(57)【要約】【課題】発光出力をさらに向上させた発光装置を提供する。【解決手段】ＵＶ−ＬＥＤ等の発光装置は、表面がパターニングされたサファイア基板（ＰＳＳ）１０と、ＰＳＳ１０上に積層されるＡｌＮバッファ層１２と、ＡｌＮバッファ層１２上に積層されるアンドープＡｌＧａＮ層１４と、アンドープＡｌＧａＮ層１４上に積層されるＡｌＧａＮ系の発光構造物１６〜２６を備える。ＰＳＳ１０とＡｌＮバッファ層１２とアンドープＡｌＧａＮ１６の組合せにより、発光強度が増大する。【選択図】図１
2017017265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面がパターニングされたサファイア基板と、
前記サファイア基板上に積層されるＡｌＮバッファ層と、
前記ＡｌＮバッファ層上に積層されるアンドープＡｌＧａＮ層と、
前記アンドープＡｌＧａＮ層上に積層されるＡｌＧａＮ系の発光構造物と、
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記発光装置は、ＵＶ−ＬＥＤである請求項１に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来から、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を用いたＬＥＤが開発されており、多様な用途に適用されている。
【０００３】
特許文献１には、第１ドーパントのドープされた第１半導体層、第２ドーパントのドープされた第２半導体層、及び第１及び第２半導体層で挟持された第１活性層を有する第１領域と、第１領域上に配置され、第１ドーパントがドープされ、露出領域を有する第３半導体層、露出領域以外の第３半導体層上に配置され、第２ドーパントのドープされた第４半導体層、及び第３及び第４半導体層で挟持された第２活性層を有する第２領域と、を備える発光構造物と、第１半導体層上に配置された第１電極と、第４半導体層上に配置された第２電極と、第３半導体層の露出領域、及び露出領域に形成された孔に挿入されて第２半導体層上に配置され、第２及び第３半導体層と電気的に接続されている第３電極とを備える発光素子が記載されている。
【０００４】
この発光素子によれば、交流電源（ＡＣ）が供給される過程で別途の整流回路が備えられず、発光素子で消費される電圧に応じて発光素子の個数を決定することができるとしている。また、単一チップで形成され、順方向バイアス及び逆方向バイアスのいずれに対しても発光可能なため、単位面積当たりの発光効率を改善することができるとしている。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−５８７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＧａＮ系化合物半導体の発光装置では、光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に光取り出しパターンのパターニングが施されたもの（ＰＳＳ：Patterned Sapphire Substrate）を用いることが有効であり、上記従来技術でもＰＳＳが用いられているが、ＰＳＳ上に積層される各層の材料については未だに検討が不十分であり、光取り出し効率が十分なレベルに達していない。
【０００７】
本発明の目的は、従来よりも発光出力をさらに向上させた発光装置を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光装置は、表面がパターニングされたサファイア基板（ＰＳＳ）と、前記サファイア基板上に積層されるＡｌＮバッファ層と、前記ＡｌＮバッファ層上に積層されるアンドープＡｌＧａＮ層と、前記アンドープＡｌＧａＮ層上に積層されるＡｌＧａＮ系の発光構造物とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の発光装置の１つの実施形態は、発光波長が紫外領域のＵＶ−ＬＥＤである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりも発光出力をさらに向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の発光装置の構成図である。
【図２】実施例及び比較例の発光強度を示すグラフ及びテーブルである。
【図３】実施例及び比較例のバッファ層のＡＦＭ顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、発光波長が紫外領域（３６０ｎｍ〜３８０ｎｍ）のＵＶ−ＬＥＤを例にとり説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係るＵＶ−ＬＥＤの構成図である。ＵＶ−ＬＥＤは、表面がパターニングされたサファイア基板、すなわちＰＳＳ上に複数の層を順次積層して構成される。
【００１４】
ＰＳＳ１０は、サファイアの表面に光取り出しパターンをパターニングした基板である。パターニングは、例えばフォトリソグラフィー技術やナノスフィアリソグラフィー技術を用いて行われ、数百ｎｍ〜数μｍピッチの微細構造体をサファイアの表面に作製する。図では、模式的に断面形状が三角形状の微細構造体を示しているが、これに限定されるものではない。
【００１５】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＰＳＳ１０上に積層される。ＡｌＮバッファ層１２は、相対的に低温で形成され、ＰＳＳ１０と発光構造物との間に介在し、発光構造物の格子不整合を緩和して発光構造物の結晶性を向上させる。
【００１６】
ｕ−ＡｌＧａＮ層１４は、ＡｌＮバッファ層１２上に積層される、アンドープ（非ドープ）のＡｌＧａＮ層である。ｕ−ＡｌＧａＮ層１４は、その上に積層される層の結晶性を向上させる下地層である。なお、ｕ−ＡｌＧａＮ層１４の中に薄いＳｉＮ膜（不図示）を介在させてもよい。
【００１７】
ｎ−ＡｌＧａＮ層１６は、ｕ−ＡｌＧａＮ層１４上に積層される、ｎ型ドーパントがドープされたＡｌＧａＮ層である。ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ等である。
【００１８】
ｎ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層１８は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１６上に積層される、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層である。
【００１９】
活性層２０は、ｎ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層１８上に積層される。活性層２０は、ＡｌＧａＮ系化合物半導体の単一または多重の量子井戸構造、量子線構造、あるいは量子点構造で構成される。量子井戸構造では、井戸層と障壁層から構成され、障壁層は井戸層よりもバンドギャップが大きい。
【００２０】
ｐ−ｂｌｏｃｋ  ＡｌＧａＮ層２２は、活性層２０上に積層される、ｐ型のブロック層（電子のリークを阻止する電子ブロック層）である。ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等である。
【００２１】
ｐ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層２４は、ｐ−ｂｌｏｃｋ  ＡｌＧａＮ層２２上に積層される、ｐ型のクラッド層である。
【００２２】
ここで、ｎ−ＡｌＧａＮ層１６、ｎ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層１８、活性層２０、ｐ−ｂｌｏｃｋ  ＡｌＧａＮ層２２、及びｐ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層２４は、本実施形態においてＡｌＧａＮ系の発光構造物を構成する。
【００２３】
ｐ−ｃｏｔａｃｔ層２６は、ｐ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層２４上に積層される、ｐ型のコンタクト層である。
【００２４】
本実施形態の特徴の一つは、ＰＳＳ１０を用いた場合の、その上に積層される各層の材料を特定の組合せとした点にある。すなわち、ＰＳＳ１０上に、バッファ層としてＡｌＮ層を積層し、その上に下地層としてアンドープのＡｌＧａＮ層を積層し、その上に発光構造物を積層した点にある。本発明者らは、各種の材料について鋭意検討を重ねた結果、図１に示す材料の組み合わせにおいて、特異的に発光強度が増大することを見出した。そのメカニズムは必ずしも明らかでないが、バッファ層としてＧａＮ層を用いるよりもＡｌＮ層を用いる方が転位の低減につながること、ＡｌＮバッファ層上に積層する下地層としてＧａＮ層を用いるよりもＡｌＧａＮ層を用いる方が光の吸収が抑制されることに加え、ＰＳＳとの組合せにおいてバッファ層としてＧａＮ層を用いるよりもＡｌＮ層を用いる方が、Ｇａ原子とＡｌ原子のマイグレーションの相違に起因して転位密度が低減していること、が考えられる。すなわち、ＧａＮは、バッファ層成長後の昇温工程において、ＰＳＳのフラットな面（Ｃ面）へ移動するが、ＡｌＮはＡｌ原子のマイグレーションが小さいことから、Ｃ面以外の部位、つまりＰＳＳのパターン部分へも積層された状態になる。この状態で下地層を積層すると、ＡｌＮの場合、Ｃ面以外の多方面から下地ＧａＮ及びＡｌＧａＮが成長するため、結果として転位が打ち消されて転位密度が低減し、発光強度の増大に寄与していると考えられる。
【実施例】
【００２５】
＜実施例１＞
ＭＯＣＶＤ装置にて、サファイアｃ面基板上にパターンを施したＰＳＳを１１５０度にて水素雰囲気中で１０分間熱処理し、温度を６００度まで降温した。
【００２６】
続いて、同じ温度でトリメチルアルミニウム及びアンモニアガスを流してＡｌＮを１０ｎｍ堆積し、１１００度まで昇温した。
【００２７】
続いて、トリメチルガリウム及びトリメチルアルミニウム、アンモニアガスを流して厚さ１．５μｍのアンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを堆積した。
【００２８】
続いて、同じ温度でモノメチルシランガスとアンモニアガスを８秒間流すことで薄いＳｉＮ膜を形成した。
【００２９】
続いて、再びトリメチルガリウム及びトリメチルアルミニウム、アンモニアガスを流して厚さ１．５μｍのアンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを堆積し、その上にモノメチルシランガスを加えたＳｉドープのｎーＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを１．５μｍ成長させた。
【００３０】
続いて、ｕ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）／Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）５０ペアのｎクラッド層を成長させた。Ａｌの材料にはトリメチルアルミニウムを用いた。
その後、温度を８７０度程度に下げて２０ｎｍ厚のＳｉドープＡｌＧａＮバリア層を成長させ、０．９ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮバリア層、１．１ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮバリア層、１．３ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＩＮＧａｎバリア層からなる活性層を成長させた。なお、各井戸層を成長する前に、モノメチルシランおよびアンモニアガスを用いて薄いＳｉＮ膜を4秒間成長させた。
【００３１】
続いて、温度１０２５度に上昇してＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ（２５ｎｍ）のｐブロック層を堆積後、ｕ−ＡｌＧａＮ（０．５ｎｍ）／Ｍｇドープｐ−ＧａＮ（０．５ｎｍ）３０ペアのＳＬＳのｐクラッド層を成長させ、その後１５ｎｍ厚のＭｇドープｐ−ＧａＮコンタクト層を成長させた。
【００３２】
各層の成長後に、成長層表面透明電極を蒸着した。全面にフォトレジストを塗布し、ｎ電極形成のためのエッチングは、フォトレジストをエッチングマスクとして行った。エッチングにより露出したn型のｎ−ＡｌＧａＮ上とｐ型の透明電極にワイヤーボンディング用の金パッドを形成した。基板裏面を１００μｍまで研磨しスクライブにより３５０×３６０μｍサイズのチップを切り出し、マウントしてデバイスを完成させた。すなわち、発光構造物の下地層の構成は、ｕ−ＡｌＧａＮ層／ＡｌＮバッファ層／ＰＳＳである。
【００３３】
＜比較例１＞
ＭＯＣＶＤ装置にて、サファイアｃ面基板上にパターンを施したＰＳＳを１１５０度にて水素雰囲気中で１０分間熱処理し、温度を４５０度まで降温した。
【００３４】
続いて、同じ温度でトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してＧａＮを２５ｎｍ堆積し、１１００度まで昇温した。
【００３５】
続いて、トリメチルガリウム及びアンモニアガスを流して厚さ１．５μｍのアンドープＧａＮを堆積した。
【００３６】
続いて、同じ温度でモノメチルシランガスとアンモニアガスを８秒間流すことで薄いＳｉＮ膜を形成した。
【００３７】
続いて、再びトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流して厚さ１．５μｍのアンドープＧａＮを堆積し、その上にモノメチルシランガスを加えたＳｉドープのｎーＧａＮを１．５μｍ成長させた。
【００３８】
続いて、ｕ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）／Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）５０ペアのｎクラッド層を成長させた。Ａｌの材料にはトリメチルアルミニウムを用いた。
【００３９】
その後、温度を８７０度程度に下げて２０ｎｍ厚のＳｉドープＡｌＧａＮバリア層を成長させ、０．９ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮバリア層、１．１ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮバリア層、１．３ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＩＮＧａｎバリア層からなる活性層を成長させた。なお、各井戸層を成長する前に、モノメチルシランおよびアンモニアガスを用いて薄いＳｉＮ膜を４秒間成長させた。
【００４０】
続いて、温度１０２５度に上昇してＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ（２５ｎｍ）のｐブロック層を堆積後、ｕ−ＡｌＧａＮ（０．５ｎｍ）／Ｍｇドープｐ−ＧａＮ（０．５ｎｍ）３０ペアのＳＬＳのｐクラッド層を成長させ、その後１５ｎｍ厚のＭｇドープｐ−ＧａＮコンタクト層を成長させた。
【００４１】
各層の成長後に、成長層表面透明電極を蒸着した。全面にフォトレジストを塗布し、ｎ電極形成のためのエッチングは、フォトレジストをエッチングマスクとして行った。エッチングにより露出したn型のｎ−ＡｌＧａＮ上とｐ型の透明電極にワイヤーボンディング用の金パッドを形成した。基板裏面を１００μｍまで研磨しスクライブにより３５０×３６０μｍサイズのチップを切り出し、マウントしてデバイスを完成させた。
【００４２】
すなわち、発光構造物の下地層の構成は、ｕ−ＧａＮ層／ＧａＮバッファ層／ＰＳＳである。
【００４３】
＜比較例２＞
ＭＯＣＶＤ装置にて、サファイアｃ面基板上にパターンを施したＰＳＳを１１５０度にて水素雰囲気中で１０分間熱処理し、温度を６００度まで降温した。
【００４４】
続いて、同じ温度でトリメチルアルミニウム及びアンモニアガスを流してＡｌＮを１０ｎｍ堆積し、１１００度まで昇温した。
【００４５】
続いて、トリメチルガリウム及びアンモニアガスを流して厚さ１．５μｍのアンドープＧａＮを堆積した。
【００４６】
続いて、同じ温度でモノメチルシランガスとアンモニアガスを８秒間流すことで薄いＳｉＮ膜を形成した。
【００４７】
続いて、再びトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流して厚さ１．５μｍのアンドープＧａＮを堆積し、その上にモノメチルシランガスを加えたＳｉドープのｎーＧａＮを１．５μｍ成長させた。
【００４８】
続いて、ｕ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）／Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ（１．５ｎｍ）５０ペアのｎクラッド層を成長させた。Ａｌの材料にはトリメチルアルミニウムを用いた。
【００４９】
その後、温度を８７０度程度に下げて２０ｎｍ厚のＳｉドープＡｌＧａＮバリア層を成長させ、０．９ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮバリア層、１．１ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮバリア層、１．３ｎｍ厚のアンドープＩｎＧａＮ井戸層、８ｎｍ厚のアンドープＡｌＩＮＧａｎバリア層からなる活性層を成長させた。なお、各井戸層を成長する前に、モノメチルシランおよびアンモニアガスを用いて薄いＳｉＮ膜を4秒間成長させた。
【００５０】
続いて、温度１０２５度に上昇してＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ（２５ｎｍ）のｐブロック層を堆積後、ｕ−ＡｌＧａＮ（０．５ｎｍ）／Ｍｇドープｐ−ＧａＮ（０．５ｎｍ）３０ペアのＳＬＳのｐクラッド層を成長させ、その後１５ｎｍ厚のＭｇドープｐ−ＧａＮコンタクト層を成長させた。
【００５１】
各層の成長後に、成長層表面透明電極を蒸着した。全面にフォトレジストを塗布し、ｎ電極形成のためのエッチングは、フォトレジストをエッチングマスクとして行った。エッチングにより露出したn型のｎ−ＡｌＧａＮ上とｐ型の透明電極にワイヤーボンディング用の金パッドを形成した。基板裏面を１００μｍまで研磨しスクライブにより３５０×３６０μｍサイズのチップを切り出し、マウントしてデバイスを完成させた。
【００５２】
すなわち、発光構造物の下地層の構成は、ｕ−ＧａＮ層／ＡｌＮバッファ層／ＰＳＳである。
【００５３】
上記の実施例１、比較例１、及び比較例２について、順方向電流ＩＦ＝２０ｍＡを供給したときの発光強度（ピーク波長３６８ｎｍ）を測定した。その結果を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ｂ）は測定結果であり、図２（ａ）は測定結果をプロットしたものである。図２（ｂ）において、Ｎｏ．１は比較例１、Ｎｏ．２は比較例２、Ｎｏ．３は実施例１を示す。発光強度は、比較例１を基準値とした相対強度である。図２に示すように、
比較例１：発光強度＝１．０
比較例２：発光強度＝１．３１
実施例１：発光強度＝１．６５
であり、実施例１において大幅な発光強度の増大が得られた。
【００５４】
このように、ＰＳＳ上にＡｌＮバッファ層を積層し、さらにアンドープＡｌＧａＮ層を積層することで、従来以上に発光効率を増大させることが可能となる。
【００５５】
図３は、ＰＳＳ上にＧａＮバッファ層及びアンドープＧａＮ層を積層した場合と、ＰＳＳ上にＡｌＮバッファ層及びアンドープＧａＮ層を積層した場合における、アンドープＧａＮ層表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真である。図３（ａ）はＧａＮバッファ層を用いた場合であり、図３（ｂ）はＡｌＮバッファ層を用いた場合である。転位密度を測定したところ、ＧａＮバッファ層を用いた場合には２．０×１０８ｃｍ−２であるのに対し、ＡｌＮバッファ層を用いた場合には７．２×１０７ｃｍ−２であり、ＡｌＮバッファ層を用いることで転位密度が低減していることが確認された。
【００５６】
なお、既述したように、ＧａＮはバッファ層成長後の昇温工程において、ＰＳＳのフラットな面（Ｃ面）へ移動するが、ＡｌＮはＡｌ原子のマイグレーションが小さいことから、Ｃ面以外の部位、つまりＰＳＳのパターン部分へも積層された状態になる。この状態で下地層を積層すると、ＡｌＮの場合、Ｃ面以外の多方面から下地層が成長するため、結果として転位が打ち消されて転位密度が低減する。従って、ＡｌＮバッファ層は、ＧａＮバッファ層と異なりある種の多結晶状態にあり、この多結晶状態において下地層のＡｌＧａＮ層を積層することでＡｌＧａＮ層が多方面から成長され、転位が打ち消されて低転位化され、ＡｌＧａＮ層の光吸収抑制効果と相俟って、相乗的に発光効率が増大するものと考えられる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず種々の変形が可能である。
【００５８】
例えば、本実施形態では、下地層であるｕ−ＡｌＧａＮ層１４として、アンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層を用いているが、一般的に、アンドープＡｌｘＧａｙＮ層（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＝１）を用いることができる。
【００５９】
また、発光構造物であるｎ−ＡｌＧａＮ層１６、ｎ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層１８、活性層２０、ｐ−ｂｌｏｃｋ  ＡｌＧａＮ層２２、ｐ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層２４についても他の組成を用いることができる。但し、ＵＶ−ＬＥＤとしては、本実施形態におけるＡｌＧａＮ系の発光構造物が好適であり、ＡｌＧａＮ系の発光構造物は、少なくとも活性層にＡｌＧａＮ層を含むことを意味する。活性層としてはＡｌＧａＮバリア層とＩｎＧａＮ井戸層の多重量子井戸構造が好適である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  ＰＳＳ（パターニングされたサファイア基板）、１２  ＡｌＮバッファ層、１４  ｕ−ＡｌＧａＮ層、１６  ｎ−ＡｌＧａＮ層、１８  ｎ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層、２０  活性層、２２  ｐ−ｂｌｏｃｋ  ＡｌＧａＮ層、２４  ｐ−ｃｌａｄ  ＡｌＧａＮ層、２６  ｐ−ｃｏｎｔａｃｔ層。
【図１】
2017017265.tif 000003
【図２】
2017017265.tif 000004
【図３】
2017017265.tif 000005