JP6252092B2 - Nitride semiconductor laminate and light emitting device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体積層体に関する。特にＩＩＩ族窒化物を用い、深紫外発光する半導体発光素子に用いられる窒化物半導体積層体に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor multilayer body. In particular, the present invention relates to a nitride semiconductor laminated body used for a semiconductor light emitting device using Group III nitride and emitting deep ultraviolet light.
窒化ガリウム等のＩＩＩ族窒化物半導体は直接遷移型の化合物半導体であり、そのバンドギャップが大きいこと、さらに組成中のＩＩＩ族元素の比によってバンドギャップを調整可能であることから、可視光、紫外光を発する固体発光素子に代表的に用いられている。 Group III nitride semiconductors such as gallium nitride are direct transition type compound semiconductors, which have a large band gap and that the band gap can be adjusted by the ratio of group III elements in the composition. Typically used for solid-state light emitting devices that emit light.
特にＩＩＩ族元素としてアルミニウムを含有した窒化物（窒化アルミニウムガリウム等）は深紫外光（波長３００ｎｍ以下の紫外線）を発する発光素子への利用が期待されている。 In particular, nitrides containing aluminum as a group III element (such as aluminum gallium nitride) are expected to be used for light-emitting elements that emit deep ultraviolet light (ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less).
窒化アルミニウムガリウム等ＩＩＩ族窒化物は、サファイア等の半導体素子用基板として一般的に用いられる材料と格子定数が大きく異なるので、通常バッファ層を設け、その上にＩＩＩ族窒化物の層（窒化物半導体層）を形成する。窒化物半導体素子の各層について、目的に応じて層内の組成を傾斜させる（組成傾斜層にする）技術が存在する。 Group III nitrides such as aluminum gallium nitride are greatly different from materials generally used as substrates for semiconductor devices such as sapphire, so that a buffer layer is usually provided, and a group III nitride layer (nitride) is provided thereon. Semiconductor layer). For each layer of the nitride semiconductor element, there is a technique for inclining the composition in the layer according to the purpose (to make a composition gradient layer).
特許文献１には、サファイア等の基板にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等のバッファ層を形成し、このバッファ層にエピタキシャル成長によりＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のデバイス多層膜を形成したフォトニックデバイス用基板が開示されている。前記バッファ層において、Ａｌ組成はデバイス多層膜における最大膜厚の層のＡｌ組成以上であり、そのＡｌ組成は、デバイス多層膜の反対側からデバイス多層膜に向けて小さくなるように調整されている。このようにすることでクラックが少なく結晶性のよいデバイス多層膜が得られ、効率の高いフォトニックデバイスを得ることができるとされている。
特許文献２には、サファイア等の基板上に形成された無極性面以外の面（−ｃ面等）を主面とするＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層と、その上に形成されたＡｌを含み、Ａｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層と、さらにその上に形成された活性層を有する発光素子が開示されている。Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成は、活性層側に向かって増加しないように調整されている。このようにすることで、ｎ型不純物なしにｎ型窒化物半導体層を形成できるので、クラックが発生しにくく且つＡｌ組成の高いｎ型窒化物半導体層を形成可能になるとされている。そして、その結果としてサファイア基板のような導電性のない基板を用いた深紫外領域発光窒化物半導体発光素子において電流広がりを向上させることができ、発光領域を大きくすることができるとされている。
In
特許文献３には、ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮ薄膜の上に形成される組成傾斜させたｎ型ＡｌＧａＮ層が記載されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層の好ましい形態としてＳｉをドープしたものが記載されているが、どう好ましいのかの言及は特にない。 Patent Document 3 describes a composition-graded n-type AlGaN layer formed on an AlN thin film formed on a SiC substrate. Although a doped n-type AlGaN layer is described, there is no particular mention of how it is preferable.
半導体発光素子においては、素子を構成する半導体層中の欠陥密度が低いほど発光効率が高まる。バッファ層の厚みを大きくすると、バッファ層成長時に転位等の結晶欠陥同士が合体、消滅する確立が高まるため、バッファ層の上に形成される半導体層も低欠陥化できる。しかし、バッファ層の厚みが大きくなると、バッファ層とその直上の層との間に強力な応力がかかり、バッファ層より上の層におけるクラック発生や結晶性低下を招く。クラックの発生は最終的に発光層に注入されるホールと自由電子との再結合の効率（内部量子効率）低下を招く。また、発光層からの発光を外部に取り出すには、各半導体層のバンドギャップを発光光子のエネルギーより大きくする必要がある。半導体層のバンドギャップが大きくなると、ドープされた不純物の準位がバンドギャップ中の深いエネルギー準位に形成され、キャリアの活性化エネルギーが増大するため、不純物をドープしても半導体層の電気伝導性は増加しにくくなる（ｎ型化あるいはｐ型化しにくくなる）。この結果、電極及び前記電極と接触する半導体層の間における表面抵抗率及び接触抵抗は大きくなり、順駆動電圧（Ｖｆ）の上昇を招く。バンドギャップが大きい半導体層においてこれら表面抵抗率及び接触抵抗を低下させるには、半導体層を組成傾斜層とし、不純物濃度を高めることが必要になる。しかし、Ｓｉ等のドーピングを行うとアンドープの場合に比べてクラックが発生し易くなる。このため、深紫外光のような光子エネルギーが大きな光を発する発光素子においては、特許文献１〜３の技術をもってしてもクラック発生防止とＶｆ上昇防止との両立ができずにいた。
In a semiconductor light emitting element, the light emission efficiency increases as the defect density in the semiconductor layer constituting the element decreases. Increasing the thickness of the buffer layer increases the probability that crystal defects such as dislocations coalesce and disappear during growth of the buffer layer, so that the semiconductor layer formed on the buffer layer can also be reduced in defects. However, when the thickness of the buffer layer increases, a strong stress is applied between the buffer layer and the layer immediately above the buffer layer, causing cracks in the layer above the buffer layer and a decrease in crystallinity. The generation of cracks causes a reduction in recombination efficiency (internal quantum efficiency) between holes and free electrons finally injected into the light emitting layer. Further, in order to extract light emitted from the light emitting layer to the outside, it is necessary to make the band gap of each semiconductor layer larger than the energy of the emitted photons. When the band gap of the semiconductor layer is increased, the doped impurity level is formed at a deep energy level in the band gap, and the activation energy of carriers is increased. The property is less likely to increase (not easily n-type or p-type). As a result, the surface resistivity and contact resistance between the electrode and the semiconductor layer in contact with the electrode increase, leading to an increase in the forward drive voltage (Vf). In order to reduce the surface resistivity and contact resistance in a semiconductor layer having a large band gap, it is necessary to increase the impurity concentration by using the semiconductor layer as a composition gradient layer. However, if doping with Si or the like is performed, cracks are more likely to occur than when undoped. For this reason, in a light-emitting element that emits light having a large photon energy such as deep ultraviolet light, it is impossible to achieve both prevention of crack generation and prevention of Vf increase even with the techniques of
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、深紫外光を発する半導体発光素子において、内部量子効率が高く、且つＶｆが低い半導体発光素子を実現可能な半導体積層体を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances. An object of the present invention is to provide a semiconductor laminate capable of realizing a semiconductor light emitting device that emits deep ultraviolet light and has a high internal quantum efficiency and a low Vf.
上記目的を達成するために本発明者は鋭意検討を重ね、本発明を完成するに至った。本発明者は、特定のサファイア基板上面に接して一定厚さ以上の窒化アルミニウムからなるバッファ層を設けてテンプレート基板とし、テンプレート基板上面に接して超格子層を設け、超格子層の上面に接して特定の組成傾斜層を設け、その上に深紫外発光用の各層を設けた半導体積層体を用いると、クラックが少なくＶｆの低い深紫外発光素子が得られることを見出した。 In order to achieve the above object, the present inventor has intensively studied and completed the present invention. The present inventor provided a buffer layer made of aluminum nitride of a certain thickness or more in contact with the upper surface of a specific sapphire substrate to form a template substrate, provided a superlattice layer in contact with the upper surface of the template substrate, and in contact with the upper surface of the superlattice layer. It was found that a deep ultraviolet light-emitting device with few cracks and low Vf can be obtained by using a semiconductor laminate in which a specific composition gradient layer is provided and each layer for deep ultraviolet light emission is provided thereon.
本発明の窒化物半導体積層体は、ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板上面に接して厚さ２μｍ以上４μｍ以下の窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板と、前記テンプレート基板上面に接して形成され、窒化アルミニウムガリウム層及び窒化アルミニウム層を交互に積層してなる超格子層と、前記超格子層の上面に接して形成され、アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記アンドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍＡｌ１が前記超格子層側から上方向に順次減少する第一の組成傾斜層と、前記第一の組成傾斜層の上面に接して形成され、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍＡｌ２が前記第一の組成傾斜層側から上方向に順次減少する第二の組成傾斜層と、前記第二の組成傾斜層の上面に接して形成され、ＩＩＩ族窒化物からなり、深紫外光を発する発光層を有する活性層と、前記活性層の上面に接して形成されるｐ側層と、を含むことを特徴とする。
The nitride semiconductor multilayer body of the present invention includes a template substrate in which a buffer layer made of aluminum nitride having a thickness of 2 μm or more and 4 μm or less is formed in contact with an upper surface of a base substrate made of sapphire having a c-plane as an upper surface, A superlattice layer formed by alternately laminating an aluminum gallium nitride layer and an aluminum nitride layer and an upper surface of the superlattice layer, and made of undoped aluminum gallium nitride, the undoped nitridation An
本発明の窒化物半導体積層体は上記の特徴を備えているため、ｎ側層にバンドギャップの大きな窒化物半導体層を用いてもｎ側電極との表面抵抗率や接触抵抗を低減することできる。そのため、窒化物半導体発光素子におけるＶｆを低減することができる。また、バッファ層に厚みの大きい窒化アルミニウム層を用いても、より上層におけるクラックの発生や結晶性低下が防止できるため、内部量子効率が向上する。これらの効果により、窒化物半導体発光素子全体の発光効率を向上させることができる。 Since the nitride semiconductor multilayer body of the present invention has the above-described characteristics, even if a nitride semiconductor layer having a large band gap is used for the n-side layer, the surface resistivity and contact resistance with the n-side electrode can be reduced. . Therefore, Vf in the nitride semiconductor light emitting device can be reduced. Further, even when an aluminum nitride layer having a large thickness is used as the buffer layer, it is possible to prevent the occurrence of cracks in the upper layer and the decrease in crystallinity, thereby improving the internal quantum efficiency. Due to these effects, the light emission efficiency of the entire nitride semiconductor light emitting device can be improved.
以下、本発明の窒化物半導体積層体の実施形態について説明する。但し、本発明は以下の説明によって制限されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the nitride semiconductor multilayer body of the present invention will be described. However, the present invention is not limited by the following description.
本発明の窒化物半導体積層体は、大別してテンプレート基板、超格子層、第一の組成傾斜層、第二の組成傾斜層、活性層及びｐ型層に分けられる。以下これらを中心に説明する。必要に応じて図面も参照するが、当該図面は本発明の実施の形態の一例を模式的に表したものにすぎない。本発明の技術思想は図面によって限定されるものでない。また、当該図面は説明時の分かり易さのために寸法表現等に一部誇張がある。 The nitride semiconductor multilayer body of the present invention is roughly divided into a template substrate, a superlattice layer, a first composition gradient layer, a second composition gradient layer, an active layer, and a p-type layer. These will be mainly described below. The drawings are also referred to as necessary, but the drawings are only schematic representations of examples of the embodiments of the present invention. The technical idea of the present invention is not limited by the drawings. In addition, the drawings are partially exaggerated in the dimensional expression and the like for easy understanding at the time of explanation.
［積層体全体の概観］
本発明の実施形態に係る窒化物半導体積層体は、発光層からの光を基板側に取り出す所謂フェイスダウンの構成をとる。窒化物半導体発光素子に用いられる電極は深紫外光を吸収し易いのでフェイスダウン構造にして電極での深紫外光吸収による発光効率低下を回避させる。このため、後述のテンプレート基板〜第二の組成傾斜層は発光層から発せられる深紫外線に対して透明であることが前提になる。積層体全体の概観は大凡図１の様になる。
[Overview of the entire laminate]
The nitride semiconductor multilayer body according to the embodiment of the present invention has a so-called face-down configuration in which light from the light emitting layer is extracted to the substrate side. Since the electrode used in the nitride semiconductor light emitting device easily absorbs deep ultraviolet light, a face-down structure is used to avoid a decrease in light emission efficiency due to deep ultraviolet light absorption at the electrode. For this reason, it is assumed that the template substrate to the second composition gradient layer described later are transparent to deep ultraviolet rays emitted from the light emitting layer. An overview of the entire stack is shown in Figure 1.
［テンプレート基板］
テンプレート基板は下地基板にバッファ層となる層を形成し、全体として基板としたものである。以下、下地基板及びバッファ層に分けて説明する。
[Template substrate]
The template substrate is formed as a substrate as a whole by forming a buffer layer on a base substrate. Hereinafter, description will be made separately for the base substrate and the buffer layer.
＜下地基板＞
下地基板はサファイア基板を用いる。これは入手のし易さ及びバッファ層形成以降のプロセスが実施し易いことによる。また、深紫外光に対して透明であることにもよる。さらに、バッファ層は後述のように窒化アルミニウムからなるので、ｃ面を上面として用いる。ｃ面以外だとバッファ層が形成しにくい。上面の状態は特に制限されないが、ｃ面からａ軸方向又はｍ軸方向にある程度傾いているとバッファ層より上の層の結晶性が良くなるので好ましい。より好ましい傾き具合は０．２°以上２°以下である。
<Base substrate>
A sapphire substrate is used as the base substrate. This is because it is easily available and the processes after the formation of the buffer layer are easy to implement. It also depends on being transparent to deep ultraviolet light. Furthermore, since the buffer layer is made of aluminum nitride as will be described later, the c-plane is used as the upper surface. If it is other than the c-plane, it is difficult to form a buffer layer. The state of the upper surface is not particularly limited, but it is preferable that the surface is tilted to some extent in the a-axis direction or the m-axis direction from the c-plane because the crystallinity of the layer above the buffer layer is improved. A more preferable inclination is 0.2 ° or more and 2 ° or less.
＜バッファ層＞
窒化アルミニウムからなるバッファ層を下地基板上面に接して形成し、合わせてテンプレート基板とする。。窒化アルミニウムはバンドギャップが極めて大きく、深紫外光に対して透明であり、なお且つ窒化ガリウム同様サファイアとＩＩＩ族窒化物半導体との格子不整合を緩和する。但し、バッファ層の成長初期にサファイア基板との格子不整合および熱膨張係数差に起因する多数の欠陥が導入される。バッファ層が薄すぎると前述したように欠陥の低減が十分おこなわれず、通常は１×１０１０／ｃｍ２程度の刃状転位が残留し、発光素子の発光効率を高めることができない。このためバッファ層には一定以上の厚みが必要である。バッファ層の厚みが２μｍ以上あれば、バッファ層内の欠陥は十分低減され、より上の層に生じる欠陥を低減できる。一方、バッファ層が厚すぎると結晶内部に応力を抱えるため、より上部の層を形成する際にクラックを発生させ得る。しかし、本発明の半導体発光素子においては後述の超格子層によってクラック発生を防止するため、厚い方には特に制限はない。但し、必要以上に厚くしても生産性の低下を招くだけなので、現実的には４μｍ以下である。このため、本発明の半導体積層体において、バッファ層の厚みは２μｍ以上４μｍ以下とする。バッファ層の窒化アルミニウムは結晶質であることが必要で、単結晶であるとｃ軸配向性が調整可能なので好ましい。ｃ軸配向性が高いと、バンドギャップをより大きくすることができ、より広範囲の深紫外線に対して透明になるので好ましい。
<Buffer layer>
A buffer layer made of aluminum nitride is formed in contact with the upper surface of the base substrate, and is combined to form a template substrate. . Aluminum nitride has an extremely large band gap, is transparent to deep ultraviolet light, and relaxes lattice mismatch between sapphire and a group III nitride semiconductor, as in gallium nitride. However, a large number of defects due to lattice mismatch with the sapphire substrate and differences in thermal expansion coefficients are introduced at the initial growth stage of the buffer layer. If the buffer layer is too thin, defects are not sufficiently reduced as described above, and edge dislocations of about 1 × 10 10 / cm 2 usually remain, and the light emission efficiency of the light emitting element cannot be increased. For this reason, the buffer layer needs to have a certain thickness or more. If the thickness of the buffer layer is 2 μm or more, defects in the buffer layer are sufficiently reduced, and defects generated in a higher layer can be reduced. On the other hand, if the buffer layer is too thick, stress is held inside the crystal, so that cracks can be generated when an upper layer is formed. However, in the semiconductor light emitting device of the present invention, since the generation of cracks is prevented by a superlattice layer described later, there is no particular limitation on the thicker one. However, even if it is made thicker than necessary, it only causes a decrease in productivity, so it is practically 4 μm or less. For this reason, in the semiconductor laminated body of this invention, the thickness of a buffer layer shall be 2 micrometers or more and 4 micrometers or less. The aluminum nitride of the buffer layer needs to be crystalline, and a single crystal is preferable because the c-axis orientation can be adjusted. High c-axis orientation is preferable because the band gap can be increased and the film becomes transparent to a wider range of deep ultraviolet rays.
なお、テンプレート基板上面に接して後述の超格子層を形成する前に、５０〜２００ｎｍ程度のバッファ層を追加しても良い。追加のバッファ層は最終的にテンプレート基板のバッファ層の一部として一体化される。 Note that a buffer layer of about 50 to 200 nm may be added before a superlattice layer described later is formed in contact with the upper surface of the template substrate. The additional buffer layer is finally integrated as part of the buffer layer of the template substrate.
［超格子層］
テンプレート基板と後述の第一の組成傾斜層との間に超格子層を形成し、バッファ層が厚いことによるクラックの発生を防止する。超格子層は相対的に格子定数の小さい層と大きい層を交互に多周期積層することで、異種材料の接合界面に引っ張り応力と圧縮応力を交互に生じさせ、上層に形成される層に加わる応力を分散させる。図１における超格子層１２を抜き出し、強調したものが図２である。超格子層は窒化アルミニウム層と窒化アルミニウムガリウム層を交互に積層する。超格子層における最下層（テンプレート基板側の層）はどちらでも構わない。また、超格子層における最上層（第一の組成傾斜層と接する層）も、どちらでも構わない。また、窒化アルミニウム層及び／又は窒化アルミニウムガリウム層に目的に応じて添加元素をドープさせても良い。超格子層の各層の厚みは特に限定されず、目的に応じて厚みをそろえても良いし、不規則にしても良い。また、超格子層を構成する層の合計も特に限定されない。但し、超格子として成立させるために少なくとも計２層は必要である。窒化アルミニウムガリウム層の組成は、発光層から発せられる深紫外光の光子エネルギーよりも大きなバンドギャップを持つように調整される。なお、超格子層中で窒化アルミニウムガリウム層の組成はほぼ一定に保たれる。製造方法等による組成ばらつき程度なら許容されるものとする。図２は、超格子層における最上層１２１と、最下層とが同種の層であり、各層の厚みが大凡等しい例を表している。合計層数をｎ層としているが、一部の層は記載を省略している。
[Superlattice layer]
A superlattice layer is formed between the template substrate and a first composition gradient layer described later to prevent the occurrence of cracks due to the thick buffer layer. A superlattice layer is formed by alternately laminating a relatively small layer and a large layer in multiple cycles, thereby alternately generating a tensile stress and a compressive stress at the joint interface of different materials, and adding to the layer formed in the upper layer. Disperse the stress. FIG. 2 shows the
［第一の組成傾斜層］
アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなる第一の組成傾斜層を超格子層の上面に接して形成する。アンドープのＩＩＩ族窒化物化合物は通常ｎ型半導体としてふるまう。第一の組成傾斜層において、窒化アルミニウムガリウムは超格子層側から後述の第二の組成傾斜層側に向けて（この方向を上方向とする）組成が連続的に変化している。その変化の仕方は、窒化アルミニウムガリウムにおけるアルミニウム比ｍＡｌ１が、上方向に順次減る変化の仕方である。なお、アルミニウム比ｍＡｌ１は、窒化アルミニウムガリウム中のガリウム及びアルミニウムの和に対するアルミニウムの比で定義する。なお、第一の組成傾斜層全体が、発光層から発せられる深紫外光に対して透明であるよう、ｍＡｌ１の最小値は調整する。
[First composition gradient layer]
A first composition gradient layer made of undoped aluminum gallium nitride is formed in contact with the upper surface of the superlattice layer. Undoped Group III nitride compounds usually behave as n-type semiconductors. In the first composition gradient layer, the composition of aluminum gallium nitride continuously changes from the superlattice layer side to the second composition gradient layer side described later (this direction is the upward direction). Manner of change, aluminum ratio m Al 1 in aluminum gallium nitride, a manner of sequentially reduced change in the upward direction. The
［第二の組成傾斜層］
ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなる第二の組成傾斜層を第一の組成傾斜層の上面に接して形成する。ｎ型不純物ドープはどのようになされていても良いが、シリコンドープであれば添加濃度が効率良く半導体層のｎ型化に寄与するので好ましい。結果、後述のｎ電極から（第一の組成傾斜層及び）第二の組成傾斜層を経由して活性層へ自由電子を効率良く供給できる。また、ｎ側層の電気抵抗率が低下する。第一の組成傾斜層同様第二の組成傾斜層も組成が連続的に変化している。その変化の仕方は、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムにおけるアルミニウム比ｍＡｌ２が、上方向に順次減る変化の仕方である。なお、アルミニウム比ｍＡｌ２は、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウム中のガリウム及びアルミニウムの和に対するアルミニウムの比で定義する。なお、第二の組成傾斜層全体が、発光層から発せられる深紫外光に対して透明であるよう、ｍＡｌ２の最小値もｍＡｌ１の最小値同様調整する。
[Second composition gradient layer]
A second composition gradient layer made of n-type impurity-doped aluminum gallium nitride is formed in contact with the upper surface of the first composition gradient layer. The n-type impurity doping may be performed in any manner, but silicon doping is preferable because the addition concentration contributes efficiently to the n-type semiconductor layer. As a result, free electrons can be efficiently supplied from the n electrode described later to the active layer via the first composition gradient layer and the second composition gradient layer. In addition, the electrical resistivity of the n-side layer is reduced. Like the first composition gradient layer, the composition of the second composition gradient layer is continuously changed. The change is such that the
［第一及び第二の組成傾斜層の関係］
第一の組成傾斜層及び第二の組成傾斜層の組成及びその変化の仕方は夫々独立していて良い。しかし、第一の組成傾斜層上面におけるｍＡｌ１（≡ｍＡｌ１ｕ）が第二の組成傾斜層下面におけるｍＡｌ２（≡ｍＡｌ２ｂ）以上であると、第二の組成傾斜層全体に圧縮応力を加えることができ、クラックの発生を抑制できるため好ましい。ｍＡｌ１ｕとｍＡｌ２ｂはその上で近い値であると格子不整合による界面での欠陥発生を防ぐことができるためより好ましい。より好ましい範囲を比で表すと、ｍＡｌ１ｕ／ｍＡｌ２ｂとして１．００以上１．０２以下である。また、第一及の組成傾斜層及び第二の組成傾斜層は後述のｐ側層と対応してｎ側層とみなすことができる。ｎ側層は、後述の活性層に自由電子を供給する役割を果たす。図１におけるｎ側層１３を抜き出し、強調したものが図３である。
[Relationship between first and second composition gradient layers]
The composition of the first composition gradient layer and the second composition gradient layer and the manner of change thereof may be independent of each other. However, when m Al 1 (≡m Al 1 u ) on the upper surface of the first composition gradient layer is greater than or equal to m Al 2 (≡m Al 2 b ) on the lower surface of the second composition gradient layer, the second composition gradient layer It is preferable because compressive stress can be applied to the whole and cracking can be suppressed.
［活性層］
第二の組成傾斜層の上面に接して活性層を形成する。活性層は深紫外光を発するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を有する。発光層の例として、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦１．０、ｘ＋ｙ≦１．０）で表されるＩＩＩ族窒化物を発光層が挙げられる。発生させる深紫外光のエネルギーに応じて発光層の全金属元素中のアルミニウムの比率が決定される。例えば波長２８０ｎｍの発光素子の場合、発光層のアルミニウムの割合は４５％程度が必要である。アルミニウムの割合が高ければ高い程発光波長は短くなり、ＡｌＮを発光層に用いた場合その発光波長は２１０ｎｍとなる。目的に応じてインジウムが入っていても発光特性に影響を与えないが、その比率は１割以下にする。１割を超えると結晶性が悪化し易くなる。活性層は発光層のみで構成しても良いが、目的に応じて他の層と組み合わせても良い。また、同一種の発光層を複数設ける、複数種の発光層を組み合わせる等しても良い。図１における活性層１４を抜き出し、強調したものが図４である。図４は、エネルギー障壁を形成する３つの層１４１に挟まれた２つの発光層１４２の計５層によって２つの量子井戸が形成された例を表している。もちろん量子井戸を形成しなくとも良いし、より多数の量子井戸を形成しても良い。
[Active layer]
An active layer is formed in contact with the upper surface of the second composition gradient layer. The active layer has a light emitting layer made of a group III nitride semiconductor that emits deep ultraviolet light. As an example of the light-emitting layer, a group III represented by a general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 0.1, 0.4 ≦ y ≦ 1.0, x + y ≦ 1.0) Examples of the light emitting layer include nitride. The ratio of aluminum in all metal elements of the light emitting layer is determined according to the energy of deep ultraviolet light to be generated. For example, in the case of a light-emitting element having a wavelength of 280 nm, the proportion of aluminum in the light-emitting layer needs to be about 45%. The higher the proportion of aluminum, the shorter the emission wavelength. When AlN is used in the emission layer, the emission wavelength is 210 nm. Even if indium is contained depending on the purpose, the light emission characteristics are not affected, but the ratio is made 10% or less. If it exceeds 10%, the crystallinity tends to deteriorate. The active layer may be composed of only the light emitting layer, but may be combined with other layers depending on the purpose. Further, a plurality of light emitting layers of the same type may be provided, or a plurality of types of light emitting layers may be combined. FIG. 4 shows the
［ｐ側層］
活性層の上面に接してｐ側層を形成する。ｐ側層の形態は、ｐ型半導体からなり、活性層にホールを供給する役割を果たす。ｐ側層を構成するｐ型半導体層の数、種類は目的に応じて適宜調整すれば良い。本発明の半導体積層体は所謂フェイスダウン構造をとるので、ｐ側層にはバンドギャップの制約がない。ｐ側層がｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなる層を有すると、この層が電子障壁層として機能するため、発光効率が向上し、好ましい。また、ｐ側層がｐ型不純物ドープ窒化アルミニウムガリウムからなり、ｐ型不純物ドープ窒化アルミニウムガリウムにおけるアルミニウム比ｍＡｌ３が活性層側から上方向に順次減少する第三の組成傾斜層を有していると、電子障壁層としての機能を維持しつつ、ホール障壁を上方向に漸次減少させることができるためより好ましい。結果、後述のｐ電極からｐ側層を経由して活性層へホールを効率良く供給可能になる。第三の組成傾斜層は先述の電子障壁層を兼ねても良いし、電子障壁層から独立していても良い。ｐ側層は、単一の層のみからなっていても良いし、他の層と組み合わせたものであっても良い。なお、ｐ側層をｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムとする手段は限定されないが、マグネシウムドープであると添加濃度が効率良く半導体層のｐ型化に寄与するので好ましい。図１におけるｐ側層を抜き出し、強調したものが図５である。図５は、とある目的で形成される層１５１、電子障壁層１５２、層１５１とは別の目的で形成される層１５３及び層１５４からなるｐ側層の例を表している。更に、図５において、電子障壁層１５２は、第三の組成傾斜層１５２ｃを有している。もちろん目的に応じてｐ側層は様々な形態をとることが可能である。
[P-side layer]
A p-side layer is formed in contact with the upper surface of the active layer. The p-side layer is made of a p-type semiconductor and serves to supply holes to the active layer. What is necessary is just to adjust suitably the number and kind of p-type semiconductor layer which comprise a p side layer according to the objective. Since the semiconductor laminate of the present invention has a so-called face-down structure, the p-side layer has no band gap limitation. It is preferable that the p-side layer has a layer made of p-type impurity-doped aluminum gallium nitride because this layer functions as an electron barrier layer, so that the light emission efficiency is improved. The p-side layer is made of p-type impurity-doped aluminum gallium nitride, and has a third composition gradient layer in which the aluminum ratio m Al 3 in the p-type impurity-doped aluminum gallium nitride decreases sequentially from the active layer side upward. It is more preferable because the hole barrier can be gradually reduced upward while maintaining the function as an electron barrier layer. As a result, holes can be efficiently supplied from the p electrode described later to the active layer via the p-side layer. The third composition gradient layer may also serve as the above-described electron barrier layer, or may be independent of the electron barrier layer. The p-side layer may consist of only a single layer or may be a combination with other layers. The means for using p-type impurity-doped aluminum gallium nitride as the p-side layer is not limited, but magnesium doping is preferable because the additive concentration contributes efficiently to the p-type conversion of the semiconductor layer. FIG. 5 shows the p-side layer extracted and emphasized in FIG. FIG. 5 illustrates an example of a p-side layer including a
［半導体積層体の製造方法］
本発明の半導体積層体は公知の手法を用いて製造することができる。有機気相金属成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、水素化物気相反応法（ＨＶＰＥ）等を目的に応じて適宜選択すれば良い。
[Method for Manufacturing Semiconductor Stack]
The semiconductor laminated body of this invention can be manufactured using a well-known method. An organic vapor phase metal growth method (MOCVD), a molecular beam epitaxy method (MBE), a liquid phase growth method (LPE), a hydride vapor phase reaction method (HVPE), or the like may be appropriately selected according to the purpose.
［半導体発光素子］
本発明の半導体積層体に公知の手法を用いて電極等を形成する、あるいは半導体積層体を所望の形状に加工する、等して、深紫外線を発する本発明の窒化物半導体発光素子を得ることができる。なお、本発明の半導体発光素子は所謂フェイスダウン構造をとるので、ｎ電極は本発明の半導体積層体の特定領域を一定量除去し、ｎ側層を上側に露出させた上で形成する。露出させるｎ側層は、第一の組成傾斜層でも良いし、第二の組成傾斜層でも良い。図６は本発明の窒化物半導体積層体にｎ電極１６及びｐ電極１７を形成した例を表している。図６においてはｎ電極は第一の組成傾斜層に電気的に接続されているが、第二の組成傾斜層に電気的に接続されていても良い。
[Semiconductor light emitting device]
A nitride semiconductor light emitting device of the present invention that emits deep ultraviolet rays is obtained by forming electrodes or the like on the semiconductor laminate of the present invention using a known technique, or processing the semiconductor laminate into a desired shape, etc. Can do. Since the semiconductor light emitting device of the present invention has a so-called face-down structure, the n-electrode is formed after removing a specific amount of a specific region of the semiconductor laminate of the present invention and exposing the n-side layer on the upper side. The n-side layer to be exposed may be the first composition gradient layer or the second composition gradient layer. FIG. 6 shows an example in which the n-
以下、実施例を用いてより具体的に説明する。 Hereinafter, it demonstrates more concretely using an Example.
直径７．６２ｃｍ（３インチ）の、ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板上に厚さ３．５μｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板を反応容器に設置し、原料ガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、厚さ約０．１μｍの単結晶の窒化アルミニウムからなるバッファ層を追加形成した。こうしてテンプレート基板におけるバッファ層の厚さを約３．６μｍにした。 A template substrate in which a buffer layer made of aluminum nitride having a thickness of 3.5 μm was formed on a base substrate made of sapphire having a c-plane of 7.62 cm (3 inches) in diameter, and a source gas A buffer layer made of single crystal aluminum nitride having a thickness of about 0.1 μm was additionally formed using ammonia and trimethylaluminum (TMA). Thus, the thickness of the buffer layer in the template substrate was set to about 3.6 μm.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、厚さ約２７．０ｎｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎからなる層（層ａ）を形成した。次にＴＭＧの導入を止め、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１０．２ｎｍのＡｌＮからなる層（層ｂ）を形成した。層ａ及び層ｂを交互に夫々３０回繰り返し形成し、超格子層を形成した。 Subsequently, a layer (layer a) made of Al 0.7 Ga 0.3 N having a thickness of about 27.0 nm was formed using ammonia, TMA, and trimethyl gallium (TMG). Next, the introduction of TMG was stopped, and a layer (layer b) made of AlN having a thickness of about 10.2 nm was formed using ammonia and TMA. Layer a and layer b were alternately and repeatedly formed 30 times to form a superlattice layer.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、アンドープであり、Ａｌ０．７Ｇａ０．３ＮからＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎまで上方向へｍＡｌ１が順次減少する第一の組成傾斜層を形成した。第一の組成傾斜層の厚みは５００ｎｍである。 Subsequently, the first composition gradient layer in which m Al 1 is sequentially decreased upward from Al 0.7 Ga 0.3 N to Al 0.56 Ga 0.44 N by using ammonia, TMA, and TMG. Formed. The thickness of the first composition gradient layer is 500 nm.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシラン用いて、シリコンドープであり、Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４ＮからＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎまで上方向へｍＡｌ２が順次減少する第二の組成傾斜層を形成した。第二の組成傾斜層の厚みは２５００ｎｍである。 Subsequently, ammonia, TMA, TMG, and monosilane are used for silicon doping, and a second composition in which m Al 2 sequentially decreases from Al 0.56 Ga 0.44 N to Al 0.45 Ga 0.55 N. A gradient layer was formed. The thickness of the second composition gradient layer is 2500 nm.
第二の組成傾斜層形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を９７０℃、２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）に調整した。調整後、アンモニア、ＴＭＡ、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びモノシランを用いて、厚さ約５０．０ｎｍのシリコンドープのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎからなる層（層ｃ）を形成した。 After forming the second composition gradient layer, all gases were temporarily stopped, and the inside of the reaction vessel was adjusted to 970 ° C. and 26.7 kPa (200 Torr). After the adjustment, a layer (layer c) made of silicon-doped Al 0.56 Ga 0.44 N having a thickness of about 50.0 nm was formed using ammonia, TMA, triethylgallium (TEG), and monosilane.
次にモノシランの導入を止め、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＥＧを用いて、厚さ約４．４ｎｍのＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎからなる層（層ｄ１）を形成した。引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＥＧ及びモノシランを用いて、厚さ約２．５ｎｍのシリコンドープのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎからなる層（層ｄ２）を形成した。層ｄ１及び層ｄ２を交互に２回繰り返し形成し、層ｄとした。 Next, the introduction of monosilane was stopped, and a layer (layer d1) made of Al 0.45 Ga 0.55 N having a thickness of about 4.4 nm was formed using ammonia, TMA, and TEG. Subsequently, a layer (layer d2) made of silicon-doped Al 0.56 Ga 0.44 N having a thickness of about 2.5 nm was formed using ammonia, TMA, TEG, and monosilane. Layer d1 and layer d2 were alternately and repeatedly formed twice to form layer d.
層ｃ及び層ｄを合わせて活性層とした。層ｄ１は発光層としての役目を果たす。 Layer c and layer d were combined to form an active layer. The layer d1 serves as a light emitting layer.
活性層形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を８７０℃、１３．３ｋＰａに調整した。調整後、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１．０ｎｍのｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムからなる層（層ｅ）を形成した。 After the formation of the active layer, all gases were temporarily stopped, and the inside of the reaction vessel was adjusted to 870 ° C. and 13.3 kPa. After the adjustment, a layer (layer e) made of p-type impurity-doped aluminum nitride having a thickness of about 1.0 nm was formed using ammonia and TMA.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、厚さ約４．０ｎｍのｐ型不純物ドープのＡｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎからなる層（層ｆ）を形成した。 Subsequently, a layer (layer f) made of p-type impurity doped Al 0.78 Ga 0.22 N having a thickness of about 4.0 nm was formed using ammonia, TMA, and TMG.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ；マグネソセン）を用いて、厚さ約７８．０ｎｍのマグネシウムドープのＡｌ０．６３Ｇａ０．３７Ｎからなる層（層ｇ）を形成した。 Subsequently, a layer made of magnesium doped Al 0.63 Ga 0.37 N having a thickness of about 78.0 nm using ammonia, TMA, TMG and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg; magnesocene) (layer g) Formed.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを用いて、マグネシウムドープであり、Ａｌ０．６Ｇａ０．４ＮからＧａＮまで上方向へｍＡｌ３が順次減少する第三の組成傾斜層（層ｈ）を形成した。第三の組成傾斜層の厚さは２３ｎｍである。 Subsequently, ammonia, TMA, TMG, and Cp 2 Mg are used for magnesium doping, and a third composition gradient layer (layer h) in which m Al 3 decreases sequentially from Al 0.6 Ga 0.4 N to GaN. ) Was formed. The thickness of the third composition gradient layer is 23 nm.
引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを用いて、厚さ約３０９．０ｎｍのマグネシウムドープの窒化ガリウムからなる層（層ｉ）を形成した。 Subsequently, a layer (layer i) made of magnesium-doped gallium nitride having a thickness of about 309.0 nm was formed using ammonia, TMG, and Cp 2 Mg.
引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを用いて、厚さ約１４．６ｎｍのマグネシウムドープの窒化ガリウムからなる層（層ｊ）を形成した。 Subsequently, a layer (layer j) made of magnesium-doped gallium nitride having a thickness of about 14.6 nm was formed using ammonia, TMG, and Cp 2 Mg.
層ｅ〜層ｊを合わせてｐ側層とした。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。また、層ｆ〜層ｈは電子障壁層としての役目も果たす。 Layer e to layer j were combined to form a p-side layer. In this way, the target nitride semiconductor laminated body was obtained. The layers f to h also serve as an electron barrier layer.
実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層、超格子層及び第一の組成傾斜層を形成した。 A template substrate similar to that in Example 1 was placed in a reaction vessel, and a buffer layer, a superlattice layer, and a first composition gradient layer were formed in the same manner as in Example 1.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、シリコンドープであり、Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４ＮからＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎまで１．５μｍかけて上方向へｍＡｌ２が順次減少し、さらに約１μｍの、シリコンドープのＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎからなる層が連続する第二の組成傾斜層を形成した。 Subsequently ammonia, using TMA, TMG and monosilane, a silicon-doped, Al 0.56 Ga 0.44 from N Al 0.45 Ga 0.55 N 1.5μm over upward until m Al 2 successively Further, a second composition gradient layer having a continuous layer of silicon-doped Al 0.45 Ga 0.55 N having a thickness of about 1 μm was formed.
引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。 Subsequently, an active layer and a p-side layer were formed in the same manner as in Example 1. In this way, the target nitride semiconductor laminated body was obtained.
実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層、超格子層及び第一の組成傾斜層を形成した。 A template substrate similar to that in Example 1 was placed in a reaction vessel, and a buffer layer, a superlattice layer, and a first composition gradient layer were formed in the same manner as in Example 1.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、シリコンドープであり、Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４ＮからＡｌ０．５１Ｇａ０．５９Ｎまで３５０ｎｍかけて、Ａｌ０．５１Ｇａ０．５９ＮからＡｌ０．４８Ｇａ０．５２Ｎまで３５０ｎｍかけて、Ａｌ０．４８Ｇａ０．５２ＮからＡｌ０．４７Ｇａ０．５３Ｎまで４５０ｎｍかけて、Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３ＮからＡｌ０．４６Ｇａ０．５４Ｎまで７５０ｎｍかけて、Ａｌ０．４６Ｇａ０．５４ＮからＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎまで７５０ｎｍかけて上方向へｍＡｌ２が順次減少する第二の組成傾斜層を形成した。 Continuing with ammonia, TMA, TMG and monosilane, a silicon-doped, over 350nm from Al 0.56 Ga 0.44 N to Al 0.51 Ga 0.59 N, Al 0.51 Ga 0.59 N To Al 0.48 Ga 0.52 N over 350 nm, Al 0.48 Ga 0.52 N to Al 0.47 Ga 0.53 N over 450 nm, Al 0.47 Ga 0.53 N to Al 0.46 over 750nm to Ga 0.54 N, a second composition m Al 2 decreases successively upward over 750nm from Al 0.46 Ga 0.54 N to Al 0.45 Ga 0.55 N A gradient layer was formed.
引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。 Subsequently, an active layer and a p-side layer were formed in the same manner as in Example 1. In this way, the target nitride semiconductor laminated body was obtained.
実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層及び超格子層を形成した。 A template substrate similar to that in Example 1 was placed in a reaction vessel, and a buffer layer and a superlattice layer were formed in the same manner as in Example 1.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、アンドープであり、Ａｌ０．７Ｇａ０．３ＮからＡｌ０．５１Ｇａ０．４９Ｎまで上方向へｍＡｌ１が順次減少する第一の組成傾斜層を形成した。第一の組成傾斜層の厚みは５００ｎｍである。
Subsequently, the first composition graded layer that is undoped by using ammonia, TMA, and TMG, and
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、シリコンドープであり、Ａｌ０．５１Ｇａ０．４９ＮからＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎまで上方向へｍＡｌ２が順次減少する第二の組成傾斜層を形成した。第二の組成傾斜層の厚みは２．５μｍである。
Subsequently, ammonia, TMA, TMG, and monosilane are used for silicon doping, and
引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。 Subsequently, an active layer and a p-side layer were formed in the same manner as in Example 1. In this way, the target nitride semiconductor laminated body was obtained.
［比較例１］
実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層及び超格子層を形成した。
[Comparative Example 1]
A template substrate similar to that in Example 1 was placed in a reaction vessel, and a buffer layer and a superlattice layer were formed in the same manner as in Example 1.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、厚さ約５００ｎｍのアンドープのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの層を形成し、実施例１における第一の組成傾斜層の替りとした。 Subsequently, ammonia, TMA and TMG were used to form an undoped Al 0.65 Ga 0.35 N layer having a thickness of about 500 nm, which was used instead of the first composition gradient layer in Example 1.
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、厚さ約２．５μｍのシリコンドープのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの層を形成し、実施例１における第二の組成傾斜層の替りとした。 Subsequently, using ammonia, TMA, TMG, and monosilane, a silicon-doped Al 0.65 Ga 0.35 N layer having a thickness of about 2.5 μm was formed, and instead of the second composition gradient layer in Example 1. did.
引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。 Subsequently, an active layer and a p-side layer were formed in the same manner as in Example 1. In this way, the target nitride semiconductor laminated body was obtained.
［比較例２］
超格子層を形成しない以外実施例１と同様にし、目的の窒化物半導体積層体を得た。
[Comparative Example 2]
The target nitride semiconductor multilayer body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the superlattice layer was not formed.
［表面抵抗率測定］
実施例１〜４及び比較例１、２について、以下のようにして表面抵抗率を求める。
[Surface resistivity measurement]
About Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2, surface resistivity is calculated | required as follows.
渦電流を用いる非接触シート抵抗測定器で半導体層のシート抵抗を計測した。測定は夫々５点ずつ行い、その平均を半導体積層体の表面抵抗率とした。 The sheet resistance of the semiconductor layer was measured with a non-contact sheet resistance measuring device using eddy current. The measurement was performed for each of five points, and the average was taken as the surface resistivity of the semiconductor laminate.
［Ｖｆ測定］
実施例及び比較例について以下のようにしてｎ電極を形成し、Ｉｆ（順駆動電流）２０ｍＡで通電してＶｆを測定する。
[Vf measurement]
About an Example and a comparative example, an n electrode is formed as follows, and it supplies with If (forward drive current) 20mA, and measures Vf.
［ｎ側層露出］
所定の領域のみエッチングされる様マスクを形成する。形成後、半導体積層体をドライエッチング装置に入れ、装置内を１０．５Ｐａに調整する。調整後、バイアス出力２５０Ｗにし、塩素及び四塩化ケイ素を用いて、ｐ側層側から約０．８μｍエッチングを施し、ｎ側層を露出させる。エッチング後ドライエッチング装置から半導体積層体を取り出し、マスクを除去する。
[Exposed n-side layer]
A mask is formed so that only a predetermined region is etched. After the formation, the semiconductor laminate is put into a dry etching apparatus, and the inside of the apparatus is adjusted to 10.5 Pa. After the adjustment, the bias output is set to 250 W, and about 0.8 μm is etched from the p-side layer side using chlorine and silicon tetrachloride to expose the n-side layer. After etching, the semiconductor laminate is taken out from the dry etching apparatus and the mask is removed.
［ｎ電極形成］
露出したｎ側層のみスパッタされるようマスクを形成する。形成後、半導体積層体をスパッタ装置に入れ、装置内を１．０×１０−４Ｐａに調整する。調整後、アルゴン雰囲気下でチタンとアルミニウムの合金を露出したｎ側層にスパッタする。チタンターゲットにかける高周波電圧の出力は３００Ｗ、アルミニウムターゲットにかける高周波電圧の出力は５００Ｗとする。スパッタ後ｎ電極が形成された半導体積層体をスパッタ装置から取り出す。この時点では一枚のウエハーに複数の半導体積層体が形成され、個々の半導体積層体は同一のｎ側層を共有している状態である。
[N-electrode formation]
A mask is formed so that only the exposed n-side layer is sputtered. After the formation, the semiconductor laminate is put into a sputtering apparatus and the inside of the apparatus is adjusted to 1.0 × 10 −4 Pa. After the adjustment, sputtering is performed on the exposed n-side layer of an alloy of titanium and aluminum under an argon atmosphere. The output of the high frequency voltage applied to the titanium target is 300 W, and the output of the high frequency voltage applied to the aluminum target is 500 W. After the sputtering, the semiconductor stacked body on which the n-electrode is formed is taken out from the sputtering apparatus. At this time, a plurality of semiconductor stacked bodies are formed on one wafer, and the individual semiconductor stacked bodies share the same n-side layer.
［通電］
隣り合う半導体積層体のｎ電極間を通電する。
[Energization]
Electricity is passed between n electrodes of adjacent semiconductor stacked bodies.
［クラックの発生率］
実施例１及び比較例１、２の半導体積層体を夫々１０個作製し、活性層におけるクラックの発生率Ｃｒを測定した。
[Crack occurrence rate]
Ten semiconductor laminated bodies of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were produced, and the crack generation rate Cr in the active layer was measured.
バッファ層膜厚と発光素子の発光効率の関係を調べるために、ＡｌＮバッファ層厚みを変えて深紫外発光素子を作製した。ＡｌＮバッファ層が１μｍのとき、ピーク波長２８０ｎｍのＬＥＤの初期特性は下記の通りだった。電流＝２０ｍＡ、電圧＝７．１３Ｖ、光出力＝０．２９３ｍＷ。一方、ＡｌＮバッファ層を２μｍにしたときのＬＥＤの初期特性は下記の通りだった。電流＝２０ｍＡ、電圧＝７．２０Ｖ、光出力＝０．４０１ｍＷ。ＡｌＮバッファ層厚を１μｍから２μｍに大きくすることで光出力が３７％向上した。ＡｌＮバッファ層厚をさらに大きくすることで、更なる光出力の向上が期待できる。 In order to investigate the relationship between the buffer layer thickness and the light emission efficiency of the light emitting element, deep ultraviolet light emitting elements were fabricated by changing the thickness of the AlN buffer layer. When the AlN buffer layer was 1 μm, the initial characteristics of the LED having a peak wavelength of 280 nm were as follows. Current = 20 mA, voltage = 7.13 V, light output = 0.293 mW. On the other hand, the initial characteristics of the LED when the AlN buffer layer was 2 μm were as follows. Current = 20 mA, voltage = 7.20 V, light output = 0.401 mW. Increasing the AlN buffer layer thickness from 1 μm to 2 μm improved the optical output by 37%. By further increasing the thickness of the AlN buffer layer, further improvement in light output can be expected.
実施例及び比較について、表面抵抗率Ｒｓ、Ｖｆ及びクラック発生率Ｃｒの値を表１に示す。 Table 1 shows values of surface resistivity Rs, Vf and crack occurrence rate Cr for the examples and comparison.
表１より、ｎ側層を組成傾斜層にすることでＲｓが低下することが分かる。Ｖｆが低下しているのはその結果と考えられる。さらに、ｎ側層を組成傾斜層にすることで、Ｉ−Ｖカーブが曲線状から直線状に変化した。これはｎ側層とｎ電極との電気的接合がショットキー接合からオーミック接合に変化したことを意味する。オーミック接合が得られた効果でＬＥＤ駆動時の順方向電圧も低下した。また、超格子層を形成することでバッファ層を厚くしてもクラックが発生しないことが分かる。このため、従来よりも少ない投入電力で効率良く深紫外線を発光させることが可能となる。 From Table 1, it can be seen that Rs decreases when the n-side layer is a composition gradient layer. It is considered that Vf has decreased. Furthermore, by changing the n-side layer to a composition gradient layer, the IV curve changed from a curved shape to a linear shape. This means that the electrical junction between the n-side layer and the n-electrode has changed from a Schottky junction to an ohmic junction. The forward voltage at the time of LED drive also fell by the effect that the ohmic junction was obtained. It can also be seen that cracks do not occur even when the buffer layer is thickened by forming a superlattice layer. For this reason, it becomes possible to emit deep ultraviolet light efficiently with less input power than in the past.
本発明の窒化物半導体積層体を用いると、バッファ層を厚くしてもクラックが発生しにくく、且つＶｆの低い、深紫外線を発光する発光素子を得ることができる。このようにして得られる発光素子は非常に省エネルギーな深紫外発光素子であるため、水道水の殺菌、リソグラフィー用光源等紫外線を一度に多量に照射する産業分野において好適に利用できる。 When the nitride semiconductor multilayer body of the present invention is used, a light-emitting element that emits deep ultraviolet rays with low Vf and hardly generates cracks even when the buffer layer is thickened can be obtained. Since the light-emitting element thus obtained is a very energy-saving deep ultraviolet light-emitting element, it can be suitably used in industrial fields that irradiate a large amount of ultraviolet rays at once, such as sterilization of tap water and a light source for lithography.
１ 窒化物半導体積層体
１１ テンプレート基板
１１１ 下地基板
１１２ バッファ層
１２ 超格子層
１３ ｎ側層
１３１ 第一の組成傾斜層
１３２ 第二の組成傾斜層
１４ 活性層
１４２ 発光層
１５ ｐ側層
１５２ 電子障壁層
１５２ｃ 第三の組成傾斜層
１６ ｎ電極
１７ ｐ電極
６ 窒化物半導体発光素子
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記テンプレート基板上面に接して形成され、窒化アルミニウムガリウム層及び窒化アルミニウム層を交互に積層してなる超格子層と、
前記超格子層の上面に接して形成され、アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記アンドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍＡｌ１が前記超格子層側から上方向に順次減少する第一の組成傾斜層と、
前記第一の組成傾斜層の上面に接して形成され、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍＡｌ２が前記第一の組成傾斜層側から上方向に順次減少する第二の組成傾斜層と、
前記第二の組成傾斜層の上面に接して形成され、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、深紫外光を発する発光層を有する活性層と、
前記活性層の上面に接して形成されるｐ側層と、
を含む、窒化物半導体積層体。 a template substrate on which a buffer layer made of aluminum nitride having a thickness of 2 μm or more and 4 μm or less is formed in contact with the upper surface of a base substrate made of sapphire having a c-plane on the upper surface;
And the template made form in contact with the upper surface of the substrate, formed by laminating an aluminum gallium nitride layer and aluminum nitride layer are alternately superlattice layer,
Wherein formed in contact with the upper surface of the superlattice layer made of undoped aluminum gallium nitride, a first composition graded aluminum ratio m Al 1 of aluminum gallium nitride of the undoped sequentially decreasing upward from said superlattice layer side Layers,
Formed in contact with the upper surface of the first composition graded layer and made of n-type impurity doped aluminum gallium nitride, the aluminum ratio m Al 2 of the n-type impurity doped aluminum gallium nitride is the first composition graded layer side A second composition gradient layer that gradually decreases upward from
An active layer formed in contact with the upper surface of the second composition gradient layer, made of a group III nitride semiconductor, and having a light emitting layer emitting deep ultraviolet light;
A p-side layer formed in contact with the upper surface of the active layer;
A nitride semiconductor laminate including:
前記窒化物半導体積層体の前記第一の組成傾斜層に電気的に接続されたｎ電極と、
前記窒化物半導体積層体の前記ｐ側層に電気的に接続されたｐ電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor multilayer body according to any one of claims 1 to 9,
An n-electrode electrically connected to the first composition gradient layer of the nitride semiconductor stack;
A p-electrode electrically connected to the p-side layer of the nitride semiconductor stack;
A nitride semiconductor light emitting device comprising:
前記窒化物半導体積層体の前記第二の組成傾斜層に電気的に接続されたｎ電極と、
前記窒化物半導体積層体の前記ｐ側層に電気的に接続されたｐ電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor multilayer body according to any one of claims 1 to 9,
An n-electrode electrically connected to the second composition gradient layer of the nitride semiconductor stack;
A p-electrode electrically connected to the p-side layer of the nitride semiconductor stack;
A nitride semiconductor light emitting device comprising:
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