(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】2024-10-10
(45)【発行日】2024-10-21
(54)【発明の名称】窒化物半導体紫外線発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/18 20100101AFI20241011BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20241011BHJP
H01L 33/20 20100101ALI20241011BHJP
【ＦＩ】
H01L33/18
H01L33/32
H01L33/20
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022550255
(86)(22)【出願日】2020-09-17
(86)【国際出願番号】 JP2020035236
(87)【国際公開番号】W WO2022059125
(87)【国際公開日】2022-03-24
【審査請求日】2023-08-23
(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】100114476
【弁理士】
【氏名又は名称】政木 良文
(72)【発明者】
【氏名】平野 光
(72)【発明者】
【氏名】長澤 陽祐
【審査官】右田 昌士
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／０１３７２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００９－１２３９６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０６８２８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１５９２６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１０２５５７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１０３２８９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／０２１４６４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０４６０６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２１６３５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０３５５３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】Nagasawa, Y., et. al.,，Two-dimensional analysis of the nonuniform quantum yields of multiple quantum wells for AlGaN-based deep-ultraviolet LEDs grown on AlN templates with dense macrosteps usingn cathodoluminescence spectroscopy，J. of Applied Physics，126，米国，2019年
【文献】Nagamatsu K., et. al.,，Effect of c-plane sapphire misorientation on the growth of AlN by high-temperature MOVPE，Physica Status Solidi C，5, No. 9，米国，2008年
【文献】Kojima, K. et. al.,，Carrier localizzation structure combined with current micropaths in AlGaN quantum wells grown on an AIN template with macrosteps，Appl. Phys. Lett.，114，米国，2019年01月07日
【文献】Nagasawa, Y., et. al.,，Comparison of AlxGa1-xN multiple quantum wells designed for 265 and 285nm deep-ultraviolet LEDs grown on AlN templates having macrosteps，Applied Physics Express，12，日本，2019年
【文献】Moustakas T. D.，Ultraviolet optoelectronic devices based on AlGaN alloys grown by molecular beam epitaxy，MRS communications，6，米国，2016年，247-269
(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】
ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなるピーク発光波長が２５０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内にある窒化物半導体紫外線発光素子であって、前記ｎ型層がｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、
前記ｎ型層と前記ｐ型層の間に配置された前記活性層が、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された１層以上の井戸層を含む量子井戸構造を有し、
前記ｐ型層がｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、
前記ｎ型層と前記活性層と前記ｐ型層内の各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であり、
前記ｎ型層が、前記ｎ型層内で一様に分散して存在する局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域を有し、
前記ｎ型層の上面と直交する第１平面上での前記層状領域の各延伸方向が、前記ｎ型層の前記上面と前記第１平面との交線に対して傾斜している部分を有し、
前記ｐ型層が、前記ｐ型層内の最下層として、前記１層以上の井戸層の最上層の上面側に形成された電子ブロック層を有し、更に、前記ｐ型層内の最上層として、ｐ型ＧａＮ系半導体で構成されたコンタクト層を有し、
前記活性層内の各半導体層と前記電子ブロック層が、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域をそれぞれ有し、
前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率が８５％以上９０％以下であり、前記電子ブロック層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第１Ｇａ富化領域が存在し、
前記井戸層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記井戸層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第２Ｇａ富化領域が存在することを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項2】
前記第１Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ
６
となっている第１準安定ｐ型領域が存在することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項3】
前記ｐ型層が、前記電子ブロック層と前記コンタクト層の間に、１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型クラッド層を有し、前記ｐ型クラッド層が、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域とをそれぞれ有し、
前記ｐ型クラッド層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率が５２％以上、前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率未満であり、
前記ｐ型クラッド層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記ｐ型クラッド層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第３Ｇａ富化領域が存在することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項4】
前記第１Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ
６
であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第１準安定ｐ型領域が存在し、前記第３Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２であって、且つ、ＡｌＮモル分率が前記第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率未満であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第２準安定ｐ型領域が存在することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項5】
前記井戸層の前記第２Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４である準安定ＡｌＧａＮで構成された準安定井戸領域が存在することを特徴とする請求項２または４に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項6】
前記活性層が、２層以上の前記井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、２層の前記井戸層間にＡｌＧａＮ系半導体で構成されたバリア層が存在することを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項7】
前記バリア層が、ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域とをそれぞれ有し、前記バリア層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記バリア層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第４Ｇａ富化領域が存在することを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項8】
サファイア基板を含む下地部を、さらに備え、前記サファイア基板は、（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した主面を有し、当該主面の上方に前記発光素子構造部が形成されており、
前記サファイア基板の前記主面から前記ｐ型層の前記コンタクト層までの各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなるピーク発光波長が２５０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内にある窒化物半導体紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、窒化物半導体発光素子は、サファイア等の基板上にエピタキシャル成長により複数の窒化物半導体層からなる発光素子構造を形成したものが多数存在する。窒化物半導体層は、一般式Ａｌ１－ｘ－ｙＧａｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。
【0003】
発光ダイオードの発光素子構造は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の２つのクラッド層の間に、窒化物半導体層よりなる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。活性層がＡｌＧａＮ系半導体の場合、ＡｌＮモル分率（Ａｌ組成比とも言う）を調整することにより、バンドギャップエネルギを、ＧａＮとＡｌＮが取り得るバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶと約６．２ｅＶ）を夫々下限及び上限とする範囲内で調整でき、発光波長が約２００ｎｍから約３６５ｎｍまでの紫外線発光素子が得られる。具体的には、ｐ型窒化物半導体層からｎ型窒化物半導体層に向けて順方向電流を流すことで、活性層においてキャリア（電子及び正孔）の再結合による上記バンドギャップエネルギに応じた発光が生じる。当該順方向電流を外部から供給するために、ｐ型窒化物半導体層上にｐ電極が、ｎ型窒化物半導体層上にｎ電極が、夫々設けられている。
【0004】
活性層がＡｌＧａＮ系半導体の場合、活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層は、活性層より高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮ系半導体で構成される。しかし、高ＡｌＮモル分率のｐ型窒化物半導体層は、ｐ電極と良好なオーミック接触を形成することが困難なため、ｐ型窒化物半導体層の最上層に低ＡｌＮモル分率のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体（具体的にはｐ－ＧａＮ）からなるｐ電極と良好なオーミック接触可能なｐ型コンタクト層を形成することが一般的に行われている。このｐ型コンタクト層は、ＡｌＮモル分率が活性層を構成するＡｌＧａＮ系半導体より小さいため、活性層からｐ型窒化物半導体層側に向けて出射された紫外線は該ｐ型コンタクト層で吸収され、素子外部に有効に取り出すことができない。このため、活性層がＡｌＧａＮ系半導体の一般的な紫外線発光ダイオードは、図１５に模式的に示すような素子構造を採用し、活性層からｎ型窒化物半導体層側に向けて出射された紫外線を素子外部に有効に取り出している（例えば、下記の特許文献１及び２等参照）。
【0005】
図１５に示すように、一般的な紫外線発光ダイオードは、サファイア基板等の基板１００上にＡｌＧａＮ系半導体層１０１（例えば、ＡｌＮ層）を堆積して形成されたテンプレート１０２上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３、活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０５、及び、ｐ型コンタクト層１０６を順番に堆積し、活性層１０４とｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０５とｐ型コンタクト層１０６の一部を、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３が露出するまでエッチング除去し、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３の露出面にｎ電極１０７を、ｐ型コンタクト層１０６の表面にｐ電極１０８を夫々形成して構成される。
【0006】
また、活性層内でのキャリア再結合による発光効率（内部量子効率）を高めるために、活性層を多重量子井戸構造とすること、活性層上に電子ブロック層を設けること等が実施されている。
【0007】
ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなる窒化物半導体紫外線発光素子においては、上記ｎ型層、活性層、及びｐ型層内の各半導体層は、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層となっている。尚、下記の非特許文献１，２では、上記多段状のテラスが半導体層の表面に表出した構造は、マクロステップ（ｍａｃｒｏｓｔｅｐｓ）と表現されている。
【0008】
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層で構成されるｎ型クラッド層内及びＡｌＧａＮ系半導体層で構成される多重量子井戸構造の各井戸層内では、Ｇａの偏析（Ｇａの質量移動に伴う偏析）による組成変調が生じる。この結果、当該マクロステップ構造では、ｎ型クラッド層内において、局所的にＡｌＮモル分率の低いｎ型クラッド層表面に対して斜め方向に延伸する層状領域が形成され、各井戸層内において、（０００１）面に平行な多段状の隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した局所的にＡｌＮモル分率の低い傾斜領域が形成される（下記の非特許文献１，２、特に、非特許文献１の図１及び非特許文献２の図５参照）。尚、当該傾斜領域は多数のステップ（１ユニットセルの段差）及びマクロステップ（複数ユニットセルの段差）が集合している構造であり、傾斜領域に階段状に表出する（０００１）面は、多段状のテラスのテラス面とは区別される。
【0009】
更に、局所的にＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮ系半導体層はバンドギャップエネルギが局所的に小さくなるため、ｎ型クラッド層内のキャリアは層状領域に、各井戸層内のキャリアは傾斜領域に、それぞれ局在化し易くなる。下記の非特許文献１，２では、ｎ型クラッド層内の層状領域の延長上に、各井戸層内の傾斜領域が位置しているため、層状領域が低抵抗の電流経路として機能し、ｎ型クラッド層内のキャリアを各井戸層内の傾斜領域に効率的に供給することができ、各井戸層内の傾斜領域が発光再結合の局在中心となって、窒化物半導体紫外線発光素子の内部量子効率の向上が図れることが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】国際公開第２０１４／１７８２８８号公報
【文献】国際公開第２０１６／１５７５１８号公報
【文献】国際公開第２０１９／１５９２６５号公報
【非特許文献】
【0011】
【文献】Y. Nagasawa, et al., "Comparison of AlxGa1-xNmultiple quantum wells designed for 265 and 285nm deep-ultraviolet LEDs grown on AlN templates having macrosteps", Applied Physics Express 12, 064009 (2019)
【文献】K. Kojima, et al., "Carrier localization structure combined with current micropaths in AlGaN quantum wells grown on an AlN template with macrosteps", Applied Physics letter 114, 011102 (2019)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
井戸層内におけるキャリア（電子及び正孔）の再結合による発光効率の向上を図るためには、井戸層内へのｎ型層側からのキャリア（電子）の注入と、ｐ型層側からのキャリア（正孔）の注入の両方が効率的に行われる必要がある。一般的に、ｎ型層側からの井戸層内へのキャリア（電子）の注入効率を高めるため、ｎ型クラッド層や量子バリア層のＡｌＮモル分率より高い通常８０％以上のＡｌＮモル分率の電子ブロック層が、活性層の最もｐ型層寄りの井戸層のｐ型層側に設けられている。
【0013】
電子ブロック層内においても、井戸層と同様に、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成されるため、隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域が形成される。しかしながら、従来の窒化物半導体紫外線発光素子では、電子ブロック層のＡｌＮモル分率が極めて高いため、ｎ型クラッド層及び井戸層内で生じているＧａの偏析による組成変調が電子ブロック層内では生じ難くなっており、電子ブロック層内のＡｌＮモル分率は傾斜領域とテラス領域の間で差が生じ難い。
【0014】
井戸層及び電子ブロック層の当該傾斜領域の膜厚は、ステップフロー成長におけるテラスエッジの側面の横方向への成長に伴い、井戸層及び電子ブロック層の各上面のテラスが、各下面のテラスに対して横方向に移動するため、傾斜領域以外のテラス領域の膜厚より厚くなる。
【0015】
図１６は、一例として、従来の窒化物半導体紫外線発光素子のｎ型クラッド層（ｎ－ｃｌａｄ）、３層の量子井戸層（ＱＷ）を有する活性層、及び、電子ブロック層（ＥＢ）の断面構造を示す高角散乱環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）－ＳＴＥＭ像である。ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像は、原子量に比例したコントラストが得られ、重い元素は明るく表示される。よって、ＡｌＮモル分率の低い領域は、相対的に明るく表示される。ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像は、通常のＳＴＥＭ像（明視野像）よりＡｌＮモル分率の差の観察には適している。
【0016】
図１６より、ｎ型クラッド層内に、局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域が上下方向に分散して存在し、層状領域のそれぞれが、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像の画面上において、ｎ型クラッド層の上面に対して傾斜した方向に延伸していることが分かる。更に、図１６より、活性層及び電子ブロック層内の層状領域の延伸方向と交差する箇所に、各井戸層及び電子ブロック層の傾斜領域が存在し、膜厚がテラス領域より厚くなっていることが確認できる。図１６では、ｎ型クラッド層及び井戸層内でＧａの偏析による組成変調が生じて、ｎ型クラッド層の層状領域及び井戸層の傾斜領域においてＡｌＮモル分率の低下が生じていることが確認できるが、電子ブロック層内でＧａの偏析による組成変調が生じて、電子ブロック層の傾斜領域においてＡｌＮモル分率の低下が生じていることは確認できない。
【0017】
従来の窒化物半導体紫外線発光素子において、電子ブロック層内に形成される傾斜領域において、Ｇａの偏析による組成変調が生じず、井戸層のような局所的なＡｌＮモル分率の低下が生じないこと、及び、膜厚がテラス領域より厚くなっていることが、ｐ型層側から井戸層内へのキャリア（正孔）の効率的な注入の阻害要因となり得る。この点を、図１７において模式的に説明する。
【0018】
ｐ電極とｎ電極間にフォーワードバイアスが印加されると、図１７に模式的に示すように、ｐ型コンタクト層（ｐ－ＧａＮ）から電子ブロック層（ＥＢ）内に、正孔（ｈ＋）が注入されるが、上述のように、電子ブロック層内では、傾斜領域のＡｌＮモル分率は局所的に低下しておらず、キャリア（正孔）の局在化は誘発されず、逆に、傾斜領域の膜厚が厚いため、電気抵抗が高く正孔の通過が阻害されるため、電子ブロック層内に注入された正孔は、テラス領域から井戸層内のテラス領域に到達する。一方、電子（ｅ－）は、ｎ型クラッド層側から層状領域を経由して、井戸層（ＱＷ）内の傾斜領域に到達する。電子と正孔が、井戸層の傾斜領域内の局在中心（図中、☆（星印）で図示）で発光再結合するには、井戸層内のテラス領域に到達した正孔が、傾斜領域まで拡散して到達する必要がある。しかし、正孔の拡散長は電子より短く、傾斜領域まで拡散して到達する正孔の量は限られており、井戸層内のテラス領域に到達した正孔は、一部がテラス領域内を拡散中に、点欠陥であるＡｌ空孔等の非発光再結合中心（図中、●（黒丸）で図示）に捕獲され非発光再結合するため、内部量子効率が低下するという問題がある。
【0019】
更に、ピーク発光波長が約２８５ｎｍ以上の窒化物半導体紫外線発光素子では、約２８５ｎｍ未満の場合と比較して、井戸層を構成するＡｌＧａＮ系半導体のＡｌＮモル分率が低いため、相対的に点欠陥となるＡｌ空孔が少なくなっており、井戸層内のテラス領域に到達した正孔は、傾斜領域よりＡｌＮモル分率の高いテラス領域内で発光再結合して、傾斜領域より短波長での発光が生じるという問題が生じる。具体的には、発光スペクトルにおいて波長の異なる２つの発光ピークが１つのピークに合成されず分離して現れるというダブルピーク発光が生じ、歩留まり低下の要因となる。
【0020】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及び、電子ブロック層を含むｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなるピーク発光波長が２５０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内にある窒化物半導体紫外線発光素子において、内部量子効率の低下、或いは、ダブルピーク発光の発生を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明は、上記目的を達成するために、ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなるピーク発光波長が２５０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内にある窒化物半導体紫外線発光素子であって、
前記ｎ型層がｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、
前記ｎ型層と前記ｐ型層の間に配置された前記活性層が、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された１層以上の井戸層を含む量子井戸構造を有し、
前記ｐ型層がｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、
前記ｎ型層と前記活性層と前記ｐ型層内の各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であり、
前記ｎ型層が、前記ｎ型層内で一様に分散して存在する局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域を有し、
前記ｎ型層の上面と直交する第１平面上での前記層状領域の各延伸方向が、前記ｎ型層の前記上面と前記第１平面との交線に対して傾斜している部分を有し、
前記ｐ型層が、前記ｐ型層内の最下層として、前記１層以上の井戸層の最上層の上面側に形成された電子ブロック層を有し、更に、前記ｐ型層内の最上層として、ｐ型ＧａＮ系半導体で構成されたコンタクト層を有し、
前記活性層内の各半導体層と前記電子ブロック層が、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域をそれぞれ有し、
前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率が６９％以上８９％以下であり、前記電子ブロック層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第１Ｇａ富化領域が存在し、
前記井戸層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記井戸層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第２Ｇａ富化領域が存在することを第１の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
前記ｎ型層がｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、
前記ｎ型層と前記ｐ型層の間に配置された前記活性層が、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された１層以上の井戸層を含む量子井戸構造を有し、
前記ｐ型層がｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、
前記ｎ型層と前記活性層と前記ｐ型層内の各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であり、
前記ｎ型層が、前記ｎ型層内で一様に分散して存在する局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域を有し、
前記ｎ型層の上面と直交する第１平面上での前記層状領域の各延伸方向が、前記ｎ型層の前記上面と前記第１平面との交線に対して傾斜している部分を有し、
前記ｐ型層が、前記ｐ型層内の最下層として、前記１層以上の井戸層の最上層の上面側に形成された電子ブロック層を有し、更に、前記ｐ型層内の最上層として、ｐ型ＧａＮ系半導体で構成されたコンタクト層を有し、
前記活性層内の各半導体層と前記電子ブロック層が、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域をそれぞれ有し、
前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率が６９％以上８９％以下であり、前記電子ブロック層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第１Ｇａ富化領域が存在し、
前記井戸層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記井戸層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第２Ｇａ富化領域が存在することを第１の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
【0022】
尚、ＡｌＧａＮ系半導体とは、一般式Ａｌ１－ｘＧａｘＮ（０≦ｘ≦１）で表されるが、バンドギャップエネルギがＧａＮとＡｌＮが取り得るバンドギャップエネルギを夫々下限及び上限とする範囲内であれば、ＢまたはＩｎ等の３族元素またはＰ等の５族元素等の不純物を微量に含んでいてもよい。また、ＧａＮ系半導体とは、基本的にＧａとＮで構成される窒化物半導体であるが、Ａｌ、ＢまたはＩｎ等の３族元素またはＰ等の５族元素等の不純物を微量に含んでいてもよい。また、ＡｌＮ系半導体とは、基本的にＡｌとＮで構成される窒化物半導体であるが、Ｇａ、ＢまたはＩｎ等の３族元素またはＰ等の５族元素等の不純物を微量に含んでいてもよい。従って、本願では、ＧａＮ系半導体及びＡｌＮ系半導体は、それぞれＡｌＧａＮ系半導体の一部である。
【0023】
更に、ｎ型またはｐ型ＡｌＧａＮ系半導体は、ドナーまたはアクセプタ不純物としてＳｉまたはＭｇ等がドーピングされたＡｌＧａＮ系半導体である。本願では、ｐ型及びｎ型と明記されていないＡｌＧａＮ系半導体は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体を意味するが、アンドープであっても、不可避的に混入する程度の微量のドナーまたはアクセプタ不純物は含まれ得る。また、第１平面は、前記ｎ型層の製造過程で具体的に形成された露出面や他の半導体層との境界面ではなく、前記ｎ型層内を上下方向に平行に延伸する仮想的な平面である。更に、本明細書において、ＡｌＧａＮ系半導体層、ＧａＮ系半導体層、及びＡｌＮ系半導体層は、それぞれ、ＡｌＧａＮ系半導体、ＧａＮ系半導体、及びＡｌＮ系半導体で構成された半導体層である。
【0024】
更に、電子ブロック層及び井戸層等の活性層及びｐ型層内の各半導体層におけるテラス領域のＡｌＮモル分率とは、各テラス面で生じるＧａの質量移動に起因するテラス面内でのＡｌＮモル分率の変動を均した平均的なＡｌＮモル分率を意味する。
【0025】
上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、従来の窒化物半導体紫外線発光素子と異なり、電子ブロック層の傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的にテラス領域のＡｌＮモル分率より低い第１Ｇａ富化領域が存在し、第１Ｇａ富化領域内でキャリア（正孔）の局在化が生じ得るため、電子ブロック層内に注入される正孔は、傾斜領域内にも直接注入され得る。この結果、電子ブロック層の傾斜領域内に直接注入され、テラス領域内を拡散せずに発光再結合の局在中心である井戸層の傾斜領域内に到達する正孔の量が大幅に増加し、従来の窒化物半導体紫外線発光素子において課題となっていた内部量子効率の低下、及び、ダブル発光ピークの発生を抑制することができる。
【0026】
更に、本発明は、上記第１の特徴に加えて、前記第１Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４、または、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３となっている第１準安定ｐ型領域が存在することを第２の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
【0027】
ところで、ＡｌＧａＮ系半導体で構成される紫外線発光素子は、サファイア基板等の基板上に、例えば、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法によって作製される。しかしながら、紫外線発光素子を生産する場合、紫外線発光素子の特性（発光波長、ウォールプラグ効率、順方向バイアス等の特性）は、結晶成長装置のドリフトの影響を受けて変動するため、安定した歩留まりでの生産は必ずしも容易ではない。
【0028】
結晶成長装置のドリフトは、トレーやチャンバの壁等の付着物が原因で、結晶成長部位の実効温度が変化すること等に起因して生じる。このため、ドリフトを抑制するために、従来は、成長履歴を検討して、経験者が設定温度や原料ガスの組成を微妙に変化させる、或いは、一定期間の成長スケジュールを固定して、清掃等のメンテナンスも一定期間で同じように実施する等の工夫をしているが、ドリフトを完全に排除をすることは難しい。
【0029】
上記第２の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、以下に説明するように、電子ブロック層内の第１Ｇａ富化領域に形成される後述する準安定ＡｌＧａＮで構成される第１準安定ｐ型領域を利用することで、結晶成長装置のドリフト等に起因する特性変動が抑制され、所期の発光特性を有する窒化物半導体紫外線発光素子を安定的に生産できることが期待される。
【0030】
更に、上記第２の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、電子ブロック層のテラス領域のＡｌＮモル分率が６９％～８９％の範囲内にあるので、第１Ｇａ富化領域内の第１準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６（ＡｌＮモル分率：６分の５＝８３．３％）、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４（ＡｌＮモル分率：４分の３＝７５％）、または、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）の何れであっても、第１準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比に応じて、電子ブロック層内において、テラス領域と第１準安定ｐ型領域間のＡｌＮモル分率差を約２％以上確保して、テラス領域のＡｌＮモル分率の設定範囲を調整することができる。従って、ｐ型層内のキャリア（正孔）は、電子ブロック層内においてテラス領域よりバンドギャップエネルギの小さい第１Ｇａ富化領域を含む傾斜領域内に、より安定的に局在化し、電子ブロック層内において電流は優先的に第１Ｇａ富化領域を安定的に流れることができ、窒化物半導体紫外線発光素子の特性変動の抑制が図れる。
【0031】
本明細書では、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３、Ａｌ７Ｇａ
５
Ｎ１２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６のＡｌＮモル分率をそれぞれ百分率で表記する場合、近似的に、８３．３％、６６．７％、５８．３％、４１．７％、３３．３％、１６．７％と示す。
【0032】
更に、本発明は、上記第１の特徴に加えて、前記ｐ型層が、前記電子ブロック層と前記コンタクト層の間に、１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型クラッド層を有し、
前記ｐ型クラッド層が、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域とをそれぞれ有し、
前記ｐ型クラッド層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率が５２％以上、前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率未満であり、
前記ｐ型クラッド層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記ｐ型クラッド層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第３Ｇａ富化領域が存在することを第３の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
前記ｐ型クラッド層が、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域とをそれぞれ有し、
前記ｐ型クラッド層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率が５２％以上、前記電子ブロック層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率未満であり、
前記ｐ型クラッド層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記ｐ型クラッド層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第３Ｇａ富化領域が存在することを第３の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
【0033】
上記第３の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ｐ型クラッド層の傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的にテラス領域のＡｌＮモル分率より低い第３Ｇａ富化領域が存在し、第３Ｇａ富化領域内でキャリア（正孔）の局在化が生じ得るため、ｐ型クラッド層内に注入される正孔は、傾斜領域内にも直接注入されるか、或いは、テラス領域内を拡散して傾斜領域内に到達し得る。このため、ｐ型クラッド層が設けられていない場合に、低抵抗のｐ－ＧａＮからなるｐ型コンタクト層から薄膜の電子ブロック層のテラス領域に注入され、そのまま井戸層のテラス領域に到達する正孔の一部を、ｐ型クラッド層のテラス領域から傾斜領域内に誘導し、井戸層の傾斜領域内に到達させることができ、内部量子効率の低下、及び、ダブル発光ピークの発生を更に抑制することができる。
【0034】
更に、本発明は、上記第３の特徴に加えて、前記第１Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４、または、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第１準安定ｐ型領域が存在し、
前記第３Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２であって、且つ、ＡｌＮモル分率が前記第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率未満であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第２準安定ｐ型領域が存在することを第４の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
前記第３Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２であって、且つ、ＡｌＮモル分率が前記第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率未満であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第２準安定ｐ型領域が存在することを第４の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
【0035】
上記第４の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、以下に説明するように、電子ブロック層内の第１Ｇａ富化領域に形成される後述する準安定ＡｌＧａＮで構成される第１準安定ｐ型領域と、ｐ型クラッド層内の第３Ｇａ富化領域に形成される後述する準安定ＡｌＧａＮで構成される第２準安定ｐ型領域を利用することで、結晶成長装置のドリフト等に起因する特性変動が抑制され、所期の発光特性を有する窒化物半導体紫外線発光素子を安定的に生産できることが期待される。
【0036】
更に、上記第４の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、電子ブロック層のテラス領域のＡｌＮモル分率が６９％～８９％の範囲内にあるので、第１Ｇａ富化領域内の第１準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６（ＡｌＮモル分率：６分の５＝８３．３％）、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４（ＡｌＮモル分率：４分の３＝７５％）、または、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）の何れであっても、電子ブロック層内において、第１準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比に応じて、テラス領域と第１準安定ｐ型領域間のＡｌＮモル分率差を約２％以上確保して、テラス領域のＡｌＮモル分率の設定範囲を調整することができる。更に、ｐ型クラッド層のテラス領域のＡｌＮモル分率が５２％以上、電子ブロック層のテラス領域のＡｌＮモル分率未満の範囲内にあるので、第３Ｇａ富化領域内の第２準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２（ＡｌＮモル分率：１２分の７＝５８．３％）、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２（ＡｌＮモル分率：２分の１＝５０％）の何れであっても、ｐ型クラッド層内において、第２準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比に応じて、テラス領域と第２準安定ｐ型領域間のＡｌＮモル分率差を約２％以上確保して、テラス領域のＡｌＮモル分率の設定範囲を調整することができる。従って、ｐ型層内のキャリア（正孔）は、ｐ型クラッド層内においてテラス領域よりバンドギャップエネルギの小さい第３Ｇａ富化領域を含む傾斜領域内に、より安定的に局在化し、電子ブロック層内においてテラス領域よりバンドギャップエネルギの小さい第１Ｇａ富化領域を含む傾斜領域内に、より安定的に局在化し、ｐ型クラッド層内及び電子ブロック層内において電流は優先的に第３Ｇａ富化領域及び第１Ｇａ富化領域を安定的に流れることができ、窒化物半導体紫外線発光素子の特性変動の抑制が図れる。
【0037】
ここで、ＡｌＧａＮ組成比が所定の整数比で表される「準安定ＡｌＧａＮ」について説明する。
【0038】
通常、ＡｌＧａＮ等の三元混晶は、ランダムに３族元素（ＡｌとＧａ）が混合している結晶状態であり、「ランダム・ノンユニフォーミティ（ｒａｎｄｏｍ ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）」で近似的に説明される。しかし、Ａｌの共有結合半径とＧａの共有結合半径が異なるため、結晶構造中においてＡｌとＧａの原子配列の対称性が高いほうが、一般的に安定な構造となる。
【0039】
ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体は、対称性のないランダム配列と安定な対称配列の２種類の配列が存在し得る。ここで、一定の比率で、対称配列が支配的となる状態が現れる。後述するＡｌＧａＮ組成比（ＡｌとＧａとＮの組成比）が所定の整数比で表される「準安定ＡｌＧａＮ」において、ＡｌとＧａの周期的な対称配列構造が発現する。
【0040】
当該周期的な対称配列構造では、結晶成長面へのＧａ供給量が僅かに増減しても、対称性が高いためにエネルギ的に若干安定な混晶モル分率となり、質量移動（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ）し易いＧａが極端に増える場所の増殖を防ぐことができる。つまり、ｐ型層内の第１及び第２Ｇａ富化領域に形成される「準安定ＡｌＧａＮ」である第１及び第２準安定ｐ型領域の性質を利用することで、ＡｌＧａＮ系半導体として、結晶成長装置のドリフト等に起因する混晶モル分率の変動が生じても、後述するように活性層に対して低抵抗の電流経路を提供する電子ブロック層及びｐ型クラッド層の傾斜領域における混晶モル分率の変動が局所的に抑制される。この結果、ｐ型層から活性層内への安定したキャリア供給が実現でき、デバイス特性の変動が抑制される結果、所期の特性を奏する窒化物半導体紫外線発光素子を安定的に生産できることが期待される。
【0041】
次に、ＡｌとＧａが（０００１）面内で周期的な対称配列となり得るＡｌＧａＮ組成比について説明する。
【0042】
図１に、ＡｌＧａＮのｃ軸方向に１ユニットセル（２単原子層）の模式図を示す。図１において、白丸は３族元素の原子（Ａｌ，Ｇａ）が位置するサイトを示し、黒丸は５族元素の原子（Ｎ）が位置するサイトを示している。
【0043】
図１において六角形で示される３族元素のサイト面（Ａ３面、Ｂ３面）、及び、５族元素のサイト面（Ａ５面、Ｂ５面）は、何れも（０００１）面に平行である。Ａ３面とＡ５面（総称してＡ面）の各サイトには、六角形の各頂点に６つ、六角形の中心に１つのサイトが存在する。Ｂ３面とＢ５面（総称してＢ面）についても同様であるが、図１では、Ｂ面の六角形内に存在する３つのサイトだけを図示している。Ａ面の各サイトはｃ軸方向に重なっており、Ｂ面の各サイトはｃ軸方向に重なっている。しかし、Ｂ５面の１つのサイトの原子（Ｎ）は、Ｂ５面の上側に位置するＡ３面の３つのサイトの原子（Ａｌ，Ｇａ）と、Ｂ５面の下側に位置するＢ３面の１つのサイトの原子（Ａｌ，Ｇａ）と４配位結合を形成し、Ｂ３面の１つのサイトの原子（Ａｌ，Ｇａ）は、Ｂ３面の上側に位置するＢ５面の１つのサイトの原子（Ｎ）と、Ｂ３面の下側に位置するＡ５面の３つのサイトの原子（Ｎ）と４配位結合を形成しているため、図１に示すように、Ａ面の各サイトは、Ｂ面の各サイトとはｃ軸方向に重なっていない。
【0044】
図２は、Ａ面の各サイトとＢ面の各サイトとの間の位置関係を、ｃ軸方向から見た平面図として図示したものである。Ａ面及びＢ面ともに、六角形の６つの各頂点は、隣接する他の２つの六角形により共有され、中心のサイトは他の六角形とは共有されないため、１つの六角形内には、実質的に３原子分のサイトが存在する。従って、１ユニットセル当たり、３族元素の原子（Ａｌ，Ｇａ）のサイトが６つ、５族元素の原子（Ｎ）のサイトが６つ存在する。従って、ＧａＮとＡｌＮを除く整数比で表されるＡｌＧａＮ組成比としては、以下の５つのケースが存在する。
１）Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６、
２）Ａｌ２Ｇａ４Ｎ６（＝Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３）、
３）Ａｌ３Ｇａ３Ｎ６（＝Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２）、
４）Ａｌ４Ｇａ２Ｎ６（＝Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３）、
５）Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６。
１）Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６、
２）Ａｌ２Ｇａ４Ｎ６（＝Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３）、
３）Ａｌ３Ｇａ３Ｎ６（＝Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２）、
４）Ａｌ４Ｇａ２Ｎ６（＝Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３）、
５）Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６。
【0045】
図３に、上記５つの組み合わせの３族元素のＡ３面とＢ３面を模式的に示す。Ｇａが黒丸、Ａｌが白丸で示されている。
【0046】
図３（Ａ）に示すＡｌ１Ｇａ５Ｎ６の場合、Ａ３面の６つの頂点サイトとＢ３面の６つの頂点サイトと１つの中心サイトにＧａが位置し、Ａ３面の１つの中心サイトにＡｌが位置している。
【0047】
図３（Ｂ）に示すＡｌ１Ｇａ２Ｎ３の場合、Ａ３面及びＢ３面の３つの頂点サイトと１つの中心サイトにＧａが位置し、Ａ３面及びＢ３面の３つの頂点サイトにＡｌが位置している。
【0048】
図３（Ｃ）に示すＡｌ１Ｇａ１Ｎ２の場合、Ａ３面の３つの頂点サイトと１つの中心サイトとＢ３面の３つの頂点サイトにＧａが位置し、Ａ３面の３つの頂点サイトとＢ３面の３つの頂点サイトと１つの中心サイトにＡｌが位置している。
【0049】
図３（Ｄ）に示すＡｌ２Ｇａ１Ｎ３の場合、Ａ３面及びＢ３面の３つの頂点サイトにＧａが位置し、Ａ３面及びＢ３面の３つの頂点サイトと１つの中心サイトにＡｌが位置している。これは、図３（Ｂ）に示すＡｌ１Ｇａ２Ｎ３の場合のＡｌとＧａの位置を入れ替えたものに等しい。
【0050】
図３（Ｅ）に示すＡｌ５Ｇａ１Ｎ６の場合、Ａ３面の１つの中心サイトにＧａが位置し、Ａ３面の６つの頂点サイトとＢ３面の６つの頂点サイトと１つの中心サイトにＡｌが位置している。これは、図３（Ａ）に示すＡｌ１Ｇａ５Ｎ６の場合のＡｌとＧａの位置を入れ替えたものに等しい。
【0051】
図３（Ａ）～（Ｅ）の各図において、六角形の６つの頂点の何れか１つに中心が移動した別の六角形を想定すると、Ａ３面の６つの頂点サイトにＡｌまたはＧａが位置していることと、Ａ３面の３つの頂点サイトと１つの中心サイトにＡｌまたはＧａが位置していることと等価であり、Ａ３面の１つの中心サイトにＡｌまたはＧａが位置していることは、Ａ３面の３つの頂点サイトにＡｌまたはＧａが位置していることと等価であることが分かる。Ｂ３面についても同様である。また、図３（Ａ），（Ｃ）及び（Ｅ）の各図において、Ａ３面とＢ３面は入れ替わってもよい。
【0052】
図３（Ａ）～（Ｅ）の各図において、Ａ３面とＢ３面の何れにおいても、ＡｌとＧａの原子配列は対称性が維持されている。また、六角形の中心を移動させても、ＡｌとＧａの原子配列は対称性が維持されている。
【0053】
更に、図３（Ａ）～（Ｅ）のＡ３面とＢ３面において、六角形のサイト面をハニカム状に繰り返して配置すると、（０００１）面に平行な方向、例えば、［１１－２０］方向、［１０－１０］方向に各サイトを見ると、ＡｌとＧａが周期的に繰り返されて位置しているか、ＡｌとＧａの何れか一方が連続して位置している状態が出現する。従って、何れも、周期的で対称的な原子配列となることが分かる。
【0054】
ここで、上記１）～５）のＡｌＧａＮ組成比に対応するＡｌＮモル分率ｘ１（ｘ１＝１／６，１／３，１／２，２／３，５／６）のＡｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎを、説明の便宜上、「第１の準安定ＡｌＧａＮ」と称する。第１の準安定ＡｌＧａＮは、ＡｌとＧａの原子配列が周期的な対称配列となり、エネルギ的に安定なＡｌＧａＮとなる。
【0055】
次に、図１に示す六角形で示されるサイト面を２ユニットセル（４単原子層）に拡張すると、３族元素のサイト面（Ａ３面、Ｂ３面）と５族元素のサイト面（Ａ５面、Ｂ５面）がそれぞれ２面ずつ存在することになり、２ユニットセル当たり、３族元素の原子（Ａｌ，Ｇａ）のサイトが１２個、５族元素の原子（Ｎ）のサイトが１２個存在することになる。従って、ＧａＮとＡｌＮを除く整数比で表されるＡｌＧａＮ組成比としては、上記１）～５）のＡｌＧａＮ組成比以外に、以下の６つの組み合わせが存在する。
６） Ａｌ１Ｇａ１１Ｎ１２（＝ＧａＮ＋Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６）、
７） Ａｌ３Ｇａ９Ｎ１２（＝Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４＝Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６＋Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３）、
８） Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２（＝Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３＋Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２）、
９） Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２（＝Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２＋Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３）、
１０）Ａｌ９Ｇａ３Ｎ１２（＝Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４＝Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３＋Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６）、
１１）Ａｌ１１Ｇａ１Ｎ１２（＝Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６＋ＡｌＮ）。
６） Ａｌ１Ｇａ１１Ｎ１２（＝ＧａＮ＋Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６）、
７） Ａｌ３Ｇａ９Ｎ１２（＝Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４＝Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６＋Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３）、
８） Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２（＝Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３＋Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２）、
９） Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２（＝Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２＋Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３）、
１０）Ａｌ９Ｇａ３Ｎ１２（＝Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４＝Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３＋Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６）、
１１）Ａｌ１１Ｇａ１Ｎ１２（＝Ａｌ５Ｇａ１Ｎ６＋ＡｌＮ）。
【0056】
しかし、これら６）～１１）の６つのＡｌＧａＮ組成比は、その前後に位置する第１の準安定ＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＡｌＮの内の２つのＡｌＧａＮ組成比を組み合わせたものとなるため、ｃ軸方向の対称性が乱れる可能性が高いため、第１の準安定ＡｌＧａＮより安定度は低下するが、Ａ３面及びＢ３面内でのＡｌとＧａの原子配列の対称性は、第１の準安定ＡｌＧａＮと同じであるので、ランダムな非対称配列状態のＡｌＧａＮよりは安定度は高い。ここで、上記６）～１１）のＡｌＧａＮ組成比に対応するＡｌＮモル分率ｘ２（ｘ２＝１／１２，１／４，５／１２，７／１２，３／４，１１／１２）のＡｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎを、説明の便宜上、「第２の準安定ＡｌＧａＮ」と称する。以上より、第１及び第２の準安定ＡｌＧａＮは、結晶構造中におけるＡｌとＧａの原子配列の対称性により安定な構造となる。以下、第１及び第２の準安定ＡｌＧａＮを「準安定ＡｌＧａＮ」と総称する。
【0057】
ＡｌＧａＮを一定の結晶品質を維持して成長させるには、１０００℃以上の高温で結晶成長を行う必要がある。しかしながら、Ｇａは、結晶表面のサイトに原子が到達した後も、１０００℃以上では動き回ることが想定される。一方、Ａｌは、Ｇａと異なり、表面に吸着し易く、サイトに入った後の移動も、多少は動くと考えられるが制限が強い。
【0058】
従って、準安定ＡｌＧａＮであっても、上記１）のＡｌ１Ｇａ５Ｎ６、上記６）のＡｌ１Ｇａ１１Ｎ１２、及び、上記７）のＡｌ１Ｇａ３Ｎ４は、何れもＡｌＮモル分率が２５％以下で、Ｇａの組成比が高いため、１０００℃付近の成長温度では、Ｇａの移動が激しく、原子配列の対称性が乱れ、ＡｌとＧａの原子配列はランダムな状態に近くなり、上述の安定度が、他の準安定ＡｌＧａＮと比べて低下すると考えられる。
【0059】
更に、本発明は、上記第２または第４の特徴に加えて、前記第１Ｇａ富化領域内の前記第１準安定ｐ型領域が、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６、または、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成されている場合、前記井戸層の前記第２Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４である準安定ＡｌＧａＮで構成された準安定井戸領域が存在し、
前記第１Ｇａ富化領域内の前記第１準安定ｐ型領域が、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成されている場合、前記井戸層の前記第２Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４である準安定ＡｌＧａＮで構成された準安定井戸領域が存在することを第５の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
前記第１Ｇａ富化領域内の前記第１準安定ｐ型領域が、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成されている場合、前記井戸層の前記第２Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４である準安定ＡｌＧａＮで構成された準安定井戸領域が存在することを第５の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
【0060】
上記第５の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、井戸層内の第２Ｇａ富化領域に形成される上述した準安定ＡｌＧａＮで構成される準安定井戸領域を利用することで、結晶成長装置のドリフト等に起因する特性変動が抑制され、所期の発光特性を有する窒化物半導体紫外線発光素子を安定的に生産できることが期待される。
【0061】
更に、上記第５の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、第１Ｇａ富化領域内に安定的に形成されるＡｌＮモル分率が８３．３％、７５％、または、６６．７％の準安定ＡｌＧａＮに応じて、ピーク発光波長が２５０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内となる第２Ｇａ富化領域内に形成される準安定ＡｌＧａＮの好適な組み合わせとして、ＡｌＧａＮ組成比がＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４、または、Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６の５つの準安定ＡｌＧａＮの何れか１つが存在する。つまり、ピーク発光波長の目標値に応じて、上記５つの準安定ＡｌＧａＮの何れかを選択し得る。５つの準安定ＡｌＧａＮの内、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、及び、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３がそれぞれ取り得るピーク発光波長の詳細については後述する。
【0062】
第２Ｇａ富化領域内に、ＡｌＧａＮ組成比がＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４、または、Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６である準安定ＡｌＧａＮが存在することで、第２Ｇａ富化領域内へのＧａ供給量の変動が、当該準安定ＡｌＧａＮにおいて吸収される。つまり、第２Ｇａ富化領域内において、Ｇａ供給量が増加すると準安定ＡｌＧａＮが増加し、Ｇａ供給量が減少すると準安定ＡｌＧａＮが減少し、結果として、第２Ｇａ富化領域内のＡｌＮモル分率の変動が抑制される。従って、第２Ｇａ富化領域内において、結晶成長装置のドリフト等に起因するＧａ供給量の変動を吸収して、ＡｌＧａＮ組成比がＡｌ１Ｇａ１Ｎ２（ＡｌＮモル分率が５０％（２分の１））、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２（ＡｌＮモル分率が４１．７％（１２分の５））、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３（ＡｌＮモル分率が３３．３％（３分の１））、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４（ＡｌＮモル分率が２５％（４分の１））、または、Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６（ＡｌＮモル分率が１６．７％（６分の１））の準安定ＡｌＧａＮが安定的に形成される。つまり、当該Ｇａ供給量の変動に対して、第２Ｇａ富化領域内のＡｌＮモル分率の変動が抑制される。
【0063】
更に、本発明は、上記第１乃至第５の何れかの特徴に加えて、前記活性層が、２層以上の前記井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、２層の前記井戸層間にＡｌＧａＮ系半導体で構成されたバリア層が存在することを第６の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
【0064】
上記第６の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層が多重量子井戸構造となり、井戸層が１層だけの場合に比べて発光効率の向上が期待できる。
【0065】
更に、上記第６の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記バリア層が、ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、前記多段状のテラスの隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域と、前記傾斜領域以外のテラス領域とをそれぞれ有し、
前記バリア層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記バリア層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第４Ｇａ富化領域が存在することが好ましい。
前記バリア層の前記傾斜領域内に、ＡｌＮモル分率が局所的に前記バリア層の前記テラス領域のＡｌＮモル分率より低い第４Ｇａ富化領域が存在することが好ましい。
【0066】
上記好適な実施態様により、バリア層においても、電子ブロック層の第１Ｇａ富化領域、井戸層の第２Ｇａ富化領域、及び、ｐ型クラッド層の第３Ｇａ富化領域と同様に、第４Ｇａ富化領域においてキャリアの局在化が生じ得る。従って、井戸層において発光の集中している傾斜領域の第２Ｇａ富化領域に向けて、ｐ型層及びｎ型層からキャリア（正孔及び電子）をそれぞれ供給する際に、バリア層の第４Ｇａ富化領域を経由して、効率的に行うことができる。
【0067】
ここで、井戸層が２層以上の多重量子井戸構造では、最もｐ型層側の井戸層において発光強度が大きいため、当該井戸層のｎ型層側のバリア層において、第４Ｇａ富化領域が形成されていることで、上述のキャリアの井戸層への供給をより効率的に行うことができる。
【0068】
更に、上記第１乃至第６の何れかの特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、サファイア基板を含む下地部を、さらに備え、前記サファイア基板は、（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した主面を有し、当該主面の上方に前記発光素子構造部が形成されており、
前記サファイア基板の前記主面から前記ｐ型層の前記コンタクト層までの各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であることが好ましい。
前記サファイア基板の前記主面から前記ｐ型層の前記コンタクト層までの各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であることが好ましい。
【0069】
上記好適な実施態様により、オフ角を有するサファイア基板を用いて、サファイア基板の主面からｐ型層のコンタクト層までの各層の表面に多段状のテラスが表出するようにエピタキシャル成長を行うことができ、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子を実現できる。
【発明の効果】
【0070】
上記何れかの特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ｐ型層側から井戸層内への正孔の供給が、電子ブロック層の傾斜領域を経由して効率的に行うことができ、発光再結合の局在中心である井戸層の傾斜領域内に到達する正孔の量が大幅に増加し、従来の窒化物半導体紫外線発光素子において課題となっていた内部量子効率の低下、及び、ダブル発光ピークの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】ＡｌＧａＮのウルツ鉱結晶構造を模式的に示す図。
【図3】整数比で表されるＡｌＧａＮ組成比の５つの組み合わせのそれぞれにおけるＡ３面とＢ３面でのＡｌとＧａの配置を模式的に示す図。
【図4】第１実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図。
【図6】第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率が５０％の場合における、ＡｌＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮバリア層からなる量子井戸構造の発光波長と、井戸層の膜厚及びバリア層のＡｌＮモル分率との関係を示すグラフ。
【図7】第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率が４１．７％の場合における、ＡｌＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮバリア層からなる量子井戸構造の発光波長と、井戸層の膜厚及びバリア層のＡｌＮモル分率との関係を示すグラフ。
【図8】第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率が３３．３％の場合における、ＡｌＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮバリア層からなる量子井戸構造の発光波長と、井戸層の膜厚及びバリア層のＡｌＮモル分率との関係を示すグラフ。
【図9】ＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮバリア層からなる量子井戸構造の発光波長と、井戸層の膜厚及びバリア層のＡｌＮモル分率との関係を示すグラフ。
【図11】第１実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の井戸層及び電子ブロック層内でのキャリアの挙動を模式的に説明する図。
【図12】第２実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図。
【図14】第２実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の井戸層、電子ブロック層、及び、ｐ型クラッド層内でのキャリアの挙動を模式的に説明する図。
【図15】一般的な紫外線発光ダイオードの素子構造の一例を模式的に示した要部断面図。
【図16】従来の窒化物半導体紫外線発光素子のｎ型クラッド層、活性層、及び、電子ブロック層内の断面構造を示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像。
【図17】従来の窒化物半導体紫外線発光素子の井戸層及び電子ブロック層内でのキャリアの挙動を模式的に説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0072】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子（以下、単に「発光素子」と略称する。）につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で使用する図面の模式図では、説明の理解の容易のために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。以下、本実施形態では、発光素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
【0073】
［第１実施形態］
＜発光素子の素子構造＞
図４に示すように、第１実施形態の発光素子１は、サファイア基板１１を含む下地部１０と、複数のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４、ｐ電極２６、及び、ｎ電極２７を含む発光素子構造部２０とを備える。発光素子１は、実装用の基台（サブマウント等）に発光素子構造部２０側（図４における図中上側）を向けて実装される（フリップチップ実装される）ものであり、光の取出方向は下地部１０側（図４における図中下側）である。尚、本明細書では、説明の便宜上、サファイア基板１１の主面１１ａ（または、下地部１０及び各ＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４の上面）に垂直な方向を「上下方向」（または、「縦方向」）と称し、下地部１０から発光素子構造部２０に向かう方向を上方向、その逆を下方向とする。また、上下方向に平行な平面を「第１平面」と称す。更に、サファイア基板１１の主面１１ａ（または、下地部１０及び各ＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４の上面）に平行な平面を「第２平面」と称し、該第２平面に平行な方向を「横方向」と称す。
＜発光素子の素子構造＞
図４に示すように、第１実施形態の発光素子１は、サファイア基板１１を含む下地部１０と、複数のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４、ｐ電極２６、及び、ｎ電極２７を含む発光素子構造部２０とを備える。発光素子１は、実装用の基台（サブマウント等）に発光素子構造部２０側（図４における図中上側）を向けて実装される（フリップチップ実装される）ものであり、光の取出方向は下地部１０側（図４における図中下側）である。尚、本明細書では、説明の便宜上、サファイア基板１１の主面１１ａ（または、下地部１０及び各ＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４の上面）に垂直な方向を「上下方向」（または、「縦方向」）と称し、下地部１０から発光素子構造部２０に向かう方向を上方向、その逆を下方向とする。また、上下方向に平行な平面を「第１平面」と称す。更に、サファイア基板１１の主面１１ａ（または、下地部１０及び各ＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４の上面）に平行な平面を「第２平面」と称し、該第２平面に平行な方向を「横方向」と称す。
【0074】
下地部１０は、サファイア基板１１と、サファイア基板１１の主面１１ａ上に直接形成されたＡｌＮ層１２を備えて構成される。サファイア基板１１は、主面１１ａが（０００１）面に対して一定の範囲内（例えば、０度から６度程度まで）の角度（オフ角）で傾斜し、主面１１ａ上に多段状のテラスが表出している微傾斜基板である。
【0075】
ＡｌＮ層１２は、サファイア基板１１の主面からエピタキシャル成長したＡｌＮ結晶で構成され、このＡｌＮ結晶はサファイア基板１１の主面１１ａに対してエピタキシャルな結晶方位関係を有している。具体的には、例えば、サファイア基板１１のＣ軸方向（＜０００１＞方向）とＡｌＮ結晶のＣ軸方向が揃うように、ＡｌＮ結晶が成長する。尚、ＡｌＮ層１２を構成するＡｌＮ結晶は、微量のＧａやその他の不純物を含んでいてもよいＡｌＮ系半導体層であってもよい。本実施形態では、ＡｌＮ層１２の膜厚として、２μｍ～３μｍ程度を想定している。尚、下地部１０の構造及び使用する基板等は、上述した構成に限定されるものではない。例えば、ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ系半導体層２１の間に、ＡｌＮモル分率が当該ＡｌＧａＮ系半導体層２１のＡｌＮモル分率以上のＡｌＧａＮ系半導体層を備えていてもよい。
【0076】
発光素子構造部２０のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４は、下地部１０側から順に、ｎ型クラッド層２１（ｎ型層）、活性層２２、電子ブロック層２３（ｐ型層）、及び、ｐ型コンタクト層２４（ｐ型層）を順にエピタキシャル成長させて積層した構造を備えている。
【0077】
本実施形態では、サファイア基板１１の主面１１ａから順番にエピタキシャル成長した下地部１０のＡｌＮ層１２、及び、発光素子構造部２０のｎ型クラッド層２１と活性層２２内の各半導体層と電子ブロック層２３は、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有する。尚、ｐ型層のｐ型コンタクト層２４については、電子ブロック層２３上にエピタキシャル成長により形成されるため、同様の多段状のテラスが形成され得るが、必ずしも同様の多段状のテラスが形成された表面を有していなくてもよい。
【0078】
尚、図４に示すように、発光素子構造部２０の内、活性層２２、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４は、ｎ型クラッド層２１の上面の第２領域Ｒ２上に積層された部分が、エッチング等によって除去され、ｎ型クラッド層２１の上面の第１領域Ｒ１上に形成されている。そして、ｎ型クラッド層２１の上面は、第１領域Ｒ１を除く第２領域Ｒ２において露出している。ｎ型クラッド層２１の上面は、図４に模式的に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２間で高さが異なっている場合があり、その場合は、ｎ型クラッド層２１の上面は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２において個別に規定される。
【0079】
ｎ型クラッド層２１は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、ｎ型クラッド層２１内に、ｎ型クラッド層２１内で局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域２１ａが一様に分散して存在する。層状領域２１ａは、背景技術の欄で上述したように、バンドギャップエネルギが局所的に小さくなるため、キャリアが局在化し易くなり、低抵抗の電流経路として機能する。ｎ型クラッド層２１内の層状領域２１ａ以外の領域を、ｎ型本体領域２１ｂと称す。層状領域２１ａ内のＡｌＮモル分率は、ｎ型本体領域２１ｂからのＧａの質量移動によって、ｎ型本体領域２１ｂのＡｌＮモル分率より低くなっている。
【0080】
本実施形態では、ｎ型クラッド層２１の膜厚として、一般的な窒化物半導体紫外線発光素子で採用されている膜厚と同様に、１μｍ～２μｍ程度を想定しているが、当該膜厚は、２μｍ～４μｍ程度であってもよい。
【0081】
ｎ型クラッド層２１の層状領域２１ａは、図４中において、１つの層が２重線で模式的に示されているように、複数層が上下方向に離間して存在する。また、上下方向に平行な１つの第１平面（例えば、図４に示されている断面）で、層状領域２１ａの少なくとも一部の延伸方向が横方向（第１平面と第２平面との交線の延伸方向）に対して傾斜している。層状領域２１ａの上記特徴は、図１６に示す従来の窒化物半導体紫外線発光素子のｎ型クラッド層のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像においても確認される。
【0082】
尚、図４に示す第１平面上では、層状領域２１ａの各層は、模式的に平行な線（２重線）で図示されているが、該延伸方向と横方向の成す傾斜角は、各層状領域２１ａ間で、必ずしも同じではなく、同じ層状領域２１ａ内でも位置によって変化し得るため、第１平面上の層状領域２１ａは必ずしも直線状に延伸しているとは限らない。また、該傾斜角は、第１平面の向きによっても変化する。従って、層状領域２１ａの一部が、第１平面上において、他の層状領域２１ａと交差、または、他の層状領域２１ａから分岐することもあり得る。
【0083】
また、層状領域２１ａは、図４中の第１平面上では、夫々、１本の線（２重線）で示されているが、該第１平面に垂直な方向にも、第２平面に平行または傾斜して延伸しており、２次元的な広がりを有している。従って、複数の層状領域２１ａは、ｎ型クラッド層２１内の複数の第２平面上では、縞状に存在する。
【0084】
層状領域２１ａは、上述のように、ｎ型クラッド層２１内において局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域である。つまり、層状領域２１ａのＡｌＮモル分率が、ｎ型本体領域２１ｂのＡｌＮモル分率に対して相対的に低くなっている。また、層状領域２１ａとｎ型本体領域２１ｂの境界近傍において、両領域のＡｌＮモル分率が漸近的に連続している場合、両領域間の境界は明確に規定できない。
【0085】
ｎ型クラッド層２１内の層状領域２１ａのＡｌＮモル分率は、後述するように、井戸層２２０内のＡｌＮモル分率に応じて設定され、井戸層２２０内のＡｌＮモル分率は、ピーク発光波長の目標値に応じて設定される。
【0086】
ｎ型本体領域２１ｂのＡｌＮモル分率は、層状領域２１ａのＡｌＮモル分率より、１．５％以上、好ましくは２％以上、より好ましくは４％以上、高くなるように設定される。層状領域２１ａにおけるキャリアの局在化の効果を十分に確保するために、ｎ型クラッド層２１内の層状領域２１ａとｎ型本体領域２１ｂのＡｌＮモル分率差を４～５％以上とするのが好ましいが、当該キャリアの局在化は、１．５％～２％以上のＡｌＮモル分率差があれば安定的に実現できる。
【0087】
更に、好ましい一実施態様として、層状領域２１ａ内に、井戸層２２０内のＡｌＮモル分率に応じて、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ３Ｇａ１Ｎ４（ＡｌＮモル分率：４分の３＝７５％）、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２（ＡｌＮモル分率：１２分の７＝５８．３％）、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２（ＡｌＮモル分率：２分の１＝５０％）となっている準安定ＡｌＧａＮのｎ型ＡｌＧａＮ領域が支配的に存在している。以下、層状領域２１ａ内に存在するＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ３Ｇａ１Ｎ４、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２となっている準安定ＡｌＧａＮのｎ型ＡｌＧａＮ領域を「準安定ｎ型領域」と称する。尚、一実施態様として、層状領域２１ａ内に準安定ｎ型領域が支配的に存在していることが好ましいが、層状領域２１ａ内には、ＡｌＮモル分率が、準安定ｎ型領域とｎ型本体領域の各ＡｌＮモル分率の中間的なＡｌＮモル分率となっている領域が含まれていても良く、層状領域２１ａの一部において、当該中間的なＡｌＮモル分率の領域が多く含まれていても良い。
【0088】
層状領域２１ａ内に上記ＡｌＧａＮ組成比の準安定ｎ型領域が支配的に存在する場合において、ｎ型本体領域のＡｌＮモル分率（ｎ型本体領域内で生じるＧａの質量移動に起因するＡｌＮモル分率の変動を均した平均的なＡｌＮモル分率）は、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率が７５％の場合、７７％～８２％の範囲内、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率が６６．７％の場合、６９％～７４％の範囲内、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率が５８．３％の場合、６０％～６６％の範囲内、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率が５０％の場合、５２％～５７％の範囲内に調整されるのが好ましい。斯かる好ましい実施態様により、ｎ型クラッド層２１の層状領域２１ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差として約２％以上が確保される。尚、ｎ型本体領域のＡｌＮモル分率は、上記４通りの好ましい範囲内から外れていても、ｎ型クラッド層２１内にキャリアの局在化が可能な層状領域２１ａが形成される限りにおいて、概ね５１％～８３％の範囲内において、井戸層２２０内のＡｌＮモル分率に応じた任意の値を取り得る。
【0089】
活性層２２は、ＡｌＧａＮ系半導体で構成される２層以上の井戸層２２０と、ＡｌＧａＮ系半導体またはＡｌＮ系半導体で構成される１層以上のバリア層２２１を交互に積層した多重量子井戸構造を備える。最下層の井戸層２２０とｎ型クラッド層２１の間には、バリア層２２１を必ずしも設ける必要はない。また、本実施形態では、好ましい実施態様として、最上層の井戸層２２０と電子ブロック層２３の間には、バリア層２２１を設けていないが、バリア層２２１より薄膜でＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層を設けても構わない。
【0090】
電子ブロック層２３は、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体またはｐ型ＧａＮ系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２４は、典型的にはｐ－ＧａＮで構成される。
【0091】
図５に、活性層２２における井戸層２２０及びバリア層２２１の積層構造（多重量子井戸構造）の一例を模式的に示す。図５では、井戸層２２０が３層でバリア層２２１が２層の場合を例示する。最上層の井戸層２２０は電子ブロック層２３と上側のバリア層２２１の間に、中間の井戸層２２０は上側と下側のバリア層２２１の間に、最下層の井戸層２２０は下側のバリア層２２１とｎ型クラッド層２１の間に、それぞれ位置している。
【0092】
図５に示される井戸層２２０、バリア層２２１、及び、電子ブロック層２３におけるテラスＴが多段状に成長する構造は、上記非特許文献１及び２に開示されているように、公知の構造である。各層において横方向に隣接するテラスＴ間には、上述したように、（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域ＩＡが形成されている。傾斜領域ＩＡ以外の上下がテラスＴで挟まれた領域を、テラス領域ＴＡと称す。本実施形態では、１つのテラスＴの奥行（隣接する傾斜領域ＩＡ間の距離）は数１０ｎｍ～数１００ｎｍが想定される。従って、傾斜領域ＩＡ内に階段状に表出する（０００１）面は、多段状のテラスＴのテラス面とは区別される。
【0093】
図５に模式的に示すように、電子ブロック層２３において、傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第１Ｇａ富化領域２３ａが形成され、井戸層２２０の各層において、傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第２Ｇａ富化領域２２０ａが形成されている。バリア層２２１がＡｌＧａＮ系半導体で構成され、ＡｌＮモル分率が１００％でない場合は、バリア層２２１の各層においても、電子ブロック層２３及び井戸層２２０と同様に、傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第４Ｇａ富化領域２２１ａが形成されている。電子ブロック層２３、井戸層２２０、及び、バリア層２２１の各層において、テラス領域ＴＡから傾斜領域ＩＡへのＧａの質量移動により、それぞれの傾斜領域ＩＡ内に、局所的にＡｌＮモル分率の低い、第１Ｇａ富化領域２３ａ、第２Ｇａ富化領域２２０ａ、及び、第４Ｇａ富化領域２２１ａが形成されている。
【0094】
本実施形態では、電子ブロック層２３の膜厚は、テラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡを含めて、例えば、１５ｎｍ～３０ｎｍの範囲内（最適値は約２０ｎｍ）で設定されている。井戸層２２０の膜厚は、テラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡを含めて、例えば、１．５ユニットセル～７ユニットセルの範囲内で発光素子１のピーク発光波長の目標値に応じて設定されている。また、バリア層２２１の膜厚は、テラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡを含めて、例えば、６ｎｍ～８ｎｍの範囲内で発光素子１のピーク発光波長の目標値に応じて設定されている。
【0095】
井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率は、発光素子１のピーク発光波長の目標値に応じて設定されている。好ましい実施態様として、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａには、ピーク発光波長の目標値に応じて、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４である準安定ＡｌＧａＮ、つまり、ＡｌＮモル分率が５０％（２分の１）、４１．７％（１２分の５）、３３．３％（３分の１）、または、２５％（４分の１）の準安定ＡｌＧａＮからなる準安定井戸領域が形成されている。尚、一実施態様として、第２Ｇａ富化領域２２０ａ内に準安定井戸領域が支配的に存在していることが好ましいが、第２Ｇａ富化領域２２０ａ内には、ＡｌＮモル分率が、準安定井戸領域と井戸層２２０のテラス領域ＴＡの各ＡｌＮモル分率の中間的なＡｌＮモル分率となっている領域が含まれていても良く、斯かる場合においても、井戸層２２０の傾斜領域ＩＡ内においてキャリアの局在化は生じ得る。
【0096】
図６、図７及び図８は、井戸層２２０及びバリア層２２１がＡｌＧａＮで構成された量子井戸構造モデルに対して、井戸層の膜厚を３ＭＬ（単原子層）～１４ＭＬ（１．５ユニットセル～７ユニットセル）または４ＭＬ～１４ＭＬ（２ユニットセル～７ユニットセル）の範囲内で変化させて得られる発光波長のシミュレーション結果（ピーク発光波長に相当）をグラフ化したものである。上記シミュレーションの条件として、図６では、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率を、準安定井戸領域のＡｌＮモル分率である５０％（２分の１）とし、図７では、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率を、準安定井戸領域のＡｌＮモル分率である４１．７％（１２分の５）とし、図８では、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率を、準安定井戸領域のＡｌＮモル分率である３３．３％（３分の１）とし、図６～図８のそれぞれにおいて、バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａのＡｌＮモル分率を、６６．７％（３分の２）、７５％（４分の３）、及び、８３．３％（６分の５）の３通りとした。図６～図８に示すシミュレーション結果では、井戸層２２０における紫外線発光が、傾斜領域ＩＡで顕著に発生することを想定している。このため、井戸層２２０の膜厚条件は、当該傾斜領域ＩＡにおいて満足することが重要である。
【0097】
図６～図８より、井戸層２２０の膜厚が３ＭＬ～１４ＭＬの範囲内では、井戸層２２０の膜厚が小さくなるほど、井戸層２２０への量子閉じ込め効果が大きくなり、発光波長が短波長化していること、更に、バリア層２２１のＡｌＮモル分率が大きくなるほど、井戸層２２０の膜厚の変化に対する発光波長の変化の程度が大きくなることが分かる。また、図６より、第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率が５０％の場合、井戸層２２０の膜厚及びバリア層２２１のＡｌＮモル分率の上記範囲内において、発光波長が、概ね２４６ｎｍ～２９５ｎｍの範囲で変化することが分かる。図７より、第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率が４１．７％の場合、井戸層２２０の膜厚及びバリア層２２１のＡｌＮモル分率の上記範囲内において、発光波長が、概ね２４９ｎｍ～３１１ｎｍの範囲で変化することが分かる。図８より、第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率が３３．３％の場合、井戸層２２０の膜厚及びバリア層２２１のＡｌＮモル分率の上記範囲内において、発光波長が、概ね２６１ｎｍ～３２８ｎｍの範囲で変化することが分かる。更に、バリア層２２１をＡｌＮ（ＡｌＮモル分率＝１００％）で構成すると、発光波長を更に拡張することができる。
【0098】
図６～図８より、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａにＡｌＧａＮ組成比がＡｌ１Ｇａ１Ｎ２またはＡｌ５Ｇａ７Ｎ１２またはＡｌ１Ｇａ２Ｎ３となっている準安定井戸領域が形成され、当該準安定井戸領域のＡｌＮモル分率に応じて、井戸層２２０の膜厚を３ＭＬ～１４ＭＬの範囲内において、及び、バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａのＡｌＮモル分率を６６．７％～１００％の範囲内において、それぞれ調整することで、ピーク発光波長を、２５０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内に設定可能であることが分かる。
【0099】
図９は、井戸層がＧａＮで、バリア層がＡｌＧａＮまたはＡｌＮで構成された量子井戸構造モデルに対して、バリア層のＡｌＮモル分率が６６．７％（ＡｌＧａＮ）と、１００％（ＡｌＮ）の２通りについて、井戸層の膜厚を４ＭＬ～１０ＭＬの範囲内で変化させて得られる発光波長のシミュレーション結果（ピーク発光波長に相当）をグラフ化したものである。図９より、当該範囲内において、発光波長が、概ね２７０ｎｍ～３２５ｎｍの範囲で変化することが分かる。従って、井戸層がＧａＮ（ＡｌＮモル分率＝０％）で構成された場合でも、井戸層２２０の膜厚を４ＭＬ～１０ＭＬの範囲内において、及び、バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａのＡｌＮモル分率を６６．７％～１００％の範囲内において、それぞれ調整することで、ピーク発光波長を、２７０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内に設定可能であることが分かる。
【0100】
図９より、ピーク発光波長の目標値が、２７０ｎｍ～３１０ｎｍの範囲内であれば、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａに形成される準安定井戸領域のＡｌＧａＮ組成比として、図６～図８で示したＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、及び、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３以外に、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４（ＡｌＮモル分率が２５％（４分の１））、または、Ａｌ１Ｇａ５Ｎ６（ＡｌＮモル分率が１６．７％（６分の１））も選択可能であることが分かる。この場合、準安定井戸領域のＡｌＮモル分率を、３３．３％から、８．３３％（１２分の１）ずつ低下させるので、バリア層２２１のＡｌＮモル分率も、ピーク発光波長の目標値に適合する範囲内で、６６．７％より低く、例えば、５８．３％に設定することが可能である。
【0101】
また、井戸層２２０のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、一例として、第２Ｇａ富化領域２２０ａにＡｌＮモル分率が５０％の準安定井戸領域を形成する場合は、５０．１％～５４％の範囲内に調整され、第２Ｇａ富化領域２２０ａにＡｌＮモル分率が４１．７％の準安定井戸領域を形成する場合は、４１．８％～４５％の範囲内に調整され、第２Ｇａ富化領域２２０ａにＡｌＮモル分率が３３．３％の準安定井戸領域を形成する場合は、３３．４％～３７％の範囲内に調整され、第２Ｇａ富化領域２２０ａにＡｌＮモル分率が２５％の準安定井戸領域を形成する場合は、２５．１％～２９％の範囲内に調整されているのが好ましい。井戸層２２０における準安定井戸領域とテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差は、傾斜領域ＩＡとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差に起因するダブル発光ピークの発生を抑制するため、４％以下に設定されている。尚、井戸層２２０のテラス領域のＡｌＮモル分率は、上記４通りの好ましい範囲内から外れていても、井戸層２２０の傾斜領域ＩＡ内に、局所的にＡｌＮモル分率の低い第２Ｇａ富化領域２２０ａが形成される限りにおいて、概ね２５％～５４％の範囲内において、ピーク発光長の目標値に応じた任意の値を取り得る。
【0102】
バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａのＡｌＮモル分率は、上述したように、発光素子１のピーク発光波長の目標値に応じて、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率、及び、井戸層２２０の膜厚とともに、例えば、５８．３％～１００％の範囲内で調整される。更に、好ましい実施態様として、バリア層２２１がＡｌＧａＮ系半導体（ＡｌＮ系半導体を除く）で構成されている場合において、バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａには、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３、または、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２である準安定ＡｌＧａＮ、つまり、ＡｌＮモル分率が８３．３％（６分の５）、７５％（４分の３）、６６．７％（３分の２）、または、５８．３％（１２分の７）の準安定ＡｌＧａＮからなる準安定バリア領域が形成されている。
【0103】
また、バリア層２２１がＡｌＧａＮ系半導体（ＡｌＮ系半導体を除く）で構成されている場合において、バリア層２２１のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、概ね６０％～９０％の範囲内において、第４Ｇａ富化領域２２１ａのＡｌＮモル分率より、１％以上、好ましくは２％以上、より好ましくは４％以上、高くなるように設定される。第４Ｇａ富化領域２２１ａにおけるキャリアの局在化の効果を十分に確保するために、バリア層２２１内の第４Ｇａ富化領域２２１ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差を４～５％以上とするのが好ましいが、１～２％程度でも、キャリアの局在化の効果は期待し得る。
【0104】
バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａ内に上記ＡｌＧａＮ組成比の準安定バリア領域が形成されている場合において、バリア層２２１のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、準安定バリア領域のＡｌＮモル分率が８３．３％の場合、８５％～９０％の範囲内、準安定バリア領域のＡｌＮモル分率が７５％の場合、７７％～８２％の範囲内、準安定バリア領域のＡｌＮモル分率が６６．７％の場合、６９％～７４％の範囲内、準安定バリア領域のＡｌＮモル分率が５８．３％の場合、６０％～６６％の範囲内に調整されるのが好ましい。これにより、バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差として約２％以上が確保される。尚、バリア層２２１のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、上記４通りの好ましい範囲内から外れていても、バリア層２２１の傾斜領域ＩＡ内にキャリアの局在化が可能な第４Ｇａ富化領域２２１ａが形成される限りにおいて、概ね５９％～９０％の範囲内において、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａ内のＡｌＮモル分率に応じた任意の値を取り得る。
【0105】
電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、概ね６９％～９０％の範囲内で、井戸層２２０のテラス領域のＡｌＮモル分率より２０％以上、好ましくは２５％以上、更に好ましくは３０％以上高くなるように設定されている。更に、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａのＡｌＮモル分率は、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率より２０％以上、好ましくは２５％以上、更に好ましくは３０％以上高くなるように設定されている。
【0106】
好ましい一実施態様として、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａ内に、ピーク発光波長の目標値に応じて、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４の準安定井戸領域が支配的に存在しているのと同様に、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａ内に、ＡｌＮモル分率が準安定井戸領域のＡｌＮモル分率より２０％以上高い、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６（ＡｌＮモル分率：６分の５＝８３．３％）、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４（ＡｌＮモル分率：４分の３＝７５％）、または、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）となっているｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第１準安定ｐ型領域が支配的に存在している。
【0107】
準安定井戸領域のＡｌＧａＮ組成比と第１準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比の間の組み合わせは、準安定井戸領域のＡｌＧａＮ組成比がＡｌ１Ｇａ１Ｎ２と第１準安定ｐ型領域のＡｌＧａＮ組成比がＡｌ２Ｇａ１Ｎ３の１つの組み合わせを除き、全て上記条件（第１Ｇａ富化領域２３ａと第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率差が２０％以上）を満足する可能な組み合わせとなっている。
【0108】
電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、概ね６９％～９０％の範囲内で、第１Ｇａ富化領域２３ａのＡｌＮモル分率より、１％以上、好ましくは２％以上、より好ましくは４％以上、高くなるように設定される。第１Ｇａ富化領域２３ａにおけるキャリアの局在化の効果を十分に確保するために、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差を４～５％以上とするのが好ましいが、１～２％程度でも、キャリアの局在化の効果は期待し得る。
【0109】
好ましい一実施態様として、電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が８３．３％の場合、例えば、８５％～９０％の範囲内、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が７５％の場合、例えば、７７％～８２％の範囲内、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率６６．７％の場合、例えば、６９％～７４％の範囲内に調整されるのが好ましい。これにより、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差として約２％以上が確保される。尚、電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、上記３通りの好ましい範囲内から外れていても、電子ブロック層２３の傾斜領域ＩＡ内にキャリアの局在化が可能な第１Ｇａ富化領域２３ａが形成される限りにおいて、概ね６８％～９０％の範囲内において、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａ内のＡｌＮモル分率に応じた任意の値を取り得る。
【0110】
ｎ型クラッド層２１内の層状領域２１ａのＡｌＮモル分率は、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａ内のＡｌＮモル分率より、８．３％以上、好ましくは、１６％以上高くなるように設定されている。
【0111】
好ましい一実施態様として、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａ内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ１Ｇａ１Ｎ２、Ａｌ５Ｇａ７Ｎ１２、Ａｌ１Ｇａ２Ｎ３、または、Ａｌ１Ｇａ３Ｎ４の準安定井戸領域が支配的に存在し、ｎ型クラッド層２１内の層状領域２１ａ内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ３Ｇａ１Ｎ４、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２の準安定ｎ型領域が支配的に存在している場合、準安定井戸領域のＡｌＧａＮ組成比と準安定ｎ型領域のＡｌＧａＮ組成比の間の組み合わせは、準安定井戸領域のＡｌＧａＮ組成比と準安定ｎ型領域のＡｌＧａＮ組成比が何れもＡｌ１Ｇａ１Ｎ２である１つの組み合わせを除き、全て上記条件（層状領域２１ａと第２Ｇａ富化領域２２０ａのＡｌＮモル分率差が８．３％以上）を満足する可能な組み合わせとなっている。
【0112】
ｐ電極２６は、例えばＮｉ／Ａｕ等の多層金属膜で構成され、ｐ型コンタクト層２４の上面に形成される。ｎ電極２７は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等の多層金属膜で構成され、ｎ型クラッド層２１の第２領域Ｒ２内の露出面上の一部の領域に形成される。尚、ｐ電極２６及びｎ電極２７は、上述の多層金属膜に限定されるものではなく、各電極を構成する金属、積層数、積層順などの電極構造は適宜変更してもよい。図１０に、ｐ電極２６とｎ電極２７の発光素子１の上側から見た形状の一例を示す。図１０において、ｐ
電極２６とｎ電極２７の間に存在する線ＢＬは、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界線を示しており、活性層２２、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４の外周側壁面と一致する。
電極２６とｎ電極２７の間に存在する線ＢＬは、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界線を示しており、活性層２２、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４の外周側壁面と一致する。
【0113】
本実施形態では、図１０に示すように、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状は、一例として、櫛形形状のものを採用しているが、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状及び配置等は、図１０の例示に限定されるものではない。
【0114】
ｐ電極２６とｎ電極２７間に順方向バイアスを印加すると、ｐ電極２６から活性層２２に向けて正孔が供給され、ｎ電極２７から活性層２２に向けて電子が供給され、供給された正孔及び電子の夫々が活性層２２に到達して再結合することで発光する。また、これにより、ｐ電極２６とｎ電極２７間に順方向電流が流れる。
【0115】
以上詳細に説明した本実施形態の発光素子１は、電子ブロック層２３が、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有し、横方向に隣接するテラスＴ間に、（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域ＩＡが形成され、当該傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第１Ｇａ富化領域２３ａが形成されていることを特徴とする。
【0116】
当該特徴により、本実施形態の発光素子１は、第１Ｇａ富化領域２３ａ内でキャリア（正孔）の局在化が生じ得るため、図１１に模式的に示すように、電子ブロック層２３（ＥＢ）内に注入される正孔（ｈ＋）は、傾斜領域ＩＡ内にも直接注入され得る。そして、電子ブロック層２３の傾斜領域ＩＡ内に直接注入され、テラス領域ＴＡ内を拡散せずに井戸層２２０（ＱＷ）の傾斜領域ＩＡ内の発光再結合の局在中心（図中、☆（星印）で図示）に到達する正孔の量が大幅に増加する。この結果、従来の窒化物半導体紫外線発光素子において課題となっていた内部量子効率の低下、及び、ダブル発光ピークの発生を抑制することができる。尚、図１１中の●（黒丸）は、図１７と同様、非発光再結合中心を示している。
【0117】
＜発光素子の製造方法＞
次に、図４に例示した発光素子１の製造方法の一例について説明する。
次に、図４に例示した発光素子１の製造方法の一例について説明する。
【0118】
先ず、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、下地部１０に含まれるＡｌＮ層１２及び発光素子構造部２０に含まれる窒化物半導体層２１～２４を、サファイア基板１１上に順番にエピタキシャル成長させて積層する。このとき、ｎ型クラッド層２１にはドナー不純物として例えばＳｉをドーピングし、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４にはアクセプタ不純物として例えばＭｇをドーピングする。
【0119】
本実施形態では、少なくともＡｌＮ層１２、ｎ型クラッド層２１、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、及び、電子ブロック層２３の各表面に（０００１）面に平行な多段状のテラスを表出させるために、サファイア基板１１は、主面１１ａが（０００１）面に対して一定の範囲内（例えば、０度から６度程度まで）の角度（オフ角）で傾斜し、主面１１ａ上に多段状のテラスが表出している微傾斜基板を使用する。
【0120】
斯かるエピタキシャル成長の条件として、上述の微傾斜基板の（０００１）サファイア基板１１の使用に加えて、例えば、多段状のテラスが表出し易い成長速度（具体的に例えば、成長温度、原料ガスやキャリアガスの供給量や流速等の諸条件を適宜設定することで、当該成長速度を達成する）等が挙げられる。尚、これらの諸条件は、成膜装置の種類や構造によって異なり得るため、成膜装置において実際に幾つかの試料を作製して、これらの条件を特定すればよい。
【0121】
ｎ型クラッド層２１の成長条件として、成長開始直後に、ＡｌＮ層１２の上面に形成された多段状のテラス間の段差部（傾斜領域）にＧａの質量移動によって層状領域２１ａの成長開始点が形成され、引き続き、ｎ型クラッド層２１のエピタキシャル成長に伴い、層状領域２１ａが、Ｇａの質量移動に伴う偏析によって斜め上方に向かって成長できるように、成長温度、成長圧力、及び、ドナー不純物濃度が選択される。
【0122】
具体的には、成長温度としては、Ｇａの質量移動の生じ易い１０５０℃以上で、良好なｎ型ＡｌＧａＮが調製可能な１１５０℃以下が好ましい。また、成長温度が１１７０℃を超える成長温度は、Ｇａの質量移動が過剰となり、第１の準安定ＡｌＧａＮといえども、ＡｌＮモル分率がランダムに変動し易くなるため、ＡｌＮモル分率が５０％～７５％のｎ型の準安定ＡｌＧａＮである準安定ｎ型領域は安定的に形成し辛くなり、好ましくない。成長圧力としては、７５Ｔｏｒｒ以下が良好なＡｌＧａＮの成長条件として好ましく、成膜装置の制御限界として１０Ｔｏｒｒ以上が現実的であり好ましい。ドナー不純物濃度は、１×１０１８～５×１０１８ｃｍ－３程度が好ましい。尚、上記成長温度及び成長圧力等は、一例であって、使用する成膜装置に応じて適宜最適な条件を特定すればよい。
【0123】
有機金属化合物気相成長法で使用する原料ガス（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、アンモニアガス）やキャリアガスの供給量及び流速は、ｎ型クラッド層２１全体の平均的なＡｌＮモル分率Ｘｎａを目標値として設定される。ここで、ｎ型本体領域２１ｂの平均的なＡｌＮモル分率をＸｎ１、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率をＸｎ２（Ｘｎ１＞Ｘｎ２）とし、準安定ｎ型領域、及び準安定ｎ型領域とｎ型本体領域の各ＡｌＮモル分率の中間的なＡｌＮモル分率となっている領域の存在する層状領域２１ａの平均的なＡｌＮモル分率をＸｎ３（Ｘｎ１＞Ｘｎ３＞Ｘｎ２）とし、ｎ型本体領域２１ｂから層状領域２１ａへのＧａの質量移動を考慮すると、Ｘｎ１＞Ｘｎａ＞Ｘｎ３となるが、ｎ型クラッド層２１全体に占める層状領域２１ａの体積比率が小さいため、近似的にＸｎａ＝Ｘｎ１として設定することができる。
【0124】
ｎ型本体領域２１ｂのＡｌＮモル分率Ｘｎ１（＝Ｘｎａ）と準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｎ２の関係を以下に整理する。
Ｘｎ２＝７５％： ７７％≦Ｘｎ１≦８２％
Ｘｎ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｎ１≦７４％
Ｘｎ２＝５８．３％： ６０％≦Ｘｎ１≦６６％
Ｘｎ２＝５０％： ５２％≦Ｘｎ１≦５７％
Ｘｎ２＝７５％： ７７％≦Ｘｎ１≦８２％
Ｘｎ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｎ１≦７４％
Ｘｎ２＝５８．３％： ６０％≦Ｘｎ１≦６６％
Ｘｎ２＝５０％： ５２％≦Ｘｎ１≦５７％
【0125】
層状領域２１ａ内には、ＡｌＮモル分率がＸｎ２の準安定ｎ型領域が安定的に存在し、準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｎ２とｎ型本体領域２１ｂの平均的なＡｌＮモル分率Ｘｎ１との差（Ｘｎ１－Ｘｎ２）は、上述したように安定的に約２％以上が確保されるため、ｎ型層内のキャリアは、ｎ型本体領域２１ｂよりバンドギャップエネルギの小さい層状領域２１ａ内に局在化する。尚、目標値Ｘｎａ（＝Ｘｎ１）を上述した好ましい範囲の下限値より例えば１％高くすると上記差は３％以上となり、ｎ型層内のキャリアの層状領域２１ａ内への局在化はより顕著となる。更に、準安定ｎ型領域の所望のＡｌＮモル分率Ｘｎ２に対応する目標値Ｘｎａの上記好ましい範囲の上限値が、上記所望のＡｌＮモル分率Ｘｎ２よりＡｌＮモル分率が１段高い準安定ｎ型領域の所望のＡｌＮモル分率より１％以上低く設定されているため、ｎ型クラッド層２１内において、ＡｌＧａＮ組成比が１段階上の準安定ｎ型領域が支配的に形成されることが回避される。
【0126】
尚、ドナー不純物濃度は、ｎ型クラッド層２１の膜厚に対して、必ずしも上下方向に均一に制御する必要はない。例えば、ｎ型クラッド層２１内の所定の薄い膜厚部分の不純物濃度が、上記設定濃度より低く、例えば、１×１０１８ｃｍ－３未満、更に好ましくは、１×１０１７ｃｍ－３以下に制御された低不純物濃度層であってもよい。当該低不純物濃度層の膜厚としては、０ｎｍより大きく２００ｎｍ以下程度が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度がより好ましく、更に、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度がより好ましい。また、当該低不純物濃度層のドナー不純物濃度は、上記設定濃度より低ければよく、アンドープ層（０ｃｍ－３）が一部に含まれていてもよい。更に、該低不純物濃度層の一部または全部は、ｎ型クラッド層２１の上面から下方側に１００ｎｍ以内の深さの上層域に存在することが好ましい。
【0127】
上記要領で、層状領域２１ａとｎ型本体領域２１ｂを有するｎ型クラッド層２１が形成されると、ｎ型クラッド層２１の上面の全面に、引き続き、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４等を形成する。
【0128】
電子ブロック層２３のアクセプタ不純物濃度は、一例として、１．０×１０１６～１．０×１０１８ｃｍ－３程度が好ましく、ｐ型コンタクト層２４のアクセプタ不純物濃度は、一例として、１．０×１０１８～１．０×１０２０ｃｍ－３程度が好ましい。尚、アクセプタ不純物濃度は、電子ブロック層２３及びｐ型コンタクト層２４の各膜厚に対して、必ずしも上下方向に均一に制御する必要はない。
【0129】
活性層２２の形成において、ｎ型クラッド層２１と同様の要領で、上述した多段状のテラスが表出し易い成長条件で、井戸層２２０のテラス領域ＴＡに対して設定されたＡｌＮモル分率Ｘｗ１を近似的に井戸層２２０全体の平均的なＡｌＮモル分率Ｘｗａとして設定し、当該ＡｌＮモル分率Ｘｗａを目標値として井戸層２２０を成長させ、更に、バリア層２２１のテラス領域ＴＡに対して設定されたＡｌＮモル分率Ｘｂ１を近似的にバリア層２２１全体の平均的なＡｌＮモル分率Ｘｂａとして設定し、当該ＡｌＮモル分率Ｘｂａを目標値として、バリア層２２１を成長させる。
【0130】
井戸層２２０のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率Ｘｗ１（＝Ｘｗａ）と準安定井戸領域のＡｌＮモル分率Ｘｗ２の関係を以下に整理する。
Ｘｗ２＝５０％： ５０．１％≦Ｘｗ１≦５４％
Ｘｗ２＝４１．７％： ４１．８％≦Ｘｗ１≦４５％
Ｘｗ２＝３３．３％： ３３．４％≦Ｘｗ１≦３７％
Ｘｗ２＝２５％： ２５．１％≦Ｘｗ１≦２９％
Ｘｗ２＝５０％： ５０．１％≦Ｘｗ１≦５４％
Ｘｗ２＝４１．７％： ４１．８％≦Ｘｗ１≦４５％
Ｘｗ２＝３３．３％： ３３．４％≦Ｘｗ１≦３７％
Ｘｗ２＝２５％： ２５．１％≦Ｘｗ１≦２９％
【0131】
更に、バリア層２２１のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率Ｘｂ１（＝Ｘｂａ）と準安定バリア領域のＡｌＮモル分率Ｘｂ２の関係を以下に整理する。
Ｘｂ２＝８３．３％： ８５％≦Ｘｂ１≦９０％
Ｘｂ２＝７５％： ７７％≦Ｘｂ１≦８２％
Ｘｂ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｂ１≦７４％
Ｘｂ２＝５８．３％： ６０％≦Ｘｂ１≦６６％
Ｘｂ２＝８３．３％： ８５％≦Ｘｂ１≦９０％
Ｘｂ２＝７５％： ７７％≦Ｘｂ１≦８２％
Ｘｂ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｂ１≦７４％
Ｘｂ２＝５８．３％： ６０％≦Ｘｂ１≦６６％
【0132】
電子ブロック層２３の形成において、ｎ型クラッド層２１と同様の要領で、上述した多段状のテラスが表出し易い成長条件で、電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡに対して設定されたＡｌＮモル分率Ｘｅ１を近似的に電子ブロック層２３全体の平均的なＡｌＮモル分率Ｘｅａとして設定し、当該ＡｌＮモル分率Ｘｅａを目標値として電子ブロック層２３を成長させる。
【0133】
電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率Ｘｅ１（＝Ｘｅａ）と第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｅ２の関係を以下に整理する。
Ｘｅ２＝８３．３％： ８５％≦Ｘｅ１≦９０％
Ｘｅ２＝７５％： ７７％≦Ｘｅ１≦８２％
Ｘｅ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｅ１≦７４％
Ｘｅ２＝８３．３％： ８５％≦Ｘｅ１≦９０％
Ｘｅ２＝７５％： ７７％≦Ｘｅ１≦８２％
Ｘｅ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｅ１≦７４％
【0134】
本実施形態では、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層の成長温度は、ｎ型クラッド層２１の成長温度をＴ１、活性層２２の成長温度をＴ２、電子ブロック層２３の成長温度をＴ３、ｐ型コンタクト層の成長温度をＴ４とした場合、上述の好ましい温度範囲内（１０５０℃～１１７０℃）において、以下の式（１）及び（２）に示す関係を満足していることが好ましい。
Ｔ３≧Ｔ２ （１）
Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ４ （２）
Ｔ３≧Ｔ２ （１）
Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ４ （２）
【0135】
更に、上記式（１）の関係は、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａ内の第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が８３．３％または７５％の場合は、下記の式（１Ａ）とするのが好ましく、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が６６．７％の場合は、下記の式（１Ｂ）とするのが好ましい。これは、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が高くなると、Ｇａの質量移動を促進させるのに、より高温の成長温度が必要となるためである。
Ｔ３≧Ｔ２＋５０℃ （１Ａ）
Ｔ２＋５０℃＞Ｔ３≧Ｔ２ （１Ｂ）
Ｔ３≧Ｔ２＋５０℃ （１Ａ）
Ｔ２＋５０℃＞Ｔ３≧Ｔ２ （１Ｂ）
【0136】
更に、電子ブロック層２３の成長温度Ｔ３は、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が８３．３％の場合は、１１５０℃以上が好ましく、第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が７５％または６６．７％の場合は、１１００℃以上が好ましく、更に、１１００℃より高温がより好ましい。尚、上記各温度は一例であり、例えば、窒素原料ガスの流量を増加し、成長速度を低下させることで、上記１１５０℃及び１１００℃を、それぞれ、１１００℃及び１０５０℃にまで低減することが可能である。
【0137】
尚、電子ブロック層２３の成長温度Ｔ３を活性層２２の成長温度Ｔ２から上げる場合、当該成長温度の遷移過程において、その下方に位置する井戸層２２０内でＧａＮの分解が生じて、当該ＧａＮの分解に起因して発光素子１の特性が悪化する可能性がある。従って、当該ＧａＮの分解を抑制するために、最上層の井戸層２２０と電子ブロック層２３の間に、バリア層２２１より薄膜（例えば、３ｎｍ以下、好ましくは、２ｎｍ以下）でバリア層２２１及び電子ブロック層２３よりＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層を形成するのが好ましい。
【0138】
電子ブロック層２３のＧａの質量移動を促進させるための成長温度以外の成長条件の一例として、成長温度Ｔ３が１１５０℃の場合、原料ガスの流量比（Ｖ／ＩＩＩ）を５０００～６０００、成長速度を約１５０ｎｍ／ｈとするのが好ましい。
【0139】
ｎ型クラッド層２１、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４の成長温度Ｔ１～Ｔ４の上記式（１Ａ）及び（２）を満足する一例を以下に示す。
Ｔ１＝Ｔ２＝１０８０℃、Ｔ３＝１１５０℃、Ｔ４＝９８０℃
Ｔ１＝Ｔ２＝１０８０℃、Ｔ３＝１１５０℃、Ｔ４＝９８０℃
【0140】
上記成長温度Ｔ１～Ｔ４の一例は、以下に示すｎ型クラッド層２１の層状領域２１ａ内の準安定ｎ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｎ２、井戸層２２０の第２Ｇａ富化領域２２０ａ内の準安定井戸領域のＡｌＮモル分率Ｘｗ２、バリア層２２１の第４Ｇａ富化領域２２１ａ内の準安定バリア領域のＡｌＮモル分率Ｘｂ２、及び、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａ内の第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｅ２に対して、適用され得る。
Ｘｎ２＝５０％、５８．３％、６６．７％、７５％
Ｘｗ２＝２５％、３３．３％、４１．７％、５０％
Ｘｂ２＝５８．３％、６６．７％、７５％、８３．３％
Ｘｅ２＝６６．７％、７５％、８３．３％
Ｘｎ２＝５０％、５８．３％、６６．７％、７５％
Ｘｗ２＝２５％、３３．３％、４１．７％、５０％
Ｘｂ２＝５８．３％、６６．７％、７５％、８３．３％
Ｘｅ２＝６６．７％、７５％、８３．３％
【0141】
上記要領で、ｎ型クラッド層２１の上面の全面に、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４等が形成されると、次に、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法により、窒化物半導体層２１～２４の第２領域Ｒ２を、ｎ型クラッド層２１の上面が露出するまで選択的にエッチングして、ｎ型クラッド層２１の上面の第２領域Ｒ２部分を露出させる。そして、電子ビーム蒸着法などの周知の成膜法により、エッチングされていない第１領域Ｒ１内のｐ型コンタクト層２４上にｐ電極２６を形成するとともに、エッチングされた第２領域Ｒ２内のｎ型クラッド層２１上にｎ電極２７を形成する。尚、ｐ電極２６及びｎ電極２７の一方または両方の形成後に、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等の周知の熱処理方法により熱処理を行ってもよい。
【0142】
尚、発光素子１は、一例として、サブマウント等の基台にフリップチップ実装された後、シリコーン樹脂や非晶質フッ素樹脂等の所定の樹脂（例えば、レンズ形状の樹脂）によって封止された状態で使用され得る。
【0143】
上記要領で作製された発光素子１のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４の断面構造は、第２領域Ｒ２のエッチング及びｐ電極２６とｎ電極２７の形成前の試料を作製し、該資料の上面に垂直（または略垂直）な断面を有する試料片を収束イオンビーム（ＦＩＢ）で加工し、該試料片のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像により観察することができる。
【0144】
更に、ＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４中の特定の半導体層内の組成分析は、上記試料片を用いて、エネルギ分散型Ｘ線分光法（断面ＴＥＭ－ＥＤＸ）、または、ＣＬ（カソードルミネッセンス）法で行うことができる。断面ＴＥＭ－ＥＤＸ及びＣＬ法による組成分析については、説明を省略するが、本願発明者の先行する別出願（ＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０２３０５０、ＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０２４８２８、ＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０２６５５８、ＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０３１６２０）の明細書中に詳細な説明がなされている。
【0145】
［第２実施形態］
第１実施形態の発光素子１では、発光素子構造部２０を構成するｐ型層は、電子ブロック層２３とｐ型コンタクト層２４の２層であったが、第２実施形態の発光素子２では、ｐ型層が、電子ブロック層２３とｐ型コンタクト層２４の間に１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型クラッド層２５を有する。
第１実施形態の発光素子１では、発光素子構造部２０を構成するｐ型層は、電子ブロック層２３とｐ型コンタクト層２４の２層であったが、第２実施形態の発光素子２では、ｐ型層が、電子ブロック層２３とｐ型コンタクト層２４の間に１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型クラッド層２５を有する。
【0146】
従って、第２実施形態では、図１２に示すように、発光素子構造部２０のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２５は、下地部１０側から順に、ｎ型クラッド層２１（ｎ型層）、活性層２２、電子ブロック層２３（ｐ型層）、ｐ型クラッド層２５（ｐ型層）、及び、ｐ型コンタクト層２４（ｐ型層）を順にエピタキシャル成長させて積層した構造を備える。
【0147】
第２実施形態の発光素子２における下地部１０、及び、発光素子構造部２０のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４、ｐ電極２６、ｎ電極２７は、第１実施形態の発光素子１の下地部１０及び発光素子構造部２０のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４、ｐ電極２６、ｎ電極２７と同じであるので、重複する説明は省略する。
【0148】
ｐ型クラッド層２５は、サファイア基板１１の主面１１ａから順番にエピタキシャル成長した下地部１０のＡｌＮ層１２、及び、発光素子構造部２０のｎ型クラッド層２１と活性層２２内の各半導体層と電子ブロック層２３と同様に、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有する。
【0149】
図１３に、活性層２２における井戸層２２０及びバリア層２２１の積層構造（多重量子井戸構造）の一例を模式的に示す。図１３では、第１実施形態において図５を用いて説明した積層構造の電子ブロック層２３の上に、ｐ型クラッド層２５が形成されている。
【0150】
ｐ型クラッド層２５においても、横方向に隣接するテラスＴ間には、上述したように、（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域ＩＡが形成されている。傾斜領域ＩＡ以外の上下がテラスＴで挟まれた領域を、テラス領域ＴＡと称す。ｐ型クラッド層２５の膜厚は、テラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡを含めて、例えば、２０ｎｍ～２００ｎｍの範囲内に調整されている。
【0151】
図１３に模式的に示すように、ｐ型クラッド層２５において、テラス領域ＴＡから傾斜領域ＩＡへのＧａの質量移動により、傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第３Ｇａ富化領域２５ａが形成されている。
【0152】
ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、５２％以上、電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率未満の範囲内に設定されている。更に、ｐ型クラッド層２５の第３Ｇａ富化領域２５ａは、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａのＡｌＮモル分率未満となるように設定されている。
【0153】
更に、ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、上記範囲内において、第３Ｇａ富化領域２５ａのＡｌＮモル分率より、１％以上、好ましくは２％以上、より好ましくは４％以上、高くなるように設定される。第３Ｇａ富化領域２５ａにおけるキャリアの局在化の効果を十分に確保するために、ｐ型クラッド層２５の第３Ｇａ富化領域２５ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差を４～５％以上とするのが好ましいが、１～２％程度でも、キャリアの局在化の効果は期待し得る。
【0154】
好ましい一実施態様として、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａ内に、ＡｌＮモル分率が準安定井戸領域のＡｌＮモル分率より２０％以上高い、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ５Ｇａ１Ｎ６（ＡｌＮモル分率：６分の５＝８３．３％）、Ａｌ３Ｇａ１Ｎ４（ＡｌＮモル分率：４分の３＝７５％）、または、Ａｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）となっているｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第１準安定ｐ型領域が支配的に存在しているのと同様に、ｐ型クラッド層２５の第３Ｇａ富化領域２５ａ内に、ＡｌＧａＮ組成比が整数比のＡｌ２Ｇａ１Ｎ３（ＡｌＮモル分率：３分の２＝６６．７％）、Ａｌ７Ｇａ５Ｎ１２（ＡｌＮモル分率：１２分の７＝５８．３％）、または、Ａｌ１Ｇａ１Ｎ２（ＡｌＮモル分率：２分の１＝５０％）であって、且つ、ＡｌＮモル分率が電子ブロック層２３の第１準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率未満であるｐ型の準安定ＡｌＧａＮで構成された第２準安定ｐ型領域が支配的に存在する。
【0155】
更に、好ましい一実施態様として、ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が６６．７％の場合、例えば、６９％～７４％の範囲内、第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が５８．３％の場合、例えば、６０％～６６％の範囲内、第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が５０％の場合、例えば、５２％～５７％の範囲内に調整されるのが好ましい。これにより、ｐ型クラッド層２５の第３Ｇａ富化領域２５ａとテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率差として約２％以上が確保される。尚、ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率は、上記３通りの好ましい範囲内から外れていても、ｐ型クラッド層２５の傾斜領域ＩＡ内にキャリアの局在化が可能な第３Ｇａ富化領域２５ａが形成される限りにおいて、概ね５１％～７５％の範囲内において、電子ブロック層２３の第１Ｇａ富化領域２３ａ内のＡｌＮモル分率に応じた任意の値を取り得る。
【0156】
次に、ｐ型クラッド層２５の成長方法について簡単に説明する。ｐ型クラッド層２５の形成において、第１実施形態で説明したｎ型クラッド層２１及び電子ブロック層２３と同様の要領で、上述した多段状のテラスが表出し易い成長条件で、ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡに対して設定されたＡｌＮモル分率Ｘｐ１を近似的にｐ型クラッド層２５全体の平均的なＡｌＮモル分率Ｘｐａとして設定し、当該ＡｌＮモル分率Ｘｐａを目標値としてｐ型クラッド層２５を成長させる。
【0157】
ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡのＡｌＮモル分率Ｘｐ１（＝Ｘｐａ）と第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｐ２の関係を以下に整理する。
Ｘｐ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｐ１≦７４％
Ｘｐ２＝５８．３％： ６０％≦Ｘｐ１≦６６％
Ｘｐ２＝５０％： ５２％≦Ｘｐ１≦５７％
Ｘｐ２＝６６．７％： ６９％≦Ｘｐ１≦７４％
Ｘｐ２＝５８．３％： ６０％≦Ｘｐ１≦６６％
Ｘｐ２＝５０％： ５２％≦Ｘｐ１≦５７％
【0158】
第２実施形態では、ｐ型クラッド層２５の成長温度をＴ５とした場合、電子ブロック層２３の成長温度Ｔ３とｐ型コンタクト層の成長温度Ｔ４との間の関係は、例えば、１０５０℃～１１７０℃の範囲内において、以下の式（３）に示す関係を満足していることが好ましい。
Ｔ３＞Ｔ５＞Ｔ４ （３）
Ｔ３＞Ｔ５＞Ｔ４ （３）
【0159】
更に、ｐ型クラッド層２５の成長温度Ｔ５は、第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が６６．７％の場合は、１１００℃以上が好ましく、第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率が５８．３％または５０％の場合は、１０５０℃以上が好ましい。
【0160】
ｐ型クラッド層２５のＧａの質量移動を促進させるための成長温度以外の成長条件の一例として、成長温度Ｔ５が１０８０℃の場合、原料ガスの流量比（Ｖ／ＩＩＩ）を１０００～６０００、成長速度を約１００ｎｍ／ｈとするのが好ましい。
【0161】
ｎ型クラッド層２１、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、ｐ型コンタクト層２４、及び、ｐ型クラッド層２５の成長温度Ｔ１～Ｔ５の上記式（１Ａ）、（２）及び（３）を満足する一例を以下に示す。
Ｔ１＝Ｔ２＝１０８０℃、Ｔ３＝１１５０℃、Ｔ４＝９８０℃、Ｔ５＝１０８０℃
Ｔ１＝Ｔ２＝１０８０℃、Ｔ３＝１１５０℃、Ｔ４＝９８０℃、Ｔ５＝１０８０℃
【0162】
上記成長温度Ｔ５の一例は、以下に示すｐ型クラッド層２５の第３Ｇａ富化領域２５ａ内の第２準安定ｐ型領域のＡｌＮモル分率Ｘｐ２に対して、適用され得る。
Ｘｐ２＝５０％、５８．３％、６６．７％
Ｘｐ２＝５０％、５８．３％、６６．７％
【0163】
ｐ型クラッド層２５のアクセプタ不純物濃度は、一例として、１．０×１０１６～１．０×１０１８ｃｍ－３程度が好ましい。尚、アクセプタ不純物濃度は、ｐ型クラッド層２５の膜厚に対して、必ずしも上下方向に均一に制御する必要はない。
【0164】
以上詳細に説明した第２実施形態の発光素子１は、電子ブロック層２３とｐ型クラッド層２５が、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有し、横方向に隣接するテラスＴ間に、（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域ＩＡが形成され、電子ブロック層２３の傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第１Ｇａ富化領域２３ａが形成され、更に、ｐ型クラッド層２５の傾斜領域ＩＡ内にテラス領域ＴＡよりＡｌＮモル分率の低い第３Ｇａ富化領域２５ａが形成されていることを特徴とする。
【0165】
当該特徴により、第２実施形態の発光素子２は、第３Ｇａ富化領域２５ａ内でキャリア（正孔）の局在化が生じ得るため、図１４に模式的に示すように、ｐ型クラッド層２５（ｐ－ｃｌａｄ）内に注入される正孔（ｈ＋）は、傾斜領域ＩＡ内に直接注入されるか、或いは、テラス領域ＴＡ内を拡散して傾斜領域ＩＡ内に到達し得る。更に、第１Ｇａ富化領域２３ａ内でもキャリア（正孔）の局在化が生じ得るため、電子ブロック層２３内に注入される正孔は、ｐ型クラッド層２５の傾斜領域ＩＡから、電子ブロック層２３の傾斜領域ＩＡ内にも直接注入され得る。従って、ｐ型クラッド層２５が無ければ、ｐ型コンタクト層２４から薄膜の電子ブロック層２３のテラス領域ＴＡに注入され、そのまま井戸層２２のテラス領域ＴＡに到達する正孔の一部を、ｐ型クラッド層２５のテラス領域ＴＡから傾斜領域ＩＡ内に誘導し、電子ブロック層２３の傾斜領域ＩＡを経由して、井戸層２２の傾斜領域ＩＡ内に到達させることができる。結果として、内部量子効率の低下、及び、ダブル発光ピークの発生を更に抑制することができる。尚、図１４中において、図１１と同様、☆（星印）は井戸層の傾斜領域ＩＡ内の局在中心を、●（黒丸）は非発光再結合中心を、それぞれ示している。
【0166】
［別実施形態］
以下に、上記第１及び第２実施形態の変形例について説明する。
以下に、上記第１及び第２実施形態の変形例について説明する。
【0167】
（１）上記第１及び第２実施形態では、電子ブロック層２３は、所定の膜厚分を同じ成長条件で形成される場合、つまり、電子ブロック層２３の上面に平行な第２平面内での平均組成（ＡｌＮモル分率）が、上下方向に一様である場合を想定したが、電子ブロック層２３は、当該平均組成が上下方向に連続的或いは段階的に変化するように、形成されていても良い。当該平均組成が上下方向に段階的に変化する場合は、電子ブロック層２３は多層構造を有する。尚、当該平均組成のＡｌＮモル分率は、下側（活性層２２側）ほど高くなるように変化させるのが好ましい。
【0168】
（２）上記第２実施形態では、ｐ型クラッド層２５は、所定の膜厚分を同じ成長条件で形成される１層のみのｐ型クラッド層２５、つまり、ｐ型クラッド層２５の上面に平行な第２平面内での平均組成（ＡｌＮモル分率）が、上下方向に一様である場合を想定したが、ｐ型クラッド層２５は、当該平均組成が上下方向に連続的或いは段階的に変化するように、形成されていても良い。当該平均組成が上下方向に段階的に変化する場合は、ｐ型クラッド層２５は多層構造を有する。尚、当該平均組成のＡｌＮモル分率は、下側（電子ブロック層２３側）ほど高くなるように変化させるのが好ましい。
【0169】
（３）上記第１及び第２実施形態では、活性層２２は、ＡｌＧａＮ系半導体で構成される２層以上の井戸層２２０と、ＡｌＧａＮ系半導体またはＡｌＮ系半導体で構成される１層以上のバリア層２２１を交互に積層した多重量子井戸構造で構成されている場合を想定したが、活性層２２は、井戸層２２０が１層だけの単一量子井戸構造であり、バリア層２２１（量子バリア層）を備えない構成としても良い。斯かる単一量子井戸構造に対しても、上記第１及び第２実施形態で採用した電子ブロック層２３による効果、及び、上記第２実施形態で採用したｐ型クラッド層２５による効果は、同様に奏し得ることは明らかである。
【0170】
（４）上記第１及び第２実施形態では、ｎ型クラッド層２１の成長条件の一例として、有機金属化合物気相成長法で使用する原料ガスやキャリアガスの供給量及び流速は、ｎ型クラッド層２１を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層全体の平均的なＡｌＮモル分率に応じて設定されると説明した。つまり、ｎ型クラッド層２１全体の平均的なＡｌＮモル分率が、上下方向に一様に設定されている場合は、上記原料ガス等の供給量及び流速は一定に制御される場合を想定した。しかし、上記原料ガス等の供給量及び流速は必ずしも一定に制御されなくてもよい。
【0171】
（５）上記第１及び第２実施形態では、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状は、一例として、櫛形形状のものを採用したが、該平面視形状は、櫛形形状に限定されるものではない。また、第１領域Ｒ１が複数存在して、夫々が、１つの第２領域Ｒ２に囲まれている平面視形状であってもよい。
【0172】
（６）上記第１及び第２実施形態では、主面が（０００１）面に対してオフ角を有するサファイア基板１１を用いてＡｌＮ層１２の表面に多段状のテラスが表出した下地部１０を使用する場合を例示したが、当該オフ角の大きさや、オフ角を設ける方向（具体的には、（０００１）面を傾ける方向であり、例えばｍ軸方向やａ軸方向等）は、ＡｌＮ層１２の表面に多段状のテラスが表出して、層状領域２１ａの成長開始点が形成される限りにおいて、任意に決定してもよい。
【0173】
（７）上記第１及び第２実施形態では、発光素子１として、図１に例示するように、サファイア基板１１を含む下地部１０を備える発光素子１を例示しているが、サファイア基板１１（更には、下地部１０に含まれる一部または全部の層）をリフトオフ等により除去してもよい。更に、下地部１０を構成する基板は、サファイア基板に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【0174】
本発明は、ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなる窒化物半導体紫外線発光素子に利用可能である。
【符号の説明】
【0175】
１、２： 窒化物半導体紫外線発光素子
１０： 下地部
１１： サファイア基板
１１ａ： サファイア基板の主面
１２： ＡｌＮ層
２０： 発光素子構造部
２１： ｎ型クラッド層（ｎ型層）
２１ａ： 層状領域（ｎ型層）
２１ｂ： ｎ型本体領域（ｎ型層）
２２： 活性層
２２０： 井戸層
２２０ａ： 第２Ｇａ富化領域
２２１： バリア層
２２１ａ： 第４Ｇａ富化領域
２３： 電子ブロック層（ｐ型層）
２３ａ： 第１Ｇａ富化領域
２４： ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
２５： ｐ型クラッド層（ｐ型層）
２５ａ： 第３Ｇａ富化領域
２６： ｐ電極
２７： ｎ電極
１００： 基板
１０１： ＡｌＧａＮ系半導体層
１０２： テンプレート
１０３： ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層
１０４： 活性層
１０５： ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層
１０６： ｐ型コンタクト層
１０７： ｎ電極
１０８： ｐ電極
ＢＬ： 第１領域と第２領域の境界線
ＩＡ： 傾斜領域
Ｒ１： 第１領域
Ｒ２： 第２領域
Ｔ： テラス
ＴＡ： テラス領域
１０： 下地部
１１： サファイア基板
１１ａ： サファイア基板の主面
１２： ＡｌＮ層
２０： 発光素子構造部
２１： ｎ型クラッド層（ｎ型層）
２１ａ： 層状領域（ｎ型層）
２１ｂ： ｎ型本体領域（ｎ型層）
２２： 活性層
２２０： 井戸層
２２０ａ： 第２Ｇａ富化領域
２２１： バリア層
２２１ａ： 第４Ｇａ富化領域
２３： 電子ブロック層（ｐ型層）
２３ａ： 第１Ｇａ富化領域
２４： ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
２５： ｐ型クラッド層（ｐ型層）
２５ａ： 第３Ｇａ富化領域
２６： ｐ電極
２７： ｎ電極
１００： 基板
１０１： ＡｌＧａＮ系半導体層
１０２： テンプレート
１０３： ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層
１０４： 活性層
１０５： ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層
１０６： ｐ型コンタクト層
１０７： ｎ電極
１０８： ｐ電極
ＢＬ： 第１領域と第２領域の境界線
ＩＡ： 傾斜領域
Ｒ１： 第１領域
Ｒ２： 第２領域
Ｔ： テラス
ＴＡ： テラス領域
【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13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】