KR20190030737A - 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 자외선 발광 소자 - Google Patents

질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 자외선 발광 소자 Download PDF

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Abstract

피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법으로서, 사파이어 기판을 포함하는 하지부의 상면에 n 형의 AlXGa1 － XN (1 ≥ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 n 형 반도체층을 형성하는 제 1 스텝과, n 형 반도체층의 상방에 AlYGa1－YN (X ＞ Y ＞ 0) 계 반도체로 구성된 발광층을 포함하고 전체가 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 활성층을 형성하는 제 2 스텝과, 활성층의 상방에 p 형의 AlZGa1－ZN (1 ≥ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 p 형 반도체층을 형성하는 제 3 스텝을 구비한다. 이 제조 방법은, 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1200 ℃ 보다 높고 또한 제 1 스텝에 있어서의 성장 온도 이상이다.

Description

질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 자외선 발광 소자
본 발명은, 발광층이 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 캐리어 (전자 및 정공) 의 재결합에 의해 발광이 발생하는 발광층이 GaN 계 반도체 또는 InGaN 계 반도체로 구성되어 있는 질화물 반도체 발광 소자가 널리 보급되어 있다. 그러나, 이것보다 발광 파장이 짧은 발광 소자인, 발광층이 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 예를 들어 특허문헌 1 등에 있어서 제안되고는 있지만, 여전히 충분히는 보급되어 있지 않다.
이 원인의 하나로서, AlGaN 계 반도체로 발광층이 구성되어 있는 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 피크 발광 파장을 짧게 할 (발광층의 Al 의 조성비를 크게 하고 Ga 의 조성비를 작게 할) 수록, 발광 효율이 저하된다는 문제가 있다. 또한, 반도체 발광 소자의 발광 효율은, 주입된 전자가 광자로 변환되는 비율인 양자 효율로서 표현되고, 발광 소자의 내부에서 발생한 광자에 주목한 비율을 내부 양자 효율, 발광 소자의 외부로 방출된 광자에 주목한 비율을 외부 양자 효율이라고 한다.
이 문제에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 도 5 및 도 6 은, 질화물 반도체 발광 소자의 피크 발광 파장과 외부 양자 효율의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5 는, 비특허문헌 1 에 기재되어 있는 그래프로, 다양한 기업이나 연구 기관이 학술 논문 등에서 보고한 데이터를 집적한 것이다. 또, 도 6 은, 본원의 발명자가 과거에 제작한 시료를 측정하여 얻어진 그래프이다. 또한, 도 5 및 도 6 의 각각의 그래프의 가로축은 피크 발광 파장이고, 세로축은 외부 양자 효율이다. 또, 도 5 에서는, 도면의 설명의 편의상, 비특허문헌 1 에 기재되어 있는 그래프에 대해, 엄밀한 근사 곡선은 아니지만 점 전체의 경향을 나타내는 곡선과, 285 ㎚ 의 피크 발광 파장을 나타내는 파선을 가필하여 표시하고 있다.
도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 피크 발광 파장이 짧아짐에 따라 외부 양자 효율이 급격히 저하된다. 이것은, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에는, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 보다 긴 질화물 반도체 발광 소자에서는 발생하지 않는 특유의 문제가 존재하고 있는 것을 나타내고 있다. 그리고, 이 문제는, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 예외 없이 발생하고 있는 문제로서, 최근에도 해결되지 않은 문제이다.
일본 특허공보 제5641173호
Michael Kneissl, "A Brief Review of Ⅲ－Nitride UV Emitter Technologies and Their Applications", Ⅲ－Nitride Ultraviolet Emitters, Chapter 1, 2016
본원의 발명자는, 상기 서술한 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서의 특유의 문제에 대해 예의 검토한 결과, 당해 문제의 원인을 특정함과 함께, 그 해결책을 발견하기에 이르렀다.
그래서, 본 발명은, 상기 서술한 특유의 문제를 극복하여 발광 효율을 개선한 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법으로서, 사파이어 기판을 포함하는 하지부의 상면에, n 형의 AlXGa1－XN (1 ≥ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 n 형 반도체층을 형성하는 제 1 스텝과, 상기 n 형 반도체층의 상방에, AlYGa1－YN (X ＞ Y ＞ 0) 계 반도체로 구성된 발광층을 포함하고 전체가 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 활성층을 형성하는 제 2 스텝과, 상기 활성층의 상방에, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ≥ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 p 형 반도체층을 형성하는 제 3 스텝을 구비하고, 상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1200 ℃ 보다 높고 또한 상기 제 1 스텝에 있어서의 성장 온도 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 활성층의 성장 온도를 1200 ℃ 보다 높게 함으로써, 활성층에 포함되는 발광층의 Al 공공 (空孔) 을 저감시킬 수 있다. 따라서, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 발광 효율이 저하되는 원인인 발광층에 있어서의 Al 공공을 저감시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 1 스텝에 있어서의 성장 온도보다 높아도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, n 전극을 형성하기 위해서 노출시키는 가공이 필요하므로 다른 층보다 두껍게 성장시킬 필요가 있는 n 형 반도체층의 성장 온도로서, 이 층을 구성하는 n 형의 AlXGa1－XN (1 ≥ X ≥ 0.5) 계 반도체의 성장에 적합한 온도를 선택함과 함께, 활성층의 성장 온도로서 n 형 반도체층의 성장 온도보다 높은 온도를 별도로 선택할 수 있다. 따라서, 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 생산 효율이 극단적으로 악화되는 것을 방지할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 스텝에서, n 형의 AlXGa1－XN (1 ＞ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 상기 n 형 반도체층을 형성하고, 상기 제 1 스텝의 직후에, 상기 제 1 스텝과 동일한 성장 온도에서, 상기 n 형 반도체층에 계속해서 AlαGa1－αN (1 ≥ α ＞ X) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 1 분해 방지층을 형성하는 제 4 스텝을 추가로 구비하고, 적어도 상기 제 4 스텝이 종료된 후에, 성장 온도를 높여 상기 제 2 스텝을 실시해도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 제 1 스텝에 있어서의 성장 온도로부터 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도로 높일 때에, n 형 반도체층의 상면에 제 1 분해 방지층이 형성되어 있어 n 형 반도체층이 노출되지 않기 때문에, n 형 반도체층에 있어서의 GaN 의 분해에서 기인하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 특성의 악화를 억제할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도보다 낮아도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 활성층과 동일한 성장 온도에서 p 형 반도체층을 성장시킨 경우와 비교하여, 억셉터 불순물의 도프량을 증대시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 활성층의 최상층이 AlY1Ga1－Y1N (X ＞ Y1 ≥ Y) 계 반도체로 구성되어 있고, 상기 제 2 스텝의 직후에, 상기 제 2 스텝과 동일한 성장 온도에서, 상기 활성층에 계속해서 AlβGa1－βN (1 ≥ β ≥ Y) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 2 분해 방지층을 형성하는 제 5 스텝을 추가로 구비하고, 적어도 상기 제 5 스텝이 종료된 후에, 성장 온도를 낮추어 상기 제 3 스텝을 실시해도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도로부터 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도로 낮출 때에, 활성층의 상면에 제 2 분해 방지층이 형성되어 있어 활성층이 노출되지 않기 때문에, 활성층에 있어서의 GaN 의 분해에서 기인하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 특성의 악화를 억제할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 p 형 반도체층의 상방에 p 형의 AlQGa1－QN (Z ＞ Q ≥ 0) 계 반도체로 구성된 p 형 콘택트층을 형성하는 제 6 스텝을 추가로 구비하고, 상기 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도보다 낮아도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, p 형 반도체층보다 Ga 의 조성비가 크기 때문에 성장시에 있어서의 GaN 의 분해 (재증발) 가 격렬한 p 형 콘택트층의 성장 온도를, p 형 반도체층의 성장 온도보다 낮춤으로써, p 형 콘택트층을 효율적으로 성장시킬 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 3 스텝에서, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ＞ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 상기 p 형 반도체층을 형성하고, 상기 제 3 스텝의 직후에, 상기 제 3 스텝과 동일한 성장 온도에서, 상기 p 형 반도체층에 계속해서 AlγGa1－γN (1 ≥ γ ＞ Z) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 3 분해 방지층을 형성하는 제 7 스텝을 추가로 구비하고, 적어도 상기 제 7 스텝이 종료된 후에, 성장 온도를 낮추어 상기 제 6 스텝을 실시해도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도로부터 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도로 낮출 때에, p 형 반도체층의 상면에 제 3 분해 방지층이 형성되어 있어 p 형 반도체층이 노출되지 않기 때문에, p 형 반도체층에 있어서의 GaN 의 분해에서 기인하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 특성의 악화를 억제할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도보다 150 ℃ 이상 낮아도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도로부터 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도로 낮출 때에 장시간을 필요로 하지만, p 형 반도체층의 상면에 제 3 분해 방지층이 형성되어 있어 p 형 반도체층이 노출되지 않기 때문에, p 형 반도체층에 있어서의 GaN 의 분해에서 기인하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 특성의 악화를 억제할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 적어도 상기 제 2 스텝이 종료된 후에, 1200 ℃ 보다 높은 온도에서, 질소의 비율이 50 ％ 이상인 기체를 공급하면서 열 처리를 실시하는 제 8 스텝을 추가로 구비해도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 발광층에 있어서 결정 격자 위치로부터 약간 어긋나 있는 Al 원자의 이동을 촉진시켜, 발광층에 있어서의 Al 공공의 추가적인 감소를 도모할 수 있다. 또, AlN 및 GaN 의 분해를 억제함과 함께, N 공공의 발생을 억제 또는 N 공공의 감소를 도모할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1100 ℃ 이하여도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도가 그다지 높지 않기 때문에, 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도로부터 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도로 낮추었다고 해도, p 형 반도체층에 있어서의 GaN 의 분해는 문제가 되지 않는다. 그 때문에, 제 3 분해 방지층을 형성하지 않고, p 형 반도체층에 있어서의 GaN 의 분해를 억제할 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 스텝이, 상기 발광층인 우물층과, AlRGa1－RN (1 ＞ R ＞ Y) 계 반도체로 구성된 장벽층의 각각을 1 층 이상 교대로 적층한 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 상기 활성층을 제작하는 공정이어도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 채용함으로써, 발광 효율을 높일 수 있다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1250 ℃ 이상이어도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에 의하면, 1250 ℃ 이상의 온도에서 활성층을 성장시킴으로써, Al 원자의 마이그레이션을 충분히 촉진시켜, 발광층에 있어서의 Al 공공을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또, 본 발명은, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자로서, 사파이어 기판을 포함하는 하지부와, 상기 하지부의 상면에 형성되는, n 형의 AlXGa1－XN (1 ＞ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 n 형 반도체층과, 상기 n 형 반도체층의 상방에 형성되는, AlYGa1－YN (X ＞ Y ＞ 0) 계 반도체로 구성된 발광층을 포함하고 전체가 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 활성층과, 상기 활성층의 상방에 형성되는, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ≥ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 p 형 반도체층을 구비하고, 상기 n 형 반도체층의 상면에 있어서의 Al 의 조성비가 당해 n 형 반도체층의 내부보다 크거나, 또는, 상기 n 형 반도체층의 상면에 AlαGa1－αN (1 ≥ α ＞ X) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 1 분해 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 제공한다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, 생산 효율의 극단적인 악화를 억제하면서, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 발광 효율이 저하되는 원인인 발광층에 있어서의 Al 공공을 저감시키기 위해서 n 형 반도체층의 성장 온도보다 높은 온도에서 활성층을 성장시키는 것이 가능해진다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 활성층의 최상층이 AlY1Ga1－Y1N (X ＞ Y1 ≥ Y) 계 반도체로 구성되어 있고, 상기 최상층의 상면에 있어서의 Al 의 조성비가 당해 최상층의 내부보다 크거나, 또는, 상기 활성층의 상면에 AlβGa1－βN (1 ≥ β ≥ Y1) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 2 분해 방지층이 형성되어 있어도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, p 형 반도체층의 억셉터 불순물의 도프량을 증대시키기 위해서 활성층의 성장 온도보다 낮은 온도에서 p 형 반도체층을 성장시키는 것이 가능해진다.
또, 상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 상기 p 형 반도체층이, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ＞ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성되어 있고, 상기 p 형 반도체층의 상방에 형성되는, p 형의 AlQGa1－QN (Z ＞ Q ≥ 0) 계 반도체로 구성된 p 형 콘택트층을 추가로 구비하고, 상기 p 형 반도체층의 상면에 있어서의 Al 의 조성비가 당해 p 형 반도체층의 내부보다 크거나, 또는, 상기 p 형 반도체층의 상면에 AlγGa1－γN (1 ≥ γ ＞ Z) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 3 분해 방지층이 형성되어 있어도 된다.
이 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 의하면, p 형 콘택트층을 효율적으로 성장시키기 위해서 p 형 반도체층의 성장 온도보다 낮은 온도에서 p 형 콘택트층을 성장시키는 것이 가능해진다.
상기 특징의 질화물 반도체 자외선 발광 소자 및 그 제조 방법에 의하면, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 발광 효율이 저하되는 원인인, 발광층에 있어서의 Al 공공을 저감시킬 수 있다. 따라서, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 발광 효율을 개선할 수 있다.
도 1 은, 피크 발광 파장이 상이한 2 종류의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 대한 시간 분해 PL 의 측정 결과인 감쇠 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 주요부 단면도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 도 2 의 상측에서 보았을 경우의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 타이밍도이다.
도 5 는, 질화물 반도체 발광 소자의 피크 발광 파장과 외부 양자 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6 은, 질화물 반도체 발광 소자의 피크 발광 파장과 외부 양자 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
＜발광 효율이 저하되는 원인 ＞
먼저, 본원의 발명자가 특정한, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서의 발광 효율이 저하되는 원인에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 은, 피크 발광 파장이 상이한 2 종류의 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 대한 시간 분해 PL (Photoluminescence) 의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 1 에 나타내는 그래프에 있어서, 세로축은 PL 의 강도이고, 가로축은 시간이다.
시간 분해 PL 을 측정한 시료는, 사파이어 기판의 (0001) 면 상에, AlN 층, Si 를 도프한 n 형의 AlGaN 층, AlGaN 우물층 및 AlGaN 장벽층을 3 주기분 중첩시킨 다중 양자 우물 구조의 활성층, Mg 를 도프한 p 형의 AlGaN 층을 차례대로 적층하여 구성되어 있고, 원하는 피크 발광 파장이 되도록 AlN 층보다 위인 각 층에 있어서의 Al 과 Ga 의 조성비가 조정되어 있다. 특히, 캐리어 (전자 및 정공) 의 재결합에 의해 발광이 발생하는 발광층인 AlGaN 우물층의 Al 의 조성비가 클수록, 피크 발광 파장이 짧아지기 때문에, 원하는 피크 발광 파장이 되도록 AlGaN 우물층의 Al 의 조성비가 결정되고 있다. 또, 캐리어를 효율적으로 발광층 (AlGaN 우물층) 에 보내기 위해서, AlGaN 장벽층의 Al 의 조성비가 AlGaN 우물층보다 커지도록 조정되어 있음과 함께, n 형 및 p 형의 AlGaN 층의 Al 의 조성비가 AlGaN 장벽층 이상이 되도록 조정되어 있다.
측정한 시료는 2 종류로, 하나는 피크 발광 파장이 300 ㎚ 로 조정되어 있는 시료 (이하, 「LED300」이라고 칭한다), 또 하나는 피크 발광 파장이 265 ㎚ 로 조정되어 있는 시료 (이하, 「LED265」라고 칭한다) 이다. 상기 서술한 바와 같이, LED265 에 있어서의 AlGaN 우물층의 Al 의 조성비는, LED300 에 있어서의 AlGaN 우물층의 Al 의 조성비보다 크다. 또, 어느 시료에 대해서도, 실온에 있어서, 티탄사파이어 레이저의 3 배 고조파인 여기광 (파장 244 ㎚ ∼ 266 ㎚) 을 p 형의 AlGaN 층측에 부여함과 함께, p 형의 AlGaN 층측으로부터 PL 의 검출을 실시하고 있다.
도 1 에 나타내는 바와 같은 시간 분해 PL 의 측정 결과는, 광에 의해 여기된 캐리어가 기저 상태로 완화되는 (전자 및 정공이 소멸되는) 과정을 나타내고 있어, 시료의 결정성의 평가에 도움이 되는 것이다. 또, 시간 분해 PL 의 측정 결과에 대해 지수 함수로 피팅함으로써 얻어지는 완화 시간을 이용함으로써, 완화 과정의 정량적인 비교가 가능해진다. 그래서, 도 1 에 나타내는 LED265 및 LED300 의 각각의 측정 결과에 대해, 하기 식 (1) 을 피팅함으로써 완화 시간을 산출하였다. 하기 식 (1) 은, 빠른 완화 과정과 느린 완화 과정의 2 개의 완화로 나누어 피팅하기 위한 함수이고, 시간 분해 PL 의 측정 결과에 대해 일반적으로 사용되는 함수이다. 하기 식 (1) 에 있어서, τ1 이 빠른 완화 과정에 있어서의 완화 시간, τ2 가 느린 완화 과정에 있어서의 완화 시간이다.
Figure pct00001
도 1 에 나타내는 시간 분해 PL 의 측정 결과에 대해 상기 식 (1) 을 피팅한 결과, LED300 의 완화 시간 τ1 은 0.682 ns 였지만, LED265 의 완화 시간 τ1 은 0.164 ns 로, 대폭 짧아졌다. 이 결과는, 도 1 이 실온에서의 측정 결과로서 캐리어가 결함 등에 포획되는 것에 의한 비복사 재결합이 발생하기 쉬운 상황이었던 것을 고려하면, LED265 에서는 LED300 보다 비복사 재결합에 의한 완화 과정이 보다 지배적인 것을 나타내고 있다.
또한, AlGaN 에 있어서는, 주된 비복사 재결합 중심은 카티온 공공 복합체 (Ga 및 Al 의 공공인 카티온 공공과 질소 공공의 복합체) 로서, Al 의 조성비가 커질수록 카티온 공공이 증대되는 것이 알려져 있다 (예를 들어, Uedono et al. Journal of Applied Physics 111 013512 2012, Chichibu et al. Journal of Applied Physics 113 213506 2013).
이들 사실을 종합하면, LED265 는, LED300 보다 Al 의 조성비가 큰 점에서 카티온 공공인 Al 공공이 많아지고 있고, 그것이 원인이 되어 비복사 재결합이 발생하기 쉽기 때문에, 복사 재결합되는 캐리어가 감소하여 발광 효율이 저하되고 있는 것으로 생각된다. 그리고, 도 5 및 도 6 에 나타낸 바와 같이, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 피크 발광 파장이 짧은 것일수록 발광층의 Al 의 조성비가 커져 Al 공공이 많아지기 때문에, 피크 발광 파장이 짧을수록 발광 효율이 저하되고 있는 것으로 생각된다.
이상과 같이, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 발광 효율이 저하되는 원인은, 발광층에 있어서의 Al 공공이다. 그래서, 이하에서는, 이 Al 공공을 저감시켜 발광 효율을 향상시킨 질화물 반도체 자외선 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
＜질화물 반도체 자외선 발광 소자의 구조예＞
먼저, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 구조의 일례에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 주요부 단면도이다. 도 3 은, 도 2 에 나타내는 질화물 반도체 자외선 발광 소자를 도 2 의 상측에서 보았을 경우의 구조의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도이다. 또한, 도 2 에서는, 도시의 형편상, 기판, 반도체층 및 전극의 두께 (도면 중의 상하 방향의 길이) 를 모식적으로 나타내고 있기 때문에, 반드시 실제의 치수비와는 일치하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에 있어서, AlGaN 계 반도체란, AlGaN, AlN 또는 GaN, 혹은, 이것들에 미량의 불순물 (예를 들어, Si 나 Mg, In 등) 이 함유된 반도체이고, 필요에 따라 Al 및 Ga 에 대해 첨자를 사용함으로써 Al 및 Ga 의 상대적인 조성비를 나타내고 있다 (예를 들어, AlXGa1－XN). 또, 이하의 설명에 있어서, p 형 및 n 형의 양방을 기재하고 있지 않은 반도체층은 도프되지 않은 반도체층이지만, 도프되지 않은 반도체층이라도 불가피적으로 혼입되는 정도의 미량의 불순물은 함유될 수 있다.
도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 는, 사파이어 기판 (11) 을 포함하는 하지부 (10) 와, 질화물 반도체층 및 전극을 포함하는 소자 구조부 (20) 를 구비한다. 이 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 는, 실장용의 기대에 대해 소자 구조부 (20) 측 (도 2 에 있어서의 도면 중 상측) 을 향하여 실장되는 (플립 칩 실장되는) 것이고, 광의 취출 방향은 하지부 (10) 측 (도 2 에 있어서의 도면 중 하측) 이다.
하지부 (10) 는, (0001) 면을 주면 (主面) 으로 하는 사파이어 기판 (11) 과, 사파이어 기판 (11) 의 주면 상에 형성된 AlN 층 (12) 을 구비한다. 또한, 사파이어 기판 (11) 은, 주면이 (0001) 면에 대해 미소 각도 (예를 들어, 0°보다 크고 3.0°이하) 만큼 경사져 있는 오프 기판이어도 된다. 또, AlN 층 (12) 이 미량의 Ga 나 그 밖의 불순물을 함유하고 있어도 되고, AlN 층 (12) 의 상면에 AlGaN 계 반도체로 구성된 층이 추가로 형성되어 있어도 된다.
소자 구조부 (20) 는, 하지부 (10) 측으로부터 순서대로, n 형의 AlXGa1－XN (1 ＞ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 n 형 클래드층 (21) (n 형 반도체층), AlαGa1－αN (1 ≥ α ＞ X) 계 반도체로 구성된 제 1 분해 방지층 (22), AlYGa1－YN (X ＞ Y ＞ 0) 계 반도체로 구성된 발광층을 포함하고 전체가 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있음과 함께 최상층이 AlY1Ga1－Y1N (X ＞ Y1 ≥ Y) 계 반도체로 구성되어 있는 활성층 (23), AlβGa1－βN (1 ≥ β ＞ Y1) 계 반도체로 구성된 제 2 분해 방지층 (24), p 형의 AlZGa1－ZN (1 ＞ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 전자 블록층 (25), AlγGa1－γN (1 ≥ γ ＞ Z) 계 반도체로 구성된 제 3 분해 방지층 (26), p 형의 AlQGa1－QN (Z ＞ Q ≥ 0) 계 반도체로 구성된 p 형 콘택트층 (27) 이 적층된 구조를 구비하고 있다.
또한, 소자 구조부 (20) 는, 예를 들어 Ni/Au 로 구성되어 p 형 콘택트층 (27) 의 상면에 형성되는 p 전극 (28) 과, 예를 들어 Ti/Al/Ti/Au 로 구성되어 n 형 클래드층 (21) 이 노출되어 있는 일부의 영역에 있어서 n 형 클래드층 (21) 의 상면에 형성되어 있는 n 전극 (29) 을 구비하고 있다. 이 p 전극 (28) 으로부터 정공이 공급됨과 함께 n 전극 (29) 으로부터 전자가 공급되도록 통전하면, 공급된 정공 및 전자의 각각이 활성층 (23) 내의 발광층에 도달하고, 당해 발광층에 있어서 전자 및 정공이 재결합하여 발광한다.
활성층 (23) 은, AlYGa1－YN 계 반도체로 구성된 발광층인 우물층과, AlRGa1－RN (1 ＞ R ＞ Y) 계 반도체로 구성된 장벽층의 각각을, 1 층 이상 교대로 적층한 단일 또는 다중 양자 우물 구조이고, 최상층은 장벽층 (또는 우물층) 이다. 또한, 활성층 (23) 은, AlYGa1－YN 계 반도체로 구성된 발광층만을 구비하는 구성 (이 경우에는 최상층도 당해 발광층) 이어도 된다. 단, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 발광 효율을 높이는 관점에서, 활성층 (23) 이 양자 우물 구조 (특히, 다중 양자 우물 구조) 이면, 바람직하다.
제 1 분해 방지층 (22), 제 2 분해 방지층 (24) 및 제 3 분해 방지층 (26) 의 각각은, 전형적으로는 AlN 으로 구성되고 (즉, α ＝ 1, β ＝ 1, γ ＝ 1), 두께는 3 ㎚ 이하이면 바람직하고, 2 ㎚ 이하이면 더욱 바람직하다. 상세한 것에 대해서는 후술하는 ＜질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법예＞ 에서 설명하지만, 이들 층 (22, 24, 26) 은, 바로 아래의 층 (21, 23, 25) 을 보호할 목적에서 형성되는 층이고, 발광에 기여하는 층은 아니기 때문에, 저항이 작아지도록 가능한 한 얇게 형성하면, 바람직하다.
p 형 콘택트층 (27) 은, 전형적으로는 GaN (즉, Q ＝ 0) 으로 구성된다. 또한, 전자 블록층 (25) 과 p 형 콘택트층 (27) 사이에, Al 의 조성비가 전자 블록층 (25) 보다 작고 p 형 콘택트층보다 큰 p 형의 AlGaN 계 반도체로 구성된 층을 형성해도 된다.
상기 서술한 각 층 (21 ∼ 27) 의 각각을 구성하는 AlGaN 계 반도체에 있어서의 Al 및 Ga 의 조성비 (X, Y, Y1, Z, Q, R, α, β, γ) 는, 상기 서술한 대소 관계를 만족시킨 후에, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 가 원하는 피크 발광 파장의 광을 출사하도록 적절히 설정된다.
＜질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법예＞
다음으로, 도 2 에 예시한 질화물 반도체 자외선 발광 장치 (1) 의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
먼저, 유기 금속 화합물 기상 성장 (MOVPE) 법이나 분자선 에피택시 (MBE) 법 등의 주지된 에피택셜 성장법에 의해, 하지부 (10) 에 포함되는 AlN 층 (12) 및 소자 구조부 (20) 에 포함되는 질화물 반도체로 구성된 각 층 (21 ∼ 27) 을, 사파이어 기판 (11) 상에 차례대로 에피택셜 성장시켜 적층한다. 이 때, n 형의 층에는 도너 불순물로서 예를 들어 Si 를 도프하고, p 형의 층에는 억셉터 불순물로서 예를 들어 Mg 를 도프한다.
다음으로, 반응성 이온 에칭 등의 주지된 에칭법에 의해, 일부의 영역을 선택적으로 에칭하여 당해 영역의 n 형 클래드층 (21) 을 노출시킨다. 그리고, 전자빔 증착법 등의 주지된 성막법에 의해, 에칭되어 있지 않은 영역 내의 p 형 콘택트층 (27) 상에 p 전극 (28) 을 형성함과 함께, 에칭된 영역 내의 n 형 클래드층 (21) 상에 n 전극 (29) 을 형성한다. 또한, p 전극 (28) 및 n 전극 (29) 의 일방 또는 양방의 형성 후에, RTA (순간 열 어닐) 등의 주지된 열 처리 방법에 의해 열 처리를 실시해도 된다.
그런데, 상기 서술한 ＜발광 효율이 저하되는 원인＞ 에서 설명한 바와 같이, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 발광 효율이 저하되는 원인은, 발광층에 있어서의 Al 공공이다. 그 때문에, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 는, 발광층에 있어서의 Al 공공이 저감되는 제조 방법에 의해 제조된다.
그래서, 발광층에 있어서의 Al 공공을 저감시키는 제조 방법의 일례에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 도 4 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법의 일례를 모식적으로 나타낸 타이밍도이다. 또한, 도 4 에 나타내는 타이밍도는, 소자 구조부 (20) 에 포함되는 질화물 반도체로 구성된 각 층 (21 ∼ 27) 을 형성할 때의 성장 온도를 나타낸 것이고, 세로축이 성장 온도, 가로축이 시간이다. 또한, 성장 온도란, 에피택셜 성장에 사용하는 장치가 채용하고 있는 가열 방식에 따라 상이하기도 하지만, 전형적으로는 웨이퍼 (기판) 온도이다. 또, 예를 들어 웨이퍼 표면에 대한 원료 공급의 유무에 따라 각 층 (21 ∼ 27) 의 성장의 유무를 제어하는 것이 가능함과 함께, 예를 들어 원료의 공급비에 따라 각 층 (21 ∼ 27) 의 조성비를 제어하는 것이 가능하다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 제조 방법에서는, 먼저 기간 P1 에 있어서, 성장 온도 T1에서 n 형 클래드층 (21) 을 성장시킨다. 또한, 기간 P1 의 직후인 기간 P2 에 있어서, 성장 온도 T1 에서 n 형 클래드층 (21) 에 계속해서 제 1 분해 방지층 (22) 을 성장시킨다.
다음으로, 성장 온도를 T1 로부터 T2 로 높인 후, 기간 P3 에 있어서, 성장 온도 T2 에서 활성층 (23) 을 성장시킨다. 또한, 기간 P3 의 직후인 기간 P4 에 있어서, 성장 온도 T2 에서 활성층 (23) 에 계속해서 제 1 분해 방지층 (22) 을 성장시킨다.
다음으로, 성장 온도를 T2 로부터 T3 으로 낮춘 후, 기간 P5 에 있어서, 성장 온도 T3 에서 전자 블록층 (25) 을 성장시킨다. 또한, 기간 P5 의 직후인 기간 P6 에 있어서, 성장 온도 T3 에서 전자 블록층 (25) 에 계속해서 제 2 분해 방지층 (26) 을 성장시킨다. 또한, 도 4 에서는, 성장 온도 T3 이 성장 온도 T1 보다 높은 경우에 대해 예시하고 있지만, 성장 온도 T3 이 성장 온도 T1 보다 낮아도 되고, 성장 온도 T3 과 성장 온도 T1 이 동일해도 된다.
다음으로, 성장 온도를 T3 으로부터 T4 로 낮춘 후, 기간 P7 에 있어서, 성장 온도 T4 에서 p 형 콘택트층 (27) 을 성장시킨다. 이로써, 각 층 (21 ∼ 27) 의 성장이 종료된다.
그런데, 일반적으로, AlN 과 GaN 의 혼정 (混晶) 인 AlGaN 의 성장 온도는, 높아도 1100 ℃ 부근이 바람직한 것으로 되어 있다. 이것은, 성장 표면에 있어서의 원자의 마이그레이션 (특히, N 원자와의 결합력이 강하게 작용하기 어려운 Al 원자의 마이그레이션) 을 촉진시켜 결함 등이 적은 양호한 결정을 얻기 위해서는 성장 온도를 높게 하는 편이 좋지만, GaN 의 분해 (재증발) 를 억제하기 위해서는 성장 온도를 낮게 억제해야 한다는 제약이 있기 때문에, 양자의 밸런스를 취할 수 있는 범위의 상한이 1100 ℃ 부근이 되기 때문이다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2005－32803호의 명세서의 단락 [0004], [0005] 및 [0044] 참조).
또, 일반적으로, 발광층을 AlGaN 으로 구성하는 경우, 발광층의 밴드 갭을 국소적으로 작게 하여 캐리어를 가두기 위해서, 적어도 발광층을 사이에 두는 n 형 및 p 형의 AlGaN (또는 AlN) 으로 구성된 층의 Ga 의 조성비보다, 발광층의 Ga 의 조성비를 크게 할 (Al 의 조성비를 작게 할) 필요가 있다. 그 때문에, 발광층은, Ga 를 충분히 받아들일 필요가 있으므로, 성장 온도를 낮게 할 필요성이 특히 높다. 또한, 질화물 반도체 발광 소자의 피크 발광 파장을 짧게 할수록, 발광층의 밴드 갭은 커지고 Ga 의 조성비는 작아지지만, 그럼에도 Ga 를 받아들일 필요로부터, 바람직한 성장 온도는 1100 ℃ 부근이 된다. 예를 들어, 상기 서술한 특허문헌 1 에 기재된 질화물 반도체 자외선 발광 소자는, 피크 발광 파장이 254 ㎚ 로, 상기 서술한 발광 효율이 저하되는 문제가 있는 285 ㎚ 보다 짧은 것이지만, 발광층의 성장 온도는 1120 ℃ 이다 (예를 들어, 특허문헌 1 의 명세서의 단락 [0026] 및 [0035] 참조).
이에 반해, 도 4 에 나타내는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에서는, 발광층 (예를 들어 양자 우물 구조의 우물층) 을 포함하는 활성층 (23) 의 성장 온도를, 상기의 일반적인 발광층의 성장 온도 (1100 ℃ 정도) 보다 높은 온도로 한다. 구체적으로는, 성장 온도 T2 를 1200 ℃ 보다 높은 온도로 한다. 이로써, 발광층의 성장시에 있어서의 Al 원자의 마이그레이션이 촉진되기 때문에, 발광층에 있어서의 Al 공공이 저감된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 제조 방법에 의하면, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서 발광 효율이 저하되는 원인인 발광층에 있어서의 Al 공공을 저감시켜, 발광 효율을 개선할 수 있다.
단, 상기 서술한 바와 같이 AlGaN 의 최적인 성장 온도의 상한은 1100 ℃ 부근이고, 성장 온도를 1200 ℃ 보다 높게 하면 GaN 의 분해 (재증발) 가 격렬해진다는 문제가 발생할 수 있다. 이 문제는, 예를 들어 Ga 의 원료의 공급량을 종래보다 많게 하는 등, 성장 온도 이외의 다른 성장 조건을 최적화함으로써 대처 가능하지만, 원료의 소비량이 증가하거나 성장 속도가 저하되거나 하는 등, 생산 효율이 저하될 수 있다. 그리고, 종래는, AlGaN 의 성장 온도를 1200 ℃ 보다 높게 했다고 해도, 이와 같은 디메리트 밖에 없다고 생각되고 있었기 때문에, AlGaN 의 성장 온도로서 1200 ℃ 보다 높은 온도는 선택되고 있지 않았다.
그러나, 본원의 발명자의 예의 검토에 의해, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서, 발광 효율을 저하시키고 있는 원인이 발광층에 있어서의 Al 공공인 것이 특정됨과 함께, 발광층의 성장 온도를 1200 ℃ 보다 높게 함으로써 Al 공공을 저감시켜 발광 효율을 개선하는 것이 가능하다는 것이 발견되었다. 그리고, 본 발명의 실시형태에 관련된 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 제조 방법에 의하면, 생산 효율은 저하된다고 해도, 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자에 있어서의 발광 효율의 개선이라는, 지금까지 해결되지 않았던 문제를 해결할 수 있다.
또, 도 4 에 나타내는 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 제조 방법에서는, 도중에 성장 온도를 변경할 필요가 있지만, 성장 온도를 변경하기 위해서는 일정한 시간이 필요하게 된다. 이 성장 온도를 변경할 때에, AlGaN 으로 구성된 층이 노출되어 있으면, GaN 의 분해가 발생하는 경우가 있다. 특히, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 는 1200 ℃ 보다 높기 때문에, 성장 온도를 T1 로부터 T2 로 높일 때에 n 형 클래드층 (21) 에 있어서 GaN 의 분해가 발생할 가능성이 있음과 함께, 성장 온도를 T2 로부터 T3 으로 낮출 때에 활성층 (23) 에 있어서 GaN 의 분해가 발생할 가능성이 있다. 또, Al 의 조성비가 큰 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 은, Al 의 조성비가 작은 p 형 콘택트층의 성장 온도 T4 보다 충분히 높은 (예를 들어, 150 ℃ 이상) 점에서, 성장 온도를 T3 으로부터 T4 로 낮출 때에 장시간을 필요로 함으로써 전자 블록층 (25) 에 있어서 GaN 의 분해가 발생할 가능성이 있다. 그리고, n 형 클래드층 (21), 활성층 (23) 및 전자 블록층 (25) 에 있어서 GaN 의 분해가 발생하는 것에 기인하여, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 특성 (예를 들어, 발광 효율) 이 악화되는 것이 우려된다.
그래서, 도 4 에 나타내는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법에서는, 제 1 분해 방지층 (22), 제 2 분해 방지층 (24) 및 제 3 분해 방지층 (26) 을 형성함으로써, 각각의 하지의 층 (21, 23, 25) 에 있어서의 GaN 의 분해를 억제한다. 제 1 분해 방지층 (22), 제 2 분해 방지층 (24) 및 제 3 분해 방지층 (26) 의 각각은, 보호 대상의 층보다 Al 의 조성비가 큰 (즉, GaN 의 분해의 영향이 작은) 층이고, AlN 으로 구성되어 있으면 바람직하다.
또, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 를 1250 ℃ 이상으로 해도 된다. 1250 ℃ 이상의 온도는, 소자 구조부 (20) 의 결정 성장에 있어서 사용되는 온도가 아니라, 하지부 (10) 에 포함되는 AlN 층 (12) 의 결정 성장에 있어서 사용되는 온도이지만 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2015－043468호의 명세서의 단락 [0041] 참조), Al 원자의 충분한 마이그레이션이 기대되는 온도이다. 그 때문에, 1250 ℃ 이상의 온도에서 활성층 (23) 을 성장시킴으로써, Al 원자의 마이그레이션을 충분히 촉진시켜, 발광층에 있어서의 Al 공공을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 는, 예를 들어 1350 ℃ 이하이고, 바람직하게는 1300 ℃ 이하이다.
＜변형 등＞
도 2 에 나타낸 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 구조 및 도 4 에 나타낸 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법의 각각은 일례에 지나지 않고, 이하에 예시하는 바와 같이 적절히 변형이 가능하다. 또, 이하에 나타내는 변형예는, 모순이 없는 한 적절히 조합하여 실시 가능하다.
[1] 도 4 에서는, n 형 클래드층 (21) 의 성장 온도 T1 보다 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 가 높은 경우에 대해 예시하고 있지만, 성장 온도 T1 및 성장 온도 T2 를 동일한 온도로 해도 된다.
단, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 는, 절연체인 사파이어 기판 (11) 을 구비하고 있기 때문에, 일부가 노출되도록 가공한 n 형 클래드층 (21) 의 상면에 n 전극 (29) 을 형성할 필요가 있고, 이 가공을 실시하기 위해서 n 형 클래드층 (21) 을 다른 층 (22 ∼ 27) 보다 두껍게 성장시킬 필요가 있다. 예를 들어, n 형 클래드층 (21) 이외의 층 (22 ∼ 27) 의 두께는 수 ㎚ ∼ 백 ㎚ 정도이지만, n 형 클래드층 (21) 의 두께는 1 ㎛ 이상이 된다. 이 경우, n 형 클래드층 (21) 을, 활성층 (23) 과 동일한 1200 ℃ 보다 높은 온도에서 성장시키면, 생산 효율이 극단적으로 악화되는 경우가 있을 수 있다. 따라서, 도 4 에 예시하고 있는 바와 같이, n 형 클래드층 (21) 의 성장 온도 T1 로서 n 형의 AlXGa1－XN (1 ≥ X ≥ 0.5) 계 반도체의 성장에 적합한 온도를 선택하고, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 로서 성장 온도 T1 보다 높은 온도를 별도로 선택하면, 바람직하다.
[2] 도 4 에서는, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 보다 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 이 낮은 경우에 대해 예시하고 있지만, 성장 온도 T2 및 성장 온도 T3 을 동일한 온도로 해도 된다.
단, 예를 들어 억셉터 불순물인 Mg 는, 성장 온도가 높을수록 도핑이 곤란해진다. 그 때문에, 도 4 에 예시하고 있는 바와 같이, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 을, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 보다 낮게 하면, 활성층 (23) 과 동일한 성장 온도 T2 에서 전자 블록층 (25) 을 성장시킨 경우와 비교하여, 억셉터 불순물의 도프량을 증대시킬 수 있으므로 바람직하다.
[3] 도 4 에서는, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 보다 p 형 콘택트층 (27) 의 성장 온도 T4 가 낮은 경우에 대해 예시하고 있지만, 성장 온도 T3 및 성장 온도 T4 를 동일한 온도로 해도 된다.
단, 도 4 에 예시하고 있는 바와 같이, 전자 블록층 (25) 보다 Ga 의 조성비가 크기 때문에 성장시에 있어서의 GaN 의 분해 (재증발) 가 격렬한 p 형 콘택트층 (27) 의 성장 온도 T4 를, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 보다 낮게 함으로써, p 형 콘택트층 (27) 을 효율적으로 성장시킬 수 있으므로 바람직하다.
[4] 도 2 및 도 4 에서는, 제 1 분해 방지층 (22) 을 구비한 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 및 그 제조 방법에 대해 예시하고 있지만, 제 1 분해 방지층 (22) 은 반드시 필요한 층은 아니다.
예를 들어, n 형 클래드층 (21) 의 성장 온도 T1 과 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 를 동일한 온도로 하는 경우, n 형 클래드층 (21) 의 성장 후 곧바로 활성층 (23) 의 성장을 개시할 수 있기 때문에, 제 1 분해 방지층 (22) 을 형성하지 않아도 된다.
또 예를 들어, n 형 클래드층 (21) 의 성장 온도 T1 보다 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 가 높은 경우라도, n 클래드층 (21) 의 상면에 있어서의 GaN 의 분해에 의해 Al 의 조성비가 커져 있는 부분이, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 특성에 중대한 영향을 주지 않을 정도 (예를 들어, 두께가 수 ㎚ 정도) 이면, 제 1 분해 방지층 (22) 을 형성하지 않아도 된다.
또 예를 들어, n 형 클래드층 (21) 을 구성하는 n 형의 AlXGa1－X 계 반도체가 Ga 를 함유하지 않을 경우 (X ＝ 1), 제 1 분해 방지층 (22) 을 형성하지 않아도 된다.
[5] 도 2 및 도 4 에서는, 제 2 분해 방지층 (24) 을 구비한 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 및 그 제조 방법에 대해 예시하고 있지만, 제 2 분해 방지층 (24) 은 반드시 필요한 층은 아니다.
예를 들어, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 와 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 을 동일한 온도로 하는 경우, 활성층 (23) 의 성장 후 곧바로 전자 블록층 (25) 의 성장을 개시할 수 있기 때문에, 제 2 분해 방지층 (24) 을 형성하지 않아도 된다.
또 예를 들어, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 보다 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 이 낮은 경우라도, 활성층 (23) 의 상면에 있어서의 GaN 의 분해에 의해 Al 의 조성비가 커져 있는 부분이, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 특성에 중대한 영향을 주지 않을 정도 (예를 들어, 두께가 수 ㎚ 정도) 이면, 제 2 분해 방지층 (24) 을 형성하지 않아도 된다.
[6] 도 2 및 도 4 에서는, 제 3 분해 방지층 (26) 을 구비한 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 및 그 제조 방법에 대해 예시하고 있지만, 제 3 분해 방지층 (26) 은 반드시 필요한 층은 아니다.
예를 들어, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 과 p 형 콘택트층 (27) 의 성장 온도 T4 를 동일한 온도로 하는 경우, 전자 블록층 (25) 의 성장 후 곧바로 p 형 콘택트층 (27) 의 성장을 개시할 수 있기 때문에, 제 3 분해 방지층 (26) 을 형성하지 않아도 된다.
또 예를 들어, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 보다 p 형 콘택트층 (27) 의 성장 온도 T4 가 낮은 경우라도, 전자 블록층 (25) 의 상면에 있어서의 GaN 의 분해에 의해 Al 의 조성비가 커져 있는 부분이, 질화물 반도체 자외선 발광 소자 (1) 의 특성에 중대한 영향을 주지 않을 정도 (예를 들어, 두께가 수 ㎚ 정도) 이면, 제 3 분해 방지층 (26) 을 형성하지 않아도 된다.
또 예를 들어, 전자 블록층 (25) 을 구성하는 p 형의 AlZGa1－ZN 계 반도체가 Ga 를 함유하지 않는 경우 (Z ＝ 1), 제 3 분해 방지층 (26) 을 형성하지 않아도 된다.
또 예를 들어, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 을 1100 ℃ 이하로 하는 경우, 성장 온도 T3 이 그다지 높지 않아, 만일 성장 온도를 T3 에서 T4 로 낮추었다고 해도 전자 블록층 (25) 의 상면에 있어서 GaN 의 분해는 그다지 발생하지 않기 때문에, 제 3 분해 방지층 (26) 을 형성하지 않아도 된다.
[7] 발광층의 성장시에, Al 원자의 마이그레이션이 불충분하고, 결정 격자 위치로부터 약간 어긋나 있는 경우가 있을 수 있다. 그래서, 전자 블록층 (25) 을 성장시킨 후, 1200 ℃ 보다 높은 온도에서, 질소의 비율이 50 ％ 이상인 기체 (다른 성분은, 예를 들어, 수소나, 아르곤 등의 불활성 가스) 를 공급하면서 열 처리를 실시하는 스텝을 추가해도 된다.
이 열 처리의 스텝을 추가함으로써, 발광층에 있어서 결정 격자 위치로부터 약간 어긋나 있는 Al 원자의 이동을 촉진시켜, 발광층에 있어서의 Al 공공의 추가적인 감소를 도모할 수 있다. 또, 이 열 처리의 스텝에 있어서, 질소의 비율이 50 ％ 이상인 기체를 공급함으로써, AlN 및 GaN 의 분해를 억제함과 함께, N 공공의 발생을 억제 또는 N 공공의 감소를 도모할 수 있다.
또한, 이 열 처리의 스텝을 실행하는 경우, 당해 스텝 전에 제 3 분해 방지층 (26) 을 형성해도 된다. 또, 전자 블록층 (25) 의 성장 온도 T3 을 1200 ℃ 보다 높게 하고 (예를 들어, 활성층 (23) 의 성장 온도 T2 와 동일한 온도로 하고), 성장 온도 T3 과 동일한 온도에서 이 열 처리의 스텝을 실행해도 되고, 성장 온도 T3 보다 높은 (또는 낮은) 온도에서 이 열 처리의 스텝을 실행해도 된다.
또, 이 열 처리의 스텝은, 적어도 활성층 (23) 의 성장 후에 실시하면 되므로, 전자 블록층 (25) 의 성장 전에 실시해도 된다. 예를 들어, 제 2 분해 방지층 (24) 의 성장 후에, 성장 온도 T2 와 동일한 온도에서 이 열 처리의 스텝을 실행해도 되고, 성장 온도 T2 보다 높은 (또는 낮은) 온도에서 이 열 처리의 스텝을 실행해도 된다.
또, p 형 콘택트층 (27) 은, Ga 의 조성비가 비교적 크므로 (전형적으로는 GaN 이므로), 1200 ℃ 보다 높은 온도에서 열 처리하면 GaN 이 분해될 가능성이 있다. 그래서, 이 열 처리의 스텝은, p 형 콘택트층 (27) 을 성장시키는 것보다도 전에 실행하면, 바람직하다.
산업상 이용가능성
본 발명은, AlGaN 계 반도체로 발광층이 구성되어 있는 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자 및 그 제조 방법에 이용 가능하다.
1 : 질화물 반도체 자외선 발광 소자
10 : 하지부
11 : 사파이어 기판
12 : AlN 층
20 : 소자 구조부
21 : n 형 클래드층 (n 형 반도체층)
22 : 제 1 분해 방지층
23 : 활성층
24 : 제 2 분해 방지층
25 : 전자 블록층 (p 형 반도체층)
26 : 제 3 분해 방지층
27 : p 형 콘택트층
28 : p 전극
29 : n 전극
T1 ∼ T4 : 성장 온도
P1 ∼ P7 : 기간

Claims (15)

  1. 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법으로서,
    사파이어 기판을 포함하는 하지부의 상면에, n 형의 AlXGa1－XN (1 ≥ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 n 형 반도체층을 형성하는 제 1 스텝과,
    상기 n 형 반도체층의 상방에, AlYGa1－YN (X ＞ Y ＞ 0) 계 반도체로 구성된 발광층을 포함하고 전체가 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 활성층을 형성하는 제 2 스텝과,
    상기 활성층의 상방에, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ≥ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 p 형 반도체층을 형성하는 제 3 스텝을 구비하고,
    상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1200 ℃ 보다 높고 또한 상기 제 1 스텝에 있어서의 성장 온도 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 1 스텝에 있어서의 성장 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스텝에서, n 형의 AlXGa1－XN (1 ＞ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 상기 n 형 반도체층을 형성하고,
    상기 제 1 스텝의 직후에, 상기 제 1 스텝과 동일한 성장 온도에서, 상기 n 형 반도체층에 계속해서 AlαGa1－αN (1 ≥ α ＞ X) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 1 분해 방지층을 형성하는 제 4 스텝을 추가로 구비하고,
    적어도 상기 제 4 스텝이 종료된 후에, 성장 온도를 높여 상기 제 2 스텝을 실시하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 활성층의 최상층이 AlY1Ga1－Y1N (X ＞ Y1 ≥ Y) 계 반도체로 구성되어 있고,
    상기 제 2 스텝의 직후에, 상기 제 2 스텝과 동일한 성장 온도에서, 상기 활성층에 계속해서 AlβGa1－βN (1 ≥ β ＞ Y1) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 2 분해 방지층을 형성하는 제 5 스텝을 추가로 구비하고,
    적어도 상기 제 5 스텝이 종료된 후에, 성장 온도를 낮추어 상기 제 3 스텝을 실시하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p 형 반도체층의 상방에 p 형의 AlQGa1－QN (Z ＞ Q ≥ 0) 계 반도체로 구성된 p 형 콘택트층을 형성하는 제 6 스텝을 추가로 구비하고,
    상기 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 스텝에서, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ＞ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 상기 p 형 반도체층을 형성하고,
    상기 제 3 스텝의 직후에, 상기 제 3 스텝과 동일한 성장 온도에서, 상기 p 형 반도체층에 계속해서 AlγGa1－γN (1 ≥ γ ＞ Z) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 3 분해 방지층을 형성하는 제 7 스텝을 추가로 구비하고,
    적어도 상기 제 7 스텝이 종료된 후에, 성장 온도를 낮추어 상기 제 6 스텝을 실시하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 6 스텝에 있어서의 성장 온도가, 상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도보다 150 ℃ 이상 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 제 2 스텝이 종료된 후에, 1200 ℃ 보다 높은 온도에서, 질소의 비율이 50 ％ 이상인 기체를 공급하면서 열 처리를 실시하는 제 8 스텝을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1100 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스텝이, 상기 발광층인 우물층과, AlRGa1－RN (1 ＞ R ＞ Y) 계 반도체로 구성된 장벽층의 각각을 1 층 이상 교대로 적층한 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 상기 활성층을 제작하는 공정인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스텝에 있어서의 성장 온도가, 1250 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자의 제조 방법.
  13. 피크 발광 파장이 285 ㎚ 이하인 질화물 반도체 자외선 발광 소자로서,
    사파이어 기판을 포함하는 하지부와,
    상기 하지부의 상면에 형성되는, n 형의 AlXGa1－XN (1 ＞ X ≥ 0.5) 계 반도체로 구성된 n 형 반도체층과,
    상기 n 형 반도체층의 상방에 형성되는, AlYGa1－YN (X ＞ Y ＞ 0) 계 반도체로 구성된 발광층을 포함하고 전체가 AlGaN 계 반도체로 구성되어 있는 활성층과,
    상기 활성층의 상방에 형성되는, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ≥ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성된 p 형 반도체층을 구비하고,
    상기 n 형 반도체층의 상면에 있어서의 Al 의 조성비가 당해 n 형 반도체층의 내부보다 크거나, 또는, 상기 n 형 반도체층의 상면에 AlαGa1－αN (1 ≥ α ＞ X) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 1 분해 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성층의 최상층이 AlY1Ga1－Y1N (X ＞ Y1 ≥ Y) 계 반도체로 구성되어 있고,
    상기 최상층의 상면에 있어서의 Al 의 조성비가 당해 최상층의 내부보다 크거나, 또는, 상기 활성층의 상면에 AlβGa1－βN (1 ≥ β ＞ Y1) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 2 분해 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 p 형 반도체층이, p 형의 AlZGa1－ZN (1 ＞ Z ＞ Y) 계 반도체로 구성되어 있고,
    상기 p 형 반도체층의 상방에 형성되는, p 형의 AlQGa1－QN (Z ＞ Q ≥ 0) 계 반도체로 구성된 p 형 콘택트층을 추가로 구비하고,
    상기 p 형 반도체층의 상면에 있어서의 Al 의 조성비가 당해 p 형 반도체층의 내부보다 크거나, 또는, 상기 p 형 반도체층의 상면에 AlγGa1－γN (1 ≥ γ ＞ Z) 계 반도체로 구성된 두께 3 ㎚ 이하의 제 3 분해 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 자외선 발광 소자.
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