特許 6589987 窒化物半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6589987

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/14 20100101AFI20191007BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20191007BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/14

   H01L33/32

【請求項の数】13

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-543193(P2017-543193)

(86)(22)【出願日】2016年9月21日

(86)【国際出願番号】JP2016077888

(87)【国際公開番号】WO2017057149

(87)【国際公開日】20170406

【審査請求日】2018年5月24日

(31)【優先権主張番号】特願2015-190294(P2015-190294)

(32)【優先日】2015年9月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【代理人】

【識別番号】100138863

【弁理士】

【氏名又は名称】言上 惠一

(72)【発明者】

【氏名】朝田 耕司

(72)【発明者】

【氏名】岡部 徳太郎

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０７７７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２４１３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８６７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２３０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１９６１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１４２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３４０５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ側層と、ｐ側層と、前記ｎ側層と前記ｐ側層の間に設けられ、ＡｌとＧａとＮとを含む井戸層と、ＡｌとＧａとＮとを含み、Ａｌの含有量が前記井戸層より大きい障壁層とを有してなる活性層と、を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層と前記ｐ側層との間に電子ブロック構造層を有し、
前記電子ブロック構造層は、
バンドギャップが前記障壁層より大きい第１電子ブロック層と、
前記ｐ側層と前記第１電子ブロック層の間に設けられ、前記障壁層より大きく前記第１電子ブロック層より小さいバンドギャップを有する第２電子ブロック層と、
前記第１電子ブロック層と前記第２電子ブロック層の間に設けられ、バンドギャップが前記第２電子ブロック層より小さい中間層と、を有し、前記中間層のバンドギャップは、前記障壁層のバンドギャップより小さい窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

ｎ側層と、ｐ側層と、前記ｎ側層と前記ｐ側層の間に設けられ、ＡｌとＧａとＮとを含む井戸層と、ＡｌとＧａとＮとを含み、Ａｌの含有量が前記井戸層より大きい障壁層とを有してなる活性層と、を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層と前記ｐ側層との間に電子ブロック構造層を有し、
前記電子ブロック構造層は、
バンドギャップが前記障壁層より大きい第１電子ブロック層と、
前記ｐ側層と前記第１電子ブロック層の間に設けられ、前記障壁層より大きく前記第１電子ブロック層より小さいバンドギャップを有する第２電子ブロック層と、
前記第１電子ブロック層と前記第２電子ブロック層の間に設けられ、バンドギャップが前記第２電子ブロック層より小さい中間層と、を有し、
前記ｐ側層は、前記第２電子ブロック層よりバンドギャップが小さいｐ側クラッド層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

前記中間層のバンドギャップは、前記障壁層のバンドギャップより小さい請求項２記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

前記第１電子ブロック層は、前記井戸層に接している請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項5】

前記第１電子ブロック層の厚さは、前記第２電子ブロック層の厚さよりも薄い請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項6】

前記中間層の厚さは、前記第２電子ブロック層の厚さよりも薄い請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項7】

前記中間層は、前記井戸層と同じ又は前記井戸層より大きいバンドギャップを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項8】

２５０〜３１０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有する請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項9】

前記第１電子ブロック層は、ＡｌＮからなる請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項10】

前記中間層は、ＡｌＧａＮからなる請求項８又は９に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項11】

前記第２電子ブロック層は、ＡｌＧａＮからなる請求項８〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項12】

前記第１電子ブロック層の厚さは、０．９〜２．０ｎｍである請求項９〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項13】

前記第１電子ブロック層は、ｐ型不純物を実質的に含まないノンドープ層である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化物半導体発光素子、特に、深紫外光を発光する窒化物半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

ＧａＮをはじめとする窒化物半導体は、直接遷移型の半導体であり、さらに、ＡｌやＩｎを含む三元混晶や四元混晶では組成を適宜設定してバンドギャップを変化させることにより赤外から深紫外までの光を発光できる。特に、Ａｌを含むバンドギャップの大きい窒化物半導体を活性層に用いた窒化物半導体発光素子は、アルミニウム組成を適宜設定することにより、波長２２０〜３５０ｎｍの深紫外を発光するように構成できることから、深紫外光源（例えば、ＬＥＤ及びＬＤ）としてその実用化が期待されている。

【0003】

例えば特許文献１には、Ａｌを含むバンドギャップの大きい窒化物半導体からなる活性層上に、電子ブロック層を形成することによって発光効率が改善された窒化物半導体発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】ＷＯ２０１１／１０４９６９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来のＡｌを含むバンドギャップの大きい窒化物半導体を活性層に用いた窒化物半導体発光素子は、青色ＬＥＤ等に比べて寿命が短い傾向にある。

【0006】

そこで、本発明の実施形態は、Ａｌを含むバンドギャップの大きい窒化物半導体を活性層に用いて構成された寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、
ｎ側層と、
ｐ側層と、
前記ｎ側層と前記ｐ側層の間に設けられ、ＡｌとＧａとＮとを含む井戸層と、ＡｌとＧａとＮとを含み、Ａｌの含有量が前記井戸層より大きい障壁層とを有してなる活性層と、
を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層と前記ｐ側層との間に電子ブロック構造層を有し、
前記電子ブロック構造層は、
バンドギャップが前記障壁層より大きい第１電子ブロック層と、
前記ｐ側層と前記第１電子ブロック層の間に設けられ、前記障壁層より大きく前記第１電子ブロック層より小さいバンドギャップを有する第２電子ブロック層と、
前記第１電子ブロック層と前記第２電子ブロック層の間に設けられ、バンドギャップが前記第２電子ブロック層より小さい中間層を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

以上のように構成された本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記第１電子ブロック層と前記第２電子ブロック層の間に前記中間層を有しているので、Ａｌを含むバンドギャップの大きい窒化物半導体を活性層に用いて構成された寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。

【図2】実施形態に係る窒化物半導体発光素子の形態１の電子ブロック構造層２０のバンド構造を模式的に示すバンドダイヤグラムである。

【図3】実施形態に係る窒化物半導体発光素子の形態２の電子ブロック構造層２０のバンド構造を模式的に示すバンドダイヤグラムである。

【図4】参考例の窒化物半導体発光素子における電子ブロック構造のバンド構造を模式的に示すバンドダイヤグラムである。

【図5】従来例の窒化物半導体発光素子における電子ブロック構造のバンド構造を模式的に示すバンドダイヤグラムである。

【図6】本発明に係る実施例１と比較例の寿命試験の結果を示すグラフである。

【図7】本発明に係る実施例２の窒化物半導体発光素子について、一定時間経過後における発光出力の維持率を評価した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

【0011】

実施形態
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、基板１０上に、ｎ側層１３と、ｐ側層１５と、ｎ側層１３とｐ側層１５の間に設けられた活性層１４とを含み、例えば、２２０〜３５０ｎｍの深紫外光を発光するように構成されている。本実施形態の窒化物半導体発光素子において、活性層１４は、例えば、ＡｌとＧａとＮとを含む井戸層１４２と、ＡｌとＧａとＮとを含む障壁層１４１，１４３とを含む量子井戸構造を有してなる。活性層１４において、井戸層１４２は、所望の深紫外光の波長に対応するバンドギャップとなるように、例えば、アルミニウム組成が設定され、障壁層１４１，１４３は、バンドキャップが井戸層１４２より大きくなるように、例えば、アルミニウム組成ｘが設定される。
例えば、ピーク波長が２８０ｎｍの深紫外光を発光する窒化物半導体発光素子では、例えば、井戸層１４２を、アルミニウム組成ｘが０．４５であるＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる窒化物半導体により構成し、障壁層１４１，１４３を、アルミニウム組成ｙが０．５６であるＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる窒化物半導体により構成する。
尚、本明細書において、ＡｌとＧａとＮを含む３元混晶の窒化物半導体を、単にＡｌＧａＮと表記することもある。

【0012】

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、ｐ側層１５と活性層１４の間に、設けられ、ｎ側層１３から活性層１４に注入された電子が井戸層１４２で再結合することなくｐ側層に流出するのを阻止する電子ブロック構造層２０を有している。

【0013】

ここで、特に、本実施形態の窒化物半導体発光素子において、電子ブロック構造層２０は、
（ｉ）障壁層１４１，１４３より大きいバンドギャップを有する第１電子ブロック層２１を、活性層１４側に含み、
（ii）障壁層１４１，１４３より大きく第１電子ブロック層２１より小さいバンドギャップを有する第２電子ブロック層２３を、ｐ側層１５側に含み、
（iii）第１電子ブロック層２１と第２電子ブロック層２３の間に、第１電子ブロック層２１及び第２電子ブロック層２３より小さいバンドギャップを有する中間層（負担軽減層）２２を含む。
以上のように構成された電子ブロック構造層２０は、第１電子ブロック層２１と第２電子ブロック層２３とを有することによって、電子ブロック効果、すなわち、電子のオーバーフローを抑制して活性層１４への電子注入効率を高め、発光効率を向上させることができる。一方、この電子ブロック効果で生じる強い電界に起因して、第２電子ブロック層２３が劣化することが考えられる。しかし、本実施形態では、電子ブロック構造層２０に中間層２２を有することによって、第２電子ブロック層２３の劣化を抑制することができる。より具体的には、第２電子ブロック層２３を越えた正孔が、第１電子ブロック層２１にブロックされ、電子の豊富な活性層１４側に近い中間層２２に溜まる結果、第２電子ブロック層２３にかかる電界が緩和されるためと考えられる。したがって、本実施形態に係る電子ブロック構造層２０を備えた窒化物半導体発光素子は、発光効率を高くできかつ寿命を長くできる。

【0014】

電子ブロック構造層２０は、電子ブロック効果が得られる限り、第１電子ブロック層２１と活性層１４の間に他の層を含んでいても良く、第２電子ブロック層２３とｐ側層１５の間に他の層を含んでいても良い。しかしながら、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第１電子ブロック層２１と活性層１４とは接していることが好ましく、これにより、第１電子ブロック層２１による高い電子ブロック効果が得られる。尚、第１電子ブロック層２１が活性層１４と接する場合、第１電子ブロック層２１は井戸層と接していても良いし、障壁層と接していてもよい。また、第２電子ブロック層２３とｐ側層１５とは接していることが好ましく、これにより、活性層１４への正孔の注入効率の低下を抑えることができ、光出力の低下を抑制できる。さらに、中間層２２と第１電子ブロック層２１の間及び中間層２２と第２電子ブロック層２３の間には、第２電子ブロック層２３の劣化を抑制することができる限り、他の層を含んでいても良い。しかしながら、本実施形態では、中間層２２は第１電子ブロック層２１又は第２電子ブロック層２３に接していることが好ましく、中間層２２が第１電子ブロック層２１及び第２電子ブロック層２３の双方に接していることがより好ましい。中間層２２が第１電子ブロック層２１及び第２電子ブロック層２３のいずれか一方、好ましくは双方に接していると、第２電子ブロック層２３にかかる電界の緩和効果を大きくでき、第２電子ブロック層２３の劣化を効果的に抑制できる。

【0015】

実施形態の電子ブロック構造層２０は、第１電子ブロック層２１、中間層２２及び第２電子ブロック層２３を含んで構成されているので、第１電子ブロック層２１を第２電子ブロック層２３より薄くしても良好な電子ブロック効果が得られる。第１電子ブロック層２１を第２電子ブロック層２３より薄くすると、トンネル効果によって電子が第１電子ブロック層２１を通過して活性層に到達することが可能になる。これにより、中間層における発光を防止しながら中間層に正孔を留めることができるので、第２電子ブロック層２３への電界集中を緩和でき、第２電子ブロック層２３の劣化を抑制できる。また、バンドギャップの大きい第１電子ブロック層２１を薄く設けることにより、順方向電圧の増大を抑制しながらに、電子ブロック効果を高めることができる。

【0016】

第１電子ブロック層２１が厚すぎると、井戸層のバンドギャップに生じる歪みが大きくなるため電界が集中しやすく、言い換えると、バンドギャップが小さくなるので、発光再結合のほとんどがこのバンドギャップの小さな部分で起こる結果、電界が集中して、発光素子の寿命が短くなる。かかる点からも、第１電子ブロック層２１は薄い方が好ましい。ただし、第１電子ブロック層２１が薄すぎると、電子ブロック効果が低下して、第２電子ブロック層２３の劣化抑制効果が小さくなる。また、中間層２２の厚さを第２電子ブロック層２３の厚さよりも薄くすることにより、第２電子ブロック層２３の電界の集中を防ぎつつ、より効果的に中間層２２による発光を防止できる。尚、第１電子ブロック層２１と中間層２２とを合わせた厚さは、第２電子ブロック層２３の厚さよりも薄いことがより好ましい。

【0017】

第１電子ブロック層２１は、例えば、アルミニウム組成ｚ１が障壁層１４１，１４３のアルミニウム組成ｙより大きいＡｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎからなる窒化物半導体により構成することができる。第１電子ブロック層２１は、電子ブロック効果を高くするために、アルミニウム組成ｚ１は大きいほど好ましく、より好ましくはアルミニウム組成ｚ１が１であるＡｌＮにより構成する。

【0018】

第２電子ブロック層２３は、例えば、アルミニウム組成ｚ２が、障壁層１４１，１４３のアルミニウム組成ｙより大きく第１電子ブロック層２１のアルミニウム組成ｚ１より小さいＡｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎからなる窒化物半導体により構成することができる。井戸層１４２を、Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる窒化物半導体により構成し、障壁層１４１，１４３を、Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる窒化物半導体により構成し、第１電子ブロック層２１をＡｌＮにより構成した場合、例えば、第２電子ブロック層２３は、アルミニウム組成ｚ２が０．７８であるＡｌ_０．７８Ｇａ_０．２２Ｎからなる窒化物半導体により構成する。

【0019】

中間層２２は、例えば、第２電子ブロック層２３のアルミニウム組成ｚ２より小さい、好ましくは障壁層１４１，１４３のアルミニウム組成ｙより小さいアルミニウム組成ｒであるＡｌ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる窒化物半導体により構成することができ、好ましくは、井戸層１４２のアルミニウム組成ｘと等しいか又は大きいアルミニウム組成ｒのＡｌ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる窒化物半導体により構成する。

【0020】

本実施形態の窒化物半導体発光素子において、電子ブロック構造層２０は、例えば、上記（i）〜（iii）に示した条件を満足する限り、以下の種々の形態をとることができる。以下、図２及び図３を参照しながら、電子ブロック構造層２０の構成例について説明する。
図２及び図３にはそれぞれ、形態１〜３の電子ブロック構造層２０のバンド構造を示している。尚、図２及び図３には、後述するｎ側の第２の組成傾斜層１３２、活性層１４、ｐ側クラッド層１５１、ｐ側組成傾斜クラッド層１５２、ｐ側低濃度ドープ層１５３を含めて示している。

【0021】

電子ブロック構造層２０の形態１．
図２には、形態１の電子ブロック構造層２０のバンド構造を示している。
この形態１の電子ブロック構造層２０では、中間層２２のバンドギャップを井戸層１４２のバンドギャップと同一に設定している。例えば、井戸層１４２を、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる窒化物半導体により構成した場合、中間層２２を、アルミニウム組成ｒが井戸層１４２のアルミニウム組成ｘと等しいＡｌ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる窒化物半導体により構成する。
以上の形態１の電子ブロック構造層２０によれば、中間層２２により第２電子ブロック層２３の負担を軽減することができる結果、第２電子ブロック層２３の劣化に起因した寿命の低下を抑制することができる。

【0022】

電子ブロック構造層２０の形態２．
図３には、形態２の電子ブロック構造層２０のバンド構造を示している。
この形態２の電子ブロック構造層２０では、中間層２２のバンドギャップを井戸層１４２のバンドギャップより大きくして、障壁層１４１，１４３のバンドギャップより小さくしている。例えば、井戸層１４２を、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる窒化物半導体により構成し、障壁層１４１，１４３を、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる窒化物半導体により構成した場合、中間層２２を、アルミニウム組成ｒが井戸層１４２のアルミニウム組成ｘより大きく、障壁層１４１，１４３のアルミニウム組成ｙより小さいＡｌ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる窒化物半導体により構成する。
以上の形態２の電子ブロック構造層２０によれば、井戸層１４２へのキャリア注入効率の低下をより抑制することができると共に、形態１と同様に第２電子ブロック層２３の負担を軽減することができる。

【0023】

以上の形態１及び２の電子ブロック構造層２０は、いずれも中間層２２のバンドギャップを障壁層１４１，１４３のバンドギャップより小さくした。しかしながら、本実施形態は、これに限定されるものではなく、中間層２２のバンドギャップは、第１電子ブロック層２１及び第２電子ブロック層２３より小さければよく、障壁層１４１，１４３のバンドギャップと同一又は大きくてなっていてもよい。

【0024】

電子ブロック構造層２０のｐ型不純物
電子ブロック構造層２０は、活性層１４とｐ側層１５の間に設けられる層であることから必要に応じてｐ型不純物を含む。しかしながら、本実施形態では、第１電子ブロック層２１、中間層２２及び第２電子ブロック層２３の少なくとも１つの層は、ノンドープ層であることが好ましい。電子ブロック構造層２０を構成する少なくとも１つの層がノンドープ層であると、井戸層１４２に拡散するｐ型不純物を減らすことができるため、寿命の低下を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、第１電子ブロック層２１がノンドープ層であることがより好ましく、第１電子ブロック層２１がノンドープ層であると、井戸層１４２に拡散するｐ型不純物をさらに減らすことができるため、寿命の低下をより効果的に抑制することができる。

【0025】

ここで、ノンドープ層とは、当該層を成長させる際に、ｐ型又はｎ型不純物の不純物をドープすることなく形成した層（例えば、有機金属気相成長法で当該層を成長させる場合には、不純物の原料ガスを止めて成長した層）のことをいい、不純物濃度が１×１０^−１６以下の実質的に不純物を含まない層を意味する。

【0026】

以上のように構成された電子ブロック構造層２０は、図５に示すように、中間層２２を設けることなく、第１電子ブロック層２１と第２電子ブロック層２３の２層により構成された電子ブロック構造に比較すると、電子ブロック構造層２０にかかる負担が軽減され、電子ブロック構造層２０の劣化を抑えることができる。
したがって、電子ブロック構造層２０を備えた本実施形態の窒化物半導体発光素子は、第１電子ブロック層２１と第２電子ブロック層２３の２層により構成された電子ブロック構造を有する窒化物半導体発光素子に比較すると、寿命を長くすることができる。

【0027】

また、以上のように構成された電子ブロック構造層２０は、図４の参考例に示す
第１電子ブロック層２１と第２電子ブロック層２３とを同じバンドギャップを持つように構成した参考例の窒化物半導体発光素子に比較すると発光強度を高くできる。
すなわち、実施形態の電子ブロック構造層２０を備えた窒化物半導体発光素子は、発光強度を高くできかつ寿命を長くすることができる。

【0028】

尚、本実施形態に窒化物半導体発光素子において、中間層２２は、井戸層１４２と同じ又は井戸層１４２より大きいバンドギャップを有している。このため、発光波長を２５０ｎｍ以上に設定すると、中間層２２と、第１電子ブロック層２１及び第２電子ブロック層２３との間でバンドギャップの差が大きくなるように設定することができる結果、中間層２２により負担軽減効果がより顕著に現れる。また、発光波長が３１０ｎｍ以下になると、第１電子ブロック層２１及び第２電子ブロック層２３の電子ブロック効果で生じる電界がより強くなることから、中間層２２により負担軽減効果がより効果的に発揮される。したがって、本実施形態に窒化物半導体発光素子において、発光波長を２５０ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲に設定した場合には、電子ブロック構造層２０の劣化をより効果的に抑えることができる。

【0029】

本実施形態の窒化物半導体発光素子において、第１電子ブロック層２１は井戸層１４２に接して設けられている。このように井戸層１４２に接して第１電子ブロック層２１を設けると、電子のオーバーフローを効果的に抑制することができる。
しかしながら、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、活性層１４のｐ層側の最外層として障壁層を設けるようにして、第１電子ブロック層２１を最外層の障壁層に接するように設けてもよい。このように最外層の障壁層に接して第１電子ブロック層２１を設けると、井戸層１４２へのｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。
さらに、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、活性層１４と第１電子ブロック層２１の間に必要に応じて別の層を設けてもよい。

【0030】

以下、本実施形態における電子ブロック構造２０以外の層の構成について詳細に説明する。

【0031】

［基板１０］
基板１０として、例えば、サファイア基板を用いることができる。サファイア基板は、深紫外光に対して透明であり、深紫外光を発光する窒化物半導体発光素子用の基板として適している。さらに、ｃ面、より好ましくはｃ面からａ軸方向又はｍ軸方向に０．２°以上２°以下の範囲で傾いた面を上面とするサファイア基板が窒化物半導体の成長に適している。

【0032】

［バッファ層１１］
バッファ層１１は、例えば、基板１０の上面に成長されたＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、その上に成長される窒化物半導体層とサファイアとの格子不整合を緩和する。
窒化アルミニウムはバンドギャップが極めて大きく、深紫外光に対して透明であり、サファイア基板側から深紫外光を取り出す場合には適している。バッファ層１１の成長初期には、サファイア基板との格子不整合および熱膨張係数差に起因する多数の欠陥が導入されることがある。したがって、バッファ層１１は、一定以上の厚み以上形成することが好ましく、例えば、２μｍ以上の厚さに形成する。一方、バッファ層１１の厚さの上限は特に制限はないが、生産性を低下させることかせないよう例えば４μｍ以下とする。バッファ層１１（窒化アルミニウム）は、単結晶であることが好ましく、単結晶の窒化アルミニウムはｃ軸配向性を高くできるので、活性層１４の結晶配向が向上する結果、発光効率を向上させることができる。

【0033】

［超格子層１２］
超格子層１２は、格子定数の小さい第１層と第１層より格子定数の大きい第２層とを交互に多周期積層することで、上層に形成される層に加わる応力を緩和させる。これにより、第１の組成傾斜層１３１におけるクラックの発生を防止する。超格子層１２は、例えば、交互に積層された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層により構成される。

【0034】

バッファ層１１に接する超格子層１２の最下層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層であってもよいし、窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ）であってもよい。第１の組成傾斜層１３１に接する超格子層１２の最上層も、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層であってもよいし、窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ）であってもよい。また、窒化アルミニウム層及び／又は窒化アルミニウムガリウム層には、目的に応じて例えばｎ型不純物などの添加元素をドープさせても良い。サファイア基板１０側から深紫外光を取り出す場合には、窒化アルミニウムガリウム層の組成は、活性層から発せられる深紫外光の光子エネルギーよりも大きなバンドギャップを持つように調整される。

【0035】

［ｎ側層１３］
ｎ側層１３は、第１の組成傾斜層１３１と第２の組成傾斜層１３２を含む。
第１の組成傾斜層１３１
第１の組成傾斜層１３１は、超格子層側から第２の組成傾斜層側に向けて（この方向を上方向とする）組成が連続的に変化する層であり、例えば、超格子層の上面に接して形成される。この第１の組成傾斜層１３１により、第１の組成傾斜層１３１に接して形成される第２の組成傾斜層１３２の結晶性を高めることができる。
第１の組成傾斜層１３１は、例えば、アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｍＡｌ１Ｇａ_{１−ｍＡｌ１}Ｎ）におけるアルミニウム比ｍＡｌ１が、上方向に順次又は徐々に減少する。なお、アルミニウム比ｍＡｌ１は、窒化アルミニウムガリウム中のガリウム及びアルミニウムの和に対するアルミニウムの比で定義する。なお、サファイア基板１０側から深紫外光を取り出す場合には、第１の組成傾斜層全体が、活性層から発せられる深紫外光に対して透明であるよう、ｍＡｌ１の最小値は調整される。

【0036】

第２の組成傾斜層１３２
第２の組成傾斜層１３２は、第１の組成傾斜層１３１側から活性層１４側に向けて組成が連続的に変化する層であり、第１の組成傾斜層１３１の上面に接して形成される。この第２の組成傾斜層１３２は、例えば、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｍＡｌ２Ｇａ_{１−ｍＡｌ２}Ｎ）におけるアルミニウム比ｍＡｌ２が、上方向に順次又は徐々に減少する。このような第２の組成傾斜層１３２によれば、ｎ電極が設けられる部分を低アルミニウム組成にすることができる。つまり低アルミニウム組成とすることにより、ｎ型不純物をより活性化することができ、ｎ電極と第２の組成傾斜層１３２との接触抵抗を低減することができる。ここで、ｎ型不純物は、例えば、シリコンである。
なお、サファイア基板１０側から深紫外光を取り出す場合には、第２の組成傾斜層全体が、活性層から発せられる深紫外光に対して透明であるよう、ｍＡｌ２の最小値は調整される。

【0037】

第１及び第２の組成傾斜層の関係
第１の組成傾斜層１３１及び第２の組成傾斜層１３２の組成及びその組成変化の仕方は夫々独立して設定することができる。しかし、第１の組成傾斜層１３１上面におけるアルミニウム比ｍＡｌ１（以下、ｍＡｌ１ｕとする。）が第２の組成傾斜層１３２下面におけるアルミニウム比ｍＡｌ２（以下、ｍＡｌ２ｂとする。）以上であると、第２の組成傾斜層１３２全体に圧縮応力を加えることができ、クラックの発生を抑制できるため好ましい。ｍＡｌ１ｕ＞ｍＡｌ２とし、かつｍＡｌ１ｕとｍＡｌ２ｂの差を比較的小さくすると、格子不整合による界面での欠陥発生を防ぐことができるためより好ましい。より好ましい範囲を比で表すと、ｍＡｌ１ｕ／ｍＡｌ２ｂとして１．００以上１．０２以下である。また、第１の組成傾斜層１３１及び第２の組成傾斜層１３２によりｎ側層１３が構成され、第１の組成傾斜層１３１の上面に接してｎ電極３１が形成される。

【0038】

［活性層１４］
活性層１４は、例えば、深紫外光を発するＩＩＩ族窒化物半導体からなる井戸層１４２及び障壁層１４１，１４３を有し、第２の組成傾斜層１３２の上面に形成される。井戸層１４２及び障壁層１４１，１４３は、例えば、一般式Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦０．１、０．４≦ｂ≦１．０、ａ＋ｂ≦１．０）で表されるＩＩＩ族窒化物により構成することができる。本実施形態において、ピーク波長が２８０ｎｍの深紫外光を発光する窒化物半導体発光素子とする場合、例えば、井戸層１４２を、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる３元の窒化物半導体とし、アルミニウム組成ｘが０．４５であるＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる窒化物半導体により構成することができる。その場合、障壁層１４１，１４３は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる３元の窒化物半導体とし、アルミニウム組成ｙが０．５６であるＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる窒化物半導体により構成することができる。図１には、２つの井戸層１４２と２つの障壁層１４１，１４３、具体的には、第２の組成傾斜層１３２に接して障壁層１４１を含み、電子ブロック構造２０に向かって順に、井戸層１４２，障壁層１４３及び井戸層１４２を含む活性層１４を例示している。また、活性層１４において、各層の膜厚は、例えば、障壁層１４１の膜厚：５０ｎｍ、障壁層１４３の膜厚：２．５ｎｍ、井戸層１４２の膜厚：４．４ｎｍに設定される。尚、図１には、最下層に障壁層１４１を形成してその障壁層１４１が第２の組成傾斜層１３２に接するように、最上層に井戸層１４２を形成してその井戸層１４２が第１電子ブロック層２１に接するように活性層１４を設けている。このように構成した活性層１４によれば、電子のオーバーフローを抑制すると共に、正孔の活性層１４への拡散を促進することができる。
しかしながら、本実施形態では、活性層１４において、井戸層と障壁層は目的に応じて種々の配置をとることができ、例えば、最上層に障壁層を形成することもできるし、最下層に井戸層を形成するようにもできる。
また、本実施形態では、活性層１４は、井戸層を２以上含む多重量子井戸構造に限定されるものではなく、単一量子井戸構造であってもよく、また、量子井戸構造でなくてもよい。

【0039】

［ｐ側層１５］
ｐ側層１５は、ｐ側クラッド層１５１、ｐ側組成傾斜クラッド層１５２，ｐ側低濃度ドープ層１５３，ｐ側コンタクト層１５４を含み、電子ブロック構造層２０から離れるにしたがって、段階的又は徐々にバンドギャップが小さくなるように構成される。このように、電子ブロック構造層２０に近づくにしたがって、バンドギャップが大きくなるようにすると、ｐ側低濃度ドープ層１５３のホールがｐ側組成傾斜クラッド層１５２を越えやすくなり、活性層にホールを効率良く供給できる。

【0040】

ｐ側クラッド層１５１
ｐ側クラッド層１５１は、第２電子ブロック層２３よりバンドギャップが小さくなるように構成され、例えば、アルミニウム比が第２電子ブロック層２３より小さいＡｌＧａＮ層からなる。例えば、第２電子ブロック層２３を、アルミニウム組成ｚ２が０．７８であるＡｌ_０．７８Ｇａ_０．２２Ｎからなる窒化物半導体により構成した場合、ｐ側クラッド層１５１は、例えば、Ａｌ_０．６３Ｇａ_０．３７Ｎからなる窒化物半導体により構成することができる。

【0041】

ｐ側組成傾斜クラッド層１５２
ｐ側組成傾斜クラッド層１５２は、ｐ側クラッド層１５１から離れるにしたがってバンドギャップが徐々に小さくなるように構成される。例えば、ｐ側クラッド層１５１を、Ａｌ_０．６３Ｇａ_０．３７Ｎからなる窒化物半導体により構成し、ｐ側低濃度ドープ層１５３をＧａＮで構成する場合、ｐ側組成傾斜クラッド層１５２を、Ａｌ_ｍＡｌ３Ｇａ_{１−ｍＡｌ３}Ｎにより構成し、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４ＮからＧａＮまでアルミニウム比ｍＡｌ３が順次減少するように構成する。これにより、ｐ側低濃度ドープ層１５３のホールがｐ側組成傾斜クラッド層１５２をより越えやすくなり、活性層にホールをより効率良く供給できる。

【0042】

ｐ側低濃度ドープ層１５３
ｐ側低濃度ドープ層１５３は、例えば、ＧａＮからなり、電流を横方向に拡散する役割を果たす。

【0043】

ｐ側コンタクト層１５４
ｐ側コンタクト層１５４は、例えば、ＧａＮからなり、ｐ側低濃度ドープ層１５３より高い濃度でｐ型不純物を含む。ｐ型不純物は、好ましくはマグネシウムである。

【0044】

以下、実施例を用いてより具体的に説明する。

【実施例】

【0045】

実施例１．
直径７．６２ｃｍ（３インチ）の、ｃ面を上面とするサファイア基板１０の上面に、厚さ３．５μｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層１１を形成した。
次に、バッファ層１１が形成された基板１０を反応容器に設置し、原料ガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、厚さ約０．１μｍの単結晶の窒化アルミニウムからなるバッファ層を成長させた。

【0046】

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、厚さ約２７．０ｎｍのＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎからなる層（層ａ）を形成した。次にＴＭＧの導入を止め、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１０．２ｎｍのＡｌＮからなる層（層ｂ）を形成した。層ａ及び層ｂを交互に夫々３０回繰り返し形成し、超格子層１２を形成した。

【0047】

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、アンドープであり、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３ＮからＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎまで上方向へｍＡｌ１が順次減少する第１の組成傾斜層１３１を５００ｎｍの厚さに形成した。

【0048】

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシラン用いて、シリコンドープであり、Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４ＮからＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎまで上方向へｍＡｌ２が順次減少する第２の組成傾斜層１３２を２５００ｎｍの厚さに形成した。

【0049】

第２の組成傾斜層１３２の形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を９７０℃、２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）に調整した。調整後、アンモニア、ＴＭＡ、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びモノシランを用いて、厚さ約５０．０ｎｍのシリコンドープのＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる障壁層１４１を形成した。

【0050】

次にモノシランの導入を止め、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＥＧを用いて、厚さ約４．４ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる井戸層１４２を形成した。引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＥＧ及びモノシランを用いて、厚さ約２．５ｎｍのシリコンドープのＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる障壁層１４３を形成した。次いで、モノシランの導入を止め、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＥＧを用いて、厚さ約４．４ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる井戸層１４２を形成した。
以上のようにして、活性層１４を形成した。

【0051】

活性層形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を８７０℃、１３．３ｋＰａに調整する。調整後、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１．０ｎｍのｐ型不純物（Ｍｇ）ドープの窒化アルミニウムからなる第１電子ブロック層２１を形成した。

【0052】

次に、アンモニア、ＴＭＡ、及びＴＭＧ（又はＴＥＧ）を用いて、厚さ約１．０ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる中間層２２を形成した。

【0053】

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、及びＴＭＧ（又はＴＥＧ）を用いて、厚さ約４．０ｎｍのｐ型不純物ドープのＡｌ_０．７８Ｇａ_０．２２Ｎからなる第２電子ブロック層２３を形成した。

【0054】

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ（又はＴＥＧ）、及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ；マグネソセン）を用いて、厚さ約７８．０ｎｍのマグネシウムドープのＡｌ_０．６３Ｇａ_０．３７Ｎからなるｐ側クラッド層１５１を形成した。

【0055】

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ（又はＴＥＧ）、及びＣｐ２Ｍｇを用いて、マグネシウムドープであり、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４ＮからＧａＮまで上方向へｍＡｌ３が順次減少するｐ側組成傾斜層１５２を２３ｎｍの厚さに形成した。

【0056】

引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを用いて、厚さ約３００．０ｎｍのマグネシウムドープの窒化ガリウムからなるｐ側低濃度ドープ層１５３を形成した。

【0057】

続いて、アンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを用いて、厚さ約１５ｎｍのマグネシウムドープの窒化ガリウムからなるｐ側コンタクト層１５４を形成した。

【0058】

［ｎ側層露出］
所定の領域のみエッチングされる様、その所定の領域を除いてマスクを形成した。マスクを形成した後、半導体積層体をドライエッチング装置に入れ、ｐ側層側から約０．８μｍエッチングを施し、所定の領域にｎ側層を露出させた。エッチング後ドライエッチング装置から半導体積層体を取り出し、マスクを除去した。

【0059】

［ｎ電極形成］
露出したｎ側層の電極形成領域のみスパッタされるようマスクを形成した。続いて、半導体積層体をスパッタ装置に入れ、例えばチタンとアルミニウムの合金をスパッタした。その後、マスクを除去することにより、露出したｎ側層の上面にｎ電極が形成された。この時点では一枚のウェハに複数の半導体積層体が形成され、個々の半導体積層体は同一のｎ側層を共有している状態である。

【0060】

［ｐ電極形成］
ｐ側コンタクト層１５４の上面のみスパッタされるようマスクを形成した。続いて、半導体積層体をスパッタ装置に入れ、例えばＩＴＯをスパッタした。その後、マスクを除去することにより、ｐ側コンタクト層１５４の上面にｐ電極が形成された。

【0061】

［個片化］
以上の工程を経た後、ウェハを個々の素子ごとに分割した。

【0062】

以上のようにして、波長２８０ｎｍの深紫外を発光するように実施例１の窒化物半導体発光素子を作製することができた。

【0063】

［寿命試験］
上記実施例１と同じ条件で半導体積層体を形成した個片化前のウェハと、比較例として中間層２２を形成せずに第１電子ブロック層２１上に第２電子ブロック層２２を形成した以外は実施例１と同じ条件のウェハとについて、それぞれ常温下で１５０ｍＡを印加して継続使用し、１分間隔で光出力を測定（２０ｍＡ）する寿命試験を行った。この結果を図６に示す。なお、図６は、初期の光出力を１００％としたときの経時変化を示している。

【0064】

実施例１の窒化物半導体発光素子は、８００分経過後も８５％を維持しているのに対して、比較例の窒化物半導体発光素子は６０％を下回っており、実施例１の窒化物半導体発光素子の寿命が改善されているのが分かる。

【0065】

実施例２．
実施例２として、第１電子ブロック層２１の厚さを変更した以外は、実施例１の窒化物半導体発光素子と同様にして６個の窒化物半導体発光素子（サンプルＮｏ．１〜６）を作製して、一定時間経過後の発光出力の維持率を評価した。
維持率は、加速試験により評価した。具体的には、各発光素子につき、加速試験前と１５０ｍＡにて７００分通電した加速試験後にそれぞれ２０ｍＡにおける光出力を測定し、試験前後における光出力の維持率を算出したものである。
その結果を、図７に示す。
ここで、各窒化物半導体発光素子における第１電子ブロック層２１の厚さは、以下の表１に示すようにした。

【0066】

表１

【0067】

以上の図７に示す結果から、ＡｌＮからなる第１電子ブロック層２１の厚さが、０．９〜２．０ｎｍ範囲の厚さであるときに高い電子ブロック効果が得られ、０．９〜１．３ｎｍの範囲の厚さであるときにより高い電子ブロック効果が得られることが確認された。

【0068】

第１電子ブロック層２１（ＡｌＮ層）が０．５ｎｍ程度まで薄くなると、電子ブロック効果の低下に起因すると思われる維持率の低下が見られた。第１電子ブロック層２１（ＡｌＮ層）が２．３ｎｍ程度まで厚くなると、維持率の低下が見られた。これは、井戸層のバンドギャップに生じる歪みが大きくなるため電界が集中しやすく、すなわち、バンドギャップが小さくなるので、発光再結合のほとんどがこのバンドギャップの小さな部分で起こる結果、電界が集中して、素子寿命が低下したものと考えられる。

【符号の説明】

【0069】

１０ 基板
１１ バッファ層
１２ 超格子層
１３ ｎ側層
１４ 活性層
１５ ｐ側層
２０ 電子ブロック構造層
２１ 第１電子ブロック層
２２ 中間層
２３ 第２電子ブロック層
１３１ 第１の組成傾斜層
１３２ 第２の組成傾斜層
１４１，１４３ 障壁層
１４２ 井戸層
１５１ ｐ側クラッド層
１５２ ｐ側組成傾斜クラッド層
１５３ ｐ側低濃度ドープ層
１５４ ｐ側コンタクト層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】