特開 2024-143250 紫外半導体発光素子

(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】P2024143250

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】紫外半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20241003BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20241003BHJP

   H01L 33/06 20100101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01L33/32

H01S5/343 610

H01L33/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023055827

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】小島 久範

(72)【発明者】

【氏名】白土 達也

【テーマコード（参考）】

5F173

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F173AF06

5F173AF22

5F173AF24

5F173AG17

5F173AH22

5F173AJ42

5F173AR23

5F241AA03

5F241AA04

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA60

5F241FF16

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高効率かつ高出力特性を有し、高い信頼性を有する紫外半導体発光素子を提供する。
【解決手段】単結晶ＡｌＮ基板上に形成されたｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ層であるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＮ層からなる量子井戸活性層と、量子井戸活性層上に形成されたＡｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層である電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成されたｐ型Ａｌ_Ｙ２ＧａＮ層_１－Ｙ２であるｐ型クラッド層と、を有する。量子井戸活性層は、同一結晶組成の障壁層と、記障壁層によって互いに隔てられた、少なくとも１つの副量子井戸層及び電子ブロック層に最も近い量子井戸層である主量子井戸層と、を有し、該少なくとも１つの副量子井戸層は同一の結晶組成及び層厚を有し、副量子井戸層及び主量子井戸層は同一の結晶組成を有し、主量子井戸層は副量子井戸層の１．２倍以上の層厚を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に形成されたｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ層であるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＮ層からなる量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層上に形成されたＡｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層である電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成されたｐ型Ａｌ_Ｙ２ＧａＮ層_１－Ｙ２であるｐ型クラッド層と、を有し、
前記量子井戸活性層は、同一結晶組成の障壁層と、前記障壁層によって
互いに隔てられた、少なくとも１つの副量子井戸層及び前記電子ブロック層に最も近い量子井戸層である主量子井戸層と、を有し、
前記少なくとも１つの副量子井戸層は同一の結晶組成及び層厚を有し、
前記副量子井戸層及び前記主量子井戸層は同一の結晶組成を有し、前記主量子井戸層は前記副量子井戸層の１．２倍以上の層厚を有する、
紫外半導体発光素子。

【請求項2】

前記主量子井戸層の層厚は１６ｎｍ以下である請求項１に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項3】

前記主量子井戸層と前記主量子井戸層に隣接する副量子井戸層との間の障壁層の層厚は７ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項4】

前記主量子井戸層と前記電子ブロック層との間の障壁層である最終障壁層は９～２７ｎｍの範囲内の層厚を有する請求項１又は２に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項5】

前記ｐ型クラッド層は、アクセプタとなるｐ型不純物とドナーとなるｎ型不純物とがコドープされている請求項１又は２に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項6】

前記電子ブロック層は、アクセプタとなるｐ型不純物とドナーとなるｎ型不純物とがコドープされている請求項５に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項7】

前記量子井戸活性層の発光波長は２００－２８０ｎｍの範囲内である請求項１に記載の紫外半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、紫外半導体発光素子、特に深紫外光を放出する窒化物半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、細菌やウイルスの不活化作用及び殺菌効果を有する光源として深紫外領域を発光波長帯域とする半導体発光素子が注目されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、活性層の量子井戸層の厚み、量子井戸層及び障壁層の組成等を制御することで、発光効率が高く、高注入電流領域でも安定した動作が可能な深紫外発光素子を実現することについて開示されている。

【0004】

また、特許文献２には、ｐ型半導体層にＳｉをコドープした深紫外半導体発光素子について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許６４６６６５３号公報

【特許文献2】特開２０２２－１６７２３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の紫外半導体発光素子においては、半導体層の積層構造、組成や不純物濃度、層厚などについての各層の検討がなされてきたものの、十分に高効率かつ高出力な素子を実現することが困難であった。

【0007】

また、高い光出力を得るために大きな電流で駆動した場合、早期に素子の劣化が進行し、高出力特性と高信頼性（長寿命）を両立することが困難であった。

【0008】

本願は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、高効率かつ高出力特性を有し、高い信頼性を有する紫外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】

【0009】

本発明の１実施形態による紫外半導体発光素子は、
単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に形成されたｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ層であるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＮ層からなる量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層上に形成されたＡｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層である電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成されたｐ型Ａｌ_Ｙ２ＧａＮ層_１－Ｙ２であるｐ型クラッド層と、を有し、
前記量子井戸活性層は、同一結晶組成の障壁層と、前記障壁層によって
互いに隔てられた、少なくとも１つの副量子井戸層及び前記電子ブロック層に最も近い量子井戸層である主量子井戸層と、を有し、
前記少なくとも１つの副量子井戸層は同一の結晶組成及び層厚を有し、
前記副量子井戸層及び前記主量子井戸層は同一の結晶組成を有し、前記主量子井戸層は前記副量子井戸層の１．２倍以上の層厚を有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の１実施形態による紫外半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。

【図2】紫外ＬＥＤのバンドダイアグラムを模式的に示す図である。

【図3】実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤの各層の構成を示す表である。

【図4】実施例（ＥＭＢ）及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤにおける活性層の量子井戸層及び障壁層の層厚を示す表である。

【図5】実施例及び比較例の紫外ＬＥＤの半導体層の断面ＳＴＥＭ像である。

【図6】実施例及び比較例の紫外ＬＥＤのサンプルの光出力のヒストグラムを示す図である。

【図7】実施例及び比較例の紫外ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆ及び発光波長λを示す図である。

【図8】実施例及び比較例の紫外ＬＥＤの初期光出力に対する光出力維持率を示す図である。

【図9】量子井戸層厚Ｌｚと電子及び正孔の基底準位との関係を示す図である。

【図10】活性層のバンドダイアグラムを模式的に示す図である。

【図11】実施例及び比較例の紫外ＬＥＤのＥＬスペクトルを示す図である。

【図12】量子井戸層の層厚と電子及び正孔の波動関数の関係を模式的に示す図である。

【図13A】最終障壁層の層厚と初期光出力との関係を示す図である。

【図13B】ｐ型クラッド層から主量子井戸層に至る深さ方向でのＭｇの濃度を示すＳＩＭＳプロファイルである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［紫外半導体発光素子の構造］
図１は、本発明の１実施形態による紫外半導体発光素子１０の構造を模式的に示す断面図である。紫外半導体発光素子１０は、紫外発光ダイオード（以下、紫外ＬＥＤ１０とも称する）であり、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造することができるがこれに限定されない。

【0012】

紫外ＬＥＤ１０は、基板１１上に、ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）１２、活性層１３、電子ブロック層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）１４、ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）１５及びｐ型コンタクト層（ｐ型ＧａＮ層）１６がこの順でエピタキシャル成長によって積層されている。

【0013】

図２には、紫外ＬＥＤ１０のバンドダイアグラムが模式的に示されている。以下に図１及び図２を参照して紫外ＬＥＤ１０についてより詳細に説明する。

【0014】

基板１１は、転位密度が１０^８ｃｍ^－２以下の単結晶ＡｌＮ基板であり、以下、ＡｌＮ基板１１と称する。本発明の紫外発光素子を構成するＡｌＧａＮ系半導体材料では、例えば、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．１６ Ａ６３９（２０１７）に記載されているように、転位密度が１０^７～１０^８ｃｍ^－２を上回ると発光効率が急激に低下することが知られている。そのため、単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は低いほど好ましく、具体的には１０^６ｃｍ^－２以下、さらに好ましくは１０^４ｃｍ^－２以下である。このような低転位密度のＡｌＮ基板１１を用いることで、後述する活性層１３における転位密度を、発光効率が低下しない１０^７ｃｍ^－２以下にすることができる。

【0015】

本発明のＡｌＮ基板１１の成長面（表面）は、特に限定されるものではなく、Ｃ面、Ｍ面などの成長面とすることができるが、ＡｌＧａＮ系材料の成長面として一般的に用いられているＣ面であることが好ましい。さらに、Ｃ面を結晶成長面とする場合は、ＡｌＮ基板１１上に成長されるＡｌＧａＮ層の平滑性を向上させるなどの目的により、Ｃ面から微傾斜したＯＦＦ基板であることが好ましい。Ｃ面からの傾斜角度は特に限定されるものではなく、平滑なＡｌＧａＮ層が得られるように適宜決定すればよいが、通常は０．１～１．０°の範囲で選択される。また、Ｃ面からの傾斜方向も、特に限定されるものではなく、Ａ軸方向、Ｍ軸方向などを適宜選択すればよいが、ステップ端の直線性が高くなるＭ軸方向を選択することが好ましい。

【0016】

また、ＡｌＮ基板１１の表面粗さが大きいと、基板上に成長するＡｌＧａＮ層の異常成長などの要因となるため、表面粗さ（ＲＳＭ）は１．０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５ｎｍ以下である。このような平滑面を得るため、または基板の製造過程で基板表面に形成されたダメージ層を取り除くため、基板表面は化学機械研磨（ＣＭＰ）処理が施されていることが好ましい。

【0017】

また、活性層から放射される紫外光に対する基板の吸収係数が大きいと、外部へ取り出せる紫外光の総量が減少して発光効率の低下を招く懸念がある。そのため、ＡｌＮ基板およびＡｌＮテンプレートのＡｌＮ層の吸収係数は、好ましくは２０ｃｍ^－１以下であり、さらに好ましくは１０ｃｍ^－１以下である。１０ｃｍ^－１以下にすることで、例えばＡｌＮ基板１１の板厚が１００μｍであっても、９０％以上の直線透過率を確保することができる。

【0018】

ｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ層）１２は、Ｓｉ（シリコン）ドープされたｎ型導電層である。紫外半導体発光素子において、発光層から放出された紫外光は、通常ｎ型ＡｌＧａＮ層１２と基板１１を透過して外部に放出される。ｎ型ＡｌＧａＮ層はＡｌ組成が大きくなるにつれて、ｎ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップは大きくなり、それに応じて、より短波長の紫外光を透過することができるようになるため、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、所望とする紫外光の発光波長に対して十分な透過性が得られるように適宜決定すればよい。

【0019】

また、ｎ型クラッド層１２はＡｌ組成（Ｘ）の異なる複数の層から形成されていてもよく、さらに積層方向にＡｌ組成が傾斜する組成傾斜層とすることもできる。例えば、第１のｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_１－Ｘ１Ｎ層）１２Ａ及び第２のｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１－Ｘ２Ｎ層）１２Ｂからなる積層構造が挙げられる。

【0020】

第１のｎ型クラッド層１２Ａは、例えば、積層方向（成長方向）にＡｌ組成Ｘ１が１．０から０．７５に減じる組成傾斜層であり、第２のｎ型クラッド層１２Ｂは、例えば、Ａｌ組成Ｘ２が０．７５から０．７０に減じる組成傾斜層である。なお、第１のｎ型クラッド層１２Ａ及び第２のｎ型クラッド層１２Ｂの界面におけるＡｌ組成は等しいことが好ましい。

【0021】

また、ｎ型クラッド層１２の層厚は特に限定されるものではなく適宜決定すればよいが、ｎ型クラッド層１２の層厚が厚くなりすぎると、ＡｌＮ基板１１とｎ型クラッド層１２が格子緩和を起こして転位が発生しやすくなるため、ｎ型クラッド層１２の総層厚は０．５～２．０μｍの範囲に設定することが好ましい。

【0022】

例えば、ｎ型クラッド層１２が、上述した第１のｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_１－Ｘ１Ｎ層）１２Ａ及び第２のｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１－Ｘ２Ｎ層）１２Ｂからなる積層構造の場合は、第１のｎ型クラッド層１２Ａは２００ｎｍの層厚を有し、第２のｎ型クラッド層１２Ｂは１０００ｎｍの層厚を有している積層構造を用いればよい。当然のことながら、これらの第１、および第２のｎ型クラッド層１２Ａ，１２Ｂの層厚は例示した数字に限定されるものではなく、総層厚が２．０μｍ以下になるように適宜決定すれば良い。

【0023】

また、ｎ型クラッド層１２にドーピングするＳｉ濃度は、所望のｎ型導電性が得られるように適宜決定すればよいが、ｎ型クラッド層１２の抵抗値を下げる観点からは、１×１０^１８～１×１０^２０ｃｍ^－３であることが好ましく、更には５×１０^１８～５×１０^１９ｃｍ^－３であることが好ましい。

【0024】

またＳｉドーピング濃度は、ｎ型クラッド層１２内の層厚方向で一定であってもいいし、層厚方向でＳｉ濃度の異なる変調ドーピングにすることもできる。なお、Ｓｉ濃度、および後述するＭｇ濃度は、公知のＳｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＳＩＭＳ）分析により測定することができる。また、本願におけるＳｉ濃度、およびＭｇ濃度は、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層について、それぞれＡｌＮ、Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ、ＧａＮの標準試料を用いた定量値を採用している。

【0025】

活性層（ＡＣＴ）１３は、Ａｌ_Ａ１Ｇａ_１－Ａ１Ｎ層からなる複数の障壁層１３Ｂと、Ａｌ_Ａ２Ｇａ_１－Ａ２Ｎ層からなる３つの量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２，ＱＭで構成される多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有する。

【0026】

より詳細には、活性層（ＡＣＴ）１３は、１つの主量子井戸層ＱＭと、２つの副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２を有する。より詳細には、基板１１側から順に設けられた副量子井戸層ＱＳ１及びＱＳ２と、主量子井戸層ＱＭとを有する。

【0027】

より詳細には、活性層１３は、ｎ型クラッド層１２上に設けられた第１障壁層１３Ｂ１（層厚：ＴＢ１）、第１の副量子井戸層ＱＳ１と第２の副量子井戸層ＱＳ２との間に設けられた第２障壁層１３Ｂ２（層厚：ＴＢ２），第２の副量子井戸層ＱＳ２と主量子井戸層ＱＭとの間に設けられた第３障壁層１３Ｂ３（層厚：ＴＢ３）及び主量子井戸層ＱＭと電子ブロック層（ｐ型Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）１４との間に設けられた最終障壁層１３Ｌ（層厚：ＴＬ）を有する。

【0028】

第１の副量子井戸層ＱＳ１及び第２の副量子井戸層ＱＳ２は同一の結晶組成及び層厚ＴＳを有する。また、第１の副量子井戸層ＱＳ１、第２の副量子井戸層ＱＳ２及び主量子井戸層ＱＭは同一の結晶組成（Ａ２）を有する。
ここで、本明細書において、結晶組成及び層厚の「同一」とは、実質的な同一を含み、半導体層の結晶成長において得られる程度の同一性をいう。

【0029】

また、障壁層１３Ｂ、すなわち第１障壁層１３Ｂ１、第２障壁層１３Ｂ２、第３障壁層１３Ｂ３及び最終障壁層１３Ｌは同一の結晶組成（Ａ１）を有する。なお、これら複数の障壁層の各々を特に区別しない場合は、障壁層１３Ｂと総称して説明する。

【0030】

なお、各副量子井戸層間の障壁層の層厚（上記の場合では、ＴＢ２）と、主量子井戸層ＱＭに最も近い副量子井戸層との間の障壁層の層厚（上記の場合では、ＴＢ３）とは同一であることが好ましい。

【0031】

主量子井戸層ＱＭは電子ブロック層１４に最も近い量子井戸層である。また、２つの副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２は同一の層厚ＴＳを有し、主量子井戸層ＱＭは、副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２よりも大きな層厚ＴＭ（ＴＳ＜ＴＭ）を有する。

【0032】

なお、副量子井戸層が２つ設けられた場合を例に示したが、少なくとも１つの副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２，・・・，ＱＳｎ（ｎは１以上の整数）が設けられていればよい。副量子井戸層が複数設けられる場合には、当該複数の副量子井戸層は同一の結晶組成及び層厚を有する。なお、複数の副量子井戸層の各々を特に区別しない場合は、副量子井戸層ＱＳと総称して説明する。

【0033】

活性層１３の発光ピーク波長は２００～３６０ｎｍの範囲内にある。活性層１３から放出される光の波長は主量子井戸層ＱＭのＡｌ組成と層厚によって決まるため、Ａｌ組成と層厚は、上記の波長範囲において所望の発光波長が得られるように適宜決定することができる。

【0034】

なお、活性層１３の発光ピーク波長が深紫外の短波長領域であるＵＶＣ領域の波長、特に、殺菌作用に優れる２００－２８０ｎｍの範囲内であることが好ましい。

【0035】

また、主量子井戸層ＱＭ及び副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２、障壁層１３Ｂは、Ｓｉがドープされたｎ型層とすることもできる。主量子井戸層ＱＭ及び副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２、障壁層１３ＢはＳｉドーピング層であってもよいし、主量子井戸層ＱＭ及び副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２のいずれかにＳｉがドーピングされていてもよく、もしくは障壁層１３ＢのみにＳｉがドーピングされた構造であってもよい。 ドーピングされるＳｉ濃度は、特に限定されるものではないが、１×１０^１７～５×１０^１８ｃｍ^－３の範囲が好ましい。

【0036】

なお、最終障壁層１３ＬにはＭｇなどのｐ型ド－パントが含まれていてもよい。ここで、最終障壁層１３Ｌに含まれるＭｇは、後述する電子ブロック層（ｐ型Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）１４からの拡散による拡散ドーピングによるものであってもいいし、または意図的にＭｇをドーピングしたものであってもよい。
活性層１３上の電子ブロック層（ＥＢＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）１４は、活性層１３に注入された電子が後述するｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）１５へオーバーフローすることを抑制する機能を有する。そのため、電子ブロック層（Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）１４は、活性層１３、およびｐ型クラッド層１５よりも大きなバンドギャップを有し、電子ブロック層１４のＡｌ組成Ｙ１は０．８＜Ｙ１≦１．０の範囲で決定されることが好ましい。

【0037】

発光波長の短波長化に伴って、基板１１上にエピタキシャル成長するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は高くなり、発光波長が２７０ｎｍよりも短い場合では、電子ブロック層としての機能を十分に発現させるため、Ａｌ組成Ｙ１は０．９≦Ｙ１≦１．０であることが好ましい。なお本実施例においては、Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層１４としてＡｌＮ（Ｙ１＝１）を用いている。

【0038】

また、電子ブロック層１４は、電子ブロック層としての機能を発現できる限りは、アンドープ層であってもよく、またはｐ型ドーパントがドーピングされていてもよい。

【0039】

電子ブロック層１４におけるｐ型のドーパント材料としてはＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛），Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃ（炭素）等を用いることができる。特に、ＡｌＧａＮ層のｐ型ドーパント材料として一般的に用いられているＭｇを用いることが好ましく、後述する本発明の実施例においてもＭｇを用いている。

【0040】

ｐ型ドーパント材料は、電子ブロック層１４の積層方向において、一様にドーピングされていてもよいし、積層方向でドーパント材料の濃度を変えることもできる。例えば、活性層と接する側から、アンドープのＡｌＮ層１４Ａ（Ｙ１＝１）及びＭｇ（マグネシウム）ドープされたｐ型ＡｌＮ層１４Ｂからなる積層構造などとすることもできる。電子ブロック層１４におけるｐ型ドーパント濃度は、電子ブロック層としての機能が得られ、発光層へのキャリアの注入効率を高められるという観点から、１．０×１０^１９～８．０×１０^１９ｃｍ^－３であることが好ましく、さらに好ましくは３．０×１０^１９~５．０×１０^１９ｃｍ^－３、特に好ましくは、３．０×１０^１９~４．０×１０^１９ｃｍ^－３である。

【0041】

また、電子ブロック層１４は、４～１０ｎｍの範囲の層厚を有することが好ましい。４ｎｍ未満であると、トンネリング効果によって電子ブロック層としての効果が小さく、１０ｎｍ以上であると、正孔（ホール）の注入効率の低下を生じるからである。

【0042】

ｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）１５は、ｐ型Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層１４上に形成され、Ｍｇがドーピングされたクラッド層として機能する。ｐ型ドーパント材料には上述した材料を制限なく用いることができるが、電子ブロック層（ｐ型Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）１４と同様にＭｇを用いることが好ましい。

【0043】

本発明の紫外発光素子においては、ｐ型クラッド層１５中のＭｇ濃度は、２．０×１０^１９～１．０×１０^２０ｃｍ^－３であることが好ましく、さらに好ましくは２．０×１０^１９～５．０×１０^１９ｃｍ^－３である。ｐ型クラッド層１５中のＭｇ濃度を上述の範囲にすることによって、高い発光効率を得ることができる。

【0044】

ｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）１５のＡｌ組成Ｙ２は、積層方向でＹ２が一定の値である構造の場合、活性層の障壁層のＡｌ組成を超え、かつ電子ブロック層１４のＡｌ組成Ｙ１以下であることが好ましい。ｐ型クラッド層１５のＡｌ組成Ｙ２を上記の範囲にすることにより、紫外発光素子の注入電流量が多い場合においても、高いキャリアオーバーフローの抑制効果が得られる。より高い効果を得るためには、活性層の障壁層のＡｌ組成とｐ型クラッド層１５のＡｌ組成Ｙ２の差が、０．５～１．０であることが好ましい。

【0045】

また、ｐ型クラッド層１５のＡｌ組成Ｙ２は、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成よりも大きいことが好ましく、これによってｐ型層へのキャリアオーバーフローの抑制効果が高まり、紫外発光素子の発光効率を高めることができる。

【0046】

また、ｐ型クラッド層１５は、Ａｌ組成Ｙ２が積層方向で変化する組成傾斜層であってもよい。特に、電子ブロック層１４に接する側から、Ａｌ組成Ｙ２が積層方向に小さくなる構造であることが好ましい。これによって、ｐ型クラッド層１５内で分極ドーピング効果が得られるため、より高いホール濃度が得られやすくなり、その結果、活性層へのホールの注入効率が高くなる。例えば、発光波長が２７０ｎｍ以下の場合、電子ブロック層１４に接する側のＡｌ組成は０．９５～１．０であることが好ましく、反対側のｐ型クラッド層１５の表層におけるＡｌ組成は０．６０～０．８５であることが好ましい。このような構造を採用することで、上述した分極ドーピング効果を高め、かつ発光波長に対して透明性を維持できるため、高い発光効率が得られやすくなる。

【0047】

また、ｐ型クラッド層１５の層厚は、特に制限されるものではないが、１０～１５０ｎｍの範囲で適宜決定すればよい。ｐ型クラッド層１５の層厚が１０ｎｍ未満になると、上述したキャリアオーバーフローの抑制効果が得られにくくなり、一方で、層厚が厚くなり、１５０ｎｍを超える場合、ｐ型クラッド層１５の抵抗値が大きくなり、結果として紫外発光素子の動作電圧の上昇を招いてしまう。このような観点から、ｐ型クラッド層１５の層厚は、４０～１２０ｎｍであることが好ましく、特に好ましくは５０～１００ｎｍである。本発明の実施形態においては、Ａｌ組成Ｙ２が電子ブロック層１４のＡｌ組成から成長方向に減じる（Ａｌ組成Ｙ２が１．０から０．８に減じる）組成傾斜層を採用している。また、ｐ型クラッド層１５の層厚は、６０ｎｍとしている。

【0048】

本実施形態のｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）１５にはアクセプタとなるｐ型不純物とドナーとなるｎ型不純物がコドーピングされている。なお、ｐ型クラッド層１５はコドープされていることが好ましいが、これに限定されない。以下に、コドーピングについて説明する。

【0049】

ｐ型クラッド層１５にドーピングされるｐ型不純物には、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛），Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃ（炭素）等が使用し得る。中でも、ＡｌＧａＮ半導体のｐ型ドーパント材料として一般的に用いられているＭｇを用いることが好ましい。またｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｅ（セレン）、Ｓ（硫黄）、Ｏ（酸素）等を使用することができる。中でも、ｎ型ドーパント材料として一般的に用いられているＳｉを用いることが好ましい。

【0050】

本実施形態のｐ型クラッド層１５は、ｐ型クラッド層１５中のｎ型不純物濃度（Ｎｄ）とｐ型不純物濃度の比（Ｎｄ／Ｎａ）が、式（１）を満たす。

【0051】

０．００９≦（Ｎｄ／Ｎａ）＜０．１８５ ・・・式（１）
さらには、Ｎｄ／Ｎａが次式のいずれかを満たすことがさらに好ましい。

【0052】

０．００９≦（Ｎｄ／Ｎａ）＜０．１３５ ・・・式（２）
０．０３８≦（Ｎｄ／Ｎａ）＜０．１８５ ・・・式（３）
ｐ型不純物濃度の比（Ｎｄ／Ｎａ）が上記式（１）～（３）のいずれかを満たすようにｐ型クラッド層１５にコドープされることにより、高発光効率で、良好な出力維持率（素子寿命）を有する紫外ＬＥＤが実現される。

【0053】

また、ｐ型クラッド層１５にドーピングされるｐ型不純物量は、１×１０^１７～１．２×１０^２０ｃｍ^－３であることが好ましい。また、Ｊ． Ａｐｐｌｍａｒｕ Ｐｈｙｓｍａｒｕ， Ｖｏｌｍａｒｕ ９５， Ｎｏ． ８， １５ Ａｐｒｉｌ （２００４）において理論的に示されているように、ｐ型クラッド層１５中のｐ型不純物量に伴って、劣化の要因と考えられる窒素欠陥量も増加すると考えられる。そのため、ｐ型不純物量が１．２×１０^２０ｃｍ^－３を超える場合、初期に形成される窒素欠陥量が多くなりすぎて、高い出力維持率を得ることが困難になる。

【0054】

また、ｐ型不純物濃度が低くなると、特にＡｌ組成Ｙ２が一定であるときは、ホール濃度の低下と少数キャリア（電子）移動度増加により、Ａｌ組成Ｙ２が傾斜している場合には少数キャリア（電子）移動度増加により、出力が低下して高い発光効率を得ることが困難となる。従って、ｐ型不純物濃度は、このようなトレードオフを勘案して、上記の範囲内で適宜決定することができるが、より高い出力維持率と高出力を得るためには、１×１０^１９～５×１０^１９ｃｍ^－３であることが好ましく、さらに好ましくは、１×１０^１９～４×１０^１９ｃｍ^－３である。

【0055】

ｐ型クラッド層１５にドーピングされるｎ型不純物量は、１．１×１０^１８以上９．０×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましく、さらに好ましくは、１．８×１０^１８以上８．０×１０^１８ｃｍ^－３以下である。これらｎ型不純物量において、高い発光効率の発光素子１０を得ることができる。

【0056】

また、ｐ型クラッド層１５にドーピングされるｐ型不純物とｎ型不純物は、それらの濃度が層内で一定であってもよいし積層方向で濃度差を設けてもよい。例えば、電子ブロック層１４に接する側をコドーピング層として、残りのｐ型クラッド層１５層は、ｎ型不純物をドーピングしない層にすることもできる。

【0057】

ｐ型クラッド層１５上には、電極との接触抵抗を下げる目的で、ｐ型ドーパントがドーピングされたｐ型コンタクト層（ｐ型ＧａＮ層）１６が形成されていてもよい。ｐ型ドーパント材料としては上述した公知のｐ型ドーパント材料を用いることができるが、同様の理由によりＭｇを用いることが好ましい。ｐ型ＧａＮ層１６中のＭｇドーピング濃度は、特に制限されるものではないが、ｐ型ＧａＮ層中の抵抗値を下げ、かつ接触抵抗を下げるためには、１×１０^１８～２×１０^２０ｃｍ^－３であることが好ましい。また、ｐ型ＧａＮ層１６の層厚も特に制限されるものではなく、５～５００ｎｍの範囲で適宜決定すればよい。

【0058】

なお、ｐ型ＧａＮ層１６を除き、ＡｌＧａＮ層１２，１３，１４，１５の全ての層はＡｌＮ基板１１と格子整合した状態で結晶成長されているため、ＡｌＮ基板１１と同等の低い転位密度を有している。具体的には、１０^５ｃｍ^－２以下の転位密度を有している。

【0059】

なお、上記においては、本発明の紫外半導体発光素子が紫外ＬＥＤ１０（発光ダイオード）である場合について説明するが、半導体レーザ素子（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）として構成されていてもよい。

【0060】

次に、上記で説明した構造の紫外ＬＥＤ１０の製造方法について説明する。本発明の紫外ＬＥＤ１０は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の結晶成長法によって製造することができる。中でも、生産性が高く、工業的に広く採用されているＭＯＣＶＤ法が好ましい。本発明で使用するIII族（Ａｌ、Ｇａ）原料ガス、Ｖ族（Ｎ）原料ガスには、特に制限なく公知の原料ガスを使用できる。

【0061】

例えば、III族原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等のガスを使用できる。またＶ族原料ガスとしては、通常アンモニアが用いられる。

【0062】

また、Ｍｇ、Ｓｉのドーパント原料ガスも、公知の材料が制限なく使用でき、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム、モノシラン、テトラエチルシランなどを使用できる。

【0063】

以上の原料ガスを、水素／および又は窒素などのキャリアガスと共に基板１１上に供給することで紫外ＬＥＤ１０の素子層を成長させる。

【0064】

III族原料ガスとＶ族原料ガスの供給量比（Ｖ／III比）は、所望の特性が得られるように適宜決定すればよいが、５００～１００００の範囲内で設定することが好ましい。

【0065】

また、紫外ＬＥＤ１０を構成する素子層の成長温度については、特に制限されるものではなく所望とする、各層の特性、および紫外ＬＥＤ１０の特性が得られるように適宜決定すればよいが、１０００～１２００℃で成長することが好ましく、より好ましくは１０００～１１５０℃である。

【実施例0066】

以下においては、発光波長２６５ｎｍの紫外ＬＥＤ１０を作製した実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（ａ）素子構造
図３は、作製した実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤ１０の各層の構成を示す表である。また、図４は、実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤ１０及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤにおける活性層の量子井戸層及び障壁層の層厚を示す表である。なお、比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤは、実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤ１０とは量子井戸層及び障壁層の層厚が異なる点を除いて同一の構造を有する。

【0067】

図４に示すように、実施例の紫外ＬＥＤ１０及び比較例の紫外ＬＥＤにおいては、各量子井戸層及び最終障壁層１３Ｌはアンドープ層であり、第１～３障壁層１３Ｂ１～１３Ｂ３には１．０×１０^１８ｃｍ^－３の濃度でＳｉがドーピングされている。なお、最終障壁層１３Ｌはドープ層であってもよい。第１～３障壁層１３Ｂ１～１３Ｂ３又は最終障壁層１３ＬへのＳｉのドーピング濃度は１．０×１０^１７ｃｍ^－３～５．０×１０^１８ｃｍ^－３の範囲内であることが好ましい。また、第１～３障壁層１３Ｂ１～１３Ｂ３はアンドープ層であってもよい。

【0068】

また、図５は、実施例及び比較例の半導体層を走査透過電子顕微鏡（STEM：Scanning Transmission Electron Microscope）を用いて観察した断面ＳＴＥＭ像である。
図５に示すように、実施例及び比較例の量子井戸層及び障壁層について断面ＳＴＥＭ像により評価を行い、層厚（図４）の確認を行った。図の左側に比較例（ＣＭＰ）のＳＴＥＭ像を、右側に実施例（ＥＭＢ）のＳＴＥＭ像を対比して示している。

【0069】

実施例の紫外ＬＥＤ１０においては、比較例の紫外ＬＥＤに比べて主量子井戸層ＱＭ及び最終障壁層１３Ｌの層厚がそれぞれ約２倍程度に厚くなっている（図４を参照）ことが分かる。なお、実施例の紫外ＬＥＤ１０の副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２の層厚は、比較例の紫外ＬＥＤの第１～３の量子井戸層の層厚とほぼ同一である（図４）。

【0070】

（ｂ）素子特性及び考察
（ｂ-１）光出力特性
図６は、実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤ１０及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤのサンプルの光出力（ｍＷ）のヒストグラムを示し、図７は、実施例の紫外ＬＥＤ１０及び比較例の紫外ＬＥＤのサンプルの順方向電圧Ｖｆ及び発光波長λを示している。

【0071】

図６に示すように、実施例の紫外ＬＥＤ１０では光出力の平均値が７５ｍＷであり、比較例の紫外ＬＥＤの光出力の平均値が５０ｍＷに比べて大きく改善された。また、実施例の紫外ＬＥＤ１０では外部微分効率（ＥＱＥ）の平均値が３．１％であり、比較例の紫外ＬＥＤの外部微分効率の平均値２．１％に比べて改善された。

【0072】

図７に示すように、順方向電圧Ｖｆの平均値Ｖｆ（avg.）については、実施例の紫外ＬＥＤ１０では６．９Ｖであり、比較例の紫外ＬＥＤの７．１Ｖに比べて有意な差は見られなかった。

【0073】

発光波長λの平均値λ（avg.）については、実施例の紫外ＬＥＤ１０では２６５．０ｎｍであり、比較例の紫外ＬＥＤの２６１．０ｎｍに比べて４ｎｍ長波長化した。実施例の紫外ＬＥＤ１０の発光波長は、比較例の紫外ＬＥＤの量子井戸層厚（すなわち、実施例の紫外ＬＥＤ１０の副量子井戸層厚）に比べて２倍の層厚を有する主量子井戸層ＱＭの量子準位間エネルギーの再結合による発光波長と合致している。すなわち、実施例の紫外ＬＥＤ１０の発光は主量子井戸層ＱＭによる発光が支配的であることが分かった。

【0074】

（ｂ-２）信頼性（素子寿命）
図８は、実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤ１０及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤの初期光出力（任意単位）に対する光出力の変化率を示す光出力維持率（％）を示している。より詳細には、室温（ＲＴ）において、素子の駆動電流を一定とし、初期光出力（任意単位）を基準とし、通電開始から１００（ｈｒ）経過後の光出力の変化率を光出力維持率（％）とした。なお、図６に示したサンプルから光出力が異なるサンプルを選んで光出力維持率を測定した。また、ｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）１５がコドープされていない比較例（ＣＭＰ０）についてもプロットしている（破線で囲んで示している）。

【0075】

実施例の紫外ＬＥＤ１０の光出力維持率は全ての初期光出力で改善しており、加えて光出力維持率は初期光出力に対する依存性が小さくなっているため、特に高い初期光出力において顕著に改善されている。

【0076】

（ｃ）素子構造の考察
（ｃ-１）外部微分効率（ＥＱＥ）及び光出力の向上
まず、紫外半導体発光素子においては、一般に、ｐ型半導体層の正孔濃度が低く、かつ正孔の移動度が電子に比べて低いため、外部量子効率及び光出力が低い。

【0077】

本実施例の紫外ＬＥＤ１０において光出力が増加した理由として、ｐ型クラッド層１５及び電子ブロック層１４からの活性層１３へのホールの注入効率が増加したことが考えられる。

【0078】

すなわち、電子ブロック層１４に最も近い主量子井戸層ＱＭの層厚を厚くしたことで、主量子井戸層ＱＭによる電子ブロック層１４からのホールキャリアの捕獲効率が増加し、発光に寄与するキャリアの量が増加したことで再結合確率が上がり外部微分効率（ＥＱＥ）及び光出力が増加したと考えられる。

【0079】

また、図９に模式的に示すように、量子井戸層厚Ｌｚを増大させると電子と正孔の基底準位（量子準位Ｅｎ１，Ｅｈ１）が量子井戸のバンド端、すなわち伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖに近づき、より発光再結合しやすくなり光出力が増加したと考えられる。

【0080】

（ｃ-２）主量子井戸層ＱＭによる発光が支配的であること
図１０は、活性層１３のバンドダイアグラムを模式的に示している。また、図１１は、実施例（ＥＭＢ）の紫外ＬＥＤ１０及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤのＥＬ（エレクトロルミネセンス）スペクトルを示している。なお、４５０ｍＡ注入時のＥＬスペクトルである。以下に、実施例の紫外ＬＥＤ１０において主量子井戸層ＱＭによる発光が支配的であることについて説明する。

【0081】

(i) まず、図１０に模式的に示すように、ｐ型半導体層の正孔濃度が低く、かつ正孔の移動度が電子に比べて低いため、ｐ型半導体層（実施例では、電子ブロック層１４）に最も近い量子井戸層ＱＭが正孔の殆どを捕獲し、閉じ込めていると考えられる。

【0082】

(ii) また、前述のように、実施例の紫外ＬＥＤ１０では、副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２の層厚ＴＳ（＝３．９ｎｍ）に対し、主量子井戸層ＱＭの層厚ＴＭを約２倍の７．９ｎｍとした。実施例の紫外ＬＥＤ１０では比較例の紫外ＬＥＤに比べて発光波長が４ｎｍ長波長化したが、この波長シフト量が、量子井戸層の層厚の増加量（４ｎｍ）に対するシミュレーション結果の波長シフト量長と合致している。

【0083】

(iii) 図１１に示すように、実施例の紫外ＬＥＤ１０のＥＬスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）は８．５ｎｍであり、比較例の紫外ＬＥＤの半値幅ＦＷＨＭ＝９．４ｎｍと比べて拡がっていない。

【0084】

すなわち、副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２が一定程度で発光に寄与しているとすると、副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２による２６１．０ｎｍの発光と、主量子井戸層ＱＭによる２６５．０ｎｍとの発光による発光ピークを呈するか、ＥＬスペクトルの半値幅の増加が見られるはずである。

【0085】

しかしながら、実施例の紫外ＬＥＤ１０のＥＬスペクトルには半値幅ＦＷＨＭの増加はみられず、むしろ減少している。したがって、副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２による発光は非常に小さいと推測される。

【0086】

なお、実施例の紫外ＬＥＤ１０のＥＬスペクトルの半値幅（８．５ｎｍ）が比較
例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤの半値幅（９．４ｎｍ）よりも減少したのは、主量子井戸層ＱＭの層厚ＴＭが厚いため、層厚のゆらぎに対する基底準位の変化率が低くなったためであると考えられる。

【0087】

（ｃ-３）副量子井戸層の機能
活性層１３に設けられている副量子井戸層ＱＳの機能について以下に説明する。図１０を再び参照すると、主量子井戸層ＱＭと主量子井戸層ＱＭに隣接する副量子井戸層ＱＳ２との間の第３障壁層１３Ｂ３の層厚ＴＢ３が小さい場合（例えば、数ｎｍ）、副量子井戸層ＱＳ２に閉じ込められている電子がトンネル効果により基底準位が低い主量子井戸層ＱＭにトンネリングし、注入される。

【0088】

電子のトンネリングにより、井戸層が厚い主量子井戸層ＱＭへのキャリアの閉じ込め効果及び注入効果と、電子のトンネリングにより電子のオーバーフローを低減することができ、発光再結合確率がより増加し出力が増加すると考えられる。

【0089】

一方、価電子帯では正孔濃度が低くかつ正孔移動度が小さいため、正孔のほとんどが第三井戸層で捕獲される。したがって、副量子井戸層ＱＳは、主量子井戸層ＱＭへのキャリアの閉じ込めを増強する機能を有している。

【0090】

第３障壁層１３Ｂ３の層厚ＴＢ３は、電子のトンネリングの点から１０ｎｍ以下であることが好ましく、7ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また、６ｎｍ以下であることがより一層好ましい。

【0091】

（ｃ-４）主量子井戸層の層厚
図１２は、量子井戸層の層厚Ｌｚが小さい場合（図の左側）及び大きい場合（図の右側）の電子及び正孔の波動関数を模式的に示す図である。

【0092】

量子井戸層と障壁層との結晶組成差によって、量子井戸層と障壁層との間に格子歪が発生しピエゾ電界が生じる。そのため、量子井戸層における電子と正孔と波動関数がずれ、その重なりが減少することで、発光遷移確率が減少し、発光効率が低下する。量子井戸層の層厚Ｌｚを大きくすると、波動関数の重なりが減少するので、発光効率が低下してしまう。

【0093】

また、ＡｌＮ基板上にＡｌＧａＮ層を積層すると、格子定数が異なるため下地層に引っ張られ圧縮歪みがかかる。ＡｌＧａＮ層を厚くしていき、臨界膜厚まで到達すると格子緩和が発生し、ＡｌＧａＮ層に貫通転位ができて内部量子効率が減少、発光効率が減少してしまう。

【0094】

上記した実施例においては、主量子井戸層ＱＭの層厚ＴＭが副量子井戸層ＱＳ１，ＱＳ２の層厚ＴＳの２倍である場合について説明したが、これに限らない。
半導体デバイス用バンドギャップモデリングソフト（「SiLENSe」）を使用し、ＡｌＧａＮの積層体の組成や層厚に基づいて、副量子井戸層ＱＳ１、ＱＳ２、主量子井戸層ＱＭの層厚を変化させて、シミュレーションを行った。
このシミュレーションによれば、量子井戸層厚が大きくなると、内部量子効率は増加し、副量子井戸層ＱＳ２の層厚の１．２倍以上で有効であることが分かった。また、上記した副量子井戸層ＱＳ２から主量子井戸層ＱＭへの電子のトンネル効果、及び、電子の閉じ込め効果が十分有効に発揮されるために、主量子井戸層ＱＭの層厚ＴＭが主量子井戸層ＱＭに隣接する副量子井戸層ＱＳ（副量子井戸層ＱＳ２）の層厚ＴＳの１．５倍以上であることさらに好ましい。

【0095】

一方、主量子井戸層ＱＭの層厚ＴＭは、ＡｌＮ基板上にＡｌＧａＮ層を積層した場合の臨界膜厚である１６ｎｍ以下であることが好ましい。また、電子と正孔の重なり積分のシミュレーションから、積分値が有意な値をとる範囲として、１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

【0096】

（ｃ-５）最終障壁層の層厚
図１３Ａは、最終障壁層１３Ｌの層厚ＴＬと初期光出力との関係を示している。最終障壁層１３Ｌの層厚ＴＬを増加すると光出力が増加する。最終障壁層１３Ｌの層厚が大きくなると、正孔の注入効率が低下するためである。

【0097】

したがって、最終障壁層１３Ｌの層厚ＴＬは３０ｎｍ以下が好ましく、２７ｎｍ以下がさらに好ましく、２１ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

【0098】

図１３Ｂは、ｐ型クラッド層１５から主量子井戸層ＱＭに至る深さ方向でのＭｇ（ｐ型ドーパント）の濃度を示すＳＩＭＳプロファイルである。

【0099】

このＭｇ濃度のプロファイルによれば、電子ブロック層（ＥＢＬ）１４から９ｎｍの範囲でＭｇ濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３以上である。Ｍｇが１×１０^１８ｃｍ^－３以上の濃度で主量子井戸層ＱＭに入っている場合、すなわち、多量の窒素欠陥が主量子井戸層ＱＭに入ると、素子寿命を劣化させるため、最終障壁層１３Ｌの層厚ＴＬは９ｎｍ以上であることが好ましい。

【0100】

（ｃ-６）ｐ型クラッド層のコド－ピング
本実施形態のｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）１５にはアクセプタとなるｐ型不純物とドナーとなるｎ型不純物がコドープされている。

【0101】

再び、図８を参照すると、ｐ型クラッド層がコドープされていない比較例（ＣＭＰ０、図中、破線で囲んで示している。）の紫外ＬＥＤでは、コドープされている比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤよりも光出力は増加するが、光出力維持率（％）が低下し、信頼性（素子寿命）が悪化することがわかる。

【0102】

本実施形態においては、Ｓｉコドーピングと厚い最終障壁層１３Ｌを用いている。ｐ型クラッド層１５にＳｉをコドープすることでｐ型クラッド層１５発生する窒素欠陥の量を減少させることができる。また、厚い最終障壁層１３Ｌを用いることにより、通電中の熱による窒素欠陥の拡散を抑制するという相乗効果によって光出力及び信頼性（素子寿命）の向上が実現されている。

【0103】

なお、ｐ型クラッド層１５にコドープした場合（図４）について説明したが、電子ブロック層１４にもコドープしてもよい。
（ｃ-７）発光波長及びＡｌＧａＮ層の組成
ＡｌＮ基板上に形成されるＡｌＧａＮ層、すなわち、ｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ層）１２、活性層１３、電子ブロック層（Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）１４及びｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）１５は、III族元素におけるＡｌの割合であるＡｌ組成（Ｘ，Ｙ１，Ｙ２等）が１００％～５０％のＡｌＧａＮからなり、紫外ＬＥＤ１０は波長が２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域で発光する発光素子であることが好ましい。

【0104】

Ａｌ組成を５０％以上としているのは、ＡｌＮ基板に対する格子ひずみ量の増加による転位の発生を考慮している。Energy balance model (People and Beanの式)の理論計算によれば、Ａｌ組成が４０％以下の場合、臨界膜厚は４５ｎｍであるが、本実施形態の活性層１５の全体の厚さ（上記実施例の場合では４４．３ｎｍ）に近いため、活性層１５の内部に格子緩和が発生して光出力の低下を生じないようＡｌ組成が５０％以上であることが好ましい。加えて、最も殺菌効果の高い深紫外光（例えば、波長が２６５ｎｍ）をＡｌＮ基板側から取り出す際の吸収損失を考慮している。

【0105】

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、高効率かつ高出力特性を有し、高い信頼性を有する紫外半導体発光素子を提供することができる。

【符号の説明】

【0106】

１０：紫外半導体発光素子
１１：基板
１２：ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）
１２Ａ：第１のｎ型クラッド層（ｎ型Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_１－Ｘ１Ｎ層）
１２Ｂ：第２のｎ型クラッド層（Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１－Ｘ２Ｎ層）
１３：量子井戸活性層
１３Ｂ１－１３Ｂ３：障壁層
１３Ｌ：最終障壁層
１４：電子ブロック層（ｐ型Ａｌ_Ｙ１Ｇａ_１－Ｙ１Ｎ層）
１５：ｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１－Ｙ２Ｎ層）
１６：ｐ型コンタクト層（ｐ型ＧａＮ層）
ＱＭ：主量子井戸層
ＱＳ１、ＱＳ２：副量子井戸層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】