JP7200068B2 - Light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、III 族窒化物半導体からなる発光素子に関するものであり、特に紫外発光の発光素子に関するものである。また、その発光素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a light-emitting device comprising a group III nitride semiconductor, and more particularly to a light-emitting device emitting ultraviolet light. The present invention also relates to a method for manufacturing the light emitting device.
III 族窒化物半導体からなる紫外発光素子の光出力を向上させる技術として、特許文献1がある。特許文献1では、サファイアからなる基板の表面を多段のテラス状にし、その基板上にIII 族窒化物半導体をステップフロー成長させることで発光層も多段のテラス状とすることが記載されている。発光層をこのような形状とすることで、段差部分にGaを偏析させ、光出力の向上を図っている。 Patent Document 1 discloses a technique for improving the light output of an ultraviolet light emitting device made of a Group III nitride semiconductor. Patent Document 1 describes that the surface of a substrate made of sapphire is formed into a multi-tiered terrace, and a group III nitride semiconductor is step-flow-grown on the substrate to form a multi-tiered terrace of a light-emitting layer. By forming the light-emitting layer into such a shape, Ga is segregated in the step portion, thereby improving the light output.
しかし、特許文献1のように発光層を多段のテラス状としても、Gaの偏析の割合は小さく、光出力の向上は十分でなかった。また、特許文献1では発光層が面内で均一に発光しない問題や、低抵抗化が十分でないという問題もあった。 However, even if the light-emitting layer has a multi-tiered terrace shape as in Patent Document 1, the ratio of Ga segregation is small, and the light output is not sufficiently improved. Moreover, in Patent Document 1, there are also problems that the light emitting layer does not emit light uniformly in the plane and that the resistance is not sufficiently reduced.
そこで本発明の目的は、発光効率が高いIII 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子を実現することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to realize a light-emitting device that emits ultraviolet light and is made of a group III nitride semiconductor with high light-emitting efficiency.
本発明は、n層と、n層上に位置する発光層と、発光層上に位置するp層と、を有したIII族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子において、n層および発光層は、AlとGaを含むIII族窒化物半導体からなり、n層表面および発光層表面は、おわん型の凸部が2次元的に分布した凹凸形状を有しており、凸部の中心近傍にらせん転位または複合転位が存在し、そのらせん転位または複合転位の近傍の領域は、他の領域よりもバンドギャップエネルギーが高く、キャリアに対してポテンシャルバリアとなる、ことを特徴とする発光素子である。 The present invention provides an ultraviolet light-emitting element composed of a Group III nitride semiconductor having an n-layer, a light-emitting layer positioned on the n-layer, and a p-layer positioned on the light-emitting layer, wherein the n-layer and the light-emitting layer is composed of a group III nitride semiconductor containing Al and Ga, and the surface of the n-layer and the light-emitting layer has an uneven shape in which bowl-shaped protrusions are distributed two-dimensionally. A light-emitting device characterized in that a screw dislocation or compound dislocation exists, and a region in the vicinity of the screw dislocation or compound dislocation has a higher bandgap energy than other regions and acts as a potential barrier to carriers. be.
凸部の高さは、2~10nm、凸部の直径は100~2000nmであり、n層表面および発光層表面の平均粗さは、2~10nmであることが好ましい。この範囲であれば、発光効率をより向上させることができる。 It is preferable that the height of the projections is 2 to 10 nm, the diameter of the projections is 100 to 2000 nm, and the average roughness of the n-layer surface and the light-emitting layer surface is 2 to 10 nm. Within this range, luminous efficiency can be further improved.
凸部の密度は、1×106 ~1×108 /cm2 であることが好ましい。この範囲であれば、発光効率をより向上させることができる。 The density of the protrusions is preferably 1×10 6 to 1×10 8 /cm 2 . Within this range, luminous efficiency can be further improved.
n層のSi濃度は、1×1019~5×1019/cm3 であることが好ましい。発光素子の低抵抗化を図ることができる。 The Si concentration of the n-layer is preferably 1×10 19 to 5×10 19 /cm 3 . It is possible to reduce the resistance of the light emitting element.
また本発明は、n層と、n層上に位置する発光層と、発光層上に位置するp層と、を有したIII族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子の製造方法において、n層および発光層は、AlとGaを含むIII族窒化物半導体からなり、n層は、成長温度を850~1100℃、V/III比を500~3200とし、さらに成長温度をT(℃)、V/III比をRとして、20T+R≦24000を満たす条件で形成することにより、n層表面および発光層表面を、おわん型の凸部が2次元的に分布した凹凸形状とし、凸部の中心近傍にらせん転位または複合転位が存在し、そのらせん転位または複合転位近傍の領域が他の領域よりもバンドギャップエネルギーが高く、キャリアに対してポテンシャルバリアとなるようにする、ことを特徴とする発光素子の製造方法である。 The present invention also provides a method for manufacturing an ultraviolet light-emitting device made of a Group III nitride semiconductor having an n-layer, a light-emitting layer positioned on the n -layer, and a p-layer positioned on the light-emitting layer, The layer and the light-emitting layer are made of a group III nitride semiconductor containing Al and Ga . The surface of the n-layer and the surface of the light-emitting layer are formed under the conditions satisfying 20T+R≦24000, where R is the V/III ratio. A light-emitting device characterized in that screw dislocations or compound dislocations are present in the region, and a region in the vicinity of the screw dislocations or compound dislocations has a higher bandgap energy than other regions and serves as a potential barrier to carriers. is a manufacturing method.
n層の形成は、成長温度を1000~1050℃、V/III比を1050~2200とすることが好ましい。発光効率をより向上させることができる。 The n-layer is preferably formed at a growth temperature of 1000-1050° C. and a V/III ratio of 1050-2200. Luminous efficiency can be further improved.
本発明によれば、凸部中心近傍が高Al組成であるためキャリアに対してポテンシャルバリアを形成し、キャリアが凸部中心のらせん転位や複合転位、あるいはその近辺の他の転位にトラップされないため、発光効率を向上させることができる。 According to the present invention, since the vicinity of the center of the projection has a high Al composition, a potential barrier is formed against carriers, and the carriers are not trapped by screw dislocations or composite dislocations at the center of the projection, or other dislocations in the vicinity thereof. , the luminous efficiency can be improved.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1の発光素子の構成を示した図である。実施例1の発光素子は、フリップチップ型の紫外発光素子であり、基板10と、バッファ層11と、nコンタクト層12と、発光層13と、電子ブロック層14と、pコンタクト層15と、透明電極16と、p電極17と、n電極18と、を有している。nコンタクト層12は、本発明のn層に相当し、電子ブロック層14およびpコンタクト層15は、本発明のp層に相当する。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a light-emitting device of Example 1. FIG. The light-emitting device of Example 1 is a flip-chip type ultraviolet light-emitting device, and includes a
(各層の構成)
まず、実施例1の発光素子の各層の構成について説明する。
(Composition of each layer)
First, the structure of each layer of the light emitting device of Example 1 will be described.
基板10は、サファイアからなる成長基板である。厚さは、たとえば900μmである。サファイア以外にも、AlN、Si、SiC、ZnOなどを用いることができる。
The
バッファ層11は、基板10上に位置している。バッファ層11は、核層、低温バッファ層、高温バッファ層の3層を順に積層した構造である。核層は、低温で成長させたノンドープのAlNからなり、結晶成長の核となる層である。核層の厚さは、たとえば10nmである。低温バッファ層は、核層よりも高温で成長させたノンドープのAlNからなる層である。低温バッファ層の厚さは、たとえば0.3μmである。高温バッファ層は、低温バッファ層よりも高温で成長させたノンドープのAlNからなる層である。高温バッファ層の厚さは、たとえば2.7μmである。このようなバッファ層11を設けることで、AlNの貫通転位の密度低減を図っている。
A
nコンタクト層12は、バッファ層11上に位置している。nコンタクト層12は、n-AlGaNからなる。Si濃度は1×1019~5×1019/cm3 とすることが好ましい。後述のように、実施例1の発光素子の発光効率向上と低抵抗化を両立できるためである。nコンタクト層12の構成の一例として、Al組成は62%、厚さは1.3μm、Si濃度は2×1019/cm3 である。
N-
発光層13は、nコンタクト層12上に位置する。発光層13は、井戸層が2層のMQW構造である。つまり、第1障壁層、第1井戸層、第2障壁層、第2井戸層、第3障壁層の順に積層された構造である。第1井戸層および第2井戸層は、n-AlGaNからなる。そのAl組成は、所望の発光波長に応じて設定される。第1障壁層、第2障壁層、および第3障壁層は、第1井戸層および第2井戸層よりもAl組成の高いn-AlGaNからなる。第1井戸層および第2井戸層の構成の一例として、Al組成は40%、厚さは2.4nm、Si濃度は9×1018/cm3 である。第1障壁層および第2障壁層の構成の一例として、Al組成は55%、厚さは19nm、Si濃度は9×1018/cm3 である。第3障壁層の構成の一例として、Al組成は55%、厚さは4nm、Si濃度は5×1018/cm3 である。
Light-emitting
電子ブロック層14は、発光層13上に位置している。電子ブロック層14は、第3障壁層よりもAl組成の高いp-AlGaNからなる。電子ブロック層14によって、電子がpコンタクト層15側に拡散してしまうのを抑制している。電子ブロック層14の構成の一例として、Al組成は80%、厚さは25nm、Mg濃度は5×1019/cm3 である。
The
pコンタクト層15は、電子ブロック層14上に位置している。pコンタクト層15は、第1pコンタクト層と第2pコンタクト層を順に積層した構造である。第1pコンタクト層および第2pコンタクト層は、p-GaNからなる。第1pコンタクト層の構成の一例として、厚さは700nm、Mg濃度は2×1019/cm3 である。また、第2pコンタクト層の構成の一例として、厚さは60nm、Mg濃度は1×1020/cm3 である。
A p-
pコンタクト層15表面の一部領域には溝が設けられている。溝はpコンタクト層15および発光層13を貫通し、nコンタクト層に達する深さである。この溝はn電極18を設けるためのものである。
A groove is provided in a partial region of the surface of the p-
透明電極16は、pコンタクト層15上に位置している。透明電極16の材料は、たとえばIZO、ITO、ICO、ZnOなどの透明導電性酸化物である。ここでいう透明は、可視光波長領域における透過率が高いことを意味する。
A
p電極17は、透明電極16上に位置している。p電極17は、Ni/Auなどである。
A p-
n電極18は、溝の底面に露出するnコンタクト層12上に位置している。n電極18は、Ti/Al/Ni、V/Al/Ni、V/Al/Ruなどである。
The n-
(各層の表面形状について)
次に、実施例1の発光素子の各層の表面形状について説明する。
(Regarding the surface shape of each layer)
Next, the surface shape of each layer of the light emitting device of Example 1 will be described.
nコンタクト層12の表面は、おわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状となっている(図2参照)。また、nコンタクト層12の表面はバッファ層11の表面に比べて凹凸が少なく、nコンタクト層12表面の平均粗さはバッファ層11の表面粗さに比べて小さい。
The surface of the n-
凸部20は、らせん転位の位置に対応して存在しており、凸部20の中心付近にらせん転位21が存在している。これは、凸部20がらせん転位21の回りに結晶がスパイラル成長したものであるためである。したがって、凸部20の密度は、らせん転位の密度におよそ一致している。なお、らせん転位21は、らせん転位と刃状転位の複合転位の場合もある。以下、らせん転位21と言った場合は複合転位の場合も含むものとする。また、凸部20には、刃状転位や複合転位(らせん転位と刃状転位の複合転位)も多く存在している。
The
凸部20の密度は、1×106 ~1×108 /cm2 であることが好ましい。この範囲であれば、発光効率をより向上させることができる。たとえば実施例1においては、凸部20の密度は7.8×107 /cm2 である。
The density of the
凸部20の好ましい形状は次の通りである。凸部20の高さHは、2~10nmである。凸部20の直径Wは、100~2000nmである。たとえば実施例1においては、凸部20の直径Wは200~800nmの範囲である。nコンタクト層12表面の平均粗さは、2~10nmである。nコンタクト層12表面の平均粗さは、発光層13における第1井戸層および第2井戸層の厚さよりも大きいことが好ましい。
A preferable shape of the
凸部20の中心近傍の領域(らせん転位21の近傍の領域)は、Al組成がnコンタクト層12の他の領域23よりも高い、または結晶の歪みによってバンドギャップエネルギーが他の領域23よりも大きくなっている高エネルギー領域22が存在している。この高エネルギー領域22は、平面視においておよそ円形であり、らせん転位21を中心に直径100~1000nmの円形である。高エネルギー領域22のバンドギャップエネルギーは、たとえば4.4~5eVであり、高エネルギー領域22と他の領域23とのバンドギャップエネルギー差は、たとえば0.1~0.6eVである。
The region near the center of the projection 20 (the region near the screw dislocation 21) has a higher Al composition than the
発光層13の表面は、nコンタクト層12の表面の表面形状をそのまま引き継いでいる。すなわち、おわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状であり、凸部20の中心付近にらせん転位21が存在し、らせん転位21の近傍の領域には高エネルギー領域22が存在している。凸部20の高さH、直径R、密度、発光層13の表面の平均粗さもnコンタクト層12表面と同様である。
The surface of the light-emitting
実施例1の発光素子では、発光層13の表面形状が上記のように設定されているため、発光効率が向上している。その理由を図3に示すエネルギーバンド図を基に説明する。図3は、発光層13の面内におけるエネルギーバンド図を模式的に示した図であり、凸部20の近傍について示している。おわん型の凸部20の中心付近にはらせん転位21が存在している。らせん転位21はトラップ準位を形成し、これにトラップされたキャリアは非発光結合する。そのため、らせん転位21は発光効率が低下する要因となっている。
In the light-emitting element of Example 1, the surface shape of the light-emitting
実施例1の発光素子では、らせん転位21の回りに高エネルギー領域22が形成されていて、発光層13の他の領域23よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。このため、高エネルギー領域22はキャリアに対してポテンシャルバリアを形成する。このポテンシャルバリアの存在により、らせん転位21やらせん転位21の近辺に存在する他の転位にトラップされるキャリアが少なくなり、非発光結合も低減する。また、その分、発光層13の他の領域23で発光結合するキャリアが増加する。このように、らせん転位21やその近辺の他の転位にトラップされるキャリアの減少と発光結合するキャリアの増加により、発光効率が向上する。
In the light emitting device of Example 1, the
以上、実施例1の発光素子では、発光層13の表面形状がおわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状であり、その凸部20中心近傍にらせん転位21が存在し、らせん転位21の回りに高エネルギー領域22が存在するため、発光効率が向上している。
As described above, in the light emitting device of Example 1, the surface shape of the
(実施例1の発光素子の製造方法について)
次に、実施例1の発光素子の製造方法について説明する。なお、III 族窒化物半導体の結晶成長にはMOCVD法を用い、窒素源としてアンモニア、Ga源としてトリメチルガリウム、Al源としてトリメチルアルミニウムを用いる。また、n型ドーパントガスとしてシラン、p型ドーパントガスとしてビス(シクロペンタジエニル)マグネシウムを用いる。また、キャリアガスとして水素、窒素を用いる。
(About the manufacturing method of the light-emitting element of Example 1)
Next, a method for manufacturing the light emitting device of Example 1 will be described. The MOCVD method is used for crystal growth of the Group III nitride semiconductor, and ammonia is used as a nitrogen source, trimethylgallium as a Ga source, and trimethylaluminum as an Al source. Silane is used as an n-type dopant gas, and bis(cyclopentadienyl)magnesium is used as a p-type dopant gas. Hydrogen and nitrogen are used as carrier gas.
まず、サファイアからなる基板10を用意する。そして、基板10上にバッファ層11を形成する。バッファ層11の形成は、まずスパッタによってAlNからなる核層を形成する。成長温度は、たとえば880℃である。つぎに、核層上に、MOCVD法によってAlNからなる低温バッファ層、高温バッファ層を順に形成する。低温バッファ層の成長条件は、たとえば成長温度が1090℃、成長圧力が5kPaである。また、高温バッファ層の成長条件は、たとえば成長温度が1270℃、成長圧力が5kPaである。
First, a
次に、バッファ層11上に、MOCVD法によってn-AlGaNからなるnコンタクト層12を形成する。成長温度は850~1100℃、V/III比は500~3200、成長圧力は2~20kPaとする。また、成長温度をT(℃)、V/III比をRとして、20T+R≦24000を満たすようにする。成長温度とV/III比をこのような範囲とすることで、らせん転位21を中心としてn-AlGaNをスパイラル成長させることができ、そのスパイラル成長した部分がおわん型の凸部20となる。その結果、nコンタクト層12の表面形状は、おわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状となる。また、このスパイラル成長は、ステップフロー成長(テラスからよりもステップからの成長が支配的な成長)であり、ステップでGaが取り込まれている。そのため、凹凸形状を多段のテラス形状とした従来に比べて、面内方向のGaの偏析が小さくなっている。また、このようにして凸部20を形成することで、凸部20中央付近のらせん転位21の回りに高エネルギー領域22を形成することができる。高エネルギー領域22のAl組成が高くなるのは、Alはマイグレーションしにくく、転位の周辺にトラップされやすいためである。逆に言えば、凸部20中央付近は他の領域23に比べて転位が多くなっている。
Next, an n-
また、上記成長温度において、nコンタクト層12のSi濃度は、1×1019~5×1019/cm3 とすることが好ましい。この範囲であれば、nコンタクト層12の表面形状を上記凹凸形状とすることによる発光効率の向上を図りつつ、nコンタクト層12の低抵抗化も図ることができる。
At the above growth temperature, the Si concentration of the n-
上記凹凸形状を形成するためのnコンタクト層12のより好ましい成長条件は次の通りである。成長温度は、1000~1050℃とすることが好ましい。また、V/III比は、1050~2200とすることが好ましい。
More preferable growth conditions for the n-
次に、nコンタクト層12上に、MOCVD法によって発光層13を形成する。発光層13の形成は、第1障壁層、第1井戸層、第2障壁層、第2井戸層、第3障壁層の順に積層して形成する。発光層13の成長条件は、たとえば成長温度が975℃、成長圧力が40kPaである。ここで、発光層13は十分に薄いため、nコンタクト層12の表面形状が引き継がれ、発光層13の表面形状はnコンタクト層12の表面形状とおよそ同一となる。すなわち、おわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状であり、凸部20中央付近のらせん転位21の回りに高エネルギー領域22を有している。
Next, a light-emitting
次に、発光層13上に、MOCVD法によって電子ブロック層14を形成する。電子ブロック層14の成長条件は、たとえば成長温度が1025℃、成長圧力が5kPaである。電子ブロック層14も薄いため、発光層13の表面形状が引き継がれる。
Next, an
次に、電子ブロック層14上に、MOCVD法によってpコンタクト層15を形成する。pコンタクト層15の形成は、第1pコンタクト層、第2pコンタクト層の順に積層して形成する。ここで、pコンタクト層15が成長するにしたがってその表面はnコンタクト層12や発光層13の表面に比べて平坦化していく。第1pコンタクト層の成長条件は、たとえば成長温度が1050℃、成長圧力が20kPaである。第2pコンタクト層の成長条件は、たとえば成長温度が1050℃、成長圧力が10kPaである。
Next, a p-
次に、pコンタクト層15表面の所定領域をドライエッチングし、nコンタクト層12に達する深さの溝を形成する。
Next, a predetermined region of the surface of the p-
次に、pコンタクト層15上に透明電極16を形成する。次に、透明電極16上にp電極17、溝の底面に露出するnコンタクト層12上にn電極を形成する。透明電極16、p電極17、およびn電極18は、スパッタや蒸着などによって形成する。以上によって実施例1の発光素子が製造される。
Next, a
(各種実験結果)
次に、実施例1の発光素子に関する各種実験結果について説明する。
(Results of various experiments)
Next, various experimental results regarding the light-emitting element of Example 1 will be described.
図4は、発光層13の表面を撮影したAFM像である。 図4(a)は成長温度1013℃、V/III比1587、図4(b)は成長温度1013℃、V/III比3174、図4(c)は成長温度1043℃、V/III比2116、図4(d)は成長温度1043℃、V/III比3174、図4(e)は成長温度1083℃、V/III比1058、図4(f)は成長温度1083℃、V/III比3174である。
FIG. 4 is an AFM image of the surface of the light-emitting
図4(a)~(c)、(e)では、発光層13の表面はおわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状を有しており、図4(d)、(f)では、発光層13の表面はテラス状の凹凸形状を有していた。この結果、発光層13の表面形状をおわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状とするためには、成長温度をT(℃)、V/III比をRとして、20T+R≦24000を満たすようにすることが必要であるとわかった。また、成長温度については、1100℃以下であればよいことがわかった。成長温度の下限については、n-AlGaNの結晶性などの点から850℃以上であればよいと考えられる。また、V/III比は500~3200の範囲であればよいことがわかった。
4(a) to (c) and (e), the surface of the
図5は、発光層13の発光強度分布を示した写真である。図5において、発光強度が高いほど明るく示されている。図5のように、複数の黒い点が分布していることがわかる。これは、転位の位置に対応している。
FIG. 5 is a photograph showing the emission intensity distribution of the
図6は、発光層13のCL像を示している。図6において、発光層13のAl組成が高い領域ほど明るく示されている。図6のように、円形の白い領域が複数見られる。この領域は、凸部20中央付近である。つまり、円形の白い領域は実施例1の高エネルギー領域22に対応している。
FIG. 6 shows a CL image of the light-emitting
また、図5の転位分布、図4、図6の凸部20の分布から、凸部20はらせん転位21を中心としてn-AlGaNがらせん状に結晶成長したものであり、凸部20中央付近にはらせん転位21が存在し、そのらせん転位21の回りに高エネルギー領域22が存在していることが推定される。
Further, from the dislocation distribution in FIG. 5 and the distribution of the
図7は、実施例1の発光素子の電流-光出力特性を示したグラフである。nコンタクト層12の成長条件は次のように変化させた。実施例1-1は、成長温度1013℃、V/III比1058とした。実施例1-2は、nコンタクト層12の成長温度1043℃、V/III比1058とした。また、比較例1は、成長温度1173℃、V/III比1058とした。
FIG. 7 is a graph showing current-light output characteristics of the light-emitting device of Example 1. FIG. The growth conditions of the n-
図7のように、実施例1の発光素子は、比較例1の発光素子に比べて光出力が大きく向上していることがわかった。また、nコンタクト層12の成長温度が低いほど光出力が向上することがわかった。
As shown in FIG. 7, it was found that the light output of the light emitting device of Example 1 was significantly improved as compared with the light emitting device of Comparative Example 1. It was also found that the lower the growth temperature of the n-
図8は、Al組成が62%のn-AlGaNの抵抗率とSi濃度との関係を示したグラフである。n-AlGaNの成長温度は1173℃、1043℃、1013℃の3パターンとした。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the resistivity of n-AlGaN with an Al composition of 62% and the Si concentration. Three patterns of 1173° C., 1043° C., and 1013° C. were used as the n-AlGaN growth temperature.
図8のように、成長温度がいずれの場合でも、Si濃度がある値までは抵抗率が減少し、ある値を超えると抵抗率が増加に転じる特性であり、下に凸の曲線を描く特性であった。1173℃の場合は、Si濃度が6×1018/cm3 のときに抵抗率が最小となり、そのときの抵抗率は2×10-2Ω・cmであった。また、1043℃の場合は、Si濃度が2×1019/cm3 のときに抵抗率が最小となり、そのときの抵抗率は7×10-3Ω・cmであった。また、1013℃の場合は、Si濃度が3×1019/cm3 のときに抵抗率が最小となり、そのときの抵抗率は3×10-3Ω・cmであった。このように、成長温度が低いほど抵抗率が最小となるSi濃度が高くなることがわかった。 As shown in FIG. 8, regardless of the growth temperature, the resistivity decreases up to a certain value of Si concentration, and when it exceeds a certain value, the resistivity turns to increase, and the characteristic that draws a downward convex curve. Met. At 1173° C., the resistivity was minimized when the Si concentration was 6×10 18 /cm 3 , and the resistivity at that time was 2×10 −2 Ω·cm. At 1043° C., the resistivity was minimized when the Si concentration was 2×10 19 /cm 3 , and the resistivity at that time was 7×10 −3 Ω·cm. At 1013° C., the resistivity was minimized when the Si concentration was 3×10 19 /cm 3 , and the resistivity at that time was 3×10 −3 Ω·cm. Thus, it was found that the lower the growth temperature, the higher the Si concentration at which the resistivity is minimized.
この結果から、nコンタクト層12の成長温度に合わせてSi濃度を適切な値とすることで、nコンタクト層12の抵抗率を低減できることがわかった。したがって、成長温度についてnコンタクト層12の表面形状をおわん型の凸部20が2次元的に分布した凹凸形状となる範囲とし、その成長温度においてSi濃度を適切な範囲とすれば、発光効率の向上を図りつつ、低抵抗化を図ることもできることがわかった。
From this result, it was found that the resistivity of the n-
図9は、n-AlGaNの凸部20のSTEM像であり、図9(a)はBF-STEM像、図9(b)はHAADF-STEM像である。n-AlGaNのAl組成は62%、成長温度は1013℃、V/III比は1058である。図9において、重い元素ほど白く写っている。つまり、Gaが多いほど白く、Alが多いほど黒く写っている。
9A and 9B are STEM images of the n-
図9(a)のように、凸部20の中央に垂直方向に伸びる転位(らせん転位)が存在することがわかった。また、らせん転位の近辺には、斜め方向に伸びる転位(複合転位)や、横方向に伸びる転位(刃状転位)が多数存在することがわかった。
As shown in FIG. 9( a ), it was found that a vertically extending dislocation (screw dislocation) was present in the center of the
また、図9(b)のように、凸部20の中心付近はほぼ明暗がなく、中心から少し離れた領域で外側に向かって縞模様の明暗が見られることがわかった。このことから、凸部20がスパイラル成長により形成されることがわかった。また、水平方向において明暗はほとんどないことから、スパイラル成長はステップフロー成長であり、ステップでGaを取り込みながら成長しており、そのためGaの偏析が小さいことがわかった。
Moreover, as shown in FIG. 9(b), there is almost no contrast in the vicinity of the center of the
(変形例)
実施例1の発光素子はフリップチップ型の素子であったが、本発明はフェイスアップ型の素子や縦方向に導通を取る縦型の素子に対しても適用できる。
(Modification)
Although the light-emitting device of Example 1 was a flip-chip type device, the present invention can also be applied to a face-up type device or a vertical device that conducts in the vertical direction.
本発明の発光素子は、実施例1の発光素子の層構成に限るものではなく、n層、発光層、p層が順に積層された構造であれば任意の構成の発光素子に適用できる。 The light-emitting device of the present invention is not limited to the layer structure of the light-emitting device of Example 1, and can be applied to a light-emitting device having any structure as long as it has a structure in which an n-layer, a light-emitting layer, and a p-layer are laminated in order.
本発明の発光素子は、紫外発光であれば波長は任意でよいが、UVB~UVC(波長200~350nm)に好適である。特に波長300nm以下のUVC帯の発光素子は発光効率を向上させることが難しかったが、本発明によればこれが可能となる。
The light-emitting element of the present invention may emit ultraviolet light at any wavelength, but is suitable for UVB to UVC (
本発明の発光素子は、殺菌、照明、樹脂硬化などに使用することができる。 The light-emitting device of the present invention can be used for sterilization, illumination, resin curing, and the like.
10:基板
11:バッファ層
12:nコンタクト層
13:発光層
14:電子ブロック層
15:pコンタクト層
16:透明電極
17:p電極
18:n電極
20:凸部
21:らせん転位
22:高エネルギー領域
10: substrate 11: buffer layer 12: n-contact layer 13: light emitting layer 14: electron blocking layer 15: p-contact layer 16: transparent electrode 17: p-electrode 18: n-electrode 20: convex portion 21: screw dislocation 22: high energy region
Claims (9)
前記n層および前記発光層は、AlとGaを含むIII族窒化物半導体からなり、
前記n層表面および前記発光層表面は、おわん型の凸部が2次元的に分布した凹凸形状を有しており、
前記凸部の中心近傍にらせん転位または複合転位が存在し、そのらせん転位または複合転位の近傍の領域は、他の領域よりもバンドギャップエネルギーが高く、キャリアに対してポテンシャルバリアとなる、
ことを特徴とする発光素子。 An ultraviolet emitting light emitting device made of a Group III nitride semiconductor having an n-layer, a light-emitting layer located on the n-layer, and a p-layer located on the light-emitting layer,
The n-layer and the light-emitting layer are made of a group III nitride semiconductor containing Al and Ga,
The n-layer surface and the light-emitting layer surface have an uneven shape in which bowl-shaped protrusions are two-dimensionally distributed,
A screw dislocation or composite dislocation is present near the center of the protrusion, and a region near the screw dislocation or composite dislocation has a higher bandgap energy than other regions and acts as a potential barrier against carriers.
A light emitting device characterized by:
前記n層表面および前記発光層表面の平均粗さは、2~10nmである、
ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 The height of the convex portion is 2 to 10 nm , the diameter of the convex portion is 100 to 2000 nm,
The average roughness of the n-layer surface and the light-emitting layer surface is 2 to 10 nm.
The light-emitting device according to claim 1, characterized in that:
前記n層および前記発光層は、AlとGaを含むIII族窒化物半導体からなり、
前記n層は、成長温度を850~1100℃、V/III比を500~3200とし、さらに成長温度をT(℃)、V/III比をRとして、20T+R≦24000を満たす条件で形成することにより、前記n層表面および前記発光層表面を、おわん型の凸部が2次元的に分布した凹凸形状とし、前記凸部の中心近傍にらせん転位または複合転位が存在し、そのらせん転位または複合転位の近傍の領域が他の領域よりもバンドギャップエネルギーが高く、キャリアに対してポテンシャルバリアとなるようにする、
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 In a method for manufacturing an ultraviolet light-emitting device made of a Group III nitride semiconductor having an n-layer, a light-emitting layer positioned on the n-layer, and a p-layer positioned on the light-emitting layer,
The n-layer and the light-emitting layer are made of a group III nitride semiconductor containing Al and Ga,
The n-layer is formed at a growth temperature of 850 to 1100° C., a V/III ratio of 500 to 3200, a growth temperature of T (° C.), a V/III ratio of R, and satisfying 20T+R≦24000. Thus, the surface of the n-layer and the surface of the light-emitting layer have an uneven shape in which bowl-shaped protrusions are two-dimensionally distributed, screw dislocations or compound dislocations are present near the centers of the protrusions, and the screw dislocations or compound dislocations so that the region near the dislocation has a higher bandgap energy than other regions and acts as a potential barrier to carriers ;
A method for manufacturing a light-emitting device, characterized by:
前記n層表面および前記発光層表面の平均粗さは、2~10nmである、
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の発光素子の製造方法。 The height of the convex portion is 2 to 10 nm , the diameter of the convex portion is 100 to 2000 nm,
The average roughness of the n-layer surface and the light-emitting layer surface is 2 to 10 nm.
7. The method of manufacturing a light-emitting device according to claim 5 or 6, characterized in that:
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