JP5400001B2

JP5400001B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造

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Publication number: JP5400001B2
Application number: JP2010186651A
Authority: JP
Inventors: 芳孝谷保; 誠嘉数
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JP2012044120A

Description

本発明は、深紫外発光素子構造に係り、より詳細には、III族窒化物半導体を使用した深紫外発光素子構造に関する。

III族窒化物半導体である窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体を使用して深紫外発光素子を作製する際、活性層にはＡｌＧａＮ井戸層とそれよりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ障壁層からなるＡｌＧａＮ多重量子井戸構造が利用されてきた。しかし、ＡｌＧａＮ多重量子井戸の深紫外発光素子では、ＡｌＧａＮ井戸層に多くの点欠陥や転位などの結晶欠陥が導入されやすい、Ａｌ組成の増加にともない成長表面として一般的に使用される（０００１）面方向への発光が弱くなる、ＡｌＧａＮの混晶組成ゆらぎに由来して発光波長が不均一になりやすい、ＡｌＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮ障壁層のバンドギャップ差が小さいため、発光効率は数％程度と低い、などの問題がある。

以下に、発光層にＡｌＧａＮ多重量子井戸構造を使用した深紫外発光素子に関するＡ．Ｋｈａｎ他の報告（非特許文献１参照。）について述べる。図１に、報告されているＡｌＧａＮ多重量子井戸構造を使用した深紫外発光素子１００の構造を示す。この報告例では、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により作製している。基板にはＡｌ₂Ｏ₃（０００１）面１０１を使用している。まず、ＡｌＮバッファ層１０２、アンドープＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０３、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０４、発光層としてＡｌＧａＮ多重量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７を成長した。ドライエッチングによりメサ構造を形成し、ｎ型電極１０８をｎ型ＡｌＧａＮ層１０４上に、ｐ型電極１０９をｐ型ＧａＮ層１０７上に形成している。波長２８０ｎｍ以下の深紫外領域での発光効率は１％以下と低い。

また、Ｈ．Ｈｉｒａｙａｍａ他（非特許文献２参照。）から報告されているように、ＡｌＧａＮ多重量子井戸層１０５のＡｌＧａＮ障壁層１０２はＡｌＧａＮ井戸層１０４よりも、Ａｌ組成が１５％程度しか高くないためバンドオフセットが小さく、キャリアを十分に閉じ込めることができないため発光効率が低い。また、ＡｌＧａＮ多重量子井戸構造１０５のＡｌ組成が高くなるほど、つまり、発光波長が短くなるほど発光効率は低下する。このように、ＡｌＧａＮ多重量子井戸１０５を使用した従来構造では、発光効率が高く、波長の短い深紫外発光素子を作製することはできない。

Asif Khan, et al., ‘‘Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides,’’ Nature Photonics, Vol. 2, pp.77-84 (2008). Hideki Hirayama, et al., ‘‘231-261 nm AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes fabricated on AlN multilayer buffers grown by ammonia pulse-flow method on sapphire,’’ Appl. Phys. Lett. 91, 71901 (2007).

本発明は、高い発光効率を得ることができるIII族窒化物半導体の深紫外発光素子構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載されたＩＩＩ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造は、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮ井戸層とからなるＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層と、上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層を上下に挟むように配置されるｎ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えた発光波長が２２０−２８０ｎｍであるＩＩＩ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造であって、上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層の上記ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成、上記ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成、上記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が７０％以上であり、上記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層の上記ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以下であることを特徴とする。

ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮ井戸層からなるＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層をｎ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層で挟んだ深紫外発光素子構造は、発光層として働くＧａＮ井戸層を大きなバンドオフセットを有するＡｌＧａＮ障壁層により短周期超格子を形成している。このため、欠陥が少なく、（０００１）面方向への発光が強く、混晶組成ゆらぎが発生しないＧａＮ井戸層を発光層として使用することが可能となること、ＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮ障壁層の大きなバンドオフセットによりキャリアを強く閉じ込めることが可能となることにより、高い発光効率を有する波長２２０−２８０ｎｍの深紫外半導体発光素子を作製することができるようになる。

以上のように、本発明のIII族窒化物半導体の深紫外発光素子構造は、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮ井戸層からなるＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層をｎ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層で挟んだ構成とすることにより、発光効率の高い、波長２２０−２８０ｎｍの深紫外発光素子構造を作製することができるようになる。

従来のＡｌＧａＮ多重量子井戸層を使用した深紫外発光素子構造を示す構造図である。本発明の実施例１に係るIII族窒化物半導体の深紫外発光素子構造の１例として、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層を使用した深紫外発光素子構造を示す構造図である。実施例１で比較のために作製したＡｌＧａＮ多重量子井戸層を使用した深紫外発光素子構造を示す構造図である。（Ａ）ＡｌＧａＮ多重量子井戸、（Ｂ）ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子のエネルギーバンドの概略図である。本発明の実施例２に係るIII族窒化物半導体の深紫外発光素子構造であるＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層を使用した深紫外発光素子構造を示す構造図である。ＡｌＧａＮ障壁層、ｎ型およびｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と発光効率の関係を示す図である。ＧａＮ井戸層の膜厚と深紫外発光素子の発光波長の関係を示す図である。ＧａＮ井戸層の膜厚と深紫外発光素子の発光効率の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜実施例１＞
まず、本発明の実施例１について、図２乃至図４を参照して説明する。
図２は、本発明の実施例１に係るIII族窒化物半導体の深紫外発光素子構造の１例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子２０４のＡｌＧａＮ障壁層にＡｌＮ層２０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層にｎ型ＡｌＮ層２０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層にｐ型ＡｌＮ層２０５を使用した場合の構造図である。

図２に示す、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子を使用した深紫外発光素子２００は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により作製した。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を使用した。不純物ドーピング用のシリコン（Ｓｉ）原料としてシラン（ＳｉＨ₄）、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）を使用した。
まず、サファイア（０００１）基板上２０１に、１３００℃でアンドープＡｌＮバッファ層（膜厚１μｍ）２０２、１２００℃でｎ型ＳｉドープＡｌＮ層（膜厚１μｍ、Ｓｉ濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）２０３、１０００℃でＡｌＮ障壁層（膜厚１．８ｎｍ）とＧａＮ井戸層（膜厚０．４８ｎｍ）からなる３０周期のＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層２０４、１２００℃でｐ型ＭｇドープＡｌＮ層（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）２０５の順にエピタキシャル成長した。ＧａＮ井戸層２０４はＡｌＮ障壁層ならびにｎ型ＳｉドープＡｌＮ層に対してコヒーレントにエピタキシャル成長しており、ミスフィット転位などの欠陥は発生せず、ＧａＮ井戸層には大きな圧縮歪が内在している。なお、ｎ型ＳｉドープＡｌＮ層２０３およびｐ型ＭｇドープＡｌＮ層２０５では良好な電気伝導性を得るために、残留酸素濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に低減している。続いて、塩素ガスを使用したドライエッチングにより、メサ構造を形成する。メサ上部のｐ型ＭｇドープＡｌＮ層２０５にＮｉ／Ａｕ電極２０７を形成し、露出したｎ型ＳｉドープＡｌＮ層２０３上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極２０６を形成した。本素子の発光波長は２５６ｎｍである。ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子では、発光波長はＡｌＮ障壁層とＧａＮ井戸層の膜厚でのみ制御できる。

また、比較のため、従来のＡｌＧａＮ多重量子井戸を使用した波長２５６ｎｍ深紫外発光素子３００を作製した。図３に作製した深紫外発光素子３００の構造を示す。作製方法は、上記と同様である。まず、サファイア（０００１）基板３０１上に、１３００℃でアンドープＡｌＮバッファ層（膜厚１μｍ）３０２、１２００℃でｎ型ＳｉドープＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成８０％、膜厚１μｍ、Ｓｉ濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）３０３、１０００℃でＡｌＧａＮ障壁層（Ａｌ組成８０％、膜厚２．５ｎｍ）とＡｌＧａＮ井戸層（Ａｌ組成６０％、膜厚１．５ｎｍ）からなる１０周期のＡｌＧａＮ多重量子井戸層３０４、１２００℃でｐ型ＭｇドープＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成８０％、膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）３０５の順にエピタキシャル成長した。なお、ｎ型ＳｉドープＡｌＧａＮ層３０３およびｐ型ＭｇドープＡｌＧａＮ層３０５では良好な電気伝導性を得るために、残留酸素濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に低減している。続いて、塩素ガスを使用したドライエッチングにより、メサ構造を形成する。メサ上部のｐ型ＭｇドープＡｌＧａＮ層３０５にＮｉ／Ａｕ電極３０７を形成し、露出したｎ型ＳｉドープＡｌＧａＮ層上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極３０６を形成した。なお、ＡｌＧａＮ多重量子井戸３０４の場合は、発光波長の制御はＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成と膜厚、ＡｌＧａＮ井戸層のＡｌ組成と膜厚と多くのパラメータを調整するため困難である。

従来のＡｌＧａＮ多重量子井戸よりも本発明のＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子を活性層として使用することにより、発光効率は約５倍増加した。なお、本実施例では基板にサファイア（０００１）面を使用したが、ＡｌＮ（０００１）面やＳｉＣ（０００１）面を使用した場合も同様に発光効率は増加する。

従来のＡｌＧａＮ多重量子井戸よりも本発明のＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子を深紫外発光素子の活性層に使用することで、高い発光効率が得られる理由を説明する。図４に（Ａ）ＡｌＧａＮ多重量子井戸、（Ｂ）ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子のエネルギーバンドの概略図を示す。（Ａ）のＡｌＧａＮ多重量子井戸の場合、ＡｌＧａＮ井戸層でキャリアである電子と正孔が輻射再結合することで発光する。ＡｌＧａＮは、Ａｌ組成が高いほど、点欠陥や転位などの結晶欠陥が発生しやすい。これらの欠陥でキャリアは非輻射再結合するため、これらの欠陥が多いと発光効率は低下する。また、深紫外発光のために高いＡｌ組成を必要とするＡｌＧａＮ多重量子井戸では、Ａｌ組成が高いほど（０００１）面方向への発光は弱くなる。さらに、ＡｌＧａＮ多重量子井戸では、伝導帯のバンドオフセットと価電子帯のバンドオフセットは小さいため、井戸層でのキャリア（電子と正孔）の閉じ込めが弱いため、キャリアは発光せずに井戸層の外へ逃げてしまう。例えば、本実施例のＡｌＧａＮ多重量子井戸層の波長２５６ｎｍ深紫外発光素子では、伝導帯のバンドオフセットは０．３ｅＶ、価電子帯のバンドオフセットは０．１ｅＶと小さい。

一方、（Ｂ）のＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子の場合、ＧａＮ井戸層でキャリアである電子と正孔が輻射再結合することで発光する。ＧａＮは、Ａｌを含んでいない二元材料であり、点欠陥や転位などの結晶欠陥が発生しにくい。また、ＧａＮは、ＡｌＧａＮと比べて、（０００１）面方向への発光が強い。さらに、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子では、バンドギャップが小さいＧａＮを井戸層に使用しているため、伝導帯のバンドオフセットは１．９５ｅＶ、価電子帯のバンドオフセットは０．６５ｅＶと大きく、井戸層にキャリアが強く閉じ込められるため、効率的に発光する。このため、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子を使用することにより、高い発光効率が得られる。以上、本発明により、発光効率の高い深紫外発光素子構造が実現する。

＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２について、図５、図６を参照して説明する。
図５は、本発明の実施例２に係るIII族窒化物半導体の深紫外発光素子構造の１例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層５０４のＡｌＧａＮ障壁層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層５０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０５のＡｌ組成と発光特性の関係について説明する。作製した深紫外発光素子構造の構造図である。作製手順は、実施例１と同様である。

図６に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層５０４のＡｌＧａＮ障壁層、ｎ型ＡｌＧａＮ層５０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０５のＡｌ組成と、深紫外光素子の発光効率との関係を示す。図６からわかるように、Ａｌ組成が増加するに従い、発光効率は増加する。これは、Ａｌ組成が高いほど、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子領域でのキャリアの閉じ込めを強くできるからである。そして、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子では、深紫外発光が得られる高いＡｌ組成において、従来構造であるＡｌＧａＮ多重量子井戸よりも高い発光効率が得られる。特に、それぞれのＡｌ組成が７０％以上の場合に、Ａｌ組成が１００％の場合と同様の高い発光効率が得られる。なお、ＡｌＧａＮ障壁層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層５０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０５のＡｌ組成がそれぞれ異なる場合でも、それぞれのＡｌ組成が７０％以上であれば、同様に高い発光効率が得られる。

次に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層５０４のＡｌＧａＮ障壁層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層５０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０５のＡｌ組成と発光波長を説明する。Ａｌ組成が７０％以上の場合、発光波長はＡｌ組成にほとんど依存しない。これは、Ａｌ組成が７０％以上の場合、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮ井戸層のバンドオフセットが十分に大きいことにより、Ａｌ組成による量子準位の変化が小さいため、発光波長の変化が小さくなるためである。このように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層５０４では、Ａｌ組成が変動したとしても発光波長の変化は小さく、発光波長の制御性は高い。一方、従来のＡｌＧａＮ多重量子井戸１０５では、発光波長はＡｌＧａＮ井戸層ならびに障壁層のＡｌ組成に強く依存するので、Ａｌ組成が変動した場合に発光波長の変化は大きく、発光波長の制御が困難である。

＜実施例３＞
次に、本発明の実施例３について、図７、図８を参照して説明する。
まず、ＧａＮ井戸層の膜厚と深紫外発光素子の発光特性の関係について説明する。本実施例では図２に示したＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層２０４のＡｌＧａＮ障壁層としてＡｌＮ障壁層（Ａｌ組成１００％）２０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層としてｎ型ＡｌＮ層（Ａｌ組成１００％）２０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層としてｐ型ＡｌＮ層（Ａｌ組成１００％）２０５の場合を例に説明する。作製手順は、実施例１と同様である。

図７に、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層のＧａＮ井戸層の膜厚と深紫外発光素子の発光波長との関係を示す。図７からわかるように、ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以下の場合に、波長２８０ｎｍ以下の深紫外発光が得られる。ＧａＮ井戸層の膜厚が減少するにしたがい、発光波長は短波長化する。ＧａＮ井戸層の膜厚が０．１５ｎｍの時に波長２２０ｎｍの深紫外発光が得られる。このように、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子では、ＧａＮ井戸層の膜厚でのみ発光波長を調整することができるため、発光波長の制御性は高い。

図８に、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層のＧａＮ井戸層の膜厚と、深紫外発光素子の発光効率との関係を示す。図８からわかるように、ＧａＮ井戸層の膜厚を１ｎｍ以下とすると従来構造よりも発光効率が高くなる。特に、ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以下の場合に高い発光効率が得られる。一方、ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以上の場合、ＧａＮ井戸層の膜厚が増加するとともに発光効率は急激に低下する。さらに、ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以上の場合、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層の量子準位間からの深紫外発光以外に、近紫外や可視の領域に欠陥に由来する発光が観測されるようになり、発光ピークの単色性が劣化した。このように、ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層では、従来のＡｌＧａＮ多重量子井戸で使用される井戸層の膜厚よりも薄くすることにより単色性の優れた発光が得られる。なお、ＡｌＧａＮ障壁層の膜厚が０．２４ｎｍ以上において、キャリアをＧａＮ井戸層に閉じ込めることができるため、高発光効率で単色性の良い深紫外発光が得られる。

Ｘ線回折測定より、ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以下の場合、ＧａＮ井戸層はＡｌＮ障壁層ならびにｎ型ＳｉドープＡｌＮ層に対してコヒーレントにエピタキシャル成長しており、ＧａＮ井戸層には大きな圧縮歪が内在していることを確認した。また、光学顕微鏡観察より、成長表面は平坦であった。一方、ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以上の場合、ミスフィット転位などの欠陥が生成されることにより、ＧａＮ井戸層は格子緩和している。また、光学顕微鏡観察より、成長表面に３次元的な島が形成されており、平坦性が悪くなっていることがわかった。

本実施例では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子のＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成が１００％（つまりＡｌＮ障壁層）の場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が１００％（つまりｎ型ＡｌＮ層）の場合、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が１００％（つまりｐ型ＡｌＮ層）の場合の深紫外発光素子構造を例に説明したが、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子のＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が、それぞれ７０％以上の場合には、同様の発光波長と発光効率が得られる。なお、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層のＡｌＧａＮ障壁層、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成がそれぞれ異なった場合でも同様の発光波長と発光効率が得られる。

２００，３００，５００深紫外発光素子構造
２０１，３０１，５０１サファイヤ（０００１）基板
２０２，３０２，５０２ＡｌＮバッファ層
２０３，３０３，５０３ｎ型ＡｌＮ層
２０４，３０４，５０４ＡｌＮ／ＧａＮ短周期超格子層
２０５，３０５，５０５ｐ型ＡｌＮ層
２０６，３０６，５０６ｎ型電極
２０７，３０７，５０７ｐ型電極

Claims

ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮ井戸層とからなるＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層と、
前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層を上下に挟むように配置されるｎ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えた発光波長が２２０−２８０ｎｍであるＩＩＩ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造であって、
前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層の前記ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が７０％以上であり、
前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層の前記ＧａＮ井戸層の膜厚が０．７５ｎｍ以下であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造。