(57)【要約】【課題】  優れた発光効率を有する窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型層とｐ型層との間に活性層を有し、２００〜３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子であって前記ｎ型層内の最小バンドギャップとなるｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層をｐ型層内に設け、  前記活性層、および前記ｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層を活性層とｐ型第一層との間に設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層とｐ型層との間に活性層を有し、２００〜３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記ｎ型層、および前記ｐ型層は、単一層、またはバンドギャップの異なる２層以上の複数層からなり、
前記ｐ型層は、ｎ型層内の最小バンドギャップとなるｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層を備え、かつ
前記活性層、および前記ｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層を、活性層とｐ型第一層との間に設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型層が、バンドギャップの異なる２層以上の複数層からなることを特徴とする請求項１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、窒化物半導体を用いた発光波長が２００〜３００ｎｍ領域である新規な深紫外発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の３００ｎｍ以下の深紫外光源には、重水素や水銀などのガス光源が使用されている。現在、前記ガス光源は、短寿命、有害、大型であるといった点で改良の余地がある。そのため、上記点が解消され、取扱が容易である半導体を用いた発光素子の実現が待たれている。
【０００３】
しかしながら、前記半導体を用いた発光素子は、重水素ガスランプあるいは水銀ガスランプと比較して光出力が弱く、また発光効率も小さいという問題がある。
【０００４】
このような光出力が不十分である原因は、窒化物半導体発光素子においては正孔と比較して電子の有効質量が小さく、かつキャリア濃度が高いため、電子が活性層（領域）を乗り越え、ｐ型層へオーバーフローを起こすことにより、発光効率の低下を招いていることが挙げられる。
【０００５】
窒化物半導体発光素子におけるｐ型層への電子のオーバーフローの問題は、発光波長３００ｎｍ以下の深紫外発光素子だけに生じている問題ではない（例えば、非特許文献１参照）。そのため、様々な発光素子において、改良策が検討されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、発光波長が３００ｎｍを越える発光素子において、活性層とｐ型層の間に、活性層のバンドギャップよりも大きいバンギャップを有する電子ブロック層を用いて、電子が活性層を通り越してｐ型層へ通り抜けてしまうことを防ぎ、発光効率を高める技術が記載されている。
【０００７】
この電子ブロック層を設ける対策は、例えば、発光波長３００ｎｍ以下の深紫外発光素子においても、適用されている（非特許文献２参照）。また、この非特許文献２には、電子ブロック層は、必ずしもｐ型で有る必要は無く、アンドープ層であっても効果があることが記載されている。このような電子ブロック層を設ける対策は、窒化物半導体発光素子において発光効率を高めるために有効な手段であると言える。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０８，０３３１１２（２０１０）
【非特許文献２】Ｅｌｅｃｔｏｒｎ．Ｌｅｔｔ．４４，４９３（２００８）
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−８８２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、発光波長３００ｎｍ以下の発光素子においては、単に電子ブロック層を設けるだけでは、十分に発光効率が改善されないことが判明した。この理由は、以下のように推定している。すなわち、発光波長が３００ｎｍ以下の深紫外発光素子におけるｐ型層のバンドギャップは、近紫外および可視光の発光素子におけるｐ型層のバンドギャップより大きいことが求められる。その結果、深紫外発光素子のｐ型層における正孔の活性化率はより低下し、かつ有効質量も大きくなることから、電子のオーバーフローがより生じ易くなるものと考えられる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、発光波長が２００〜３００ｎｍの窒化物半導体発光素子において、以上のような問題点を解決し、発光効率の高い窒化物半導体からなる深紫外発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した。特に、各層のバンドギャップの関係を詳細に検討したところ、活性層、およびｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層と、ｎ型層内の最小バンドギャップとなる層（ｎ型第一層）のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するｐ型第一層を少なくとも一層以上設けることにより、深紫外発光素子の発光効率を改善できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、
ｎ型層とｐ型層との間に活性層を有し、２００〜３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記ｎ型層、および前記ｐ型層は、単一層、または、バンドギャップの異なる２層以上の複数層からなり、
前記ｐ型層は、ｎ型層内の最小バンドギャップとなるｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層を備え、かつ
前記活性層、および前記ｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層を、活性層とｐ型第一層との間に設けることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発光波長３００ｎｍ以下の窒化物半導体によりなる深紫外発光素子における電子のオーバーフローを抑制可能となり、発光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ｎ型層が単一層である本発明の窒化物半導体発光素子（「深紫外発光素子」）の一例を示す模式断面図である。
【図２】図１に示した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。
【図３】ｐ型第三層を設けた本発明の窒化物半導体発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図４】図３に示した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。
【図５】ｎ型層がｎ型下地層２０Ａ、ｎ型クラッド層２０Ｂとなる場合の窒化物半導体発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図６】図５に示した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。
【図７】ｎ型層がｎ型クラッド層２０Ｂと、ｎ型ホールブロック層２０Ｃまたはｎ型電流拡散層２０Ｄとなる場合の窒化物半導体発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図８】図７に示した窒化物半導体発光素子おいて、ｎ型層がｎ型クラッド層２０Ｂと、ｎ型ホールブロック層２０Ｃとならなる場合の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。
【図９】図７に示した窒化物半導体発光素子おいてｎ型層がｎ型クラッド層２０Ｂと、ｎ型電流拡散層２０Ｄとならなる場合の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
先ずは、窒化物半導体発光素子の基本的な概要について説明する。
【００１７】
本発明において、２００〜３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子（以下、単に「深紫外発光素子」とする場合もある）は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって製造することができる。具体的には、市販の装置を使用し、前記単結晶基板上に、または、前記積層体の基板上に、ＩＩＩ族原料ガス、例えば、トリメチルアルミニウムのような有機金属のガスと、窒素源ガス、例えば、アンモニアガスのような原料ガスを供給することにより、製造することができる。ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体発光素子を製造する条件は、公知の方法を採用することができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法以外の方法で製造することもできる。
【００１８】
本発明において、窒化物半導体発光素子は、２００〜３００ｎｍの発光波長を有するものであれば、特に制限されるものではい。具体的には、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ガリウム、および窒素を含み、一般式：ＢＸＡｌＹＩｎＺＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で示される構成のものの中から、各層の組成を決定し、２００〜３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子とすればよい。より具体的な例を示せば、例えば、ＡｌａＧａ１−ａＮで示される組成で活性層を構成する場合には、０．２≦ａ≦１の組成が必要になる。
【００１９】
また、一概に限定されるものではないが、一般的に、Ｂ、Ａｌの割合が増加するとバンドギャップが大きくなる傾向にあり、Ｉｎ、Ｇａの割合が増加するとバンドギャップが小さくなる傾向にある。そのため、これら構成元素の割合により、各層のバンドギャップを調製することができる。構成元素の割合は、製造した窒化物半導体発光素子をＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：二次イオン質量分析計）、ＴＥＭ−ＥＤＸ（Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spectrometry：電子顕微鏡観察. 透過型, エネルギー分散型X線分析法）、３次元アトムプローブ法（3DAP）等により測定して求めることができる。そして、バンドギャップは、各層の構成元素の割合から換算することができる。また、窒化物半導体発光素子をカソードルミネセンス法（CL法）、フォトルミネセンス法（PL法）により分析することにより、直接、各層のバンドギャップを求めることもできる。
【００２０】
なお、今回の実施例・比較例においては、X線回折法（XRD）およびPL法により各層の構成元素の割合を測定し、その割合を換算してバンドギャップを求めた。
【００２１】
以下、本発明について図を用いて詳細に説明する。図１に、代表的な本発明の深紫外発光素子の模式断面図を示す。また、図２に、図１の深紫外発光素子とした場合のエネルギーバンド図の例を示す。図２においては、縦方向がバンドギャップの大きさとなる（その他のエネルギーバンド図も同様である）。図２は、ｎ型層２０のバンドギャップよりも、電子ブロック層４０、ｐ型第一層５１のバンドギャップが大きくなっていることを示している。
【００２２】
深紫外発光素子１は、基板１０、基板１０の上に設けられるｎ型層２０と、ｎ型層２０ の上に設けられる活性層３０と、前記活性層３０の上に設けられる電子ブロック層４０と、電子ブロック層４０の上に設けられるｐ型層５０とを備える。図１においては、ｎ型層が単一層の例を示しており、この場合、ｎ型層２０が最小バンドギャップとなるｎ型第一層２０となる。また、図１の例は、ｐ型層５０が複数層からなる場合の例であり、ｎ型第一層２０のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層５１、その他のｐ型第二層５２とからｐ型層５０が形成される。なお、ｐ型層５０は、単一層であってもよく、この場合、ｐ型層５０がｐ型第一層５１となる。
【００２３】
その他、通常、深紫外発光素子１は、ｐ型第二層５２上にｐ型用電極７０と、ｐ型第二層５２からｎ型層２０の一部までエッチングして除去することにより露出したｎ型層２０ の上に設けられるｎ型用電極６０とを備える。ｐ型用電極７０、およびｎ型用電極６０は、公知の方法で形成すればよい。次に、各層について詳細に説明する。
【００２４】
（基板１０）
基板１０は、特に制限されるものではなく、公知の方法で製造された、公知の基板を用いることができる。具体的には、ＡｌＮ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等が挙げられる。中でも、Ｃ面を成長面とするＡｌＮ基板、サファイア基板であることが好ましい。なお、基板１０の厚みは、特に制限されるものではないが、０．１ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましい。
【００２５】
（ｎ型層２０が単一層（ｎ型クラッド層のみ）からなる場合の例示）
ｎ型層２０は、ｎ型のドーパントがドープされている層である。図１の例では、ｎ型層２０が単一層であり、ｎ型層２０と最小バンドギャップとなるｎ型第一層とが同一のものとなる。このｎ型層２０は、特に制限されるものではないが、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲で含まれることにより、ｎ型層２０がｎ型の導電特性を示すことが好ましい。ドーパント材料は、Ｓｉ以外の材料であってもよい。
【００２６】
ｎ型層２０が単一層の場合、このｎ型層２０のバンドギャップは、下記に詳述するｐ型第一層のバンドギャップよりも小さければ、特に制限されるものではない。ただし、２００〜３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子の生産性を高め、使用用途を広げるためには、このｎ型層２０のバンドギャップの値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下の範囲とすることが好ましく、さらに、４．２０ｅＶ以上６．２５ｅＶ以下の範囲とすることが好ましく、特に、４．５０ｅＶ以上５．５０ｅＶ以下の範囲とすることが好ましい。
【００２７】
また、ｎ型層２０の膜厚は、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上５０μｍ以下であればよい。
【００２８】
（活性層３０）
活性層３０は、例えば、量子井戸構造、またはバルク構造（ダブルヘテロ構造）により構成されればよい。量子井戸数は、図１においては４つである場合の例を示したが、１つであってもよいし、２つ以上の複数であってもよい。複数ある場合には、特に制限されるものではないが、窒化物半導体発光素子の生産性を考慮すると、１０以下であることが好ましい。図１では、井戸層３０Ａ、３１Ａ、３２Ａ、３３Ａを記し、障壁層３０Ｂ、３１Ｂ、３２Ｂ、３３Ｂを記した。
【００２９】
活性層を形成する層のバンドギャップは、電子ブロック層のバンドギャップよりも小さければ、特に制限されるものではない。通常、活性層においては、障壁層の方が井戸層よりも大きいバンドギャップを有する。そのため、電子ブロック層のバンドギャップと比較する層は、最大のバンドギャップとなる障壁層であればよい。井戸層のバンドギャップは、他の層との兼ね合いで適宜決定すればよいが、４．１３ｅＶ以上６．００ｅＶ以下の範囲であることが好ましく、４．１８ｅＶ以上５．９８ｅＶ以下の範囲であることがより好ましく、４．２０ｅＶ以上５．００ｅＶ以下の範囲であることがさらに好ましい。また、障壁層のバンドギャップも、特に制限されるものではないが、４．１５ｅＶ以上６．０２ｅＶ以下の範囲であることが好ましく、４．２０ｅＶ以上６．００ｅＶ以下の範囲とすることが好ましく、特に、５．００ｅＶ以上５．５０ｅＶ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３０】
井戸層、および障壁層の一層のそれぞれの膜厚は、１〜５０ｎｍであることが好ましい。また、活性層３０がバルク構造により構成されている場合は、その膜厚は、２０〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
図１において、障壁層３０Ｂ〜３４Ｂには、ｐ型、またはｎ型のドーパントが添加されていても構わない。また、電子ブロック層４０に接する障壁層３４Ｂが存在せず、電子ブロック層４０に接する層が井戸層３３Ａであっても構わない。
【００３２】
（電子ブロック層４０）
電子ブロック層４０は、電界をかけたことによりｎ型層から活性層へと注入された電子の一部がｐ型層側に漏れることを抑制するために設けられる層である。そのため、電子ブロック層４０は、前記活性層３０、および下記に詳述するｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップ有する必要があり、また、前記活性層４０と下記に詳述するｐ型第一層５１との間に形成される必要がある。
【００３３】
電子ブロック層４０のバンドギャップは、活性層３０のバンドギャップ、ｐ型層５０を形成する層のバンドギャップよりも大きい。比較する活性層３０のバンドギャップは、前記の通り、活性層における最大のバンドギャップとなる層（障壁層）のバンドギャップである。また、比較するｐ型層５０を形成する層のバンドギャップは、最大のバンドギャップとなる層、すなわち、図２で示す窒化物半導体発光素子の場合には、ｐ型第一層５１のバンドギャップである。
【００３４】
電子ブロック層４０のバンドギャップは、活性層３０（障壁層）のバンドギャップよりも大きければ、特に制限されるものではない。中でも、活性層３０（障壁層）のバンドギャップよりも、０．０３ｅＶ以上であることが好ましく、さらに０．０５ｅＶ以上であることが好ましく、特に、０．２０ｅＶ以上であることが好ましい。電子ブロック層４０のバンドギャップと活性層３０（障壁層）のバンドギャップとの最大差は、特に制限されるものではないが、生産性を考慮すると２．１５ｅＶ以下であることが好ましい。
【００３５】
また、電子ブロック層４０のバンドギャップは、ｐ型層５０を形成する層（図２の場合、ｐ型第一層５１）のバンドギャップよりも大きければ、特に制限されるものではない。中でも、ｐ型層を形成する層（ｐ型第一層５１）のバンドギャップよりも、０．０２ｅＶ以上であることが好ましく、さらに０．０４ｅＶ以上であることが好ましく、特に、０．１０ｅＶ以上であることが好ましい。電子ブロック層４０のバンドギャップとｐ型層を形成する層（ｐ型第一層５１）のバンドギャップとの最大差は、特に制限されるものではないが、生産性を考慮すると２．１４ｅＶ以下であることが好ましく、２．０９ｅＶ以下であることがより好ましく、１．２０ｅＶ以下であることがさらに好ましい。
【００３６】
電子ブロック層４０のバンドギャップの絶対値は、特に制限されるものではないが、４．１８ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、４．２５ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましく、特に、４．７０ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましい。
【００３７】
また、電子ブロック層４０は、ｐ型のドーパントがドープされていてもよいし、アンドープの層であってもよい。ｐ型のドーパントがドープされている場合、例えば、Ｍｇをドーパントした場合には、不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲であることが好ましい。さらに、この電子ブロック層４０には、ｐ型のドーパントがドープされた領域と、ドーパントされていない層が存在してもよい。この場合、電子ブロック層４０全体の不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲であることが好ましい。
【００３８】
電子ブロック層４０は、特に制限されるものではないが、膜厚が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
（ｐ型層５０）
本発明は、前記電子ブロック層４０を有すると共に、ｐ型層５０内に、前記ｎ型層内の最小バンドギャップとなるｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層５１を有することを特徴とする。
【００４０】
図１には、ｐ型層５０が、ｐ型第一層５１とｐ型用電極７０と接触するｐ型第二層５２とから形成される例を示した。ｐ型層５０は、ｐ型のドーパントをドープされることにより、ｐ型の導電特性を示すものである。具体的には、ｐ型のドーパントとしてＭｇを使用し、不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲であることが好ましい。なお、ｐ型層５０において、不純物は均一に分散されていても、また、不均一な不純物濃度プロファイルとなっていてもよい。さらに、図１のようにｐ型層５０が複数層から構成される場合には、それら層の不純物濃度が同じであっても、異なっていてもよい。
【００４１】
（ｐ型第二層５２）
本発明においては、ｐ型層５０は単一層（この場合、ｐ型層５０がｐ型第一層となる）であってもよいが、ｐ型第二層５２を形成することにより、ｐ型用電極７０とのオーミック接触を実現し易くするとともに、その接触抵抗の低減を実現し易くすることができる。
【００４２】
ｐ型第二層５２を設けた場合には、ｐ型第二層５２のバンドギャップは、ｐ型第一層５１のバンドギャップよりも低い値となる。中でも、ｐ型第二層５２のバンドギャップは、ｐ型第一層５１のバンドギャップよりも低い値であって、その絶対値が、０．７０ｅＶ以上６．００ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、３．００ｅＶ以上４．５０ｅＶ以下であることが好ましい。最も好ましくは、ｐ型第二層５２がＧａＮ（バンドギャップ：３．４ｅＶ）から形成される場合である。
【００４３】
また、ｐ型第二層５２の厚みは、１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
（ｐ型第一層５１）
本発明においては、前記ｎ型層内の最小バンドギャップとなるｎ型第一層（図１においては、ｎ型層２０）のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層５１を設けたことを特徴とする。このｐ型第一層５１が存在することにより、このｐ型第一層５１が存在しない場合には、電子のｐ型層５０への流出が大きくなる。
【００４５】
ｎ型層２０（ｎ型第一層）とｐ型第一層５１とのバンドギャップの差は、特に制限されるものではないが、０．０１ｅＶ以上であることが好ましく、さらに０．１０ｅＶ以上であることが好ましい。なお、ｎ型層２０（ｎ型第一層）とｐ型第一層５１とのバンドギャップの差の上限は、特に制限されるものではないが、実用的な生産を考慮すると１．５０ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、１．００ｅＶ以下であることが好ましく、特に、０．５０ｅＶであることが好ましい。
【００４６】
また、ｐ型第一層５１のバンドギャップの絶対値は、前記の通り、ｎ型第一層よりも大きければ特に制限されるものではないが、４．１６ｅＶ以上６．２８ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、４．２１ｅＶ以上６．２６ｅＶ以下であることが好ましく、特に、４．６０ｅＶ以上５．６０ｅＶ以下であることが好ましい。
【００４７】
（その他のｐ型層について  ｐ型第三層５３について）
本発明においては、ｐ型層は、図１に示した構成以外にも、活性層３０と電子ブロック層４０との間に、ｐ型第三層５３を設けることもできる。この場合の深紫外発光素子の模式断面図を図３に示す。図３には、ｎ型層２０が単一層の例示を示しているが、このｎ型層２０は、下記に詳述する通り、複数層であってもよい。
【００４８】
ｐ型第三層５３を設けることにより、他のｐ型層からのドーパントが拡散するのを防止することができる。活性層３０、特に井戸層３３aへの不純物の拡散を抑制することが可能となり、高品質な活性層を実現することができる。
【００４９】
このｐ型第三層５３は、他のｐ型層と同じく、形成時にｐ型のドーパントをドープしたものであってもよい。また、アンドープの層を一旦形成した後、他のｐ型層のドーパントの拡散により、該アンドープの層がｐ型の導電性を有する層（ｐ型第三層５３）となっても構わない。このｐ型第三層５３は、活性層３０上に積層され、その上に電子ブロック層４０が形成される。
【００５０】
ｐ型第三層５３を設けた場合のエネルギーバンド図の例を図４に示す。なお、図４においては、ｎ型層２０が単一層であって、ｐ型第一層５１が単一層の場合の例示であるが、ｎ型層２０が複数層であってもよい。このｐ型第三層５３のバンドギャップは、活性層３０、特に障壁層３０ｂ〜３４ｄと同じであることが好ましい。また、ｐ型第三層５３の厚みは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５１】
また、図３に示す深紫外発光素子とした場合にも、基板１０、ｎ型層２０、活性層３０、電子ブロック層４０、ｐ型第一層５１、ｐ型第二層５２は、上記で説明した層と同様の層とすることが好ましい。
【００５２】
以上、ｎ型層２０が単一層、すなわち、ｎ型層２０がｎ型第一層２０となる場合の説明を行ったが、次に、このｎ型層２０が複数層から形成される場合の例について説明する。
【００５３】
（複数層からｎ型層２０が構成される場合）
（ｎ型下地層２０Ａ  ｎ型クラッド層２０Ｂを形成した場合  図５、図６参照）
本発明においては、ｎ型層２０を複数層とすることもできる。ｎ型層２０をｎ型下地層２０Ａ、ｎ型クラッド層２０Ｂの２層から構成した場合の深紫外発光素子の模式断面図を図５に示す。
【００５４】
ｎ型下地層２０Ａは、基板１０と成長層（ｎ型クラッド層２０Ｂ以降の層）との格子不整合や界面のラフニングなどを緩和させるため導入される層である。通常、下地層は、アンドープの層であってもよいが、ｎ型層としての機能を持たせることもできる。下地層をｎ型にするメリットとしては、横方向より電流注入が必要となるフリップチップ型の発光素子において、駆動電圧を下げられることが挙げられる。
【００５５】
ｎ型クラッド層２０Ｂは、ｎ型層が単一層のものと同じ役割を果たすものであり、ｎ型下地層と共に、活性層への電子の供給を行うための層である。
【００５６】
これらの層は、ｎ型層とするため、前記の通り、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲で含むことが好ましい。この不純物は、ｎ型下地層２０Ａ、およびｎ型クラッド層２０Ｂ中に均一に分散していてもよいし、不均一に分散していてもよい。さらにｎ型下地層２０Ａにおいては基板１０に接する側の一部がアンドープであってもよい。
【００５７】
この場合、特に制限されるものではないが、例えば、サファイア基板上、またはＡｌＮ基板上においては、図６に示すように、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップの方が、ｎ型クラッド層２０Ｂよりも大きくなる方が好ましい。そして、ｎ型層２０における最小のバンドギャップとなる層、すなわち、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Ｂであることが好ましい。また、例えば、ＧａＮ基板を基板として使用する場合においては、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップの方が、ｎ型クラッド層２０Ｂよりも小さくなる方が好ましい。そして、ｎ型層２０における最小のバンドギャップとなる層、すなわち、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Aであることが好ましい。このような関係となることにより、ｎ型下地層はｎ型クラッド層として機能するようになる。
【００５８】
また、特に制限されるものではないが、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップがｎ型クラッド層２０Ｂよりも大きい場合においては、ｎ型下地層２０Ａとｎ型クラッド層２０Ｂとのバンドギャップの差は０．０２５ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。一方、ｎ型下地層２０Aのバンドギャップがｎ型クラッド層２０Ｂよりも大きい場合においては、ｎ型下地層２０Ａとｎ型クラッド層２０Ｂとのバンドギャップの差は０．０２５ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。なお、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップの絶対値は、３．４ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましく、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましい。このバンドギャップの絶対値は、他のｎ型層が形成される場合も、同じであることが好ましい。
【００５９】
ｎ型下地層２０Ａの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、ｎ型クラッド層２０Ｂの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下となることが好ましい。
【００６０】
なお、図６は、ｐ型第一層４１、ｐ型第二層４２を有する場合の例を示したが、活性層３０と電子ブロック層４０との間に、さらに、ｐ型第三層４３が設けられたものでもよい。そして、ｎ型層以外の層の厚み、および構成は、ｎ型層２０が単一層からなる場合で説明したものと同様のものであればよい。
【００６１】
（ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型ホールブロック層２０Ｃを形成した場合  図７、図８参照）
ｎ型層２０をｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型ホールブロック層２０Ｃの２層から構成した場合の深紫外発光素子の模式断面図を図７に示す。図７において、ｎ型クラッド層２０Ｂ上に、ｎ型ホールブロック層２０Ｃが積層された場合である。
【００６２】
ｎ型ホールブロック層２０Ｃは、電界をかけたことにより、ｐ型層から活性層へと注入されたホールの一部がｎ型層側に漏れることを抑制するために設けられる層である。また、前記の通り、ｎ型クラッド層２０Ｂは、ｎ型層が単一層のものと同じ役割を果たすものであり、電子を活性層に供給するための層である。これらの層は、ｎ型層とするため、前記の通り、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲で含むことが好ましい。この不純物は、ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型ホールブロック層２０Ｃ中に均一に分散していてもよいし、不均一に分散していてもよい。
【００６３】
この場合、特に制限されるものではないが、図８に示すように、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも、ｎ型ホールブロック層２０Ｃのバンドギャップが大きくなることが好ましい。そして、ｎ型層２０における最小のバンドギャップとなる層、すなわち、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Ｂであることが好ましい。特に制限されるものではないが、ｎ型クラッド層２０Ｂとｎ型ホールブロック層２０Ｃとのバンドギャップの差は、０．０２５ｅＶ以上２．００ｅＶ以下となることが好ましい。なお、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましく、ｎ型ホールブロック層２０Ｃのバンドギャップの絶対値は、４．１８ｅＶ以上６．２９ｅＶ以下であることが好ましい。このバンドギャップの絶対値は、他のｎ型層が形成される場合も、同じであることが好ましい。
【００６４】
なお、図８は、ｐ型第一層４１、ｐ型第二層４２を有する場合の例を示したが、活性層３０と電子ブロック層４０との間に、さらに、ｐ型第三層４３が設けられたものでもよい。そして、ｎ型層以外の層の厚み、および構成は、ｎ型層２０が単一層からなる場合で説明したものと同様のものであればよい。
【００６５】
ｎ型クラッド層２０Ｂの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、ｎ型ホールブロック層２０Ｃの厚みは、１ｎｍ以上１μｍ以下となることが好ましい。
【００６６】
（ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型電流拡散層２０Ｄを形成した場合  図７、図９参照）
ｎ型層２０をｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型電流拡散層２０Ｄの２層から構成した場合の深紫外発光素子の模式断面図を図７に示す。図７において、ｎ型クラッド層２０Ｂ上に、ｎ型電流拡散層２０Ｄが積層された場合である。
【００６７】
一般的に横方向に電流注入を必要とする発光素子においては、発光素子の縦方向のキャリアの移動距離に対して横方向へのキャリアの移動距離は十分以上に長い。そのためその駆動電圧はキャリアの横方向の移動距離にかかる抵抗に比例するようになる。したがって横方向の伝導度を高めるために２次元電子ガスを利用した構造が一般的に用いられており、このような構造を電流拡散層と呼ぶ。ｎ型クラッド層２０Ｂは、前記の通り、電子を活性層に供給する役割を果たすものである。これらの層は、ｎ型層とするため、前記の通り、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲で含むことが好ましい。この不純物は、ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型電流拡散層２０Ｃ中に均一に分散していてもよいし、不均一に分散していてもよい。
【００６８】
図９には、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも小さいバンドギャップのｎ型電流拡散層２０Ｄである場合のバンドエネルギー図を示した。この場合、ｎ型第一層は、ｎ型電流拡散層２０となる。
【００６９】
ただし、ｎ型電流拡散層２０Ｄは、３角ポテンシャルを形成することによる２次元電子ガスを生成することができればよいため、ｎ型クラッド層２０Ｂよりも大きなバンドギャップを有してもよい。この場合、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Ｂとなる。
【００７０】
また、このｎ型電流拡散層上には、直接活性層３０が積層されなくてもよく、ｎ型クラッド層２０Ｂの中にｎ型電流拡散層が形成されていてもよい。
【００７１】
特に制限されるものではないが、ｎ型クラッド層２０Ｂとｎ型電流拡散層２０Ｄとのバンドギャップの差は、０．０３ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。なお、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましい。ただし、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値がｎ型クラッド層２０Ｂの絶対値より小さい場合においては、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値が４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であり、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップ４．１８ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましい。また、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値がｎ型クラッド層２０Ｂの絶対値より大きい小さい場合においては、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値が４．１８ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であり、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップ４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましい。
【００７２】
ｎ型クラッド層２０Ｂの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、ｎ型電流拡散層層２０Ｄの厚みは、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００７３】
なお、図９は、ｐ型第一層４１、ｐ型第二層４２を有する場合の例を示したが、活性層３０と電子ブロック層４０との間に、さらに、ｐ型第三層４３が設けられたものでもよい。そして、ｎ型層以外の層の厚み、および構成は、ｎ型層２０が単一層からなる場合で説明したものと同様のものであることが好ましい。
【００７４】
（その他のｎ型層の組み合わせ）
上記にはｎ型層が２層からなる組み合わせの場合を説明したが、ｎ型層は、その他の組み合わせであってもよい。例えば、複数からなるｎ型層は、ｎ型下地層、ｎ型クラッド層、ｎ型ホールブロック層、およびｎ型電流拡散層から得られる２層以上の層であってもよい。各層の厚みは、前記の説明の通りであり、ｐ型層も、単一層、または複数層であってもよいく、さらに、ｐ型第三層を有していてもよい。ただし、積層順は、基板／ｎ型下地層／ｎ型クラッド層の順で積層された上に、ｎ型ホールブロック層、ｎ型電流拡散層が積層されることが好ましい。ただし、ｎ型ホールブロック層とｎ型電流拡散層の積層順は、特に制限されるものではない。また、このような構成とした場合にも、好ましい基板、ｎ型層、活性層、電子ブロック層、ｐ型層は、前記に説明した層と同様の態様となることが好ましい。
【００７５】
このような組み合わせとした場合には、ｎ型下地層、ｎ型クラッド層、ｎ型ホールブロック層、およびｎ型電流拡散層の中で最も小さいバンドギャップとなる層を、ｎ型第一層とする。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７７】
比較例１
図１に示した構造の窒化物半導体発光素子を製造した（）。
【００７８】
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、一辺７ｍｍ角、厚さ５００μｍのＣ面ＡｌＮ基板上１０上に、ｎ型層２０として、ＳｉをドープしたＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層（ｎ型第一層：バンドギャップ５．２３ｅＶ、Ｓｉ濃度１×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み１．０μｍで形成した。
【００７９】
ｎ型層２０上に、活性層３０を量子井戸構造として、井戸層（組成Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、バンドギャップ４．５５ｅＶ）を層厚み２ｎｍ、障壁層（組成Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ、バンドギャップ５．２３ｅＶ）を層厚み７ｎｍで形成した。図２に示す通り、井戸層を４層、障壁層を５層形成した。
【００８０】
活性層３０上に、電子ブロック層４０として、ＭｇをドープしたＡｌＮ層（バンドギャップ６．００ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み３０ｎｍで形成した。
【００８１】
電子ブロック層４０上に、ｐ型第一層５１として、ＭｇをドープしたＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層（バンドギャップ５．２３ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み５０ｎｍで形成した。その後、ｐ型第二層５２として、ＭｇをドープしたＧａＮ層（バンドギャップ３．４０ｅＶ、Ｍｇ濃度２×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み１００ｎｍで形成した。
【００８２】
次いで、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を行った。その後、ｐ型第二層５２の表面にフォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない窓部を反応性イオンエッチングによりｎ型層２０の表面が露出するまでエッチングした。その後、ｎ型層２０の表面に真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）電極（負電極）を形成し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型第二層５２の表面に、真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極（正電極）を形成した後、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を行い、窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８３】
得られた窒化物半導体素子は、電流注入１０ｍＡ時において２６７ｎｍに発光波長があり、外部量子効率１．７％という出力であった。
【００８４】
比較例２
比較例１において、ｐ型第一層５１を組成Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ、バンドギャップ５．０９ｅＶに変更した以外は、比較例１と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１０ｍＡ時において２６７ｎｍに発光波長があり、外部量子効率１．３％という出力であった
その結果、ｐ型第一層のバンドギャップがｎ型第一層のバンドギャップよりも小さい場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が０．７５倍であることが分かった。
【００８５】
実施例１
比較例１において、ｐ型第一層５１を組成Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ、バンドギャップ５．３８ｅＶに変更した以外は、比較例１と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１０ｍＡ時において２６７ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．２％という出力であった
その結果、ｐ型第一層のバンドギャップがｎ型第一層のバンドギャップよりも大きい場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．３０倍であることが分かった。
【符号の説明】
【００８６】
１        窒化物半導体発光素子（深紫外半導体発光素子）
１０      基板
２０      ｎ型層
２０Ａ    ｎ型下地層
２０Ｂ    ｎ型クラッド層
２０Ｃ    ｎ型ホールブロック層
２０Ｄ    ｎ型電流拡散層
３０      活性層（活性層領域）
３０ａ    活性層の第１の井戸層
３１ａ    活性層の第２の井戸層
３２ａ    活性層の第３の井戸層
３３ａ    活性層の第４の井戸層
３０ｂ    活性層の第１の障壁層
３１ｂ    活性層の第２の障壁層
３２ｂ    活性層の第３の障壁層
３３ｂ    活性層の第４の障壁層
３４ｂ    活性層の第５の障壁層
４０      電子ブロック層    
５０      ｐ型層
５１      ｐ型第一層
５２      ｐ型第二層
５３      ｐ型第三層
６０      ｎ型用電極層
７０      ｐ型用電極層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014154597.tif 000009
【図８】
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【図９】
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