JP7455267B1 - 紫外線発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 光取り出し面となる主面を有する透明基板と、
前記透明基板上のAlN層と、
前記AlN層上のn型半導体層と、
前記n型半導体層上の量子井戸型発光層と、
前記量子井戸型発光層直上のp側半導体層と、
前記p側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、
前記透明基板の側面は粗面であり、
前記p側半導体層の厚さL(nm)は、
前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ(nm)、前記p側半導体層の屈折率n、自然数k、前記量子井戸型発光層から前記p側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式(1)
2L/cosθ=λ(2k+1)/2n・・・(1)
であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。
前記出射角θが23.6°以上36.8°以下であり、
ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度が24°以上37°以下である(1)に記載の紫外線発光素子。
前記量子井戸型発光層上のp型電子ブロック層と、
前記p型電子ブロック層上のp型クラッド層と、
前記p型クラッド層上のp型コンタクト層と、を有し、
前記n型半導体層、前記p型電子ブロック層、前記p型クラッド層の各層は、水平方向における組成が均一である、(1)又は(2)に記載の紫外線発光素子。
AlN層を形成する工程と、
前記AlN層の上にn型半導体層を形成するn型半導体層形成工程と、
前記n型半導体層の上に量子井戸型発光層を形成する量子井戸型発光層形成工程と、
前記量子井戸型発光層の直上にp側半導体層を形成するp側半導体層形成工程と、
前記p側半導体層の直上に反射電極を形成する反射電極形成工程と、
前記透明基板を個片化する個片化工程と、
を含む紫外線発光素子の製造方法であって、
前記個片化工程では前記透明基板の側面を粗面にしており、
前記p側半導体層の厚さL(nm)が、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ(nm)、前記p側半導体層の屈折率n、自然数k、前記発光層から前記p側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式(1)
2L/cosθ=λ(2k+1)/2n・・・(1)
であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記主面から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるように前記p側半導体層を形成する、紫外線発光素子の製造方法。
前記量子井戸型発光層の上にp型電子ブロック層を形成するp型電子ブロック層形成工程と、
前記p型電子ブロック層の上にp型クラッド層を形成するp型クラッド層形成工程と、
前記p型クラッド層の上にp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、を含む、(5)に記載の紫外線発光素子の製造方法。
本明細書において、紫外線発光素子の各層の厚さは、TEM(透過電子顕微鏡)を用いて撮影した像に基づいて計測する。すなわち、各層の厚さは、紫外線発光素子の断面を撮影した像における各層厚さの平均値を用いる。なお、透明基板の厚さは、SEM(走査型電子顕微鏡)により計測した値を用いる。
本明細書における「AlGaN」は、Al組成比をαとするとAlαGa1-αNであることを意味する。本発明におけるAlGaNのAl組成比αの値は、層断面に対するTEM-EDS(エネルギー分散型X線分光)測定の結果から特定する。Al組成比αは、規定がなければ0以上1以下の範囲内である。
本明細書におけるドーパント濃度は、SIMS(二次イオン質量分析)により測定した値を用いる。なお、アンドープとはMOCVD成長時にMgやSi等の特定のドーパントの原料ガスを意図的には供給しないことをいい、製造過程におけるC、H、Oのような不可避的な不純物が含まれていても良い。また、本明細書におけるi型とは、アンドープであって、キャリア密度が4×1016cm-3以下であることをいう。
以下、本発明に係る紫外線発光素子(以下、発光素子と記載することがある)の詳細について説明する。本発明における紫外線発光素子は、光取り出し面を有する透明基板(以下、基板と記載することがある)と、この透明基板上のAlN層と、このAlN層上のn型半導体層と、このn型半導体層上の量子井戸型発光層(以下、発光層と記載することがある)と、この量子井戸型発光層直上のp側半導体層と、このp側半導体層直上の反射電極と、を備える。p側半導体層は、量子井戸型発光層上のp型電子ブロック層と、p型電子ブロック層上のp型クラッド層と、p型クラッド層上のp型コンタクト層と、を有してもよい。そして、このp側半導体層の厚さL(nm)は、量子井戸型発光層による発光中心波長λ(nm)、p側半導体層の屈折率n、自然数k、量子井戸型発光層からp側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、2L/cosθ=λ(2k+1)/2nであり、かつ、出射角θが、透明基板の主面と側面が平坦面であるとした(平坦面であると仮定した)場合に透明基板から空気に対して光取り出しされない角度(すなわち、透明基板と空気の界面で全反射を起こす角度)となる範囲内である。
d=λ(2k+1)/2n ・・・(1)
ここで、光路長d(nm)は、p側半導体層10の厚さL(nm)と、発光層4からp側半導体層10内に向かう光の出射角θを用いて、式(2)で表される。
d=2L/cosθ ・・・(2)
これらの式(1)と(2)より、以下の式(3)が導出される。
2L/cosθ=λ(2k+1)/2n ・・・(3)
2L/cosθ=204nm ・・式(4)
この値となるp側半導体層10の厚さL(nm)と、発光層からp側半導体層10内に向かう光の出射角θの組み合わせ範囲で共振が生じるはずである。
θ1=23.6°のとき、d=204nmとなるL1=93.5nm
θ2=36.8°のとき、d=204nmとなるL2=81.7nm
となる。つまり、主面と側面が平坦面である場合は、p側半導体層10のLが93.5nmより厚ければ、θ1より小さい角度で共振が生じて主面からの光取り出しにおいて強い発光出力が生じるはずである。
ここで、図2のファーフィールド測定の概略図を参照しつつ、ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度について説明する。まず、ファーフィールド測定では、暗室内で、発光素子100の基板成長方向に沿った垂直軸の延長線上に配置された受光素子200の位置を配光角0°とする。そして、発光素子100に対して受光素子200の位置をマイナス90°から0°の位置を経由した後、プラス90°の位置まで公転させながら、それぞれの角度で受光素子200が受けた発光強度を測定、図示することで配光パターンを得る。このとき、受光素子200の受光部は直径3.9mmとし、発光素子100と受光素子200との間隔は100mmとし、発光素子100はフリップチップ方式で球状Auバンプを用いてAlN製サブマウントに実装した状態で測定することができる。
また、本発明において、n型半導体層3、p型電子ブロック層6、p型クラッド層7は、水平方向における組成が均一であることが好ましい。組成の分析は、断面の厚さ中央付近において、水平方向(透明基板表面と水平の方向)の2μm以上3μm以下の長さの範囲においてEDSによる連続組成分析により行う。ここで「水平方向における組成が均一である」とは、この分析範囲のAl組成比において計算されるバンドギャップの最大値と最小値の差を最大値で除した値((最大値-最小値)/最大値であり、以下、「水平方向の組成揺らぎの割合」という)が4.8%以下であることをいう。水平方向における組成が均一である方が、上述する光の共振は起こりやすいと考えられる。
引き続き図3を参照する。紫外線発光素子100の製造方法は、光取り出し面となる透明基板1の主面と反対側の面上にAlN層11を形成する工程と、AlN層11の上にn型半導体層3を形成するn型半導体層形成工程と、n型半導体層3の上に量子井戸型発光層4を形成する量子井戸型発光層形成工程と、量子井戸型発光層4の直上にp側半導体層10を形成するp側半導体層形成工程と、p側半導体層10の直上に反射電極91を形成する反射電極形成工程と、透明基板1を個片化する個片化工程と、を少なくとも含む。また、p側半導体層形成工程は、量子井戸型発光層4の上にp型電子ブロック層6を形成するp型電子ブロック層形成工程と、p型電子ブロック層6の上にp型クラッド層7を形成するp型クラッド層形成工程と、p型クラッド層7の上にp型コンタクト層8を形成するp型コンタクト層形成工程と、を含むことが好ましい。そして、p側半導体層10の厚さL(nm)が、量子井戸型発光層4による発光中心波長λ(nm)、p側半導体層10の屈折率n、自然数k、量子井戸型発光層4からp側半導体層10内に向かう光の出射角θに対して、2L/cosθ=λ(2k+1)/2nであり、かつ、出射角θが、透明基板1の主面と側面が平坦面であるとした場合に主面から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるようにp側半導体層10を形成する。なお、本発明においては、透明基板1上にAlN層11を形成することが好ましい。また、紫外線発光素子100の製造方法は、透明基板1と、n型半導体層3との間にバッファ層2を形成することが好ましく、バッファ層2は基板から順に第一バッファ層21及び第二バッファ層22を有することも好ましい。さらに、発光層4の上にi型ガイド層5を形成することも好ましい。以下、各工程における構成を順次説明する。
まず、透明基板1を用意する。透明基板1は、発光中心波長に対して透明であり、光取り出し面を有し、III族窒化物をエピタキシャル成長することが可能な公知の基板を用いることができる。例えば、サファイア基板、AlNバルク基板、またはAlGaN基板を使用できる。ここで、透明基板1は、反射電極91側とは反対側の主表面及び側面を光取り出し面とする。本発明では、透明基板1がサファイア基板である場合を例示して以下説明する。
また、AlNテンプレート基板上にはバッファ層2を形成することが好ましい。バッファ層2は、透明基板1上のAlN層11とn型半導体層3との間に位置し、透明基板1及びAlN層11とn型半導体層3との間の格子定数差を緩和する層である。バッファ層2はAl組成比が一定の単一のAlGaN層、Al組成比の異なる複数のAlGaN層を積層させた層、又は、Al組成比傾斜層により構成されることが好ましい。また、バッファ層2は、アンドープとすることが好ましい。バッファ層2の厚さは、例えば500nm以上2000nm以下であることが好ましい。
n型半導体層3は、Al組成比xを有するAlxGa1-xNにSiなどのn型ドーパントを含有してn型半導体として機能する層である。n型ドーパントの濃度は1×1018cm-3から5×1019cm-3程度であることが好ましい。n型半導体層形成工程の一例では、n型半導体層3はAlNテンプレート基板上にバッファ層2を形成した後に、バッファ層2における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
量子井戸型発光層4は、複数の井戸層41と複数の障壁層42(バリア層)とを有し、これらが交互に積層された層である。量子井戸型発光層4としては、例えばAlGaNからなる層を含む層が挙げられる。すなわち、量子井戸型発光層4は、発光中心波長に応じたAl組成比を有する井戸層41と、井戸層41を挟む障壁層42とを有し、井戸層41と障壁層42の組み合わせを1ペア以上繰り返す構成とすることができる。量子井戸型発光層4の両面は障壁層42である。量子井戸型発光層形成工程の一例では、量子井戸型発光層4は、n型半導体層3を形成した後に、n型半導体層3における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
i型ガイド層5は、障壁層42のAl組成比bよりも高いAl組成比を有し、厚さが0.7nm以上1.3nm以下のi型層である。i型ガイド層5のAl組成比は、後述するp型電子ブロック層6のAl組成比yよりも高いことが好ましく、最も好ましくはAlNである。発光層形成工程の一例では、i型ガイド層5は、発光層4を形成した後に、発光層4における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
p型電子ブロック層6としては、例えばAl組成比yを有するAlyGa1-yNからなるp型半導体として機能する層が挙げられる。p型電子ブロック層6にドープされるp型ドーパント(p型不純物)は、例えばMgである。p型ドーパントの濃度は1×1018cm-3から5×1019cm-3程度であってよい。p型電子ブロック層6は、i型ガイド層5を形成した後に、i型ガイド層5における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成することができる。
p型クラッド層7としては、例えばAl組成比zを有するAlzGa1-zNからなるp型半導体として機能する層が挙げられる。p型クラッド層7をAlzGa1-zNとしたとき、Al組成比zは0.17以上0.27以下であることが好ましい。p型クラッド層7にドープされるp型ドーパントは、例えばMgである。p型ドーパントの濃度は1×1018cm-3から5×1019cm-3程度であってよい。p型クラッド層形成工程の一例では、p型クラッド層7は、p型電子ブロック層6を形成した後に、p型電子ブロック層6における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
p型コンタクト層8は、Al組成比cを有するAlcGa1-cNからなるp型半導体として機能する層であり、Al組成比cが0.15以下であることが好ましく、最も好ましくはGaNである。p型コンタクト層8にドープされるp型ドーパントとしては、例えばMgが挙げられる。p型ドーパントの濃度は1×1019cm-3から5×1021cm-3程度であってよい。p型コンタクト層形成工程の一例では、p型コンタクト層8は、p型クラッド層7を形成した後に、p型クラッド層7における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
反射電極91としては、p型コンタクト層8に用いることが可能な公知の電極を選択すればよい。反射電極91は、発光中心波長の反射率が50%以上ある反射電極であることが好ましい。反射電極91としては、例えば、第一の金属(Ni)と第二の金属(Au、Rh)の組み合わせや、導電性の金属窒化物を用いることができる。反射電極91を反射電極とする場合は、反射電極91にRhを含有させることが好ましい。反射電極形成工程の一例では、p型コンタクト層8上(p型コンタクト層8における、AlNテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面上)の反射電極91を形成する。
発光素子100をフリップチップ型の発光素子とする場合、図3に示すように、n型半導体層3よりも上にあるn型ガイド層31及び発光層4からp型コンタクト層8までの一部をドライエッチング法により除去して、n型半導体層3の一部を露出させ、露出したn型半導体層3上(本発明では、発光層4と同じ側の面上)の一部にn側電極92を形成してもよい。なお、変形例として、n型半導体層3の一部を露出させた後に、露出させたn型半導体層3上に、Al組成比がn型半導体層3よりも低く、そのAl組成比が0以上0.20以下のAlGaNからなり、n型ドーパントをドープした層を形成し、その上にn側電極92を形成しても良い。
サファイア基板(直径2インチ、厚さ430μm、面方位(0001)、m軸方向オフ角θ:0.5°)を用意して、成長温度を1200℃とするMOCVD法により、上記サファイア基板上にウエハ中心部の膜厚600nmのAlN層を成長させた。その後、熱処理炉により窒素ガス雰囲気で1650℃で4時間加熱して、AlNテンプレート基板を得た。
・計測範囲300μm×300μm(側面の中心に計測範囲の中心に合わせて計測)
・レンズ倍率10倍
・画素数1024×768
とし、具体的な面粗さ測定装置の入力パラメータとしては以下のとおりとした。
・Sxp : p=2.5%
・Vvv : p=80.0%
・Vvc : p=10.0%,q=80.0%
・Vmp : p=10.0%
・Vmc : p=10.0%,q=80.0%
そして、ISO25178-2:2012に従って、算術平均高さ(Sa)を求めた。4つのサンプルを用いてレーザースクライバで切断された側面に対して測定を行い、計4点のSaの平均値は3.5μmであった。図4に分離後のサファイア基板の側面の、上記形状解析レーザ顕微鏡での撮影像を示す。
実施例2では、p型ブロック層の厚さを54nmとし、p型クラッド層の厚さを29nmにした以外は、実施例1と同様の条件で発光素子を作製した。p型ブロック層とp型クラッド層を合わせた合計膜厚は83nmであった。i型ガイド層及びp型コンタクト層を含めたp側半導体層の合計厚さ(L)は88nmであった。
実施例3では、p型ブロック層の厚さを38nmとし、p型クラッド層の厚さを41nmにした以外は、実施例1と同様の条件で発光素子を作製した。p型ブロック層とp型クラッド層を合わせた合計膜厚は79nmであった。i型ガイド層及びp型コンタクト層を含めたp側半導体層の合計厚さ(L)は84nmであった。
比較例1では、p型ブロック層の厚さを11nm、p型クラッド層の厚さを53nmにした以外は、実施例1と同様の条件で発光素子を作製した。p型ブロック層とp型クラッド層を合わせた合計膜厚は64nmであった。i型ガイド層及びp型コンタクト層を含むp側半導体層の合計厚さ(L)は69nmであった。
比較例2では、p型ブロック層の厚さを70nm、p型クラッド層の厚さを29nmにした以外は、実施例1と同様の条件で発光素子を作製した。p型ブロック層とp型クラッド層を合わせた合計膜厚は99nmであった。i型ガイド層及びp型コンタクト層を含むp側半導体層の合計厚さ(L)は104nmであった。
比較例3では、p型ブロック層の厚さを22nm、p型クラッド層の厚さを41nmにした以外は、実施例1と同様の条件で発光素子を作製した。p型ブロック層とp型クラッド層を合わせた合計膜厚は63nmであった。i型ガイド層及びp型コンタクト層を含むp側半導体層の合計厚さ(L)は68nmであった。
実施例、比較例のそれぞれの発光素子は、フリップチップ方式で球状Auバンプを用いてAlN製サブマウント(サイズ2mm×2mm、厚さ0.2mm)に実装した。更にAlN製サブマウントにAl製ヒートシンクを接続した状態で、定電流電源装置を用いて350mAの通電を行い、その際の順方向電圧(Vf)を測定すると共に光取り出し面を有するサファイア基板側を積分球の中心に向けるように積分球内に挿入して全光束の発光出力(Po)の測定を行った。
ファーフィールド測定手法の詳細は、図2を参照して前述したとおりである。ファーフィールド測定により得られた配光パターンのピーク角度と平均ピーク角度の値を表3に示す。また、実施例及び比較例で得られた発光素子のファーフィールド測定により得られた配光パターンを図5及び図6に示す。このとき、測定一回目のピーク角度をピーク角度1とし、ピーク角度1はさらに0°から90°の範囲におけるプラス側ピーク角度と、0°から-90°の範囲におけるマイナス側ピーク角度を含むものとする。同様にして測定2回目から測定4回目までのピーク角度2からピーク角度4を表3に示す。なお、4回の各配光パターンの測定において、ピーク角度がそれぞれ異なるのは、発光素子の電極形状が上記4回の回転に対して非対称であるためである。
10 :p側半導体層
11 :AlN層
100 :紫外線発光素子
2 :バッファ層
21 :第一バッファ層
22 :第二バッファ層
3 :n型半導体層
31 :n型ガイド層
4 :量子井戸型発光層
41 :井戸層
42 :障壁層
5 :i型ガイド層
6 :p型電子ブロック層
7 :p型クラッド層
8 :p型コンタクト層
91 :反射電極
92 :n側電極
200 :受光素子
Claims (6)
- 光取り出し面となる主面を有する透明基板と、
前記透明基板上のAlN層と、
前記AlN層上のn型半導体層と、
前記n型半導体層上の量子井戸型発光層と、
前記量子井戸型発光層直上のp側半導体層と、
前記p側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、
前記透明基板の側面は粗面であって、算術平均高さSaの平均値が2μm以上であり、
前記p側半導体層の厚さL(nm)は、
前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ(nm)、前記p側半導体層の屈折率n、自然数k、前記量子井戸型発光層から前記p側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式(1)
2L/cosθ=λ(2k+1)/2n・・・(1)
であって前記自然数kの値が1であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。 - 前記出射角θが23.6°以上36.8°以下であり、
ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度が24°以上37°以下である請求項1に記載の紫外線発光素子。 - 前記p側半導体層は、
前記量子井戸型発光層上のp型電子ブロック層と、
前記p型電子ブロック層上のp型クラッド層と、
前記p型クラッド層上のp型コンタクト層と、を有し、
前記n型半導体層、前記p型電子ブロック層、前記p型クラッド層の各層は、水平方向における組成が均一である、請求項1又は2に記載の紫外線発光素子。 - 前記p型クラッド層の厚さを前記p型電子ブロック層の厚さで除した値が0.4以上である請求項3に記載の紫外線発光素子。
- 光取り出し面となる透明基板の主面と反対側の面上に
AlN層を形成する工程と、
前記AlN層の上にn型半導体層を形成するn型半導体層形成工程と、
前記n型半導体層の上に量子井戸型発光層を形成する量子井戸型発光層形成工程と、
前記量子井戸型発光層の直上にp側半導体層を形成するp側半導体層形成工程と、
前記p側半導体層の直上に反射電極を形成する反射電極形成工程と、
前記透明基板を個片化する個片化工程と、
を含む紫外線発光素子の製造方法であって、
前記個片化工程では前記透明基板の側面を、算術平均高さSaの平均値が2μm以上の粗面にしており、
前記p側半導体層の厚さL(nm)が、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ(nm)、前記p側半導体層の屈折率n、自然数k、前記量子井戸型発光層から前記p側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式(1)
2L/cosθ=λ(2k+1)/2n・・・(1)
であって前記自然数kの値が1であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるように前記p側半導体層を形成する、紫外線発光素子の製造方法。 - 前記p側半導体層形成工程は、
前記量子井戸型発光層の上にp型電子ブロック層を形成するp型電子ブロック層形成工程と、
前記p型電子ブロック層の上にp型クラッド層を形成するp型クラッド層形成工程と、
前記p型クラッド層の上にp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、
を含む、請求項5に記載の紫外線発光素子の製造方法。
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