JP2014241397A - Nitride semiconductor light-emitting element and nitride semiconductor wafer - Google Patents

Nitride semiconductor light-emitting element and nitride semiconductor wafer Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light-emitting element capable of high-power light emission.SOLUTION: The nitride semiconductor light-emitting element includes a laminated structure in which an n-type layer 20, an active layer 30 having a well layer and a barrier layer, a p-type cladding layer 50, and a p-type contact layer 51 are laminated in this order and has an emission wavelength of 200-350 nm. The thickness of the well layer is 4-20 nm. The barrier layer is represented by compositional formula AlGaN (0.02≤a≤0.89). The p-type cladding layer is represented by compositional formula AlGaN (0.12<b≤1.00). The difference (b-a) between the Al composition of the p-type cladding layer and the Al composition of the barrier layer is greater than 0.10 but not greater than 0.45.

Description

本発明は、窒化物半導体よりなる発光波長が２００〜３５０ｎｍの新規な深紫外発光素子に関する。   The present invention relates to a novel deep ultraviolet light-emitting element made of a nitride semiconductor and having an emission wavelength of 200 to 350 nm.

現在、発光波長が３５０ｎｍ以下の深紫外光源には重水素や水銀などのガス光源が使用されている。前記ガス光源は、短寿命、有害、大型であるといった不都合がある。そのため、前記不都合が解消され、取扱が容易である半導体を用いた発光素子の実現が待たれている。   Currently, gas light sources such as deuterium and mercury are used for deep ultraviolet light sources having an emission wavelength of 350 nm or less. The gas light source has disadvantages such as short life, harmfulness, and large size. Therefore, it is awaited to realize a light-emitting element using a semiconductor that can solve the disadvantages and can be easily handled.

しかしながら、前記窒化物半導体を用いた発光素子は、重水素ガスランプあるいは水銀ガスランプと比較して光出力が弱く、また発光効率も小さいという問題がある。このような問題が生じる原因として、一つ目には、活性層内の内部電界の効果により、井戸層に閉じ込められた電子とホールの波動関数が分離し、再結合効率が低くなってしまうことが挙げられる。また、二つ目の原因として、注入電流量が増加するに従って発光効率が低下するために、光出力が不十分となることが挙げられる。   However, the light-emitting element using the nitride semiconductor has a problem that light output is weaker and light emission efficiency is lower than that of a deuterium gas lamp or a mercury gas lamp. The first cause of such a problem is that the wave function of electrons and holes confined in the well layer is separated due to the effect of the internal electric field in the active layer, resulting in low recombination efficiency. Is mentioned. A second cause is that the light output becomes insufficient because the light emission efficiency decreases as the amount of injected current increases.

一つ目の原因について詳細に説明する。窒化物半導体、とりわけＡｌＧａＮで表される窒化物半導体の発光素子は、組成の異なるヘテロ界面において、自発分極の効果により、矩形のポテンシャルではなく三角ポテンシャルを形成する。そのため、量子井戸層を形成した場合においては、その内部電界による量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ：以下、単に「ＱＣＳＥ」とする。）によって、注入された電子とホールはそれぞれ逆側の界面に偏りを持つようになり、空間に分離される。その結果、電子とホールの再結合確率が低下し、内部量子効率の低下を招く。このような原因に対し、窒化物半導体発光素子におけるＱＣＳＥを抑制する方法として、例えば、特許文献１に示されるように、井戸層厚を薄くすることにより、電子とホールの波動関数の空間的な分離幅を小さくする方法が挙げられる。また、特許文献２に示されるように、障壁層にドーピングを施すことにより、内部電界をスクリーニングする方法が挙げられる。   The first cause will be described in detail. A light emitting element of a nitride semiconductor, particularly a nitride semiconductor represented by AlGaN, forms a triangular potential instead of a rectangular potential due to the effect of spontaneous polarization at heterointerfaces having different compositions. Therefore, in the case where the quantum well layer is formed, the injected electron and the hole are opposite to each other due to the quantum confined Stark effect (hereinafter simply referred to as “QCSE”) due to the internal electric field. Will become biased and separated into spaces. As a result, the probability of recombination of electrons and holes decreases, leading to a decrease in internal quantum efficiency. As a method for suppressing the QCSE in the nitride semiconductor light emitting device, for example, as shown in Patent Document 1, by reducing the well layer thickness, the spatial function of the wave function of electrons and holes can be reduced. A method for reducing the separation width is mentioned. Moreover, as shown in Patent Document 2, there is a method of screening an internal electric field by doping a barrier layer.

二つ目の原因について詳細に説明する。窒化物半導体発光素子では、ホールと比較して電子の有効質量が小さくかつキャリア濃度が高いことから、電子が活性層領域を乗り越え、ｐ型層へオーバーフローを起こすことによって、発光効率の低下を招いていることが挙げられる。このような電子のｐ型層へのオーバーフローは、高注入電流下においてさらなる発光効率の低下をさせ、発熱量を増加させる。その結果、光出力は頭打ちとなり、注入したキャリアに応じた光出力を得ることができなくなる。窒化物半導体発光素子におけるｐ型層への電子のオーバーフローの問題は、特定の発光波長を有する発光素子だけに生じている問題ではなく（非特許文献１参照）、ｐ型層への電子のオーバーフローを制御する方法として、例えば、特許文献３には、活性層とｐ型層との間に、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層を形成することにより、電子の活性層領域外への流出を防ぎ発光効率を高める技術が記載されている。   The second cause will be described in detail. In a nitride semiconductor light emitting device, the effective mass of electrons is small and the carrier concentration is high compared to holes, so that the electrons get over the active layer region and overflow into the p-type layer, leading to a decrease in light emission efficiency. Is mentioned. Such overflow of electrons to the p-type layer further reduces the light emission efficiency under a high injection current and increases the heat generation amount. As a result, the light output reaches a peak, and the light output corresponding to the injected carrier cannot be obtained. The problem of the overflow of electrons into the p-type layer in the nitride semiconductor light-emitting device is not a problem that occurs only in the light-emitting device having a specific emission wavelength (see Non-Patent Document 1), but the overflow of electrons into the p-type layer. For example, in Patent Document 3, an electron blocking layer having a band gap larger than the band gap of the active layer is formed between the active layer and the p-type layer. A technique for preventing outflow from the region and improving luminous efficiency is described.

Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０８，０３３１１２（２０１０）J. et al. Appl. Phys. 108,033112 (2010)

特開２０１０−２０５７６７号公報JP 2010-205767 A 特開平１１−２９８０９０号公報JP 11-298090 A 特開２００７−０８８２６９号公報JP 2007-088269 A

以上のような背景において、窒化物半導体発光素子は、ＱＣＳＥを制御する方法とｐ型層への電子のオーバーフローを抑制する方法とを組み合わせることにより、より一層、発光効率を改善できるものと考えられる。   In the background as described above, it is considered that the nitride semiconductor light emitting device can further improve the light emission efficiency by combining the method of controlling QCSE and the method of suppressing the overflow of electrons to the p-type layer. .

しかしながら、本発明者等の検討によれば、窒化物半導体よりなる発光波長が３５０ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子（以下、単に、深紫外発光素子とする場合もある。）において、両方法を組み合わせたところ、十分に発光効率を高めることができないことが分かった。この原因としては、以下のことが考えられた。つまり、窒化物半導体よりなる深紫外発光素子は、注入電流の増加に伴う外部電界の増加に従ってホットエレクトロンが増加し、注入電流の増加に従いキャリアオーバーフローを生じてしまう。そのため、井戸層厚を薄くし、障壁層にドーピングを行い、電子ブロック層を設けただけでは、高出力化ができないと考えられた。   However, according to the study by the present inventors, in a nitride semiconductor light emitting device made of a nitride semiconductor and having an emission wavelength of 350 nm or less (hereinafter sometimes simply referred to as a deep ultraviolet light emitting device), both methods are combined. As a result, it was found that the luminous efficiency could not be sufficiently increased. As the cause of this, the following was considered. That is, in a deep ultraviolet light-emitting element made of a nitride semiconductor, hot electrons increase as the external electric field increases as the injection current increases, and carrier overflow occurs as the injection current increases. For this reason, it was considered that high output could not be achieved only by reducing the well layer thickness, doping the barrier layer, and providing the electron blocking layer.

したがって、本発明の目的は、上記問題を解決して、発効効率の高く、高注入電流領域でも安定した動作が可能な深紫外発光素子を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a deep ultraviolet light-emitting device that solves the above-described problems and has a high effective efficiency and can operate stably even in a high injection current region.

上記目的を達成するために、鋭意検討した。そして、各層の厚み、組成を検討したところ、比較的厚い井戸層と、障壁層と電子ブロック層上に形成されるｐ型クラッド層との組成を特定の関係にすることにより、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to achieve the above-mentioned object, intensive studies were conducted. Then, when the thickness and composition of each layer were examined, the above problem was solved by making the composition of the relatively thick well layer, the barrier layer and the p-type cladding layer formed on the electron block layer into a specific relationship. The present inventors have found that this can be done and have completed the present invention.

すなわち、第一の本発明は、
ｎ型層、井戸層と障壁層とを有する活性層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層が、この順で積層された積層構造を含み、発光波長が２００〜３５０ｎｍである窒化物半導体発光素子であって、
井戸層の厚みが４〜２０ｎｍであり、
障壁層が組成式ＡｌａＧａ１−ａＮ（０．０２≦ａ≦０．８９）で表され、
ｐ型クラッド層が組成式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表され、かつ、
ｐ型クラッド層のＡｌ組成と該障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超えて０．４５以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。 That is, the first aspect of the present invention is
Nitride semiconductor light emission including a stacked structure in which an n-type layer, an active layer having a well layer and a barrier layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer are stacked in this order, and an emission wavelength is 200 to 350 nm An element,
The thickness of the well layer is 4-20 nm,
The barrier layer is represented by the composition formula Al a Ga 1-a N (0.02 ≦ a ≦ 0.89),
the p-type cladding layer is represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.12 <b ≦ 1.00), and
A nitride semiconductor light emitting device characterized in that the difference (b−a) between the Al composition of the p-type cladding layer and the Al composition of the barrier layer is more than 0.10 and not more than 0.45.

さらに、第二の本発明は、前記窒化物半導体発光素子の積層構造を有する窒化物半導体ウェーハである。   The second aspect of the present invention is a nitride semiconductor wafer having a laminated structure of the nitride semiconductor light emitting elements.

本発明の窒化物半導体発光素子は、発光波長３５０ｎｍ以下の窒化物半導体によりなる深紫外発光素子における高電流注入領域における発光効率を高め、高出力化が可能となる。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention can increase the light emission efficiency in the high current injection region in the deep ultraviolet light emitting device made of a nitride semiconductor having an emission wavelength of 350 nm or less, and can achieve high output.

本発明の窒化物半導体発光素子（「深紫外発光素子」）の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a nitride semiconductor light emitting device (“deep ultraviolet light emitting device”) of the present invention. 図１に示した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。It is an example of the energy band figure of the nitride semiconductor light-emitting device shown in FIG. 図１に示した窒化物半導体発光素子において、ｎ型層および電子ブロック層に接する層が活性層（領域）における井戸層である場合のエネルギーバンド図の一例である。FIG. 2 is an example of an energy band diagram in the case where the layer in contact with the n-type layer and the electron block layer is a well layer in an active layer (region) in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 図１に示した窒化物半導体発光素子において、電子ブロック層に接する層が活性層領域における井戸層である場合のエネルギーバンド図の一例である。FIG. 2 is an example of an energy band diagram when the layer in contact with the electron blocking layer is a well layer in an active layer region in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1. 図１に示した窒化物半導体発光素子において、ｎ型層に接する層が活性層領域における井戸層である場合のエネルギーバンド図の一例である。FIG. 2 is an example of an energy band diagram when the layer in contact with the n-type layer is a well layer in an active layer region in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1. 図１に示した窒化物半導体発光素子において、活性層領域における障壁層においてｎ型のドーピングが施されている場合のエネルギーバンド図およびドーピングプロファイル図の一例である。FIG. 2 is an example of an energy band diagram and a doping profile diagram when n-type doping is applied to a barrier layer in an active layer region in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1. 図１に示した窒化物半導体発光素子において、活性層領域における障壁層においてｎ型のドーピングが施されている場合のエネルギーバンド図およびドーピングプロファイル図の一例である。FIG. 2 is an example of an energy band diagram and a doping profile diagram when n-type doping is applied to a barrier layer in an active layer region in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1.

先ずは、窒化物半導体発光素子の基本的な概要について説明する。   First, a basic outline of the nitride semiconductor light emitting device will be described.

本発明において、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子（深紫外発光素子）は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって製造することができる。具体的には、市販の装置を使用し、後述する単結晶基板上に、または、積層体の基板上に、ＩＩＩ族原料ガス、例えば、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムのような有機金属のガスと、窒素源ガス、例えば、アンモニアガスのような原料ガスを供給することによって、後述する各層を形成し、製造することができる。ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体発光素子を製造する条件は、公知の方法を採用することができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法以外の方法で製造することもできる。   In the present invention, a nitride semiconductor light emitting device (deep ultraviolet light emitting device) having an emission wavelength of 200 to 350 nm can be produced by, for example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). Specifically, using a commercially available apparatus, a group III source gas, for example, an organic metal gas such as trimethylaluminum or trimethylgallium, on a single crystal substrate to be described later or on a laminated substrate, By supplying a source gas such as ammonia gas, for example, ammonia gas, each layer described later can be formed and manufactured. As a condition for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device by the MOCVD method, a known method can be adopted. In addition, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a method other than the MOCVD method.

本発明において、窒化物半導体発光素子は、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有するものであれば、特に制限されるものではない。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および窒素（Ｎ）を含むものであり、後述する各層の組成を決定して、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子とすればよい。   In the present invention, the nitride semiconductor light emitting device is not particularly limited as long as it has an emission wavelength of 200 to 350 nm. Specifically, a nitride semiconductor light emitting device containing aluminum (Al), gallium (Ga), and nitrogen (N), having a composition of each layer to be described later and having an emission wavelength of 200 to 350 nm, do it.

構成元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｎ）の割合は、製造した窒化物半導体発光素子をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：二次イオン質量分析計）、ＴＥＭ−ＥＤＸ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：透過型電子顕微鏡によるエネルギー分散型Ｘ線分析法）、３ＤＡＰ（３Ｄｅｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｔｏｍ Ｐｒｏｂｅ：３次元アトムプローブ法）等により測定して求めることができる。また、バンドギャップの値から各層の構成元素の割合を換算することもできる。すなわち、窒化物半導体発光素子をカソードルミネセンス法（ＣＬ法）、フォトルミネセンス法（ＰＬ法）により分析することによって、直接各層のバンドギャップを測定し、当該バンドギャップの値から換算式を用いてＡｌ組成を特定することができる。なお、今回の実施例・比較例においては、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により、各層のＡｌ組成を求めた。   The ratio of the constituent elements (Al, Ga, N) is determined by changing the manufactured nitride semiconductor light emitting device to SIMS (Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer), TEM-EDX (Transmission Electron Microscope-EnergyX-EnergyX-EnergyX-EnergyX-EnergyX-EnergyX. ray spectroscopy: energy dispersive X-ray analysis using a transmission electron microscope), 3DAP (3 Dimensional Atom Probe), and the like. In addition, the ratio of the constituent elements of each layer can be converted from the band gap value. That is, by analyzing a nitride semiconductor light emitting element by a cathodoluminescence method (CL method) and a photoluminescence method (PL method), the band gap of each layer is directly measured, and a conversion formula is used from the value of the band gap. Thus, the Al composition can be specified. In this example and comparative example, the Al composition of each layer was determined by X-ray diffraction (XRD).

以下、本発明について、図を用いて詳細に説明する。図１に、代表的な本発明の、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子（深紫外発光素子）の模式断面図を示す。また、図２に、図１の深紫外発光素子とした場合のエネルギーバンド図の例を示す。図２においては、縦方向がＡｌ組成の大きさとなる（その他のＡｌ組成図も同様である）。図２は、活性層３０における障壁層３０ｂから３３ｂがｐ型層５１のＡｌ組成よりも、小さくなっていることを示している。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a typical nitride semiconductor light emitting device (deep ultraviolet light emitting device) having an emission wavelength of 200 to 350 nm according to the present invention. FIG. 2 shows an example of an energy band diagram in the case of the deep ultraviolet light-emitting element of FIG. In FIG. 2, the vertical direction is the size of the Al composition (the same is true for other Al composition diagrams). FIG. 2 shows that the barrier layers 30 b to 33 b in the active layer 30 are smaller than the Al composition of the p-type layer 51.

深紫外発光素子１は、基板１０、基板１０の上に設けられるｎ型層２０と、ｎ型層２０の上に設けられる活性層３０と、前記活性層３０の上に設けられる電子ブロック層４０と、電子ブロック層４０の上に設けられるｐ型クラッド層５０と、ｐ型クラッド層５０の上に設けられるｐ型コンタクト層５１を備えた積層構造を含む。なお、活性層３０における井戸層数は、１層であってもよいし、２層以上であってもよい。また、下記に層述するが、本発明の窒化物半導体発光素子は、基盤１０、および電子ブロック層３０が存在しない積層構造を有していてもよい。   The deep ultraviolet light emitting element 1 includes a substrate 10, an n-type layer 20 provided on the substrate 10, an active layer 30 provided on the n-type layer 20, and an electronic block layer 40 provided on the active layer 30. And a p-type cladding layer 50 provided on the electron blocking layer 40 and a p-type contact layer 51 provided on the p-type cladding layer 50. Note that the number of well layers in the active layer 30 may be one or may be two or more. Further, as described below, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention may have a laminated structure in which the substrate 10 and the electron block layer 30 do not exist.

その他、通常、深紫外発光素子１は、ｐ型コンタクト層５１上にｐ型用電極７０と、ｐ型コンタクト層５１からｎ型層２０の一部までエッチングして除去することにより露出したｎ型層２０の上に設けられるｎ型用電極６０とを備える。ｐ型用電極７０、およびｎ型用電極６０は、公知の方法で形成すればよい。また、この図１においては、ｎ型層２０は、単一層（同じ組成からなる単一層）であるが、組成が異なる複数の層から形成されてもよい。
次に、各層について詳細に説明する。 In addition, the deep ultraviolet light emitting element 1 is usually exposed on the p-type contact layer 51 by removing the p-type electrode 70 and etching from the p-type contact layer 51 to a part of the n-type layer 20. And an n-type electrode 60 provided on the layer 20. The p-type electrode 70 and the n-type electrode 60 may be formed by a known method. In FIG. 1, the n-type layer 20 is a single layer (a single layer having the same composition), but may be formed of a plurality of layers having different compositions.
Next, each layer will be described in detail.

（基板１０）
基板１０は、特に制限されるものではなく、公知の方法で製造された、公知の基板を用いることができる。具体的には、ＡｌＮ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等が挙げられる。中でも、Ｃ面を成長面とするＡｌＮ基板、サファイア基板であることが好ましい。 (Substrate 10)
The substrate 10 is not particularly limited, and a known substrate manufactured by a known method can be used. Specifically, an AlN substrate, a GaN substrate, a sapphire substrate, a SiC substrate, a Si substrate, and the like can be given. Among these, an AlN substrate or a sapphire substrate having a C plane as a growth surface is preferable.

ｎ型層２０が厚くなる場合には、この基板１０は研磨等により除去することができる。ただし、安定して窒化物半導体発光素子を製造するためには、基板１０を備えることが好ましい。基板１０を備える場合には、基板１０の厚みは、特に制限されるものではないが、０．０１〜２ｍｍであることが好ましい。   When the n-type layer 20 becomes thick, the substrate 10 can be removed by polishing or the like. However, it is preferable to provide the substrate 10 in order to stably manufacture the nitride semiconductor light emitting device. When the substrate 10 is provided, the thickness of the substrate 10 is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 2 mm.

（ｎ型層２０）
ｎ型層２０は、ｎ型のドーパントがドープされている層である。このｎ型層２０は、特に制限されるものではないが、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲で含まれることにより、ｎ型層２０がｎ型の導電特性を示すことが好ましい。ドーパント材料は、Ｓｉ以外の材料であってもよい。 (N-type layer 20)
The n-type layer 20 is a layer doped with an n-type dopant. The n-type layer 20 is not particularly limited. For example, the n-type layer 20 is included in a range where the impurity concentration is 1 × 10 16 to 1 × 10 21 [cm −3 ] using Si as a dopant. Layer 20 preferably exhibits n-type conductivity characteristics. The dopant material may be a material other than Si.

２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子の生産性を高め、使用用途を広げるためには、このｎ型層２０は、組成式ＡｌｄＧａ１−ｄＮで表され、Ａｌ組成（ｄ）が０．０５〜０．９０となることが好ましく、さらに０．１０〜０．８０、さらに好ましくは０．４５〜０．７０となる単結晶である。また、ｎ型層２０の膜厚は、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上５０μｍ以下であればよい。 In order to enhance the productivity of a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 200 to 350 nm and expand the usage, the n-type layer 20 is expressed by a composition formula Al d Ga 1-d N, and has an Al composition ( d) is preferably 0.05 to 0.90, more preferably 0.10 to 0.80, and even more preferably 0.45 to 0.70. The film thickness of the n-type layer 20 is not particularly limited, but may be 1 nm or more and 50 μm or less.

図１には、ｎ型層２０が単一層の場合の例を示したが、ｎ型層２０は、組成の異なる複数層であってもよい。ただし、複数層からなる場合であっても、ｎ型の各層の組成が、組成式ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０．０５≦ｄ≦０．９０）を満足することが好ましく、さらに、組成式ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０．２５≦ｄ≦０．８０）を満足することが好ましく、特に、組成式ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０．４５≦ｄ≦０．７０）を満足することが好ましい。 Although FIG. 1 shows an example in which the n-type layer 20 is a single layer, the n-type layer 20 may be a plurality of layers having different compositions. However, even in the case of a plurality of layers, it is preferable that the composition of each n-type layer satisfies the composition formula Al d Ga 1-d N (0.05 ≦ d ≦ 0.90). It is preferable that the formula Al d Ga 1-d N (0.25 ≦ d ≦ 0.80) is satisfied, and in particular, the composition formula Al d Ga 1-d N (0.45 ≦ d ≦ 0.70) is satisfied. It is preferable to do.

ｎ型層を複数層とする場合には、基板１０と成長層との格子不整合や界面のラフニングなどを緩和させるため導入されるｎ型下地層、
電界をかけたことにより、ｐ型層から活性層へと注入されたホールの一部がｎ型層側に漏れることを抑制するために設けられるｎ型ホールブロック層、
横方向の伝導度を高めるためのｎ型電流拡散層等、
を形成することができる。なお、下地層は、アンドープの層であってもよいが、ｎ型層としての機能を持たせることが好ましい。これら複数層とした場合には、各層の厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。 In the case where a plurality of n-type layers are used, an n-type underlayer that is introduced to alleviate lattice mismatch between the substrate 10 and the growth layer, roughening of the interface,
An n-type hole blocking layer provided to prevent a part of holes injected from the p-type layer into the active layer from leaking to the n-type layer side by applying an electric field;
N-type current spreading layer to increase lateral conductivity, etc.
Can be formed. The underlayer may be an undoped layer, but preferably has a function as an n-type layer. When these layers are formed, the thickness of each layer is preferably 1 nm or more and 50 μm or less.

（活性層３０）
活性層３０は、前記ｎ型層２０の上に形成される。活性層３０は、例えば、１層以上の井戸層と障壁層により構成されればよい。井戸数は、図１においては３つである場合の例を示したが、１つであってもよいし、２つ以上の複数であってもよい。複数ある場合には、特に制限されるものではないが、窒化物半導体発光素子の生産性を考慮すると、１０以下であることが好ましい。図２では、井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａを記し、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂを記した。 (Active layer 30)
The active layer 30 is formed on the n-type layer 20. The active layer 30 may be composed of, for example, one or more well layers and barrier layers. Although the example in the case where the number of wells is three is shown in FIG. 1, it may be one or may be two or more. When there are a plurality, there is no particular limitation, but in consideration of the productivity of the nitride semiconductor light emitting device, it is preferably 10 or less. In FIG. 2, well layers 30a, 31a, and 32a are shown, and barrier layers 30b, 31b, and 32b are shown.

（障壁層）
活性層は、障壁層と井戸層とからなる。そして、障壁層は、通常、井戸層よりもバンドギャップが大きくなる。そのため、障壁層は、井戸層よりも高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮで形成される。 (Barrier layer)
The active layer is composed of a barrier layer and a well layer. The barrier layer usually has a larger band gap than the well layer. Therefore, the barrier layer is formed of AlGaN having an Al composition ratio higher than that of the well layer.

本発明の深紫外発光素子において、障壁層は、組成式ＡｌａＧａ１−ａＮ（０．０２≦ａ≦０．８９）で表される単結晶から形成される。そして、下記に詳述するｐ型クラッド層は組成式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表される単結晶から形成され、かつ、ｐ型クラッド層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超えて０．４５以下でなければならない。生産性を高め、より発光効率を高めるためには、障壁層のＡｌ組成（ａ）が０．２０≦ａ≦０．８０であり、Ａｌ組成の差（ｂ−ａ）が０．１２以上０．４５以下であることが好ましく、さらに、障壁層のＡｌ組成（ａ）が０．４０≦ａ≦０．７０であり、Ａｌ組成の差（ｂ−ａ）が０．１２以上０．４５以下であることが好ましい。 In the deep ultraviolet light-emitting device of the present invention, the barrier layer is formed of a single crystal represented by a composition formula Al a Ga 1-a N (0.02 ≦ a ≦ 0.89). The p-type cladding layer described in detail below is formed of a single crystal represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.12 <b ≦ 1.00), and the p-type cladding layer is made of Al. The difference (b−a) between the composition and the Al composition of the barrier layer must be greater than 0.10 and not greater than 0.45. In order to increase productivity and increase luminous efficiency, the Al composition (a) of the barrier layer is 0.20 ≦ a ≦ 0.80, and the difference (b−a) in the Al composition is 0.12 or more and 0. Preferably, the Al composition (a) of the barrier layer is 0.40 ≦ a ≦ 0.70, and the difference (ba) in the Al composition is 0.12 or more and 0.45 or less. It is preferable that

また、下記に詳述する電子ブロック層を有する場合には、ｐ型クラッド層は組成式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．１２＜ｂ＜１．００）で表される単結晶で形成されることが好ましい。この場合も、Ａｌ組成の差（ｂ−ａ）は、０．１０を超えて０．４５以下となることが好ましく、０．１２以上０．４５以下となることがより好ましい。 In addition, when the electron blocking layer described in detail below is provided, the p-type cladding layer is formed of a single crystal represented by a composition formula Al b Ga 1-b N (0.12 <b <1.00). It is preferable. Also in this case, the difference (ba) in the Al composition is preferably more than 0.10 and not more than 0.45, and more preferably not less than 0.12 and not more than 0.45.

なお、障壁層が複数層存在する場合には、２〜５０ｎｍの厚みの範囲、上記組成式の範囲（０．０２≦ａ≦０．８９）であれば、各層の厚み、組成がそれぞれ異なっていてもよいが、生産性を考慮すると、厚み、組成とも同一の層であることが好ましい。なお、厚みは２〜２０ｎｍであることがより好ましく、２〜１０ｎｍであることがさらに好ましい。各層の組成が異なる場合には、他層のＡｌ組成比と比較する層は、Ａｌ組成比が最も高い障壁層のＡｌ組成比を用いる。   When there are a plurality of barrier layers, the thickness and composition of each layer are different within the thickness range of 2 to 50 nm and the range of the composition formula (0.02 ≦ a ≦ 0.89). However, in consideration of productivity, it is preferable that the layers have the same thickness and composition. In addition, the thickness is more preferably 2 to 20 nm, and further preferably 2 to 10 nm. When the composition of each layer is different, the Al composition ratio of the barrier layer having the highest Al composition ratio is used as the layer to be compared with the Al composition ratio of the other layers.

（井戸層）
井戸層は、障壁層よりもバンドギャップが小さくなる。そのため、井戸層は、障壁層よりも低いＡｌ組成比となるＡｌＧａＮの単結晶から形成される。 (Well layer)
The well layer has a smaller band gap than the barrier layer. Therefore, the well layer is formed from an AlGaN single crystal having an Al composition ratio lower than that of the barrier layer.

井戸層を組成式ＡｌｅＧａ１−ｅＮで表される単結晶としたとき、障壁層におけるＡｌ組成（ａ）と井戸層のＡｌ組成（ｅ）との差（ａ−ｅ）が、０．０２以上となることが好ましく、差（ａ−ｅ）の上限値は特に制限されるものではないが、０．８７以下であることが好ましい。井戸層におけるＡｌ組成（ｅ）の絶対値は、他の層との兼ね合いで決定すればよいが、組成式ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ≦０．８７）を満足することが好ましく、さらに、組成式ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０．１０≦ｅ≦０．７８）を満足することが好ましく、特に、組成式ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０．３０≦ｅ≦０．６８）を満足することが好ましい。 When the well layer is a single crystal represented by the composition formula Al e Ga 1-e N, the difference (ae) between the Al composition (a) in the barrier layer and the Al composition (e) in the well layer is 0 The upper limit value of the difference (ae) is not particularly limited, but is preferably 0.87 or less. The absolute value of the Al composition (e) in the well layer may be determined in consideration of other layers, but preferably satisfies the composition formula Al e Ga 1-e N (0 ≦ e ≦ 0.87). Furthermore, it is preferable that the composition formula Al e Ga 1-e N (0.10 ≦ e ≦ 0.78) is satisfied, and in particular, the composition formula Al e Ga 1-e N (0.30 ≦ e ≦ 0. 68) is preferably satisfied.

さらに、井戸層の膜厚は、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下でなければならない。この井戸層の厚みと、ｐ型クラッド層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差が特定の範囲を満足するため、発光効率が向上する。井戸層の厚みが４ｎｍ未満の場合には、高電流注入領域においてホットエレクトロンによるキャリアオーバーフローが生じるため好ましくない。一方、井戸層の厚みが２０ｎｍを越える場合には、注入キャリアによる内部電界のスクリーニングが不十分となり、電子とホールの波動関数の分離が生じるため好ましくない。上記特性を考慮すると、井戸層の厚みは、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることが好ましく、さらに、４ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましく、特に、４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。   Furthermore, the film thickness of the well layer must be 4 nm or more and 20 nm or less. Since the difference between the thickness of the well layer and the Al composition of the p-type cladding layer and the Al composition of the barrier layer satisfies a specific range, the light emission efficiency is improved. If the thickness of the well layer is less than 4 nm, carrier overflow due to hot electrons occurs in the high current injection region, which is not preferable. On the other hand, if the thickness of the well layer exceeds 20 nm, screening of the internal electric field by injected carriers becomes insufficient, and separation of the wave functions of electrons and holes is not preferable. Considering the above characteristics, the thickness of the well layer is preferably 4 nm or more and 18 nm or less, more preferably 4 nm or more and 15 nm or less, and particularly preferably 4 nm or more and 10 nm or less.

井戸層が複数層存在する場合には、各層が、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚み範囲であり、組成式の範囲（０≦ｅ≦０．８７）であり、厚み、組成とも同一の層であることが好ましい。   When there are a plurality of well layers, each layer has a thickness range of 4 nm or more and 20 nm or less, a composition formula range (0 ≦ e ≦ 0.87), and the same thickness and composition. Is preferred.

（活性層３０の構造）
活性層３０は、井戸層と障壁層とが積層された構造（多層構造）となる。この多層構造は、図２に示すように、ｎ型層２０と接する層が障壁層３０ｂであり、電子ブロック層４０と接する層が障壁層３３ｂである構造とすることができる。このような構造とすることにより、ｎ型層、およびｐ型層からドーパントが井戸層へ拡散することを防ぐことができる。なお、図２には、障壁層３３ｂが電子ブロック層４０と接している例を示しているが、この電子ブロック層４０が存在しない場合、障壁層３３ｂは、ｐ型クラッド層５０と接していてもよい。 (Structure of the active layer 30)
The active layer 30 has a structure (multilayer structure) in which a well layer and a barrier layer are stacked. As shown in FIG. 2, this multilayer structure can be a structure in which the layer in contact with the n-type layer 20 is the barrier layer 30b and the layer in contact with the electron blocking layer 40 is the barrier layer 33b. With such a structure, it is possible to prevent the dopant from diffusing from the n-type layer and the p-type layer into the well layer. 2 shows an example in which the barrier layer 33b is in contact with the electron blocking layer 40. However, when the electron blocking layer 40 is not present, the barrier layer 33b is in contact with the p-type cladding layer 50. Also good.

また、図４に示すように、ｎ型層２０と接する層が障壁層３０ｂであり、電子ブロック層４０に接する層が井戸層３２ａである構造とすることもできる。さらには、図５に示すように、ｎ型層２０と接する層が井戸層３０ａであり、電子ブロック層４０に接する層が障壁層３３ｂである構造とすることもできる。このような構造とすることにより、光場の調整が可能となり、半導体レーザを作成する際に設計が容易となることができる。なお、図４、５の例示においても、電子ブロック層４０が存在しない場合、井戸層３２ａ（図４）、障壁層３３ｂ（図５）は、ｐ型クラッド層５０と接していてもよい。   In addition, as shown in FIG. 4, the layer in contact with the n-type layer 20 may be a barrier layer 30b, and the layer in contact with the electron blocking layer 40 may be a well layer 32a. Furthermore, as shown in FIG. 5, the layer in contact with the n-type layer 20 may be a well layer 30a, and the layer in contact with the electron blocking layer 40 may be a barrier layer 33b. With such a structure, the light field can be adjusted, and the design can be facilitated when a semiconductor laser is manufactured. 4 and 5, the well layer 32 a (FIG. 4) and the barrier layer 33 b (FIG. 5) may be in contact with the p-type cladding layer 50 when the electron blocking layer 40 does not exist.

さらに、例えば、図６、７に示すように、障壁層３０ｂ〜３４ｂには、ｐ型、またはｎ型のドーパントを添加することができる、ｐ型、またはｎ型のドーパントを添加することにより、ｐ型のドーパントを添加する場合においては、キャリアオーバーフローの抑制効果とＱＣＳＥの低減効果を高めることができる。また、ｎ型のドーパントを添加する場合においては、ＱＣＳＥの低減効果を高めることができる。   Further, for example, as shown in FIGS. 6 and 7, by adding a p-type or n-type dopant to the barrier layers 30 b to 34 b, a p-type or n-type dopant can be added, In the case of adding a p-type dopant, the effect of suppressing the carrier overflow and the effect of reducing the QCSE can be enhanced. Further, when an n-type dopant is added, the effect of reducing QCSE can be enhanced.

（電子ブロック層４０）
電子ブロック層４０は、必要に応じて設ける層である。この層の役割は、電界をかけたことによりｎ型層から活性層へと注入された電子の一部がｐ型層側に漏れることを抑制することにある。そのため、電子ブロック層４０は後述するｐ型クラッド層５０で代用することも可能であるが、電子ブロック層４０を設けることにより、ｐ型クラッド層のＡｌ組成を下げる、かつ膜厚を薄くすることができる。その結果、駆動電圧を低減できるという効果が得られる。 (Electronic block layer 40)
The electronic block layer 40 is a layer provided as necessary. The role of this layer is to prevent part of electrons injected from the n-type layer into the active layer due to application of an electric field from leaking to the p-type layer side. Therefore, the electron block layer 40 can be substituted by a p-type cladding layer 50 described later, but by providing the electron block layer 40, the Al composition of the p-type cladding layer is lowered and the film thickness is reduced. Can do. As a result, an effect that the drive voltage can be reduced is obtained.

電子ブロック層４０を設ける場合、電子ブロック層４０は、前記活性層３０（活性層における最大バンドギャップを有する（最大のＡｌ組成となる）障壁層）、および下記に詳述するｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有することが好ましい。そのため、電子ブロック層４０は、これらの層よりもＡｌ組成比が高いＡｌＧａＮからなる単結晶から形成され、活性層３０と下記に詳述するｐ型クラッド層との間に形成されることが好ましい。さらに、電子ブロック層４０は、ｎ型層２０のＡｌ組成よりも低い場合があってもよいが、より高いＡｌ組成のＡｌＧａＮ単結晶から形成されることが好ましい。つまり、電子ブロック層４０は、他の何れの層よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ単結晶層から形成されることが好ましい。   When the electron block layer 40 is provided, the electron block layer 40 forms the active layer 30 (the barrier layer having the maximum band gap (the maximum Al composition) in the active layer) and the p-type layer described in detail below. It is preferable to have a band gap larger than the band gap of the layer. Therefore, the electron block layer 40 is preferably formed from a single crystal made of AlGaN having an Al composition ratio higher than these layers, and is formed between the active layer 30 and a p-type cladding layer described in detail below. . Furthermore, the electron blocking layer 40 may be lower than the Al composition of the n-type layer 20, but is preferably formed from an AlGaN single crystal having a higher Al composition. That is, the electron blocking layer 40 is preferably formed from an AlGaN single crystal layer having a higher Al composition than any other layer.

電子ブロック層４０が組成式ＡｌｃＧａ１−ｃＮで表される場合、Ａｌ組成（ｃ）は、０．１３≦ｃ≦１．００となることが好ましく、０．３３≦ｃ≦１．００となることがさらに好ましく、０．５３≦ｃ≦１．００となることが特に好ましい。そして、優れた効果を発揮するためには、障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｃ−ａ）が０．１１〜０．９８となることが好ましく、０．１３〜０．８０となることがさらに好ましく、０．１３〜０．６０となることが特に好ましい。このときも、ｐ型クラッド層のＡｌ組成（ｂ）と障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｂ−ａ）は、０．１０を超えて０．４５以下となることが好ましく、０．１２以上０．４５以下となることがより好ましい。 When the electron block layer 40 is represented by the composition formula Al c Ga 1-c N, the Al composition (c) is preferably 0.13 ≦ c ≦ 1.00, and 0.33 ≦ c ≦ 1. 00 is more preferable, and 0.53 ≦ c ≦ 1.00 is particularly preferable. And in order to exhibit the outstanding effect, it is preferable that the difference (ca) with Al composition (a) of a barrier layer will be 0.11-0.98, and 0.13-0.80. More preferably, it is particularly preferably 0.13 to 0.60. Also at this time, the difference (b−a) between the Al composition (b) of the p-type cladding layer and the Al composition (a) of the barrier layer is preferably more than 0.10 and not more than 0.45. More preferably, it is 12 or more and 0.45 or less.

また、電子ブロック層４０のＡｌ組成（ｃ）は、上記の通り、ｐ型クラッド層のＡｌ組成（ｂ）よりも大きいことが好ましい。中でも、Ａｌ組成の差（ｃ−ｂ）が０．００を超え０．８８以下となることが好ましく、０．００を超え０．８０以下となることがより好ましく、０．０１以上０．７０以下となることがさらに好ましい。   Further, the Al composition (c) of the electron block layer 40 is preferably larger than the Al composition (b) of the p-type cladding layer as described above. Among them, the difference in Al composition (c−b) is preferably more than 0.00 and 0.88 or less, more preferably more than 0.00 and 0.80 or less, and 0.01 or more and 0.70. More preferably,

また、電子ブロック層４０は、ｐ型のドーパントがドープされていてもよいし、ｉ型のアンドープの層であってもよい。ｐ型のドーパントがドープされている場合、例えば、Ｍｇをドーパントした場合には、不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲であることが好ましい。さらに、この電子ブロック層４０には、ｐ型のドーパントがドープされた領域と、ドーパントされていない層が存在してもよい。この場合、電子ブロック層４０全体の不純物濃度が１×１０１６〜１×１０２１［ｃｍ−３］となる範囲であることが好ましい。 The electron blocking layer 40 may be doped with a p-type dopant or an i-type undoped layer. When a p-type dopant is doped, for example, when Mg is doped, the impurity concentration is preferably in the range of 1 × 10 16 to 1 × 10 21 [cm −3 ]. Further, the electron blocking layer 40 may include a region doped with a p-type dopant and a layer not doped. In this case, it is preferable that the impurity concentration of the entire electron blocking layer 40 is in a range of 1 × 10 16 to 1 × 10 21 [cm −3 ].

電子ブロック層４０は、特に制限されるものではないが、膜厚が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。   The electron blocking layer 40 is not particularly limited, but preferably has a thickness of 1 nm to 50 nm.

（ｐ型クラッド層５０）
ｐ型クラッド層５０は、前記電子ブロック層４０の上に形成される。ただし、当然のことながら、電子ブロック層４０を設けない場合には、ｐ型クラッド層５０は、活性層の上に形成される。本発明において、ｐ型クラッド層５０は、前記活性層３０内の最大Ａｌ組成比を有する障壁層（図２における３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ）のＡｌ組成比よりも、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮ単結晶から形成される必要がある。このｐ型クラッド層５０が存在することにより、電子のｐ型層（ｐ型コンタクト層５１、ｐ型クラッド層）への流出を抑制することができ、発光効率を高くすることができる。すなわち、前記電子ブロック層４０と同様の作用効果を発揮することもできる。 (P-type cladding layer 50)
The p-type cladding layer 50 is formed on the electron block layer 40. However, as a matter of course, when the electron block layer 40 is not provided, the p-type cladding layer 50 is formed on the active layer. In the present invention, the p-type cladding layer 50 is an AlGaN having an Al composition ratio higher than that of the barrier layer (30b, 31b, 32b, 33b in FIG. 2) having the maximum Al composition ratio in the active layer 30. It needs to be formed from a single crystal. The presence of the p-type cladding layer 50 can suppress the outflow of electrons to the p-type layer (p-type contact layer 51, p-type cladding layer), and can increase the light emission efficiency. That is, the same effect as that of the electron block layer 40 can be exhibited.

本発明においてｐ型クラッド層５０は、組成式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表され、さらにより高い効果を発揮するためには、Ａｌ組成（ｂ）が（０．３２≦ｂ≦１．００）であることが好ましく、特に（０．５２≦ｂ≦１．００）であることが好ましい。障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｂ−ａ）については、障壁層の項目で説明した通りである。なお、電子ブロック層４０を設けた場合には、Ａｌ組成（ｂ）は、０．１２を超えて１．００未満であることが好ましく、０．３２以上１．００未満であることがより好ましく、０．５２以上０．９９以下であることがさらに好ましい。 In the present invention, the p-type cladding layer 50 is represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.12 <b ≦ 1.00). Is preferably (0.32 ≦ b ≦ 1.00), more preferably (0.52 ≦ b ≦ 1.00). The difference (b−a) from the Al composition (a) of the barrier layer is as described in the item of the barrier layer. When the electron blocking layer 40 is provided, the Al composition (b) is preferably more than 0.12 and less than 1.00, more preferably 0.32 or more and less than 1.00. More preferably, it is 0.52 or more and 0.99 or less.

また、本発明では、ｐ型クラッド層５０のバンドギャップが、前記ｎ型層２０（但し、ｎ型層２０が複数層の場合は、当該複数層の内最小のバンドギャップを示す層とする。以下同じ）のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、そのためには、ｐ型クラッド層５０を、ｎ型層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮ単結晶から形成することが好ましい。これにより、電子のｐ型層５０への流出を抑制することができ、深紫外発光素子の発光効率をより高くすることができる。   Further, in the present invention, the band gap of the p-type cladding layer 50 is the n-type layer 20 (however, when the n-type layer 20 is a plurality of layers, the band gap is the minimum band gap of the plurality of layers). The p-type cladding layer 50 is preferably formed from an AlGaN single crystal having an Al composition ratio higher than the Al composition ratio of the n-type layer. Thereby, the outflow of electrons to the p-type layer 50 can be suppressed, and the luminous efficiency of the deep ultraviolet light emitting element can be further increased.

ｎ型層２０とｐ型クラッド層５０とのバンドギャップの差は、特に制限されるものではないが、０．０１ｅＶ以上であることが好ましく、さらに０．１０ｅＶ以上であることが好ましい。なお、ｎ型層２０とｐ型クラッド層５０とのバンドギャップの差の上限は、特に制限されるものではないが、実用的な生産を考慮すると１．５０ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、１．００ｅＶ以下であることが好ましく、特に、０．５０ｅＶ以下であることが好ましい。   The difference in band gap between the n-type layer 20 and the p-type cladding layer 50 is not particularly limited, but is preferably 0.01 eV or more, and more preferably 0.10 eV or more. The upper limit of the difference in band gap between the n-type layer 20 and the p-type cladding layer 50 is not particularly limited, but is preferably 1.50 eV or less in consideration of practical production. It is preferably 1.00 eV or less, and particularly preferably 0.50 eV or less.

ｐ型クラッド層５０の厚みは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。   The thickness of the p-type cladding layer 50 is not particularly limited, but is preferably 1 nm or more and 1 μm or less.

（ｐ型コンタクト層５１）
ｐ型コンタクト層５１は、前記ｐ型クラッド層５０の上に形成される。ｐ型コンタクト層５１を形成することにより、ｐ型用電極７０とのオーミック接触を実現し易くするとともに、その接触抵抗の低減を実現し易くすることができる。 (P-type contact layer 51)
The p-type contact layer 51 is formed on the p-type cladding layer 50. By forming the p-type contact layer 51, it is possible to easily realize ohmic contact with the p-type electrode 70 and to easily reduce the contact resistance.

ｐ型コンタクト層５１を設けた場合には、ｐ型コンタクト層５１のバンドギャップは、ｐ型クラッド層５０のバンドギャップよりも低い値とすることが好ましい。つまり、ｐ型コンタクト層５１のＡｌ組成比は、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成よりも小さくなることが好ましい。ｐ型コンタクト層５１が組成式ＡｌｆＧａ１−ｆＮで表される単結晶から構成される場合、Ａｌ組成（ｆ）は、０．００〜０．７０であることが好ましく、さらに０．００〜０．４０であることが好ましく、最も好ましくはｐ型コンタクト層５１がＧａＮ（ｆ＝０．００）からなる単結晶で形成される場合である。また、このｐ型コンタクト層５１には、効果を阻害しない範囲でインジウム（Ｉｎ）を含んでもよい。 When the p-type contact layer 51 is provided, the band gap of the p-type contact layer 51 is preferably set to a value lower than the band gap of the p-type cladding layer 50. That is, the Al composition ratio of the p-type contact layer 51 is preferably smaller than the Al composition of the p-type cladding layer 50. When the p-type contact layer 51 is composed of a single crystal represented by the composition formula Al f Ga 1-f N, the Al composition (f) is preferably 0.00 to 0.70, and It is preferably 00 to 0.40, and most preferably, the p-type contact layer 51 is formed of a single crystal made of GaN (f = 0.00). The p-type contact layer 51 may contain indium (In) as long as the effect is not impaired.

ｐ型コンタクト層５２の厚みは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましい。   The thickness of the p-type contact layer 52 is not particularly limited, but is preferably 1 nm or more and 250 nm or less.

（ウェーハ）
本発明は、上記積層構造を有するウェーハにも関する。上記には窒化物半導体発光素子として説明したが、本発明は、該窒化物半導体発光素子が複数存在するウェーハを含むものである。つまり、上記窒化物半導体発光素子において説明した積層構造を有する窒化物半導体ウェーハを含む。通常は、複数の窒化物半導体発光素子を有するウェーハ（上記積層構造を有するウェーハ）から各窒化物半導体発光素子を切り出して使用する。 (Wafer)
The present invention also relates to a wafer having the above laminated structure. Although the nitride semiconductor light emitting device has been described above, the present invention includes a wafer in which a plurality of the nitride semiconductor light emitting devices exist. That is, it includes a nitride semiconductor wafer having the laminated structure described in the nitride semiconductor light emitting device. Usually, each nitride semiconductor light emitting element is cut out from a wafer having a plurality of nitride semiconductor light emitting elements (wafer having the above laminated structure).

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to a following example.

比較例１
図１、図２に示した構造、Ａｌ組成の窒化物半導体発光素子を複数有するウェーハを製造し、そのウェーハから窒化物半導体発光素子を切り出した。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、一辺７ｍｍ角、厚さ５００μｍのＣ面ＡｌＮ基板１０上に、ｎ型層２０として、ＳｉをドープしたＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層（Ｓｉ濃度１×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み１．０μｍで形成した。
ｎ型層２０上に、活性層３０を量子井戸構造として、井戸層（組成Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを層厚み２ｎｍ、障壁層（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ）を層厚み７ｎｍで形成した。また障壁層はＳｉをドープした。（Ｓｉ濃度１×１０１８［ｃｍ−３］）。図２に示す通り、井戸層を３層、障壁層を４層形成した。各障壁層は組成、厚みとも同じである。また、各井戸層も組成、厚みとも同じである。
次に、活性層３０（障壁層３３ｂ）上に、電子ブロック層として、ＭｇをドープしたＡｌＮ層（バンドギャップ６．００ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み１５ｎｍで形成した。
電子ブロック層４０上に、ｐ型クラッド層５０として、ＭｇをドープしたＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ｎ層（Ｍｇ濃度５×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み５０ｎｍで形成した。その後、ｐ型コンタクト層５１として、ＭｇをドープしたＧａＮ層（バンドギャップ３．４０ｅＶ、Ｍｇ濃度２×１０１９［ｃｍ−３］）を層厚み１００ｎｍで形成した。
次いで、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を行った。その後、ｐ型コンタクト層５１の表面にフォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない窓部を反応性イオンエッチングによりｎ型層２０の表面が露出するまでエッチングした。その後、ｎ型層２０の表面に真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）電極（負電極）を形成し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型コンタクト層５１の表面に真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極（正電極）を形成した後、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を行い、以上の層構成を有するウェーハを製造した。次いで、７００μｍ角に切り出し、窒化物半導体発光素子を作製した。
得られた窒化物半導体素子は、電流注入１００ｍＡ時において２７２ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．０％という出力であった。結果を表１にまとめた。 Comparative Example 1
A wafer having a plurality of nitride semiconductor light emitting devices having the structure and Al composition shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured, and the nitride semiconductor light emitting device was cut out from the wafer.
First, an Al 0.75 Ga 0.25 N layer (Si concentration 1 × 10 19 [Si concentration]) is formed as an n-type layer 20 on a C-plane AlN substrate 10 having a side of 7 mm square and a thickness of 500 μm by MOCVD. cm −3 ]) was formed with a layer thickness of 1.0 μm.
On the n-type layer 20, the active layer 30 has a quantum well structure, and a well layer (composition Al 0.5 Ga 0.5 N has a layer thickness of 2 nm and a barrier layer (Al 0.75 Ga 0.25 N) has a layer thickness). The barrier layer was doped with Si (Si concentration 1 × 10 18 [cm −3 ]), as shown in FIG. 2, three well layers and four barrier layers were formed. The layers have the same composition and thickness, and each well layer has the same composition and thickness.
Next, an Mg-doped AlN layer (band gap 6.00 eV, Mg concentration 5 × 10 19 [cm −3 ]) is formed as an electron blocking layer on the active layer 30 (barrier layer 33b) with a layer thickness of 15 nm. did.
An Mg 0.8-doped Al 0.80 Ga 0.20 N layer (Mg concentration 5 × 10 19 [cm −3 ]) was formed as a p-type cladding layer 50 on the electron block layer 40 with a layer thickness of 50 nm. Thereafter, a GaN layer doped with Mg (band gap 3.40 eV, Mg concentration 2 × 10 19 [cm −3 ]) with a layer thickness of 100 nm was formed as the p-type contact layer 51.
Next, heat treatment was performed at 900 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereafter, a predetermined resist pattern was formed on the surface of the p-type contact layer 51 by photolithography, and a window portion where no resist pattern was formed was etched by reactive ion etching until the surface of the n-type layer 20 was exposed. Thereafter, a Ti (20 nm) / Al (200 nm) / Au (5 nm) electrode (negative electrode) is formed on the surface of the n-type layer 20 by vacuum deposition, and heat treatment is performed at 810 ° C. for 1 minute in a nitrogen atmosphere. went. Next, after forming a Ni (20 nm) / Au (50 nm) electrode (positive electrode) on the surface of the p-type contact layer 51 by vacuum deposition, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 550 ° C. for 3 minutes. A wafer having the following layer structure was manufactured. Subsequently, the nitride semiconductor light emitting element was produced by cutting out to 700 μm square.
The obtained nitride semiconductor device had a light emission wavelength of 272 nm at a current injection of 100 mA and an output of an external quantum efficiency of 2.0%. The results are summarized in Table 1.

比較例２
比較例１において、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂを組成式Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ、に変更した以外は、比較例１と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１００ｍＡ時において２６７ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．３％という出力であった。
その結果、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成比（ｂ）と障壁層のＡｌ組成比（ａ）との差（ｂ−ａ）が０．１５であって、井戸層の厚みが２ｎｍの場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．１５倍であることが分かった。結果を表１にまとめた。 Comparative Example 2
The same operation as in Comparative Example 1 was performed except that the barrier layers 30b, 31b, 32b, and 33b were changed to the composition formula Al 0.65 Ga 0.35 N in Comparative Example 1 to obtain a nitride semiconductor light emitting device. It was. The resulting nitride semiconductor light emitting device had an emission wavelength of 267 nm when the current injection was 100 mA, and an output of external quantum efficiency of 2.3%.
As a result, when the difference (ba) between the Al composition ratio (b) of the p-type cladding layer 50 and the Al composition ratio (a) of the barrier layer is 0.15 and the well layer thickness is 2 nm. Compared with the light emitting element of the comparative example 1, it turned out that luminous efficiency is 1.15 times. The results are summarized in Table 1.

実施例１
比較例２において、井戸層厚を２ｎｍから４ｎｍに変更した以外は、比較例２と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１００ｍＡ時において２７０ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．７％という出力であった。
その結果、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成比（ｂ）と障壁層のＡｌ組成比（ａ）との差（ｂ−ａ）が０．１５であって、井戸層の厚みが４ｎｍの場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．３５倍であることが分かった。また、比較例２の素子と比較して１．１７倍であった。結果を表１にまとめた。 Example 1
In Comparative Example 2, the same operation as in Comparative Example 2 was performed except that the well layer thickness was changed from 2 nm to 4 nm to obtain a nitride semiconductor light emitting device. The resulting nitride semiconductor light emitting device had an emission wavelength of 270 nm at an injection current of 100 mA and an output of an external quantum efficiency of 2.7%.
As a result, when the difference (b−a) between the Al composition ratio (b) of the p-type cladding layer 50 and the Al composition ratio (a) of the barrier layer is 0.15 and the thickness of the well layer is 4 nm. Compared with the light emitting element of the comparative example 1, it turned out that luminous efficiency is 1.35 times. Further, it was 1.17 times that of the device of Comparative Example 2. The results are summarized in Table 1.

実施例２
比較例１において、井戸層厚を２ｎｍから６ｎｍに、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂを組成式Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ、に変更した以外は、比較例１と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１００ｍＡ時において２６３ｎｍに発光波長があり、外部量子効率３．２％という出力であった。
その結果、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成比（ｂ）と障壁層のＡｌ組成比（ａ）との差（ｂ−ａ）が０．２０であって、井戸層の厚みが６ｎｍの場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．６０倍であることが分かった。また、比較例２の素子と比較して１．３９倍であった。結果を表１にまとめた。 Example 2
In Comparative Example 1, the same operation as in Comparative Example 1 was performed except that the well layer thickness was changed from 2 nm to 6 nm, and the barrier layers 30b, 31b, 32b, and 33b were changed to the composition formula Al 0.60 Ga 0.40 N. A nitride semiconductor light emitting device was obtained. The resulting nitride semiconductor light-emitting device had an emission wavelength of 263 nm and an output of an external quantum efficiency of 3.2% at a current injection of 100 mA.
As a result, when the difference (b−a) between the Al composition ratio (b) of the p-type cladding layer 50 and the Al composition ratio (a) of the barrier layer is 0.20 and the thickness of the well layer is 6 nm. Compared with the light emitting element of the comparative example 1, it turned out that luminous efficiency is 1.60 times. In addition, it was 1.39 times that of the device of Comparative Example 2. The results are summarized in Table 1.

Figure 2014241397
Figure 2014241397

１ 発光素子
１０ 基板
２０ ｎ型層
３０ 活性層（領域）
３０ａ 第１の井戸層のＡｌ組成
３１ａ 第２の井戸層のＡｌ組成
３２ａ 第３の井戸層のＡｌ組成
３０ｂ 第１の障壁層のＡｌ組成
３１ｂ 第２の障壁層のＡｌ組成
３２ｂ 第３の障壁層のＡｌ組成
３３ｂ 第４の障壁層のＡｌ組成
４０ 電子ブロック層
５０ ｐ型クラッド層
５１ ｐ型コンタクト層
６０ ｎ型電極層
７９ ｐ型電極層 1 Light-Emitting Element 10 Substrate 20 N-type Layer 30 Active Layer (Region)
30a Al composition 31a of the first well layer Al composition 32a of the second well layer Al composition 30b of the third well layer Al composition 31b of the first barrier layer Al composition 32b of the second barrier layer Third barrier Al composition 33b of the layer Al composition of the fourth barrier layer 40 Electron blocking layer 50 p-type cladding layer 51 p-type contact layer 60 n-type electrode layer 79 p-type electrode layer

Claims (5)

ｎ型層、井戸層と障壁層とを有する活性層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層が、この順で積層された積層構造を含み、発光波長が２００〜３５０ｎｍである窒化物半導体発光素子であって、
井戸層の厚みが４〜２０ｎｍであり、
障壁層が組成式ＡｌａＧａ１−ａＮ（０．０２≦ａ≦０．８９）で表され、
ｐ型クラッド層が組成式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表され、かつ、
ｐ型クラッド層のＡｌ組成と該障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超え０．４５以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 Nitride semiconductor light emission including a stacked structure in which an n-type layer, an active layer having a well layer and a barrier layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer are stacked in this order, and an emission wavelength is 200 to 350 nm An element,
The thickness of the well layer is 4-20 nm,
The barrier layer is represented by the composition formula Al a Ga 1-a N (0.02 ≦ a ≦ 0.89),
the p-type cladding layer is represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.12 <b ≦ 1.00), and
A nitride semiconductor light emitting device characterized in that a difference (b−a) between an Al composition of a p-type cladding layer and an Al composition of the barrier layer is more than 0.10 and 0.45 or less. 活性層とｐ型クラッド層との間に、さらに、電子ブロック層を有し、
電子ブロック層がｐ型、またはｉ型であり、
電子ブロック層が組成式ＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０．１３≦ｃ≦１．００）で表され、
ｐ型クラッド層が組成式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．１２＜ｂ＜１．００）で表され、
電子ブロック層のＡｌ組成がｐ型クラッド層のＡｌ組成よりも大きく、
電子ブロック層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ｃ−ａ）が０．１１〜０．９８であり、
ｐ型クラッド層のＡｌ組成と該障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超え０．４５以下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発光素子。 Between the active layer and the p-type cladding layer, further has an electron block layer,
The electron blocking layer is p-type or i-type,
The electron block layer is represented by the composition formula Al c Ga 1-c N (0.13 ≦ c ≦ 1.00),
p-type cladding layer is represented by a composition formula Al b Ga 1-b N ( 0.12 <b <1.00),
The Al composition of the electron block layer is larger than the Al composition of the p-type cladding layer,
The difference (c−a) between the Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of the barrier layer is 0.11 to 0.98,
2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a difference (b−a) between the Al composition of the p-type cladding layer and the Al composition of the barrier layer is more than 0.10 and 0.45 or less. . 障壁層が２層以上存在し、ｎ型層およびｐ型クラッド層と接する層が障壁層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発光素子。   2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein two or more barrier layers are present, and the layers in contact with the n-type layer and the p-type cladding layer are barrier layers. 障壁層が２層以上存在し、ｎ型層および電子ブロック層と接する層が障壁層であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。   3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein two or more barrier layers are present, and the layer in contact with the n-type layer and the electron blocking layer is a barrier layer. 請求項１〜４の何れか一項に記載された窒化物半導体発光素子の積層構造を有する窒化物半導体ウェーハ。   The nitride semiconductor wafer which has the laminated structure of the nitride semiconductor light-emitting device as described in any one of Claims 1-4.
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