(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】
(24)【登録日】2022-12-14
(45)【発行日】2022-12-22
(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/32 20100101AFI20221215BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20221215BHJP
【FI】
H01L33/32
H01S5/343 610
(21)【出願番号】P 2020182684
(22)【出願日】2020-10-30
(62)【分割の表示】P 2019106276の分割
【原出願日】2019-06-06
【審査請求日】2021-05-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000226242
【氏名又は名称】日機装株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002583
【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松倉 勇介
(72)【発明者】
【氏名】ペルノ シリル
【審査官】大和田 有軌
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-125428(JP,A)
【文献】特開2019-083221(JP,A)
【文献】特開2019-050337(JP,A)
【文献】特開2019-050336(JP,A)
【文献】特表2018-500762(JP,A)
【文献】特開2014-003121(JP,A)
【文献】特表2013-516781(JP,A)
【文献】国際公開第2012/144046(WO,A1)
【文献】国際公開第2011/027417(WO,A1)
【文献】特開2010-067709(JP,A)
【文献】特開2005-109425(JP,A)
【文献】特開2003-037289(JP,A)
【文献】特開2001-102629(JP,A)
【文献】特開2000-332364(JP,A)
【文献】国際公開第2018/212416(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2018/0261716(US,A1)
【文献】韓国公開特許第10-2014-0099646(KR,A)
【文献】韓国公開特許第10-2014-0062944(KR,A)
【文献】米国特許第08669585(US,B1)
【文献】中国特許出願公開第103337573(CN,A)
【文献】韓国公開特許第10-2012-0013577(KR,A)
【文献】米国特許出願公開第2009/0179221(US,A1)
【文献】特許第6968122(JP,B2)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 33/00 - 33/64
H01S 5/00 - 5/50
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
n型AlGaNにより形成されたn型クラッド層と、
前記n型クラッド層上に位置する、AlGaNにより形成された活性層と、
を備え、
前記活性層は、前記n型クラッド層及び前記活性層が積層される積層方向におけるSiの濃度分布において、最大値かつ極大値として現れる局所的なピークを有し、
前記活性層は、
AlNにより形成された第2の障壁層と、前記第2の障壁層上に形成され、前記第2の障壁層よりも小さいAl組成比を有する第3の障壁層と、前記第3の障壁層の上に形成された1つの井戸層と
、を備え、単一量子井戸構造であり、
前記活性層は、前記積層方向におけるSiの濃度分布において、前記
第2の障壁層と前記第3の障壁層との境界にピークを有する、
窒化物半導体発光素子。
【請求項2】
前記
第2の障壁層は、前記積層方向における前記n型クラッド層から遠い部位ほど、Siの濃度が増加し、
前記
第3の障壁層は、前記積層方向における前記n型クラッド層側ほど、Siの濃度が増加する、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項3】
前記活性層は、
前記n型クラッド層と前記第2の障壁層との間に配されるとともに前記n型クラッド層側から前記活性層側に向かって傾斜するAl組成比を有するAlGaNにより形成された第1の障壁層
をさらに備える、
請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項4】
前記井戸層は
、3.0nm以上の厚さを有している、
請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項5】
前記ピークにおけるSiの濃度の値は、1.0×10
18個/cm
3以上1.0×10
20個/cm
3以下である、
請求項1から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n型クラッド層の下に位置して、AlNで形成された表面を有する基板をさらに備える、
請求項1から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】
中心波長が295nmから360nmの深紫外光を発光する、
請求項1から6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に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が実用化されており、光出力を向上させるために様々な取り組みが行われている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
特許文献1に記載の発光素子は、AlN系III族窒化物単結晶上に形成する発光波長が300nm以下の発光素子において、高濃度n型III族窒化物層と、n型又はi型のIII族窒化物障壁層とn型又はi型のIII族窒化物井戸層とからなる多重量子井戸構造と、i型のIII族窒化物ファイナルバリア層と、p型III族窒化物層と、前記i型III族窒化物ファイナルバリア層と前記p型III族窒化物層との間に形成され、前記i型III族窒化物ファイナルバリア層に対して電子のエネルギー障壁となるp型又はi型のAlN層からなる電子ブロック層とを有し、前記i型III族窒化物ファイナルバリア層の厚さを、2nmから10nmとし、前記n型又はi型のIII族窒化物井戸層の厚さを2nm以下とすることを特徴とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載の方法によれば、i型のIII族窒化物井戸層及びi型III族窒化物ファイナルバリア層の膜厚を調整することによって発光効率を向上させている。しかしながら、III族窒化物半導体では、上述のような対策してもなお、十分な光出力を得るべく改善の余地があった。かかる背景を受け本発明者らは、III族窒化物半導体において光出力を向上させることについて鋭意検討し、本発明をなすに至った。
【0006】
つまり、本発明は、光出力を向上させた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】
本発明は、上記課題を解決することを目的として、n型AlGaNにより形成されたn型クラッド層と、前記n型クラッド層上に位置する、AlGaNにより形成された活性層と、を備え、前記活性層は、前記n型クラッド層及び前記活性層が積層される積層方向におけるSiの濃度分布において、最大値かつ極大値として現れる局所的なピークを有し、前記活性層は、AlNにより形成された第2の障壁層と、前記第2の障壁層上に形成され、前記第2の障壁層よりも小さいAl組成比を有する第3の障壁層と、前記第3の障壁層の上に形成された1つの井戸層と、を備え、単一量子井戸構造であり、前記活性層は、前記積層方向におけるSiの濃度分布において、前記第2の障壁層と前記第3の障壁層との境界にピークを有する、窒化物半導体発光素子を提供する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、光出力を向上させた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】本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。
【
図2】
図1に示す窒化物半導体発光素子の断面の一部のSTEM画像図である。
【
図3】
図1に示す窒化物半導体発光素子の厚さ方向におけるSiの濃度プロファイル及びAlのイオン強度プロファイルを示す図である。
【
図4】
図1に示す窒化物半導体発光素子の光出力を測定した結果を示す図であり、(a)は、光出力とSi濃度との関係をグラフで示した図、(b)は、光出力とSi濃度との関係を示すテーブルである。
【
図5】本発明の第2の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。
【
図6】
図5に示す窒化物半導体発光素子の断面の一部のSTEM画像図である。
【
図7】
図5に示す窒化物半導体発光素子の厚さ方向におけるSiの濃度プロファイル及びAlのイオン強度プロファイルを示す図である。
【
図8】本発明の第3の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。
【
図9】
図8に示す窒化物半導体発光素子の断面の一部のSTEM画像図である。
【
図10】
図8に示す窒化物半導体発光素子の厚さ方向におけるSiの濃度プロファイル及びAlのイオン強度プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。
【0011】
また、以下の説明において、窒化物半導体発光素子がフェイスアップ型であるかフリップチップ型であるかに依らず、「上」とは、一律にp側電極92(
図1参照)側を示し、「下」とは、一律に基板10(
図1参照)側を指すものとする。なお、特に記述のない限り、「上」又は「下」とは、一つの対象物と他の対象物との相対的な位置関係を示すものとし、当該一つの対象物が第三対象物を間に挟まずに当該他の対象物の上又は下に配置されている状態のみならず、当該一つの対象物が第三対象物を間に挟んで当該他の対象物の上又は下に配置されている状態も含むものとする。
【0012】
[第1の実施の形態]
(第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。この窒化物半導体発光素子(以下、単に「発光素子」ともいう)1には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)が含まれる。本実施の形態では、発光素子1として、中心波長が250nm~360nm(好ましくは、295nm~360nm)の紫外光を発する発光ダイオード(LED)を例に挙げて説明する。
【0013】
図1に示すように、第1の実施の形態に係る発光素子1は、基板10と、n型クラッド層30と、1つの障壁層51Aと1つの井戸層52Aとを含む活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、p型コンタクト層80と、n側電極90と、p側電極92とを含んで構成されている。
【0014】
発光素子1を構成する半導体には、例えば、AlxGa1-xN(0≦x≦1)にて表される2元系又は3元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、窒素(N)の一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置き換えてもよい。
【0015】
基板10は、例えば、サファイア(Al2O3)基板11と、このサファイア基板11上に形成されたバッファ層12と、を含んで構成されている。バッファ層12は、窒化アルミニウム(AlN)により形成されている。かかる構成に代えて、基板10には、例えば、AlNのみにより形成されたAlN基板を用いてもよく、この場合、バッファ層12は、必ずしも含まなくてもよい。以上を換言すれば、基板10の半導体層側の表面(以下、「最表面」ともいう)は、AlNで形成されている。
【0016】
n型クラッド層30は、基板10上に形成されている。n型クラッド層30は、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたn型のAlGaN(以下、単に「n型AlGaN」ともいう)により形成された層である。なお、n型の不純物としては、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)等を用いてもよい。
【0017】
n型クラッド層30を形成するAl組成比(「AlNモル分率」ともいう)は、20%以上であり、好ましくは、25%以上55%以下である。n型クラッド層30は、1μm~4μm程度の厚さを有し、例えば、3±0.3μm程度の厚さを有している。n型クラッド層30は、単層でもよく、多層構造でもよい。
【0018】
活性層50は、n型クラッド層30上に形成されている。活性層50は、n型クラッド層30側に位置する1つの障壁層51A、及び後述する電子ブロック層60側(すなわち、厚さ方向におけるn型クラッド層30の反対側)に位置する1つの井戸層52Aにより構成された単一の量子井戸構造50Aを含んで構成されている。また、活性層50は、波長360nm以下の紫外光を出力するためにバンドギャップが3.4eV以上となるように構成されている。1つの障壁層51Aは、例えば、5nm~50nmの範囲の厚さを有する。また、1つの井戸層52Aは、例えば、1nm~5nmの範囲、好ましくは、3nm~5nmの範囲の厚さを有する。
【0019】
1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aはともに、AlGaNにより形成されている。具体的には、1つの障壁層51Aは、AlrGa1-rNを含んで構成され、1つの井戸層52Aは、AlsGa1-sNを含んで構成される(0≦r≦1、0≦s≦1、r>s)。すなわち、1つの障壁層51Aを形成するAlGaNのAl組成比は、1つの井戸層52Aを形成するAlGaNのAl組成比よりも大きい。なお、単一の量子井戸構造50A内における1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aの配置は、上述したものに限定されるものではなく、n型クラッド層30側に1つの井戸層52Aが位置し電子ブロック層60側に1つの障壁層51Aが位置する配置でもよい。
【0020】
また、1つの障壁層51Aから1つの井戸層52Aの間、すなわち、活性層50内には、n型クラッド層30、1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aが積層される方向におけるSiの濃度(以下、単に「Si濃度」ともいう)の分布における局所的なピークが存在する。換言すれば、発光素子1の厚み方向のSi濃度の分布は、活性層50内に局所的なピークを有する。
【0021】
好ましくは、Si濃度の分布は、1つの障壁層51A内に局所的なピークを有する。また、Si濃度のピークの値は、1.0×1018個/cm3以上、1.0×1020個/cm3以下である。Si濃度の詳細については、後述する。
【0022】
電子ブロック層60は、活性層50上に形成されている。本実施の形態では、電子ブロック層60は、AlNにより形成された第1の電子ブロック層61と、p型のAlGaN(以下、単に「p型AlGaN」ともいう)により形成された第2の電子ブロック層62と、をこの順に含んでいる。電子ブロック層60は、例えば、1nm~30nm程度の厚さを有している。なお、第1の電子ブロック層61は、必須の構成要素ではない。また、第2の電子ブロック層62は、必ずしもp型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。
【0023】
p型クラッド層70は、電子ブロック層60上に形成されている。p型クラッド層70は、例えば、p型の不純物としてマグネシウム(Mg)がドープされたp型AltGa1-tN(0≦t≦1)により形成された層である。なお、p型の不純物としては、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いてもよい。p型クラッド層70は、例えば、10nm~1000nm程度の厚さを有する。
【0024】
p型コンタクト層80は、p型クラッド層70上に形成されている。p型コンタクト層80は、例えば、Mg等の不純物が高濃度にドープされたp型のGaN層である。
【0025】
〔電極〕
n側電極90は、n型クラッド層30の一部の領域上に形成されている。n側電極90は、例えば、n型クラッド層30の上に順にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成される。
【0026】
p側電極92は、p型コンタクト層80の上に形成されている。p側電極92は、例えば、p型コンタクト層80の上に順に積層されるニッケル(Ni)/金(Au)の多層膜で形成される。
【0027】
(第1の実施の形態に係る発光素子1の製造方法)
次に、発光素子1の製造方法について説明する。まず、サファイア基板11上にバッファ層12を高温成長させて最表面がAlNである基板10を作製する。次に、この基板10上にn型クラッド層30、活性層50、電子ブロック層60、及びp型クラッド層70を積層して、所定の直径(例えば、50mm)の円盤状の形状を有する窒化物半導体積層体(「ウエハ」ともいう)を形成する。
【0028】
これらn型クラッド層30、活性層50、電子ブロック層60、及びp型クラッド層70は、有機金属化学気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、分子線エピタキシ法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)、ハライド気相エピタキシ法(Halide Vapor Phase Epitaxy:NVPE)等の周知のエピタキシャル成長法を用いて形成することができる。また、1つの井戸層52Aには、Siを所定のドープ量でドープする。ドープ量は、1.0×1018~1.0×20個/cm3であることが好ましい。
【0029】
次に、p型クラッド層70の上にマスクを形成し、活性層50、電子ブロック層60、及びp型クラッド層70においてマスクが形成されていないぞれぞれの露出領域を除去する。活性層50、電子ブロック層60、及びp型クラッド層70の除去は、例えば、プラズマエッチングにより行うことができる。
【0030】
n型クラッド層30の露出面30a(
図1参照)上にn側電極90を形成し、マスクを除去したp型コンタクト層80上にp側電極92を形成する。n側電極90及びp側電極92は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。このウエハを所定の寸法に切り分けることにより、
図1に示す発光素子1が形成される。
【0031】
(第1の実施の形態に係る実施例)
次に、第1の実施の形態に係る実施例について説明する。
図2は、第1の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の断面の一部のSTEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)画像図である。画像の倍率は、150万倍、加速電圧は、200kVとした。
図2に示すように、発光素子1には、下から順に、n型クラッド層30(相対的に色が薄い部分)、1つの障壁層51A(n型クラッド層30に対して色が濃い部分)、1つの井戸層52A(前記1つの障壁層51Aに対して色が薄い部分)、第1の電子ブロック層61(前記1つの井戸層52Aに対して色が濃い部分)、及び第2の電子ブロック層62(第1の電子ブロック層61に対して色が薄い部分)が形成されている。また、前記1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aは、活性層50(具体的には、単一の量子井戸構造50A)を形成している。
【0032】
活性層50及び電子ブロック層60を構成する各層の厚さについて、以下表1にまとめる。
【表1】
【0033】
図3は、第1の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の厚さ方向におけるSiの濃度プロファイル及びAlのイオン強度プロファイルを示す図である。
図3に示すプロファイルは、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry;二次イオン質量分析法)により測定したものである。実線(太い実線)はSiの濃度(個/cm
3;縦軸左側の目盛り参照)示し、破線は、Alの2次イオン強度(count/秒;縦軸右側の目盛り参照)を示している。
【0034】
ここで、本実施例では、n型クラッド層30、1つの障壁層51A及び1つの井戸層52AにSiをドープした(
図3の細い破線及び「Siバックグラウンド」参照。)。また、ドープ量は、(1.0±0.1)×10
17個/cm
3とした。なお、説明の便宜上、Siのドープを示す線(細い破線)は、横軸の一端から他端の全体に亘って描いた。
【0035】
図3に示すように、Si濃度は、以下の関係式(1)及び(2)
1つの井戸層52AのSi濃度≧n型クラッド層30のSi濃度・・・(1)
n型クラッド層30のSi濃度>1つの障壁層51AのSi濃度・・・(2)
を満たしている。Al組成比が高いほどSiがドープされにくいためである。
【0036】
また、n型クラッド層30、1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aが積層される方向におけるSi濃度の分布は、1つの障壁層51A及び1つの井戸層52Aの間に少なくとも1つ以上のピークを有している。本実施例では、Si濃度の分布は、
図3に示すように、1つの井戸層52A内にピークを有している(
図3の円枠参照。)。このSi濃度のピークの値は、(1.5±0.2)×10
19個/cm
3である。
【0037】
(光出力)
次に、
図4を参照して、Si濃度と発光素子1の光出力との関係について説明する。
図4は、第1の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の光出力を測定した結果を示す図であり、(a)は、光出力とSi濃度との関係をグラフで示した図、(b)は、光出力とSi濃度との関係を示すテーブルである。ここで、
図4(a)の横軸は、1つの井戸層52AにおけるSi濃度(例えば、1つの井戸層52A内のピークの値)(個/cm
3)を示し、縦軸は、発光素子1の光出力(任意単位、当社比)を示している。発光出力(任意単位)は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本実施例では、一例として、1枚のウエハの中心部と縁部とにそれぞれIn(インジウム)電極を付着し、この電極に所定の電流を流してウエハの中心部を発光させ、所定の位置に設置した光検出器によりこの発光を測定する方法を用いた。なお、測定時に流した電流の大きさは、20mAとした。
【0038】
図4(a)に示すように、発光素子1の光出力は、1つの井戸層52AにおけるSi濃度が0~(5.0±0.5)×10
19個/cm
3の範囲で上昇し、Si濃度が(5.0±0.5)×10
19個/cm
3付近で極大となり、Si濃度が(5.0±0.5)×10
19個/cm
3を超えると下降する。すなわち、発光素子1の光出力は、1つの井戸層52AにおけるSi濃度を変数として上に凸の放物線状に変化する。換言すれば、発光素子1の光出力は、1つの井戸層52AにおけるSi濃度を変数とする二次曲線上にプロットされている。
【0039】
したがって、所定の発光素子1の光出力を得るための1つの井戸層52AにおけるSi濃度の範囲を定めることができる。例えば、発光素子1の光出力を0.5以上とするためにSi濃度を1.0×1018個/cm3以上1.0×1020個/cm3以下としてよく、発光素子1の光出力を0.6以上とするためにSi濃度を8.5×1018個/cm3以上9.5×1019個/cm3以下としてよく、発光素子1の光出力を0.7以上とするためにSi濃度を2.2×1019個/cm3以上8.2×1019個/cm3以下としてよい。
【0040】
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子1の構成の一例を概略的に示す断面図である。この発光素子1は、複数の障壁層51Bを有する点で第1の実施の形態の発光素子1と相違する。以下、第1の実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略するとともに、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【0041】
(第2の実施の形態に係る発光素子1の構成)
図5に示すように、第2の実施の形態に係る発光素子1は、基板10と、n型クラッド層30と、複数の障壁層51Bと1つの井戸層52Aとを含む活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、p型コンタクト層80と、n側電極90と、p側電極92とを含んで構成されている。このうち、基板10、n型クラッド層30、1つの井戸層52A、電子ブロック層60、p型クラッド層70、p型コンタクト層80、n側電極90及びp側電極92は、上述した第1の実施の形態と同一のため詳細な説明は省略する。1つの井戸層52Aは、井戸層の一例である。
【0042】
複数の障壁層51Bは、n型クラッド層30側に位置する第1の障壁層51aと、第1の障壁層51a上に設けられた第2の障壁層51bと、第2の障壁層51b上に設けられ、1つの井戸層52A側に位置する第3の障壁層51cと、を含んでいる。換言すれば、活性層50は、n型クラッド層30から電子ブロック層60に向かって、第1の障壁層51a、第2の障壁層51b及び第3の障壁層51cをこの順に積層させた複数の障壁層51Bと、この複数の障壁層51B上に積層された1つの井戸層52Aと、を有して構成されている。
【0043】
第1の障壁層51aは、AlGaNにより形成される。また、第1の障壁層51aは、AlGaNのAl組成比が厚さ方向に沿って変化する組成傾斜層である。具体的には、第1の障壁層51aを形成するAlGaNのAl組成比は、n型クラッド層30から第2の障壁層51bに向かって増加する。第1の障壁層51aは、n型クラッド層30と第2の障壁層51bとの間でAl組成比が不連続的に変化することを抑制し、Al組成比においてn型クラッド層30と第2の障壁層51bとを滑らかに接続する機能を有すると考えられる。第1の障壁層51aは、例えば、5nmから20nmの厚さを有する。
【0044】
第2の障壁層51bは、AlNにより形成される。第2の障壁層51bは、活性層50への所定エネルギー以下の電子注入を抑制する層として機能する。第2の障壁層51bは、例えば、1.0nm~5.0nmの厚さを有する。
【0045】
第3の障壁層51cは、5nmから20nmの厚さを有する。なお、複数の障壁層51Bを構成する層の数は、3つに限定されるものではなく、2つでもよく、4つ以上でもよい。
【0046】
また、Si濃度の分布は、複数の障壁層51B内に局所的なピークを有する。好ましくは、Si濃度の分布は、第2の障壁層51b及び第3の障壁層51cの境界の付近に局所的なピークをする。また、Si濃度のピークの値は、1.0×1018個/cm3以上、1.0×1020個/cm3以下である。
【0047】
(第2の実施の形態に係る発光素子1の製造方法)
次に、上述の第2の実施の形態に係る発光素子1の製造方法について、第1の実施の形態に係る発光素子1の製造方法と異なる点を中心に説明する。第2の実施の形態では、第2の障壁層51bとしてのAlN層、及びSiを所定のドープ量でドープした第3の障壁層51cを形成する。この所定のドープ量は1.0×1018~1.0×1020個/cm3の範囲であることが好ましい。
【0048】
(第2の実施の形態に係る実施例)
次に、上述の第2の実施の形態に係る実施例について説明する。
図6は、第2の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の断面の一部のSTEM画像図である。撮影の条件は、
図2に示したものと同一である。
【0049】
図6に示すように、第2の実施の形態に係る発光素子1では、n型クラッド層30と1つの井戸層52Aとの間に、第1の障壁層51aとしての組成傾斜層、第2の障壁層51bとしてのAlN層及び第3の障壁層51cとがこの順に積層されている。
【0050】
活性層50及び電子ブロック層60を構成する各層の厚さについて、以下表2にまとめる。
【表2】
1つの井戸層52Aは、表2に示すように、3.0nm以上の厚さを有している。
【0051】
図7は、第2の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の厚さ方向におけるSiの濃度プロファイル及びAlのイオン強度プロファイルを示す図である。Si濃度の分布は、
図7に示すように、複数の障壁層51B内に、具体的には、第2の障壁層51b及び第3の障壁層51cの境界の付近に、ピークを有している。このSi濃度のピークの値は、(4.0±0.4)×10
19個/cm
3である
。
【0052】
また、上述の表2に示したように、第2の実施の形態の一実施例に係る発光素子1では、1つの井戸層52Aの厚さは、3.3±0.3nmである。従来技術では、ピエゾ電界の発生に伴う分極の影響を和らげるため、井戸層の厚さは概ね2.0nm以下に制限されるが、本実施の形態に係る発光素子1では、1つの井戸層52Aの厚さを、従来技術の厚さよりも厚く(例えば、従来技術においても大きめの厚さである2.0nmの約1.5倍以上に)することができる。
【0053】
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
図8は、本発明の第3の実施の形態に係る発光素子1の構成の一例を概略的に示す断面図である。この発光素子1は、複数の障壁層51Bと複数の井戸層52Bとを交互に積層した多重量子井戸構造50Bを有する点で第1の実施の形態の発光素子1及び第2の実施の形態の発光素子1と相違する。以下、第1の実施の形態及び第2の実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略するとともに、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第3の実施の形態に係る発光素子1は、中心波長が250nm~360nm(好ましくは、250nm~295nm)の紫外光を発する。
【0054】
(第3の実施の形態に係る発光素子1の構成)
図8に示すように、第3の実施の形態に係る発光素子1は、基板10と、n型クラッド層30と、傾斜組成層である第1の障壁層51aと、複数の障壁層51Bと複数の井戸層52Bとを含む多重量子井戸構造50Bを有する活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、p型コンタクト層80と、n側電極90と、p側電極92とを含んで構成されている。なお、以下では、説明の便宜上、上述した実施の形態と同様に傾斜組成層を第1の障壁層51aともいうが、傾斜組成層は、多重量子井戸構造50Bを構成する複数の障壁層51Bとは異なるのものとして区別して扱う。
【0055】
本実施の形態に係る活性層50は、この第1の障壁層51a上に、AlrGa1-rNを含んで構成される複数の障壁層51BとAlsGa1-sNを含んで構成される複数の井戸層52Bとを交互に積層した多重量子井戸構造50Bを有している。具体的には、この活性層50は、AlrGa1-rNを含んで構成されるK層からなる障壁層51BとAlsGa1-sNを含んで構成されるK層からなる井戸層52Bとを交互に積層した多重量子井戸構造50Bを有している。なお、Kは、自然数である。
【0056】
より具体的には、この活性層50は、Al
r1Ga
1-r1Nを含んで構成される第2の障壁層51bと、Al
s1Ga
1-s1Nを含んで構成される第1の井戸層52aと、Al
r2Ga
1-r2Nを含んで構成される第3の障壁層51cと、Al
s2Ga
1-s2Nを含んで構成される第2の井戸層52bと、Al
r3Ga
1-r3Nを含んで構成される第4の障壁層51dと、Al
s3Ga
1-s3Nを含んで構成される第3の井戸層52cと、をこの順に積層した多重量子井戸構造50Bを有している(0≦r
1,r
2,r
3≦1、0≦s
1,s
2,s
3≦1、r
1,r
2,r
3>s
1,s
2,s
3)。なお、
図8では、K=3の例を示したが、Kは、3に限定されるものではなく、Kは、2でもよく、4以上でもよい。第3の実施の形態における第1の井戸層52aは、下側井戸層の一例である。第3の実施の形態における第2の井戸層52b及び第3の井戸層52cは、上側井戸層の一例である。
【0057】
多重量子井戸構造50Bを含む構成では、Si濃度の分布は、好ましくは、複数の井戸層52Bのうち、n型クラッド層30に近い井戸層(すなわち、第1の井戸層52a)に局所的なピークを有する。
【0058】
(第3の実施の形態に係る発光素子1の製造方法)
次に、上述の第3の実施の形態に係る発光素子1の製造方法について、第1の実施の形態に係る発光素子1の製造方法及び第2の実施の形態に係る発光素子1の製造方法と異なる点を中心に説明する。第3の実施の形態では、第1の井戸層52aに、Siを所定のドープ量でドープする。この所定のドープ量は1.0×1018~1.0×1020個/cm3の範囲であることが好ましい。
【0059】
(第3の実施の形態に係る実施例)
次に、上述の第3の実施の形態に係る実施例について説明する。
図9は、第3の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の断面の一部のSTEM画像図である。撮影の条件は、
図2に示したものと同一である。
【0060】
図9に示すように、第3の実施の形態に係る発光素子1では、n型クラッド層30と、第1の障壁層51aとしての組成傾斜層と、3つの障壁層と3つの井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造50Bからなる活性層50と、がこの順に積層されている。なお、破線は、下から順にそれぞれn型クラッド層30と第1の障壁層51a(組成傾斜層)との界面、及び第1の障壁層51a(組成傾斜層)と複数の障壁層51B(具体的には、第2の障壁層51b)との界面を示している。
【0061】
活性層50及び電子ブロック層60を構成する各層の厚さについて、以下表3にまとめる。
【表3】
表3に示すように、第1の障壁層51a(組成傾斜層)は、多重量子井戸構造50Bを構成する各障壁層及び井戸層の厚さの3~5倍厚さを有している。また、第1の井戸層52a(すなわち、下側井戸層)は、3.0nm以上の厚さを有しており、これは他の井戸層(第2の井戸層52b及び第3の井戸層52c、すなわち、上側井戸層)の厚さの1.5倍~2.5倍の厚さに相当している。
【0062】
図10は、第3の実施の形態の一実施例に係る発光素子1の厚さ方向におけるSiの濃度プロファイル及びAlのイオン強度プロファイルを示す図である。
図10に示すように、Siの濃度は、第1の井戸層52a内にピークを有している。このSi濃度のピークの値は、(4.5±0.5)×10
19個/cm
3である。
図10に示すように、多重量子井戸構造50Bを含む構成では、Siの濃度は、複数の井戸層52Bのうちn型クラッド層30に近い第1の井戸層52aにピークを有している。
【0063】
[実施の形態の作用及び効果]
以上説明したように、本発明の上述した実施の形態及びその変形例に係る発光素子1では、活性層50内に、n型クラッド層30及び活性層50が積層される方向におけるSiの濃度(以下、単に「Si濃度」ともいう)の分布における局所的なピークが存在する。かかる構成により、発光素子1の光出力を向上させることが確認できる。
【0064】
なお、上述した効果は、発光素子1の中心波長が295nmから360nmの深紫外光を発光し、かつ、単一の量子井戸構造50Aを備える構成、及び発光素子1の中心波長が295nm以下深紫外光を発光し、かつ、多重量子井戸構造50Bを備える構成について特に有効である。
【0065】
(実施形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
【0066】
[1]n型AlGaNにより形成されたn型クラッド層(30)と、前記n型クラッド層(30)上に位置する、AlGaNにより形成された活性層(50)と、を備え、前記活性層(50)は、前記n型クラッド層(30)及び前記活性層(50)が積層される積層方向におけるSiの濃度分布において、最大値かつ極大値として現れる局所的なピークを有し、前記活性層(50)は、互いに隣り合う2つの障壁層(51b,51c)を備え、前記活性層(50)は、前記積層方向におけるSiの濃度分布において、前記2つの障壁層(51b,51c)の境界にピークを有する、窒化物半導体発光素子(1)。
[2]前記2つの障壁層(51b,51c)のうち前記n型クラッド層(30)側の障壁層(51b)は、前記積層方向における前記n型クラッド層(30)から遠い部位ほど、Siの濃度が増加し、前記2つの障壁層(51b,51c)のうち前記n型クラッド層(30)から遠い側の障壁層(51c)は、前記積層方向における前記n型クラッド層(30)側ほど、Siの濃度が増加する、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[3]前記活性層(50)は、前記n型クラッド層(30)側から前記活性層(50)側に向かって傾斜するAl組成比を有するAlGaNにより形成された第1の障壁層(51a)と、前記第1の障壁層(51a)上に設けられた、AlNにより形成された第2の障壁層(51a)と、前記第2の障壁層(51a)上に形成された第3の障壁層(51c)と、を備え、前記活性層(50)は、前記積層方向におけるSiの濃度分布において、前記第2の障壁層(51a)及び前記第3の障壁層(51c)の境界に前記ピークを有する、前記[1]又は前記[2]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[4]前記活性層(50)は、前記第3の障壁層(51c)上に形成された1つの井戸層をさらに備え、前記1つの井戸層は、3.0nm以上の厚さを有している、前記[3]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[5]前記ピークにおけるSiの濃度の値は、1.0×1018個/cm3以上1.0×1020個/cm3以下である、前記[1]から[4]のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[6]前記n型クラッド層(30)の下に位置して、AlNで形成された表面を有する基板(10)をさらに備える、前記[1]から[5]のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[7]中心波長が295nmから360nmの深紫外光を発光する、前記[1]から[6]のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
【符号の説明】
【0067】
1…窒化物半導体発光素子(発光素子)
10…基板
11…サファイア基板
12…バッファ層
30…n型クラッド層
30a…露出面
50…活性層
50A…量子井戸構造
50B…多重量子井戸構造
51A…1つの障壁層
51B…複数の障壁層
51a…第1の障壁層
51b…第2の障壁層
51c…第3の障壁層
51d…第4の障壁層
52A…1つの井戸層
52B…複数の井戸層
52a…第1の井戸層
52b…第2の井戸層
52c…第3の井戸層
60…電子ブロック層
61…第1の電子ブロック層
62…第2の電子ブロック層
70…p型クラッド層
80…p型コンタクト層
90…n側電極
92…p側電極