JP6803411B2 - 深紫外発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
前記発光層の発光ピーク波長は200nm以上350nm以下の範囲内の深紫外光であり、
前記p型半導体層は、前記発光層において前記深紫外光を放出する層のAl組成比よりも高いAl組成比xを有するAlxGa1−xN(0<x≦1)からなるp型第1層と、前記p型第1層上において前記p型第1層に接するp型コンタクト層とを有し、
前記p型コンタクト層は、窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料からなり、
前記p型コンタクト層は前記深紫外光を反射する反射層として機能し、
前記p型第1層から前記p型コンタクト層へ入射する波長280nmの光における反射率が10%以上であることを特徴とする深紫外発光素子。
前記p型コンタクト層の厚さは1nm以上10nm未満である、上記(1)に記載の深紫外発光素子。
(5)前記前記p型コンタクト層がGaAsからなる、上記請求項(1)〜(4)のいずれかに記載の深紫外発光素子。
基板上に、n型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層上に発光層を形成する工程と、
前記発光層上にp型半導体層を形成する工程と、を具え、
前記p型半導体層を形成する工程は、前記発光層において前記深紫外光を放出する層のAl組成比より高いAl組成比xを有するp型AlxGa1−xN(0<x≦1)からなるp型第1層を形成する第1工程と、前記p型第1層上に、窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料からなるp型コンタクト層をMOCVD法により形成する第2工程とを有し、
前記p型コンタクト層は前記深紫外光を反射する反射層としての機能し、
前記p型第1層から前記p型コンタクト層へ入射する波長280nmの光における反射率が10%以上であることを特徴とする深紫外発光素子の製造方法。
本発明の一実施形態に従う深紫外発光素子100は、図1に示すように、基板10上に、n型半導体層30、発光層40およびp型半導体層60を順次有し、さらに随意に他の構成を有するものである。そして、深紫外発光素子100における発光層40の発光ピーク波長は200nm以上350nm以下の範囲内の深紫外光である。本実施形態を、中心発光波長が265nm以上310nm以下である深紫外発光素子に供するとさらに効果的である。
本実施形態に従うp型半導体層60は、p型第1層60Aと、p型第1層60A上においてp型第1層60Aに接するp型コンタクト層60Bとを有する。なお、p型半導体層60は、発光層40とp型第1層60Aとの間であれば、p型第1層60Aおよびp型コンタクト層60B以外のp型層をさらに有していてもよい。ここで、p型第1層は、発光層40において深紫外光を放出する層のAl組成比よりも高いAl組成比xを有するp型AlxGa1−xN(0<x≦1)からなり、このp型第1層60Aは通常、電子ブロック層またはp型クラッド層、またはその一部として機能する。p型第1層60Aの具体的態様については後述する。
本実施形態に従うp型コンタクト層60Bは、窒化物以外のp型のIII-V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料からなり、発光層40からの深紫外光を反射する反射層として機能し、かつ、p型第1層60Aからp型コンタクト層60Bへ入射する波長280nmの光における反射率が10%以上である。
[1]p型第1層のAl組成比xが0.45より高いAl組成比の場合、波長280nmの深紫外光に対してp型第1層60Aは透明であるため、消衰係数k1としてAlNの消衰係数である0.001を用いてもよい。
[2]ただし、p型第1層のAl組成比xが0.45以下の場合、p型第1層60Aの消衰係数k1の値は実際に測定することとする。
<1>p型AlxGa1−xNからなるp型第1層60Aとの界面において屈折率に起因する反射率が大きい。
<2>界面抵抗が大きくない。
<3>GaNに比べてp型化が容易でバルク抵抗が小さい。
<4>p型AlxGa1−xNへの不純物拡散の悪影響が少ない。
<5>コンタクト抵抗が小さいp側電極材料がある。
<6>p側電極の形成方法が実用的である。
これら<1>〜<6>の観点で、本実施形態による窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料をp型コンタクト層60Bに用いることの総合的な優位性を見出し、本発明に至ったのである。こうして、本実施形態に従う深紫外発光素子100は、従来のp型GaNコンタクト層を使用した深紫外発光素子よりも発光出力を高くすることができ、かつ、発光出力の経時変化が少ない。このように、本発明に従うp型コンタクト層60Bを用いることにより、本発明により高い発光出力および優れた信頼性を両立した深紫外発光素子を実現することができる。
また、p型コンタクト層60Bが複数層構造である場合、窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料上に金属反射層70が形成されて、金属反射層70も反射の役割を担うのであれば、窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料の厚さを1nm以上10nm未満とすることができる。
基板10としては、発光層40による発光を透過して基板側から深紫外光を取り出すことのできる基板を用いることが好ましく、例えばサファイア基板またはAlN単結晶基板などを用いることができる。また、基板10として、サファイア基板の表面にアンドープのAlN層をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板を用いてもよい。
基板10上には、バッファ層20を設けることも好ましい。基板10と、n型半導体層30との格子不整合を緩和するためである。バッファ層20としてアンドープのIII族窒化物半導体層を用いることができ、バッファ層20を超格子構造とすることも好ましい。
n型半導体層30は必要によりバッファ層20を介し、基板10上に設けられる。n型半導体層30を基板10上に直接設けてもよい。n型半導体層30は、一般的なn型層とすることができ、例えばAlGaNよりなることができる。n型半導体層30には、n型のドーパントがドープされることでn型層として機能し、n型ドーパントの具体例として、シリコン(Si),ゲルマニウム(Ge),錫(Sn),硫黄(S),酸素(O),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr)等を挙げることができる。n型ドーパントのドーパント濃度は、n型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば1.0×1018atoms/cm3〜1.0×1020atoms/cm3とすることができる。また、n型半導体層30のバンドギャップは、発光層40(量子井戸構造とする場合は井戸層41)のバンドギャップよりも広く、発光する深紫外光に対し透過性を有することが好ましい。また、n型半導体層30を単層構造や複数層からなる構造の他、III族元素の組成比を結晶成長方向に組成傾斜させた組成傾斜層や超格子構造を含む構成することもできる。n型半導体層30は、n型電極とのコンタクト部を形成するだけでなく、基板から発光層に至るまでに結晶性を高める機能を兼ねる。
発光層40はn型半導体層30上に設けられる。また、本実施形態における発光層40は、当該発光層40による発光の中心発光波長が深紫外光の200〜350nmとなるよう設けられる。265nm以上310nm以下となるように設けることがより好ましい。
発光層40上に設けられるp型半導体層60は図4A,図4Bに示す態様が例示される。図4Aに示すように、p型半導体層60は発光層40上に、p型電子ブロック層61、p型クラッド層63、p型コンタクト層60Bの順に形成することができる。また、図4Bに示すように、図4Aと異なりp型クラッド層63を省略して、発光層40上にp型電子ブロック層61、p型コンタクト層60Bの順に形成することもできる。
n側電極90は、n型半導体層30の露出面上に設けることができる。n側電極90として、例えばTi含有膜およびこのTi含有膜上に形成されたAl含有膜を有する金属複合膜とすることができる。なお、図1に示す深紫外発光素子100では、発光層40、p型半導体層60部がエッチング等により除去され、露出したn型半導体層30上にn側電極90が設けられたものである。
p側電極80は、既述のとおりp型コンタクト層60Bに用いる前述の材料上に形成される公知の電極材料を使用することができる。
上述した深紫外発光素子100は、図6のステップA〜ステップDに示すように、基板10上に、n型半導体層30を形成する工程と、n型半導体層30上に発光層40を形成する工程と、発光層40上にp型半導体層60を形成する工程と、を具える。
まず、サファイア基板(直径2インチ、厚さ:430μm、面方位:(0001))上に、MOCVD法により、中心膜厚0.60μm(平均膜厚0.61μm)のAlN層を成長させ、AlNテンプレート基板とした。膜厚については、光干渉式膜厚測定機(ナノスペックM6100A;ナノメトリックス社製)を用いて、ウェハー面内の中心を含む、等間隔に分散させた計25箇所の膜厚を測定した。
p型コンタクト層を、Mgドープしたp型GaN(Mg濃度2×1019atoms/cm3、厚さ0.3μm)とした以外は、実施例1と同様にして比較例1に係る深紫外発光素子を作製した。
p型コンタクト層を設けなかった以外は、実施例1と同様にして比較例2に係る深紫外発光素子を作製した。
発明例1および比較例1,2について、Inボールを介して電流を100mA通電し、サファイア面側に配置したフォトディテクターにより発光出力を測定した。その結果、p型コンタクト層がp型GaNである比較例1の発光出力を1とすると、p型コンタクト層を設けなかった比較例2の発光出力は2であった。比較例2における発光出力の向上は、比較例1に比べて発光層からサファイア基板と反対側の方向に向けた光(In電極やp型クラッド層と空気との界面においてサファイア基板側へ向けて反射された光)と、発光層からサファイア基板側に向けた光との合計と考えられる。したがって、比較例1のp型GaNは、発光層からp型コンタクト層に向かって放出された光を反射せず、ほぼ100%を吸収していると考えられる。
発明例1および比較例1,2のそれぞれについて、1分間100mAを通電する測定をウェハー内5点について行った。発明例1および比較例1の場合は、5点すべてで1分後の発光出力の変動はなかったが、比較例2(コンタクト層なし)においては、3点では不点灯が観察され、残る2点で1分後の発光出力が通電直後に比べ20%程度減少することが観察された。結果を表2に示す。
20 バッファ層
30 n型半導体層
40 発光層
41 井戸層
42 障壁層
60 p型半導体層
60A p型第1層
60B p型コンタクト層
61 電子ブロック層
63 p型クラッド層
65 p型第1コンタクト層
67 p型第2コンタクト層
70 金属反射層
80 n側電極
90 p側電極
100 深紫外発光素子
Claims (6)
- 基板上に、n型半導体層、発光層およびp型半導体層を順次有する深紫外発光素子であって、
前記発光層の発光ピーク波長は200nm以上350nm以下の範囲内の深紫外光であり、
前記p型半導体層は、前記発光層において前記深紫外光を放出する層のAl組成比よりも高いAl組成比xを有するp型AlxGa1−xN(0<x≦1)からなるp型第1層と、前記p型第1層上において前記p型第1層に接するp型コンタクト層とを有し、
前記p型コンタクト層は、窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料からなり、
前記p型コンタクト層は前記深紫外光を反射する反射層として機能し、
前記p型第1層から前記p型コンタクト層へ入射する波長280nmの光における反射率が10%以上であることを特徴とする深紫外発光素子。 - 前記p型コンタクト層の厚さは10nm以上3000nm以下である、請求項1に記載の深紫外発光素子。
- 前記基板がサファイア基板、AlNテンプレート基板またはAlN単結晶基板である、請求項1又は2に記載の深紫外発光素子。
- 前記前記p型コンタクト層がGaAsからなる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の深紫外発光素子。
- 発光ピーク波長200nm以上350nm以下の範囲内の深紫外光を放出する深紫外発光素子の製造方法であって、
基板上に、n型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層上に発光層を形成する工程と、
前記発光層上にp型半導体層を形成する工程と、を具え、
前記p型半導体層を形成する工程は、前記発光層において前記深紫外光を放出する層のAl組成比より高いAl組成比xを有するp型AlxGa1−xN(0<x≦1)からなるp型第1層を形成する第1工程と、前記p型第1層上に、窒化物以外のp型のIII−V族半導体材料、またはp型のIV族半導体材料からなるp型コンタクト層をMOCVD法により形成する第2工程とを有し、
前記p型コンタクト層は前記深紫外光を反射する反射層としての機能し、
前記p型第1層から前記p型コンタクト層へ入射する波長280nmの光における反射率が10%以上であることを特徴とする深紫外発光素子の製造方法。 - 前記前記p型コンタクト層がGaAsからなる、請求項5に記載の深紫外発光素子の製造方法。
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