JP2006278554A - AlGaN系深紫外発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 直列抵抗を大幅に下げた縦型電極構造を有する発光効率の高いAlGaN系深紫外発光素子を提供すること。
【解決手段】 本発明によるAlGaN系深紫外発光素子は、順にn型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層を、ならびに必要によりp型GaN層を含み、さらに該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部にn層電極を、そして該p型AlGaN層または該p型GaN層の表面の少なくとも一部にp層電極を、当該駆動電流が各層内を各境界面に対して実質的に法線方向に流れるように形成させたAlGaN系深紫外発光素子であって、該n層電極として、錫含有量10〜20質量%のインジウム錫酸化物(ITO)透明電極を使用したことを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明によるAlGaN系深紫外発光素子は、順にn型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層を、ならびに必要によりp型GaN層を含み、さらに該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部にn層電極を、そして該p型AlGaN層または該p型GaN層の表面の少なくとも一部にp層電極を、当該駆動電流が各層内を各境界面に対して実質的に法線方向に流れるように形成させたAlGaN系深紫外発光素子であって、該n層電極として、錫含有量10〜20質量%のインジウム錫酸化物(ITO)透明電極を使用したことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、発光効率の高いAlGaN系深紫外発光素子に関する。
紫外光源は、照明、ディスプレイ、蛍光分析、光触媒化学、高分解能光学機器等の多様な応用分野を有している。紫外光源用発光素子として窒化物半導体が知られており、とりわけ直接遷移型のワイドギャップ窒化物半導体で、波長200〜350nmの深紫外発光が可能な窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)に注目が集まっている。
AlGaN系半導体層は、バルク基板の作製が非常に困難であるため、通常はサファイア基板上へのヘテロエピタキシャル成長により形成される。また、AlGaN系発光素子の場合、p型GaN層を設けたときにはこれが紫外光を吸収するためp層電極側から光を取り出すことができず、基板側から光を取り出さなければならない点でもサファイア基板が有用である。ところがサファイア基板には導電性がないため、従来のAlGaN系発光素子は、n層電極がp層電極の側方に位置する横型電極構造を採用している(特許文献1)。
しかしながら、n層電極がp層電極の側方に位置する横型電極構造には、電流がn型AlGaN層中を横方向に流れなければならないため、直列抵抗が高くなるという問題がある。直列抵抗が高くなると動作時の自己発熱量が増大し、キャリアの注入効率への悪影響も懸念される。また、この問題は高出力動作時には一層顕著となる。さらに、電極を通して光を取り出す場合には、発光効率の観点から当該放出光の波長に対する透過性の高い材料が求められる。
そこで、本発明は、直列抵抗を大幅に下げることで駆動効率を高め、また発熱を抑えて高出力動作を可能とする素子構造を有し、さらに深紫外光域での透過性が高い電極材料を採用することにより発光効率を高めたAlGaN系深紫外発光素子を提供することを目的とする。
本発明によると、順にn型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層を、ならびに必要によりp型GaN層を含み、さらに該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部にn層電極を、そして該p型AlGaN層または該p型GaN層の表面の少なくとも一部にp層電極を、当該駆動電流が各層内を各境界面に対して実質的に法線方向に流れるように形成させたAlGaN系深紫外発光素子であって、該n層電極として、錫含有量10〜20質量%のインジウム錫酸化物(ITO)透明電極を使用したことを特徴とするAlGaN系深紫外発光素子が提供される。
本発明によると、n層電極とp層電極とが上下に位置する縦型電極構造を実現したことにより、AlGaN系深紫外発光素子の直列抵抗が劇的に下がる。このため、発光素子の駆動効率を高めることができ、また高出力動作時の発熱が抑えられる。さらに、深紫外光域での透過率を高めた高錫濃度ITO透明電極を採用したことにより、AlGaN系深紫外発光素子の発光効率が一層向上する。
また本発明によると、サファイア基板上にGaNバッファ層、n型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層および必要によりp型GaN層を順次積層させ、次いで該p型AlGaN層または該p型GaN層の上にp層電極を形成させた後、該p層電極の上に導電性支持体を接合させ、次いで該サファイア基板側から所定の波長を有するレーザーを照射することにより該GaNバッファ層を融解させて該サファイア基板と共に除去し、これにより露出された該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部に、n層電極として錫含有量10〜20質量%のインジウム錫酸化物(ITO)透明電極を温度400℃以上で蒸着形成させることを特徴とするAlGaN系深紫外発光素子の製造方法が提供される。
図1に、本発明によるAlGaN系深紫外発光素子の好適例を示す。本発明による深紫外発光素子は、n型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層およびp型AlGaN層を、ならびに必要によりp型GaN層を順次積層させ、さらに該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部にn層電極としてITO透明電極を形成させ、かつ、該p型AlGaN層(または使用した場合にはp型GaN層)の表面の少なくとも一部にp層電極を形成させた構造を有する。本発明による深紫外発光素子は、n層電極とp層電極とが上下に位置する縦型電極構造となっているため、両電極間の直列抵抗が、従来の横型電極構造をとる深紫外発光構造体と比較して劇的に、例えば100分の1程度にまで、低下する。
n型AlGaN層の材料としては、後述するAlGaN系量子井戸活性層の材料よりもバンドギャップが大きくなるように設計されたn型AlGaN系化合物半導体が使用される。このようなn型AlGaN系化合物半導体の設計は、当業者であれば適宜を行うことができる。n型AlGaN層の材料の好適例として、Al組成が30原子%(Ga組成は70原子%)程度のn型AlGaN系化合物半導体が挙げられる。このn型AlGaN系化合物半導体にドープされるn型ドーパントとしては、例えばシラン、テトラエチルシリコン等のSi源が挙げられる。n型ドーパントは、n型AlGaN層のキャリア濃度が2〜3×1018cm-2程度になるような量でドープすればよい。n型AlGaN層の厚さは、一般に1〜2μmの範囲内とすればよい。
AlGaN系量子井戸活性層の材料としては、波長200〜350nmの深紫外発光が可能ないずれのAlGaN系化合物半導体でも使用することができる。また、量子井戸活性層の材料は、上記n型AlGaN層の材料および後述するp型AlGaN層の材料よりもバンドギャップが小さくなるように設計される。量子井戸活性層は単一量子井戸(SQW)構造であっても多重量子井戸(MQW)構造であってもよい。量子井戸活性層の好適例として、AlxGa1−xN/AlyGa1−yN系量子井戸活性層(x=0.15、y=0.20)であって、膜厚がそれぞれ3nm/8nmであるものを3〜5周期形成させたMQW構造が挙げられる。
p型AlGaN層の材料としては、上記AlGaN系量子井戸活性層の材料よりもバンドギャップが大きくなるように設計されたp型AlGaN系化合物半導体が使用される。このようなp型AlGaN系化合物半導体の設計は、当業者であれば適宜行うことができる。p型AlGaN層の材料の好適例として、Al組成が24〜30原子%(Ga組成は70〜76原子%)程度のp型AlGaN系化合物半導体が挙げられる。このp型AlGaN系化合物半導体にドープされるp型ドーパントとしては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム等のMg源が挙げられる。p型ドーパントは、p型AlGaN層のキャリア濃度が1×1017cm-2程度になるような量でドープすればよい。p型AlGaN層の厚さは、一般に10〜100nmの範囲内とすればよい。
必要に応じて、後述するp層電極との接触抵抗を下げるため、p型GaN層が積層されてもよい。使用する場合、p型GaN層の材料としては、上記p型AlGaN層よりもバンドギャップが大きくなるように設計されたp型GaN系化合物半導体が使用される。例えば、p型GaNの他、上記p型AlGaN層を構成するp型AlGaNとは組成が異なるp型AlGaNを使用してもよい。p型GaN系化合物半導体にドープされるp型ドーパントとしては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム等のMg源が挙げられる。p型ドーパントは、p型GaN層のキャリア濃度が5×1017cm-2程度になるような量でドープすればよい。p型GaN層の厚さは、一般に10〜200nmの範囲内とすればよい。
本発明による深紫外発光素子は、上記n型AlGaN層の表面の少なくとも一部に形成させたn層電極として、錫を高濃度で含むインジウム錫酸化物(ITO)透明電極が用いられる。本発明において「高濃度」とは、一般的に用いられているITOの錫含有量8〜10質量%より高い濃度であることを意味する。具体的には、本発明によるn層電極としては、錫含有量10質量%以上、好ましくは12〜25質量%、より好ましくは15〜20質量%のITO透明電極を使用する。錫を高濃度で含むことにより、深紫外光域での透過性が向上し、放出された深紫外光の電極による損失が少なくなる分、発光効率が高くなる。本発明による高錫濃度ITO透明電極は深紫外光に対する透過性が高いため、n層電極でn型AlGaN層の全面を被覆することができる。もちろん、n型AlGaN層の表面の一部のみにITO透明電極を形成させてもよい。例えば、ITO透明電極の形状を櫛形やストライプ状にし、その隙間から光を取り出すことができる。ITO透明電極の厚さは、導電性と透明性の兼ね合いで決まり、一般に100〜500nm、好ましくは200〜400nmの範囲内とすればよい。
本発明による深紫外発光素子は、上記p型AlGaN層(または使用した場合にはp型GaN層)の表面の少なくとも一部に形成させたp層電極を含む。本発明による深紫外発光素子は、放出光をITO透明電極側から取り出すので、p層電極の透光性は問題とならず、p型AlGaN層またはp型GaN層へ正孔を効率よく注入することができるものであればp層電極の材料に特に制限はない。p層電極の材料の好適例として、Ni/Au、Pt/Pd/Au、Pt、Pd/Ni/Au、Pd/Ag/Au/Ti/Au、Ni/ITO、Pd/Re、Ni/ZnO,Ni(Mg)/Au、Ni(La)/Au等が挙げられる。p層電極の厚さは、一般に20〜3000nmの範囲内とすればよい。
以下、上述した本発明による深紫外発光素子の製造方法を説明する。図2に、本発明による製造方法の好適例を示す。図2(A)に示したように、サファイア基板上にGaNバッファ層、n型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層および必要によりp型GaN層を順次積層させる。ここで、GaNバッファ層は、サファイア基板とGaNバッファ層の上に成長させるn型AlGaN層、及びそれに引き続いて成長させる各層との間の格子不整合を緩和してミスフィット転位を防止することの他、後述のレーザー照射により融解除去されることを目的として設けられる。このGaNバッファ層の厚さは1nm〜数百μmといった広い範囲で設定することができる。このGaNバッファ層は、後に除去されて深紫外発光素子の一部を構成しないため、結晶質であっても非晶質であってもよく、さらには厚さが数μm〜数百μmといった場合は、サファイア基板上に形成された厚膜GaNテンプレートウェハとして市販されているような形態でもよい。各層の積層には、当該技術分野で公知のエピタキシャル成長法、例えば有機金属気相体積法(MOCVD法)を採用することができる。また、当業者であれば、上述した各層の組成および特性を実現するために必要な原料ガス、ドーパントガス、キャリアガス、層成長温度その他の製造条件を適宜選定することができる。
次いで、図2(B)に示したように、p型GaN層(p型GaN層を使用しない場合にはp型AlGaN層)の上にp層電極を形成させた後、必要により導電性接着剤を介してp層電極の上に導電性支持体を接合させる。p層電極の形成は、当該技術分野で公知の蒸着法を採用することができる。導電性支持体は、サファイア基板除去後に発光素子を支持する役割を担うと共に、p層電極への電流注入機能をも有する。導電性支持体の材料としては、GaAs、SiC、Si、Ge、C、Cu、Al、Mo、Ti、Ni、W、Ta、Au/Ni等が挙げられる。導電性支持体の厚さは、一般に50〜5000μmの範囲内とすればよい。導電性接着剤を使用する場合、例えばAu/Ge系半田を厚さ0.5〜100μm程度で使用することができる。導電性接着剤を使用しない場合、p層電極の上に直接導電性支持体を配置して加熱処理することによりp層電極に導電性支持体を接合させることができる。特に、半田を使用しないことは、後述するITO透明電極の蒸着時の基板温度を高くすることができ、よって得られるITO透明電極の深紫外光透過率が一層高くなる点で、好ましい。
次いで、図2(C)に示したように、該サファイア基板側から所定の波長を有するレーザーを照射することにより該GaNバッファ層を融解させる。レーザーとしては、例えばNd−YAGレーザーの第3高調波(355nm)または第4高調波(266nm)を使用すればよい。このようなレーザーをサファイア基板側から照射することによりGaNバッファ層が融解し、これと共に該サファイア基板が容易に除去される。
その後、図2(D)に示したように、サファイア基板およびGaNバッファ層が除去されたことにより露出されたn型AlGaN層の表面の少なくとも一部に、錫濃度の高いITO透明電極を形成させる。このようなITO透明電極の形成は、当該技術分野で公知の蒸着法を採用することができる。例えば、酸化錫(SnO2)と酸化インジウム(In2O3)をSn含有量が10質量%以上、好ましくは12〜25質量%、より好ましくは15〜20質量%となるように混合した混合物を原料として、レーザーを用いた真空蒸着法を採用することができる。ITO透明電極は、一般に200℃程度の基板温度で蒸着される。しかし、本発明による深紫外発光素子の製造方法によると、高錫濃度ITO透明電極の蒸着時の基板温度を、各層に悪影響を及ぼさない範囲内で可能な限り高い温度にすることが、深紫外光域(波長200〜350nm)での透過率を高める上で好ましい。このことを示すため、ITO蒸着時の基板温度が深紫外光透過率に与える影響を示すグラフを図3に示す。グラフから、波長330nmを中心とする深紫外光透過率が、ITO(錫濃度10質量%)蒸着時の基板温度を400℃、600℃、800℃と高くするにつれて高くなることがわかる。したがって、高錫濃度ITO電極の蒸着時の基板温度は、好ましくは400℃以上、より好ましくは600℃以上、さらに好ましくは800℃以上である。このように、本発明の製造方法によると、AlGaN系深紫外発光素子において初めてn層電極とp層電極とが上下に位置する縦型電極構造が実現され、その際、深紫外光透過率を高めた高錫濃度ITO透明電極をn層電極に採用したことにより、AlGaN系深紫外発光素子の発光効率が一層向上する。
例1
図2に示した製造手順に従い、以下のように本発明によるAlGaN系深紫外発光素子を製造した。各層の結晶成長に際しては、有機金属気相堆積法(MOCVD)を使用した。また、キャリアガスには水素(H2)を使用した。但し、p層電極と導電性支持体との接合は、後のITO電極の蒸着時の基板温度を高めるため、半田を用いずに行った。
図2に示した製造手順に従い、以下のように本発明によるAlGaN系深紫外発光素子を製造した。各層の結晶成長に際しては、有機金属気相堆積法(MOCVD)を使用した。また、キャリアガスには水素(H2)を使用した。但し、p層電極と導電性支持体との接合は、後のITO電極の蒸着時の基板温度を高めるため、半田を用いずに行った。
所定の結晶成長装置にC面サファイア基板を装填した。Ga源としてトリメチルガリウム(TMG)を、そして窒素源としてアンモニア(NH3)を供給し、温度550℃において、サファイア基板上に厚さ20nmのGaN層をバッファ層として成長させた。
続いて、温度を1120℃に上昇させ、Ga源としてTMGを、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)を、窒素源としてNH3を、そしてn型ドーパント源としてテトラエチルシリコン(TESi)を供給し、GaNバッファ層の上に厚さ1μmのn型Al0.3Ga0.7N層を成長させた。
続いて、温度を1120℃に維持したまま、Ga源としてTMGを、Al源としてTMAを、そして窒素源としてNH3を供給するに際し、TMGとTMAの流量を変更することにより、n型Al0.3Ga0.7N層の上に8nm厚のAl0.2Ga0.8N障壁層と3nm厚のAl0.15Ga0.85N井戸層が5周期からなるAlGaN系多重量子井戸活性層を成長させた。
続いて、温度を1120℃に維持したまま、Ga源としてTMGを、Al源としてTMAを、窒素源としてNH3を、そしてp型ドーパント源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)を供給し、AlGaN系多重量子井戸活性層の上に厚さ40nmのp型Al0.3Ga0.7N層を成長させた。
続いて、温度を1080℃とし、Ga源としてTMGを、窒素源としてNH3を、そしてp型ドーパント源としてCP2Mgを供給し、p型Al0.3Ga0.7N層の上に厚さ40nmのp型GaN層を成長させた。
続いて、結晶成長装置から上記結晶成長法で形成した半導体積層体を取り出し、電気炉(真空理工株式会社製:HPC−5000)で、窒素雰囲気中30分、850℃でp型化の活性化アニールを行った。次いで、活性化アニールを行った後、70℃の王水で10分間表面処理を行った積層体を蒸着装置(アネルバ株式会社製:型式VI−43N)に装着し、p型GaN層の上に厚さ20nmのNiと厚さ700nmの金を連続して蒸着した。蒸着後、積層体を蒸着装置から取り出し、電気炉(真空理工株式会社製:HPC−5000)で、450℃5分間、窒素含有量80%および酸素含有量20%の混合ガス雰囲気中でアニールを行いp型電極を形成した。p型電極を形成後、張り合わせ工程のために、積層体を適当なサイズに切断した。積層体をサポートする厚さ350μmのGaAsからなる導電性支持体を適当なサイズに切断した後、アセトン、メタノール、超純水で洗浄し、乾燥させた。乾燥後、支持体の上に厚さ40μmの金ゲルマニウム合金(金:12%)を配置し、その後積層体のp型電極面を下にして配置し、電気炉(真空理工株式会社製:HPC−5000)で、窒素雰囲気中、450℃で5分間加熱を行い積層体と支持体を接合させた。
次いで、サファイア基板側から、QスイッチLD励起Nd:YVOレーザー(スペクトラフィジックス株式会社製:型式BL6S−266Q)(波長266nm)を照射してGaNバッファ層を融解させた。その後、半導体積層体を約50℃に加熱してサファイア基板を除去した。
サファイア基板の除去により露出されたn型AlGaN層の表面をCMP法で研磨した。次いで、レーザー堆積装置(日本真空株式会社製)を用い、SnO2とIn2O3をSn含有量が15質量%となるように混合した混合物から、温度800℃において、n型Al0.3Ga0.7N層の上に厚さ300nmの高錫濃度ITO電極からなるn層電極を蒸着した。
ITO電極を堆積させて得られた発光素子に電流10mAを注入して発光スペクトルを測定したところ、例1で得られた発光素子は深紫外光域の波長330nm付近にピークを有することがわかった。また、この発光素子の直列抵抗を測定したところ約1Ωであった。この値は、従来の横型電極構造を有するAlGaN系深紫外発光素子における直列抵抗約100Ωの100分の1である。さらに、ITO電極を800℃で蒸着したため深紫外光波長における透過率が高くなり、発光素子の発光効率が向上した。
Claims (2)
- 順にn型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層を、ならびに必要によりp型GaN層を含み、さらに該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部にn層電極を、そして該p型AlGaN層または該p型GaN層の表面の少なくとも一部にp層電極を、当該駆動電流が各層内を各境界面に対して実質的に法線方向に流れるように形成させたAlGaN系深紫外発光素子であって、該n層電極として、錫含有量10〜20質量%のインジウム錫酸化物(ITO)透明電極を使用したことを特徴とするAlGaN系深紫外発光素子。
- サファイア基板上にGaNバッファ層、n型AlGaN層、AlGaN系量子井戸活性層、p型AlGaN層および必要によりp型GaN層を順次積層させ、次いで該p型AlGaN層または該p型GaN層の上にp層電極を形成させた後、該p層電極の上に導電性支持体を接合させ、次いで該サファイア基板側から所定の波長を有するレーザーを照射することにより該GaNバッファ層を融解させて該サファイア基板と共に除去し、これにより露出された該n型AlGaN層の表面の少なくとも一部に、n層電極として錫含有量10〜20質量%のインジウム錫酸化物(ITO)透明電極を温度400℃以上で蒸着形成させることを特徴とするAlGaN系深紫外発光素子の製造方法。
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