(57)【要約】【課題】紫外線発光ダイオードの提供。【解決手段】紫外線発光ダイオードはプログレッシブ超格子層３０を有する。プログレッシブ超格子層３０は第一超格子層３１と第二超格子層３２を有する。第一超格子層３１は多層構造を有し、第一層３１１と第二層３１２を順番にスタッキングしてユニット３１０を形成後、ユニット３１０を繰り返しスタッキングして構成される。第二超格子層３２は多層構造を有し、第三層３２１と第四層３２２を順番にスタッキングしてユニット３２０を形成後、ユニット３２０を繰り返しスタッキングして構成される。Ｎ型半導体層４０はプログレッシブ超格子層３０上に設置される。第一層３１１、第二層３１２、第三層３２１、第四層３２２のアルミニウムの含有量組成比は、順番に減っていく。プログレッシブ超格子層３０の設置により、エピタキシャル構造１の品質を明確に改善することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線発光ダイオードであって、基板、緩衝層、プログレッシブ超格子層を有し、
前記緩衝層は、前記基板上に設置され、
前記プログレッシブ超格子層は、前記緩衝層上に設置され、第一超格子層、第二超格子層、Ｎ型半導体層を有し、
前記第一超格子層は、多層構造を有し、第一層と第二層を順番にスタッキングしてユニットを形成後、前記ユニットを繰り返しスタッキングして構成され、
前記第二超格子層は、多層構造を有し、第三層と第四層を順番にスタッキングしてユニットを形成後、前記ユニットを繰り返しスタッキングして構成され、
前記Ｎ型半導体層は、前記プログレッシブ超格子層上に設置され、
前記第一層、前記第二層、前記第三層、前記第四層のアルミニウムの含有量組成比は、順番に減っていくことを特徴とする紫外線発光ダイオード。
【請求項２】
前記第一層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、前記緩衝層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より小さいか、等しいことを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項３】
前記緩衝層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を有することを特徴とする請求項２に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項４】
前記第四層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、前記Ｎ型半導体層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より大きいか、等しいことを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項５】
前記Ｎ型半導体層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を有することを特徴とする請求項４に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項６】
前記紫外線発光ダイオードの緩衝層は、第一緩衝層と第二緩衝層をさらに有し、
前記第二緩衝層は、アンドープ窒化アルミニウム（ｕ-ＡｌＮ）であることを特徴とする請求項１或２或いは４に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項７】
前記Ｎ型半導体層は、エピタキシャル順序により、第一Ｎ型半導体層、第二Ｎ型半導体層、第三Ｎ型半導体層を有し、
前記第一Ｎ型半導体層ドーピングの含有量組成比は、前記第三Ｎ型半導体層ドーピングの含有量組成比より大きく、
前記第二Ｎ型半導体層は未ドーピングであることを特徴とする請求項１或２或いは４に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項８】
前記第一Ｎ型半導体層と前記第三Ｎ型半導体層にはシリコン（Ｓｉ）をドーピングすることを特徴とする請求項７に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項９】
前記第一Ｎ型半導体層の厚みは、前記第二Ｎ型半導体層と前記第三Ｎ型半導体層より大きいことを特徴とする請求項７に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項１０】
前記第一Ｎ型半導体層の厚みは、１ｕｍより大きく、
前記第二Ｎ型半導体層と前記第三Ｎ型半導体層の厚みは、０．２ｕｍより小さいことを特徴とする請求項７に記載の紫外線発光ダイオード。
【請求項１１】
前記プログレッシブ超格子層は、シリコン（Ｓｉ）をドーピングすることを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は紫外線発光ダイオードに関し、特にエピタキシャル構造の品質を改善できる紫外線発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
テクノロジーは日進月歩の変化を遂げており、発光ダイオード産業も発展を続けている。照明、医療、殺菌、浄水、高密度光記録等領域においても、発光ダイオードが使用され、特に紫外線区域の発光ダイオードが注目を集めている。
【０００３】
従来の半導体発光デバイスの発光ダイオードを形成するため、多くはＩＩＩ族窒化物を半導体材料としていた。ＩＩＩ族窒化物は、そのエピタキシャル特性により、電子設備或いは発光パーツ等に幅広く運用されている。これにより、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル性の高低は、電子設備或いは発光パーツ効率を決める重要な要素となっている。ＩＩＩ族窒化物が基板上で成長する時には、ディスロケーション（Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が容易に生じるため、発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質に影響を及ぼす。こうして、発光ダイオードの発光効率不良等問題が発生している。
【０００４】
発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質を改善するため、通常は以下の解決方法が取られる。窒化物類半導体層が、基板上でエピタキシャル成長する時に、窒化物類半導体層の基板に対するエピタキシャル構造の違い、結晶格子のディスロケーション、或いは熱膨脹係数差等が引き起こす欠陥を緩和するため、様々な緩衝層構造が開発されている。
【０００５】
現時点では、発光ダイオード産業は技術の進歩とともに、電源出力が改善され、効率が上がり、寿命も延び、コストは低下している。これにより、紫外線発光ダイオードは、応用市場に参入できるまでになっている。紫外線発光ダイオードを基板材料において成長させる際には、吸光問題を避けるため、もともとは青色発光ダイオードに使用するＧａＮ材料をＡＩＮ材料に変えた。しかし、材料が基板上で成長する際には、結晶格子定数ミスマッチの問題があり、紫外線発光ダイオードエピタキシャル構造の品質に影響を及ぼしている。こうして、紫外線発光ダイオードの発光効率を低下させてしまう。
【０００６】
本発明人は上記した従来の技術のディスロケーションが発生しやすい等の欠点に対して、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル適性をマッチさせ、発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質を向上させる研究を行った。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記先行技術には、紫外線発光ダイオードの発光効率とエピタキシャル構造の品質が低いという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はプログレッシブ超格子構造を利用し、発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質を高められ、多層Ｎ型半導体構造に含有量が異なるシリコンをドーピングすることで電性を改善し、発光ダイオードの発光効率を高められる紫外線発光ダイオードに関する。
【０００９】
本発明による紫外線発光ダイオードは、基板上に緩衝層を設置し、該緩衝層上には、プログレッシブ超格子層を設置する。
該プログレッシブ超格子層は、第一超格子層、第二超格子層を有する。
該第一超格子層は、多層構造を有し、第一層と第二層を順番にスタッキングしてユニットを形成後、繰り返しユニットをスタッキングして構成される。
該第二超格子層は、多層構造を有し、第三層と第四層により、順番にスタッキングしてユニットを形成後、繰り返しユニットをスタッキングして構成される。
該第一層、該第二層、該第三層、該第四層のアルミニウムの含有量組成比は、順番に減っていき、これによりその結晶格子の欠陥を低下させ、エピタキシャルの品質を向上させる。
【００１０】
超格子は、２種の異なる性質の薄膜材料を交互に交代に成長させて形成する多層の結晶体である。
使用者は、その薄膜の厚みをコントロールすることで、サイクルの長さをコントロールすることができる。
サイクルの長さが一般の結晶格子より何倍も長いため、帯域幅も広く、よって収容できる電子も一般の結晶格子より多い。
よって、超格子と呼ばれる。
【００１１】
本発明の一実施形態では、該第一層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、該緩衝層のアルミニウムの含有量組成比より小さいか等しい。
【００１２】
本発明の一実施形態では、該緩衝層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を有する。
【００１３】
本発明の一実施形態では、該第四層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、該Ｎ型半導体層のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より大きいか等しい。
【００１４】
本発明の一実施形態では、該Ｎ型半導体層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を有する。
【００１５】
本発明の一実施形態では、該緩衝層は、第一緩衝層と第二緩衝層を有し、該第二緩衝層は、アンドープ窒化アルミニウム（ｕ-ＡｌＮ）である。
【００１６】
本発明によるＮ型半導体層は、エピタキシャル順序により、第一Ｎ型半導体層、第二Ｎ型半導体層、第三Ｎ型半導体層をさらに有する。
該第一Ｎ型半導体層ドーピングの含有量組成比は、該第三Ｎ型半導体層ドーピングの含有量組成比より大きいか等しい。
該第二Ｎ型半導体層は未ドーピングで、ドーピング含有量が異なるため電性を改善でき、発光ダイオードの発光効率を高められる。
【００１７】
本発明の一実施形態では、該第一Ｎ型半導体層と該第三Ｎ型半導体層は、シリコン（Ｓｉ）をドーピングする。
【００１８】
本発明の一実施形態では、該第一Ｎ型半導体層の厚みは、該第二Ｎ型半導体層と該第三Ｎ型半導体層より大きい。
【００１９】
本発明の一実施形態では、該第一Ｎ型半導体層の厚みは、１ｕｍより大きく、該第二Ｎ型半導体層と該第三Ｎ型半導体層の厚みは、０．２ｕｍより小さい。
【００２０】
本発明の一実施形態では、該プログレッシブ超格子層は、シリコン（Ｓｉ）をドーピングする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明はプログレッシブ超格子構造を利用し、発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質を高められ、多層Ｎ型半導体構造に含有量が異なるシリコンをドーピングすることで電性を改善し、発光ダイオードの発光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態による紫外線発光ダイオードの模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態による紫外線発光ダイオードの改良データ模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態による紫外線発光ダイオードの模式図である。
【図４】本発明の第三実施形態による紫外線発光ダイオードの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
審査官が本発明の特徴及び達成される効果をより詳細に理解して認識されるように、ここに好ましい実施例及び詳細な説明を合わせて、以下の通り説明する。
【００２４】
現在、紫外線発光ダイオードは基板材料において初期成長するため、吸光問題を回避するため、もともと青色発光ダイオードに使用されていた窒化ガリウム（ＧａＮ）材料を、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）材料に変える。けれども、材料を基板上で成長させると、やはり結晶格子定数ミスマッチの問題が生じ、紫外線発光ダイオードエピタキシャル構造の品質に影響を及ぼす。こうして、紫外線発光ダイオードの発光効率を低下させてしまう。上記問題に対して、エピタキシャル構造の品質を改善できる紫外線発光ダイオードを提供するが、その紫外線発光ダイオードは、ＵＶＡ、ＵＶＢ、ＵＶＣである。
【００２５】
図１と図２は、本発明の第一実施形態による紫外線発光ダイオードの模式図と改良データ模式図である。
【００２６】
図に示す通り、本実施形態は紫外線発光ダイオードのエピタキシャル構造１である。エピタキシャル構造１は、基板１０、緩衝層２０、プログレッシブ超格子層３０、Ｎ型半導体層４０を有する。
プログレッシブ超格子層３０は、第一超格子層３１と第二超格子層３２を有する。本発明は主にプログレッシブ超格子層３０を利用し、紫外線発光ダイオードのエピタキシャル構造１のエピタキシャル品質を明確に改善することができる。本実施形態では、基板１の材質可為サファイヤ、ガラス或いはセラミック等材料である。本実施形態では、サファイヤ基板を例として、以下の説明を行う。緩衝層２０は、基板１０上に設置される。緩衝層２０は、第一緩衝層２１と第二緩衝層２２をさらに有する。第一緩衝層２１には、窒化アルミニウムをドーピング（ＡｌＮ）する。第二緩衝層は、アンドープ窒化アルミニウム（ｕ-ＡｌＮ）である。アンドープ窒化アルミニウム（ｕ-ＡｌＮ）第二緩衝層２２は、窒化アルミニウムドーピング（ＡｌＮ）の第一緩衝層２１の上方に位置する。緩衝層２０の上には、順番に、第一超格子層３１と第二超格子層３２が設置される。第一超格子層３１は、多層構造を有し、第一層３１１と第二層３１２により、順番にユニット３１０をスタッキング後、ユニット３２０を繰り返しスタッキングして構成される。第二超格子層３２は同様に多層構造を有し、第三層３２１と第四層３２２により、順番にユニット３２０をスタッキング後、ユニット３２０を繰り返しスタッキングして構成される。Ｎ型半導体層４０は、プログレッシブ超格子層３０上に設置される。
【００２７】
上記のように、本実施形態によるプログレッシブ超格子層３０の主要な各層材料の差は、以下の通りである。第一超格子層３１の第一層３１１のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、第一超格子層３１の第二層３１２のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より大きいか、等しい。第一超格子層３１の第二層３１２のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、第二超格子層３２の第三層３２１のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より大きいか、等しい。第二超格子層３２の第三層３２１のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、第二超格子層３２の第四層３２２のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より大きいか、等しい。第一層３１１、該第二層３１２、該第三層３２１と該第四層３２２のアルミニウムの含有量組成比は、順番に減っていき、上述の各層（３１１、３１２、３２１と３２２）の厚みは約１０Å〜１２Åの間である。
【００２８】
第一超格子層３１の第一層３１１のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、緩衝層２０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より小さいか、等しい。緩衝層２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を有する。第二超格子層３２の第二層３２２のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比は、Ｎ型半導体層４０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比より大きいか、等しい。プログレッシブ超格子層３０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成範囲は、緩衝層２０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成とＮ型半導体層４０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成との間である。Ｎ型半導体層４０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を有する。
【００２９】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料を基板上で成長させる従来の方式には、結晶格子定数ミスマッチの問題があり、これが紫外線発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質に影響を及ぼし、紫外線発光ダイオードの発光効率を不良としている。その原因は、隣り合ってスタッキングされる各層の間のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成比の差異が過大なら、結晶格子ディスロケーション、応力解放が劣る等の欠陥を招くためである。よって、本実施形態では、プログレッシブ超格子層３０を、緩衝層２０とＮ型半導体層４０との間に設置する。プログレッシブ超格子層３０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成範囲は、緩衝層２０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成とＮ型半導体層４０のアルミニウム（Ａｌ）の含有量組成との間である。プログレッシブ超格子層３０は、第一結晶格子層３１と第二結晶格子層３２を有する。第一結晶格子層３１は、第一層３１１と第二層３１２を有する。第二結晶格子層３２は、第三層３２１と第四層３２２を有する。第一層３１１、第二層３１２、第三層３２１、第四層３２２のアルミニウムの含有量組成比は、順番に減っていく。この方式により、隣り合う各層構造のアルミニウムの含有量組成比差は大きくなりすぎず、効果的に応力解放でき、及び結晶格子ディスロケーションを防ぐことができる。図２は、Ｘ線により、本実施形態のエピタキシャル構造を回折したもので、図に示す通り、Ｂ線（プログレッシブ超格子層を未設置）はＡ線（プログレッシブ超格子層３０を設置）になっている。これにより、紫外線発光ダイオードのエピタキシャル構造の品質を証明できる。また、本実施形態では、第一層３１１、第二層３１２のユニットのスタッキング、及び第三層３２１と第四層３２２のユニットのスタッキング数量を制限していない。それは、構造の違いによる必要に応じて、応力、結晶格子ディスロケーションを調整し、増減できる。
【００３０】
図３は、本発明の第二実施形態による紫外線発光ダイオードの模式図である。図に示す通り、本実施形態と第一実施形態の差異について以下に説明する。本実施形態のＮ型半導体層４０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）材料を有する。エピタキシャルは、順番に、第一Ｎ型半導体層４１、第二Ｎ型半導体層４２、第三Ｎ型半導体層４３を有する。第二Ｎ型半導体層４２は未ドーピングで、第一Ｎ型半導体層４１ドーピングの含有量組成比は、第三Ｎ型半導体層４３ドーピングの含有量組成比より大きい。第一Ｎ型半導体層４１と第三Ｎ型半導体層４３は、シリコン（Ｓｉ）３３をドーピングする。第一Ｎ型半導体層４１の厚みは、第二Ｎ型半導体層４２と第三Ｎ型半導体層４３より大きい。本実施形態において、第一Ｎ型半導体層４１の厚みは、１ｕｍより大きく、第二Ｎ型半導体層４２と第三Ｎ型半導体層４３の厚みは、０．２ｕｍより小さい。さらに、発光層５０（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ，ＭＱＷ）を、Ｎ型半導体層４０の第三Ｎ型半導体層４３上に設置し、Ｐ型半導体層６０を、発光層５０上に設置する。
【００３１】
上記のように、本実施形態のＮ型半導体層４０は、第一Ｎ型半導体層４１、第二Ｎ型半導体層４２、第三Ｎ型半導体層４３を有する。その理由を以下に説明する。もし、シリコン（Ｓｉ）をドーピングしたＮ型半導体層上に直接、発光層５０をスタッキングするなら、Ｎ型半導体層内のシリコン（Ｓｉ）含有量は過多となるため、発光層５０のエピタキシャル構造の品質は影響を受け、発光効率に影響を与える。よって、シリコン（Ｓｉ）をドーピングしていない第二Ｎ型半導体層４２を、シリコン（Ｓｉ）をドーピングした第一Ｎ型半導体４１上にスタッキングし、発光層５０のエピタキシャル構造の品質を改善する。Ｎ型半導体層４０より発光層５０に進入する電子の過少を避けるため、さらに、有シリコン（Ｓｉ）をドーピングした第三Ｎ型半導体層４３を、第二Ｎ型半導体層４２の上に設置し、電子過少の欠点を補う。よって、第二Ｎ型半導体層４２と第三Ｎ型半導体層４３により第一Ｎ型半導体層４１の電性の構造を調整する。本実施形態では、上述の方式により、電性を高め、エピタキシャル構造の品質を改善する。さらに、第二Ｎ型半導体層４２と第三Ｎ型半導体層４３の構造の厚みは、第一Ｎ型半導体層４１の電性構造を調整するに十分であれば良い。よって、第一Ｎ型半導体層４１の厚みを超過することはない。
【００３２】
図４は、本発明の第三実施形態による紫外線発光ダイオードの模式図である。図に示す通り、本実施形態と第一実施形態との差異を以下に説明する。本実施形態はさらに、プログレッシブ超格子層３０にシリコン（Ｓｉ）３３をドーピングする。プログレッシブ超格子層３０内にシリコン（Ｓｉ）をドーピングすることで、緩衝層２０の第二緩衝層２２（即ちアンドープ窒化アルミニウム（ｕ-ＡｌＮ）層）上におけるエピタキシャル成長を助けることができる。
【００３３】
上記を総合すると、本発明による紫外線発光ダイオードは、プログレッシブ超格子層を、緩衝層とＮ型半導体層との間に設置し、プログレッシブ超格子層は、第一超格子層と第二超格子層を有する。
第一超格子層は、多層構造を有し、第一層と第二層を順番にユニットにスタッキング後、繰り返しユニットをスタッキングして構成される。
第二超格子層は、多層構造を有し、第三層と第四層により、順番にユニットにスタッキング後、繰り返しユニットをスタッキングして構成される。
Ｎ型半導体層は、プログレッシブ超格子層上に設置される。
第一層、第二層、第三層、第四層のアルミニウムの含有量組成比は、順番に減っていく。
この方式により、隣り合う各層構造のアルミニウムの含有量組成比差は大きくなりすぎず、効果的に応力解放でき、及び結晶格子ディスロケーションを防ぐことができ、エピタキシャル構造の品質を向上させられる。
Ｎ型半導体層は、第一Ｎ型半導体層、第二Ｎ型半導体層、第三Ｎ型半導体層を有する。
第一Ｎ型半導体層にシリコン（Ｓｉ）をドーピングした含有量組成比は、第三Ｎ型半導体層にシリコン（Ｓｉ）をドーピングした含有量組成比より大きい。
第二Ｎ型半導体層にはシリコン（Ｓｉ）を未ドーピングで、第二Ｎ型半導体層と第三Ｎ型半導体層により、第一Ｎ型半導体層の電性の構造を調整する。
プログレッシブ超格子層内には、少量のシリコン（Ｓｉ）をドーピングし、緩衝層の第二緩衝層（即ちアンドープ窒化アルミニウム（ｕ-ＡｌＮ）層）上でのエピタキシャル成長を助ける。
【００３４】
前述した本発明の実施形態は本発明を限定するものではなく、よって、本発明により保護される範囲は後述される特許請求の範囲を基準とする。
【符号の説明】
【００３５】
１  エピタキシャル構造
１０  基板
２０  緩衝層
２１  第一緩衝層
２２  第二緩衝層
３０  プログレッシブ超格子層
３１  第一超格子層
３１０  ユニット
３１１  第一層
３１２  第二層
３２  第二超格子層
３２０  ユニット
３２１  第三層
３２２  第四層
３３  シリコン
４０  Ｎ型半導体層
４１  第一Ｎ型半導体層
４２  第二Ｎ型半導体層
４３  第三Ｎ型半導体層
５０  発光層
６０  Ｐ型半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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