WO2017188324A1 - Iii族窒化物積層体、およびiii族窒化物発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
前記基板とn型の第一AlGaN層との間に組成式AlYGa1-YN(0.5<Y≦1、但しY<Xである)で表される第二AlGaN層を有し、
前記n型の第一AlGaN層の膜厚をtx、及び前記第二AlGaN層の膜厚をty、とした際に、tx>tyであることを特徴とするIII族窒化物積層体に関する。
(2)前記第ニAlGaN層の膜厚tyが30~100nmであること。
(3)前記n型の第一AlGaN層および第二AlGaN層との膜厚比tx/tyが2以上100以下であること。
(4)前記第二AlGaN層が、n型導電性を有すること。
(5)前記基板がAlN単結晶基板であること。
まず本発明のIII族窒化物積層体について説明する。図1は、本発明のIII族窒化物積層体1の一例の模式断面図である。III族窒化物積層体1は、基板10上にn型の第一AlGaN層30を含み、基板10と第一AlGaN層30との間に第二AlGaN層20を有している。
(1)各々のAl組成X、YがY<Xである。
(2)n型の第一AlGaN層30の膜厚をtx、及び第二AlGaN層20の膜厚をtyとした際に、tx>tyである。
次に、本発明のIII族窒化物積層体1を構成する各層について詳細に説明する。
本発明のIII族窒化物積層体における基板10としては、半導体を用いた発光素子に用いられる基板であれば特に制限されるものではなく、各種の基板を用いることができる。具体的には、AlN基板、GaN基板、サファイア基板、SiC基板、Si基板等が挙げられる。中でも、C面を成長面とするAlN基板は、第2AlGaN層と同種基板でかつ格子整合性の高く210~365nmの光に対する透過性の点から好ましい。また、サファイア基板も210~365nmの光に対する透過性の点から好ましい。
n型の第一AlGaN層30は、組成式AlXGa1-XNで表され、n型のドーパントがドープされている単結晶の層である。上記ドーパント材料及び、ドーパント材料の濃度については、所望の目的に応じて適宜設定すれば良いが、n型の第一AlGaN層30を安定的に効率的に得られるとの観点から、Siをドーパントとして不純物濃度が1×1016~1×1021[cm-3]となる範囲とすることが好ましい。
本発明のIII族窒化物積層体における第二AlGaN層20は組成式AlYGa1-YNで表され、n型であってもアンドープ層であっても良い単結晶の層である。n型である場合においては、ドーパント材料及び、ドーパント材料の濃度については、所望の目的に応じて適宜設定すれば良いが、n型の第一AlGaN層30を安定的に効率的に得られるとの観点から、Siをドーパントとして不純物濃度が1×1016~1×1021[cm-3]となる範囲とすることが好ましい。
本発明のIII族窒化物積層体1は公知の製造方法、例えば、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)によって製造することができる。具体的には、市販の装置を使用し、図1、及び図2では基板10上に、III族原料ガス、例えば、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムのような有機金属のガスと、窒素源ガス、例えば、アンモニアガスのような原料ガスを供給することにより、基板10上に必要に応じ前記表層部11を積層し、その後、第二AlGaN層20、第一AlGaN層30を順次積層させることで製造することができる。また、本発明のIII族窒化物積層体は、MOCVD法以外の方法で製造することもできる。
次に本発明のIII族窒化物積層体を用いたIII族窒化物発光素子について説明する。
先ずは、III族窒化物発光素子100の基本的な概要について説明する。
本発明において、210~365nmの発光波長を有するIII族窒化物発光素子(深紫外発光素子とも言う)は、例えば、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)によって製造することができる。具体的には、市販の装置を使用し、前記基板10上に、III族原料ガス、例えば、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムのような有機金属のガスと、窒素源ガス、例えば、アンモニアガスのような原料ガスを供給することにより、III族窒化物積層体、活性層、p型層を順次結晶成長することにより製造することができる。MOCVD法により窒化物半導体発光素子を製造する条件は、公知の方法を採用することができる。また、本発明のIII族窒化物発光素子は、MOCVD法以外の方法で製造することもできる。
次に、各層について詳細に説明する。
活性層40は、前記n型の第一AlGaN層30の上に形成される。活性層40は、少なくとも一以上の井戸層を有する層である。井戸層の数(井戸数)は、図4においては3つである場合の例を示したが、1つであってもよいし、2つ以上の複数であってもよい。井戸層が複数ある場合には、各井戸層の間に後述する障壁層を有することが好ましい。井戸層の数としては、特に制限されるものではないが、III族窒化物発光素子の生産性を考慮すると、10以下であることが好ましい。図4では、井戸層40a、41a、42aを記し、障壁層40b、41b、42b、43bを記した。
活性層は、障壁層と井戸層とからなる場合と、井戸層のみからなる場合との2通りある。そして障壁層がある場合は、障壁層は、通常、井戸層よりもバンドギャップが大きくなる。そのため、障壁層は、井戸層よりも高いAl組成比のAlGaNで形成される。
井戸層は、キャリアが再結合し発光させるための層である。そのため、井戸層は、p型コンタクト層を除き最もAl組成の低い層となるAlGaNの単結晶から形成される。
活性層40は、井戸層と障壁層とが積層された構造(多層構造)、あるいは井戸層のみの単一構造となる。
電子ブロック層50は、必要に応じて設ける層である。この層の役割は、キャリアオーバーフローを抑制することにある。そのため、電子ブロック層50は後述するp型クラッド層60で代用することも可能であるが、電子ブロック層50を設けることにより、p型クラッド層のAl組成を下げる、かつ膜厚を薄くとすることができる。その結果、駆動電圧を低減できるという効果が得られる。
p型クラッド層60は、前記電子ブロック層50の上に形成される。ただし、当然のことながら、電子ブロック層50を設けない場合には、p型クラッド層60は、活性層の上に形成される。
p型コンタクト層70は、前記p型クラッド層60の上に形成される。p型コンタクト層70を形成することにより、p型用電極90とのオーミック接触を実現し易くするとともに、その接触抵抗の低減を実現し易くすることができる。
本発明は、上記積層構造を有するウェーハにも関する。上記にはIII族窒化物発光素子として説明したが、本発明は、該III族窒化物発光素子が複数存在するウェーハを含むものである。つまり、上記III族窒化物発光素子において説明した積層構造を有するIII族窒化物ウェーハを含む。通常は、複数のIII族窒化物発光素子を有するウェーハ(上記積層構造を有するウェーハ)から各III族窒化物発光素子を切り出して使用する。
図3に示した積層構造を有するIII族窒化物発光素子を製造した。
まず、MOCVD法により、直径φ25mm、厚さ600μmのC面AlN基板10に、第二AlGaN層20として、SiをドープしたAl0.68Ga0.32N層(ty=30nm、Si濃度4×1018cm-3)を形成した。
上記製法によりIII族窒化物発光素子を5ロット作製した。
実施例1においてn型の第一AlGaN層30のAl組成X、及び膜厚tx、及び第二AlGaN層20のAl組成Y、及び膜厚tyを表1に示すとおりに変更した以外は、実施例1と同様の操作を行うことにより、窒化物半導体発光素子を5ロット作製した。得られたIII族窒化物発光素子の評価結果を表2に示す。なお、比較例3は、光出力が極めて小さく評価不能となった。また、実施例1~5および比較例1、2の150mA駆動時における平均発光波長はいずれも265nmであった。
10:基板
11:表層部
20:第二AlGaN層
30:n型の第一AlGaN層
40:活性層
40a、41a、42a:井戸層
40b、41b、42b、43b:障壁層
50:電子ブロック層
60:p型クラッド層
70:p型コンタクト層
80:n型用電極
90:p型用電極
100:III族窒化物発光素子
Claims (8)
- 基板と組成式AlXGa1-XN(0<X≦1)で表されるn型の第一AlGaN層とを含む積層体であって、
前記基板と前記n型の第一AlGaN層との間に組成式AlYGa1-YN(0.5<Y≦1、但しY<Xである)で表される第二AlGaN層を有し、
前記n型の第一AlGaN層の膜厚をtx、及び前記第二AlGaN層の膜厚をty、とした際に、tx>tyであることを特徴とするIII族窒化物積層体。 - 前記基板における前記第二AlGaN層が接する最表面に、組成式AlZGa1-ZN(0.9<Z≦1)で表される表層部を有する請求項1に記載のIII族窒化物積層体。
- 前記第二AlGaN層の膜厚tyが30~100nmであることを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物積層体。
- 前記n型の第一AlGaN層および第二AlGaN層との膜厚比tx/tyが2以上100以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のIII族窒化物積層体。
- 前記第二AlGaN層が、n型導電性を有することを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のIII族窒化物積層体。
- 前記基板がAlN単結晶基板であることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載のIII族窒化物積層体。
- 請求項1~6の何れか一項に記載のIII族窒化物積層体のn型のAlGaN層上に、少なくとも一以上の井戸層を有する活性層を有し、該活性層における井戸層が組成式AlWGa1-WN(0<W<1)で表されるAlGaN層であり、Al組成WがW≦YであるIII族窒化物発光素子。
- 発光ピーク波長が210~365nmである請求項7に記載のIII族窒化物発光素子。
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