JP2017201655A - 深紫外発光素子および深紫外発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】垂直構造を有する深紫外発光素子の動作電圧を低減させる技術を提供する。【解決手段】深紫外発光素子１０は、支持基板３２上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層２２と、電子ブロック層２２上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層２０と、活性層２０上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層１８と、ｎ型クラッド層１８上の一部領域に設けられ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層３４と、ｎ型コンタクト層３４上に形成されるｎ側電極３６と、を備える。ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型クラッド層１８よりもバンドギャップが小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、深紫外発光素子に関し、特に、窒化物半導体を用いた深紫外発光素子およびその製造方法に関する。
近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。このような深紫外光用の発光素子は、基板上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを有する。
深紫外発光素子では、例えば、ｐ型クラッド層上の第１領域にｐ電極が形成され、第１領域と異なる第２領域において活性層およびｐ型クラッド層を除去してｎ型クラッド層が露出され、第２領域のｎ型クラッド層上にｎ電極が形成される。このような素子構造は、いわゆる「水平構造」として知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の積層体から基板を除去し、露出するｎ型クラッド層にｎ電極を形成した、いわゆる「垂直構造」の発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
特許第５５９４５３０号公報
Applied Physics Express 2 (2009)092102
上述の垂直構造の発光素子では、ｎ電極とｐ電極が面内方向に隣り合う水平構造と比べて高出力化を実現しやすいといわれている。しかしながら、上述の非特許文献１によれば、垂直構造の発光素子では、ｎ電極とｐ電極の間の直列抵抗が大きく、高出力で駆動させるために極めて高い動作電圧が必要とされる。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、垂直構造を有する深紫外発光素子の動作電圧を低減させる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の深紫外発光素子は、支持基板上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層と、電子ブロック層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、活性層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上の一部領域に設けられ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に形成されるｎ側電極と、を備える。ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい。
この態様によると、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さいｎ型コンタクト層を介してｎ側電極が形成されるため、ｎ側電極の接触抵抗を下げることができる。また、ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成することにより、ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層上にｎ側電極を形成する場合と比べて、良好なオーミックコンタクトを実現しやすくできる。これにより、発光素子の直列抵抗を低減させ、動作電圧の低電圧化を実現できる。
ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層よりも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の含有率が低い。
ｎ型クラッド層は、活性層が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有してもよい。ｎ型コンタクト層は、活性層が発する深紫外光の波長よりも小さいバンドギャップを有してもよい。
ｎ型クラッド層は、４．３ｅＶ以上のバンドギャップを有してもよい。
本発明の別の態様は、深紫外発光素子の製造方法である。この方法は、ベース基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層とを順に積層させた積層体を形成するステップと、積層体からベース基板を除去するステップと、ベース基板の除去により露出するｎ型クラッド層上の一部領域にＧａＮを含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層を形成するステップと、ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成するステップと、を備える。ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい。
この態様によると、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さいｎ型コンタクト層を介してｎ側電極が形成されるため、ｎ側電極の接触抵抗を下げることができる。また、ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成することにより、ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層上にｎ側電極を形成する場合と比べて、良好なオーミックコンタクトを実現しやすくできる。これにより、発光素子の直列抵抗を低減させ、動作電圧を低減できる。
ｎ型コンタクト層を形成するステップは、ベース基板の除去により露出するｎ型クラッド層上の一部領域を避けてマスクを形成するステップと、マスクの上からｎ型半導体材料の層を形成するステップと、マスクを除去してｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含んでもよい。
ｎ型コンタクト層を形成するステップは、ベース基板の除去により露出するｎ型クラッド層上にｎ型半導体材料の層を形成するステップと、ｎ型半導体材料の層の一部を除去してｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含んでもよい。
ｎ型コンタクト層上の開口領域にテクスチャ構造を形成するステップをさらに備えてもよい。
ベース基板は、レーザリフトオフにより積層体から除去されてもよい。
積層体を形成するステップは、ベース基板とｎ型クラッド層の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むベース層を形成するステップを含んでもよい。ベース基板を除去するステップは、ベース層の少なくとも一部を除去してｎ型クラッド層を露出させるステップを含んでもよい。
本発明によれば、垂直構造を有する深紫外発光素子の動作電圧を低減できる。
実施の形態に係る深紫外発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 図１の深紫外発光素子の構成を概略的に示す上面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 変形例に係る深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 変形例に係る深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
図１は、実施の形態に係る深紫外発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。深紫外発光素子１０は、支持基板３２、接着層３０、ｐ側電極２８、ｐ型コンタクト層２６、ｐ型クラッド層２４、活性層２０、ｎ型クラッド層１８、ｎ型コンタクト層３４、ｎ側電極３６を備える。深紫外発光素子１０は、中心波長が約３５５ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成される半導体発光素子である。このような波長の深紫外光を出力するため、活性層２０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長が約３１０ｎｍ以下の深紫外光を発する場合について示す。
本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。
また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。
支持基板３２は、ｐ側電極２８からｎ型クラッド層１８までの各層で構成される積層体５０を機械的に支持する支持体である。支持基板３２の材質は特に問わないが、熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましく、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などのセラミック基板を用いることができる。接着層３０は、支持基板３２と積層体５０を接着する。接着層３０の材質も特に問わないが、熱伝導率の高い金属材料で構成されることが好ましい。接着層３０として金属を用いる場合、支持基板３２のうち接着層３０と接する部分にメタライズ処理が施されてもよい。
ｐ側電極２８は、接着層３０とｐ型コンタクト層２６の間に設けられる。ｐ側電極２８は、ｐ型コンタクト層２６との間でオーミック接触が実現できる材料で形成され、例えば、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、Ｎｉ層が６０ｎｍ程度であり、Ａｕ層が５０ｎｍ程度である。
ｐ型コンタクト層２６は、ｐ側電極２８とｐ型クラッド層２４の間に設けられる。ｐ型コンタクト層２６は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型コンタクト層２６は、電子ブロック層２２やｐ型クラッド層２４よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択される。ｐ型コンタクト層２６は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下であることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が１０％以下であることがより望ましい。ｐ型コンタクト層２６は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型のＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。ｐ型コンタクト層２６のＡｌＮのモル分率を小さくすることにより、ｐ側電極２８との良好なオーミック接触を得ることができる。また、ｐ型コンタクト層２６のバルク抵抗を下げ、活性層２０へのキャリア注入効率を向上させることができる。
ｐ型クラッド層２４は、ｐ型コンタクト層２６と電子ブロック層２２の間に設けられる。ｐ型クラッド層２４は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層２４は、活性層２０およびｐ型コンタクト層２６よりもＡｌＮのモル分率が高く、電子ブロック層２２よりもＡｌＮのモル分率が低くなるように組成比が選択される。ｐ型クラッド層２４は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。変形例においては、ｐ型クラッド層２４が設けられなくてもよい。
電子ブロック層２２は、ｐ型クラッド層２４と活性層２０の間に設けられる。電子ブロック層２２は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。電子ブロック層２２は、活性層２０、ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２６よりもＡｌＮのモル分率が高くなるように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２２は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層２２は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。
活性層２０は、ｎ型クラッド層１８と電子ブロック層２２の間に設けられる。活性層２０は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ｎ型クラッド層１８と電子ブロック層２２に挟まれてダブルヘテロ接合構造を構成する。活性層２０は、単層もしくは多層の量子井戸構造を構成してもよい。このような量子井戸構造は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成されるバリア層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層とを積層させることにより形成できる。
ｎ型クラッド層１８は、活性層２０の上に設けられる。ｎ型クラッド層１８は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層１８は、活性層２０が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層１８は、活性層２０が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層１８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように形成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように形成されることがより望ましい。ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料の導電率がＡｌＮ組成比が７０％を超えると顕著に低下し、バルク抵抗の増大につながるためである。ｎ型クラッド層１８は、１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２００ｎｍ程度の厚さを有する。
ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型クラッド層１８の一部領域（コンタクト領域Ｗ１）の上に設けられる。ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ＳｉドープのＡｌＧａＮ層である。ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型クラッド層１８よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択される。ｎ型コンタクト層３４は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下であることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が１０％以下であることがより望ましい。ｎ型コンタクト層３４は、実質的にＡｌＮを含まないｎ型のＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。ｎ型コンタクト層３４は、活性層２０が発する深紫外光の波長より小さいバンドギャップを有してもよく、例えば、バンドギャップが３．４ｅＶ程度であってもよい。ｎ型コンタクト層３４のＡｌＮのモル分率を小さくすることにより、ｎ側電極３６との良好なオーミック接触を得ることができる。また、ｎ型コンタクト層３４のバルク抵抗を下げ、活性層２０へのキャリア注入効率を向上させることができる。
ｎ側電極３６は、ｎ型コンタクト層３４の上に設けられる。ｎ側電極３６は、例えば、チタン（Ｔｉ）／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、第１のＴｉ層が２０ｎｍ程度であり、Ａｌ層が１００ｎｍ程度であり、第２のＴｉ層が５０ｎｍ程度であり、Ａｕ層が１００ｎｍ程度である。ｎ側電極３６の少なくとも一部は、ボンディングパッド３８として機能する。ボンディングパッド３８には、ボンディングワイヤ４４が取り付けられる。
ｎ型クラッド層１８の上面１８ａには、コンタクト領域Ｗ１と開口領域Ｗ２が設けられる。コンタクト領域Ｗ１は、ｎ型コンタクト層３４およびｎ側電極３６が形成される領域であり、開口領域Ｗ２は、ｎ型クラッド層１８が露出して光出射面４０となる領域である。光出射面４０には、光取り出し効率を高めるためのテクスチャ構造４２が設けられる。テクスチャ構造４２は、サブミクロンないしサブミリ程度の微小な凹凸構造である。
図２は、図１の深紫外発光素子１０の構成を概略的に示す上面図であり、コンタクト領域Ｗ１および開口領域Ｗ２の構成例を示す。コンタクト領域Ｗ１は、ｎ型コンタクト層３４の形成領域であり、図示されるように格子状に配置される。コンタクト領域Ｗ１は、活性層２０に十分にキャリアを注入できる程度に幅広く形成される一方、光出射面４０からの深紫外光の出力を阻害しない程度に細く形成されることが好ましい。コンタクト領域Ｗ１の一部には、ボンディングパッド３８を形成するために他の部分よりも広い部分が設けられ、図示する例では深紫外発光素子１０の角部１０ａに設けられる。開口領域Ｗ２は、ｎ型コンタクト層３４が形成されていない光出射面４０に対応する領域であり、各領域がコンタクト領域Ｗ１により囲まれている。図２は、９つの開口領域Ｗ２が設けられる例を示しているが、コンタクト領域Ｗ１および開口領域Ｗ２の形状は図示する例に限られず、他の任意の形状を有してもよい。
つづいて、図３〜図９を参照しながら深紫外発光素子１０の製造方法について述べる。まず、図３に示すように、ベース基板１２の上に第１ベース層１４、第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２、ｐ型クラッド層２４、ｐ型コンタクト層２６、ｐ側電極２８を順に積層させる。
ベース基板１２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板であり、ＡｌＧａＮ系半導体材料を形成するための成長基板である。例えば、サファイア基板の（０００１）面上に第１ベース層１４および第２ベース層１６が積層される。第１ベース層１４は、ＡｌＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ）層である。第２ベース層１６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ−ＡｌＧａＮ）層である。
第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２、ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料またはＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。ｐ側電極２８を構成する金属層（Ｎｉ／Ａｕ層）は、例えば、ＭＢＥ法などの周知の方法により形成できる。
次に、図４に示すように、ｐ側電極２８の上に接着層３０を介して支持基板３２を取り付ける。つづいて、図５に示すようにベース基板１２の上からベース基板１２と第１ベース層１４の界面付近に向けてレーザ光６０を照射し、いわゆるレーザリフトオフプロセスによりベース基板１２を積層体５０から除去する。図５では、図面の上下方向を図４と反転し、支持基板３２を下側に描いている。レーザリフトオフでは、ベース基板１２のみが除去されてもよいし、第１ベース層１４および第２ベース層１６の一部または全部が除去されてもよい。レーザリフトオフの後に反応性イオンエッチングやプラズマ等を用いたドライエッチングにより、第１ベース層１４および第２ベース層１６の少なくとも一部が除去されてもよい。これらの処理により、図６に示すように、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａが露出した状態ができあがる。
次に、図７に示すように、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａの開口領域Ｗ２に対応する部分にマスク層４６が形成され、マスク層４６の上からｎ型半導体材料の層４８が形成される。ｎ型半導体材料の層４８は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ｎ型クラッド層１８よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択される。ｎ型半導体材料の層４８は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下または１０％以下であることが好ましく、ＡｌＮを含まないｎ型のＧａＮ系半導体材料であってもよい。
つづいて、マスク層４６およびマスク層４６の上に形成されるｎ型半導体材料の層４８を除去することにより、図８に示すように、ｎ型コンタクト層３４ができあがる。マスク層４６およびマスク層４６の上に形成されるｎ型半導体材料の層４８は、例えば、マスク層４６を溶解させる酸性溶液を用いることにより除去できる。さらに、開口領域Ｗ２に露出するｎ型クラッド層１８の表面にテクスチャ構造４２を形成することにより、図９に示すように、光出射面４０が形成される。テクスチャ構造４２は、例えば、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａを水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ溶液で異方性エッチングすることにより形成できる。その他、ナノインプリントなどを施したマスクを介してドライエッチングすることによりテクスチャ構造４２を形成してもよい。
つづいて、ｎ型コンタクト層３４の上にｎ側電極３６が形成される。ｎ側電極３６を構成する金属層（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ層）は、例えば、ＭＢＥ法などの周知の方法により形成できる。ｎ側電極３６を形成した後、ｎ型コンタクト層３４とｎ側電極３６の接触抵抗を下げるために、急速熱アニール（ＲＴＡ；Rapid Thermal Anneal）などの手法により熱処理を加えてもよい。最後に、ｎ側電極３６の一部で構成されるボンディングパッド３８にボンディングワイヤ４４を接続することにより、図１に示す深紫外発光素子１０ができあがる。
つづいて、本実施の形態に係る深紫外発光素子１０が奏する効果について述べる。本実施の形態によれば、活性層２０を挟んで上下にｐ側電極２８およびｎ側電極３６が配置される垂直構造を実現できるため、水平構造に比べて高出力の発光素子とすることができる。また、ｎ型クラッド層１８の直上にｎ側電極３６を形成するのではなく、ｎ型コンタクト層３４を介してｎ側電極３６が形成されるため、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。これにより、深紫外発光素子１０のｐ側電極２８とｎ側電極３６の間の直列抵抗値を低減させ、深紫外発光素子１０の動作電圧を低くできる。
ｎ型クラッド層１８は、活性層２０と光出射面４０の間に位置するため、活性層２０からの深紫外光を効率良く外部に取り出すためには、ｎ型クラッド層１８が発光波長に対して透明であり、発光波長よりも大きいバンドギャップを有する必要がある。例えば、波長３１０ｎｍ以下の深紫外光を効率的に取り出すためには、発明者らの知見から４．３ｅＶ以上のバンドギャップを有するｎ型クラッド層１８を用いる必要がある。このようなバンドギャップを実現するためには、ＡｌＮ組成比が４０％以上、好適には５０％以上のＡｌＧａＮ系半導体材料を用いればよい。しかしながら、ｎ型クラッド層１８のＡｌＮ組成比を高めると、ｎ側電極３６との良好なオーミックコンタクトを得ることが困難となり、また、接触抵抗を下げるために高温での熱処理が必須となる。例えば、ＡｌＮ組成比が４０％のＡｌＧａＮに対してオーミックコンタクトを得る場合には、９００℃以上の熱処理が必要であることが発明者らの知見から分かっている。このような高温での熱処理をｎ側電極３６の形成後に実施すると、積層体５０を構成する各層や、積層体５０と支持基板３２を接着する接着層３０に影響を及ぼし、深紫外発光素子１０の性能を低下させるおそれがある。
一方、本実施の形態によれば、ｎ型クラッド層１８よりもバンドギャップが小さい、つまり、ＡｌＮ組成比が小さいｎ型コンタクト層３４を介してｎ側電極３６を設けているため、良好なオーミックコンタクトを比較的容易に得ることができる。例えば、ｎ型コンタクト層３４のＡｌＮ組成比を２０％以下とすることにより、比較的低温の熱処理（例えば、６００℃以下）によってｎ型コンタクト層３４とｎ側電極３６の接触抵抗を下げることができる。これにより、高温での熱処理に係る懸念を払拭することができる。また、ｎ型コンタクト層３４のＡｌＮ組成比をさらに低くくし、実質的にＡｌＮを含まないＧａＮ系半導体材料でｎ型コンタクト層３４を形成すれば、ｎ側電極３６の形成後に熱処理を加えなくても良好なオーミックコンタクトを得ることもできる。
また、本実施の形態によれば、ｎ型クラッド層１８の光出射面４０にテクスチャ構造４２を設けることで、光出射面４０の界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制させることができる。テクスチャ構造４２が形成されるｎ型クラッド層１８の上面１８ａは、ｎ型クラッド層１８の結晶成長が開始される側の主面であるため、ガリウム（Ｇａ）面ではなく、主に窒素（Ｎ）面により構成される。Ｎ面は、Ｇａ面に比べてウェットエッチングされやすい特徴を有するため、ｎ型クラッド層１８の露出面を単にウェットエッチングするだけで比較的容易にテクスチャ構造４２を形成できる。したがって、本実施の形態によれば、レーザリフトオフにより露出した面をウェットエッチングすることで、テクスチャ構造４２を形成し、外部取出効率の高い深紫外発光素子１０を実現できる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
（変形例１）
図１０および図１１は、変形例に係る深紫外発光素子１０の製造工程を概略的に示す断面図であり、上述の図７および図８の工程に対応する。本変形例では、マスク層４６の上にｎ型半導体材料の層４８を形成するのではなく、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａにｎ型半導体材料の層５８を形成してからマスク層５６を設ける点で上述の実施の形態と異なる。
図６の工程後、図１０に示すように、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａにｎ型半導体材料の層５８とマスク層５６が形成される。ｎ型半導体材料の層５８は、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａの全体を覆うように形成される。マスク層５６は、コンタクト領域Ｗ１となる部分に選択的に設けられ、開口領域Ｗ２においてｎ型半導体材料の層５８が露出するように設けられる。
つづいて、図１１に示すように、マスク層５６を利用してｎ型半導体材料の層５８の一部、つまり、開口領域Ｗ２に対応する一部を除去することにより、コンタクト領域Ｗ１に選択的に設けられるｎ型コンタクト層３４が形成される。その後、図９の工程と同様に、開口領域Ｗ２にテクスチャ構造４２を形成し、ｎ型コンタクト層３４の上にｎ側電極３６を形成し、ボンディングパッド３８にボンディングワイヤ４４を接続することにより、図１の深紫外発光素子１０ができあがる。
（変形例２）
上述の実施の形態では、ベース基板１２をレーザリフトオフにより除去し、ｎ型クラッド層１８の上に残る第１ベース層１４および第２ベース層１６を除去した後に、ｎ型クラッド層１８を露出させてからｎ型コンタクト層３４を形成する場合を示した。変形例においては、レーザリフトオフにより露出する第１ベース層１４または第２ベース層１６の上にｎ型コンタクト層３４を形成してもよい。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料（ｎ型クラッド層１８）の上に設けられるｕ−ＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層の上にｎ型コンタクト層３４を形成してもよい。この場合であっても、ｕ−ＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層の直上にｎ側電極３６を形成する場合と比べてｎ側電極３６の接触抵抗を下げることができる。
（変形例３）
上述の実施の形態では、ベース基板１２、第１ベース層１４および第２ベース層１６の積層構造上にｎ型クラッド層１８を含む積層体５０を形成する場合を示した。変形例においては、異なる材料の成長基板上にｎ型クラッド層１８を含む積層体５０を形成してもよい。例えば、第２ベース層１６を省略し、ＡｌＮ層である第１ベース層１４の上にｎ型クラッド層１８を形成してもよい。また、サファイア基板とは異なる材料の成長基板の上にＡｌＮ層を形成し、その上に第２ベース層１６およびｎ型クラッド層１８、または、ｎ型クラッド層１８を形成してもよい。
（変形例４）
変形例においては、ｐ型クラッド層２４にｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される超格子構造が形成されてもよい。超格子構造は、例えば、ＡｌＮモル比率が相対的に大きいＡｌＧａＮ層と小さいＡｌＧａＮ層を積層させることにより形成できる。具体的には、ＡｌＮモル比率が６０％のＡｌＧａＮ層と、ＡｌＮモル比率が４０％のＡｌＧａＮ層を積層させることで形成される。
この超格子構造は、ｐ型コンタクト層２６から注入されるキャリア（ホール）が二次元的に分布した二次元ホールガス（２ＤＨＧ）を形成するように構成され、キャリアの横方向の移動を促進させるように構成される。このような超格子構造を形成することにより、活性層２０へのキャリアの注入効率を高め、深紫外発光素子１０の出力を向上させることができる。
１０…深紫外発光素子、１２…ベース基板、１８…ｎ型クラッド層、２０…活性層、２２…電子ブロック層、２４…ｐ型クラッド層、２６…ｐ型コンタクト層、２８…ｐ側電極、３２…支持基板、３４…ｎ型コンタクト層、３６…ｎ側電極、４２…テクスチャ構造、４８…ｎ型半導体材料の層、５０…積層体、Ｗ１…コンタクト領域、Ｗ２…開口領域。

Claims (10)

  1. 支持基板上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層と、
    前記電子ブロック層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、
    前記活性層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層上の一部領域に設けられ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層と、
    前記ｎ型コンタクト層上に形成されるｎ側電極と、を備え、
    前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする深紫外発光素子。
  2. 前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層よりも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の含有率が低いことを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
  3. 前記ｎ型クラッド層は、前記活性層が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、
    前記ｎ型コンタクト層は、前記活性層が発する深紫外光の波長よりも小さいバンドギャップを有することを特徴とする請求項１または２に記載の深紫外発光素子。
  4. 前記ｎ型クラッド層は、４．３ｅＶ以上のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の深紫外発光素子。
  5. ベース基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層とを順に積層させた積層体を形成するステップと、
    前記積層体から前記ベース基板を除去するステップと、
    前記ベース基板の除去により露出する前記ｎ型クラッド層上の一部領域にＧａＮを含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層を形成するステップと、
    前記ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成するステップと、を備え、
    前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする深紫外発光素子の製造方法。
  6. 前記ｎ型コンタクト層を形成するステップは、前記ベース基板の除去により露出する前記ｎ型クラッド層上の前記一部領域を避けてマスクを形成するステップと、前記マスクの上から前記ｎ型半導体材料の層を形成するステップと、前記マスクを除去して前記ｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項５に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  7. 前記ｎ型コンタクト層を形成するステップは、前記ベース基板の除去により露出する前記ｎ型クラッド層上に前記ｎ型半導体材料の層を形成するステップと、前記ｎ型半導体材料の層の一部を除去して前記ｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項５に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  8. 前記ｎ型コンタクト層上の開口領域にテクスチャ構造を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  9. 前記ベース基板は、レーザリフトオフにより前記積層体から除去されることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  10. 前記積層体を形成するステップは、前記ベース基板と前記ｎ型クラッド層の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むベース層を形成するステップを含み、
    前記ベース基板を除去するステップは、前記ベース層の少なくとも一部を除去して前記ｎ型クラッド層を露出させるステップを含むことを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載の深紫外発光素子の製造方法。
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