CN109314157B - 深紫外发光元件 - Google Patents
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Abstract
深紫外发光元件(10)具备光取出面(12b)、设置在光取出面(12b)上的n型半导体层、设置在n型半导体层上,带隙为3.4eV以上的活性层(20)、以及设置在活性层(20)上的p型半导体层。活性层(20)发出的深紫外光从光取出面(12b)输出到外部。活性层(20)的侧面(32)相对于n型半导体层和活性层(20)的界面(19)倾斜,该倾斜角为15度以上50度以下。
Description
技术领域
本发明涉及深紫外发光元件。
背景技术
近几年,输出蓝色光的发光二极管和激光二极管等半导体发光元件被实用化,输出波长更短的深紫外光的发光元件的开发被推进。因为深紫外光具有较强的杀菌能力,所以能够输出深紫外光的半导体发光元件作为在医疗和食品加工现场的无汞杀菌用光源而被关注。这样的深紫外光用的发光元件具有在基板上按顺序层叠的氮化铝镓(AlGaN)类的n型包覆层、活性层、p型包覆层等。
在深紫外发光元件中,例如,在p型包覆层上的第1区域形成有p电极,在与第1区域不同的第2区域中除去活性层以及p型包覆层而露出n型包覆层,在第2区域的n型包覆层上形成有n电极。活性层发出的深紫外光从基板的光取出面输出(例如,参考专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1:日本专利第5594530号公报
[非专利文献]
非专利文献1:Applied Physics Letters 84,5264(2004)
发明内容
[发明要解决的课题]
在使用AlGaN的深紫外发光元件中被指出有如下的问题:AlGaN结晶的光学特性根据AlN组成比而变化,因其特有的偏振光特性而使光取出效率下降(例如,参考非专利文献1)。尤其是,在作为提高活性层的AlN组成比而能输出更短波长的深紫外光的结构的情况下,沿着活性层界面的方向传播的光分量增加,在与活性层界面交叉的方向传播并能够从基板的光取出面取出到外部的光量下降。
本发明是鉴于这样的课题而完成的,其例示性目的之一在于提供一种提高深紫外发光元件的光取出效率的技术。
[用于解决技术课题的技术方案]
本发明的某一方式的深紫外发光元件包括:光取出面;n型半导体层,设置在光取出面上;活性层,设置在n型半导体层上,带隙为3.4eV以上;以及p型半导体层,设置在活性层上。活性层发出的深紫外光从光取出面输出到外部,活性层的侧面相对于n型半导体层与活性层的界面倾斜,其倾斜角为15度以上50度以下。
根据该方式,可以通过使活性层的侧面倾斜,在活性层的侧面反射沿着活性层的界面的方向传播的深紫外光,并使其向与活性层的界面交叉的方向变化传播方向。特别是,通过将侧面的倾斜角设为15度以上50度以下,能够使在活性层的侧面反射的深紫外光的传播方向从光取出面向能够输出到外部的方向变化。由此,能够增加从光取出出面输出的深紫外光的光量,并提高光取出效率。
也可以是,具备蓝宝石基板,该蓝宝石基板具有光取出面;n型半导体层、活性层以及p型半导体层是ALGaN系的半导体层。
也可以是,还具备保护层,覆盖活性层的侧面并且针对从活性层发出的深紫外光透明。
也可以是,活性层的侧面的倾斜角θa使用活性层的折射率n1而满足下式的关系。
也可以是,活性层侧面的倾斜角是20度以上40度以下。
[发明效果]
根据本发明,能提高深紫外发光元件的光取出效率。
附图说明
图1是概要地示出实施方式涉及的深紫外发光元件的结构的截面图。
图2是概要地示出深紫外发光元件的制造工序的截面图。
图3是概要地示出深紫外发光元件的制造工序的截面图。
图4是概要地示出深紫外发光元件的制造工序的截面图。
图5是概要地示出深紫外发光元件的制造工序的截面图。
图6是示出比较例涉及的深紫外发光元件的仿真结果的图。
图7是示出实施例涉及的深紫外发光元件的仿真结果的图。
图8是示出侧面的倾斜角与光取出面的光输出量的关系的图表。
图9是示意性地示出实施方式涉及的深紫外发光元件所取得的效果的图。
具体实施方式
下面,一边参考附图一边对用于实施本发明的方式进行详细说明。此外,在说明中对同样的要素赋予相同的附图标记,并适当地省略重复的说明。另外,为了有助于说明的理解,各附图中的各结构要素的尺寸比未必与实际的发光元件的尺寸比一致。
图1是概要地示出实施方式涉及的深紫外发光元件10的结构的截面图。深紫外发光元件10具有基板12、第1基底层14、第2基底层16、n型包覆层18、活性层20、电子阻挡层22、p型包覆层24、p侧电极26、n侧电极28、以及保护层30。深紫外发光元件10是被构成为发出中心波长约355nm以下的“深紫外光”的半导体发光元件。为了输出这样的波长的深紫外光,活性层20由带隙为约3.4eV以上的氮化铝镓(AlGaN)类半导体材料构成。在本实施方式中,尤其示出发出中心波长约310nm以下的深紫外光的情况。
在本说明书中,所说的“AlGaN类半导体材料”是指主要含有氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的半导体材料,并包含氮化铟(InN)等其他的材料的半导体材料。因此,本说明书说的“AlGaN类半导体材料”,例如,能用In1-x-yAlxGayN(0≤x+y≤1、0≤x≤1、0≤y≤1)的组成来表示,包括AlN、GaN、AlGaN、氮化铟铝(InAlN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝镓(InAlGaN)。
另外,在“AlGaN类半导体材料”中,为了区别实质上不含有AlN的材料,有时称为GaN类半导体材料。“GaN类半导体材料”主要包括GaN和InGaN,其中也包括含有微量的AlN的材料。同样地,在“AlGaN类半导体材料”中,为了区别实质上不含有GaN的材料,有时称为“AlN类半导体材料”。“AlN类半导体材料”,主要包括AlN和InAlN,其中也包括含有微量的GaN的材料。
基板12是蓝宝石(Al2O3)基板。基板12具有晶体生长面12a、和光取出面12b。晶体生长面12a例如是蓝宝石基板的(0001)表面,在晶体生长面12a上层叠有第1基底层14以及第2基底层16。第1基底层14是由AlN类半导体材料形成的层,例如是使之高温生长的AlN(HT-AlN)层。第2基底层16是由AlGaN类半导体材料形成的层,例如是非掺杂的AlGaN(u-AlGaN)层。
基板12、第1基底层14以及第2基底层16作为用于形成n型包覆层18上面的层的基础层(模板)而发挥作用。另外,这些层作为用于将活性层20发出的深紫外光取出到外部的光取出基板而发挥作用,使活性层20发出的深紫外光透过。因此,活性层20发出的深紫外光从基板12的光取出面12b输出到外部。光取出面12b也可以不是平坦面,而是形成有亚微米至亚毫米程度的微小的凹凸构造的纹理面。在光取出面12b形成纹理构造,从而能够抑制在光取出面12b的反射乃至全反射,来提高光取出效率。
n型包覆层18是设置在第2基底层16上的n型半导体层。n型包覆层18是由n型的AlGaN类半导体材料形成,例如是掺杂有硅(Si)作为n型的杂质的AlGaN层。n型包覆层18被选择组成比,使得活性层20发出的深紫外光透过,例如形成为AlN的摩尔分率为40%以上,优选为50%以上。n型包覆层18具有比活性层20发出的深紫外光的波长大的带隙,例如形成为带隙为4.3eV以上。n型包覆层18具有100nm~300nm程度的厚度,例如具有200nm左右的厚度。
在n型包覆层18的第1区域W1上形成有n侧电极28。在与n型包覆层18的第1区域W1不同的区域(第2区域W2以及第3区域W3)上形成有活性层20。
n侧电极28被设置在n型包覆层18上,并形成在第1区域W1。n侧电极28例如通过钛(Ti)/Al/Ti/Au的层叠构造而形成。关于各金属层的厚度,例如,第1Ti层是20nm左右、Al层是100nm左右、第2Ti层是50nm左右、Au层是100nm左右。
此外,为了降低n型包覆层18和n侧电极28的接触电阻,也可以在n型包覆层18和n侧电极28之间设置n型接触层。n型接触层也可以由选择组成比使得Al含有率比n型包覆层18低的n型的AlGaN类半导体材料或GaN类半导体材料构成。n型接触层优选AlN的摩尔分率为20%以下,更加优选AlN的摩尔分率为10%以下。
活性层20被设置在n型包覆层18之上。活性层20由AlGaN类半导体材料形成,被夹在n型包覆层18和电子阻挡层22之间,构成双异质连接结构。活性层20也可以构成单层或多层的量子阱结构。这样的量子阱结构,例如通过层叠由n型的AlGaN类半导体材料形成的势垒层和由非掺杂的AlGaN类半导体材料形成的阱层而形成。为了输出波长355nm以下的深紫外光,活性层20被构成为带隙在3.4eV以上,并选择组成比使得例如能够输出波长310nm以下的深紫外光。
电子阻挡层22是设置在活性层20之上的p型半导体层。电子阻挡层22是由p型的AlGaN类半导体材料形成的层,例如是掺杂Mg的AlGaN层。电子阻挡层22被选择组成比使得AlN的摩尔分率比活性层20、p型包覆层24高,例如形成为AlN的摩尔分率为40%以上,优选成为50%以上。电子阻挡层22也可以形成为AlN的摩尔分率为80%以上,也可以由实质上不含GaN的AlN类半导体材料形成。电子阻挡层22具有1nm~10nm左右的厚度,例如具有2nm~5nm左右的厚度。
p型包覆层24是设置在电子阻挡层22之上的p型半导体层。p型包覆层24是由p型的AlGaN类半导体材料形成的层,例如是掺杂Mg的AlGaN层。p型包覆层24被选择组成比使得AlN的摩尔分率比活性层20高、AlN的摩尔分率比电子阻挡层22低。p型包覆层24具有300nm~700nm程度的厚度,例如具有400nm~600nm程度的厚度。
p侧电极26被设置在p型包覆层24之上,形成在第2区域W2。p侧电极26由能够实现与p型包覆层24间的欧姆接触的材料形成,例如由镍(Ni)/金(Au)的层叠结构形成。关于各金属层的厚度,例如,Ni层是60nm左右,Au层是50nm左右。
此外,为了降低p型包覆层24和p侧电极26接触电阻,也可以在p型包覆层24和p侧电极26之间设置p型接触层。p型接触层也可以由选择组成比使得Al含有率比p型包覆层24低的p型的AlGaN类半导体材料或由GaN类半导体材料构成。p型接触层优选AlN的摩尔分率为20%以下,更加优选AlN的摩尔分率为10%以下。
活性层20、电子阻挡层22以及p型包覆层24以侧面32(台面)倾斜的方式构成。该倾斜的侧面32位于形成有n侧电极28的第1区域W1和形成有p侧电极26的第2区域W2之间的第3区域W3。侧面32形成为相对于n型包覆层18与活性层20的界面19具有倾斜角θa。通过使侧面32倾斜,使活性层20(例如点S)发出的深紫外光L由侧面32反射,而朝向基板12的光取出面12b。
侧面32的倾斜角θa构成为15度以上50度以下,优选构成为20度以上40度以下。通过将侧面32的倾斜角θa设定为这样的角度范围,能够增加从光取出面12b输出的深紫外光的光量,并能够提高光取出效率。关于这样的角度范围优选的理由另外后述。
侧面32被保护层30覆盖。保护层30由针对活性层20发出的深紫外光透明的绝缘材料构成。作为保护层30例如能够使用二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)等。保护层30优选由针对深紫外光的折射率低的材料构成,在上述材料中优选SiO2(折射率1.4)。通过降低保护层30的折射率,并增大与活性层20的折射率差,从而能够增大在侧面32发生全反射的角度范围并能够提高侧面32的深紫外光的反射率。另外,通告使用透明材料作为保护层30,能够降低由于保护层30吸收深紫外光所产生的损失。
接着,一边参考图2~图5一边说明关于深紫外发光元件10的制造方法。首先,如图2所示,在基板12上按顺序使第1基底层14、第2基底层16、n型包覆层18、活性层20、电子阻挡层22、以及p型包覆层24层叠。由AlGaN类半导体材料形成的第2基底层16、n型包覆层18、活性层20、电子阻挡层22以及p型包覆层24可采用有机金属化学气相增长(MOVPE)法、分子线磊晶(MBE)法等公知的外延增长法形成。
其次,如图3所示,在p型包覆层24之上形成掩膜层40。掩膜层40形成在p型包覆层24的第2区域W2以及第3区域W3之上。掩膜层40被形成为在第3区域W3具有规定的倾斜角θb。掩膜层的倾斜角θb能够通过控制抗蚀剂曝光而形成掩模图案之后的抗蚀剂的烘烤温度来进行调整。例如,通过降低抗蚀剂的烘烤温度能够增大掩膜层40的倾斜角θb,通过提高抗蚀剂的烘烤温度能够减小掩膜层40的倾斜角θb。也基于使用的抗蚀剂的材料,例如,通过在100℃~200℃之间调整烘烤温度,能够在70度~20度之间调整掩膜层40的倾斜角θb。
接着,如图4所示,从掩膜层40之上蚀刻活性层20、电子阻挡层22以及p型包覆层24。在图4中,以虚线示出蚀刻前的结构,以实线示出蚀刻后的结构。关于掩膜层40以及各半导体层,用反应性离子蚀刻、等离子等进行干蚀刻,形成具有与掩膜层40的倾斜角θb对应的倾斜角θa的侧面32。该干蚀刻工序进行到n型包覆层18的上表面18a露出为止。n型包覆层18的上表面18a可以形成为与n型包覆层18和活性层20的界面19同样的高度,也可以形成为比界面19低的位置。在后者的情况下,也可以通过该蚀刻工序除去n型包覆层18的一部分。
侧面32的倾斜角θa由掩膜层40的倾斜角θb、掩膜层40以及半导体层的蚀刻速度所决定。例如,在掩膜层40的蚀刻速度比各半导体层相对大的情况下,侧面32的倾斜角θa比掩膜层40的倾斜角θb小。其结果,通过将掩膜层40的倾斜角θb在20度~70度的范围调整,从而侧面32的倾斜角θa能够在15度~50度的范围内调整。此外,形成倾斜角θa小于15度这样的均一的侧面32在制造上比较困难,为了形成具有均一的倾斜角θa的侧面32,需要将倾斜角θa设为15度以上,优选设置为20度以上。
其次,在除去残留在p型包覆层24上的掩膜层40之后,如图5所示,形成保护层30。保护层30设置为至少覆盖活性层20、电子阻挡层22以及p型包覆层24的侧面32。保护层30的厚度优选被形成得能够在侧面32适当地反射乃至全反射深紫外光的程度,例如能够设置为20nm~300nm程度的厚度。
保护层30可以通过从第一区域W1和第三区域W3所设的掩膜上方形成,而选择性地形成在侧面32上。其他,也可以在以覆盖n型包覆层18的上表面18a、侧面32、p型包覆层24的上表面24a的全面的方式形成保护层后,除去与第1区域W1以及第3区域W3对应的部分。在后者的情况下,例如可以使用等离子等的干蚀刻除去保护层的一部分,也可以使用氢氟酸(HF)等的湿蚀刻除去保护层的一部分。
接着,在露出于第1区域W1的n型包覆层18的上表面18a上形成n侧电极28,在露出于第2区域W2的p型包覆层24的上表面24a上形成p侧电极26。此外,也可以在n型包覆层18的上表面18a形成n型接触层,在n型接触层上形成n侧电极28。同样地,也可以在p型包覆层24的上表面24a上形成p型接触层,在p型接触层上形成p侧电极26。通过以上的工序,图1示出的深紫外发光元件10完成。
接着,对于本实施方式涉及的深紫外发光元件10取得的效果进行说明。图6是示出有关比较例的深紫外发光元件的仿真结果的图,示出侧面32的倾斜角θa为70度时的光线追踪的结果。如图所示,可知朝向侧面32的光线的大多数从保护层30的外表面30a泄露到外部,在侧面32被反射后,朝向n型包覆层18的光线的比例极小。像这样,在侧面32的倾斜角θa较大的情况下,不能从基板12的光取出面12b取出朝向侧面32的深紫外光。
图7是示出实施例涉及的深紫外发光元件的仿真结果的图,示出侧面32的倾斜角θa为30度时的光线追踪的结果。如图所示,朝向侧面32的光线的一部分从保护层30的外表面30a泄露到外部,但是朝向侧面32的光线的大部分在侧面32或保护层30的外表面30a被反射,而朝向n型包覆层18。另外,因为入射到n型包覆层18与活性层20的界面19的光线的入射角较小,所以未被基板12的光取出面12b全反射而能够取出到外部。像这样,通过减小侧面32的倾斜角θa,能够从基板12的光取出面12b取出朝向侧面32的深紫外光的一部分。
图8是示出侧面32的倾斜角θa和光取出面12b的光输出量的关系的图表。该图表对模仿上述的深紫外发光元件10的结构的模型进行光线追踪的仿真,计算并求出来自光取出面12b的光输出量。作为计算模型,层叠400μm厚的蓝宝石基板(折射率1.83)、2μm厚的AlN基底层(折射率2.1)、2μm厚的n型AlGaN层(折射率2.3)、500nm厚的活性层(折射率2.56),并在活性层上配置模仿p型半导体层的全吸收体作为边界层。使活性层的侧面倾斜,在倾斜面上配置二氧化硅层(折射率1.4)。使活性层的侧面的倾斜角θa在20度~90度的范围变化,并求出从蓝宝石基板输出的光输出量。图表的纵轴是以倾斜角θa=70度时的光输出量作为1的相对值。
如图所示,可知在倾斜角θa为60度~90度的范围内,光输出量相对较低,而倾斜角θa为20度~50度的范围内,光输出量增加了5%~8%的程度。根据该仿真结果,可知通过将活性层20的侧面32的倾斜角θa设为50度以下,能够提高光取出效率。
图9是示意性地示出实施方式涉及的深紫外发光元件10取得的效果的图,示意性地示出从活性层20产生的深紫外光传播的情况。以下,一边使用本图,一边对倾斜角θa为50度以下时能够提高光取出效率的理由进行考察。
在活性层20的任意的地点S产生的深紫外光主要朝向n型包覆层18与活性层20的界面19或者活性层20与电子阻挡层22的界面22。入射到n型包覆层18与活性层20的界面19的深紫外光的一部分,朝向基板12的光取出面12b传播,并从光取出面12b输出到外部。另外,入射到界面19的深紫外光的另外一部分由界面19反射而传播到活性层20的内部,并朝向侧面32。
此时,由活性层20产生的深紫外光向哪个方向传播,主要由波源S的出射方向和构成深紫外发光元件10的各层的折射率决定。在将入射到n型包覆层18和活性层20的界面19的深紫外光的入射角设为θ1、将活性层20的折射率设为n1时,如果是满足θ1<sin-1(1/n1)=θC1关系的深紫外光,则能够从光取出面12b输出到深紫外发光元件10的外部。关于此时的临界角θC1(以下也称为第1临界角θC1),活性层20是AlGaN类半导体材料,如果是折射率n1=2.4~2.6的程度,则第1临界角θC1=22~25度的程度。如果入射角θ1比该第1临界角θC1小,则在光取出面12b上不发生全反射,深紫外光从光取出面12b输出到外部。
因为在n型包覆层18与活性层20的界面19发生全反射,所以具有规定范围的入射角θ1的深紫外光不会从界面19输出到n型包覆层18。AlGaN类半导体材料的折射率具有AlN组成比越高(即,带隙高)则折射率越低的倾向,与AlN组成比相对较低的活性层20的折射率n1相比,AlN组成比相对较高的n型包覆层18的折射率n2较低。例如,如果是AlN组成比在40%以上的n型包覆层18,则其折射率n2=2.2~2.3的程度。如果使用该值,则界面19处的临界角θC2(以下也称为第2临界角θC2)成为θC2=sin-1(n2/n1)=58~73度的程度。
根据以上,在入射到界面19的深紫外光的入射角θ1比第一临界角θC1小的情况下,如光线L0所示,深紫外光从光取出面12b向外部输出。另一方面,当入射到界面19的深紫外光的入射角θ1大于第二临界角θC2时,在界面19发生全反射,如光线L1所示那样朝向侧面32。此时,入射到侧面32的深紫外光的入射角θ2,能够使用界面19的入射角(或反射角)θ1和侧面32的倾斜角θa几何学地表示为θ2=|θ1-θa|。
在侧面32反射的深紫外光根据侧面32的倾斜角θa而改变方向,如光线L2所示,以入射角θ3再入射到界面19。另外,如光线L4所示,在侧面32未被反射而透过保护层30,在保护层30的外表面30a反射的深紫外光也以相同的入射角θ3再次入射到界面19。此时的再入射角θ3,可以用界面19的最初的入射角(或反射角)θ1和侧面32的倾斜角θa几何学地表示为θ3=|θ1-2θa|。
此时,在对界面19的再入射角θ3比上述的第1临界角θC1小的情况下,如光线L3所示,深紫外光从光取出面12b输出到外部。即,如果是存在满足|θ1-2θa|<θC1条件(以下也称为光取出条件)的最初的入射角θ1这样的倾斜角θa的话,则能够将朝向活性层20的侧面32的深紫外光从光取出面12b取出到外部。像这样的倾斜角θa的条件能够通过以下的式(1)来表示。
式1:
如果设为折射率n1=2.4~2.6来计算上述式(1)的右边,则成为56~58度的程度。因此,如果使倾斜角θa小于该上限角,则能够产生满足上述光取出条件的深紫外光,进而,通过进一步减小倾斜角θa,能够扩大满足光取出条件的入射角θ1的角度范围。根据以上的考察,可以说侧面32的倾斜角θa优选是50度以下,更加优选是40度以下。例如,在倾斜角θa=40度的情况下,入射角θ1为63度以上的深紫外光,即、在界面19被全反射的深紫外光的大部分能够以比第1临界角θC1小的再入射角θ3入射到界面19。
活性层20产生的深紫外光的输出方向根据活性层20的AlN组成比而不同。特别是,在为了输出短波长的深紫外光(310nm以下)而提高活性层20的AlN组成比时,则存在与界面19垂直的方向的光分量减少、沿着界面19方向的光分量增加的倾向。根据本实施方式,通过适当地设定侧面32的倾斜角θa,因为被界面19反射乃至全反射,从而能够使不朝向光取出面12b的深紫外光的方向适当地变化。因此,根据本实施方式,特别是在输出短波长的深紫外光的深紫外发光元件10中,能够提高从光取出面12b的光取出效率。
以上,基于实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员能够理解,本发明不限于上述实施方式,可以进行各种各样的设计变更,有各种各样的变形例,并且这样的变形例也在本发明的范围内。
[附图标记的说明]
10…深紫外发光元件,12…基板,12b…光取出面,18…n型包覆层,19…界面,20…活性层,22…电子阻挡层,24…p型包覆层,26…p侧电极,28…n侧电极,30…保护层,32…侧面,W1…第1区域,W2…第2区域。
[工业可利用性]
根据本发明,能够提高深紫外发光元件的光取出效率。
Claims (5)
1.一种深紫外发光元件,其特征在于,包括:
光取出面,
n型半导体层,设置在上述光取出面上,
n侧电极,设置在上述n型半导体层上的一部分区域,
活性层,设置在上述n型半导体层上的与上述一部区域不同的区域,带隙为3.4eV以上,以及
p型半导体层,设置在上述活性层上;
保护层,覆盖上述活性层的侧面,并且针对从上述活性层发出的深紫外光透明;
上述活性层发出的深紫外光从上述光取出面输出到外部;
上述活性层的侧面相对于上述n型半导体层与上述活性层的界面倾斜,其倾斜角为15度以上50度以下,
上述n型半导体层的侧面在从上述n型半导体层与上述n侧电极的界面到上述光取出面的范围内相对于上述n型半导体层与上述活性层的界面垂直。
2.如权利要求1所述的深紫外发光元件,其特征在于,
具备蓝宝石基板,该蓝宝石基板具有上述光取出面;
上述n型半导体层、上述活性层以及上述p型半导体层是AlGaN类的半导体层。
3.如权利要求1或2所述的深紫外发光元件,其特征在于,
所述保护层包含二氧化硅(SiO2),氧氮化硅(SiON),氮化硅(SiN),氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)。
5.如权利要求1或2所述的深紫外发光元件,其特征在于,
上述活性层的侧面的倾斜角是20度以上40度以下。
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