JP6860293B2 - Light emitting element and manufacturing method of light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子および発光素子の製造方法に関し、特に、窒化物半導体を用いた深紫外光を発する発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a light emitting element and a method for manufacturing the light emitting element, and more particularly to a light emitting element that emits deep ultraviolet light using a nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.
近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。このような深紫外光用の発光素子は、例えば、基板上に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系のn型半導体層、活性層、電子ブロック層を順に積層させ、電子ブロック層上にp型の窒化ガリウム(GaN)で構成されるコンタクト層を設けることで形成される(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes that output blue light have been put into practical use, and development of light emitting elements that output deep ultraviolet light having a shorter wavelength has been promoted. Since deep ultraviolet light has a high sterilizing ability, semiconductor light emitting devices capable of outputting deep ultraviolet light are attracting attention as mercury-free sterilizing light sources in medical and food processing sites. In such a light emitting device for deep ultraviolet light, for example, an aluminum gallium nitride (AlGaN) -based n-type semiconductor layer, an active layer, and an electron block layer are laminated in this order on a substrate, and p-type nitride is formed on the electron block layer. It is formed by providing a contact layer made of gallium (GaN) (see, for example, Non-Patent Document 1).
活性層が発する深紫外光は、全方位に出射され、活性層を挟むn型半導体層と電子ブロック層の双方に向かう。電子ブロック層上のコンタクト層はGaNで構成されるため、活性層からの深紫外光を吸収し、光取出効率を低下させる要因となりうる。仮に、活性層よりもアルミニウム(Al)濃度の高いAlGaNを用いれば、深紫外光の吸収を抑制できるかもしれない。しかしながら、Al濃度の高いAlGaNをコンタクト層とするとp側電極との接触抵抗が増大し、活性層へのキャリア注入効率が低下する。 The deep ultraviolet light emitted by the active layer is emitted in all directions and is directed to both the n-type semiconductor layer and the electron block layer that sandwich the active layer. Since the contact layer on the electron block layer is composed of GaN, it can absorb deep ultraviolet light from the active layer and become a factor of lowering the light extraction efficiency. If AlGaN having a higher aluminum (Al) concentration than the active layer is used, it may be possible to suppress the absorption of deep ultraviolet light. However, when AlGaN having a high Al concentration is used as the contact layer, the contact resistance with the p-side electrode increases, and the carrier injection efficiency into the active layer decreases.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、光取出効率を高めた発光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and one of its exemplary purposes is to provide a light emitting device having improved light extraction efficiency.
本発明のある態様の発光素子は、基板上にn型のAlGaN系半導体材料で形成されるn型クラッド層と、n型クラッド層上にAlGaN系半導体材料で形成される活性層と、活性層上にp型のAlGaN系半導体材料またはp型のAlN系半導体材料で形成される電子ブロック層と、電子ブロック層上の第1領域に電子ブロック層より屈折率の低い材料で形成され、第1領域と隣接する電子ブロック層上の第2領域に開口部を有する反射層と、開口部および反射層上の双方に跨って設けられ、電子ブロック層よりAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料で形成されるコンタクト層と、を備える。活性層は、深紫外光を発する。 The light emitting device according to an embodiment of the present invention includes an n-type clad layer formed of an n-type AlGaN-based semiconductor material on a substrate, an active layer formed of an AlGaN-based semiconductor material on the n-type clad layer, and an active layer. An electron block layer formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type AlN-based semiconductor material is formed on the top, and a material having a refractive index lower than that of the electron block layer is formed in the first region on the electron block layer. A p-type AlGaN-based semiconductor that is provided across both the reflection layer having an opening in the second region on the electron block layer adjacent to the region and the opening and the reflection layer and has a lower Al content than the electron block layer. A contact layer formed of a material or a p-type GaN-based semiconductor material is provided. The active layer emits deep ultraviolet light.
この態様によると、電子ブロック層とコンタクト層の間の一部領域に反射層が設けられるため、活性層からコンタクト層に向かう深紫外光を反射層で反射させて基板側に向かわせ、基板からの光取出効率を高めることができる。また、開口部を有する反射層上にコンタクト層を形成することで、エピタキシャル横方向成長(ELO;Epitaxial Lateral Overgrowth)によるコンタクト層の形成を促し、コンタクト層の結晶性を高めることができる。これにより、発光素子の信頼性を高めることができる。 According to this aspect, since the reflective layer is provided in a part of the region between the electron block layer and the contact layer, the deep ultraviolet light from the active layer to the contact layer is reflected by the reflective layer and directed toward the substrate side, and is directed from the substrate. It is possible to increase the light extraction efficiency of. Further, by forming the contact layer on the reflective layer having an opening, the formation of the contact layer by epitaxial lateral growth (ELO) can be promoted, and the crystallinity of the contact layer can be enhanced. Thereby, the reliability of the light emitting element can be improved.
反射層は、シリコン(Si)を含む絶縁体材料で形成されてもよい。 The reflective layer may be formed of an insulating material containing silicon (Si).
反射層は、第1領域と第2領域とが隣接する方向に第1領域および第2領域が交互に配置されるように形成され、隣接する方向の第1領域の幅が10μm以下となるように形成されてもよい。 The reflective layer is formed so that the first region and the second region are alternately arranged in the direction in which the first region and the second region are adjacent to each other, and the width of the first region in the adjacent direction is 10 μm or less. May be formed in.
反射層の厚さdは、活性層が発する深紫外光の波長λ、波長λに対する反射層の屈折率n、1以上の整数mを用いて、d=(λ/4n)(2m−1)の関係を満たしてもよい。 For the thickness d of the reflective layer, d = (λ / 4n) (2m-1) using the wavelength λ of the deep ultraviolet light emitted by the active layer, the refractive index n of the reflective layer with respect to the wavelength λ, and an integer m of 1 or more. The relationship may be satisfied.
電子ブロック層と、反射層またはコンタクト層との間に、電子ブロック層よりもAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料で形成されるp型クラッド層をさらに備えてもよい。 An p-type clad layer formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material having a lower Al content than the electron block layer may be further provided between the electron block layer and the reflection layer or the contact layer.
p型クラッド層は、p型のAlGaN系半導体材料で構成される超格子構造を有してもよい。 The p-type clad layer may have a superlattice structure composed of a p-type AlGaN-based semiconductor material.
電子ブロック層とコンタクト層の間にコンタクト層と接して設けられ、電子ブロック層よりAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料で構成される緩衝層をさらに備えてもよい。コンタクト層のAl含有率は、緩衝層のAl含有率以下であってもよい。 A buffer layer provided between the electron block layer and the contact layer in contact with the contact layer and composed of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having a lower Al content than the electron block layer is further provided. You may. The Al content of the contact layer may be equal to or less than the Al content of the buffer layer.
緩衝層の厚さは、100nm以下であってもよい。 The thickness of the buffer layer may be 100 nm or less.
本発明の別の態様は、発光素子の製造方法である。この方法は、基板上にn型のAlGaN系半導体材料を含むn型クラッド層を形成するステップと、n型クラッド層上にAlGaN系半導体材料を含む活性層を形成するステップと、活性層上にp型のAlGaN系半導体材料を含む電子ブロック層を形成するステップと、電子ブロック層上に電子ブロック層より屈折率の低い材料を含む反射層を形成するステップと、反射層の一部を除去して反射層を貫通する開口部を形成するステップと、開口部および反射層上の双方に跨って電子ブロック層よりAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料を含むコンタクト層を形成するステップと、を備える。 Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a light emitting device. This method includes a step of forming an n-type clad layer containing an n-type AlGaN-based semiconductor material on a substrate, a step of forming an active layer containing an AlGaN-based semiconductor material on the n-type clad layer, and a step of forming an active layer containing an AlGaN-based semiconductor material on the active layer. A step of forming an electron block layer containing a p-type AlGaN-based semiconductor material, a step of forming a reflection layer containing a material having a refractive index lower than that of the electron block layer on the electron block layer, and a part of the reflection layer are removed. A step of forming an opening penetrating the reflective layer and a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having a lower Al content than the electron block layer straddling both the opening and the reflective layer. It comprises a step of forming a contact layer that includes.
電子ブロック層上に電子ブロック層よりAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料の緩衝層を形成するステップをさらに備えてもよい。コンタクト層は、緩衝層上に緩衝層と接して形成され、コンタクト層のAl含有率が緩衝層のAl含有率以下であってもよい。 A step of forming a buffer layer of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having a lower Al content than the electron block layer may be further provided on the electron block layer. The contact layer may be formed on the buffer layer in contact with the buffer layer, and the Al content of the contact layer may be equal to or less than the Al content of the buffer layer.
本発明の発光素子によれば、深紫外光の光取出効率を高めることができる。 According to the light emitting device of the present invention, the light extraction efficiency of deep ultraviolet light can be improved.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. Also, to aid in understanding the description, the dimensional ratio of each component in each drawing does not necessarily match the dimensional ratio of the actual light emitting element.
図1は、実施の形態に係る発光素子10の構成を概略的に示す断面図である。発光素子10は、基板12、第1ベース層14、第2ベース層16、n型クラッド層18、活性層20、電子ブロック層22、p型クラッド層24、反射層26、コンタクト層28、p側電極32、n側電極34を備える。発光素子10は、中心波長が約355nm以下となる「深紫外光」を発するように構成される半導体発光素子である。このような波長の深紫外光を出力するため、活性層20は、バンドギャップが約3.4eV以上となる窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長が約280nmの深紫外光を発する場合について示す。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
本明細書において、「AlGaN系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム(AlN)と窒化ガリウム(GaN)を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム(InN)などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「AlGaN系半導体材料」は、例えば、In1−x−yAlxGayN(0≦x+y≦1、0≦x≦1、0≦y≦1)の組成で表すことができ、AlN、GaN、AlGaN、窒化インジウムアルミニウム(InAlN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGaN)を含むものとする。 In the present specification, the "AlGaN-based semiconductor material" refers to a semiconductor material mainly containing aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN), and a semiconductor containing another material such as indium nitride (InN). It shall include materials. Thus, it referred to herein as "AlGaN-based semiconductor material", for example, the composition of In 1-x-y Al x Ga y N (0 ≦ x + y ≦ 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) It can be represented and includes AlN, GaN, AlGaN, indium aluminum nitride (InAlN), indium gallium nitride (InGaN), and indium gallium nitride (InAlGaN).
また「AlGaN系半導体材料」のうち、AlNを実質的に含まない材料を区別するために「GaN系半導体材料」ということがある。「GaN系半導体材料」には、主にGaNやInGaNが含まれ、これらに微量のAlNを含有する材料も含まれる。同様に、「AlGaN系半導体材料」のうち、GaNを実質的に含まない材料を区別するために「AlN系半導体材料」ということがある。「AlN系半導体材料」には、主にAlNやInAlNが含まれ、これらに微量のGaNが含有される材料も含まれる。 Further, among the "AlGaN-based semiconductor materials", a "GaN-based semiconductor material" may be used to distinguish a material that does not substantially contain AlN. The "GaN-based semiconductor material" mainly includes GaN and InGaN, and also includes a material containing a trace amount of AlN. Similarly, among the "AlGaN-based semiconductor materials", the material may be referred to as an "AlN-based semiconductor material" in order to distinguish a material that does not substantially contain GaN. The "AlN-based semiconductor material" mainly contains AlN and InAlN, and also includes a material containing a trace amount of GaN.
基板12は、サファイア(Al2O3)基板であり、例えば、サファイア基板の(0001)面上に第1ベース層14および第2ベース層16が積層される。第1ベース層14は、AlN系半導体材料で形成される層であり、例えば、高温成長させたAlN(HT−AlN)層である。第2ベース層16は、AlGaN系半導体材料で形成される層であり、例えば、アンドープのAlGaN(u−AlGaN)層である。
The
基板12、第1ベース層14および第2ベース層16は、n型クラッド層18から上の層を形成するための下地層(テンプレート)として機能する。またこれらの層は、活性層20が発する深紫外光を外部に取り出すための光取り出し基板として機能し、活性層20が発する深紫外光を透過する。
The
n型クラッド層18は、n型のAlGaN系半導体材料で形成され、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされるAlGaN層である。n型クラッド層18は、活性層20が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、AlNのモル分率が40%以上、好ましくは、50%以上となるように形成される。n型クラッド層18は、100nm〜300nm程度の厚さを有し、例えば、200nm程度の厚さを有する。
The n-type clad
活性層20は、n型クラッド層18の一部領域上に形成される。活性層20は、AlGaN系半導体材料で形成され、n型クラッド層18と電子ブロック層22に挟まれてダブルヘテロ接合構造を構成する。活性層20は、単層もしくは多層の量子井戸構造を構成してもよい。このような量子井戸構造は、例えば、n型のAlGaN系半導体材料で形成されるバリア層と、アンドープのAlGaN系半導体材料で形成される井戸層とを積層させることにより形成される。
The
電子ブロック層22は、活性層20の上に形成される。電子ブロック層22は、p型のAlGaN系半導体材料で形成される層であり、例えば、p型の不純物としてマグネシウム(Mg)がドープされるAlGaN層である。電子ブロック層22は、例えば、AlNのモル分率が40%以上、好ましくは、50%以上となるように形成される。電子ブロック層22は、AlNのモル分率が80%以上となるように形成されてもよく、実質的にGaNを含まないAlN系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層22は、1nm〜10nm程度の厚さを有し、例えば、2nm〜5nm程度の厚さを有する。
The
p型クラッド層24は、電子ブロック層22の上に形成される。p型クラッド層24は、p型のAlGaN系半導体材料で形成される層であり、例えば、MgドープのAlGaN層である。p型クラッド層24は、電子ブロック層22よりもAlNのモル分率が低くなるように組成比が選択される。p型クラッド層24は、300nm〜700nm程度の厚さを有し、例えば、400nm〜600nm程度の厚さを有する。
The p-type clad
反射層26は、p型クラッド層24の上の第1領域W1に設けられる。反射層26は、p型クラッド層24などのAlGaN系半導体材料で構成される層よりも屈折率の低い材料で形成される。反射層26は、例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)などのシリコンを含む絶縁体材料で構成される。反射層26は、活性層20からの深紫外光をp型クラッド層24との界面において反射させ、基板12に向かわせる機能を有する。
The
反射層26は、p型クラッド層24との界面にて深紫外光を効果的に反射させることができるように、p型クラッド層24との屈折率差が大きい材料で構成されることが望ましい。p型クラッド層24を構成するAlGaN系半導体材料の屈折率は2.1〜2.7程度であるため、屈折率差の大きい材料として、特に、酸化シリコン(屈折率1.45程度)を用いることが好ましい。
The
反射層26は、p型クラッド層24との界面にて反射される深紫外光と、コンタクト層28との界面にて反射される深紫外光が強め合って反射光の強度が高まることとなる厚さdを有することが好ましい。このような厚さdの条件は、深紫外光の波長λ、この波長λに対する反射層26の屈折率n、1以上の整数mを用いて、d=(λ/4n)(2m−1)の式で表すことができる。例えば、λ=280nm、n=1.45、m=1とした場合、好ましい反射層26の厚さdは50nm程度である。なお反射層26の厚さdは、200nm以下とすることが好ましく、100nm以下とすることがさらに望ましい。
In the
反射層26は、p型クラッド層24の上において第1領域W1に隣接する第2領域W2を避けて設けられており、第2領域W2には反射層26を貫通する開口部30が設けられる。また、反射層26は、第1領域W1と第2領域W2が隣接する方向に第1領域W1と第2領域W2が交互に配置されるように設けられる。
The
図2〜図4は、反射層26の構成例を概略的に示す上面図である。反射層26は、図2〜図4のそれぞれに示されるように、メッシュ状、ライン状もしくはドット状に設けられる。例えば、図2に示されるように、反射層26の設けられる第1領域W1は、メッシュ状に設けられ、開口部30の設けられる第2領域W2は、格子状に間隔を空けて配置される。別の構成例では、図3に示されるように、第1領域W1および第2領域W2のそれぞれが互い違いにライン状に形成される。さらに別の構成例では、図4に示されるように、反射層26の設けられる第1領域W1が格子状に間隔を空けて配置され、開口部30の設けられる第2領域W2がメッシュ状に設けられる。なお、これらの配置は例示であり、各領域が円形状に設けられてもよいし、六方格子状に配置されてもよいし、各領域が不均一に配置されてもよい。
2 to 4 are top views schematically showing a configuration example of the
なお、第1領域W1は、第1領域W1と第2領域W2が隣接する方向の第1領域W1の幅lが10μm以下となるように形成されることが好ましい。図2に示すようなメッシュ形状である場合、縦方向または横方向に細長く延びる第1領域W1の短手方向の幅が10μm以下となることが望ましい。図3に示すようなライン形状である場合も同様に、長手方向に延びる第1領域W1の短手方向の幅が10μm以下となることが望ましい。また、図4に示すようなドット形状である場合、各第1領域W1の一辺の長さが10μm以下となることが望ましい。 The first region W1 is preferably formed so that the width l of the first region W1 in the direction in which the first region W1 and the second region W2 are adjacent to each other is 10 μm or less. In the case of the mesh shape as shown in FIG. 2, it is desirable that the width of the first region W1 extending in the vertical direction or the horizontal direction in the lateral direction is 10 μm or less. Similarly, in the case of the line shape as shown in FIG. 3, it is desirable that the width of the first region W1 extending in the longitudinal direction in the lateral direction is 10 μm or less. Further, in the case of the dot shape as shown in FIG. 4, it is desirable that the length of one side of each first region W1 is 10 μm or less.
なお、第1領域W1の幅lは、p型クラッド層24におけるキャリアの拡散長よりも小さくなるように各領域が形成されることが好ましい。これにより、第2領域W2の開口部30に設けられるコンタクト層28を通じて注入されるキャリアが活性層20の全域に到達できるようにする。言いかえれば、コンタクト層28から注入されるべきキャリアが反射層26により遮蔽され、反射層26の直下に位置する活性層20にキャリアが到達しなくなるのを防ぐ。これにより、活性層20の全体としての発光効率の低下を抑えることができる。
It is preferable that each region is formed so that the width l of the first region W1 is smaller than the diffusion length of the carriers in the p-type clad
また、反射層26が設けられる第1領域W1の幅lは、1μm以上となるように形成されることが好ましく、活性層20が発する紫外光の波長λの数倍程度以上の幅を有するように形成されることが望ましい。第1領域W1の幅を波長λよりも十分に大きくすることにより、深紫外光が反射層26にて好適に反射されるようにする。
Further, the width l of the first region W1 in which the
コンタクト層28は、反射層26と開口部30に露出するp型クラッド層24の双方の上を覆うように設けられる。コンタクト層28は、p型のAlGaN系半導体材料で形成され、電子ブロック層22やp型クラッド層24よりもAl含有率が低くなるように組成比が選択される。コンタクト層28は、AlNのモル分率が20%以下であることが好ましく、AlNのモル分率が10%以下であることがより望ましい。コンタクト層28は、実質的にAlNを含まないp型のGaN系半導体材料で形成されてもよい。コンタクト層28のAlNのモル分率を小さくすることにより、p側電極32との良好なオーミック接触を得ることができる。また、コンタクト層28のバルク抵抗を下げることができ、活性層20へのキャリア注入効率を向上させることができる。
The
コンタクト層28は、開口部30を有する反射層26をテンプレートとして形成され、反射層26の上においてエピタキシャル横方向成長(ELO)が支配的となるように形成される。ELOを利用することで、Al含有率の異なるp型クラッド層24との界面における格子不整合に起因した欠陥の発生を防ぎ、コンタクト層28の結晶性を向上させることができる。
The
p側電極32は、コンタクト層28の上に設けられる。p側電極32は、コンタクト層28との間でオーミック接触が実現できる材料で形成され、例えば、ニッケル(Ni)/金(Au)の積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、Ni層が60nm程度であり、Au層が50nm程度である。
The p-
n側電極34は、n型クラッド層18の上の活性層20が設けられていない露出領域に設けられる。n側電極34は、例えば、チタン(Ti)/Al/Ti/Auの積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、第1のTi層が20nm程度であり、Al層が100nm程度であり、第2のTi層が50nm程度であり、Au層が100nm程度である。
The n-
つづいて、図5〜図8を参照しながら発光素子10の製造方法について述べる。
まず、図5に示すように、基板12の上に第1ベース層14、第2ベース層16、n型クラッド層18、活性層20、電子ブロック層22、p型クラッド層24を順に積層させる。AlGaN系半導体材料で形成される第2ベース層16、n型クラッド層18、活性層20、電子ブロック層22およびp型クラッド層24は、有機金属化学気相成長(MOVPE)法や、分子線エピタキシ(MBE)法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。
Subsequently, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 5, the
つづいて、p型クラッド層24の上に反射層26を形成する。反射層26は、例えば、SiO2により形成される。反射層26の形成方法は、特に限定されず、MOVPE法やその他のCVD法などの周知の方法を用いて形成できる。
Subsequently, the
次に、図6に示すように、反射層26をパターニングして開口部30を形成する。開口部30は、反射層26の上にフォトリソグラフィ技術などを用いてパターニングされたマスクを用意し、マスクを介して反射層26の一部をエッチングすることにより形成できる。開口部30は、プラズマ等を用いたドライエッチングにより形成されてもよいし、フッ化水素酸(HF)等を用いたウェットエッチングにより形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 6, the
次に、図7に示すように、反射層26および開口部30から露出するp型クラッド層24の上にコンタクト層28を形成する。コンタクト層28は、例えば、p型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料で形成される。コンタクト層28は、MOVPE法やMBE法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。
Next, as shown in FIG. 7, the
次に、図8に示すように、n型クラッド層18の上に形成される活性層20、電子ブロック層22、p型クラッド層24およびコンタクト層28の一部を除去して、n型クラッド層18が露出される露出領域38を形成する。露出領域38は、例えば、コンタクト層28の上の一部にマスクをし、マスクを介して各層をエッチングすることにより形成できる。露出領域38は、例えば、プラズマを用いたドライエッチングにより形成できる。
Next, as shown in FIG. 8, a part of the
次に、コンタクト層28の上にNi/Auのp側電極32を形成し、n型クラッド層18の上の露出領域38にTi/Al/Ti/Auのn側電極34を形成する。p側電極32およびn側電極34を構成する各金属層は、例えば、MBE法などの周知の方法により形成できる。これにより、図1に示す発光素子10ができあがる。
Next, the p-
つづいて、本実施の形態に係る発光素子10が奏する効果について述べる。
図9は、実施の形態に発光素子10が奏する効果を模式的に示す図である。本実施の形態によれば、p型クラッド層24とコンタクト層28の間に反射層26が設けられるため、活性層20から電子ブロック層22に向かう深紫外光Aを反射層26で反射させて基板12に向かわせ、基板12の主面12aから発光素子10の外へ取り出すことができる。特に、深紫外光を吸収するコンタクト層28よりも活性層20の近い位置に反射層26を設けることで、反射層26にて反射される深紫外光Aがコンタクト層28に吸収されて減衰するのを防ぐことができる。これにより、深紫外光の光取出効率を高めることができる。
Next, the effect of the
FIG. 9 is a diagram schematically showing the effect of the
また、本実施の形態によれば、活性層20から基板12に向かう深紫外光のうち、基板12の主面12aで反射されてコンタクト層28に向かう深紫外光Bを反射層26で反射させて、再度基板12に向かわせることができる。これにより、基板12の主面12aで反射されてコンタクト層28に吸収されてしまう深紫外光の一部を発光素子10の外へ取り出すことができる。これにより、深紫外光の光取出効率を高めることができる。
Further, according to the present embodiment, of the deep ultraviolet light from the
また、本実施の形態によれば、パターニングされた開口部30を有する反射層26の上にコンタクト層28を形成するため、反射層26をテンプレートとしたELOによりコンタクト層28を形成できる。仮に、反射層26を設けずにp型クラッド層24の上にコンタクト層をエピタキシャル成長させると、p型クラッド層24とコンタクト層の間の格子不整合によりコンタクト層に転位が発生して欠陥が生じる。コンタクト層の欠陥が多いと、発光素子の信頼性に大きな影響を及ぼすおそれがある。一方、本実施の形態によれば、ELOを利用することで、欠陥の少ないコンタクト層28を形成でき、発光素子10の信頼性を高めることができる。
Further, according to the present embodiment, since the
図10は、変形例に係る発光素子10の構成を概略的に示す断面図である。本変形例は、緩衝層40をさらに備え、コンタクト層28が第1コンタクト層42および第2コンタクト層44を有する点で上述の実施の形態と相違する。反射層26およびコンタクト層28は、緩衝層40の上に形成される。以下、本変形例について上述の実施の形態との相違点を中心に述べる。
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
緩衝層40は、p型クラッド層24と、反射層26およびコンタクト層28との間に設けられる。緩衝層40は、p型のAlGaN系半導体材料で形成され、p型クラッド層24よりもAl含有率が低くなるように組成比が選択される。緩衝層40は、AlNのモル分率が20%以下であることが好ましく、AlNのモル分率が10%以下であることがより望ましい。緩衝層40は、実質的にAlNを含まないp型のGaN系半導体材料で形成されてもよい。
The
緩衝層40は、第1コンタクト層42がエピタキシャル成長するためのシード層として機能し、第1コンタクト層42のELOを促して第1コンタクト層42の結晶性を高める。緩衝層40は、シード層として機能できる程度に厚く形成されることが好ましく、5nm以上、好ましくは10nm以上の厚さを有する。一方で、緩衝層40は、活性層20から緩衝層40を通って反射層26に向かう深紫外光、および、反射層26で反射されて緩衝層40を再び通過してから基板12に向かう深紫外光の吸収量を抑えることができるように薄く形成されることが好ましい。緩衝層40は、100nm以下の厚さを有し、好ましくは50nm以下または20nm以下の厚さを有する。
The
図11は、緩衝層40の厚さと深紫外光の透過量の関係を示すグラフである。本図では、緩衝層40を実質的にAlNを含まないp型のGaN系半導体材料で構成した場合を示し、反射層26で反射される深紫外光が緩衝層40を往復で通過した場合の透過量を示す。図示されるように、緩衝層40の厚さが増えるにつれて透過量が減少し、緩衝層40の厚さが100nmになると透過量が10%未満となることが分かる。このことから、反射層26の反射により深紫外光の取出効率を高めるためには、緩衝層40の厚さを100nm以下とすることが好ましいと言える。なお、緩衝層40をAlNを含むAlGaN系半導体材料で構成する場合には、GaN系半導体材料と比べて紫外光の吸収率が低くなることから、緩衝層40の厚さを100nm以上にしてもよい。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the thickness of the
第1コンタクト層42は、反射層26の上と開口部30に露出する緩衝層40の上の双方を覆うように設けられる。第1コンタクト層42は、緩衝層40と接するように設けられる。第1コンタクト層42は、上述の実施の形態に係るコンタクト層28と同様に、p型のAlGaN系半導体材料で形成され、電子ブロック層22やp型クラッド層24よりもAl含有率が低くなるように組成比が選択される。第1コンタクト層42は、緩衝層40とAl含有率が同じまたは緩衝層40よりもAl含有率が低くなるように組成比が選択される。緩衝層40の上に第1コンタクト層42を形成することで、第1コンタクト層42のELOを促すとともに第1コンタクト層42の結晶性を向上させることができる。
The
第2コンタクト層44は、第1コンタクト層42の上に設けられる。第2コンタクト層44は、p型のAlGaN系半導体材料または実質的にAlNを含まないp型のGaN系半導体材料で形成され、第1コンタクト層42とAl含有率が同じまたは緩衝層40よりもAl含有率が低くなるように組成比が選択される。第2コンタクト層44の上にはp側電極32が設けられる。
The
本変形例によれば、p型クラッド層24とコンタクト層28の間に緩衝層40を挿入することで、コンタクト層28の結晶性をさらに高めてコンタクト層28のバルク抵抗を低減できる。また、緩衝層40の厚さを5nm以上100nm以下、好ましくは10nm以上50nm以下とすることで、活性層20へのキャリア注入効率と活性層20からの光取出効率の双方を向上させることができる。
According to this modification, by inserting the
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on examples. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. It is about to be.
別の変形例においては、p型クラッド層24にp型のAlGaN系半導体材料で構成される超格子構造が形成されてもよい。超格子構造は、例えば、AlNモル比率が相対的に大きいAlGaN層と小さいAlGaN層を積層させることにより形成できる。具体的には、AlNモル比率が60%のAlGaN層と、AlNモル比率が40%のAlGaN層を積層させることで形成される。
In another modification, a superlattice structure made of a p-type AlGaN-based semiconductor material may be formed on the p-type clad
この超格子構造は、コンタクト層28から注入されるキャリア(ホール)が二次元的に分布した二次元ホールガス(2DHG)を形成するように構成され、キャリアの横方向の移動を促進させるように構成される。このような超格子構造を形成することにより、反射層26によって遮蔽されるために、コンタクト層28からのキャリアが注入されにくい領域(例えば、反射層26の直下の領域)にキャリアを供給させることができる。これにより、活性層20の発光効率を高めることができる。
This superlattice structure is configured such that the carriers (holes) injected from the
別の変形例においては、p型クラッド層24を設けずに、電子ブロック層22の上に反射層26およびコンタクト層28を形成してもよい。この場合、反射層26の上と、開口部30に露出する電子ブロック層22の上に跨ってコンタクト層28を形成すればよい。
In another modification, the
別の変形例においては、p型クラッド層24を設けずに電子ブロック層22の上に緩衝層40を設け、緩衝層40の上に反射層26およびコンタクト層28を形成してもよい。上述の変形例において、第2コンタクト層44を設けずに第1コンタクト層42の直上にp側電極32を形成してもよい。
In another modification, the
10…発光素子、12…基板、18…n型クラッド層、20…活性層、22…電子ブロック層、24…p型クラッド層、26…反射層、28…コンタクト層、30…開口部、40…緩衝層、W1…第1領域、W2…第2領域。 10 ... light emitting element, 12 ... substrate, 18 ... n-type clad layer, 20 ... active layer, 22 ... electron block layer, 24 ... p-type clad layer, 26 ... reflective layer, 28 ... contact layer, 30 ... opening, 40 ... Buffer layer, W1 ... 1st region, W2 ... 2nd region.
Claims (9)
前記n型クラッド層上にAlGaN系半導体材料で形成される活性層と、
前記活性層上にp型のAlGaN系半導体材料またはp型のAlN系半導体材料で形成される電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上の第1領域に前記電子ブロック層より屈折率の低いシリコン(Si)を含む絶縁体材料で形成され、前記第1領域と隣接する前記電子ブロック層上の第2領域に開口部を有する反射層と、
前記開口部および前記反射層上の双方に跨って設けられ、前記電子ブロック層よりAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料で形成されるp型コンタクト層と、を備え、
前記活性層が深紫外光を発することを特徴とする発光素子。 An n-type clad layer formed of an n-type AlGaN-based semiconductor material on a substrate, and an n-type clad layer.
An active layer formed of an AlGaN-based semiconductor material on the n-type clad layer and
An electron block layer formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type AlN-based semiconductor material on the active layer,
The first region on the electron block layer is formed of an insulator material containing silicon (Si) having a refractive index lower than that of the electron block layer, and is opened in a second region on the electron block layer adjacent to the first region. A reflective layer with a part and
A p-type contact layer provided across both the opening and the reflection layer and formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having an Al content lower than that of the electron block layer. , Equipped with
A light emitting device characterized in that the active layer emits deep ultraviolet light.
前記コンタクト層のAl含有率は、前記緩衝層のAl含有率以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項の記載の発光素子。 A buffer provided between the electron block layer and the contact layer in contact with the contact layer and composed of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having a lower Al content than the electron block layer. With more layers,
The light emitting device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the Al content of the contact layer is equal to or less than the Al content of the buffer layer.
前記n型クラッド層上にAlGaN系半導体材料を含む活性層を形成するステップと、
前記活性層上にp型のAlGaN系半導体材料を含む電子ブロック層を形成するステップと、
前記電子ブロック層上に前記電子ブロック層より屈折率の低いシリコン(Si)を含む絶縁体材料から構成される反射層を形成するステップと、
前記反射層の一部を除去して前記反射層を貫通する開口部を形成するステップと、
前記開口部および前記反射層上の双方に跨って前記電子ブロック層よりAl含有率の低いp型のAlGaN系半導体材料またはp型のGaN系半導体材料を含むコンタクト層を形成するステップと、を備えることを特徴とする発光素子の製造方法。 A step of forming an n-type clad layer containing an n-type AlGaN-based semiconductor material on a substrate, and
A step of forming an active layer containing an AlGaN-based semiconductor material on the n-type clad layer,
A step of forming an electron block layer containing a p-type AlGaN-based semiconductor material on the active layer, and
A step of forming a reflective layer composed of an insulating material containing silicon (Si) having a refractive index lower than that of the electronic block layer on the electronic block layer.
A step of removing a part of the reflective layer to form an opening penetrating the reflective layer,
A step of forming a contact layer containing a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having an Al content lower than that of the electron block layer is provided across both the opening and the reflective layer. A method for manufacturing a light emitting element.
前記コンタクト層は、前記緩衝層上に前記緩衝層と接して形成され、前記コンタクト層のAl含有率が前記緩衝層のAl含有率以下であることを特徴とする請求項8に記載の発光素子の製造方法。 A step of forming a buffer layer of a p-type AlGaN-based semiconductor material or a p-type GaN-based semiconductor material having a lower Al content than the electron block layer on the electron block layer is further provided.
The light emitting device according to claim 8 , wherein the contact layer is formed on the buffer layer in contact with the buffer layer, and the Al content of the contact layer is equal to or less than the Al content of the buffer layer. Manufacturing method.
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