НИТРИДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2015 года по МПК H01L33/32 H01S5/323 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к нитридному полупроводниковому светоизлучающему элементу, получаемому посредством формирования слоя покрытия n-типа, активного слоя и слоя покрытия p-типа, каждый из которых является основанным на AlGaN полупроводниковым слоем, над сапфировой подложкой (0001), и, более конкретно, к нитридному полупроводниковому ультрафиолетовому светоизлучающему элементу, имеющему область длины волны максимума излучения в ультрафиолетовой области.

Уровень техники

Как правило, имеется большое количество светоизлучающих структур, в которых нитридные полупроводниковые светоизлучающие элементы, такие как диоды LED (светоизлучающие диоды) или полупроводниковые лазеры, в качестве подложки используют сапфировую подложку (0001), и множество слоев нитридного полупроводника формируются на подложке посредством эпитаксиального наращивания. Слой нитридного полупроводника выражается в общей формуле Al_1-x-yGa_xIn_yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1).

В качестве сапфировой подложки (0001), в общем, используется слегка наклоненная подложка, имеющая поверхность (0001), слегка наклоненную на угол наклона, равный приблизительно от 0,05° до 0,5°, нежели ненаклоненная подложка, имеющая поверхность (0001), которая не наклонена совсем, с углом наклона, равным нулю градусов, при предположении, что свойство поверхности или кристалличность слоя нитридного полупроводника, подлежащего эпитаксиальному наращиванию, является увеличенным (например, см. нижеследующие патентный документ 1 и патентный документ 2).

Структура светоизлучающего элемента имеет двойную гетероструктуру, в которой активный слой расположен между слоем нитридного полупроводника n-типа и слоем нитридного полупроводника p-типа. Активный слой составлен посредством слоя нитридного полупроводника, имеющего структуру одиночной квантовой ямы (SQW) или структуру множественной квантовой ямы (MQW). В случае, когда активный слой является основанным на AlGaN полупроводниковым слоем, является возможным регулировать энергию энергетической щели внутри диапазона, нижний и верхний пределы которого являются энергиями энергетической щели, которые могут забираться посредством GaN и AlN соответственно (приблизительно 3,4 эВ и приблизительно 6,2 эВ) посредством регулировки мольной доли AlN (которая также упоминается как композиционное отношение AlN). Таким образом, является возможным получать ультрафиолетовый светоизлучающий элемент, имеющий длину волны излучения от приблизительно 200 нм до 365 нм.

Документы предшествующего уровня техники

Патентные документы

Патентный документ 1: JP 2000-156341A

Патентный документ 2: JP 2001-158691A

Раскрытие изобретения

Проблемы, подлежащие решению посредством изобретения

Нижеследующее может рассматриваться как уровень техники, в котором, в общем, используется сапфировая подложка (0001), имеющая угол наклона, равный приблизительно от 0,05° до 0,5°.

Как схематически показано на Фиг. 1, слегка наклоненная подложка является ступенчатой подложкой, имеющей ступеньку S между терассовыми поверхностями T, полученными посредством наклона поверхностей (0001). Если угол θ наклона увеличивается, ширина W терассовой поверхности T уменьшается. Как показано на Фиг. 1, угол θ наклона определяется как угол, сформированный посредством линии, соединяющей верхние концы или нижние концы ступенек S, и терассовой поверхностью T. RMS (среднеквадратическое) значение вогнуто-выпуклых частей поверхности слоя нитридного полупроводника, сформированного на общей сапфировой подложке (0001), имеющей угол наклона, равный приблизительно от 0,05° до 0,5°, является обычно равным или меньшим чем 0,4 нм. Когда угол наклона увеличивается, чтобы превосходить 0,5°, однако имеется возможность, что значение RMS может увеличиваться, чтобы превосходить 0,4 нм. С другой стороны, толщина пленки слоя квантовой ямы, составляющего активный слой, является обычно равна или меньше чем 5 нм. Если угол наклона является избыточно увеличенным, флуктуация в толщине пленки слоя квантовой ямы увеличивается, так что может затрагиваться производительность излучения света светоизлучающего элемента.

В случае, когда поверхность подложки является ступенчатой, дополнительно, слой нитридного полупроводника, подлежащий наращиванию на ней, также является ступенчатым, чтобы следовать свойству поверхности подложки. Так как Ga имеет большую способность к миграции, он легко перемещается на терассовую поверхность на нижней стороне за ступенчатой частью. По этой причине отделение Ga происходит в составе слоя нитридного полупроводника, который наращивается. В основанном на AlGaN полупроводнике, следовательно, область AlGaN, имеющая высокую мольную долю AlN, и область AlGaN, имеющая низкую мольную долю AlN, формируются вдоль ступенчатой части. Как результат, если угол наклона увеличивается, имеется возможность, что излучение света от активного слоя может иметь более широко рассеянное распределение длины волны и отделенные пики длины волны излучения.

Как описано выше, в общем, используется нитридный полупроводниковый светоизлучающий элемент, использующий сапфировую подложку (0001) и имеющий угол наклона, равный приблизительно от 0,05° до 0,5°, и, главным образом, адаптируется для светоизлучающего элемента, имеющего более большую длину волны излучения, чем приблизительно 365 нм, в случае, когда активный слой составлен посредством основанного на GaN или InGaN полупроводника (например, см. патентный документ 1 и патентный документ 2). В ультрафиолетовом светоизлучающем элементе, имеющем более маленькую длину волны излучения, чем приблизительно 365 нм, в прошлом не было достаточно изучено, является ли угол наклона внутри диапазона приблизительно от 0,05° до 0,5° оптимальным или нет.

В рассмотрении вышеупомянутой проблемы цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить качество кристалла основанного на AlGaN полупроводникового слоя, сформированного на сапфировой подложке (0001), посредством оптимизации угла наклона, и чтобы увеличить светоизлучающий выход нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента.

Средство для решения проблемы

Изобретатели настоящего изобретения провели серьезное исследование и обнаружили, что превосходный светоизлучающий выход получается в состоянии, в котором полная ширина на уровне полумаксимума (FWHM) при распределении деформации кручения, оцененного посредством способа рентгеновских кривых качания (XRC), слоя AlGaN, сформированного на сапфировой подложке (0001), равняется или меньше, чем предварительно определенное значение в отношении между кристалличностью, показанной посредством FWHM, и светоизлучающим выходом ультрафиолетового светоизлучающего элемента, выходящим из структуры светоизлучающего элемента, содержащей AlGaN, и дополнительно обнаружили, что угол наклона, при котором FWHM при распределении деформации кручения равняется или меньше, чем предварительно определенное значение, имеет зависимость мольной доли AlN от AlGaN, подлежащего использованию в слое покрытия n-типа.

Настоящее изобретение было создано на основе упомянутого нового знания и обеспечивает нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент, включающий в себя: лежащую в основе часть структуры, включающую в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на поверхности (0001) подложки; и часть структуры светоизлучающего элемента, включающую в себя слой покрытия n-типа из основанного на AlGaN полупроводникового слоя n-типа, активный слой, имеющий основанный на AlGaN полупроводниковый слой, и слой покрытия p-типа из основанного на AlGaN полупроводникового слоя p-типа, часть структуры светоизлучающего элемента, сформированную на поверхности кристалла лежащей в основе части структуры, при этом поверхность (0001) подложки является наклоненной под углом наклона, который является равным или большим чем 0,6° и является равным или меньшим чем 3,0°, и мольная доля AlN слоя покрытия n-типа является равной или большей чем 50%.

Согласно настоящему изобретению, основанный на AlGaN полупроводник является нитридным полупроводником группы III, который основывается на тройном (или двойном) составе, выражаемом в общей формуле Al_xGa_1-xN (x представляет мольную долю AlN, 0≤x≤1), и имеет энергию энергетической щели внутри диапазона, нижний и верхний пределы которого являются энергиями энергетической щели (приблизительно 3,4 эВ и приблизительно 6,2 эВ) для GaN (x=0) и AlN (x=1) соответственно. До тех пор пока условие, относящееся к энергии энергетической щели, удовлетворяется, сюда также включается случай, когда содержится очень малое количество In.

Согласно нитридному полупроводниковому ультрафиолетовому светоизлучающему элементу, имеющему свойство, описанное выше, в случае, когда мольная доля AlN слоя покрытия n-типа является равной или большей чем 50%, является возможным значительно увеличить вероятность, что FWHM при распределении деформации кручения, показывающего кристалличность слоя AlGaN n-типа, который является верхним слоем на слое AlN лежащей в основе части структуры, может быть равным или меньшим, чем предварительно определенное значение, тем самым увеличивая светоизлучающий выход с высокой выработкой внутри диапазона от 0,6° до 3,0°, который значительно превосходит диапазон угла наклона, используемого, в общем, в предшествующем уровне техники.

В дополнение, в нитридном полупроводниковом ультрафиолетовом светоизлучающем элементе угол наклона является предпочтительно равным или большим чем 1,0° и является равным или меньшим чем 2,5°. Следовательно, является возможным дополнительно улучшить кристалличность слоя AlGaN, тем самым устойчиво увеличивая светоизлучающий выход с более высокой выработкой.

В дополнение, в нитридном полупроводниковом ультрафиолетовом светоизлучающем элементе длина волны максимума излучения является предпочтительно равной или меньшей чем 300 нм. Как описано выше, так как сапфировая подложка (0001) внутри диапазона, в котором угол наклона является равным или большим чем 0,6° и является равным или меньшим чем 3,0°, имеет ступенчатую поверхность (0001), отделение Ga происходит в полупроводниковом слое AlGaN, сформированном на подложке, так, что распределение длины волны излучения рассеивается. Рассеяние распределения длины волны излучения имеет тенденцию увеличиваться, если длина волны излучения увеличивается, как будет описываться ниже. Если длина волны максимума излучения является равной или меньшей чем 300 нм, осуществляется управление рассеянием распределения длины волны излучения (полная ширина на уровне полумаксимума), чтобы оно было приблизительно 20 нм или менее в случае, когда угол наклона равняется 1°. Следовательно, отделение пика длины волны излучения не формируется.

В дополнение, в нитридном полупроводниковом ультрафиолетовом светоизлучающем элементе толщина пленки слоя AlN, сформированного на подложке лежащей в основе части структуры, является предпочтительно равной или большей чем 2,2 мкм и является равной или меньшей чем 6,6 мкм. В слое AlN лежащей в основе части структуры, которая имеет более большую толщину пленки, кристалличность слоя AlGaN n-типа, сформированного на верхнем слое, имеет тенденцию улучшаться более значительно. С другой стороны, если толщина пленки увеличивается избыточно, имеется тенденция, что увеличивается возможность возникновения трещины в лежащей в основе части структуры. Посредством установки толщины пленки равной или большей чем 2,2 мкм и равной или меньшей чем 6,6 мкм является возможным получать эффект увеличения в светоизлучающем выходе более надежно.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является иллюстративным видом, схематически показывающим состояние поверхности подложки сапфировой подложки (0001), наклоненной под углом θ наклона.

Фиг. 2 является видом в разрезе, показывающим основную часть, схематически иллюстрирующим слоистую структуру согласно одному варианту осуществления нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 является видом сверху, схематически показывающим плоскую структуру согласно варианту осуществления нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между FWHM при распределении деформации кручения слоя покрытия n-типа и светоизлучающим выходом.

Фиг. 5 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между углом наклона сапфировой подложки (0001) и FWHM при распределении деформации кручения слоя покрытия n-типа.

Фиг. 6 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между FWHM при распределении деформации кручения слоя покрытия n-типа и FWHM при распределении деформации кручения слоя AlN в зависимости от различия в угле наклона сапфировой подложки (0001).

Фиг. 7 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между мольной долей AlN слоя покрытия n-типа и FWHM при распределении деформации кручения.

Фиг. 8 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между толщиной пленки слоя AlN и FWHM при распределении деформации кручения слоя покрытия n-типа.

Фиг. 9 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между светоизлучающим выходом и прямым током согласно каждому из примера 1 и сравнительных примеров 1 и 3.

Фиг. 10 является характеристической диаграммой, показывающей характеристики длины волны излучения согласно примеру 1 и сравнительным примерам 1 и 3.

Фиг. 11 является характеристической диаграммой, показывающей отношение между светоизлучающим выходом и прямым током согласно каждому из примеров 2 и 3 и сравнительного примера 2.

Фиг. 12 является характеристической диаграммой, показывающей характеристики длины волны излучения согласно примерам 2 и 3 и сравнительному примеру 2.

Фиг. 13 является таблицей, показывающей FWHM при распределении деформации кручения слоя покрытия n-типа, светоизлучающий выход при прямом токе, равном 100 мА, и FWHM распределения длины волны излучения согласно каждому из примеров 1 по 3 и сравнительных примеров 1 по 3.

Осуществление изобретения

Один вариант осуществления нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента согласно настоящему изобретению (который будет ниже упоминаться как "светоизлучающий элемент") будет описываться на основе чертежей. Как показано на чертежах, которые используются в последующем описании, основные части являются увеличенными и содержимое изобретения, таким образом, показывается схематически для легкого понимания описания. По этой причине размерностное отношение каждой части не является всегда равным размерностному отношению фактического элемента. В настоящем варианте осуществления, описание будет даваться при предположении, что светоизлучающий элемент является светоизлучающим диодом.

Как показано на Фиг. 2, светоизлучающий элемент 1 согласно настоящему варианту осуществления имеет слоистую структуру, в которой подложка, полученная посредством наращивания слоя 3 AlN и слоя 4 AlGaN на сапфировой подложке 2 (0001), используется в качестве шаблона 5 (соответствующего лежащей в основе части структуры), и слой 6 покрытия n-типа, сформированный из AlGaN n-типа, активный слой 7, слой 8 блокировки электронов, имеющий более высокую мольную долю Al, чем активный слой 7 и сформированный из AlGaN p-типа, слой 9 покрытия p-типа, сформированный из AlGaN p-типа, и контактный слой 10 p-типа, сформированный из GaN p-типа, наслаиваются на шаблоне 5 по порядку. Часть активного слоя 7, слоя 8 блокировки электронов, слоя 9 покрытия p-типа и контактного слоя 10 p-типа, обеспеченных на слое 6 покрытия n-типа, удаляется посредством реактивного ионного травления или подобным до тех пор, когда показывается частичная поверхность слоя 6 покрытия n-типа. Часть 11 структуры светоизлучающего элемента от слоя 6 покрытия n-типа до контактного слоя 10 p-типа формируется в первой области R1, обеспеченной на слое 6 покрытия n-типа. Дополнительно, p электрод 12, сформированный из Ni/Au, формируется на поверхности контактного слоя 10 p-типа и n электрод 13, сформированный из Ti/Al/Ti/Au, формируется на части поверхности второй области R2, иной, нежели первая область R1 слоя 6 покрытия n-типа, например. В настоящем варианте осуществления, используется слой 3 AlN в зависимости от выращивания кристаллов при температуре приблизительно 1150 по 1300°C.

В настоящем варианте осуществления, по причине, которая будет описываться ниже, слегка наклоненная подложка, полученная посредством наклона поверхности (0001) подложки на угол наклона, который является равным или большим чем 0,6° и является равным или меньшим чем 3,0°, используется в качестве сапфировой подложки 2 (0001). Является более предпочтительным, что угол наклона слегка наклоненной подложки является равным или большим чем 1,0° и является равным или меньшим чем 2,5°. Направление наклона угла наклона может быть направлением m-оси, направлением a-оси или их промежуточным направлением.

В качестве примера, активный слой 7 имеет однослойную структуру квантовой ямы, составленную посредством барьерного слоя 7a AlGaN n-типа, имеющего толщину пленки, равную 10 нм, и слоя 7b ямы AlGaN, имеющего толщину пленки, равную 3,5 нм. Активный слой 7 может иметь двойную структуру гетероперехода, в которой активный слой 7 помещается между слоями AlGaN n-типа и p-типа, имеющими высокие мольные доли Al на нижнем слое и верхнем слое, или может иметь структуру множественной квантовой ямы, в которой однослойная структура квантовой ямы является многослойной.

Каждый слой AlGaN формируется посредством хорошо известного способа эпитаксиального наращивания, такого как способ металлоорганической газофазной эпитаксии (MOVPE) или способ молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), и Si используется в качестве донорной примеси слоя n-типа, например, и Mg используется в качестве акцепторной примеси слоя p-типа. Слой AlN и слой AlGaN, которые не определяют тип проводимости, являются нелегированными слоями, в которых примесь не внедрена. Ссылаясь на мольные доли AlN слоя AlGaN n-типа и активного слоя, в качестве примера, слой 4 AlGaN, слой 6 покрытия n-типа и барьерный слой 7a имеют мольные доли AlN, которые являются равными или большими чем 50% и являются равными или меньшими чем 100% (более предпочтительно являются равными или большими чем 55% и являются равными или меньшими чем 90%), и слой 7b ямы имеет мольную долю AlN, которая является равной или большей чем 30% и является равной или меньшей чем 80% (более предпочтительно является равной или большей чем 35% и является равной или меньшей чем 70%). В настоящем варианте осуществления, предполагается, что длина волны максимума излучения светоизлучающего элемента 1 является равной или большей чем 223 нм и является равной или меньшей чем 300 нм. В настоящем варианте осуществления, предполагается, что светоизлучающий элемент 1 является элементом типа выхода задней стороны, в котором излучение света от активного слоя 7 забирается из стороны сапфировой подложки 2. По этой причине является необходимым устанавливать мольную долю AlN слоя 4 AlGaN, чтобы она была больше, чем мольная доля слоя 7b ямы. В качестве примера, мольные доли AlN слоя 4 AlGaN и слоя 6 покрытия n-типа устанавливаются равными друг другу. Мольная доля AlN слоя 4 AlGaN может устанавливаться, чтобы она была больше, чем мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа.

Ссылаясь на толщины пленки соответствующих слоев AlGaN в части структуры светоизлучающего элемента, другой, нежели активный слой 7, например, слой 6 покрытия n-типа имеет толщину, равную 2000 нм, слой 8 блокировки электронов имеет толщину, равную 2 нм, слой 9 покрытия p-типа имеет толщину, равную 540 нм, и контактный слой 10 p-типа имеет толщину, равную 200 нм. Ссылаясь на шаблон 5, более того, слой 3 AlN предпочтительно имеет толщину пленки, установленную равной или большей чем 2200 нм и равной или меньшей чем 6600 нм, и более предпочтительно равной или большей чем 3000 нм и равной или меньшей чем 6000 нм. Слой 4 AlGaN имеет толщину пленки, установленную равной или большей чем 200 нм и равной или меньшей чем 300 нм, например. В настоящем варианте осуществления, слой 6 покрытия n-типа как слой AlGaN формируется на слое 4 AlGaN. По этой причине тип проводимости слоя 4 AlGaN не является нелегированным слоем, но может быть из слоя n-типа, и слой 4 AlGaN может быть объединенным со слоем 6 покрытия n-типа, чтобы составлять шаблон 5 посредством только слоя 3 AlN.

Фиг. 3 показывает пример рисунка светоизлучающего элемента 1, видимого на плоскости. Фиг. 3 показывает первую область R1 и вторую область R2 до формирования p электрода 12 и n электрода 13. В качестве примера, p электрод 12 формируется над почти полной поверхностью первой области R1 и n электрод 13 формируется над почти полной поверхностью второй области R2. Более того, размер чипа светоизлучающего элемента 1, используемого в примерах, которые будут описываться ниже, имеет длину и ширину, равные 800 мкм, и первая область R1 имеет область приблизительно 168000 мкм². Первая область R1, показанная на Фиг. 2, является частью первой области R1, показанной на Фиг. 3.

Соответствующие слои шаблона 5 и часть 11 структуры светоизлучающего элемента в светоизлучающем элементе 1 формируются посредством хорошо известного способа наращивания, как описано выше, и p электрод 12 и n электрод 13 формируются соответственно следующим образом. После того как фоторезист, который должен быть инверсионной схемой каждого электрода, формируется, многослойная металлическая пленка каждого электрода осаждается посредством способа осаждения методом электронно-лучевого испарения или подобного, и фоторезист удаляется посредством отслаивания, чтобы отделять многослойную металлическую пленку на фоторезисте, и выполняется термическая обработка посредством RTA (быстрая посредством термического отжига) или подобного, если необходимо.

Далее, описание будет даваться для данных измерения, которые являются основой настоящего изобретения. Фиг. 4 показывает первые данные измерения, которые являются основой настоящего изобретения. В частности, Фиг. 4 является графиком значений измерения FWHM при распределении деформации кручения, полученного посредством оценки кристалличности слоя AlGaN n-типа слоя 6 покрытия n-типа посредством способа XRC, и светоизлучающего выхода для образцов, в которых длина волны максимума излучения светоизлучающего элемента 1, имеющего структуры, показанные на Фиг. 2 и 3, находится в диапазоне от 255 нм до 300 нм. На Фиг. 4, ось абсцисс показывает FWHM (единица: arcsec) и ось ординат показывает светоизлучающий выход (единица: мВт). Каждая из сапфировых подложек (0001), используемых для образцов, имеет угол наклона внутри диапазона от 0,15° до 2,0°.

Из результата измерения на Фиг. 4 видно, что имеется тенденция, что светоизлучающий выход уменьшается, если FWHM при распределении деформации кручения увеличивается и превосходит приблизительно 550 arcsec, и светоизлучающий выход не увеличивается, даже если FWHM при распределении деформации кручения уменьшается более значительно внутри диапазона приблизительно 550 arcsec или менее. Другими словами, является очевидным, что кристалличность слоя AlGaN n-типа является достаточной, если получается FWHM при распределении деформации кручения приблизительно 550 arcsec или менее.

Фиг. 5 показывает вторые данные измерения, которые являются основой настоящего изобретения. В частности, Фиг. 5 является графиком минимального значения и медианы в значениях измерения FWHM при распределении деформации кручения при каждом угле наклона для шести типов образцов, в которых слой 6 покрытия n-типа имеет мольную долю AlN, равную 50% или более, и угол наклона, равный 0,3°, 0,6°, 1,0°, 1,5°, 2,0° и 3,0°. Однако отображается только минимальное значение для угла наклона, равного 3,0°. Структура образцов данных измерения, показанных на Фиг. 5 является такой же, как образцы данных измерения, показанных на Фиг. 4, за исключением того, что полупроводниковые слои, которые должны быть верхними слоями на слое 6 покрытия n-типа, и соответствующие электроды не сформированы.

Очевидно из результата измерения на Фиг. 5, FWHM при распределении деформации кручения уменьшается, если угол наклона увеличивается от 0,3° до 1,5°, и обратно FWHM при распределении деформации кручения увеличивается, если угол наклона увеличивается от 1,5° до 3,0°. Более того, является очевидным, что FWHM при распределении деформации кручения равняется или меньше чем приблизительно 550 arcsec внутри диапазона, в котором угол наклона является равным или большим чем 0,6° и является равным или меньшим чем 3,0°, и светоизлучающий выход может увеличиваться посредством сопоставления с результатом измерения из Фиг. 4.

Фиг. 6 показывает третьи данные измерения, которые являются основой настоящего изобретения. В частности, Фиг. 6 является графиком значений измерения FWHM при распределении деформации кручения каждого из слоя 3 AlN и слоя 6 покрытия n-типа при каждом угле наклона для трех типов образцов, в которых слой 6 покрытия n-типа имеет мольную долю AlN, равную 50% или более, и угол наклона, равный 0,15°, 0,3° и 1,0° (структуры образцов являются такими же как структуры образцов данных измерения, показанных на Фиг. 5). На Фиг. 6, ось ординат показывает FWHM слоя 6 покрытия n-типа и ось абсцисс показывает FWHM слоя 3 AlN. Сплошная линия, нарисованная наклонно на Фиг. 6, является линией, соединяющей точки, где значения FWHM слоя 3 AlN и слоя 6 покрытия n-типа имеют одно и то же значение, и показывает, что кристалличность увеличивается более значительно в слое 6 покрытия n-типа, который должен быть верхним слоем на слое 3 AlN в образцах на нижней стороне сплошной линии, и обратно кристалличность уменьшается более значительно в слое 6 покрытия n-типа, который должен быть верхним слоем на слое 3 AlN в образцах на верхней стороне сплошной линии.

Очевидно из результата измерения на Фиг. 6, FWHM слоя 3 AlN распределен в от 564 до 679 arcsec и FWHM слоя 6 покрытия n-типа изменяется в от 558 до 719 arcsec в образцах, имеющих угол наклона, равный 0,15°, и кристалличность уменьшается в большинстве образцов. Является очевидным, что FWHM слоя 3 AlN распределен в от 402 до 773 arcsec и FWHM слоя 6 покрытия n-типа изменяется в от 517 до 733 arcsec в образцах, имеющих угол наклона, равный 0,3°, и кристалличность уменьшается в приблизительно половине образцов и кристалличность увеличивается в приблизительно другой половине образцов. С другой стороны, является очевидным, что FWHM слоя 3 AlN распределен в от 410 до 683 arcsec и FWHM слоя 6 покрытия n-типа изменяется в от 394 до 568 arcsec в образцах, имеющих угол наклона, равный 1,0°, и кристалличность увеличивается в большинстве образцов и FWHM равно или меньше чем приблизительно 550 arcsec в почти всех образцах.

Фиг. 7 показывает четвертые данные измерения, которые являются основой настоящего изобретения. Фиг. 7 является графиком значений измерения FWHM при распределении деформации кручения слоя 6 покрытия n-типа для трех типов образцов, имеющих угол наклона, равный 0,15°, 0,3° и 1,0° (структуры образцов являются такими же, как образцы данных измерения, показанных на Фиг. 5 и 6), в которых мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа изменяется полностью внутри диапазона от 19,2% до 84%. На Фиг. 7, ось ординат показывает FWHM слоя 6 покрытия n-типа и ось абсцисс показывает мольную долю AlN слоя 6 покрытия n-типа.

Из результата измерения на Фиг. 7 видно, что образец, имеющий угол наклона, равный 0,15°, имеет тенденцию, что FWHM при распределении деформации кручения увеличивается и кристалличность слоя 6 покрытия n-типа уменьшается с увеличением в мольной доле AlN слоя 6 покрытия n-типа внутри диапазона, в котором мольная доля AlN является равной или меньшей чем приблизительно 40%, и обратно FWHM при распределении деформации кручения уменьшается и кристалличность слоя 6 покрытия n-типа увеличивается с увеличением в мольной доле AlN внутри диапазона, в котором мольная доля AlN является равной или большей чем приблизительно 40%, и дополнительно является необходимым ограничивать мольную долю AlN, чтобы она была равной или меньшей чем приблизительно 28%, чтобы реализовывать FWHM приблизительно 550 arcsec или менее. Образец, имеющий угол наклона, равный 0,3°, имеет тенденцию, что FWHM при распределении деформации кручения слегка увеличивается и кристалличность слоя 6 покрытия n-типа уменьшается с увеличением в мольной доле AlN внутри диапазона, в котором мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или меньшей чем приблизительно 35%, и обратно FWHM при распределении деформации кручения уменьшается и кристалличность слоя 6 покрытия n-типа увеличивается с увеличением в мольной доле AlN внутри диапазона, в котором мольная доля AlN является равной или большей чем приблизительно 35%. Хотя является необходимым ограничивать мольную долю AlN, чтобы она была равной или большей, чем приблизительно 55%, чтобы реализовывать FWHM приблизительно 550 arcsec или менее в образце, имеющем угол наклона, равный 0,3°, является невозможным ожидать высокой выработки. С другой стороны, очевидно, что образец, имеющий угол наклона, равный 1,0°, имеет тенденцию, что FWHM при распределении деформации кручения уменьшается и кристалличность слоя 6 покрытия n-типа увеличивается с увеличением в мольной доле AlN слоя 6 покрытия n-типа внутри диапазона, в котором мольная доля AlN является равной или большей чем приблизительно 30%, и дополнительно FWHM, равное приблизительно 550 arcsec или менее, может реализовываться с высокой выработкой внутри диапазона, в котором мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или большей чем приблизительно 50%.

Из результатов измерения, показанного на Фиг. 4 по 7, очевидно, что слой 6 покрытия n-типа, имеющий FWHM при распределении деформации кручения, равное приблизительно 550 arcsec или менее, и превосходная кристалличность могут реализовываться с высокой выработкой, так что может устойчиво получаться высокий светоизлучающий выход, так как мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа устанавливается равной или большей чем 50% и угол наклона сапфировой подложки (0001) устанавливается равным или большим чем 0,6° и равным или меньшим чем 3,0° в светоизлучающем элементе 1 согласно настоящему варианту осуществления.

Из результата измерения, показанного на Фиг. 5, очевидно, что более того является возможным дополнительно уменьшать FWHM при распределении деформации кручения от приблизительно 550 arcsec, тем самым получая высокий светоизлучающий выход более устойчиво посредством установки угла наклона сапфировой подложки (0001) в диапазоне от 1,0° до 2,5°.

Из результата измерения, показанного на Фиг. 7, очевидно, что дополнительно является предпочтительным, чтобы угол наклона сапфировой подложки (0001) имел малое значение, то есть приблизительно 0,15°, в случае, когда мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или меньшей чем 28%, то есть длина волны излучения от активного слоя 7 также является большой в таком же нитридном полупроводниковом ультрафиолетовом светоизлучающем элементе, и обратно является предпочтительным, чтобы угол наклона значительно превосходил обычно используемый диапазон таким образом, чтобы он был равным или большим чем 0,6° и был равным или меньшим чем 3,0°, если мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или большей чем 50%, то есть длина волны излучения от активного слоя 7 является малой (приблизительно 300 нм или менее).

Фиг. 8 показывает результат измерения для зависимости толщины пленки слоя AlN для образцов, в которых мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или большей чем 50% и угол наклона равняется 1,0° (структура каждого из образцов является такой же, как структура каждого из образцов данных измерения, показанных на Фиг. 5 по 7). Является очевидным, что приблизительно 550 arcsec или менее может реализовываться как FWHM при распределении деформации кручения слоя 6 покрытия n-типа со своей толщиной пленки внутри диапазона, равного от 2200 нм до 6600 нм.

Далее, Фиг. 9 по 12 показывают результаты, полученные посредством измерения светоизлучающих выходов и распределений длины волны в двух примерах 1 и 2 светоизлучающего элемента 1 согласно настоящему варианту осуществления, в котором угол наклона сапфировой подложки 2 (0001) равняется 1,0°, и примере 3 светоизлучающего элемента 1 согласно настоящему варианту осуществления, в котором угол наклона равняется 0,6°, и двух сравнительных примерах 1 и 2, в которых угол наклона сапфировой подложки 2 (0001) равняется 0,3°, и сравнительном примере 3, в котором угол наклона равняется 0,15°. В примере 1 и сравнительных примерах 1 и 3 только углы наклона отличаются друг от друга, другие структуры элемента являются такими же, мольные доли AlN слоя 6 покрытия n-типа и слой 7b ямы равняются 60% и 35% соответственно, и длины волны излучения являются приблизительно равными друг другу (первая группа длины волны излучения). В примерах 2 и 3 и сравнительном примере 2 только углы наклона являются отличающимися друг от друга, другие структуры элемента являются такими же, мольные доли AlN слоя 6 покрытия n-типа и слоя 7b ямы равны 70% и 55% соответственно, и длины волны излучения являются приблизительно равными друг другу (вторая группа длины волны излучения).

Фиг. 9 показывает характеристику светоизлучающего выхода, показывающую отношение между светоизлучающим выходом и прямым током в каждом из примера 1 и сравнительных примеров 1 и 3, и Фиг. 10 показывает характеристику длины волны излучения согласно каждому из примера 1 и сравнительных примеров 1 и 3. Фиг. 11 показывает характеристику светоизлучающего выхода, показывающую отношение между светоизлучающим выходом и прямым током в каждом из примеров 2 и 3 и сравнительного примера 2, и Фиг. 12 показывает характеристику длины волны излучения согласно каждому из примеров 2 и 3 и сравнительному примеру 2. На Фиг. 10 и 12, ось ординат для характеристики длины волны излучения показывает интенсивность излучения, нормализованную посредством установки пикового выхода, равного единице. Более того, Фиг. 13 собирательно показывает, в таблице, FWHM при распределении деформации кручения слоя 6 покрытия n-типа, светоизлучающий выход при прямом токе, равном 100 мА, и FWHM распределения длины волны излучения согласно каждому из примеров с 1 по 3 и сравнительных примеров с 1 по 3.

Из Фиг. 9 и 11 является очевидным, что светоизлучающий выход увеличивается, когда угол наклона увеличивается в соответствующих группах длины волны излучения, даже если прикладывается один и тот же прямой ток.

Дополнительно, является очевидным из Фиг. 10 и 12, что распределение длины волны излучения рассеивается, когда угол наклона увеличивается и превосходит 0,3° в соответствующих группах длины волны излучения. В двух группах длины волны излучения является очевидным, что рассеяние распределения длины волны излучения подавляется во второй группе длины волны излучения, имеющей более маленькую длину волны излучения. Хотя имеется тенденция, что длина волны максимума излучения увеличивается, когда угол наклона увеличивается в соответствующих группах длины волны излучения, является очевидным, что изменение в длине волны максимума излучения подавляется с более маленькой длиной волны излучения. Подробно, на Фиг. 10, в примере 1 с углом наклона, равным 1,0°, в сравнении со сравнительным примером 3 с углом наклона, равным 0,15°, длина волны максимума излучения больше на приблизительно 15 нм, то есть приблизительно 300 нм, значение FWHM распределения длины волны излучения увеличивается, чтобы быть приблизительно 18 нм, что приблизительно в 1,5 раза больше, чем это значение в сравнительном примере 3, и отделение пика длины волны излучения не наблюдается. На Фиг. 12, в примере 2, имеющем угол наклона, равный 1,0°, в сравнении со сравнительным примером 2 с углом наклона, равным 0,3°, длина волны максимума излучения является слегка более большой на приблизительно 2,0 нм, то есть приблизительно 260 нм, значение FWHM распределения длины волны излучения увеличивается, чтобы быть приблизительно 12 нм, что приблизительно в 1,2 раза больше, чем это значение в сравнительном примере 2, и увеличение подавляется, чтобы быть приблизительно в 1,2 раза больше, чем в сравнительном примере 2.

Рассеяние распределения длины волны излучения, наблюдаемого на Фиг. 10 и 12, вызывается увеличением шага сапфировой подложки 2 (0001), возникновением отделения Ga в составе слоя AlGaN в активном слое 7 части 11 структуры светоизлучающего элемента, сформированной на подложке 2, и формированием области AlGaN, имеющей высокую мольную долю AlN, и области AlGaN, имеющей низкую мольную долю AlN, вдоль ступенчатой части, когда угол наклона увеличивается, как описано выше.

Из данных измерения следующее является очевидным. В случае, когда мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или большей чем 50%, то есть длина волны излучения от активного слоя 7 является маленькой (приблизительно 300 нм или менее), светоизлучающий выход может увеличиваться посредством установки угла наклона сапфировой подложки (0001), чтобы он был равным или большим чем 0,6° и был равным или меньшим чем 3,0° значительно за обычно используемым диапазоном, хотя слегка вызывается увеличение FWHM распределения длины волны излучения.

Выше был подробно описан вариант осуществления светоизлучающего элемента 1. Хотя описание было дано посредством принятия части 11 структуры светоизлучающего элемента, показанной на Фиг. 2, в качестве примера части структуры светоизлучающего элемента, составляющей светоизлучающий элемент 1 в варианте осуществления, слоистая структура, структура электрода, толщина пленки, мольная доля AlN слоя AlGaN и подобное в описании являются иллюстративными и часть 11 структуры светоизлучающего элемента не ограничена упомянутым конкретным примером. Дополнительно, форма светоизлучающего элемента 1, видимая на плоскости, не ограничена формой, показанной на Фиг. 3.

В частности, данные измерения, показанные на Фиг. с 5 по 8, относятся к образцам, в которых структура элемента верхнего слоя на слое 6 покрытия n-типа не сформирована, и показывают, что отношение между углом наклона и кристалличностью слоя 6 покрытия n-типа (FWHM при распределении деформации кручения) устанавливается, если мольная доля AlN слоя 6 покрытия n-типа является равной или большей чем 50%, независимо от структуры элемента части 11 структуры светоизлучающего элемента. Увеличение в светоизлучающей характеристике с улучшением в кристалличности слоя 6 покрытия n-типа также может ожидаться в других структурах светоизлучающего элемента.

Промышленная применимость

Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент согласно настоящему изобретению может использоваться в светоизлучающем диоде, в котором мольная доля AlN слоя покрытия n-типа является равной или большей чем 50% или подобной, и является эффективным для улучшения светоизлучающего выхода.

Описание ссылочных позиций

1: нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент

2: сапфировая подложка (0001)

3: слой AlN

4: слой AlGaN

5: шаблон (лежащая в основе часть структуры)

6: слой покрытия n-типа (AlGaN n-типа)

7: активный слой

7a: барьерный слой

7b: слой ямы

8: слой блокировки электронов (AlGaN p-типа)

9: слой покрытия p-типа (AlGaN p-типа)

10: контактный p-слой (GaN p-типа)

11: часть структуры светоизлучающего элемента

12: p-электрод

13: n-электрод

R1: первая область

R2: вторая область

S: шаг

T: терассовая поверхность

Данный нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент обеспечивается: базовой секцией структуры, которая включает в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на подложке; и секцией структуры светоизлучающего элемента, которая включает в себя слой покрытия n-типа полупроводникового слоя AlGaN n-типа, активный слой, имеющий полупроводниковый слой AlGaN, и слой покрытия p-типа полупроводникового слоя AlGaN p-типа, при этом упомянутый слой покрытия n-типа, активный слой и слой покрытия p-типа сформированы на базовой секции структуры. Плоскость (0001) подложки наклонена под углом наклона, равным 0,6-3,0°, и мольная доля AlN слоя покрытия n-типа равняется 50% или более. Изобретение обеспечивает возможность улучшить качество кристалла основанного на AlGaN полупроводникового слоя, сформированного на сапфировой подложке (0001), посредством оптимизации угла наклона, и увеличить светоизлучающий выход нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент, содержащий:
лежащую в основе часть структуры, включающую в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на поверхности (0001) подложки; и
часть структуры светоизлучающего элемента, включающую в себя слой покрытия n-типа основанного на AlGaN полупроводникового слоя n-типа, активный слой, имеющий основанный на AlGaN полупроводниковый слой, и слой покрытия p-типа основанного на AlGaN полупроводникового слоя p-типа, причем часть структуры светоизлучающего элемента сформирована на поверхности кристалла лежащей в основе части структуры,
при этом поверхность (0001) подложки является наклоненной при угле наклона, который равен или больше чем 0,6° и равен или меньше чем 3,0°, и
мольная доля AlN слоя покрытия n-типа равна или больше чем 50%.

2. Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент по п. 1, в котором угол наклона равен или больше чем 1,0° и равен или меньше чем 2,5°.

3. Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент по п. 1 или 2, в котором длина волны максимума излучения равна или меньше чем 300 нм.

4. Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент по п. 1 или 2, в котором толщина пленки слоя AlN, сформированного на подложке лежащей в основе части структуры, равна или больше чем 2,2 мкм и равна или меньше чем 6,6 мкм.

5. Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент по п. 3, в котором толщина пленки слоя AlN, сформированного на подложке лежащей в основе части структуры, равна или больше чем 2,2 мкм и равна или меньше чем 6,6 мкм.