JP6475928B2 - 電子線励起型発光エピタキシャル基板及びその製造方法、並びに電子線励起型発光装置 - Google Patents
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Description
そこで、本発明の目的は、発光強度の向上を可能にする電子線励起型発光エピタキシャル基板及びその製造方法、並びに電子線励起型発光装置を提供することにある。
(1)基板と、該基板上に設けられた多重量子井戸構造を有する発光層と、該発光層上に設けられた金属層とを備え、前記発光層の井戸層のバンドギャップが、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に増加することを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板。
以下、図面を参照して本発明について詳しく説明する。図1は、本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を示す図である。この図における電子線励起型発光エピタキシャル基板3は、基板11上に設けられた多重量子井戸構造をもつ発光層33と、該発光層33上に設けられた金属層13とを備える。基板11と発光層33との間に、発光層33の結晶性を向上させるための層としてIII族窒化物半導体層14を更に備える形態とするのも好ましい形態である。
本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法は、上述した本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を製造する方法であって、基板11上にドーパントを含むAlGaN材料からなる発光層33を成長させた後、該発光層上に金属層を形成する。ここで、発光層33における発光領域(井戸層31)のAl組成を、金属層13側から基板11側に向かって発光層33の厚さ方向に増加させることが肝要である。これにより、発光層である発光層33において発生した紫外線が、発光層33自身により吸収されるのを抑制して、光取り出し効率を向上させて、放射される紫外線の発光強度を向上させることができる。
本発明に係る電子線励起型発光装置は、上述の本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板と、該電子線励起型発光エピタキシャル基板の金属層の表面に電子線を照射する電子線源とを備える。このような構成とすることにより、発光層33において発生した光を発光層33自身によって吸収されるのを抑制することができ、発光強度を向上させることができる。
(発明例)
以下、本発明の実施例について説明する。
サファイア基板(直径:2インチ、厚さ:430μm)上に、MOCVD法を用いてAlN単結晶層(厚さ:600nm)を成長させて、窒化物半導体成長用基板としてAlN(0001)テンプレート基板を作製した。AlN層の(10−12)面のX線ロッキングカーブの半値幅は315秒であった。
次に、得られたAlN(0001)テンプレート基板上に、AlNからなる障壁層(厚さ:3nm)を一層成長させた後、AlxGa1-xNからなる井戸層(厚さ:3nm)及びAlNからなる障壁層(厚さ:3nm)を100組エピタキシャル成長させて、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させた。その際、井戸層のAl組成(x)を、表1に示すように基板側に向かって階段状に増加するように調整し、また、同一のAl組成を有する井戸層の数(組数)が、基板側に向かって発光層の厚さ方向に減少するようにした。さらに、井戸層にシリコンをドープした。井戸層におけるドープしたシリコンの濃度を2次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry、SIMS)により測定したところ、約6×1017/cm3であった。
その後、多重量子井戸構造を有する発光層上に、電子ビーム蒸着法により金属層としてアルミニウム(厚さ:50nm)を形成して、発明例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。
発明例と同様に、比較例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。ただし、表2に示すように、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させる際に、全ての井戸層のAl組成(x)を0.54とした。それ以外の条件は、発明例と全て同じである。
発明例と同様に、比較例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。ただし、表3に示すように、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させる際に、井戸層のAl組成(x)を表1に示すように、基板側に向かって減少するように調整し、また、同一のAl組成を有する井戸層の数(組数)が基板側に向かって発光層の厚さ方向に増加するようにした。それ以外の条件は、発明例と全て同じである。
発明例と同様に、比較例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。ただし、表4に示すように、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させる際に、全ての井戸層のAl組成(x)を0.69とした。それ以外の条件は、発明例と全て同じである。
AlN層の(10−12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が1161秒(4−1)と508秒(4−2)の二種類のAlNテンプレート基板を用いたこと以外、発明例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。
内部に電子線源としての電子銃(Kimball Physics社製、型番:EMG−4212)が設けられたチャンバ−内において、上述のようにして得られた発明例及び比較例1〜3に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板試料を、その金属層と電子線源とが対向するように配置し、チャンバ−内を排気して真空状態とした(圧力:1.5〜4.5×10-5Pa)。次に、電子線を照射する金属層を電流計を介して接地し、電子銃から電子線を照射して、発光層を発光させた。その際、電子の加速電圧は、発明例及び比較例1及び4については4.5kV、比較例2及び3については4.0kVとし、試料への照射電流の値を変化させながら、サファイア基板の光取り出し面側(裏面)に対して、垂直方向に設けられたコサインコレクタを介して、励起された紫外線の発光スペクトルを、分光器(Ocean Optics社製 USB2000+、波長:180nm〜850nm)を用いて測定し、これにより紫外線の波長と発光強度を測定した。なお、分光評価システムは、重水素標準ランプを光源として分光感度校正を施している。発明例及び比較例1〜3に対する、照射電流と発光強度との関係を図3〜6にそれぞれ示す。なお、図3〜6における相対効率とは、発光強度を投入電力(加速電圧×照射電流)で割った値であり、投入したエネルギーに対する発光効率を表している。紫外線の発光ピーク波長は、発明例、比較例1、比較例(4−1)ならびに比較例(4−2)では252nmであり、比較例2および比較例3では240nmであった。
図3と図4との比較から、多重量子井戸構造における井戸層のAl組成を金属層側から基板側に向かって増加させた発明例においては、全ての井戸層が同一のAl組成を有する比較例1に対して、発光強度が2倍以上に増加していることが分かる。また、図5と図6との比較から、多重量子井戸構造における井戸層のAl組成を金属層側から基板側に向かって減少させた比較例2においては、全ての井戸層が同一のAl組成を有する比較例3よりも、発光強度は大きく減少していることが分かる。このように、本発明により、紫外線の発光強度を大きく向上できることが分かる。
また、比較例1〜3については、照射電流と発光強度のリニアリティが維持されているのは、照射電流が50μA程度までであるのに対して、発明例については100μA程度までリニアリティが維持されており、照射電流と発光強度のリニアリティが改善されていることが分かる。
また、比較例1〜4((4−1)、(4−2))と発明例との比較を表5に示すが、AlNテンプレートのAlN層(10−12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が1000秒を超えた場合(比較例4−1)、転位の影響で発光強度が発明例に比べ一桁以上低下してしまうことが分かる。また、AlNテンプレートのAlN層(10−12)面の半値幅が508秒の場合(比較例4−2)、発明例の半値幅よりも大きいものの、比較例4−1よりも刃状転位密度が低いため、発光強度の低下割合は改善されていることが分かる。すなわち、AlN層の(10−12)面の半値幅は500秒以下であることが好ましいことが分かる。
11 基板
13 金属層
14 III族窒化物半導体層層
21 テンプレート基板
31 井戸層
32 障壁層
33 多重量子井戸構造
Claims (8)
- 基板と、
該基板上に設けられた多重量子井戸構造を有する発光層と、
該発光層上に設けられた金属層と、
を備え、
前記発光層の井戸層のバンドギャップが、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に階段状に増加し、同一のバンドギャップを有する前記井戸層の数が、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に減少することを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板。 - 前記金属層は電子線源の陽極と反射層とチャージアップ防止層を兼ねるものであり、前記発光層上に接して設けられる請求項1に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
- 前記井戸層は、ドーパントを含むAlxGa1-xN(0<x<1)からなる、請求項1または2に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
- 前記ドーパントはSiである、請求項3に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
- 前記基板と前記発光層の間に、前記井戸層よりもバンドギャップの大きなIII族窒化物半導体層を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
- 前記III族窒化物半導体層または前記基板の、前記発光層と接する表面の(10−12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が500秒以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
- 請求項1〜6に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板と、
前記電子線励起型発光エピタキシャル基板の金属層に電子線を照射する電子線源と、を備える電子線励起型発光装置。 - 基板上に多重量子井戸構造を有する発光層をエピタキシャル成長させた後、該発光層上に金属層を形成し、前記発光層における井戸層のバンドギャップを、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に階段状に増加させ、同一のバンドギャップを有する前記井戸層の数を、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に減少させることを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法。
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