JP2015079844A - 窒化物半導体積層体及びそれを用いた発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】バッファ層が厚くてもクラックが発生しにくく、且つ順駆動電圧の低い、深紫外線を発光する発光素子が実現可能な半導体積層体を提供する。
【解決手段】半導体積層体を、ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板上面に接して厚さが２μｍ以上４μｍ以下である窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板、窒化アルミニウムガリウム層及び窒化アルミニウム層を交互に積層してなる超格子層、アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、そのアルミニウム比が上方向に順次減少する第一の組成傾斜層、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、そのアルミニウム比が上方向に順次減少する第二の組成傾斜層、ＩＩＩ族窒化物からなり、深紫外光を発する発光層を有する活性層及びｐ側層を順に積層した窒化物半導体積層体とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体積層体に関する。特にＩＩＩ族窒化物を用い、深紫外発光する半導体発光素子に用いられる窒化物半導体積層体に関する。

窒化ガリウム等のＩＩＩ族窒化物半導体は直接遷移型の化合物半導体であり、そのバンドギャップが大きいこと、さらに組成中のＩＩＩ族元素の比によってバンドギャップを調整可能であることから、可視光、紫外光を発する固体発光素子に代表的に用いられている。

特にＩＩＩ族元素としてアルミニウムを含有した窒化物（窒化アルミニウムガリウム等）は深紫外光（波長３００ｎｍ以下の紫外線）を発する発光素子への利用が期待されている。

窒化アルミニウムガリウム等ＩＩＩ族窒化物は、サファイア等の半導体素子用基板として一般的に用いられる材料と格子定数が大きく異なるので、通常バッファ層を設け、その上にＩＩＩ族窒化物の層（窒化物半導体層）を形成する。窒化物半導体素子の各層について、目的に応じて層内の組成を傾斜させる（組成傾斜層にする）技術が存在する。

特許文献１には、サファイア等の基板にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等のバッファ層を形成し、このバッファ層にエピタキシャル成長によりＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のデバイス多層膜を形成したフォトニックデバイス用基板が開示されている。前記バッファ層において、Ａｌ組成はデバイス多層膜における最大膜厚の層のＡｌ組成以上であり、そのＡｌ組成は、デバイス多層膜の反対側からデバイス多層膜に向けて小さくなるように調整されている。このようにすることでクラックが少なく結晶性のよいデバイス多層膜が得られ、効率の高いフォトニックデバイスを得ることができるとされている。

特許文献２には、サファイア等の基板上に形成された無極性面以外の面（−ｃ面等）を主面とするＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層と、その上に形成されたＡｌを含み、Ａｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層と、さらにその上に形成された活性層を有する発光素子が開示されている。Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成は、活性層側に向かって増加しないように調整されている。このようにすることで、ｎ型不純物なしにｎ型窒化物半導体層を形成できるので、クラックが発生しにくく且つＡｌ組成の高いｎ型窒化物半導体層を形成可能になるとされている。そして、その結果としてサファイア基板のような導電性のない基板を用いた深紫外領域発光窒化物半導体発光素子において電流広がりを向上させることができ、発光領域を大きくすることができるとされている。

特許文献３には、ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮ薄膜の上に形成される組成傾斜させたｎ型ＡｌＧａＮ層が記載されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層の好ましい形態としてＳｉをドープしたものが記載されているが、どう好ましいのかの言及は特にない。

特開２００２−１７６１９７号公報 特開２０１２−１４６８４７号公報 特開平０９−０８３０１６号公報

半導体発光素子においては、素子を構成する半導体層中の欠陥密度が低いほど発光効率が高まる。バッファ層の厚みを大きくすると、バッファ層成長時に転位等の結晶欠陥同士が合体、消滅する確立が高まるため、バッファ層の上に形成される半導体層も低欠陥化できる。しかし、バッファ層の厚みが大きくなると、バッファ層とその直上の層との間に強力な応力がかかり、バッファ層より上の層におけるクラック発生や結晶性低下を招く。クラックの発生は最終的に発光層に注入されるホールと自由電子との再結合の効率（内部量子効率）低下を招く。また、発光層からの発光を外部に取り出すには、各半導体層のバンドギャップを発光光子のエネルギーより大きくする必要がある。半導体層のバンドギャップが大きくなると、ドープされた不純物の準位がバンドギャップ中の深いエネルギー準位に形成され、キャリアの活性化エネルギーが増大するため、不純物をドープしても半導体層の電気伝導性は増加しにくくなる（ｎ型化あるいはｐ型化しにくくなる）。この結果、電極及び前記電極と接触する半導体層の間における表面抵抗率及び接触抵抗は大きくなり、順駆動電圧（Ｖｆ）の上昇を招く。バンドギャップが大きい半導体層においてこれら表面抵抗率及び接触抵抗を低下させるには、半導体層を組成傾斜層とし、不純物濃度を高めることが必要になる。しかし、Ｓｉ等のドーピングを行うとアンドープの場合に比べてクラックが発生し易くなる。このため、深紫外光のような光子エネルギーが大きな光を発する発光素子においては、特許文献１〜３の技術をもってしてもクラック発生防止とＶｆ上昇防止との両立ができずにいた。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、深紫外光を発する半導体発光素子において、内部量子効率が高く、且つＶｆが低い半導体発光素子を実現可能な半導体積層体を提供することである。

上記目的を達成するために本発明者は鋭意検討を重ね、本発明を完成するに至った。本発明者は、特定のサファイア基板上面に接して一定厚さ以上の窒化アルミニウムからなるバッファ層を設けてテンプレート基板とし、テンプレート基板上面に接して超格子層を設け、超格子層の上面に接して特定の組成傾斜層を設け、その上に深紫外発光用の各層を設けた半導体積層体を用いると、クラックが少なくＶｆの低い深紫外発光素子が得られることを見出した。

本発明の窒化物半導体積層体は、ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板上面に接して厚さ２μｍ以上４μｍ以下の窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板と、前記テンプレート基板上面に接して形成され、窒化アルミニウムガリウム層及び窒化アルミニウム層を交互に積層してなる超格子層と、前記超格子層の上面に接して形成され、アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記アンドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍ_Ａｌ１が前記超格子層側から上方向に順次減少する第一の組成傾斜層と、前記第一の組成傾斜層の上面に接して形成され、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍ_Ａｌ２が前記第一の組成傾斜層側から上方向に順次減少する第二の組成傾斜層と、前記第二の組成傾斜層の上面に接して形成され、ＩＩＩ族窒化物からなり、深紫外光を発する発光層を有する活性層と、前記活性層の上面に接して形成されるｐ側層と、を含むことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体積層体は上記の特徴を備えているため、ｎ側層にバンドギャップの大きな窒化物半導体層を用いてもｎ側電極との表面抵抗率や接触抵抗を低減することできる。そのため、窒化物半導体発光素子におけるＶｆを低減することができる。また、バッファ層に厚みの大きい窒化アルミニウム層を用いても、より上層におけるクラックの発生や結晶性低下が防止できるため、内部量子効率が向上する。これらの効果により、窒化物半導体発光素子全体の発光効率を向上させることができる。

図１は本発明の窒化物半導体積層体の実施形態の一例を表す。

図２は本発明の窒化物半導体積層体における超格子層の一例を表す。

図３は本発明の本発明の窒化物半導体積層体における第一及び第二の組成傾斜層（合わせてｎ側層とみなす）の一例を表す。

図４は本発明の窒化物半導体積層体における活性層の一例を表す。

図５は本発明の窒化物半導体積層体におけるｐ側層の一例を表す。

図６は本発明の窒化物半導体積層体を用いた窒化物半導体発光素子の実施形態の一例を表す。

以下、本発明の窒化物半導体積層体の実施形態について説明する。但し、本発明は以下の説明によって制限されるものではない。

本発明の窒化物半導体積層体は、大別してテンプレート基板、超格子層、第一の組成傾斜層、第二の組成傾斜層、活性層及びｐ型層に分けられる。以下これらを中心に説明する。必要に応じて図面も参照するが、当該図面は本発明の実施の形態の一例を模式的に表したものにすぎない。本発明の技術思想は図面によって限定されるものでない。また、当該図面は説明時の分かり易さのために寸法表現等に一部誇張がある。

［積層体全体の概観］
本発明の実施形態に係る窒化物半導体積層体は、発光層からの光を基板側に取り出す所謂フェイスダウンの構成をとる。窒化物半導体発光素子に用いられる電極は深紫外光を吸収し易いのでフェイスダウン構造にして電極での深紫外光吸収による発光効率低下を回避させる。このため、後述のテンプレート基板〜第二の組成傾斜層は発光層から発せられる深紫外線に対して透明であることが前提になる。積層体全体の概観は大凡図１の様になる。

［テンプレート基板］
テンプレート基板は下地基板にバッファ層となる層を形成し、全体として基板としたものである。以下、下地基板及びバッファ層に分けて説明する。

＜下地基板＞
下地基板はサファイア基板を用いる。これは入手のし易さ及びバッファ層形成以降のプロセスが実施し易いことによる。また、深紫外光に対して透明であることにもよる。さらに、バッファ層は後述のように窒化アルミニウムからなるので、ｃ面を上面として用いる。ｃ面以外だとバッファ層が形成しにくい。上面の状態は特に制限されないが、ｃ面からａ軸方向又はｍ軸方向にある程度傾いているとバッファ層より上の層の結晶性が良くなるので好ましい。より好ましい傾き具合は０．２°以上２°以下である。

＜バッファ層＞
窒化アルミニウムからなるバッファ層を下地基板上面に接して形成し、合わせてテンプレート基板とする。。窒化アルミニウムはバンドギャップが極めて大きく、深紫外光に対して透明であり、なお且つ窒化ガリウム同様サファイアとＩＩＩ族窒化物半導体との格子不整合を緩和する。但し、バッファ層の成長初期にサファイア基板との格子不整合および熱膨張係数差に起因する多数の欠陥が導入される。バッファ層が薄すぎると前述したように欠陥の低減が十分おこなわれず、通常は１×１０^１０／ｃｍ^２程度の刃状転位が残留し、発光素子の発光効率を高めることができない。このためバッファ層には一定以上の厚みが必要である。バッファ層の厚みが２μｍ以上あれば、バッファ層内の欠陥は十分低減され、より上の層に生じる欠陥を低減できる。一方、バッファ層が厚すぎると結晶内部に応力を抱えるため、より上部の層を形成する際にクラックを発生させ得る。しかし、本発明の半導体発光素子においては後述の超格子層によってクラック発生を防止するため、厚い方には特に制限はない。但し、必要以上に厚くしても生産性の低下を招くだけなので、現実的には４μｍ以下である。このため、本発明の半導体積層体において、バッファ層の厚みは２μｍ以上４μｍ以下とする。バッファ層の窒化アルミニウムは結晶質であることが必要で、単結晶であるとｃ軸配向性が調整可能なので好ましい。ｃ軸配向性が高いと、バンドギャップをより大きくすることができ、より広範囲の深紫外線に対して透明になるので好ましい。

なお、テンプレート基板上面に接して後述の超格子層を形成する前に、５０〜２００ｎｍ程度のバッファ層を追加しても良い。追加のバッファ層は最終的にテンプレート基板のバッファ層の一部として一体化される。

［超格子層］
テンプレート基板と後述の第一の組成傾斜層との間に超格子層を形成し、バッファ層が厚いことによるクラックの発生を防止する。超格子層は相対的に格子定数の小さい層と大きい層を交互に多周期積層することで、異種材料の接合界面に引っ張り応力と圧縮応力を交互に生じさせ、上層に形成される層に加わる応力を分散させる。図１における超格子層１２を抜き出し、強調したものが図２である。超格子層は窒化アルミニウム層と窒化アルミニウムガリウム層を交互に積層する。超格子層における最下層（テンプレート基板側の層）はどちらでも構わない。また、超格子層における最上層（第一の組成傾斜層と接する層）も、どちらでも構わない。また、窒化アルミニウム層及び／又は窒化アルミニウムガリウム層に目的に応じて添加元素をドープさせても良い。超格子層の各層の厚みは特に限定されず、目的に応じて厚みをそろえても良いし、不規則にしても良い。また、超格子層を構成する層の合計も特に限定されない。但し、超格子として成立させるために少なくとも計２層は必要である。窒化アルミニウムガリウム層の組成は、発光層から発せられる深紫外光の光子エネルギーよりも大きなバンドギャップを持つように調整される。なお、超格子層中で窒化アルミニウムガリウム層の組成はほぼ一定に保たれる。製造方法等による組成ばらつき程度なら許容されるものとする。図２は、超格子層における最上層１２１と、最下層とが同種の層であり、各層の厚みが大凡等しい例を表している。合計層数をｎ層としているが、一部の層は記載を省略している。

［第一の組成傾斜層］
アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなる第一の組成傾斜層を超格子層の上面に接して形成する。アンドープのＩＩＩ族窒化物化合物は通常ｎ型半導体としてふるまう。第一の組成傾斜層において、窒化アルミニウムガリウムは超格子層側から後述の第二の組成傾斜層側に向けて（この方向を上方向とする）組成が連続的に変化している。その変化の仕方は、窒化アルミニウムガリウムにおけるアルミニウム比ｍ_Ａｌ１が、上方向に順次減る変化の仕方である。なお、アルミニウム比ｍ_Ａｌ１は、窒化アルミニウムガリウム中のガリウム及びアルミニウムの和に対するアルミニウムの比で定義する。なお、第一の組成傾斜層全体が、発光層から発せられる深紫外光に対して透明であるよう、ｍ_Ａｌ１の最小値は調整する。

［第二の組成傾斜層］
ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなる第二の組成傾斜層を第一の組成傾斜層の上面に接して形成する。ｎ型不純物ドープはどのようになされていても良いが、シリコンドープであれば添加濃度が効率良く半導体層のｎ型化に寄与するので好ましい。結果、後述のｎ電極から（第一の組成傾斜層及び）第二の組成傾斜層を経由して活性層へ自由電子を効率良く供給できる。また、ｎ側層の電気抵抗率が低下する。第一の組成傾斜層同様第二の組成傾斜層も組成が連続的に変化している。その変化の仕方は、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムにおけるアルミニウム比ｍ_Ａｌ２が、上方向に順次減る変化の仕方である。なお、アルミニウム比ｍ_Ａｌ２は、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウム中のガリウム及びアルミニウムの和に対するアルミニウムの比で定義する。なお、第二の組成傾斜層全体が、発光層から発せられる深紫外光に対して透明であるよう、ｍ_Ａｌ２の最小値もｍ_Ａｌ１の最小値同様調整する。

［第一及び第二の組成傾斜層の関係］
第一の組成傾斜層及び第二の組成傾斜層の組成及びその変化の仕方は夫々独立していて良い。しかし、第一の組成傾斜層上面におけるｍ_Ａｌ１（≡ｍ_Ａｌ１^ｕ）が第二の組成傾斜層下面におけるｍ_Ａｌ２（≡ｍ_Ａｌ２^ｂ）以上であると、第二の組成傾斜層全体に圧縮応力を加えることができ、クラックの発生を抑制できるため好ましい。ｍ_Ａｌ１^ｕとｍ_Ａｌ２^ｂはその上で近い値であると格子不整合による界面での欠陥発生を防ぐことができるためより好ましい。より好ましい範囲を比で表すと、ｍ_Ａｌ１^ｕ／ｍ_Ａｌ２^ｂとして１．００以上１．０２以下である。また、第一及の組成傾斜層及び第二の組成傾斜層は後述のｐ側層と対応してｎ側層とみなすことができる。ｎ側層は、後述の活性層に自由電子を供給する役割を果たす。図１におけるｎ側層１３を抜き出し、強調したものが図３である。

［活性層］
第二の組成傾斜層の上面に接して活性層を形成する。活性層は深紫外光を発するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を有する。発光層の例として、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦１．０、ｘ＋ｙ≦１．０）で表されるＩＩＩ族窒化物を発光層が挙げられる。発生させる深紫外光のエネルギーに応じて発光層の全金属元素中のアルミニウムの比率が決定される。例えば波長２８０ｎｍの発光素子の場合、発光層のアルミニウムの割合は４５％程度が必要である。アルミニウムの割合が高ければ高い程発光波長は短くなり、ＡｌＮを発光層に用いた場合その発光波長は２１０ｎｍとなる。目的に応じてインジウムが入っていても発光特性に影響を与えないが、その比率は１割以下にする。１割を超えると結晶性が悪化し易くなる。活性層は発光層のみで構成しても良いが、目的に応じて他の層と組み合わせても良い。また、同一種の発光層を複数設ける、複数種の発光層を組み合わせる等しても良い。図１における活性層１４を抜き出し、強調したものが図４である。図４は、エネルギー障壁を形成する３つの層１４１に挟まれた２つの発光層１４２の計５層によって２つの量子井戸が形成された例を表している。もちろん量子井戸を形成しなくとも良いし、より多数の量子井戸を形成しても良い。

［ｐ側層］
活性層の上面に接してｐ側層を形成する。ｐ側層の形態は、ｐ型半導体からなり、活性層にホールを供給する役割を果たす。ｐ側層を構成するｐ型半導体層の数、種類は目的に応じて適宜調整すれば良い。本発明の半導体積層体は所謂フェイスダウン構造をとるので、ｐ側層にはバンドギャップの制約がない。ｐ側層がｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなる層を有すると、この層が電子障壁層として機能するため、発光効率が向上し、好ましい。また、ｐ側層がｐ型不純物ドープ窒化アルミニウムガリウムからなり、ｐ型不純物ドープ窒化アルミニウムガリウムにおけるアルミニウム比ｍ_Ａｌ３が活性層側から上方向に順次減少する第三の組成傾斜層を有していると、電子障壁層としての機能を維持しつつ、ホール障壁を上方向に漸次減少させることができるためより好ましい。結果、後述のｐ電極からｐ側層を経由して活性層へホールを効率良く供給可能になる。第三の組成傾斜層は先述の電子障壁層を兼ねても良いし、電子障壁層から独立していても良い。ｐ側層は、単一の層のみからなっていても良いし、他の層と組み合わせたものであっても良い。なお、ｐ側層をｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムとする手段は限定されないが、マグネシウムドープであると添加濃度が効率良く半導体層のｐ型化に寄与するので好ましい。図１におけるｐ側層を抜き出し、強調したものが図５である。図５は、とある目的で形成される層１５１、電子障壁層１５２、層１５１とは別の目的で形成される層１５３及び層１５４からなるｐ側層の例を表している。更に、図５において、電子障壁層１５２は、第三の組成傾斜層１５２ｃを有している。もちろん目的に応じてｐ側層は様々な形態をとることが可能である。

［半導体積層体の製造方法］
本発明の半導体積層体は公知の手法を用いて製造することができる。有機気相金属成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、水素化物気相反応法（ＨＶＰＥ）等を目的に応じて適宜選択すれば良い。

［半導体発光素子］
本発明の半導体積層体に公知の手法を用いて電極等を形成する、あるいは半導体積層体を所望の形状に加工する、等して、深紫外線を発する本発明の窒化物半導体発光素子を得ることができる。なお、本発明の半導体発光素子は所謂フェイスダウン構造をとるので、ｎ電極は本発明の半導体積層体の特定領域を一定量除去し、ｎ側層を上側に露出させた上で形成する。露出させるｎ側層は、第一の組成傾斜層でも良いし、第二の組成傾斜層でも良い。図６は本発明の窒化物半導体積層体にｎ電極１６及びｐ電極１７を形成した例を表している。図６においてはｎ電極は第一の組成傾斜層に電気的に接続されているが、第二の組成傾斜層に電気的に接続されていても良い。

以下、実施例を用いてより具体的に説明する。

直径７．６２ｃｍ（３インチ）の、ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板上に厚さ３．５μｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板を反応容器に設置し、原料ガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、厚さ約０．１μｍの単結晶の窒化アルミニウムからなるバッファ層を追加形成した。こうしてテンプレート基板におけるバッファ層の厚さを約３．６μｍにした。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、厚さ約２７．０ｎｍのＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎからなる層（層ａ）を形成した。次にＴＭＧの導入を止め、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１０．２ｎｍのＡｌＮからなる層（層ｂ）を形成した。層ａ及び層ｂを交互に夫々３０回繰り返し形成し、超格子層を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、アンドープであり、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３ＮからＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎまで上方向へｍ_Ａｌ１が順次減少する第一の組成傾斜層を形成した。第一の組成傾斜層の厚みは５００ｎｍである。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシラン用いて、シリコンドープであり、Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４ＮからＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎまで上方向へｍ_Ａｌ２が順次減少する第二の組成傾斜層を形成した。第二の組成傾斜層の厚みは２５００ｎｍである。

第二の組成傾斜層形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を９７０℃、２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）に調整した。調整後、アンモニア、ＴＭＡ、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びモノシランを用いて、厚さ約５０．０ｎｍのシリコンドープのＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる層（層ｃ）を形成した。

次にモノシランの導入を止め、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＥＧを用いて、厚さ約４．４ｎｍのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる層（層ｄ１）を形成した。引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＥＧ及びモノシランを用いて、厚さ約２．５ｎｍのシリコンドープのＡｌ_０．５６Ｇａ_０．４４Ｎからなる層（層ｄ２）を形成した。層ｄ１及び層ｄ２を交互に２回繰り返し形成し、層ｄとした。

層ｃ及び層ｄを合わせて活性層とした。層ｄ１は発光層としての役目を果たす。

活性層形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を８７０℃、１３．３ｋＰａに調整した。調整後、アンモニア及びＴＭＡを用いて、厚さ約１．０ｎｍのｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムからなる層（層ｅ）を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、厚さ約４．０ｎｍのｐ型不純物ドープのＡｌ_０．７８Ｇａ_０．２２Ｎからなる層（層ｆ）を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ；マグネソセン）を用いて、厚さ約７８．０ｎｍのマグネシウムドープのＡｌ_０．６３Ｇａ_０．３７Ｎからなる層（層ｇ）を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇを用いて、マグネシウムドープであり、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４ＮからＧａＮまで上方向へｍ_Ａｌ３が順次減少する第三の組成傾斜層（層ｈ）を形成した。第三の組成傾斜層の厚さは２３ｎｍである。

引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇを用いて、厚さ約３０９．０ｎｍのマグネシウムドープの窒化ガリウムからなる層（層ｉ）を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇを用いて、厚さ約１４．６ｎｍのマグネシウムドープの窒化ガリウムからなる層（層ｊ）を形成した。

層ｅ〜層ｊを合わせてｐ側層とした。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。また、層ｆ〜層ｈは電子障壁層としての役目も果たす。

実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層、超格子層及び第一の組成傾斜層を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、シリコンドープであり、Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４ＮからＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎまで１．５μｍかけて上方向へｍ_Ａｌ２が順次減少し、さらに約１μｍの、シリコンドープのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎからなる層が連続する第二の組成傾斜層を形成した。

引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。

実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層、超格子層及び第一の組成傾斜層を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、シリコンドープであり、Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４ＮからＡｌ_０．５１Ｇａ_０．５９Ｎまで３５０ｎｍかけて、Ａｌ_０．５１Ｇａ_０．５９ＮからＡｌ_０．４８Ｇａ_０．５２Ｎまで３５０ｎｍかけて、Ａｌ_０．４８Ｇａ_０．５２ＮからＡｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ｎまで４５０ｎｍかけて、Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３ＮからＡｌ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎまで７５０ｎｍかけて、Ａｌ_０．４６Ｇａ_０．５４ＮからＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎまで７５０ｎｍかけて上方向へｍ_Ａｌ２が順次減少する第二の組成傾斜層を形成した。

引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。

実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層及び超格子層を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、アンドープであり、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３ＮからＡｌ_０．５１Ｇａ_０．４９Ｎまで上方向へｍ_Ａｌ１が順次減少する第一の組成傾斜層を形成した。第一の組成傾斜層の厚みは５００ｎｍである。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、シリコンドープであり、Ａｌ_０．５１Ｇａ_０．４９ＮからＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎまで上方向へｍ_Ａｌ２が順次減少する第二の組成傾斜層を形成した。第二の組成傾斜層の厚みは２．５μｍである。

引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。

［比較例１］
実施例１と同様のテンプレート基板を反応容器に設置し、実施例１と同様にバッファ層及び超格子層を形成した。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧを用いて、厚さ約５００ｎｍのアンドープのＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎの層を形成し、実施例１における第一の組成傾斜層の替りとした。

引き続きアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びモノシランを用いて、厚さ約２．５μｍのシリコンドープのＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎの層を形成し、実施例１における第二の組成傾斜層の替りとした。

引き続き実施例１と同様にして活性層及びｐ側層を形成した。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。

［比較例２］
超格子層を形成しない以外実施例１と同様にし、目的の窒化物半導体積層体を得た。

［表面抵抗率測定］
実施例１〜４及び比較例１、２について、以下のようにして表面抵抗率を求める。

渦電流を用いる非接触シート抵抗測定器で半導体層のシート抵抗を計測した。測定は夫々５点ずつ行い、その平均を半導体積層体の表面抵抗率とした。

［Ｖｆ測定］
実施例及び比較例について以下のようにしてｎ電極を形成し、Ｉｆ（順駆動電流）２０ｍＡで通電してＶｆを測定する。

［ｎ側層露出］
所定の領域のみエッチングされる様マスクを形成する。形成後、半導体積層体をドライエッチング装置に入れ、装置内を１０．５Ｐａに調整する。調整後、バイアス出力２５０Ｗにし、塩素及び四塩化ケイ素を用いて、ｐ側層側から約０．８μｍエッチングを施し、ｎ側層を露出させる。エッチング後ドライエッチング装置から半導体積層体を取り出し、マスクを除去する。

［ｎ電極形成］
露出したｎ側層のみスパッタされるようマスクを形成する。形成後、半導体積層体をスパッタ装置に入れ、装置内を１．０×１０^−４Ｐａに調整する。調整後、アルゴン雰囲気下でチタンとアルミニウムの合金を露出したｎ側層にスパッタする。チタンターゲットにかける高周波電圧の出力は３００Ｗ、アルミニウムターゲットにかける高周波電圧の出力は５００Ｗとする。スパッタ後ｎ電極が形成された半導体積層体をスパッタ装置から取り出す。この時点では一枚のウエハーに複数の半導体積層体が形成され、個々の半導体積層体は同一のｎ側層を共有している状態である。

［通電］
隣り合う半導体積層体のｎ電極間を通電する。

［クラックの発生率］
実施例１及び比較例１、２の半導体積層体を夫々１０個作製し、活性層におけるクラックの発生率Ｃｒを測定した。

バッファ層膜厚と発光素子の発光効率の関係を調べるために、ＡｌＮバッファ層厚みを変えて深紫外発光素子を作製した。ＡｌＮバッファ層が１μｍのとき、ピーク波長２８０ｎｍのＬＥＤの初期特性は下記の通りだった。電流＝２０ｍＡ、電圧＝７．１３Ｖ、光出力＝０．２９３ｍＷ。一方、ＡｌＮバッファ層を２μｍにしたときのＬＥＤの初期特性は下記の通りだった。電流＝２０ｍＡ、電圧＝７．２０Ｖ、光出力＝０．４０１ｍＷ。ＡｌＮバッファ層厚を１μｍから２μｍに大きくすることで光出力が３７％向上した。ＡｌＮバッファ層厚をさらに大きくすることで、更なる光出力の向上が期待できる。

実施例及び比較について、表面抵抗率Ｒｓ、Ｖｆ及びクラック発生率Ｃｒの値を表１に示す。

表１より、ｎ側層を組成傾斜層にすることでＲｓが低下することが分かる。Ｖｆが低下しているのはその結果と考えられる。さらに、ｎ側層を組成傾斜層にすることで、Ｉ−Ｖカーブが曲線状から直線状に変化した。これはｎ側層とｎ電極との電気的接合がショットキー接合からオーミック接合に変化したことを意味する。オーミック接合が得られた効果でＬＥＤ駆動時の順方向電圧も低下した。また、超格子層を形成することでバッファ層を厚くしてもクラックが発生しないことが分かる。このため、従来よりも少ない投入電力で効率良く深紫外線を発光させることが可能となる。

本発明の窒化物半導体積層体を用いると、バッファ層を厚くしてもクラックが発生しにくく、且つＶｆの低い、深紫外線を発光する発光素子を得ることができる。このようにして得られる発光素子は非常に省エネルギーな深紫外発光素子であるため、水道水の殺菌、リソグラフィー用光源等紫外線を一度に多量に照射する産業分野において好適に利用できる。

１ 窒化物半導体積層体
１１ テンプレート基板
１１１ 下地基板
１１２ バッファ層
１２ 超格子層
１３ ｎ側層
１３１ 第一の組成傾斜層
１３２ 第二の組成傾斜層
１４ 活性層
１４２ 発光層
１５ ｐ側層
１５２ 電子障壁層
１５２ｃ 第三の組成傾斜層
１６ ｎ電極
１７ ｐ電極
６ 窒化物半導体発光素子

Claims (11)

1. ｃ面を上面に有するサファイアからなる下地基板上面に接して厚さ２μｍ以上４μｍ以下の窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板と、
   前記テンプレート基板上面に接してに形成され、窒化アルミニウムガリウム層及び窒化アルミニウム層を交互に積層してなる超格子層と、
   前記超格子層の上面に接して形成され、アンドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記アンドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍ_Ａｌ１が前記超格子層側から上方向に順次減少する第一の組成傾斜層と、
   前記第一の組成傾斜層の上面に接して形成され、ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記ｎ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍ_Ａｌ２が前記第一の組成傾斜層側から上方向に順次減少する第二の組成傾斜層と、
   前記第二の組成傾斜層の上面に接して形成され、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、深紫外光を発する発光層を有する活性層と、
   前記活性層の上面に接して形成されるｐ側層と、
   を含む、窒化物半導体積層体。
2. 前記第一の組成傾斜層上面における前記ｍ_Ａｌ１（≡ｍ_Ａｌ１^ｕ）と、前記第二の傾斜層下面における前記ｍ_Ａｌ２（≡ｍ_Ａｌ２^ｂ）との比ｍ_Ａｌ１^ｕ／ｍ_Ａｌ２^ｂが、１．００以上１．０２以下である、請求項１に記載の窒化物半導体積層体。
3. 前記第二の組成傾斜層における前記ｎ型不純物がシリコンである、請求項１又は２に記載の窒化物半導体積層体。
4. 前記ｐ側層が、ｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなる電子障壁層を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層体。
5. 前記電子障壁層における前記ｐ型不純物がマグネシウムである請求項４に記載の窒化物半導体積層体。
6. 前記ｐ側層が、ｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムからなり、前記ｐ型不純物ドープの窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム比ｍ_Ａｌ３が前記活性層側から上方向に順次減少する第三の組成傾斜層を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層体。
7. 前記第三の組成傾斜層における前記ｐ型不純物がマグネシウムである、請求項６に記載の窒化物半導体積層体。
8. 前記下地基板の前記上面が、ｃ面からａ軸方向又はｍ軸方向に０．２°以上２°以下傾いている、請求項１乃至７に記載の窒化物半導体積層体。
9. 前記バッファ層における前記窒化アルミニウムが、単結晶窒化アルミニウムである、請求項１乃至８に記載の窒化物半導体積層体。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層体と、
    前記窒化物半導体積層体の前記第一の組成傾斜層に電気的に接続されたｎ電極と、
    前記窒化物半導体積層体の前記ｐ側層に電気的に接続されたｐ電極と、
    を含む窒化物半導体発光素子。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層体と、
    前記窒化物半導体積層体の前記第二の組成傾斜層に電気的に接続されたｎ電極と、
    前記窒化物半導体積層体の前記ｐ側層に電気的に接続されたｐ電極と、
    を含む窒化物半導体発光素子。

Images