JP6902255B2 - 紫外線発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に紫外線発光素子に関し、より詳細には紫外線を放射する紫外線発光素子に関する。
従来、紫外線発光素子においてAl組成比を0.5以上としたp型AlGaN層を用いることが提案されている(特許文献1)。
特許文献1には、Al組成比を0.5以上としたp型AlGaN層として、アクセプタ不純物原子が5×1018cm-3〜1×1020cm-3の濃度でドーピングされたp型AlGaN層が記載されている。
また、特許文献1には、上述のp型AlGaN層を用いることにより、300nm以下の深紫外領域で発光する発光ダイオード及びレーザダイオードを製造することも可能となる旨が記載されている。
WO2008/117750
Al組成比の高いp型AlGaN層を必要とする紫外線発光素子の分野においては、光出力の高出力化が望まれている。
本発明の目的は、光出力の高出力化を図ることが可能な紫外線発光素子を提供することにある。
本発明に係る一態様の紫外線発光素子は、n型AlGaN層、発光層及びp型AlGaN層の順に並んでいる積層体と、前記n型AlGaN層の前記発光層側の表面において前記発光層で覆われていない部位に直接設けられている負電極と、前記p型AlGaN層の表面上に直接設けられている正電極と、を備える。前記発光層は、複数の障壁層と複数の井戸層とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有する。前記複数の井戸層の各々は、第1のAlGaN層により構成されている。前記複数の障壁層の各々は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きな第2のAlGaN層により構成されている。前記n型AlGaN層は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きい。前記p型AlGaN層は、複数の第1のp型AlGaN層と複数の第2のp型AlGaN層とが交互に並んでいる積層構造を有する。前記複数の第1のp型AlGaN層の各々は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きく、かつMgを含有している。前記複数の第2のp型AlGaN層の各々は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きく、かつ前記複数の第1のp型AlGaN層の各々よりも高い濃度でMgを含有している。
本発明の紫外線発光素子は、光出力の高出力化を図ることが可能になるという効果がある。
図1は、本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子の概略断面図である。 図2は、単層構造のp型AlGaN層を有する紫外線発光素子のMgの濃度と光出力比との関係を示すグラフである。
下記の実施形態において説明する図1は、模式的な図であり、図1中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
(実施形態)
以下では、本実施形態の紫外線発光素子10について、図1に基づいて説明する。
紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3、発光層4及びp型AlGaN層6の順に並んでいる積層体20を備える。また、紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3の発光層4側の表面3aにおいて発光層4で覆われていない部位3aaに直接設けられている負電極8と、p型AlGaN層6の表面6a上に直接設けられている正電極9と、を備える。
発光層4は、複数の障壁層42と複数の井戸層41とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層41の各々は、第1のAlGaN層により構成されている。複数の障壁層42の各々は、第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きな第2のAlGaN層により構成されている。第1のAlGaN層及び第2のAlGaN層は、アンドープのAlGaN層である。第1のAlGaN層及び第2のAlGaN層は、それぞれの成長時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。本明細書において、不純物(Mg、H、Si、C、O)の濃度は、SIMS(secondary ion mass spectroscopy)によって測定した値である。アンドープのAlGaN層の不純物の濃度に関しては、Mgの濃度が1×1017cm-3、Hの濃度が1×1018cm-3、Siの濃度が2×1017cm-3、Cの濃度が7×1016cm-3、Oの濃度が7×1016cm-3であったが、これら不純物の濃度が上記数値に限定されない。アンドープのAlGaN層の不純物の濃度に関しては、Mgの濃度が5×1017cm-3以下、Hの濃度が2×1018cm-3以下、Siの濃度が5×1017cm-3以下、Cの濃度が3×1017cm-3以下、Oの濃度が3×1017cm-3以下であるのが好ましい。これに対して、n型AlGaN層3は、その成長時にSiがドーピングされており、Siを含有している。p型AlGaN層6は、複数の第1のp型AlGaN層61と複数の第2のp型AlGaN層62とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第1のp型AlGaN層61及び複数の第2のp型AlGaN層62は、それぞれの成長時にMgがドーピングされており、Mgを含有している。
紫外線発光素子10は、積層体20を支持する基板1を更に備える。積層体20は、基板1の一表面1a上に設けられている。n型AlGaN層3、発光層4及びp型AlGaN層6は、基板1の一表面1aからこの順に並んでいる。紫外線発光素子10では、積層体20が、基板1とn型AlGaN層3との間に介在するバッファ層2を備えるのが好ましい。また、紫外線発光素子10は、発光層4とp型AlGaN層6との間に電子ブロック層5を備えるのが好ましい。電子ブロック層5は、積層体20の厚さ方向において発光層4側からの電子をブロックするための層である。
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、バッファ層2、n型AlGaN層3、発光層4、電子ブロック層5及びp型AlGaN層6を含む積層体20の一部を、積層体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。紫外線発光素子10は、p型AlGaN層6の表面6aと、積層体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では、n型AlGaN層3の発光層4側の表面3aにおいて発光層4に覆われていない部位3aa上に、負電極8が直接設けられ、p型AlGaN層6の表面6a上に、正電極9が直接設けられている。要するに、紫外線発光素子10では、この紫外線発光素子10の厚さ方向の一面側に負電極8及び正電極9が配置されている。ここで、「紫外線発光素子10の厚さ方向の一面」とは、n型AlGaN層3の発光層4側の表面3aにおいて発光層4に覆われていない部位3aa及びp型AlGaN層6の表面6aを含む。ここで、n型AlGaN層3の表面3aにおいて発光層4に覆われている部位と覆われていない部位3aaとの間には段差がある。負電極8は、n型AlGaN層3に電気的に接続されている。要するに、紫外線発光素子10では、発光層4へ電子を輸送するためのn型AlGaN層3がn型コンタクト層を兼ねている。正電極9は、p型AlGaN層6に電気的に接続されている。要するに、紫外線発光素子10では、発光層4へ正孔を輸送するためのp型AlGaN層6がp型コンタクト層を兼ねている。
紫外線発光素子10では、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において発光層4に覆われていない部位3aaとに跨って電気絶縁膜(図示せず)が形成されているのが好ましい。電気絶縁膜の材料は、例えば、SiO等である。
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。
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。また、本明細書において、Mgの濃度の深さプロファイルは、SIMSによって測定した深さプロファイルである。
紫外線発光素子10は、直方体状のLEDチップ(light emitting diode chip)である。LEDチップは、LEDダイ(light emitting diode die)とも呼ばれる。ここで、紫外線発光素子10の平面視形状は、例えば、正方形状である。「紫外線発光素子10の平面視形状」とは、紫外線発光素子10の厚さ方向の一の方向から見た紫外線発光素子10の外周形状である。紫外線発光素子10の平面視でのチップサイズ(chip size)は、例えば、400μm□(400μm×400μm)である。紫外線発光素子10のチップサイズは、400μm□(400μm×400μm)に限らず、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の平面視形状は、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は、UV−Cの波長域の紫外線を放射するように発光層4の井戸層41を構成してある。「UV−Cの波長域」とは、例えば国際照明委員会(CIE)における紫外線の波長による分類によれば、100nm〜280nmである。ここで、紫外線発光素子10では、井戸層41を構成する第1のAlGaN層におけるAlの組成比が0.45である。これにより、紫外線発光素子10の発光ピーク波長は、275nmである。ここでいう「発光ピーク波長」は、室温(27℃)での主発光ピーク波長である。また、「紫外線発光素子10の発光ピーク波長」は、発光層4から放射されて紫外線発光素子10から出射される紫外線の発光ピーク波長である。
紫外線発光素子10において積層体20を支持している基板1は、サファイア基板である。基板1の一表面1a(以下、「第1面1a」ともいう)は、(0001)面、つまり、c面であるのが好ましい。また、基板1の第1面1aは、(0001)面からのオフ角が、0°〜0.4°であるのが好ましく、0.1°〜0.31°であるのがより好ましく、0.21°〜0.31°であるのが更に好ましい。ここにおいて、「オフ角」とは、(0001)面に対する第1面1aの傾斜角である。したがって、オフ角が0°であれば、第1面1aは、(0001)面である。紫外線発光素子10では、基板1において第1面1aとは反対の第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。基板1の厚さは、例えば、100μm〜500μm程度であるのが好ましい。基板1の第1面1aは、c面に限らず、例えば、m面、a面、R面等でもよい。
基板1の一表面1a上に設けられている積層体20では、バッファ層2、n型AlGaN層3、発光層4、電子ブロック層5及びp型AlGaN層6が、この順に並んでいる。積層体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、MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)法を採用するのが好ましい。エピタキシャル成長法は、MOVPE法に限らず、例えば、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法、MBE(molecular beam epitaxy)法等を採用してもよい。
紫外線発光素子10は、基板1とn型AlGaN層3との間に介在するバッファ層2を備えるのが好ましい。要するに、紫外線発光素子10では、n型AlGaN層3は、基板1の一表面1a上に、バッファ層2を介して形成されているのが好ましい。
バッファ層2は、n型AlGaN層3、発光層4、電子ブロック層5及びp型AlGaN層6の結晶性の向上を目的として設けた層である。紫外線発光素子10は、バッファ層2を備えることにより、転位密度を低減することが可能となり、n型AlGaN層3、発光層4、電子ブロック層5及びp型AlGaN層6の結晶性の向上を図ることが可能となる。よって、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は、基板1の一表面1a上に直接形成されている第1のバッファ層21と、第1のバッファ層21上に直接形成されている第2のバッファ層22と、を含む。第1のバッファ層21は、例えば、AlN層により構成されているのが好ましい。第2のバッファ層22は、n型AlGaN層3よりもAlの組成比が大きくn型AlGaN層3よりも第1のバッファ層21との格子定数差の小さなAlGaN層により構成されている。より詳細には、第2のバッファ層22は、Alの組成比が0.90のAlGaN層(つまり、Al0.90Ga0.10N層)により構成されている。
紫外線発光素子10では、第1のバッファ層21が薄すぎると、貫通転位の減少が不十分となりやすい。バッファ層2の転位密度は、1×109cm-3以下であるのが好ましい。また、紫外線発光素子10では、第1のバッファ層21が厚すぎると、第1のバッファ層21と基板1との格子不整合に起因したクラックの発生や、基板1からのバッファ層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、第1のバッファ層21の厚さは、例えば、3μm以上6μm以下であるのが好ましい。第2のバッファ層22の厚さは、例えば、30nm以上100nm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10では、バッファ層2が第1のバッファ層21のみにより構成されていてもよい。
紫外線発光素子10では、第1のバッファ層21及び第2のバッファ層22それぞれのバンドギャップエネルギが、発光層4における複数の井戸層41の各々のバンドギャップエネルギよりも大きい。これにより、紫外線発光素子10では、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において、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Alの組成比は、発光層4で発光する紫外線のn型AlGaN層3での吸収が抑制されるように設定されているのが好ましい。例えば、井戸層41のAlの組成比が0.45、障壁層42のAlの組成比が0.60の場合、n型AlGaN層3のAlの組成比は、障壁層42のAlの組成比と同じ0.60である。n型AlGaN層3のAlの組成比は、障壁層42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の組成比は、例えば、発光層4における井戸層41のAlの組成比が0.45の場合、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から放射される紫外線がn型AlGaN層3で吸収されやすくなり、光取り出し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、n型AlGaN層3のAlの組成比が0.70よりも大きい場合、n型AlGaN層3と発光層4との格子定数差が大きくなり、発光層4に欠陥が生じやすくなる。
n型AlGaN層3は、Siを含有している。n型AlGaN層3は、負電極8との良好なオーミック接触(ohmic contact)を実現するためのn型コンタクト層を兼ねている。n型AlGaN層3のSiの濃度は、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の濃度が5×1018cm-3未満の場合、負電極8とn型AlGaN層3とのオーミック接触を形成できなかったり、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の厚さは、例えば、1μm以上3μm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、上述のメサ構造11を有し、紫外線発光素子10の厚さ方向の一面側に負電極8及び正電極9が配置されているので、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。
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。
積層体20の厚さ方向においてn型AlGaN層3とp型AlGaN層6との間にある発光層4は、井戸層41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(紫外線)を放射する層である。
発光層4では、積層体20の厚さ方向において、複数の障壁層42と複数の井戸層41とが交互に並んでいる。これにより、発光層4は、多重量子井戸構造を有している。紫外線発光素子10における発光層4は、井戸層41及び障壁層42それぞれの数を4つずつとしてある。
発光層4は、井戸層41を構成する第1のAlGaN層のAlの組成比を変えることにより、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。発光層4は、UV−Cの波長域の紫外線を放射する井戸層41を備える。井戸層41は、紫外線発光素子10の発光ピーク波長が例えば275nmとなるように、第1のAlGaN層のAlの組成比を0.45としてある。すなわち、第1のAlGaN層は、Al0.45Ga0.55N層である。これに対して、障壁層42を構成する第2のAlGaN層のAlの組成比は、0.60としてある。すなわち、第2のAlGaN層は、Al0.60Ga0.40N層である。
複数の井戸層41の各々の厚さは、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41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41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41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41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41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41から漏れやすくなるためであると推考される。
複数の障壁層42の各々の厚さは、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42の厚さが2nm未満の場合、障壁層42によってキャリアが井戸層41に閉じ込められるというキャリアの閉じ込め効果が低下し、キャリアが井戸層41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42の厚さが20nmよりも大きい場合、井戸層41へキャリアが注入されなくなる懸念がある。
障壁層42を構成する第2のAlGaN層は、アンドープのAlGaN層であるが、これに限らず、Siを含有していてもよい(SiドープのAlGaN層でもよい)。この場合、Siの濃度は、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42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42のSiの濃度が、5×1018cm-3よりも高くなると、障壁層42の結晶性が低下する傾向にある。
発光層4とp型AlGaN層6との間に設けられる電子ブロック層5は、発光層4側からの電子をブロックする機能を有する。言い換えれば、電子ブロック層5は、n型AlGaN層3から発光層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AlGaN層6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。電子ブロック層5は、発光層4とp型AlGaN層6において最も発光層4に近い第1のp型AlGaN層61(610)との間に介在している。
電子ブロック層5は、第3のp型AlGaN層により構成されている。第3のp型AlGaN層は、p型AlGaN層6の第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62それぞれよりもAlの組成比が大きく、かつ、Mgを含有している。第3のp型AlGaN層のAlの組成比は、一例として、0.90であるが、この数値に限定されない。
電子ブロック層5の厚さについては、電子ブロック層5のAlの組成比、Mgの濃度等によって適した厚さが変わるので一概には言えないが、1nm〜50nmであるのが好ましく、5nm〜25nmであるのがより好ましい。電子ブロック層5のMgの濃度は、p型AlGaN層6の第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62それぞれのMgの濃度よりも低いのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10では、電子ブロック層5の結晶性を向上させることが可能となる。
p型AlGaN層6は、発光層4へ正孔を輸送するための層である。p型AlGaN層6は、正電極9との良好なオーミック接触を実現するためのp型コンタクト層を兼ねている。
p型AlGaN層6は、積層体20の厚さ方向において、複数の第1のp型AlGaN層61と複数の第2のp型AlGaN層62とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第1のp型AlGaN層61及び複数の第2のp型AlGaN層62は、それぞれの成長時にMgがドーピングされており、Mgを含有している。紫外線発光素子10におけるp型AlGaN層6は、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62それぞれの数を5つずつとしてある。
複数の第1のp型AlGaN層61及び複数の第2のp型AlGaN層62のAlの組成比は、発光層4で発光する紫外線の複数の第1のp型AlGaN層61の各々及び複数の第2のp型AlGaN層62の各々での吸収を抑制できるように設定されているのが好ましい。したがって、複数の第1のp型AlGaN層61の各々及び複数の第2のp型AlGaN層62の各々のAlの組成比は、複数の井戸層41(第1のAlGaN層)の各々よりもAlの組成比が大きいのが好ましく、複数の障壁層42(第2のAlGaN層)の各々よりもAlの組成比が大きいのがより好ましい。複数の井戸層41(第1のAlGaN層)の各々のAlの組成比が0.45、複数の障壁層42(第2のAlGaN層)の各々のAlの組成比が0.60の場合、複数の第1のp型AlGaN層61の各々及び複数の第2のp型AlGaN層62の各々のAlの組成比は、例えば、0.65であるのが好ましい。すなわち、複数の井戸層41(第1のAlGaN層)の各々がAl0.45Ga0.55N層からなる場合、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62は、互いにMgの濃度の異なるp型Al0.65Ga0.35N層であるのが好ましい一例である。
複数の第1のp型AlGaN層61及び複数の第2のp型AlGaN層62は、電子ブロック層5(第3のp型AlGaN層)よりも高い濃度でMgを含有している。
複数の第2のp型AlGaN層62の各々は、複数の第1のp型AlGaN層61の各々よりも高い濃度でMgを含有している。
ところで、本願発明者らは、p型コンタクト層を兼ねるp型AlGaN層6を備えた紫外線発光素子10を開発する際に、紫外線発光素子10と基本構造が略同じ参考例1〜7の紫外線発光素子を作製した。そして、本願発明者らは、参考例1〜7の紫外線発光素子それぞれについて、20mAの直流電流を流したときの光出力〔W〕の測定を行った。参考例1〜7の紫外線発光素子は、実施形態の紫外線発光素子10における多層構造を有するp型AlGaN層6の代わりに、単層構造のp型AlGaN層を採用している点のみで実施形態の紫外線発光素子10と相違する。単層構造のp型AlGaN層の厚さは、60nmである。参考例1〜7の紫外線発光素子は、p型AlGaN層のMgの濃度が互いに異なる。より詳細には、参考例1、2、3、4、5、6及び7の紫外線発光素子におけるp型AlGaN層のMgの濃度は、それぞれ、5×1019cm-3、8×1019cm-3、1×1020cm-3、1.5×1020cm-3、2×1020cm-3、3×1020cm-3及び5×1020cm-3である。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。図2は、p型AlGaN層のMgの濃度と光出力比との関係を示すグラフである。「光出力比」は、Mgの濃度を10×1019cm-3(つまり、1×1020cm-3)とした参考例3の紫外線発光素子の光出力を基準値とした相対的な値である。図2から、本願発明者らは、p型コンタクト層を単層構造のp型AlGaN層により構成した紫外線発光素子では、p型AlGaN層のMgの濃度を8×1019cm-3以上2×1020cm-3以下とすることにより、Mgの濃度を5×1019 cm -3 した場合に比べて光出力の向上を図れるという知見を得た。また、図2から、本願発明者らは、p型コンタクト層を単層構造のp型AlGaN層により構成した紫外線発光素子では、p型AlGaN層のMgの濃度を8×1019cm-3以上2×1020cm-3以下とすることにより、Mgの濃度を1×1020cm-3とした場合からの光出力の低下を抑制することが可能になるになるという知見を得た。
また、本願発明者らは、単層構造のp型AlGaN層において電子ブロック層から離れるにつれてMgの濃度を段階的に高くした評価用のサンプルをいくつか作製し、それぞれの単層構造のp型AlGaN層の断面TEM像(cross-sectional transmission electron microscope image)を観察した。その結果、本願発明者らは、p型AlGaN層のMgの濃度の最大値が2×1020cm-3よりも高い評価用のサンプルでは、単層構造のp型AlGaN層が柱状構造の結晶の集合体となることを断面TEM像により確認した。なお、評価用サンプルにおける単層構造のp型AlGaN層の厚さは、60nmである。
そして、本願発明者らは、図2及び断面TEM像の観察結果から、単層構造のp型AlGaN層においてMgの濃度の最大値が2×1020cm-3よりも高い紫外線発光素子では、単層構造のp型AlGaN層の結晶性が低下し、紫外線発光素子の光出力が低下してしまうと推考した。
これに対して、紫外線発光素子10では、コンタクト層を兼ねるp型AlGaN層6が、複数の第1のp型AlGaN層61と複数の第2のp型AlGaN層62とが交互に並んでいる積層構造を有する。そして、複数の第2のp型AlGaN層62の各々は、複数の第1のp型AlGaN層61の各々よりも高い濃度でMgを含有している。よって、紫外線発光素子10では、複数の第2のp型AlGaN層62の各々のMgの濃度の高濃度化によるp型AlGaN層6の導電性の向上を図りながらも、p型AlGaN層6の結晶性の低下を抑制し、光出力の高出力化を図ることが可能となる。
ここで、複数の第1のp型AlGaN層61の各々の厚さは、5nm以上20nm以下であるのが好ましい。複数の第2のp型AlGaN層62の各々の厚さは、0.5nm以上5nm以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10では、複数の第1のp型AlGaN層61の各々のMgの濃度を8×1019cm-3以上2×1020cm-3以下とし、複数の第2のp型AlGaN層62の各々のMgの濃度を3×1020cm-3以上2×1021cm-3以下としても、p型AlGaN層6の結晶性の低下を抑制することが可能になり、光出力の高出力化を図ることが可能となる。0.5nmは、第2のp型AlGaN層62の格子定数に対応する値である。
紫外線発光素子10の駆動電圧を低減する観点から、p型AlGaN層6の厚さは、200nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。また、p型AlGaN層6の電気的特性の面内ばらつきを小さくする観点から、p型AlGaN層6の厚さは、30nm以上であるのが好ましく、50nm以上であるのがより好ましい。
複数の第1のp型AlGaN層61のMgの濃度は、同じであるが、互いに異なっていてもよい。また、複数の第1のp型AlGaN層61の厚さは、同じであるが、互いに異なっていてもよい。
複数の第2のp型AlGaN層62のMgの濃度は、同じであるが、互いに異なっていてもよい。また、複数の第2のp型AlGaN層62の厚さは、同じであるが、互いに異なっていてもよい。
紫外線発光素子10では、第1のp型AlGaN層61の数と第2のp型AlGaN層の数とが同じとしてあるが、異なっていてもよい。
負電極8は、n型AlGaN層3とオーミック接触を得るために、n型AlGaN層3の表面3aにおいて発光層4に覆われていない部位3aa上に形成されているコンタクト用電極である。負電極8は、一例として、第1のTi層とAl層と第2のTi層とAu層との積層膜(以下、「第1積層膜」ともいう)をn型AlGaN層3の部位3aa上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。一例として、第1積層膜における、第1のTi層、Al層、第2のTi層及びAu層の厚さは、それぞれ、20nm、50nm、20nm及び100nmである。
正電極9は、p型AlGaN層6とオーミック接触を得るために、p型AlGaN層6の表面6a上に形成されているコンタクト用電極である。正電極9は、一例として、Ni層とAu層との積層膜(以下、「第2積層膜」ともいう)をp型AlGaN層6の表面6a上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。一例として、第2積層膜における、Ni層及びAu層の厚さは、それぞれ、20nm、150nmである。
紫外線発光素子10は、負電極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、外部接続用電極である。第1パッド電極は、例えば、負電極8上のTi膜と当該Ti膜上のAu膜との積層膜である。第1パッド電極は、負電極8に電気的に接続される。第1パッド電極は、負電極8を覆っているのが好ましい。
また、紫外線発光素子10は、正電極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、外部接続用電極である。第2パッド電極は、例えば、正電極9上のTi膜と当該Ti膜上のAu膜との積層膜である。第2パッド電極は、正電極9に電気的に接続される。第2パッド電極は、正電極9を覆っているのが好ましい。
紫外線発光素子10は、UV−Cの波長域の紫外線を放射するように構成される場合に限らず、例えば、UV−Bの波長域の紫外線を放射するように構成されていてもよい。「UV−Bの波長域」とは、例えば国際照明委員会における紫外線の波長による分類によれば、280nm〜315nmである。
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それぞれの基板1の元になるウェハ(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、ウェハを準備した後、ウェハの前処理を行ってから、ウェハをエピタキシャル成長装置に導入し、その後、ウェハの第1面上に積層体20をエピタキシャル成長法により積層する。ウェハの第1面は、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、特に限定されず、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)を採用してもよい。積層体20の成長条件は、第1のバッファ層21、第2のバッファ層22、n型AlGaN層3、障壁層42(第2のAlGaN層)、井戸層41(第1のAlGaN層)、電子ブロック層5(第3のp型AlGaN層)、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62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、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、ウェハを支持するサセプタ(susceptor)の温度を代用することができる。例えば、基板温度は、熱電対により測定した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、ウェハの第1面上に積層体20を積層した後、積層体20が積層されている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、少なくともウェハと積層体20とを備えた構造体を、エピタキシャルウェハと称する。
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エピタキシャルウェハをアニール装置に導入し、電子ブロック層5、複数の第1のp型AlGaN層61及び複数の第2のp型AlGaN層62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、アニール装置からエピタキシャル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、上述の電気絶縁膜を形成する。電気絶縁膜は、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、電気絶縁膜を形成した後、負電極8を形成する。負電極8を形成するには、まず、エピタキシャルウェハの表面に、負電極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20nmの第1のTi層、厚さ50nmのAl層、厚さ20nmの第2のTi層及び厚さ100nmのAu層がこの順に積層された第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、負電極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、特に限定されない。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、特に限定されない。
紫外線発光素子10の製造方法では、負電極8を形成した後に、正電極9を形成する。正電極9を形成するためには、まず、エピタキシャルウェハの表面に、正電極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20nmのNi層と厚さ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、正電極9とp型AlGaN層6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、特に限定されない。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、特に限定されない。
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及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が複数形成されたエピタキシャル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、エピタキシャルウェハをダイシングソー(dicingsaw)などによって切断することで、1枚のエピタキシャル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、エピタキシャルウェハを切断する前に、ウェハの厚さを基板1の所望の厚さとするようにウェハを第1面とは反対の第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。
以下、一実施例の紫外線発光素子10について説明する。
一実施例の紫外線発光素子10における基板1は、サファイア基板である。基板1の一表面1aは、(0001)面である。
第1のバッファ層21は、厚さ4μmのAlN層である。第2のバッファ層22は、厚さ50nmのAl0.90Ga0.10N層である。
n型AlGaN層3は、厚さ2μmのn型Al0.60Ga0.40N層である。
発光層4における井戸層41(第1のAlGaN層)は、厚さ2nmのAl0.45Ga0.55N層である。発光層4における障壁層42(第2のAlGaN層)は、厚さ10nmのAl0.60Ga0.40N層である。発光層4は、井戸層41及び障壁層42それぞれの数が4つである。
電子ブロック層5(第3のp型AlGaN層)は、厚さ10nmのp型Al0.90Ga0.10N層である。
p型AlGaN層6における第1のp型AlGaN層61は、厚さ10nm、Mgの濃度1×1020cm-3のp型Al0.65Ga0.35N層である。p型AlGaN層6における第2のp型AlGaN層62は、厚さ2nm、Mgの濃度5×1020cm-3のp型Al0.65Ga0.35N層である。p型AlGaN層6は、第1のp型AlGaN層61及び第2のp型AlGaN層62それぞれの数が5つである。
一実施例の紫外線発光素子10の製造方法では、MOVPE装置の反応炉内において積層体20をエピタキシャル成長させた。
第1のバッファ層21を成長するときの原料ガスとしてはTMAl及びNH3を採用し、基板温度を1300℃とした。第2のバッファ層22を成長するときの原料ガスとしてはTMAl、TMGa及びNH3を採用し、基板温度を1100℃とした。
n型AlGaN層3を成長するときの原料ガスとしてはTMAl、TMGa、NH3を及びTESiを採用し、基板温度を1100℃とした。
発光層4を成長するときの原料ガスとしてはTMAl、TMGa及びNH3を採用し、基板温度を1100℃とした。
電子ブロック層5を成長するときの原料ガスとしてはTMAl、TMGa、NH3及びCp2Mgを採用し、基板温度を1100℃とした。
p型AlGaN層6を成長するときの原料ガスとしてはTMAl、TMGa、NH3及びCp2Mgを採用し、基板温度を1100℃とした。
一実施例の紫外線発光素子10では、20mAの直流電流を流したときに、発光ピーク波長が275nm、光出力が4.0mWであった。
比較例1の紫外線発光素子では、一実施例の紫外線発光素子10と基本構成を同様とし、多層構造のp型AlGaN層6の代わりに、厚さ60nm、Mgの濃度1×1020cm-3のp型AlGaN層を採用した。比較例1の紫外線発光素子では、20mAの直流電流を流したときに、発光ピーク波長が275nm、光出力が2.5mWであった。
比較例2の紫外線発光素子では、一実施例の紫外線発光素子10と基本構成を同様とし、多層構造のp型AlGaN層6の代わりに、厚さ60nm、Mgの濃度5×1020cm-3のp型AlGaN層を採用した。比較例2の紫外線発光素子では、20mAの直流電流を流したときに、発光ピーク波長が275nm、光出力が1.35mWであった。
以上説明した本実施形態の紫外線発光素子10は、n型AlGaN層3、発光層4及びp型AlGaN層6の順に並んでいる積層体20と、n型AlGaN層3の発光層4側の表面3aにおいて発光層4で覆われていない部位3aaに直接設けられている負電極8と、p型AlGaN層6の表面6a上に直接設けられている正電極9と、を備える。発光層4は、複数の障壁層42と複数の井戸層41とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層41の各々は、第1のAlGaN層により構成されている。複数の障壁層42の各々は、第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きな第2のAlGaN層により構成されている。n型AlGaN層3は、第1のAlGaN層(井戸層41)よりもAlの組成比が大きい。p型AlGaN層6は、複数の第1のp型AlGaN層61と複数の第2のp型AlGaN層62とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第1のp型AlGaN層61の各々は、第1のAlGaN層(井戸層41)よりもAlの組成比が大きく、かつMgを含有している。複数の第2のp型AlGaN層62の各々は、第1のAlGaN層(井戸層41)よりもAlの組成比が大きく、かつ複数の第1のp型AlGaN層61の各々よりも高い濃度でMgを含有している。よって、紫外線発光素子10は、光出力の高出力化を図ることが可能になる。
紫外線発光素子10では、複数の第2のp型AlGaN層62の各々は、複数の第1のp型AlGaN層61の各々よりも薄いのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、複数の第2のp型AlGaN層62の各々のMgの濃度を高くしつつp型AlGaN層6の結晶性の低下を抑制することが可能となり、光出力の高出力化を図ることが可能となる。
紫外線発光素子10では、複数の第2のp型AlGaN層62の各々の厚さは、0.5nm以上5nm以下であるのが好ましい。紫外線発光素子10は、複数の第2のp型AlGaN層62の各々の厚さが5nm以下であることにより、p型AlGaN層6の結晶性の低下を抑制することが可能となる。
紫外線発光素子10では、p型AlGaN層6の厚さ方向に沿ったMgの濃度プロファイルでは、複数の第1のp型AlGaN層61の各々のMgの濃度の最大値が8×1019cm-3以上2×1020cm-3以下であるのが好ましい。ここにおいて、Mgの濃度プロファイルは、SIMSによる深さプロファイルの測定結果である。紫外線発光素子10では、複数の第1のp型AlGaN層61の各々のMgの濃度の最大値が8×1019cm-3以上であることにより、複数の第1のp型AlGaN層61の各々の導電性を向上させることが可能となる。一方、紫外線発光素子10では、複数の第1のp型AlGaN層61の各々のMgの濃度の最大値が2×1020cm-3よりも高くなると、複数の第1のp型AlGaN層61の各々が単結晶でなくなって柱状構造の結晶の集合体となり、結晶性が低下してしまいかねない。本願発明者は、p型AlGaN層においてMgの濃度を段階的に変化させた評価用のサンプルを作製し、Mgの濃度の最大値が2×1020cm-3よりも高くなると、柱状構造の結晶の集合体となることを断面TEM像により確認しているためである。これに対して、紫外線発光素子10では、複数の第1のp型AlGaN層61の各々のMgの濃度の最大値が2×1020cm-3以下であることにより、複数の第1のp型AlGaN層61の各々の結晶性の低下を抑制することが可能となる。
紫外線発光素子10において、p型AlGaN層6の厚さ方向に沿ったMgの濃度プロファイルでは、複数の第2のp型AlGaN層62の各々のMgの濃度の最大値が3×1020cm-3以上2×1021cm-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、p型AlGaN層6の導電性が向上し、光出力の高出力化を図ることが可能となる。
紫外線発光素子10では、p型AlGaN層6において正電極9に接している最表層600は、複数の第2のp型AlGaN層62のうち発光層4から最も離れた第2のp型AlGaN層620であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10は、p型AlGaN層6と正電極9とのオーミック接触によるオーミック抵抗をより小さくすることが可能となる。
紫外線発光素子10では、発光層4は、UV−Cの紫外波長域又はUV−Bの紫外波長域の紫外線を放射するように構成されているのが好ましい。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41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は、積層体20を支持する基板1を備えるのが好ましい。積層体20は、基板1の一表面1a上に設けられている。n型AlGaN層3、発光層4及びp型AlGaN層6は、基板1の一表面1aからこの順に並んでいるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10では、積層体20の反りを抑制することが可能となる。基板1は、単結晶基板であり、サファイア基板であるのが好ましい。単結晶基板は、サファイア基板に限らず、例えば、SiC基板、AlN基板等でもよい。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を基板1の第2面1bから出射させることが可能となる。
紫外線発光素子10は、紫外線を放射するLEDチップに限らず、例えば、紫外線を放射するLDチップ(laser diode chip)でもよい。
上述の実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、本発明をそれに限定するものではない。また、本発明の構成は、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更を加えることが可能である。
1 基板
1a 一表面
3 n型AlGaN層
3a 表面
3aa 部位
4 発光層
41 井戸層
42 障壁層
6 p型AlGaN層
6a 表面
61 第1のp型AlGaN層
62 第2のp型AlGaN層
600 最表層
620 発光層から最も離れた第2のp型AlGaN層
8 負電極
9 正電極
10 紫外線発光素子
20 積層体

Claims (3)

  1. n型AlGaN層、発光層、電子ブロック層及びp型AlGaN層の順に並んでいる積層体と、
    前記n型AlGaN層の前記発光層側の表面において前記発光層で覆われていない部位に直接設けられている負電極と、
    前記p型AlGaN層の表面上に直接設けられている正電極と、
    を備え、
    前記発光層は、複数の障壁層と複数の井戸層とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有し、
    前記複数の井戸層の各々は、第1のAlGaN層により構成され、
    前記複数の障壁層の各々は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きな第2のAlGaN層により構成され、
    前記電子ブロック層は、第3のp型AlGaN層により構成され、
    前記n型AlGaN層は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きく、
    前記p型AlGaN層は、複数の第1のp型AlGaN層と複数の第2のp型AlGaN層とが交互に並んでいる積層構造を有し、
    前記複数の第1のp型AlGaN層の各々は、前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きく、かつ8×10 19 cm -3 以上2×10 20 cm -3 以下の濃度のMgを含有しており、
    前記複数の第2のp型AlGaN層の各々は、前記複数の第1のp型AlGaN層の各々よりも薄く、0.5nm以上5nm以下の厚みをもち、
    前記第1のAlGaN層よりもAlの組成比が大きく、かつ3×10 20 cm -3 以上2×10 21 cm -3 以下の濃度Mgを含有しており、
    前記第3のp型AlGaN層は、前記第1のp型AlGaN層及び前記第2のp型AlGaN層それぞれよりもAlの組成比が大きく、かつ前記第1のp型AlGaN層及び前記第2のp型AlGaN層のいずれのMgの濃度よりも低い濃度のMgを含有しており、
    前記p型AlGaN層において前記正電極に接している最表層は、前記複数の第2のp型AlGaN層のうち前記発光層から最も離れた第2のp型AlGaN層である、
    ことを特徴とする紫外線発光素子。
  2. 前記発光層は、UV−Cの紫外波長域又はUV−Bの紫外波長域の紫外線を放射するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の紫外線発光素子。
  3. 前記積層体を支持する基板を備え、
    前記積層体は、前記基板の一表面上に設けられ、
    前記n型AlGaN層、前記発光層及び前記p型AlGaN層は、前記一表面からこの順に並んでいる、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の紫外線発光素子。
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