KR101995152B1 - 질화물 반도체 자외선 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

질화물 반도체 자외선 발광 소자는, (0001) 면에 대해 경사짐으로써 다단상의 테라스가 형성된 표면을 갖는 사파이어로 이루어지는 기판과, 기판의 표면 상에 형성되는 AlN 층을 포함하는 하지부와, 하지부의 표면 상에 형성되는, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층을 포함하는 발광부를 구비한다. 적어도 하지부의 AlN 층, 발광부에 있어서의 활성층 및 그 사이의 각 층이, 다단상의 테라스의 측면이 성장함으로써 이차원 성장하는 스텝 플로 성장에 의해 형성되어 있고, 활성층이, AlGaN 으로 구성되는 우물층을 적어도 1 개 포함하는 양자 우물 구조를 갖고, 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 된다.

Description

질화물 반도체 자외선 발광 소자
본 발명은 사파이어로 이루어지는 기판의 상측에 AlGaN 계의 활성층을 형성하여 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 피크 발광 파장이 자외 영역에 있는 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 관한 것이다.
종래, GaN 계의 질화물 반도체를 활성층에 사용한 질화물 반도체 청색 발광 소자가 널리 보급되어 있다. 그러나, 이보다 발광 파장이 짧은 AlGaN 계의 질화물 반도체를 활성층에 사용한 질화물 반도체 자외선 발광 소자는 여전히 충분하게는 보급되어 있지 않다.
이 한 요인으로서, 주로 AlN 및 GaN 의 혼정으로 이루어지는 AlGaN 계의 질화물 반도체에서는, GaN 에 있어서의 Ga 와 N 의 결합력과 비교하여, AlN 에 있어서의 Al 과 N 의 결합력이 매우 크다는 특수한 사정이 있기 때문에, 고품질의 결정의 성장이 어렵다는 것을 들 수 있다. 특히, AlGaN 계의 질화물 반도체의 성장 방법으로서, 이미 확립되어 있는 GaN 계의 질화물 반도체의 성장 방법을 채용했다고 하더라도, GaN 과 동일한 정도의 고품질의 결정을 제조할 수 없기 때문에 문제가 된다.
그래서, AlGaN 계의 질화물 반도체의 결정성을 개선시키기 위한 여러 가지 방법이, 예를 들어 특허문헌 1 ∼ 4 에 있어서 제안되어 있다. 구체적으로, 특허문헌 1 에서는, 사파이어 기판 상의 버퍼층을, AlN 과 GaN 이 교대로 적층된 복수의 페어층으로 형성함으로써, AlN 에 발생한 크랙이 상방으로 연장되는 것을 억제하는 방법이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 2 에서는, 사파이어 기판 상에 AlN 으로 이루어지는 버퍼층을 형성할 때에, N 의 원료 가스인 NH3 을 펄스 공급하는 기간을 둠으로써, AlN 층의 성장 속도를 국소적으로 저감시켜 관통 전위를 감소시키는 방법이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 3 에서는, 사파이어 기판 상에 형성한 AlGaN 으로 이루어지는 도 (島) 상의 핵을, 당해 핵보다 Al 조성비가 큰 AlGaN 버퍼층으로 다 덮음으로써, 관통 전위를 감소시키는 방법이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 4 에서는, 사파이어 기판의 오프각을 최적화함으로써, 기판의 상방에 형성되는 AlGaN 계의 질화물 반도체의 결정성을 개선하는 방법이 제안되어 있다.
일본 공개특허공보 2006-66641호 일본 공개특허공보 2009-54780호 일본 공개특허공보 2013-222746호 국제 공개 제2013/021464호 팜플렛
상기 특허문헌 1 ∼ 4 에서 제안되어 있는 방법은, 모두 기판 또는 기판 표면에 형성되는 버퍼층을 최적화함으로써, 그 상방에 형성되는 질화물 반도체층의 결정성의 개선을 도모하는 것이다.
확실히 결정 성장의 개시 지점인 기판이나 버퍼층을 최적화하면, 그 상방의 질화물 반도체층의 결정성의 개선을 기대할 수 있다. 그러나, 이와 같은 방법으로 개선을 기대할 수 있는 것은, 크랙이나 관통 전위 등의 하지로부터 상방의 각 층으로 전파되는, 소자 전체에 발생하는 결함뿐이다. 그 때문에, 이들 방법을 채용했을 때, 발광이 발생하는 활성층이 반드시 최적화된다고는 할 수 없다. 따라서, 상기 특허문헌 1 ∼ 4 에서 제안되는 방법을 채용함으로써 얻어지는 질화물 반도체 자외선 발광 소자에서는, 반드시 광 출력이 개선된다고는 할 수 없기 때문에 문제가 된다.
그래서, 본 발명은 광 출력이 양호한 활성층을 갖는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (0001) 면에 대해 경사짐으로써 다단상의 테라스가 형성된 표면을 갖는 사파이어로 이루어지는 기판과, 상기 기판의 표면 상에 형성되는 AlN 층을 포함하는 하지부와, 상기 하지부의 표면 상에 형성되는, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층을 포함하는 발광부를 구비하고, 적어도 상기 하지부의 상기 AlN 층, 상기 발광부에 있어서의 상기 활성층 및 그 사이의 각 층이, 다단상의 테라스의 측면이 성장함으로써 이차원 성장하는 스텝 플로 성장에 의해 형성되어 있고, 상기 활성층이, AlXGa1-XN (0 ＜ X ＜ 1) 으로 구성되는 우물층을 적어도 1 개 포함하는 양자 우물 구조를 갖고, 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 상기 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 제공한다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 활성층의 표면에 있어서의 평균 조도가 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되는 스텝 플로 성장에 의해, 활성층 (특히, 우물층) 에 있어서 Ga 의 편석을 발생시킴으로써, 활성층의 광 출력을 증대시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가 3 ㎚ 이상이 되도록 하면 바람직하다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 활성층 (특히, 우물층) 에 있어서, Ga 의 편석이 충분히 발생한다. 그 때문에, 활성층의 광 출력을 충분히 증대시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가 6 ㎚ 이하가 되도록 하면 바람직하다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 활성층의 광 출력을 현저하게 증대시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 발광부에 포함되는, 상기 활성층의 직전에 형성되는 층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 상기 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되도록 하면 바람직하다. 또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 활성층과 상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 직전에 형성되는 층의 각각의 표면에 있어서의 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도의 차분의 절대값을, 상기 활성층의 표면에 있어서의 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도로 나눈 비율이, 10 ％ 이하가 되도록 하면 바람직하다.
이들 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 성장 표면에 있어서의 평균 조도가 유지된 균일한 성장에 의해 활성층이 형성되기 때문에, 활성층 (특히, 우물층) 에 있어서 Ga 의 편석을 확실하게 발생시킬 수 있다. 따라서, 활성층의 광 출력을 증대시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 하지부에 포함되는 상기 AlN 층의 표면에 있어서, 상면에서 보았을 때, 상기 기판의 경사 방향에 있어서의 테라스의 평균적인 폭이, 0.3 ㎛ 이상 또한 1 ㎛ 이하이면 바람직하다. 또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 하지부에 포함되는 상기 AlN 층의 표면에 있어서, 테라스가 형성하는 단차의 평균적인 높이가 8 ㎚ 이상 또한 14 ㎚ 이하이면 바람직하다.
이들 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 이 AlN 층을 갖는 하지부의 표면 상에 발광부를 형성함으로써, 상기 서술한 바와 같은 스텝 플로 성장에 의해 Ga 의 편석이 발생하기 때문에 광 출력이 양호한 활성층을 얻을 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 높이의 도수 분포가, 높이가 0 으로부터 증대됨에 따라, 아래로 볼록한 곡선에서 위로 볼록한 곡선으로 변곡되면서 단조 증가하여 극대값을 취한 후, 위로 볼록한 곡선에서 아래로 볼록한 곡선으로 변곡되면서 단조 감소하는 곡선상이 되면 바람직하다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 힐록의 영향이 작고 스텝 플로 성장이 지배적인 것으로부터 Ga 의 편석이 발생하여 광 출력이 양호한 활성층을 얻을 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 피크 발광 파장이 230 ㎚ 이상 또한 340 ㎚ 이하이면 바람직하다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 활성층 (특히, 우물층) 에 있어서 Ga 의 편석을 충분히 발생시켜 광 출력을 증대시킴과 함께, 발광 스펙트럼의 형상이 무너지거나 발광 강도가 저하되거나 하는 등의 문제가 잘 일어나지 않게 할 수 있다.
상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 활성층의 표면에 있어서의 평균 조도가 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되는 스텝 플로 성장에 의해, 활성층 (특히, 우물층) 에 있어서 Ga 의 편석을 발생시킴으로써, 활성층의 광 출력을 증대시킬 수 있다. 따라서, 광 출력이 양호한 활성층을 갖는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 얻는 것이 가능해진다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 발광 소자의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 요부 단면도.
도 2 는 원자 레벨까지 확대한 오프 기판의 표면 상태를 모식적으로 나타낸 사시도.
도 3 은 p 전극 및 n 전극측에서 본 발광 소자를 모식적으로 나타낸 평면도.
도 4 는 시료 1 ∼ 5 의 활성층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 5 는 시료 1 ∼ 5 의 활성층의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포를 나타내는 히스토그램.
도 6 은 시료 1 에 있어서의 n 형 클래드층 및 활성층의 각각의 표면 상태를 비교하여 나타내는 도면.
도 7 은 시료 3 에 있어서의 n 형 클래드층 및 활성층의 각각의 표면 상태를 비교하여 나타내는 도면.
도 8 은 시료 4 에 있어서의 n 형 클래드층 및 활성층의 각각의 표면 상태를 비교하여 나타내는 도면.
도 9 는 시료 1 ∼ 5 의 발광 특성 (광 출력) 을 나타내는 그래프.
도 10 은 시료 1 ∼ 5 의 발광 특성 (피크 발광 파장, 반치폭) 을 나타내는 그래프.
도 11 은 시료 1 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 12 는 시료 A 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 13 은 시료 2 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 14 는 시료 3 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 15 는 시료 4 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 16 은 시료 5 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지.
도 17 은 우물층의 AlN 몰 분율 (피크 발광 파장) 이 상이한 복수의 시료의 발광 스펙트럼을 나타내는 스펙트럼도.
도 18 은 각 시료의 피크 발광 파장과 반치폭의 관계를 나타내는 그래프.
본 발명에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (이하, 간단히 「발광 소자」라고 약칭한다) 의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다. 이하에서 설명하는 실시형태는, 본 발명에 관련된 발광 소자를 발광 다이오드로 하여 실시한 경우의 하나의 형태에 지나지 않으며, 본 발명은 하기의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 관련된 발광 소자는, 반도체 레이저 등 다른 발광 소자로 하여 실시하는 것도 가능하고, 하기의 실시형태와는 상이한 구성의 발광 다이오드로 하여 실시할 수도 있다.
＜발광 소자의 구조예＞
먼저, 본 발명의 실시형태에 관련된 발광 소자의 구조의 일례에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 발광 소자의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 요부 단면도이다. 또한, 도 1 에서는, 설명의 이해를 용이하게 하기 위해, 요부를 강조하여 발명 내용을 모식적으로 나타내고 있기 때문에, 각 부의 치수비는 반드시 실제의 소자와 같은 치수비로는 되어 있지 않다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관련된 발광 소자 (1) 는, 하지부 (10) 와, 당해 하지부 (10) 의 표면 (도 1 중의 상측의 면. 또한, 도 1 중의 하측의 면은 「이면」이라고 칭한다. 이하 동일.) 에 형성되는 발광부 (20) 와, 발광 소자 (1) (특히, 발광부 (20)) 에 전력을 공급하기 위한 p 전극 (30) 및 n 전극 (40) 을 구비한다. 하지부 (10) 는, 발광부 (20) 를 형성하기 위한 토대에 상당하는 부분이다. 발광부 (20) 는, 발광에 필요한 각종 층에 의해 구성되는 부분이다.
하지부 (10) 는, 사파이어로 이루어지는 기판 (11) 과, 당해 기판 (11) 의 표면 상에 형성된 AlN 으로 구성되는 AlN 층 (12) 을 구비한다. 이 AlN 층 (12) 은, 약 1150 ∼ 1300 ℃ 가 되는 높은 온도에서, 기판 (11) 의 표면에 대해 AlN 을 에피택셜 성장시킨 것이다. 또한, 도 1 에 나타내는 발광 소자 (1) 에서는, 하지부 (10) 가, 기판 (11) 상에 AlN 층 (12) 만을 구비하고 있는 것처럼 도 시되어 있지만, 필요에 따라 AlN 층 (12) 이외의 층을 구비해도 된다. 예를 들어, AlN 층 (12) 상 (발광부 (20) 아래) 에, AlGaN 또는 n 형 AlGaN 으로 구성되는 AlGaN 층 등을 추가해도 된다.
발광부 (20) 는, 하지부 (10) 측으로부터 차례로, n 형 AlGaN 으로 구성되는 n 형 클래드층 (21) 과, 활성층 (22) 과, p 형 AlGaN 으로 구성되는 p 형 클래드층 (23) 과, p 형 GaN 으로 구성되는 p 형 콘택트층 (24) 을 구비한다. n 형 클래드층 (21) 의 상측에 형성되는 활성층 (22), p 형 클래드층 (23) 및 p 형 콘택트층 (24) 은, 각각의 일부가 반응성 이온 에칭 등에 의해 제거됨으로써, n 형 클래드층 (21) 의 일부의 표면이 노출되어 있다. 따라서, n 형 클래드층 (21) 상의 일부의 영역 (제 1 영역 (R1)) 의 상측에, 활성층 (22) 으로부터 p 형 콘택트층 (24) 까지가 형성되어 있는 것이 된다.
p 전극 (30) 은, 예를 들어 Ni/Au 로 구성되고, p 형 콘택트층 (24) 의 표면에 형성된다. n 전극 (40) 은, 예를 들어 Ti/Al/Ti/Au 로 구성되고, n 형 클래드층 (21) 의 제 1 영역 (R1) 이외의 영역 (제 2 영역 (R2)) 의 표면의 일부에 형성된다.
발광 소자 (1) 에서는, 기판 (11) 으로서, 표면이 사파이어의 (0001) 면에 대해 미소한 각도만큼 경사진 오프 기판을 사용한다. 여기서, 오프 기판의 표면 상태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 2 는, 원자 레벨까지 확대한 오프 기판의 표면 상태를 모식적으로 나타낸 사시도이다. 또한, 도 2 에서는, 설명의 이해를 용이하게 하기 위해, 요부를 강조하여 발명 내용을 모식적으로 나타내고 있기 때문에, 각 부의 치수비는 반드시 실제의 소자와 동일한 치수비로는 되어 있지 않다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 오프 기판인 기판 (11) 의 표면에는 다단상의 테라스 (T) 가 형성된다. 이것은 사파이어의 벌크 단결정을, (0001) 면에 대해 미소하게 경사진 각도 (즉, 오프각 θ) 로 잘라낸 경우, 잘라내는 방향에 따라 (0001) 면이 표출되기 때문이다. 또한, 오프각 θ 의 크기나, 오프각을 형성하는 방향 (구체적으로는, (0001) 면을 기울이는 방향이며, 예를 들어 m 축 방향이나 a 축 방향 등) 은, 기판 (11) 상의 각 층에 있어서 원하는 성장이 실현되는 한에 있어서, 임의로 결정해도 된다.
활성층 (22) 은, AlXGa1-XN (0 ＜ X ＜ 1) 으로 구성되는 우물층 (22a) 을 적어도 1 개 포함하는 양자 우물 구조를 구비하고 있다. 우물층 (22a) 의 막두께는, 양자 사이즈 효과 (양자 가둠 효과) 가 발현되는 크기이며, 예를 들어 10 ㎚ 이하이다. 또, 전형적인 양자 우물 구조에서는, 우물층 (22a) 이, 당해 우물층 (22a) 보다 밴드 갭이 큰 배리어층 (22b) 에 의해 협지된다. 예를 들어, 우물층 (22a) 이 AlGaN 으로 구성되는 경우, 배리어층 (22b) 은, 우물층 (22a) 보다 AlN 몰 분율이 큰 AlGaN 이나 n 형 AlGaN 으로 구성된다. 또한, 활성층 (22) 이 구비하는 양자 우물 구조는, 1 개의 양자 우물 구조만으로 구성되는 단일 양자 우물 구조여도 되고, 복수의 양자 우물 구조를 중첩한 다중 양자 우물 구조여도 된다. 또, 예를 들어, 우물층 (22a) 의 막두께는 2 ㎚ 이상 3 ㎚ 이하이고, 배리어층 (22b) 의 막두께는 6 ㎚ 이상 8 ㎚ 이하이다.
또한, 활성층 (22) 은, p 형 클래드층 (23) 과 접촉하는 계면 (최표면) 에 있어서, AlN 몰 분율이 우물층 (22a) 및 배리어층 (22b) 보다 큰 p 형 AlGaN 으로 구성되는 전자 블록층 (22c) 을 구비한다. 전자 블록층 (22c) 은, 활성층 (22) 에 주입된 전자가 p 형 클래드층 (23) 에 들어가는 것을 억제하는 층이다. 예를 들어, 전자 블록층 (22c) 의 막두께는 15 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, 전형적으로는 20 ㎚ 이다.
활성층 (22) 에 있어서, 배리어층 (22b) 및 전자 블록층 (22c) 은 필수 구성은 아니다. 단, 배리어층 (22b) 및 전자 블록층 (22c) 을 형성함으로써, 우물층 (22a) 내에 다수의 전자 및 정공을 가두고, 전자 및 정공을 효율적으로 재결합시키는 (즉, 발광시키는) 것이 가능해지기 때문에 바람직하다.
상기 서술한 각 층을 구성하는 AlGaN 은, 유기 금속 화합물 기상 성장 (MOVPE) 법, 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 법 등의 주지의 에피택셜 성장법에 의해 형성되어 있다. 또, 상기 서술한 각 층에 있어서, n 형의 층은, 도너 불순물로서, 예를 들어 Si 가 첨가되어 있다. 또, 상기 서술한 각 층에 있어서, p 형의 층은, 억셉터 불순물로서, 예를 들어 Mg 가 첨가되어 있다. 또한, 상기 서술한 각 층에 있어서, 도전형을 명기하고 있지 않은 AlN 및 AlGaN 으로 구성되는 층은, 불순물이 첨가되어 있지 않은 언도프층이다. 또, 상기 서술한 각 층을 구성하는 AlGaN, AlN 및 GaN 은, 성질이 크게 변동되지 않는 한, 그 일부 또는 전부에 다른 원소를 함유하고 있어도 된다 (예를 들어, AlGaN 이 미량의 In 을 함유하고 있어도 되고, AlN 이 미량의 Ga 를 함유하고 있어도 된다).
n 형 클래드층 (21), 배리어층 (22b) 및 p 형 클래드층 (23) 에 있어서의 AlN 몰 분율은, 예를 들어 30 ％ 이상 80 ％ 이하 (보다 바람직하게는 50 ％ 이상 80 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 55 ％ 이상 80 ％ 이하) 이며, 우물층 (22a) 의 AlN 몰 분율은, 예를 들어 5 ％ 이상 80 ％ 이하 (보다 바람직하게는 5 ％ 이상 60 ％ 이하) 이다. 단, 우물층 (22a) 의 AlN 몰 분율은, n 형 클래드층 (21), 배리어층 (22b) 및 p 형 클래드층 (23) 에 있어서의 AlN 몰 분율보다 작게 되어 있다 (반대로 우물층 (22a) 의 GaN 몰 분율은, 이들 층보다 크게 되어 있다). 또한, 하지부 (10) 에 AlGaN 층을 추가하는 경우, 당해 AlGaN 층에 있어서의 AlN 몰 분율은, n 형 클래드층 (21), 배리어층 (22b) 및 p 형 클래드층 (23) 과 동일한 범위 내의 크기로 하면 된다.
예를 들어, 발광 소자 (1) 의 피크 발광 파장은 230 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하이다. 또, 예를 들어, 발광 소자 (1) 는, 활성층 (22) 으로부터의 발광이 기판 (11) 측에서 취출되는 이면 출사형의 발광 소자이다. 또한, 하지부 (10) 에 AlGaN 층을 추가하는 경우, 당해 AlGaN 층에 있어서의 AlN 몰 분율은, 우물층 (22a) 의 AlN 몰 분율보다 커지도록 설정된다. 이 경우, 당해 AlGaN 층의 AlN 몰 분율은, n 형 클래드층 (21)의 AlN 몰 분율과 동일해지도록 설정해도 되고, n 형 클래드층 (21) 의 AlN 몰 분율보다 커지도록 설정해도 된다.
발광부 (20) 에 있어서의 활성층 (22) 을 제외한 각 층을 구성하는 각 AlGaN 의 막두께는, 예를 들어, n 형 클래드층 (21) 이 2000 ㎚ 이상 4000 ㎚ 이하, p 형 클래드층 (23) 이 500 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하, p 형 콘택트층 (24) 이 100 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하이다. 또, 하지부 (10) 는, 예를 들어, AlN 층 (12) 의 막두께는 1500 ㎚ 이상 4000 ㎚ 이하이다. 또, 하지부 (10) 에 AlGaN 층을 추가하는 경우, 당해 AlGaN 층의 막두께는, 예를 들어 200 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하이다.
다음으로, p 전극 (30) 및 n 전극 (40) 에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 3 은, p 전극 및 n 전극측에서 본 발광 소자를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, p 전극 (30) 은 제 1 영역 (R1) 의 거의 전체면에, n 전극 (40) 은 제 2 영역 (R2) 의 거의 전체면에 각각 형성된다. 또, 발광 소자 (1) 의 칩 사이즈는 가로 세로 각각 800 ㎛ 이며, p 전극 (30) 이 형성되는 제 1 영역 (R1) 의 면적은 약 168000 μ㎡ 이다.
p 전극 (30) 및 n 전극 (40) 의 각각은, 예를 들어, 전극의 반전 패턴 (전극의 형성 위치 이외의 표면을 덮는 패턴) 이 되는 포토레지스트를 형성한 후에, 전자빔 증착법 등에 의해 전극을 구성하는 다층 금속막을 증착하고, 당해 포토레지스트 및 당해 포토레지스트 위의 다층 금속막을 리프트 오프에 의해 제거함으로써 형성된다. 또한, p 전극 (30) 및 n 전극 (40) 의 일방 또는 양방의 형성 후에, RTA (순간 열 어닐) 등에 의해 필요에 따라 열처리를 실시해도 된다.
＜광 출력이 양호한 활성층을 얻기 위한 조건＞
［활성층의 표면 조도］
반도체 발광 소자의 분야에 있어서의 통상적인 지식에 따르면, 광 출력이 양호한 활성층 (22) 을 얻기 위해서는, 활성층 (22) 의 결정 성장시에 있어서, 발광의 방해가 되는 전위나 크랙 등의 결함의 도입을 억제한 성장, 즉, 성장 표면의 평탄성을 유지한 이차원 성장 (1 층씩 신중하게 적층하는 성장) 을 실시해야 한다. 특히, 두께가 수 ㎚ 정도라는 매우 얇은 우물층 (22a) 을, 결함의 도입을 억제하면서 균일하게 성장시키기 위해서는, 성장 표면에 있어서의 조도가, 적어도 우물층 (22a) 의 두께보다 작아지도록 억제해야 한다.
그러나, 본원 출원인은, 예의 연구한 결과, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 의 결정 성장시에 있어서, 굳이 성장 표면의 조도가 큰 상태를 유지한 성장을 실시함으로써, 광 출력이 양호한 활성층 (22) 이 얻어지는 것을 알아내었다. 이하, 이 점에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
활성층 (22) 의 결정 성장시에 있어서의 성장 표면의 조도는, 성장 후의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도를 사용하여 표현할 수 있다. 평균 조도는, 예를 들어, 원자간력 현미경 (AFM : Atomic Force Microscope) 에 의해 계측되는 높이 (피측정물에 있어서의 측정 영역 내의 소정의 높이를 0 으로 한 상대적인 높이) 를 사용하여, 하기 식 (1) 에 의해 산출할 수 있다. 또한, 하기 식 (1) 에 있어서, Z(i) 는 AFM 으로 계측되는 각 점의 높이이고, Ze 는 높이 Z(i) 의 평균값이며, Ra 는 평균 조도이다.
도 4 는, 시료 1 ∼ 5 의 활성층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지이다. 또한, 도 4 및 그 밖의 도면에 기재하고 있는 AFM 이미지에서는, 밝은 (흰) 영역일수록 높이가 큰 영역인 것을 나타내고 있다. 또, 도 4 에는, 도시하는 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도 (이하, 간단히 「평균 조도」라고 한다) 를 병기하고 있다. 또, 도 5 는, 시료 1 ∼ 5 의 활성층의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포를 나타내는 히스토그램이고, 도 4 에 나타낸 시료 1 ∼ 5 의 25 ㎛ 사방의 영역의 각각에 대해 구한 높이의 도수 분포를 나타내고 있다.
여기서, 평균 조도나 도수 분포를 산출하는 25 ㎛ 사방의 영역은, AFM 을 사용하여 평균 조도나 높이를 산출할 수 있는 상한의 크기로서, 칩 내의 장소에 상관없이 대략 일정한 값이 얻어질 정도로 큰 영역이다. 또한, 25 ㎛ 라는 수치에는 특별한 의의는 없으며, 예를 들어 30 ㎛ 나 20 ㎛ 등, 동일한 정도로 넓은 영역이면 다른 수치여도 된다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 시료 1 ∼ 5 에서는, 오프 기판인 기판 (11) 의 표면에 형성되어 있던 테라스 (T) (도 2 참조) 의 영향이, 활성층 (22) 의 표면까지 이어져 있다. 구체적으로는, 적어도 하지부 (10) 의 AlN 층 (12), 발광부 (20) 에 있어서의 활성층 (22) 및 그 사이의 각 층 (본 예의 경우, n 형 클래드층 (21)) 이, 다단상의 테라스의 측면이 성장함으로써 이차원 성장하는 스텝 플로 성장에 의해 형성되어 있다. 또한, 참고로, 후술하는 도 11 ∼ 도 16 에는, 하지부 (10) 의 AlN 층 (12) 에 있어서의 표면 상태를 도시하고 있다. 또, 후술하는 도 6 ∼ 도 8 에는, 발광부 (20) 의 n 형 클래드층 (21) 에 있어서의 표면 상태를 도시하고 있다.
또, 시료 1 ∼ 5 는, 시료 1, 시료 2, 시료 3, 시료 4, 시료 5 의 순으로, 테라스의 측면이 선택 성장하기 쉬운 조건에서 제조되어 있다. 즉, 시료 1 ∼ 5 중에서, 시료 1 이 가장 테라스의 측면이 선택 성장하기 어려운 조건에서 제조되어 있고, 시료 5 가 가장 테라스의 측면이 선택 성장하기 쉬운 조건에서 제조되어 있다. 또한, 테라스의 측면이 선택 성장하기 쉬운 조건은, 예를 들어, 기판 (11) 의 오프각이 일정한 범위 내 (예를 들어, 0 °내지 수 도 정도까지) 에서 큰 것이나, 테라스가 표출되기 쉬운 상태가 되는 성장 속도 (구체적으로 예를 들어, 성장 온도, 원료나 캐리어 가스의 공급량이나 유속 등의 여러 조건을 적절히 설정함으로써, 당해 성장 속도를 달성한다) 등이다.
테라스의 측면이 선택 성장하기 쉬운 조건은, 성막 장치의 종류나 구조에 따라 상이할 수 있다. 그 때문에, 성막 장치에 있어서 현실에 몇 개의 시료를 제조함으로써, 이 조건을 특정하면 된다. 중요한 것은 성막 장치에 따라 무수한 조합이 존재할 수 있는 여러 조건이 아니라, 활성층 (22) 이 스텝 플로 성장에 의해 형성되도록 하는 것이다.
시료 1 ∼ 5 는, 상기 서술한 바와 같이 상이한 조건에서 제조된 것으로, 활성층 (22) 의 표면 상태, 특히 평균 조도가 상이하다. 구체적으로, 시료 1 ∼ 5 의 각각의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는, 시료 1 이 10.9 ㎚, 시료 2 가 5.08 ㎚, 시료 3 이 3.66 ㎚, 시료 4 가 3.94 ㎚, 시료 5 가 5.94 ㎚ 이다.
또한, 시료 1 ∼ 5 는, 상기 서술한 바와 같이 하지부 (10) 의 AlN 층 (12) 으로부터 발광부 (20) 의 활성층 (22) 까지의 각 층을 계속적으로 스텝 플로 성장에 의해 형성한 것이기 때문에, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 커진다. 구체적으로, 시료 1 ∼ 5 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는, 우물층 (22a) 의 두께 이상이며, 나아가서는 3 ㎚ 이상이다. 또한, 상기 서술한 바와 같이, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 우물층 (22a) 의 두께를 초과하도록 활성층 (22) 을 성장시키는 것은, 반도체 발광 소자의 분야에 있어서의 통상적인 지식에 반하는 것이다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 시료 1 에서는, 스텝 플로 성장과 동시에, 테라스 상의 랜덤한 위치에 발생한 핵이 성장하여 육각 기둥상의 힐록 (hillock) (H) 이 형성되는 삼차원 성장도 발생하였다. 또한, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 시료 1 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포는, 정규 분포 모양 (높이가 0 으로부터 증대함에 따라, 아래로 볼록한 곡선에서 위로 볼록한 곡선으로 변곡되면서 단조 증가하여 극대값을 취한 후, 위로 볼록한 곡선에서 아래로 볼록한 곡선으로 변곡되면서 단조 감소하는 곡선상) 으로 되어 있지 않기 때문에, 높이의 변동이 불규칙적이다. 따라서, 시료 1 에서는, 높이가 불규칙적으로 변동되는 요인인 힐록 (H) 의 영향이 크고, 높이가 규칙적으로 변동되는 요인인 테라스의 영향이 작기 때문에, 스텝 플로 성장보다 삼차원 성장이 지배적이라고 할 수 있다.
또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 시료 2 의 활성층 (22) 의 표면에도, 시료 1 과 마찬가지로 힐록 (H) 이 혼재되어 있다. 단, 시료 2 에서는, 시료 1 과 비교하여, 힐록 (H) 이 차지하는 영역이 대폭 감소되어 있다. 또한, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 시료 2 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포는, 시료 1 과는 상이하여 정규 분포 모양이기 때문에, 높이의 변동이 어느 정도는 규칙적으로 되어 있다. 따라서, 시료 2 에서는, 높이가 불규칙적으로 변동되는 요인인 힐록 (H) 의 영향이 작고, 높이가 규칙적으로 변동되는 요인인 테라스의 영향이 크기 때문에, 삼차원 성장보다 스텝 플로 성장이 지배적이라고 할 수 있다.
또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 시료 3 ∼ 5 에서는, 큰 힐록 (H) 은 발생하지 않고, 전면적으로 스텝 플로 성장의 흔적 (다단상이 되는 삼각형상의 파셋) 이 관찰된다. 또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 시료 3 ∼ 5 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포는 정규 분포 모양이기 때문에, 높이의 변동은 규칙적이다. 따라서, 시료 3 ∼ 5 에서는, 높이가 불규칙적으로 변동되는 요인인 힐록 (H) 의 영향이 매우 작고, 높이가 규칙적으로 변동되는 요인인 테라스의 영향이 매우 크기 때문에, 삼차원 성장보다 스텝 플로 성장이 매우 지배적이라고 할 수 있다.
그런데, 시료 1 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 10.9 ㎚ 로, 다른 시료 2 ∼ 5 와 비교하면 돌출되어 크게 되어 있다. 이것은 시료 1 에서는 삼차원 성장이 지배적이고, 힐록 (H) 의 영향이 크기 때문이다. 이와 같이, 삼차원 성장이 지배적인 시료에서는, 활성층 (22) 의 표면에 설정하는 평균 조도를 구하기 위한 25 ㎛ 사방의 영역 내에 힐록 (H) 이 불가피적으로 포함되기 때문에, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 10 ㎚ 보다 커질 수 있다.
또, 시료 2 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 5.08 ㎚ 로, 시료 3 및 4 와 비교하여 크게 되어 있다. 이것은 시료 2 에서는 스텝 플로 성장이 지배적이긴 하지만, 힐록 (H) 의 영향을 많이 받고 있기 때문이다.
또, 시료 5 의 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 5.94 ㎚ 로, 시료 3 및 4 와 비교하여 크게 되어 있다. 이것은 힐록 (H) 의 영향이 아니라, 시료 5 에서는 테라스의 단차가 크기 때문에, 이로써 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 크게 되어 있기 때문이다.
도 6 ∼ 도 8 은, 시료 1, 시료 3 및 시료 4 의 각각에 있어서의 n 형 클래드층 및 활성층의 각각의 표면 상태를 비교하여 나타내는 도면이다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, n 형 클래드층 (21) 은, 활성층 (22) 의 직전에 형성되는 층이다. 즉, 도 6 ∼ 도 8 은, 활성층 (22) 의 표면 및 이면 상태를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6(a) ∼ 도 8(a) 는, n 형 클래드층 (21) 및 활성층 (22) 의 각각의 표면의 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 상태를 나타내는 AFM 이미지이다. 또, 도 6(b) ∼ 도 8(b) 는, 도 6(a) ∼ 도 8(a) 에 나타낸 n 형 클래드층 (21) 및 활성층 (22) 의 각각의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포를 나타내는 히스토그램이다. 또, 도 6(c) ∼ 도 8(c) 는, 도 6(a) ∼ 도 8(a) 에 나타낸 n 형 클래드층 (21) 및 활성층 (22) 의 각각의 영역보다 좁은 영역을 삼차원의 조감도로서 표시한 AFM 이미지이다. 또, 도 6(a) ∼ 도 8(a) 에서는, 시료 1, 시료 3 및 시료 4 의 n 형 클래드층 (21) 및 활성층 (22) 의 각각의 표면에 있어서의 평균 조도를 병기하고 있다.
도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 시료 1 에 있어서, n 클래드층 (21) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 10.3 ㎚ 이고, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 10.9 ㎚ 이다. 또, 도 7(a) 에 나타내는 바와 같이, 시료 3 에 있어서, n 클래드층 (21) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 3.78 ㎚ 이고, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 3.66 ㎚ 이다. 또, 도 8(a) 에 나타내는 바와 같이, 시료 4 에 있어서, n 클래드층 (21) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 3.83 ㎚ 이고, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도는 3.94 ㎚ 이다.
이와 같이, 시료 1, 시료 3 및 시료 4 의 각각에 있어서, n 클래드층 (21) 및 활성층 (22) 의 각각의 표면에 있어서의 평균 조도는 거의 동등해진다. 특히, 활성층 (22) 및 n 클래드층 (21) 의 각각의 표면에 있어서의 평균 조도의 차분의 절대값을, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도로 나눈 비율이 10 ％ 이내로 되어 있다. 이것은 활성층 (22) 이, 표면에 있어서의 평균 조도가 유지된 균일한 성장에 의해 형성되어 있기 때문이다. 또한, 여기서는 시료 1, 시료 3 및 시료 4 에 대해서만 예시하고 있지만, 시료 2 및 시료 5 에 대해서도 동일하다.
또, 도 7(b) 및 도 8(b) 에 나타내는 바와 같이, 시료 3 및 4 의 각각에 있어서, n 클래드층 (21) 및 활성층 (22) 의 각각의 표면에 있어서의 높이의 도수 분포는, 모두 정규 분포 모양이다. 이것은 활성층 (22) 이 처음부터 끝까지 스텝 플로 성장을 유지하여 형성된 것을 나타내고 있다. 또한, 여기서는 시료 3 및 시료 4 에 대해서만 예시하고 있지만, 시료 2 및 시료 5 에 대해서도 동일하다. 이에 반해, 삼차원 성장이 지배적인 시료 1 에 대해서는, 이와 같은 경향이 관찰되지 않는다.
한편, 도 7(c) 및 도 8(c) 에 나타내는 바와 같이, 시료 3 및 4 의 각각에 있어서, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 테라스 (다단상이 되는 삼각형상의 파셋) 는, n 클래드층 (21) 의 표면에 있어서의 테라스와 비교하여, 귀퉁이가 둥그스름한 모양을 띠고 있다. 또한, 이 현상에 대해서는, 후술하는 도 9 및 도 10 에서 함께 설명한다. 또, 여기서는 시료 3 및 시료 4 에 대해서만 예시하고 있지만, 시료 2 및 시료 5 에 대해서도 동일하다. 이에 반해, 삼차원 성장이 지배적인 시료 1 에 대해서는, 이와 같은 경향이 명확하게는 관찰되지 않는다.
도 9 및 도 10 은, 시료 1 ∼ 5 의 발광 특성을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 9 는 시료 1 ∼ 5 의 피크 발광 파장 및 반치폭을 나타내는 그래프이고, 도 10 은 시료 1 ∼ 5 의 광 출력을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 9(a) 및 도 10(a) 는, 세로축을 발광 특성, 가로축을 시료 번호로 한 그래프이다. 또, 도 9(b) 및 도 10(b) 는, 세로축을 발광 특성, 가로축을 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도로 한 그래프이다.
도 9 에 나타내는 바와 같이, 삼차원 성장이 지배적인 시료 1 과 비교하여, 스텝 플로 성장이 지배적인 시료 2 ∼ 5 에서는, 피크 발광 파장이 장파장측으로 시프트됨과 함께, 반치폭이 커진다.
이 결과에 대하여, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 을 구성하는 AlGaN 이 AlN 과 GaN 의 혼정이고, GaN 은 AlN 보다 발광 파장이 긴 것을 감안하면, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 을 구성하는 AlGaN 에 함유되는 Ga 가 편석되고, 그 편석되어 있는 영역에도 전류가 흘러 발광이 발생한 것으로 추측된다. 즉, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 우물층 (22a) 의 두께를 초과하는 스텝 플로 성장을 실시함으로써, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 에 있어서 Ga 의 편석이 발생한 것으로 추측된다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 도 7(c) 및 도 8(c) 에 나타낸 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 테라스가 둥그르름한 모양을 띠고 있는 것도, Ga 의 편석을 시사하고 있다. 구체적으로는, 활성층 (22) (특히, GaN 몰 분율이 큰 우물층 (22a)) 이 스텝 플로 성장에 의해 형성될 때에, Al 과 비교하여 마이그레이션되기 쉬운 Ga 가, 테라스의 측면과 다음 단의 테라스의 표면의 경계에 모여 단차를 매끄럽게 함으로써, 테라스가 둥그르름한 모양을 띤 것으로 추측된다.
그리고, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 스텝 플로 성장보다 삼차원 성장이 지배적인 (활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 10 ㎚ 보다 큰) 시료 1 과 비교하여, 스텝 플로 성장이 지배적인 시료 2 ∼ 5 쪽이 광 출력이 크게 되어 있다. 이것으로부터, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 에 있어서 Ga 를 편석시킴으로써, 활성층 (22) 의 광 출력을 증대시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 우물층 (22a) 의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되는 스텝 플로 성장에 의해, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 에 있어서 Ga 의 편석을 발생시킴으로써, 활성층 (22) 의 광 출력을 증대시킬 수 있다. 따라서, 광 출력이 양호한 활성층 (22) 을 갖는 발광 소자 (1) 를 얻는 것이 가능해진다.
또, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 3 ㎚ 이상인 시료 2 ∼ 5 에서는, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 에 있어서, Ga 의 편석이 충분히 발생한다. 그 때문에, 활성층 (22) 의 광 출력을 충분히 증대시킬 수 있다.
또, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 약 6 ㎚ 가 되는 시료 5 와 비교하여, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도가 그 이하인 시료 2 ∼ 4 는, 광 출력이 현저 (예를 들어, 1.5 배 이상) 하게 커진다. 따라서, 활성층 (22) 의 표면에 있어서의 평균 조도를 6 ㎚ 이하 (바람직하게는 5.5 ㎚ 이하) 로 함으로써, 활성층 (22) 의 광 출력을 현저하게 증대시킬 수 있다.
또, 도 7 및 도 8 에 나타낸 바와 같이, 발광부 (20) 에 있어서, 활성층 (22) 과 그 직전에 형성되는 n 형 클래드층 (21) 의 각각의 표면에 있어서의 평균 조도는 거의 동등해진다. 따라서, 활성층 (22) 뿐만아니라, n 형 클래드층 (21) 도, 표면에 있어서의 평균 조도가, 우물층 (22a) 의 두께 이상 (나아가서는, 3 ㎚ 이상) 또한 10 ㎚ 이하 (나아가서는 6 ㎚ 이하) 가 된다. 이 경우, 성장 표면에 있어서의 평균 조도가 유지된 균일한 성장에 의해 활성층 (22) 이 형성되기 때문에, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 에 있어서 Ga 의 편석을 확실하게 발생시킬 수 있다. 따라서, 활성층 (22) 의 광 출력을 증대시킬 수 있다.
［하지부의 AlN 층］
다음으로, 하지부 (10) 에 있어서의 AlN 층 (12) 의 표면 상태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 11 ∼ 도 16 은, 시료 1 ∼ 5 및 시료 A 의 하지부에 있어서의 AlN 층의 표면 상태를 나타내는 AFM 이미지이다. 또한, 시료 A는, 시료 1 및 시료 2 의 중간의 조건에서 제조된 시료이다.
도 11(a) ∼ 도 16(a) 는, AlN 층 (12) 의 표면의 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 상태를 나타내는 AFM 이미지이다. 또, 도 11(b) ∼ 도 16(b) 는, 도 11(a) ∼ 도 16(a) 에 나타낸 AlN 층 (12) 의 영역보다 좁은 영역을 표시한 AFM 이미지이다. 또, 도 11(c) ∼ 도 16(c) 는, 도 11(b) ∼ 도 16(b) 에 나타낸 AlN 층 (12) 의 영역을 삼차원의 조감도로서 표시한 AFM 이미지이다. 또한, 도 11(a) ∼ 도 16(a) 에는, 상면에서 보았을 때의 기판 (11) 의 경사 방향에 대한 테라스의 평균적인 폭 (이하, 간단히 「테라스 폭」이라고 한다) 을 병기하고 있다. 또, 도 11(b) ∼ 도 16(b) 에는, 테라스의 평균적인 높이 (이하, 「테라스 높이」라고 한다) 를 병기하고 있다.
예를 들어, 테라스 폭은, 도 11(a) ∼ 도 16(a) 의 각각에 나타내는 영역 내에서, 기판 (11) 의 경사 방향 (도면 중의 좌우 방향) 에 대해 소정의 거리 (예를 들어, 25 ㎛) 가 되는 범위를 랜덤하게 선택함과 함께 당해 범위에 포함되는 테라스의 개수를 계측하고, 계측한 개수로 당해 거리를 나눔으로써 산출할 수 있다. 또한, 이 연산을 복수 회 (예를 들어, 10 회 정도) 반복하고, 얻어진 값을 평균화 함으로써, 테라스 폭을 산출해도 된다.
또 예를 들어, 테라스 높이는, 도 11(b) ∼ 도 16(b) 의 각각에 나타내는 영역을 AFM 으로 측정할 때에, 테라스의 선단의 위치에서 계측되는 높이와, 당해 단부에 인접하는 위치인 다음 단의 테라스의 높이의 차분을 산출하고, 당해 차분을 복수 점 (예를 들어, 50 점 정도) 에 걸쳐 평균화함으로써 산출할 수 있다.
도 11(a) ∼ 도 16(b) 에 나타내는 바와 같이, 시료 1, 시료 A, 시료 2, 시료 3, 시료 4, 시료 5 순으로 테라스 폭이 작아지는 경향이 있다. 또, 도 11(b) 및 도 11(c) ∼ 도 16(b) 및 도 16(c) 에 나타내는 바와 같이, 시료 1, 시료 A, 시료 2, 시료 3, 시료 4, 시료 5 순으로 테라스 높이가 커지는 경향이 있다.
그리고, 상기 서술한 바와 같이 활성층 (22) 의 광 출력이 양호한 시료 2 ∼ 5 (도 10 참조) 는, 시료 1 및 시료 A 와 비교하여, 테라스 폭이 작음과 함께, 테라스 높이가 크게 되어 있다. 구체적으로, 시료 2 ∼ 5 에서는, 테라스 폭이 0.3 ㎛ 이상 또한 1 ㎛ 이하가 되고, 테라스 높이가 8 ㎚ 이상 또한 14 ㎚ 이하가 된다.
따라서, 이 AlN 층 (12) 을 갖는 하지부 (10) 의 표면 상에 발광부 (20) 를 형성함으로써, 상기 서술한 바와 같은 스텝 플로 성장에 의해 Ga 의 편석을 발생시키는 광 출력이 양호한 활성층 (22) 을 얻을 수 있다.
［우물층의 AlN 몰 분율］
지금까지의 설명에 있어서 예시한 시료 1 ∼ 5 는, 도 9 에 나타내는 피크 발광 파장이 265 ㎚ ± 3 ㎚ 의 범위 내에 들어가 있는 것으로부터 분명한 바와 같이, 우물층 (22a) 에 있어서의 AlN 의 몰 분율이 동일한 정도의 크기이다. 그러나, 시료 1 ∼ 5 와는 AlN 몰 분율이 크게 상이한 우물층 (22a) 을 갖는 발광 소자 (1) 여도, 시료 1 ∼ 5 와 마찬가지로 Ga 의 편석은 발생할 수 있다.
이하, 우물층 (22a) 의 AlN 몰 분율 (피크 발광 파장) 과 Ga 의 편석의 관계에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 17 은, 우물층의 AlN 몰 분율 (피크 발광 파장) 이 상이한 복수의 시료의 발광 스펙트럼을 나타내는 스펙트럼도이다. 또, 도 18 은, 각 시료의 피크 발광 파장과 반치폭의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 17 및 도 18 에서는, 비교를 위해, 우물층 (22a) 이 GaN 에 의해 구성되어 있는 시료에 대해서도 함께 나타내고 있다. 또, 도 17 에서는, 발광 스펙트럼의 대략적 형상의 보기 쉬움이나 비교 등의 편의상, 도 18 에 나타내는 각 시료 중에서 대표적인 시료를 선택함과 함께, 당해 시료의 각각에 있어서의 피크 발광 파장의 강도가 1 이 되도록 규격화하고 있다. 또, 도 18 에서는, 각 시료의 피크 발광 파장 및 반치폭의 측정 결과에 대한 근사 직선도 함께 나타내고 있다.
도 17 에서는, 피크 발광 파장이 265 ㎚, 285 ㎚, 320 ㎚, 335 ㎚ 및 354 ㎚ 인 각각의 시료의 발광 스펙트럼을 나타내고 있다. 또한, 피크 발광 파장이 265 ㎚ 인 시료는, 상기 서술한 시료 1 ∼ 5 와 동일한 정도의 피크 발광 파장을 갖는 시료이다. 또, 피크 발광 파장이 354 ㎚ 인 시료 (도면 중의 가는 곡선) 는, 우물층 (22a) 이 GaN 으로 구성되어 있는 시료이다.
우물층 (22a) 이 GaN 으로 구성되어 있는 시료 (피크 발광 파장이 354 ㎚ 인 시료) 에서는, 우물층 (22a) 이 단일한 GaN 의 결정으로 구성되어 있기 때문에, Ga 의 편석은 발생하지 않는다. 이 경우, 우물층 (22a) 에 갇히는 전자 및 정공의 각각이 갖는 에너지의 편차가 작아짐으로써, 재결합되는 전자 및 정공의 에너지차의 편차가 작아지기 (즉, 발광 파장의 편차가 작아지기) 때문에 반치폭이 작은 발광 스펙트럼이 된다. 이하, 이 시료의 발광 스펙트럼에 있어서의 반치폭을, Ga 의 편석이 발생하지 않는 경우에 있어서의 발광 스펙트럼의 반치폭으로서, Ga 의 편석의 유무나 정도를 판단하기 위한 기준 (이하, 「기준 반치폭」이라고 칭한다) 으로 한다.
한편, 우물층 (22a) 이 AlXGa1-XN 으로 구성되어 있는 각 시료 (피크 발광 파장이 265 ㎚, 285 ㎚, 335 ㎚ 및 320 ㎚ 인 각 시료) 에서는, 우물층 (22a) 이 AlN 및 GaN 의 혼정으로 구성되기 때문에, 상기 서술한 바와 같이 Ga 의 편석이 발생할 수 있다. 그리고, 이들 시료의 발광 스펙트럼은, 모두 반치폭이 기준 반치폭보다 크게 되어 있다. 이것은 Ga 의 편석에 의해, 우물층 (22a) 에 갇히는 전자 및 정공의 각각이 갖는 에너지의 편차가 커짐으로써, 재결합되는 전자 및 정공의 에너지차의 편차가 커지기 (즉, 발광 파장의 편차가 커지기) 때문이다.
단, 도 17 및 도 18 에 나타내는 바와 같이, 각 시료의 발광 스펙트럼에 있어서의 반치폭의 크기 (즉, Ga 의 편석의 정도) 는 균일하지 않다. 구체적으로, 피크 발광 파장이 작아질수록 반치폭은 작아진다. 이것은 우물층 (22a) 을 구성하는 AlXGa1-XN 의 AlN 의 몰 분율 X 가 1 (즉, 단일한 AlN 의 결정) 에 가까워질수록, Ga 의 양이 적어져 편석되기 어려워지기 때문이다.
이 점, 도 18 에 나타내는 바와 같이, 피크 발광 파장이 230 ㎚ 이상 (바람직하게는 240 ㎚ 이상, 더욱 바람직하게는 250 ㎚ 이상) 이 되도록, 우물층 (22a) 을 AlXGa1-XN 으로 구성하면, 발광 스펙트럼의 반치폭을 기준 반치폭 (도면 중의 파선) 보다 충분히 크게 하는 (즉, Ga 의 편석을 발생시켜 광 출력을 증대시키는) 것이 가능해진다.
한편, 도 17 및 도 18 에 나타내는 바와 같이, 피크 발광 파장이 커질수록 반치폭은 커진다. 그러나, 우물층 (22a) 을 구성하는 AlXGa1-XN 의 AlN 의 몰 분율 X 가 0 (즉, 단일한 GaN 의 결정) 에 가까워지면, Ga 의 양이 많아져 과도하게 편석됨으로써, 발광 스펙트럼의 형상이 무너지거나 (예를 들어, 피크가 분리되어 2 개 이상 생긴다), 발광 강도가 저하되거나 하는 등의 문제가 발생한다.
이 점, 도 17 및 도 18 에 나타내는 바와 같이, 피크 발광 파장이 340 ㎚ 이하 (바람직하게는 335 ㎚ 이하) 가 되도록, 우물층 (22a) 을 AlXGa1-XN (0 ＜ X ＜ 1) 으로 구성하면, 상기 문제가 잘 발생하지 않도록 하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 피크 발광 파장을 230 ㎚ 이상 또한 340 ㎚ 이하로 함으로써, 활성층 (22) (특히, 우물층 (22a)) 에 있어서 Ga 의 편석을 충분히 발생시켜 광 출력을 증대시킴과 함께, 발광 스펙트럼의 형상이 무너지거나 발광 강도가 저하되거나 하는 등의 문제가 잘 발생하지 않도록 하는 것이 가능해진다.
산업상 이용가능성
본 발명은 사파이어로 이루어지는 기판의 상측에 AlGaN 계의 활성층을 형성하여 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자에 대해 이용하는 것이 가능하고, 특히, 피크 발광 파장이 자외 영역에 있는 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 이용하면 바람직하다.
1 : 발광 소자 (질화물 반도체 자외선 발광 소자)
10 : 하지부
11 : 기판
12 : AlN 층
20 : 발광부
21 : n 형 클래드층
22 : 활성층
22a : 우물층
22b : 배리어층
22c : 전자 블록층
23 : p 형 클래드층
24 : p 형 콘택트층
30 : p 전극
40 : n 전극

Claims (9)

  1. (0001) 면에 대해 경사짐으로써 다단상의 테라스가 형성된 표면을 갖는 사파이어로 이루어지는 기판과, 상기 기판의 표면 상에 형성되는 AlN 층을 포함하는 하지부와,
    상기 하지부의 표면 상에 형성되는, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층을 포함하는 발광부를 구비하고,
    적어도 상기 하지부의 상기 AlN 층, 상기 발광부에 있어서의 상기 활성층 및 그 사이의 각 층이, 다단상의 테라스가 형성된 표면을 갖는 에피택셜 성장층이고,
    상기 활성층이, AlXGa1-XN (0 ＜ X ＜ 1) 으로 구성되는 우물층을 적어도 1 개 포함하는 양자 우물 구조를 갖고,
    상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 상기 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 3 ㎚ 이상이 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 6 ㎚ 이하가 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광부에 포함되는, 상기 활성층 직전에 형성되는 층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도가, 상기 우물층의 두께 이상 또한 10 ㎚ 이하가 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 발광부에 포함되는 상기 활성층 직전에 형성되는 층의 각각의 표면에 있어서의 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도의 차분의 절대값을, 상기 활성층의 표면에 있어서의 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 평균 조도로 나눈 비율이, 10 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하지부에 포함되는 상기 AlN 층의 표면에 있어서, 상면에서 보았을 때, 상기 기판의 경사 방향에 있어서의 테라스의 평균적인 폭이, 0.3 ㎛ 이상 또한 1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하지부에 포함되는 상기 AlN 층의 표면에 있어서, 테라스가 형성하는 단차의 평균적인 높이가, 8 ㎚ 이상 또한 14 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광부에 포함되는 상기 활성층의 표면에 있어서, 25 ㎛ 사방의 영역에 있어서의 높이의 도수 분포가, 높이가 0 으로부터 증대됨에 따라, 아래로 볼록한 곡선에서 위로 볼록한 곡선으로 변곡되면서 단조 증가하여 극대값을 취한 후, 위로 볼록한 곡선에서 아래로 볼록한 곡선으로 변곡되면서 단조 감소하는 곡선상이 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    피크 발광 파장이, 230 ㎚ 이상 또한 340 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
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