TW201911601A - 半導體發光元件 - Google Patents

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Abstract

半導體發光元件10，包括：n型氮化鋁鎵(AlGaN)系半導體材料之n型披覆層24，設置於基板20上；AlGaN系半導體材料之活性層26，設置於n型披覆層24上且以發出波長300nm以上360nm以下之深紫外光之方式構成；以及p型半導體層，設置於活性層26上。n型披覆層24以波長300nm以下之深紫外光之透過率為10%以下之方式構成。

Description

半導體發光元件
本發明係關於一種半導體發光元件。
近年來，已開發輸出深紫外光(deep ultraviolet)之半導體發光元件。深紫外光用之發光元件具有於氮化鋁(AlN)層上依次積層之氮化鋁鎵(AlGaN)系之n型披覆層、活性層、p型披覆層。例如，為了實現300nm以下之發光波長，使用AlN莫耳分率超過50%之n型披覆層(例如參照專利文獻1)。
使用紫外線治療作為針對特定之皮膚疾病的治療方法。作為紫外線治療中所主要使用之機器，有UVA(Ultra Violet A；長波紫外線)波照射裝置、UVB(Ultra Violet B；中波紫外線)波照射裝置、窄頻帶UVB(NB-UVB；Narrow Band Ultra Violet B)照射裝置等，分別將螢光燈作為光源使用。近年來，308nm之紫外線作為高治療效果之紫外線而受到矚目，使用氯化氙(XeCl)之準分子放電燈(所謂的準分子光)作為能夠輸出308nm之波長之光源(例如參照專利文 獻2)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2007-227494號公報。
專利文獻2：日本特開2008-73148號公報。
紫外線治療中，已知較佳為使用波長300nm以上之紫外線，尤其308nm至311nm附近之紫外線對治療有效。另一方面，較佳為照射之不良影響較大的波長小於300nm之紫外線不會照射至治療對象。
本發明係鑒於上述課題而完成，其例示性目的之一在於提供一種能夠輸出適合於紫外線治療之波長之紫外光的半導體發光元件。
本發明之一態樣之半導體發光元件包括：n型氮化鋁鎵(AlGaN)系半導體材料之n型披覆層，設置於基板上；AlGaN系半導體材料之活性層，設置於n型披覆層上，以發出波長300nm以上360nm以下之深紫外光之方式構成；以及p型半導體層，設置於活性層上。n型披覆層以波長 300nm以下之深紫外光之透過率為10%以下之方式構成。
根據該態樣，能夠一邊輸出適合於紫外線治療之波長300nm以上之深紫外光，一邊藉由n型披覆層使輸出光中的波長小於300nm之不適合照射治療之成分衰減。藉此，即便沒有另外設置用於截止波長小於300nm之紫外光之波長過濾器，亦可提供適合於紫外線治療之紫外光。
n型披覆層亦能夠以活性層發出之深紫外光之峰值波長之透過率為70%以上之方式構成。
活性層亦可具有量子井構造，上述量子井構造包含AlGaN系半導體材料之一個以上之井層、及AlN莫耳分率高於井層之AlGaN系半導體材料之一個以上之障壁層。n型披覆層之AlN莫耳分率與井層之AlN莫耳分率之差亦可為10%以下。
井層之AlN莫耳分率亦可以是30%以下，n型披覆層之AlN莫耳分率亦可以是40%以下。
活性層發出之深紫外光之峰值波長亦可以是305nm以上315nm以下。
亦可進一步包括：設置於基板上之AlN之基底層；以 及AlGaN系半導體材料之緩衝層，設置於基底層與n型披覆層之間，AlN莫耳分率為40%以上且小於60%。
根據本發明，可提供能夠輸出適合於紫外線治療之波長之紫外光的半導體發光元件。
10‧‧‧半導體發光元件
20‧‧‧基板
20a‧‧‧第一主面
20b‧‧‧第二主面
21‧‧‧基底層
22‧‧‧緩衝層
24‧‧‧n型披覆層
26‧‧‧活性層
28‧‧‧電子阻擋層
30‧‧‧p型披覆層
32‧‧‧n側電極
34‧‧‧P側電極
36、36a、36b、36c‧‧‧障壁層
38、38a、38b、38c‧‧‧井層
E0‧‧‧井層之基底能階
E1‧‧‧緩衝層之基底能階
E2‧‧‧n型披覆層之基底能階
α‧‧‧吸收係數
圖1係概略地顯示實施形態之半導體發光元件之構成之剖視圖。
圖2係顯示半導體發光元件之能帶之示意圖。
圖3係顯示AlGaN系半導體材料之光吸收特性之曲線圖。
圖4係示意性地顯示半導體發光元件之光輸出之波長特性之曲線圖。
以下，一邊參照圖式，一邊對用以實施本發明之形態進行詳細說明。另外，說明中對同一元件附上同一符號，並適當省略重複之說明。而且，為了幫助說明之理解，各圖式中之各構成要素之尺寸比未必與實際之發光元件之尺寸比一致。
圖1係概略地顯示實施形態之半導體發光元件10之構 成之剖視圖。半導體發光元件10係以發出中心波長λ約為360nm以下之「深紫外光」的方式構成之LED(Light Emitting Diode；發光二極體)晶片。為了輸出此種波長之深紫外光，半導體發光元件10由帶隙(band gap)約為3.4eV以上的氮化鋁鎵(AlGaN)系半導體材料構成。
本實施形態之半導體發光元件10以發出峰值波長為305nm以上315nm以下之深紫外光的方式構成，輸出適合於紫外線治療之波長頻帶之紫外光。尤其，輸出被稱作窄頻帶UVB之波長311nm±2nm之紫外線、或作為治療效果高之紫外線而受到矚目的波長308nm至311nm之紫外線。另一方面，半導體發光元件10以波長小於300nm之不適合紫外線治療之波長頻帶之紫外光強度減小的方式構成。
本說明書中，「AlGaN系半導體材料」係指主要包含氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN)之半導體材料，包含含有氮化銦(InN)等其他材料之半導體材料。因此，本說明書中提及的「AlGaN系半導體材料」例如可由In1-x-yAlxGayN(0≦x+y≦1，0≦x≦1，0≦y≦1)之組成而表示，且包含AlN、GaN、AlGaN、氮化銦鋁(InAlN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)。
而且，有時為了在「AlGaN系半導體材料」中將實質不包含AlN之材料加以區分而稱作「GaN系半導體材料」。 「GaN系半導體材料」中主要包含GaN或InGaN，該些之中亦可包含含有微量之AlN之材料。同樣地，有時為了在「AlGaN系半導體材料」中將實質不包含GaN之材料加以區分而稱作「AlN系半導體材料」。「AlN系半導體材料」中主要包含AlN或InAlN，該些之中亦可包含含有微量之GaN之材料。
半導體發光元件10具備基板20、基底層21、緩衝層22、n型披覆層24、活性層26、電子阻擋層28、p型披覆層30、n側電極32以及p側電極34。
基板20係相對於半導體發光元件10所發出之深紫外光具有透光性之基板，例如係藍寶石(Al2O3)基板。基板20具有第一主面20a、及第一主面20a之相反側之第二主面20b。第一主面20a係成為用以使較基底層21更上之各層成長之結晶成長面的一主面。第二主面20b係成為用以將活性層26發出之深紫外光提取至外部之光提取面的一主面。變形例中，基板20亦可以是氮化鋁(AlN)基板。
基底層21形成於基板20之第一主面20a之上。基底層21係用以形成較緩衝層22更上之各層之基底層(模板層)。基底層21例如係無摻雜(undoped)之AlN層，具體而言，係經高溫成長之AlN(HT-AlN；High Temperature AlN；高溫氮化鋁)層。另外，於基板20為AlN基板之情形時， 可將基底層21設為高AlN組成(例如80%以上)之AlGaN層。於基板20為AlN基板之情形時，亦可不設置基底層21。
緩衝層22係形成於基底層21上之AlGaN系半導體材料層。緩衝層22可以是非摻雜之AlGaN層，亦可以是摻雜了作為n型雜質之矽(Si)之n型AlGaN層。緩衝層22較佳為AlN莫耳分率為40%以上且小於60%，更佳為45%至55%左右。緩衝層22之厚度為0.1μm至3μm左右，例如為1μm至2μm左右。另外，亦可不設置緩衝層22。
n型披覆層24形成於緩衝層22之上。n型披覆層24係n型AlGaN系半導體材料層。n型披覆層24以活性層26發出之深紫外光之峰值波長之透過率為70%以上，另一方面，以300nm以下之紫外光之透過率為10%以下之方式選擇組成比及厚度。n型披覆層24以AlN莫耳分率為30%以上40%以下之方式構成，例如以34%以上38%以下之方式構成。n型披覆層24之厚度為0.1μm至5μm左右，例如為0.5μm至3μm左右。
若將緩衝層22及n型披覆層24進行比較，則以n型披覆層24之AlN莫耳分率低於緩衝層22之方式構成。反過來說，以緩衝層22之AlN莫耳分率高於n型披覆層24之方式構成。藉由提高緩衝層22之AlN莫耳分率，可緩 和由AlN或高AlN組成之AlGaN構成之基底層21與緩衝層22之間的晶格常數差。
為了提高n型披覆層24之結晶品質，較佳為緩衝層22與n型披覆層24之AlN組成之差異盡可能地小。緩衝層22與n型披覆層24之AlN莫耳分率之差較佳為5%以上25%以下，例如較佳為10%以上20%以下。
活性層26由AlGaN系半導體材料構成，夾在n型披覆層24與電子阻擋層28之間而形成雙異質接面構造。活性層26具有單層或多層之量子井構造，例如包含由非摻雜之AlGaN系半導體材料形成之障壁層及由非摻雜之AlGaN系半導體材料形成之井層之積層體。活性層26為了輸出波長355nm以下之深紫外光而以帶隙為3.4eV以上之方式構成，例如，以發出峰值波長為305nm以上315nm以下之深紫外光之方式選擇AlN組成比。例如，以井層之AlN組成比為25%以上35%以下，障壁層之AlN組成比為45%以上55%以下之方式構成。而且，以井層之AlN組成比與n型披覆層24之AlN組成比之差為10%以下之方式構成。
電子阻擋層28形成於活性層26之上。電子阻擋層28係非摻雜或p型AlGaN系半導體材料層，例如，以AlN之莫耳分率為40%以上，較佳為50%以上之方式形成。電子阻擋層28能夠以AlN之莫耳分率為80%以上之方式形成， 亦能夠由實質不含GaN之AlN系半導體材料形成。電子阻擋層具有0.1nm至10nm左右之厚度，例如具有1nm至5nm程度之厚度。
p型披覆層30係形成於電子阻擋層28之上之p型半導體層。p型披覆層30係p型AlGaN系半導體材料層，例如，係摻雜了作為p型雜質之鎂(Mg)之AlGaN層。p型披覆層30具有300nm至700nm左右之厚度，例如，具有400nm至600nm左右之厚度。p型披覆層30亦可由實質不含AlN之p型GaN系半導體材料形成。
n側電極32形成於n型披覆層24之一部分區域上。n側電極32由依序在n型披覆層24之上積層有鈦(Ti)/鋁(Al)/Ti/金(Au)而成之多層膜所形成。n側電極32可設置於藉由將n型披覆層24之一部區域去除而露出之緩衝層22之上。p側電極34形成於p型披覆層30之上。p側電極34係由依序積層於p型披覆層30之上之鎳(Ni)/金(Au)之多層膜所形成。
圖2係顯示半導體發光元件10之能帶之示意圖，尤其示意性地顯示活性層26附近之傳導帶之基底能階。圖2顯示由3層之障壁層36a、36b、36c(有時統稱為障壁層36)與3層之井層38a、38b、38c(有時統稱為井層38)交替積層而成之多重量子井構造構成活性層26之情形。活性層26 不限於3層之量子井構造，也可以是單層之量子井構造，還可以是2層或4層以上之量子井構造。
如圖示般，井層38之基底能階E0最低，n型披覆層24之基底能階E2高於井層38之基底能階E0。緩衝層22之基底能階E1高於n型披覆層24之基底能階E2。障壁層36之基底能階高於n型披覆層24之基底能階E2，且與緩衝層22之基底能階E1為相同程度。障壁層36之基底能階既可高於亦可低於緩衝層22之基底能階E1。
圖3係顯示AlGaN系半導體材料之光吸收特性之曲線圖，且表示將AlN莫耳分率設為0%、27%、34%、38%、100%之情形之光吸收特性。該曲線圖之原始資料示於J.F.Muth et.al.,MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research Res.4S1,G5.2(1999)中，相對於引用源之曲線圖，追加顯示了與波長300nm及310nm對應之能量位置之虛線。如圖示般可知，若增大AlGaN之AlN莫耳分率則帶隙能量增高，光吸收特性之曲線向高能量側(紙面之右側)移動。而且可知，若將AlN莫耳分率設為34%至38%左右，可增大分別相對於波長300nm及310nm之吸收係數α之差。另外，n型披覆層24之透過率T可根據曲線圖所示之吸收係數α及n型披覆層24之厚度，使用T=exp(-α t)之式而求出。
例如，於將AlN莫耳分率設為34%之情形時，針對波長300nm之吸收係數約為10μm-1，針對波長310nm之吸收係數約為1.5μm-1。該情形時，若將厚度設為0.24μm左右，則可使相對於波長300nm之透過率為10%以下，且使相對於波長310nm之透過率為70%以上。而且，於將AlN莫耳分率設為38%之情形時，相對於波長300nm之吸收係數約為0.7μm-1，相對於波長310nm之吸收係數約為0.1μm-1。該情形時，若將厚度設為3.3μm左右，則可使相對於波長300nm之透過率為10%以下，且使相對於波長310nm之透過率為70%以上。而且，若將AlN莫耳分率設為36%左右，則藉由將厚度設為1μm至3μm左右，可使相對於波長300nm之透過率為10%以下，且使相對於波長310nm之透過率為70%以上。如此，藉由適當設定n型披覆層24之AlN莫耳分率及厚度，可使波長310nm附近之紫外光透過70%以上，且使波長300nm以下之紫外光之透過率為10%以下。另外，在峰值波長不為310nm之情形時，以所期望之峰值波長之透過率為70%以上，波長300nm之透過率為10%以下之方式，適當調整n型披覆層24之AlN組成比及厚度即可。
圖4示意性地顯示半導體發光元件10之光輸出之波長特性之曲線圖。曲線圖之實線顯示設置著上述構成之n型披覆層24之情形。另一方面，曲線圖之虛線表示將AlN組成比設得較上述n型披覆層24高且活性層26之輸出未 被n型披覆層實質吸收之情形。如圖示般，根據實施形態，可防止半導體發光元件10之峰值波長(例如310nm)之光輸出之顯著降低，且大幅減小波長小於300nm之光輸出。藉此，利用n型披覆層24截止對人體或動物等之照射之影響大之波長小於300nm之成分，從而可提供適合於紫外線治療之安全性高之紫外光。
以上，基於實施形態對本發明進行了說明。對於業者而言應理解為本發明不限定於上述實施形態，能夠進行各種設計變更，各種變形例成為可能，且此種變形例亦處於本發明之範圍內。
上述實施形態中，顯示活性層26之峰值波長為305nm至315nm之範圍之情形。變形例中，能夠以輸出波長320nm以上之紫外光之方式構成，也能夠以適合於提供320nm至400nm之長波長紫外線(UVA波)之方式構成。該情形時，可藉由將輸出320nm至360nm之波長之AlGaN系之發光元件與輸出360nm至400nm之波長之GaN系之發光元件組合，而構成適合於UVA波之照射之照射裝置。
(產業可利用性)
根據本發明，可提供能夠輸出適合於紫外線治療之波長之紫外光的半導體發光元件。

Claims (10)

  1. 一種半導體發光元件，包括：n型氮化鋁鎵系半導體材料之n型披覆層，設置於基板上；氮化鋁鎵系半導體材料之活性層，設置於前述n型披覆層上，以發出波長300nm以上360nm以下之深紫外光之方式構成；以及p型半導體層，設置於前述活性層上；前述n型披覆層以波長300nm以下之深紫外光之透過率為10%以下之方式構成。
  2. 如請求項1所記載之半導體發光元件，其中前述n型披覆層以前述活性層發出之深紫外光之峰值波長之透過率為70%以上之方式構成。
  3. 如請求項1或2所記載之半導體發光元件，其中前述活性層具有量子井構造，前述量子井構造包含氮化鋁鎵系半導體材料之一個以上之井層、及氮化鋁莫耳分率高於前述井層之氮化鋁鎵系半導體材料之一個以上之障壁層；前述n型披覆層之氮化鋁莫耳分率與前述井層之氮化鋁莫耳分率之差為10%以下。
  4. 如請求項3所記載之半導體發光元件，其中前述井層之氮化鋁莫耳分率為35%以下，前述n型披覆層之氮化鋁莫耳分率為40%以下。
  5. 如請求項4所記載之半導體發光元件，其中前述井層 之氮化鋁莫耳分率為25%以上35%以下，前述障壁層之氮化鋁組成比為45%以上55%以下。
  6. 如請求項1或2所記載之半導體發光元件，其中前述活性層發出之深紫外光之峰值波長為305nm以上315nm以下。
  7. 如請求項6所記載之半導體發光元件，其中前述n型披覆層以波長310nm之紫外光之透過率為70%以上之方式構成。
  8. 如請求項7所記載之半導體發光元件，其中前述n型披覆層係氮化鋁組成比為34%以上38%以下之氮化鋁鎵系半導體材料。
  9. 如請求項8所記載之半導體發光元件，其中前述n型披覆層之厚度為0.24μm以上3.3μm以下。
  10. 如請求項1或2所記載之半導體發光元件，其中進一步包括：氮化鋁之基底層，設置於前述基板上；以及氮化鋁鎵系半導體材料之緩衝層，設置於前述基底層與前述n型披覆層之間，氮化鋁莫耳分率為40%以上且小於60%。
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