(57)【要約】【課題】  Ｉｎ組成変調効果に頼らず活性層に発生する内部電界を緩和して発光効率の低下を抑制した窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。【解決手段】  基板面或いは前記基板面上に形成された１層以上のＡｌＧａＮ系半導体層からなるテンプレート５上に、少なくとも、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型クラッド層６、１層以上の量子井戸構造のＡｌＧａＮ系半導体の活性層７、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体からなるｐ型クラッド層９が、順番に配置されており、活性層７の少なくとも１層の井戸層７ｂ内部に、ｐ型クラッド層９側からｎ型クラッド層６に向けてバンドギャップエネルギが減少するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板面或いは前記基板面上に形成された１層以上のＡｌＧａＮ系半導体層からなるテンプレート上に、少なくとも、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型クラッド層、単一または多重量子井戸構造のＡｌＧａＮ系半導体の活性層、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体からなるｐ型クラッド層が、順番に配置されており、
前記活性層の少なくとも１層の井戸層内部に、前記ｐ型クラッド層側から前記ｎ型クラッド層に向けてバンドギャップエネルギが減少するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられてい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】
前記活性層が３層以下の量子井戸構造であ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】
前記活性層が２層以上の多重量子井戸構造である場合、少なくとも前記ｐ型クラッド層に最も近い井戸層に、前記組成変調が設けられてい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】
前記活性層と前記ｐ型クラッド層の間に、前記活性層と前記ｐ型クラッド層よりＡｌ組成比が高いｐ型ＡｌＧａＮ系半導体からなる電子ブロック層が配置されてい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】
前記電子ブロック層に、前記ｐ型クラッド層側から前記ｎ型クラッド層に向けてバンドギャップエネルギが増加するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられていることを特徴とする請求項４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、発光ダイオード、レーザダイオード等に利用される窒化物半導体発光素子に関し、特に、発光中心波長が４００ｎｍ以下の窒化物半導体紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＧａＮ系窒化物半導体はＧａＮや比較的Ａｌ組成比（ＡｌＮモル分率）の低いＡｌＧａＮ層をベースとして、その上に多層構造から成る発光素子や受光素子が作製されている（例えば、非特許文献１参照）。図１４に、典型的な従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を示す。図１４に示す発光ダイオードは、サファイア基板１０１上に、ＡｌＮからなる下地層１０２を形成し、周期的な溝構造をフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングで形成した後に、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）−ＡｌＮ層１０３を、テンプレートとして形成し、当該ＥＬＯ−ＡｌＮテンプレート１０３上に、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層１０４、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５、Ａｌ組成比が多重量子井戸活性層１０５より高い膜厚が２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層１０６、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層１０７、膜厚が２０ｎｍのｐ型ＧａＮのコンタクト層１０８を順番に積層した積層構造を有している。多重量子井戸活性層１０５は、膜厚２ｎｍのＧａＮ井戸層を膜厚８ｎｍのＡｌＧａＮバリア層で挟んだ構造を５層積層した構造を有している。結晶成長後、ｎ型クラッド層１０４の一部表面が露出するまで、その上の多重量子井戸活性層１０５、電子ブロック層１０６、ｐ型クラッド層１０７、及び、コンタクト層１０８をエッチング除去し、コンタクト層１０８の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ−電極１０９が、露出したｎ型クラッド層１０４の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ−電極１１０が夫々形成されている。ＧａＮ井戸層をＡｌＧａＮ井戸層として、Ａｌ組成比や膜厚を変化させることにより発光波長の短波長化を行い、或いは、Ｉｎを添加することで発光波長の長波長化を行い、波長２００ｎｍから４００ｎｍ程度の紫外領域の発光ダイオードが作製できる。半導体レーザについても類似の構成で作製可能である。
【０００３】
ところで、窒化物半導体は、ウルツ鉱型の結晶構造を有しｃ軸方向に非対称性を有するため、強い極性を有し、自発分極による電界がｃ軸方向に発生する。また、窒化物半導体は、圧電効果の大きい材料であり、例えばサファイア基板上にｃ軸方向に成長させたＧａＮ系半導体では、結晶の最表面が窒素面となり、基板面に平行な方向に圧縮歪みが加わり、界面の法線方向に圧電分極による電界（ピエゾ電界）が発生する。ここで、上記ｃ軸方向に結晶成長を行い、上述の積層構造を有する発光ダイオードを作製する場合を考えると、量子井戸活性層の井戸層内には、井戸層とバリア層のヘテロ界面の両側での自発分極の差による電界と圧縮歪みによるピエゾ電界が同じｃ軸方向に沿って合成された内部電界が発生する。ＧａＮ系窒化物半導体では、この内部電界によって、図１５に示すように、活性層の井戸層内では価電子帯も伝導帯もポテンシャルがｎ型クラッド層側からｐ型クラッド層側に向けて下降する。この結果、井戸層内において、電子はｐ型クラッド層側に偏って分布し、正孔（ホール）はｎ型クラッド層側に偏って分布することになるため、電子と正孔が空間的に分離され、再結合が阻害されるため、発光効率（内部量子効率）が低下する。
【０００４】
上述の量子井戸活性層の井戸層内に発生する内部電界による発光効率の低下を緩和するため、ＡｌＧａＮ系窒化物半導体にＩｎ（インジウム）を数％程度以上添加して４元混晶とすることで、結晶成長行程でＩｎ組成がｎｍオーダーで不均一に分布する組成の揺らぎが自然発生的に生じる効果（Ｉｎ組成変調効果）を利用する方法がある（下記非特許文献２参照）。量子井戸活性層をＩｎＡｌＧａＮ４元混晶とすることで、上記Ｉｎ組成変調効果により、電子と正孔の捕獲されやすいエネルギポテンシャルの低い領域（Ｉｎ濃度の高い部位）が不均一に分散して生じ、上記内部電界の存在にも拘らず、発光効率の著しい低下が生じないことが知られている。
【０００５】
【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】“殺菌用途に最適な深紫外光を１０ｍＷで発する高出力発光ダイオード登場”、［ｏｎｌｉｎｅ］、独立行政法人 理化学研究所、松下電工株式会社、［平成２０年９月５日検索］、インターネット＜URL：http://www.riken.jp/r-world/info/release/press/2008/080704/detail.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光中心波長が４００ｎｍ以下の窒化物半導体紫外線発光素子の場合、量子井戸活性層にＩｎを数％程度以上添加すると、Ａｌの組成比を高くしてＩｎＡｌＧａＮ４元混晶とする必要がある。一般に４元混晶は３元混晶に比べて結晶の安定成長が困難であることが知られている。これは、ＩｎＮの結晶成長温度が８００℃以下であるのに対し、ＧａＮの結晶成長温度が１０００〜１１００℃、ＡｌＧａＮの結晶成長温度が１０５０〜１２００℃と高温となるため、Ｉｎを添加することで、結晶成長が不安定となるためである。
【０００７】
また、上記の如く、Ｉｎが存在することで、ＩｎＡｌＧａＮの結晶成長温度を低下させる必要があるが、活性層の上層に形成する電子ブロック層の成長温度が高温であるため、量子井戸活性層においてＩｎの分解が生じ、結果として、Ｉｎを添加したことの効果が十分に発揮されなくなる。これを防止するために、Ｉｎの分解を防ぐためのＧａＮまたはＡｌＧａＮ層（キャップ層と呼ばれる）を量子井戸活性層と電子ブロック層の間に設けることが必要となる。このキャップ層は高抵抗であるため、キャップ層での電圧降下を補償するために印加電圧が高電圧化し、却って発光効率が低下することになり好ましくない。
【０００８】
以上より、量子井戸活性層をＩｎＡｌＧａＮ４元混晶とした場合、結晶成長が不安定となる問題、及び、Ｉｎの分解の問題があるため、安定した製造（量産）を考えた場合、上述の内部電界に起因する発光効率の低下を、Ｉｎ組成変調効果に頼らず解決する必要がある。
【０００９】
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、Ｉｎ組成変調効果に頼らず活性層に発生する内部電界を緩和して発光効率の低下を抑制した窒化物半導体紫外線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】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子は、基板面或いは前記基板面上に形成された１層以上のＡｌＧａＮ系半導体層からなるテンプレート上に、少なくとも、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型クラッド層、単一または多重量子井戸構造のＡｌＧａＮ系半導体の活性層、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体からなるｐ型クラッド層が、順番に配置されており、前記活性層の少なくとも１層の井戸層内部に、前記ｐ型クラッド層側から前記ｎ型クラッド層に向けてバンドギャップエネルギが減少するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記活性層が３層以下の量子井戸構造であることが好ましい。
【００１２】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記活性層が２層以上の多重量子井戸構造である場合、少なくとも前記ｐ型クラッド層に最も近い井戸層に、前記組成変調が設けられていることが好ましい。
【００１３】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記活性層と前記ｐ型クラッド層の間に、前記活性層と前記ｐ型クラッド層よりＡｌ組成比が高いｐ型ＡｌＧａＮ系半導体からなる電子ブロック層が配置されていることが好ましい。
【００１４】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記電子ブロック層に、前記ｐ型クラッド層側から前記ｎ型クラッド層に向けてバンドギャップエネルギが増加するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層の井戸層内において価電子帯と伝導帯の両側でｐ型クラッド層側に向けて下降しているポテンシャルの傾斜が、伝導帯側で緩和され、価電子帯側でより急峻となる。この結果、ｎ型クラッド層側から活性層内に注入される電子は、活性層の井戸層内において、ｐ型クラッド層側に局在することが緩和され分散するため、活性層の井戸層内においてｎ型クラッド層側に局在する正孔との再結合が生じ易くなり、内部量子効率の改善が図られる。結果として、量子井戸活性層をＩｎＡｌＧａＮ４元混晶とすることなく、内部電界に起因する発光効率の低下を抑制できる。
【００１６】
尚、本発明の効果は、ＩｎＡｌＧａＮ４元混晶の場合にも発揮されるため、ＩｎＡｌＧａＮ４元混晶においても有効である。例えば、Ｉｎ組成比が小さく、上述のＩｎ組成変調効果が小さい場合において、内部電界緩和の有効な手段となる。
【００１７】
ところで、電子と正孔では電子の方が高移動度であるため、活性層の井戸層内においては、ｎ型クラッド層側から注入される電子の方が、ｐ型クラッド層側から注入される正孔より潤沢に存在する。つまり、潤沢に存在する電子が分散することで、正孔との効率的な再結合が促進される。
【００１８】
これに対し、上記特徴とは逆に、ｐ型クラッド層側から前記ｎ型クラッド層に向けてバンドギャップエネルギが増大するようにＡｌ組成比に対する組成変調を設けると、活性層の井戸層内において価電子帯と伝導帯の両側でｐ型クラッド層側に向けて下降しているポテンシャルの傾斜が、伝導帯側でより急峻となり、価電子帯側で緩和される。そうすると、潤沢に存在する電子が局在化し、数量的に少ない正孔が分散してしまうため、再結合に供される正孔数が減少して、内部量子効率が却って低下することになる。
【００１９】
また、上述の如く、活性層の井戸層内では電子の方が潤沢に存在し、高移動度であるため、電子と正孔の再結合は、ｐ型クラッド層に近い活性層において活発に生じることになり、活性層を４層以上の量子井戸構造としても、発光に関与する井戸層は、ｐ型クラッド層に近い３層程度となる。従って、活性層を３層以下の量子井戸構造とすることで、井戸層内にＡｌ組成比の組成変調を設ける効果が十分に発揮されることになる。また、その場合に、ｐ型クラッド層に最も近い井戸層に、Ａｌ組成比の組成変調を設けることで、内部電界の抑制効果がより良く発揮されることになる。
【００２０】
尚、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、活性層とｐ型クラッド層の間に、活性層とｐ型クラッド層よりＡｌ組成比が高いｐ型ＡｌＧａＮ系半導体からなる電子ブロック層が配置されることで、ｎ型クラッド層側から注入される電子に対して電子ブロック層がエネルギ障壁となって、活性層に注入された電子が、ｐ型クラッド層側にオーバーフローするのを抑制して、それに起因して発光効率が低下するのを防止できる。
【００２１】
ここで、上記電子ブロック層は、活性層に注入された電子がｐ型クラッド層側にオーバーフローするのを効果的に抑制するが、一方において、電子のオーバーフローを抑制するために、活性層よりＡｌ組成比を高くしてバンドギャップエネルギを大きくする必要があるが、発光中心波長の短波長化によって、電子ブロック層のＡｌ組成比も高くなるため、その分、ｐ型不純物の活性化が困難となり、高いアクセプタ濃度が得られずに高抵抗化するため、電子ブロック層での電圧降下によって閾値電圧が増加して発光効率の低下を招くことになる。
【００２２】
そこで、電子ブロック層に、ｐ型クラッド層側からｎ型クラッド層に向けてバンドギャップエネルギが増加するようにＡｌ組成比に対する組成変調を設けることで、電子のオーバーフローを抑制しつつ、正孔の活性層内への注入効率を高めることが可能となり、電子ブロック層の高抵抗化の影響を緩和して、発光効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子（以下、適宜「本発明素子」と称する）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
【００２４】
〈第１実施形態〉
本発明素子の構造及び製造方法の一例につき、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
【００２５】
図１に示すように、本発明素子１は、サファイア基板２上、周期的な溝構造をフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングでＡｌＮからなる下地層３を形成した後、ＥＬＯ−ＡｌＮ層４を成長させた基板をテンプレート５として用い、当該テンプレート５上に、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層６、多重量子井戸活性層７、Ａｌ組成比が多重量子井戸活性層１０５より高い膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層８、膜厚５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層９、膜厚２０ｎｍのｐ型ＧａＮのコンタクト層１０を順番に積層した積層構造を有している。ｎ型クラッド層６より上部の多重量子井戸活性層７、電子ブロック層８、ｐ型クラッド層９、コンタクト層１０の一部が、ｎ型クラッド層６の一部表面が露出するまで反応性イオンエッチング等により除去され、コンタクト層１０の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ−電極１１（アノード電極）が、露出したｎ型クラッド層６の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ−電極１２（カソード電極）が形成されている。尚、図１に示す素子構造は、図１４に示す従来の発光ダイオードの素子構造と、多重量子井戸活性層７の内部構造を除き同じである。従って、本発明素子１は、多重量子井戸活性層７の内部構造に特徴がある。
【００２６】
本実施形態の多重量子井戸活性層７は、図２に示すように、ＡｌＧａＮからなるバリア層７ａと、Ａｌ組成比（ＡｌＮモル分率）がバリア層７ａのＡｌ組成比を超えない範囲で積層方向に沿って変調されたＡｌＧａＮからなる井戸層７ｂを交互に積層し、井戸層７ｂがバリア層７ａに挟まれた多重量子井戸構造となっている。より具体的には、バリア層７ａは、膜厚８．５ｎｍ、Ａｌ組成比３５％のＡｌＧａＮからなり、井戸層７ｂは、膜厚３ｎｍで、図３に示すように、電子ブロック層８側（ｐ型クラッド層９側）の端面からｎ型クラッド層６側の端面に向けてバンドギャップエネルギが単調減少するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられている。例えば、井戸層７ｂのＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層６側の端面で０〜５％（０％の場合はＧａＮ）、そこから単調増加して、電子ブロック層８側の端面で５〜１５％程度に至る。この結果、井戸層７ｂ内において価電子帯と伝導帯でｎ型クラッド層側からｐ型クラッド層側に向けて下降するポテンシャルの傾斜（図１５参照）が、伝導帯では緩和され、価電子帯側ではより急峻となる。しかし、伝導帯でポテンシャルの傾斜が緩和することで、井戸層７ｂ内での電子の空間的な分布が広範となり、Ａｌ組成比に対する組成変調が無い場合（図１５参照）と比べて、電子と正孔の再結合が阻害されにくくなり、発光効率（内部量子効率）が改善される。尚、井戸層７ｂの層数は特に限定されないが、後述するように３層以下が好ましい。また、バリア層７ａの膜厚とＡｌ組成比、及び、井戸層７ｂの膜厚とＡｌ組成比の変調範囲（上限値と下限値）は、発光波長（発光中心波長）に応じて適宜設定を変更すれば良い。
【００２７】
ｎ型クラッド層６のｎ型ＡｌＧａＮ及びｐ型クラッド層９のｐ型ＡｌＧａＮは、各Ａｌ組成比が、バンドギャップエネルギが多重量子井戸活性層７のバンドギャップエネルギより高くなるように設定され、例えば、１５％〜２０％程度に設定される。
【００２８】
電子ブロック層８は、多重量子井戸活性層７からｐ型クラッド層９へのキャリアオーバーフローを抑制するために設けられており、そのバンドギャップエネルギは、多重量子井戸活性層７及びｐ型クラッド層９のバンドギャップエネルギより高くなるように、Ａｌ組成比が設定され、例えば、３５％程度に設定される。
【００２９】
本発明素子１は、上述のように、多重量子井戸活性層７の内部構造、つまり、井戸層７ｂを構成するＡｌＧａＮに対してＡｌ組成比の組成変調を施している点に特徴があるため、本発明素子１の製造方法は、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂの形成工程以外は、従来のＡｌＧａＮ系の発光ダイオードの製造方法と同じであり、公知のテンプレート５の作製方法、及び、ＡｌＧａＮの成膜方法を用いて製造できる。
【００３０】
以下、本発明素子１の製造方法について説明する。先ず、例えば上記非特許文献１に開示される公知の製法により作製されたテンプレート５上に、減圧型の有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、或いは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ｎ型クラッド層６、多重量子井戸活性層７、電子ブロック層８、ｐ型クラッド層９、及び、コンタクト層１０を連続的に成長させる。尚、上記非特許文献１では、多重量子井戸活性層７のバリア層にＳｉドーピングを行い、量子井戸内の内部電界を緩和させる処置が施されているが、本実施形態では、井戸層７ｂ内のＡｌ組成比の組成変調によりその必要性がないため、Ｓｉドーピングは行わない。
【００３１】
多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂ内のＡｌ組成比の組成変調は、ＭＯＶＰＥ法の場合、ＡｌＧａＮを構成する各組成の原料ガスの供給流量比を制御することで行われるが、ＡｌＧａＮ膜の成長速度を０．１μｍ／ｈ以下に抑えることで、制御性を高めることができる。例えば、９０ｎｍ／ｈの成長速度で、膜厚３ｎｍの井戸層７ｂを成長させる場合、１層の井戸層７ｂの成長時間は２分となる。流量制御に用いる質量制御流量計の応答時間が約３秒であるのに対し、上記成長時間が２分と十分長いので、組成変調の制御が可能である。尚、井戸層７ｂ内のＡｌ組成比の組成変調は、ＭＢＥ法の場合、フラックス強度比を制御することで行われる。
【００３２】
次に、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂに組成変調を施した本発明素子１と、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂに組成変調を施していない従来の発光ダイオードとの発光特性の比較を、発光特性のシミュレーション結果に基づいて行う。
【００３３】
図４及び図５に、井戸層７ｂがＧａＮの従来の発光ダイオードと、井戸層７ｂのＡｌ組成比が、ｎ型クラッド層６側の端面から電子ブロック層８側の端面に向けて、５％〜１０％、２．５％〜１２．５％、０％〜１５％の３通りで夫々線形的に単調増加する３種類の本発明素子１の発光強度（単位：１／（ｃｍ２・ｓ・ｎｍ））の周波数特性と、内部量子効率と順方向印加電圧（単位：Ｖ）間の特性を示す。図中、従来の発光ダイオード（井戸層７ｂのＡｌ組成比が７．５％）の特性曲線を破線で示し、３種類の本発明素子１の特性曲線に、夫々、Ａｌ組成比の増分に応じて、５％、１０％、１５％の標識を付して区別している。尚、３種類の本発明素子１と従来の発光ダイオードは、相互の比較を容易にするため、何れも井戸層７ｂのＡｌ組成比の平均値が７．５％と共通になっている。
【００３４】
更に、図６及び図７に、比較例として、井戸層７ｂのＡｌ組成比の組成変調を逆方向に施した、即ち、井戸層７ｂのＡｌ組成比が、電子ブロック層８側の端面からｎ型クラッド層６側の端面に向けて、５％〜１０％、２．５％〜１２．５％、０％〜１５％の３通りで夫々線形的に単調増加する３種類の比較サンプルと、従来の発光ダイオード（井戸層７ｂのＡｌ組成比が７．５％）の発光強度（単位：１／（ｃｍ２・ｓ・ｎｍ））の周波数特性と、内部量子効率と順方向印加電圧（単位：Ｖ）間の特性を示す。図中、従来の発光ダイオードの特性曲線を破線で示し、３種類の比較サンプルの特性曲線に、夫々、Ａｌ組成比の増分に応じて、△５％、△１０％、△１５％の標識を付して区別している。
【００３５】
尚、上記各シミュレーションでは、井戸層７ｂ以外の各層の膜厚及びＡｌＮ組成比は、図１〜図３に示す素子構造について説明した値を用い、井戸層７ｂの層数は３とし、全ての井戸層７ｂに対して同じ組成変調を施している。また、発光強度のシミュレーションでは、多重量子井戸活性層７を流れる電流の電流密度Ｊを一定値（５０Ａ／ｃｍ２）とした。
【００３６】
図４及び図５のシミュレーション結果より明らかなように、ＡｌＮ組成比の増分が５％〜１５％の組成変調で、発光強度及び内部量子効率の何れもが、従来の発光ダイオードより改善されていることが分かる。また、組成変調によるＡｌＮ組成比の増分を大きくすることで改善効果が大きくなることが分かる。また、図４より、ＡｌＮ組成比の平均値を７．５％に統一したので、ＡｌＮ組成比の増分に関係なく発光中心波長が同じであることが分かる。
【００３７】
一方、図６及び図７のシミュレーション結果より明らかなように、井戸層７ｂのＡｌ組成比の組成変調を逆方向に施した比較サンプルでは、ＡｌＮ組成比の増分が大きい程、発光強度が従来の発光ダイオードより低下しており、内部量子効率は一部の順方向印加電圧範囲（３Ｖ〜４Ｖ）で改善されているものの、４Ｖ以上の高電圧側では逆に内部量子効率が低下しており、順方向印加電圧に対する電圧依存性が高くなっている。従って、組成変調を逆方向に施した比較サンプルでは、本発明素子１と同様の改善効果は得られないことが分かる。また、上記比較サンプルでは、ＡｌＮ組成比の平均値を７．５％に統一したにも拘わらず、ＡｌＮ組成比の増分を大きくすると、発光中心波長が高波長側にシフトしており、発光波長の低波長化が阻害される。
【００３８】
次に、多重量子井戸活性層７の複数の井戸層７ｂの内のＡｌ組成比の組成変調を施す井戸層７ｂの数及び位置について検討した結果について、図８〜図１１を参照して説明する。図８は、井戸層７ｂの層数が３の場合において、組成変調を施す井戸層７ｂの数が０〜３における内部量子効率と順方向印加電圧間の特性を示す。組成変調を施す井戸層７ｂの数が０は、従来の発光ダイオードを表している。組成変調を施す井戸層７ｂの数は、電子ブロック層８側の井戸層７ｂから順次１ずつ増加している。図９は、井戸層７ｂの層数が３の場合において、組成変調を施す１つの井戸層７ｂの位置が、電子ブロック層８側から１番目、２番目、３番目の場合における内部量子効率と順方向印加電圧間の特性を示す。また、図９に、従来の発光ダイオードの特性曲線（破線で表示）を参考例として表示している。図１０は、井戸層７ｂの数が１〜４の場合において、全ての井戸層７ｂに組成変調を施した場合の、内部量子効率と順方向印加電圧間の特性を示す。図１１は、井戸層７ｂの数が４で、全ての井戸層７ｂに組成変調を施した場合の、電子ブロック層８側から１番目、２番目、３番目、４番目の各井戸層７ｂからの発光強度、及び、多重量子井戸活性層７全体からの発光強度の周波数特性を示している。図１１中の数字１〜４は、各井戸層７ｂの電子ブロック層８側からの順番を示している。尚、図８〜図１１の各シミュレーション結果において、Ａｌ組成比の組成変調は、ｎ型クラッド層６側の端面から電子ブロック層８側の端面に向けて、０％から１５％に線形的に単調増加する場合を想定している。また、他の条件は、図５に示す同特性のシミュレーションと同じであり、重複する説明は割愛する。
【００３９】
図８のシミュレーション結果より、組成変調を施す井戸層７ｂの数が大きい程、内部量子効率が向上すること、更に、組成変調を施す井戸層７ｂの数が１の場合でも、組成変調を施す効果のあることが分かる。また、図９のシミュレーション結果より、組成変調を施す井戸層７ｂの位置は、電子ブロック層８側、つまり、ｐ型クラッド層９側に近い方が内部量子効率の改善効果が大きいことが分かる。また、図８及び図９の結果より、井戸層７ｂが複数で、全ての井戸層７ｂに組成変調を施す場合に、組成変調の程度を、ｐ型クラッド層９側に近い方が大きくなるように井戸層７ｂの位置に応じて変化させても構わない。この場合、組成変調を施した複数の井戸層７ｂの平均のＡｌ組成比を井戸層７ｂ間で等しく設定するのが好ましい。
【００４０】
また、図１０のシミュレーション結果より、組成変調を施す井戸層７ｂの数は３以下で十分であることが分かる。更に、図１０のシミュレーション結果より、組成変調を施す井戸層７ｂの数は２以上が好ましいことが分かる。しかし、図８のシミュレーション結果の井戸層７ｂの数が３で組成変調を施さない場合と比較すると、順方向印加電圧が４．８Ｖ以下では、井戸層７ｂの数が１で組成変調を施した場合の方が、内部量子効率が高いことが分かる。これより、井戸層７ｂの数が１、つまり、単一量子井戸構造であっても組成変調を施す効果のあることが分かる。
【００４１】
更に、図１１のシミュレーション結果より、井戸層７ｂが４層の場合の各層の発光強度の分布が、ｐ型クラッド層９側に近い方の３層に集中して、ｐ型クラッド層９側から４番目の井戸層７ｂの発光強度の分布が、他の３層と比べて非常に小さいことが分かる。この結果からも、井戸層７ｂの数は４層を越えて増やす必要のないことが分かる。
【００４２】
以上、図８〜図１１のシミュレーション結果より、活性層の構造は、多重量子井戸構造が好ましが、単一量子井戸構造であっても良いこと、井戸層７ｂの層数を４以上に増やしても組成変調を施す効果は大きくは増加しないこと、及び、多重量子井戸構造の場合では、組成変調を施す井戸層７ｂは１層でも効果があり、特に、ｐ型クラッド層９に近い側が最も効果が大きいことが明らかになった。
【００４３】
〈第２実施形態〉
次に、本発明素子の第２実施形態について、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。第１実施形態では、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂに対してＡｌ組成比の組成変調を施し、キャリアオーバーフローを抑制するためも電子ブロック層８のＡｌ組成比は、その膜厚内で一定であった。これに対し、第２実施形態では、電子ブロック層８に対してもＡｌ組成比の組成変調を施している。具体的には、ｐ型クラッド層９側の端面から多重量子井戸活性層７側の端面に向けてバンドギャップエネルギが増加するようにＡｌ組成比に対する組成変調が設けられている。例えば、電子ブロック層８のＡｌ組成比は、ｐ型クラッド層９側の端面で２０％、そこから単調増加して、多重量子井戸活性層７側の端面で５０％程度に至る。尚、Ａｌ組成比の平均値は、組成変調を施さない場合と同じ値になるように設定している。電子ブロック層８のＡｌ組成比が組成変調されている点を除いて第１実施形態と同様であるので、他の層及び製造方法についての重複する説明は割愛する。また、電子ブロック層８の組成変調は、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂの組成変調と同様の要領で行えば良い。
【００４４】
次に、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂに対してＡｌ組成比の組成変調を施した上で、更に、電子ブロック層８に対してＡｌ組成比の組成変調を行うことの効果について検討した結果を、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２及び図１３に、井戸層７ｂの層数が３で、全ての井戸層７ｂに組成変調を施した場合における、電子ブロック層８に対してＡｌ組成比の組成変調を行った場合（第２実施形態）と行わない場合（第１実施形態）の本発明素子１の発光強度（単位：１／（ｃｍ２・ｓ・ｎｍ））の周波数特性と、内部量子効率と順方向印加電圧（単位：Ｖ）間の特性を夫々示す。尚、図１２及び図１３の各シミュレーション結果において、井戸層７ｂのＡｌ組成比の組成変調は、ｎ型クラッド層６側の端面から電子ブロック層８側の端面に向けて、０％から１５％に線形的に単調増加する場合を想定し、電子ブロック層８のＡｌ組成比の組成変調は、２０％から５０％に線形的に単調増加する場合を想定している。また、他の条件は、図５に示す同特性のシミュレーションと同じであり、重複する説明は割愛する。
【００４５】
図１２及び図１３のシミュレーション結果より、多重量子井戸活性層７の井戸層７ｂに対してＡｌ組成比の組成変調に加えて、電子ブロック層８に対してＡｌ組成比の組成変調を行うことで、内部発光効率が更に改善されることが分かる。
【００４６】
以下に、別の実施形態につき説明する。
〈１〉上記第１及び第２実施形態では、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明したが、半導体レーザ（レーザダイオード）においても、同様の積層構造を有し、ｐ−電極とｎ−電極間に電圧を印加することで、活性層の井戸層内に電子と正孔が注入され再結合して発光するまでの原理は同じであるので、多重量子井戸構造或いは単一量子井戸構造の活性層の井戸層のＡｌ組成比に組成変調を施すことの効果は同様であることは明らかである。従って、本発明素子は、発光ダイオードに限定されるものではなく、半導体レーザにも適用される。
【００４７】
〈２〉上記第１及び第２実施形態では、本発明素子を構成するテンプレートとして、図１に示すＥＬＯ−ＡｌＮテンプレートを一例としたが、本発明素子に使用するテンプレートＥＬＯ−ＡｌＮに限定されるものではない。更に、上記第１及び第２実施形態で例示した本発明素子を構成するＡｌＧａＮまたはＧａＮの各層の膜厚及びＡｌ組成比は、一例であり、素子の仕様に応じて適宜変更可能である。
【００４８】
〈３〉また、上記第１実施形態では、電子ブロック層８を設けることを前提としたが、電子ブロック層８は必ずしも設けなくても構わない。電子ブロック層８の有無に関係なく、多重量子井戸構造或いは単一量子井戸構造の活性層の井戸層のＡｌ組成比に組成変調を施すことの効果は発揮される。
【００４９】
〈４〉本発明素子は、量子井戸活性層を、Ｉｎを含むＩｎＡｌＧａＮ４元混晶とした場合の問題点の解消を目的としているが、Ｉｎ組成変調効果が十分に現れない程度の微量のＩｎが含まれている場合においても、多重量子井戸構造或いは単一量子井戸構造の活性層の井戸層のＡｌ組成比に組成変調を施すことの効果は同様に発揮されるため、本発明素子を構成するＡｌＧａＮ系半導体層に微量のＩｎが含まれることを除外するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子は、発光中心波長が４００ｎｍ以下の発光ダイオード、レーザダイオード等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の概略の積層構造を模式的に示す断面図
【図２】図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子の多重量子井戸活性層の断面構造を模式的に示す断面図
【図３】図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子の多重量子井戸活性層のエネルギバンド図
【図４】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子と従来の発光ダイオードの発光強度の周波数特性を比較して示す特性図
【図５】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子と従来の発光ダイオードの内部量子効率と順方向印加電圧間の特性を比較して示す特性図
【図６】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子と異なる組成変調を施した比較サンプルと従来の発光ダイオードの発光強度の周波数特性を比較して示す特性図
【図７】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子と異なる組成変調を施した比較サンプルと従来の発光ダイオードの内部量子効率と順方向印加電圧間の特性を比較して示す特性図
【図８】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子における井戸層の層数が３の場合における組成変調を施す井戸層の数と内部量子効率と順方向印加電圧間の特性との関係を示す図
【図９】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子における組成変調を施す井戸層の位置と内部量子効率と順方向印加電圧間の特性との関係を示す図
【図１０】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子における全ての井戸層に組成変調を施した場合の井戸層の層数と内部量子効率と順方向印加電圧間の特性との関係を示す図
【図１１】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子における多重量子井戸活性層内の各井戸層からの発光強度の周波数特性を示す図
【図１２】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子における電子ブロック層に対してＡｌ組成比の組成変調を行った場合と行わない場合で発光強度の周波数特性を比較して示す特性図
【図１３】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子における電子ブロック層に対してＡｌ組成比の組成変調を行った場合と行わない場合で内部量子効率と順方向印加電圧間の特性を比較して示す特性図
【図１４】従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を模式的に示す断面図
【図１５】従来のＧａＮ系発光ダイオードの活性層の井戸層内での内部電界の影響を示すエネルギバンド図
【符号の説明】
【００５２】
１：            窒化物半導体紫外線発光素子
２，１０１：    サファイア基板
３，１０２：    下地層（ＡｌＮ）
４，１０３：    ＥＬＯ−ＡｌＮ層
５：            テンプレート
６，１０４：    ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ）
７，１０５：    多重量子井戸活性層
７ａ：          バリア層
７ｂ：          井戸層
８，１０６：    電子ブロック層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
９，１０７：    ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
１０，１０８：  コンタクト層（ｐ型ＧａＮ）
１１，１０９：  ｐ−電極
１２，１１０：  ｎ−電極
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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