CN113745972A - 氮化物半导体元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种氮化物半导体元件，其能够稳定地耐受高电流密度下的驱动而不会发生绝缘化。氮化物半导体元件具备活性层和由AlGaN形成的AlGaN层，所述AlGaN层与上述活性层相比形成在更上方，所述AlGaN层包含Mg、且Al组成比沿着从上述活性层离开的方向减少、且Al组成比大于0.2，上述AlGaN层具有第一AlGaN区域，所述第一AlGaN区域的上述Al组成比的组成倾斜率a1大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm、上述AlGaN层中的上述Mg的浓度b1大于0cm‑3且小于7.0×1019×a1‑2.0×1018cm‑3。

Description

氮化物半导体元件
技术领域
本公开涉及氮化物半导体元件。
背景技术
以往使用发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等氮化物半导体元件。在氮化物半导体元件为发光二极管(LED)的情况下，有微型LED之类的减小了元件面积的发光二极管，这种情况下，为了得到高输出，需要能够耐受高电流密度驱动的元件。另外，在氮化物半导体元件为激光二极管(LD)的情况下，为了实现激光振荡，需要能够耐受超过1kA/cm2的高电流密度的驱动的元件。因此，提出了例如具有由AlGaN形成且Al组成沿厚度方向减少的p型包层的氮化物半导体元件(例如，专利文献1)。专利文献1中公开了：通过使p型AlGaN包层的Al组成产生组成倾斜，从而激光振荡的阈值电流密度和阈值电压降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-98401号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，即使在p型AlGaN包层的Al组成倾斜的情况下，根据p型AlGaN包层的AlGaN的组成的不同，也存在氮化物半导体元件发生绝缘化或高电阻化的情况。
本公开的目的在于，提供能够稳定地耐受高电流密度下的驱动的氮化物半导体元件。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本公开的一方式的氮化物半导体元件的特征在于，其具备活性层和由AlGaN形成的AlGaN层，所述AlGaN层与上述活性层相比形成在更上方，所述AlGaN层包含Mg、且Al组成比沿着从上述活性层离开的方向减少、且Al组成比大于0.2，上述AlGaN层具有第一AlGaN区域，所述第一AlGaN区域的上述Al组成比的组成倾斜率a1大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm、上述AlGaN层中的上述Mg的浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3。
发明的效果
根据本公开的一方式，能够提供能够稳定地耐受高电流密度下的驱动而不会发生绝缘化或高电阻化的氮化物半导体元件。
附图说明
图1为示出本公开的第一实施方式的氮化物半导体元件的一构成例的立体图。
图2为示出本公开的第一实施方式的氮化物半导体元件的局部的Al组成比的图。
图3为示出本公开的第一实施方式的氮化物半导体元件的优选Mg浓度的图。
图4为示出本公开的第二实施方式的氮化物半导体元件的一构成例的立体图。
图5为示出本公开的第二实施方式的氮化物半导体元件的局部的Al组成比的图。
图6为示出本公开的实施例的氮化物半导体元件的样品1～4的电流-电压特性的图。
图7为示出本公开的实施例的氮化物半导体元件的样品5～7的电流-电压特性的图。
附图标记说明
1，2 氮化物半导体元件
14 第一电极
15 第二电极
16a 共振器面
16b 背侧共振器面
17 脊部半导体层
30 AlN层
31 第一氮化物半导体层
311 第一层叠部
311a 上表面
312 第二层叠部
312a 突出区域
32，132 AlGaN层
321 第一AlGaN区域
321a 突出区域
322 第二AlGaN区域
33 第二氮化物半导体层
34 电子阻挡层
35 发光部
351 下部导向层
352 氮化物半导体活性层
353 上部导向层
具体实施方式
以下通过实施方式来说明本实施方式的氮化物半导体元件，但是以下实施方式不对权利要求书的发明进行限定。另外，实施方式中所说明的特征的组合并非全部对于发明的解决手段而言是必需的。
1.第一实施方式
以下参照图1和图2对第一实施方式的氮化物半导体元件1进行说明。
氮化物半导体元件1为能发出紫外光的激光二极管。氮化物半导体元件1能够通过电流注入而放射出紫外激光束。氮化物半导体元件1能够得到例如波长为280nm～320nm的UVB区的发光。
[氮化物半导体元件的整体构成]
参照图1和图2对氮化物半导体元件1的构成进行说明。
如图1所示，氮化物半导体元件1具备：基板11；设置在基板11的上方的氮化物半导体活性层(活性层的一例)352；设置在氮化物半导体活性层352的上方且Al组成比大于0.2的AlGaN层32；和，覆盖AlGaN层32的上表面的第二氮化物半导体层33。氮化物半导体元件1为在基板11的上方依次层叠有AlN层(基底层的一例)30、第一氮化物半导体层31、包含氮化物半导体活性层352的发光部35、电子阻挡层34、AlGaN层32和第二氮化物半导体层33的构成。另外，氮化物半导体元件1具备与第二氮化物半导体层33接触设置的第一电极14、和与第一氮化物半导体层31的局部接触设置的第二电极15。
以下对构成氮化物半导体元件1的各部分进行详细说明。
＜AlGaN层＞
如图2所示，AlGaN层32由AlGaN形成，Al组成比沿着从氮化物半导体活性层352离开的方向减少且Al组成比大于0.2。本实施方式的氮化物半导体元件1中，对单层结构的AlGaN层32(第一AlGaN区域的一例)进行说明。具有这样的AlGaN层32的氮化物半导体元件1例如为发出紫外线B波的紫外线激光二极管。
AlGaN层32由AlGaN形成，所述AlGaN层32包含镁(以下有时记作Mg)、且Al组成比沿着从氮化物半导体活性层352离开的方向减少。AlGaN层32为掺杂有Mg作为杂质的p型半导体。AlGaN层32中，Al组成比的组成倾斜率a1大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm。即，Al组成比的组成倾斜率a1满足0＜a1＜0.22。在该范围内时，AlGaN层32的Al组成比x1可以在AlGaN层32的整个厚度方向上以恒定的变化率减少，也可以根据位置以不同的变化率减少。
另外，Al组成比x1也可以为如下构成：在AlGaN层32的厚度方向的中途具有Al组成比x1暂时恒定的区域，从而Al组成比x1以多个阶段变化。这种情况下，AlGaN层32的厚度方向整体的Al组成比x1的组成倾斜率处于上述范围内即可。即，AlGaN层32的Al起始端组成比(电子阻挡层34侧的边界处的Al组成比)与终止端组成比(第二氮化物半导体层33侧的边界处的Al组成比)之差除以AlGaN层32的厚度而得的值大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm即可。
在将Al组成比设为x1时，AlGaN层32由Alx1Ga(1-x1)N形成，AlGaN层32的Al组成比x1例如优选为0.2＜x1≤1.0，更优选为0.3≤x1≤1.0，进一步优选为0.4≤x1≤1.0。即，AlGaN层32的Al组成比x1可以沿着从氮化物半导体活性层352离开的方向从1.0变化到约0.2，更优选从1.0变化到0.3，进一步优选从1.0变化到0.4。由此，氮化物半导体元件1成为能够流通高电流且能够耐受高电流密度下的驱动的元件。
在此，在AlGaN层32中的AlGaN的Al组成比为0.2以上(即，20％以上)时，掺杂有Mg作为杂质的p型半导体的活化能变大，因此难以p型化。例如，当在p-Al0.2Ga0.8N中掺杂2×1020cm-3Mg时，生成的空穴密度预计为4×1017cm-3。当在p-Al0.4Ga0.6N中掺杂Mg时，生成的空穴密度预计为9×1016cm-3。通常，对于使用AlGaN的纵型电动氮化物半导体元件(发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等)的驱动而言需要最低为1×1017cm-3的导电性半导体的载流子密度。因此，使用Al组成比为0.4以上的AlGaN的纵型电动氮化物半导体元件即使掺杂Mg作为杂质，也存在难以形成p型半导体、难以驱动的情况。
就本公开的氮化物半导体元件1而言，即使在AlGaN层32的Al组成比大于0.2、尤其是为0.4以上的情况下，也容易通过极化掺杂发生p型化，所述极化掺杂是指使Al组成沿着厚度方向倾斜而生成空穴。因此，氮化物半导体元件1变得容易驱动。
另一方面，在Al组成比为0.2以下的区域中，通过掺杂Mg作为杂质而能够形成导电性的p型半导体，因此通过使Al组成倾斜而实现的极化掺杂从而p型化的效果非常小。
综上，对于AlGaN层32而言，优选通过使Al组成倾斜而生成空穴的极化掺杂来实现p型化的方法。
另外，在氮化物半导体元件1为发出波长小于320nm的紫外线的元件的情况下，需要使作为氮化物半导体活性层352使用的AlGaN的Al组成比大于0.2。在此，在氮化物半导体元件1为激光二极管(LD)的情况下，为了将光限制于波导层(未图示)，需要以AlGaN层32的Al组成比高于氮化物半导体活性层352(和波导层)的Al组成比的方式形成。因此，需要使由AlGaN形成且Al组成比大于0.2的AlGaN层32的Al组成倾斜。
进一步地，在氮化物半导体元件1为发出波长300nm以下的紫外线的元件的情况下，由于上述理由，需要以AlGaN层32的Al组成比高于0.4的方式形成。这种情况下，也具有由AlGaN形成且Al组成比大于0.4的AlGaN层32，因此与发出波长小于320nm的紫外线的氮化物半导体元件1同样地需要使Al组成倾斜。
在此，在使用薄膜生长装置形成组成从Al组成比高的AlGaN向Al组成比低的AlGaN连续倾斜的AlGaN层32的情况下，不优选一边改变生长装置的除III族原料的比率以外的参数(温度、压力、III/V原料比率)一边形成AlGaN层32的方式。特别是，Mg的掺入量显著依赖于生长装置的参数，因此，在不优选的参数改变时控制AlGaN层32中的Mg掺入量的方式变得极为困难。因此，为了尽量不需要控制Mg掺入量、减少AlGaN层32的Al组成的变化(减小Al组成的变化幅度)，优选Al组成比大于0.2。为了按照设计来使AlGaN层32生长，更优选Al组成比大于0.4，以减小AlGaN层32内的Al组成的变化。
例如，在AlGaN层32的Al组成比大于0.2且AlGaN层32的最大Al组成比大于0.2且小于0.6的情况下，能够在不改变除III族原料的比率以外的生长条件的情况下形成Al组成变化率恒定的AlGaN层32。
另外，在AlGaN层32的Al组成比大于0.4且AlGaN层32的最大Al组成比大于0.4且为1以下的情况下，能够在不改变除III族原料的比率以外的生长条件的情况下形成Al组成变化率恒定的AlGaN层32。
从而，AlGaN层32的Al组成比高于0.4的方式能够提高AlGaN层32中的最大Al组成比，因此能够使设计的自由度拓展至高Al组成区域。这尤其能够紫使外线发光元件缩短波长，对于波长短的元件尤其重要。
即，通过使AlGaN层32的Al组成比大于0.4，能够按照设计形成紫外线发光元件的作为p型半导体的AlGaN层32。
另一方面，在Al组成比小于0.2且AlGaN层32的最大Al组成比大于0.5的情况下，为了使AlGaN层32的Al组成变化率保持恒定，需要在薄膜生长中改变包括除III族原料的比率以外的参数在内的各参数(温度、压力、III/V原料比率)。这种情况下，由于薄膜生长的中断，会产生Al组成的变化率变得不均匀等半导体品质劣化、薄膜的表面组成改变的问题。
另外，AlGaN层32包含Mg。Mg作为用于使AlGaN层32中生成空穴的杂质起作用。
AlGaN层32中的Mg的浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3。AlGaN层32不含Mg时或Mg浓度低时，即使形成AlGaN层32的AlGaN中Al组成比倾斜，也存在氮化物半导体元件1发生绝缘化的情况。在AlGaN层32的Al组成比的组成倾斜率a1处于0＜a1＜0.22的范围的情况下，Mg浓度小于一般的p型半导体中的Mg浓度时更容易流通电流。在此，一般的p型AlGaN中的Mg浓度的最适值例如为1.0×1019cm-3以上且3.0×1019cm-3以下的范围。发明人们的研究查明，其原因在于，通过包含Mg而生成供体性的缺陷(Nd)，通过该供体性的缺陷而生成电子，该电子被通过极化掺杂而生成的空穴湮灭。在Mg浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3的情况下，在通过极化掺杂而生成了空穴的部分中，空穴被电子湮灭，能够抑制绝缘化。
另外，Mg浓度大于0cm-3的原因在于，通过薄膜生长时的晶格迟豫，通过因Mg杂质的活化而生成的空穴来湮灭AlGaN层32中的电子的生成，从而抑制绝缘化。已经明确了：在Al组成呈倾斜状态的AlGaN层32的下层与上层中a轴晶格常数不同、尤其是上层的a轴晶格常数大于下层的a轴晶格常数而呈晶格迟豫状态的情况下，存在作为通过极化掺杂而生成空穴的条件的压缩应力不起作用的位置。这种情况下，压缩应力不起作用的位置处不生成空穴，因此需要使得基于包含Mg杂质而发生的空穴生成不减少。因此，优选AlGaN层32中包含上述浓度范围的Mg。
为了计算AlGaN中的最适的Mg量，使用薄膜模拟软件SiLENSe(STR Japan株式会社制)进行了理论计算。通过以下步骤的模拟，设定了AlGaN层32中的Al组成比的倾斜率和Mg浓度的优选范围。
在此，输入到薄膜模拟软件的氮化物半导体元件的层叠结构如下。以下所示的结构是从下层起依次示出的。
(结构)
·下部包层：AlGaN、Al组成比55％、厚度3μm、n型杂质(Si)掺杂
·发光层
下部导向层：AlGaN、Al组成比45％、厚度150nm、非掺杂
阱层：AlGaN、Al组成比35％、厚度4nm、非掺杂
势垒层：AlGaN、Al组成比45％、厚度8nm、非掺杂
阱层：AlGaN、Al组成比35％、厚度4nm、非掺杂
上部导向层：AlGaN、Al组成比45％、厚度150nm、非掺杂
·电子阻挡层：AlGaN、Al组成比与AlGaN层的起始端组成相同、厚度20nm、非掺杂
·AlGaN层(双层结构)
第一AlGaN区域：AlGaN、Al组成比x→45％(x是变化的)、Al组成比的组成倾斜率a1、厚度260nm、p型杂质(Mg)掺杂、n型杂质(Si)掺杂
第二AlGaN区域：AlGaN、Al组成比45→0％、厚度75nm、p型杂质(Mg)掺杂、n型杂质(Si)掺杂
·第二氮化物半导体层：GaN、10nm、p型杂质(Mg)掺杂
在此，上述的用于模拟的氮化物半导体元件的层叠结构具有Al组成比倾斜率不同的双层结构(第一AlGaN区域和第二AlGaN区域)的AlGaN层。本实施方式的氮化物半导体元件1中，将输入到薄膜模拟软件的氮化物半导体元件的AlGaN层中第一AlGaN区域的Al组成比倾斜率作为AlGaN层32的Al组成比的组成倾斜率a1。需要说明的是，为了在模拟中反映出第一AlGaN层、第二AlGaN层中生成有来自Mg杂质的供体性缺陷这一点，使用了如下假设：通过以下所示的方法来包含假设为Si的n型杂质。
(模拟的步骤)
(1)首先，使用薄膜模拟软件SiLENSe计算薄膜结构中的各层在0V(无电解)下的能带(band)。此时，将n型杂质浓度设为受体杂质浓度(相当于Mg浓度)的1/10。在供体杂质浓度的设定中，基于Overview of carrier compensation in GaN layers grown by MOVPE:toward the application of vertical power devices(Tetsuo Narita et al,JapaneseJournal of Applied Physics59,SA0804,2020)中的记载，设定为p型杂质的掺杂量的10％的量。
(2)接着，提取第一AlGaN区域的厚度方向中央(距第二AlGaN区域的下表面为130nm的距离)的空穴密度的数据。
(3)以(2)中提取的空穴密度为超过1×1017cm-3的值的受体杂质浓度((1)中设定的浓度)为纵轴、以第一AlGaN区域的Al组成比的组成倾斜率a1[Al％/nm]为横轴来作图。在此，图3为用圆点标绘出通过模拟而得到的Al组成比的组成倾斜率a1与受体杂质浓度的关系的图。
(4)将(3)中得到的表示Al组成比的组成倾斜率a1与受体杂质浓度的关系近似为直线，得到近似式。通过对图3所示的标绘图进行近似，得到Mg浓度b1＝7.0×1019×a1-2.0×1018的近似式A。最后，如图3所示，以(3)中得到的近似式A为基准，将空穴浓度超过1.0×1017cm-3的范围视为Mg浓度的优选范围PR。即，第一AlGaN区域中的Mg浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3时，空穴密度(图中用h+示于纵轴)超过1.0×1017cm-3。因此，能够确保通常具有高电流密度的氮化物半导体元件的驱动所需的空穴量，因此不易发生绝缘化。
另外优选：在AlGaN层32的上端面(与第二氮化物半导体层33的边界)，自AlGaN层32的下端面(与电子阻挡层34的边界)起AlGaN发生了晶格迟豫。在此，“在AlGaN层32的上端面，自AlGaN层32的下端面起AlGaN发生了晶格迟豫”是指：AlGaN层32的上端面处的a轴晶格常数c2大于AlGaN层32的下端面处的a轴晶格常数c1。当AlGaN层32的层内发生晶格迟豫时，容易在靠近AlGaN层32的下端面的Al组成比相对高的区域中产生空穴气。但是，在靠近AlGaN层32的上端面的上述发生了晶格迟豫的位置生成电子。由于AlGaN层32包含规定量的Mg，该Mg进行活化，从而以AlGaN层32的层内生成的空穴来湮灭所产生的电子，可以使电流易于流通。因此，上端面处的a轴晶格常数c2大于下端面处的a轴晶格常数c1、容易生成电子气的AlGaN层32通过包含规定量的Mg，可以进一步提高容易流通电流的效果。而且，通过晶格迟豫，能够抑制由于对薄膜施加必要限度以上的应力而导致的、薄膜生长中产生裂纹的情况。
AlGaN层32优选具有超过0nm且小于400nm的厚度。当AlGaN层32小于400nm时，AlGaN层32的电阻变低，抑制驱动电压增大所致的发热量增加，不易发生氮化物半导体元件1的破坏。
在氮化物半导体元件1为激光二极管时，AlGaN层32的厚度优选为150nm以上且小于400nm，进一步优选为200nm以上且小于400nm。AlGaN层32的厚度为例如260nm。
另外，在氮化物半导体元件1为发光二极管(LED)等时，AlGaN层32可以具有超过0nm且小于150nm的厚度。在氮化物半导体元件1为需要限制光的激光二极管时，即使AlGaN层32薄也能够流通高电流。另一方面，在氮化物半导体元件1为发光二极管时，不需要限制光。因此，即使为比激光二极管时更薄的AlGaN层32，也能够得到实现高电流密度的良好的元件。
另外，AlGaN层32在第二氮化物半导体层33侧的面上可以具备突出部。这种情况下，Al组成比x1可以从AlGaN层32的电子阻挡层34侧向突出部的前端倾斜。通过使AlGaN层32具有突出部，从而有如下效果：从第一电极14注入电子时提高电流密度。另外，通过使AlGaN层32具有突出部，能够增大AlGaN层32与第二氮化物半导体层33的接触面积，能够降低串联电阻和拟能垒，因此能够实现肖特基组分的降低、载流子注入效率的提高。
在此，设置于AlGaN层32的突出部并非对应于与AlGaN层32相比位于下方的任意层的凹凸而形成。即，AlGaN层32的形成突出部的部分的厚度与AlGaN层32的未形成突出部的部分的厚度相比，对应于突出部的高度程度地变厚。因此，在与AlGaN层32相比处于下方的下层形成有突状部时，突出部形成于在俯视下与下层的突状部不同的位置、或者以与下层的突状部的周期不同的周期来形成。
＜第二氮化物半导体层＞
第二氮化物半导体层33为与AlGaN层32相比更远离氮化物半导体活性层352的区域，为覆盖AlGaN层32的整面的覆盖层。第二氮化物半导体层33由Al组成比低于AlGaN层32的AlGaN或GaN形成。即，第二氮化物半导体层33由Alx3Ga(1-x3)N(0≤x3＜x)形成。
在第二氮化物半导体层33的最上层为p型的GaN(p-GaN)的情况下，能够降低与配置于第二氮化物半导体层33上的第一电极14的接触电阻，并且能够拓宽氮化物半导体元件1所能对应的紫外光的波长范围。这是由于，使用p-GaN作为第二氮化物半导体层33时，可以将AlGaN层32的AlGaN的Al组成比设计得较宽。
第二氮化物半导体层33可以是层叠有多个层的构成。这种情况下，上述的第二氮化物半导体层33的Al组成比表示最表层、即与第一电极14接触的表面处的组成比。
第二氮化物半导体层33是以例如3×1019cm-3的浓度掺杂Mg、从而p型化的p型半导体层。
掺杂剂的浓度在基板11的垂直方向上可以恒定也可以不均匀。在基板11的面内方向上可以恒定也可以不均匀。
第二氮化物半导体层33可以具有使AlGaN的Al组成比倾斜的结构。例如，第二氮化物半导体层33可以具有AlGaN的Al组成比从AlGaN层32中的Al组成比的最小值起连续地或阶梯状地减少的层结构。在第二氮化物半导体层33具有层结构的情况下，第二氮化物半导体层33可以为非掺杂层。
第二氮化物半导体层33可以是在最上层上还具有掺杂浓度高的层的层叠结构。第二氮化物半导体层33可以为两层以上的层叠结构。这种情况下，为了向氮化物半导体活性层352高效输送载流子，优选越朝向上层Al组成比越小。
第二氮化物半导体层33优选具有超过10nm且小于10μm的厚度，更优选为200nm以上且小于10μm，进一步优选为500nm以上且5μm以下。在第二氮化物半导体层33的厚度超过10nm的情况下，能够比较均匀地覆盖AlGaN层32表面的凹凸，AlGaN层32与设置于AlGaN层32的上表面的第二氮化物半导体层33的密合性提高。具体而言，能够抑制在AlGaN层32与第二氮化物半导体层33的界面形成未被第二氮化物半导体层33覆盖的区域的情况。因此，能够提高电流密度。另外，能够抑制从第一电极14注入空穴时电流集中于AlGaN层32的局部，能够从AlGaN层32的上表面(与第二氮化物半导体层33相对的面)均匀地注入电流。另外，在第二氮化物半导体层33的厚度超过0nm时，能够借助第二氮化物半导体层33以低电阻连接AlGaN层32和第一电极14。
另外，在第二氮化物半导体层33的厚度小于10μm的情况下，形成AlGaN层32时不易产生裂纹，因此是优选的。
进一步地，当第二氮化物半导体层33的厚度处于该范围内时，在第二氮化物半导体层33的生长中抑制由晶格迟豫所致的三维生长，能够使第二氮化物半导体层33的表面平坦化。因此，第二氮化物半导体层33与第一电极14的接触性稳定，能够实现重现性高、驱动电压低的氮化物半导体元件1。
＜脊部半导体层＞
以包含AlGaN层32的一部分的方式形成脊部半导体层17。脊部半导体层17具有：形成于AlGaN层32的突出区域321a；AlGaN层32；和第二氮化物半导体层33。通过在AlGaN层32的局部形成脊部半导体层17，能够抑制从第一电极14注入的载流子在脊部半导体层17中沿着基板11的水平方向扩散。由此，氮化物半导体活性层352的发光被控制在位于脊部半导体层17下方的区域(即，位于AlGaN层32的突出区域321a下方的区域)。其结果是，氮化物半导体元件1能够实现高电流密度、降低激光振荡的阈值。
如上所述，脊部半导体层17的作用是集中电流和将光限制于基板11的水平方向。因此，脊部半导体层17并非必须仅形成于AlGaN层32的局部。脊部半导体层17可以包含发光部35，可以包含AlGaN层32整体。进一步地，也可以不存在脊部半导体层17。需要说明的是，不存在脊部半导体层17时，以与AlGaN层32相同的面积形成AlGaN层32。另外，为了抑制电流注入量，可以将第一电极14(详细情况如后所述)的宽度和长度设计为适当的大小。
如上所述，脊部半导体层17以偏向于第二电极15侧的方式配置。通过使脊部半导体层17靠近第二电极15，从而电流在氮化物半导体元件1中的流经路径缩短，能够降低形成于氮化物半导体元件1中的电流路径的电阻值。由此，能够降低氮化物半导体元件1的驱动电压。但是，从光刻的重现性的观点出发，优选突出区域321a和脊部半导体层17远离台面端(除AlGaN层32的突出区域321a之外的区域的端部)1μm以上。突出区域321a和脊部半导体层17也可以以偏向配置于中央的一侧的方式形成。
＜基板＞
基板11可列举例如Si、SiC、MgO、Ga2O3、Al2O3、ZnO、GaN、InN、AlN、或这些的混晶等。基板11具有支撑上层薄膜、提高结晶性以及向外部散热的功能。因此，作为基板11，优选使用能够以高品质使AlGaN生长、导热率高的AlN基板。基板的生长面可以为由于低成本而优选的通常使用的+c面AlN，也可以为-c面AlN、半极性面基板、非极性面基板。从提高极化掺杂效果的观点出发，优选+c面AlN。
从组装角度出发，基板11优选具有薄的四边形的形状，但不限于这样的构成。另外，从生长高品质的晶体的观点出发，基板11的偏角(Off angle)优选大于0度且小于2度。
关于基板11的厚度，如果出于在上层层叠AlGaN层的目的则没有特别限制，优选为1μm以上且50μm以下。另外，对基板11的晶体品质没有特别限制，穿透位错密度优选为1×109cm-2以下，更优选为1×108cm-2以下。由此，能够在基板11的上方形成具有高发光效率的薄膜元件。
＜AlN层＞
AlN层30与第一氮化物半导体层31相比更远离氮化物半导体活性层352，形成于基板11的整面。
对于AlN层30而言，可以在AlN层30上使与第一氮化物半导体层31之间的晶格常数差和热膨胀系数差小且缺陷少的氮化物半导体层生长。另外，对于AlN层30而言，可以在压缩应力下使第一氮化物半导体层31生长，可以抑制第一氮化物半导体层31产生裂纹。因此，在由AlN或AlGaN等氮化物半导体形成基板11的情况下，可以隔着AlN层30在基板11的上方生长缺陷少的氮化物半导体层。
AlN层30中可以混有C、Si、Fe、Mg等杂质。
在使用AlN作为基板11的形成材料时，AlN层30和基板11由同一材料形成，因此AlN层30和基板11的边界变得不清晰。在本实施方式中，在由AlN形成基板11的情况下，视为基板11构成基板11和AlN层30。
AlN层30具有例如数μm(例如1.6μm)的厚度，但不限于该值。具体而言，AlN层30的厚度优选大于10nm且小于10μm。AlN层30的厚度大于10nm的情况下，AlN的结晶性提高。另外，在AlN层30的厚度小于10μm的情况下，通过晶体生长而形成于晶圆整面的AlN层30不易产生裂纹。另外，AlN层30更优选大于50nm且小于5μm。AlN层30的厚度大于50nm时，能够重现性良好地制作结晶性高的AlN。另外，在AlN层30的厚度小于5μm的情况下，AlN层30更不易产生裂纹。
AlN层30以比第一氮化物半导体层31薄的方式形成，但是不限于此。在AlN层30比第一氮化物半导体层31薄的情况下，可以在不产生裂纹的范围内增大第一氮化物半导体层31的厚度。这种情况下，第一氮化物半导体层31的薄膜层叠的水平方向的电阻降低，能够实现低电压驱动的氮化物半导体元件1。在实现氮化物半导体元件1的低电压驱动时，能够进一步抑制由发热导致的高电流密度驱动下的破坏。
需要说明的是，也可以不设置AlN层30。
＜第一氮化物半导体层＞
第一氮化物半导体层31是设置于包含氮化物半导体活性层352的发光部35的与AlGaN层32处于相反侧的面的层。AlGaN层32为掺杂有Si等n型杂质的n型半导体。第一氮化物半导体层31具有配置于基板11的上方的第一层叠部311和层叠于第一层叠部311上的第二层叠部312。第二层叠部312具有形成于第二层叠部312表面的局部的突出区域312a。第二层叠部312配置于第一层叠部311的上表面311a的局部。因此，第一层叠部311的上表面311a存在未形成第二层叠部312的区域和形成有第二层叠部312的区域。在第一层叠部311的上表面311a中，在未形成第二层叠部312的区域设置有与第一层叠部311连接的第二电极15。
需要说明的是，第二层叠部312可以层叠于第一层叠部311的上表面311a的整面。
第一层叠部311和第二层叠部312均由AlGaN形成。第一层叠部311和第二层叠部312的各自的Al组成比可以相同也可以不同。第一氮化物半导体层31的Al组成比可以通过剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)来确定。可以使用聚焦离子束(FIB：Focused Ion Beam)装置使沿着AlGaN的a面的截面露出，从而观察第一氮化物半导体层31的截面。作为截面的观察方法，使用透射型电子显微镜。观察的倍率根据所测定的层的厚度而变化，优选以使不同厚度的第一氮化物半导体层31的比例尺达到彼此相同的程度的方式来设定倍率。例如，观察厚度100nm的第一氮化物半导体层31时的倍率优选设为100000倍左右。另外，在将观察厚度100nm的第一氮化物半导体层31时的倍率设为100000倍左右时，优选以倍率10000倍左右来观察厚度1μm的第一氮化物半导体层31。由此，可以以同等程度的尺度来观察不同厚度的第一氮化物半导体层31。
Al组成比可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析和定量出的Al、Ga的摩尔数的值来定义。
第一层叠部311例如由Alx5Ga(1-x5)N(0＜x5＜1)形成。第一层叠部311可以在AlGaN中包含Al、Ga以外的作为III族元素的例如B、In，由于包含B、In的位置会发生缺陷的形成、耐久性的变化，因此优选不含Al、Ga以外的III族元素。
另外，第一层叠部311可以与AlGaN一起包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素以及C、H、F、O、Mg、Si等杂质。
第二层叠部312例如由Alx6Ga(1-x6)N(0≤x6≤1)形成。形成第二层叠部312的AlGaN的Al组成比x6可以等于或小于第一层叠部311的上表面311a处的Al组成比x5。由此，能够抑制在第一层叠部311和第二层叠部312的层叠界面处产生缺陷。
另外，第二层叠部312可以与AlGaN一起含有P、As、Sb之类的N以外的V族元素、In或B之类的III族元素、或者C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
本公开中，第一层叠部311和第二层叠部312为n型半导体。第一层叠部311和第二层叠部312通过相对于AlGaN以例如1×1019cm-3的浓度掺杂Si而n型化。杂质浓度可以在整个层中相同也可以不均匀，另外可以仅在厚度方向不均匀，还可以仅在基板水平方向不均匀。
第一层叠部311和第二电极15之间可以直接接触，也可以如隧道结那样隔着不同的层而连接。由n型半导体构成的第一氮化物半导体层31与第二电极15形成隧道结时，在第一氮化物半导体层31与第二电极15之间设置p型半导体。因此，优选由能够与p型半导体欧姆接合的材料形成第二电极15。第二电极15优选为例如Ni和Au的层叠电极或由二者合金化而成的金属形成的电极。
从制作后述的AlGaN层32和PN二极管的观点出发，第二层叠部312为使用+c面蓝宝石的n型半导体。AlGaN层32使用Al组成比x1在AlGaN层32的厚度方向上减少的AlGaN。因此，通过使用+c面蓝宝石作为第二层叠部312，从而AlGaN层32通过极化而成为p型半导体。
第一层叠部311的厚度没有特别限制，例如优选为100nm以上且10μm以下。在第一层叠部311的厚度为100nm的情况下，第一层叠部311的电阻降低。在第一层叠部311的厚度为10μm以下的情况下，能够抑制形成第一层叠部311时产生裂纹的情况。
第二层叠部312的厚度没有特别限制，例如优选为100nm以上且10μm以下。在第二层叠部312的厚度为100nm以上的情况下，第二层叠部312的电阻降低。在第二层叠部312的厚度为10μm以下的情况下，能够抑制形成第二层叠部312时产生裂纹的情况。
＜发光部＞
发光部35具备：氮化物半导体活性层352；设置于氮化物半导体活性层352的一个面的下部导向层351；和设置于氮化物半导体活性层352的另一面的上部导向层353。下部导向层351设置于第一氮化物半导体层31与氮化物半导体活性层352之间。上部导向层353设置于氮化物半导体活性层352与AlGaN层32之间。
(下部导向层)
下部导向层351形成于第一氮化物半导体层31的第二层叠部312之上。为了将氮化物半导体活性层352所发出的光限制于发光部35，可以在下部导向层351与第二层叠部312之间设置折射率差。下部导向层351例如由AlN、GaN的混晶形成。下部导向层351具体由Alx7Ga(1-x7)N(0＜x7＜1)形成。
另外，形成下部导向层351的材料中，可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素、In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
下部导向层351的Al组成比x7可以通过剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定。Al组成比x7可以定义为Al的摩尔数相对于Al和Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析和定量出的Al、Ga的摩尔数的值来定义。下部导向层351的Al组成比x7可以小于第二层叠部312的Al组成比x6。由此，下部导向层351与第二层叠部312相比折射率更大，能够将氮化物半导体活性层352所发出的光限制在发光部35。
在下部导向层351为n型半导体的情况下，通过相对于AlGaN以1×1019cm-3的浓度掺杂作为掺杂剂的Si，从而下部导向层351发生n型化。在下部导向层351为p型半导体的情况下，通过相对于AlGaN以3×1019cm-3的浓度掺杂作为掺杂剂的Mg，从而下部导向层351发生p型化。下部导向层351也可以为不含作为掺杂剂的Si、Mg的非掺杂层。
(氮化物半导体活性层)
氮化物半导体活性层352为得到氮化物半导体元件1的发光的发光层。
氮化物半导体活性层352由例如AlN、GaN、和其混晶形成。更具体而言，氮化物半导体活性层352由例如Alx8Ga(1-x8)N(0≤x8≤1)形成。优选氮化物半导体活性层352的Al组成比x8小于下部导向层351的Al组成比x7。由此，能够将由第一电极14和第二电极15注入的载流子有效地限制于发光部35。
氮化物半导体活性层352可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素、In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
在氮化物半导体活性层352为n型半导体的情况下，通过相对于AlGaN以1×1019cm-3的浓度掺杂作为掺杂剂的Si，从而氮化物半导体活性层352发生n型化。在氮化物半导体活性层352为p型半导体的情况下，通过相对于AlGaN以3×1019cm-3的浓度掺杂作为掺杂剂的Mg，从而氮化物半导体活性层352发生p型化。氮化物半导体活性层352也可以是不含作为掺杂剂的Si、Mg的非掺杂层。
氮化物半导体活性层352具有未图示的阱层和与阱层相邻设置的势垒层。氮化物半导体活性层352可以具有由阱层和势垒层一层一层交替层叠而成的多层量子阱(MQW：Multiple Quantum Well)结构。通过使氮化物半导体元件1具有单一阱结构的氮化物半导体活性层352，从而可以增加1个阱层内的载流子密度。另一方面，氮化物半导体活性层352可以具有例如“势垒层/阱层/势垒层/阱层/势垒层”之类的二层量子阱结构或三层以上的量子阱结构。通过使氮化物半导体元件1具有多层量子阱结构的氮化物半导体活性层352，能够实现氮化物半导体活性层352的发光效率、发光强度的提高。在为二层量子阱结构时，阱层的厚度可以为例如4nm，势垒层的厚度可以为例如8nm，氮化物半导体活性层352的厚度可以为32nm。
阱层的Al组成比小于下部导向层351和上部导向层353各自的Al组成比。另外，阱层的Al组成比小于势垒层的Al组成比。另外，势垒层的Al组成比可以与下部导向层351和上部导向层353各自的Al组成比相同也可以不同。需要说明的是，阱层和势垒层的平均的Al组成比成为氮化物半导体活性层352整体的Al组成比。
阱层和势垒层的Al组成比可以通过剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定。Al组成比可以定义为Al的摩尔数相对于Al和Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析和定量出的Al、Ga的摩尔数的值来定义。
(上部导向层)
上部导向层353形成于氮化物半导体活性层352之上。为了将氮化物半导体活性层352所发出的光限制于发光部35，可以在上部导向层353与第二氮化物半导体层33之间设置折射率差。上部导向层353由例如AlN、GaN、和其混晶形成。上部导向层353具体由Alx9Ga(1-x9)N(0≤x9≤1)形成。
另外，形成上部导向层353的材料中，可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
上部导向层353的Al组成比x9可以通过剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定。Al组成比x9可以定义为Al的摩尔数相对于Al和Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析和定量出的Al、Ga的摩尔数的值来定义。上部导向层353的Al组成比x9可以大于阱层的Al组成比。由此，能够将载流子限制于氮化物半导体活性层352。
在上部导向层353为n型半导体的情况下，通过相对于AlGaN例如以1×1019cm-3的浓度掺杂Si，从而上部导向层353发生n型化。在上部导向层353为p型半导体的情况下，通过相对于AlGaN例如以3×1019cm-3的浓度掺杂Mg，从而上部导向层353发生p型化。上部导向层353可以是非掺杂层。
＜电子阻挡层＞
电子阻挡层34设置于发光部35和AlGaN层32之间。电子阻挡层34可以对从第一氮化物半导体层31侧流入且未被注入氮化物半导体活性层352的电子进行反射、将其注入氮化物半导体活性层352。未被注入氮化物半导体活性层352的电子例如是：当AlGaN层32中的空穴浓度低时，未被注入氮化物半导体活性层352而流向AlGaN层32侧的电子。当电子流向AlGaN层32侧时，对氮化物半导体活性层352的电子注入效率下降，因此难以充分提高发光效率。通过设置电子阻挡层34，对氮化物半导体活性层352的电子注入效率提高，可以实现发光效率的提高。
电子阻挡层34由例如AlGaN形成。更具体而言，电子阻挡层34由Alx4Ga(1-x4)N形成。电子阻挡层34的Al组成比x4例如优选与AlGaN层的Al组成比x1相同或更高。电子阻挡层34优选为注入有Mg的p型半导体。Mg以例如1×1018cm-3的杂质浓度被注入电子阻挡层34。由此，电子阻挡层34被p型化而构成为p型半导体。电子阻挡层34也可以不添加Mg。在电子阻挡层34中不添加Mg的情况下，电子阻挡层34的导电性下降，但是尤其能够抑制激光二极管中由吸收导致的内部损耗增加，因此能够降低阈值电流密度Jth。
从阻挡电子的观点出发，要求电子阻挡层34势垒高度尽可能高。但是，若过度提高势垒高度则元件电阻变高，引起氮化物半导体元件1的驱动电压增加、在不破坏氮化物半导体元件1的范围内能够达到的最大电流密度下降。因此，电子阻挡层34的Al组成比优选与氮化物半导体活性层352的Al组成比相比高0.3以上且不足0.55。当电子阻挡层34的Al组成比比氮化物半导体活性层352的Al组成比高0.3以上时，可良好地维持元件的导通。另外，在电子阻挡层34的Al组成比比氮化物半导体活性层352的Al组成比高不足0.55时，能够抑制元件电阻的增加。
电子阻挡层34的厚度优选为0nm以上且50nm以下，更优选为0nm以上且30nm以下，进一步优选为2nm以上且20nm以下。即，也可以不设置电子阻挡层34。在电子阻挡层34的厚度为50nm以下的情况下，氮化物半导体元件1的元件电阻低，能够进行低电压驱动。另外，电子阻挡层34的厚度越小越能够降低氮化物半导体元件1的元件电阻，因此电子阻挡层34的厚度越小越优选。另外，当电子阻挡层34的厚度为2nm以上时，能够发挥电子阻挡效果、提高内部效率，因此从提高发光输出的观点出发是优选的。
电子阻挡层34可以配置在氮化物半导体活性层352与上部导向层353之间。另外，电子阻挡层34也可以以分隔下部导向层351的方式配置于下部导向层351中。另外，电子阻挡层34还可以配置于下部导向层351与氮化物半导体活性层352之间。电子阻挡层34可以由多层来形成。电子阻挡层34可以由单一的Al组成来形成，也可以为使Al组成重复高组成和低组成而成的超晶格结构。
＜第一电极＞
第一电极14形成于脊部半导体层17上、即作为脊部半导体层17的最上层的第二氮化物半导体层33上。
第一电极14由于形成于作为p型半导体层的第二氮化物半导体层33上，因此以成为p型电极的方式来形成。第一电极14是出于向氮化物半导体元件1注入空穴(hole)的目的使用的，可由常规的氮化物半导体元件的p型电极材料来形成。例如，第一电极14可由Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Cu或其合金、或者ITO等形成，尤其优选Ni、Au或这些的合金、或者ITO。其原因是，可减小第一电极14和脊部半导体层17的接触电阻。
为了使电流在第一电极14整体中均匀地扩散，第一电极14可以在上部具有焊盘电极(第一焊盘电极)。焊盘电极由例如Au、Al、Cu、Ag或W等形成，从导电性的观点出发，优选由Au形成。另外，第一电极14可以为例如在脊部半导体层17上形成由Ni和Au的合金形成的第一接触电极、在第二接触电极上形成由Au形成的第一焊盘电极的构成。
例如，以240nm的厚度形成第一电极14。
在激光二极管的情况下，第一电极14可以具有短边的长度小于10μm且长边的长度为1000μm以下的长方形形状，并且层叠于第二氮化物半导体层33。在发光二极管的情况下，可设为各种形状，例如设为50μm×200μm的长方形形状等。第一电极14的脊部半导体层17侧的面具有几乎相同的形状。通过使第一电极14与脊部半导体层17的接触面具有彼此相同的形状，可以抑制从第一电极14注入的载流子在脊部半导体层17中沿着基板11的水平方向扩散的情况，可以控制氮化物半导体活性层352中的发光。
＜第二电极＞
第二电极15形成于第一氮化物半导体层31的第二层叠部312上。
第二电极15形成于作为n型半导体层的第一氮化物半导体层31上，因此，以成为n型电极的方式来形成。若出于向第一氮化物半导体层31注入电子的目的使用第二电极15，则可由常规的氮化物半导体发光元件的n型电极材料来形成第二电极15。例如第二电极15由Ti、Al、Ni、Au、Cr、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W或其合金、或者ITO等形成。
为了使电流在第二电极15整体中均匀地扩散，第二电极15可以在上部具有焊盘电极(第二焊盘电极)。焊盘电极可以设为与第一电极14的焊盘电极相同的材料、构成。
例如，第二电极15以60nm的厚度形成。本公开中，第二电极15以不同于第一电极14的厚度来形成，但是，也可以以与第一电极14相同的厚度来形成。
(共振器面)
在将氮化物半导体元件1用于激光二极管时，需要形成共振器面。共振器面16a由同一平面构成，所述同一平面为由第一氮化物半导体层31的第二层叠部312、发光部35、电子阻挡层34、AlGaN层32和第二氮化物半导体层33各自的侧面形成的同一平面。共振器面16a为图1中用粗线示出了轮郭的面。
另外，背侧共振器面16b由同一平面构成，所述同一平面是由为与共振器面16a相对的侧面、且为第一氮化物半导体层31的第二层叠部312、发光部35、电子阻挡层34、AlGaN层32和第二氮化物半导体层33各自的侧面形成的同一平面。背侧共振器面16b为图1中用粗线示出了部分轮郭的面。
共振器面16a和背侧共振器面16b是为了反射发光部35的发光而设置的。为了将共振器面16a和背侧共振器面16b所反射的光限制在发光部35，成对地具备共振器面16a和背侧共振器面16b。共振器面16a成为例如氮化物半导体元件1的光的射出侧。就共振器面16a和背侧共振器面16b而言，为了反射来自发光部35的发光，共振器面16a和背侧共振器面16b可以与发光部35与上部导向层353的接触面垂直且平坦。但是，共振器面16a和背侧共振器面16b可以整体或在局部具有倾斜部或凹凸部。
共振器面16a及背侧共振器面16b的表面可以形成有电介质多层膜等绝缘保护膜和反射膜。具体而言，绝缘保护膜可以由SiO2形成，此外也可以由Al2O3、SiN、SnO2、ZrO或HfO2等形成。另外，绝缘保护膜可以具有由这些材料层叠而成的结构。绝缘保护膜可以形成在氮化物半导体元件1的成为光的射出侧的共振器面16a、和不为光的射出侧的反射侧的背侧共振器面16b这两个表面。在光的射出侧的共振器面16a上形成的绝缘保护膜和在光的反射侧的背侧共振器面16b上形成的绝缘保护膜可以具有相同的结构，也可以具有不同的结构。
(制造方法)
可以如下制作电子阻挡层34和AlGaN层32。例如，使用有机气相沉积装置(MOVPE装置)，一边连续地增大作为原料气体的TMG(三甲基镓)的流量且连续地减少TMA(三甲基铝)的流量，一边同时流入氨气，从而使AlGaN生长。此时，可以通过调整AlGaN的生长时间来调整电子阻挡层34和AlGaN层32的厚度。
由此可以制作AlGaN的Al组成比发生了变化的组成变化层。此时，通过使Cp2Mg(环戊二烯基镁)与氨气同时流入，可以将Mg作为杂质添加到AlGaN中。
(测定方法)
通过能量色散型X射线分析(EDX：Energy dispersive X-ray spectrometry)来实施本实施方式中的材料和组成的确定。通过对垂直于各层的层叠方向的剖面进行切割和研磨或实施聚焦离子束(FIB：Focused Ion Beam)加工，并用透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)观察其剖面，从而可以明确各层的配置，用能够进行点分析的能量色散型X射线分析(EDX：Energy dispersive X-ray Spectrometry)进行鉴定。另外，通过对垂直于薄膜层叠方向的剖面实施切割和研磨或聚焦离子束加工，用透射型电子显微镜观察其剖面，由此测定半导体薄膜的膜厚。
＜第一实施方式的效果＞
第一实施方式的氮化物半导体元件具有以下效果。
(1)本实施方式的氮化物半导体元件与氮化物半导体活性层352相比形成在更上方，具有由AlGaN形成的AlGaN层，所述AlGaN层的Al组成比沿着从氮化物半导体活性层352离开的方向减少。
由此，能够在高电流下或高电流密度下驱动元件。
(2)本实施方式的氮化物半导体元件的AlGaN层包含Mg且具有第一AlGaN区域，所述第一AlGaN区域的AlGaN层中的Al组成比的组成倾斜率a1大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm、AlGaN层中的Mg的浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3。
由此，能够抑制氮化物半导体元件的绝缘化或高电阻化。
(3)本实施方式的氮化物半导体元件具备上端面的a轴晶格常数c2大于下端面的a轴晶格常数c1的AlGaN层。
由此，通过包含规定量的Mg，能够进一步提高即使AlGaN层变厚达到发生晶格迟豫的程度或AlGaN层中的Al组成的变化大、也容易流通电流的效果。
(4)本实施方式的氮化物半导体元件可以在第二氮化半导体层侧的面具有突出部。
这种情况下，AlGaN层与第二氮化物半导体层的接触面积增加，能够实现高电流密度下的元件驱动。
2.第二实施方式
以下使用图4和图5对第二实施方式的氮化物半导体元件2进行说明。氮化物半导体元件2与氮化物半导体元件1同样为能够发出紫外光的元件。
如图4所示，氮化物半导体元件2依次层叠有基板11、AlN层30、第一氮化物半导体层31、发光部35、电子阻挡层34、AlGaN层132、和第二氮化物半导体层33。AlGaN层132具有Al组成比各异的多个区域。另外，氮化物半导体元件2具备与第二氮化物半导体层33接触设置的第一电极14和与第一氮化物半导体层31的局部接触设置的第二电极15。即，氮化物半导体元件2具备具有Al组成比各异的多个区域的AlGaN层132来代替AlGaN层32，这一点不同于第一实施方式的氮化物半导体元件1。
以下对AlGaN层132进行说明。对本实施方式的氮化物半导体元件2中具有AlGaN层132的情况进行说明，所述AlGaN层132具有为Al组成比各异的双层区域的、第一AlGaN区域321和第二AlGaN区域322。
需要说明的是，AlGaN层132以外的基板11、AlN层30、第一氮化物半导体层31、电子阻挡层34、发光部35和第二氮化物半导体层33与第一实施方式中说明的各部的构成相同，因此省略说明。另外，第一电极14和第二电极15也与第一实施方式中说明的各部的构成相同，因此省略说明。
(第一AlGaN区域)
如图5所示，第一AlGaN区域321可以设为与第一实施方式的氮化物半导体元件1的AlGaN层32相同的构成。即，第一AlGaN区域321为包含Mg、由AlGaN形成且Al组成比沿着从氮化物半导体活性层352离开的方向减少的p型半导体。第一AlGaN区域321中，Al组成比的组成倾斜率a1大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm。即，Al组成比的组成倾斜率a1满足0＜a1＜0.22。
另外，第一AlGaN区域321包含为用于使第一AlGaN区域321中生成空穴的杂质的Mg。第一AlGaN区域321中的Mg的浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3。
氮化物半导体元件2可以设为如下构成：将氮化物半导体元件1的AlGaN层32作为第一AlGaN区域321，在第一AlGaN区域321与第二氮化物半导体层33之间具有本实施方式中说明的第二AlGaN区域322。
(第二AlGaN区域)
第二AlGaN区域322为与第一AlGaN区域321相比形成在更上方、即远离氮化物半导体活性层352的位置的区域，由AlGaN形成。
如图5所示，第二AlGaN区域322是包含Mg、由AlGaN形成且Al组成比沿着从第一AlGaN区域离开的方向减少的p型半导体。第二AlGaN区域322中的Al组成比的组成倾斜率a2大于第一AlGaN区域321中的组成倾斜率a1。由此，能够使电流有效地从第二AlGaN区域322流向第一AlGaN区域321。第一AlGaN区域321中的Al组成比x1只要处于该范围内即可，既可以在第一AlGaN区域321的整个厚度方向上以恒定的变化率减少，也可以根据位置以不同的变化率减少。
另外，第二AlGaN区域322中的Mg的浓度b2大于第一AlGaN区域321中的Mg的浓度b1。在Al组成比高于第二AlGaN区域322的第一AlGaN区域321中，Mg杂质的活化能大于第二AlGaN区域322，由添加Mg导致的空穴的生成量与第二AlGaN区域322相比减少。另一方面，第二AlGaN区域322中使用了Al组成低于第一AlGaN区域321的AlGaN，因此由Mg杂质引起的空穴的生成的活化能小，Mg添加所引起的空穴生成量变多。由此，通过上述来源于Mg杂质的供体性缺陷而生成的电子被在第二AlGaN区域322的层内通过Mg的活化而生成的空穴湮灭，能够容易地流通电流。当Mg浓度处于规定范围时，如上所述虽然会由于晶格迟豫而生成电子，但是可以以通过Mg杂质的活化而生成的空穴来湮灭该电子，且能够抑制在通过极化掺杂而生成空穴的部分中空穴被电子湮灭的情况。在薄膜生长中，作为上层的第二AlGaN比第一AlGaN更容易产生该晶格迟豫。而且，第二AlGaN与第一AlGaN相比Al组成比小，因此由Mg杂质引起的活化能也小，由Mg杂质引起的空穴生成量也多。因此，优选第二AlGaN的Mg杂质浓度高于第一AlGaN。
另外，第二AlGaN区域322的上端面的a轴晶格常数c4可以大于作为与第一AlGaN区域321的边界面的第二AlGaN区域322的下端面的a轴晶格常数c3。通过晶格迟豫，能够抑制由于对第二AlGaN区域322施加过多应力而导致的产生裂纹的情况。另一方面，通过晶格迟豫，拉伸应力发挥作用，局部性地生成电子。为了湮灭该电子，可以以规定的浓度包含Mg。通过以规定的浓度包含Mg，通过Mg的活化，空穴的生成不减少，通过与电子发生湮灭而保持p型的导电性。
在晶格匹配的第一AlGaN区域321中，优选尽量减少Mg的添加量、确保电气特性。另一方面，在晶格迟豫的第二AlGaN区域322中，通过使Mg的添加量多于第一AlGaN区域321中的添加量，以通过Mg杂质的活化而生成的空穴来湮灭通过极化而产生的电子气、且生成更多的空穴，由此具有p型的导电性。由此，在第一AlGaN区域321和第二AlGaN区域322的任意层中军能够生成高浓度的空穴，因此能够流通高电流且不易发生氮化物半导体元件2的绝缘化。
更具体而言，第二AlGaN区域322由Alx2Ga(1-x2)N形成。第二AlGaN区域322中的Al组成比x2例如优选为0＜x2≤0.45。即，第二AlGaN区域322的Al组成比x2可以沿着从氮化物半导体活性层352离开的方向从0.45变化为接近0。在第二AlGaN区域322由AlGaN形成且Al组成比朝向上端面减少的情况下，能够显著降低与构成第二氮化物半导体层33的AlGaN的势垒。因此，使第二AlGaN区域322与第二氮化物半导体层33之间的电阻进一步降低，同时肖特基势垒降低，载流子注入效率进一步提高。
优选以平均Al组成比低于第一AlGaN区域321的方式来形成第二AlGaN区域322。由此，能够使电流效率良好地从电极流向活性层。
构成第二AlGaN区域322的AlGaN可以含有P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
另外，构成第二AlGaN区域322的AlGaN包含Mg作为p型半导体的掺杂剂。第二AlGaN区域322为Al组成比x2连续减少的区域，在+c面生长时，通过极化而在第二AlGaN区域322中产生空穴。
第一AlGaN区域321与第二AlGaN区域322之间可以包含例如组成恒定的为AlN和GaN的混晶的AlGaN层。
另外，第二AlGaN区域322可以在第二氮化物半导体层33侧的面具备突出部。这种情况下，Al组成比x2可以从第二AlGaN区域322的第一AlGaN区域321侧向突出部的前端倾斜。通过使第二AlGaN区域322具有突出部，具有在从第一电极14注入电子时提高电流密度的效果。另外，通过使第二AlGaN区域322具有突出部，从而能够增大第二AlGaN区域322与第二氮化物半导体层33的接触面积，能够降低串联电阻和拟能垒，因此能够实现肖特基组分的减少、载流子注入效率的提高。
＜第二实施方式的效果＞
第二实施方式的氮化物半导体元件除了具有第一实施方式中记载的效果(1)～(4)以外，还具有以下效果。
(5)本实施方式的氮化物半导体元件具备Al组成比的组成倾斜率a2大于第一AlGaN区域321的组成倾斜率a1的第二AlGaN区域。
由此，能够使电流有效地从第二AlGaN区域流向第一AlGaN区域。在此，“有效”是指：能够增大基于提高载流子注入效率的发光元件的发光效率，在激光二极管中能够降低振荡阈值、在受光元件中能够减小元件电阻。
(6)本实施方式的氮化物半导体元件中，第二AlGaN层中的Mg的浓度b2大于第一AlGaN层中的Mg的浓度b1。
由此，即使是存在通过晶格迟豫而在AlGaN中生成电子的位置，也能够通过由于Mg杂质的活化而生成的空穴来湮灭电子，即使在高电流驱动下也不会发生元件破坏，能够提高元件的驱动效率(发光效率、电力转换效率)。
实施例1
以下列举实施例来说明本公开的氮化物半导体元件。
实施例中，制作第二实施方式所说明的构成的氮化物半导体元件并评价电气特性。
将各实施例的氮化物半导体元件(参照图3)的基本构成示于以下。
需要说明的是，例如，以下所示的组成中的Alx→y这一记载表示从层内的下层侧向上层侧Al的组成由x逐渐变为y的构成。
(基本模型)
在基板的上表面形成AlN层、第一氮化物半导体层、包括下部导向层和氮化物半导体活性层和上部导向层的发光部、电子阻挡层、包括第一AlGaN区域和第二AlGaN区域的AlGaN层、作为覆盖层的第二氮化物半导体层。接着，形成与第二氮化物半导体层接触设置的第一电极和与第一氮化物半导体层的局部接触设置的第二电极。在此，由以下的构成来形成各层。
·基板：蓝宝石基板
·AlN层：厚度1.6μm
·第一氮化物半导体层：组成n-Al0.55Ga0.45N、厚度3μm
·下部导向层和上部导向层：组成u-Al0.45Ga0.55N、厚度各150nm
·氮化物半导体活性层(二层量子阱结构)
阱层：组成Al0.35Ga0.65N、厚度4nm
势垒层：组成Al0.45Ga0.55N、厚度8nm
·电子阻挡层：组成u-AlxGa1-xN、厚度20nm
·组成变化层(双层结构)
第一组成变化区域：组成p-Alx→0.45Ga(1-x)→0.55N(x为第一组成变化区域的起始端组成)、厚度260nm
第二组成变化区域：组成p-Al0.45→0Ga0.55→1N、Mg浓度2.0×1019cm-3、厚度75nm
·第二氮化半导体层：组成p-GaN、厚度10nm
·脊宽度：5μm
·p型电极宽度：3μm
＜样品1＞～＜样品4＞
如表1所示，使第一组成变化层中的Al的起始端组成x变为1.0，0.9，0.7，0.6、并且使终止端组成固定在0.45，如此地改变Al的组成倾斜率。另外，将第一组成变化层中的Mg浓度设为恒定，为1.0×1019cm-3。
另外，通过将第二组成变化层中的Al的起始端组成设为0.45、将终止端组成设为0，由此将Al的组成倾斜率设为高于第一组成变化层的组成倾斜率的0.6。再将第二组成变化层中的Mg浓度设为高于第一组成变化层的Mg浓度的2.0×1019cm-3。
由此，制成第一组成变化区域中的Al组成的倾斜率不同、且第二组成变化层中的Al的组成倾斜率高于第一组成变化层中的Al的组成倾斜率、第二组成变化层中的Mg浓度高于第一组成变化层中的Mg浓度的样品1～4的氮化物半导体元件。
＜样品5＞～＜样品7＞
如表1所示，将Mg浓度设为2.0×1017cm-3，除此以外，与样品2～4同样实施，制成样品5～7的氮化物半导体元件。
由此，制成第一组成变化区域中的Al组成的倾斜率不同、且第二组成变化层中的Al的组成倾斜率高于第一组成变化层中的Al的组成倾斜率、第二组成变化层中的Mg浓度高于第一组成变化层中的Mg浓度的样品5～7的氮化物半导体元件。
＜评价＞
对于以上的基本模型的各氮化物半导体元件，评价流通脉冲电流时的电流-电压(IV)特性。此时，按照以下条件测定电流-电压特性。
脉冲宽度：50nsec
占空比：0.0001
以下的表1示出各样品的构成和电流-电压特性的评价结果。表1中，一并记载了由第一实施方式所说明的近似式A和Al组成比的倾斜率求出的Mg浓度的优选范围的上限值。另外，图6示出了样品1～4的电流-电压特性，图7示出了样品5～7的电流-电压特性。
[表1]
Figure BDA0002988649700000311
如表1所示，样品1、2和样品5～7的氮化物半导体元件的第一组成变化区域包含浓度不超过第一实施方式所说明的Mg浓度的优选范围的上限的Mg。因此，如图6和图7所示，当电流流过样品1、2和样品5～7的氮化物半导体元件时，电压上升，得到流过200mA以上的电流的结果。尤其是样品2和样品5～7的氮化物半导体元件，得到流过400mA以上的电流的结果。
另一方面，具有第一组成变化区域且第一组成变化区域包含浓度超过第一实施方式所说明的Mg浓度的优选范围的上限的Mg的样品3、4的氮化物半导体元件中，如图6所示，得到仅流过30mA以下程度的电流的结果。即，由于降低了第一组成变化区域的起始端组成，从而Al的组成倾斜率变低、Mg浓度超过了优选范围时，得到了第一组成变化区域发生绝缘化的结果。
另外，由样品3、4与样品6、7的比较可得到以下的结果：Mg浓度处于优选范围的样品6、7的情况下，即使设为与样品3、4相同的起始端组成和Al组成倾斜率，激光二极管结构中也流过400mA以上的电流。
通过以上可确认，绝缘化的原因不仅依赖于Al的起始端组成和Al组成倾斜率，还依赖于Mg浓度。即，可知本实施例的构成的氮化物半导体元件会根据来自Mg的供体的浓度而发生激光二极管结构的绝缘化。
本发明的保护范围不限于图示、所记载的例示性实施方式，还包括可实现与本发明的目标效果等同的效果的全部实施方式。进一步地，本发明的保护范围不受权利要求划定的发明特征的组合限定，而是可通过全部公开的各特征中的、特定特征的所有的期望组合来划定。

Claims (4)

1.一种氮化物半导体元件，其具备活性层和由AlGaN形成的AlGaN层，
所述AlGaN层与所述活性层相比形成在更上方，所述AlGaN层包含Mg、且Al组成比沿着从所述活性层离开的方向减少、且所述Al组成比大于0.2，
所述AlGaN层具有第一AlGaN区域，所述第一AlGaN区域的所述Al组成比的组成倾斜率a1大于0Al％/nm且小于0.22Al％/nm、所述AlGaN层中的所述Mg的浓度b1大于0cm-3且小于7.0×1019×a1-2.0×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，在所述AlGaN层的上端面，自所述AlGaN层的下端面起AlGaN发生了晶格迟豫。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体元件，其中，所述AlGaN层还具备由AlGaN形成的第二AlGaN层，所述第二AlGaN层与所述第一AlGaN区域相比形成在更上方，所述第二AlGaN层包含Mg、且Al组成比沿着从所述第一AlGaN区域离开的方向减少，
所述第二AlGaN层中的所述Al组成比的组成倾斜率a2大于所述组成倾斜率a1，
所述第二AlGaN层中的所述Mg的浓度b2大于所述浓度b1。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体元件，其中，所述第二AlGaN层的上端面的a轴晶格常数c4大于作为与所述第一AlGaN区域的边界面的所述第二AlGaN层的下端面的a轴晶格常数c3。
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