JP7390258B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
(半導体発光素子の構成)
図1は、本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。なお、図1に示す各構成要素の厚さの比は、必ずしも実際の半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。この半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう)には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)が含まれる。本実施の形態では、発光素子1として、中心波長が250nm~360nmの深紫外光を発する発光ダイオード(LED)を例に挙げて説明する。
図2は、サファイア基板10の表面の状態を模式的に示す図である。図2に示すように、サファイア基板10の結晶成長面10aは、サファイア基板10の基面10bに対して所定の大きさのオフ角θ0で傾斜するテラス幅W0の複数のテラス面Tが段差Sを介して連続した形状を備えている。
h1<h2-h1・・(1)
を満たしている。
バッファ層11は、AlNやAlGaNにより形成されている。バッファ層11は、凹部2の深さの2倍~150倍程度の厚みを有している。バッファ層11を平坦にするため、バッファ層11の厚みは、1.5μm以上4.5μm以下が好ましい。バッファ層11は、単層でも多層構造でもよい。
n型クラッド層12は、バッファ層11上に形成されている。n型クラッド層12は、n型のAlGaNにより形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAlGaN層である。なお、n型の不純物としては、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)等を用いてもよい。n型クラッド層12は、1μm~4μm程度の厚みを有しており、好ましくは2μm以上3μm以下である。n型クラッド層12は、単層でもよく、多層構造でもよい。
発光層13は、n型クラッド層12上に形成されている。発光層13は、n型クラッド層12側からAlGaNやAlNからなる障壁層130、AlGaNやGaNからなる井戸層131とを交互に積層した層である。発光層13は、波長350nm以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが3.4eV以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、発光層13に障壁層130及び井戸層131を各3層ずつ設けた多重量子井戸構造としたが、障壁層130及び井戸層131は、必ずしも3層に限定されるものではなく、2層でもよく、4層以上でもよい。また、障壁層130及び井戸層131をそれぞれ1層ずつ設けた単一量子井戸構造でもよい。
p型半導体層14は、発光層13上に形成されている。p型半導体層14は、発光層13側からp型のAlGaNからなるp型クラッド層140、p型のAlGaNやGaNからなるp型コンタクト層141を有する。なお、p型クラッド層140は、必須の構成ではない。また、発光層13上にAlNやAlGaNからなる電子ブロック層を積層した後、p型半導体層14を積層してもよい。p型の不純物としてはマグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いてよく、マグネシウム(Mg)を用いるのが好ましい。p型半導体層14は、10nmから1000nm程度の厚みを有しており、好ましくは30nm以上800nm以下である。
次に、発光素子1の製造方法について説明する。まず、サファイア基板10の結晶成長面10aに凹部2を形成する。以下、サファイア基板10の結晶成長面10aに凹部2を形成する一例を説明する。サファイア基板10の結晶成長面10aに、凹凸パターンに対応する形状を有するマスク(以下、「第1のマスク」ともいう。)を形成する。第1のマスクは、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)で形成された膜を用いてよい。
発明者らは、上述した製造方法を用いて、本発明の実施の形態に係る3つの発光素子1(以下、「実施例1~3」ともいう。)を作製した。以下、図6(a)~(c)に、実施例1~3に対して原子間力顕微鏡法(Atomic Force Microscope)により得られた凹部2の断面形状を示す。なお、図6各図の縦軸は、124.5nmを1単位として規格化して示している。また、ピッチ間隔Pは、いずれも1000.0nmであった。
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
[2]前記第2のテーパ角(θ2)は、前記第1のテーパ角(θ1)よりも大きい、前記[1]に記載の半導体発光素子(1)。
[3]前記第1のテーパ角(θ1)は、90°以上150°以下であり、前記第2のテーパ角(θ2)は、100°以上160°以下である、前記[2]に記載の半導体発光素子(1)。
[4]前記第2の穴部(22)の深さ(h2-h1)は、前記第1の穴部(21)の深さ(h1)よりも深い、前記[1]乃至[3]のいずれか1つに記載の半導体発光素子(1)。
[5]前記第1の穴部の深さ(h1)は、50nm以上400nm以下である、前記[1]乃至[4]のいずれか1つに記載の半導体発光素子(1)。
[6]前記複数の凹部(2)のうち隣接する凹部(2)間の距離(L)は、500nmよりも小さい、前記[1]乃至[5]のいずれか1つに記載の半導体発光素子(1)。
[7]前記複数の凹部(2)は、前記サファイア基板(10)の前記結晶成長面(10a)において、千鳥状に配置されている、前記[1]乃至[6]のいずれか1つに記載の半導体発光素子(1)。
[8]前記複数の凹部(2)の開口形状は、円形である、前記[1]乃至[7]のいずれか1つに記載の半導体発光素子(1)。
[9]前記サファイア基板(10)の前記結晶成長面(10a)は、オフ角を0.2°以上1.5°以下とした複数のテラス面(T)が段差(S)を介して連続した形状を備える、前記[1]乃至[8]のいずれか1つに記載の半導体発光素子(1)。
10…サファイア基板
10a…結晶成長面
11…バッファ層
12…n型クラッド層
13…発光層
130…障壁層
131…井戸層
14…p型半導体層
140…p型クラッド層
141…p型コンタクト層
15…p側電極
16…n側電極
2…凹部
2a…底面
2b…内周面
21…第1の穴部
21a…第1の内周面
22…第2の穴部
22a…第2の内周面
23…変曲点
θ0…オフ角
θ1…第1のテーパ角
θ2…第2のテーパ角
Claims (9)
- サファイア基板と、前記サファイア基板上の結晶成長面上に形成されたn型半導体層、深紫外光を出射する発光層及びp型半導体層を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子であって、
前記サファイア基板は、前記結晶成長面から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる形状の複数の凹部を前記結晶成長面に含み、
前記複数の凹部は、底面と、該底面に対して第1のテーパ角で傾斜する第1の内周面と、により形成された第1の穴部と、該第1の穴部と前記半導体積層構造体側で連通し、前記底面に対して第2のテーパ角で傾斜する第2の内周面により形成された第2の穴部と、により構成されており、
前記第2の穴部の深さは、前記第1の穴部の深さよりも深い、
半導体発光素子。 - 前記第2のテーパ角は、前記第1のテーパ角よりも大きい、
請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記第1のテーパ角は、90°以上150°以下であり、
前記第2のテーパ角は、100°以上160°以下である、
請求項2に記載の半導体発光素子。 - 前記第1の穴部の深さに対する前記凹部の深さの比率は、2.5を超える、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記第1の穴部の深さは、50nm以上400nm以下である、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の凹部のうち隣接する凹部間の距離は、226.0nmよりも大きく、500nmよりも小さい、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の凹部は、前記サファイア基板の前記結晶成長面において、千鳥状に配置されている、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の凹部の開口形状は、円形である、
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記サファイア基板の前記結晶成長面は、オフ角を0.2°以上1.5°以下とした複数のテラス面が段差を介して連続した形状を備える、
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
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