(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上の一部に設けられる活性層と、
前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上の他の一部に設けられるｎ側電極と、
前記ｐ型半導体層上に設けられるｐ側電極と
を有する半導体発光素子であって、
前記発光素子の発光ピーク波長は２４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下であり、
前記ｎ型半導体層は、前記活性層側から順に、
前記ｎ側電極が設けられるＡｌXＧａ1-XＮ（０．６０＜Ｘ≦０．６５）からなる低Ａｌ組成層と、
前記低Ａｌ組成層と接するＡｌYＧａ1-YＮ（０．７０≦Ｙ＜１）からなる高Ａｌ組成層と、を有し、
前記低Ａｌ組成層の厚さは、前記高Ａｌ組成層の厚さよりも薄くしてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記発光素子の発光ピーク波長は、２５０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下であり、
前記低Ａｌ組成層は、ＡｌXＧａ1-XＮ（０．６３≦Ｘ≦０．６５）であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体発光素子であって、
前記低Ａｌ組成層の厚さは、０．５μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
前記高Ａｌ組成層の厚さは、２．０μｍ以上５．０μｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
前記ｎ側電極は、前記低Ａｌ組成層に接続される層にＡｌを含有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
前記低Ａｌ組成層及び前記高Ａｌ組成層は、各層のＡｌの組成比が、積層方向において略一定であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
前記低Ａｌ組成層は、前記ｎ型半導体層のうち最も活性層側に位置されてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
前記高Ａｌ組成層は、前記低Ａｌ組成層を設けた側と反対側の領域に、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ領域を有することを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）やレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）等の半導体発光素子は、バックライト等に用いる各種光源、照明、信号機、大型ディスプレイ等に幅広く利用されている。特に、殺菌用途などへの利用も期待できる、窒化アルミニウムガリウムを使用した深紫外発光素子の開発が盛んに行われている。
【０００３】
しかしながら、窒化アルミニウムガリウムはバンドギャップが非常に大きく、ドープした不純物の準位がバンドギャップ中の深いエネルギー準位に形成され、キャリアの活性化エネルギーの増大を引き起こす。このことから、不純物をドープしても半導体層の電気伝導性は増加し難くなる（いいかえるとｎ型化あるいはｐ型化し難くなる）。この結果、電極と該電極が接触する半導体層との接触抵抗、及び該電極が接触する半導体層の表面抵抗が大きくなり、順駆動電圧Ｖｆの上昇を招くという問題があった。また、キャリアの活性層への注入効率も低下し、高出力・高効率の半導体素子の開発が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３５９０８号公報
【特許文献２】特開２００７−１４９７１３号公報
【特許文献３】特開２０１２−０４９３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような問題に鑑みて、本出願人はｎ型コンタクト層におけるＡｌの組成比を傾斜させる構造を開発した。このような半導体発光素子の半導体積層構造の概略図を参考例として図１２に示す。この構造では、ＳｉドープＡｌＧａＮであるｎ型コンタクト層４１０のＡｌ組成が、ｎ側電極４４０との接触面に近付く程低減するように、ｎ型コンタクト層４１０中におけるＡｌ組成比を積層方向において漸減させている。このようにＡｌ組成比を傾斜させることで、Ａｌ組成比の高い側でｎ型コンタクト層４１０の表面抵抗が増大するのを軽減することができる一方、Ａｌ組成比の低い側でｎ型コンタクト層４１０とｎ側電極４４０との接触抵抗を効果的に下げることができる。
【０００６】
しかしながら、図１２に示すように、発光素子の同一面側にｐ側電極４５０及びｎ側電極４４０を設けるには、ｎ型コンタクト層４１０にｎ側電極４４０との接合面を形成するために一部を露出させることが必要となるところ、ｎ型コンタクト層４１０を露出させるためにはｎ型コンタクト層４１０の一部をエッチング等により掘り下げる必要がある。言い換えると、実際にｎ型コンタクト層４１０とｎ側電極４４０とを接合させる面Ａは、ｎ型コンタクト層４１０を成長させた最終面Ｂとはならずに、その手前の位置となる。このため、ｎ型コンタクト層４１０でＡｌ組成比を漸減させる構成においては、ｎ型コンタクト層とｎ側電極との接触面ＡにおけるＡｌ組成比よりも、最終的なＡｌ組成比を高低差ｄの分だけさらに低く設定する必要がある。一方で、発光素子の発光波長を、例えば３００ｎｍ以下の深紫外域とするには、光吸収を抑制するためにＡｌの組成比を更に増やす必要がある。
【０００７】
そこで本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の目的の一は、ｎ型半導体層（例えばｎ型コンタクト層など）による活性層からの光の吸収を軽減して、光取り出し効率を改善した半導体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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一の側面に係る半導体発光素子によれば、ｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上の一部に設けられる活性層と、前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上の他の一部に設けられるｎ側電極と、前記ｐ型半導体層上に設けられるｐ側電極と、を有する半導体発光素子であって、前記発光素子の発光ピーク波長は２４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下であり、前記ｎ型半導体層は、前記活性層側から順に、前記ｎ側電極が設けられるＡｌXＧａ1-XＮ（０．６０＜Ｘ≦０．６５）からなる低Ａｌ組成層と、前記低Ａｌ組成層と接するＡｌYＧａ1-YＮ（０．７０≦Ｙ＜１）からなる高Ａｌ組成層とを有し、前記低Ａｌ組成層の厚さを、前記高Ａｌ組成層の厚さよりも薄くしている。
【発明の効果】
【０００９】
上記半導体発光素子によれば、ｎ型半導体層による活性層からの光の吸収を軽減して、光取り出し効率を改善することができる。さらに、高Ａｌ組成層で広いバンドギャップを確保することで、ｎ型半導体層の表面抵抗の増大を抑制しつつ、低Ａｌ組成層をｎ側電極との接続面に介在させることで、接触抵抗を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図２】図２は図１に示す半導体発光素子のｎ型半導体層を露出させる工程を示す模式断面図である。
【図３】図３は実施例１に係る半導体発光素子の半導体積層構造を示す模式断面図である。
【図４】図４は実施例２に係る半導体発光素子の半導体積層構造を示す模式断面図である。
【図５】図５は実施例３に係る半導体発光素子の半導体積層構造を示す模式断面図である。
【図６】図６は参考例に係る半導体発光素子の半導体積層構造を示す模式断面図である。
【図７】図７は実施例１〜３及び参考例に係る半導体発光素子の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図８】図８は実施例１〜３及び参考例に係る半導体発光素子の順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）及び光強度ＶＬ（ａ．ｕ．）を測定した結果を示すグラフである。
【図９】図９は比較例１に係る半導体発光素子の半導体積層構造を示す模式断面図である。
【図１０】図１０は比較例２に係る半導体発光素子の半導体積層構造を示す模式断面図である。
【図１１】図１１は実施例１、比較例１〜２、及び参考例に係る半導体発光素子の順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）及び光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は参考例２に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１３】図１３は半導体の格子定数とバンドギャップの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態及び実施例を、図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態及び実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、半導体発光素子を以下のものに特定しない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明に係る実施形態及び実施例を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。さらに、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。
【００１２】
本出願人は先に、図１２に示すような、ｎ型コンタクト層４１０におけるＡｌの組成比を活性層４３０側に漸減するように傾斜させる構造を開発した。この構成では、ｎ型コンタクト層４１０とｎ側電極４４０との接触抵抗を下げてｎ側電極４４０とのオーミック接触を図ることを企図している。しかしながら、このような組成傾斜の技術は、Ａｌ組成をｎ側電極との接触抵抗が良好になる組成以下に下げたとしても、活性層からの光の吸収が増大しないことが前提にある。この技術を発光波長が超短波領域の半導体積層体に適応しようとすると、光の吸収の観点からＡｌ組成を十分下げることができず、ｎ側電極との良好な接触抵抗を得られない。
【００１３】
そこで、発光波長が超短波領域での光の取り出し効率を極力下げること無く、ｎ側電極との接触抵抗を改善するため、本実施の形態に係る半導体発光素子の構成を検討した。なお、本明細書において超短波領域とは、波長が２８０ｎｍ程度以下を指す。また深紫外光（Ｄｅｅｐ  ＵＶ）とは、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を指す。
【００１４】
ｎ型コンタクト層は、ｎ側電極との良好な接触抵抗を得るために、Ａｌ組成を下げて不純物の活性化を促進することが好ましい。そこで本発明者らは、ｎ型半導体層の大部分を、発光波長が透過するのに十分なバンドギャップを持つ半導体層で構成しつつ、ｎ側電極と接触する部分のみにバンドギャップの小さい半導体層を挿入し、これによってｎ側電極と接触する部分で不純物の活性化を促進することができる。なお、ここで挿入したバンドギャップの小さい半導体層においては、光の吸収が生じるものの、挿入層の膜厚を薄くすることで吸収量を低減させている。
【００１５】
このような構成によって、ｎ型半導体層による活性層からの光の吸収を軽減することができる。さらに、ｎ型半導体層にバンドギャップの大きな半導体層を用いることで、ｎ型半導体層の表面抵抗の増大を抑制しつつ、バンドギャップの小さい半導体層をｎ側電極との接続面に介在させることで、接触抵抗を下げることに成功した。
（実施の形態）
【００１６】
図１に示す一実施の形態に係る半導体発光素子１００は、ｎ型半導体層１０と、ｎ型半導体層１０上の一部に設けられる活性層３０と、活性層３０上に設けられるｐ型半導体層２０と、ｎ型半導体層１０上の他の一部に設けられるｎ側電極４０と、ｐ型半導体層２０上に設けられるｐ側電極５０とを有する。なおｎ側電極４０は、ｎ型半導体層１０上で活性層３０以外の領域すべてに設ける必要はなく、通電が可能な領域とすれば足りる。この半導体発光素子の活性層３０には、例えばＡｌaＧａ1-aＮ（０．３５≦ａ≦０．６０）が用いられ、発光ピーク波長は２４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である。ｎ型半導体層１０は、活性層３０側から順に、ｎ側電極４０が設けられるＡｌXＧａ1-XＮ（０．６０＜Ｘ≦０．６５）からなる低Ａｌ組成層１１と、低Ａｌ組成層１１と接するＡｌYＧａ1-YＮ（０．７０≦Ｙ＜１）からなる高Ａｌ組成層１２とを有する。低Ａｌ組成層１１の厚さは、高Ａｌ組成層１２の厚さよりも薄くしている。このような構成により、高Ａｌ組成層１２で広いバンドギャップを確保しつつ、低Ａｌ組成層１１をｎ側電極４０との接続面に介在させることで、表面抵抗の増大を抑制しつつ、接触抵抗を下げることを実現している。また低Ａｌ組成層１１を薄くすることで、この部分での光の吸収を更に抑制し、光の取り出し効率の低下を回避することも可能となる。なお、低Ａｌ組成層１１のＡｌXＧａ1-XＮは、組成比Ｘを０．６０より大きくすることで、光吸収を大幅に軽減でき、さらに組成比Ｘを０．６５以下とすることで、接触抵抗が下がり、オーミック接触を良好にできる。一方、高Ａｌ組成層１２のＡｌYＧａ1-YＮは、組成比Ｙを０．７０以上とし、さらに組成比Ｙを１よりも小さくすることで、高Ａｌ組成層１２による光吸収が殆ど増大することなく、表面抵抗を下げることができる。
【００１７】
また、発光素子の発光ピーク波長は、活性層３０に例えばＡｌaＧａ1-aＮ（０．４７≦ａ≦０．５４）を用いて、２５０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下程度とすることができる。このとき、低Ａｌ組成層１１は、後述するように発光ピーク波長±１５ｎｍ程度までの光吸収の軽減を考慮して、ＡｌXＧａ1-XＮ（０．６３≦Ｘ≦０．６５）とすることが好ましい。さらに低Ａｌ組成層１１の厚さは、０．５μｍ以上１．０μｍ以下とすることが好ましい。さらにまた低Ａｌ組成層１１は、ｎ型半導体層１０のうち最も活性層３０側に有することが望ましい。これにより、Ａｌ組成比を漸減させる構成と比較して、光が吸収される領域をさらに低減させることができる。
【００１８】
一方、高Ａｌ組成層１２の厚さは、２．０μｍ以上５．０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、ｎ型半導体層１０の表面抵抗の増大を効果的に抑制できる。また、２．０μｍ以上２．５μｍ以下とすることがより好ましく、これにより更に光の吸収が軽減される。また高Ａｌ組成層１２は、低Ａｌ組成層１１を設けた側と反対側の領域に、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ領域１２ｂを有することが好ましい。加えて低Ａｌ組成層１１及び高Ａｌ組成層１２は、それぞれＡｌの組成比が、積層方向において略一定とすることが好ましい。いいかえるとＡｌの組成比を積層方向において傾斜状に変化させないことで、半導体積層工程を簡略化でき、また組成比の制御を正確に行える利点が得られる。加えて、低Ａｌ組成層１１と高Ａｌ組成層１２とでＡｌ含有量に差を設けることで、いいかえると漸減させるのでなく離散的に変化させることで、一気に接触抵抗を下げることができる。これにより、Ａｌ組成比を傾斜させる従来の構成のように、Ａｌ組成比を低下させるまでにある程度の距離が必要となって、膜厚が厚くなり光の吸収が増加する事態を回避することが可能となる。
（ｎ側電極４０）
【００１９】
またｎ側電極４０は、低Ａｌ組成層１１に接続される層にＡｌを含有することが好ましい。Ａｌを含有させることで、低Ａｌ組成層１１との接触抵抗をさらに下げることができる。なお電極形成の際には、ｎ側電極４０は低Ａｌ組成層１１側から順にＴｉ／Ａｌの積層構造であるが、アニール処理によってＴｉとＡｌが混じり合った層になる。さらに、ｎ側電極４０をＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、又はＴｉ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕなどとすることもできる。
【００２０】
なお半導体発光素子１００においては、構成する大部分の要素が高混晶のＡｌＧａＮであることから、特定の下地基板３（サファイア基板）の上面に接して一定厚さ以上のＡｌＮからなるバッファ層２を設けてテンプレート基板１とし、テンプレート基板１に接して半導体発光素子１００を構成している。テンプレート基板１上に直接厚いＡｌＧａＮ層を成長すると、非常に強い応力が生じ、クラック等を誘発してしまう。このことから、まずＡｌＮ及びＡｌＧａＮからなる超格子層１４を設けて応力を分散させる。この超格子層１４に接してｎ型半導体層１０を形成し、さらにｎ型半導体層１０に接して深紫外発光に必要な層を構成することで、クラックフリーで結晶性の良い窒化物半導体積層体が得られる。
（吸収波長）
【００２１】
ここで、ｎ型半導体層１０を構成するＡｌxＧａ1-xＮの吸収波長λｐは、次式から演算できる。まず、バンドギャップと波長の関係式は、次式で表される。
【００２２】
Ｅ＝ｈｃ／λ（Ｅ：バンドギャップ；ｈ：プランク定数；ｃ：光速；λ：波長）
【００２３】
なお、図１３に示すようにＡｌＮのバンドギャップは約６．３ｅＶ、一方ＧａＮのバンドギャップは約３．４ｅＶであり、その間（ＡｌxＧａ1-xＮ）はほぼ線形に変化すると考えられているので、ここでは一次関数で近似する。したがって、任意のＡｌ組成をｘとし、Ａｌ組成ｘに対するバンドギャップをｙ［ｅＶ］とすると、次式で表される。
【００２４】
Ｙ＝２．９Ｘ＋３．４
【００２５】
この一次関数から求めたバンドギャップを上式Ｅ＝ｈｃ／λに代入することで、λを計算できる。この一次関数を１つの式に纏めると、任意の組成ｘに対する発光波長（吸収波長）λｐは、次式で表される。
【００２６】
λｐ＝（ｈｃ）／（２．９Ｘ＋３．４）
【００２７】
また、上式におけるｈｃは近似的に１２４０であるから、次式で表される。
【００２８】
λｐ＝１２４０／（２．９Ｘ＋３．４）
【００２９】
この式において、例えば、λｐ＝２４０ｎｍのときＸ＝０．６となり、言い換えると波長が２４０ｎｍの光に対しては、Ａｌの組成比が０．６より大きいＡｌ組成層であれば吸収が抑えられると考えられる。つまり、発光ピーク波長２４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である本実施形態においては、低Ａｌ組成層１１のＡｌ組成比を０．６より大きく設定することで、低Ａｌ組成層１１による光吸収を大幅に軽減することができるため好ましい。
【００３０】
一方で、発光ピークはある程度の幅、例えば、±１５ｎｍ程度の幅を有しており、本実施形態における発光ピーク波長の下限値である２４０ｎｍの場合、２２５ｎｍ〜２５５ｎｍの波長域を有すると考えられる。波長が２２５ｎｍ付近の光の全体に占める光量は少ないとはいえ、高Ａｌ組成層１２は、ｎ型半導体層１０の表面抵抗の増大を効果的に抑制するために低Ａｌ組成層１１よりも膜厚を厚く設定されており、光吸収の影響が生じる可能性も考慮するのが好ましい。このため、本実施形態のように高Ａｌ組成層１２のＡｌ組成比を０．７以上に設定することで、波長が２２５ｎｍ以上の光の吸収を殆ど抑制することができるので好ましい。
（実施例）
【００３１】
窒化物半導体積層体にｎ側電極を形成するため、ｎ型半導体層１０を露出させるエッチング深さＥＤを１．２μｍとする実施例（実施例１及び２）と、エッチング深さＥＤを０．８μｍとする実施例（実施例３）とを作製した。
【実施例１】
【００３２】
実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を、図２に基づいて以下に説明する。
[窒化物半導体積層体をテンプレート基板に積層する工程]
【００３３】
まず直径７．６２ｃｍ（３インチ）の、ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板３上に厚さ３．５μｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板を反応容器に設置し、原料ガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、厚さ約０．１μｍの単結晶の窒化アルミニウムからなるバッファ層を追加形成する。こうしてテンプレート基板１におけるバッファ層２の厚さを約３．６μｍにする。
【００３４】
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、厚さ約２７．０ｎｍのＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎからなる層（層ａ）を形成する。次にＴＭＧの導入を止め、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１０．２ｎｍのＡｌＮからなる層（層ｂ）を形成する。層ａ及び層ｂを交互に夫々３０回繰り返し形成し、超格子層１４を形成する。
【００３５】
次に、高Ａｌ組成層１２を形成する。まず、引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、アンドープのＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層をアンドープ領域１２ｂとして形成する。なお、アンドープ領域１２ｂの厚みは５００ｎｍである。このように、本明細書においてｎ型半導体層には、明確にｎ型を示す層のみならず、例えばアンドープＡｌＧａＮ層のような層も含めてもよい。
【００３６】
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシラン用いて、ＳｉドープのＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層をＳｉドープ領域１２ａとして形成する。Ｓｉドープ領域１２ａの厚みは１５００ｎｍとする。
【００３７】
次に、低Ａｌ組成層１１を形成する。まず、アンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシラン用いて、ＳｉドープのＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層を形成する。低Ａｌ組成層１１の厚みは１０００ｎｍとする。
【００３８】
次に、活性層３０を形成する。まず低Ａｌ組成層１１の形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を９７０℃、２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）に調整する。調整後、アンモニア、ＴＭＡ、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びモノシランを用いて、厚さ約５０．０ｎｍのＳｉドープのＡｌ0.63Ｇａ0.37Ｎからなる層（層ｃ）を形成する。
【００３９】
次にモノシランの導入を止め、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＥＧを用いて、厚さ約４．４ｎｍのＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎからなる層（層ｄ１）を形成する。引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＥＧ及びモノシランを用いて、厚さ約２．５ｎｍのＳｉドープのＡｌ0.56Ｇａ0.44Ｎからなる層（層ｄ２）を形成する。層ｄ１及び層ｄ２を交互に２回繰り返し形成し、層ｄとする。以上の層ｃ及び層ｄを合わせて活性層３０とする。層ｄ１は発光層（発光ピーク波長２６０ｎｍ程度）としての役目を果たす。
【００４０】
次に、ｐ型半導体層２０を形成する。活性層３０形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を８７０℃、１３．３ｋＰａに調整する。調整後、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１．０ｎｍのｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムからなる層（層ｅ）を形成する。
【００４１】
引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、厚さ約４．０ｎｍのｐ型不純物ドープのＡｌ0.78Ｇａ0.22Ｎからなる層（層ｆ）を形成する。
【００４２】
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ；マグネソセン）を用いて、厚さ約７８．０ｎｍのマグネシウムドープのＡｌ0.63Ｇａ0.37Ｎからなる層（層ｇ）を形成する。
【００４３】
引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＣｐ2Ｍｇを用いて、マグネシウムドープであり、Ａｌ0.6Ｇａ0.4ＮからＧａＮまで積層方向にＡｌ組成比が順次減少する組成傾斜層（層ｈ）を形成する。組成傾斜層の厚さは２３ｎｍである。
【００４４】
引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ2Ｍｇを用いて、厚さ約３０９．０ｎｍのＭｇドープの窒化ガリウムからなる層（層ｉ）を形成する。
【００４５】
引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ2Ｍｇを用いて、厚さ約１４．６ｎｍのＭｇドープの窒化ガリウムからなる層（層ｊ）を形成する。
【００４６】
層ｅ〜層ｊを合わせてｐ型半導体層２０とする。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。また、層ｆ〜層ｈは電子障壁層としての役目も果たす。
［ｎ型半導体層１０を露出させる工程］
【００４７】
ここでｎ型半導体層１０を露出させる、いわゆるｎ出しの工程について説明する。まず露出させたいｎ型半導体層１０に相当する所定の領域のみエッチングされるように、半導体積層体にマスクを形成する。マスク形成後、半導体積層体をドライエッチング装置に入れ、装置内を１０．５Ｐａに調整する。調整後、バイアス出力２５０Ｗにし、塩素及び四塩化ケイ素を用いて、図２に示すようにｐ型半導体層２０側から約１．２μｍエッチングを施し、ｎ型半導体層１０を露出させる。エッチング後、ドライエッチング装置から半導体積層体を取り出し、マスクを除去する。
［ｎ側電極４０を形成する工程］
【００４８】
さらに露出されたｎ型半導体層１０にｎ側電極４０を形成する。まず、露出したｎ型半導体層１０のみスパッタされるようマスクを形成する。マスク形成後、半導体積層体をスパッタ装置に入れ、装置内を１．０×１０-4Ｐａに調整する。調整後、アルゴン雰囲気下でチタンとアルミニウムの合金を、露出したｎ型半導体層１０にスパッタする。チタンターゲットに印加する高周波電圧の出力は３００Ｗ、アルミニウムターゲットにかける高周波電圧の出力は５００Ｗとする。スパッタ後、ｎ側電極４０が形成された半導体積層体をスパッタ装置から取り出す。この時点では一枚のウエハに複数の半導体積層体が形成され、個々の半導体積層体は同一のｎ型半導体層１０を共有している状態である。
【００４９】
以上のようにして積層される半導体積層体の構造は、ｎ型半導体層における低Ａｌ組成層１１と高Ａｌ組成層１２の膜厚やＡｌ組成比を変化させることができる。ここで、実施例１に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図３に示す。この図に示す半導体発光素子は、エッチング深さＥＤを１．２μｍとし、挿入する低Ａｌ組成層１１の膜厚を１μｍ、高Ａｌ組成層１２の膜厚を２μｍとして、ｎ型半導体層１０を２層構造にした構造を採用している。
【００５０】
ここでｎ型半導体層１０の膜厚は、厚くする程、表面抵抗を下げることが期待できるものの、応力の関係で厚くし過ぎると結晶性の悪化が懸念される。そこで、総膜厚を従来構造の３μｍとし、挿入する低Ａｌ組成層１１の膜厚を変化させた。
【００５１】
なお、図３の例では、低Ａｌ組成層１１はＡｌ組成比を６５％としたＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎであり、高Ａｌ組成層１２はＡｌ組成比を７５％としたＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎである。なお、以下の実施例２、３、参考例等においても、Ａｌ組成比は、特に断りのない限り実施例１と同じとしている。
【実施例２】
【００５２】
実施例２に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図４に示す。この図に示す半導体発光素子は、ＡｌＧａＮからなるｎ型半導体層１０を、２層の高Ａｌ組成層であるＳｉドープ領域１２ａとアンドープ領域１２ｂの間に低Ａｌ組成層１１を挿入してなる３層構造としている。この半導体発光素子は、エッチング深さＥＤを１．２μｍとし、挿入する低Ａｌ組成層１１の膜厚を０．８μｍ、高Ａｌ組成層１２であるアンドープ領域１２ｂ、Ｓｉドープ領域１２ａの膜厚をそれぞれ２μｍ、０．２μｍとして、ｎ型半導体層１０を３層構造にした構造である。ここで各層のＡｌ組成比は、Ｓｉドープ領域１２ａで７５％、低Ａｌ組成層１１で６５％、アンドープ領域１２ｂで７５％とした。
【実施例３】
【００５３】
実施例３に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図５に示す。この図に示す半導体発光素子は、エッチング深さＥＤ＝０．８μｍで、挿入する低Ａｌ組成層１１の膜厚を０．８μｍ、高Ａｌ組成層１２の膜厚を２．２μｍとして、ｎ型半導体層１０を２層構造にした構造である。この例でも、低Ａｌ組成層１１はＡｌ組成比を６５％としたＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎであり、高Ａｌ組成層１２はＡｌ組成比を７５％としたＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎである。
【００５４】
さらに参考例として、図６に示すように低Ａｌ組成層を有さず、ｎ型半導体層１０としてＳｉドープＡｌＧａＮ層を３μｍ積層した半導体発光素子を作製した。この例では、ＳｉドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を７５％とした。
［電圧−電流特性］
【００５５】
隣り合う半導体積層体のｎ側電極４０間を通電して、電圧−電流特性（ｎ−ｎ曲線）を実施例１〜３及び参考例に係る半導体発光素子に対して取得した。この結果を図７のグラフに示す。
【００５６】
本実施例では図７に示す参考例に係る半導体発光素子のＶｆが通常より高くなっており、イレギュラーロットである可能性がある。通常は９〜１０Ｖの間くらいである。
【００５７】
また、図７に示すように、電圧−電流特性（ｎ−ｎ曲線）においては、低Ａｌ組成層を挿入した実施例１〜３のいずれにおいても、低Ａｌ組成層を有しない参考例と比べて、ｎ−ｎ曲線の改善が確認できた。
【００５８】
実施例１は、実施例１〜３の中で一番低Ａｌ組成の層割合が多い構造となっている。そのため、光の吸収が大きく、出力の低下を招いた。また、図７に示すように、Ｖｆはｎ−ｎ曲線がショットキー接触からオーミック接触になり、Ｖｆ値が低下した。
【００５９】
また実施例２では、低Ａｌ組成層の割合は下記実施例３と同じになっている。この構造では実施例１のように光の吸収が大きくなる現象は発生しなかった。また、図７に示すようにｎ−ｎ曲線もオーミック接触になり、Ｖｆは低減している。
【００６０】
さらに実施例３の構造は実施例２とよく似ており、ｎ出し深さを変更して低Ａｌ組成層の挿入位置を上部に移動している。実施例２と同じく光の吸収の増大は発生せず、Ｖｆの低減も確認できた。
【００６１】
本実施例に係る深紫外発光素子の検査は、ウエハの裏面から採光している。よってこの数値はｎ型半導体層の吸収に大きく依存した値が得られる。
［順方向電圧と光強度の測定］
【００６２】
次に、実施例１〜３及び参考例に係る半導体発光素子に対して、順駆動電流Ｉｆ＝２０ｍＡで通電して順方向電圧Ｖｆを測定し、さらに光強度ＶＬ（ａ．ｕ．）を測定した結果を図８に示す。ここでは、□３２０μｍ角のＦＤのダイスで試作して、一般的なステム、シェル型のＴＯ−１８パッケージに実装し、検査項目として光強度ＶＬ（ａ．ｕ．）及び順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）を測定した。この図に示すように、実施例２及び３の低Ａｌ組成層の膜厚を極力減らした構造では、ＶＬ値がそのままで、Ｖｆのみ大きく低下している。参考例が高めに出ていることを考慮しても約２Ｖの低減効果が期待できる。一方、実施例１の低Ａｌ組成層の割合が多い構造では、Ｖｆは同じく低下しているものの、ＶＬも低下している。これはｎ型半導体層での吸収が増えたためと推測される。
【比較例１】
【００６３】
次に、比較例１に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図９に示す。この図に示す半導体発光素子では、ｎ型半導体層１０をアンドープＡｌＧａＮ組成傾斜層１６、ＳｉドープＡｌＧａＮ組成傾斜層１７の２層からなる組成傾斜構造として、Ａｌ組成比を７５％から６５％の範囲でＡｌＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１４上から活性層３０へ向かう程、組成比が下がるように順次連続的に傾斜させた。
【００６４】
比較例１に係る半導体発光素子は、実施例１〜３及び参考例と同じく２５５ｎｍの発光ピーク波長とする。この製造方法は、下地超格子層ＡｌＧａＮの組成からＡｌ組成比の傾斜を開始し、傾斜の終値で６５％程度となるようにＡｌ組成を漸減させている。Ａｌの組成比が６５％程度であれば、２５５ｎｍの光の吸収が比較的軽度と考えられるためである。発光ピーク波長が超短波領域になると、ｎ型半導体層による光の吸収を防ぐためにＡｌ比を十分減らすことが困難となり、Ｖｆを低減させるのに必要な組成の傾斜幅が得られ難くなる。
【比較例２】
【００６５】
比較例２に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図１０に示す。この図に示す半導体発光素子でも、ｎ型半導体層をＡｌ組成比を傾斜させたアンドープＡｌＧａＮ組成傾斜層１６とＳｉドープＡｌＧａＮ組成傾斜層１７の２層からなる組成傾斜構造とした。ここでは、Ａｌ組成比を９５％から６５％の範囲で、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１４上から活性層３０に近付く程組成が下がるように順次連続的に傾斜させた。上述した比較例１では傾斜の幅が得られず、ｎ出し量の変動で大きくコンタクト状態が変わることが懸念されたため、比較例２では傾斜始まりを９５％とした構造を採用した。この構造では傾斜幅は得られるが、全体的にＡｌ組成が上昇するため、表面抵抗を下げることは期待できない。
［順方向電圧と光出力の測定］
【００６６】
上記のサンプルを□３２０μｍ角のＦＤダイスで試作して、一般的なステム、シェル型のＴＯ−１８パッケージに実装し、検査項目として光出力Ｐｏ（ｍＷ）及び順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）を測定した結果を、図１１のグラフに示す。比較例１及び２の構造共、Ｖｆの低下は確認できなかった。このサンプルでは、図７に示すようにｎ−ｎ曲線がオーミック接触とならず、ショットキー接触であった。このことからｎ型ＡｌＧａＮ層の組成を傾斜させることによりｎ型半導体層上部では接触面の抵抗値が改善する６５％程度になっていても、ｎ出し部分ではＡｌ組成が高くなっていることが推測できる。
【００６７】
ｎ出し到達点でＡｌ組成を６５％とするには、ｎ型半導体層上部でもっとＡｌ組成を下げる必要があり、光の吸収が無視できなくなる。連続的に組成を傾斜させる構造は波長が２８０ｎｍ付近以上の発光素子に対してはＶｆ低減に有効であるが、それよりも短波長になると適用できない。
【００６８】
これに対し、ｎ型コンタクト層を２層構造としたことで光の吸収を確実に抑制でき、コンタクト性の改善を実現できる。以上から、Ａｌの組成比を傾斜させる構成よりも、複数層とする方が超短波領域では有用であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の半導体発光素子は、バックライト光源、照明用光源、ヘッドライト、発光素子を光源としてドットマトリックス状に配置したディスプレイ、信号機、照明式スイッチ、イメージスキャナ等の各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００７０】
１００…半導体発光素子
１…テンプレート基板
２…バッファ層
３…下地基板
１０…ｎ型半導体層
１１…低Ａｌ組成層
１２…高Ａｌ組成層
１２ａ…Ｓｉドープ領域
１２ｂ…アンドープ領域
１４…ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ超格子層
１６…アンドープＡｌＧａＮ組成傾斜層
１７…ＳｉドープＡｌＧａＮ組成傾斜層
２０…ｐ型半導体層
３０…活性層
４０…ｎ側電極
５０…ｐ側電極
４１０…ｎ型コンタクト層
４２０…ｐ型半導体層
４３０…活性層
４４０…ｎ側電極
４５０…ｐ側電極
ＥＤ…エッチング深さ
【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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