(57)【要約】  所望する発光波長での紫外域の発光が良好に得られる発光素子を提供する。ＡｌxＧａ1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．９）なるIII族窒化物で形成した発光層４とＡｌz1Ｇａ1-z1Ｎ（ｘ＜ｚ１≦１．０）なるIII族窒化物にＭｇをドープして形成したＰ型の導電部であるクラッド層６ａとの間に、Ａｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された中間層５を介在させる。これにより、係る不要な発光は、Ｍｇ原子が発光素子１０の作成過程で発光層４に拡散した場合に生じる、３００ｎｍ帯での不要な発光が抑制され、従来よりも高い光出力が得られる発光素子が実現される。
2008117788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがIII族窒化物からなる複数の結晶層による積層構造を有してなり、前記積層構造においてはＰ型導電層とＮ型導電層との間に発光層を備えるダイオード構造型の発光素子であって、
前記Ｐ型導電層は所定のIII族窒化物にＭｇをドープすることによって形成されてなり、
前記発光層と前記Ｐ型導電層との間に、Ａｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第１の中間層をさらに備える、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の中間層の膜厚が５ｎｍ以下である、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の発光素子であって、
前記第１の中間層がＡｌＮにて形成されてなる、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子であって、
前記発光層が２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなる、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載の発光素子であって、
前記発光層が２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなる、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子であって、
前記発光層が、
２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなる単位発光層と、
前記単位発光層を形成するIII族窒化物よりもバンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる単位バリア層と、
を繰り返し積層してなる多重量子井戸構造を有する、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子であって、
前記発光層と前記Ｎ型導電層との間に、Ａｌw2Ｇａ1-w2Ｎ（０．８≦ｗ２≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第２の中間層をさらに備える、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の発光素子であって、
前記第２の中間層の膜厚が５ｎｍ以下である、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の発光素子であって、
前記第２の中間層がＡｌＮにて形成されてなる、
ことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体を用いた発光素子に関し、特に、所望の発光波長の紫外光を好適に発光することができる発光素子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
深紫外域（例えばλ≦２７０ｎｍ）に発光波長を有するダイオード構造型の発光素子として、Ａｌ組成比の高いＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ≧０．４）からなる化合物半導体を発光層に用い、該発光層よりもさらにＡｌ組成比が高い（バンドギャップが大きい）ＡｌＧａＮにて形成したｎ型層およびｐ型層にて発光層を挟み込む構造がすでに公知である（例えば、"III-Nitride UV devices", M.Asif Khan, M.Shatalov, H.P.Maruska, H.M. Wang, and E. Kuokstis, Jpn. J. Appl. Phys., vol.44, No.10, 2005, pp.7191-7206"（非特許文献１）参照）。【０００３】
上記文献に開示された構造の発光素子を作製する場合、クラッド層にあたるｎ型層およびｐ型層の組成に不均一が生じ、キャリアの閉じこめが十分にできない微細領域が形成されてしまうことがある。【０００４】
また、ｐ型層のアクセプタとしてＭｇを用いることは一般的であるが、非特許文献１に開示された構造の発光素子においてアクセプタにＭｇを用いると、Ｍｇがｐ型層から発光層へと拡散することに起因して、３００ｎｍ〜３５０ｎｍの発光波長を有する不要な発光が生じてしまうという問題がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、所望する発光波長での紫外域の発光が良好に得られる発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、発光素子が、それぞれがIII族窒化物からなる複数の結晶層による積層構造を有してなり、前記積層構造においてはＰ型導電層とＮ型導電層との間に発光層を備えるダイオード構造型の発光素子であって、前記Ｐ型導電層は所定のIII族窒化物にＭｇをドープすることによって形成されてなり、前記発光層と前記Ｐ型導電層との間に、Ａｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第１の中間層をさらに備えるようにした。
【０００７】
第２の態様では、第１の態様に係る発光素子において、前記第１の中間層の膜厚が５ｎｍ以下であるようにした。
【０００８】
第３の態様では、第１または第２の態様に係る発光素子において、前記第１の中間層がＡｌＮにて形成されてなるようにした。
【０００９】
第４の態様では、第１ないし第３の態様のいずれかに係る発光素子において、前記発光層が２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなるようにした。
【００１０】
第５の態様では、第４の態様に係る発光素子において、前記発光層が２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなるようにした。
【００１１】
第６の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係る発光素子において、前記発光層が、２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなる単位発光層と、前記単位発光層を形成するIII族窒化物よりもバンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる単位バリア層と、を繰り返し積層してなる多重量子井戸構造を有するようにした。
【００１２】
第７の態様では、第１ないし第６のいずれかの態様に係る発光素子において、前記発光層と前記Ｎ型導電層との間に、Ａｌw2Ｇａ1-w2Ｎ（０．８≦ｗ２≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第２の中間層をさらに備えるようにした。
【００１３】
第８の態様では、第７の態様に係る発光素子において、前記第２の中間層の膜厚が５ｎｍ以下であるようにした。
【００１４】
第９の態様では、第７または第８に係る発光素子において、前記第２の中間層がＡｌＮにて形成されてなるようにした。
【００１５】
第１ないし第９の態様によれば、ＭｇがＰ型導電層から発光層に拡散することに起因して生じる、所望する波長域での発光以外での不要な発光が抑制されてなり、かつ、所望する波長域での発光が従来よりも高い光出力で得られる発光素子が実現できる。
【００１６】
特に、第４および第５の態様によれば、紫外域での発光が従来よりも高い光出力で得られる発光素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光素子１０の構造を模式的に示す図である。
【図２】発光層４が多重量子井戸構造を有する場合の発光素子１０の構成を例示する図である。
【図３】発光素子における発光波長と発光強度の関係を示す図である。
【図４】発光素子における印加電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図５】変形例に係る発光素子２０の構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜発光素子の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１０の構造を模式的に示す図である。図１（ａ）は発光素子１０の上面図であり、図１（ｂ）は該上面図に記す線分Ａ−Ｂに沿った断面図である。なお、図１以降の各図における各部の比率は、必ずしも実際のものを反映したものではない。図１（ｂ）に示すように、発光素子１０は、基板１の上に、下地層２と、第１導電層３と、発光層４と、中間層５と、第２導電層６と、コンタクト層７とをこの順に隣接形成させた積層構造を有する。換言すれば、下地層２の上において第１導電層３と第２導電層６とで発光層４と中間層５とを上下から挟み込み、さらにその上にコンタクト層７を備える積層構造体を、基板１の上に設けたものであるともいえる。【００１９】
また、第１導電層３の一部は露出しており、その露出部分にカソード電極部８が設けられてなる。なお、カソード電極部８のことをカソード電極パッド８とも称する。カソード電極パッド８は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕによって形成されてなる。【００２０】
さらに、コンタクト層７の上には、アノード電極層９ａとアノード電極パッド９ｂとからなるアノード電極部９が設けられてなる。アノード電極層９ａは、コンタクト層７の略全面に形成されてなる。アノード電極パッド９ｂは、係るアノード電極層９ａの一部に設けられてなる。アノード電極層９ａとアノード電極パッド９ｂとは、Ｎｉ／Ａｕによって形成されてなる。【００２１】
発光素子１０は、カソード電極パッド８とアノード電極パッド９ｂとの間に所定の電圧を印加することで生じる、発光層４におけるキャリアの再結合による励起発光を、素子外部に向けて出射するものである。【００２２】
基板１は、サファイア、ＭｇＯ、ダイヤモンドやＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの単結晶基材１ａと、該単結晶基材１ａの上にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどのIII族窒化物の結晶をエピタキシャル形成させてなる表面層１ｂとからなる、いわゆるエピタキシャル基板である。例えば、厚みが数百μｍ程度のＣ面単結晶サファイアを単結晶基材１ａとして用い、その上に、ＭＯＣＶＤ法によって０．１μｍ〜数μｍ程度の厚みのＡｌＮ単結晶層を表面層１ｂとしてエピタキシャル成長させたものを基板１とするのが好適な一例である。単結晶基材１ａ、表面層１ｂの材料としては、外部量子効率を向上させる観点から、所望の発光波長の吸収係数が小さい材料を選択することが望ましい。ただし、表面層１ｂを有しておらず単結晶基材そのものを基板１として用いる態様であってもよい。【００２３】
このような基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法などの公知のエピタキシャル成長法によって所定のIII族窒化物からなる複数の層を順次にエピタキシャル成長させることで、上述の積層構造を構成する各層が形成されてなる。【００２４】
なお、第１導電層３は、Ｎ型の導電型を有するように形成されてなる。このようにＮ型の導電型を有する部位を、Ｎ型の導電部と総称する場合がある。また、第２導電層６とコンタクト層７とは、いずれもＰ型の導電型を有するように形成されてなる。このようにＰ型の導電型を有する部位を、Ｐ型の導電部と総称する場合がある。【００２５】
なお、第１導電層３及び第２導電層６は単一組成で構成される必要はなく、超格子構造多層膜を挿入したり、超格子構造のみから構成することもできる。こうした超格子構造は、応力制御の役割を担い、転位低減あるいは表面平坦性を確保するという効果を有する。応力制御は、ＡｌＮ単結晶あるいは低転位のＡｌＮエピタキシャル膜を用いた場合、特に有効である。【００２６】
発光層４は、発光素子１０において発光を担う層であり、紫外領域に発光波長を有するIII族窒化物で、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。ここで、紫外領域に発光波長を有するとは、発光波長が２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲にあることを意味する。これは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．９）なるIII族窒化物で発光層４を形成することに相当する。なお、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．２５≦ｘ≦０．６）なるIII族窒化物で発光層４を形成すれば、発光波長が２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にある発光が得られる。例えば、Ａｌ0.49Ｇａ0.51ＮなるIII族窒化物で発光層４を形成した場合には、２６５ｎｍの発光波長の発光が得られる。【００２７】
発光層４は、単一かつ均一組成のIII族窒化物層にて形成される態様であってもよいが、発光効率の向上という観点からは、いわゆる多重量子井戸構造を有するものであってもよい。図２は、係る場合の発光素子１０の構成を例示する図である。図２に示す場合、発光層４は、２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物にて形成されてなり、実際に励起発光を生じさせる単位発光層４ａと、キャリアの閉じ込め効果を得るために単位発光層４ａを構成するIII族窒化物よりもわずかにバンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる単位バリア層４ｂとが数周期程度繰り返し積層されてなる構造を有する。例えば、単位発光層４ａとしてＡｌ0.49Ｇａ0.51Ｎからなる層を３ｎｍの厚みに形成し、単位バリア層４ｂとしてＡｌ0.55Ｇａ0.45Ｎからなる層を５ｎｍの厚みに形成することを数周期程度繰り返す態様が、その好適な一例である。【００２８】
本実施の形態に係る発光素子１０においては、この発光層４の上に、中間層５が設けられてなる。中間層５についての詳細は後述する。【００２９】
第１導電層３は、Ｎ型の導電型を有する。第１導電層３は、第２導電層６（より具体的にはクラッド層６ａ）と併せ、発光層４におけるキャリアの閉じこめ効果を高める目的で設けられる層である。すなわち、第１導電層３は、いわゆるクラッド層として機能する。係る目的を満たすべく、第１導電層３は、発光層４を構成するIII族窒化物よりも、バンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる。【００３０】
発光層４がＡｌxＧａ1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．９）なるIII族窒化物で形成されてなる場合、第１導電層３は、さらにＡｌリッチなＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ＜ｙ≦１．０）なるIII族窒化物に、ＳｉなどのＮ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。より好ましくは、少なくとも発光層４との接合部近傍においては、ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ＜ｙ≦１．０かつ０．６≦ｙ≦１．０）なるIII族窒化物で形成される。係る場合、発光素子１０の発光特性がより向上するからである。【００３１】
例えば、発光層４をＡｌ0.49Ｇａ0.51ＮなるIII族窒化物で形成する場合であれば、Ｎ型ドーパントとしてのＳｉ原子を２×１０18/ｃｍ3程度含むＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層を１μｍ程度の厚みに形成するのが好適である。【００３２】
なお、上述したように、第１導電層３の一部は露出させられてなり、その露出部分にカソード電極部８が設けられてなる。すなわち、第１導電層３は、カソード電極部８とのコンタクト層としての役割をも担う。【００３３】
下地層２は、第１導電層３を構成するIII族窒化物と略同一組成のIII族窒化物にて形成されてなる。ただし、下地層２は、第１導電層３と違い、ドーパントはドープされていない高抵抗層である。下地層２は、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成されるのがその好適な一例である。【００３４】
第２導電層６は、Ｐ型の導電型を有する。第２導電層６は、少なくとも発光層４へのキャリアの閉じ込めが実現されるように設けられる層である。本実施の形態に係る発光素子１０においては、第２導電層６が、この閉じ込め効果を担うクラッド層６ａと、発光層４へのキャリア供給効率を高めるためのキャリア供給層６ｂとの２層からなるものとする。【００３５】
クラッド層６ａは、上述したように、第１導電層３と併せ、発光層４におけるキャリアの閉じこめ効果を高める目的で設けられる層である。従って、発光層４を構成するIII族窒化物よりも、バンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる。【００３６】
発光層４がＡｌxＧａ1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．９）なるIII族窒化物で形成されてなる場合、クラッド層６ａは、さらにＡｌリッチなＡｌz1Ｇａ1-z1Ｎ（ｘ＜ｚ１≦１．０）なるIII族窒化物に、ＭｇなどのＰ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。より好ましくは、少なくとも発光層４との接合部近傍においては、Ａｌz1Ｇａ1-z1Ｎ（ｘ＜ｚ１≦１．０かつ０．６≦ｚ１≦１．０）なるIII族窒化物で形成される。係る場合、発光素子１０の発光特性がより向上するからである。【００３７】
一方、キャリア供給層６ｂは、発光層４に対しキャリアが効率的に供給されるように設けられる層である。キャリア供給層６ｂは、上述のように発光層４がＡｌxＧａ1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．９）なるIII族窒化物で形成されてなり、クラッド層６ａがＡｌz1Ｇａ1-z1Ｎ（ｘ＜ｚ１≦１．０）なるIII族窒化物で形成されてなる場合、キャリア供給層６ｂは、Ａｌz2Ｇａ1-z2Ｎ（０≦ｚ２＜ｚ１）なるIII族窒化物に、ＭｇなどのＰ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。【００３８】
例えば、発光層４をＡｌ0.49Ｇａ0.51ＮなるIII族窒化物で形成する場合、クラッド層６ａについては、Ｐ型ドーパントとしてのＭｇ原子を１×１０19/ｃｍ3程度含むＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層を、数十ｎｍ程度の厚みに形成し、キャリア供給層６ｂについては、Ｐ型ドーパントとしてのＭｇ原子を３×１０19/ｃｍ3程度含むＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる層を、数十ｎｍ程度の厚みに形成するのが、好適な一例である。【００３９】
なお、キャリア供給層６ｂは単一組成で構成される必要はなく、超格子構造としたり組成傾斜構造とすることもできる。こうした構造は、Ｐ型キャリア濃度の向上や、抵抗低減の役割を担う。【００４０】
コンタクト層７は、アノード電極部９との間で良好なオーミック接触を得るために、第２導電層６とアノード電極部９との間に形成される。第２導電層６がキャリア供給層６ｂを有してなる場合は、キャリア供給層６ｂの上に設けられる。【００４１】
コンタクト層７は、Ｐ型の導電型を有する。コンタクト層７は、第２導電層６を構成するIII族窒化物よりもバンドギャップが小さいIII族窒化物に、ＭｇなどのＰ型のドーパントをドープすることによって形成される。第２導電層６がキャリア供給層６ｂを有してなる場合は、キャリア供給層６ｂよりもバンドギャップが小さいIII族窒化物を用いて形成される。例えば、ＧａＮを用いるのが好適な一例である。【００４２】
コンタクト層７は、その機能が確保される範囲において適宜の厚みに形成されてよい。例えば、１００ｎｍ以上の厚みを有するように形成することもできる。１００ｎｍよりも厚くコンタクト層７を形成した場合、三次元核成長段階から二次元成長段階に移行するため、表面が平坦な結晶層として形成され、比抵抗を低減できる。２００ｎｍ程度に設けるのが好適な一例である。【００４３】
なお、コンタクト層７を、III族窒化物の組成や不純物濃度が異なる複数の層からなる多層構造を有するように形成してもよい。例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ組成を変調若しくは超格子構造にしたり、表面近傍でＰ型のドーパント濃度を上げたりすることにより、Ｐ型電極との接触抵抗を低減することも可能である。【００４４】
＜中間層＞
本実施の形態に係る発光素子１０においては、従来の発光素子のように発光層をＰ型とＮ型の導電部で直接に挟み込むのではなく、発光層４とＰ型の導電部である第２導電層６との間に、中間層５を介在させてなる点で特徴的である。【００４５】
中間層５は、発光素子１０において、発光層４からの所望の発光波長（ねらいの発光波長）での発光を良好に生じさせる目的で設けられる。中間層５は、好ましくは、Ａｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて、より好ましくはＡｌＮにて、５ｎｍ以下の厚みに、好ましくは１ｎｍ程度の厚みに形成される。中間層５を５ｎｍより厚く形成することは、立ち上がり電圧を大きくする必要が生じるため好ましくない。【００４６】
特にＡｌＮを用いて中間層５を形成する場合、中間層５の厚みは、第２導電層６から発光層４へのキャリア注入が阻害されないように、トンネル電流が支配的になるような範囲内とすることが望ましい。【００４７】
図３および図４は、発光素子１０が中間層５を有することの効果を例示するための図である。なお、図３および図４では、ねらいの発光波長が２６５ｎｍであり、発光層４が多重量子井戸構造を有してなり、中間層５をＡｌＮにて１ｎｍの厚みに形成した場合について例示している（実線）。また、比較のため、中間層５を有さない以外は同じ構造を有する発光素子における発光波長と発光強度の関係についても併せて示している（破線）。【００４８】
まず、図３は、発光素子における発光波長と発光強度の関係を示す図である。図３からわかるように、中間層５を設けない場合は、ねらいの発光波長よりも長波長の領域である３００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲にブロードな波長ピークを有する不要な発光が生じているのに対し、中間層５を設けた場合には、このような発光は生じず、ねらいの発光波長での発光のみが生じている。【００４９】
ここで、中間層５を設けない場合に上述のようなブロードなピークが生じるのは、第２導電層６（クラッド層６ａとキャリア供給層６ｂ）にドープされてなるＭｇ原子が発光素子１０の作成過程で発光層４に拡散することによって生じるからである。発光層４にＭｇが存在するとねらいの発光波長以外での発光が生じることは、例えば、発光層の形成の際にＭｇを意図的にドープした他は本実施の形態に係る発光素子１０と同様の構成を有する、深紫外域をねらいの発光波長とする発光素子を作製し、発光を生じさせた際に、図３の中間層５を設けない場合と同様に３００ｎｍ帯に発光波長を有する発光が生じる、という実験事実（詳細は比較例２参照）から判断される。また、発光層４へのＭｇ原子の拡散は、クラッド層６ａにＭｇ原子が１×１０19／ｃｍ3程度存在するように作製した発光素子１０について、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した発光層４内のＭｇ原子濃度は３．９×１０17／ｃｍ3であるのに対して、中間層５を設けない他は同様に作製した発光素子において同様に測定した発光層４内のＭｇ原子濃度がそれよりも１オーダー以上大きな２．１×１０18／ｃｍ3である、という結果から確認される。すなわち、上述のような３００ｎｍ帯での不要な発光は、発光層４内に第２導電層６から拡散してきたＭｇ原子が存在する状況のもとで生じるものと考えられる。【００５０】
そして、このことを踏まえると、中間層を備えない発光素子においては不要な発光が生じ、中間層５を備える発光素子１０においては係る不要な発光が抑制されているのは、中間層５を具備することで発光層４へのＭｇ原子の拡散が防止されているからであると結論づけられる。この効果は、原子間の結合力が強く、格子定数が最も小さいＡｌＮの場合に顕著となる。【００５１】
一方、図４は、印加電流に対する光出力の変化を示す図である。なお、図４は、基板１の側における光出力を示している。図４からわかるように、中間層５を設けない場合は、印加電流を１００ｍＡにまで大きくしても、１０μＷ以下の光出力しか得られないのに対し、中間層５を設けた場合には、５０ｍＡの印加電流で１０μＷを超える光出力が得られ、印加電流を１００ｍＡにまで大きくした場合には、６０μＷという、中間層５を設けない場合の６倍以上の光出力が得られる。これは、中間層５を備える発光素子１０においては、これを備えない発光素子に比して、優れた発光効率が実現されることを指し示す結果である。また、Ｇａを含まないＡｌＮを用いて中間層５を形成する場合、Ｍｇ原子の拡散を防止する役割以外にも、二元系の材料が持つ面内での組成均一化の効果を活かし、発光効率向上を最も向上することができる。ただし、この場合、中間層５に不純物程度のＧａ、Ｉｎが含まれることは、組成不均一を引き起こすことにはならないので、排除されない。【００５２】
以上を鑑みれば、本実施の形態に係る発光素子１０においては、中間層５が存在することで、Ｍｇ原子が発光層４に拡散することなく第２導電層６（クラッド層６ａおよびキャリア供給層６ｂ）に留まっており、中間層５を備えない場合に比して、ドーパントとしてのＭｇ原子の実効性がより高められているものと考えられる。【００５３】
本実施の形態によれば、発光層とＰ型の導電部である第２導電層との間に中間層を備えることで、所望する紫外域での発光を従来よりも高い光出力で得ることができ、不要な発光が生じることのない発光素子が実現される。【００５４】
＜発光素子の作製方法＞
次に、本実施の形態に係る発光素子１０の作製方法の一例を示す。ここでは、発光層４をＡｌxＧａ1-xＮ（０．４≦ｘ≦１．０）で形成し、下地層２と第１導電層３とをＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ＜ｙ≦１．０）で形成し、中間層５をＡｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）で形成し、クラッド層６ａをＡｌz1Ｇａ1-z1Ｎ（ｘ＜ｚ１≦１．０）で形成し、キャリア供給層６ｂをＡｌz2Ｇａ1-z2Ｎ（０≦ｚ２＜ｚ１）で形成し、コンタクト層７をＧａＮで形成する場合について説明する。なお、以下に示す作製方法はあくまで例示であって、必ずしもこれに限られるわけではない。【００５５】
まず、Ｃ面単結晶サファイアからなる厚みが数百μｍ程度の単結晶基材１ａを用意し、その上に、ＭＯＣＶＤ法によって、数μｍ程度の厚みのＡｌＮ層を表面層１ｂとしてエピタキシャル成長させる。これによって基板１が得られる。なお、上述したように、サファイアやＳｉＣなどの単結晶基材をそのまま基板１として用いてもよい。【００５６】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板１の上に下地層２、第１導電層３，発光層４、中間層５、クラッド層６ａ、キャリア供給層６ｂ、コンタクト層７となるIII族窒化物層を次のように順次にエピタキシャル成長させる：
（１）下地層２を数百ｎｍ程度の厚みに形成する；
（２）第１導電層３を、Ｓｉ原子濃度が２×１０18/ｃｍ3程度となるようにＳｉをドーピングしつつ、１μｍ程度の厚みに形成する；
（３）発光層４を、１０ｎｍ程度の厚みに形成する；
（４）中間層５を、１ｎｍ程度の厚みに形成する；
（５）クラッド層６ａを、Ｍｇ原子濃度が１×１０19/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、数十ｎｍ程度の厚みに形成する；
（６）キャリア供給層６ｂを、Ｍｇ原子濃度が３×１０19/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、数十ｎｍ程度の厚みに形成する；
（７）コンタクト層７を、Ｍｇ原子濃度が１×１０20/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、数百ｎｍ程度の厚みに形成する。【００５７】
このようにして得られた積層構造体に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用いて、第１導電層３の一部を露出させる。【００５８】
次に、クラッド層６ａ、キャリア供給層６ｂ、およびコンタクト層７におけるＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中での８００℃の熱処理を数十分間施す。【００５９】
続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、第１導電層３の露出部分に、カソード電極パッド８となるＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜を適宜の厚みにパターニングする。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での９００℃以上の温度での熱処理を、好ましくは１０００℃での熱処理を数十秒間施す。通常ＧａＮの場合７００℃程度での熱処理であるが、III族元素のうちＡｌの濃度が４０％以上となるＮ型III族窒化物材料でオーミック性コンタクトを実現するには、９００℃以上の温度で熱処理することがが好ましい。【００６０】
さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、コンタクト層７の最上面に、アノード電極層９ａとなるＮｉ/Ａｕ膜をパターニングする。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中での６００℃の熱処理を数分間施す。【００６１】
さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、アノード電極層９ａの上面の一部領域に、アノード電極パッド９ｂとなるＮｉ/Ａｕ膜をパターニングする。【００６２】
以上のプロセスを経ることで、発光素子１０は作製される。【００６３】
＜変形例＞
上述の実施の形態では、発光層とＰ型の導電部である第２導電層との間にのみ中間層を設けていたが、これに加え、さらに発光層とＮ型の導電部である第１導電層との間にも中間層を設ける態様であってもよい。図５は、係る構成を有する発光素子２０の構造を模式的に示す図である。図５（ａ）は発光素子１０の上面図であり、図５（ｂ）は該上面図に記す線分Ｃ−Ｄに沿った断面図である。なお、発光素子２０の構成要素であって、発光素子１０と共通するものは、同一の符号を付してその説明を省略する。【００６４】
図５（ｂ）に示すように、発光素子２０は、発光層４と第１導電層３との間に第１中間層５ａを備えると共に、発光層４と第２導電層６との間に第２中間層５ｂを備える。中間層５は、好ましくは、Ａｌw2Ｇａ1-w2Ｎ（０．８≦ｗ２≦１．０）なるIII族窒化物にて、より好ましくはＡｌＮにて、５ｎｍ以下の厚みに、好ましくは１ｎｍ程度の厚みに形成される。係る構成を有する発光素子２０においては、所望する紫外域での発光を発光素子１０よりもさらに高い光出力で得ることができ、不要な発光が生じることのない発光素子が実現される。【００６５】
基板１がＡｌＮからなる表面層１ｂを有する場合、下地層２との間に、ＡｌＮと下地層２を形成するIII族窒化物との中間的な組成を有する、いわゆる低温バッファ層がさらに設けられてもよい。係る場合、下地層２およびさらにその上に形成される各層の表面平坦性が改善されるとともに組成揺らぎが抑制される。【００６６】
発光層４がＡｌＩｎＧａＮからなる場合であっても、中間層５を設けることの効果は同様に得られる。
【実施例】
【００６７】
（実施例１)
本実施例では、図１に示す発光素子１０を作製し、その特性を評価した。【００６８】
まず、厚みが４００μｍの単結晶Ｃ面サファイアを単結晶基材１ａとして用意し、その上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて表面層１ｂとしてのＡｌＮ層を１μｍの厚みにエピタキシャル成長させることで基板１を得た。【００６９】
次いで、基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、下地層２、第１導電層３，発光層４、中間層５、クラッド層６ａ、キャリア供給層６ｂ、コンタクト層７となるIII族窒化物層を次のように順次にエピタキシャル成長させた：
（１）Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層を０．５μｍの厚みに成長させることによって、下地層２となる層を形成した；
（２）Ｓｉ原子濃度が２×１０18/ｃｍ3程度となるようにＳｉをドーピングしつつ、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層を１μｍの厚みに成長させることによって、第１導電層３となる層を形成した；
（３）Ａｌ0.49Ｇａ0.51Ｎからなる層を１０ｎｍの厚みに成長させることによって、発光層４を形成した；
（４）ＡｌＮからなる層を１ｎｍの厚みに成長させることによって、中間層５を形成した；
（５）Ｍｇ原子濃度が１×１０19/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層を２５ｎｍの厚みに成長させることで、クラッド層６ａとなる層を形成した；
（６）Ｍｇ原子濃度が３×１０19/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる層を２５ｎｍの厚みに成長させることによって、キャリア供給層６ｂとなる層を形成した；
（７）Ｍｇ原子濃度が１×１０20/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、ＧａＮからなる層を０．２μｍの厚みに成長させることによって、コンタクト層７となる層を形成した。【００７０】
得られた積層構造体に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用い、第１導電層３となるＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層の一部を露出させた。なお、非エッチング領域の概略寸法は０.５ｍｍ×０.５ｍｍとした。【００７１】
次に、クラッド層６ａとなるＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層、キャリア供給層６ｂとなるＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる層、およびコンタクト層７となるＧａＮ層におけるＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中での８００℃の熱処理を２５分間行った。【００７２】
続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、第１導電層３となるＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層の露出部分に、カソード電極パッド８としてのＴｉ/Ａｌ／Ｎｉ／Ａｉ膜をそれぞれ１５ｎｍ、７０ｎｍ、１２ｎｍ、６０ｎｍの厚みでパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での９００℃の熱処理を３０秒間行った。【００７３】
さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、コンタクト層７となるＧａＮ層の最上面に、アノード電極層９ａとなるＮｉ/Ａｕ膜をそれぞれ６ｎｍ、１２ｎｍの厚みにパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中での６００℃の熱処理を３０秒間行った。【００７４】
さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、アノード電極層９ａとしてのＮｉ／Ａｕ膜の上面の一部領域に、アノード電極パッド９ｂとなるＮｉ/Ａｕ膜をそれぞれ５ｎｍ、６０ｎｍの厚みにパターニングした。以上により、図１に示す発光素子１０が得られたことになる。【００７５】
係る発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。他の発光波長の光は確認されなかった。この紫外線の基板１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において１１．４μＷであった。【００７６】
（比較例１）
中間層５としてのＡｌＮ層を設けない他は、実施例１と同様の手順で発光素子を作製した。【００７７】
得られた発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、３００ｎｍ帯の発光波長の光も併せて確認された。この紫外線の基板１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において３μＷであった。【００７８】
以上の結果より、実施例１のように発光素子に中間層を設けることが、不要な発光を抑制し、所望する紫外域での発光を高い光出力で得るためには有効であることが確認された。【００７９】
（比較例２）
Ｍｇ原子濃度が１．０×１０19/ｃｍ3程度となるようにＭｇをドープしつつ発光層を形成した他は、実施例１と同様の手順で発光素子を作製した。【００８０】
得られた発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、３００ｎｍ帯の発光波長の光が強く確認された。この紫外線の基板１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において１．８μＷであった。【００８１】
発光層４にＭｇをドープした比較例２に係る発光素子において、中間層５を備えてない比較例１に係る発光素子よりも顕著に、３００ｎｍ帯の発光波長の光が確認された。発光波長が２６５ｎｍの発光の光出力は、実施例１よりも弱かった。従って、本比較例に係る発光素子は、３００ｎｍ帯の発光素子として用いることは可能ではあるものの、２６５ｎｍの発光素子として用いるには発光特性は不十分であるといえる。また、発光波長が２６５ｎｍの発光の光出力が実施例１よりも弱いということから、実施例１に係る発光素子における中間層の役割は、第２導電層から発光層へのＭｇ原子の拡散を抑制するということであると判断される。【００８２】
（実施例２）
発光層を多重量子井戸構造とした他は、実施例１と同様の手順で発光素子を作製した。【００８３】
具体的には、実施例１における発光層の形成手順に代えて、Ａｌ0.49Ｇａ0.51Ｎからなる単位発光層４ａを３ｎｍの厚みに成長させた後、Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ｎからなる単位バリア層４ｂを５ｎｍの厚みに成長させることを４周期繰り返すことで、多重量子井戸構造を有する形成するようにした。【００８４】
得られた発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、他の発光波長の光は確認されなかった。なお、図３の実線で示すデータが、本実施例に係る発光素子における発発光波長と発光強度の関係を示している。この紫外線の基板１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において２０．７μＷであった。なお、図４の実線で示すデータが、本実施例に係る発光素子における入力電流と光出力との関係を示している。【００８５】
以上の結果より、中間層を設けると共に発光層を多重量子井戸構造とすることで、不要な発光を抑制しつつ、さらに高い光出力での発光が実現できることが確認された。【００８６】
（比較例３）
中間層５としてのＡｌＮ層を設けない他は、実施例２と同様の手順で発光素子を作製した。【００８７】
得られた発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、３００ｎｍ帯の発光波長の光も併せて確認された。なお、図３の破線で示すデータが、本実施例に係る発光素子における発発光波長と発光強度の関係を示している。この紫外線の基板１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において５．３μＷであった。なお、図４の破線で示すデータが、本実施例に係る発光素子における入力電流と光出力との関係を示している。【００８８】
（実施例３）
本実施例では、変形例に係る発光素子２０を作製した。具体的には、第１導電層３としてのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層の形成と、発光層４としてのＡｌ0.49Ｇａ0.51Ｎ層の形成の間に、ＡｌＮからなる中間層（第１中間層５ａ）を１ｎｍの厚みに形成した他は、実施例と同様の手順で発光素子を作製した。なお、実施例１における中間層５としてのＡｌＮ層は、第２中間層５ｂに相当する。【００８９】
得られた発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。この紫外線の基板１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において１３μＷであった。また、他の発光波長の光は確認されなかった。【００９０】
実施例１と実施例３とを比較すると、第１導電層と発光層との間にもさらに中間層を設けることで、より高い光出力を有する発光素子が実現できるといえる。
【図１】
2008117788.tif 000003
【図２】
2008117788.tif 000004
【図３】
2008117788.tif 000005
【図４】
2008117788.tif 000006
【図５】
2008117788.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月28日(2009.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがIII族窒化物からなる複数の結晶層による積層構造を有してなり、前記積層構造においてはＰ型導電層とＮ型導電層との間に発光層を備えるダイオード構造型の発光素子であって、
前記積層構造を、所定の基材の上にＡｌＮ表面層を設けたエピタキシャル基板の上に備え、
前記発光層が２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなり、
前記Ｐ型導電層は所定のIII族窒化物にＭｇをドープすることによって形成されてなり、
前記発光層と前記Ｐ型導電層との間に、Ａｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第１の中間層をさらに備える、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の中間層の膜厚が５ｎｍ以下である、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の発光素子であって、
前記第１の中間層がＡｌＮにて形成されてなる、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子であって、
前記発光層が、
２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなる単位発光層と、
前記単位発光層を形成するIII族窒化物よりもバンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる単位バリア層と、
を繰り返し積層してなる多重量子井戸構造を有する、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発光素子であって、
前記発光層と前記Ｎ型導電層との間に、Ａｌw2Ｇａ1-w2Ｎ（０．８≦ｗ２≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第２の中間層をさらに備える、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の発光素子であって、
前記第２の中間層の膜厚が５ｎｍ以下である、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の発光素子であって、
前記第２の中間層がＡｌＮにて形成されてなる、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の発光素子であって、
前記積層構造の上に形成されたアノード電極部と、
前記積層構造の一部に設けられた露出部分に形成されたカソード電極部と、
備えることを特徴とする発光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、発光素子が、それぞれがIII族窒化物からなる複数の結晶層による積層構造を有してなり、前記積層構造においてはＰ型導電層とＮ型導電層との間に発光層を備えるダイオード構造型の発光素子であって、前記積層構造を、所定の基材の上にＡｌＮ表面層を設けたエピタキシャル基板の上に備え、前記発光層が２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなり、前記Ｐ型導電層は所定のIII族窒化物にＭｇをドープすることによって形成されてなり、前記発光層と前記Ｐ型導電層との間に、Ａｌw1Ｇａ1-w1Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第１の中間層をさらに備えるようにした。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
第４の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係る発光素子において、前記発光層が、２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の所定の発光波長での発光を実現するIII族窒化物によって形成されてなる単位発光層と、前記単位発光層を形成するIII族窒化物よりもバンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる単位バリア層と、を繰り返し積層してなる多重量子井戸構造を有するようにした。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
第５の態様では、第１ないし第４のいずれかの態様に係る発光素子において、前記発光層と前記Ｎ型導電層との間に、Ａｌw2Ｇａ1-w2Ｎ（０．８≦ｗ２≦１．０）なるIII族窒化物にて形成された第２の中間層をさらに備えるようにした。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
第６の態様では、第５の態様に係る発光素子において、前記第２の中間層の膜厚が５ｎｍ以下であるようにした。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第７の態様では、第５または第６に係る発光素子において、前記第２の中間層がＡｌＮにて形成されてなるようにした。
第８の態様では、第１ないし第７のいずれかに係る発光素子において、前記積層構造の上に形成されたアノード電極部と、前記積層構造の一部に設けられた露出部分に形成されたカソード電極部と、備えるようにした。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
第１ないし第８の態様によれば、ＭｇがＰ型導電層から発光層に拡散することに起因して生じる、所望する波長域での発光以外での不要な発光が抑制されてなり、かつ、所望する波長域での発光が従来よりも高い光出力で得られる発光素子が実現できる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2008117788.tif 000008
2008117788.tif 000009
2008117788.tif 000010
2008117788.tif 000011
2008117788.tif 000012
2008117788.tif 000013