JP6592894B2 - 紫外発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
紫外発光ダイオードおよびその製造方法Info
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Description
ηEQE=ηIQE×ηEIE×ηLEE
の関係が成立する。
[バッファー層による光学的機能]
図1は、従来の紫外LED100および本実施形態の紫外LED100Aの両者に共通する概略構成を示す斜視図である。紫外LED100および100Aでは、それぞれ、概して平板状のα−Al2O3単結晶であるサファイア基板110および110Aの一方の面104が利用され、バッファー層120または120AがAlN結晶等の材質によりエピタキシャル成長される。そのバッファー層120および120Aに接するように、紫外発光層130が形成されている。紫外発光層130の結晶もバッファー層120および120Aに対してエピタキシャル成長されている。紫外発光層130の構成は、従来の紫外LED100であるか本実施形態の紫外LED100Aであるかによらず、共通している。具体的な紫外発光層130の構成は、バッファー層120の側から、n型導電層132、再結合層134、およびp型導電層136がこの順に積層して形成されている。紫外発光層130の材質は、典型的にはAlGaNまたはそれに微量元素をドーピングした組成である。さらに、n型導電層132には第1電極140が、また、p型導電層136には第2電極150が、それぞれ電気的に接続されている。p型導電層136と第2電極150との電気的接続を確立するために、典型的にはコンタクト層138も形成されている。
図2は、結合ピラーAlNバッファーの構造をもつバッファー層120Aを採用する本実施形態の紫外LED100Aの概略構造を示す概略断面図である。本実施形態の紫外LED100Aにおいては、従来の平滑面をもつサファイア基板110に代え、少なくとも一方の面104に凸部112の配列を形成したサファイア基板110Aを採用する。凸部112の配列を形成したサファイア基板110Aを以下「PSS(Patterned Sapphire Substrate)基板110A」と呼ぶ。採用するPSS基板110Aは(0001)面配向のサファイア基板であるため、表面である一方の面104に垂直にc軸が向いている。PSS基板110Aの一方の面104に形成される凸部112は、典型的には、一つひとつが円形の周縁をもち、他の凸部112から独立して島状の突起をなしている。バッファー層120Aは、複数のピラー124の配列であるピラー配列部124aと、ピラー124が互いに結合して形成されている一体化部126とをもっている。ピラー124は、それぞれをみるとPSS基板110Aの一つ一つの凸部112から一方の面104の法線方向すなわちc軸方向に延びており、他のピラー124を含めてみると一方の面104の面内方向において互いにギャップGにより隔てられている。
バッファー層120Aの結晶構造は低転位となるように作製された単結晶である。ピラー124は、その内部における貫通転位が削減または抑制されている。さらに、一体化部126においても結晶の転位は殆ど生じない。そのため、一体化部126の紫外発光層130側の界面に残存している格子転位は、ピラー124それぞれが互いに結合する位置および一体化部126に接続する位置においてAlN結晶に生じたわずかな数の格子転位である。バッファー層120A全体を見た場合、PSS基板110Aから紫外発光層130に向かって貫通する貫通転位は十分に抑制されている。
本実施形態の紫外LED100Aでは、紫外発光層130から放出される光が、バッファー層120Aのピラー配列部124aおよびサファイア基板110Aを通って外部に取り出される。この際、再結合層134において伝導キャリアの再結合により放出された光は全方向に放出される。この発光のうちある割合の光は、図2に示す光線Lのように、まずピラー124およびギャップGの存在するピラー配列部124aを通過する。光線Lrは、ピラー124が形成されていない従来の紫外LED100における光線の一例を示す光線である。光取出し面102のすぐ内部の物質の屈折率で決まる臨界角よりも大きく傾斜した光(光線Lrとして示す)は、PSS基板110Aの光取出し面102またはそれに平行な他の面である光取出し面(何らかの層が光取出し面102に配置されているとき)からは出射できず導波路モードとなり失われる。これに対し、本実施形態の紫外LED100Aにおいては、光線Loとして示すように、発光した光の一部がピラー124およびギャップGの間の界面を通るごとに光の伝播方向が屈折したり反射したりして、臨界角の方向よりも素子の法線方向に向き、光取出し面102から出射することができる。この際、ピラー124とギャップGとの屈折率差が大きいことが、より強い方向変換作用をもたらす。こうしてピラー124およびギャップGの間の界面は、図2に示した光線の説明が妥当する場合においても、導波路モードの光の少なくとも一部の伝播方向を変換して光取出し面102から出射させるように作用する。
次に、本実施形態の紫外LEDの製造方法を、特に結合ピラーバッファー120Aの構造を製造する手法に注目して説明する。図3は、本実施形態の紫外LED100Aの製造方法を示すフローチャートであり、図4は、当該製造方法のうちバッファー層120Aを形成する各段階における構造を示す概略断面図である。
次に、本実施形態を実施例に基づきさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。以下の説明においては、これまでに説明した図面も引き続き参照し、説明済みの要素の符号はそのまま用いる。また、本実施例では、紫外LED100Aを作製する際の実際の条件に加え、結晶成長条件を決定するために実施した予備実験による知見の一部も説明する。
本実施形態は、上述した実施形態および実施例以外にも様々な構成により実施することができる。
上述した説明において、バッファー層成長工程S120のうち埋め込み工程S124として説明したアンモニアパルスフロー成長法と、同時供給成長法の繰返し工程は、ピラー124を伸ばして成長させるピラー成長一体化工程S126において採用することも有効である。この繰返し工程は、ピラー124が互いに結合し始めるより前および後の少なくともいずれかまたは両方に採用することができる。ピラー124の成長途中において、アンモニアパルスフロー成長法と連続成長法とを繰り返すと、ピラー124同士の結合により生じた結晶転位を減少させることが可能となる。
実施例において形成していない平坦化層1262は、図2に示したとおり、一体化部126の一部として形成することができる。この平坦化層1262は、平坦化工程S1262において、紫外発光層130の結晶品質をより高めるための成長条件に変更して形成することができる。その変更される成長条件の一つが、V/III比である。V/III比は、図6および図7に示したピラー124の結合の程度に影響したことからわかるように、c面成長に影響する。c面成長が促進されるV/III比を小さくする条件は、一体化部126の一部である平坦化層1262の平坦性をも向上させる。したがって、平坦化層1262の平坦性の点から好ましいV/III比を数値により示せば、たとえば3.7以下のモル比である。小さいV/III比を選択することにより、平坦化層1262の平坦性が向上することに加え、付随的には、図6、図7におけるサンプル2および3にて観察されたようなピラー124の間のギャップGに連通してしまう開口を塞ぐ効果も期待できる。さらに、図8および図9からわかる平坦化層1262を形成していない時点での一体化部126の最表面の段差など、内部量子効率ηIQEの向上を阻害する要因の除去にも寄与するものと予想している。
本実施形態にて上述した紫外LED100Aにおいては、PSS基板110A(サファイア基板)の一方の面104における結晶格子の対称性は、(0001)面配向であることにより実質的には3回対称である。また、三角格子をなす凸部112の配列も3回対称である。この結果、結晶格子の対称性を反映して形成される六角柱の各ピラー124の断面形状が、凸部112の配列を反映して形成されるピラー124の配列と対応している(図6(a)および図6(b))。上記実施例において一体化部126の結晶が実際にも良好な品質となったのは、このピラー124の断面形状とピラーの配列とが対応すると、良好な結晶成長が容易になることが影響しているものと考えている。
102 光取出し面
104 サファイア基板の一方の面
110 サファイア基板
110A 凸部の配列を形成したサファイア基板(PSS基板)
112 凸部
120、120A バッファー層
122N 結晶核
122 下地結晶層
124 ピラー
124a ピラー配列部
126 一体化部
1262 平坦化層
130 紫外発光層
134 再結合層
138 コンタクト層
140 第1電極
150 第2電極
Claims (18)
- 少なくとも一方の面に、中央を頂部または突出した面とする半球面ないし円錐面の形状、またはそれらの中間的な形状をもつ凸部の配列が形成された(0001)面配向の単結晶サファイア基板と、
該サファイア基板の該凸部の配列に接して形成されたAlN結晶のバッファー層と、
該バッファー層に接して形成され、n型導電層、再結合層、およびp型導電層を該バッファー層の側からこの順に積層して形成されているAlGaN多層体の紫外発光層と、
前記n型導電層に電気的に接続している第1電極と、
前記p型導電層に電気的に接続している第2電極と
を備えており、
前記バッファー層が、下地結晶層、複数のピラーが配列されているピラー配列部、および該ピラーが互いに結合して形成されている一体化部を有しており、
前記下地結晶層は、前記サファイア基板の前記凸部の配列が形成されている表面のうち該凸部それぞれの少なくとも一部を覆うものであり、
前記ピラーのそれぞれは、前記サファイア基板の前記凸部それぞれにおける前記下地結晶層から前記一方の面の法線方向に延び、前記一方の面の面内方向において互いにギャップにより隔てられているものであり、
前記紫外発光層から光を放出する動作の際に、前記サファイア基板が前記バッファー層を支持している、紫外発光ダイオード。 - 前記バッファー層の前記一体化部が平坦化層をさらに備えており、
前記n型導電層が該平坦化層に接している、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。 - 前記ピラーが、前記サファイア基板の前記凸部それぞれから遠ざかるに従って断面を広げるテーパー状をなしている、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記サファイア基板の前記一方の面における結晶格子の対称性と前記凸部の配列の対称性とが互いに同一である、請求項1に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記サファイア基板の前記一方の面における結晶軸方位と前記凸部の配列の軸方位とが平行である、請求項4に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記サファイア基板の前記一方の面における結晶軸方位と前記凸部の配列の軸方位とが直交している、請求項4に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記ピラーの少なくともいずれかは、断面が六角形をなし側面が前記一方の面に垂直に延びる軸を有する六角柱または六角錐の側面の一部となっており、互いに隣接するピラーがそれぞれの前記六角形の頂点を近接させているものである、請求項3に記載の紫外発光ダイオード。
- 前記ピラーの少なくともいずれかは、断面が六角形をなし側面が前記一方の面に垂直に延びる軸を有する六角柱または六角錐の側面の一部となっており、互いに隣接するピラーがそれぞれの前記六角形の辺を対向させているものである、請求項3に記載の紫外発光ダイオード。
- 220〜350nmの波長域のいずれかの波長で発光する請求項1〜8のいずれか1項に記載の紫外発光ダイオード。
- 少なくとも一方の面に凸部の配列が形成された(0001)面配向の単結晶サファイア基板を準備する工程と、
TMAl(tri−methyl−aluminum)ガスとアンモニアガスとを原料とするMOVPE法により該サファイア基板の該一方の面にAlN結晶のバッファー層を成長させるバッファー層成長工程と、
該バッファー層に接して、n型導電層、再結合層、およびp型導電層を該バッファー層の側からこの順に積層して形成されているAlGaN多層体の紫外発光層を成長させる紫外発光層成長工程と、
前記n型導電層に電気的に接続している第1電極、および前記p型導電層に電気的に接続している第2電極を形成する工程と
を含む紫外発光ダイオードの製造方法であって、
前記バッファー層成長工程が、
アンモニアパルスフロー成長法により前記サファイア基板の前記凸部の配列が形成されている表面にAlNの核結晶を形成する核結晶形成工程と、
該核結晶形成工程により形成された核の間の少なくとも一部を満たすことにより、前記表面のうち該凸部それぞれの少なくとも一部を覆う下地結晶層を形成する埋め込み工程と、
前記サファイア基板の前記凸部それぞれから前記一方の面の法線方向に延び、前記一方の面の面内方向において互いにギャップにより隔てられているピラーが配列されているピラー配列部を形成し、該ピラーを互いに一体化することにより一体化部を形成するピラー成長一体化工程と
をこの順に含んでいるものであり、
前記紫外発光層から光を放出する動作の際に、前記サファイア基板が前記バッファー層を支持しているものである、紫外発光ダイオードの製造方法。 - 前記ピラー成長一体化工程において、少なくともある期間、原料ガスのV族/III族の物質量比であるV/III比が1.0以上10以下のモル比に設定される、請求項10に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記埋め込み工程が、前記核結晶形成工程に含まれる前記アンモニアパルスフロー成長法とは異なる条件のアンモニアパルスフロー成長法により実行されるものである、請求項10に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記埋め込み工程が、アンモニアパルスフロー成長法と同時供給成長法とを少なくとも一回ずつ実行するものである、請求項10に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記埋め込み工程の前記アンモニアパルスフロー成長法は、横エンハンス成長の条件にて実行されるものである、請求項12または請求項13に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記埋め込み工程が、アンモニアパルスフロー成長法と、同時供給成長法とを交互に複数回繰り返す工程である、請求項10〜請求項14のいずれか1項に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記バッファー層成長工程が、前記ピラー成長一体化工程より後に、前記一体化部の表面を一層平坦化する平坦化工程をさらに含んでいるものである、請求項10に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記平坦化工程において、少なくともある期間、原料ガスのV族/III族の物質量比であるV/III比が1.0以上10以下のモル比に設定される、請求項16に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
- 前記紫外発光ダイオードが220〜350nmの波長域のいずれかの波長で発光するものである、請求項10〜請求項17のいずれか1項に記載の紫外発光ダイオードの製造方法。
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