JPWO2021260850A5

JPWO2021260850A5 -

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Publication number: JPWO2021260850A5
Application number: JP2022531323A
Authority: JP
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2040-06-24

Description

更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｎ型層の前記層状領域外のｎ型本体領域のＡｌＮモル分率が５４％～６６％の範囲内にあることが好ましい。

ここで、井戸層が２層以上の多重量子井戸構造では、最もｐ型層側の井戸層において発光強度が大きいため、当該井戸層のｎ型層側のバリア層において、第３Ｇａ富化領域が形成されていることで、上述のキャリアの井戸層への供給がより効率的に行うことができる。

図６より、井戸層２２０の膜厚が４ＭＬ～１４ＭＬの範囲内では、井戸層２２０の膜厚が小さくなるほど、井戸層２２０への量子閉じ込め効果が大きくなり、発光波長が短波長化していること、更に、バリア層２２１のＡｌＮモル分率が大きくなるほど、井戸層２２０の膜厚の変化に対する発光波長の変化の程度が大きくなることが分かる。また、井戸層２２０の膜厚及びバリア層２２１のＡｌＮモル分率の上記範囲内において、発光波長が、概ね２６１ｎｍ～３２８ｎｍの範囲で変化することが分かる。更に、バリア層２２１をＡｌＮで構成すると、発光波長を更に拡張することができる。図６中に一点鎖線で示す発光波長２７７ｎｍと３１５ｎｍは、本実施形態の発光素子１において想定される発光波長の制御範囲（下限及び上限）である。井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａにＡｌＧａＮ組成比がＡｌ１Ｇａ２Ｎ３となっている準安定ＡｌＧａＮが支配的に存在する結果、一例として、井戸層２２０の膜厚を、バリア層２２１のＡｌＮモル分率に応じて、５ＭＬ～１４ＭＬの範囲内で設定することで、発光波長を２７７ｎｍ～３１５ｎｍの範囲内に制御し得る。

第１Ｇａ富化領域２１ａ内には、ＡｌＮモル分率が５０％の準安定ｎ型領域が安定的に存在しており、ｎ型クラッド層２１のＡｌＮモル分率の目標値Ｘａが５４％～６６％であるので、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率５０％とｎ型本体領域２１ｂの平均的なＡｌＮモル分率Ｘｂとの差（Ｘｂ－５０％）は安定的に４％以上が確保され、ｎ型層内のキャリアは、ｎ型本体領域２１ｂよりバンドギャップエネルギの小さい第１Ｇａ富化領域２１ａ内に局在化する。更に、目標値Ｘａの上限が６６％であるので、ｎ型本体領域２１ｂ内において、ＡｌＧａＮ組成比がＡｌ２Ｇａ１Ｎ３の準安定ＡｌＧａＮが支配的に形成されることはない。仮に、目標値Ｘａの上限が６７％以上であると、ｎ型本体領域２１ｂ内にＡｌ２Ｇａ１Ｎ３の準安定ＡｌＧａＮが安定的に形成され、当該Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３の準安定ＡｌＧａＮから、第１Ｇａ富化領域内に、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２の準安定ＡｌＧａＮ（準安定ｎ型領域）を安定的に形成するためのＧａを十分に供給することが困難となる。従って、目標値Ｘａの上限を６６％に設定することで、第１Ｇａ富化領域２１ａにＡｌＮモル分率が５０％の準安定ｎ型領域を安定的に形成することが可能となる。

次に、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法により、上記要領で積層した窒化物半導体層２１～２５の第２領域Ｒ２を、ｎ型クラッド層２１の上面が露出するまで選択的にエッチングして、ｎ型クラッド層２１の上面の第２領域Ｒ２部分を露出させる。そして、電子ビーム蒸着法などの周知の成膜法により、エッチングされていない第１領域Ｒ１内のｐ型コンタクト層２５上にｐ電極２６を形成するとともに、エッチングされた第２領域Ｒ２内のｎ型クラッド層２１上にｎ電極２７を形成する。尚、ｐ電極２６及びｎ電極２７の一方または両方の形成後に、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等の周知の熱処理方法により熱処理を行ってもよい。

以上より、上述した各走査位置における±２～３％程度の測定誤差、及び、第１Ｇａ富化領域２１ａに関して横方向に整列した複数のプローブ箇所の平均的なＡｌＮモル分率が準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率より高い値を示す可能性を考慮すると、測定領域Ａ～Ｆの各領域Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２、Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１～Ｆ４の第１Ｇａ富化領域２１ａ内において、ＡｌＮモル分率５０％の準安定ｎ型領域の存在が確認できる。更に、第１Ｇａ富化領域２１ａは、ｎ型クラッド層２１の上面に近い上方部分の測定領域Ａ～Ｃ、中央部分の測定領域Ｄ、ＡｌＮ層１２に近い下方部分の測定領域Ｅ及びＦのそれぞれに存在し、ｎ型クラッド層２１内において一様に分散して存在していることが分かる。

更に、図１０Ａ～図１０Ｆより、測定領域Ａ～Ｆの各領域Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２、Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１～Ｆ４に隣接するｎ型本体領域２１ｂ内のＡｌＮモル分率が約５５％～約５９％の範囲内にあることが確認できる。上述したように、ＥＤＸ測定に使用した試料のｎ型クラッド層２１のＡｌＮモル分率の目標値は５８％であるので、各走査位置における±２～３％程度の測定誤差、及び、ｎ型本体領域２１ｂに関して横方向に整列した複数のプローブ箇所の平均的なＡｌＮモル分率がｎ型本体領域２１ｂの平均的なＡｌＮモル分率より高いまたは低い値を示す可能性を考慮すると、図１０Ａ～図１０Ｆがｎ型本体領域２１ｂのＡｌＮモル分率を精度良く表していることが分かる。

一方、測定領域ｅの第２のＣＬスペクトルでは、ピーク波長が約２６８ｎｍであり、ＡｌＮモル分率に換算すると、約５４％に相当する。約２６８ｎｍのピーク波長は、準安定ｎ型領域に対応するＣＬ波長（約２７５ｎｍ）より約７ｎｍ短くなっている。また、測定領域ｅの第２のＣＬスペクトルには、準安定ｎ型領域に対応する約２７５ｎｍのＣＬ波長が、ピーク強度の約４６％の発光強度で含まれている。これらは、測定領域ｅの第２のＣＬスペクトルが、測定領域ａ～ｄ及びｆと同様に、第１Ｇａ富化領域２１ａ内の準安定ｎ型領域と準安定近傍ｎ型領域の各ＣＬスペクトルと、ｎ型本体領域２１ｂのＣＬスペクトルの合成スペクトルとして現れていること示している。但し、測定領域ｅの第２のＣＬスペクトルでは、測定領域ａ～ｄ及びｆと比べて、合成スペクトルに占める準安定ｎ型領域のＣＬスペクトルの割合が小さくなっている。

第２実施形態では、第１実施形態におけるｎ型クラッド層２１の第１Ｇａ富化領域２１ａ及び井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａと同様に、バリア層２２１の第３Ｇａ富化領域２２１ａも、第１または第２の準安定ＡｌＧａＮで構成するのが好ましい。ここで、バリア層２２１全体のＡｌＮモル分率が５０％～９０％の範囲内であるので、第３Ｇａ富化領域２２１ａに適用可能な第１の準安定ＡｌＧａＮは、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３、または、Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６となる。また、第２の準安定ＡｌＧａＮのＡｌ７Ｇａ５Ｎ１２とＡｌ３Ｇａ１Ｎ４も第３Ｇａ富化領域２２１ａ
に適用可能と考えられるが、敢えて使用するのであれば、より安定度の高いＡｌ３Ｇａ１Ｎ４が好ましい。尚、第２の準安定ＡｌＧａＮのＡｌ１１Ｇａ１Ｎ１２は、Ａｌの組成比が高過ぎるため、移動し易いＧａが対称配列となるサイトに入るまでに、量的に多いＡｌがランダムにサイトに入ることで、ＡｌとＧａの原子配列が対称配列とならない可能性が高くなり、ＡｌとＧａの原子配列はランダムな状態に近くなり、上述の安定度が低下するため、第３Ｇａ富化領域２２１ａには適用困難と考えられる。

（３）上記実施形態では、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状は、一例として、櫛形形状のものを採用したが、該平面視形状は、櫛形形状に限定されるものではない。また、第１領域Ｒ１が複数存在して、夫々が、１つの第２領域Ｒ２に囲まれている平面視形状であってもよい。

Claims

サファイア基板を含む下地部を、さらに備え、
前記サファイア基板は、（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した主面を有し、当該主面の上方に前記発光素子構造部が形成されており、
少なくとも前記サファイア基板の前記主面から前記活性層の表面までの各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
前記第２工程において、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された前記井戸層とＡｌＧａＮ系半導体で構成されたバリア層を交互にエピタキシャル成長により積層し、前記バリア層と前記井戸層の各表面に（０００１）面に平行な多段状のテラスが表出した、前記井戸層を２層以上含む多重量子井戸構造の前記活性層を形成することを特徴とする請求項８～１０の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。