CN105009310B - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有优异的发光效率的氮化物半导体深紫外发光元件。一种氮化物半导体发光元件，该氮化物半导体发光元件具有200～300nm的发光波长，其具有：由单一层或带隙不同的多个层形成的n型层、由单一层或带隙不同的多个层形成的p型层、以及在n型层与p型层之间配设的活性层；p型层具有p型第一层，该p型第一层具有与在n型层内具有最小带隙的n型第一层的带隙相比更大的带隙；并且，在活性层与p型第一层之间设置有电子阻挡层，该电子阻挡层具有比形成活性层以及p型层的层的带隙都大的带隙。

Description

氮化物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及使用氮化物半导体的发光波长在200～300nm区域的新型的深紫外发光元件。
背景技术
现状是作为发光波长300nm以下的深紫外光源，使用氘、汞等的气体光源。这些气体光源存在短寿命、以及为大型等不便。此外，汞为受到条约限制的物质。因此，期待实现能够消除这些不便、处理容易的、使用半导体的深紫外发光元件。
然而，使用半导体的发光元件存在与氘气体灯或者汞气体灯等的气体光源相比光输出弱、此外发光效率也低的问题。
作为半导体发光元件的光输出不充分的原因，可以列举出在氮化物半导体发光元件中，与空穴相比，电子的有效质量小、并且载流子浓度高，因此引起电子穿过活性层(区域)、向p型层溢出，从而导致发光效率的降低。这种电子向p型层溢出在高注入电流条件下导致发光效率的进一步降低，同时发热量增加。其结果，光输出达到极限，难以得到与注入的载流子的量相应的光输出。
氮化物半导体发光元件中的电子向p型层溢出的问题不是仅在发光波长300nm以下的深紫外发光元件中产生的问题(例如，参照非专利文献1)。例如，专利文献1中记载了如下的技术，在发光波长超过300nm的半导体发光元件中，在活性层与p型层之间形成具有与活性层的带隙相比更大的带隙的电子阻挡层，从而防止电子由活性层区域向p型层流出，提高发光效率。此外，非专利文献2中记载了，在深紫外发光元件中，尝试如上所述的电子阻挡层的应用(参照非专利文献2)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：J.Appl.Phys.108，033112(2010)
非专利文献2：Electorn.Lett.44，493(2008)
专利文献
专利文献1：日本特开2007-88269号公报
专利文献2：日本特开2010-205767号公报
专利文献3：日本特开平11-298090号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，根据本发明人的研究，明确在发光波长300nm以下的氮化物半导体发光元件中，仅简单地设置电子阻挡层不能充分地改善发光效率。本发明人对于该理由推定如下。即，要求发光波长为300nm以下的深紫外发光元件中的p型层的带隙大于近紫外以及可见光的发光元件中的p型层的带隙。认为结果是深紫外发光元件的p型层中的空穴的活化率进一步降低、并且有效质量也变大，因此电子的溢出更容易产生。
因此本发明的课题在于针对发光波长为200～300nm的氮化物半导体发光元件解决如上所述的问题点，提供发光效率高的氮化物半导体深紫外发光元件。
用于解决问题的方案
本发明人为了解决上述课题进行深入研究。尤其是，详细地研究各层的带隙的关系，结果发现至少设置一层具有与形成活性层以及p型层的层的带隙相比更大的带隙的电子阻挡层、和具有与n型层内为最小带隙的层(在以下，有时称为“n型第一层”)的带隙相比更大的带隙的p型第一层，从而可以高效地改善氮化物半导体深紫外发光元件的发光效率，从而完成本发明。
本发明的第一方式：
[1]一种氮化物半导体发光元件，所述氮化物半导体发光元件具有200～300nm的发光波长，其特征在于，其具有：
由单一层或带隙不同的多个层形成的n型层、
由单一层或带隙不同的多个层形成的p型层、以及
配设在n型层与p型层之间的活性层，
p型层具有p型第一层，该p型第一层具有与在n型层内具有最小带隙的n型第一层的带隙相比更大的带隙，并且
具有比形成活性层以及p型层的层的带隙都大的带隙的电子阻挡层设置于活性层与p型第一层之间。
[2]在本发明的第一方式中，p型层能够由带隙不同的多个层形成。
[3]在本发明的第一方式中，优选的是，活性层具有阱层以及势垒层；p型层具有p型包层以及p型接触层；该氮化物半导体发光元件包含以如下顺序层叠n型层、活性层、电子阻挡层、p型包层、以及p型接触层的层叠结构；势垒层用组成式AlaGa1-aN(0.34≤a≤0.89)表示；p型包层用组成式AlbGa1-bN(0.44<b<1.00)表示；并且，p型包层的Al组成与势垒层的Al组成之差(b-a)超过0.10且为0.45以下。
需要说明的是，上述p型包层优选为p型第一层。
[4]在上述形态[3]的本发明的第一方式中，优选的是，阱层用组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤0.87)表示；势垒层的Al组成与阱层的Al组成之差(a-e)为0.02以上。
[5]在上述形态[3]～[4]的本发明的第一方式中，优选的是，阱层的厚度为4～20nm。
[6]在上述形态[3]～[5]的本发明的第一方式中，优选的是，电子阻挡层为p型或i型；电子阻挡层的组成用组成式AlcGa1-cN(0.45≤c≤1.00)表示；p型包层的组成用组成式AlbGa1-bN(0.44<b<1.00)表示；电子阻挡层的Al组成(c)大于前述p型包层的Al组成(b)；电子阻挡层的Al组成与前述势垒层的Al组成之差(c-a)为0.11～0.98；p型包层的Al组成与前述势垒层的Al组成之差(b-a)超过0.10且为0.45以下。
[7]在上述形态[3]～[6]的本发明的第一方式中，优选的是，具有多个势垒层；该多个势垒层包含与n型层相接的第一势垒层、和与电子阻挡层相接的第二势垒层。
[8]本发明的第二方式为具有上述本发明的第一方式中所述的氮化物半导体发光元件的层叠结构的氮化物半导体晶圆。
发明的效果
根据本发明，能够抑制发光波长300nm以下的氮化物半导体深紫外发光元件中的电子的溢出，因此可以提高氮化物半导体深紫外发光元件的发光效率。
附图说明
图1为说明本发明的氮化物半导体发光元件的一个实施方式的示意性截面图。
图2为说明图1的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
图3为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式中的能带图的一个例子的示意性截面图。
图4为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式中的能带图的一个例子的示意性截面图。
图5为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式中的能带图的一个例子的示意性截面图。
图6为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
图7为说明图6的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
图8为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
图9为说明图8的氮化物半导体发光元件的能带图的例子的图。
图10为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
图11为说明图10的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
图12为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
图13为说明图12的氮化物半导体发光元件的能带图的例子的图。
图14为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
图15为说明图14的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
具体实施方式
<1.氮化物半导体发光元件>
首先对于氮化物半导体发光元件的基本概要进行说明。
在本发明中，具有200～300nm的发光波长的氮化物半导体发光元件(以下也存在仅简记为“深紫外发光元件”的情况)例如可以通过有机金属化学气相成长法(MOCVD法)来制造。具体而言，可以如下制造，使用市售的装置，在后述的单晶基板上、或层叠体的基板上，供给III族原料气体例如三甲基铝那样的有机金属的气体、和氮源气体例如氨气体那样的原料气体。通过MOCVD法制造氮化物半导体发光元件的条件可以采用公知的方法。此外，本发明的氮化物半导体发光元件也可以用MOCVD法以外的方法来制造。
在本发明中，氮化物半导体发光元件若具有200～300nm的发光波长，则没有特别限制。具体而言，从包含选自硼、铝、铟和镓中的一种以上以及氮且用通式：BXAlYInZGa1-x-y- zN(0≤x≤1、0<y≤1、0≤z<1、0<x+y+z≤1)表示的构成的物质之中，决定各层的组成，制成具有200～300nm的发光波长的氮化物半导体发光元件即可。若示出更具体的例子，例如，由用AlaGa1-aN表示的组成构成活性层的情况下，需要为0.2≤a≤1的组成。
此外，通常地，B、Al的比例增加时，带隙有变大的倾向，In、Ga的比例增加时，带隙有变小的倾向。因此，可以通过这些构成元素的比例来调整各层的带隙。构成元素的比例可以利用SIMS(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：二次离子质谱分析仪)、TEM-EDX(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-rayspectrometry：透射电子显微镜-能量色散型X射线光谱法)、三维原子探针法(3DAP)等测定所制造的氮化物半导体发光元件而求出。然后，带隙可以由各层的构成元素的比例来换算。此外，也可以利用阴极发光法(CL法)、光致发光法(PL法)分析氮化物半导体发光元件，从而直接求出各层的带隙。构成元素为Al、Ga、以及N时，可以由带隙的值使用换算式来特定Al组成。
需要说明的是，在本申请的实施例/比较例中，通过X射线衍射法(XRD)来测定各层的构成元素的比例，利用PL法来求出带隙。在判断本申请所公开的发明的技术范围时，只要没有特别的情况，则对于各层的组成，应用XRD得到的测定值，对于各层的带隙，应用由PL法确定的值。
以下，使用附图对于本发明的第一方式的氮化物半导体发光元件进行详细地说明。图1为一个实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件的示意性截面图。此外，图2为说明图1的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。在图2中，以纸面上下方向表示带隙的大小、越向纸面上方电子的能量越高(空穴的能量越低)的方式描绘能带图。在本申请的其他的能带图中也是同样的。图2例如表示了与n型层20的带隙相比，电子阻挡层40、以及p型第一层51的带隙大。
如图1所示，氮化物半导体发光元件1具备基板10、在基板10上设置的n型层20、在n型层20上设置的活性层30、在活性层30上设置的电子阻挡层40、和在电子阻挡层40上设置的p型层50。在图1的氮化物半导体发光元件100中，n型层为单一层。此时，n型层20相当于在n型层内具有最小带隙的n型第一层。此外，在图1的氮化物半导体发光元件100中，p型层50由带隙不同的多个层形成。p型层50由具有与n型第一层20的带隙相比更大的带隙的p型第一层(p型包层)51、和具有不同于p型第一层51的带隙的p型第二层(p型接触层)52形成。
氮化物半导体发光元件1还具备：在从p型第二层52至n型层20的一部分被蚀刻除去从而露出的n型层20的表面设置的n型用电极60、和在p型第二层52上设置的p型用电极70。n型用电极60以及p型用电极70可以使用公知的方法来形成。以下，对于各层进行详细地说明。
(基板10)
作为基板10，可以没有特别限制地使用用公知的方法制造的公知的基板。作为可以作为基板10而采用的基板的具体例子，可以列举出AlN基板、GaN基板、蓝宝石基板、SiC基板、Si基板等。其中，优选为以C面为成长面的AlN基板、或以C面为成长面的蓝宝石基板。需要说明的是，基板10的厚度没有特别限制，优选为0.1mm～2mm。
(n型层20)
n型层20为掺杂了n型的掺杂剂的层。在图1的深紫外发光元件1中，n型层20为单一层，因此n型层20与在n型层内具有最小带隙的n型第一层为相同层。该n型层20没有特别限制，例如，n型层20可以优选采用将Si作为掺杂剂、以杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的方式包含该掺杂剂从而表现出n型的导电特性的形态。掺杂剂材料也可以为Si以外的材料。
n型层20为单一层时，n型层20的带隙只要小于下面详细叙述的p型第一层的带隙，则没有特别限制。其中，为了提高具有200～300nm的发光波长的氮化物半导体发光元件的生产率、拓宽使用用途，n型层20的带隙的值优选为4.15eV以上且6.27eV以下、更优选为4.20eV以上且6.25eV以下、特别优选为4.50eV以上且5.50eV以下。
作为n型层20的优选组成，例如可以列举出用组成式AldGa1-dN表示时，Al组成(d)为0.34～1.00的组成。n型层20的组成用组成式AldGa1-dN表示时，其的Al组成(d)更优选为0.34～0.90、进一步优选为0.34～0.80、最优选为0.45～0.70。此外，n型层20优选由单晶形成。
此外，n型层20的膜厚没有特别限制，可以为1nm以上且50μm以下。
需要说明的是，图1的氮化物半导体发光元件100具有的n型层20为单一层，而对于具有由带隙不同的多个层形成的n型层的形态(后述)，也优选构成n型层的多个层均在上述的优选组成或典型的组成的范围内。
(活性层30)
活性层30具有：具备一个以上的阱层和一个以上的势垒层的量子阱结构(在以下，仅称为“量子阱结构”)。在图2的能带图中，活性层30具有：具备阱层30a、31a、32a和33a、以及势垒层30b、31b、32b、33b和34b的量子阱结构。
形成活性层的层的带隙只要小于电子阻挡层的带隙，就没有特别限制。活性层具有：具备一个以上的阱层和一个以上的势垒层的量子阱结构时，在活性层中，势垒层通常具有大于阱层的带隙。因此，在活性层之中，具有最大带隙的势垒层的带隙小于电子阻挡层的带隙即可。阱层的带隙可以兼顾其它层来适宜决定，优选为4.13eV以上且6.00eV以下、更优选为4.18eV以上且5.98eV以下、进一步优选为4.20eV以上且5.00eV以下。此外，势垒层的带隙也没有特别限制，优选为4.15eV以上且6.02eV以下、更优选为4.20eV以上且6.00eV以下、特别优选为4.30eV以上且5.50eV以下。
阱层以及势垒层的各层的厚度优选为1～50nm。
(势垒层30b、31b、32b、33b、34b)
势垒层由具有用组成式AlaGa1-aN(0.34≤a≤1.00)表示的组成的单晶形成即可，优选由具有用组成式AlaGa1-aN(0.34≤a≤0.89)表示的组成的单晶形成。并且，如后所述，p型第一层(p型包层)51由用组成式AlbGa1-bN(0.44<b<1.00)表示的单晶形成时，p型第一层(p型包层)51的Al组成与各势垒层的Al组成之差(b-a)优选超过0.10且为0.45以下，此时，从提高生产率并且进一步提高发光效率的观点出发，更优选势垒层的Al组成(a)为0.34≤a≤0.80并且Al组成之差(b-a)为0.12以上且0.45以下、特别优选势垒层的Al组成(a)为0.40≤a≤0.70并且Al组成之差(b-a)为0.12以上且0.45以下。
如图2中的势垒层30b、31b、32b、33b、以及34b那样，在活性层中存在多个势垒层时，各势垒层的厚度以及组成可以彼此相同或不同，势垒层的厚度均优选在2～50nm的范围内，势垒层的组成均优选在上述组成式的范围(0.34≤a≤0.89)内。在多个势垒层之间组成不同的情况下，将势垒层的Al组成与除势垒层以外的层的Al组成比较时，设为基于Al组成(a)最高的势垒层的Al组成(a)进行比较(例如评价b-a)。需要说明的是，从生产率的观点出发，优选多个势垒层为具有相同的厚度以及组成的层。此外，各势垒层的厚度更优选为2～20nm、进一步优选为2～10nm。
(阱层30a、31a、32a、33a)
阱层优选由具有用组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤0.87)表示的组成的单晶形成。阱层以具有小于势垒层的带隙的方式形成。因此，阱层以及势垒层这两者由AlGaN的单晶形成时，阱层由具有与势垒层的Al组成相比更低的Al组成的AlGaN的单晶形成。
阱层由用组成式AleGa1-eN表示的单晶形成、并且势垒层由用组成式AlaGa1-aN表示的单晶形成的情况下，势垒层的Al组成(a)与阱层的Al组成(e)之差(a-e)优选为0.02以上，差(a-e)的上限没有特别限制，优选为0.87以下。
阱层由用组成式AleGa1-eN表示的单晶形成的情况下的阱层的Al组成(e)的绝对值可以兼顾其他的层的带隙来决定，只要满足组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤1.00)即可，优选满足组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤0.87)、更优选满足组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤0.78)、特别优选满足组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤0.68)。
阱层的厚度优选为4nm以上且20nm以下。p型包层的Al组成与势垒层的Al组成之差(a-e)在上述的优选范围内时，通过使阱层的厚度为4nm以上且20nm以下，从而进一步提高发光效率。通过使阱层的厚度较厚、即为4nm以上，穴的注入效率上升，因此可以降低在高电流注入区域的载流子溢出的产生。另一方面，活性层内的内部电场发生作用使被限制在阱层中的电子与穴的波函数空间上分离、使再结合效率降低，而通过使阱层的厚度为20nm以下、利用注入载流子可以充分地屏蔽(遮蔽)内部电场，因此可以抑制电子的波函数与穴的波函数空间上分离、提高再结合概率。更详细而言，对于氮化物半导体、特别是用AlGaN表示的氮化物半导体发光元件，在组成不同的异质界面中，由于自发极化效应，从而形成三角位势而非矩形的位势。因此，形成量子阱层的情况下，由于其内部电场产生的量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect：在以下仅称为“QCSE”)使得所注入的电子和穴保持偏在于各自相反侧的界面，因此空间上分离。其结果，电子与穴的再结合概率降低，因此内部量子效率降低。对此，通过使阱层的厚度为20nm以下，从而可以利用注入载流子充分地屏蔽(遮蔽)内部电场，因此可以抑制QCSE。从同样的观点出发，阱层的厚度优选为4nm以上且18nm以下、更优选为4nm以上且15nm以下。
如图2中的阱层30a、31a、32a、以及33a那样，在活性层中存在多个阱层的情况下，各阱层的厚度以及组成可以彼此相同或不同，阱层的厚度均优选为4nm以上且20nm以下，阱层均优选由组成式AleGa1-eN(0.33≤e≤0.87)的范围内的单晶形成，并且对于阱层均优选势垒层中的Al组成(a)与该阱层的Al组成(e)之差(a-e)为0.02以上。需要说明的是，从生产率的观点出发，优选多个阱层为具有相同的厚度以及组成的层。
(活性层30的结构)
如图2所示，活性层30具有多个势垒层，并且该多个势垒层具有包含与n型层20相接的一个势垒层30b、和与电子阻挡层40相接的其他的势垒层34b的结构。活性层30具有这样的结构，从而可以防止掺杂剂从n型层20以及p型层51、52向阱层30a、31a、32a、以及33a扩散。
势垒层30b～34b可以添加p型或n型的掺杂剂。在势垒层30b～34b中添加p型的掺杂剂时，可以提高载流子溢出的抑制效果和QCSE的降低效果。此外，在势垒层30b～34b中添加n型的掺杂剂时，可以提高QCSE的降低效果。
(电子阻挡层40)
电子阻挡层40为通过施加电场而用于抑制从n型层向活性层注入的电子的一部分泄漏至p型层侧的层。因此，电子阻挡层40需要具有比形成活性层30以及后述的p型层50的层的带隙都大的带隙，此外，需要形成于活性层30与后述的p型第一层(p型包层)51之间。
电子阻挡层40的带隙比构成活性层30的层的带隙都大，并且比构成p型层50的层的带隙都大。
电子阻挡层40的带隙只要比构成活性层30以及p型层50的层的带隙都大，则没有特别限制。其中，与在活性层30之中具有最大带隙的势垒层的带隙相比，优选大0.03eV以上、更优选大0.05eV以上、特别优选大0.20eV以上。电子阻挡层40的带隙与活性层30的最大带隙之差的上限没有特别限制，从生产率的观点出发，优选为2.15eV以下。此外，电子阻挡层40的带隙与构成p型层50的层之中具有最大带隙的层(p型第一层(p型包层)51)的带隙相比，优选大0.02eV以上、更优选大0.04eV以上、特别优选大0.10eV以上。电子阻挡层40的带隙与构成p型层50的层的最大带隙之差的上限没有特别限制，从生产率的观点出发，优选为2.14eV以下、更优选为2.09eV以下、进一步优选为1.20eV以下。
电子阻挡层40的带隙的绝对值没有特别限制，优选为4.18eV以上且6.30eV以下、更优选为4.25eV以上且6.30eV以下、特别优选为4.70eV以上且6.30eV以下。
电子阻挡层40优选由AlGaN单晶形成。活性层30、p型层50、以及电子阻挡层40由AlGaN单晶形成的情况下，电子阻挡层40优选由比构成活性层30以及p型层50的层的Al组成比都高的AlGaN单晶形成。此外，n型层20由AlGaN单晶形成时，电子阻挡层40也可以由具有比n型层20的Al组成低的Al组成的AlGaN单晶形成，优选由具有比n型层20的Al组成高的Al组成的AlGaN单晶形成。即，电子阻挡层40优选由比其他层的Al组成都高的AlGaN单晶形成。
电子阻挡层40用组成式AlcGa1-cN表示的情况下，电子阻挡层40的Al组成(c)优选为0.45≤c≤1.00、特别优选为0.53≤c≤1.00。并且，从进一步提高本发明的效果的观点出发，电子阻挡层40的Al组成(c)与势垒层的Al组成(a)之差(c-a)优选为0.11～0.98、更优选为0.13～0.80、进一步优选为0.13～0.60。
如后述，p型第一层(p型包层)51由用组成式AlbGa1-bN(0.44<b<1.00)表示的单晶形成时，电子阻挡层40的Al组成(c)优选大于p型第一层(p型包层)51的Al组成(b)。具体而言，电子阻挡层40与p型第一层(p型包层)51的Al组成之差(c-b)优选超过0.00且为0.88以下、更优选超过0.00且为0.80以下、进一步优选为0.01以上且0.70以下。
此外，电子阻挡层40可以掺杂p型的掺杂剂、或为非掺杂的层。电子阻挡层40中掺杂p型的掺杂剂的情况下，例如掺杂Mg的情况下，杂质浓度优选为1×1016～1×1021[cm-3]。此外，该电子阻挡层40中也可以存在掺杂p型的掺杂剂的区域和非掺杂的区域这两者。电子阻挡层具有掺杂的区域和非掺杂的区域这两者时，电子阻挡层40整体的杂质浓度优选为1×1016～1×1021[cm-3]。
电子阻挡层40的厚度没有特别限制，优选为1nm以上且50nm以下。
(p型层50)
氮化物半导体发光元件100具有电子阻挡层40的同时具有在p型层50内具有与在上述n型层20内具有最小带隙的n型第一层(20)的带隙相比更大的带隙的p型第一层(p型包层)51。
在图1的氮化物半导体发光元件100中，p型层50由p型第一层(p型包层)51、以及与p型用电极70接触的p型第二层(p型接触层)52构成。p型层50掺杂了p型的掺杂剂，显现p型的导电特性。具体而言，作为p型的掺杂剂，优选以杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的方式包含Mg。需要说明的是，在p型层50中，杂质可以均匀地分布、或可以为不均匀的杂质浓度分布。进而，如图1所示，p型层50由多个层构成的情况下，这些多个层的杂质浓度可以相同或不同。
(p型第一层(p型包层)51)
在氮化物半导体发光元件100中，设置具有与在n型层内具有最小带隙的n型第一层(在图1以及图2中为n型层20)的带隙相比更大的带隙的p型第一层(p型包层)51，在p型第一层(p型包层)与活性层30之间设置电子阻挡层40。电子阻挡层40对于欲从活性层30向p型层50流入的电子来说起到位势势垒的作用，而由于该p型第一层(p型包层)51存在，从而可以降低从活性层30向电子阻挡层40的p型层50侧的电子的波函数的渗出，因此可以进一步高效地降低电子从活性层30向p型层50的流出。
n型层20(n型第一层)与p型第一层(p型包层)51的带隙之差没有特别限制，p型第一层(p型包层)优选具有比n型第一层20大0.01eV以上的带隙，更优选具有大0.10eV以上的带隙。需要说明的是，n型层20(n型第一层)与p型第一层(p型包层)51的带隙之差的上限没有特别限制，从生产率的观点出发，优选为1.50eV以下、更优选为1.00eV以下、特别优选为0.50eV以下。
此外，p型第一层51的带隙的绝对值只要大于n型第一层20就没有特别限制，优选为4.16eV以上且6.28eV以下、进一步优选为4.21eV以上且6.26eV以下、特别优选为4.60eV以上且5.60eV以下。
p型第一层(p型包层)51优选由组成式AlbGa1-bN(0.44<b<1.00)表示的单晶形成，该Al组成(b)更优选为0.52以上且0.99以下。并且，p型第一层(p型包层)的Al组成(b)与势垒层的Al组成之差(b-a)如上所述，优选超过0.10且为0.45以下、更优选为0.12以上且0.45以下。
p型第一层(p型包层)51的厚度没有特别限制，优选为1nm以上且1μm以下。
(p型第二层(p型接触层)52)
在本发明中，p型层50可以为单一层(此时，p型层50为p型第一层(p型包层))，但通过形成p型第二层(p型接触层)52，从而容易实现与p型用电极70的欧姆接触、并且容易降低与p型用电极70的接触电阻。
p型第二层(p型接触层)52具有与p型第一层(p型包层)51的带隙相比更小的带隙。具体而言，p型第二层(p型接触层)52的带隙为与p型第一层(p型包层)51的带隙相比更小的值，其绝对值优选为0.70eV以上且6.00eV以下、更优选为3.00eV以上且4.50eV以下。作为典型的例子，可以列举出p型第二层(p型接触层)52由GaN(带隙：3.4eV)形成的形态。
p型第二层(p型接触层)52优选由AlGaN单晶形成。p型第一层(p型包层)51以及p型第二层(p型接触层)52这两者分别由AlGaN单晶形成的情况下，p型第二层(p型接触层)52的Al组成优选小于p型第一层(p型包层)51的Al组成。p型第二层(p型接触层)52由用组成式AlfGa1-fN表示的单晶构成的情况下，其Al组成(f)为0.00～1.00即可、优选为0.00～0.70、更优选为0.00～0.40。如上述的典型的例子那样，p型第二层(p型接触层)52由GaN形成的情况下为f＝0.00。需要说明的是，p型第二层(p型接触层)52可以在不阻碍本发明的效果的范围内包含In。
此外，p型第二层(p型接触层)52的厚度优选为1nm以上且250nm以下。
(其他实施方式(1)：活性层的其他的构成)
在本发明涉及的上述说明中，主要例示了活性层30具有量子阱结构、该阱层的数目为4个的形态的氮化物半导体发光元件100，但本发明并不限定于该形态。本发明的氮化物半导体发光元件中活性层具有量子阱结构时，阱层的数目可以为1个、也可以为多个。需要说明的是，阱层的数目的上限没有特别限制，从氮化物半导体发光元件的生产率的观点出发，优选为10以下。此外，也可以制成活性层具有整体结构(bulk structure，双异质结构)而非量子阱结构的形态的氮化物半导体发光元件。活性层30由整体结构构成的情况下，活性层30的厚度优选为20～100nm。
在本发明涉及的上述说明中，主要例示说明了活性层30由具备阱层30a～33a以及势垒层30b～34b的量子阱结构构成、与n型层20相接的层为势垒层30b、与电子阻挡层40相接的层为势垒层34b的形态的氮化物半导体发光元件100，但本发明并不限定于该形态。也可以制成具有与n型层相接的第一阱层、和与电子阻挡层相接的第二阱层的形态的氮化物半导体发光元件。图3为说明那样的其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件100’的能带图的图。在图3中对于与图1～2中出现的要素相同的要素赋予与图1～2中的符号相同的符号，省略说明。如图3所示，在氮化物半导体发光元件100’中，活性层30’具有阱层30a、31a、32a和33a、以及势垒层31b、32b和33b，与n型层20相接的层为阱层30a、与电子阻挡层40相接的层为阱层33a。在这样的层叠结构中，电子阻挡层40作为阱层33a的阻挡层起作用，因此通过这样的层叠结构也可以抑制载流子溢出。
此外，也可以制成与n型层相接的层为势垒层、与电子阻挡层相接的层为阱层的形态的氮化物半导体发光元件。图4为说明那样的其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件100”的能带图的图。在图4中对于与图1～3中出现的要素相同的要素赋予与图1～3中的符号相同的符号，省略说明。如图4所示，在氮化物半导体发光元件100”中，活性层30”具有阱层30a、31a、32a和33a、以及势垒层30b、31b、32b和33b，与n型层20相接的层为势垒层30b、与电子阻挡层40相接的层为阱层33a。
此外，也可以制成与n型层相接的层为阱层、与电子阻挡层相接的层为势垒层的形态的氮化物半导体发光元件。图5为说明那样的其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件100”'的能带图的图。在图5中对于与图1～4中出现的要素相同的要素赋予与图1～4中的符号相同的符号，省略说明。如图5所示，在氮化物半导体发光元件100”'中，活性层30”'具有阱层30a、31a、32a和33a、以及势垒层31b、32b、33b和34b，与n型层20相接的层为阱层30a、与电子阻挡层40相接的层为势垒层34b。通过制成这样的结构(100”、100”')，可以进行光场的调整，可以容易地进行制作半导体激光器时的设计。
(其他实施方式(2)：具有p型第三层的形态)
本发明的氮化物半导体发光元件涉及的上述说明中，主要例示说明了活性层30与电子阻挡层40直接相接的形态的氮化物半导体发光元件100，但本发明并不限定于该形态。也可以制成在活性层与电子阻挡层之间设置p型第三层的形态的氮化物半导体发光元件。图6为那样的其他实施方式的氮化物半导体发光元件200的示意性截面图。此外，图7为说明图6的氮化物半导体发光元件200的能带图的一个例子的图。在图6以及图7中，对于与图1～5中出现的要素相同的要素赋予与图1～5中的符号相同的符号，省略说明。如图6所示，在氮化物半导体发光元件200中，在活性层30与电子阻挡层40之间设置p型第三层53，这方面与图1的氮化物半导体发光元件100不同。
通过设置p型第三层53，从而可以抑制杂质(掺杂剂)从其他的p型层(p型第一层(p型包层)51、以及p型第二层(p型接触层)52)向活性层30的、特别是作为与p型层最接近的阱层的阱层33a的扩散，因此可以提高活性层30的品质。
p型第三层53可以与其他的p型层相同、也可以为在形成时掺杂了p型的掺杂剂的层，此外，可以为先形成非掺杂的层之后通过其他的p型层的掺杂剂的扩散从而使该非掺杂的层成为具有p型的导电性的层。该p型第三层53形成于活性层30上，在其上形成电子阻挡层40。
p型第三层53的带隙优选与活性层30的带隙、特别是势垒层30b～34b的带隙相同。此外，p型第三层53的厚度优选为1nm以上且50nm以下。
(其他实施方式(3)：n型层由多个层构成的形态)
在本发明涉及的上述说明中，主要例示了n型层为单一层、即n型层20为在n型层内具有最小带隙的n型第一层的形态的氮化物半导体发光元件100、200，但本发明并不限定于该形态。也可以制成具有由多个层构成的n型层的形态的氮化物半导体发光元件。以下对于这样的其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件进行说明。
(其他实施方式(3-1)：具有n型基底层以及n型包层的形态)
图8为其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件300的示意性截面图。图9的(A)以及图9的(B)为说明图8的氮化物半导体发光元件300中的能带图的例子的图。在图8以及图9中，对于与在图1～7中已经出现的要素相同的要素赋予与图1～7中符号相同的符号，省略说明。如图8所示，氮化物半导体发光元件300具有由n型基底层20A以及n型包层20B这两层构成的n型层20’代替单一层的n型层20，这方面与图1以及图6的氮化物半导体发光元件100以及200不同。如图8所示，n型包层20B设置于n型基底层20A与活性层30之间。
n型基底层20A为用于缓和基板10与生长层(图8中为n型包层20B以及与n型包层20B相比在纸面更上侧的层)之间的晶格失配、界面的粗糙化等的层。基底层可以为非掺杂的层，优选为该n型基底层20A那样地具有n型的导电性的层。作为将基底层制成n型的优点，可以列举出对于需要从横向注入电流的倒装型的发光元件来说可以降低驱动电压这一点。
n型包层20B为实现与n型层为单一层的形态中的n型层(例如上述氮化物半导体发光元件100、200中的n型层20)相同效果的层，为与n型基底层20A一同用于向活性层30供给电子的层。
为了设置n型层，这些n型基底层20A以及n型包层20B例如优选以杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的方式包含Si作为掺杂剂。该杂质(掺杂剂)可以在n型基底层20A以及n型包层20B中均匀地分布、也可以不均匀地分布。此外，在n型基底层20A中，n型基底层20A的与基板10相接侧的一部分也可以为非掺杂。
没有特别限制，例如，基板10为蓝宝石基板或AlN基板上的情况下，如图9的(A)所示，n型基底层20A的带隙优选大于n型包层20B的带隙。并且，优选在n型层20’中具有最小带隙的层、即n型第一层为n型包层20B。此外，例如，基板10为GaN基板的情况下，如图9的(B)所示，n型基底层20A的带隙优选小于n型包层20B的带隙。并且，优选在n型层20’中具有最小带隙的层、即n型第一层为n型包层20A。根据基板10的材质，将n型基底层20A的带隙与n型包层20B的带隙的关系设为如上所述，从而即使以n型基底层20A作为n型包层也可起作用。
此外，没有特别限制，在n型基底层20A的带隙大于n型包层20B的带隙的情况(参照图9的(A))下，n型基底层20A与n型包层20B的带隙之差优选为0.025eV以上且2.00eV以下。另一方面，在n型基底层20A的带隙小于n型包层20B的带隙的情况(参照图9的(B))下，n型基底层20A与n型包层20B的带隙之差优选为0.025eV以上且2.00eV以下。需要说明的是，n型基底层20A的带隙的绝对值优选为3.4eV以上且6.30eV以下，n型包层20B的带隙的绝对值优选为4.15eV以上且6.27eV以下。这些n型基底层20A以及n型包层20B的带隙的绝对值的优选范围在进一步形成其他的n型层的情况下也是同样的。
n型基底层20A的厚度优选为1nm以上且50μm以下，n型包层20B的厚度优选设为1nm以上且50μm以下。
需要说明的是，在上述说明中，例示了具有p型第一层(p型包层)51以及p型第二层(p型接触层)52的形态的氮化物半导体发光元件300，但本发明并不限定于该形态。如已经例示的氮化物半导体发光元件200中那样，也可以制成在活性层与电子阻挡层之间进一步设置p型第三层的形态的氮化物半导体发光元件。
(其他实施方式(3-2)：具有n型包层以及n型穴阻挡层的形态)
图10为其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件400的示意性截面图。图11为说明图10的氮化物半导体发光元件400中的能带图的一个例子的图。在图10以及图11中，对于与在图1～9中已经出现的要素相同的要素赋予与图1～9中的符号相同的符号，省略说明。如图10所示，氮化物半导体发光元件400具有由n型包层20B以及n型穴阻挡层20C这两层构成的n型层20”代替单一层的n型层20，这方面与图1以及图6的氮化物半导体发光元件100以及200不同。如图10所示，n型穴阻挡层20C设置于n型包层20B与活性层30之间。
n型穴阻挡层20C为通过施加电场用于抑制从p型层向活性层注入的穴的一部分泄漏到n型层侧的层。此外，n型包层20B为实现与n型层为单一层的形态中的n型层(例如上述氮化物半导体发光元件100、200中的n型层20)相同效果的层，为用于将电子供给到活性层30的层。为了制成n型层，这些n型包层20B以及n型穴阻挡层20C例如优选以杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的方式包含Si作为掺杂剂。该杂质可以在n型包层20B、n型穴阻挡层20C中均匀地分布、也可以不均匀地分布。
没有特别限制，如图11所示，优选与n型包层20B的带隙相比、n型穴阻挡层20C的带隙大。并且，优选在n型层20”中具有最小带隙的层、即n型第一层为n型包层20B。进而，n型包层20B与n型穴阻挡层20C的带隙之差优选为0.025eV以上且2.00eV以下。需要说明的是，n型包层20B的带隙的绝对值优选为4.15eV以上且6.27eV以下，n型穴阻挡层20C的带隙的绝对值优选为4.18eV以上且6.29eV以下。这些n型包层20B以及n型穴阻挡层20C的带隙的绝对值的优选范围在进一步形成其他的n型层的情况下也是同样的。
n型包层20B的厚度优选为1nm以上且50μm以下，n型穴阻挡层20C的厚度优选为1nm以上且1μm以下。
需要说明的是，在上述说明中，例示了具有p型第一层(p型包层)51以及p型第二层(p型接触层)52的形态的氮化物半导体发光元件400，但本发明并不限定于该形态。也可以制成在活性层与电子阻挡层之间进一步设置p型第三层的形态的氮化物半导体发光元件。
(其他实施方式(3-3)：具有n型包层以及n型电流扩散层的形态)
图12为其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件500的示意性截面图。图13的(A)以及图13的(B)为说明图12的氮化物半导体发光元件500中的能带图的例子的图。在图12以及图13中，对于与在图1～11中已经出现的要素相同的要素赋予与图1～11中的符号相同的符号，省略说明。如图12所示，氮化物半导体发光元件500具有由n型包层20B、n型电流扩散层20D这两层构成的n型层20”'代替单一层的n型层20，这方面与图1以及图6的氮化物半导体发光元件100以及200不同。如图12所示，n型电流扩散层20D设置于n型包层20B与活性层30之间。
对于需要在横向(元件内部的层叠结构中的层叠面方向)注入电流的半导体发光元件，通常，相对于载流子在发光元件深度方向(元件内部的层叠结构中的层叠面的法线方向)的所需移动距离，载流子在发光元件横向的所需移动距离足够以上地长。因此，发光元件的驱动电压和与载流子的横向的所需移动距离成比例的电阻一同增大。因此，为了提高元件的横向的载流子传导率，通常使用利用二维电子气体的结构，将这样的结构称为电流扩散层。在n型电流扩散层20D中，由于三角位势的形成，费米能级存在于与导带下端相比的上侧。n型包层20B为实现将电子供给到活性层的作用的层。为了制成n型层，这些n型包层20B以及n型电流扩散层20D例如优选以杂质浓度为1×1016～1×1021[cm-3]的方式包含Si作为掺杂剂。杂质(掺杂剂)可以在n型包层20B、n型电流扩散层20D中均匀地分布、也可以不均匀地分布。
图13的(A)为说明n型电流扩散层20D的带隙小于n型包层20B的带隙的情况的能带图的图。此时，在n型层中具有最小能量间隙的层(n型第一层)为n型电流扩散层20D。
其中，对于n型电流扩散层20D，只要可以通过三角位势的形成而生成二维电子气体，则可以具有大于n型包层20B的带隙。图13的(B)为说明n型电流扩散层20D的带隙大于n型包层20B的带隙的情况的能带图的图。此时，在n型层中具有最小能量间隙的层(n型第一层)为n型包层20B。
没有特别限制，n型包层20B与n型电流扩散层20D的带隙之差优选为0.03eV以上且2.00eV以下。需要说明的是，在n型电流扩散层20D的带隙的绝对值小于n型包层20B的带隙的绝对值的情况(参照图13的(A))下，优选n型电流扩散层20D的带隙的绝对值为4.15eV以上且6.27eV以下，n型包层20B的带隙为4.18eV以上且6.30eV以下。此外，n型电流扩散层20D的带隙的绝对值大于n型包层20B的带隙的绝对值的情况(参照图13的(B))下，优选n型电流扩散层20D的带隙的绝对值为4.18eV以上且6.30eV以下、n型包层20B的带隙为4.15eV以上且6.27eV以下。
n型包层20B的厚度优选为1nm以上且50μm以下、n型电流扩散层20D的厚度优选为1nm以上且1μm以下。
在上述说明中，主要例示了与n型包层20B分开地设置n型电流扩散层20D、并且与n型电流扩散层20D相接地层叠活性层30的形态的氮化物半导体发光元件500，但本发明并不限定于该形态。也可以制成在n型包层的内部形成n型电流扩散层、因而活性层不与n型电流扩散层直接接触的形态的氮化物半导体发光元件。
在上述说明中，主要例示了作为p型层具有p型第一层(p型包层)51以及p型第二层(p型接触层)52的形态的氮化物半导体发光元件500，但本发明并不限定于该形态。也可以制成在活性层与电子阻挡层之间进一步设置p型第三层的形态的氮化物半导体发光元件。
(其他的n型层的组合)
在具有由多个层构成的n型层的形态的本发明的氮化物半导体发光元件涉及的上述说明中，例示了具有由2层的组合构成的n型层的形态的氮化物半导体发光元件300、400、以及500，但本发明并不限定于这些形态。也可以制成具有由多个层的其他组合构成的n型层的形态的氮化物半导体发光元件。例如，构成n型层的多个层可以为选自n型基底层、n型包层、n型穴阻挡层、以及n型电流扩散层中的2层以上的层。各层的厚度如上述说明那样。其中，作为上述例示的、构成n型层的多个层层叠于基板之上的顺序，如下的顺序是优选的的层叠顺序(括弧内的层表示该层并非必要的层。此外，n型穴阻挡层与n型电流扩散层的层叠顺序没有特别限定)。
基板/(n型基底层)/n型包层/(n型穴阻挡层、n型电流扩散层)
构成n型层的多个层为这样的组合的情况下，在n型基底层、n型包层、n型穴阻挡层、以及n型电流扩散层之中具有最小带隙的层相当于n型第一层。
(其他实施方式(4)：p型层为单一层的形态)
在本发明涉及的上述说明中，主要例示了具有由带隙不同的多个层形成的p型层的形态的氮化物半导体发光元件100、100’、100”、100”'、200、300、400、以及500，但本发明并不限定于这些形态。也可以制成p型层为单一层的形态的氮化物半导体发光元件。图14为那样的其他实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件600的示意性截面图，图15为说明氮化物半导体发光元件600中的能带图的一个例子的图。在图14～15中，对于与图1～13中已经出现的要素相同的要素赋予与图1～13中的符号相同的符号，省略说明。氮化物半导体发光元件600具有单一层的p型层50’代替由多个层形成的p型层50，这方面与上述例示的氮化物半导体发光元件100等不同。在氮化物半导体发光元件600中，p型层50’相当于具有与在n型层内具有最小带隙的n型第一层的带隙相比更大的带隙的p型层、即p型第一层。
<2.氮化物半导体晶圆>
本发明的第二方式为具有与本发明的氮化物半导体发光元件有关的上述说明的层叠结构的氮化物半导体晶圆。本发明的氮化物半导体晶圆中，通常形成上述说明的本发明的氮化物半导体发光元件的层叠结构。然后，通过从该氮化物半导体晶圆切取一个个元件，从而可以得到多个本发明的氮化物半导体发光元件。
实施例
以下，通过实施例以及比较例详细地说明本发明，但本发明并不限定于以下的实施例。
在以下的实施例以及比较例中，通过X射线衍射法(XRD)测定各层的构成元素的比例，通过光致发光法(PL法)求出带隙。XRD测定中，使用PANalytical B.V.制X’Pert PRO，在PL法的测定中使用HORIBA,Ltd.制HR800UV。发光波长的测定中使用SphereOptics GmbH制SMS-500，将发光强度最大的波长记作发光波长。外部量子效率的测定使用与发光波长的测定中使用的装置相同的装置进行。
<实施例1、比较例1～2>
(实施例1)
制造具有图1中示出的层叠结构的氮化物半导体发光元件。
首先，通过MOCVD法，在一边7mm见方、厚度500μm的C面AlN基板10上，作为n型层(20)，形成掺杂有Si的Al0.75Ga0.25N层(n型第一层：带隙5.23eV、Si浓度1×1019cm-3、层厚度1.0μm)。
在n型层(20)上，以势垒层与阱层交替层叠的方式形成5层势垒层(组成Al0.75Ga0.25N、带隙5.23eV、非掺杂、层厚度7nm)、以及4层阱层(组成Al0.5Ga0.5N、带隙4.55eV、非掺杂、层厚度7nm)，从而形成具有具备4个量子阱的量子阱结构(参照图2)的活性层(30)。一个势垒层与n型层(20)相接而形成、另一个势垒层作为最外层而形成。
在活性层(30)上(即作为活性层的最外层的势垒层上)，作为电子阻挡层(40)，形成掺杂有Mg的AlN层(带隙6.00eV、Mg浓度5×1019cm-3、层厚度30nm)。
在电子阻挡层(40)上，作为p型第一层(p型包层)(51)，形成掺杂有Mg的Al0.8Ga0.2N层(带隙5.38eV、Mg浓度5×1019cm-3、层厚度50nm)。然后，在p型第一层(p型包层)(51)上，作为p型第二层(p型接触层)(52)，形成掺杂有Mg的GaN层(带隙3.40eV、Mg浓度2×1019cm-3、层厚度100nm)。
接着，在氮气气氛中、20分钟、900℃的条件下进行热处理。然后，在p型第二层(p型接触层)(52)的表面利用光刻法形成规定的抗蚀图案，将没有形成抗蚀图案的窗部利用反应性离子蚀刻蚀刻至n型层(20)的表面露出为止。然后，在n型层(20)的表面利用真空蒸镀法形成Ti(20nm)/Al(200nm)/Au(5nm)电极(负电极)，在氮气气氛中、1分钟、810℃的条件下进行热处理。接着，在p型第二层(p型接触层)(52)的表面利用真空蒸镀法形成Ni(20nm)/Au(50nm)电极(正电极)之后，在氧气气氛中、3分钟、550℃的条件下进行热处理，制作氮化物半导体发光元件。
对于所得到的氮化物半导体发光元件，电流注入10mA时在267nm具有发光波长，外部量子效率为2.2％。
(比较例1)
在实施例1中，将p型第一层(p型包层)(51)变更为组成Al0.75Ga0.25N、带隙5.23eV(Mg浓度5×1019cm-3)，除此以外，进行与实施例1同样的操作，从而制作氮化物半导体发光元件。
对于所得到的氮化物半导体元件，电流注入10mA时在267nm具有发光波长，外部量子效率为1.7％。
(比较例2)
在实施例1中，将p型第一层(p型包层)51变更为组成Al0.7Ga0.3N、带隙5.09eV(Mg浓度5×1019cm-3)，除此以外，进行与实施例1同样的操作，从而制作氮化物半导体发光元件。
所得到的氮化物半导体发光元件的发光波长在电流注入为10mA时，在267nm具有发光波长，外部量子效率为1.3％。
<实施例2～5>
(实施例2)
制造多个具有图1中示出的层叠结构的氮化物半导体发光元件的晶圆，从该晶圆切取氮化物半导体发光元件。其中，活性层中的量子阱的数目设为3个。
首先，通过MOCVD法，在一边7mm见方、厚度500μm的C面AlN基板(10)上，作为n型层(20)，以层厚度1.0μm形成掺杂有Si的Al0.75Ga0.25N层(带隙5.23eV、Si浓度1×1019cm-3)。
在n型层(20)上，以势垒层与阱层交替层叠的方式形成4层掺杂有Si的势垒层(组成Al0.75Ga0.25N、带隙5.23eV、Si浓度1×1018cm-3、层厚度7nm)、以及3层阱层(组成Al0.5Ga0.5N、带隙4.55eV、非掺杂、层厚度2nm)，从而形成具有具备3个量子阱的量子阱结构的活性层(30)。一个势垒层与n型层(20)相接而形成、另一个势垒层作为最外层而形成。
在活性层(30)上(即作为活性层的最外层的势垒层上)，作为电子阻挡层(40)，形成掺杂有Mg的AlN层(带隙6.00eV、Mg浓度5×1019cm-3、层厚度15nm)。
在电子阻挡层(40)上，作为p型第一层(p型包层)(51)，形成掺杂有Mg的Al0.80Ga0.20N层(带隙5.38eV、Mg浓度5×1019cm-3、层厚度50nm)。然后，在p型第一层(p型包层)(51)上，作为p型第二层(p型接触层)(52)，形成掺杂有Mg的GaN层(带隙3.40eV、Mg浓度2×1019cm-3、层厚度100nm)。
接着，在氮气气氛中、20分钟、900℃的条件下进行热处理。然后，在p型第二层(p型接触层)(52)的表面利用光刻法形成规定的抗蚀图案，利用反应性离子蚀刻蚀刻没有形成抗蚀图案的窗部直至n型层(20)的表面露出为止。然后，在n型层(20)的表面利用真空蒸镀法形成Ti(20nm)/Al(200nm)/Au(5nm)电极(负电极)，在氮气气氛中、1分钟、810℃的条件下进行热处理。接着，在p型第二层(p型接触层)(52)的表面，利用真空蒸镀法形成Ni(20nm)/Au(50nm)电极(正电极)之后，在氧气气氛中、3分钟、550℃的条件下进行热处理，制造具有上述的层叠结构的氮化物半导体晶圆。将所得到的氮化物半导体晶圆切取700μm见方，从而制作氮化物半导体发光元件。
对于所得到的氮化物半导体元件，电流注入100mA时在272nm具有发光波长，外部量子效率为2.0％。
(实施例3)
在实施例2中，将各势垒层变更为组成Al0.65Ga0.35N(带隙4.95eV、Si浓度1×1018cm-3)，除此以外，进行与实施例2同样的操作，从而制作氮化物半导体晶圆以及氮化物半导体发光元件。所得到的氮化物半导体发光元件在电流注入100mA时，在267nm具有发光波长，外部量子效率为2.3％。
(实施例4)
在实施例3中，将各阱层的厚度从2nm变更为4nm，除此以外，进行与实施例3同样的操作，从而制作氮化物半导体晶圆以及氮化物半导体发光元件。所得到的氮化物半导体发光元件在电流注入100mA时，在270nm具有发光波长，外部量子效率为2.7％。
(实施例5)
在实施例2中，将各势垒层变更为组成Al0.60Ga0.40N(带隙4.81eV、Si浓度1×1018cm-3)，将各阱层的厚度从2nm变更为6nm，除此以外，进行与实施例3同样的操作，从而制作氮化物半导体晶圆以及氮化物半导体发光元件。所得到的氮化物半导体发光元件在电流注入100mA时，在263nm具有发光波长，外部量子效率为3.2％。
<评价结果>
在表1中示出实施例1～5以及比较例1～2的构成以及评价结果。
[表1]
与在电子阻挡层的与活性层相反侧不具有如下p型层的比较例1～2的氮化物半导体发光元件相比，实施例1～5的氮化物半导体元件显示出良好的发光效率，所述p型层具有比n型层的最小带隙大的带隙。实施例1～5的氮化物半导体元件均为具有以n型层、具有阱层和势垒层的活性层、电子阻挡层、p型第一层(p型包层)、以及p型第二层(p型接触层)的顺序层叠的层叠结构，势垒层用组成式AlaGa1-aN(0.34≤a≤0.89)表示、p型第一层(p型包层)用组成式AlbGa1-bN(0.44<b<1.00)表示。它们之中，对于p型第一层(p型包层)的Al组成与势垒层的Al组成之差(b-a)超过0.10且为0.45以下的实施例3～5的氮化物半导体发光元件，与并非如此的实施例1～2的氮化物半导体发光元件相比，表现出更优异的发光效率。此外，阱层的厚度为4～20nm的范围内的实施例4～5的氮化物半导体发光元件显示出特别优异的发光效率。
附图标记说明
10 基板
20、20’、20”、20”' n型层
20A n型基底层
20B n型包层
20C n型穴阻挡层
20D n型电流扩散层
30 活性层(活性层区域)
30a、31a、32a、33a 阱层
30b、31b、32b、33b、34b 势垒层
40 电子阻挡层
50、50’ p型层
51 p型第一层(p型包层)
52 p型第二层(p型接触层)
53 p型第三层
60 n型用电极层
70 p型用电极层
100、100’、100”、100”'、200、300、400、500、600 氮化物半导体发光元件(深紫外
半导体发光元件)

Claims (7)

1.一种氮化物半导体发光元件，所述氮化物半导体发光元件具有200～300nm的发光波长，其特征在于，其具有：
由单一层或带隙不同的多个层形成的n型层、
由带隙不同的多个层形成的p型层、以及
配设在所述n型层与所述p型层之间的活性层，
所述p型层具有p型第一层，该p型第一层具有与在所述n型层内具有最小带隙的n型第一层的带隙相比大0.10eV以上的带隙，并且
在所述活性层与所述p型第一层之间设置有电子阻挡层，该电子阻挡层具有比形成所述活性层以及所述p型层的层的带隙都大的带隙，所述活性层具有阱层以及势垒层，
所述p型层具有p型包层以及p型接触层，
所述氮化物半导体发光元件包含以如下顺序层叠所述n型层、所述活性层、所述电子阻挡层、所述p型包层、以及所述p型接触层的层叠结构，
所述n型层用组成式AldGa1-dN，0.34≤d<1.00表示，
所述势垒层用组成式AlaGa1-aN，0.34≤a≤0.89表示，
所述p型包层用组成式AlbGa1-bN，0.44<b<1.00表示，并且
所述p型包层的Al组成与所述势垒层的Al组成之差(b-a)0.12以上且为0.45以下。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述p型包层是所述p型第一层。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其中，所述阱层用组成式AleGa1- eN，0.33≤e≤0.87表示，
所述势垒层的Al组成与所述阱层的Al组成之差(a-e)为0.02以上。
4.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其中，所述活性层中存在多个阱层，所述多个阱层具有相同的厚度和带隙，所述阱层的厚度为4～20nm。
5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述电子阻挡层为p型或i型，
所述电子阻挡层用组成式AlcGa1-cN，0.45≤c≤1.00表示，
所述p型包层用组成式AlbGa1-bN，0.44<b<1.00表示，
所述电子阻挡层的Al组成(c)大于所述p型包层的Al组成(b)，
所述电子阻挡层的Al组成与所述势垒层的Al组成之差(c-a)为0.11～0.98。
6.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，具有多个所述势垒层，
所述多个势垒层包含与所述n型层相接的第一势垒层、和与所述电子阻挡层相接的第二势垒层。
7.一种氮化物半导体晶圆，其具有权利要求1～6中任一项所述的氮化物半导体发光元件的层叠结构。
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