JP6472093B2 - 紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器 - Google Patents

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Description

本発明は、紫外線を放射する紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器に関するものである。
この種の紫外線発光素子としては、例えば、サファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードが知られている(日本国特許出願公開番号6−283825)。
この窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードは、Mgドープp型AlYGa1-YN層からのMgの拡散をアンドープAlXGa1-XN層にて吸収して防止できる。なお、X、Yの化学量論は、0≦X≦Y≦1である。
紫外線発光素子の分野においては、発光効率の向上が望まれている。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光効率の向上を図ることが可能な紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器を提供することにある。
本発明の紫外線発光素子は、サファイア基板と、n型AlGaN層と、発光層と、キャップ層と、電子障壁層と、p型GaN層からなるp型コンタクト層と、を備える。前記発光層は、多重量子井戸構造を有する。前記多重量子井戸構造は、各々が第1のAlGaN層からなる複数の障壁層と、各々が第2のAlGaN層からなる複数の井戸層と、を備える。前記電子障壁層は、前記障壁層よりもAlの組成比が大きい第1のp型AlGaN層と、前記複数の井戸層よりもAlの組成比が大きく且つ前記第1のp型AlGaN層よりもAlの組成比の小さい第2のp型AlGaN層と、を備える。前記第1のp型AlGaN層及び前記第2のp型AlGaN層は、Mgを含有させてある。前記キャップ層は、前記多重量子井戸構造における前記複数の井戸層のうち前記第1のp型AlGaN層に最も近い井戸層と、前記第1のp型AlGaN層と、の間に介在する。前記キャップ層は、前記複数の井戸層よりもAlの組成比が大きく且つ前記第1のp型AlGaN層よりもAlの組成比が小さい第3のAlGaN層である。前記キャップ層の厚さは、1nm以上7nm以下である。
本発明の電気機器は、前記紫外線発光素子と、機器本体と、を備える。
図1は、実施形態の紫外線発光素子の概略断面図である。 図2は、キャップ層の厚さと相対発光効率との関係を示すグラフである。 図3は、実施形態の紫外線発光素子の断面TEM像(cross-sectional transmission electron microscope image)である。 図4は、実施形態の紫外線発光素子の変形例の概略断面図である。 図5は、第1層(キャップ層に最も近い第1のp型AlGaN層)の厚さと相対発光効率との関係を示すグラフである。 図6は、第1層の厚さと相対寿命との関係を示すグラフである。 図7は、実施形態の電気機器の一例である電気掃除機の概略構成図である。 図8は、実施形態の電気機器の他の例である冷蔵庫の概略構成図である。
以下では、本実施形態の紫外線発光素子10について、図1〜3に基づいて説明する。
紫外線発光素子10は、サファイア基板1と、n型AlGaN層3と、発光層4と、キャップ層5と、電子障壁層6と、p型GaN層からなるp型コンタクト層7と、を備える。発光層4は、多重量子井戸構造を有する。多重量子井戸構造は、各々が第1のAlGaN層からなる複数の障壁層41と、各々が第2のAlGaN層からなる複数の井戸層42と、を備える。電子障壁層6は、第1のp型AlGaN層61と、第2のp型AlGaN層62と、を備える。第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62は、Mgを含有させてある。キャップ層5は、多重量子井戸構造における複数の井戸層42のうち第1のp型AlGaN層61に最も近い井戸層42と、第1のp型AlGaN層61と、の間に介在する。キャップ層5は、第2のAlGaN層よりもAlの組成比が大きく且つ第1のp型AlGaN層61よりもAlの組成比が小さな、第3のAlGaN層である。キャップ層5の厚さは、1nm以上7nm以下である。よって、紫外線発光素子10においては、発光効率の向上を図ることが可能になる。本明細書において、組成比は、EDX法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)による組成分析で求めた値である。組成比の相対的な大小関係を議論する上では、組成比は、EDX法に限らず、例えば、オージェ電子分光法(Auger Electron Spectroscopy)による組成分析で求めた値でもよい。
紫外線発光素子10は、メサ構造(mesa structure)11を有している。メサ構造11は、n型AlGaN層3と、発光層4と、キャップ層5と、電子障壁層6と、p型コンタクト層7と、を備える多層構造20の一部を、多層構造20の表面20a側からn型AlGaN層3の途中までエッチングすることで形成されている。n型AlGaN層3と発光層4とキャップ層5と電子障壁層6とp型コンタクト層7とを備える多層構造20は、サファイア基板1側から、n型AlGaN層3、発光層4、キャップ層5、電子障壁層6、p型コンタクト層7の順に並んでいる。紫外線発光素子10は、p型コンタクト層7の表面7aと、多層構造20の表面20aと、メサ構造11の上面11aとが、同一の表面により構成される。紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3の表面3a上に、第1電極8が形成され、p型コンタクト層7の表面7a上に、第2電極9が形成されている。第1電極8は、n型AlGaN層3に電気的に接続されている。第2電極9は、p型コンタクト層7に電気的に接続されている。紫外線発光素子10は、第1電極8が、負電極(「n電極」とも呼ばれる。)を構成している。また、紫外線発光素子10は、第2電極9が、正電極(「p電極」とも呼ばれる。)を構成している。
紫外線発光素子10は、メサ構造11の上面11aの一部とメサ構造11の側面11bとn型AlGaN層3の表面3aの一部とに跨って絶縁膜が形成されているのが好ましい。絶縁膜の材料としては、例えば、SiO等を採用することができる。
紫外線発光素子10の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。
紫外線発光素子10は、例えば、210nm〜360nmの紫外波長域に発光ピーク波長を有する紫外線発光ダイオードとすることができる。これにより、紫外線発光素子10は、例えば、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、利用することができる。紫外線発光素子10は、殺菌の分野で利用する場合、発光層4における井戸層42の発光ピーク波長が260nm〜285nmの紫外波長域にあるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、ウイルスや細菌のDNAに吸収されやすい260nm〜285nm帯の紫外線を放射させることができ、効率良く殺菌することが可能となる。
紫外線発光素子10のチップサイズは、400μm□(400μm×400μm)に設定してあるが、これに限らない。チップサイズは、例えば、200μm□(200μm×200μm)〜1mm□(1mm×1mm)程度の範囲で適宜設定することができる。また、紫外線発光素子10の平面形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。紫外線発光素子10の平面形状が、長方形状の場合、紫外線発光素子10のチップサイズは、例えば、500μm×240μmとすることができる。
n型AlGaN層3と、発光層4と、キャップ層5と、電子障壁層6と、p型コンタクト層7と、を備える多層構造20は、エピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法は、例えば、有機金属気相成長(metal organic vapor phase epitaxy:MOVPE)法を採用するのが好ましく、減圧MOVPE法を採用するのが、より好ましい。エピタキシャル成長法は、MOVPE法に限らず、例えば、ハイドライド気相成長(hydride vapor phase epitaxy:HVPE)法、分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy:MBE)法等を採用してもよい。
サファイア基板1は、例えば、第1面1aが(0001)面、つまり、c面であるのが好ましい。また、サファイア基板1は、(0001)面からのオフ角が、0〜0.3°のものが好ましい。サファイア基板1の第1面1aは、c面に限らず、例えば、m面、a面、R面等を採用することもできる。紫外線発光素子10は、サファイア基板1の第2面1bが紫外線を出射させる光取り出し面を構成している。
紫外線発光素子10は、サファイア基板1とn型AlGaN層3との間に介在するバッファ層2を備えているのが好ましい。要するに、紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3が、サファイア基板1の第1面a側に、バッファ層2を介して形成されているのが好ましい。紫外線発光素子10がバッファ層2を備えている場合、多層構造20は、このバッファ層2を含む。
バッファ層2は、AlxGa1-xN層(0<x≦1)により構成することができる。バッファ層2は、貫通転位を減少させることを目的として設けた層である。バッファ層2は、AlxGa1-xN層(0<x≦1)の(10−12)面に対するX線回折のωスキャンによるX線ロッキングカーブ(X-Ray Rocking Curve:XRC)の半値幅が400arcsec以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、転位密度を3×1019cm-2以下とすることが可能となり、発光効率の向上を図ることが可能となる。転位密度は、単位面積当たりの貫通転位の数であり、断面TEM像図から求めた値である。
紫外線発光素子10は、バッファ層2のバンドギャップエネルギが複数の井戸層42のバンドギャップエネルギよりも大きいのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、発光層4から放射された紫外線がバッファ層2で吸収されるのを抑制することが可能となり、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。紫外線発光素子10は、バッファ層2がAlN層であるのがより好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、バッファ層2が、AlxGa1-xN層(0<x≦1)のうち最もバンドギャップエネルギの大きなAlN層により構成されているので、発光層4から放射された紫外線がバッファ層2で吸収されるのをより抑制することが可能となる。
バッファ層2は、厚さが薄すぎると貫通転位の減少が不十分となりやすく、表面の平坦性がn型AlGaN層の下地層として不十分となりやすい。また、バッファ層2は、厚さが厚すぎると格子不整合に起因したクラックの発生や、バッファ層2の剥れや、複数個の紫外線発光素子10を形成するウェハの反りが大きくなり過ぎる要因になる懸念がある。よって、バッファ層2の厚さは、3μm以上6μm以下であるのが好ましい。バッファ層2の厚さは、例えば、4μmに設定することができる。
紫外線発光素子10は、バッファ層2の内部に空隙(図3の断面TEM像を参照)が存在するのが好ましい。紫外線発光素子10は、バッファ層2の内部に空隙が存在することにより、バッファ層2の結晶性を向上させることが可能となり、発光層4等の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、紫外線発光素子10は、発光効率の向上を図ることが可能となる。バッファ層2の内部の空隙は、バッファ層2を形成するときに、サファイア基板1とバッファ層2との界面から延びる貫通転位を消滅させたり屈曲させることで、貫通転位を低減させ、バッファ層2の貫通転位を低減させる機能を有すると推考される。また、バッファ層2の内部の空隙は、バッファ層2を形成するときに、サファイアとAlGaNとの熱膨張係数差などに起因してバッファ層2に発生する引張応力を緩和することで、バッファ層2へのクラックの発生やバッファ層2の反りを抑制する機能を有すると推考される。
空隙は、バッファ層2の厚さ方向においてサファイア基板1とバッファ層2との界面から2μmまでの範囲に存在するのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、バッファ層2の表面の平坦性を向上させることが可能となる。紫外線発光素子10は、例えば、バッファ層2がAlN層の場合、AlNとサファイアとの格子定数差が10%以上と大きいため、バッファ層2を成長させるときに、バッファ層2が、成長初期に3次元的に成長する。そして、紫外線発光素子10は、バッファ層2を成長させるときに、その成長厚さが2μmを超えると隣り合うAlNの結晶同士が繋がって表面が平坦になり、内部に空隙が形成されると推考される。
n型AlGaN層3は、発光層4へ電子を輸送するための層である。n型AlGaN層3の組成比は、発光層4で発光する紫外線を効率良く放出できるように設定するのが好ましい。例えば、井戸層42のAlの組成比が0.45、障壁層41のAlの組成比が0.6の場合、n型AlGaN層3のAlの組成比は、障壁層41のAlの組成比と同じ0.6とすることができる。n型AlGaN層3のAlの組成比は、障壁層41のAlの組成比と同じである場合に限らず、異なっていてもよい。
n型AlGaN層3のAlの組成比が0.50以上0.70以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3のAlの組成比が0.50未満の場合、発光層4から放射される260nm〜285nmの紫外線がn型AlGaN層3で吸収され、光取り出し効率が低下してしまう。また、紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3のAlの組成比が0.70よりも大きい場合、260nm〜285nmの紫外線を放射するように設計された発光層4との組成差が大きくなり、発光層4に欠陥が生じやすくなる。
n型AlGaN層3のドナー不純物がSiであり、n型AlGaN層3のSiのドーピング濃度が5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3のSiのドーピング濃度が5×1018cm-3未満の場合、第1電極8とn型AlGaN層3とのオーミック接触が形成できなくなったり、オーミック性が低下してしまう。また、紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3のSiのドーピング濃度が5×1019cm-3よりも高い場合、n型AlGaN層3の結晶性が低下してしまう。n型AlGaN層3のSiのドーピング濃度は、例えば、SIMS分析(secondary ion mass spectroscopy analysis)により測定することができる。
n型AlGaN層3の厚さは、1μm以上3μm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3の厚さが1μm未満の場合、n型AlGaN層3における電流経路が狭くなり、駆動電圧が高くなってしまう。また、紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3の厚さが3μmよりも大きい場合、n型AlGaN層3での歪の蓄積により、クラックが発生してしまうことがある。
なお、n型AlGaN層3は、単層構造に限らず、例えば、互いにAlの組成比の異なる複数のn型AlGaN層の積層構造でもよい。
発光層4は、井戸層42に注入された2種類のキャリア(電子、正孔)の再結合により光を放射するものである。
発光層4は、井戸層42を構成する第2のAlGaN層のAlの組成比を変化させることにより、発光ピーク波長を、210nm〜360nmの範囲で任意の発光ピーク波長に設定することが可能である。要するに、発光層4は、発光ピーク波長が210nm〜360nmの範囲にある紫外線を放射するように構成された井戸層42を備える。例えば、所望の発光ピーク波長が265nm付近である場合には、第2のAlGaN層のAlの組成比を0.50に設定すればよい。
紫外線発光素子10では、一例として、障壁層41の厚さを10nmに設定し、井戸層42の厚さを2nmに設定してあるが、これらの厚さに限定するものではない。
障壁層41の厚さは、2nm以上20nm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、障壁層41の厚さが2nm未満の場合、井戸層42へのキャリアの閉じ込め効果が低下し、キャリアが井戸層42から漏れやすくなって発光効率が低下してしまうと推考される。また、紫外線発光素子10は、障壁層41の厚さが20nmよりも大きい場合、井戸層42へキャリアが注入されなくなる懸念がある。
障壁層41は、Siがドーピングされており、Siの濃度が、5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、格子不整合に起因するピエゾ電界により発生する歪を緩和することが可能となり、発光効率の向上を図ることが可能となる。紫外線発光素子10は、障壁層41のSiの濃度が、5×1017cm-3未満の場合、ピエゾ電界により発生する歪を緩和する効果が低下してしまう。また、紫外線発光素子10は、障壁層41のSiの濃度が、5×1018cm-3よりも高くなると、障壁層41の結晶性が低下する傾向にある。障壁層41のSiの濃度は、例えば、SIMS分析により測定することができる。
複数の井戸層42の厚さは、0.5nm以上3nm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、井戸層42の厚さが0.5nm未満の場合、発光効率が低下してしまう傾向にある。これは、井戸層42の厚さが0.5nm未満の場合、発光層4のキャリアの閉じ込め効果が低下するためであると推考される。また、紫外線発光素子10は、井戸層42の厚さが3nmよりも大きい場合、発光効率が低下してしまう傾向にある。これは、井戸層42の厚さが3nmよりも大きい場合、発光層4のキャリアの閉じ込め効果が低下し、井戸層42に注入されたキャリアの電子と正孔とが再結合する前に、井戸層42から漏れやすくなるためであると推考される。
電子障壁層6は、発光層4へ注入された電子のうち、発光層4中で正孔と再結合されなかった電子が、p型コンタクト層7側へ漏れる(オーバーフローする)のを抑制するための層である。要するに、電子障壁層6は、発光層4側からの電子をブロックする電子ブロック層として機能するように構成されている。第1のp型AlGaN層61のAlの組成比は、第1のp型AlGaN層61のバンドギャップエネルギが、障壁層41のバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定してある。紫外線発光素子10は、第1のp型AlGaN層61のバンドギャップエネルギを6.1eV、Alの組成比を0.95とし、第2のp型AlGaN層62のバンドギャップエネルギを5.0eV、Alの組成比を0.60としてあるが、これらの数値に限定するものではない。
上述のように、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62は、Mgを含有させてある。よって、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62は、アクセプタ不純物がMgである。
第1のp型AlGaN層61の厚さは、例えば、20nmに設定することができる。第1のp型AlGaN層61の厚さは、特に限定するものではないが、厚さが薄すぎるとオーバーフローを抑制する効果が減少し、厚さが厚すぎると紫外線発光素子10の抵抗が大きくなってしまう。第1のp型AlGaN層61の厚さについては、例えば、7nm〜24nmの範囲で設定することができる。
第2のp型AlGaN層62は、発光層4へ正孔を輸送するための層としても機能するように構成されている。第2のp型AlGaN層62の組成比は、発光層4で発光する紫外線の吸収を抑制できるように設定するのが好ましい。井戸層42のAlの組成比が0.45、障壁層41のAlの組成比が0.60の場合、第2のp型AlGaN層62のAlの組成比は、例えば、0.6とすることができる。すなわち、井戸層42を構成する第2のAlGaN層がAl0.45Ga0.55N層からなる場合、第2のp型AlGaN層62は、p型Al0.60Ga0.40N層により構成することができる。第2のp型AlGaN層62のAlの組成比は、障壁層41のAlの組成比と同じである場合に限らず、異なっていてもよい。
第2のp型AlGaN層62の正孔濃度は、特に限定するものではなく、第2のp型AlGaN層62の膜質が劣化しない正孔濃度の範囲において、より高い濃度のほうが好ましい。
第2のp型AlGaN層62の厚さは、例えば、20nmに設定することができる。第2のp型AlGaN層62の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、紫外線発光素子10は、第2のp型AlGaN層62の正孔濃度をn型AlGaN層3の電子濃度以上とするのが難しく、第2のp型AlGaN層62の厚さが、厚すぎると、紫外線発光素子10の抵抗が大きくなりすぎる。このため、第2のp型AlGaN層62の厚さは、200nm以下が好ましく、100nm以下が、より好ましい。
キャップ層5は、電子障壁層6中の不純物が発光層4へ拡散するのを抑制するための拡散防止層である。電子障壁層6中の不純物としては、電子障壁層6のアクセプタ不純物が挙げられる。電子障壁層6のアクセプタ不純物とは、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62のアクセプタ不純物であり、より具体的には、Mgである。
紫外線発光素子10は、キャップ層5を構成する第3のAlGaN層のAlの組成比を、0.60に設定してある。第3のAlGaN層のAlの組成比は、0.60に限らず、井戸層42のAlの組成比よりも大きく且つ第1のp型AlGaN層61のAlの組成比よりも小さければよい。キャップ層5の厚さについては、例えば、5nmに設定することができる。
p型コンタクト層7は、第2電極9との良好なオーミック接触(ohmic contact)を得るための層である。
p型コンタクト層7の厚さは、400nmに設定してあるが、これに限らず、10nm以上500nm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、p型コンタクト層7の厚さが10nm未満の場合、p型コンタクト層7の厚さの面内均一性が低下したり、電気的特性の面内ばらつきが大きくなる傾向にある。また、紫外線発光素子10は、p型コンタクト層7の厚さが500nmよりも大きくなると、歪の蓄積によりクラックが発生する可能性が高くなる傾向にある。
p型コンタクト層7のアクセプタ不純物がMgであり、p型コンタクト層7のMgのドーピング濃度が1×1020cm-3以上5×1020cm-3以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、p型コンタクト層7のMgのドーピング濃度が1×1020cm-3未満の場合、発光効率が低下する傾向にある。これは、p型コンタクト層7の正孔の注入性が低下するためであると推考される。また、紫外線発光素子10は、p型コンタクト層7のMgのドーピング濃度が1×1020cm-3未満の場合、第2電極9とp型コンタクト層7とのオーミック接触が得られなくなったり、接触抵抗が高くなる傾向にある。また、紫外線発光素子10は、p型コンタクト層7のMgのドーピング濃度が5×1020cm-3よりも高い場合、p型コンタクト層7の結晶性が低下する傾向にある。
紫外線発光素子10は、第1電極8上に、第1パッド電極を備えているのが好ましい。第1パッド電極は、例えば、Ti膜とAu膜との積層膜により構成することができる。第1パッド電極は、第1電極8に電気的に接続される。第1パッド電極は、第1電極8を覆うように形成されているのが好ましい。
また、紫外線発光素子10は、第2電極9上に、第2パッド電極を備えているのが好ましい。第2パッド電極は、例えば、Ti膜とAu膜との積層膜により構成することができる。第2パッド電極は、第2電極9に電気的に接続される。第2パッド電極は、第2電極9を覆うように形成されているのが好ましい。
紫外線発光素子10は、例えば、実装基板に実装することができる。「実装する」とは、紫外線発光素子10を配置して機械的に接続することと、電気的に接続すること、を含む概念である。実装基板は、板状に形成された支持体と、支持体に支持され紫外線発光素子10が電気的に接続される配線部と、を備える。配線部は、例えば、第1パッド電極が電気的に接続される第1導体部と、第2パッド電極が電気的に接続される第2導体部と、を備えた構成とすることができる。紫外線発光装置は、例えば、紫外線発光素子10の第1パッド電極と第1導体部とを、第1バンプを介して接合し、紫外線発光素子10の第2パッド電極と第2導体部とを、第2バンプを介して接合することで、実装基板に実装することができる。第1バンプ及び第2バンプとしては、例えば、金バンプを採用することができる。紫外線発光装置は、1つの実装基板に対して1つの紫外線発光素子10を実装した構成としてもよいし、1つの実装基板に対して複数の紫外線発光素子10を実装した構成としてもよい。
支持体は、配線部を支持する機能を備えている。支持体は、紫外線発光素子10で発生する熱を効率良く外部に伝えるためのヒートシンク(heat sink)としての機能を備えているのが好ましい。
紫外線発光装置は、実装基板及び紫外線発光素子10以外に、紫外線発光素子10を覆うように配置されるガラス製の蓋体を備えるのが好ましい。蓋体は、紫外線発光素子10から放射される紫外線を透過させる。蓋体は、平板状の形状としてもよいし、レンズ形状としてもよいし、一部をレンズ形状としてもよい。また、蓋体は、ドーム状の形状としてもよい。紫外線発光装置は、実装基板と蓋体との間に、紫外線発光素子10を囲むように配置される枠体を備えていてもよく、枠体が、紫外線発光素子10から側方に放射された光を蓋体側へ反射するリフレクタを兼ねてもよい。
また、紫外線発光装置は、実装基板をインターポーザにより構成し、インターポーザを金属ベースプリント配線板等に接合するようにしてもよい。
以下では、紫外線発光素子10の製造方法について簡単に説明する。
紫外線発光素子10の製造方法では、まず、複数の紫外線発光素子10それぞれのサファイア基板1の元になるサファイアウェハを準備する。
紫外線発光素子10の製造方法では、サファイアウェハを準備した後、サファイアウェハの前処理を行ってから、サファイアウェハをエピタキシャル成長装置に導入し、その後、サファイアウェハの第1面上に多層構造20をエピタキシャル成長法により積層する。サファイアウェハの第1面は、サファイア基板1の第1面1aに相当する表面である。エピタキシャル成長装置として減圧MOVPE装置を採用する場合、Alの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム(TMAl)を採用するのが好ましい。また、Gaの原料ガスとしては、トリメチルガリウム(TMGa)を採用するのが好ましい。Nの原料ガスとしては、NH3を採用するのが好ましい。n型導電性を付与する不純物であるSiの原料ガスとしては、テトラエチルシラン(TESi)を採用するのが好ましい。p型導電性に寄与する不純物であるMgの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、H2ガスを採用するのが好ましい。各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、Gaの原料ガスとしてトリエチルガリウム(TEGa)、Nの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Siの原料ガスとしてモノシラン(SiH4)を用いてもよい。多層構造20の成長条件は、バッファ層2、n型AlGaN層3、障壁層41、井戸層42、キャップ層5、第1のp型AlGaN層61、第2のp型AlGaN層62及びp型コンタクト層7それぞれについて、基板温度、V/III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。基板温度とは、サファイアウェハの温度を意味する。エピタキシャル成長装置としてMOVPE装置を採用する場合、基板温度は、例えば、サファイアウェハを支持するサセプタの温度を代用することができる。
紫外線発光素子10の製造方法では、サファイアウェハの第1面上に多層構造20を積層した後、多層構造20が積層されているサファイアウェハをエピタキシャル成長装置から取り出す。以下では、少なくともサファイアウェハと多層構造20とを備えた構造体を、ウェハと称する。
紫外線発光素子10の製造方法では、エピタキシャル成長装置から取り出したウェハをアニール装置に導入し、第1のp型AlGaN層61、第2のp型AlGaN層62及びp型コンタクト層7それぞれのp型不純物を活性化するためのアニールを行う。アニールを行うためのアニール装置としては、例えば、ランプアニール装置、電気炉アニール装置等を採用することができる。p型不純物は、アクセプタ不純物を意味し、Mgである。
紫外線発光素子10の製造方法では、アニール装置からウェハを取り出した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用してメサ構造11を形成する。
紫外線発光素子10の製造方法では、メサ構造11を形成した後、絶縁膜を形成する。絶縁膜は、CVD(chemical vapor deposition)法等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成することができる。
紫外線発光素子10の製造方法では、上述の絶縁膜を形成した後、第1電極8を形成する。第1電極8を形成するには、まず、ウェハの表面に、第1電極8の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第1レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さが100nmの第1のAl層、厚さが20nmの第1のNi層、厚さが100nmの第2のAl層、厚さが20nmの第2のNi層及び厚さが100nmのAu層を積層した第1積層膜を蒸着法により形成する。第1積層膜を形成した後には、リフトオフを行うことにより、第1レジスト層及び第1レジスト層上の不要膜(第1積層膜のうち第1レジスト層上に形成されている部分)を除去することで第1積層膜をパターニングする。その後には、アニール処理を行う。アニール処理は、第1電極8とn型AlGaN層3との接触をオーミック接触とするための処理である。第1積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定するものではない。アニール処理は、N2ガス雰囲気中でのRTA(Rapid Thermal Annealing)が好ましい。RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を700℃、アニール時間を1分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。アニール温度は、Alの拡散が起こりやすい温度が好ましく、650℃以上750℃未満の温度が、より好ましい。アニール時間は、例えば、30秒〜3分程度の範囲で設定すればよい。
紫外線発光素子10の製造方法では、第1電極8を形成した後に、第2電極9を形成する。第2電極9を形成するためには、まず、ウェハの表面に、第2電極9の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第2レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さが20nmのNi層と厚さが150nmのAu層との第2積層膜を電子ビーム蒸着法により形成し、リフトオフを行うことにより、第2レジスト層及び第2レジスト層上の不要膜(第2積層膜のうち第2レジスト層上に形成されている部分)を除去する。その後には、第2電極9とp型コンタクト層7との接触がオーミック接触となるように、N2ガス雰囲気中でRTA処理を行う。第2積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定するものではない。また、RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を500℃、アニール時間を15分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。
第1パッド電極及び第2パッド電極は、例えば、フォトリソグラフィ技術および薄膜形成技術を利用してリフトオフ法により形成する。
紫外線発光素子10の製造方法では、紫外線発光素子10が複数形成されたウェハを得ることができる。
紫外線発光素子10の製造方法では、ウェハをダイシングソー(dicing saw)などによって切断することで、1枚のウェハから複数の紫外線発光素子10を得ることができる。紫外線発光素子10の製造方法では、ウェハを切断する前に、サファイアウェハの厚さをサファイア基板1の所望の厚さとするようにサファイアウェハを第2面側から研磨することが好ましい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、製造歩留りの向上を図ることが可能となる。
ところで、本願発明者らは、キャップ層5の厚さに着目し、キャップ層5の厚さを種々変えた紫外線発光素子10を作製して、各紫外線発光素子10それぞれの発光効率を測定した。図2は、キャップ層5の厚さと相対発光効率との関係を示すグラフである。相対発光効率は、キャップ層5の厚さが0、つまり、キャップ層5を備えていない比較例の発光効率を1とした場合の相対的な発光効率を意味する。紫外線発光素子10の発光効率は、紫外線発光素子10に20mAの直流電流を流したときの紫外線発光素子10から放射される紫外線を積分球で測定した値と発光ピーク波長とから算出した値である。比較例の紫外線発光素子の発光効率についても同様にして算出した値である。
図2から、本願発明者らは、キャップ層5の厚さを1nm〜7nmの範囲で設定することにより、比較例に比べて発光効率を向上させることが可能になるという知見を得た。
本実施形態の紫外線発光素子10は、キャップ層5の厚さが、1nm以上7nm以下であるので、発光効率の向上を図ることが可能となる。本願発明者らは、SIMSによる、Mgの濃度の、深さプロファイルの測定結果から、紫外線発光素子10における、電子障壁層6から発光層4へのMgの拡散が抑制されていることを確認した。紫外線発光素子10は、キャップ層5の厚さを、1nm以上7nm以下とすることにより、電子障壁層6から発光層4へのMgの拡散が抑制され、且つ、電子障壁層6から発光層4への正孔の注入が阻害されるのを抑制することが可能となり、発光効率の向上を図れるものと推考される。
ところで、キャップ層5を構成する第3のAlGaN層は、アンドープのAlGaN層であるのが好ましい。アンドープとは、特定の不純物を意図的に添加していないことを意味する。つまり、キャップ層5は、キャップ層5を成長させる際に不可避的に混入されるMg、H、Si、C、O等の不純物が存在してもよい。アンドープのAlGaN層の各不純物の濃度に関しては、例えば、SIMS分析の結果、Mgが1×1017cm-3、Hが1×1018cm-3、Siが2×1017cm-3、Cが7×1016cm-3、Oが7×1016cm-3であったが、これらの数値に限定するものではない。アンドープのAlGaN層の各不純物の濃度は、Mgが5×1017cm-3以下、Hが2×1018cm-3以下、Siが5×1017cm-3以下、Cが3×1017cm-3以下、Oが3×1017cm-3以下であるのが好ましい。
紫外線発光素子10は、第3のAlGaN層として、アンドープのAlGaN層を採用した場合、第3のAlGaN層として、Siが5×1017cm-3よりも高濃度にドーピングされたSiドープのAlGaN層を採用した場合に比べて、長寿命化を図ることが可能となる。この点については、紫外線発光素子10に50mAの直流電流を流して通電試験を実施し、発光強度の経時変化を測定することにより確認された。紫外線発光素子10は、第3のAlGaN層がSiドープのAlGaN層の場合、キャップ層5のSiと、電子障壁層6側からキャップ層5に拡散してきたMgと、が、キャップ層5におけるドナー−アクセプタ対発光(donor-acceptor pair emission)に寄与しやすくなることが原因であると推考される。
図4は、紫外線発光素子10の変形例の紫外線発光素子10bの概略断面図を示している。紫外線発光素子10bは、発光層4及び電子障壁層6それぞれの構成が、紫外線発光素子10と相違する。なお、紫外線発光素子10bについては、紫外線発光素子10と同様の構成要素に同一の符号を付して説明を適宜省略する。
紫外線発光素子10bにおける発光層4は、障壁層41及び井戸層42それぞれの数を4つずつとしてある。
紫外線発光素子10bにおける電子障壁層6は、第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62とが、発光層4の厚さ方向において交互に並んでいる。これにより、紫外線発光素子10bは、発光効率の向上を図ることが可能となる。これは、電子障壁層6の、電子をブロックする機能を向上させることが可能となり、発光層4への電子の注入効率の向上を図れるためであると推考される。「第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62とが、発光層4の厚さ方向において交互に並んでいる」とは、少なくとも1つのp型AlGaN層61と少なくとも1つの第2のp型AlGaN層62とを有することを意味し、例えば、第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62と第1のp型AlGaN層62との3つだけが並んだ構成も含む概念である。
電子障壁層6は、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62それぞれを少なくとも2つ、備えるのが好ましい。紫外線発光素子10bは、電子障壁層6を、第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62とが、発光層4の厚さ方向において交互に並んでいる多重電子障壁層とすることによって、発光効率を、より向上させることが可能となる。紫外線発光素子10bは、電子障壁層6における第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層の数を2つずつとしてあるが、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層それぞれの数を特に限定するものではない。紫外線発光素子10bは、第1のp型AlGaN層61の数と第2のp型AlGaN層の数とを同じとしてあるが、異なっていてもよい。
電子障壁層6は、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62が2つずつであり、2つの第1のp型AlGaN層61の厚さの合計が、7nm以上24nm以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10bは、発光効率の向上を図ることが可能となる。下記の表1には、電子障壁層6における第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62の各厚さの組み合わせを種々変化させた場合の、発光効率を記載してある。表1では、キャップ層5に1番近い第1のp型AlGaN層61を「第1層」、キャップ層5に2番目に近い第2のp型AlGaN層62を「第2層」、キャップ層5に3番目に近い第1のp型AlGaN層61を「第3層」、キャップ層5に4番目に近い第2のp型AlGaN層62を「第4層」としてそれぞれの厚さを記載してある。また、表1では、第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62と第1のp型AlGaN層61との積層構造における2つの第1のp型AlGaN層61の平均の厚さを第2のp型AlGaN層62の厚さで除した値を「厚さ比」として記載してある。また、表1では、第2層の厚さが0の場合の発光効率を基準として求めた相対的な発光効率を「相対発光効率」として記載してある。また、表1では、第2層の厚さが0の場合の寿命を基準として求めた相対的な寿命を「相対寿命」として記載してある。ここで、「寿命」は、温度を120℃、通電電流を20mAとした高温通電試験(加速試験)を行ったときに、光出力が初期値から初期値の70%の値に低下するまでの時間とした。光出力は、積分球及び分光器を利用して測定した値である。
Figure 0006472093
電子障壁層6は、第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62と第1のp型AlGaN層61との積層構造を有し、2つの第1のp型AlGaN層61の平均の厚さを第2のp型AlGaN層62の厚さで除した値(表1における「厚さ比」)が、1.75より大きく14より小さいのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10bは、発光効率の向上を図ることが可能となる。これは、量子力学的な効果により、障壁層41の障壁高さ以上の高いエネルギを持つ電子のオーバーフローを抑制し、発光効率を向上させることができるものと推考される。厚さ比が1.75以下の場合には、量子力学的な効果が得られにくく、電子のオーバーフローを抑制する効果が低下するものと推考される。また、厚さ比が14よりも大きい場合には、量子力学的な効果が得られにくく、更には正孔の注入性も低下するものと推考される。
図5は、表1の結果から、第1層(キャップ層5に最も近い第1のp型AlGaN層61)の厚さと相対発光効率との関係をまとめたグラフである。また、図6は、表1の結果から、第1層の厚さと相対寿命との関係をまとめたグラフである。
また、電子障壁層6は、第1のp型AlGaN層61と第2のp型AlGaN層62と第1のp型AlGaN層61との積層構造を有し、キャップ層5に最も近い第1のp型AlGaN層61の厚さが、他の第1のp型AlGaN層61の厚さよりも大きく、かつ、7nm以上12nm以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10bは、発光効率の向上を図り、かつ、信頼性の向上を図ることが可能となる。
図6において第1層の厚さが6nm未満の場合に相対寿命が比較的大きく低下しているのは、キャップ層5に最も近い第1のp型AlGaN層61が、発光層4からオーバーフローした電子によりダメージを受けて欠陥を生じやすいためであると推考される。よって、紫外線発光素子10bは、信頼性を向上させる観点から、キャップ層5に最も近い第1のp型AlGaN層61の厚さが、6nm以上であるのが好ましく、7nm以上であるのがより好ましい。
なお、紫外線発光素子10bでは、キャップ層5に最も近い第1のp型AlGaN層61の厚さが6nmでも、発光効率の向上を図り、かつ、信頼性の向上を図ることが可能となる場合もある。また、紫外線発光素子10bでは、キャップ層5に最も近い第1のp型AlGaN層61の厚さが13nmでも、発光効率の向上を図り、かつ、信頼性の向上を図ることが可能となる場合もある。
紫外線発光素子10及び10bは、紫外線発光ダイオードに限らず、紫外線レーザダイオードでもよい。
紫外線発光素子10及び10bは、例えば、電気機器の構成要素として用いることができる。該電気機器は、紫外線発光素子10又は10bと、機器本体と、を備えているので、発光効率の向上を図ることが可能となる。
電気機器の一例としては、例えば、図7に示すような電気掃除機100を挙げることができる。電気掃除機100は、掃除機本体(機器本体)101と、掃除機本体101に設けた吸入口に接続されるホース102と、ホース102の先端に設けられた接続パイプ103と、接続パイプ103の先端に設けられた吸込具104と、を備える。吸込具104は、塵埃を吸引する開口部を有する。吸込具104は、ブラシを備えていてもよい。掃除機本体101には、塵埃を含む空気を吸引するための電動送風機、塵埃を集塵する集塵容器106が内蔵されている。電気掃除機100は、複数の紫外線発光素子10を1つのパッケージ110に収納した2つの紫外線発光装置120を備え、一方の紫外線発光装置120が、吸込具104に内蔵され、他方の紫外線発光装置120が掃除機本体101に内蔵されている。吸込具104に内蔵された紫外線発光装置120は、吸込具104の開口部へ紫外線を放射するように配置されている。これにより、電気掃除機100は、殺菌しながら掃除を行うことが可能となる。掃除機本体101に内蔵された紫外線発光装置120は、集塵容器106内へ紫外線を放射するように配置されている。これにより、電気掃除機100は、集塵容器106の殺菌と、集塵容器106内を通る空気の殺菌と、を行うことが可能となる。電気掃除機100は、2つの紫外線発光装置120のうちの一方のみを備えた構成でもよい。また、紫外線発光装置120の数は、2つに限定されない。
また、電気機器の他の例としては、例えば、図8に示すような冷蔵庫200を挙げることができる。冷蔵庫200は、冷蔵庫本体201と、冷却器202と、冷蔵庫本体201の3つの開口部を開閉する3つの扉203、204、205と、冷蔵庫本体201内に収納された野菜収納容器210と、を備える。冷蔵庫200は、複数の紫外線発光素子10を1つのパッケージ110に収納した複数の紫外線発光装置120を備える。複数の紫外線発光装置120は、野菜収納容器210内へ紫外線を放射するように配置されている。これにより、冷蔵庫200は、野菜に付着するカビや菌の増殖を抑制することが可能となる。冷蔵庫200は、紫外線発光装置120が冷蔵庫本体201内の適宜の空間へ紫外線を放射できるように配置されていれば、食品に付着するカビや菌の増殖を抑制することが可能となる。
上述の実施形態等において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態等に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

Claims (23)

  1. サファイア基板と、n型AlGaN層と、発光層と、キャップ層と、電子障壁層と、p型GaN層からなるp型コンタクト層と、を備え、
    前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、
    前記多重量子井戸構造は、各々が第1のAlGaN層からなる複数の障壁層と、各々が第2のAlGaN層からなる複数の井戸層と、を備え、
    前記電子障壁層は、前記障壁層よりもAlの組成比が大きい第1のp型AlGaN層と、前記複数の井戸層よりもAlの組成比が大きく且つ前記第1のp型AlGaN層よりもAlの組成比の小さい第2のp型AlGaN層と、を備え、
    前記第1のp型AlGaN層及び前記第2のp型AlGaN層は、Mgを含有させてあり、
    前記キャップ層は、前記多重量子井戸構造における前記複数の井戸層のうち前記第1のp型AlGaN層に最も近い井戸層と、前記第1のp型AlGaN層と、の間に介在し、
    前記キャップ層は、前記複数の井戸層よりもAlの組成比が大きく且つ前記第1のp型AlGaN層よりもAlの組成比が小さい第3のAlGaN層であり、
    前記キャップ層の厚さは、1nm以上7nm以下であり、
    前記n型AlGaN層と前記発光層と前記キャップ層と前記電子障壁層と前記p型コンタクト層とを備える多層構造は、前記サファイア基板側から、前記n型AlGaN層、前記発光層、前記キャップ層、前記電子障壁層、前記p型コンタクト層の順に並んでおり、
    前記サファイア基板と前記n型AlGaN層との間に介在するバッファ層を備え、前記バッファ層は、Al x Ga 1-x N層(0<x≦1)により構成されている、
    ことを特徴とする紫外線発光素子。
  2. 前記第3のAlGaN層は、アンドープのAlGaN層である、
    ことを特徴とする請求項1記載の紫外線発光素子。
  3. 前記電子障壁層は、前記第1のp型AlGaN層と前記第2のp型AlGaN層とが、前記発光層の厚さ方向において交互に並んでいる、
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の紫外線発光素子。
  4. 前記電子障壁層は、前記第1のp型AlGaN層及び前記第2のp型AlGaN層それぞれを少なくとも2つ、備える、
    ことを特徴とする請求項3記載の紫外線発光素子。
  5. 前記電子障壁層は、前記第1のp型AlGaN層及び前記第2のp型AlGaN層が2つずつであり、2つの前記第1のp型AlGaN層の厚さの合計が、7nm以上24nm以下である、
    ことを特徴とする請求項4記載の紫外線発光素子。
  6. 前記電子障壁層は、前記第1のp型AlGaN層と前記第2のp型AlGaN層と前記第1のp型AlGaN層との積層構造を有し、2つの前記第1のp型AlGaN層の平均の厚さを前記第2のp型AlGaN層の厚さで除した値が、1.75より大きく14より小さい、
    ことを特徴とする請求項3乃至5のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  7. 前記電子障壁層は、前記第1のp型AlGaN層と前記第2のp型AlGaN層と前記第1のp型AlGaN層との積層構造を有し、前記キャップ層に最も近い前記第1のp型AlGaN層の厚さが、他の前記第1のp型AlGaN層の厚さよりも大きく、かつ、7nm以上12nm以下である、
    ことを特徴とする請求項3乃至6のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  8. 記AlxGa1-xN層(0<x≦1)の(10−12)面に対するX線回折のωスキャンによるX線ロッキングカーブの半値幅が400arcsec以下である、
    ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  9. 前記バッファ層のバンドギャップエネルギが前記複数の井戸層のバンドギャップエネルギよりも大きい、
    ことを特徴とする請求項記載の紫外線発光素子。
  10. 前記バッファ層は、AlN層である、
    ことを特徴とする請求項又は9記載の紫外線発光素子。
  11. 前記バッファ層の厚さは、3μm以上6μm以下である、
    ことを特徴とする請求項乃至10のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  12. 前記バッファ層の内部に空隙が存在する、
    ことを特徴とする請求項11記載の紫外線発光素子。
  13. 前記空隙は、前記バッファ層の厚さ方向において前記サファイア基板と前記バッファ層との界面から2μmまでの範囲に存在する、
    ことを特徴とする請求項12記載の紫外線発光素子。
  14. 前記n型AlGaN層のAlの組成比が0.50以上0.70以下である、
    ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  15. 前記n型AlGaN層のドナー不純物がSiであり、前記n型AlGaN層のSiのドーピング濃度が5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である、
    ことを特徴とする請求項14記載の紫外線発光素子。
  16. 前記n型AlGaN層の厚さは、1μm以上3μm以下である、
    ことを特徴とする請求項14又は15記載の紫外線発光素子。
  17. 前記障壁層の厚さは、2nm以上20nm以下である、
    ことを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  18. 前記障壁層は、Siがドーピングされており、Siの濃度が、5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下である、
    ことを特徴とする請求項17記載の紫外線発光素子。
  19. 前記複数の井戸層の厚さは、0.5nm以上3nm以下である、
    ことを特徴とする請求項1乃至18のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  20. 前記p型コンタクト層の厚さは、10nm以上500nm以下である、
    ことを特徴とする請求項1乃至19のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  21. 前記p型コンタクト層のアクセプタ不純物がMgであり、前記p型コンタクト層のMgのドーピング濃度が1×1020cm-3以上5×1020cm-3以下である、
    ことを特徴とする請求項20記載の紫外線発光素子。
  22. 前記複数の井戸層の発光ピーク波長が260nm〜285nmの紫外波長域にある、
    ことを特徴とする請求項1乃至21のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  23. 請求項1乃至22のいずれか一項に記載の紫外線発光素子と、機器本体と、を備える、
    ことを特徴とする電気機器。
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