JP7604311B2 - Ultraviolet semiconductor light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、紫外半導体発光素子、特に紫外光を放出する窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to an ultraviolet semiconductor light-emitting device, in particular a nitride semiconductor light-emitting device that emits ultraviolet light.
近年、細菌やウイルスの不活化作用及び殺菌効果を有する光源として深紫外領域を発光波長帯域とする半導体発光素子が注目されている。 In recent years, semiconductor light-emitting devices that emit light in the deep ultraviolet region have been attracting attention as light sources that have the effect of inactivating and sterilizing bacteria and viruses.
例えば、特許文献1には、電子ブロック層上のp型半導体層が組成傾斜層であるAlGaN系の半導体発光素子が開示されている。
For example,
また、特許文献2及び3には、電子ブロック層にSi及びMgをドープした3族窒化物半導体発光素子が開示されている。
従来の紫外半導体発光素子においては、高効率かつ高出力のみならず高信頼性の素子を実現することが困難であった。特に、高い光出力を得るために大きな電流で駆動した場合、早期に素子の劣化が進行するという問題があった。すなわち、高出力特性と高信頼性(長寿命)を両立することは困難であった。 In conventional ultraviolet semiconductor light-emitting devices, it was difficult to realize devices that were not only highly efficient and high-output, but also highly reliable. In particular, when driven with a large current to obtain high optical output, there was a problem in that the device deteriorated early. In other words, it was difficult to achieve both high output characteristics and high reliability (long life).
本願の発明者は、高効率及び高出力な素子ほど通電後の出力低下が大きく、素子寿命が低下するというトレードオフ関係及び劣化のメカニズムについての知見を得た。本願発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、高効率かつ高出力で、劣化が小さく優れた素子寿命を有する紫外半導体発光素子を提供することを目的とする。 The inventors of the present application have discovered the trade-off relationship and degradation mechanism that the higher the efficiency and output of an element, the greater the drop in output after current is passed through it, and the shorter the element lifespan. The present invention was made based on this knowledge, and aims to provide an ultraviolet semiconductor light-emitting element that is highly efficient and high output, has minimal degradation, and has an excellent element lifespan.
本発明の1実施態様による紫外半導体発光素子は、
n型AlGaN層、活性層、AlY1Ga1-Y1N層(0.8≦Y1≦1.0)及びp型AlY2Ga1-Y2N層(0.5≦Y2≦1.0,Y2≦Y1)がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記p型AlY2Ga1-Y2N層はアクセプタとなるp型不純物とドナーとなるn型不純物とがコドープされ、前記n型不純物の濃度(Nd)の前記p型不純物の濃度(Na)に対する濃度比(Nd/Na)が、0.009≦(Nd/Na)<0.185を満たし、
前記p型Al
Y2
Ga
1-Y2
N層の前記p型不純物の濃度は、1×10
17
~1.2×10
20
cm
-3
であり、
前記AlY1Ga1-Y1N層は、前記n型不純物を含まないか、又は前記n型不純物の濃度が前記p型AlY2Ga1-Y2N層の前記n型不純物の濃度未満である。
An ultraviolet semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention comprises:
a semiconductor structure layer in which an n-type AlGaN layer, an active layer, an AlY1Ga1 -Y1N layer (0.8≦Y1≦1.0) and a p-type AlY2Ga1 -Y2N layer (0.5≦Y2≦1.0, Y2≦Y1) are epitaxially grown in this order;
the p-type AlY2Ga1 -Y2N layer is co-doped with a p-type impurity serving as an acceptor and an n-type impurity serving as a donor, and a concentration ratio (Nd/Na) of a concentration (Nd) of the n-type impurity to a concentration (Na) of the p-type impurity satisfies 0.009≦(Nd/Na)<0.185;
the p-type impurity concentration of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer is 1×10 17 to 1.2×10 20 cm −3 ,
The Al.sub.Y1Ga.sub.1 -Y1N layer does not contain the n-type impurity, or the concentration of the n-type impurity is less than the concentration of the n-type impurity in the p-type Al.sub.Y2Ga.sub.1 -Y2N layer.
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。 In the following, preferred embodiments of the present invention will be described, but these may be modified and combined as appropriate. In the following description and accompanying drawings, substantially the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.
[紫外半導体発光素子の構造]
図1は、本発明の1実施態様による紫外半導体発光素子10の構造を模式的に示す断面図である。紫外半導体発光素子10は、紫外発光ダイオード(以下、紫外LED10と称する)であり、基板11上に、順次、n型AlGaN層12、活性層13、AlGaN層14、p型AlGaN層15及びp型GaN層16がエピタキシャル成長によって積層されて形成されている。
[Structure of ultraviolet semiconductor light-emitting element]
1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of an ultraviolet semiconductor light-emitting
図2には、紫外LED10のバンドダイアグラムが模式的に示されている。図1及び図2を参照してより詳細に説明する。
Figure 2 shows a schematic band diagram of the
基板11は、活性層中の転位密度が低くなるような転位密度の低い基板が好ましいが、特に限定されない。活性層中の転位密度を109cm-2以下、好ましくは108cm-2以下に下げられるような材料が好ましく、例えば特許文献1に記載されているようなサファイア基板上にAlN膜が積層されたAlNテンプレート基板や特許文献2に記載されている単結晶AlN基板を用いることができる。
The
AlNテンプレート基板を使用する場合は、AlN層の最表面の転位密度が109cm-2以下、さらに好ましくは108cm-2以下の物を選択することが好ましい。当該テンプレート基板におけるAlN層の成長方法は、上述の転位密度を満たしていれば特に限定されるものではなく、有機金属気相成長(MOCVD)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、スパッタリングなどの物理蒸着法を採用することができる。 When using an AlN template substrate, it is preferable to select one in which the dislocation density of the outermost surface of the AlN layer is 10 9 cm −2 or less, more preferably 10 8 cm −2 or less. The method for growing the AlN layer on the template substrate is not particularly limited as long as the above-mentioned dislocation density is satisfied, and physical vapor deposition methods such as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), and sputtering can be used.
またテンプレート基板表面粗さが大きいと、基板上に成長するAlGaN層での異常成長などの要因となるため、表面粗さ(RMS)は1.0nm以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.5nm以下である。また、この表面粗さを得るために、または成長後に表面に形成されたダメージ層を取り除くために、テンプレート基板の表面は化学機械研磨(CMP)などの公知の研磨手法で研磨してあってもよい。また、AlNテンプレート基板上には、n型AlGaN層との歪を干渉するための超格子層をさらに設けることもできる。 In addition, since a large surface roughness of the template substrate can cause abnormal growth in the AlGaN layer grown on the substrate, the surface roughness (RMS) is preferably 1.0 nm or less, and more preferably 0.5 nm or less. In order to obtain this surface roughness or to remove a damaged layer formed on the surface after growth, the surface of the template substrate may be polished by a known polishing method such as chemical mechanical polishing (CMP). In addition, a superlattice layer can be further provided on the AlN template substrate to interfere with the strain with the n-type AlGaN layer.
また、活性層中の転位密度を低減する観点からは、単結晶AlN基板を基板11として用いる方が好ましい。単結晶AlN基板の転位密度は、108cm-2以下であることが好ましく、さらに好ましくは106cm-2以下、最も好ましくは104cm-2以下である。より転位密度の低い、106cm-2以下、さらには104cm-2のAlN基板を用いることで、転位による活性層での発光効率の低減を防ぐことができ、さらには、紫外発光素子の通電時に発生する転位を介した不純物の拡散や、リーク電流の増加などの不具合も防ぐことができる。
From the viewpoint of reducing the dislocation density in the active layer, it is preferable to use a single crystal AlN substrate as the
また、単結晶AlN基板11の表面粗さ(RMS)は、上述のAlNテンプレート基板と同様の理由により、1.0nm以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.5nm以下である。当然のことながら、AlN基板においても、表面は化学機械研磨(CMP)などの公知の研磨手法で研磨してあってもよい。
Furthermore, for the same reasons as for the AlN template substrate described above, the surface roughness (RMS) of the single
また、活性層から放射される紫外光に対する基板の吸収係数が大きいと、外部へ取り出せる紫外光の総量が減少して発光効率の低下を招く懸念がある。そのため、AlN基板およびAlNテンプレートのAlN層の吸収係数は、好ましくは20cm-1以下であり、さらに好ましくは10cm-1以下である。10cm-1以下にすることで、例えばAlN基板11の板厚が100μmであっても、90%以上の直線透過率を確保することができる。
Furthermore, if the absorption coefficient of the substrate for the ultraviolet light emitted from the active layer is large, there is a concern that the total amount of ultraviolet light that can be extracted to the outside will decrease, leading to a decrease in light emission efficiency. Therefore, the absorption coefficient of the AlN substrate and the AlN layer of the AlN template is preferably 20 cm -1 or less, and more preferably 10 cm -1 or less. By making it 10 cm -1 or less, it is possible to ensure a linear transmittance of 90% or more even if the plate thickness of the
n型AlGaN層12は、Si(シリコン)ドープされたn型導電層である。n型AlGaN層のAl組成は、所望とする紫外光の発光波長に対して十分な透過性が得られるように適宜決定することができる。紫外半導体発光素子において、発光層から放出された紫外光は、n型AlGaN層12と基板11を透過して外部に放出される。また、n型AlGaN層のAl組成が大きくなるにつれて、n型AlGaN層のバンドギャップは大きくなり、それに応じて、より短波長の紫外光を透過することができるようになるためである。
The n-
また、n型AlGaN層12は、Al組成の異なる複数の層から形成されていてもよく、さらに、積層方向にAl組成が傾斜する組成傾斜層とすることもできる。例えば、第1のn型AlX1Ga1-X1N層12A及び第2のn型AlX2Ga1-X2N層12Bからなる。第1のn型AlX1Ga1-X1N層12Aは、積層方向にAl組成X1が1.0から0.75に減じる組成傾斜層であり、第2のn型AlX2Ga1-X2N層12Bは、Al組成X2が0.75から0.70に減じる組成傾斜層とすることができる。
The n-
また、n型AlGaN層12の膜厚は、特に限定されるものではなく適宜決定される。基板11に単結晶AlN基板を用いる場合は、n型AlGaN層12の膜厚は、0.5μm以上2μm以下とすることが好ましい。n型AlGaN層の抵抗値を下げる観点からは、n型AlGaN層の膜厚が厚い方が好ましいが、基板11にAlN基板を用いる場合は、n型AlGaN層の膜厚が厚くなりすぎると、n型AlGaN層が格子緩和を起こして転位が発生しやすくなるためである。
The thickness of the n-
例えば、n型AlGaN層12を上記した第1のn型AlX1Ga1-X1N層12A及び第2のn型AlX2Ga1-X2N層12Bからなる積層構造として形成した場合は、第1のn型AlX1Ga1-X1N層12Aは200nmの層厚を有し、第2のn型AlX2Ga1-X2N層12Bは1000nmの層厚とすることができる。また、これら第1のn型AlX1Ga1-X1N層12A及び第2のn型AlX2Ga1-X2N層12Bの膜厚は例示した数字に限定されるものではなく、総膜厚が2.0μm以下になるように適宜決定することができる。
For example, when the n-
一方、AlNテンプレート基板を使用する場合には、n型AlGaN層12の膜厚は、1.5μm以上10μm以下であることが好ましい。n型AlGaN層12の膜厚が厚くなることによって、抵抗値の低減に加えて、転位が減少する効果も期待できるため、1.5μm以上であることが好ましいと考えられるためである。また、AlNテンプレート基板を用いる場合のn型AlGaN層12の膜厚の上限は、製造時間などの工業的な観点を考慮すると10.0μm程度が好ましいと考えられるためである。
On the other hand, when an AlN template substrate is used, the thickness of the n-
また、n型AlGaN層12にドーピングするSi濃度は、所望のn型導電性が得られるように適宜決定すればよいが、n型AlGaN層12の抵抗値を下げる観点からは、1×1018~1×1020cm-3であることが好ましく、更には5×1018~5×1019cm-3であることが好ましい。またSiドーピング濃度は、n型AlGaN層内の膜厚方向で一定であってもいいし、膜厚方向でSi濃度の異なる変調ドーピングにすることもできる。
The Si concentration doped into the n-
なお、Si濃度、および後述するMg濃度は、公知のSecondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)分析により測定することができる。また、本願におけるSi濃度、およびMg濃度の測定値は、AlN層、AlGaN層、GaN層について、それぞれAlN、Al0.65Ga0.35N、GaNの標準試料を用いた定量値を採用している。 The Si concentration and the Mg concentration described later can be measured by known secondary ion mass spectrometry ( SIMS ) analysis. The Si concentration and Mg concentration measurements in this application are quantitative values obtained by using standard samples of AlN, Al0.65Ga0.35N , and GaN for the AlN layer, AlGaN layer, and GaN layer, respectively.
活性層(ACT)13は、AlA1Ga1-A1N層からなる障壁層とAlA2Ga1-A2N層からなる井戸層で構成される量子井戸構造である。活性層13の発光ピーク波長は210~300nmの範囲内にある。活性層13から放出される光の波長は井戸層のAl組成と膜厚によって決まるため、Al組成と膜厚は、上記の波長範囲において所望の発光波長が得られるように適宜決定すすることができる。
The active layer (ACT) 13 is a quantum well structure composed of a barrier layer made of an AlAlGa1 -A1N layer and a well layer made of an AlAlGa1 -A2N layer. The emission peak wavelength of the
例えば、井戸層の膜厚は2~10nmの範囲で設定し、所望の発光波長が得られるようにAl組成を決定することができる。また、障壁層のAl組成と膜厚についても、特に限定されるものではないが、例えば、Al組成はA2<A1≦1.0、膜厚は2~15nmの範囲内で設定することができる。 For example, the thickness of the well layer can be set in the range of 2 to 10 nm, and the Al composition can be determined so as to obtain the desired emission wavelength. The Al composition and thickness of the barrier layer are not particularly limited, but for example, the Al composition can be set in the range of A2 < A1 ≦ 1.0, and the thickness can be set in the range of 2 to 15 nm.
また、井戸層や障壁層は、Siがドープされたn型層とすることもできる。井戸層と障壁層ともにSiドーピング層であってもよいし、井戸層のみ、もしくは障壁層のみにSiがドーピングされた構造であってもよい。ドーピングされるSi濃度は、特に限定されるものではないが、1×1017~5×1018cm-3の範囲が好ましい。 The well layer and the barrier layer may be n-type layers doped with Si. Both the well layer and the barrier layer may be Si-doped layers, or only the well layer or only the barrier layer may be doped with Si. The doping Si concentration is not particularly limited, but is preferably in the range of 1×10 17 to 5×10 18 cm -3 .
また、量子井戸の層数も特に限定されるものではなく、複数の井戸層が形成された多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造であってもいいし、単一量子井戸(SQW:Single Quantum Well)であってもよい。井戸層の数は、1~5の範囲で適宜決定することが好ましい。 The number of quantum well layers is not particularly limited, and may be a multi-quantum well (MQW: Multi Quantum Well) structure in which multiple well layers are formed, or a single quantum well (SQW: Single Quantum Well). It is preferable to determine the number of well layers appropriately in the range of 1 to 5.
AlY1Ga1-Y1N層14は、活性層13上に隣接して設けられた層である。AlY1Ga1-Y1N層14は、活性層13に注入された電子がp型AlY2Ga1-Y2N層15へオーバーフローすることを抑制するための電子ブロック層(EBL:Electron Blocking Layer)として機能する。そのため、AlY1Ga1-Y1N層14は、活性層13、および後述するp型AlY2Ga1-Y2N層15よりも大きなバンドギャップを有し、AlY1Ga1-Y1N層14のAl組成Y1は0.8<Y1≦1.0の範囲で決定される。
The Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 is a layer provided adjacent to the
発光波長の短波長化に伴って、基板11上にエピタキシャル成長するAlGaN層のAl組成は高くなり、発光波長が270nmよりも短い場合では、電子ブロック層としての機能を十分に発現させるため、Al組成Y1は0.9≦Y1≦1.0であることが好ましい。なお本実施例においては、AlY1Ga1-Y1N層14としてAlN(Y1=1)を用いている。
As the emission wavelength becomes shorter, the Al composition of the AlGaN layer epitaxially grown on the
また、AlY1Ga1-Y1N層14は、電子ブロック層としての機能を発現できる限りは、アンドープ層であってもよく、またはp型ドーパントがドーピングされていてもよい。AlY1Ga1-Y1N層14におけるp型のドーパント材料としてはMg(マグネシウム)、Zn(亜鉛),Be(ベリリウム)、C(炭素)等を用いることができる。特に、AlGaN層のp型ドーパント材料として一般的に用いられているMgを用いることが好ましく、後述する本発明の実施例においてもMgを用いている。 In addition, the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 may be an undoped layer or may be doped with a p-type dopant as long as it can function as an electron blocking layer. Examples of p-type dopant materials that can be used in the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 include Mg (magnesium), Zn (zinc), Be (beryllium), and C (carbon). In particular, it is preferable to use Mg, which is generally used as a p-type dopant material for AlGaN layers, and Mg is also used in the examples of the present invention described below.
p型ドーパント材料は、AlY1Ga1-Y1N層14の積層方向において、一様にドーピングされていてもよいし、積層方向でドーパント材料の濃度を変えることもできる。例えば、活性層と接する側から、アンドープのAlN層14A(Y1=1)及びMg(マグネシウム)ドープされたp型AlN層14Bからなる積層構造などとすることもできる。
The p-type dopant material may be uniformly doped in the stacking direction of the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14, or the concentration of the dopant material may be changed in the stacking direction. For example, a stacked structure may be formed of an
AlY1Ga1-Y1N層14におけるp型ドーパント濃度は、特に限定されるものではないが、電子ブロック層としての機能を得るためには、5×1018~1×1020cm-3であることが好ましく、発光層へのキャリアの注入効率を高められるという観点から、1×1019~8×1019cm-3であることが特に好ましい。 The p-type dopant concentration in the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 is not particularly limited, but in order to obtain the function as an electron blocking layer, it is preferably 5×10 18 to 1×10 20 cm −3 , and from the viewpoint of increasing the efficiency of carrier injection into the light-emitting layer, it is particularly preferably 1×10 19 to 8×10 19 cm −3 .
本発明のAlY1Ga1-Y1N層14は、n型ドーパントを含まないか、もしくは後述するp型AlY2Ga1-Y2N層15に含まれるn型ドーパント未満の濃度でn型ドーパントを含むことができる。具体的には、AlY1Ga1-Y1N層14中のn型の不純物濃度は、1×1018cm-3以下であることが好ましい。本発明者らの知見によれば、p型AlY2Ga1-Y2N層15の成長中には、隣接するAlY1Ga1-Y1N層14との間でドーパントの拡散が起こることが分かっている。そのため、AlY1Ga1-Y1N層14中のn型ドーパント濃度が、p型AlY2Ga1-Y2N層15のそれよりも高い場合、AlY1Ga1-Y1N層14中からp型AlY2Ga1-Y2N層15へn型ドーパントが拡散し、p型AlY2Ga1-Y2N層15中のn型ドーパント濃度の精密な制御が困難になる場合がある。この拡散によるp型AlY2Ga1-Y2N層15中のn型ドーパントの濃度変化を防ぐためには、少なくとも、AlY1Ga1-Y1N層14中のn型ドーパントは、p型AlY2Ga1-Y2N層15に含まれるn型ドーパント以下の濃度未満である必要がある。
The Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 of the present invention does not contain an n-type dopant, or may contain an n-type dopant at a concentration lower than the n-type dopant contained in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 described below. Specifically, the n-type impurity concentration in the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 is preferably 1×10 18 cm -3 or less. According to the knowledge of the present inventors, it has been found that during the growth of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15, diffusion of dopant occurs between adjacent Al Y1 Ga 1-Y1 N layers 14. Therefore, when the n-type dopant concentration in the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 is higher than that in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15, the n-type dopant diffuses from the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 to the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15, which may make it difficult to precisely control the n-type dopant concentration in the p-type Al Y2 Ga 1 -Y2 N layer 15. In order to prevent a change in the n-type dopant concentration in the p-type Al Y2 Ga 1-
また、AlY1Ga1-Y1N層14の膜厚は、電子ブロック層としての機能、およびp型AlY2Ga1-Y2N層15からホールを活性層に効率よく注入できるように適宜決定すればよいが、1~30nmの範囲が好ましい。膜厚が1nmを下回ると電子がトンネリングしてしまうため電子ブロック層としての機能が低下し、一方で膜厚が30nmを上回ると、p型AlY2Ga1-Y2N層15からホールが活性層に注入されにくくなる。これらを勘案すると、AlY1Ga1-Y1N層14の膜厚は2~20nmであることが好ましく、さらに好ましくは5~15nmである。
The thickness of the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 may be appropriately determined so as to function as an electron blocking layer and to efficiently inject holes from the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 into the active layer, but is preferably in the range of 1 to 30 nm. If the thickness is less than 1 nm, electrons tunnel, decreasing the function as an electron blocking layer, while if the thickness exceeds 30 nm, holes are less likely to be injected from the p-type Al Y2 Ga 1 -
また、上述したように、AlY1Ga1-Y1N層14中にドーピングされるMgは積層方向で濃度差を設けることもできる。例えば、活性層13に接する側にアンドープのAlN層14Aを1~5nmの層厚で積層し、さらにMgドープのp型AlN層14Bを5~15nm積層した構造とすることもできる。この際のMgドーピング濃度は、上述と同様に、5×1018~1×1020cm-3であることが好ましく、1×1019~8×1019cm-3であることが特に好ましい。
As described above, the Mg doped in the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 can have a concentration difference in the stacking direction. For example, an
本発明のp型AlY2Ga1-Y2N層15は、前記AlY1Ga1-Y1N層14上に形成され、p型クラッド層として機能する。p型AlY2Ga1-Y2N層15にはアクセプタとなるp型不純物とドナーとなるn型不純物がコドーピングされている。 The p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 of the present invention is formed on the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 and functions as a p-type cladding layer. The p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is co-doped with a p-type impurity that serves as an acceptor and an n-type impurity that serves as a donor.
p型AlY2Ga1-Y2N層15にドーピングされるp型不純物には、Mg(マグネシウム)、Zn(亜鉛),Be(ベリリウム)、C(炭素)等が使用し得る。中でも、AlGaN半導体のp型ドーパント材料として一般的に用いられているMgを用いることが好ましい。またn型不純物には、Si、Ge(ゲルマニウム)、Se(セレン)、S(硫黄)、O(酸素)等を使用することができる。中でも、n型ドーパント材料として一般的に用いられているSiを用いることが好ましい。 As the p-type impurity to be doped into the p-type Al Y 2 Ga 1-Y 2 N layer 15, Mg (magnesium), Zn (zinc), Be (beryllium), C (carbon), etc. can be used. Among them, it is preferable to use Mg, which is generally used as a p-type dopant material for AlGaN semiconductors. As the n-type impurity, Si, Ge (germanium), Se (selenium), S (sulfur), O (oxygen), etc. can be used. Among them, it is preferable to use Si, which is generally used as an n-type dopant material.
本発明のp型AlY2Ga1-Y2N層15は、p型AlY2Ga1-Y2N層15中のn型不純物濃度(Nd)とp型不純物濃度の比(Nd/Na)が、式(1)を満たす。 In the p-type Al.sub.Y2Ga.sub.1 -Y2N layer 15 of the present invention, the ratio (Nd/Na) of the n-type impurity concentration (Nd) to the p-type impurity concentration in the p-type Al.sub.Y2Ga.sub.1 -Y2N layer 15 satisfies formula (1).
0.009≦(Nd/Na)<0.185 ・・・式(1) 0.009≦(Nd/Na)<0.185...Formula (1)
さらには、Nd/Naが次式のいずれかを満たすことがさらに好ましい。 Furthermore, it is even more preferable that Nd/Na satisfies one of the following formulas:
0.009≦(Nd/Na)<0.135 ・・・式(2)
0.038≦(Nd/Na)<0.185 ・・・式(3)
0.009≦(Nd/Na)<0.135...Formula (2)
0.038≦(Nd/Na)<0.185...Formula (3)
Nd/Naが上記式(1)~(3)のいずれかを満たすようにp型AlY2Ga1-Y2N層15にコドープされることにより、高発光効率で、良好な出力維持率(素子寿命)を有する紫外LEDが実現される。 By co-doping the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 with Nd/Na so as to satisfy any one of the above formulas (1) to (3), an ultraviolet LED having high luminous efficiency and good output maintenance rate (device life) is realized.
また、p型AlY2Ga1-Y2N層15にドーピングされるp型不純物量は、1×1017~1.2×1020cm-3であることが好ましい。また、J. Applmaru Physmaru, Volmaru 95, No. 8, 15 April (2004)において理論的に示されているように、p型AlY2Ga1-Y2N層15中のp型不純物量に伴って、劣化の要因と考えられる窒素欠陥量も増加すると考えられる。そのため、p型不純物量が1.2×1020cm-3を超える場合、初期に形成される窒素欠陥量が多くなりすぎて、高い出力維持率を得ることが困難になる。 The amount of p-type impurities doped into the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is preferably 1×10 17 to 1.2×10 20 cm −3 . As theoretically shown in J. Applmaru Physmaru, Volmaru 95, No. 8, 15 April (2004), the amount of nitrogen defects, which are considered to be a cause of deterioration, is thought to increase with the amount of p-type impurities in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15. Therefore, when the amount of p-type impurities exceeds 1.2×10 20 cm −3 , the amount of nitrogen defects formed in the initial stage becomes too large, making it difficult to obtain a high output maintenance rate.
また、p型不純物濃度が低くなると、特にAl組成Y2が一定であるときは、ホール濃度の低下と少数キャリア(電子)移動度増加により、Al組成Y2が傾斜している場合には少数キャリア(電子)移動度増加により、出力が低下して高い発光効率を得ることが困難となる。従って、p型不純物濃度は、このようなトレードオフを勘案して、上記の範囲内で適宜決定することができるが、より高い出力維持率と高出力を得るためには、1×1019~5×1019cm-3であることが好ましく、さらに好ましくは、1×1019~4×1019cm-3である。 Furthermore, when the p-type impurity concentration is low, particularly when the Al composition Y2 is constant, the hole concentration decreases and the minority carrier (electron) mobility increases, and when the Al composition Y2 is inclined, the minority carrier (electron) mobility increases, causing a decrease in output and making it difficult to obtain high luminous efficiency. Therefore, the p-type impurity concentration can be appropriately determined within the above range, taking such a trade-off into consideration, but in order to obtain a higher output maintenance rate and high output, it is preferably 1×10 19 to 5×10 19 cm -3 , and more preferably 1×10 19 to 4×10 19 cm -3 .
p型AlY2Ga1-Y2N層15にドーピングされるn型不純物量は、1.1×1018以上9.0×1018cm-3以下であることが好ましく、さらに好ましくは、1.8×1018以上8.0×1018cm-3以下である。これらn型不純物量において、高い発光効率の発光素子10を得ることができる。
The amount of n-type impurity doped into the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is preferably 1.1×10 18 or more and 9.0×10 18 cm -3 or less, and more preferably 1.8×10 18 or more and 8.0×10 18 cm -3 or less. With these amounts of n-type impurities, a
また、p型AlY2Ga1-Y2N層15にドーピングされるp型不純物とn型不純物は、それらの濃度が層内で一定であってもよいし積層方向で濃度差を設けてもよい。例えば、AlY1Ga1-Y1N層14に接する側をコドーピング層として、残りのp型AlY2Ga1-Y2N層15層は、n型不純物をドーピングしない層にすることもできる。 The p-type impurity and n-type impurity doped in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 may have a constant concentration within the layer, or may have a concentration difference in the stacking direction. For example, the side in contact with the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 may be a co-doped layer, and the remaining p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 may be a layer not doped with an n-type impurity.
p型AlY2Ga1-Y2N層15のAl組成Y2は、0.5以上1.0以下で、かつAlY1Ga1-Y1N層14のAl組成Y1以下である。 The Al composition Y2 of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is equal to or greater than 0.5 and equal to or less than 1.0, and is equal to or less than the Al composition Y1 of the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 .
p型AlY2Ga1-Y2N層15のAl組成Y2は、積層方向でY2が一定の値である構造の場合、活性層の障壁層のAl組成を超え、かつAlY1Ga1-Y1N層14のAl組成Y1以下であることが好ましい。p型AlY2Ga1-Y2N層15のAl組成Y2を上記の範囲にすることにより、紫外発光素子の注入電流量が多い場合においても、高いキャリアオーバーフローの抑制効果が得られる。より高い効果を得るためには、活性層の障壁層のAl組成とp型AlY2Ga1-Y2N層15のAl組成Y2の差が、0.5以上であることが好ましい。また、p型AlY2Ga1-Y2N層15のAl組成Y2は、n型AlGaN層12のAl組成よりも大きいことが好ましく、これによってp型層へのキャリアオーバーフローの抑制効果が高まり、紫外発光素子の発光効率を高めることができる。以上のことより、p型AlY2Ga1-Y2N層15のAl組成Y2は、積層方向でY2が一定の値である構造の場合は、0.6以上0.9以下であることが好ましい。
In the case of a structure in which Y2 is a constant value in the stacking direction, the Al composition Y2 of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is preferably greater than the Al composition of the barrier layer of the active layer and less than or equal to the Al composition Y1 of the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14. By setting the Al composition Y2 of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 within the above range, a high carrier overflow suppression effect can be obtained even when the injection current amount of the ultraviolet light-emitting device is large. In order to obtain a higher effect, it is preferable that the difference between the Al composition of the barrier layer of the active layer and the Al composition Y2 of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is 0.5 or more. In addition, it is preferable that the Al composition Y2 of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is greater than the Al composition of the n-
また、p型AlY2Ga1-Y2N層15は、Al組成Y2が積層方向で変化する組成傾斜層であってもよい。特に、AlY1Ga1-Y1N層14に接する側から、Al組成Y2が積層方向に小さくなる構造であることが好ましい。これによって、p型AlY2Ga1-Y2N層15内で分極ドーピング効果が得られるため、より高いホール濃度が得られやすくなり、その結果、活性層へのホールの注入効率が高くなる。例えば、発光波長が270nm以下の場合、AlY1Ga1-Y1N層14に接する側のAl組成は0.95~1.0であることが好ましく、反対側のp型AlY2Ga1-Y2N層15の表層におけるAl組成は0.60~0.85であることが好ましい。このような構造を採用することで、上述した分極ドーピング効果を高め、かつ発光波長に対して透明性を維持できるため、高い発光効率が得られやすくなる。 Moreover, the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 may be a composition gradient layer in which the Al composition Y2 changes in the stacking direction. In particular, it is preferable that the structure has an Al composition Y2 that decreases in the stacking direction from the side in contact with the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14. This allows a polarization doping effect to be obtained in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15, making it easier to obtain a higher hole concentration, and as a result, the efficiency of hole injection into the active layer is increased. For example, when the emission wavelength is 270 nm or less, the Al composition on the side in contact with the Al Y1 Ga 1-Y1 N layer 14 is preferably 0.95 to 1.0, and the Al composition in the surface layer of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 on the opposite side is preferably 0.60 to 0.85. By adopting such a structure, the above-mentioned polarization doping effect can be enhanced and transparency to the emission wavelength can be maintained, making it easier to obtain high emission efficiency.
また、p型AlY2Ga1-Y2N層15の膜厚は、特に制限されるものではないが、10~150nmの範囲で適宜決定すればよい。p型AlY2Ga1-Y2N層15の膜厚が10nm未満になると、上述したキャリアオーバーフローの抑制効果が得られにくくなり、一方で、膜厚が厚くなり、150nmを超える場合、p型AlY2Ga1-Y2N層15の抵抗値が大きくなり、結果として紫外発光素子の動作電圧の上昇を招いてしまう。このような観点から、p型AlY2Ga1-Y2N層15の膜厚は、40~120nmであることが好ましく、特に好ましくは50~100nmである。 The thickness of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is not particularly limited, but may be appropriately determined within the range of 10 to 150 nm. If the thickness of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is less than 10 nm, it becomes difficult to obtain the above-mentioned effect of suppressing carrier overflow, while if the thickness is thick and exceeds 150 nm, the resistance value of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 increases, resulting in an increase in the operating voltage of the ultraviolet light-emitting device. From this viewpoint, the thickness of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is preferably 40 to 120 nm, and particularly preferably 50 to 100 nm.
p型AlY2Ga1-Y2N層15上には、電極との接触抵抗を下げる目的で、p型ドーパントがドーピングされたp型GaN層16が形成されていてもよい。p型ドーパント材料としては上述した公知のp型ドーパント材料を用いることができるが、同様の理由によりMgを用いることが好ましい。p型GaN層16中のMgドーピング濃度は、特に制限されるものではないが、p型GaN層中の抵抗値を下げ、かつ電極との接触抵抗を下げるためには、1×1018~2×1020cm-3であることが好ましい。また、p型GaN層16の膜厚も特に制限されるものではなく、5~500nmの範囲で適宜決定すればよい。
On the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15, a p-
なお、AlNを基板11として用いる場合は、p型GaN層16を除き、AlGaN層12,13,14,15の全層はAlN基板11と格子接合した状態で結晶成長されているため、AlN基板11と同等の低い転位密度を有している。具体的には、105cm-2以下の転位密度を有している。
When AlN is used as the
なお、紫外半導体発光素子10として、発光ダイオード(LED)である場合について説明したが、半導体レーザ素子(LD:Laser Diode)として構成されていてもよい。
Although the ultraviolet semiconductor light-emitting
紫外半導体発光素子10として、基板11を備えた半導体発光素子について説明したが、基板11は、用いる基板の性質等に鑑み、必要に応じて除去することもでき、任意に備えることもできる。
As the ultraviolet semiconductor light-emitting
紫外半導体発光素子10として、n型AlGaN層12側に基板11を備えた半導体発光素子について説明したが、エピタキシャル成長用に用いられる基板11とは別の支持基板をp型GaN層16側に備えることもできる。この場合、支持基板の材質などは特に制限されるものではなく、多結晶AlN、Si、Al2O3Cu、CuWなど、発光素子の支持基板部材として用いられている公知の材料を制限なく用いることができる。
Although the ultraviolet semiconductor
以下では、紫外半導体発光素子10として、半導体積層構造の成長基板としての基板11を備えた半導体発光素子について説明するが、上述の通り、支持基板等の成長基板とは異なる基板11を備えた半導体発光素子とすることもできる。
Below, we will explain the ultraviolet semiconductor light-emitting
次に、上記で説明した構造の紫外LEDの製造方法について説明する。本発明の紫外LED10は、MOCVD法、分子線エピタキシー(MBE)法などの公知の結晶成長法によって製造することができる。中でも、生産性が高く、工業的に広く採用されているMOCVD法が好ましい。本発明で使用するIII族(Al、Ga)原料ガス、V族(N)原料ガスには、特に制限なく公知の原料ガスを使用できる。
Next, a method for manufacturing an ultraviolet LED having the structure described above will be described. The
例えば、III族原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等のガスを使用できる。またV族原料ガスとしては、通常アンモニアが用いられる。 For example, gases such as trimethylaluminum, triethylaluminum, trimethylgallium, and triethylgallium can be used as Group III source gases. Ammonia is usually used as Group V source gas.
また、Mg、Siのドーパント原料ガスも、公知の材料が制限なく使用でき、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム、モノシラン、テトラエチルシランなどを使用できる。 In addition, known materials can be used without restrictions as dopant source gases for Mg and Si, such as biscyclopentadienyl magnesium, monosilane, and tetraethylsilane.
以上の原料ガスを、水素/および又は窒素などのキャリアガスと共に基板11上に供給することで紫外LED10の素子層を成長させる。
The above source gases are supplied onto the
III族原料ガスとV族原料ガスの供給量比(V/III比)は、所望の特性が得られるように適宜決定すればよいが、500~10000の範囲内で設定することが好ましい。 The supply ratio of the Group III source gas to the Group V source gas (V/III ratio) may be appropriately determined so as to obtain the desired characteristics, but is preferably set within the range of 500 to 10,000.
また、紫外LED10を構成する素子層の成長温度については、特に制限されるものではなく所望とする、各層の特性、および紫外LED10の特性が得られるように適宜決定すればよいが、1000~1200℃で成長することが好ましく、より好ましくは1000~1150℃である。
The growth temperature of the element layers constituting the UV-
以下において、発光波長265nmの紫外LEDを作製した実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 The present invention will be specifically explained below using an example in which an ultraviolet LED with an emission wavelength of 265 nm was fabricated, but the present invention is not limited to this example.
[素子の作製]
紫外LED素子層を成長する基板にはApplied Physics Express 5 (2012)122101に記載の方法により作製されたAlN単結晶基板を用いた。具体的には、物理気相輸送(PVT)法により作製されたC面AlN種基板とHVPE法で成長したAlN厚膜を備えた積層基板である。このAlN基板の転位密度は105cm-2以下であり、5×5μm2の範囲での方面粗さ(RMS)は0.1nmであった。
[Fabrication of element]
The substrate on which the UV-LED element layer was grown was an AlN single crystal substrate fabricated by the method described in Applied Physics Express 5 (2012) 122101. Specifically, it was a laminated substrate comprising a C-plane AlN seed substrate fabricated by physical vapor transport (PVT) and an AlN thick film grown by HVPE. The dislocation density of this AlN substrate was 10 5 cm -2 or less, and the surface roughness (RMS) in an area of 5 × 5 μm 2 was 0.1 nm.
このAlN基板上に、MOCVD装置によって、AlN層(100nm)、第1のn型AlGaN層12A(200nm)、第2のn型AlGaN層12B(1000nm)を成長させた。第1のn型AlGaN層12A、および第2のn型AlGaN層12Bはいずれも組成傾斜層であって、第1のn型AlGaN層12Aでは、AlN層と接する側からAl組成が1.0から0.75に減じ、第2のn型AlGaN層12Bでは、第1のn型AlGaN層12Aと接する側から、Al組成が0.75から0.70に減じている。また、n型AlGaN層12におけるSi濃度は1×1019cm-3になるように制御した。
On this AlN substrate, an AlN layer (100 nm), a first n-type AlGaN layer 12A (200 nm), and a second n-
次いで、n型Al0.6Ga0.4N(7nm)からなる障壁層と、Al0.5Ga0.5N(4nm)からなる井戸層とからなる、3重量子井戸層からなる活性層13を成長させた。障壁層のSi濃度は1×1018cm-3になるように制御した。
Next, an
次いで、AlN(10nm)からなる電子ブロック層14を成長させた。障壁層と接する側の電子ブロック層はアンドープ層14A(2nm)とし、残りの電子ブロック層14Bには4×1019cm-3のMgのドーピング層とした。なお、アンドープAlN層14A及びMgドープのp型AlN層14BにはSiはドープされていない。
Next, an
次いで、p型AlGaN層15(60nm)を成長させた。p型AlGaN層15は電子ブロック層と接する側からAl組成が1.0から0.8に減じる組成傾斜層である。p型AlGaN層15のMg濃度は、1.0×1020cm-3(以下、1.0E20cm-3のように表記する場合がある。)のウェハ(以下、構造1(EX1)と称する。)と、p型AlGaN層15のMg濃度が4.3E19cm-3のウェハ(以下、構造2(EX2)と称する。)と、を作製した。また、各構造において、コドーピングするSi濃度を1×1018~9×1018cm-3の範囲で調整したウェハを複数作製した。
Next, a p-type AlGaN layer 15 (60 nm) was grown. The p-
次いで、p型GaN層16(270nm)を成長し、深紫外LED素子層を完成させた。p型GaN層16中のMg濃度は5×1019cm-3とした。
Next, a p-type GaN layer 16 (270 nm) was grown to complete the deep ultraviolet LED element layer. The Mg concentration in the p-
次いで、ICP(誘導結合型プラズマ方式)ドライエッチングにより、第2のn型AlGaN層が露出するまでエッチングした後、Ti層とAu層を積層したn型電極を形成し、窒素雰囲気中、900℃の条件で熱処理を行った。次いで、p型GaN層上にNi層とAu層を積層したp電極を形成し、酸素雰囲気中、500℃の条件で熱処理を行った。 Next, the second n-type AlGaN layer was exposed by ICP (inductively coupled plasma) dry etching, after which an n-type electrode was formed by stacking a Ti layer and a Au layer, and heat-treated in a nitrogen atmosphere at 900°C. Next, a p-electrode was formed by stacking a Ni layer and a Au layer on the p-type GaN layer, and heat-treated in an oxygen atmosphere at 500°C.
次いで、HVPE法で形成されたAlN厚膜が露出するまで成長基板の裏面(紫外LED素子層とは反対側)を機械研磨して、紫外LEDを完成させた。次いで、ダイシングによって0.75mm×0.95mmのチップ形状に切断した後、セラミックサブマウント上へフリップチップボンディングして紫外LED素子を完成させた。 Next, the back surface of the growth substrate (the side opposite to the UV LED element layer) was mechanically polished until the AlN thick film formed by the HVPE method was exposed, completing the UV LED. Next, the substrate was cut into chip shapes of 0.75 mm x 0.95 mm by dicing, and then flip-chip bonded onto a ceramic submount to complete the UV LED element.
図3は、p型AlN層14およびp型AlGaN層15中のMg濃度、Si濃度、およびSiとMg濃度の比(Si/Mg)を纏めて示した表である。
Figure 3 is a table showing the Mg concentration, Si concentration, and the ratio of Si to Mg concentration (Si/Mg) in the p-
また、構造1(EX1)、および構造2(EX2)に対する比較例1、比較例2(以下、CM1、CM2と称する)として、Siをコドーピングしないウェハも合わせて作製した。なお、CM1及びCM2のウェハのp型AlGaN層15のMg濃度は、それぞれ1.0E20cm-3、4.3E19cm-3であり、構造1(EX1)及び構造2(EX2)のウェハと同じである。なお、コドープ無しの比較例の構造においてもSiは取り込まれており、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)測定により、7×1016~1×1017cm-3程度のSiが検出されるが、SIMS分析における検出下限を示しており、実際はより少ない濃度である。つまり、測定された7×1016~1×1017cm-3程度とは、これ以上は含まれていない濃度であることを示している。
In addition, wafers not co-doped with Si were also produced as Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (hereinafter referred to as CM1 and CM2) for Structure 1 (EX1) and Structure 2 (EX2). The Mg concentrations of the p-
[素子の評価]
以上で説明した種々の紫外LED10のMg濃度及びSi濃度及び発光特性を評価した。Mg濃度及びSi濃度については、素子毎にSIMS測定を行って測定した。なお、AlN層、およびAlGaN層の定量には、標準サンプルとして、AlN、Al0.65Ga0.35Nをそれぞれ用いた。
[Element Evaluation]
The Mg concentration, Si concentration, and light emission characteristics of the various
(1)初期の発光効率
図4Aは、p型AlY2Ga1-Y2N層15(以下、p型クラッド層15とも称する)のSi濃度と、通電開始初期の発光効率(任意単位)との関係をプロットしたグラフである。構造1及び構造2のいずれにおいても、Siをコドープすることにより、初期の発光効率は殆ど変化しないか、又は僅かに減少傾向が見られる程度であった。しかし、構造1においては、Si濃度が8E18cm-3まで増加すると、発光効率は急激に減少し、構造2においては、Si濃度が9E18cm-3まで増加すると、発光効率は急激に減少した。
(1) Initial Light Emission Efficiency Figure 4A is a graph plotting the relationship between the Si concentration of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 (hereinafter also referred to as the p-type cladding layer 15) and the light emission efficiency (arbitrary unit) at the beginning of current flow. In both
図4Bは、p型AlY2Ga1-Y2N層15のSi/Mg比(Si濃度/Mg濃度)と、通電開始初期の発光効率(任意単位)との関係をプロットしたグラフである。構造1においては、Si/Mg比が0.135以上となると発光効率が急激に減少し、構造2においてはSi/Mg比が0.185以上となると発光効率が急激に減少した。
4B is a graph plotting the relationship between the Si/Mg ratio (Si concentration/Mg concentration) of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 and the luminous efficiency (arbitrary unit) at the beginning of current flow. In
すなわち、p型AlY2Ga1-Y2N層15のSi濃度は、9E18cm-3未満であることが好ましく、さらに8E18cm-3未満であることがより好ましいことがわかった。また、p型AlY2Ga1-Y2N層15のSi/Mg比は0.185未満であることが好ましく、さらに0.135未満であることがより好ましいことがわかった。 That is, it was found that the Si concentration of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is preferably less than 9E18 cm -3 , and more preferably less than 8E18 cm -3 . Also, it was found that the Si/Mg ratio of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 is preferably less than 0.185, and more preferably less than 0.135.
(2)出力維持率
図4Cは、p型クラッド層15のSi濃度に対する、初期から100時間経過後の出力維持率(@100h)を示すグラフである。より詳細には、素子への通電開始後から素子への通電100時間(hr)経過後の素子出力の変化の割合である出力維持率をp型クラッド層15のSi濃度に対してプロットしている。なお、素子への通電は、素子に450mAの駆動電流を流す定電流(ACC)駆動モードで行った。
(2) Output Maintenance Rate Fig. 4C is a graph showing the output maintenance rate (@100h) after 100 hours from the initial time versus the Si concentration of the p-
また、図4Dは、p型クラッド層15のSi/Mg比(Si濃度/Mg濃度)と、出力維持率を示すグラフである。構造1(EX1)及び構造2(EX2)のいずれの場合でも、p型クラッド層15のSi濃度及びSi/Mg比の増加に伴って出力維持率は改善傾向を示している。
Figure 4D is a graph showing the Si/Mg ratio (Si concentration/Mg concentration) of the p-
(構造1:EX1)
Si濃度に関して、図4C及び図3を参照すると、p型クラッド層15のMg濃度が高い構造1(EX1:1.0E20cm-3)の場合では、Si濃度が1.1E18cm-3以上で出力維持率が改善した。また、Si濃度が9.0E18cm-3以下であれば出力低下を起こさなかった。
(Structure 1: EX1)
4C and 3, in the case of Structure 1 (EX1: 1.0E20 cm −3 ) in which the Mg concentration of the p-
また、Si/Mg比に関しては、図4D及び図3を参照すると、Si/Mg比が0.009以上で出力維持率が改善した。また、Si/Mg比が0.135未満であれば出力低下を起こさなかった。 As for the Si/Mg ratio, referring to FIG. 4D and FIG. 3, the output maintenance rate improved when the Si/Mg ratio was 0.009 or more. Also, when the Si/Mg ratio was less than 0.135, there was no decrease in output.
(構造2:EX2)
Si濃度に関して、図4C及び図3を参照すると、p型クラッド層15のMg濃度が低い構造2(EX2:4.3E19cm-3)の場合では、Si濃度が1.8E18cm-3以上で出力維持率が改善した。また、Si濃度が8.0E18cm-3以下であれば出力低下を起こさなかった。
(Structure 2: EX2)
4C and 3, in the case of structure 2 (EX2: 4.3E19 cm −3 ) in which the Mg concentration of the p-
また、Si/Mg比に関しては、図4D及び図3を参照すると、Si/Mg比が0.038以上で出力維持率が改善した。また、Si/Mg比が0.185未満であれば出力低下を起こさなかった。 As for the Si/Mg ratio, referring to FIG. 4D and FIG. 3, the output maintenance rate improved when the Si/Mg ratio was 0.038 or more. Also, when the Si/Mg ratio was less than 0.185, there was no decrease in output.
(Si/Mg比)
図4Dに示すように、構造1及び構造2のいずれの場合でも、出力維持率はSi/Mg比の増加に伴って略直線的に増加し、Si/Mg比が出力維持率を左右する支配的な物理パラメータであると考えられる。なお、Si/Mg比は、アンドープ時に形成される窒素欠陥濃度に反比例すると推定される。
(Si/Mg ratio)
4D, in both the case of
具体的には、Si/Mg比が0.009以上、0.038以上、0.064以上で、それぞれ出力維持率が0.7以上、0.8以上、0.9以上が見込まれる。 Specifically, when the Si/Mg ratio is 0.009 or more, 0.038 or more, and 0.064 or more, the output maintenance ratio is expected to be 0.7 or more, 0.8 or more, and 0.9 or more, respectively.
なお、Siをコドープしない場合(CM1(比較例1)及びCM2(比較例2))においても、Mg濃度が低い比較例2(CM2)の方が高い出力維持率を示している。これは後述するように(図5)、Mg濃度が高い構造1及び比較例1では、劣化の真因と考えられる窒素欠陥濃度の初期値が大きいためだと考えられる。
Even when Si is not co-doped (CM1 (Comparative Example 1) and CM2 (Comparative Example 2)), Comparative Example 2 (CM2), which has a low Mg concentration, shows a higher output maintenance rate. As will be described later (Figure 5), this is thought to be because
従って、Si/Mg比が次式を満たすようにp型クラッド層15にコドープされることにより、高発光効率で、良好な出力維持率(素子寿命)を有する紫外LEDが実現される。
Therefore, by co-doping the p-
0.009≦(Si/Mg)<0.185 ・・・式(1) 0.009≦(Si/Mg)<0.185...Formula (1)
また、Si/Mg比が次式のいずれかを満たすことがさらに好ましい。 It is further preferable that the Si/Mg ratio satisfies one of the following formulas:
0.009≦(Si/Mg)<0.135 ・・・式(2)
0.038≦(Si/Mg)<0.185 ・・・式(3)
0.009≦(Si/Mg)<0.135...Formula (2)
0.038≦(Si/Mg)<0.185...Formula (3)
(初期出力及び出力維持率)
図5は、構造1(EX1)、構造2(EX2)、比較例1(CM1)及び比較例2(CM2)から得られた素子の、通電開始初期の光出力(任意単位)に対する出力維持率(@100h)を示すグラフである。
(Initial output and output maintenance rate)
FIG. 5 is a graph showing the output maintenance rate (@100 h) versus the initial light output (arbitrary units) at the start of energization for elements obtained from Structure 1 (EX1), Structure 2 (EX2), Comparative Example 1 (CM1), and Comparative Example 2 (CM2).
比較例1及び2(CM1、CM2)の素子においては、信頼性試験において通電開始初期(~100h)の出力維持率が小さく、光出力の低下が大きいことがわかる。また、高効率(すなわち、高出力)なものほど出力低下幅が大きいというトレードオフの関係性があり、高出力かつ高信頼性の素子を作製することが難しい。 In the elements of Comparative Examples 1 and 2 (CM1, CM2), reliability tests show that the output maintenance rate is small at the beginning of current application (up to 100 hours), and the drop in light output is large. In addition, there is a trade-off in that the higher the efficiency (i.e., the higher the output), the greater the drop in output, making it difficult to produce an element that is both high output and highly reliable.
一方、本発明の構造1及び2(EX1、EX2)の素子においては、電開始初期(~100h)の出力維持率が大きく、光出力の低下が抑制されていることがわかる。また、p型クラッド層15のMg濃度が低い構造2(EX2)の方が構造1(EX1)よりも出力維持率が大きい。
On the other hand, in the elements of
出力維持率(@100h)については、長時間寿命(1000h)との相関関係があることを確認した。従って、構造1及び2(EX1、EX2)の素子が長時間寿命の点においても優れていることが確認され、本発明によれば、高効率、高出力) かつ高信頼性の素子を実現することができる。
It was confirmed that there is a correlation between the output maintenance rate (@100h) and the long-term life (1000h). Therefore, it was confirmed that the elements of
[劣化要因の推定]
紫外LEDにおける出力低下要因として、一般的には、活性層の劣化、すなわち活性層での点欠陥の増加によって再結合確率(発光遷移確率)が低下するためである、と報告されている。
本発明者らは、上述の知見と、本発明を完成させる過程で実施した検証実験の結果より、紫外LEDの劣化機構を以下のように推定するに至った。すなわち、p型AlY2Ga1-Y2N層15にドナーであるSiをドーピングすることで、p型AlY2Ga1-Y2N層15中の窒素欠陥は減少すると推定される。その結果、活性層へ拡散する窒素欠陥量が減少することで、活性層の劣化が抑制され、高い出力維持率が得られたものと推定している。
[Estimation of Deterioration Causes]
It has been reported that a common cause of output reduction in ultraviolet LEDs is degradation of the active layer, that is, an increase in point defects in the active layer, which reduces the recombination probability (radiative transition probability).
Based on the above findings and the results of verification experiments carried out in the process of completing the present invention, the inventors have come to deduce the degradation mechanism of UV LEDs as follows. That is, it is presumed that doping the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 with Si, which is a donor, reduces the nitrogen defects in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15. As a result, it is presumed that the amount of nitrogen defects diffusing into the active layer is reduced, suppressing the degradation of the active layer and achieving a high output maintenance rate.
(コドープ不純物)
上記した実施形態においては、p型クラッド層であるp型AlY2Ga1-Y2N層15のp型不純物としてMgが、コドープ不純物としてSiが用いられた場合について説明したが、これに限定されない。
(Co-doped impurities)
In the above embodiment, Mg is used as the p-type impurity in the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 that is the p-type cladding layer, and Si is used as the co-doped impurity, but the present invention is not limited to this.
上記したように、本願発明のメカニズムは、p型AlY2Ga1-Y2N層15へドーピングしたアクセプタ不純物であるMgと、ドナー不純物であるSiの相互作用によって窒素欠陥の低減効果が発現したと考えられる。そのため、p型AlY2Ga1-Y2N層15に対してアクセプタ、およびドナーとして機能する材料であれば制限なく使用できる。 As described above, the mechanism of the present invention is believed to be that the effect of reducing nitrogen defects is exerted by the interaction between Mg, which is an acceptor impurity, and Si, which is a donor impurity, doped into the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15. Therefore, any material that functions as an acceptor and a donor for the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer 15 can be used without any restrictions.
具体的には、アクセプタとなるp型不純物としてMg以外に、Zn(亜鉛),Be(ベリリウム)、C(炭素)等を使用し得る。また、ドナーとなるn型不純物(コドープ不純物)としてSi以外にGe(ゲルマニウム)、Se(セレン)、S(硫黄)、O(酸素)等を使用し得る。 Specifically, in addition to Mg, Zn (zinc), Be (beryllium), C (carbon), etc. can be used as p-type impurities that act as acceptors. In addition to Si, Ge (germanium), Se (selenium), S (sulfur), O (oxygen), etc. can be used as n-type impurities (co-doped impurities) that act as donors.
従って、一般に、p型AlY2Ga1-Y2N層15のp型不純物濃度をNa、n型不純物濃度をNdとしたとき、Nd/Naが次式を満たすことが好ましい。 In general, therefore, when the p-type impurity concentration of the p-type Al Y 2 Ga 1-Y 2 N layer 15 is Na and the n-type impurity concentration is Nd, it is preferable that Nd/Na satisfies the following formula:
0.009≦(Nd/Na)<0.185 ・・・式(4) 0.009≦(Nd/Na)<0.185...Formula (4)
また、Nd/Naが次式のいずれかを満たすことがさらに好ましい。 It is even more preferable that Nd/Na satisfies one of the following formulas:
0.009≦(Nd/Na)<0.135 ・・・式(5)
0.038≦(Nd/Na)<0.185 ・・・式(6)
0.009≦(Nd/Na)<0.135...Formula (5)
0.038≦(Nd/Na)<0.185...Formula (6)
従って、Nd/Naが上記式を満たすようにp型クラッド層15にコドープされることにより、高発光効率で、良好な出力維持率(素子寿命)を有する紫外LEDが実現される。
Therefore, by co-doping the p-
以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、高効率かつ高出力で、劣化が小さく優れた素子寿命を有する紫外LEDを提供することができる。 As described above in detail, this embodiment can provide an ultraviolet LED that is highly efficient, has high output, and has minimal degradation and an excellent element lifespan.
10:紫外半導体発光素子、11:基板、12:n型AlGaN層、12A:第1のn型AlX1Ga1-X1N層、12B:第2のn型AlX2Ga1-X2N層、13:活性層、14:AlY1Ga1-Y1N層、14A:AlN層、14B:p型AlN層、15:p型AlGaN層、16:p型GaN層 10: ultraviolet semiconductor light-emitting element, 11: substrate, 12: n-type AlGaN layer, 12A: first n-type Al.sub.X1Ga.sub.1 -X1N layer, 12B: second n-type Al.sub.X2Ga.sub.1 -X2N layer, 13: active layer, 14: Al.sub.Y1Ga.sub.1 -Y1N layer, 14A: AlN layer, 14B: p-type AlN layer, 15: p-type AlGaN layer, 16: p-type GaN layer
Claims (9)
前記p型AlY2Ga1-Y2N層はアクセプタとなるp型不純物とドナーとなるn型不純物とがコドープされ、前記n型不純物の濃度(Nd)の前記p型不純物の濃度(Na)に対する濃度比(Nd/Na)が、0.009≦(Nd/Na)<0.185を満たし、
前記p型Al Y2 Ga 1-Y2 N層の前記p型不純物の濃度は、1×10 17 ~1.2×10 20 cm -3 であり、
前記AlY1Ga1-Y1N層は、前記n型不純物を含まないか、又は前記n型不純物の濃度が前記p型AlY2Ga1-Y2N層の前記n型不純物の濃度未満である、紫外半導体発光素子。 a semiconductor structure layer in which an n-type AlGaN layer, an active layer, an AlY1Ga1 -Y1N layer (0.8≦Y1≦1.0) and a p-type AlY2Ga1 -Y2N layer (0.5≦Y2≦1.0, Y2≦Y1) are epitaxially grown in this order;
the p-type AlY2Ga1 -Y2N layer is co-doped with a p-type impurity serving as an acceptor and an n-type impurity serving as a donor, and a concentration ratio (Nd/Na) of a concentration (Nd) of the n-type impurity to a concentration (Na) of the p-type impurity satisfies 0.009≦(Nd/Na)<0.185;
the p-type impurity concentration of the p-type Al Y2 Ga 1-Y2 N layer is 1×10 17 to 1.2×10 20 cm −3 ,
The Al.sub.Y1 Ga.sub.1-Y1 N layer does not contain the n-type impurity or the concentration of the n-type impurity is less than the concentration of the n-type impurity in the p-type Al.sub.Y2 Ga.sub.1 -Y2 N layer.
前記基板は単結晶AlN基板である、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の紫外半導体発光素子。 The semiconductor structure layer is formed on a substrate,
9. The ultraviolet semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the substrate is a single crystal AlN substrate.
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