JP7492885B2 - Ultraviolet light emitting device - Google Patents
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Description
本開示は、紫外線発光素子に関する。 This disclosure relates to ultraviolet light emitting devices.
紫外線発光素子は、発光層のバンドギャップエネルギーを制御することにより発光波長を制御することができるとともに、寿命が長く信頼性が高くなる。そのため、紫外線発光素子は、照明、計測器用光源、殺菌用光源など様々な用途に利用されている。一般的な紫外線発光素子は、基板上に、発光層をp型窒化物半導体とn型窒化物半導体で挟んだPIN構造を有する。 By controlling the band gap energy of the light-emitting layer, ultraviolet light-emitting elements can control the emission wavelength, and have a long life and high reliability. For this reason, ultraviolet light-emitting elements are used for a variety of purposes, including lighting, light sources for measuring instruments, and light sources for sterilization. A typical ultraviolet light-emitting element has a PIN structure on a substrate, with the light-emitting layer sandwiched between a p-type nitride semiconductor and an n-type nitride semiconductor.
紫外線発光素子の発光出力(発光強度)を高めるために、光取り出し効率を高める必要がある。このため、例えば紫外光に対して透過率の高いp型AlGaN層と反射電極とを組み合わせることにより、光取り出し効率を高める手法が検討されている(例えば、特許文献1)。 In order to increase the light output (light emission intensity) of ultraviolet light-emitting elements, it is necessary to increase the light extraction efficiency. For this reason, methods of increasing the light extraction efficiency, for example, by combining a p-type AlGaN layer with high transmittance for ultraviolet light with a reflective electrode, are being considered (for example, Patent Document 1).
しかしながら、紫外線発光素子には、さらなる発光効率の向上が求められている。上述したような、p型AlGaNと反射電極とを組み合わせた紫外線発光素子では、デバイス抵抗が悪化するため十分な発光強度が得られない。また、p型AlGaNと下地との格子定数差がある場合、平坦な被覆率のよい結晶が得られない場合がある。その場合、I-V特性において、リーク電流の増加やホッピング現象(不連続変化)が起きることがある。
すなわち、本開示の目的は、発光強度およびI-V特性を両立することができる紫外線発光素子を提供することにある。
However, further improvement in the light emission efficiency is required for ultraviolet light emitting devices. In the ultraviolet light emitting device in which p-type AlGaN and a reflective electrode are combined as described above, sufficient light emission intensity cannot be obtained because the device resistance deteriorates. In addition, when there is a difference in lattice constant between p-type AlGaN and the underlayer, it may not be possible to obtain a crystal with a good flat coverage. In that case, an increase in leakage current or a hopping phenomenon (discontinuous change) may occur in the IV characteristics.
That is, an object of the present disclosure is to provide an ultraviolet light emitting element that can achieve both light emission intensity and IV characteristics.
上述した課題を解決するために、本開示の一実施形態に係る紫外線発光素子は、Alを含む窒化物半導体を含む基板と、基板上に配置され、AlおよびGaを含む第1導電型窒化物半導体層と、第1導電型窒化物半導体層上に配置され、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む発光層と、発光層上に配置され、第1導電型窒化物半導体層と異なる導電型を有する第2導電型窒化物半導体層と、を備え、第2導電型窒化物半導体層は、Mgを含み、第2導電型窒化物半導体層におけるMgの濃度は、8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であり、かつ層厚が1nm以上20nm以下であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, an ultraviolet light-emitting element according to an embodiment of the present disclosure includes a substrate including a nitride semiconductor containing Al, a first conductivity type nitride semiconductor layer including Al and Ga disposed on the substrate, a light-emitting layer including a nitride semiconductor containing Al and Ga disposed on the first conductivity type nitride semiconductor layer, and a second conductivity type nitride semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first conductivity type nitride semiconductor layer disposed on the light-emitting layer, wherein the second conductivity type nitride semiconductor layer contains Mg, a Mg concentration in the second conductivity type nitride semiconductor layer is equal to or greater than 8× 10 cm −3 and equal to or less than 1× 10 cm −3 , and a layer thickness is equal to or greater than 1 nm and equal to or less than 20 nm.
本開示によれば、発光強度およびI-V特性を両立することができる紫外線発光素子を提供することが可能となる。 This disclosure makes it possible to provide an ultraviolet light-emitting element that can achieve both light emission intensity and I-V characteristics.
以下、実施形態を通じて本実施形態に係る紫外線発光素子を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The ultraviolet light emitting device according to this embodiment will be described below through the embodiments, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
1.第一実施形態
以下、第一実施形態に係る紫外線発光素子1について、図1を参照して説明する。
紫外線発光素子1は、紫外光を発光可能な半導体素子である。
1. First Embodiment Hereinafter, an ultraviolet
The ultraviolet
(1.1)紫外線発光素子の構成
図1を参照して、第一実施形態に係る紫外線発光素子1について説明する。紫外線発光素子1は、Alを含む窒化物半導体を含む基板11と、基板11上に配置され、AlおよびGaを含む第1導電型窒化物半導体層12と、第1導電型窒化物半導体層12上に配置され、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む発光層13と、発光層13上に配置され、第1導電型窒化物半導体層12と異なる導電型を有する第2導電型窒化物半導体層14と、を備えている。そして、第2導電型窒化物半導体層14は、Mgを含み、層厚が1nm以上20nm以下となっている。
(1.1) Configuration of ultraviolet light emitting element An ultraviolet
図1に示すように、紫外線発光素子1は、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、発光層13および第2導電型窒化物半導体層14が順に積層されて構成されている。また、紫外線発光素子1は、第1導電型窒化物半導体層12と接続された第1電極15Aと、第2導電型窒化物半導体層14と接続された第2電極15Bとを備えている。
以下、各層について詳細に説明する。
1, the ultraviolet
Each layer will be described in detail below.
(基板11)
基板11は、Alを含む窒化物半導体を含んでいる。Alを含む窒化物半導体は、例えばAlNである、すなわち基板11がAlN単結晶基板であることが好ましい。Alを含む窒化物半導体は、AlNに限定されず、例えばAlGaNであってよい。例えば、基板11がAlN、AlGaN等の窒化物半導体単結晶基板である場合、基板11の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
(Substrate 11)
The
ここで、「基板11は…窒化物半導体を含む」という表現における「含む」とは、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量(例えばGa(Gaが主元素でない場合)、In、As、P、またはSb等の元素を数%以下)加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。
The term "comprises" in the expression "
また、基板11は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、n型またはp型にドーピングされてよい。また、基板11は、AlN等の窒化物半導体と、サファイア(Al2O3)、Si、SiC、MgO、Ga2O3、ZnO、GaNまたはInNとの混晶であってもよい。
The
基板11は、一例として100μm以上600μm以下の層厚を有することが好ましい。、
また、面方位はc面(0001)、a面(11-20)、m面(10-10)などが挙げられるが、c面基板11がより好ましい。
For example, the
The plane orientation may be c-plane (0001), a-plane (11-20), m-plane (10-10), etc., with the c-
(第1導電型窒化物半導体層)
第1導電型窒化物半導体層12は、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。第1導電型窒化物半導体層12は、基板11上に形成される。ここで、例えば「第1導電型窒化物半導体層12は基板11上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板11の上に第1導電型窒化物半導体層12が形成されることを意味する。また、基板11と第1導電型窒化物半導体層12との間に別の層がさらに存在する場合も上述の表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、発光層13上に電子ブロック層を介して第2導電型窒化物半導体層14が形成される場合(変形例にて詳細に説明する)も、「第2導電型窒化物半導体層14は発光層13上に形成される」という表現に含まれる。
(First Conductive Type Nitride Semiconductor Layer)
The first conductive type
第1導電型窒化物半導体層12は、例えばAzGa(1-z)N(0<z<1)により形成される。これにより、深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層13として形成する場合に、発光層13の結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第1導電型窒化物半導体層12を構成する窒化物半導体は、AlNおよびGaNの混晶であることが好ましい。また、発光層13から放出された光の透過率の観点から、第1導電型窒化物半導体層12は、AzGa(1-z)N(0.6≦z≦0.9)により形成されることがより好ましい。
The first conductivity type
第1導電型窒化物半導体層12は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。
また、第1導電型窒化物半導体層12と第2導電型窒化物半導体層14とは、互いに異なる導電型を有する窒化物半導体の層である。一般に、n型半導体の方がp型半導体より結晶性に優れており、発光層13への影響が低い。そのため、第1導電型窒化物半導体層12がn型であり、第2導電型窒化物半導体層14が第1導電型窒化物半導体層12と異なるp型である事が好ましい。
The first conductivity type
Moreover, the first conductivity type
第1導電型窒化物半導体層12は、緩和の観点と膜抵抗の観点から、200nm以上800nm以下の層厚を有することが好ましく、300nm以上750nm以下の層厚を有することがより好ましく、300nm以上500nm以下であることが更に好ましい。
From the viewpoints of relaxation and film resistance, the first conductivity type
(発光層)
発光層13は、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。発光層13は、第1導電型窒化物半導体層12上に形成される。発光層13が含む窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から例えばAlN、GaNの混晶であることが好ましい。発光層13には、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。また、発光層13は、量子井戸構造も単層構造も取り得る。高い発光効率を実現する観点から、発光層13は少なくとも1つの井戸構造を有することが好ましい。
(Light Emitting Layer)
The
また、紫外線発光素子1の発光波長を深紫外領域の波長(380nm以下)としたい場合には、発光層13を構成する窒化物半導体はAl、GaおよびNを含むことが好ましい。また、発光効率を高める観点から、発光層13は、Al、GaおよびNを含む量子井戸層と、AlNを含む電子バリア層(いずれも不図示)とを有する多重量子井戸構造(MQW)であることが好ましい。
If it is desired to set the emission wavelength of the ultraviolet light-emitting
(第2導電型窒化物半導体層)
第2導電型窒化物半導体層14は、上述したように、第1導電型窒化物半導体層12と異なる導電型を有する窒化物半導体の層である。第2導電型窒化物半導体層14は、発光層13上に形成される。第2導電型窒化物半導体層14を構成する窒化物半導体は、例えばGaN、AlNまたはInNおよび、それらを含む混晶で形成される。
(Second Conductive Type Nitride Semiconductor Layer)
As described above, the second conductivity type
第2導電型窒化物半導体層14には、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si、Be等の不純物が混入していてよい。ただし、上述したように、第1導電型窒化物半導体層12の導電型がn型で、第2導電型窒化物半導体層14の導電型がp型である事が好ましい。
原料ガスの汎用性から、第2導電型窒化物半導体層14に含まれる不純物がMgであることが好ましい。I-V特性(被覆率)を良好にする観点から、含まれるMgの濃度が8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であることが好ましい。閾値電圧の観点から、より好ましくは含まれるMgの濃度が5×1020cm-3以上1×1021cm-3以下である。
The second conductivity type
From the viewpoint of versatility of the raw material gas, the impurity contained in the second conductivity type
また、第2導電型窒化物半導体層14は、層厚が1nm以上20nm以下となっている。第2導電型窒化物半導体層14の層厚が薄いほど紫外線発光素子1の発光強度が向上し、層厚が厚いほど紫外線発光素子1の発光強度が低下する。一方、第2導電型窒化物半導体層14の層厚が薄いほど紫外線発光素子1の閾値電圧が高くなり、層厚が厚いほど紫外線発光素子1の閾値電圧が低下する傾向にある。このため、第2導電型窒化物半導体層14の層厚が1nm以上20nm以下である場合、高い発光強度を維持しつつ、閾値電圧が高くなりすぎず、紫外線発光素子1のデバイス特性が総合的に向上する。
The second conductive type
紫外線発光素子1のI-V特性(電気特性)を良好にする観点から、直下の層に対する第2導電型窒化物半導体層14の被覆率は、80%以上100%以下であることが好ましく、90%以上100%以下であることがより好ましい。
紫外線発光素子1のp型半導体としてのキャリア注入効率を高める観点から、第2導電型窒化物半導体層14は、AlGaN(0≦x≦0.2)で形成されることが好ましい。
また、キャリア注入効率を高める観点から、第2導電型窒化物半導体層14は、直下の層と格子整合していることが好ましい。より具体的には、基板11上面に並行な面内方向の格子定数が直下の層の同一方向の格子定数に一致していることが好ましい。同時に、不純物として含まれる原子(例えばMg)が、GaまたはAlおよびNの格子に対して置換されていることが好ましい。
これによりキャリア注入効率が高く、I-V特性の良好な第2導電型窒化物半導体層14が得られる。
From the viewpoint of improving the IV characteristics (electrical characteristics) of the ultraviolet light-emitting
From the viewpoint of increasing the carrier injection efficiency of the ultraviolet
From the viewpoint of increasing the carrier injection efficiency, the second conductive type
This makes it possible to obtain the second conductivity type
(電極)
紫外線発光素子1は、さらに電極を備えていてもよい。電極は、n型電極およびp型電極の少なくとも1つであり得る。
n型電極は、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa2O3等の導電性酸化物等により形成される。また、n型電極は、第1導電型窒化物半導体層12および第2導電型窒化物半導体層14のうち、導電性がn型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。図1では、第1導電型窒化物半導体層12と接続された第1電極15Aがn型電極である。
(electrode)
The ultraviolet
The n-type electrode is formed of a metal such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga 2 O 3. The n-type electrode is preferably formed so as to contact the layer having n-type conductivity of the first conductivity type
p型電極は、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Pt、Cu、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ir、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa2O3等の導電性酸化物等により形成される。また、p型電極は、第1導電型窒化物半導体層12および第2導電型窒化物半導体層14のうち、導電性がp型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。図1では、第2導電型窒化物半導体層14と接続された第2電極15Bがp型電極である。
The p-type electrode is formed of a metal such as Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ir, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga 2 O 3. The p-type electrode is preferably formed so as to contact the layer having p-type conductivity among the first conductivity type
(1.2)紫外線発光素子の変形例
上述した紫外線発光素子1Aは、基板11と第1導電型窒化物半導体層12との間に設けられたAlN層16や、発光層13と第2導電型窒化物半導体層14との間に設けられた電子ブロック層17を備えていても良い。
以下、図2を参照して、AlN層16および電子ブロック層17について詳細に説明する。
(1.2) Modified Examples of Ultraviolet Light-Emitting Elements The ultraviolet light-emitting
The
(AlN層)
AlN層16は、下地層の一例であり、基板11の全面に形成されている。すなわち、AlN層16は、基板11と第1導電型窒化物半導体層12との間に設けられている。
AlN層16は、基板の表面に形成されたピットや研磨痕などをリカバリーすることができる。また、第1導電型窒化物半導体層12との間の格子定数差及び熱膨張係数差が小さく、AlN層16上に欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができる。また、AlN層16は、圧縮応力下で第1導電型窒化物半導体層12を成長させることができ、第1導電型窒化物半導体層12にクラックの発生を抑制することができる。このため、基板11がAlN又はAlGaN等の窒化物半導体で形成されている場合でも、欠陥の少ない窒化物半導体層をAlN層16を介して基板11の上方に成長できる。
(AlN layer)
The
The
AlN層16には、C、B、O、H、Si、Fe、Mg等の不純物が混入されていてもよい。
基板11の形成材料としてAlNを用いた場合、AlN層16と基板11とが同一材料で形成されることから、AlN層16と基板11との境界が不明確となる。基板11がAlNで形成されている場合には、基板11が基板11とAlN層16とを構成しているものと見做してよい。
The
When AlN is used as the material for forming the
AlN層16は、例えば数μmの厚さを有している。具体的には、AlN層16の厚さは、10nmより厚く1μmより薄いことが好ましい。AlN層16の厚さが10nmより厚い場合、基板表面のリカバリーが進み、AlNの結晶性が高くなる。また、原料コストの観点から、AlN層16の厚さが1μmより薄いことが好ましい。
The
(電子ブロック層)
電子ブロック層17は、第1導電型窒化物半導体層12から注入された電子が発光層13で再結合しきれず、第2導電型窒化物半導体層14へオーバーフローしていくことを防ぐ機能を有する。例えば、電子ブロック層17は、GaN、AlNもしくはInN、またはそれらを含む混晶などにより形成される。ただし、電子ブロック層17は、電子のオーバーフローを防ぐことができればこれら材料での形成に限られない。また、電子ブロック層17には、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si、Be等の不純物が混入していてよい。格子整合と電子のブロック効果との観点から、電子ブロック層17は、発光層13のバンドギャップよりも大きいAlGaNで形成されることが好ましい。
(Electron Blocking Layer)
The
(1.3)紫外線発光素子の製造方法
本実施形態の紫外線発光素子1は、基板11上に各層を形成する工程を経て製造される。
基板11は、昇華法、ハイドライド気相成長(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法により形成される。
(1.3) Method for Manufacturing Ultraviolet Light Emitting Device The ultraviolet
The
基板11上に各層を形成する工程は、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法または有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等で行うことができる。
ここで、基板11上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、例えばトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、例えばアンモニア(NH3)を含むN原料を用いて形成することができる。
The process of forming each layer on the
Here, among the layers formed on the
紫外線発光素子1は、基板11上に形成された各層に対して、不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される(図1参照)。この工程は、例えば誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング等で行うことができる。
また、紫外線発光素子1は、電極(第1電極15A、第2電極15B)を形成する工程を経て製造され得る。この工程は、例えば電子線蒸着(EB)法によって金属を蒸着させる等の種々の方法で行うことができる。
ここで、紫外線発光素子は、上記の工程を経て各層が形成された基板11をダイシングにより個片へと分割して製造される。
The ultraviolet
The ultraviolet
Here, the ultraviolet light emitting element is manufactured by dividing the
第1電極15A、第2電極15B等の電極は、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等により形成されるが、これら方法には限定されない。電極は、単層で形成してもよく、複数層積層して形成してもよい。また、電極は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。
The electrodes such as the
(1.4)紫外線発光素子の物性等の測定方法
上述した紫外線発光素子1の物性等は、以下のようにして測定することができる。
(1.4) Method for Measuring Physical Properties of Ultraviolet Light Emitting Device The physical properties of the ultraviolet
(第2導電型窒化物半導体層の被覆率測定)
第2導電型窒化物半導体層14の被覆率測定には、例えば走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、FE-SEM「SU9000」)および画像処理ソフト(旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト「A像くん」(登録商標))が用いられる。より具体的には、SEM測定時に、第2導電型窒化物半導体層14表面が露出されている箇所を50μm×50μmの測定範囲で面内における任意の3点を測定する。このとき下方検出器による反射電子像を取得することで、組成差によるコントラストが明確になったSEM画像が得られる。
(Measurement of Coverage of Second Conductive Type Nitride Semiconductor Layer)
The coverage of the second conductivity type
画像処理ソフトを用いて、得られたSEM画像の処理を行う。SEM画像内の平均明度に対して、明度が50%以上低い領域を、直下の層である発光層13に対して第2導電型窒化物半導体層14の被覆されていない箇所とする。被覆率は被覆されている面積の割合とし、任意の3点の平均値を第2導電型窒化物半導体層14の被覆率とする。
The obtained SEM image is processed using image processing software. Areas in the SEM image whose brightness is 50% or more lower than the average brightness are determined to be areas that are not covered by the second conductivity type
(不純物濃度およびドーピング濃度の測定)
紫外線発光素子1を構成する基板11および各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定することができる。
各層に含まれるドーパントや不純物の濃度を、デバイスに加工された後にSIMSで測定する場合は、化学的なエッチングや物理研磨により電極を除去した状態で行うことができる。また、各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、電極が形成されていない基板11側からスパッタして測定することもできる。
具体的には、エバンス・アナリティカル・グループ(EAG)社が提供する測定条件によりSIMS測定を実施する。測定時の試料のスパッタには、14.5keVのエネルギーを有したセシウム(Cs)イオンビームを用いる。
(Measurement of impurity and doping concentrations)
The concentrations of dopants and impurities contained in the
When the concentration of dopants and impurities contained in each layer is measured by SIMS after processing into a device, the measurement can be performed in a state where the electrodes are removed by chemical etching or physical polishing. The concentration of dopants and impurities contained in each layer can also be measured by sputtering from the
Specifically, the SIMS measurement is performed under the measurement conditions provided by Evans Analytical Group (EAG), Inc. A cesium (Cs) ion beam having an energy of 14.5 keV is used for sputtering the sample during the measurement.
(層厚の測定方法)
紫外線発光素子1を構成する各層の層厚は、基板11に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により観察し、TEMの測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、TEMを用いて、紫外線発光素子の基板11の主面に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、紫外線発光素子1の基板11の主面に対して垂直な断面を示すTEM画像内の、基板11の主面に対して平行な方向において2μm以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、組成の異なる2層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、幅200nmの連続する観察領域で観察する。この200nm幅の観察領域内に含まれる各層の厚さの平均値を、上述した2μm以上の観察幅から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層の層厚を得ることができる。
(Method of measuring layer thickness)
The thickness of each layer constituting the ultraviolet
(第1導電型窒化物半導体層のAl組成の測定方法)
第1導電型窒化物半導体層12のAl組成を測定する方法としては、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)法による逆格子マッピング測定(RSM:Reciprocal Space Mapping)が挙げられる。具体的には、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、下地に対する格子緩和率とAl組成が得られる。回折面としては、例えば(10-15)面や(30-24)面が挙げられる。
(Method of Measuring Al Composition of First Conductive Type Nitride Semiconductor Layer)
The Al composition of the first conductivity type
(発光層、電子ブロック層のAl組成の測定方法)
X線光電分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)、および電子エネルギー損失分光法(EELS:Electron Energy-Loss Spectroscopy)によって測定することができる。
EELSでは、電子線が試料を透過する際に失うエネルギーを測定することで、試料の組成を分析する。具体的には、例えば、TEM観察等で使用する薄片化試料において、透過電子線の強度のエネルギー損失スペクトルを測定・解析する。そして、エネルギー損失量20eV付近に現れるピークのピーク位置が、各層の組成に応じて変化することを利用し、ピーク位置から組成を求めることができる。
上述のTEM観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅200nmにおけるAl組成の平均値を、2μm以上の観察領域から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層のAl組成を得る。
(Method of measuring the Al composition of the light-emitting layer and the electron-blocking layer)
It can be measured by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), and Electron Energy-Loss Spectroscopy (EELS).
In EELS, the composition of a sample is analyzed by measuring the energy lost when an electron beam passes through the sample. Specifically, for example, the energy loss spectrum of the intensity of a transmitted electron beam is measured and analyzed for a thin-sectioned sample used in TEM observation. The position of a peak that appears near the energy loss of 20 eV changes depending on the composition of each layer, and the composition can be determined from the peak position.
In the same manner as in the method of calculating layer thickness by TEM observation described above, the Al composition of each layer is obtained by calculating the average value of the Al composition in an observation width of 200 nm from five points arbitrarily selected from an observation region of 2 μm or more.
EDXでは、上述のTEM観察等で使用する薄片化試料において電子線によって発生する特性X線を測定・解析する。上述のTEM観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅200nmにおけるAl組成の平均値を、2μm以上の観察領域から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層のAl組成を得る。 In EDX, characteristic X-rays generated by an electron beam in a thin-sectioned sample used in the above-mentioned TEM observation are measured and analyzed. In the same manner as the layer thickness calculation method using TEM observation described above, the Al composition of each layer is obtained by calculating the average value of the Al composition in an observation width of 200 nm from five points arbitrarily selected from an observation area of 2 μm or more.
XPSでは、イオンビームを用いたスパッタエッチングを行いながらXPS測定を行うことで、深さ方向の評価が可能である。イオンビームには一般的にAr+が用いられるが、XPS装置に搭載されたエッチング用イオン銃で照射できるイオンであれば、例えばArクラスターイオンなどの他のイオン種でもよい。Al、Ga、NのXPSピーク強度を測定・解析して各層のAl組成の深さ方向分布を得る。スパッタエッチングの代わりに、基板11の主面に対して垂直な断面が拡大されて露出されるように紫外線発光素子を斜め研磨して、露出断面をXPSで測ってもよい。
XPSだけでなくオージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)を用いても各層の組成を測定できる。この場合、スパッタエッチングあるいは斜め研磨により露出させた断面においてオージェ電子分光法による測定を行うことで、組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面に対するSEM-EDX測定によっても、各層の組成を測定できる。
In XPS, the evaluation in the depth direction is possible by performing XPS measurement while performing sputter etching using an ion beam. Although Ar+ is generally used as the ion beam, other ion species such as Ar cluster ions may be used as long as they can be irradiated by an etching ion gun mounted on the XPS device. The XPS peak intensities of Al, Ga, and N are measured and analyzed to obtain the depth direction distribution of the Al composition of each layer. Instead of sputter etching, the ultraviolet light emitting element may be obliquely polished so that a cross section perpendicular to the main surface of the
The composition of each layer can be measured not only by XPS but also by Auger Electron Spectroscopy (AES). In this case, the composition can be measured by performing Auger Electron Spectroscopy on a cross section exposed by sputter etching or oblique polishing. The composition of each layer can also be measured by SEM-EDX measurement of a cross section exposed by oblique polishing.
(窒化物半導体層の原子配列の測定)
紫外線発光素子1を構成する各層の原子配列は、高分解能TEM測定によって測定できる。上述したTEM測定時に50nmまで剥片化されたサンプルに対し、原子分解能分析電子顕微鏡(日本電子株式会社製、「JEM-ARM200F」(加速電圧:200kV)によって高分解能TEM測定を行う。原子配列はIII属原子と窒素原子が交互に積層された状態となっており、III族原子が垂直に配列している(すなわち、ずれがない)状態が観察されれば、格子整合していると判断できる。また、原子間に未結合原子が存在しないことで不純物としてMgが格子に置換していることが観察できる。
(Measurement of atomic arrangement of nitride semiconductor layer)
The atomic arrangement of each layer constituting the ultraviolet
(1.5)紫外線発光素子の適用分野
本実施形態に係る紫外線発光素子は、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。紫外線発光素子は、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体(容器、食品、医療機器等)殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・FPD・PCB・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
(1.5) Application Fields of Ultraviolet Light Emitting Device The ultraviolet light emitting device according to this embodiment can be applied to devices in, for example, the medical and life science fields, the environmental field, the industrial and manufacturing fields, the lifestyle and home appliances fields, the agricultural field, and other fields. The ultraviolet light emitting device can be applied to a drug or chemical synthesis and decomposition device, a liquid, gas, and solid (container, food, medical equipment, etc.) sterilization device, a semiconductor cleaning device, a surface modification device for film, glass, metal, etc., an exposure device for manufacturing semiconductors, FPDs, PCBs, and other electronic products, a printing and coating device, an adhesive and sealing device, a transfer and molding device for film, pattern, mockup, etc., and a measurement and inspection device for banknotes, wounds, blood, chemical substances, etc.
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of liquid sterilization devices include, but are not limited to, automatic ice makers, ice trays and ice storage containers in refrigerators, water tanks for ice makers, freezers, ice makers, humidifiers, dehumidifiers, cold water tanks, hot water tanks and flow pipes of water servers, freestanding water purifiers, portable water purifiers, water supply units, hot water heaters, wastewater treatment devices, garbage disposers, toilet drain traps, washing machines, dialysis water sterilization modules, peritoneal dialysis connector sterilizers, disaster water storage systems, etc.
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用または寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of gas sterilization devices include, but are not limited to, air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor or bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor germicidal lamps, storage ventilation systems, shoe boxes, chests of drawers, etc.
固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of solid sterilization equipment (including surface sterilization equipment) include, but are not limited to, vacuum packing machines, belt conveyors, hand tool sterilization equipment for medical/dental use, barber shops/beauty salons, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick cases, cosmetic pouches, drain covers, toilet spot cleaners, toilet lids, etc.
(1.6)第一実施形態の効果
第一実施形態に係る紫外線発光素子は、以下のような効果(1)~(7)を有する。
(1)紫外線発光素子1は、Mgを含み、第2導電型窒化物半導体層14におけるMgの濃度が8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であるとともに、層厚が1nm以上20nm以下である第2導電型窒化物半導体層14を備えている。
これにより、紫外線発光素子1は、発光強度が向上するとともに、電極とのコンタクト抵抗が低下し、発光層へのキャリア注入効率が向上するためI-V特性が向上する。
(1.6) Effects of First Embodiment The ultraviolet light emitting device according to the first embodiment has the following effects (1) to (7).
(1) The ultraviolet
As a result, the ultraviolet
(2)紫外線発光素子1は、直下の層に対する第2導電型窒化物半導体層14の被覆率が80%以上100%以下となっていることが好ましい。
この場合、直下の層と第2導電型窒化物半導体層14との接触面積が向上して、電極(第2電極15B)が直下の層に直接接触する面積が低下する。これにより、リーク電流の抑制や、不連続変化が抑制され、I-V特性が向上する。
(2) In the ultraviolet light-emitting
In this case, the contact area between the layer immediately below and the second conductivity type
(3)紫外線発光素子1は、第2導電型窒化物半導体層がAlxGa(1-x)N(0≦x≦0.2)で形成されていることが好ましい。
これにより、p型半導体としてのキャリア注入効率が向上するため、発光強度がより向上するとともに、I-V特性が向上し、閾値電圧が低下する。
(3) In the ultraviolet
This improves the carrier injection efficiency of the p-type semiconductor, leading to a further increase in emission intensity, improved IV characteristics, and a lowered threshold voltage.
(4)紫外線発光素子1は、AlN単結晶で形成された基板11を備えている。
これにより、基板11の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、基板11上に欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができるため、発光強度が向上するとともに、他のデバイス特性も向上する。
(4) The ultraviolet
This reduces the difference in lattice constant with the nitride semiconductor layer formed on the upper side of the
(5)紫外線発光素子1は、300nm以上750nm以下の厚さを有する第1導電型窒化物半導体層12を備えている。
これにより、第1導電型窒化物半導体層12が下地に対して格子緩和するとともに膜抵抗が減少し、発光強度が向上するとともに、他のデバイス特性も向上する。
(5) The ultraviolet
This causes the first conductivity type
(6)紫外線発光素子1は、AlzGa(1-z)N(0.6≦z≦0.9)で形成された第1導電型窒化物半導体層12を備えている。
これにより、第1導電型窒化物半導体層12は、発光層13から放出された光の透過率が向上し、発光強度が向上するとともに、他のデバイス特性も向上する。
(6) The ultraviolet
This improves the transmittance of the first conductivity type
2.第二実施形態
図3を参照して、第二実施形態に係る紫外線発光素子2について説明する。図3に示すように、紫外線発光素子2は、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、発光層13、第2導電型窒化物半導体層14を備えている。また、紫外線発光素子2は、第1導電型窒化物半導体層12と接続された第1電極15Aと、第2導電型窒化物半導体層14と接続された第2電極15Bと、第2導電型窒化物半導体層14上に設けられた反射電極25Cとを備えている。すなわち、紫外線発光素子2は、第2導電型窒化物半導体層14上に反射電極25Cを備える点で、第一実施形態に係る紫外線発光素子1と相違する。
2. Second embodiment With reference to Fig. 3, an ultraviolet
以下、反射電極25Cについて詳細に説明する。なお、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、発光層13、第2導電型窒化物半導体層14、第1電極15Aおよび第2電極15Bは、紫外線発光素子1と同様の構成であるため説明を省略する。
The
(2.1)紫外線発光素子の構成
(反射電極)
反射電極25Cは、発光層13から第2導電型窒化物半導体層14側へ放出された光を発光層13側へと反射し、紫外線発光素子2の発光強度を向上させる機能を有している。発光強度向上の観点から、反射電極25Cは、紫外光反射率が90%以上であることが好ましい。より具体的には、反射透過測定器において測定されたピーク波長265nmにおける反射電極25Cの紫外光反射率が90%以上であることが好ましい。
(2.1) Configuration of UV light emitting element (reflection electrode)
The
反射電極25Cは、例えばAl、Ti、Pt、Rd、Ru、Ni、Rhで形成されるが、反射率を満たせばこの限りではない。反射電極25Cは、p型電極である第2電極15Bとして用いられてもよく、第2電極15B上に設けられてもよい。さらに、反射電極25Cは、第2導電型窒化物半導体層14上の第2電極15B以外の箇所に備えられてもよい。
また、反射電極にはHfO2やSiO2などの酸化物を積層した半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡を用いてもよい。
反射電極25Cは、単層でもよく、複数層が積層されていてもよい。
The
Also, a semiconductor multi-layer distributed Bragg reflector in which oxides such as HfO2 and SiO2 are laminated may be used for the reflecting electrode.
The
(2.2)紫外線発光素子の製造方法
反射電極25Cは、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等により形成されることが好ましいが、これら方法には限定されない。
(2.2) Method for Manufacturing Ultraviolet Light Emitting Device The
(2.3)第二実施形態の効果
第二実施形態に係る紫外線発光素子2は、第一実施形態において記載した効果に加えて以下の効果を有する。
(7)紫外線発光素子2は、第2導電型窒化物半導体層14上に設けられた反射電極25Cを備えている。
これにより、紫外線発光素子2は、発光層13から第2導電型窒化物半導体層14側へ放出された光を発光層13側へと反射し、紫外線発光素子2の発光強度を向上させることができる。
(2.3) Effects of the Second Embodiment The ultraviolet
(7) The ultraviolet
As a result, the ultraviolet light-emitting
3.第三実施形態
図4を参照して、第二実施形態に係る紫外線発光素子3について説明する。図4に示すように、紫外線発光素子3は、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、発光層13、組成傾斜層38および第2導電型窒化物半導体層14を備えている。また、紫外線発光素子3は、第1導電型窒化物半導体層12と接続された第1電極15Aと、第2導電型窒化物半導体層14と接続された第2電極15Bとを備えている。すなわち、紫外線発光素子3は、発光層13と第2導電型窒化物半導体層14との間に、Al組成が基板11から遠ざかる方向にむかって減少する組成傾斜層38を備える点で、第一実施形態に係る紫外線発光素子1と相違する。
3. Third embodiment The ultraviolet
以下、組成傾斜層38について詳細に説明する。なお、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、発光層13、第2導電型窒化物半導体層14、第1電極15Aおよび第2電極15Bは、紫外線発光素子1と同様の構成であるため説明を省略する。
The
(3.1)紫外線発光素子の構成
(組成傾斜層)
組成傾斜層38は、発光層13と第2導電型窒化物半導体層14との間に設けられている。組成傾斜層38は、AlyGa(1-y)N(0.1≦y≦1.0)で形成され、基板11から遠ざかる方向に向かってAl組成yが減少している。組成傾斜層38のAl組成yは、基板11から遠ざかる方向に向かって減少している。組成傾斜層38におけるAl組成yのプロファイル(傾斜)は、連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。ここで、「断続的に減少する」とは、組成傾斜層38の膜中にAl組成yが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、組成傾斜層38には、基板11から遠ざかる方向にAl組成yが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。
(3.1) Structure of UV light emitting device (composition gradient layer)
The
組成傾斜層38は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く発光層13内の活性層に注入する作用を有する。このため、組成傾斜層38が発光層13と第2導電型窒化物半導体層14との間に設けられることで、紫外線発光素子3の発光効率を高めることができる。
組成傾斜層38の層厚は、発光効率を高める観点から、15nm以上60nm以下であることが好ましく、20nm以上50nm以下であることがより好ましい。
The
From the viewpoint of increasing the light emission efficiency, the thickness of the
組成傾斜層38は、発光層13と接触していてもよく、発光層13との間に別の層が存在していてもよい。また、組成傾斜層38は、第2導電型窒化物半導体層14と接触していてもよく、第2導電型窒化物半導体層14との間に別の層が存在していてもよい。
具体的には、発光層13と組成傾斜層38との間に電子ブロック層17が存在していても良い。
The compositionally graded
Specifically, the
ここで、本実施形態に係る紫外線発光素子3において、第2導電型窒化物半導体層14の被覆率は組成傾斜層38に対する被覆率を示す。
Here, in the ultraviolet light-emitting
(3.2)紫外線発光素子の製造方法
組成傾斜層38は、他の各層と同様に、分子線エピタキシー(MBE)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法および有機金属気相成長(MOCVD)法等のいずれかにより形成することができる。また、導波路層49は、他の各層と同様に、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、例えばトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、例えばアンモニア(NH3)を含むN原料を用いて形成することができる。
(3.2) Method for Manufacturing Ultraviolet Light Emitting Device Like the other layers, the compositionally graded
(3.3)紫外線発光素子の物性等の測定方法
(組成傾斜層のAl組成の測定方法)
組成傾斜層38のAl組成は、発光層13および電子ブロック層17等と同様に、X線光電分光法(XPS)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)、および電子エネルギー損失分光法(EELS)等によって測定することができる。
(3.3) Measurement method for physical properties of ultraviolet light emitting device (measurement method for Al composition of composition gradient layer)
The Al composition of the compositionally graded
(3.4)紫外線発光素子の変形例
本実施形態に係る紫外線発光素子3は、第二実施形態において説明した反射電極25Cを備えた構成(不図示)であっても良い。
(3.4) Modifications of Ultraviolet Light Emitting Element The ultraviolet
(3.5)第三実施形態の効果
第三実施形態に係る紫外線発光素子は、第一実施形態または第二実施形態において記載した効果に加えて以下の効果を有する。
(8)紫外線発光素子3は、発光層13と第2導電型窒化物半導体層14との間に設けられた組成傾斜層38を備えている。
これにより、紫外線発光素子3は、正孔を効率良く発光層13内の活性層に注入させ、紫外線発光素子3の発光効率を高めることができる。
(3.5) Effects of the Third Embodiment The ultraviolet light emitting device according to the third embodiment has the following effects in addition to the effects described in the first or second embodiment.
(8) The ultraviolet
This allows the ultraviolet
4.第四実施形態
図5を参照して、第四実施形態に係る紫外線発光素子4について説明する。図5に示すように、第2紫外線発光素子は、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、第1導波路層49A、発光層13、第2導波路層49B、第2導電型窒化物半導体層14を備えている。また、紫外線発光素子4は、第1導電型窒化物半導体層12と接続された4第1電極15Aと、第2導電型窒化物半導体層14と接続された第2電極15Bとを備えている。すなわち、紫外線発光素子4は、発光層13の上下それぞれに導波路層49(第1導波路層49Aおよび第2導波路層49B)を備える点で、第一実施形態に係る紫外線発光素子1と相違する。
4. Fourth embodiment With reference to FIG. 5, an ultraviolet
以下、導波路層49について詳細に説明する。なお、基板11、第1導電型窒化物半導体層12、発光層13、第2導電型窒化物半導体層14、第1電極15Aおよび第2電極15Bは、紫外線発光素子1と同様の構成であるため説明を省略する。
The waveguide layer 49 will be described in detail below. Note that the
(4.1)紫外線発光素子の構造
(導波路層)
導波路層49は、発光層13からの光を閉じ込める機能を有している。導波路層49は、光をより効率的に閉じ込める観点から、図5に示すように、発光層13の上下に第1導波路層49Aおよび第2導波路層49Bとして配置されることが好ましい。
導波路層49は、例えばAlpGa(1-p)N(0.5≦p≦z)で形成されていることが好ましい。また、光閉じ込めの観点から、導波路層49のAl組成pは、第1導電型窒化物半導体層12のAl組成zより低いことが好ましい。
導波路層49には、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si、Be等の不純物が混入していてよい。
(4.1) Structure of UV light emitting element (waveguide layer)
The waveguide layer 49 has a function of confining light from the
The waveguide layer 49 is preferably formed of, for example, Al p Ga (1-p) N (0.5≦p≦z). From the viewpoint of light confinement, the Al composition p of the waveguide layer 49 is preferably lower than the Al composition z of the first conductivity type
The waveguide layer 49 may contain impurities such as P, As, Sb, and other group V elements other than N, as well as C, H, F, O, Mg, Si, and Be.
(4.2)紫外線発光素子の製造方法
導波路層49は、他の各層と同様に、分子線エピタキシー(MBE)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法および有機金属気相成長(MOCVD)法等のいずれかにより形成することができる。また、導波路層49は、他の各層と同様に、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、例えばトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、例えばアンモニア(NH3)を含むN原料を用いて形成することができる。
(4.2) Method of Manufacturing Ultraviolet Light Emitting Device The waveguide layer 49, like the other layers, can be formed by any one of molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), etc. Also, like the other layers, the waveguide layer 49 can be formed using an Al source containing, for example, trimethylaluminum (TMAl), a Ga source containing, for example, trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa), or an N source containing, for example, ammonia (NH 3 ).
(4.3)紫外線発光素子の物性等の測定方法
(導波路層のAl組成の測定方法)
導波路層49のAl組成は、発光層13および電子ブロック層17等と同様に、X線光電分光法(XPS)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)、および電子エネルギー損失分光法(EELS)等によって測定することができる。
(4.3) Measurement method for physical properties of ultraviolet light emitting device (measurement method for Al composition of waveguide layer)
The Al composition of the waveguide layer 49, like the
(4.4)紫外線発光素子の変形例
本実施形態に係る紫外線発光素子4は、発光層13の上下それぞれに設けられた導波路層49に加えて、第二実施形態において説明した反射電極25Cおよび第三実施形態において説明した組成傾斜層38の少なくとも一方を備えていても良い。この場合、組成傾斜層38は、発光層13の上部に設けられた第2導波路層49Bと、第2導電型窒化物半導体層14との間に設けられていれば良い。
(4.4) Modified Examples of Ultraviolet Light-Emitting Device The ultraviolet light-emitting
また、本実施形態に係る紫外線発光素子4は、発光層13の上下それぞれに設けられた導波路層49(第1導波路層49Aおよび第2導波路層49B)に加えて、第四実施形態に係る紫外線発光素子2と同様に組成傾斜層38を備えていても良い。この場合、組成傾斜層38は、発光層13の上部に設けられた第2導波路層49Bと、第2導電型窒化物半導体層14との間に設けられていれば良い。
The ultraviolet light-emitting
(4.5)第四実施形態の効果
第四実施形態に係る紫外線発光素子は、第一実施形態から第三実施形態において記載した効果のいずれかに加えて以下の効果を有する。
(9)紫外線発光素子4は、発光層13の上下それぞれに設けられた導波路層49(第1導波路層49Aおよび第2導波路層49B)を備えている。
これにより、紫外線発光素子4は、発光層13からの光を効率的に外部に導き、紫外線発光素子4の発光効率を高めることができる。
(4.5) Effects of the Fourth Embodiment The ultraviolet light emitting device according to the fourth embodiment has the following effects in addition to any of the effects described in the first to third embodiments.
(9) The ultraviolet
This allows the ultraviolet
[実施例1]
厚さが550μmのc面AlN単結晶基板に対して、有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いて、アニール処理を行った。アニール処理は、1300℃において、NH3雰囲気中での5分間の処理と、H2雰囲気中での5分間の処理とを1セットとして、2セット実施した。
次に、ホモエピタキシャル層であるAlN層を、1200℃において、500nmの厚さで形成した。このとき、III族元素原料ガスの供給レートと窒素原料ガスの供給レートとの比率(V/III比)は、50とした。また、真空度は50mbarとした。また、AlN層の成長レートは0.5um/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。
[Example 1]
Annealing was performed on a c-plane AlN single crystal substrate having a thickness of 550 μm using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus. The annealing was performed in two sets, each set consisting of a 5-minute treatment in an NH3 atmosphere and a 5-minute treatment in an H2 atmosphere at 1300° C.
Next, an AlN layer, which is a homoepitaxial layer, was formed at 1200° C. to a thickness of 500 nm. At this time, the ratio (V/III ratio) of the supply rate of the group III element source gas to the supply rate of the nitrogen source gas was set to 50. The degree of vacuum was set to 50 mbar. The growth rate of the AlN layer was 0.5 um/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al source. Ammonia (NH 3 ) was used as the N source.
上述したように形成したAlN層上に、n型AlGaN層である第1導電型窒化物半導体層を形成した。第1導電型窒化物半導体層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:70%、すなわちAl0.70Ga0.30N層)とした。
第1導電型窒化物半導体層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で500nmの厚さで形成した。このときの第1導電型窒化物半導体層の成長レートは、0.5μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。また、Si原料としてモノシラン(SiH4)を用いた。
A first conductivity type nitride semiconductor layer, which is an n-type AlGaN layer, was formed on the AlN layer formed as described above. The first conductivity type nitride semiconductor layer was an n-type AlGaN layer (Al: 70%, i.e., an Al0.70Ga0.30N layer) using Si as a dopant impurity.
The first conductive type nitride semiconductor layer was formed to a thickness of 500 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the first conductive type nitride semiconductor layer was 0.5 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material. Ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material. Monosilane (SiH 4 ) was used as the Si raw material.
続いて、第1導電型窒化物半導体層上に発光層を形成した。発光層は、量子井戸層とバリア層とを5周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜して形成した。ここで、量子井戸層は、3.0nmの厚さを有するAlGaN層(Al:52%、すなわちAl0.52Ga0.48N層)とした。また、6.0nmの厚さを有するバリア層は、AlGaN層(Al:75%、すなわちAl0.75Ga0.25N層)とした。
発光層は、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの量子井戸層の成長レートは0.18μm/hrであった。また、バリア層の成長レートは0.15μm/hrであった。
Subsequently, a light emitting layer was formed on the first conductive type nitride semiconductor layer. The light emitting layer was formed by depositing a film so as to have a multiple quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers were stacked five times. Here, the quantum well layer was an AlGaN layer (Al: 52%, i.e., an Al 0.52 Ga 0.48 N layer) having a thickness of 3.0 nm. The barrier layer was an AlGaN layer (Al: 75%, i.e., an Al 0.75 Ga 0.25 N layer) having a thickness of 6.0 nm.
The light-emitting layer was formed under conditions of a vacuum degree of 50 mbar and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the quantum well layer was 0.18 μm/hr, and the growth rate of the barrier layer was 0.15 μm/hr.
続いて、発光層上に電子ブロック層を形成した。ここで、電子ブロック層は、15nmの厚さを有するAlGaN層(Al:85%、すなわちAl0.85Ga0.15N層)とした。
電子ブロック層は、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの電子ブロック層の成長レートは0.12μm/hrであった。
Subsequently, an electron blocking layer was formed on the light emitting layer, where the electron blocking layer was an AlGaN layer (Al: 85%, i.e., an Al 0.85 Ga 0.15 N layer) having a thickness of 15 nm.
The electron blocking layer was formed under conditions where the degree of vacuum was set to 50 mbar and the V/III ratio was set to 4000. The growth rate of the electron blocking layer at this time was 0.12 μm/hr.
続いて、電子ブロック層上に組成傾斜層を形成した。ここで、組成傾斜層は、35nmの厚さを有し、Al組成が75%から30%まで一様に傾斜しているAlGaN層(Al:75→30%、すなわちAl0.75Ga0.25N→Al0.3Ga0.7N層)とした。
組成傾斜層は、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。
Next, a compositionally graded layer was formed on the electron blocking layer, where the compositionally graded layer was an AlGaN layer having a thickness of 35 nm and an Al composition uniformly graded from 75% to 30% (Al: 75→30%, i.e. , an Al0.75Ga0.25N → Al0.3Ga0.7N layer).
The composition gradient layer was formed under the conditions of a degree of vacuum of 50 mbar and a V/III ratio of 4,000.
続いて、組成傾斜層上に第2導電型窒化物半導体層を形成した。ここで、第2導電型窒化物層は、10nmの厚さを有し、Mgをドーパント不純物として用いたp型GaN層(すなわちAl:0%)とした。
第2導電型窒化物半導体層は、920℃の温度で、真空度を150mbarに設定し、V/III比を3650とした条件で形成した。このときの第2導電型窒化物半導体層の成長レートは0.2μm/hrであった。
以上のようにして、AlN基板上に、窒化物半導体積層体が形成された。
Next, a second conductivity type nitride semiconductor layer was formed on the composition gradient layer. Here, the second conductivity type nitride layer was a p-type GaN layer (i.e., Al: 0%) having a thickness of 10 nm and using Mg as a dopant impurity.
The second conductive type nitride semiconductor layer was formed under conditions of a temperature of 920° C., a degree of vacuum of 150 mbar, and a V/III ratio of 3650. The growth rate of the second conductive type nitride semiconductor layer at this time was 0.2 μm/hr.
In this manner, a nitride semiconductor laminate was formed on the AlN substrate.
上述したようにして形成された窒化物半導体積層体を、SEMを用いて観察したところ、直下の層である組成傾斜層に対する第2導電型窒化物半導体層の表面被覆率は85%であった。また、SIMS測定によって得られた第2導電型窒化物半導体層のMg濃度は1×1020cm-3であった。最後に、高分解能TEMによる断面TEM測定を行ったところ、組成傾斜層と第2導電型窒化物半導体層は格子整合していた。 When the nitride semiconductor laminate formed as described above was observed using a SEM, the surface coverage of the second conductivity type nitride semiconductor layer with respect to the compositionally graded layer immediately below was 85%. The Mg concentration of the second conductivity type nitride semiconductor layer obtained by SIMS measurement was 1×10 20 cm -3 . Finally, when a cross-sectional TEM measurement was performed using a high-resolution TEM, it was found that the compositionally graded layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer were lattice-matched.
得られた窒化物半導体積層体を第2導電型窒化物半導体層側からドライエッチングすることによって、n型AlGaN層である第1導電型窒化物半導体層の一部を露出させた。露出した第1導電型窒化物半導体層上に、Ti、Al、NiおよびAuを含む合金電極(n型電極に相当)を形成した。また、p型GaN層である第2導電型窒化物半導体層上に、NiおよびAuを含む合金電極(p型電極に相当)を形成した。AlN基板を、厚さが100μmになるように裏面から研削した後、ダイシングにより窒化物半導体積層体を紫外線発光素子の個片へと分割した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.8V、ピーク波長265nmにおける発光強度は44mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
The obtained nitride semiconductor laminate was dry etched from the second conductive type nitride semiconductor layer side to expose a part of the first conductive type nitride semiconductor layer, which is an n-type AlGaN layer. An alloy electrode (corresponding to an n-type electrode) containing Ti, Al, Ni and Au was formed on the exposed first conductive type nitride semiconductor layer. Also, an alloy electrode (corresponding to a p-type electrode) containing Ni and Au was formed on the second conductive type nitride semiconductor layer, which is a p-type GaN layer. The AlN substrate was ground from the back side to a thickness of 100 μm, and then the nitride semiconductor laminate was divided into individual pieces of ultraviolet light emitting elements by dicing.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.8 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 44 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例2]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して、第2導電型窒化物半導体層に含まれるMg濃度が3×1020cm-3、組成傾斜層に対する表面被覆率が90%となるように調整した以外は、実施例1と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.6V、ピーク波長265nmにおける発光強度は45mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 2]
An ultraviolet light-emitting element was formed in the same manner as in Example 1, except that the formation conditions of the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the Mg concentration contained in the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 3× 10 cm and the surface coverage of the composition gradient layer was adjusted to 90%.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.6 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 45 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例3]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して、第2導電型窒化物半導体層に含まれるMg濃度が7×1020cm-3、組成傾斜層に対する表面被覆率が100%となるように調整した以外は、実施例1と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.2V、ピーク波長265nmにおける発光強度は50mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 3]
An ultraviolet light emitting element was formed in the same manner as in Example 1, except that the formation conditions of the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the Mg concentration contained in the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 7× 10 cm and the surface coverage of the composition gradient layer was adjusted to 100%.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.2 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 50 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
[実施例4]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して第2導電型窒化物半導体層に含まれるMg濃度が9×1020cm-3となるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.3V、ピーク波長265nmにおける発光強度は49mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 4]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the formation conditions of the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the Mg concentration contained in the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 9×10 20 cm −3 .
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.3 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 49 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例5]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して第2導電型窒化物半導体層の層厚が2nmとなるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.7V、ピーク波長265nmにおける発光強度は60mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 5]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the conditions for forming the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the thickness of the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 2 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.7 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 60 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
[実施例6]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して第2導電型窒化物半導体層の層厚が18nmとなるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.0V、ピーク波長265nmにおける発光強度は43mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 6]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the conditions for forming the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the thickness of the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 18 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.0 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 43 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例7]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して第2導電型窒化物半導体層がp型Al0.1Ga0.9N層となるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.6V、ピーク波長265nmにおける発光強度は48mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 7]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the conditions for forming the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the second conductive type nitride semiconductor layer was a p-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.6 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 48 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
[実施例8]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して第2導電型窒化物半導体層がp型Al0.8Ga0.92N層となるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.0V、ピーク波長265nmにおける発光強度は40mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 8]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the conditions for forming the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the second conductive type nitride semiconductor layer was a p-type Al 0.8 Ga 0.92 N layer.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.0 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 40 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例9]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して第2導電型窒化物半導体層がp型Al0.25Ga0.75N層となるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は8.1V、ピーク波長265nmにおける発光強度は35mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 9]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the conditions for forming the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the second conductive type nitride semiconductor layer was a p-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 8.1 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 35 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例10]
組成傾斜層を備えないこと以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.5V、ピーク波長265nmにおける発光強度は36mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 10]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that no composition gradient layer was provided.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.5 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 36 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例11]
組成傾斜層の層厚が10nmとなるように組成傾斜層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.3V、ピーク波長265nmにおける発光強度は37mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 11]
An ultraviolet light emitting device was produced in the same manner as in Example 3, except that the composition gradient layer was formed so that the layer thickness of the composition gradient layer was 10 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.3 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 37 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例12]
組成傾斜層上の層厚が20nmとなるように組成傾斜層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.4V、ピーク波長265nmにおける発光強度は45mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 12]
An ultraviolet light emitting device was produced in the same manner as in Example 3, except that the composition gradient layer was formed so that the layer thickness on the composition gradient layer was 20 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.4 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 45 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
[実施例13]
組成傾斜層上の層厚が50nmとなるように組成傾斜層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.1V、ピーク波長265nmにおける発光強度は43mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 13]
An ultraviolet light emitting device was produced in the same manner as in Example 3, except that the composition gradient layer was formed so that the layer thickness on the composition gradient layer was 50 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.1 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 43 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例14]
組成傾斜層上の層厚が70nmとなるように組成傾斜層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.3V、ピーク波長265nmにおける発光強度は39mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 14]
An ultraviolet light emitting device was produced in the same manner as in Example 3, except that the composition gradient layer was formed so that the layer thickness on the composition gradient layer was 70 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.3 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 39 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例15]
第1導電型窒化物半導体層の層厚が200nmとなるように第1導電型窒化物半導体層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.4V、ピーク波長265nmにおける発光強度は50mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 15]
An ultraviolet light emitting device was produced in the same manner as in Example 3, except that the first conductivity type nitride semiconductor layer was formed so that the layer thickness of the first conductivity type nitride semiconductor layer was 200 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.4 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 50 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例16]
第1導電型窒化物半導体層の層厚が300nmとなるように第1導電型窒化物半導体層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.9V、ピーク波長265nmにおける発光強度は50mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 16]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the first conductivity type nitride semiconductor layer was formed so that the layer thickness of the first conductivity type nitride semiconductor layer was 300 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.9 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 50 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[実施例17]
第1導電型窒化物半導体層の層厚が800nmとなるように第1導電型窒化物半導体層を形成した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は5.9V、ピーク波長265nmにおける発光強度は38mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 17]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the first conductivity type nitride semiconductor layer was formed so that the layer thickness of the first conductivity type nitride semiconductor layer was 800 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 5.9 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 38 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
[実施例18]
第2導電型窒化物半導体層上に、反射電極として100nmのAl金属を堆積したこと以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.5V、ピーク波長265nmにおける発光強度は105mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Example 18]
An ultraviolet light emitting element was formed in the same manner as in Example 3, except that a 100 nm thick Al metal was deposited as a reflective electrode on the second conductivity type nitride semiconductor layer.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.5 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 105 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[比較例1]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して、第2導電型窒化物半導体層に含まれるMg濃度が6×1019cm-3、組成傾斜層に対する表面被覆率が78%となるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
高分解能TEMによる断面TEM測定を行ったところ、組成傾斜層と第2導電型窒化物半導体層は格子整合していた。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.0V、ピーク波長265nmにおける発光強度は39mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点が観察された。
[Comparative Example 1]
An ultraviolet light emitting element was formed in the same manner as in Example 3, except that the formation conditions of the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the Mg concentration contained in the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 6×10 19 cm −3 and the surface coverage of the composition gradient layer was adjusted to 78%.
Cross-sectional TEM measurement using a high-resolution TEM revealed that the compositionally graded layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer were lattice-matched.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.0 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 39 mW. In addition, leakage and discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
[比較例2]
第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して、第2導電型窒化物半導体層に含まれるMg濃度が3×1021cm-3、表面被覆率が100%となるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.2V、ピーク波長265nmにおける発光強度は41mWであった。また、I-V特性にリークが観察された。
[Comparative Example 2]
An ultraviolet light-emitting element was formed in the same manner as in Example 3, except that the formation conditions of the second conductive type nitride semiconductor layer were changed so that the Mg concentration contained in the second conductive type nitride semiconductor layer was adjusted to 3× 10 cm −3 and the surface coverage was adjusted to 100%.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.2 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 41 mW. In addition, leakage was observed in the IV characteristics.
[比較例3]
第2導電型窒化物半導体層を形成しない以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を製造した。
得られた紫外線発光素子に対して電流500mAを印加して評価したところ、発光が生じず、ダイオード特性は確認されなかった。
[Comparative Example 3]
An ultraviolet light emitting device was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the second conductive type nitride semiconductor layer was not formed.
When a current of 500 mA was applied to the obtained ultraviolet light emitting device for evaluation, no light was emitted and no diode characteristics were confirmed.
[比較例4]
第2導電型窒化物半導体層の層厚が25nmとなるように調整した以外は、実施例3と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は6.0V、ピーク波長265nmにおける発光強度は32mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点は観察されなかった。
[Comparative Example 4]
An ultraviolet light emitting device was formed in the same manner as in Example 3, except that the thickness of the second conductivity type nitride semiconductor layer was adjusted to 25 nm.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it at a current of 500 mA, and the driving voltage was 6.0 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 32 mW. Furthermore, no leakage or discontinuous change point was observed in the IV characteristics.
[比較例5]
基板をサファイア基板とし、第2導電型窒化物半導体層の形成条件を変更して、組成傾斜層に対する第2導電型窒化物半導体層の表面被覆率が65%となるように調整した以外は、実施例31と同様の方法で紫外線発光素子を形成した。
得られた紫外線発光素子を、電流500mAで駆動させて評価したところ、駆動電圧は7.3V、ピーク波長265nmにおける発光強度は22mWであった。また、I-V特性にリークや不連続変化点が観察された。
[Comparative Example 5]
An ultraviolet light-emitting element was formed in the same manner as in Example 31, except that the substrate was a sapphire substrate, and the formation conditions of the second conductivity type nitride semiconductor layer were changed so that the surface coverage of the second conductivity type nitride semiconductor layer with respect to the composition gradient layer was adjusted to be 65%.
The obtained ultraviolet light emitting device was evaluated by driving it with a current of 500 mA, and the driving voltage was 7.3 V and the emission intensity at a peak wavelength of 265 nm was 22 mW. In addition, leakage and discontinuous change points were observed in the IV characteristics.
以下の表1に、各実施例および比較例の構成と、評価とを示す。 The configuration and evaluation of each example and comparative example are shown in Table 1 below.
表1に示すように、基板がAlを含む窒化物半導体であり、第2導電型窒化物半導体層がMgを含み、第2導電型窒化物半導体層におけるMgの濃度は、8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であり、層厚が1nm以上20nm以下である実施例1から実施例19の各紫外線発光素子は、Mg濃度が上述の範囲外である比較例1,2、第2導電型窒化物半導体層を備えない比較例3、膜厚が上述の範囲外である比較例4、基板が窒化物半導体ではない比較例5のいずれと比較しても発光強度とI-V特性とを両立することがわかった。 As shown in Table 1, each of the ultraviolet light-emitting devices of Examples 1 to 19, in which the substrate is a nitride semiconductor containing Al, the second conductivity type nitride semiconductor layer contains Mg, the Mg concentration in the second conductivity type nitride semiconductor layer is 8×10 19 cm -3 or more and 1×10 21 cm -3 or less, and the layer thickness is 1 nm or more and 20 nm or less, was found to achieve both light emission intensity and I-V characteristics compared to Comparative Examples 1 and 2 in which the Mg concentration is outside the above-mentioned range, Comparative Example 3 which does not include a second conductivity type nitride semiconductor layer, Comparative Example 4 in which the film thickness is outside the above-mentioned range, and Comparative Example 5 in which the substrate is not a nitride semiconductor.
実施例1から実施例4とから、直下の層に対する第2導電型窒化物半導体層の被覆率が80%以上100%以下の場合、Mg濃度にかかわらず発光強度がより向上するとともに、閾値電圧も低下することが確認できた。 From Examples 1 to 4, it was confirmed that when the coverage of the second conductivity type nitride semiconductor layer with respect to the layer directly below is 80% or more and 100% or less, the emission intensity is improved and the threshold voltage is also reduced regardless of the Mg concentration.
実施例3および実施例10から、発光層と第2導電型窒化物半導体層との間に組成傾斜層を有する場合、組成傾斜層を有しない場合と比較して発光強度が向上するとともに、閾値電圧が低下することが確認できた。
また、実施例3および実施例11から実施例14から、組成傾斜層の層厚が15nm以上60nm以下である場合に発光強度がより向上するとともに、閾値電圧が低下することが確認できた。
From Examples 3 and 10, it was confirmed that when a composition gradient layer is provided between the light emitting layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer, the light emission intensity is improved and the threshold voltage is reduced compared to when no composition gradient layer is provided.
Moreover, it was confirmed from Examples 3 and 11 to 14 that when the layer thickness of the composition gradient layer was 15 nm or more and 60 nm or less, the emission intensity was improved and the threshold voltage was reduced.
実施例3および比較例5から、基板はAlを含むAlN等の窒化物半導体で形成されていることが好ましいことがわかった。
また、実施例3および実施例15から実施例17から、基板は、300nm以上かつ750nm以下の層厚を有することにより、より高い発光強度とより低い閾値電圧とを両立でき好ましいことがわかった。
From Example 3 and Comparative Example 5, it was found that the substrate is preferably formed of a nitride semiconductor containing Al, such as AlN.
Moreover, from Example 3 and Examples 15 to 17, it was found that the substrate having a layer thickness of 300 nm or more and 750 nm or less is preferable because it can achieve both higher emission intensity and lower threshold voltage.
さらに、実施例3および実施例18から、第2導電型窒化物半導体層上に紫外光反射率が90%以上である電極(反射電極)を備えることにより、発光強度が顕著に向上するとともに、閾値電圧もより低下することがわかった。 Furthermore, from Examples 3 and 18, it was found that by providing an electrode (reflective electrode) with an ultraviolet light reflectance of 90% or more on the second conductivity type nitride semiconductor layer, the emission intensity is significantly improved and the threshold voltage is further reduced.
本開示の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本開示の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。 The scope of the present disclosure is not limited to the exemplary embodiments shown and described, but includes all embodiments that achieve equivalent effects to those intended by the present disclosure. Furthermore, the scope of the present disclosure is not limited to the combination of inventive features defined by the claims, but may be defined by any desired combination of specific features among all the respective disclosed features.
1,2,3,4 紫外線発光素子
11 基板
12 第1導電型窒化物半導体層
13 発光層
14 第2導電型窒化物半導体層
15A 第1電極
15B 第2電極
16 AlN層
17 電子ブロック層
25C 反射電極
38 組成傾斜層
49 導波路層
49A 第1導波路層
49B 第2導波路層
Claims (8)
前記基板上に配置され、AlおよびGaを含む第1導電型窒化物半導体層と、
前記第1導電型窒化物半導体層上に配置され、AlおよびGaを含む窒化物半導体を含む発光層と、
前記発光層上に配置され、前記第1導電型窒化物半導体層と異なる導電型を有する第2導電型窒化物半導体層と、
を備え、
前記第2導電型窒化物半導体層は、Mgを含み、前記第2導電型窒化物半導体層における前記Mgの濃度は、8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であり、かつ膜厚が1nm以上20nm以下であり、
前記第2導電型窒化物半導体層の面内a軸方向の格子定数が、直下の層に対して整合しており、Mgは格子に置換されている
紫外線発光素子。 A substrate including a nitride semiconductor including Al;
a first conductivity type nitride semiconductor layer disposed on the substrate and containing Al and Ga;
a light emitting layer disposed on the first conductivity type nitride semiconductor layer and including a nitride semiconductor including Al and Ga;
a second conductivity type nitride semiconductor layer disposed on the light emitting layer and having a conductivity type different from that of the first conductivity type nitride semiconductor layer;
Equipped with
the second conductivity type nitride semiconductor layer contains Mg, a concentration of the Mg in the second conductivity type nitride semiconductor layer is equal to or greater than 8×10 19 cm −3 and equal to or less than 1×10 21 cm −3 , and a thickness of the second conductivity type nitride semiconductor layer is equal to or greater than 1 nm and equal to or less than 20 nm;
The lattice constant of the second conductive type nitride semiconductor layer in the in-plane a-axis direction is matched with that of the layer immediately below, and Mg is substituted into the lattice.
Ultraviolet light emitting element.
請求項1に記載の紫外線発光素子。 The ultraviolet light emitting element according to claim 1 , wherein the coverage of the second conductive type nitride semiconductor layer with respect to the layer immediately below is 80% or more and 100% or less.
請求項1または2のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 3. The ultraviolet light emitting element according to claim 1, wherein the second conductive type nitride semiconductor layer is made of Al x Ga.sub. (1-x) N (0.ltoreq.x.ltoreq.0.2).
前記組成傾斜層は、AlyGa(1-y)N(0.1≦y≦1.0)で形成され、Al組成yは前記基板から遠ざかる方向にむかって減少する
請求項1から3のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 a composition gradient layer provided between the light emitting layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer,
4. The ultraviolet light emitting element according to claim 1, wherein the composition gradient layer is formed of Al.sub.yGa.sub . (1-y) N (0.1.ltoreq.y.ltoreq.1.0), with the Al composition y decreasing in the direction away from the substrate.
請求項4に記載の紫外線発光素子。 5. The ultraviolet light emitting element according to claim 4, wherein the film thickness of the composition gradient layer is 15 nm or more and 60 nm or less.
前記第1導電型窒化物半導体層は、300nm以上750nm以下の膜厚を有するAlzGa(1-z)N(0.6≦z≦0.9)で形成されている
請求項1から5のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 the substrate is an AlN single crystal substrate,
6. The ultraviolet light emitting element according to claim 1, wherein the first conductive type nitride semiconductor layer is made of Al.sub.zGa.sub . (1-z) N (0.6.ltoreq.z.ltoreq.0.9) and has a thickness of 300 nm or more and 750 nm or less.
前記発光層の上下それぞれに、AlpGa(1-p)N(0.5≦p≦z)で形成された導波路層を更に備える
請求項1から6のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 the first conductive type nitride semiconductor layer is made of Al z Ga (1-z) N (0.6≦z≦0.9);
7. The ultraviolet light emitting element according to claim 1, further comprising a waveguide layer made of Al.sub.pGa.sub . (1-p) N (0.5.ltoreq.p.ltoreq.z) above and below the light emitting layer.
請求項1から7のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。 The ultraviolet light emitting element according to claim 1 , further comprising a reflective electrode disposed on the second conductivity type nitride semiconductor layer and having an ultraviolet light reflectance of 90% or more.
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