KR20170021893A - 질화물 반도체 자외선 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

사파이어 (0001) 기판, 상기 기판 상에 형성된 AlN 층을 포함하는 하지 구조부, 및 상기 하지 구조부 상에 형성된, n 형 AlGaN 계 반도체층의 n 형 클래드층과, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층과, p 형 AlGaN 계 반도체층의 p 형 클래드층을 포함하는 발광 소자 구조부를 구비하여 이루어지는 질화물 반도체 자외선 발광 소자로서, 상기 기판의 (0001) 면이 0.6°이상 3.0°이하의 오프각으로 경사지고, 상기 n 형 클래드층의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상이다.

Description

질화물 반도체 자외선 발광 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING ELEMENT}
본 발명은 사파이어 (0001) 기판의 상측에 AlGaN 계 반도체층의 n 형 클래드층과 활성층과 p 형 클래드층을 형성하여 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 피크 발광 파장역이 자외 영역에 있는 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 관한 것이다.
종래부터 LED (발광 다이오드) 나 반도체 레이저 등의 질화물 반도체 발광 소자는, 기판으로서 사파이어 (0001) 기판을 사용하고, 그 위에 에피택셜 성장에 의해 복수의 질화물 반도체층으로 이루어지는 발광 소자 구조를 형성한 것이 다수 존재한다. 질화물 반도체층은, 일반식 Al1 -x- yGaxInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x ＋ y ≤ 1) 으로 나타내어진다.
사파이어 (0001) 기판은, (0001) 면이 전혀 경사지지 않은, 요컨대 오프각이 0 도인 무경사 기판보다 (0001) 면이 약간 경사진 미(微)경사 기판이, 에피택셜 성장시키는 질화물 반도체층의 표면 성상이나 결정성이 향상된다고 하여, 오프각이 0.05°∼ 0.5°정도인 것이 일반적으로 사용되고 있다 (예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 참조).
발광 소자 구조는, n 형 질화물 반도체층과 p 형 질화물 반도체층 사이에, 단일 양자 우물 구조 (SQW : Single-Quantum-Well) 혹은 다중 양자 우물 구조 (MQW : Multi-Quantum-Well) 의 질화물 반도체층으로 이루어지는 활성층이 사이에 위치한 더블 헤테로 구조를 갖고 있다. 활성층이 AlGaN 계 반도체층인 경우, AlN 몰 분율 (AlN 조성비라고도 한다) 을 조정함으로써, 밴드 갭 에너지를, GaN 과 AlN 이 취할 수 있는 밴드 갭 에너지 (약 3.4 eV 와 약 6.2 eV) 를 각각 하한 및 상한으로 하는 범위 내에서 조정할 수 있어, 발광 파장이 약 200 ㎚ 내지 약 365 ㎚ 까지의 자외선 발광 소자가 얻어진다.
일본 공개특허공보 2000-156341호 일본 공개특허공보 2001-158691호
사파이어 (0001) 기판의 오프각으로서 0.05°∼ 0.5°정도인 것이 일반적으로 사용되고 있는 배경으로서, 이하의 것이 상정된다.
상기 서술한 미경사 기판은, 도 1 에 모식적으로 나타내는 바와 같이, (0001) 면이 경사져 이루어지는 테라스면 (T) 과 테라스면 (T) 사이에 단차 (S) 가 있는 스텝상의 기판이 되고, 테라스면 (T) 의 폭 (W) 은 오프각 (θ) 이 클수록 좁아진다. 오프각 (θ) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 단차 (S) 의 상단 (上端) 또는 하단 (下端) 을 연결하는 선과 테라스면 (T) 이 이루는 각도로서 정의된다. 오프각이 0.05°∼ 0.5°정도인 일반적인 사파이어 (0001) 기판 상에 형성한 질화물 반도체층의 표면 요철의 RMS (제곱 평균 제곱근) 값은 통상적으로 0.4 ㎚ 이하이지만, 오프각이 0.5°를 초과하여 커지면, 당해 RMS 값이 0.4 ㎚ 를 초과하여 커질 우려가 있다. 한편, 활성층을 구성하는 양자 우물층의 막 두께는 통상적으로 5 ㎚ 이하이기 때문에, 오프각을 지나치게 크게 하면, 양자 우물층의 막 두께에 미치는 변동이 커져, 발광 소자의 발광 성능에 미치는 영향이 염려된다.
또한, 상기 서술한 기판 표면이 스텝상이 되는 경우, 그 위에 성장하는 질화물 반도체층도 기판 표면의 성상을 답습하여 스텝상이 되지만, Ga 는 마이그레이션이 크기 때문에, 단차부를 넘어 하측의 테라스면으로 이동하기 쉬워지므로, 성장하는 질화물 반도체층의 조성에 Ga 의 편석이 발생하고, AlGaN 계 반도체에서는, 단차부를 따라 AlN 몰 분율이 높은 AlGaN 영역과 AlN 몰 분율이 낮은 AlGaN 영역이 생긴다. 이 결과, 오프각이 커지면, 활성층으로부터의 발광의 파장 분포가 확대되어, 발광 파장의 피크가 분리될 가능성이 있다.
상기 서술한 바와 같이, 사파이어 (0001) 기판을 사용하는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 오프각으로서 0.05°∼ 0.5°정도인 것이 일반적으로 사용되고 있지만, 주로 활성층이 GaN 혹은 InGaN 계 반도체인 경우의 발광 파장이 약 365 ㎚ 보다 긴 발광 소자에 적합한 것이다 (예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조). 발광 파장이 약 365 ㎚ 보다 짧은 자외선 발광 소자에 있어서, 0.05°∼ 0.5°정도 범위의 오프각이 최적인지 여부의 검토는 과거에 충분히 이루어져 있지 않았다.
본 발명은 상기 서술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 오프각의 최적화에 의해 사파이어 (0001) 기판 상에 형성되는 AlGaN 계 반도체층의 결정 품질의 향상을 도모하고, 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 발광 출력의 향상을 도모하는 것에 있다.
본원 발명자의 예의 연구에 의해, 사파이어 (0001) 기판 상에 형성되는 AlGaN 층의 X 선 로킹 커브 (XRC) 법으로 평가한 트위스트 분포의 반치 전폭 (FWHM : full width at half maximum) 에 의해 나타나는 결정성과 당해 AlGaN 을 함유하는 발광 소자 구조로부터 출력되는 자외선 발광 소자의 발광 출력 사이의 관계에 있어서, 당해 트위스트 분포의 FWHM 이 소정값 이하에서 양호한 발광 출력이 얻어지는 것을 알아내고, 또한 당해 트위스트 분포의 FWHM 이 상기 소정값 이하가 되는 오프각에, n 형 클래드층에 사용되는 AlGaN 의 AlN 몰 분율 의존성이 있는 것을 알아냈다.
본 발명은 상기 새 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 사파이어 (0001) 기판과, 상기 기판의 (0001) 면 상에 형성된 AlN 층을 포함하는 하지 (下地) 구조부, 및 상기 하지 구조부의 결정 표면 상에 형성된, n 형 AlGaN 계 반도체층의 n 형 클래드층과, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층과, p 형 AlGaN 계 반도체층의 p 형 클래드층을 포함하는 발광 소자 구조부를 구비하여 이루어지고, 상기 기판의 (0001) 면이 0.6°이상 3.0°이하의 오프각으로 경사지고, 상기 n 형 클래드층의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 제공한다.
또한, 본 발명에서는, AlGaN 계 반도체는, 일반식 AlxGa1 - xN (x 는 AlN 몰 분율, 0 ≤ x ≤ 1) 으로 나타내는 3 원 (또는 2 원) 화합물을 기본으로 하고, 그 밴드 갭 에너지가 GaN (x = 0) 과 AlN (x = 1) 의 밴드 갭 에너지 (약 3.4 eV 와 약 6.2 eV) 를 하한 및 상한으로 하는 범위 내의 3 족 질화물 반도체로, 당해 밴드 갭 에너지에 관한 조건을 만족시키는 한, 미량의 In 이 함유되어 있는 경우도 포함된다.
상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, n 형 클래드층의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상인 경우에 있어서, 종래 일반적으로 사용되고 있었던 오프각의 범위를 대폭 초과한 0.6°이상 3.0°이하의 범위에 있어서, 하지 구조부의 AlN 층보다 상층의 n 형 AlGaN 층의 결정성을 나타내는 트위스트 분포의 FWHM 이 소정값 이하가 될 확률이 대폭 향상되어, 고수율로 발광 출력의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 상기 오프각이 1.0°이상 2.5°이하인 것이 보다 바람직하다. 이로써 또한, AlGaN 층의 결정성이 한층 더 개선되어, 발광 출력의 향상을 보다 고수율로 안정적으로 도모할 수 있다.
또한, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 피크 발광 파장이 300 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 상기 서술한 바와 같이, 오프각이 0.6°이상 3.0°이하 범위인 사파이어 (0001) 기판은, (0001) 면이 스텝상이 되기 때문에, 그 위에 형성되는 AlGaN 반도체층에 있어서 Ga 의 편석이 발생하고, 발광 파장 분포가 확대된다. 당해 발광 파장 분포의 확대는, 후술하는 바와 같이, 발광 파장이 길수록 커지는 경향이 있지만, 피크 발광 파장이 300 ㎚ 이하에서는, 당해 발광 파장 분포의 확대 (반치 전폭) 가, 오프각이 1°인 경우에서 20 ㎚ 정도 이하로 억제되어, 발광 파장의 피크의 분리도 발생하지 않는다.
또한, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 상기 하지 구조부의 상기 기판 상에 형성되는 상기 AlN 층의 막 두께가, 2.2 ㎛ 이상 6.6 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 하지 구조부의 AlN 층의 막 두께가 큰 편이 그 상층에 형성된 n 형 AlGaN 층의 결정성이 보다 개선되는 경향이 있고, 한편, 당해 막 두께는 지나치게 커지면, 하지 구조부에 크랙이 생길 가능성이 높아지는 경향이 있어, 당해 막 두께를 2.2 ㎛ 이상 6.6 ㎛ 이하로 함으로써 발광 출력의 향상 효과가 보다 확실하게 얻어진다.
도 1 은 오프각 (θ) 으로 경사진 사파이어 (0001) 기판의 기판 표면의 상태를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2 는 본 발명에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 일 실시형태에 있어서의 적층 구조를 모식적으로 나타내는 주요부 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 일 실시형태에 있어서의 평면 구조를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 4 는 n 형 클래드층의 트위스트 분포의 FWHM 과 발광 출력의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 5 는 사파이어 (0001) 기판의 오프각과 n 형 클래드층의 트위스트 분포의 FWHM 의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 6 은 사파이어 (0001) 기판의 오프각의 차이에 의한 n 형 클래드층의 트위스트 분포의 FWHM 과 AlN 층의 트위스트 분포의 FWHM 의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 7 은 n 형 클래드층의 AlN 몰 분율과 트위스트 분포의 FWHM 의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 8 은 AlN 층의 막 두께와 n 형 클래드층의 트위스트 분포의 FWHM 의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 9 는 실시예 1 과 비교예 1, 3 의 발광 출력과 순방향 전류의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 10 은 실시예 1 과 비교예 1, 3 의 발광 파장 특성을 나타내는 특성도이다.
도 11 은 실시예 2, 3 과 비교예 2 의 발광 출력과 순방향 전류의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 12 는 실시예 2, 3 과 비교예 2 의 발광 파장 특성을 나타내는 특성도이다.
도 13 은 실시예 1 ∼ 3 과 비교예 1 ∼ 3 의 n 형 클래드층의 트위스트 분포의 FWHM, 순방향 전류 100 ㎃ 시의 발광 출력, 및 발광 파장 분포의 FWHM 을 나타내는 일람표이다.
본 발명에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (이하, 간단히 「발광 소자」라고 약칭한다) 의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 사용하는 도면에서는, 설명의 이해를 용이하게 하기 위해, 주요부를 강조하여 발명 내용을 모식적으로 나타내고 있기 때문에, 각 부의 치수비는 반드시 실제 소자와 동일한 치수비로는 되어 있지 않다. 이하, 본 실시형태에서는, 발광 소자가 발광 다이오드인 경우를 상정하여 설명한다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 발광 소자 (1) 는, 사파이어 (0001) 기판 (2) 상에 AlN 층 (3) 과 AlGaN 층 (4) 을 성장시킨 기판을 템플레이트 (5) (하지 구조부에 상당) 로서 사용하여, 당해 템플레이트 (5) 상에, n 형 AlGaN 으로 이루어지는 n 형 클래드층 (6), 활성층 (7), Al 몰 분율이 활성층 (7) 보다 큰 p 형 AlGaN 의 전자 블록층 (8), p 형 AlGaN 의 p 형 클래드층 (9), p 형 GaN 의 p 형 콘택트층 (10) 을 순서대로 적층한 적층 구조를 가지고 있다. n 형 클래드층 (6) 보다 상부의 활성층 (7), 전자 블록층 (8), p 형 클래드층 (9), p 형 콘택트층 (10) 의 일부가, n 형 클래드층 (6) 의 일부 표면이 노출될 때까지 반응성 이온 에칭 등에 의해 제거되고, n 형 클래드층 (6) 상의 제 1 영역 (R1) 에 n 형 클래드층 (6) 에서부터 p 형 콘택트층 (10) 까지의 발광 소자 구조부 (11) 가 형성되어 있다. 또한, p 형 콘택트층 (10) 의 표면에 예를 들어 Ni/Au 의 p 전극 (12) 이, n 형 클래드층 (6) 의 제 1 영역 (R1) 이외의 제 2 영역 (R2) 의 표면의 일부에 예를 들어 Ti/Al/Ti/Au 의 n 전극 (13) 이 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, AlN 층 (3) 은 약 1150 ∼ 1300 ℃ 의 온도에서 결정 성장시킨 것을 사용하고 있다.
본 실시형태에서는 후술하는 이유에서, 사파이어 (0001) 기판 (2) 으로서, 기판의 (0001) 면이 0.6°이상 3.0°이하의 오프각으로 경사지는 미경사 기판을 사용한다. 당해 미경사 기판의 오프각은, 1.0°이상 2.5°이하가 보다 바람직하다. 또한, 오프각의 경사 방향은, m 축 방향 또는 a 축 방향 또는 그 중간 방향 중 어느 것이어도 된다.
활성층 (7) 은, 일례로서 막 두께 10 ㎚ 의 n 형 AlGaN 의 배리어층 (7a) 과 막 두께 3.5 ㎚ 의 AlGaN 의 우물층 (7b) 으로 이루어지는 단층의 양자 우물 구조로 되어 있다. 활성층 (7) 은, 하측층과 상측층에 Al 몰 분율이 큰 n 형 및 p 형 AlGaN 층 사이에 협지되는 더블 헤테로 정크션 구조이면 되고, 또 상기 단층의 양자 우물 구조를 다층화한 다중 양자 우물 구조여도 된다.
각 AlGaN 층은 유기 금속 화합물 기상 성장 (MOVPE) 법, 혹은 분자선 애피택시 (MBE) 법 등의 주지된 에피택셜 성장법에 의해 형성되어 있으며, n 형 층의 도너 불순물로서 예를 들어 Si, p 형 층의 억셉터 불순물로서 예를 들어 Mg 를 사용하고 있다. 또한, 도전형을 명기하지 않은 AlN 층 및 AlGaN 층은, 불순물이 주입되지 않는 언도프층이다. 또, n 형 AlGaN 층 및 활성층의 AlN 몰 분율은, 일례로서 AlGaN 층 (4), n 형 클래드층 (6) 및 배리어층 (7a) 이 50 ％ 이상 100 ％ 이하 (보다 바람직하게는 55 ％ 이상 90 ％ 이하), 우물층 (7b) 이 30 ％ 이상 80 ％ 이하 (보다 바람직하게는 35 ％ 이상 70 ％ 이하) 로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 발광 소자 (1) 의 피크 발광 파장은, 223 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하가 되는 경우를 상정한다. 본 실시형태에서는, 활성층 (7) 으로부터의 발광을 사파이어 기판 (2) 측으로부터 취출하는 이면 출사형의 발광 소자를 상정하고 있기 때문에, AlGaN 층 (4) 의 AlN 몰 분율은, 우물층 (7b) 보다 크게 설정할 필요가 있고, 일례로서 AlGaN 층 (4) 과 n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율을 동일하게 설정한다. 또한, AlGaN 층 (4) 의 AlN 몰 분율을 n 형 클래드층 (6) 보다 크게 해도 된다.
활성층 (7) 이외의 발광 소자 구조부의 각 AlGaN 층의 막 두께는, 예를 들어 n 형 클래드층 (6) 이 2000 ㎚, 전자 블록층 (8) 이 2 ㎚, p 형 클래드층 (9) 이 540 ㎚, p 형 콘택트층 (10) 이 200 ㎚ 이다. 또, 템플레이트 (5) 에 대해서는, AlN 층 (3) 의 막 두께는 2200 ㎚ 이상 6600 ㎚ 이하, 보다 바람직하게는 3000 ㎚ 이상 6000 ㎚ 이하로 설정하는 것이 바람직하고, AlGaN 층 (4) 의 막 두께는, 예를 들어 200 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하의 범위로 설정한다. 또한, 본 실시형태에서는, AlGaN 층 (4) 상에 동일한 AlGaN 층의 n 형 클래드층 (6) 이 형성되기 때문에, AlGaN 층 (4) 의 도전형은 언도프층이 아니라 n 형 층이어도 되고, AlGaN 층 (4) 을 n 형 클래드층 (6) 과 일체화하여, 템플레이트 (5) 를 AlN 층 (3) 만으로 구성해도 된다.
도 3 에 발광 소자 (1) 를 평면에서 보았을 때의 패턴의 일례를 나타낸다. 도 3 은 p 전극 (12) 및 n 전극 (13) 이 형성되기 전의 제 1 영역 (R1) 과 제 2 영역 (R2) 을 나타낸다. 일례로서, p 전극 (12) 은 제 1 영역 (R1) 의 거의 전체면에, n 전극 (13) 은 제 2 영역 (R2) 의 거의 전체면에 각각 형성된다. 또, 후술하는 실시예에 사용한 발광 소자 (1) 의 칩 사이즈는 가로세로 각각 800 ㎛ 이고, 제 1 영역 (R1) 의 면적은 약 168000 ㎛2 이다. 또한, 도 2 에 나타내는 제 1 영역 (R1) 은, 도 3 에 나타내는 제 1 영역 (R1) 의 일부이다.
발광 소자 (1) 의 템플레이트 (5) 및 발광 소자 구조부 (11) 의 각 층은, 상기 서술한 바와 같이 주지된 성장 방법에 의해 형성되고, p 전극 (12) 및 n 전극 (13) 은 각각 각 전극의 반전 패턴이 되는 포토레지스트를 형성한 후에, 전자빔 증착법 등에 의해 각 전극의 다층 금속막을 증착하고, 당해 포토레지스트를 리프트 오프에 의해 제거하고, 당해 포토레지스트 상의 다층 금속막을 박리하고, RTA (순간 열 어닐) 등에 의해 필요에 따라 열 처리를 가하여 형성된다.
다음으로, 본 발명의 기초가 되는 측정 데이터에 대하여 설명한다. 도 4 는 본 발명의 기초가 되는 제 1 측정 데이터로, 도 2 및 도 3 에 예시한 구조의 발광 소자 (1) 의 피크 발광 파장이 255 ㎚ 내지 300 ㎚ 의 범위 내인 샘플에 대하여, n 형 클래드층 (6) 의 n 형 AlGaN 층의 결정성을 XRC 법으로 평가한 트위스트 분포의 FWHM 과 발광 출력을 각각 측정한 것을, 당해 FWHM (단위 : arcsec) 을 가로축에 취하고, 발광 출력 (단위 : ㎽) 을 세로축에 취하여 플롯한 그래프이다. 또한, 사용한 샘플의 사파이어 (0001) 기판은, 오프각이 0.15°∼ 2.0°의 범위인 것을 사용하였다.
도 4 의 측정 결과로부터, 트위스트 분포의 FWHM 이 약 550 arcsec 를 초과하여 커지면, 발광 출력이 저하되고, 약 550 arcsec 이하의 범위에서는, 트위스트 분포의 FWHM 을 보다 작게 해도 발광 출력은 증가하지 않는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 요컨대, n 형 AlGaN 층의 결정성으로서, 약 550 arcsec 이하의 트위스트 분포의 FWHM 이 얻어지면 충분하다는 것을 알 수 있다.
도 5 는 본 발명의 기초가 되는 제 2 측정 데이터로, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상이고, 오프각이 0.3°, 0.6°, 1.0°, 1.5°, 2.0°, 3.0°인 6 종류의 샘플에 대하여, 각 오프각에 있어서의 트위스트 분포의 FWHM 의 측정값의 최소값 및 중앙값을 플롯한 것이다. 단, 오프각 3.0°는 최소값만을 표시한다. 도 5 에 나타내는 측정 데이터의 샘플의 구조는, 도 4 에 나타내는 측정 데이터의 샘플과, n 형 클래드층 (6) 보다 상층의 반도체층과 각 전극을 형성하지 않은 점을 제외하고 동일하다.
도 5 의 측정 결과로부터, 오프각을 0.3°에서부터 1.5°에 걸쳐 증가시키면 트위스트 분포의 FWHM 이 저하되고, 반대로 오프각을 1.5°에서부터 3.0°에 걸쳐 증가시키면 트위스트 분포의 FWHM 이 증가하는 것을 알 수 있다. 또, 오프각이 0.6°이상 3.0°이하인 범위에 있어서, 트위스트 분포의 FWHM 이 약 550 arcsec 이하가 되어, 도 4 의 측정 결과와 조합 (照合) 시키면, 발광 출력의 향상을 도모할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 6 은 본 발명의 기초가 되는 제 3 측정 데이터로, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상이고, 오프각이 0.15°, 0.3°, 1.0°인 3 종류의 샘플 (샘플의 구조는 도 5 에 나타내는 측정 데이터의 샘플과 동일) 에 대하여, 각 오프각에 있어서의 AlN 층 (3) 과 n 형 클래드층 (6) 각각의 트위스트 분포의 FWHM 을 측정하여, n 형 클래드층 (6) 의 FWHM 을 세로축에, AlN 층 (3) 의 FWHM 을 가로축에 취하고, 각 FWHM 의 측정값을 플롯한 것이다. 도 6 중의 비스듬하게 그은 실선은, AlN 층 (3) 과 n 형 클래드층 (6) 의 각 FWHM 이 동일한 값인 점을 연결한 선으로, 당해 실선보다 하측의 샘플에서는, AlN 층 (3) 보다 그 상층의 n 형 클래드층 (6) 쪽에서 결정성이 향상되고, 반대로 당해 실선보다 상측의 샘플에서는, AlN 층 (3) 보다 그 상층의 n 형 클래드층 (6) 쪽에서 결정성이 저하되고 있는 것을 나타내고 있다.
도 6 의 측정 결과로부터, 오프각이 0.15°인 샘플에서는, AlN 층 (3) 의 FWHM 이 564 ∼ 679 arcsec 에 분포하고 있었던 것이, n 형 클래드층 (6) 의 FWHM 이 558 ∼ 719 arcsec 으로 변화하고, 대부분의 샘플에서 결정성이 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 오프각이 0.3°인 샘플에서는, AlN 층 (3) 의 FWHM 이 402 ∼ 773 arcsec 에 분포하고 있었던 것이, n 형 클래드층 (6) 의 FWHM 이 517 ∼ 733 arcsec 으로 변화하고, 약 절반의 샘플에서 결정성이 저하되고, 약 절반의 샘플에서 결정성이 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 오프각이 1.0°인 샘플에서는, AlN 층 (3) 의 FWHM 이 410 ∼ 683 arcsec 에 분포하고 있었던 것이, n 형 클래드층 (6) 의 FWHM 이 394 ∼ 568 arcsec 로 변화하고, 대부분의 샘플에서 결정성이 향상되고, 거의 모든 샘플에서 FWHM 이 약 550 arcsec 이하로 되어 있는 것을 알 수 있다.
도 7 은 본 발명의 기초가 되는 제 4 측정 데이터로, 오프각이 0.15°, 0.3°, 1.0°인 3 종류의 샘플 (샘플의 구조는 도 5 및 도 6 에 나타내는 측정 데이터의 샘플과 동일) 에 대하여, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율을 전체적으로 19.2 ％ 내지 84 ％ 의 범위에서 변화시킨 샘플에 대해, n 형 클래드층 (6) 의 트위스트 분포의 FWHM 을 측정하여, n 형 클래드층 (6) 의 FWHM 을 세로축에, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율을 가로축에 취하고, FWHM 의 측정값을 플롯한 것이다.
도 7 의 측정 결과로부터, 오프각이 0.15°인 샘플에서는, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 약 40 ％ 이하인 범위에서는, AlN 몰 분율의 증가와 함께, 트위스트 분포의 FWHM 이 증가하고, n 형 클래드층 (6) 의 결정성이 저하되고, 반대로 약 40 ％ 이상인 범위에서는, AlN 몰 분율의 증가와 함께, 트위스트 분포의 FWHM 이 감소하고, n 형 클래드층 (6) 의 결정성이 향상되는 경향이 있고, 또한 약 550 arcsec 이하의 FWHM 을 실현하려면, AlN 몰 분율을 약 28 ％ 이하로 한정할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 오프각이 0.3°인 샘플에서는, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 약 35 ％ 이하인 범위에서는, AlN 몰 분율의 증가와 함께, 트위스트 분포의 FWHM 이 약간 증가하고, n 형 클래드층 (6) 의 결정성이 저하되고, 반대로 약 35 ％ 이상인 범위에서는, AlN 몰 분율의 증가와 함께, 트위스트 분포의 FWHM 이 감소하고, n 형 클래드층 (6) 의 결정성이 향상되는 경향이 있다. 또한, 오프각이 0.3°인 샘플에서는, 약 550 arcsec 이하의 FWHM 을 실현하려면, AlN 몰 분율을 약 55 ％ 이상으로 한정할 필요가 있지만, 고수율은 기대할 수 없다. 이에 반해, 오프각이 1.0°인 샘플에서는, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 약 30 ％ 이상인 범위에서, AlN 몰 분율의 증가와 함께, 트위스트 분포의 FWHM 이 감소하고, n 형 클래드층 (6) 의 결정성이 향상되는 경향이 있고, 또한 n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 약 50 ％ 이상인 범위에 있어서, 약 550 arcsec 이하의 FWHM 을 고수율로 실현시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
이상의 도 4 내지 도 7 의 측정 결과로부터, 본 실시형태의 발광 소자 (1) 는, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율을 50 ％ 이상, 사파이어 (0001) 기판의 오프각을 0.6°이상 3.0°이하의 범위 내로 설정하고 있기 때문에, 트위스트 분포의 FWHM 이 약 550 arcsec 이하의 결정성이 양호한 n 형 클래드층 (6) 을 고수율로 실현할 수 있고, 그 결과, 안정적으로 고발광 출력이 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5 에 나타내는 측정 결과로부터, 사파이어 (0001) 기판의 오프각을 1.0°이상 2.5°이하의 범위 내로 설정함으로써, 트위스트 분포의 FWHM 을 약 550 arcsec 보다 더욱 저하시킬 수 있어, 보다 안정적으로 고발광 출력이 얻어지는 것을 알 수 있다.
또, 도 7 에 나타내는 측정 결과로부터, 동일한 질화물 반도체 자외선 발광 소자라도, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 28 ％ 이하, 요컨대 활성층 (7) 으로부터의 발광 파장이 긴 경우에는, 사파이어 (0001) 기판의 오프각은 0.15°정도의 작은 값에 고정시켜 두는 것이 바람직하고, 반대로 n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상, 요컨대 활성층 (7) 으로부터의 발광 파장이 짧은 경우 (대체로 300 ㎚ 이하) 에서는, 오프각은, 종래 사용되고 있었던 범위를 대폭 초과하여, 0.6°이상 3.0°이하가 바람직한 것을 알 수 있다.
도 8 은 n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상이고, 오프각이 1.0°인 샘플 (샘플의 구조는 도 5 내지 도 7 에 나타내는 측정 데이터의 샘플과 동일) 에 대하여, AlN 층의 막 두께 의존성에 대하여 측정한 결과를 나타내는 것으로, 당해 막 두께가 2200 ㎚ 내지 6600 ㎚ 의 범위이고, n 형 클래드층 (6) 의 트위스트 분포의 FWHM 으로서 약 550 arcsec 이하를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 사파이어 (0001) 기판 (2) 의 오프각이 1.0°인 본 실시형태의 발광 소자 (1) 의 2 가지 실시예 1, 2 와 오프각이 0.6°인 본 실시형태의 발광 소자 (1) 의 실시예 3, 사파이어 (0001) 기판 (2) 의 오프각이 0.3°인 2 가지 비교예 1, 2 와 오프각이 0.15°인 비교예 3 의 발광 출력과 파장 분포를 측정한 결과를 도 9 내지 도 12 에 나타낸다. 실시예 1 과 비교예 1, 3 은 오프각이 상이할 뿐 그 밖의 소자 구조는 동일하고, n 형 클래드층 (6) 과 우물층 (7b) 의 AlN 몰 분율이 각각 60 ％ 와 35 ％ 로, 발광 파장이 서로 근사하다 (제 1 발광 파장 그룹). 실시예 2, 3 과 비교예 2 는, 오프각이 상이할 뿐 그 밖의 소자 구조는 동일하고, n 형 클래드층 (6) 과 우물층 (7b) 의 AlN 몰 분율이 각각 70 ％ 와 55 ％ 로, 발광 파장이 서로 근사하다 (제 2 발광 파장 그룹).
도 9 는 실시예 1 과 비교예 1, 3 의 발광 출력과 순방향 전류의 관계를 나타내는 발광 출력 특성을 나타내고, 도 10 은 실시예 1 과 비교예 1, 3 의 발광 파장 특성을 나타낸다. 도 11 은 실시예 2, 3 과 비교예 2 의 발광 출력과 순방향 전류의 관계를 나타내는 발광 출력 특성을 나타내고, 도 12 는 실시예 2, 3 과 비교예 2 의 발광 파장 특성을 나타낸다. 도 10 및 도 12 에 발광 파장 특성의 세로축은 피크 출력을 1 로 하여 정규화한 발광 강도를 나타낸다. 또, 도 13 에 실시예 1 ∼ 3 과 비교예 1 ∼ 3 의 n 형 클래드층 (6) 의 트위스트 분포의 FWHM, 순방향 전류 100 ㎃ 시의 발광 출력, 및 발광 파장 분포의 FWHM 을 각각 일람표에 정리하여 나타낸다.
도 9 및 도 11 로부터, 각 발광 파장 그룹에서 오프각이 커질수록 인가하는 순방향 전류가 동일해도 발광 출력이 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10 및 도 12 로부터, 각 발광 파장 그룹에서 오프각이 0.3°를 초과하여 커지면, 발광 파장 분포가 확대되는 것을 알 수 있다. 또한, 2 개의 발광 파장 그룹에서는, 발광 파장이 짧은 제 2 발광 파장 그룹에 있어서, 당해 발광 파장 분포의 확대가 억제되는 것을 알 수 있다. 또, 각 발광 파장 그룹에서 오프각이 커지면 피크 발광 파장이 길어지는 경향이 보이지만, 발광 파장이 짧은 쪽이 피크 발광 파장의 변화는 억제되는 것을 알 수 있다. 상세하게는, 도 10 으로부터 오프각이 1.0°인 실시예 1 에서는, 오프각이 0.15°인 비교예 3 과 비교하여 피크 발광 파장은 15 ㎚ 정도 길어져 300 ㎚ 정도가 되고, 발광 파장 분포의 FWHM 은, 약 1.5 배인 18 ㎚ 정도로까지 확대되지만, 발광 파장의 피크의 분리는 보이지 않는다. 도 12 로부터 오프각이 1.0°인 실시예 2 에서는, 오프각이 0.3°인 비교예 2 와 비교하여 피크 발광 파장은 약간 2 ㎚ 정도 길어져 260 ㎚ 정도가 되고, 발광 파장 분포의 FWHM 은, 약 1.2 배인 12 ㎚ 정도로까지 확대되지만, 약 1.2 배의 확대로 억제되어 있다.
도 10 및 도 12 에서 관측되는 발광 파장 분포의 확대는, 상기 서술한 바와 같이, 오프각이 커지면, 사파이어 (0001) 기판 (2) 의 스텝상의 단차가 커져, 그 상층에 형성되는 발광 소자 구조부 (11) 의 활성층 (7) 에 있어서 AlGaN 층의 조성에 Ga 의 편석이 발생하여, 단차부를 따라 AlN 몰 분율이 높은 AlGaN 영역과 AlN 몰 분율이 낮은 AlGaN 영역이 생기는 것에서 기인하는 것이다.
이상의 측정 데이터로부터, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상, 요컨대 활성층 (7) 으로부터의 발광 파장이 짧은 경우 (대체로 300 ㎚ 이하) 에서는, 사파이어 (0001) 기판의 오프각을, 종래 사용되고 있었던 범위를 대폭 초과하여 0.6°이상 3.0°이하로 설정함으로써, 발광 파장 분포의 FWHM 의 확대는 약간 발생하지만, 발광 출력을 증대시킬 수 있는 것이 분명해졌다.
이상, 발광 소자 (1) 의 실시형태에 대하여 상세하게 설명하였다. 상기 실시형태에서는, 발광 소자 (1) 를 구성하는 발광 소자 구조부로서, 도 2 에 나타내는 발광 소자 구조부 (11) 를 일례로 하여 설명하였지만, 상기 설명에서 예시한 적층 구조, 전극 구조, 막 두께 및 AlGaN 층의 AlN 몰 분율 등은 일례로, 발광 소자 구조부 (11) 는 당해 구체예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 발광 소자 (1) 를 평면에서 보았을 때의 형상도, 도 3 에 예시한 형상에 한정되는 것은 아니다.
특히, 도 5 ∼ 도 8 에 나타내는 측정 데이터는, n 형 클래드층 (6) 보다 상층의 소자 구조를 형성하지 않는 샘플에 대한 측정 데이터로, 발광 소자 구조부 (11) 의 소자 구조에 관계없이, n 형 클래드층 (6) 의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상이면, 오프각과 n 형 클래드층 (6) 의 결정성 (트위스트 분포의 FWHM) 의 관계가 성립하는 것을 나타내고 있어, n 형 클래드층 (6) 의 결정성의 개선에 수반하는 발광 특성의 향상은, 다른 발광 소자 구조에 있어서도 마찬가지로 기대된다.
본 발명에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, n 형 클래드층의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상인 발광 다이오드 등에 이용할 수 있고, 발광 출력의 개선에 유효하다.
1 : 질화물 반도체 자외선 발광 소자
2 : 사파이어 (0001) 기판
3 : AlN 층
4 : AlGaN 층
5 : 템플레이트 (하지 구조부)
6 : n 형 클래드층 (n 형 AlGaN)
7 : 활성층
7a : 배리어층
7b : 우물층
8 : 전자 블록층 (p 형 AlGaN)
9 : p 형 클래드층 (p 형 AlGaN)
10 : p 콘택트층 (p 형 GaN)
11 : 발광 소자 구조부
12 : p 전극
13 : n 전극
R1 : 제 1 영역
R2 : 제 2 영역
S : 단차
T : 테라스면

Claims (5)

  1. 사파이어 (0001) 기판의 (0001) 면 상에 직접 AlN 층을 결정 성장시키고, 상기 기판과 상기 AlN 층을 포함하는 하지 구조부를 형성하는 공정, 및
    상기 하지 구조부의 결정 표면 상에, n 형 AlGaN 계 반도체층의 n 형 클래드층과, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층과, p 형 AlGaN 계 반도체층의 p 형 클래드층을 포함하는 발광 소자 구조부를 형성하는 공정을 구비하여 이루어지고,
    상기 기판의 (0001) 면이 0.6°이상 3.0°이하의 오프각으로 경사지고,
    상기 n 형 클래드층의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프각이 1.0°이상 2.5°이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하지 구조부를 형성하는 공정에서, 1150 ~ 1300 ℃ 의 온도로 상기 AlN 층을 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하지 구조부를 형성하는 공정에서, 상기 AlN 층을, 2.2 ㎛ 이상 6.6 ㎛ 이하의 막 두께가 되기까지 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  5. 사파이어 (0001) 기판과, 상기 기판의 (0001) 면 상에 직접 형성된 AlN 층을 포함하는 하지 구조부, 및
    상기 하지 구조부의 결정 표면 상에 형성된, n 형 AlGaN 계 반도체층의 n 형 클래드층과, AlGaN 계 반도체층을 갖는 활성층과, p 형 AlGaN 계 반도체층의 p 형 클래드층을 포함하는 발광 소자 구조부를 구비하여 이루어지고,
    상기 기판의 (0001) 면이 0.6°이상 3.0°이하의 오프각으로 경사지고,
    상기 n 형 클래드층의 AlN 몰 분율이 50 ％ 이상이고,
    상기 AlN층이, 상기 오프각으로 경사져 있는 상기 기판의 (0001) 면에서 성장되는 결정인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
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