020cm-3含むn-Al0.7Ga0.3N層であって、基部211の膜厚は400nmであり、全体の膜厚は500nmである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to the examples shown below.
<Example 1>
This sample is an ultraviolet
The
窒化物半導体発光層22は、厚さ2.0nmのAl0.51Ga0.49N(井戸層)と厚さ8.0nmのSiドーピングAl0.78Ga0.22N(バリア層)とを、交互にそれぞれ五層有する多重量子井戸構造である。第2窒化物半導体層23は、不純物としてMgを2.0×1020cm-3含むp型GaN層であり、膜厚は10nmである。
保護膜30の酸化シリコン層31の膜厚は240nmである。窒化シリコン層32の膜厚は240nmであり、窒化シリコン層32の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)は3.76である。
第1電極40はTi/Al/Ni/Au層である。第2電極50はNiとAuとの合金層である。Pad電極60はTiとAuとの積層構造である。
The nitride semiconductor
The film thickness of the
The
この紫外線発光素子100は、以下の方法で作製した。
先ず、AlN単結晶から得られたAlN基板上に、不純物としてSiを2.0×1020cm-3含むn-Al0.7Ga0.3N層、上記AlGaNの多重量子井戸構造、及び不純物としてMgを2.0×1020cm-3含むp-GaN層を、この順に、有機金属気相成長法(MOCVD法)により、成膜した。これにより、AlN基板上に積層体が形成された。
The ultraviolet
First, on an AlN substrate obtained from an AlN single crystal, an n-Al 0.7 Ga 0.3 N layer containing 2.0 × 10 20 cm -3 of Si as an impurity, the multiple quantum well structure of the above AlGaN, and Mg as an impurity. The p-GaN layer containing 2.0 × 10 20 cm -3 was formed in this order by the organic metal vapor phase growth method (MOCVD method). As a result, a laminate was formed on the AlN substrate.
次に、AlN基板上の積層体に対して、面内の一部を所定深さで除去するドライエッチングを行い、n-Al0.7Ga0.3N層を一部露出させることで、積層体を基部211からメサ部212が突出する形状とした。このドライエッチングは、積層体上にフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、塩素系ガスを用いて行った。
次に、プラズマCVD装置を用いて、半導体積層部20の基部211の上面211aとメサ部212の頂面212aおよび側面212bに240nmの酸化シリコン層31を形成し、その一部をウエットエッチング処理により除去して開口部を設けて、基部211の第1窒化物半導体層21aを露出させた。この露出部に、開口部の内側面との間に所定の隙間が空くようにして、第1電極40を形成した。
Next, the laminated body on the AlN substrate is subjected to dry etching to remove a part of the in-plane to a predetermined depth, and the n—Al 0.7 Ga 0.3 N layer is partially exposed to form the base of the laminated body. The shape is such that the
Next, using a plasma CVD apparatus, a 240 nm
同様に、酸化シリコン膜の一部をウエットエッチング処理により除去して開口部を設けて、メサ部212の第2窒化物半導体層23を露出させた。この露出部に、開口部の内側面との間に所定の隙間が空くようにして、第2電極50を形成した。
次に、この状態のAlN基板上の全体(上面および側面の全体)を被覆するように、厚さ240nmの窒化シリコン層32をプラズマCVD法により形成した。成膜条件は、成膜温度:280℃、供給ガスの流量:モノシラン68sccm、アンモニア21sccm、圧力:90Pa、高周波電力:150W、成膜時間:311秒とした。
Similarly, a part of the silicon oxide film was removed by a wet etching treatment to provide an opening, and the second
Next, a
次に、フォトリソグラフィー法で形成したレジストパターンを用い、CF4によるエッチングで、窒化シリコン層32の所定位置(第1電極40の上部および第2電極50の上部)に、コンタクトホールを形成した。
次に、形成された各コンタクトホールに、Tiを厚さ20nmで、Auを厚さ1000nmで、この順に堆積した。これにより、第1電極40の上部および第2電極50の上部に、Pad電極60が形成された。なお、ここまでの工程はウエハ状態で行った。よって、多数の紫外線発光素子100が形成されたウエハが得られた。
Next, using the resist pattern formed by the photolithography method, contact holes were formed at predetermined positions of the silicon nitride layer 32 (the upper part of the
Next, Ti was deposited at a thickness of 20 nm and Au at a thickness of 1000 nm in each of the formed contact holes in this order. As a result, the
次に、このウエハをレーザーダイシングにより個片化し、サブマウントをGGI法によってフリップチップ実装を行い、PKG化した。
得られた紫外線発光素子100について、窒化シリコン層32の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)を、エネルギー分散型蛍光X線分析(EDX分析)(加速電圧:3kV)によって測定したところ、3.76であった。
また、得られた紫外線発光素子100に対して、25℃環境下で駆動電流500mAを印加した際の発光強度および発光ピーク波長を調べたところ、発光強度は74mW、発光ピーク波長は267nmであった。
また、得られた紫外線発光素子100について、寿命の指標となる連続通電試験(25℃、駆動電流値500mA)を行い、出力が初期値の70%となるまでの時間(L70とも称される)を評価したところ、3300時間であった。
Next, this wafer was individualized by laser dicing, and the submount was flip-chip mounted by the GGI method to form a PKG.
With respect to the obtained ultraviolet
Further, when the emission intensity and the emission peak wavelength when a drive current of 500 mA was applied to the obtained ultraviolet
Further, the obtained ultraviolet
<実施例2>
窒化シリコン層32の成膜条件のうち、供給ガスの流量をモノシラン57sccm、アンモニア32sccm、成膜時間を350秒とした以外は、実施例1と同様の方法で紫外線発光素子100を得た。
得られた紫外線発光素子100について、窒化シリコン層32の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)を、実施例1と同じ方法で測定したところ、1.04であった。また、得られた紫外線発光素子100について、実施例1と同じ方法で発光強度および発光ピーク波長を調べたところ、発光強度は75mWであり、発光ピーク波長は269nmであった。また、得られた紫外線発光素子100について、実施例1と同じ方法で連続通電試験を行い、L70を評価したところ、2600時間であった。
<Example 2>
Among the film forming conditions of the
With respect to the obtained ultraviolet
<比較例1>
窒化シリコン層32の成膜条件のうち、供給ガスの流量をモノシラン47sccm、アンモニア42sccm、成膜時間を401秒とした以外は、実施例1と同様の方法で紫外線発光素子を得た。
得られた紫外線発光素子について、窒化シリコン層32の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)を、実施例1と同じ方法で測定したところ、0.75であった。また、得られた紫外線発光素子について、実施例1と同じ方法で発光強度および発光ピーク波長を調べたところ、発光強度は75mWであり、発光ピーク波長は269nmであった。また、得られた紫外線発光素子について、実施例1と同じ方法で連続通電試験を行い、L70を評価したところ、1400時間であった。
これらの結果を各素子の構成とともに表1に示す。
<Comparative Example 1>
Among the film forming conditions of the
With respect to the obtained ultraviolet light emitting element, the composition ratio (Si / N ratio) of silicon to nitrogen in the
These results are shown in Table 1 together with the configuration of each element.
表1の結果から以下のことが分かる。
窒化シリコン層のSi/N比が1.0以上である実施例1,2の紫外線発光素子は、Si/N比が1.0未満(0.75)である比較例1の紫外線発光素子と比較して、発光強度の初期値はほぼ同じであったが、L70の値が大きく、発光強度の減衰が抑制されて、長寿命化していた。
なお、アンモニアに対するモノシランの供給比を増加させることで、Si/N比の大きい窒化シリコン層を作製できることも分かった。
The following can be seen from the results in Table 1.
The ultraviolet light emitting elements of Examples 1 and 2 having a Si / N ratio of the silicon nitride layer of 1.0 or more are the same as the ultraviolet light emitting elements of Comparative Example 1 having a Si / N ratio of less than 1.0 (0.75). In comparison, the initial value of the emission intensity was almost the same, but the value of L70 was large, the attenuation of the emission intensity was suppressed, and the life was extended.
It was also found that a silicon nitride layer having a large Si / N ratio can be produced by increasing the supply ratio of monosilane to ammonia.
10 基板
20 半導体積層部
211 基部
212 メサ部
212b メサ部の側面
212a メサ部の頂面
21 第1窒化物半導体層
21a 基部の第1窒化物半導体層
21b メサ部の第1窒化物半導体層
22 窒化物半導体発光層
23 第2窒化物半導体層
30 保護膜
31 酸化シリコン層
32 窒化シリコン層
40 第1電極
50 第2電極
60 Pad電極
100 紫外線発光素子
10
Claims (3)
前記半導体積層部は、第1導電型の第1窒化物半導体層を有する基部と、前記基部上の一部から突出するメサ部とを有し、
前記メサ部は、前記基部の前記第1窒化物半導体層に連続する第1導電型の第1窒化物半導体層と、当該第1窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体発光層と、前記窒化物半導体発光層上に形成された第2導電型の第2窒化物半導体層と、を有し、
前記メサ部の側面および頂面を覆う窒化シリコン層を有し、
前記窒化シリコン層の窒素に対するシリコンの組成比(Si/N比)が1.0以上である紫外線発光素子。 A substrate and a semiconductor laminated portion formed on the substrate are provided.
The semiconductor laminated portion has a base portion having a first conductive type first nitride semiconductor layer and a mesa portion protruding from a part on the base portion.
The mesa portion includes a first conductive type first nitride semiconductor layer continuous with the first nitride semiconductor layer at the base portion, and a nitride semiconductor light emitting layer formed on the first nitride semiconductor layer. It has a second conductive type second nitride semiconductor layer formed on the nitride semiconductor light emitting layer, and has.
It has a silicon nitride layer that covers the side surface and the top surface of the mesa portion, and has a silicon nitride layer.
An ultraviolet light emitting element having a silicon composition ratio (Si / N ratio) of 1.0 or more to nitrogen in the silicon nitride layer.
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WO2024047917A1 (en) * | 2022-09-02 | 2024-03-07 | 旭化成株式会社 | Laser diode |
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