JP6998146B2 - Ultraviolet light emitting element and ultraviolet irradiation module - Google Patents
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Description
本発明は、紫外線発光素子及び紫外線照射モジュールに関する。 The present invention relates to an ultraviolet light emitting element and an ultraviolet irradiation module.
紫外線発光素子は、発光層の組成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い。そのため、照明や計測器用光源、殺菌光源など様々な用途で利用されている。一般的な紫外線発光素子は、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、基板上に有する。
発光素子の発光出力を高めるためは、発光効率を向上させる事が重要である。例えば、特許文献１には、活性層（発光層）とｐ型窒化物半導体層との間に量子障壁層を形成し、各層のバンドギャップエネルギーを調整する事で、発光効率を向上させる技術が開示されている。
The ultraviolet light emitting element can control the emission wavelength by controlling the composition of the light emitting layer, and has a long life and high reliability. Therefore, it is used for various purposes such as lighting, a light source for measuring instruments, and a sterilizing light source. A general ultraviolet light emitting device has a PIN structure in which a light emitting layer is sandwiched between a p-type nitride semiconductor and an n-type nitride semiconductor on a substrate.
In order to increase the light emission output of the light emitting element, it is important to improve the light emission efficiency. For example,
しかし、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。
本発明の課題は、発光効率をさらに向上させることが可能な紫外線発光素子を提供することである。
However, the ultraviolet light emitting element is required to further improve the light emitting efficiency.
An object of the present invention is to provide an ultraviolet light emitting device capable of further improving the light emitting efficiency.
上記課題を解決するために、本発明の一態様である紫外線発光素子は、下記の構成要件(1)～(3)を有する。
(1)基板と、基板の主面上に形成され、窒化物半導体を含む下地層と、下地層上に形成され、導電性を有する窒化物半導体を含む第一クラッド層と、第一クラッド層上に形成され、窒化物半導体を含む発光層と、発光層上に形成され、第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含む第二クラッド層と、を備えている。
(2)下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
(3)第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
In order to solve the above problems, the ultraviolet light emitting device according to one aspect of the present invention has the following constituent requirements (1) to (3).
(1) A substrate, a base layer formed on the main surface of the substrate and containing a nitride semiconductor, a first clad layer formed on the base layer and containing a nitride semiconductor having conductivity, and a first clad layer. It includes a light emitting layer formed on the top and containing a nitride semiconductor, and a second clad layer formed on the light emitting layer and containing a nitride semiconductor having a conductivity different from that of the first clad layer.
(2) The step height at the interface of the base layer with the first clad layer is 10 nm or more and 60 nm or less.
(3) The step height at the interface of the first clad layer with the light emitting layer is 0.3 nm or more and 5 nm or less.
本発明によれば、発光効率をさらに向上させることが可能な紫外線発光素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an ultraviolet light emitting device capable of further improving the light emitting efficiency.
〔一態様の紫外線発光素子〕
上述のように、本発明の一態様である紫外線発光素子は、上記構成要件(1)～(3)を有するものである。
つまり、一態様の紫外線発光素子は、ＰＩＮ構造を有する窒化物半導体素子であって、基板と第一クラッド層との間に下地層を有する。また、一態様の紫外線発光素子においては、下地層と第一クラッド層との界面および第一クラッド層と発光層との界面に、基板の主面に対して略平行な面が階段状に連なる部分が存在する。ここでは、この基板の主面に対して略平行な面を「テラス面」と定義し、隣り合うテラス面を繋ぐ面を「ステップ面」と定義し、隣り合うテラス面の高さの差を「ステップ高さ」と定義する。
[One aspect of ultraviolet light emitting element]
As described above, the ultraviolet light emitting device according to one aspect of the present invention has the above-mentioned constituent requirements (1) to (3).
That is, the ultraviolet light emitting device of one aspect is a nitride semiconductor device having a PIN structure, and has a base layer between the substrate and the first clad layer. Further, in the ultraviolet light emitting element of one aspect, a surface substantially parallel to the main surface of the substrate is continuously connected in a stepped manner at the interface between the base layer and the first clad layer and the interface between the first clad layer and the light emitting layer. There is a part. Here, a surface substantially parallel to the main surface of this substrate is defined as a "terrace surface", a surface connecting adjacent terrace surfaces is defined as a "step surface", and the difference in height between adjacent terrace surfaces is defined. Defined as "step height".
そして、この紫外線発光素子では、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さ（以下、「下地層のステップ高さ」とも称する。）を１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることで、基板との格子定数の差などに起因して発生した欠陥転位が、第一クラッド層から発光層に到達することを低減できる。これにより、発光層の結晶性を向上させ、紫外線発光素子の発光効率を向上させることが可能となる。 In this ultraviolet light emitting element, the step height at the interface of the base layer with the first clad layer (hereinafter, also referred to as "step height of the base layer") is set to 10 nm or more and 60 nm or less to form a substrate. It is possible to reduce that the defect dislocations generated due to the difference in the lattice constants of the first clad layer reach the light emitting layer. This makes it possible to improve the crystallinity of the light emitting layer and improve the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting element.
より詳細には、下地層のステップ高さを１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下にすることで、第一クラッド層に線欠陥及び面欠陥を集中させている。これにより、第一クラッド層上に形成される発光層の線欠陥及び面欠陥を低減する事が可能となる。また、下地層のステップ高さを１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下にすることで、転位密度をテラス面の端に集中させている。 More specifically, by setting the step height of the base layer to 10 nm or more and 60 nm or less, line defects and surface defects are concentrated in the first clad layer. This makes it possible to reduce line defects and surface defects of the light emitting layer formed on the first clad layer. Further, by setting the step height of the base layer to 10 nm or more and 60 nm or less, the dislocation density is concentrated on the edge of the terrace surface.
また、この紫外線発光素子では、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さを０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下にすることで、第一クラッド層上に、例えば、主面に対して水平方向に断裂することのない連続した量子井戸構造の発光層が形成できる。これにより、紫外線発光素子の発光強度を向上させることが可能となる。
一態様の紫外線発光素子は、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さが３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さが１．２ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であることが好ましい。
Further, in this ultraviolet light emitting element, the step height at the interface of the first clad layer with the light emitting layer is set to 0.3 nm or more and 5 nm or less so that the height is horizontal on the first clad layer, for example, with respect to the main surface. A light emitting layer having a continuous quantum well structure that does not rupture in the direction can be formed. This makes it possible to improve the emission intensity of the ultraviolet light emitting element.
In one aspect of the ultraviolet light emitting device, the step height at the interface of the base layer with the first clad layer is 30 nm or more and 50 nm or less, and the step height at the interface of the first clad layer with the light emitting layer is 1.2 nm. It is preferably 3.5 nm or less.
＜界面状態の確認方法＞
下地層の第一クラッド層との界面および第一クラッド層の発光層との界面がステップ面及びテラス面を有することは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、高分解能ＴＥＭ（ＨＲＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を観察することで確認できる。
また、「基板の主面」とは、基板が有する面のうちの主要な面であって、下地層が形成される面を意味する。基板の主面は平坦な面であってもよく、凹凸を有する面であってもよい。基板の主面が凹凸を有する面である場合には、その代表的な平面を「基板の主面」と見做す。
<How to check the interface state>
The fact that the interface between the base layer and the first clad layer and the interface between the first clad layer and the light emitting layer have a step surface and a terrace surface means that a transmission electron microscope (TEM), a high resolution TEM (HRTEM), and a scanning transmission type transmission This can be confirmed by observing a cross section perpendicular to the main surface of the substrate of the ultraviolet light emitting element using an electron microscope (STEM).
Further, the "main surface of the substrate" means the main surface of the surfaces of the substrate on which the base layer is formed. The main surface of the substrate may be a flat surface or a surface having irregularities. When the main surface of the substrate is a surface having irregularities, the typical flat surface is regarded as the "main surface of the substrate".
＜ステップ高さの測定方法＞
下地層の第一クラッド層との界面および第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは、以下の方法で調べることができる。
先ず、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を示すＴＥＭ画像内の２μｍ以上を観察幅とする。そして、この観察幅の範囲で、下地層の第一クラッド層との界面及び第一クラッド層の発光層との界面を、幅２００ｎｍの連続する観察領域で観察する。この幅２００ｎｍ幅の観察領域内に含まれる複数のテラス面に着目し、隣り合うテラス面の高さの差の総和を、ステップ面の数で除算することで、この観察領域のステップ高さを得る。
<Measuring method of step height>
The step height at the interface between the base layer and the first clad layer and the interface between the first clad layer and the light emitting layer can be examined by the following method.
First, a transmission electron microscope (TEM) is used to observe a cross section perpendicular to the main surface of the substrate of the ultraviolet light emitting element. Specifically, for example, the observation width is 2 μm or more in the TEM image showing the cross section perpendicular to the main surface of the substrate of the ultraviolet light emitting element. Then, within the range of this observation width, the interface of the base layer with the first clad layer and the interface of the first clad layer with the light emitting layer are observed in a continuous observation region having a width of 200 nm. Focusing on a plurality of terrace surfaces included in the observation area having a width of 200 nm, the step height of this observation area is calculated by dividing the sum of the height differences of the adjacent terrace surfaces by the number of step surfaces. obtain.
例えば、ある断面において観察領域内にテラス面が３つ存在する場合、１つ目のテラス面と２つ目のテラス面との高さの差Ｓ１と、２つ目のテラス面と３つ目のテラス面との高さの差Ｓ２を測定し、これらの測定値を式「（Ｓ１＋Ｓ２）／２」に代入して算出した値を、この観察領域におけるステップ高さとする。
この過程を、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な五つの断面で行い、五つの観察領域で得られたステップ高さの平均値を算出する。得られた平均値を、ステップ高さとして採用する。
For example, when there are three terrace surfaces in the observation area in a certain cross section, the height difference S1 between the first terrace surface and the second terrace surface, and the second terrace surface and the third surface. The difference S2 in height from the terrace surface is measured, and the value calculated by substituting these measured values into the equation “(S1 + S2) / 2” is taken as the step height in this observation area.
This process is performed on five cross sections perpendicular to the main surface of the substrate of the ultraviolet light emitting element, and the average value of the step heights obtained in the five observation regions is calculated. The obtained average value is adopted as the step height.
＜ステップ密度＞
一態様の紫外線発光素子は、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度が１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下であることが好ましい。これにより、転位密度をテラス面の端に集中させて発光強度を向上させることが可能となる。下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度は１．５ステップ／μｍ以上１．８ステップ／μｍ以下であることがより好ましい。
<Step density>
In one aspect of the ultraviolet light emitting element, it is preferable that the step density at the interface of the base layer with the first clad layer is 1.0 step / μm or more and 2.0 steps / μm or less. This makes it possible to concentrate the dislocation density on the edge of the terrace surface and improve the emission intensity. It is more preferable that the step density at the interface of the base layer with the first clad layer is 1.5 steps / μm or more and 1.8 steps / μm or less.
ステップ密度とは、界面において、平面視でステップ面を示す線に垂直な方向の単位寸法（１μｍ）あたりのステップ面の数である。
ステップ密度は以下の方法で調べることができる。
先ず、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、紫外線発光素子の基板の主面に垂直であって平面視でステップ面を示す線に垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、この断面を示すＴＥＭ画像内の５μｍ以上を観察幅とする。そして、この観察幅の範囲に存在するステップ面を示す線の数を数え、この数を観察幅の寸法で除算する。例えば、５μｍの観察幅にステップ面を示す線が二つ存在する（つまり、テラス面が三つ存在する）場合には、この観察幅でのステップ密度は２÷５＝０．４ステップ／μｍとなる。
The step density is the number of step planes per unit dimension (1 μm) in the direction perpendicular to the line indicating the step plane in a plan view at the interface.
The step density can be examined by the following method.
First, a transmission electron microscope (TEM) is used to observe a cross section perpendicular to the main surface of the substrate of the ultraviolet light emitting element and perpendicular to the line indicating the step surface in a plan view. Specifically, for example, the observation width is 5 μm or more in the TEM image showing this cross section. Then, the number of lines indicating the step plane existing in the range of the observation width is counted, and this number is divided by the dimension of the observation width. For example, if there are two lines indicating the step planes in the observation width of 5 μm (that is, there are three terrace planes), the step density in this observation width is 2/5 = 0.4 steps / μm. Will be.
この過程を、紫外線発光素子の基板の主面に垂直でステップ面に垂直な五つの断面について行い、五つの観察幅で得られたステップ密度の平均値を算出する。得られた平均値をステップ密度として採用する。 This process is performed on five cross sections perpendicular to the main surface of the substrate of the ultraviolet light emitting element and perpendicular to the step surface, and the average value of the step densities obtained in the five observation widths is calculated. The obtained average value is adopted as the step density.
＜各層の形成方法＞
一態様の紫外線発光素子を構成する各層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜することができるが、これに限定されない。例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを用いて成膜してもよい。
<Method of forming each layer>
Each layer constituting the ultraviolet light emitting device of one aspect can be formed by using an epitaxial growth technique such as, for example, an organic metal vapor phase growth method (MOCVD method), but the film is not limited thereto. For example, a film may be formed by using a hydride vapor phase growth method (HVPE method), a molecular beam epitaxy method (MBE method), or the like.
下地層の第一のクラッド層との界面でのステップ高さは、下地層成長時の基板表面の温度、Ｖ／III比、成長レート及び真空度を調整することで制御可能である。一例としては、基板表面の温度を１２００～１３００℃、Ｖ／III比を３０～５０、成長レートを０．３８～０．５μｍ／ｈｒ、真空度を３０～５０ｈＰａの間で調整する方法が挙げられる。この際、下地層の成長前に基板を１０５０℃以上の水素分雰囲気下でアニール処理することが好ましい。 The step height at the interface of the underlayer with the first clad layer can be controlled by adjusting the temperature, V / III ratio, growth rate and degree of vacuum of the substrate surface during the growth of the underlayer. As an example, there is a method of adjusting the temperature of the substrate surface between 1200 to 1300 ° C., the V / III ratio of 30 to 50, the growth rate of 0.38 to 0.5 μm / hr, and the degree of vacuum between 30 and 50 hPa. Be done. At this time, it is preferable to anneal the substrate in a hydrogen atmosphere of 1050 ° C. or higher before the growth of the base layer.
また、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは、発光層成長時の下地層表面の温度、Ｖ／III比、成長レート及び真空度を調整することで制御可能である。一例としては、下地層表面の温度を１０５０～１１００℃、Ｖ／III比を３００～３０００、成長レートを１．２～３μｍ／ｈｒ、真空度を３０～５０ｈＰａの間で調整する方法が挙げられる。 Further, the step height at the interface of the first clad layer with the light emitting layer can be controlled by adjusting the temperature, V / III ratio, growth rate and degree of vacuum of the surface of the base layer during the growth of the light emitting layer. As an example, there is a method of adjusting the temperature of the surface of the base layer between 1050 to 1100 ° C., the V / III ratio of 300 to 3000, the growth rate of 1.2 to 3 μm / hr, and the degree of vacuum between 30 and 50 hPa. ..
上述の方法で用いる基板の一例としては、サファイア基板やＡｌＮ基板が挙げられる。また、下地層の材料としてはＡｌＮが一例として挙げられ、第一クラッド層および発光層の材料としてはＡｌＧａＮが一例として挙げられる。
なお、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さを０．３ｎｍ未満とするには、原理的には使用する基板のオフ角を０°に制御する必要があるが、この制御は非常に困難であり実際の製造上現実的ではない。つまり、本発明の一態様の紫外線発光素子によれば、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さを、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下という実際の製造上十分適用可能な範囲としつつ、高い発光強度を得ることができる。
Examples of the substrate used in the above method include a sapphire substrate and an AlN substrate. Further, AlN is mentioned as an example as the material of the base layer, and AlGaN is mentioned as an example of the material of the first clad layer and the light emitting layer.
In order to make the step height of the first clad layer at the interface with the light emitting layer less than 0.3 nm, it is necessary to control the off angle of the substrate to be used to 0 ° in principle. Is very difficult and impractical in actual manufacturing. That is, according to the ultraviolet light emitting device of one aspect of the present invention, the step height at the interface of the first clad layer with the light emitting layer is set to 0.3 nm or more and 5 nm or less, which is a range sufficiently applicable in actual manufacturing. , High emission intensity can be obtained.
＜基板＞
一態様の紫外線発光素子を構成する基板の具体例としては、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶などからなる基板が挙げられる。
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体をバルクとする単結晶基板や、基材上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層が形成された基板（テンプレート基板）を用いると、基板の上側に形成す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。
<Board>
Specific examples of the substrate constituting the ultraviolet light emitting element of one embodiment include sapphire (Al 2 O 3 ), Si, SiC, MgO, Ga 2 O 3 , ZnO, GaN, InN, AlN, or a mixed crystal thereof. The substrate is mentioned.
When a single crystal substrate in which a nitride semiconductor such as GaN, AlN, or AlGaN is used as a bulk, or a substrate (template substrate) in which a nitride semiconductor layer such as GaN, AlN, or AlGaN is formed on a substrate is used, the upper side of the substrate is used. The difference in lattice constant with the nitride semiconductor layer formed in is small, and the penetration shift can be reduced by growing the nitride semiconductor layer in a lattice matching system.
また、汎用性が高いという観点からは、サファイア基板を用いることが好ましい。
基板には、不純物が混入していてもよい。
基板の裏面は平坦な面であっても凹凸状の面であってもよい。基板の裏面は、基板とは異なる材質の物質を、例えば薄膜状やドット状に有していてもよい。基板の作製方法としては、昇華法やＨＶＰＥ法等の気相成長法や液相成長法などの一般的な基板成長法が適用できる。
Further, from the viewpoint of high versatility, it is preferable to use a sapphire substrate.
Impurities may be mixed in the substrate.
The back surface of the substrate may be a flat surface or an uneven surface. The back surface of the substrate may have a substance of a material different from that of the substrate, for example, in the form of a thin film or dots. As a method for producing the substrate, a general substrate growth method such as a vapor phase growth method such as a sublimation method or an HVPE method or a liquid phase growth method can be applied.
また、基板の側面からの発光を増加させる観点からは、基板の厚さが１００μｍ以上８００μｍ以下であることが好ましい。
また、基板の側面には凸部または凹部が形成されていてもよい。この凸部の定義は、基板側面の最も面積の大きい面を基準面とし、この基準面から突出する部分であり、凹部の定義は、この基準面から凹んでいる部分である。
Further, from the viewpoint of increasing the light emission from the side surface of the substrate, the thickness of the substrate is preferably 100 μm or more and 800 μm or less.
Further, a convex portion or a concave portion may be formed on the side surface of the substrate. The definition of the convex portion is a portion protruding from the reference plane with the surface having the largest area on the side surface of the substrate as a reference plane, and the definition of the concave portion is a portion recessed from the reference plane.
基板の側面の凸部位置および凹部位置では、基板の側面と外部（例えば空気）との屈折率差が小さくなるため、凸部または凹部を設けることで界面の透過率を向上させることができる。また、基板の側面に凸部または凹部を設けることにより、光の入射角と透過率の関係を変化させ、光取り出し効率を向上させることができる。
凸部の基準面からの突出高さは１μｍ以上であることが好ましい。凹部の深さ（基準面から底面までの距離）は１μｍ以上が好ましい。
At the convex and concave positions on the side surface of the substrate, the difference in refractive index between the side surface of the substrate and the outside (for example, air) becomes small, so that the transmittance of the interface can be improved by providing the convex or concave portion. Further, by providing a convex portion or a concave portion on the side surface of the substrate, the relationship between the incident angle of light and the transmittance can be changed, and the light extraction efficiency can be improved.
The height of the protrusion from the reference surface is preferably 1 μm or more. The depth of the recess (distance from the reference surface to the bottom surface) is preferably 1 μm or more.
凸部および凹部の形状は特に制限されず、針状であっても、円錐台であっても、角錐であってもよい。
基板の側面に存在する凸部または凹部の数は一つでも複数でもよいが、光取り出し効率を向上させる観点から複数である方が好ましく、複数の凸部または凹部が基板側面に均等に分散していることがより好ましい。凸部または凹部は、基板の側面のうち少なくとも一つの側面に形成されていればよいが、光取り出し効率を向上させる観点から、基板の全側面に形成されていることが好ましい。
The shape of the convex portion and the concave portion is not particularly limited, and may be a needle shape, a truncated cone, or a pyramid.
The number of protrusions or recesses existing on the side surface of the substrate may be one or more, but it is preferable to have a plurality of protrusions or recesses from the viewpoint of improving the light extraction efficiency, and the plurality of protrusions or recesses are evenly dispersed on the side surface of the substrate. Is more preferable. The protrusions or recesses may be formed on at least one side surface of the substrate, but are preferably formed on all side surfaces of the substrate from the viewpoint of improving the light extraction efficiency.
＜下地層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する下地層は、窒化物半導体を含み、基板の主面上に形成されている。
下地層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。下地層に含まれる窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。下地層を形成する窒化物半導体の導電性は特に限定されない。
<Underground layer>
The base layer constituting the ultraviolet light emitting device of one embodiment contains a nitride semiconductor and is formed on the main surface of the substrate.
The nitride semiconductor forming the underlayer is preferably any of AlN, GaN, and InN, or a mixed crystal of these, from the viewpoint of achieving high luminous efficiency. In addition to N, the nitride semiconductor contained in the underlayer contains group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si. May be good. The conductivity of the nitride semiconductor forming the underlayer is not particularly limited.
下地層と第一クラッド層は、窒化物半導体の組成が変化する境目を基準として区別することが可能である。組成が変化する境目は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）やＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で調べることができるだけでなく、断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察で像のコントラストから判別することもできる。他の層同士の区別にも同様の方法を用いる事が可能である。 The underlayer and the first clad layer can be distinguished from each other based on the boundary where the composition of the nitride semiconductor changes. The boundary where the composition changes can be examined not only by secondary ion mass spectrometry (SIMS) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), but also from the contrast of the image by observation using a cross-sectional transmission electron microscope (TEM). It can also be determined. A similar method can be used to distinguish between other layers.
＜第一クラッド層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する第一クラッド層は、導電性を有する窒化物半導体層を含み、下地層上に形成されている。
第一クラッド層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、ＡｌＮ，ＧａＮおよびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。第一クラッド層を形成する窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。
<First clad layer>
The first clad layer constituting the ultraviolet light emitting device of one embodiment includes a nitride semiconductor layer having conductivity and is formed on the base layer.
The nitride semiconductor forming the first clad layer is preferably any of AlN, GaN and InN, or a mixed crystal of these, from the viewpoint of achieving high luminous efficiency. In addition to N, group V elements other than N such as P, As, and Sb and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si are mixed in the nitride semiconductor forming the first clad layer. May be.
また、第一クラッド層と第二クラッド層は、互いに異なる導電性を有する窒化物半導体で形成された層である。ｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れ、発光層への影響が低いという観点から、第一クラッド層の導電性がｎ型で、第二クラッド層の導電性がｐ型である事が好ましい。
また、紫外線発光素子の発光波長を深紫外領域の波長（２８０ｎｍ以下）としたい場合には、第一クラッド層を形成する材料はＡｌＧａＮであることが好ましい。第一クラッド層がＡｌＧａＮで形成されることで、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として形成する際に、その結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。
Further, the first clad layer and the second clad layer are layers formed of nitride semiconductors having different conductivitys from each other. From the viewpoint that the n-type semiconductor has better crystallinity than the p-type semiconductor and has a lower effect on the light emitting layer, the conductivity of the first clad layer is n-type and the conductivity of the second clad layer is p-type. Things are preferable.
Further, when the emission wavelength of the ultraviolet light emitting device is desired to be a wavelength in the deep ultraviolet region (280 nm or less), the material for forming the first clad layer is preferably AlGaN. By forming the first clad layer with AlGaN, it is possible to improve the crystallinity and the luminous efficiency when forming a material corresponding to the bandgap energy in the deep ultraviolet region as the light emitting layer.
さらに、第一クラッド層は、厚さ方向で組成が変化する組成傾斜層であってもよい。例えば、第一クラッド層を形成する材料がＡｌＧａＮの場合、第一クラッド層は、発光層に向かってＡｌの組成比が傾斜的に増加または減少するＡｌＧａＮ層であってもよい。 Further, the first clad layer may be a composition gradient layer whose composition changes in the thickness direction. For example, when the material forming the first clad layer is AlGaN, the first clad layer may be an AlGaN layer in which the composition ratio of Al increases or decreases in a gradient toward the light emitting layer.
＜発光層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する発光層は、窒化物半導体を含み、第一クラッド層上に形成されている。
発光層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点からＡｌＮ，ＧａＮ，およびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。発光層には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。また、量子井戸構造でも単層構造でもよいが、高い発光効率を実現する観点から、少なくとも１つの井戸構造を有していることが望ましい。
<Light emitting layer>
The light emitting layer constituting the ultraviolet light emitting device of one embodiment contains a nitride semiconductor and is formed on the first clad layer.
The nitride semiconductor forming the light emitting layer is preferably any of AlN, GaN, and InN, or a mixed crystal of these, from the viewpoint of achieving high luminous efficiency. In addition to N, the light emitting layer may contain Group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si. Further, a quantum well structure or a single-layer structure may be used, but it is desirable to have at least one well structure from the viewpoint of achieving high luminous efficiency.
また、紫外線発光素子の発光波長を深紫外領域の波長（２８０ｎｍ以下）としたい場合には、発光層をなす窒化物半導体はＡｌＧａＮであることが好ましい。また、発光効率を高める観点から、発光層は、ＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＮからなる電子バリア層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有することが好ましい。 Further, when the emission wavelength of the ultraviolet light emitting device is desired to be a wavelength in the deep ultraviolet region (280 nm or less), the nitride semiconductor forming the light emitting layer is preferably AlGaN. Further, from the viewpoint of increasing the luminous efficiency, the light emitting layer preferably has a multiple quantum well (MQW) structure composed of a quantum well layer made of AlGaN and an electron barrier layer made of AlN.
＜第二クラッド層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する第二クラッド層は、第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含み、発光層上に形成されている。
第二クラッド層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。
第二クラッド層を形成する窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。ｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れ、発光層への影響が低いという観点から、第一クラッド層の導電性がｎ型で、第二クラッド層の導電性がｐ型である事が好ましい。
<Second clad layer>
The second clad layer constituting the ultraviolet light emitting device of one embodiment contains a nitride semiconductor having a conductivity different from that of the first clad layer, and is formed on the light emitting layer.
The nitride semiconductor forming the second clad layer is preferably any of AlN, GaN, and InN, or a mixed crystal thereof, from the viewpoint of achieving high luminous efficiency.
In addition to N, group V elements other than N such as P, As, and Sb and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si are mixed in the nitride semiconductor forming the second clad layer. May be. From the viewpoint that the n-type semiconductor has better crystallinity than the p-type semiconductor and has a lower effect on the light emitting layer, the conductivity of the first clad layer is n-type and the conductivity of the second clad layer is p-type. Things are preferable.
＜電極＞
一態様の紫外線発光素子は、さらに電極（ｎ型電極またはｐ型電極、あるいは両方）を備えていてもよい。
ｎ型電極としては、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｚｒなどの金属、あるいはこれらの混晶、あるいはＩＴＯやＧａ２Ｏ３などの導電性酸化物等を用いることができる。また、ｎ型電極は、第一クラッド層及び第二クラッド層のうち、導電性がｎ型の層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
<Electrode>
The ultraviolet light emitting device of one embodiment may further include an electrode (n-type electrode, p-type electrode, or both).
Examples of the n-type electrode include metals such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, and Zr, or These mixed crystals, or conductive oxides such as ITO and Ga 2 O 3 can be used. Further, the n-type electrode is preferably formed so that the conductivity of the first clad layer and the second clad layer is in contact with the n-type layer.
ｐ型電極としては、Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕなどの金属、あるいはこれらの混晶、あるいはＩＴＯやＧａ2Ｏ3などの導電性酸化物等を用いることができる。また、ｐ型電極は、第一クラッド層及び第二クラッド層のうち、導電性がｐ型の層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
電極の形成方法としては、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着、スパッタなどが挙げられるが、この限りでは無い。電極は単層でも、積層であってもよく、また層形成後に酸素や窒素、空気雰囲気などで熱処理を行ってもよい。
As the p-type electrode, a metal such as Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga 2 O 3 can be used. .. Further, the p-type electrode is preferably formed so that the conductivity of the first clad layer and the second clad layer is in contact with the p-type layer.
Examples of the electrode forming method include resistance heating vapor deposition, electron gun vapor deposition, sputtering, and the like, but the present invention is not limited to this. The electrode may be a single layer or a laminated layer, or may be heat-treated with oxygen, nitrogen, an air atmosphere, or the like after the layer is formed.
〔紫外線照射モジュール〕
本発明の紫外線照射モジュールは、本発明の紫外線発光素子を備えている。
本発明の紫外線発光素子は、各種の装置に適用可能である。
本発明の紫外線発光素子は、紫外線ランプが用いられている既存のすべての装置に適用・置換可能である。特に、波長２８０ｎｍ以下の深紫外線を用いている装置に適用可能である。
[Ultraviolet irradiation module]
The ultraviolet irradiation module of the present invention includes the ultraviolet light emitting element of the present invention.
The ultraviolet light emitting device of the present invention can be applied to various devices.
The ultraviolet light emitting device of the present invention can be applied to or replaced with all existing devices in which an ultraviolet lamp is used. In particular, it is applicable to an apparatus using deep ultraviolet rays having a wavelength of 280 nm or less.
本発明の紫外線発光素子は、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。本発明の紫外線発光素子は、薬品や化学物質の合成・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。 The ultraviolet light emitting element of the present invention can be applied to, for example, devices in the medical / life science field, the environmental field, the industrial / industrial field, the living / home appliance field, the agricultural field, and other fields. The ultraviolet light emitting element of the present invention is a device for synthesizing / decomposing chemicals and chemical substances, a device for sterilizing liquids / gases / solids (containers, foods, medical devices, etc.), a device for cleaning semiconductors, and surface modification of films / glasses / metals. Quality equipment, exposure equipment for manufacturing semiconductors, FPDs, PCBs, and other electronic products, printing / coating equipment, adhesive / sealing equipment, transfer / molding equipment for films / patterns / mockups, banknotes / scratches / blood / chemical substances, etc. It is applicable to the measurement / inspection equipment of.
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 sterilizers include automatic ice maker in refrigerators, ice trays and ice storage containers, water tanks for ice makers, freezers, ice makers, humidifiers, dehumidifiers, cold water tanks for water servers, hot water tanks, and channels. Piping, stationary water purifiers, portable water purifiers, water dispensers, water dispensers, wastewater treatment equipment, disposers, toilet drain traps, washing machines, dialysis water sterilization modules, peritoneal dialysis connector sterilizers, disaster water storage systems, etc. It can be mentioned, but this is not the case.
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、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。
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 gas sterilizers include air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor and bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor sterilizers, and storage ventilation. Examples include systems, shoe boxes, and tons, but this is not the case.
Examples of solid sterilizers (including surface sterilizers) include vacuum packers, conveyor belts, hand tool sterilizers for medical / dental / barber / beauty salons, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick boxes, cosmetic pouches, etc. Examples include, but are not limited to, drainage ditch lids, toilet bowl local cleaners, toilet bowl lids, and the like.
〔実施形態〕
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する。）について説明する。この実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。
図１に示すように、この実施形態の紫外線発光素子１は、基板２、下地層３、第一クラッド層４、発光層５、および第二クラッド層６を備えている。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter, referred to as “embodiments”) will be described. This embodiment exemplifies a configuration for embodying the technical idea of the present invention, and does not specify the material, shape, structure, arrangement, dimensions, etc. of each part to the following.
As shown in FIG. 1, the ultraviolet
基板２はサファイア基板である。下地層３は、基板の主面２１上に形成された層であって、ＡｌＮ（窒化物半導体）で形成されている。第一クラッド層４は、下地層３上に形成された層であって、ｎ型ＡｌＧａＮ（導電性を有する窒化物半導体）で形成されている。発光層５は、第一クラッド層４上に形成された層であって、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの多重量子井戸構造を有する（窒化物半導体を含む）。第二クラッド層６は、発光層５上に形成された層であって、ｐ型ＧａＮ（第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体層）で形成されている。
The
下地層３の第一クラッド層４との界面３４でのステップ高さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。第一クラッド層４の発光層５との界面４５でのステップ高さは、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。下地層３の第一クラッド層４との界面３４でのステップ密度は１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下である。
この実施形態の紫外線発光素子によれば、上述の構成を有することにより、高い発光効率を実現できる。また、汎用性が高いサファイア基板を用いているため、製造コストが低減できる。
The step height at the
According to the ultraviolet light emitting device of this embodiment, high luminous efficiency can be realized by having the above-mentioned configuration. Moreover, since a highly versatile sapphire substrate is used, the manufacturing cost can be reduced.
以下に示す実施例１～９および比較例１～３の紫外線発光素子を作製した。
実施例１～９および比較例１～３の紫外線発光素子は、上記実施形態の紫外線発光素子１の発光層５と第二クラッド層６との間に電子ブロック層を有し、第一クラッド層４の一部が露出し、この露出面にｎ型電極が形成され、第二クラッド層７上にｐ型電極が形成されたものである。
The ultraviolet light emitting devices of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 shown below were produced.
The ultraviolet light emitting elements of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 have an electron block layer between the light emitting
［実施例１］
先ず、厚さが４５０μｍの平板状で、オフ角が０．２°のｃ面サファイア基板を１０５０℃以上の水素分雰囲気下でアニール処理した。次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用い、先ず、このサファイア基板の平板面（主面）上に、厚さ２０００ｎｍのＡｌＮ層（下地層）を形成した。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いた。成膜条件は、基板表面温度を１２００℃、Ｖ／IIIを５０、真空度を５０ｈＰａ、成長レートを０．５０μｍ／ｈｒに設定した。
[Example 1]
First, a c-plane sapphire substrate having a thickness of 450 μm and an off angle of 0.2 ° was annealed under a hydrogen atmosphere of 1050 ° C. or higher. Next, using a metalorganic vapor phase growth (MOCVD) apparatus, first, an AlN layer (underlayer) having a thickness of 2000 nm was formed on a flat plate surface (main surface) of this sapphire substrate. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material, and ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material. As the film forming conditions, the substrate surface temperature was set to 1200 ° C., V / III was set to 50, the degree of vacuum was set to 50 hPa, and the growth rate was set to 0.50 μm / hr.
次に、このＡｌＮ層上に、第一クラッド層として、Ｓｉを不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ＝６０％）を、厚さ２０００ｎｍで形成した。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）を、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ3）を用いた。成膜条件は、基板表面温度を１１００℃、真空度を５０ｈＰａ、Ｖ／III比を５００、成長レートを２．１μｍ／ｈｒに設定した。 Next, on this AlN layer, an n-type AlGaN layer (Al = 60%) using Si as an impurity was formed as a first clad layer with a thickness of 2000 nm. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material, triethyl gallium (TEGa) was used as the Ga raw material, ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material, and monosilane (SiH 3 ) was used as the Si raw material. The film forming conditions were set to a substrate surface temperature of 1100 ° C., a vacuum degree of 50 hPa, a V / III ratio of 500, and a growth rate of 2.1 μm / hr.
次に、このｎ型ＡｌＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮ（量子井戸層）とＡｌＮ（電子バリア層）とからなる多重量子井戸構造の発光層を成膜した。具体的には、ＡｌＧａＮ（Ａｌ＝５２％）を厚さ１．５ｎｍで、ＡｌＮを厚さ６ｎｍで、交互に三層積層させた。各原料は上記と同じものを用いた。成膜条件は、Ｖ／III比を４０００、真空度を５０ｈＰａ、量子井戸層の成長レートを０．２３μｍ／ｈｒ、電子バリア層の成長レートを０．１８μｍ／ｈｒに設定した。 Next, a light emitting layer having a multiple quantum well structure composed of AlGaN (quantum well layer) and AlN (electron barrier layer) was formed on the n-type AlGaN layer. Specifically, AlGaN (Al = 52%) was laminated in three layers alternately at a thickness of 1.5 nm and AlN at a thickness of 6 nm. The same raw materials as above were used. The film forming conditions were set to a V / III ratio of 4000, a vacuum degree of 50 hPa, a growth rate of the quantum well layer of 0.23 μm / hr, and a growth rate of the electron barrier layer of 0.18 μm / hr.
次に、この発光層の上に、ＡｌＧａＮ（Ａｌ＝８５％）からなる電子ブロック層を厚さ１０ｎｍで形成した。各原料は上記と同じものを用いた。成膜条件は、基板表面温度を１０８０℃、真空度を５０ｈＰａ、Ｖ／III比を３０００、成長レートを１μｍ／ｈｒに設定した。
次に、この電子ブロック層の上に、第二クラッド層として、Ｍｇを不純物として用いたｐ型ＧａＮ層を、厚さ２００ｎｍで成膜した。Ｍｇ原料としてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。これ以外の原料は上記と同じものを用いた。成膜条件は、基板表面温度を１０４０℃、真空度を１００ｈＰａ、Ｖ／III比を４０００、成長レートを１．２μｍ／ｈｒに設定した。
Next, an electron block layer made of AlGaN (Al = 85%) was formed on the light emitting layer with a thickness of 10 nm. The same raw materials as above were used. The film forming conditions were set to a substrate surface temperature of 1080 ° C., a degree of vacuum of 50 hPa, a V / III ratio of 3000, and a growth rate of 1 μm / hr.
Next, a p-type GaN layer using Mg as an impurity was formed as a second clad layer on the electron block layer at a thickness of 200 nm. Bis (cyclopentadienyl) magnesium (Cp 2 Mg) was used as a raw material for Mg. The same raw materials as above were used as the other raw materials. The film forming conditions were set to a substrate surface temperature of 1040 ° C., a vacuum degree of 100 hPa, a V / III ratio of 4000, and a growth rate of 1.2 μm / hr.
このようにして、サファイア基板に複数の窒化物半導体層が積層された物体（分割により複数の紫外線発光素子とされる物体）を得た。この物体をドライエッチングすることで、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部を露出させ、露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ，Ａｌ，Ｎｉ，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層上には、Ｎｉ，Ａｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）を形成した。 In this way, an object in which a plurality of nitride semiconductor layers are laminated on a sapphire substrate (an object in which a plurality of ultraviolet light emitting elements are formed by division) is obtained. By dry etching this object, a part of the n-type AlGaN layer was exposed, and an alloy electrode containing Ti, Al, Ni, and Au (corresponding to the n-type electrode) was formed on the exposed n-type AlGaN layer. .. Further, an alloy electrode containing Ni and Au (corresponding to a p-type electrode) was formed on the p-type GaN layer.
次に、サファイア基板の裏面（主面と反対側の平板面）を、厚さが２００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより、基板の平板面に垂直な複数の面で切断した。これにより、紫外線発光素子の小片を複数得た。
得られた紫外線発光素子を電圧７．５Ｖ、電流１００ｍＡで駆動させたところ、ピーク波長２６５ｎｍの発光が確認され、その発光強度は１．５ｍＷであった。
Next, the back surface of the sapphire substrate (the flat plate surface on the opposite side to the main surface) was ground to a thickness of 200 μm, and then dicing was performed to cut the back surface of the sapphire substrate on a plurality of surfaces perpendicular to the flat plate surface of the substrate. As a result, a plurality of small pieces of the ultraviolet light emitting element were obtained.
When the obtained ultraviolet light emitting device was driven with a voltage of 7.5 V and a current of 100 mA, light emission with a peak wavelength of 265 nm was confirmed, and the light emission intensity was 1.5 mW.
この紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察したところ、ＡｌＮ層（下地層）とｎ型ＡｌＧａＮ層（第一クラッド層）との界面には、明瞭なマクロステップ（ステップ面とテラス面が連続的に形成された構造）が確認された。
また、前述の＜ステップ高さの測定方法＞および＜ステップ密度＞に記載された方法でステップ高さとステップ密度を調べたところ、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さは１５．１ｎｍ、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは０．５ｎｍ、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度は１．２ステップ／μｍであった。
When a cross section perpendicular to the main surface of the substrate of this ultraviolet light emitting device was observed using a transmission electron microscope (TEM), it was found at the interface between the AlN layer (base layer) and the n-type AlGaN layer (first clad layer). Confirmed a clear macro step (a structure in which a step surface and a terrace surface were continuously formed).
Further, when the step height and the step density were examined by the methods described in the above-mentioned <step height measuring method> and <step density>, the step height at the interface of the base layer with the first clad layer was 15. The step height at the interface of the first clad layer with the light emitting layer was 0.5 nm, and the step density at the interface with the first clad layer of the base layer was 1.2 steps / μm.
この実施例１の紫外線発光素子の各層の形成条件および基板のオフ角を、以下の実施例２～９および比較例１～３の条件とともに下記の表１に示す。また、発光強度およびステップ高さとステップ密度の測定結果を、以下の実施例２～９および比較例１～３の結果とともに下記の表２に示す。 The formation conditions of each layer of the ultraviolet light emitting device of Example 1 and the off-angle of the substrate are shown in Table 1 below together with the conditions of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 below. The measurement results of emission intensity, step height and step density are shown in Table 2 below together with the results of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 below.
［実施例２～９および比較例１～３］
紫外線発光素子の各層の形成条件および基板のオフ角を表１に示すものとした以外は実施例１と同じ方法で、実施例２～９および比較例１～３の各紫外線受光素子を作製した。また、得られた各紫外線受光素子の発光強度およびステップ高さとステップ密度を、実施例１と同じ方法で測定した。その結果を表２に示す。
[Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 3]
Each ultraviolet light receiving element of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 was produced by the same method as in Example 1 except that the formation conditions of each layer of the ultraviolet light emitting element and the off angle of the substrate were shown in Table 1. .. Further, the emission intensity, step height and step density of each of the obtained ultraviolet light receiving elements were measured by the same method as in Example 1. The results are shown in Table 2.
ここで、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度が１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下であることを、構成(4)とする。
表２において、各例の構成のうち構成要件(2)(3)と構成(4)を満たしていない構成に下線を施した。つまり、実施例１～７は構成要件(1)～(3)と構成(4)を有する紫外線発光素子であり、実施例８，９は構成要件(1)～(3)を有するが構成(4)を有さない紫外線発光素子である。また、比較例１は構成要件(1)(3)と構成(4)を有するが構成要件(2)を有さない紫外線発光素子であり、比較例２は構成要件(1)と構成(4)を有するが構成要件(2)(3)を有さない紫外線発光素子であり、比較例３は構成要件(1)を有するが構成要件(2)(3)と構成(4)を有さない紫外線発光素子である。
Here, the configuration (4) is that the step density at the interface of the base layer with the first clad layer is 1.0 step / μm or more and 2.0 steps / μm or less.
In Table 2, the configurations that do not meet the configuration requirements (2) (3) and (4) among the configurations of each example are underlined. That is, Examples 1 to 7 are ultraviolet light emitting devices having the constituent requirements (1) to (3) and the configuration (4), and Examples 8 and 9 have the constituent requirements (1) to (3) but are configured ( It is an ultraviolet light emitting device that does not have 4). Further, Comparative Example 1 is an ultraviolet light emitting device having constituent requirements (1) (3) and configuration (4) but not having constituent requirement (2), and Comparative Example 2 has constituent requirements (1) and configuration (4). ) But not the constituent requirements (2) (3), and Comparative Example 3 has the constituent requirements (1) but the constituent requirements (2) (3) and the configuration (4). There is no UV light emitting element.
このように、構成要件(1)～(3)を有する実施例１～９の紫外線発光素子は、構成要件(2)(3)のいずれか一つ以上を有さない比較例１～３の紫外線発光素子と比較して、発光効率が高くなることで高い発光強度が得られている。
また、構成要件(1)～(3)と構成(4)を有する実施例１～７の紫外線発光素子は、構成(4)を有さない実施例８，９の紫外線発光素子よりも高い発光強度が得られている。
As described above, the ultraviolet light emitting devices of Examples 1 to 9 having the constituent requirements (1) to (3) do not have any one or more of the constituent requirements (2) and (3) of Comparative Examples 1 to 3. Higher emission intensity is obtained due to higher luminous efficiency as compared with the ultraviolet light emitting element.
Further, the ultraviolet light emitting elements of Examples 1 to 7 having the constituent requirements (1) to (3) and the configuration (4) emit higher light than the ultraviolet light emitting elements of Examples 8 and 9 having the configuration (4). Strength has been obtained.
１ 紫外線発光素子
２ 基板
３ 下地層
４ 第一クラッド層
５ 発光層
６ 第二クラッド層
２１ 基板の主面
３４ 下地層の第一クラッド層との界面
４５ 第一クラッド層の発光層との界面
1 Ultraviolet
Claims (6)
前記基板の主面上に形成され、窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層上に形成され、導電性を有する窒化物半導体を含む第一クラッド層と、
前記第一クラッド層上に形成され、窒化物半導体を含む発光層と、
前記発光層上に形成され、前記第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含む第二クラッド層と、
を備え、
前記下地層の前記第一クラッド層との界面でのステップ高さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、
前記第一クラッド層の前記発光層との界面でのステップ高さは、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である紫外線発光素子。 With the board
An underlayer formed on the main surface of the substrate and containing a nitride semiconductor,
A first clad layer formed on the base layer and containing a conductive nitride semiconductor,
A light emitting layer formed on the first clad layer and containing a nitride semiconductor,
A second clad layer formed on the light emitting layer and containing a nitride semiconductor having a conductivity different from that of the first clad layer.
Equipped with
The step height of the base layer at the interface with the first clad layer is 10 nm or more and 60 nm or less.
An ultraviolet light emitting device having a step height of the first clad layer at an interface with the light emitting layer of 0.3 nm or more and 5 nm or less.
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