JP2019021852A - 紫外線発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば６００℃以下というような比較的低いプロセス温度を以てデバイス工程を進めていくことができる、発光素子特に紫外線発光素子を提供することである。【解決手段】電子供給層５であるＡｌＧａＮを介していわゆるトンネル効果が作用するために、比較的容易に良好なオーミックコンタクトが得られるほか、積層界面に沿った方向では、電子散乱の少ない低抵抗の導通状態を実現できる。発光デバイスのｎ型電極１０から発光層６に至るまでの電子輸送経路に、２次元電子ガスを生成しうる電子供給層５を挿入することで、ｎ型電極１０におけるコンタクト抵抗を引き下げ、発光層６への電流注入効率を向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体（ダイオード）を用いた発光素子、特に紫外線発光素子に関するものである。

ＡｌＮ成分比が高い窒化物半導体は、安価で長寿命の例えば紫外線発光デバイス用材料として期待されている。特に、発光波長２５５ｎｍ前後の新紫外域発光デバイスは、水銀ランプの代替を含めた空気・水質浄化、医療機器などの市場で応用可能性がある。窒化物半導体を用いた深紫外発光デバイスの発光層については、材料構成としてＡｌＧａＮを主成分とする多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）、製法としては有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によるエピタキシャル成長技術を用いた開発が数多く進められてきた（非特許文献１に記載）。

より高い結晶品質のＡｌＧａＮ結晶を形成する目的で、成長用下地基板としてＡｌＮ単結晶を用いる方法（非特許文献２に記載）や、１４００℃程度という従来よりも高温でエピタキシャル成長が可能なＭＯＣＶＤ装置を用いる方法（非特許文献３に記載）などが取り入れられている。他方、こうした単結晶基板や特殊仕様の成長装置には製造コ ストを増加させる懸念があった。

Ｈ．Ｈｉｒａｙａｍａ ｅｔ ａｌ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．５３（２０１４）１００２０９． Ｊ．Ｒ．Ｇｒａｎｄｕｓｋｙ ｅｔ ａｌ，Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ，３１１（２００９）２８６４ Ｈ．Ｔｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ，Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ ２０６（２００９）１１９９．

発光ダイオードのようなデバイスでは、発光層の構成材料よりもバンドギャップが大きな半導体、より具体的にはＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ混晶からなるクラッド層／コンタクト層の形成が必要である。そして、これらを経て発光層に効率良く電流注入するためのオーミック電極を形成する必要がある。しかしながら、例えばｎ型オーミック電極を形成する際、クラッド層／コンタクト層が高Ａｌ組成比のバンドギャップが大きいＡｌＧａＮ混晶である場合、金属パターン形成後に少なくとも８００℃以上の高温熱処理を施さないと良好なｎ型オーミック電極が形成できない。
そこで、本発明の目的は、上記のような課題を鑑み、例えば６００℃以下というような比較的低いプロセス温度を以てデバイス工程を進めていくことができる、発光素子特に紫外線発光素子を提供することである。

（１）成長用基板と、成長用基板の上方に各々ウルツ鉱型結晶構造のＩＩＩ族窒化物を含むｎ型クラッド層、電子供給層、発光層及びｐ型クラッド層をこの順に含んだ半導体積層構造を備えることを特徴とする紫外線発光ダイオード素子である。
（２）電子供給層のエネルギーバンドギャップが、ｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップよりも大きいことを特徴とする（１）に記載の紫外線発光ダイオード素子である。
「各々ウルツ鉱型結晶構造のＩＩＩ族窒化物を含むｎ型クラッド層、電子供給層、発光層及びｐ型クラッド層」とは、ｎ型クラッド層、電子供給層、発光層及びｐ型クラッド層が各々ウルツ鉱型結晶構造のＩＩＩ族窒化物を含むことを意味する。

（３）化学組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５５≦ｘ≦０．７５）であらわされるｎ型クラッド層に対し、電子供給層の化学組成をＩｎ_ｚ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｘ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１≦０．２、０．８≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦０．１）であらわせる範囲から選ぶことで、シート電子濃度５×１０^１２／ｃｍ^２以上の電子が、ｎ型クラッド層と電子供給層によって形成される界面についてｎ型クラッド層側の2次元電子層に蓄積されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の紫外線発光ダイオード素子である。
ｎ型クラッド層と電子供給層が接合することによって界面は形成される。シート電子濃度が５×１０^１２／ｃｍ^２であることは、単層もしくはバルク半導体としてのＡｌＧａＮ結晶では成し得ないほどの高濃度の電子であるという意義を有する。
（４）化学組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５５≦ｘ≦０．７５）であらわされるｎ型クラッド層に対し、化学組成Ｉｎ_ｚ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｘ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１≦０．２、０．８≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦０．１）であらわせる層と、化学組成Ｉｎ_ｚ２Ａｌ_ｙ２Ｇａ_ｘ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１、０≦ｘ２≦０．１、０．９≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦０．１）であらわされる層を交互に複数積層することによって、シート電子濃度１×１０^１３／ｃｍ^２以上の電子を蓄積できる超格子層が、電子供給層とｎ型クラッド層の間にさらに挿入されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の紫外線発光ダイオード素子である。
超格子層を形成することでさらに高濃度の電子層群を形成できるため、さらに導通抵抗の低い発光素子を構成することができるのである。

（５）電子供給層が、少なくともＩｎを含有することを特長とする（１）〜（４）の何れか１つに記載の紫外線発光ダイオード素子である。
（６）電子供給層の厚みが５〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とする（１）〜（５）の何れか１つに記載の紫外線発光ダイオード素子である。
（７）発光層が化学組成（Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｘ３Ｎ）_ｘｘ（Ｉｎ_ｚ３Ａｌ_ｙ４Ｎ）_１−ｘｘ（ｙ３＋ｘ３＝１、ｙ４＋ｚ３＝１、０．５３≦ｙ３≦０．８、０．８≦ｚ３≦０．９、０≦ｘｘ≦１）であらわされることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の紫外線発光ダイオード素子である。

本発明によれば、例えば６００℃以下というような比較的低いプロセス温度を以てデバイス工程を進めていくことができる。従って、紫外線発光素子については、上記のような電子供給層を用いることにより、比較的低い温度域の熱処理であっても、コンタクト抵抗が低く、良好な電子輸送ならびに電子注入を可能とする構成となる。特にＩｎ含有窒化物を発光層に備えた紫外線発光素子については、その組成分解を生じさせない温度域での熱プロセスが可能となるので高発光効率の紫外線発光デバイスが実現できる。

本発明による紫外線発光ダイオード素子の構成例を示す図である。 電子供給層と２次元電子層を備えた電子デバイス（ＨＥＭＴ）を示す図である。 本発明実施例１におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例１における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明実施例２におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例２における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明実施例３におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例３における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明実施例４におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例４における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明を説明するために作製した比較例１によるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明を説明するために作製した比較例２による紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 典型的な紫外線発光ダイオード素子の構成を示す図である。

（従来技術）
図２００は、発光素子のうち特に紫外線発光ダイオード素子２００の一例を示す断面模式図である。図２００ではコンタクト層が分離して記載しているが、これらが区別なく一体または連続（ｎ型コンタクト層２０３、ｐ型コンタクト層２０７）とクラッド層（ｎ型クラッド層２０４、ｐ型クラッド層２０６）して形成されている場合も数多く存在する。図２００のような発光デバイスを形成するには、エピタキシャル成長のための基板が必要である。従来、窒化物半導体の成長には、比較的安価な単結晶サファイアや単結晶Ｓｉが成長用基板２０１として用いられてきたが、こうした従来使用されてきた基板上に一般的なＭＯＣＶＤ法を用いて、ＡｌＧａＮ結晶をエピタキシャル成長した場合、結晶内部に多数の貫通転位が発生し発光効率が著しく低下することが知られている。

発光ダイオード素子のうち特に紫外線発光ダイオード素子について、発明者らは、高効率の紫外線発光ダイオード素子を安価に提供するための技術として、ＩｎＡｌＮまたはＩｎＡｌＧａＮといったＩｎを含有するＭＱＷ発光層の利用に取り組んできた。Ｉｎを含有した窒化物ＭＱＷ構造の利点として、発光層２０５中のＩｎ成分の組成偏析によって、発光効率の向上が得られることが挙げられる。ここでは類似の例として、高い発光効率を示し一般社会にも普及した青色発光ダイオードにおけるＩｎＧａＮ ＭＷＱ発光層について説明する。ＩｎＧａＮ量子井戸内では、Ｉｎ成分の偏析に伴い局所的にバンドギャップが狭くなった領域が形成されると考えられており、この結果として、この領域におけるキャリア再結合発光が優先的に起こり、貫通転位部分での非発光性再結合がスクリーニングされるという効果が起こる。ＩｎＡｌＮまたはＩｎＡｌＧａＮといったＩｎを含有するＭＱＷ発光層を用いた発光デバイスは、深紫外線の発光波長領域で、Ｉｎ偏析効果を利用しようとするものであり、これにより安価な成長用下地基板と、一般的な仕様のＭＯＣＶＤ成長装置の組み合わせだけで、高性能の紫外線発光デバイスを提供することができる。

Ｉｎを含有する窒化物半導体は、貫通転位など結晶欠陥の影響を強く受けずに発光できるため、高い発光効率が期待できる。このようなＩｎ含有窒化物を、発光ダイオード素子に用いた発光デバイスは、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長工程と、得られたエピタキシャルウェハに対して行う、半導体デバイス工程を経て製造することができる。ここで、問題になるのは、Ｉｎ含有窒化物材料が高温で分解しやすく、例えば、６００℃以下というような比較的低いプロセス温度を以て、デバイス工程を進めていく必要があるということである。より具体的に説明すると、発光ダイオードのようなデバイスでは、発光層の構成材料よりもバンドギャップが大きな半導体、より具体的にはＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ混晶からなるクラッド層／コンタクト層の形成が必要である。そして、これらを経て発光層に効率良く電流注入するためのオーミック電極を形成する必要がある。

高い発光効率を有するＩｎ含有窒化物を発光層に用いた場合、良好なオーミック電極を得るために８００℃以上の高温で熱処理を行うと、発光層材料の熱分解が起こるために本来得られるはずであった高出力の発光が得られなくなる。他方、発光層材料の熱分解を防ぐために、熱処理温度を低くすると、電極部でのコンタクト抵抗が高くなり、電流駆動による高効率発光が得られなくなる、というメリット／デメリットが相反する問題を解決して本発明に至ったものである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである

図１は、２次元電子層１５０を備えた紫外線発光ダイオード素子１の概念を表すデバイス構造の一例である。一般に知られていることとして、組成の似通った同種の化合物半導体（例えばＩＩＩ族窒化物どうしのＡｌＧａＮとＧａＮの組み合わせや、ＩＩＩ族砒化物どうしのＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの組み合わせ）を積層すると、そのヘテロ積層界面に高濃度の電子または正孔を蓄積させることができる。例えば、ウルツ鉱型結晶を有する窒化物半導体の場合、ｃ軸方向のＩＩＩ族極性面にてＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層をこの順に積層すると、界面のＧａＮ層側に高濃度の電子が蓄積される。すなわち図１において、２次元電子層とは、その高濃度の電子が蓄積された電子の層のことである。

こうした構成は、図２に示すＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）２１と呼ばれる高速・低抵抗の電子デバイスに適用されている。すなわち、ＧａＮ層をチャネル層２４、ＡｌＧａＮ層を電子供給層２５としたＨＥＭＴデバイスでは、その積層界面に生成・蓄積された２次元電子ガスと呼ばれる電子群を可動電荷として利用する形態となっている。
こうした構造では、図１について言えば、電子供給層５であるＡｌＧａＮを介していわゆるトンネル効果が作用するために、比較的容易に良好なオーミックコンタクトが得られるほか、積層界面に沿った方向では、電子散乱の少ない低抵抗の導通状態を実現できる。本発明の骨子は、発光デバイスのｎ型オーミック電極部すなわちｎ型電極１０から発光層６に至るまでの電子輸送経路に、こうした２次元電子ガスを生成しうる電子供給層５を挿入することで、ｎ型電極１０におけるコンタクト抵抗を引き下げ、発光層６への電流注入効率を向上させようとするものである。

（実施例１）
サファイア基板３２上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図３に示すような２次元電子層１５３を備える紫外線発光ダイオード構造（エピタキシャル構造）３１を成長した。なお、ここでの発光層３６は、厚さ３ｎｍからなるＩｎ_０．１Ａｌ_０．９Ｎ量子井戸層４層を、厚さ８ｎｍのＩｎ_０．０３Ａｌ_０．９７Ｎバリア層３層で分割したＭＱＷ構造となっている。また、２次元電子供給層３５としては、ｎ型クラッド層であるＳｉドープ（した厚さ２μｍの）Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ層３４の上に、同じくＳｉドープした厚さ２０ｎｍのＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ層３５を積層しており、これによってその積層界面に２次元電子ガス層（２次元電子層１５３）が蓄積される構成としている。なお、容量―電圧測定の結果として、シート電子濃度１×１０^１３／ｃｍ^２程度の高濃度電子層が生成できていることを確認した。

このように作製したエピタキシャルウェハ３１に対して、以下の手順で図４に示す紫外線発光ダイオード素子４１を作製した。まず、第１の工程として、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング法を用いて、ｎ型電極４３を形成する領域のエッチング処理を施した。このとき、エッチングにより除去されなかった領域は１辺５００μｍの正方形構造となっている。また、エッチングの深さについては、電子供給層３５であるＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ層が１０〜２０ｎｍの厚さとなるように調整した。次に、第２の工程として、ｐ型半導体層（ｐ−ＧａＮ）３９にドープしたアクセプタ元素Ｍｇのイオン化のために、窒素雰囲気中６００℃中の熱処理を２０分間施した。続いて、第３の工程として、エッチングにより露出させたＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ電子供給層３５上に、フォトリソグラフィ技術と電子ビーム蒸着法によって下から順にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（厚さ１５／６０／１２／６０ｎｍ）からなる多層金属膜パターン（図示せず）を形成し、その後、窒素雰囲気中６００℃の熱処理を２分間施すことでｎ型電極４３を得た。次に、第４の工程として、フォトリソグラフィ技術と電子ビーム蒸着法を用いてｐ型ＧａＮ層３９上に下から順にＮｉ／Ａｕ（厚さ５／６０ ｎｍ）からなる２層金属膜パターン（図示せず）を形成した後、酸素雰囲気中６００℃の熱処理を５分間施すことによってｐ型オーミック電極すなわちｐ型電極４２を得た。

このように作製した紫外線発光ダイオード素子４１について、直流電流をｐ型電極４２からｎ型電極４３に向けて注入し発光出力特性、発光スペクトル測定を行った。なお、これら発光特性は、紫外線発光ダイオード素子４１の基板（サファイヤ基板３２）側からの発光を評価することによってなされた。

（実施例２）
サファイア基板５２上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図５に示すような超格子層５０（２次元電子層群１５５）を備える紫外線発光ダイオード構造（エピタキシャル構造）５１を成長した。なお、本実施例における紫外線発光ダイオード構造５１は、ｎ型クラッド層であるＳｉドープＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ層５４とＳｉドープした厚さ２０ｎｍのＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ層５５の間に、同じくＳｉドープした厚さ１．５ｎｍのＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎと、厚さ５．５ｎｍのＩｎ_０．０３Ａｌ_０．９７Ｎの各層を交互に１０層ずつ積層した多層膜構造である超格子層５０（２次元電子層群１５５）を挿入したこと以外は、実施例１と同様の構成となっている。このような構成を取ることにより、シート電子濃度２×１０^１３／ｃｍ^２を超える高濃度電子層が生成できていることを容量―電圧測定によって確認した。
このように作製したエピタキシャルウェハ５１に対して、実施例１と同様の手順で図６に示す紫外線発光ダイオード素子６１を作製した。このように作製した紫外線発光ダイオード素子６１について、実施例１と同様に、電流注入による発光出力特性、発光スペクトル測定を行った。なお、これら発光特性は、紫外線発光ダイオード素子６１の基板（サファイア基板５２）側からの発光を評価することによってなされた。

（実施例３）
シリコン基板上７２に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図７に示すような２次元電子供給層７６を、備える紫外線発光ダイオード構造（エピタキシャル構造）７１を成長した。なお、本実施例における紫外線発光ダイオード構造は、シリコン基板７２上に良好な窒化物結晶を成長させる目的で、厚さ２００ｎｍのＡｌＮ初期層７３からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７５まで、連続的に組成傾斜させた組成傾斜バッファ層７４を採用していることと、クラック発生を防ぐ目的でｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７５を、厚さ０．５μｍにとどめたこと以外は、実施例１と同様の構成となっている。なお、容量―電圧測定の結果として、シート電子濃度１×１０^１３／ｃｍ^２程度の高濃度電子層が生成していることを確認した。

このように作製したエピタキシャルウェハ７１に対して、以下に記載した点以外は、実施例１と同様の手順で、図８に示す紫外線発光ダイオード素子８１を作製した。すなわち、実施例１の第４の工程における電極パターンは、いわゆる櫛型電極形状を模した構造８２とした。さらに、その第４の工程の後に櫛型電極パターン（図示せず）を、エッチングマスクとして反応性イオンエッチングを施し、ｐ−ＧａＮ層７０／ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ層７９を部分的に除去した。シリコン基板７２上に形成した紫外線発光ダイオード素子８１の場合、シリコン基板７２が紫外線を吸収するために、シリコン基板７２側から光を取り出すことができない。一方、紫外線発光ダイオード素子８１上部のｐ−ＧａＮ層７０／ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ層７９も紫外線の一部を吸収するが、ｐ型電極８２以外を除去し、光取出し窓として活用することで、ｐ型表面側から光を取り出すことが可能となる。

このように作製した紫外線発光ダイオード素子８１について、実施例１と同様に、電流注入による発光出力特性、発光スペクトル測定を行った。なお、これら発光特性は、紫外線発光ダイオード素子８１の表面側、すなわちｐ型櫛型電極８２の側からの発光を評価することによってなされた。

（実施例４）
サファイア基板９２上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、図９に示すような２次元電子供給層９５を有するエピタキシャル構造９１を成長した。この構造は、ｎ型クラッド層であるＳｉドープＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ層９４の上に、同じくＳｉドープした厚さ２０ｎｍのＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ層９５を積層しており、これによってその積層界面に２次元電子ガス層（２次元電子層１５９）が蓄積される構成としている。なお、容量―電圧測定の結果として、シート電子濃度１×１０^１３／ｃｍ^２程度の高濃度電子層が生成できていることを確認した。

このように作製したエピタキシャルウェハ９１に対して、スパッタ法によるＳｉＯ_２膜形成、フォトリソグラフィ技術とバッファード弗酸を用いたウェットエッチング法を用いて、ＳｉＯ_２パターン（図示せず）を形成した。次に、ＳｉＯ_２パターンを形成したウェハを再度ＭＯＣＶＤ炉にセットし、発光ダイオードにおける発光層９６より上部の構造を成長した。このとき、エピタキシャル成長は、ＳｉＯ_２で覆われた部分では起こらず、電子供給層であるＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ層９５が露出した領域のみに選択的に起こる（いわゆる「選択エピタキシャル成長」である）。従って、このような手順を取ることで実施例１〜３に示したような反応性イオンエッチングの工程を経ることなく、発光ダイオード構造を構成することができる。

これ以降は、実施例１記載の第２の工程以降と同様の手順で、図１０に示す紫外線発光ダイオード素子１０１を作製した（選択エピタキシャル成長によって、選択的再成長層１０４が形成された）。このように作製した紫外線発光ダイオード素子１０１について、実施例１と同様に、電流注入による発光出力特性、発光スペクトル測定を行った。なお、これら発光特性は、紫外線発光ダイオード素子１０１の基板（サファイヤ基板９２）側からの発光を評価することによってなされた。

実施例１から実施例４に記載のｎ型クラッド層と電子供給層は、本発明が効果的となる態様として例示したものであるが、電子供給層とクラッド層の間に２次元電子層が生成できる窒化物半導体の組み合わせであればここに示した化学組成の組み合わせに必ずしも限定されるものではない。具体的には、化学組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５５≦ｘ≦０．７５）であらわされるｎ型クラッド層に対し、電子供給層の化学組成はＩｎ_ｚ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｘ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１≦０．２、０．８≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦０．１）であらわせる範囲から適宜選ぶことができる。また、実施例２の超格子層については、化学組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５５≦ｘ≦０．７５）であらわされるｎ型クラッド層に対し、化学組成Ｉｎ_ｚ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｘ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１≦０．２、０．８≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦０．１）であらわせる層と、化学組成Ｉｎ_ｚ２Ａｌ_ｙ２Ｇａ_ｘ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１、０≦ｘ２≦０．１、０．９≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦０．１）であらわされる層を交互に複数積層することによって形成することができる。

実施例１から４の発光層組成は、本発明が効果的となる態様として例示したものであるが、Ｉｎを含有し且つ波長２３０〜２７０ｎｍの深紫外線を発光できる窒化物半導体であればここに示した化学組成の組み合わせに必ずしも限定されるものではない。具体的には、化学組成（Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｘ３Ｎ）_ｘｘ（Ｉｎ_ｚ３Ａｌ_ｙ４Ｎ）_１−ｘｘ（ｙ３＋ｘ３＝１、ｙ４＋ｚ３＝１、０．５３≦ｙ３≦０．８、０．８≦ｚ３≦０．９、０≦ｘｘ≦１）から適宜選ぶことができる。

比較例

（比較例１）
サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図１１に示すような電子供給層を備えない紫外線発光ダイオード構造１１１を成長した。なお、ここでの発光デバイス構造は、電子供給層としてのＩｎ_０．０６Ａｌ_０．９４Ｎ層３５を形成していないこと以外は、実施例１と同様の構成となっていた。
このように作製したエピタキシャルウェハ１１１に対して、以下に記載した点以外は、実施例１と同様の手順で、図１２に示す紫外線発光ダイオード素子１２１を作製した。すなわち、実施例１の第１の工程にあたる部分では、ｎ型クラッド層であるＳｉドープＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ層１１２（３４）が露出するまで、エッチング処理を施した。このように作製した紫外線発光ダイオード素子１２１について、実施例１と同様に、電流注入による発光出力特性、発光スペクトル測定を行った。なお、これら発光特性は、紫外線発光ダイオード素子１２１の基板（サファイア基板）側からの発光を評価することによってなされた。

（比較例２）
比較例１で作製したエピタキシャルウェハ１１１を用いて、以下に示す手順で紫外線発光ダイオード素子１３１を作製した。すなわち、実施例１の第３の工程にあたる部分で、熱処理温度を６００℃に替えて８５０℃としたこと以外は、比較例１と同様の手順で紫外線発光ダイオード素子１３１の作製を行った。このように作製した紫外線発光ダイオード素子１３１について、実施例１と同様に、電流注入による発光出力特性、発光スペクトル測定を行った。なお、これら発光特性は、紫外線発光ダイオード素子１３１の基板（サファイア基板３２）側からの発光を評価することによってなされた。

実施例、比較例の記載に沿って作製・評価した紫外線発光ダイオード素子の電気特性・発光特性をまとめた結果を表１に示した。これより、本発明実施例で作製した紫外線発光ダイオード素子が、良好な通電特性と紫外域発光を示していることが明らかであるった。他方、本発明によらない比較例１では２５Ｖまで電圧印可しても計測可能な電流が流れることはなく、結果として電流駆動による紫外線発光が得られなかった。これは、電子供給層を備えていない比較例１による発光ダイオード構造では、温度６００℃で十分な導通性を示すｎ型オーミック電極すなわちｎ型電極を、形成できなかったためと考えられた。また、ｎ型電極形成のための熱処理温度を８５０℃とした比較例２では、導電性の改善が得られているものの計測可能な紫外線発光が得られなかった。これは、熱処理温度を高くしたことにより、Ｉｎ成分を含有する窒化物半導体が分解して、形成時の組成・構造を保てなくなったためと考えられた。なお、相対値とは、実施例１の発光出力を１とした場合における実施例２等の発光出力を記載したものである。

以上より、本発明による電子供給層を備えた紫外線発光ダイオード素子は、Ｉｎ含有窒化物の組成分解を生じさせない６００℃という比較的低い温度域においても、良好な導電性が得られるため、電流駆動による紫外線発光デバイスの発光効率を向上できることが明らかであった。

１、４１、６１、８１、１０１、１２１、１３１ 紫外線発光ダイオード構造
２１ ＨＥＭＴ
３１、５１、７１、９１、１１１ 紫外線発光ダイオード構造（エピタキシャル構造）
４１、６１、８１、１０１、１２１ 紫外線発光ダイオード素子
２、２２、２０１ 成長用基板
３、２３、２０２ 成長用バッファ層
２０３ ｎ型コンタクト層
４、３４、５４、７５、９４、２０４ ｎ型クラッド層
６、３６、５６、７７、９６、２０５ 発光層
７、３７、５７、７８、９７、２０６ ｐ型クラッド層
８、２０７ ｐ型コンタクト層
２４ チャネル層
５、２５、３５、５５、７６、９５ 電子供給層
１５０、１５２、１５３、１５７、１５９ ２次元電子層
５０、１５５ 超格子層（２次元電子層群）
１０４ 選択再成長層
７４ 傾斜組成
１１２（３４） ｎ型クラッド兼コンタクト層
９、４２、６２、８２、１０２、１２２ ｐ型電極
１０、４３、６３、８３、１０３、１２３ ｎ型電極
２６ 負電極
２７ ゲート電極
２８ 正電極
３２、５２ ９２ サファイア基板
７２ シリコン基板
３３、５３、７３、９３ ＡＩＮ初期層
４５、６５、８５、１０５ ＡＩＮ電子ブロック層
５９、３９、９９ Ｐ−ＧａＮ（P型半導体層）
３８、５８、９８ Ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ：Ｍｇ

本発明による紫外線発光ダイオード素子の構成例を示す図である。 電子供給層と２次元電子層を備えた電子デバイス（ＨＥＭＴ）を示す図である。 本発明実施例１におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例１における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明実施例２におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例２における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明実施例３におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例３における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明実施例４におけるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明実施例４における紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 本発明を説明するために作製した比較例１によるエピタキシャル構造を示す図である。 本発明を説明するために作製した比較例２による紫外線発光ダイオード素子を示す図である。 典型的な紫外線発光ダイオード素子の構成を示す図である。

（従来技術）
図１３は、発光素子のうち特に紫外線発光ダイオード素子２００の一例を示す断面模式図である。図１３ではコンタクト層が分離して記載しているが、これらが区別なく一体または連続（ｎ型コンタクト層２０３、ｐ型コンタクト層２０７）とクラッド層（ｎ型クラッド層２０４、ｐ型クラッド層２０６）して形成されている場合も数多く存在する。図１３のような発光デバイスを形成するには、エピタキシャル成長のための基板が必要である。従来、窒化物半導体の成長には、比較的安価な単結晶サファイアや単結晶Ｓｉが成長用基板２０１として用いられてきたが、こうした従来使用されてきた基板上に一般的なＭＯＣＶＤ法を用いて、ＡｌＧａＮ結晶をエピタキシャル成長した場合、結晶内部に多数の貫通転位が発生し発光効率が著しく低下することが知られている。

Claims (7)

1. 成長用基板と、前記成長用基板の上方に各々ウルツ鉱型結晶構造のＩＩＩ族窒化物を含むｎ型クラッド層、電子供給層、発光層及びｐ型クラッド層をこの順に含んだ半導体積層構造を備えことを特徴とする紫外線発光ダイオード素子。
2. 前記電子供給層のエネルギーバンドギャップが、前記ｎ型クラッド層のエネルギーバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光ダイオード素子。
3. 化学組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５５≦ｘ≦０．７５）であらわされる前記ｎ型クラッド層に対し、前記電子供給層の化学組成をＩｎ_ｚ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｘ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１≦０．２、０．８≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦０．１）であらわせる範囲から選ぶことで、シート電子濃度５×１０^１２／ｃｍ^２以上の電子が、前記ｎ型クラッド層と前記電子供給層によって形成される界面について前記ｎ型クラッド層側の2次元電子層に蓄積されることを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外線発光ダイオード素子。
4. 化学組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５５≦ｘ≦０．７５）であらわされる前記ｎ型クラッド層に対し、化学組成Ｉｎ_ｚ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｘ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１≦０．２、０．８≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦０．１）であらわせる層と、化学組成Ｉｎ_ｚ２Ａｌ_ｙ２Ｇａ_ｘ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１、０≦ｘ２≦０．１、０．９≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦０．１）であらわされる層を交互に複数積層することによって、シート電子濃度１×１０^１３／ｃｍ^２以上の電子を蓄積できる超格子層が、前記電子供給層と前記ｎ型クラッド層の間にさらに挿入されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外線発光ダイオード素子。
5. 前記電子供給層が、少なくともＩｎを含有することを特長とする請求項１〜４の何れか１項に記載の紫外線発光ダイオード素子。
6. 前記電子供給層の厚みが５〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の紫外線発光ダイオード素子。
7. 前記発光層が化学組成（Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｘ３Ｎ）_ｘｘ（Ｉｎ_ｚ３Ａｌ_ｙ４Ｎ）_１−ｘｘ（ｙ３＋ｘ３＝１、ｙ４＋ｚ３＝１、０．５３≦ｙ３≦０．８、０．８≦ｚ３≦０．９、０≦ｘｘ≦１）であらわされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の紫外線発光ダイオード素子。