特開 2024-129541 半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129541

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20240919BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20240919BHJP

   H01L 33/14 20100101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

H01S5/343 610

H01L33/32

H01L33/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038829

(22)【出願日】2023-03-13

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／新産業創出新技術先導研究プログラム／ワットクラス深紫外半導体レーザーの研究開発」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 素顕

(72)【発明者】

【氏名】岩山 章

(72)【発明者】

【氏名】近藤 涼輔

(72)【発明者】

【氏名】難波江 宏一

(72)【発明者】

【氏名】三好 晃平

【テーマコード（参考）】

5F173

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F173AF22

5F173AG17

5F173AH22

5F173AR25

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA60

(57)【要約】

【課題】従来よりもキャリア注入効率を高めた、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるｎ型の第一半導体層と、第一半導体層の上層に形成されたＡｌを含む窒化物半導体からなる活性層と、活性層の上層に形成された活性層よりもＡｌの組成の高い窒化物半導体からなる電子ブロック層と、電子ブロック層の上層に形成された、電子ブロック層よりもＡｌ組成の低い窒化物半導体からなるｐ型の第二半導体層とを備える。電子ブロック層の厚みは、２ｎｍ以上５ｎｍ未満である。
【選択図】図５Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌを含む窒化物半導体からなる、ｎ型の第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上層に形成された、前記活性層よりもＡｌの組成の高い窒化物半導体からなる電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の上層に形成された、前記電子ブロック層よりもＡｌ組成の低い窒化物半導体からなるｐ型の第二半導体層とを備え、
前記電子ブロック層の厚みが、２ｎｍ以上５ｎｍ未満であることを特徴とする、半導体発光素子。

【請求項2】

前記電子ブロック層は、ＡｌとＧａを含み、９０％以上のＡｌ組成を示す窒化物半導体であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。

【請求項3】

前記電子ブロック層の前記活性層に近い側の面に接触する半導体層は、Ａｌ組成が７５％以下の窒化物半導体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。

【請求項4】

前記第二半導体層は、前記電子ブロック層に最も近い側の位置において、６２％以上８０％未満のＡｌ組成を示すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。

【請求項5】

半導体層の積層方向に関して、前記第一半導体層と前記活性層との間に配置された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第一ガイド層と、
前記積層方向に関して、前記活性層と前記電子ブロック層との間に配置された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第二ガイド層とを備え、
前記第二ガイド層は、前記電子ブロック層の底面に接触するように配置されており、前記積層方向に関して前記電子ブロック層に近づくに連れてＡｌ組成が実質的に上昇するような傾斜組成を示し、前記電子ブロック層と接触する箇所においてＡｌ組成が７５％以下であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。

【請求項6】

前記積層方向に関する厚みとＡｌ組成の変化を示すグラフ上において、前記第二ガイド層の初端のＡｌ組成の値と、前記電子ブロック層のＡｌ組成の値とを結ぶ直線を規定した場合に、前記第二ガイド層は、前記直線よりもＡｌ組成の低い範囲内において、前記電子ブロック層に近づくに連れてＡｌ組成が実質的に上昇するような傾斜組成を示すことを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光素子。

【請求項7】

前記活性層は、井戸層と前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い障壁層とを含み、
前記井戸層及び前記障壁層は、主発光波長が２８０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満となるように材料が選択された窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体発光素子に関し、特に発光波長が４００ｎｍ未満の紫外領域における半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化物半導体を用いたレーザダイオード（以下、適宜「ＬＤ」と略記する。）に関する近年の研究開発により、高出力化や発振波長の長波長化（青色～緑色領域）が進展している。詳細には、例えば光出力５Ｗ超の波長４５５ｎｍの青色ＬＤや、光出力１Ｗ超の波長５３２ｎｍの緑色ＬＤが実現されている。

【0003】

近年では、ＬＤの発光波長の更なる短波長化を目指して開発が進められている。特にＡｌＧａＮはＡｌ組成を制御することによって、理論上、２１０ｎｍ～３６５ｎｍ程度の光を得ることができることから、高品質なＡｌＧａＮを半導体層に利用した発光素子の開発が進められている。

【0004】

例えば、下記特許文献１には、量子井戸構造を有する活性層と、光閉じ込めのためのガイド層と、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮからなる電子ブロック層を有してなる、ＬＤ素子が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６８３８７３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、本発明者らが鋭意研究したところ、上記特許文献１に開示された素子においては、活性層内におけるキャリア注入効率が低く留まっており、発光効率を向上させる余地があることを見出した。

【0007】

本発明は、上記の課題に鑑み、特にＡｌＧａＮ系の窒化物半導体発光素子において、従来よりもキャリア注入効率を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の半導体発光素子は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる、ｎ型の第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上層に形成された、前記活性層よりもＡｌの組成の高い窒化物半導体からなる電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の上層に形成された、前記電子ブロック層よりもＡｌ組成の低い窒化物半導体からなるｐ型の第二半導体層とを備え、
前記電子ブロック層の厚みが、２ｎｍ以上５ｎｍ未満であることを特徴とする。

【0009】

本明細書において、「ある層Ｑ１の上層に別の層Ｑ２が形成されている」という表現は、層Ｑ１の面上に直接層Ｑ２が形成されている場合はもちろん、層Ｑ１の面上に別の層を介して層Ｑ２が形成されている場合も含む意図である。また、前記表現は、半導体発光素子の配置位置を回転させれば、層Ｑ１の上方に層Ｑ２が位置する場合を包含する概念であり、半導体発光素子がどの向きに設置されているかによって、「上」方向が限定されるものではない。

【0010】

本発明者らの鋭意研究の結果、従来の半導体発光素子においては、半導体層の積層方向に関して、高Ａｌ組成の電子ブロック層の、活性層側の位置において、Ａｌ組成が電子ブロック層に向かって徐々に増大する層（以下、適宜「プリング層」という。）が存在することを突き止めた。

【0011】

半導体層の積層方向に関して、電子ブロック層の直前の位置に配置された半導体層と電子ブロック層とのＡｌ組成の差が小さくなると、両者の界面における伝導帯バンド不連続量（ΔＥｃ）が小さくなる。この結果、電子ブロック層が有する電子に対する障壁高さが低下する。このことは、ｎ型層側から注入された電子のうち、電子ブロック層を乗り越えてｐ型層側に流出する量が増加し、活性層内で再結合する割合（キャリア注入効率）が低下する結果を引き起こす。

【0012】

これに対し、上記の構成によれば、半導体層の積層方向に関して、電子ブロック層の活性層側の位置に形成されるプリング層の厚みが抑制でき、電子ブロック層とその直前に隣接する層との間のＡｌ組成の差を、従来よりも大きく確保できる。これにより、電子が電子ブロック層を乗り越えてｐ型層側に流出する量が抑制され、キャリア注入効率が向上し、ひいては発光効率が向上する。詳細は、「発明を実施するための形態」の項で後述される。

【0013】

電子ブロック層の厚みは、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ未満であり、より好ましくは２ｎｍ～４ｎｍであり、特に好ましくは、２．５ｎｍ～３．５ｎｍである。

【0014】

前記電子ブロック層は、ＡｌとＧａを含み、９０％以上のＡｌ組成を示す窒化物半導体であるものとしても構わない。

【0015】

上記構成によれば、活性層内におけるキャリア注入効率をより高めることが可能となる。

【0016】

前記電子ブロック層のＡｌ組成は、好ましくは９０％～１００％であり、より好ましくは９２％～９８％であり、特に好ましくは、９４％～９６％である。

【0017】

なお、前記電子ブロック層は、典型的にはＡｌＧａＮであるが、０．５％以下等の極めて低い組成でＩｎを含むＡｌＩｎＧａＮであっても構わない。また、組成に影響しない範囲で微量に不純物を含むものとしても構わない。

【0018】

前記電子ブロック層の前記活性層に近い側の面に接触する半導体層は、Ａｌ組成が７５％以下の窒化物半導体であるものとしても構わない。

【0019】

上記構成によれば、電子ブロック層の活性層に近い側に隣接する半導体層と電子ブロック層との界面で、電子の移動に対する高い障壁を形成することが可能となる。

【0020】

前記電子ブロック層の前記活性層に近い側の面に接触する半導体層のＡｌ組成は、好ましくは活性層を構成する障壁層のＡｌ組成以上、７５％以下である。また、半導体発光素子が半導体レーザ素子である場合、前記電子ブロック層の前記活性層に近い側の面に接触する半導体層のＡｌ組成は、好ましくは活性層を構成するバリア層のＡｌ組成以上、７５％以下であり、より好ましくは後述する第二ガイド層のＡｌ組成以上５５％以下であり、特に好ましくは、第二ガイド層のＡｌ組成と同じである。

【0021】

前記第二半導体層は、前記電子ブロック層に最も近い側の位置において、６２％以上８２％以下のＡｌ組成を示すものとしても構わない。

【0022】

第二半導体層の電子ブロック層に最も近い側の位置におけるＡｌ組成が上記の範囲内であれば、キャリア注入効率をより高くすることが可能である。第二半導体層の電子ブロック層に最も近い側の位置におけるＡｌ組成は、より好ましくは６７％～８０％であり、特に好ましくは、７０％～７７％である。

【0023】

前記半導体発光素子は、半導体レーザ素子（ＬＤ素子）であっても構わないし、ＬＥＤ素子であっても構わない。

【0024】

前者の場合、前記半導体発光素子は、
半導体層の積層方向に関して、前記第一半導体層と前記活性層との間に配置された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第一ガイド層と、
前記積層方向に関して、前記活性層と前記電子ブロック層との間に配置された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第二ガイド層とを備え、
前記第二ガイド層は、前記電子ブロック層の底面に接触するように配置されており、前記積層方向に関して前記電子ブロック層に近づくに連れてＡｌ組成が実質的に上昇するような傾斜組成を示し、前記電子ブロック層と接触する箇所においてＡｌ組成が７５％以下であるものとして構わない。

【0025】

上記構造の下では、第二ガイド層が、電子ブロック層の活性層に近い側の面に接触する半導体層に対応するものとして構わない。

【0026】

また、前記積層方向に関する厚みとＡｌ組成の変化を示すグラフ上において、前記第二ガイド層の初端のＡｌ組成の値と、前記電子ブロック層のＡｌ組成の値とを結ぶ直線を規定した場合に、前記第二ガイド層は、前記直線よりもＡｌ組成の低い範囲内において、前記電子ブロック層に近づくに連れてＡｌ組成が実質的に上昇するような傾斜組成を示すものとしても構わない。

【0027】

前記活性層は、井戸層と前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い障壁層とを含み、
前記井戸層及び前記障壁層は、主発光波長が２８０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満となるように材料が選択された窒化物半導体からなるものとしても構わない。

【発明の効果】

【0028】

本発明の半導体発光素子によれば、従来よりもキャリア注入効率が向上する結果、発光効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の半導体発光素子の一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図2】検証に利用されたウェハの構造を模式的に示す断面図である。

【図3A】参考例としての検証用ウェハを製造する際のＡｌ組成の成長プロファイルを示すグラフである。

【図3B】実施例としての検証用ウェハを製造する際のＡｌ組成の成長プロファイルを示すグラフである。

【図4】参考例としての検証用ウェハをＥＤＸ装置を用いて分析した結果を示すグラフである。

【図5A】参考例と実施例の各検証用ウェハのＥＤＸ分析結果の一部拡大図である。

【図5B】参考例と実施例の各検証用ウェハのＥＤＸ分析結果の一部拡大図である。

【図6A】参考例の検証用ウェハの電子ブロック層近傍のＴＥＭ像である。

【図6B】実施例の検証用ウェハの電子ブロック層近傍のＴＥＭ像である。

【図7】図５Ａに示したＥＤＸ分析結果に基づいて、ＬＤシミュレータを用いてキャリア注入効率ηｉをシミュレーションした結果を示すグラフである。

【図8】プリング層が存在しない場合の下での、電子ブロック層の厚みとキャリア注入効率ηｉとの関係を示す、シミュレーション結果である。

【図9】電子ブロック層のＡｌ組成がキャリア注入効率ηｉに与える影響を検証する際に用いられたＡｌ組成プロファイルである。

【図10】電子ブロック層のＡｌ組成とキャリア注入効率ηｉとの関係を示す、シミュレーション結果である。

【図11】ｐ型クラッド層の初端のＡｌ組成がキャリア注入効率ηｉに与える影響を検証する際に用いられたＡｌ組成プロファイルである。

【図12】ｐ型クラッド層の初端のＡｌ組成とキャリア注入効率ηｉとの関係を示す、シミュレーション結果である。

【図13】プリング層の終端のＡｌ組成がキャリア注入効率ηｉに与える影響を検証する際に用いられたＡｌ組成プロファイルである。

【図14】プリング層の終端のＡｌ組成とキャリア注入効率ηｉとの関係を示す、シミュレーション結果である。

【図15】プリング層の厚み及び終端のＡｌ組成がキャリア注入効率ηｉに与える影響を検証する際に用いられたＡｌ組成プロファイルである。

【図16】プリング層の厚み及び終端のＡｌ組成とキャリア注入効率ηｉとの関係を示す、シミュレーション結果である。

【図17】本発明の半導体発光素子の別実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本発明に係る半導体発光素子の実施形態につき、図面を参照して説明する。以下の各図面は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない。また、図面間においても寸法比が一致していない場合がある。

【0031】

本明細書において、「ＡｌＧａＮ」という記述は、ＡｌとＧａとＮの混晶であることを意味し、組成比の記述を単に省略して記載したものである。

【0032】

［構造］
図１は、本発明の半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。図１に示す半導体発光素子１は、半導体レーザ素子である。

【0033】

半導体発光素子１は、基板１１と、下地層１３と、ｎ型クラッド層２１と、ｎ側ガイド層２２と、活性層２３と、ｐ側ガイド層２４と、電子ブロック層２５と、ｐ型クラッド層（２６，２７）と、ｐ型コンタクト層２８とを備える。また、半導体発光素子１は、給電のためのｎ側電極３１及びｐ側電極３２と、前記それぞれの電極（３１，３２）に対して給電線を接触させるためのパッド電極（３５，３６）とを備える。また、図１に示す半導体発光素子１は、外部からの水蒸気や埃等の進入を抑制すると共に、短絡を防止する目的で絶縁層４１が設けられている。

【0034】

半導体発光素子１は、主発光波長が２８０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満である。なお、本明細書において「主発光波長」とは、発光スペクトル上において最大の発光強度を示す強度値に対して５０％以上を示す波長範囲を示し、典型的にはピーク波長である。

【0035】

半導体発光素子１は、電子ブロック層２５の厚みが５ｎｍ未満である点が、従来の構成と異なっている。以下、各層について詳述する。

【0036】

基板１１は、サファイアからなる。本実施形態では、基板１１が各半導体層を成長させるための成長基板を兼ねている。しかし、本発明において、基板１１の材料は限定されない。

【0037】

下地層１３は、その後に積層される、活性層２３を含む各半導体層の結晶品質を向上させる目的で設けられた層である。下地層１３は、単層でも多層でも構わないが、一例として、ＡｌＮ層と、ナノピラーＡｌＮ層と、格子歪緩和用ＡｌＧａＮ層とを含む多層構造である。下地層１３は、例えば以下の方法で形成される。

【0038】

サファイアからなる基板１１上にスパッタリング法で厚み０．４５μｍ程度でＡｌＮ層が成膜された後、Ｎ₂雰囲気で１７００℃程度の高温下でアニールされる。その後、ＭＯＣＶＤ法で厚み１．５５μｍ程度のＡｌＮ層を成長させた後、ナノインプリント法とドライエッチング法を用いて高さ１μｍ程度、外径４５０ｎｍΦ程度のナノピラーが形成される。その後、ウエハ上に、ＭＯＣＶＤ法で例えばＡｌ_0.68Ｇａ_0.32Ｎからなる格子歪緩和層が厚み５μｍ程度で積層される。

【0039】

本発明において下地層１３の構造は任意である。例えば、下地層１３が、ＭＯＣＶＤ法で積層されたＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層によって形成されていても構わない。また、下地層１３が省略されても構わない。

【0040】

ｎ型クラッド層２１は、ｎ型にドープされたＡｌＧａＮで形成される。典型的な例としては、ｎ型クラッド層２１は、厚みが４μｍ程度のＡｌ_0.62Ｇａ_0.38Ｎである。ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｇｅ、又はＯ等が利用可能であり、好ましくはＳｉである。

【0041】

ｎ型クラッド層２１の膜厚は、０．１μｍ～１０μｍであり、好ましくは、０．５μｍ～５μｍである。ｎ型クラッド層２１のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁷／ｃｍ³～３×１０¹⁹／ｃｍ³であり、好ましくは、５×１０¹⁷／ｃｍ³～１×１０¹⁹／ｃｍ³である。また、ｎ型クラッド層２１のＡｌ組成比率は、０％より大きく、８０％以下であり、好ましくは、５０％～７０％である。

【0042】

典型的な一例として、ｎ型クラッド層２１は、膜厚４μｍ、ｎ型不純物濃度６×１０¹⁸／ｃｍ³のＡｌ_0.62Ｇａ_0.38Ｎである。

【0043】

本実施形態において、ｎ型クラッド層２１が「第一半導体層」に対応する。

【0044】

ｎ側ガイド層２２及びｐ側ガイド層２４は、活性層２３内で生成された光を閉じ込めて発振に導くために設けられた層である。ｎ側ガイド層２２及びｐ側ガイド層２４は、光閉じ込め機能が実現される限りにおいて、組成及び厚みは任意である。典型的な一例は、ｎ側ガイド層２２及びｐ側ガイド層２４は、いずれも膜厚１５０ｎｍのアンドープＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎである。

【0045】

ｎ側ガイド層２２及びｐ側ガイド層２４の膜厚は、好ましくは２０ｎｍ～３００ｎｍであり、より好ましくは５０ｎｍ～２００ｎｍである。また、ｎ側ガイド層２２及びｐ側ガイド層２４のＡｌ組成比率は、好ましくは、ｎ型クラッド層２１よりも低く、より詳細には、３０％～６０％である。

【0046】

本実施形態において、ｎ側ガイド層２２が「第一ガイド層」に対応し、ｐ側ガイド層２４が「第二ガイド層」に対応する。

【0047】

活性層２３は、窒化物半導体からなり、ｎ型クラッド層２１の上層、且つｎ側ガイド層２２の上層に配置されている。活性層２３は、量子井戸構造を有し、多重量子井戸構造でも単一量子井戸構造でも構わないが、好ましくは多重量子井戸構造である。

【0048】

活性層２３を構成する材料によって、半導体発光素子１の発光波長が決定される。上述したように、本実施形態において、半導体発光素子１の主発光波長は２８０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満である。この波長帯の光を発する半導体発光素子１を実現する観点から、活性層２３は、例えば、Ａｌ組成比率が２０％～４０％のＡｌＧａＮ（例えば、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ）からなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ａｌ組成比率が３０％～５０％のＡｌＧａＮ（例えば、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ）からなる障壁層とが、２周期繰り返されて形成される。井戸層の膜厚は例えば４ｎｍであり、障壁層の膜厚は例えば８ｎｍである。ただし、活性層２３を構成する材料、膜厚及び周期数は、適宜設定される。

【0049】

電子ブロック層２５は、活性層２３の上層に配置されている。なお、本実施形態では、電子ブロック層２５は、活性層２３の上層であって、且つｐ側ガイド層２４の上層に配置されている。

【0050】

電子ブロック層２５は、当該電子ブロック層２５の活性層２３に近い側の面に接触する層（図１の例ではｐ側ガイド層２４）と電子ブロック層２５との界面において、高いエネルギー障壁を形成して、活性層２３側から流れてきた電子がｐ側（ｐ型コンタクト層２８側）に流出するのを抑制する目的で設けられている。かかる観点から、電子ブロック層２５は、電子ブロック層２５の活性層２３に近い側の面に接触する層と比較して、バンドギャップエネルギーが高い材料で形成されている。より詳細には、電子ブロック層２５は、活性層２３やｐ側ガイド層２４よりも、Ａｌ組成の高い窒化物半導体からなる。

【0051】

本実施形態では、電子ブロック層２５は９０％以上のＡｌ組成を示すＡｌＧａＮからなる。また、本実施形態では、電子ブロック層２５の厚みは極めて薄く、５ｎｍ未満である。電子ブロック層２５の厚みの下限値は、２ｎｍ以上であるのが好ましく、２．５ｎｍ以上であるのがより好ましい。典型的な一例は、電子ブロック層２５は、膜厚３ｎｍのアンドープＡｌ_0.92Ｇａ_0.55Ｎである。

【0052】

電子ブロック層２５の機能に鑑みると、上述したように、電子ブロック層２５の活性層２３に近い側の面に接触する層（図１の例ではｐ側ガイド層２４）と電子ブロック層２５との界面で、高いエネルギー障壁が形成される必要がある。このため、電子ブロック層２５と、活性層２３に近い側において電子ブロック層２５に隣接する層（ここではｐ側ガイド層２４）とでは、半導体層に含まれるＡｌ組成に大きな相違がある。本発明者らの鋭意研究の結果、隣接する２層のＡｌ組成の大きな相違に起因して、活性層２３に近い側において電子ブロック層２５に隣接する層は、電子ブロック層２５に近づくに連れて、Ａｌ組成が徐々に上昇する傾斜組成を示すことが確認された。この領域を、本明細書では「プリング層」と表現することがある。この点については、追って詳細に説明される。

【0053】

半導体発光素子１は、電子ブロック層２５の上層に、ｐ型クラッド層（２６，２７）を備えている。

【0054】

上述したように、半導体発光素子１は、主発光波長が２８０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満という、深紫外域に属する比較的短波長の光を発する素子である。このような短波長の光を発する半導体発光素子１を実現するためには、青色光や紫色光を生成する素子と比べて高いＡｌ組成を示す半導体層を利用する必要がある。高いＡｌ組成を示す半導体層は、Ｍｇ等のドーパントを導入してｐ型化を実現するのが難しい。

【0055】

一方で、Ａｌ組成の異なるヘテロ界面に発生する分極現象を利用することにより、正孔を発生させることが可能である。この分極現象を利用する観点から、本実施形態の半導体発光素子１において、ｐ型クラッド層（２６，２７）は、いずれもＡｌ組成を連続的に変化させた傾斜組成層として形成し、これによってクラッド層全体に正孔を分散させることを可能にしている。このようなドーピング方法は、分散分極ドーピング（ＤＰＤ）として知られている。

【0056】

具体的には、ｐ型クラッド層２６は、電子ブロック層２５から遠ざかるに伴ってＡｌ組成が徐々に低下する、膜厚３２０ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる。本実施形態において、ｐ型クラッド層２６の、電子ブロック層２５に最も近い側に位置する領域のＡｌ組成（初端のＡｌ組成）は、６２％以上８０％未満とするのが好ましい。このｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成についての好ましい条件については、後述される。

【0057】

ｐ型クラッド層２６の膜厚は、１００ｎｍ～５００ｎｍが好ましく、２００ｎｍ～４００ｎｍがより好ましい。また、ｐ型クラッド層２６の電子ブロック層２５から最も遠い側に位置する領域のＡｌ組成（終端のＡｌ組成）は、ｐ型クラッド層２６側での光吸収損失を抑制する観点から、３０％～５０％程度とするのが好ましい。つまり、本実施形態の半導体発光素子１において、ｐ型クラッド層２６とｐ型クラッド層２７の積層体構造を採用している理由としては、以下の２点が挙げられる。第一は、活性層２３に近いｐ型クラッド層２６中のＡｌ組成をできるだけ高く保つことでｐ型クラッド層２６への光強度分布の染み出しを抑制し、ｐ型クラッド層２６中での光吸収損失の影響を低減する点にある。第二は、ｐ型クラッド層２７の上層に配置されたｐ型コンタクト層２８において、Ａｌ組成が極めて低い値（典型的にはほぼゼロ）になることから、Ａｌ組成の変化の傾きをある程度抑制することで、電気抵抗への影響を低減する点にある。

【0058】

かかる観点から、ｐ型クラッド層としては、Ａｌ組成の傾斜の態様が異なる、３層以上の積層体としても構わない。

【0059】

ｐ型クラッド層２７は、初端のＡｌ組成が、ｐ型クラッド層２６の終端のＡｌ組成と同等であり、終端のＡｌ組成が、ｐ型コンタクト層２８のＡｌ組成と同等であるように、Ａｌ組成に傾斜を有するＡｌＧａＮである。一例として、ｐ型クラッド層２７は、初端のＡｌ組成が３０％～５０％、終端のＡｌ組成が０％～５％の、ＡｌＧａＮである。なお、Ａｌ組成が０％のＡｌＧａＮはＧａＮと同義である。

【0060】

ｐ型クラッド層２７の膜厚は、例えば３０ｎｍ～１５０ｎｍであり、好ましくは５０ｎｍ～１００ｎｍである。

【0061】

一例として、ｐ型クラッド層２６は、初端のＡｌ組成が７７％、終端のＡｌ組成が４５％を示す、膜厚３２０ｎｍのＡｌＧａＮであり、ｐ型クラッド層２７は、初端のＡｌ組成が４５％、終端のＡｌ組成が約０％を示す、膜厚７５ｎｍのＡｌＧａＮである。

【0062】

本実施形態において、ｐ型クラッド層２６が「第二半導体層」に対応する。

【0063】

ｐ型コンタクト層２８は、ｐ型クラッド層（２６，２７）の上層に配置されている。ｐ型コンタクト層２８は、例えばＭｇ等のｐ型不純物がドープされている。ｐ型コンタクト層２８は、例えばｐ型のＧａＮ又は極めてＡｌ組成の低い（２％以下の）ＡｌＧａＮである。ｐ型コンタクト層２８のｐ型不純物濃度は、５×１０¹⁸／ｃｍ³～１×１０²¹／ｃｍ³であり、好ましくは、１×１０¹⁹／ｃｍ³～１×１０²⁰／ｃｍ³である。ｐ型コンタクト層２８の膜厚は２ｎｍ～３０ｎｍであり、好ましくは５ｎｍ～２０ｎｍである。

【0064】

一例として、ｐ型コンタクト層２８は、ｐ型不純物濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³、膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＮで形成される。

【0065】

ｎ側電極３１は、ｎ型クラッド層２１の上層に配置されており、例えば、Ｖ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等で形成される。ｐ側電極３２は、ｐ型コンタクト層２８の上層に配置されており、例えば、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ等で形成される。

【0066】

パッド電極（３５，３６）は、ボンディングワイヤを接続するための領域を形成し、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等で形成される。

【0067】

絶縁層４１は、半導体層の一部上面及び側面を覆い、半導体発光素子１の保護及び短絡の防止機能の目的で設けられている。絶縁層４１は、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ等で形成される。

【0068】

［検証］
以下、半導体発光素子１の詳細について、実験結果及びシミュレーション結果を参照して説明する。

【0069】

上述したように、電子ブロック層２５は、電子の移動障壁を実現する観点から、活性層２３に近い側に隣接する層との間でＡｌ組成の差を大きくするのが好ましいと考えられる。かかる観点から、Ａｌ組成のプロファイルを設定し、この設定の下でエピタキシャル成長させた検証用ウェハ（２，２ａ）を製造した（図２参照）。

【0070】

図３Ａは、参考例としての検証用ウェハ２ａを製造する際のＡｌ組成の成長プロファイルを示すグラフである。図３Ａに示すように、参考例の検証用ウェハ２ａが備える電子ブロック層２５ａは、膜厚が５ｎｍとなるように、成長プロファイルが設定された。また、電子ブロック層２５ａに対して、活性層２３から離れる側に隣接するｐ型クラッド層２６ａの初端のＡｌ組成が８２％となるように、成長プロファイルが設定された。

【0071】

図３Ｂは、実施例としての検証用ウェハ２を製造する際のＡｌ組成の成長プロファイルを示すグラフである。図３Ｂに示すように、実施例の検証用ウェハ２が備える電子ブロック層２５は、参考例よりも膜厚が薄い、３ｎｍとなるように、成長プロファイルが設定された。また、電子ブロック層２５に対して、活性層２３から離れる側に隣接するｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成は、参考例よりも低い７７％となるように、成長プロファイルが設定された。

【0072】

図４は、図３Ａに示す成長プロファイルの下でＭＯＣＶＤ法を用いて各半導体層をエピタキシャル成長させて得られた、参考例の検証用ウェハ２ａをＥＤＸ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）装置を用いて分析した結果を示すグラフである。図４によれば、図３Ａの成長プロファイルとは異なり、ｐ側ガイド層２４ａ内において電子ブロック層２５ａに近づくに連れてＡｌ組成が実質的に上昇するような傾斜層（プリング層５ａ）が、厚み２５ｎｍ程度にわたって形成されていることが確認される。

【0073】

図５Ａは、参考例の検証用ウェハ２ａ及び実施例の検証用ウェハ２のそれぞれのＥＤＸ分析結果について、ｐ側ガイド層（２４，２４ａ）及び電子ブロック層（２５，２５ａ）の領域を拡大して表示したものである。図５Ｂは、図５Ａと同一のグラフであるが、説明の都合上、別図として再掲したものである。

【0074】

図５Ａによれば、参考例の場合、ｐ側ガイド層２４ａ側から、Ａｌ組成がピーク値を示す電子ブロック層２５ａの近傍に近づくに連れて、Ａｌ組成の値がなだらかなカーブを描きながら上昇していることが確認される。一方、実施例の場合、Ａｌ組成がピーク値を示す電子ブロック層２５ａの直前において、Ａｌ組成が急峻に上昇していることが確認される。より詳細には、参考例の場合、電子ブロック層２５ａの直前の位置と電子ブロック層２５ａとの界面におけるＡｌ組成の差は１０％以下に留まっている一方、実施例の場合、電子ブロック層２５の直前の位置と電子ブロック層２５との界面におけるＡｌ組成の差は２０％以上に拡大できていることが分かる。

【0075】

上の事実は、ｐ側ガイド層（２４，２４ａ）のＡｌ組成の設定値（例えば初端のＡｌ組成値）と、電子ブロック層２５ａ内のＡｌ組成のピーク値とを結ぶ直線Ｐ１を設定し（図５Ａ参照）、この直線Ｐ１を基準としてＡｌ組成の変化の態様を比較することで、より明瞭に理解される。参考例の場合、ｐ側ガイド層２４ａ側から、Ａｌ組成がピーク値を示す電子ブロック層２５ａの近傍に近づくに連れて、直線Ｐ１に交差する領域を有しながらＡｌ組成の値が上昇している。これに対し、実施例の場合、ｐ側ガイド層２４ａ側から、Ａｌ組成がピーク値を示す電子ブロック層２５の近傍に近づくに連れて、直線Ｐ１よりも低い値を推移しながらＡｌ組成の値が上昇している。このことは、実施例の方が、参考例よりも、電子ブロック層（２５，２５ａ）の初端の直前において、Ａｌ組成が急峻に立ち上がっていることを表すものである。

【0076】

この結果から、実施例においては、電子ブロック層２５が電子の移動に対する障壁として十分な機能を発揮する一方、参考例においては、電子ブロック層２５ａを電子が乗り越えやすい状況であることが理解される。

【0077】

図５Ｂは、図５Ａと同一のグラフにおいて、電子ブロック層（２５，２５ａ）の前段でＡｌ組成が傾斜を示している層（プリング層）の厚みを付記したものである。図５Ｂによれば、参考例においては、プリング層５ａの厚みが２４ｎｍ程度である一方、実施例においては、プリング層５の厚みが１８ｎｍに留まっている。このことから、実施例の検証用ウェハ２によれば、比較例の検証用ウェハ２ａと比べて、Ａｌ組成が傾斜を示すプリング層５の厚みを抑制できた結果、電子ブロック層２５の直前において、Ａｌ組成を急峻に立ち上がらせることができたものと推察される。

【0078】

図６Ａは、参考例の検証用ウェハ２ａの電子ブロック層２５ａ近傍のＴＥＭ像である。図６Ｂは、実施例の検証用ウェハ２の電子ブロック層２５近傍のＴＥＭ像である。なお、図６Ａ内において「ＥＢＬ」と表記しているのは、電子ブロック層２５ａを指しており、図６Ｂ内において「ＥＢＬ」と表記しているのは、電子ブロック層２５を指している。

【0079】

図６Ａ及び図６ＢのＴＥＭ像からも、実施例のプリング層５は、参考例のプリング層５ａよりも薄くできていることが確認される。

【0080】

図７は、図５Ａに示したＥＤＸ分析結果に基づいて、ＬＤシミュレータを用いてキャリア注入効率ηｉをシミュレーションした結果を示すグラフである。図７によれば、参考例の素子と比べて、実施例の素子によれば、電流密度１０ｋＡ/ｃｍ²の電流を注入したときのキャリア注入効率が２．３倍に改善することが確認された。

【0081】

図４～図７の結果に鑑みれば、キャリア注入効率ηｉを上昇させる観点からは、プリング層５の厚みを薄くすることが重要であり、そのためには、電子ブロック層２５の厚みを薄くすることが重要であると推定される。

【0082】

図８は、プリング層５が存在しない場合を前提条件として、電子ブロック層２５の厚みを変化させたときのキャリア注入効率ηｉの変化の態様を、ＬＤシミュレータを用いてシミュレーションした結果を示すグラフである。電子ブロック層２５のＡｌ組成に関しては、１００％（１．００）、９５％（０．９５）、９０％（０．９）の３パターンについてシミュレーションが行われた。

【0083】

図８によれば、電子ブロック層２５の厚みが薄くなるとキャリア注入効率ηｉが低下する傾向を示すものの、電子ブロック層２５のＡｌ組成が９０％以上である場合には、電子ブロック層２５の厚みが２ｎｍ以上であれば、ほぼ安定的に高いキャリア注入効率ηｉを示し、電子ブロック層２５の厚みが３ｎｍ以上であれば、キャリア注入効率ηｉにほぼ影響が生じないことが確認された。

【0084】

電子ブロック層２５は、活性層２３内で再結合されずに流出した電子が、ｐ層側（ｐ型クラッド層２６側）に流れ出るのを抑制し、再び活性層２３側に導く目的で設けられている。かかる観点から、従来、電子ブロック層については、障壁としての機能を効果的に生じさせる観点から、格子不整合歪等による結晶欠陥の発生等が問題にならない範囲で膜厚を厚くすることは検討されるものの、５ｎｍという極めて薄い膜厚から更に薄くすることについては考慮されてこなかった。しかしながら、本発明者らの鋭意研究の結果、上述したように、膜厚５ｎｍの電子ブロック層２５ａを有する参考例の素子の場合、Ａｌ組成が傾斜を示すプリング層５ａの厚みが厚くなり、結果として、電子ブロック層２５ａの前段に隣接する層との間において、Ａｌ組成の差を大きくできず、電子の移動に対する障壁としての機能が低下するという新たな知見を見出した。つまり、本実施形態の半導体発光素子１は、キャリア注入効率ηｉの低下につながらない範囲内において、電子ブロック層２５の厚みを従来よりも薄くすることで、結果的にキャリア注入効率ηｉを向上させることができるという、顕著な効果を奏するものである。

【0085】

次に、電子ブロック層２５のＡｌ組成がキャリア注入効率ηｉに与える影響について検証を行った。具体的には、図９のプロファイルに示すように、電子ブロック層２５の厚みは３ｎｍ、ｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成は７７％で固定した状態で、電子ブロック層２５のＡｌ組成の値Ｘ１を、８０％～９５％（０．８～０．９５）の範囲内で変化させた場合のキャリア注入効率ηｉに与える影響について、図７と同様にＬＤシミュレータを用いてシミュレーション分析を行った。この結果を、図１０に示す。

【0086】

図１０によれば、電子ブロック層２５のＡｌ組成が高くなるに連れてキャリア注入効率ηｉが上昇することが確認された。特に、電子ブロック層２５のＡｌ組成が９０％（０．９）以上であれば、十分に高いキャリア注入効率ηｉが得られることが確認された。一方で、電子ブロック層２５のＡｌ組成が８５％である場合、及び８０％である場合については、Ａｌ組成が９０％である場合と比べて、キャリア注入効率ηｉが大きく低下することが確認された。以上により、電子ブロック層２５のＡｌ組成は９０％以上とするのが好ましいことが分かる。

【0087】

次に、電子ブロック層２５の終端側に隣接するｐ型クラッド層２６の、初端のＡｌ組成がキャリア注入効率ηｉに与える影響について検証を行った。具体的には、図１１のプロファイルに示すように、電子ブロック層２５の厚みは３ｎｍ、電子ブロック層２５のＡｌ組成は９５％に固定した状態で、ｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成の値Ｘ２を、５７％～８２％（０．５７～０．８２）の範囲内で変化させた場合のキャリア注入効率ηｉに与える影響について、図７と同様にＬＤシミュレータを用いてシミュレーション分析を行った。この結果を、図１２に示す。

【0088】

図１２によれば、ｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成を７２％（０．７２）とした場合に、キャリア注入効率ηｉが最も高い値を示した。また、ｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成が６２％～８０％（０．６２～０．８０）の範囲内であれば、キャリア注入効率ηｉを高い値で維持できることが確認された。

【0089】

次に、電子ブロック層２５の前段側に不可避的に形成されるプリング層５の、Ａｌ組成の傾斜度が、キャリア注入効率ηｉに与える影響について検証を行った。具体的には、図１３のプロファイルに示すように、電子ブロック層２５の厚みは３ｎｍ、電子ブロック層２５のＡｌ組成は９５％、ｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成は７７％にそれぞれ固定した状態で、プリング層５の終端のＡｌ組成の値Ｘ３を、４５％～９５％（０．４５～０．９５）の範囲内で変化させた場合のキャリア注入効率ηｉに与える影響について、図７と同様にＬＤシミュレータを用いてシミュレーション分析を行った。この結果を、図１４に示す。

【0090】

なお、プリング層５の終端のＡｌ組成の値Ｘ３が４５％である場合とは、ｐ側ガイド層２４内においてＡｌ組成に傾斜が存在しないことを意味しており、言い換えれば、全くプリング層５が存在していない、理想的な状態に対応する。

【0091】

図１４によれば、プリング層５の終端のＡｌ組成が４５％、すなわちプリング層５が存在しない理想的な場合にキャリア注入効率ηｉが最も高く、プリング層５の終端のＡｌ組成が上昇するに連れてキャリア注入効率ηｉが低下することが分かる。特に、プリング層５の終端のＡｌ組成が７５％を超えると、キャリア注入効率ηｉの低下傾向が大きくなることが確認される。この結果より、プリング層５の終端のＡｌ組成は、７５％以下に抑制するのが好ましく、６５％以下に抑制するのがより好ましいことが分かる。

【0092】

図５Ａに示した参考例の素子によれば、プリング層５の終端のＡｌ組成が８０％程度を示しており、図７によれば、この参考例の素子のキャリア注入効率ηｉは低い結果を示した。一方、図５Ａに示した実施例の素子によれば、プリング層５の終端のＡｌ組成は７０％を下回っており、図７によれば、この実施例の素子のキャリア注入効率ηｉは高い結果を示した。参考例の素子と実施例の素子との対比結果は、図１４に示したシミュレーション結果と整合するものである。

【0093】

更に、プリング層５内のＡｌ組成の傾斜の態様が、キャリア注入効率ηｉに与える影響について検証を行うべく、プリング層５の厚み（Ｙ１）と、プリング層５の終端のＡｌ組成の値（Ｘ３）を変化させて、シミュレーションを行った。具体的には、図１５のプロファイルに示すように、電子ブロック層２５の厚みは３ｎｍ、電子ブロック層２５のＡｌ組成は９５％、ｐ型クラッド層２６の初端のＡｌ組成は７７％にそれぞれ固定した状態で、プリング層５の終端のＡｌ組成の値Ｘ３を、４５％～９５％（０．４５～０．９５）の範囲内で変化させた場合のキャリア注入効率ηｉに与える影響について、プリング層５の厚み（Ｙ１）を６ｎｍ、１２ｎｍ、１８ｎｍ、２４ｎｍの４種類の場合について、図７と同様にＬＤシミュレータを用いてシミュレーション分析を行った。この結果を、図１６に示す。

【0094】

図１６によれば、プリング層５の終端のＡｌ組成の値（Ｘ３）が５５％～８５％の範囲内においては、プリング層５の終端のＡｌ組成が増加するに伴って、キャリア注入効率ηｉがほぼ線形的に低下することが確認される。また、プリング層５の厚み（Ｙ１）の値が大きくなるに連れて、プリング層５の終端のＡｌ組成の増加に伴うキャリア注入効率ηｉの低下傾向が大きくなることが確認された。例えば、電流密度１０ｋＡ/ｃｍ²の電流を注入したときのキャリア注入効率ηｉの値を約２０％以上にするためには、プリング層５の厚みを１２ｎｍ以下にするか、又は、プリング層５の終端のＡｌ組成の値を７５％以下にするのが好適であることが分かる。更に、前記キャリア注入効率ηｉの値を約２８％以上にするためには、プリング層５の厚みを６ｎｍ以下にするか、又は、プリング層５の終端のＡｌ組成の値を６５％以下にするのが好適であることが分かる。

【0095】

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

【0096】

〈１〉図１７に示すように、半導体発光素子１は、ＬＥＤであっても構わない。図１７に示す半導体発光素子１は、図１に示す半導体発光素子１とは異なり、ガイド層（２２，２４）を有しない。この場合、電子ブロック層２５の前段に形成された、活性層２３内の末端の障壁層と、電子ブロック層２５との間においてプリング層（５，５ａ）が形成される可能性があるため、上記と同様の議論が可能である。

【0097】

〈２〉本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0098】

１ ：半導体発光素子
２，２ａ ：検証用ウェハ
５，５ａ ：プリング層
１１ ：基板
１３ ：下地層
２１ ：ｎ型クラッド層
２２ ：ｎ側ガイド層
２３ ：活性層
２４，２４ａ ：ｐ側ガイド層
２５，２５ａ ：電子ブロック層
２６，２６ａ ：ｐ型クラッド層
２７ ：ｐ型クラッド層
２８ ：ｐ型コンタクト層
３１ ：ｎ側電極
３２ ：ｐ側電極
４１ ：絶縁層

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】