(57)【要約】【課題】  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取り出す窒化物半導体発光素子において、ウォールプラグ効率の向上を図る。【解決手段】  窒化物半導体紫外線発光素子１を構成するｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層２１中に、前記ｎ型層２１の一部であって局所的にＧａ組成比の高い薄膜状の複数のＧａリッチ層２１ｂが、ｎ型層２１の上面と直交する方向である上下方向に離間して存在し、上下方向と平行な第１平面上での複数のＧａリッチ層２１ｂの少なくとも一部の延伸方向が、ｎ型層２１の上面と第１平面との交線に対して傾斜しており、ｎ型層２１の上面から下方側に１００ｎｍ以内の厚さの上層域内において、ｎ型層２１の上面と平行な第２平面上に、複数のＧａリッチ層２１ｂが縞状に存在し、Ｇａリッチ層２１ｂのＡｌＮモル分率が、発光素子１を構成する活性層２２内の井戸層２２ｂのＡｌＮモル分率より大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型層と、前記ｎ型層の上面の第１領域上に形成されたＡｌＧａＮ系半導体層の活性層と、前記活性層の上面に形成された１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型層を含む半導体積層部と、
前記ｎ型層の上面の前記第１領域でない第２領域上に形成されたｎ電極と、
前記ｐ型層の上面に形成されたｐ電極を、備えてなる窒化物半導体紫外線発光素子であって、
前記活性層が、ＡｌＧａＮ系半導体層で構成された井戸層を１層以上含む量子井戸構造を有し、
前記ｎ型層の前記上面の少なくとも前記第１領域の下方の前記ｎ型層中に、前記ｎ型層の一部であって局所的にＧａ組成比の高い薄膜状の複数のＧａリッチ層が、前記上面と直交する方向である上下方向に離間して存在し、
前記上下方向と平行な第１平面上での前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部の延伸方向が、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おり、
前記ｎ型層の前記上面と平行な複数の第２平面の夫々において、複数の前記Ｇａリッチ層が縞状に存在し、前記複数の第２平面の少なくとも１つが、前記ｎ型層の前記上面から下方側に１００ｎｍ以内の厚さの上層域内に存在し、
前記第１領域の下方に存在する前記Ｇａリッチ層のＡｌＮモル分率が、前記井戸層のＡｌＮモル分率より大きい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１領域の下方の前記上層域内の少なくとも１つの前記第２平面上において、縞状の前記Ｇａリッチ層が部分的に存在することでＧａの組成変調が生じている１μｍ四方以下の微小区域が分散して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】
前記上層域内に、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が前記上下方向に複数存在し、
前記上下方向に隣接する前記Ｇａリッチ層間の前記上下方向の離間距離の最小値が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項４】
前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記ｎ型層の前記上面の前記第２領域内の前記ｎ電極の形成された箇所の下方の前記ｎ型層中に存在することを特徴とする請求項１〜３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５】
前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記第１平面上における前記Ｇａリッチ層の延伸方向の前記交線に対する傾斜角が０°以上１０°以下の低傾斜部分を有することを特徴とする請求項１〜４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６】
前記低傾斜部分が、前記上層域内に存在することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項７】
前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記第１平面上において、他の前記Ｇａリッチ層と交差、または、他の前記Ｇａリッチ層から分岐していることを特徴とする請求項１〜６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８】
前記ｎ型層内に、前記ｎ型層内の他の領域に比べてｎ型不純物濃度が相対的に小さい低不純物濃度層が、前記第２平面と平行な層状に存在す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。
【請求項９】
前記低不純物濃度層が、前記上層域に存在することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項１０】
前記第１平面上における前記複数のＧａリッチ層の任意の１点の延伸方向の前記交線に対する傾斜角が、０°以上４５°未満の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜９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１１】
サファイア基板を含む下地部を更に備え、
前記半導体積層部が前記下地部上に形成されており、
前記下地部の上面に前記Ｇａリッチ層の成長開始点となる複数の段差部が分散して形成されていることを特徴とする請求項１〜１０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、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された発光層を有す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型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）或いは多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）の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系半導体層の場合、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系半導体層の場合、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系半導体層で構成される。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系半導体層の一般的な紫外線発光ダイオードは、図８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、非特許文献１及び２等参照）。【０００５】
図８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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１７８２８８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／１５７５１８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｋｅｎｔａｒｏ  Ｎａｇａｍａｔｓｕ，ｅｔａｌ．，“Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ＵＶ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｏｎ  ｌａｔｅｒａｌｌｙ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ  ＡｌＮ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，２００８，３１０，ｐｐ．２３２６−２３２９
【非特許文献２】Ｓｈｉｇｅａｋｉ  Ｓｕｍｉｙａ，ｅｔａｌ．，“ＡｌＧａＮ−Ｂａｓｅｄ  Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ＡｌＮ／Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ”，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７，  Ｎｏ．１，  ２００８，ｐｐ．４３−４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発光素子のウォールプラグ効率Ｅｗｐは、発光素子に入力した全電力に対する光出力の割合として定義される発光効率であり、発光素子の外部量子効率Ｅｅｘと、活性層に印加される電圧Ｖｇと発光素子に印加される駆動電圧Ｖの比（Ｖｇ／Ｖ）で表される電圧効率Ｅｖとの積（Ｅｅｘ×Ｅｖ）表される。一方、発光素子の外部量子効率Ｅｅｘは、活性層内でのキャリア再結合による発光効率を示す内部量子効率Ｅｉｎと、活性層で発光した光を発光素子の外部に取り出す効率を示す光取り出し効率Ｅｅｘｔの積（Ｅｉｎ×Ｅｅｘｔ）で定義される。【０００９】
従って、ウォールプラグ効率Ｅｗｐを向上させるには、上記電圧効率Ｅｖと、上記内部量子効率Ｅｉｎと、上記光取り出し効率Ｅｅｘｔを夫々個別に向上させる必要があり、これまでに多数の提案がなされている。【００１０】
内部量子効率は、ＡｌＧａＮ系半導体層の結晶品質の改善、及び、キャリアの活性層内への注入効率を高めること等で向上を図る試みがなされており、例えば、後者の試みとして、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既に行われているが、未だ改善の余地が残されている。【００１１】
活性層内のキャリア密度をｎとした場合、キャリアの再結合は、経験則として、下記式（１）で表される３種類の再結合からなるモデルで近似的に示される。【００１２】
Ｒ＝Ａｎ＋Ｂｎ２＋Ｃｎ３    （１）【００１３】
式（１）において、左辺のＲはキャリアの再結合速度（活性層に注入される電流に相当）であり、右辺のＡ、Ｂ、Ｃは、非発光再結合中心を介してキャリアが再結合するショックレー・リード・ホール（ＳＲＨ）再結合、発光再結合、オージェ（Ａｕｇｅｒ）再結合の各係数である。発光ダイオードの場合、通常、キャリア密度ｎの３乗に比例するオージェ再結合の効果は無視できるため、更に、発光素子に注入される電流の電流密度が低く、活性層に注入されずオーバフローする電流の比率が小さく無視できる場合を想定すると、内部量子効率Ｅｉｎは、近似的に下記の式（２）のキャリア密度ｎの関数ｆ（ｎ）で表される。【００１４】
Ｅｉｎ＝ｆ（ｎ）＝Ｂｎ／（Ａ＋Ｂｎ）    （２）【００１５】
式（２）より、オージェ再結合が無視できる範囲内におけるキャリア密度ｎの増加により、内部量子効率Ｅｉｎは増加することになる。【００１６】
一方、図８に示す素子構造において、ｐ電極１０８からｎ電極１０７に向けて流れる順方向電流の電流経路上には種々の寄生抵抗が存在し、該寄生抵抗が大きくなると、該寄生抵抗による電圧降下により、ｐ電極１０８とｎ電極１０７間に印加される順方向バイアスに対して活性層１０４に印加される電圧が相対的に小さくなり、電圧効率Ｅｖが低下し、結果として発光素子のウォールプラグ効率Ｅｗｐが低下する。【００１７】
特に、図８に示す素子構造では、活性層１０４の直下にｎ電極１０７を形成することができないため、活性層１０４とｎ電極１０７間が横方向（ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３の表面に平行な方向）に離間し、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３の当該横方向の電気抵抗が大きな寄生抵抗となる。また、紫外線発光素子では、発光波長の短波長化に伴い、活性層１０４及びｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３を構成するＡｌＧａＮ系半導体のＡｌＮモル分率が大きくなるが、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体の比抵抗はＡｌＮモル分率が大きいほど高くなる傾向があり、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３の寄生抵抗に起因する電圧効率Ｅｖの低下は、発光波長の短波長化に伴い顕著となる。【００１８】
このため、活性層がＡｌＧａＮ系半導体層の紫外線発光ダイオードでは、活性層の平面視形状を、活性層内の任意の点からｎ電極に至る電流経路の距離を短くできる櫛形形状として、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層の寄生抵抗に起因する電圧効率Ｅｖの低下を抑制し、ウォールプラグ効率Ｅｗｐの低下の抑制が図られていた（例えば、下記の特許文献１及び２等参照）。【００１９】
ところで、一般的な窒化物半導体紫外線発光素子では、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層の膜厚は、１〜２μｍ程度である（例えば、上記特許文献２、非特許文献１及び２参照）のに対して、チップサイズは、４００μｍから１ｍｍを超えるものまであるため、活性層の平面視形状の最小幅は、仮に、上記特許文献１及び２に開示されているような櫛形形状を想定すると、少なくとも４０μｍはあると考えられる。この場合、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層中の電流経路の縦方向（上下方向）の長さが１〜２μｍ程度以下であるのに対して、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層中の電流経路の横方向の長さは２０μｍ以上（１０倍以上）となる。ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層の比抵抗が仮に当該層内において均一であっても、上記電流経路の横方向の電気抵抗（比抵抗×長さ／断面積）は、上記電流経路の縦方向の電気抵抗の１００倍以上となる。よって、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層の寄生抵抗の影響は、横方向において顕著となる。【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、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取り出す窒化物半導体発光素子において、ウォールプラグ効率の向上を図ることにある。
【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、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型層と、前記ｎ型層の上面の第１領域上に形成されたＡｌＧａＮ系半導体層の活性層と、前記活性層の上面に形成された１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型層を含む半導体積層部と、前記ｎ型層の上面の前記第１領域でない第２領域上に形成されたｎ電極と、前記ｐ型層の上面に形成されたｐ電極を、備えてなる窒化物半導体紫外線発光素子であって、
前記活性層が、ＡｌＧａＮ系半導体層で構成された井戸層を１層以上含む量子井戸構造を有し、前記ｎ型層の前記上面の少なくとも前記第１領域の下方の前記ｎ型層中に、前記ｎ型層の一部であって局所的にＧａ組成比の高い薄膜状の複数のＧａリッチ層が、前記上面と直交する方向である上下方向に離間して存在し、
前記上下方向と平行な第１平面上での前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部の延伸方向が、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おり、
前記ｎ型層の前記上面と平行な複数の第２平面の夫々において、複数の前記Ｇａリッチ層が縞状に存在し、前記複数の第２平面の少なくとも１つが、前記ｎ型層の前記上面から下方側に１００ｎｍ以内の厚さの上層域内に存在し、
前記第１領域の下方に存在する前記Ｇａリッチ層のＡｌＮモル分率が、前記井戸層のＡｌＮモル分率より大きいことを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。更に、ｎ型またはｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層は、上記ＡｌＧａＮ系半導体層に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層である。本願では、ｐ型及びｎ型と明記されていないＡｌＧａＮ系半導体層は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体層を意味するが、アンドープ層であっても、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平面と第２平面は、必ずしも前記半導体積層部に製造過程で具体的に形成された露出面や各半導体層間の境界面ではなく、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と、上下方向に直交して延伸する仮想的な平面である。【００２３】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、以下の理由から、内部量子効率の向上が期待される。前記上層域内の前記第２平面内において、複数の前記Ｇａリッチ層が縞状に存在していることで、活性層直下のｎ型層内でＧａ組成比の高いＧａリッチ層と相対的にＧａ組成比の低い層（仮にベース層と称す）が交互に存在するＧａの組成変調が生じている。Ｇａリッチ層の方がベース層より電流を流し易いため、Ｇａリッチ層から活性層に向けて注入されるキャリア密度の方が、ベース層から活性層に向けて注入されるキャリア密度より高くなり、活性層内の第２平面と平行な面内において、キャリア密度の高い部分と低い部分の差が生じる。【００２４】
ここで、活性層内の第２平面と平行な面内の２つの同じ面積の微小領域Ｓ１とＳ２を想定し、上記Ｇａの組成変調が生じず、微小領域Ｓ１とＳ２に注入される電流Ｉが同じＩ０のケース１と、上記Ｇａの組成変調が生じて、微小領域Ｓ１に注入される電流Ｉ１が微小領域Ｓ１に注入される電流Ｉ１より大きくなり、Ｉ１＋Ｉ２＝２×Ｉ０（Ｉ１＞Ｉ０、Ｉ２＜Ｉ０）となるケース２を想定する。【００２５】
ケース１では、微小領域Ｓ１とＳ２間でキャリア密度ｎは同じで、キャリア密度ｎ０とする。従って、微小領域Ｓ１とＳ２の各内部量子効率Ｅｉｎは、ｆ（ｎ０）で表され、微小領域Ｓ１とＳ２で夫々光再結合に供される電流Ｉｇ０とその合計電流Ｉｇ０ｔは、下記の式（３）に示すようになる。【００２６】
Ｉｇ０ｔ＝２Ｉｇ０＝２ｆ（ｎ０）Ｉ０    （３）【００２７】
ケース２では、Ｉ１＝Ｉ０（１＋ｘ）、Ｉ２＝Ｉ０（１−ｘ）、但し、０＜ｘ≦１とすると、微小領域Ｓ１においては、電流Ｉ１と同様、注入されるキャリア密度ｎが（１＋ｘ）倍と増加し、内部量子効率Ｅｉｎが、ケース１の微小領域Ｓ１の内部量子効率ｆ（ｎ０）より高い内部量子効率ｆ（ｎ０（１＋ｘ））となり、微小領域Ｓ２においては、電流Ｉ２と同様、注入されるキャリア密度ｎが（１−ｘ）倍と減少し、内部量子効率Ｅｉｎが、ケース１の微小領域Ｓ２の内部量子効率ｆ（ｎ０）より低い内部量子効率ｆ（ｎ０（１−ｘ））となる。従って、微小領域Ｓ１とＳ２で夫々光再結合に供される電流Ｉｇ１、Ｉｇ２とその合計電流Ｉｇ１ｔは、下記の式（４）に示すようになる。【００２８】
Ｉｇ１ｔ＝Ｉｇ１＋Ｉｇ２＝ｆ（ｎ０（１＋ｘ））Ｉ０（１＋ｘ）
＋ｆ（ｎ０（１−ｘ））Ｉ０（１−ｘ）    （４）【００２９】
ここで、関数ｆ（ｎ）は、変数ｎの０からの増加により、０から１に向かって単調に増加する関数であり、Ｉ１及びＩ２のＩ０からの変化量が小さい場合は、ｆ（ｎ０（１＋ｘ））とｆ（ｎ０（１−ｘ））は、ｆ（ｎ０）＋Δ（ｘ）とｆ（ｎ０）−Δ（ｘ）と近似でき、式（４）は、下記の式（５）となる。【００３０】
Ｉｇ１ｔ＝２ｆ（ｎ０）Ｉ０＋２Δ（ｘ）Ｉ０ｘ
＝Ｉｇ０ｔ＋２Δ（ｘ）Ｉ０ｘ    （５）【００３１】
上記式（５）より、Ｉ１及びＩ２のＩ０からの変化量が小さい場合は、上記Ｇａの組成変調が生じるケース２の方が、該組成変調の生じていないケース１より、光再結合に供される電流が、微小領域当たりΔ（ｘ）Ｉ０ｘだけ増加することが分かる。【００３２】
一方、Ｉ１及びＩ２のＩ０からの変化量が大きく、ｘ＝１の場合は、上記式（４）は、下記の式（６）となる。【００３３】
Ｉｇ１ｔ＝２ｆ（２ｎ０）Ｉ０    （６）【００３４】
式（６）のｆ（２ｎ０）は、式（３）のｆ（ｎ０）より大きいので、Ｉ１及びＩ２のＩ０からの変化量が大きい場合も、上記Ｇａの組成変調が生じるケース２の方が、該組成変調の生じていないケース１より、光再結合に供される電流が、微小領域当たり（ｆ（２ｎ０）−ｆ（ｎ０））だけ増加することが分かる。【００３５】
以上より、活性層全体に注入される総電流が同じ場合に、上記Ｇａの組成変調が生じるケース２の方が、該組成変調の生じていないケース１より、活性層全体で光再結合に供される電流が増加することになり、活性層全体での内部量子効率Ｅｉｎが増加することになる。この結果、ウォールプラグ効率の向上が期待される。【００３６】
ここで注意すべきポイントは、活性層内においてＧａの組成変調が生じていなくても、その近傍に存在するｎ型層においてＧａの組成変調が生じていると、活性層に向けて注入されるキャリア密度に変化が生じ、結果として内部量子効率Ｅｉｎの向上が図れると期待される点である。【００３７】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ｎ型層中において相対的に比抵抗の低い、つまり、電流の流れ易い複数のＧａリッチ層が、その上に活性層の存在する第１領域の下方のｎ型層内に上下方向に離間して形成されているので、ｐ電極とｎ電極間に印加される順方向バイアスによって、ｐ型窒化物半導体層からｎ型窒化物半導体層に向けて流れる順方向電流は、活性層直下のｎ型層中において、横方向（ｎ型層の上面と平行な方向）に、ｎ電極直下の領域に向かって流れる際に、当該横方向に対しても延伸している該電流の流れ易い複数のＧａリッチ層を通過することができるため、当該ｎ型層の横方向の寄生抵抗を、複数のＧａリッチ層が形成されていない場合と比較して低減することができると考えられる。この結果、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取り出す素子構造において、該寄生抵抗に起因する電圧降下を抑制でき、電圧効率Ｅｖの向上よるウォールプラグ効率の向上が期待される。【００３８】
該寄生抵抗に起因する電圧降下は、第１領域の外周部から中心部に向けて顕著となるため、第１領域の最小幅は、当該電圧降下によって一定値以下に制限される。しかし、当該電圧降下を抑制できると、第１領域の最小幅を大きくすることができる。この結果、チップサイズに占める第１領域の面積を大きくできる。【００３９】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記第１領域の下方の前記上層域内の少なくとも１つの前記第２平面上において、縞状の前記Ｇａリッチ層が部分的に存在することでＧａの組成変調が生じている１μｍ四方以下の微小区域が分散して存在することが好ましい。これにより、活性層に注入される電流の電流密度の高い部分と低い部分が細分化して一様に分散させることができ、非発光再結合による発熱の局在化を防止できるとともに、Ｇａの組成変調に起因する内部量子効率の変化に伴う発光強度の変化が微小区域内で生じ、且つ、当該発光強度の変化が活性層内で一様に分布するため、局所的な発光強度の面内バラツキを活性層全体で均一化でき、活性層内での発光強度の巨視的な（粒度の粗い）均一化を図ることができる。【００４０】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記上層域内に、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が前記上下方向に複数存在し、前記上下方向に隣接する前記Ｇａリッチ層間の前記上下方向の離間距離の最小値が１００ｎｍ以下であることが好ましい。【００４１】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記ｎ型層の前記上面の前記第２領域内の前記ｎ電極の形成された箇所の下方の前記ｎ型層中に存在することが好ましい。【００４２】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記第１平面上における前記Ｇａリッチ層の延伸方向の前記交線に対する傾斜角が０°以上１０°以下の低傾斜部分を有することが好ましい。更に、前記低傾斜部分が、前記上層域内に存在することが、より好ましい。【００４３】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記第１平面上において、他の前記Ｇａリッチ層と交差、または、他の前記Ｇａリッチ層から分岐していることが好ましい。【００４４】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記第１平面上における前記複数のＧａリッチ層の任意の１点の延伸方向の前記交線に対する傾斜角が、０°以上４５°未満の範囲内にあることが好ましい。【００４５】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の各好適な態様の夫々において、上記寄生抵抗の低減が更に促進され、該寄生抵抗に起因する電圧降下を一層抑制でき、電圧効率Ｅｖの更なる向上が図れるため、ウォールプラグ効率の更なる向上が期待できる。【００４６】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｎ型層内に、前記ｎ型層内の他の領域に比べてｎ型不純物濃度が相対的に小さい低不純物濃度層が、前記第２平面と平行な層状に存在することが好ましい。更に、前記低不純物濃度層が、前記上層域に存在することが、より好ましい。【００４７】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子では、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部の延伸方向が、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が、これは、当該Ｇａリッチ層が横方向と縦方向の両方に対して同時に成長していることを意味しており、ｎ型不純物濃度が低いほど、該横方向の成長が促進される結果、前記ｎ型層の横方向の寄生抵抗の低減が促進される。【００４８】
更に、上記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更に備え、前記半導体積層部が前記下地部上に形成されており、前記下地部の上面に前記Ｇａリッチ層の成長開始点となる複数の段差部が分散して形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００４９】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、当該ｎ型層内に複数のＧａリッチ層が形成されることに伴い、内部量子効率Ｅｉｎまたは電圧効率Ｅｖまたはその両方の向上によるウォールプラグ効率の向上が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の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２】図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子を図１の上側から見た場合の構造の一例を模式的に示した平面図。
【図３】平面視形状の最小幅の定義を説明する図。
【図４】ＡｌＮ層の表面に形成される段差部（溝、突起、段差）の断面形状の一例を模式的に示した要部断面図。
【図５】ｎ型クラッド層内の断面構造を示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像。
【図６】図５に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の要部拡大図。
【図７】図５に示すＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の他の要部拡大図。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
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（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を除く）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。
【００５２】
＜発光素子の素子構造＞
図１に示すように、本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２１〜２５、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１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１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２１〜２５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２１〜２５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。
【００５３】
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。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結晶が、微量のＧａやその他の不純物を含んでいてもよい。また、ＡｌＮ層１２の上面に、ＡｌαＧａ１−αＮ（１＞α＞０）系半導体で構成された層がさらに形成されていてもよい。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層を備えていてもよい。
【００５４】
発光素子構造部２０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２４（ｐ型層）、及び、ｐ型コンタクト層２５（ｐ型層）を順にエピタキシャル成長させて積層した構造（半導体積層部）を備えている。
【００５５】
尚、図１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、ｐ型クラッド層２４、及び、ｐ型コンタクト層２５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１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。
【００５６】
ｎ型クラッド層２１は、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（１≧Ｘ＞Ｑ）系半導体で構成されるベース層２１ａ内に、局所的にＧａ組成比の高いｎ型ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（Ｘ＞Ｗ＞Ｑ）系半導体で構成されるＧａリッチ層２１ｂを備えて構成される。（１−Ｘ）及び（１−Ｗ）がＧａ組成比である。Ｑは、後述する活性層２２の井戸層２２ｂを構成するＡｌＱＧａ１−ＱＮ（Ｗ＞Ｑ≧０）系半導体のＡｌＮモル分率（Ａｌ組成比）である。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。尚、ベース層２１ａを構成するｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮのＡｌＮモル分率Ｘ、及び、Ｇａリッチ層２１ｂを構成するｎ型ＡｌＷＧａ１−ＷＮのＡｌＮモル分率Ｗは、ｎ型クラッド層２１内で必ずしも一定である必要はなく、ｎ型クラッド層２１の局所的な領域内に存在するベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂの間で、Ｘ＞Ｗ＞Ｑの関係が成立していればよい。
【００５７】
活性層２２は、ＡｌＱＧａ１−ＱＮ（Ｗ＞Ｑ≧０）系半導体で構成される井戸層２２ｂと、ＡｌＰＧａ１−ＰＮ（Ｘ≧Ｐ＞Ｑ）系半導体で構成される障壁層２２ａの夫々を、１層以上交互に積層した単一または多重量子井戸構造を備える。尚、最上層の井戸層２２ｂと電子ブロック層２３の間に、障壁層２２ａまたは障壁層２２ａ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。
【００５８】
電子ブロック層２３は、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（１≧Ｙ＞Ｐ）系半導体で構成される。ｐ型クラッド層２４は、ｐ型ＡｌＺＧａ１−ＺＮ（Ｙ＞Ｚ＞Ｒ）系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２５は、ｐ型ＡｌＲＧａ１−ＲＮ（Ｚ＞Ｒ≧０）系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２５は、典型的にはＧａＮ（即ち、Ｒ＝０）で構成される。尚、活性層２２、電子ブロック層２３、ｐ型クラッド層２４、及び、ｐ型コンタクト層２５等の各層の膜厚は、発光素子１の発光波長特性及び電気的特性に応じて適宜決定される。また、ｐ型クラッド層２４は、ｐ型層の寄生抵抗を低減するために省略しても構わない。
【００５９】
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２５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２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２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、ｐ型クラッド層２４、及び、ｐ型コンタクト層２５の外周側壁面と一致する。
【００６０】
本実施形態では、図２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。本実施形態では、一例として、第１領域Ｒ１の平面視形状の最小幅が４０μｍ以上の場合を想定し、好ましくは、４０μｍ以上１３０μｍ以下であり、更に好ましくは、６０μｍ以上１００μｍ以下である。ここで、平面視形状の最小幅とは、図３に示すように、該平面視形状の外周ラインＯＬ（図２の境界線ＢＬに相当）を、外周ラインＯＬと垂直な方向に内側に向けて均等に徐々に縮小した場合に両側から接して最終的に残存する骨格ラインＣＬを挟んで対向する外周ライン上の２点Ａ，Ｂ間を結ぶ任意の線分ＬＡＢの長さの最小値である。
【００６１】
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。
【００６２】
Ｇａリッチ層２１ｂは、図１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１に示されている断面）で、Ｇａリッチ層２１ｂ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。尚、図１に示す第１平面上では、Ｇａリッチ層２１ｂの各層は、模式的に平行な線（２重線）で図示されているが、後述するように、該延伸方向と横方向の成す傾斜角θは、各Ｇａリッチ層２１ｂ間で、必ずしも同じではなく、同じＧａリッチ層２１ｂ内でも位置によって変化し得るため、第１平面上のＧａリッチ層２１ｂ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θは、第１平面の向きによっても変化する。従って、Ｇａリッチ層２１ｂの一部が、第１平面上において、他のＧａリッチ層２１ｂと交差、または、他のＧａリッチ層２１ｂから分岐していることもあり得る。また、上下方向に隣接するＧａリッチ層２１ｂ間の上下方向の離間距離の最小値が１００ｎｍ以下である。つまり、該離間距離の最小値は、実質的に０ｎｍを含み、上述のＧａリッチ層２１ｂ間での交差及び分岐を想定している。
【００６３】
Ｇａリッチ層２１ｂは、上述のように、ベース層２１ａ内において局所的にＧａ組成比の高い箇所であって、ｎ型クラッド層２１の局所的な領域内に存在するベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂの各ＡｌＮモル分率間で、Ｘ＞Ｗの関係が成立していればよい。従って、ベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂの境界近傍において、両層のＡｌＮモル分率が漸近的に連続している場合、両層の境界は明確に規定できない。従って、斯かる場合には、ｎ型クラッド層２１全体の平均的なＡｌＮモル分率、例えば、後述するｎ型クラッド層２１の成長条件（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）の前提となるＡｌＮモル分率を基準として、ＡｌＮモル分率が当該基準値より低い部分を、相対的にＧａリッチ層２１ｂとして規定することができる。更に、上記規定方法以外にも、例えば、後述するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像に基いて、明度変化の大きい部分を、両層の境界と規定することもできる。但し、本願発明において、両層の境界の定義自体は重要ではなく、Ｇａリッチ層２１ｂの存在自体を把握できれば十分である。
【００６４】
また、Ｇａリッチ層２１ｂは、図１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Ｇａリッチ層２１ｂ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。本実施形態では、複数のＧａリッチ層２１ｂが縞状に存在する第２平面は、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内に存在していることが好ましい。更に、第１領域の下方の上層域内の少なくとも１つの第２平面上の１μｍ四方以下の微小区域内において、縞状のＧａリッチ層２１ｂが部分的に存在することでＧａの組成変調が生じていて、複数の当該１μｍ四方以下の微小区域が、該第２平面上に分散して存在することがより好ましい。更に、Ｇａリッチ層２１ｂの一部が、第２平面上においても、他のＧａリッチ層２１ｂと交差、または、他のＧａリッチ層２１ｂから分岐していること、或いは、ループ状となることもあり得る。
【００６５】
Ｇａリッチ層２１ｂの上記傾斜角θは、任意の第１平面上において、０°以上４５°未満の範囲内にあることが好ましい。更に、複数層のＧａリッチ層２１ｂの中に、上記傾斜角θが０°以上１０°以下の低傾斜部分が含まれていることが好ましい。更に、該低傾斜部分が、上記上層域内に存在していることが好ましい。
【００６６】
Ｇａリッチ層２１ｂは、図１に示すように、第１領域Ｒ１のみならず、第２領域Ｒ２、特に、ｎ電極２７の下方に形成されていることが好ましい。この場合、第１領域Ｒ１の下方に形成されている複数のＧａリッチ層２１ｂの何れか１つは、第２領域Ｒ２の下方に形成されている複数のＧａリッチ層２１ｂの何れか１つと連続している。
【００６７】
＜発光素子の製造方法＞
次に、図１に例示した発光装置１の製造方法の一例について説明する。
【００６８】
先ず、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、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２１〜２５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、ｐ型クラッド層２４、及び、ｐ型コンタクト層２５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。
【００６９】
本実施形態では、ｎ型クラッド層２１中に、複数の層状のＧａリッチ層２１ｂを上下方向に分離させて複数層形成するために、ＡｌＮ層１２の上面からのｎ型クラッド層２１の成長開始直後において、縞状のＧａリッチ層２１ｂの成長開始点が形成されるように、ＡｌＮ層１２の上面に、図４（ａ）〜（ｄ）に模式的に示すように、縞状の溝１３ａ、突起１３ｂ、または、段差１３ｃ，１３ｄ等のＧａがマイグレーションによって集積し易い構造部分（以下、これらを総合して「段差部１３」と称す）を形成する。ここで、該段差部１３の高さ（深さ）は、３ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましい。また、該縞状の段差部１３の横方向の間隔は、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度が好ましく、更に、１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度がより好ましい。尚、図４（ａ）及び（ｂ）に示す溝１３ａ及び突起１３ｂの縦方向の断面形状は、矩形、台形、Ｖ字型（逆Ｖ字型）、Ｕ字型（逆Ｕ字型）等、種々の形状を取り得る。更に、段差部１３は、縞状の溝１３ａ、突起１３ｂ、または、段差１３ｃ，１３ｄに限定されるものではなく、ＡｌＮ層１２の上面に、島状に分散して点在する穴または突起であってもよい。島状の段差部１３の高さ（深さ）、横方向の間隔、及び、縦方向の断面形状は、段差部１３が縞状の場合と同様である。また、島状の段差部１３の平面視形状は、円形、矩形、三角形、六角形等、種々の形状を取り得る。
【００７０】
図４（ａ）〜（ｃ）に示す段差部１３（１３ａ〜１３ｃ）は、例えば、ＡｌＮ層１２の平坦な表面に対してナノインプリント、干渉縞露光、電子ビーム露光、ステッパー等によるパターニングによって、ＳｉＯ２等のマスクを形成し、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法によって形成することができる。また、図４（ｄ）に示す段差１３ｄは、ＡｌＮ層１２の表面に、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスＴが表出するように（テラスが埋め尽くされて表面が平坦になることがないように）、エピタキシャル成長を行うことでも得られる。斯かるエピタキシャル成長の条件として、例えば、サファイア基板１１の主面１１ａが（０００１）面に対して一定の範囲内（例えば、０度から数度程度まで）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基板の使用、及び、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。また、島状の段差部１３としては、ＡｌＮ層１２の結晶成長時に表面に表出する六角柱状、六角錘状、または、六角錘台状等のピット(穴）またはヒロック（突起）も、適切な高さ（深さ）及び横方向の間隔でＡｌＮ層１２の上面に分散して形成されていれば、利用できる。尚、下地部１０が、ＡｌＮ層１２の上にＡｌＧａＮ層を備え、下地部１０の最上面が、該ＡｌＧａＮ層の上面である場合は、上述の縞状または島状の段差部１３は、該ＡｌＧａＮ層の上面に形成される。
【００７１】
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段差部にＧａのマイグレーションによってＧａリッチ層２１ｂの成長開始点が形成され、引き続き、ｎ型クラッド層２１（ベース層２１ａ）のエピタキシャル成長に伴い、Ｇａリッチ層２１ｂが、Ｇａのマイグレーション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。具体的には、成長温度としては、Ｇａのマイグレーションの生じ易い１０５０℃以上で、良好なｎ型ＡｌＧａＮが調製可能な１１５０℃以下が好ましい。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。但し、上記好適な成長温度条件は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法に適合しないため、ｎ型クラッド層２１の成膜法としては、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法が好ましい。尚、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を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層全体の平均的なＡｌＮモル分率Ｘａに応じて設定される。尚、該平均的なＡｌＮモル分率Ｘａは、ベース層２１ａを構成するｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮのＡｌＮモル分率Ｘ、及び、Ｇａリッチ層２１ｂを構成するｎ型ＡｌＷＧａ１−ＷＮに対して、Ｘ＞Ｘａ＞Ｗとなる。
【００７２】
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。
【００７３】
後述する実験結果より、Ｇａリッチ層２１ｂの斜め上方への成長は、ドナー不純物濃度が低いと、横方向への成長が促進され、上述の傾斜角θが小さくなる傾向がある。よって、ｎ型クラッド層２１の上面近傍において、ドナー不純物濃度を低めに制御すると、Ｇａリッチ層２１ｂの傾きが下がり、上述のＧａリッチ層２１ｂの低傾斜部分が形成される。このように、Ｇａリッチ層２１ｂの低傾斜部分がｎ型クラッド層２１の上面近傍に形成されることで、上述の順方向電流がｎ型クラッド層２１内で効率良く横方向に流れ、横方向に流れる順方向電流に対する寄生抵抗の低減が図れる。
【００７４】
上記要領で、ベース層２１ａとＧａリッチ層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（障壁層２２ａ、井戸層２２ｂ）、電子ブロック層２３、ｐ型クラッド層２４、及び、ｐ型コンタクト層２５等を形成する。
【００７５】
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、上記要領で積層した窒化物半導体層２１〜２５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２５上にｐ電極２６を形成するとともに、エッチングされた第１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。
【００７６】
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。
【００７７】
＜Ｇａリッチ層の具体例＞
次に、ｎ型クラッド層２１の断面観察用の試料を作製し、該試料からｎ型クラッド層２１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、該試料片を走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で観察した結果を、図面を参照して説明する。
【００７８】
該試料は、上述したｎ型クラッド層２１等の作製要領に従って、上述のサファイア基板１１とＡｌＮ層１２からなる下地部１０上に、ｎ型クラッド層２１と、障壁層２２ａと井戸層２２ｂの各３層からなる活性層２２と、障壁層２２ａより高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮ層と、試料表面保護用のＡｌＧａＮ層と、保護用樹脂膜を順番に堆積して作製した。尚、該試料の作製においては、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の表面に図４（ｄ）に例示するような多段状のテラスが表出した下地部１０を使用した。尚、該テラスの端部の段差の横方向の間隔は、概ね３００ｎｍ〜３５０ｎｍである。また、該試料の作製において、ｎ型クラッド層２１の膜厚は２μｍとし、下から１．９μｍまでのドナー不純物濃度が１×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３となり、下から１．９μｍ〜２．０μｍまでの上層域のドナー不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下となるように、ドナー不純物（Ｓｉ）の注入量を、実験的に制御した。
【００７９】
図５〜図７に、上記試料片の断面の高角散乱環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）−ＳＴＥＭ像を示す。図５は、該試料片のＡｌＮ層１２の上層部から活性層２２までを含むｎ型クラッド層２１の全体を観察するＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。図６は、図５の部分拡大図で、ｎ型クラッド層２１の上面から下方側に約５００ｎｍの領域と活性層２２までを含むＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。図７は、図５の他の部分拡大図で、ＡｌＮ層１２の上層部とｎ型クラッド層２１の下面から上方側に約５００ｎｍの領域を含むＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。
【００８０】
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、ｎ型クラッド層２１内のベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂは、ＡｌＮモル分率の低いＧａリッチ層２１ｂの方が、ベース層２１ａより明るく表示される。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。
【００８１】
図５〜図７に示すように、ｎ型クラッド層２１において、ベース層２１ａ内に、局所的にＧａ組成比の高いＧａリッチ層２１ｂの複数層が上下方向に離間して存在している。また、各Ｇａリッチ層２１ｂの延伸方向は、全体的に横方向に対して傾斜しており、図５〜図７に示す断面では、該延伸方向と横方向の成す傾斜角θは、概ね０°〜３０°の範囲内にあり、大半は１０°〜２５°の範囲内である。各Ｇａリッチ層２１ｂの夫々は、線状に斜め上方に向けて延伸しているが、必ずしも直線状に延伸しておらず、上記傾斜角θは、同じＧａリッチ層２１ｂ内でも位置によって変化していることが分かる。また、図５〜図７に示す断面（第１平面に相当）において、Ｇａリッチ層２１ｂの一部が、他のＧａリッチ層２１ｂと交差、または、他のＧａリッチ層２１ｂから分岐していることも観察される。
【００８２】
更に、図５〜図７に示す断面では、ｎ型クラッド層２１の上面と平行な第２平面は、ｎ型クラッド層２１の上面と平行な直線となるが、当該直線上に、ベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂが混在して存在していることが分かる。また、当該直線（第２平面）が、ｎ型クラッド層２１内の下面の直ぐ上から上面近傍に至るまで存在し、上層域内にも存在していることが分かる。また、当該直線の１μｍ以内に範囲に、Ｇａリッチ層２１ｂが複数存在していて、第２平面上の１μｍ四方以下の微小区域内において、Ｇａの組成変調が生じており、当該微小区域が、第２平面上に分散して存在していることが分かる。
【００８３】
図５〜図７の各図を対比すると、ｎ型クラッド層２１内のドナー不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下と低い上層域において、ドナー不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上の上層域の下方側より、各Ｇａリッチ層２１ｂの傾斜角θが、相対的に小さくなっており、１０°以下の傾斜角θも含まれており、局所的に０°も含まれていることが分かる。これより、Ｇａリッチ層２１ｂの斜め上方への成長は、ドナー不純物濃度が低いと、横方向への成長が促進され、上述の傾斜角θが小さくなることが分かる。
【００８４】
また、図７に示すように、Ｇａリッチ層２１ｂのＡｌＮ層１２からの成長開始直後の傾斜角θは、ＡｌＮ層１２の上面の位置によってばらついており、概ね１５°〜２５°の範囲内にある。サファイア基板１１の取り得るオフ角は大きくても数度程度であるので、Ｇａリッチ層２１ｂの成長開始直後の、つまり、ＡｌＮ層１２の上面（下地部１０の上面）と接している部分の傾斜角θは、サファイア基板１１のオフ角より明らかに大きい。また、図７より、Ｇａリッチ層２１ｂは主として、ＡｌＮ層１２の主面上に表出した多段状のテラスの端部の段差近傍から斜め上方に向けて成長していることが分かる。つまり、当該段差近傍に、Ｇａリッチ層２１ｂの主たる成長開始点が形成されている。
【００８５】
次に、参考として、上記試料の各層のＡｌＮモル分率を、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）によって計測した結果を示す。ＡｌＮ層１２の上面から２０ｎｍ付近で計測したベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂの各１点でのＡｌＮモル分率は、７１．９％と５９．１％であった。ｎ型クラッド層２１全体の平均的なＡｌＮモル分率の設定値は６１％であった。３層の障壁層２２ａの各１点でのＡｌＮモル分率の平均（最大、最小）は７５．１％（７５．３％、７４．７％）で、３層の井戸層２２ｂの各１点でのＡｌＮモル分率の平均（最大、最小）は４５．５％（４７．６％、４２．８％）であった。これらの計測結果より、ベース層２１ａとＧａリッチ層２１ｂでは、１０％以上のＡｌＮモル分率の差が生じることが分かる。Ｇａリッチ層２１ｂのＡｌＮモル分率は、井戸層２２ｂの各ＡｌＮモル分率より、１１．５％以上高いため、井戸層２２ｂからの発光が、Ｇａリッチ層２１ｂで吸収されることはない。尚、これらのＡｌＮモル分率の計測値はあくまでも参考値であり、発光素子１を構成する複数のＡｌＧａＮ系半導体層のＡｌＮモル分率の一例に過ぎない。
【００８６】
＜別実施形態＞
上記実施形態では、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、上下方向に一定値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。
【００８７】
上記実施形態では、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。
【００８８】
上記実施形態では、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の表面に図４（ｄ）に例示するような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、Ｇａリッチ層２１ｂ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。
【００８９】
更に、ＡｌＮ層１２の表面に図４（ａ）〜（ｃ）に例示したような段差部１３を周知のエッチング法等によって形成する場合は、ＡｌＮ層１２の表面にサファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスを表出させる必要がないため、サファイア基板１１のオフ角及びＡｌＮ層の成長条件は、他の条件を優先して任意に決定することができる。
【００９０】
上記実施形態では、下地部１０の上面（ＡｌＮ層１２の表面）にＧａリッチ層２１ｂの成長開始点となる縞状または島状の段差部１３を形成する場合を説明したが、下地部１０の上面に段差部１３を形成するのに代えて、或いは、下地部１０の上面の段差部１３の形成状態がＧａリッチ層２１ｂの成長に十分でない場合は、ｎ型クラッド層２１を或る程度（例えば、１００ｎｍ〜１μｍ程度）成長させた後、該ｎ型クラッド層２１の上面にＧａリッチ層２１ｂの成長開始点となる段差部を形成して、引き続きｎ型クラッド層２１の成長を継続するようにしてもよい。つまり、Ｇａリッチ層２１ｂの成長開始点となる段差部をｎ型クラッド層２１の中間層に形成してもよい。
【００９１】
上記実施形態では、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】
【００９２】
本発明は、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された発光層を有す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】
【００９３】
１      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
１３    段差部
１３ａ  溝
１３ｂ  突起
１３ｃ，１３ｄ  段差
２０    発光素子構造部
２１    ｎ型クラッド層（ｎ型層）
２１ａ  ベース層（ｎ型層）
２１ｂ  Ｇａリッチ層（ｎ型層）
２２    活性層
２２ａ  障壁層
２２ｂ  井戸層
２３    電子ブロック層（ｐ型層）
２４    ｐ型クラッド層（ｐ型層）
２５    ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
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
ＣＬ    第１領域の平面視形状の骨格ライン
ＯＬ    第１領域の平面視形状の外周ライン
Ｒ１    第１領域
Ｒ２    第１領域
Ｔ      ＡｌＮ層表面のテラス
【図１】
2019159265.tif 000003
【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】
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【図８】
2019159265.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月27日(2018.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
ここで、活性層内の第２平面と平行な面内の２つの同じ面積の微小領域Ｓ１とＳ２を想定し、上記Ｇａの組成変調が生じず、微小領域Ｓ１とＳ２に注入される電流Ｉが同じＩ０のケース１と、上記Ｇａの組成変調が生じて、微小領域Ｓ１に注入される電流Ｉ１が微小領域Ｓ２に注入される電流Ｉ２より大きくなり、Ｉ１＋Ｉ２＝２×Ｉ０（Ｉ１＞Ｉ０、Ｉ２＜Ｉ０）となるケース２を想定する。
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月14日(2018.6.14)
【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】
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型層と、前記ｎ型層の上面の第１領域上に形成されたＡｌＧａＮ系半導体層の活性層と、前記活性層の上面に形成された１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型層を含む半導体積層部と、
前記ｎ型層の上面の前記第１領域でない第２領域上に形成されたｎ電極と、
前記ｐ型層の上面に形成されたｐ電極を、備えてなる窒化物半導体紫外線発光素子であって、
前記活性層が、ＡｌＧａＮ系半導体層で構成された井戸層を１層以上含む量子井戸構造を有し、
前記ｎ型層の前記上面の少なくとも前記第１領域の下方の前記ｎ型層中に、前記ｎ型層の一部であって局所的にＧａ組成比の高い薄膜状の複数のＧａリッチ層が、前記上面と直交する方向である上下方向に離間して存在し、
前記上下方向と平行な第１平面上での前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部の延伸方向が、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おり、
前記ｎ型層の前記上面と平行な複数の第２平面の夫々において、複数の前記Ｇａリッチ層が縞状に存在し、前記複数の第２平面の少なくとも１つが、前記ｎ型層の前記上面から下方側に１００ｎｍ以内の厚さの上層域内に存在し、
前記第１領域の下方に存在する前記Ｇａリッチ層のＡｌＮモル分率が、前記井戸層のＡｌＮモル分率より大きく、
前記ｎ型層内の前記上層域が、前記ｎ型層内の前記上層域より下方側の領域に比べてｎ型不純物濃度が相対的に小さい前記第２平面と平行な層状の低不純物濃度層であ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１領域の下方の前記上層域内の少なくとも１つの前記第２平面上において、縞状の前記Ｇａリッチ層が部分的に存在することでＧａの組成変調が生じている１μｍ四方以下の微小区域が分散して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】
前記上層域内に、前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が前記上下方向に複数存在し、
前記上下方向に隣接する前記Ｇａリッチ層間の前記上下方向の離間距離の最小値が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項４】
前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記ｎ型層の前記上面の前記第２領域内の前記ｎ電極の形成された箇所の下方の前記ｎ型層中に存在することを特徴とする請求項１〜３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５】
前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記第１平面上における前記Ｇａリッチ層の延伸方向の前記交線に対する傾斜角が０°以上１０°以下の低傾斜部分を有することを特徴とする請求項１〜４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６】
前記低傾斜部分が、前記上層域内に存在することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項７】
前記複数のＧａリッチ層の少なくとも一部が、前記第１平面上において、他の前記Ｇａリッチ層と交差、または、他の前記Ｇａリッチ層から分岐していることを特徴とする請求項１〜６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８】
前記第１平面上における前記複数のＧａリッチ層の任意の１点の延伸方向の前記交線に対する傾斜角が、０°以上４５°未満の範囲内に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。
【請求項９】
サファイア基板を含む下地部を更に備え、
前記半導体積層部が前記下地部上に形成されており、
前記下地部の上面に前記Ｇａリッチ層の成長開始点となる複数の段差部が分散して形成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【国際調査報告】
2019159265.tif 000011
2019159265.tif 000012
2019159265.tif 000013