JP2013165261A - Iii族窒化物エピタキシャル基板および該基板を用いた深紫外発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル基板10は、基板12、AlNバッファ層14、第1超格子積層体16、第2超格子積層体18およびIII族窒化物積層体20を順次有する。III族窒化物積層体20は、AlαGa1−αN(0.03≦α)からなる活性層24を含む。第1超格子積層体16は、AlaGa1−aN層16Aと、AlbGa1−bN(0.9<b≦1)層16Bとを交互に含み、α<aおよびa<bの条件を満たす。第2超格子積層体18は、AlxGa1−xN層18A、AlyGa1−yN層18B、およびAlzGa1−zN(0.9<z≦1)層18Cをくり返し含み、α<xおよびx<y<zの条件を満たす。
【選択図】図1
Description
(1)基板と、
該基板上に形成されたAlNバッファ層と、
該バッファ層上に順次形成された第1超格子積層体および第2超格子積層体と、
該第2超格子積層体上にエピタキシャル成長された、AlαGa1−αN(0.03≦α)層を含む活性層を含むIII族窒化物積層体と、を有し、
前記第1超格子積層体は、AlaGa1−aNからなる第1層と、AlbGa1−bN(0.9<b≦1)からなる第2層とを交互に含み、α<aおよびa<bの条件を満たし、
前記第2超格子積層体は、AlxGa1−xNからなる第3層、AlyGa1−yNからなる第4層、およびAlzGa1−zN(0.9<z≦1)からなる第5層をくり返し含み、α<xおよびx<y<zの条件を満たすことを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。
サファイア基板(厚さ:430μm)上にバッファ層としてAlN層(厚さ:0.8μm)を形成したAlNテンプレート基板を用意した。このAlNテンプレート基板上に、図2A(a)に示す第1超格子積層体および第2超格子積層体を順次エピタキシャル成長させた。第1超格子積層体は、第1層(Al0.85Ga0.15N,a=0.85、厚さ:40nm)と第2層(AlN,b=1、厚さ:7.2nm)とを交互に積層してなる。AlNテンプレート基板上は第2層から形成し、その後、第1層と第2層とを15組積層したことから、図2A(a)では15.5組と表記した。第2超格子積層体は、第3層(Al0.75Ga0.25N,x=0.75、厚さ:4nm)、第4層(Al0.85Ga0.15N,y=0.85、厚さ:17nm)、第5層(AlN,z=1、厚さ:11nm)を20組くり返し積層してなる。なお、成長方法としては、原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを用いたMOCVD法を用いた。キャリアガスとしては、窒素・水素を用いた。第1〜5層の成長条件は、いずれも圧力10kPa、温度1150℃とした。また、TMAとTMGとの供給比率を制御することで、各層ごとにAl含有率を変更した。
第2超格子積層体の組数を40組に変えた以外は、実施例1と同様の方法により、実施例2にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。
超格子積層体を図2A(b)に示すものに変えた以外は、実施例1と同様の方法により、比較例1にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第1層(Al0.85Ga0.15N,a=0.85、厚さ:15nm)と第2層(AlN,b=1、厚さ:10nm)とを交互に40組積層してなる。AlNテンプレート基板上は第2層から形成した。
超格子積層体を図2A(c)に示すものに変えた以外は、実施例1と同様の方法により、比較例2にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第1超格子積層体と第2超格子積層体からなる。第1超格子積層体は、第1層(Al0.85Ga0.15N,a=0.85、厚さ:15nm)と第2層(AlN,b=1、厚さ:10nm)とを交互に積層してなる。AlNテンプレート基板上は第2層から形成し、その後、第1層と第2層とを40組積層したことから、図2A(c)では40.5組と表記した。第2超格子積層体は、第1層(Al0.85Ga0.15N,d=0.85、厚さ:10nm)と第3層(Al0.66Ga0.34N,c=0.66、厚さ:15nm)とを第1層から交互に20組積層してなる。
超格子積層体を図2B(a)に示すものに変えた以外は、実施例1と同様の方法により、比較例3にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第1層(GaN,a=0、厚さ:0.3nm)と第2層(AlN,b=1、厚さ:7.8nm)とを交互に積層してなる。AlNテンプレート基板上は第2層から形成し、その後、第1層と第2層とを40組積層したことから、図2B(a)では40.5組と表記した。
超格子積層体を図2B(b)に示すものに変えた以外は、実施例1と同様の方法により、比較例4にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第1層(Al0.53Ga0.47N,a=0.53、厚さ:10nm)と第2層(AlN,b=1、厚さ:5nm)とを交互に積層してなる。AlNテンプレート基板上は第2層から形成し、その後、第1層と第2層とを40組積層したことから、図2B(b)では40.5組と表記した。
超格子積層体を図2B(c)に示すものに変えた以外は、実施例1と同様の方法により、比較例5にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この比較例は、実施例1における第1超格子積層体を形成しないものである。
実施例1の第2超格子積層体上に、n型AlGaN層(Al含有率β:0.29、厚さ:1680nm、ドーパント:Si)、活性層(AlGaN系MQW層、厚さ:290nm、井戸層のAl含有率α:0.03)、p型AlGaN層(Al含有率:0.49〜0.32の組成傾斜層、厚さ:80nm、ドーパント:Mg)、p型GaNコンタクト層(厚さ:66nm、ドーパント:Mg)を順次エピタキシャル成長させて、発光波長が340nmのIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した以外は、実施例1と同様とした。
第1超格子積層体を、第1層(Al0.75Ga0.25N,a=0.75、厚さ:40nm)と第2層(AlN,b=1、厚さ:7.2nm)とを交互に15.5組積層し、第2超格子積層体を、第3層(Al0.4Ga0.6N,x=0.4、厚さ:4nm)、第4層(Al0.65Ga0.35N,y=0.65、厚さ:15nm)、第5層(AlN,z=1、厚さ:5nm)を20組くり返して積層した以外は、実施例3と同様とした。
実施例3の第2超格子積層体の上に、実施例4の第2超格子積層体を第3の超格子積層体として形成した以外は、実施例3と同様とした。
比較例2の超格子積層体の上に、実施例3のn型AlGaN層、活性層、p型AlGaN層、p型GaNコンタクト層を順次エピタキシャル成長させて、発光波長が340nmのIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した以外は、比較例2と同様とした。
各実施例、比較例の試料について、X線回折装置(D8 DISCOVER,Bruker AXS社製)を用い、n型AlGaN層の(002)面と(102)面での半値幅(FWHM)を測定した。この半値幅は、n−AlGaN層の結晶性を評価する指標であり、数値が低いほど結晶性に優れる。結果を表1に示す。
各実施例、比較例の試料について、PL測定(フォトルミネッセンス測定)をフォトンデザイン社製PL装置で実施した。PL測定は、各半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーのレーザーを試料に照射して、半導体層内の電子を一度高いエネルギーレベルに励起させ、それがもとのエネルギーレベルに戻るときに発せられる余剰のエネルギー(光エネルギーとして放出される)を測定するものである。光エネルギーは波長に変換することができる。この測定で、各層のAl含有率や、点欠陥量を評価することができる。今回の測定では、最もAl含有率の低い発光層でのPL発光波長でのPL強度を、点欠陥として強度が高くなる波長(495nm)でのPL強度で除してPL強度比を算出した。このPL強度比により、発光層の発光のしやすさを評価することができる。なぜならば、点欠陥が多くなるほど、欠陥による非発光量が増えるため、結果として通電時の光出力が小さくなってしまうからである。本測定には、波長が244nmで出力が70mWのレーザーを用いた。結果を表1に示す。
各実施例、比較例の試料について、成長面をダイヤペンで罫書き、n型AlGaN層を露出させた点と、該露出させた点から1.5mm離れたp型GaNコンタクト層上の点とにドット状Inを物理的に押圧して成形した2点をn型およびp型電極として簡易的な窒化物半導体素子を作製した。そして、それらにプローブを接触し、通電後の光出力を裏面より射出させ、光ファイバを通じて浜松ホトニクス社製マルチ・チャネル型分光器へ導光し、スペクトルのピーク強度をW(ワット)に換算して発光出力Poを求めた。結果を表1に示す。
12 基板
14 AlNバッファ層
16 第1超格子積層体
16A 第1層(AlaGa1−aN)
16B 第2層(AlbGa1−bN)
18 第2超格子積層体
18A 第3層(AlxGa1−xN)
18B 第4層(AlyGa1−yN)
18C 第5層(AlzGa1−zN)
20 III族窒化物積層体
22 n型AlGaN層
24 活性層
26 p型AlGaN層
28 p型GaNコンタクト層
Claims (8)
- 基板と、
該基板上に形成されたAlNバッファ層と、
該バッファ層上に順次形成された第1超格子積層体および第2超格子積層体と、
該第2超格子積層体上にエピタキシャル成長された、AlαGa1−αN(0.03≦α)層を含む活性層を含むIII族窒化物積層体と、を有し、
前記第1超格子積層体は、AlaGa1−aNからなる第1層と、AlbGa1−bN(0.9<b≦1)からなる第2層とを交互に含み、α<aおよびa<bの条件を満たし、
前記第2超格子積層体は、AlxGa1−xNからなる第3層、AlyGa1−yNからなる第4層、およびAlzGa1−zN(0.9<z≦1)からなる第5層をくり返し含み、α<xおよびx<y<zの条件を満たすことを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。 - z−x≧0.20の条件を満たす請求項1に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 前記第1および第2超格子積層体において隣接する層のAl含有率差が0.05以上0.40以下である請求項1または2に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- y−xがz−yよりも小さい請求項1〜3のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 0.20≦x<0.90、および、0.60≦y<0.95の条件を満たす請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- a>xの条件を満たす請求項1〜5のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 前記基板は、サファイア、SiC、ダイヤモンドのいずれかの材料からなる請求項1〜6のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板を用いた深紫外発光素子。
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