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

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 Download PDF

Info

Publication number
JP6475928B2
JP6475928B2 JP2014136069A JP2014136069A JP6475928B2 JP 6475928 B2 JP6475928 B2 JP 6475928B2 JP 2014136069 A JP2014136069 A JP 2014136069A JP 2014136069 A JP2014136069 A JP 2014136069A JP 6475928 B2 JP6475928 B2 JP 6475928B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light emitting
layer
electron beam
substrate
emitting layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014136069A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2016015379A (ja
Inventor
鳥羽 隆一
隆一 鳥羽
雅年 岩田
雅年 岩田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dowa Holdings Co Ltd
Original Assignee
Dowa Holdings Co Ltd
Dowa Mining Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dowa Holdings Co Ltd, Dowa Mining Co Ltd filed Critical Dowa Holdings Co Ltd
Priority to JP2014136069A priority Critical patent/JP6475928B2/ja
Publication of JP2016015379A publication Critical patent/JP2016015379A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6475928B2 publication Critical patent/JP6475928B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)

Description

本発明は、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に関し、特に、発光出力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に関するものである。
従来、紫外線は、感光性を有する樹脂の硬化や、物質の検出や組成分析等のセンシング、水や物質表面の殺菌や消毒といった様々な用途に使用されている。このような紫外線を発光する素子の1つに、電子線励起型発光エピタキシャル基板の発光層に電子線を照射して電子・正孔対を形成し、電子と正孔を再結合させることにより紫外線を放射させる電子線励起型の電子線励起型発光装置がある。
これまで、上記した電子線励起型発光装置から放射される紫外線の発生効率を向上させる幾つかの技術が提案されている。例えば、特許文献1には、発光層であるIn、Al、Ga及びNからなる量子井戸または多重量子井戸をそれらよりバンドギャップの大きいクラッド層で挟み、これらクラッド層の少なくとも一方のバンドギャップを井戸層から離れるに従って大きくすることにより、形成された電子・正孔対を井戸層に有効に移動させて発光効率を向上させる技術が記載されている。
また、特許文献2には、発光層であるAl、Ga及びNを含む発光層に不純物をドープしてキャリアを形成し、発光層の導電性を向上させることにより、紫外線の発生効率を向上させる技術について記載されている。
特開平10−321955号公報 特開2011−178928号公報
上記した特許文献2に記載された技術により、紫外線の発生効率を大きく向上させて発光強度を高めることができる。しかし、発光強度の更なる向上が望まれており、それを可能にする技術の確立が希求されていた。
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。
本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。上述のように、電子線が発光させるための励起源である電子線励起型発光エピタキシャル基板を用いた電子線励起型の発光装置では、発光層に電子線を照射すると、発光層内に電子・正孔対が形成され、形成された電子・正孔対が再結合することにより紫外線が放射される。ここで、発光層が多重量子井戸構造である場合、井戸層と障壁層のうち、井戸層が紫外線の発光領域となる。
ここで、図2に示すように、電子線の加速電圧を上げると、発光層の厚さ方向への電子線の平均侵入深さが深くなり、電子・正孔対の密度はより深い位置で最大となる。発光層を突き抜ける電子が多いと、意図しない基板発光の発生や発光効率の低下に繋がることから、発光層の厚みに対して電子線が発光層を突き抜けない加速電圧条件とすることが好ましいが、そのような条件においては、発光層内における電子・正孔対の密度は、電子線が照射された側の領域で高く、光取り出し面側の領域で低くなる。つまり、通常、電子線が照射された側の領域での発光強度は高く、照射された側の領域から最も離れた光取り出し面側の領域での発光強度は低くなる。
本発明者らは、紫外線の発光強度を高める方途を検討する中で、発光層の電子線が照射された側の領域で発生した、発光強度の高い紫外線が光取り出し面側に向かう過程で、その一部が発光層自身によって吸収されて、光取り出し効率が低下しているのではないかと考えた。すなわち、従来の電子線励起型の電子線励起型発光装置では、発光層における発光領域のバンドギャップは層内で一定にされている。そのため、電子線が照射された側の領域で発生した紫外線は、この紫外線と同一のバンドギャップを有する発光層内を通過して光取り出し面に向かうことになる。従って、発光層内を通過する紫外線は、光取り出し面に到達する前に、その一部が発光層自身によって吸収され得る。そこで、本発明者らは、電子線励起により発生した紫外線が発光層自身によって吸収されるのを抑制する方途について鋭意検討した結果、発光層の発光領域の井戸層のバンドギャップを、電子線励起側から光取り出し面側に向かって増加させることが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(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。
(2)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前記(1)に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
(3)前記井戸層は、ドーパントを含むAlxGa1-xN(0<x<1)からなる、前記(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。
(4)前記ドーパントはSiである(3)に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
(5)前記多重量子井戸構造において、前記井戸層のバンドギャップは前記金属層側から前記基板側に向かって階段状に増加し、同一のバンドギャップを有する前記井戸層の数は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、前記(3)に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
(6)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、前記(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。
(7)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、前記(6)に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
(8)前記(1)〜(7)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。
(9)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増加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。
本発明によれば、発光層の発光領域の井戸層のバンドギャップを、電子線励起側から光取り出し面側に向かって増加させるようにしたため、発光層において発生した光を発光層自身によって吸収されるのを抑制して光取り出し効率を高めることができ、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エピタキシャル基板を示す図である。 加速電圧を変えた場合の深さ方向のエネルギー密度の例を示す図である。 発明例に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。 比較例1に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。 比較例2に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。 比較例3に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。
(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。
ここで、発光層33における井戸層31のバンドギャップが、金属層13側から基板11側に向かって発光層33の厚さ方向に増加することが肝要である。基板11側から金属層13側に向かって発光層33の厚さ方向に減少すると言い換えても良い。発光層33中の井戸層31のバンドギャップが、電子線が照射された側(すなわち、金属層13側)の領域から光取り出し面側(すなわち、基板11側)に向かって増加することにより、電子線が照射された側の井戸層31において発生した光が、光取り出し面側の井戸層31によって吸収されるのを抑制して光取り出し効率を高めることができ、ひいては発光強度を向上させることができるのである。以下、電子線励起型発光エピタキシャル基板における各構成について説明する。
まず、基板11およびIII族窒化物半導体層14は、発光層33及び金属層13を支持するとともに、発光層33において発生した紫外線を透過させる。基板11の裏側の面は光取り出し面として機能する。
この基板11としては、発光層33において発生した紫外線の波長に対して、透過特性が良好なものであれば特に限定されない。例えば、サファイア基板や窒化アルミニウム(AlN)基板、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板、等を用いることができるが、サファイア基板を用いることがコスト面では特に好ましい。サファイア基板は対候性が高くて割れにくく、短波長の紫外域まで高い透過率を有するため、そのまま紫外光源の光取り出し部として使用しやすい。
基板11の厚さは、十分に大きいことが好ましく、具体的には100μm以上2000μm以下とすることが好ましい。より好ましくは、400μm以上1400μm以下である。なお、基板11としてサファイア基板を用いる場合、現在市販されているものの標準的な厚さは、2インチ径のもので430μm、4インチ径のもので650μm、6インチ径のもので1000μmまたは1300μmである。
こうした基板11の光取り出し面である裏側の面に、凹凸を設けることが好ましい。これにより、光取り出し面に到達した紫外線の光取り出し効率をさらに向上させることができる。ここで、凹凸パターンにおける凸部の形状や大きさ等は、光取り出し効率を向上させるものであれば特に限定されない。例えば、凸部を2〜5μm径の半球状・円錐状・多角錐状とすることができる。こうした凹凸は、ドライエッチングより形成することができる。
基板11がサファイア基板のように発光層33とは異種の材料の基板である場合、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、かつ、発光層33において発生した紫外線を透過するIII族窒化物半導体層14を介していることが好ましい。すなわち、発光層33の井戸層31よりもバンドギャップの大きくなるIII族窒化物半導体層14であることが好ましい。たとえば、井戸層31よりも高いAl組成をもつIII族窒化物半導体層14であり、最も好ましくはAlNである。この場合、サファイア基板上にAlN層を有するAlNテンプレート基板のようにIII族窒化物半導体層14を予め備えるテンプレート基板21を用いても良いし、サファイア基板上にIII族窒化物半導体層14をエピタキシャル成長後に、発光層33を成長しても良い。なお、基板11が窒化アルミニウム(AlN)基板や窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板のように、発光層33と同種の材料の基板である場合は、III族窒化物半導体層14は省略することもできる。
特に、発光層33をエピタキシャル成長させる表面が、面刃状転位の密度が低減された、X線回折による(10−12)面の半値幅(Full Width Half Maximum,FWHM)が500秒以下である前記の同種の材料の基板11またはテンプレート基板21を用いることが好ましい。これにより、発光層33内の発光効率に悪影響を及ぼす転位が抑えられ、紫外線の発光強度を大きく向上させることができる。本発明の実施例と比較例に用いたAlN(0001)テンプレート基板は、高温熱処理を施した高品位品(DOWAエレクトロニクス社製)であって、AlN表面のX線回折による(10−12)面)の半値幅が250〜350秒のテンプレート基板を使用しているが、例えば比較例3と同一条件下において、半値幅が1161秒のテンプレート基板を使用した場合には比較例3に対し、発光強度が1/5に低下する。また、(10−12)の半値幅が508秒のテンプレート基板を用い、実施例と同一条件で作成した試料では、発光強度が実施例の約2/3となる。
次に、発光層33について説明する。発光層33は、紫外線を放射する機能を有し、井戸層31と、該井戸層31よりも大きなバンドギャップを有する障壁層32とからなる多重量子井戸構造33を有する。これにより、電子線励起により形成された電子・正孔対をバンドギャップのより小さな井戸層31に閉じ込めて、紫外線を効率よく発生させることができる。井戸層31は、ドーパントを含むAlGaN材料で構成されていることが好ましい。ここで、「AlGaN材料」とは、アルミニウム、ガリウム及び窒素からなる材料であって、式AlxGa1-xN(0<x<1)で表される材料を意味する。なお、AlGaN材料は、結晶性向上のためにIn(インジウム)をIII族の組成に対し5%以下含んでいても良く、この場合はAlxInyGa1-x-yN(0<x<1、0≦y≦0.05)となり、Al組成だけでなくIn組成を含めてバンドギャップを計算する必要がある。
また、ドーパントとしては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、カドミウム、炭素、シリコン、ゲルマニウム、及び酸素の少なくとも1種とすることができる。中でも扱いやすいことから、ドーパントとしてシリコンを用いることが好ましい。
ドーパントの濃度は、1×1017atoms/cm3以上1.2×1018atoms/cm3以下とすることが好ましい。これにより、発光層33における発光効率を向上させることができる。
本発明においては、発光層33における井戸層31のバンドギャップ(AlxGa1-xN(0<x<1)の場合はAl組成x)が、金属層13側から基板11側に向かって発光層の厚さ方向に増加することが肝要である。これにより、発光層である発光層のバンドギャップが電子線励起側の領域から光取り出し面側の領域に向かって増加することになり、井戸層31において発生した紫外線が光取り出し面に向かう際に、井戸層31自身による吸収が抑制される。その結果、紫外線の光取り出し効率が向上して発光強度が向上するのである。
なお、本発明において、「バンドギャップが金属層側から基板側に向かって発光層の厚み方向に増加する」とは、常に増加する様態に限定されず、一定範囲は金属層側から基板側に向かってバンドギャップが変動せずに維持されている状態を含み、たとえば、階段の上り口や踊り場を含めるような階段状の様態を含む。ここで、バンドギャップの増加の態様は何ら限定されず、金属層13側から基板11側に向かって、直線状や曲線状、あるいは階段状等に増加させることができる。バンドギャップは、井戸層が式AlxGa1-xN(0<x<1)で表される材料の場合はAl組成(x)と置き換えても良い。金属層側から基板側までを合計した増加量としては、Al組成(x)で0.05に相当するバンドギャップ以上の増加量があることが好ましい。
なお、上記したバンドギャップ(Al組成)に関する要件は、発光層33の発光に寄与する井戸層31に対して課されればよく、障壁層32に対して課す必要はない。
発光層33において発生する紫外線の波長は、井戸層31を構成するバンドギャップ、例えばAlGaN材料(式AlxGa1-xN)のAl組成(x)により決定され、Al組成を変更することにより、発生する紫外線の波長を所望の値に調整することができる。ここで、AlGaN材料を構成するAlN及びGaNのバンドギャップはそれぞれ約6.2eV、約3.4eVであるため、Al組成を変更することにより、AlGaN材料のバンドギャップを約6.2eVと約3.4eVとの間で調整することができる。
なお、バンドギャップ約6.2eV、約3.4eVに対応する光の波長は、それぞれ約210nm、約365nmであるため、AlGaN材料のAl組成を変更することにより、発生する紫外線の波長を約210nmと約365nmとの間で調整することができる。
上述のように、電子線励起により形成される電子・正孔対の密度は、発光層33における電子線が照射された側の領域で高いため、光取り出し面から放射される紫外線のピーク波長は、上記した電子線が照射された側の領域で発生した紫外線の波長に影響されることになる。そこで、発光層33の電子線が照射された側の領域の組成を紫外線の所望の波長となるようにこの領域の井戸層31のAl組成を設定する。
また、図2に示すエネルギー密度、すなわち電子・正孔対の密度が最大となるところを、Al組成が同じ井戸層の数が最大となる領域に含まれるようにすることで、その領域の発光を紫外線の主波長とし、井戸層31のAl組成の増加は、その領域よりも光取り出し面側(基板11側)において行うことがより好ましい。上述のように、電子線励起により形成される電子・正孔対の密度は、電子線が照射された側の領域で高いため、その発光層33と金属層13との界面位置の近傍に、Al組成が同じ井戸層の数が最大となる領域を備えるのが好ましくなる。Al組成を増加させる領域も電子線が届けば発光する発光層の一部であるが、図2に示すエネルギー密度、すなわち電子・正孔対の密度が相対的に低い光取り出し面側(基板11側)の領域に、Al組成を増加させる領域を合わせるように設計することにより、電子線の電圧や電流の変化による波長の変化量を制御し、実用的な電子線の照射条件において高い発光効率となる最適なAl組成の増加パターンを導き出すことができる。
そのためには、例えば、井戸層31のAl組成(x)は、金属層側から基板側に向かって階段状に増加し、同一のAl組成を有する井戸層31の数は金属層側から基板側に向かって発光層の厚さ方向に減少することが好ましい。電子・正孔対の密度が高い領域に、Al組成が同じ井戸層の数が最大となる領域を備えると同時に、異種材料である基板からの応力に対して発光層の結晶性を向上させるような歪緩和の効果も得ることができるためである。
井戸層31を挟む障壁層32は、井戸層31よりも大きなバンドギャップ(すなわち、高いAl組成)を有しているため、井戸層31において発光した光を吸収せず、発生した紫外光の取り出しに悪影響を与えない。また、図1に示すように、発光層の両端は障壁層32であることが好ましいく、金属層と接するのは障壁層32であることが好ましい。なお、金属層と直接接する障壁層32は、他の障壁層とは厚さなどの条件を変えても良い。
ここで、井戸層31のAl組成は、上述のように、発光される紫外線の波長が所望のピーク波長を有するように設定すればよい。また、障壁層32のAl組成は、障壁層32のバンドギャップが井戸層31のバンドギャップよりも大きくなるように設定される。
ここで、井戸層31の厚みは、2nm以上4nm以下とする。ここで、2nm未満の場合には、井戸層31が薄いため、電子線による十分な励起ができなくなるためである。一方、4nmを超えると、いわゆる量子シュタルク効果により、電子と正孔の空間的な分離が生じ、発光効率が低下するためである。好ましくは、2.5nm以上3.5nm以下である。
また、障壁層32の厚みは、1nm以上9nm以下とする。ここで、1nm未満の場合には、障壁層32が障壁層として機能せず、電子の閉じ込めが不十分となり、発光効率が低下するためである。一方、9nmを超えると、電子線により励起された電子が、井戸層31で発光再結合をする前に欠陥にトラップされ、非発光再結合をしてしまうためである。好ましくは、2nm以上6nm以下である。
このような発光層33上に形成される金属層13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るが、メタルバックとも呼ばれることもある。接地させて電子線源(陰極、図示せず)に対する陽極として機能するとともに、照射された電子線を透過させて発光層33に入射させる。さらに、照射された電子線により発光層33に電荷が蓄積されるのを抑制して、発光層33が絶縁破壊するのを防止する。さらにまた、発光層33において発生した光のうち、光取り出し側と反対側(すなわち、金属層13側)に進む光を反射して、光取り出し効率を向上させる。発光ダイオードなどとは異なり、電子線励起型においては電子線が発光層を発光させるため、この金属層が発光層に直接接するように形成される。
この金属層13を構成する材料としては、アルミニウム、ロジウム、モリブデン、タングステン等の、波長350nm以下の波長領域の光に対して高い反射率(例えば、0.7以上)を有する材料を用いることができる。また、金属層13の厚さは、電子線の出力や、発光層33及び金属層13の厚さに依存するが、5nm以上100nm以下とすることが好ましい。この金属層13は、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタ装置を用いて発光層33上に形成することができる。
(電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法)
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。
また、基板として、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体層14を有するテンプレート基板21を用いることできること、ドーパントとしてシリコンを用いるのが好ましいこと、等は既述の通りである。
発光層33、金属層13及びIII族窒化物半導体層14の形成方法は限定されない。例えば、III族窒化物半導体層14及び発光層33は、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition、MOCVD)により成長させることができる。また、金属層13は、電子ビーム蒸着法やスパッタ法等により形成することができる。
MOCVD法により発光層33を成長させる場合、発光層33における発光領域のAl組成の調整は、供給するIII族元素原料ガスのIII族元素濃度全体(すなわち、Al濃度+Ga濃度)に対するAl原料ガスのAl濃度(気相比という)を調整することにより行うことができる。より具体的には、Ga原料ガスの流量を一定にして、Al原料ガスの流量を変更することにより、発光層33における発光領域のAl組成を調整することができる。なお、本発明において「Al組成」とは、単層膜を成長後、単層膜をPL(フォトルミネッセンス)の発光波長により分析してAl組成を算出した値を示す。このAl組成を固相比ともいう。この固相比と気相比とは相関関係があることが知られており、成長時の気相比以外の条件が同じで気相比と固相比との関係が既知であれば、成長時に各々設定した気相比から各々の固相比を算出できる。
(電子線励起型発光装置)
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。
ここで、電子線源としては、各種の熱電子型電子銃やカーボンナノチューブ陰極、カーボンナノウォール、ナノダイヤモンド等の電界放出型の電子源を用いることができる。コンパクト化や低消費電力的な面で、電界放出型の電子線源がより好ましい。
<電子線励起型発光エピタキシャル基板の作製>
(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。
Figure 0006475928
(比較例1)
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。
Figure 0006475928
(比較例2)
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。
Figure 0006475928
(比較例3)
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。
Figure 0006475928
(比較例4)
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。
<紫外線の波長及び発光強度の測定>
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。
<紫外線の発光強度の評価>
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。
Figure 0006475928
本発明による電子線励起型発光エピタキシャル基板は、紫外線を発生する発光層における発光領域のAl組成を、金属層側から基板側に向かって発光層の厚さ方向に増加させるようにしたため、発光層において発生した光を発光層自身によって吸収されるのを抑制して発光強度を向上させることができる。かかる電子線励起型発光エピタキシャル基板は、半導体産業、食品産業などの工業分野や環境浄化分野、医療分野において有用である。
3 電子線励起型発光エピタキシャル基板
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)

  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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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〜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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
JP2014136069A 2014-07-01 2014-07-01 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 Active JP6475928B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014136069A JP6475928B2 (ja) 2014-07-01 2014-07-01 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

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014136069A JP6475928B2 (ja) 2014-07-01 2014-07-01 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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016015379A JP2016015379A (ja) 2016-01-28
JP6475928B2 true JP6475928B2 (ja) 2019-02-27

Family

ID=55231386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014136069A Active JP6475928B2 (ja) 2014-07-01 2014-07-01 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

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6475928B2 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3425684B1 (en) 2016-03-01 2023-11-22 Stanley Electric Co., Ltd. Vertical-type ultraviolet light-emitting diode
JP7000062B2 (ja) * 2017-07-31 2022-01-19 Dowaホールディングス株式会社 Iii族窒化物エピタキシャル基板、電子線励起型発光エピタキシャル基板及びそれらの製造方法、並びに電子線励起型発光装置
JP6857263B1 (ja) * 2020-01-17 2021-04-14 浜松ホトニクス株式会社 発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4106615B2 (ja) * 2002-07-31 2008-06-25 信越半導体株式会社 発光素子及びそれを用いた照明装置
US7883387B2 (en) * 2007-09-11 2011-02-08 Atomic Energy Council-Institute Of Nuclear Energy Research Pulsed high-voltage silicon quantum dot fluorescent lamp
JP5665036B2 (ja) * 2009-03-10 2015-02-04 浜松ホトニクス株式会社 化合物半導体層構造の製造方法
JP5700325B2 (ja) * 2010-03-02 2015-04-15 国立大学法人三重大学 紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源
JP5833325B2 (ja) * 2011-03-23 2015-12-16 スタンレー電気株式会社 深紫外光源
JP5995302B2 (ja) * 2011-07-05 2016-09-21 パナソニック株式会社 窒化物半導体発光素子の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016015379A (ja) 2016-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI514617B (zh) Ultraviolet radiation device
JP2017139252A (ja) 紫外線発光素子
JP2009043920A (ja) p型MgZnO系薄膜及び半導体発光素子
Ainbund et al. Solar-blind UV photocathodes based on AlGaN heterostructures with a 300-to 330-nm spectral sensitivity threshold
JP6475928B2 (ja) 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
JP2019110168A (ja) 光半導体素子
Tawfik et al. Cathodoluminescence of a 2 inch ultraviolet-light-source tube based on the integration of AlGaN materials and carbon nanotube field emitters
JP7554176B2 (ja) 赤外線発光素子
JP5261711B2 (ja) ZnO系半導体及びZnO系半導体素子
Shim et al. Nanopatterned sapphire substrate to enhance the efficiency of AlGaN-based UVC light source tube with CNT electron-beam
JP5700325B2 (ja) 紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源
RU2719339C1 (ru) Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента и нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент
JP7000062B2 (ja) Iii族窒化物エピタキシャル基板、電子線励起型発光エピタキシャル基板及びそれらの製造方法、並びに電子線励起型発光装置
US8686401B2 (en) Ultraviolet irradiation apparatus
JP5665036B2 (ja) 化合物半導体層構造の製造方法
JP4780757B2 (ja) 亜鉛酸化物結晶の分子線エピタキシ(mbe)成長装置及びそれを使用した製造方法
WO2008050479A1 (fr) Couche de zno et dispositif électroluminescent à semi-conducteur
US20230197889A1 (en) Nitride semiconductor ultraviolet light-emitting element and production method therefor
US20230299232A1 (en) Nitride Semiconductor Ultraviolet Light-Emitting Element and Manufacturing Method Thereof
JP5373402B2 (ja) ZnO系半導体発光素子の製造方法
WO2022038769A1 (ja) 窒化物半導体紫外線発光素子
Oleshko et al. Luminescence of thin-film light-emitting diode structures upon excitation by a high-current electron beam
JP2010116621A (ja) ZnO系半導体層とその製造方法、ZnO系半導体発光素子、及びZnO系半導体素子
JP2019114772A (ja) 赤外線発光素子
JP2014179544A (ja) AlN薄膜の製造方法及びAlN薄膜

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170501

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171219

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20171220

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20180731

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181025

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20181106

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190122

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6475928

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250