KR20190085170A

KR20190085170A - 질화물 반도체 발광 소자

Info

Publication number: KR20190085170A
Application number: KR1020197019794A
Authority: KR
Inventors: 마사시 츠키하라; 고헤이 미요시; 도루 스기야마
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2019-07-17
Also published as: US20170117441A1; US9842967B2; WO2015190000A1; KR20170020428A; CN106463576A; CN106463576B

Abstract

딥 발광을 억제하고, 단색성을 높여 발광 효율이 좋은 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다.
n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 사이에 발광층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자로서, 상기 n형 질화물 반도체층은, Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)을 포함하고, 함유되는 C 농도가 1×10¹⁷/cm³ 이하이다.

Description

질화물 반도체 발광 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT}

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이고, 특히 발광 효율을 향상시킨 발광 소자에 관한 것이다.

종래, 질화물 반도체를 이용한 발광 소자는, 청색 발광 다이오드 등에 널리 이용되고 있다. 최근에는, 더욱 단파장의 영역, 예를 들어, 발광 파장이 370nm 대역에 있는 자외 발광 다이오드(LED)의 개발이 진행되고 있다.

그러나, 발광 파장이 375nm 이하인 자외 발광 디바이스를 제작하면, 황색 가시광대의 발광(이른바 「딥 발광」)이 보여지게 되고, 디바이스의 발광색은 흰 빛을 띤 색이 강해진다고 하는 현상이 발생하고 있다. 이 현상에 의해, 자외광 영역의 광을 방사해야만 하는 곳이, 황색 또는 백색의 발광이 발생해 버리며, 딥 발광에 의한 가시광 성분이 노이즈가 되어, 방사하는 광의 단색성이 잡히지 않는다고 하는 문제가 있었다. 또, 필요한 파장 이외의 광이 방사됨으로써, 발광 효율 그 자체가 저하된다고 하는 문제가 있었다. 딥 발광은, 자외 영역 등 단파장 광의 발광 디바이스에 있어서 현저하게 나타난다.

이 딥 발광이 발생하는 원인으로서는, 지금까지 발광층 중의 결함이나 불순물 준위에서의 발광이라고 말해지고 있는데, 확실하지는 않았다.

또한, 하기 비특허 문헌 1에는, 포토 루미네선스의 측정으로부터, 딥 발광에는 C(탄소)가 어떠한 영향을 미치고 있는지까지는 인식되어 있다.

미즈키 외, 「C 도프 GaN의 핵반응 분석：격자간 탄소와 옐로우 루미네선스의 상관에 대해」, 헤이세이 17년 3월, 제52회 응용 물리학회 관계 연합 강연회 강연 예고집 31a-L-35

본 발명자는, 상기 서술한 바와 같이, 만약 발광층 중의 결함이나 불순물 준위에서의 발광이 딥 발광의 원인이라고 하면, 발광층의 질을 높임으로써 딥 발광을 감쇠시킬 수 있다고 추찰했다. 즉, 발광층 내의 결함이나 함유 불순물(예를 들어 C)을 한없이 줄임으로써, 딥 발광을 큰 폭으로 감쇠시킬 수 있다고 추찰했다.

그래서, 주된 발광 파장이 370nm대인 각각의 자외 LED 소자(51~55)에 대해 동일한 전류를 흐르게 하여, 각각에 대해, 소자의 주된 발광 파장의 발광 출력과, 주된 발광 파장의 광 강도에 대한 딥 발광 강도의 비율(이하, 「딥 강도비」라고 한다)의 관계를 측정했다. 이 측정 결과를 도 1에 도시한다.

동일한 전류가 흐른 상태에서, 주된 발광 파장의 광 강도가 높은 LED 소자(54, 55)는, LED 소자(51, 52)에 비해 결함이나 함유 불순물이 적은 양질인 발광층을 가지고 있는 것이라고 생각된다.

확실히, LED 소자(51)에 비하면, 그 소자보다 양질인 발광층을 가지고 있다고 생각되는 LED 소자(52~55)는, 그 딥 강도비가 저하되어 있다. 이 점에만 입각하면, 발광층의 질을 높임으로써 딥 강도비를 저하시킬 수 있다고 생각된다. 즉, 발광층 중의 결함이나 불순물 준위에서의 발광이 딥 발광의 원인이라고 결론짓는 것이 가능하다.

그러나, LED 소자(51, 52, 53, 54, 55)의 순서대로 주된 발광 파장의 발광 출력이 큰 폭으로 높아지고 있는 이상, 이 순서대로 발광층의 질은 향상되고 있다고 말할 수 있는데, 딥 강도비의 저하 비율은, 이 발광 출력의 향상의 비율에 비해 현저하게 낮다. 게다가, LED 소자(54)와 (55)를 비교하면, 발광 출력에는 충분한 차이가 나타나 있음에도, 딥 강도비는 거의 변화되어 있지 않다.

본 발명자는, 이 실험 결과로부터, 딥 발광은, 발광층 중의 결함이나 불순물 준위에서의 발광과는 상이한 다른 사상에 의거하여 발생하고 있는 것은 아닐지 고찰하여, 이러한 원인을 규명함으로써, 딥 강도비를 저하시키는 것이 가능하다는 생각에 도달했다.

본 발명은, 딥 발광을 억제하여, 단색성을 높이고 발광 효율이 좋은 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 발광층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자로서, 상기 n형 질화물 반도체층은, Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)을 포함하고, 함유되는 C 농도가 1×10¹⁷/cm³ 이하인 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서 후술되는 바와 같이, 본 발명자의 예의 연구에 의해, n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도가 높아지면, 발광 소자로부터 딥 발광이 강하게 표면화하는 것을 찾아냈다. 그리고, 이 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 함으로써, 주된 발광 파장의 발광 출력에 대해, 딥 발광의 발광 출력을 유의하게 저하시킬 수 있는 것을 찾아냈다.

질화물 반도체 발광 소자로서, 주된 발광 파장이 자외광인 발광 소자를 구성한 경우, 본래라면, 자외광이 발광됨으로써, 피크 파장의 끝자락 부분에 해당하는 자색의 가시광의 영향을 받아 진한 자색의 광이 발광될 것이다. 그러나, 황색 가시광대의 광을 포함하는 딥 발광이 발생하고 있는 경우, 자색계의 광과 황색계의 광이 혼합됨으로써, 발광색이 흰 빛을 띠게 된다.

그러나, 본 발명과 같이, n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 하고, 마찬가지로 자외광 발광 소자를 구성한 경우, 소자로부터의 발광색으로부터 흰 빛을 띠는 것이 줄어든다. 이 함유 C 농도를 저하시킬수록, 흰 빛을 띠는 것은 없어져 가, 발광색은 진한 자색이 된다. 이것으로부터도, n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도를 저하시킴으로써, 딥 발광을 억제할 수 있는 것을 안다. 그리고, 이것에 의해, 발광 소자의 단색성과 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

딥 발광의 문제는, 주된 발광 파장이 375nm 이하인 자외광 발광 소자인 경우에 현저하게 나타난다. 이로 인해, 자외광 발광 소자에 있어서, n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 함으로써, 딥 발광을 억제하는 효과가 최대한 나타난다. 단, 자외광 발광 소자가 아니라도 다소의 딥 발광은 발생하기 때문에, 주된 발광 파장이 375nm를 초과하는 발광 소자라도, 마찬가지로 n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 함으로써, 딥 발광의 억제 효과는 실현된다.

또, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는, 주된 발광 파장이 375nm 이하인 자외광 발광 소자인 경우에, 황색의 가시광 파장의 발광 강도가, 이 주된 발광 파장의 발광 강도에 대해 강도비가 0.1% 이하인 것을 다른 특징으로 한다.

상기 서술한 바와 같이, n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 함으로써, 황색의 가시광 파장의 발광 강도가, 주된 발광 파장의 발광 강도에 대해 강도비가 0.1% 이하가 되어, 딥 발광이 문제가 되지 않는 레벨에까지 억제된다.

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자에 의하면, 딥 발광이 억제되므로, 높은 단색성과, 높은 발광 효율을 가지는 발광 소자가 실현된다.

도 1은 각각의 자외 LED 소자에 대해 동일한 전류를 흐르게 했을 때의, 각 소자의 주된 발광 파장의 발광 출력과, 주된 발광 파장의 광 강도에 대한 딥 발광 강도의 비율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 질화물 반도체 발광 소자의 개략 단면도이다.
도 3은 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1의 3소자에 동일한 전류를 흐르게 했을 때에 얻어지는 광의 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1의 3소자에 동일한 전류를 흐르게 했을 때의 발광 양태를 나타내는 사진이다.
도 5는 질화물 반도체 발광 소자의 다른 개략 단면도이다.

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 도면의 치수비와 실제의 치수비는 반드시 일치하지는 않는다.

[구조]

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자(1)의 구조에 대해, 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 질화물 반도체 발광 소자(1)의 개략 단면도이다. 또한, 이하에서는, 「LED 소자(1)」로 약기한다.

또한, 본 실시 형태에서는, LED 소자(1)가, 주된 발광 파장이 370nm대인 자외광 발광 소자인 것으로서 설명하는데, 발광 파장은 이 값에 한정되는 것은 아니다.

LED 소자(1)는, 지지 기판(2), 언도프층(3), n형 질화물 반도체층(4), 발광층(5), p형 질화물 반도체층(6)이 아래부터 이 순서대로 적층되어 형성되어 있다.

(지지 기판(2))

지지 기판(2)은, 사파이어 기판으로 구성된다. 또한, 사파이어 외, Si, SiC, AlN, AlGaN, GaN, YAG 등으로 구성해도 상관없다.

(언도프층(3))

언도프층(3)은, GaN으로 형성된다. 보다 구체적으로는, GaN으로 이루어지는 저온 버퍼층과, 그 상층에 GaN으로 이루어지는 기초층에 의해 형성된다.

(n형 질화물 반도체층(4))

n형 질화물 반도체층(4)은, 불순물로서 함유되는 C의 농도가 1×10¹⁷/cm³ 이하가 되도록 형성된 Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)에 의해 구성된다. 이 함유 C 농도의 저하 방법에 대해서는 후술된다.

(발광층(5))

발광층(5)은, 예를 들어 GaInN으로 이루어지는 우물층과 AlGaN으로 이루어지는 장벽층이 반복되어 이루어지는 다중 양자 우물 구조를 가지는 반도체층(AlGaInN 발광층)으로 형성된다. 이들 층은 언도프라도 p형 또는 n형에 도프되어 있어도 상관없다.

(p형 질화물 반도체층(6))

p형 질화물 반도체층(6)은, Al_mGa₁ _-mN(0＜m≤1)에 의해 구성된다. 또한, p형 질화물 반도체층(6)은, n형 질화물 반도체층(4)과는 상이하게, 불순물로서 함유되는 C의 농도가 1×10¹⁷/cm³를 웃돌고 있어도 상관없다. 이 점에 대해서도 후술된다.

또한, 도 2에는 도시하지 않으나, LED 소자(1)는, p형 질화물 반도체층(6)의 상층에, 콘택트용의 고농도 p형 GaN층을 가지는 것으로 해도 상관없다. 또, 에칭에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(4)의 상층에 n 전극을, 고농도 p형 GaN층의 상층에 p 전극을 각각 가지는 것으로 해도 상관없다.

[제조 프로세스]

다음에, 도 2에 도시한 LED 소자(1)의 제조 프로세스에 대해 설명한다. 또한, 이 제조 프로세스는 어디까지나 일례이며, 가스의 유량, 로내 온도, 로내 압력 등은 적당히 조정해도 상관없다.

우선, 지지 기판(2)의 상층에 언도프층(3)을 형성한다. 이것은, 예를 들어 이하의 방법에 의해 실현된다.

(지지 기판(2)의 준비)

지지 기판(2)으로서의 사파이어 기판을 준비하고, c면 사파이어 기판의 클리닝을 행한다. 이 클리닝은, 보다 구체적으로는, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：유기 금속 화학 기상 증착) 장치의 처리로 내에 c면 사파이어 기판을 배치하고, 처리로 내에 유량이 10slm인 수소 가스를 흐르게 하면서, 로내 온도를 예를 들어 1150℃로 승온함으로써 행해진다.

(언도프층(3)의 형성)

다음에, c면 사파이어 기판의 표면에, GaN으로 이루어지는 저온 버퍼층을 형성하고, 더욱 그 상층에 GaN으로 이루어지는 기초층을 형성한다. 이들 저온 버퍼층 및 기초층이 언도프층(3)에 대응한다.

언도프층(3)의 보다 구체적인 형성 방법은 예를 들어 이하대로이다. 우선, MOCVD 장치의 로내 압력을 100kPa, 로내 온도를 480℃로 한다. 그리고, 처리로 내에 캐리어 가스로서 유량이 각각 5slm인 질소 가스 및 수소 가스를 흐르게 하면서, 원료 가스로서, 유량이 50μmol/min인 트리메틸갈륨(TMG) 및 유량이 223000μmol/min인 암모니아를 처리로 내에 68초간 공급한다. 이것에 의해, c면 사파이어 기판의 표면에, 두께가 20nm인 GaN으로 이루어지는 저온 버퍼층을 형성한다.

다음에, MOCVD 장치의 로내 온도를 1150℃로 승온한다. 그리고, 처리로 내에 캐리어 가스로서 유량이 20slm인 질소 가스 및 유량이 15slm인 수소 가스를 흐르게 하면서, 원료 가스로서, 유량이 100μmol/min인 TMG 및 유량이 223000μmol/min인 암모니아를 처리로 내에 30분간 공급한다. 이것에 의해, 저온 버퍼층의 표면에, 두께가 3μm인 GaN으로 이루어지는 기초층을 형성한다.

(n형 질화물 반도체층(4)의 형성)

다음에, 언도프층(3)의 상층에 Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)의 조성으로 이루어지는 n형 질화물 반도체층(4)을 형성한다.

n형 질화물 반도체층(4)의 보다 구체적인 형성 방법은, 예를 들어 이하대로이다. 우선, 계속 로내 온도를 1150℃로 한 상태로, MOCVD 장치의 로내 압력을 30kPa로 한다. 그리고, 처리로 내에 캐리어 가스로서 유량이 20slm인 질소 가스 및 유량이 15slm인 수소 가스를 흐르게 하면서, 원료 가스로서, TMG, 트리메틸알루미늄(TMA), 암모니아 및 n형 불순물을 도프하기 위한 테트라에틸실란을 처리로 내에 30분간 공급한다. 이것에 의해, 예를 들어 Al₀ _. ₀₆Ga₀ _.94N의 조성을 가지고, 두께가 1.7μm인 n형 질화물 반도체층(4)이 언도프층(3)의 상층에 형성된다.

여기서, V족인 암모니아와, III족인 TMG, TMA의 유량비(V/III비)를 2000 이상으로 함으로써, n형 질화물 반도체층(4)에 함유되는 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 할 수 있다. 예를 들어, 유량 223000μmol/min인 TMG, 유량 100μmol/min인 TMA, 유량 7μmol/min인 암모니아를 원료 가스로서 이용함으로써, V/III비를 약 2000으로 할 수 있다. 또한, 테트라에틸실란에도 C 원자가 포함되는데, 그 유량은 예를 들어 0.025μmol/min 정도이기 때문에, TMG나 TMA에 비해 n형 질화물 반도체층(4)에 함유되는 C 농도에 대한 영향은 무시할 수 있다.

또한, V/III비를 1000으로 한 경우, 생성된 n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도는 5×10¹⁷/cm³였다(후술하는 비교예 1). 또, V/III비를 2000으로 한 경우의, 상기 함유 C 농도는 1×10¹⁷/cm³이며(후술하는 실시예 2), V/III비를 4000으로 한 경우의, 상기 함유 C 농도는 5×10¹⁶/cm³였다(후술하는 실시예 1). 또한, 생성된 n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도는, SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry：이차 이온 질량 분석법)에 의해 측정했다.

원료 가스인 TMG나 TMA에는, 구성 분자에 C 원자가 포함된다. 한편, 암모니아에는 C 원자가 포함되지 않는다. 이로 인해, V/III비를 높임으로써, 형성되는 n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도를 저하시킬 수 있다.

또한, V/III비를 높이는 이외에도, 성장 압력을 높이는 것으로도 함유 C 농도를 저하시키는 것이 가능하다. 이것은, 성장 압력을 높임으로써, MOCVD 장치 내에 암모니아가 체재하는 시간이 늘어나기 때문에, 로내에 암모니아 리치한 환경이 형성되는 결과, V/III비를 크게 하는 것과 같은 효과가 얻어지기 때문이라고 생각된다. 또한, 이 경우, 성장 압력으로서는, 30kPa 이상 100kPa 이하인 것이 바람직하고, 50kPa 이상 100kPa 이하인 것이 보다 바람직하다.

또, n형 질화물 반도체층(4)에 포함되는 n형 불순물로서는, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 유황(S), 셀렌(Se), 주석(Sn) 및 텔루르(Te) 등을 이용할 수 있다. 이들 중에서는, 특히 실리콘(Si)이 바람직하다.

(발광층(5)의 형성)

다음에, n형 질화물 반도체층(4)의 상층에 AlGaInN으로 구성되는 다중 양자 우물 구조를 가지는 발광층(5)을 형성한다.

구체적으로는, 우선 MOCVD 장치의 로내 압력을 100kPa, 로내 온도를 830℃로 한다. 그리고, 처리로 내에 캐리어 가스로서 유량이 15slm인 질소 가스 및 유량이 1slm인 수소 가스를 흐르게 하면서, 원료 가스로서, 유량이 10μmol/min인 TMG, 유량이 12μmol/min인 트리메틸인듐(TMI) 및 유량이 300000μmol/min인 암모니아를 처리로 내에 48초간 공급하는 단계를 행한다. 그 후, 유량이 10μmol/min인 TMG, 유량이 1.6μmol/min인 TMA, 0.002μmol/min인 테트라에틸실란 및 유량이 300000μmol/min인 암모니아를 처리로 내에 120초간 공급하는 단계를 행한다. 이하, 이들 2개의 단계를 반복함으로써, 두께가 2nm인 GaInN으로 이루어지는 우물층 및 두께가 7nm인 n형 AlGaN으로 이루어지는 장벽층에 의한 15주기의 다중 양자 우물 구조를 가지는 발광층(5)이, n형 질화물 반도체층(4)의 표면에 형성된다.

(p형 질화물 반도체층(6)의 형성)

다음에, 발광층(5)의 상층에, Al_mGa₁ _-mN(0≤m＜1)으로 구성되는 p형 반도체층(6)을 형성한다.

구체적으로는, MOCVD 장치의 로내 압력을 100kPa로 유지하고, 처리로 내에 캐리어 가스로서 유량이 15slm인 질소 가스 및 유량이 25slm인 수소 가스를 흐르게 하면서, 로내 온도를 1025℃로 승온한다. 그 후, 원료 가스로서, 유량이 35μmol/min인 TMG, 유량이 20μmol/min인 TMA, 유량이 250000μmol/min인 암모니아 및 p형 불순물을 도프하기 위한 유량이 0.1μmol/min인 비스시클로펜타디에닐을 처리로 내에 60초간 공급한다. 이것에 의해, 발광층(5)의 표면에, 두께가 20nm인 Al_0.3Ga_0.7N의 조성을 가지는 정공 공급층을 형성한다. 그 후, TMG의 유량을 9μmol/min로 변경하여 원료 가스를 360초간 공급함으로써, 두께가 120nm인 Al_0.13Ga_0.87N의 조성을 가지는 정공 공급층을 형성한다. 이들 정공 공급층에 의해 p형 질화물 반도체층(6)이 형성된다.

여기서, p형 질화물 반도체층(6)의 형성 프로세스에서는, n형 질화물 반도체층(4)의 형성 프로세스보다 저온하에서 막 성장이 이루어지기 때문에, n형 질화물 반도체층(4)의 형성시보다 로내가 III족 리치한 환경하가 된다. 따라서, n형 질화물 반도체층(4)보다 함유 C 농도가 높아질 가능성이 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이, p형 질화물 반도체층(6) 내의 함유 C 농도가 예를 들어 1×10¹⁹/cm³ 정도로 높은 값이었다고 해도, n형 질화물 반도체층(4) 내의 함유 C 농도를 1×10¹⁷/cm³ 이하로 함으로써, 딥 발광을 감쇠시키는 효과가 얻어졌다.

또한, p형 불순물로서는, 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 아연(Zn), 카본(C) 등을 이용할 수 있다.

(후의 공정)

p형 질화물 반도체층(6)의 형성 후, TMA의 공급을 정지함과 더불어, 비스시클로펜타디에닐의 유량을 0.2μmol/min로 변경하여 원료 가스를 20초간 공급한다. 이것에 의해, 두께가 5nm인 p형 GaN으로 이루어지는 고농도 p형 GaN층이 형성된다.

그 후, 어닐링 처리를 행한 후, 에칭에 의한 n형 질화물 반도체층(4)의 일부 상면을 노출시킨다. 그리고, 노출된 n형 질화물 반도체층(4)의 상면에 n 전극을, 고농도 p형 GaN층의 상면에 p 전극을 각각 형성한다.

[실시예]

이하, 실시예를 참조하여 설명한다.

상기 서술한 프로세스에 있어서, n형 질화물 반도체층(4)의 형성시의 원료 가스의 V/III비만을 상이하게 하고, 다른 조건은 같게 함으로써, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1의 3소자를 형성했다. 또한, 어떤 소자도 주된 발광 파장이 370nm대인 자외광 발광 소자이다.

·실시예 1：V/III비를 4000으로서 작성. n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도는 5×10¹⁶/cm³

·실시예 2：V/III비를 2000으로서 작성. n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도는 1×10¹⁷/cm³

·비교예 1：V/III비를 1000으로서 작성. n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도는 5×10¹⁷/cm³

또한, 어떤 소자에 있어서도, p형 질화물 반도체층(6)의 형성시의 원료 가스의 V/III비를 6000으로 하며, p형 질화물 반도체층(6)의 함유 C 농도는 1×10¹⁷/cm³였다.

도 3은, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1의 3소자에 동일한 전압을 더했을 때에 얻어지는 광의 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다. 횡축은 발광 파장, 종축이 광 강도이다. 또, 도 4는, 각 소자의 발광 상태를 나타내는 사진이다.

도 3에 의하면, 비교예 1에 있어서는, 370nm대의 발광 강도에 대해, 황색의 가시광 파장대를 포함하는 550nm-600nm대인 발광 파장(딥 발광)의 강도의 비율(딥 강도비)은 약 0.3%이며, 0.1%를 초과하고 있다. 이 경우, 본래라면 자외광이 발광됨으로써, 피크 파장의 끝자락 부분에 해당하는 자색의 가시광의 영향을 받아 진한 자색의 광이 발광될 것이나, 도 4의 사진에 의해 딥 발광의 영향을 받아 꽤 희게 빛나고 있다. 자색계의 광과 황색계의 광이 혼합됨으로써, 발광색이 흰 빛을 띠고 있다. 또한, 도 3에 의하면, 실시예 1의 딥 강도비는 약 0.03%, 실시예 2의 딥 강도비는 약 0.1%이다.

이것에 비해, 실시예 1, 실시예 2에서는, 딥 강도비가 0.1% 이하로 억제되어 있고, 도 4의 사진에서도 소자로부터의 발광색으로부터 흰 빛을 띠는 것이 줄어들어, 진한 색이 되어 있는 것을 안다. 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2를 비교하면, n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도를 저하시킬수록, 딥 강도비를 저하시키는 효과가 얻어지고 있는 것을 안다.

또한, 실시예 2와 마찬가지로, n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도를 1×10¹⁷/cm³로 한 상태에서, p형 질화물 반도체층(6)의 형성시의 원료 가스의 V/III비를 1000으로 하고, p형 질화물 반도체층(6)의 함유 C 농도를 1×10¹⁹/cm³로 상승시켜 같은 측정을 행했는데, 실시예 2와 유의한 차는 얻어지지 않았다. 이것으로부터도, n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도가 딥 발광에 영향을 주고 있는 것을 안다.

즉, 딥 발광은, 발광층(5) 내가 아닌, n형 질화물 반도체층(4) 내에 포함되는 C가 만들어 내는 불순물 준위에 유래하여 발생하고 있는 것을 안다. 이것으로부터, n형 질화물 반도체층(4) 내의 함유 C 농도를 가능한 한 줄임으로써, 딥 발광을 억제시킬 수 있다.

p형 질화물 반도체층(6)의 불순물로서 Mg를 도프하는 경우, Mg가 만들어 내는 준위에 의해 C에서의 준위 유래의 발광이 억제된다고 생각된다. 이로 인해, p형 질화물 반도체층(6)에 포함되는 C의 불순물 농도는, 적어도 Mg의 도프량 이하이면, 딥 발광에는 영향을 주지 않는다고 생각된다. Mg의 도프 농도는 1~2×10¹⁹/cm³ 정도이기 때문에, 1×10¹⁹/cm³ 정도의 함유 C 농도이면, 딥 발광에 영향을 주지 않는다. 그러나, 동일한 정도의 함유 C 농도가 n형 질화물 반도체층(4)에 포함되어 있는 경우에는, 높은 딥 발광이 발생해 버리는 것은 상기 서술한 대로이다.

또한, 발광층(5)도 n 극성의 질화물 반도체에 의해 구성되어 있기 때문에, 함유 C 농도는 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 발광층(5)은, n형 질화물 반도체층(4)과 비교하여 막두께가 매우 얇기 때문에, 함유되는 C의 절대량이 n형 질화물 반도체층(4)보다 매우 적다. 따라서, 실제로는, n형 질화물 반도체층(4)의 함유 C 농도만큼 딥 발광에 크게 기여하지 않는다.

[다른 실시 형태]

도 2에 도시하는 LED 소자(1)는, 지지 기판(2) 및 언도프층(3)을 가지는 것으로 했는데, 이들을 박리한 구성(도 5 참조)으로 해도 상관없다. 이 경우에 있어서도, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 서술한 것과 같은 효과가 얻어졌다.

1 : 질화물 반도체 발광 소자
2 : 지지 기판
3 : 언도프층
4 : n형 질화물 반도체층
5 : 발광층
6 : p형 질화물 반도체층
51, 52, 53, 54, 55 : LED 소자

Claims

n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 발광층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자로서,
상기 n형 질화물 반도체층은, c면 상에 형성된 Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)을 포함하고, 함유되는 C 농도가 1×10¹⁷/cm³ 이하이며, 황색의 가시광 파장의 발광 강도가 주된 발광 파장의 발광 강도에 대해 강도비가 0.1% 이하이고,
상기 주된 발광 파장이 375nm 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 n형 질화물 반도체층은, 상기 발광층에 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법으로서,
상기 질화물 반도체 발광 소자는, 주된 발광 파장이 375nm 이하인 자외광 발광 소자이고,
사파이어 기판을 준비하는 공정(a)와,
상기 사파이어 기판의 c면 상에, n형 질화물 반도체층과, 발광층과, p형 질화물 반도체층을 형성하는 공정(b)를 가지며,
상기 공정(b)에서,
상기 n형 질화물 반도체층은, c면 상에 성장한 Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)을 포함하고, 함유되는 C 농도가 1×10¹⁷/cm³ 이하이며,
상기 p형 질화물 반도체층에 함유되는 p형 불순물의 농도가, 상기 n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도보다도 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법으로서,
상기 질화물 반도체 발광 소자는, 주된 발광 파장이 375nm 이하인 자외광 발광 소자이고,
사파이어 기판을 준비하는 공정(a)와,
상기 사파이어 기판의 c면 상에, n형 질화물 반도체층과, 발광층과, p형 질화물 반도체층을 형성하는 공정(b)를 가지며,
상기 공정(b)에서,
상기 n형 질화물 반도체층은, 상기 발광층에 접촉하고 있고, Al_nGa₁ _- _nN(0＜n≤1)을 포함하며, 함유되는 C 농도가 1×10¹⁷/cm³ 이하이고,
상기 p형 질화물 반도체층에 함유되는 p형 불순물의 농도가, 상기 n형 질화물 반도체층에 함유되는 C 농도보다도 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 공정(b)에서, V족의 재료와, III족의 재료의 유량비인 V/III비를 2000 이상으로 설정한 상황에서 상기 n형 질화물 반도체층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 공정(b)에서, V족의 재료와, III족의 재료의 유량비인 V/III비를 4000 이상으로 설정한 상황에서 상기 n형 질화물 반도체층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.