JP2019054023A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 深紫外発光素子における電子のオーバーフローを抑制するとともに発光層に注入される電子濃度と正孔濃度とを制御することを図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することである。【解決手段】 障壁層１４２は、電子ブロック層１５０に最も近いラストバリア層１４２ｚを有する。電子ブロック層１５０は、発光層１４０に最も近い第１の電子ブロック層１５１を有する。ラストバリア層１４２ｚは、第１の電子ブロック層１５１から最も遠い第１の箇所ｋ１と、第１の電子ブロック層１５１との境界である第２の箇所ｋ２と、を有する。第１の電子ブロック層１５１は、ラストバリア層１４２ｚから最も遠い第３の箇所ｋ３を有する。第１の箇所ｋ１におけるＡｌ組成は、第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成よりも大きい。第３の箇所ｋ３におけるＡｌ組成は、第１の箇所ｋ１および第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成よりも大きい。【選択図】図３
Description
本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。
半導体発光素子においては、発光層の井戸層で電子と正孔とが再結合し、光が放出される。発光効率を向上するためには、井戸層における電子の濃度および正孔の濃度を上げることが好ましい。
そのため、正孔を発光層に効率よく注入するための技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、第２中間層４６において、発光層３０の側の第１部分４１のバンドギャップエネルギーが、ｐ型半導体層２０の側の第２部分４２のバンドギャップエネルギーよりも小さい半導体発光素子が開示されている（特許文献１の段落［００２８］）。これにより、発光層３０への電荷の注入効率が向上するとしている（特許文献１の段落［００３０］）。
ところで、深紫外発光素子においては、一般的に、正孔濃度が低い。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮの正孔濃度は非常に低い。そのため、電子が発光層から隣接する半導体層にオーバーフローするおそれがある。その結果、発光層に存在するキャリアが減少する。これは、発光効率の減少の原因となる。したがって、電子のオーバーフローを抑制することが好ましい。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。本明細書の技術が解決しようとする課題は、深紫外発光素子における電子のオーバーフローを抑制するとともに発光層に注入される電子濃度と正孔濃度とを制御することを図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上の発光層と、発光層の上の第２導電型の第２半導体層と、を有する。発光層は、複数の障壁層と井戸層とを有する。第２半導体層は、電子ブロック層を有する。複数の障壁層は、電子ブロック層に最も近いラストバリア層を有する。電子ブロック層は、発光層に最も近い第１の電子ブロック層を有する。ラストバリア層は、第１の電子ブロック層から最も遠い第１の箇所と、第１の電子ブロック層との境界である第２の箇所と、を有する。第１の電子ブロック層は、ラストバリア層から最も遠い第３の箇所を有する。第１の箇所におけるＡｌ組成は、第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きい。第３の箇所におけるＡｌ組成は、第１の箇所および第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きい。
このIII 族窒化物半導体発光素子においては、ラストバリア層における障壁の低下を防止することができる。そのため、電子が電子ブロック層に逃げることを抑制することができる。また、正孔が、発光層の井戸層に注入されやすい。つまり、この半導体発光素子の注入効率は高い。
本明細書では、深紫外発光素子における電子のオーバーフローを抑制するとともに発光層に注入される電子濃度と正孔濃度とを制御することを図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。
（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
本実施形態の発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の深紫外発光素子である。本明細書において、深紫外とは波長が２１０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の光を指すものとする。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図１に示すように、発光素子は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、発光層１４０と、電子ブロック層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０と、透明電極ＴＥ１と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有している。
１．半導体発光素子
本実施形態の発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の深紫外発光素子である。本明細書において、深紫外とは波長が２１０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の光を指すものとする。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図１に示すように、発光素子は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、発光層１４０と、電子ブロック層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０と、透明電極ＴＥ１と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有している。
基板１１０の主面上には、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、発光層１４０と、電子ブロック層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０とが、この順序で形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１の上に形成されている。
ここで、ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型半導体層である。電子ブロック層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０とは、ｐ型半導体層である。これらの層は、ノンドープの層を部分的に含んでいる場合がある。このように、発光素子１００は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｐ型半導体層の上の透明電極ＴＥ１と、透明電極ＴＥ１の上のｐ電極Ｐ１と、ｎ型半導体層の上のｎ電極Ｎ１と、を有する。
ｎ型半導体層は、第１導電型の第１半導体層である。ｐ型半導体層は、第２導電型の第２半導体層である。
基板１１０は、各半導体層を支持する支持基板である。基板１１０は、主面を有する。基板１１０の主面は、平坦であってもよいし、凹凸形状を有していてもよい。基板１１０の材質は、サファイアの他、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等その他の材質であってもよい。基板１１０は、もちろん、成長基板であってもよい。
バッファ層１２０は、基板１１０の主面の状態をある程度引き継ぐとともにｎ型コンタクト層１３０の成長核となりうる層である。バッファ層１２０は、低温ＡｌＮ層、高温ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層等である。または、バッファ層１２０は、これらの複数の層を含んでもよい。
ｎ型コンタクト層１３０は、例えば、Ｓｉをドープされたｎ型ＡｌＧａＮ層である。ｎ型コンタクト層１３０は、バッファ層１２０の上に形成されている。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１と接触している。
発光層１４０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。発光層１４０は、複数の障壁層と、井戸層と、を有している。井戸層として、例えば、ＡｌＧａＮ層を用いることができる。障壁層として、例えば、ＡｌＧａＮ層を用いることができる。障壁層のＡｌ組成は、井戸層のＡｌ組成より大きい。これらは例示であり、その他のＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。
電子ブロック層１５０は、発光層１４０の上に形成されている。電子ブロック層１５０は、電子がｐ型コンタクト層１６０の側に拡散することを防止するための層である。電子ブロック層１５０は、例えば、複数のｐ型ＡｌＧａＮ層を積層したものである。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とでは、Ａｌ組成およびＭｇ濃度は異なっていてもよい。
ｐ型コンタクト層１６０は、ｐ電極Ｐ１と電気的に接続された半導体層である。そのため、ｐ型コンタクト層１６０は、ｐ電極Ｐ１と接触している。ｐ型コンタクト層１６０は、電子ブロック層１５０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１６０は、例えば、Ｍｇをドープされたｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層である。
透明電極ＴＥ１は、ｐ型コンタクト層１６０の上に形成されている。透明電極ＴＥ１の材質は、ＩＴＯである。また、ＩＴＯの他に、ＩＺＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 の透明な導電性酸化物を用いることができる。
ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１を介してｐ型コンタクト層１６０と電気的に接続されている。ｐ電極Ｐ１は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｉｎ等の金属から成る金属電極である。
ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０と接触している。ｎ電極Ｎ１は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｉｎ等の金属から成る金属電極である。
２．発光層の構造とＡｌ組成
２−１．発光層の構造
図２は、発光素子１００における発光層１４０の周辺の構造を示す図である。図２に示すように、発光層１４０は、井戸層１４１と障壁層１４２とが交互に繰り返す構造を有している。また、発光層１４０の障壁層１４２は、ラストバリア層１４２ｚを有する。ラストバリア層１４２ｚは、障壁層１４２のうち電子ブロック層１５０に最も近い層である。また、電子ブロック層１５０は、第１の電子ブロック層１５１を有する。第１の電子ブロック層１５１は、電子ブロック層１５０のうち発光層１４０に最も近い層である。第１の電子ブロック層１５１は、ラストバリア層１４２ｚと隣接している。
２−１．発光層の構造
図２は、発光素子１００における発光層１４０の周辺の構造を示す図である。図２に示すように、発光層１４０は、井戸層１４１と障壁層１４２とが交互に繰り返す構造を有している。また、発光層１４０の障壁層１４２は、ラストバリア層１４２ｚを有する。ラストバリア層１４２ｚは、障壁層１４２のうち電子ブロック層１５０に最も近い層である。また、電子ブロック層１５０は、第１の電子ブロック層１５１を有する。第１の電子ブロック層１５１は、電子ブロック層１５０のうち発光層１４０に最も近い層である。第１の電子ブロック層１５１は、ラストバリア層１４２ｚと隣接している。
ラストバリア層１４２ｚは、第１の電子ブロック層１５１から最も遠い第１の箇所ｋ１と、第１の電子ブロック層１５１との境界である第２の箇所ｋ２と、を有する。第１の電子ブロック層１５１は、ラストバリア層１４２ｚから最も遠い第３の箇所ｋ３を有する。また、ラストバリア層１４２ｚから井戸層１４１を挟んだ位置に位置する障壁層１４２は、第４の箇所ｋ４を有する。
２−２．Ａｌ組成
図３は、発光素子１００における発光層１４０の周辺のＡｌ組成を示す図である。図３の横軸は、基板１１０の板面に垂直な半導体の積層方向の位置である。図３の縦軸は、Ａｌ組成である。図３に示すように、発光層１４０においては、井戸層１４１と障壁層１４２とでＡｌ組成が異なっている。障壁層１４２のＡｌ組成は、井戸層１４１のＡｌ組成より大きい。ラストバリア層１４２ｚにおけるＡｌ組成は、他の障壁層１４２のＡｌ組成より大きい。
図３は、発光素子１００における発光層１４０の周辺のＡｌ組成を示す図である。図３の横軸は、基板１１０の板面に垂直な半導体の積層方向の位置である。図３の縦軸は、Ａｌ組成である。図３に示すように、発光層１４０においては、井戸層１４１と障壁層１４２とでＡｌ組成が異なっている。障壁層１４２のＡｌ組成は、井戸層１４１のＡｌ組成より大きい。ラストバリア層１４２ｚにおけるＡｌ組成は、他の障壁層１４２のＡｌ組成より大きい。
図３に示すように、第１の箇所ｋ１におけるＡｌ組成は、第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成よりも大きい。第３の箇所にｋ３おけるＡｌ組成は、第１の箇所ｋ１および第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成よりも大きい。第１の箇所ｋ１、第２の箇所ｋ２、第３の箇所ｋ３のＡｌ組成は、第４の箇所ｋ４のＡｌ組成よりも大きい。つまり、Ａｌ組成は、第３の箇所ｋ３、第１の箇所ｋ１、第２の箇所ｋ２、第４の箇所ｋ４の順で高い。
ラストバリア層１４２ｚから第１の電子ブロック層１５１にかけてのＡｌ組成は、第１の箇所ｋ１から第２の箇所ｋ２にかけて減少しており、第２の箇所ｋ２から第３の箇所ｋ３にかけて増加している。なお、第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成は、５５％以上６５％以下である。詳細については後述する。
２−３．Ａｌ組成の効果
ラストバリア層１４２ｚにおける箇所ｋ１のＡｌ組成がその他の障壁層１４２における箇所ｋ４のＡｌ組成よりも高いため、発光層１４０では好適にキャリアが閉じ込められる。ラストバリア層１４２ｚと第１の電子ブロック層１５１との間の境界である箇所ｋ２におけるＡｌ組成が箇所ｋ１におけるＡｌ組成より十分に低いため、正孔を発光層１４０に効果的に注入することができる。その代わりに、電子をブロックする機能は、やや低下する。第１の電子ブロック層１５１の箇所ｋ３のＡｌ組成は、従来の電子ブロック層のＡｌ組成よりも大きいとよい。
ラストバリア層１４２ｚにおける箇所ｋ１のＡｌ組成がその他の障壁層１４２における箇所ｋ４のＡｌ組成よりも高いため、発光層１４０では好適にキャリアが閉じ込められる。ラストバリア層１４２ｚと第１の電子ブロック層１５１との間の境界である箇所ｋ２におけるＡｌ組成が箇所ｋ１におけるＡｌ組成より十分に低いため、正孔を発光層１４０に効果的に注入することができる。その代わりに、電子をブロックする機能は、やや低下する。第１の電子ブロック層１５１の箇所ｋ３のＡｌ組成は、従来の電子ブロック層のＡｌ組成よりも大きいとよい。
特に、深紫外発光素子においてはその他の波長の長い発光素子と比較して、ｐ型半導体層における正孔濃度が低い。そのため、上記の効果により、この発光素子１００では発光層１４０に効果的にキャリアが注入される。つまり、この発光素子１００におけるキャリアの注入効率は高い。
３．半導体発光素子の製造方法
この製造方法は、第１導電型の第１半導体層を形成する工程と、第１半導体層の上に発光層を形成する工程と、発光層の上に第２導電型の第２半導体層を形成する工程と、を有する。発光層形成工程は、複数の障壁層を形成する障壁層形成工程と、井戸層を形成する井戸層形成工程と、を有する。第２半導体層形成工程は、電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程を有する。
この製造方法は、第１導電型の第１半導体層を形成する工程と、第１半導体層の上に発光層を形成する工程と、発光層の上に第２導電型の第２半導体層を形成する工程と、を有する。発光層形成工程は、複数の障壁層を形成する障壁層形成工程と、井戸層を形成する井戸層形成工程と、を有する。第２半導体層形成工程は、電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程を有する。
ここで用いるキャリアガスとして、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）が挙げられる。後述する各工程において、特に言及がない場合には、これらのいずれを用いてもよい。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＧ」）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＡ」）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）を用いる。
３−１．基板準備工程
まず、基板１１０を準備する。そして、例えば、ＭＯＣＶＤ炉のチャンバーの内部のサセプターに基板１１０を配置する。
まず、基板１１０を準備する。そして、例えば、ＭＯＣＶＤ炉のチャンバーの内部のサセプターに基板１１０を配置する。
３−２．基板洗浄工程
次に、基板温度を１０００℃以上に加熱する。そして、水素ガスをチャンバーの内部に供給する。これにより、基板１１０の主面は洗浄されるとともに還元される。
次に、基板温度を１０００℃以上に加熱する。そして、水素ガスをチャンバーの内部に供給する。これにより、基板１１０の主面は洗浄されるとともに還元される。
３−３．バッファ層形成工程
次に、基板１１０の上にバッファ層１２０を形成する。バッファ層１２０として、低温ＡｌＮ層、高温ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層のいずれかを形成する。または、これらの複数層を形成してもよい。
次に、基板１１０の上にバッファ層１２０を形成する。バッファ層１２０として、低温ＡｌＮ層、高温ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層のいずれかを形成する。または、これらの複数層を形成してもよい。
３−４．ｎ型コンタクト層形成工程
次に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
次に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
３−５．発光層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上に発光層１４０を形成する。その際に、井戸層１４１と障壁層１４２とを交互に積層する。つまり、発光層形成工程は、複数の障壁層１４２を形成する障壁層形成工程と、井戸層１４１を形成する井戸層形成工程と、を有する。そして、障壁層形成工程では、ｎ型半導体層から最も遠い位置にラストバリア層１４２ｚを形成する。基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上に発光層１４０を形成する。その際に、井戸層１４１と障壁層１４２とを交互に積層する。つまり、発光層形成工程は、複数の障壁層１４２を形成する障壁層形成工程と、井戸層１４１を形成する井戸層形成工程と、を有する。そして、障壁層形成工程では、ｎ型半導体層から最も遠い位置にラストバリア層１４２ｚを形成する。基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
そして、ラストバリア層１４２ｚのＡｌ組成をその他の障壁層１４２のＡｌ組成より大きくなるようにラストバリア層１４２ｚを形成する。そして、ラストバリア層１４２ｚを形成する際に、初期から終期にかけて徐々にＡｌ組成を小さくする。ただし、ラストバリア層１４２ｚの形成の終期におけるＡｌ組成を、その他の障壁層１４２のＡｌ組成よりも大きくする。また、第２の箇所におけるＡｌ組成を、５５％以上６５％以下にする。
また、ラストバリア層１４２ｚを形成する際には、第１の電子ブロック層１５１から最も遠い第１の箇所ｋ１と、第１の電子ブロック層１５１との境界である第２の箇所ｋ２と、を形成する。前述のように、第１の箇所におけるＡｌ組成を、第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きくする。
３−６．電子ブロック層形成工程
次に、発光層１４０の障壁層１４２の上に電子ブロック層１５０を形成する。電子ブロック層１５０として、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。
次に、発光層１４０の障壁層１４２の上に電子ブロック層１５０を形成する。電子ブロック層１５０として、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。
ラストバリア層１４２ｚを形成した次に、ラストバリア層１４２ｚに隣接して第１の電子ブロック層１５１を形成する。第１の電子ブロック層１５１を形成する際には、ラストバリア層１４２ｚの終端のＡｌ組成から開始して第１の電子ブロック層１５１のＡｌ組成を徐々に上昇させる。
これにより、ラストバリア層１４２ｚの開始位置（第１の箇所ｋ１）から徐々に減少する。Ａｌ組成は、ラストバリア層１４２ｚの終端（第２の箇所ｋ２）から再度上昇に転じる。そして、前述のように、第１の電子ブロック層１５１の終端（第３の箇所ｋ３）におけるＡｌ組成を、ラストバリア層１４２ｚの開始位置（第１の箇所ｋ１）のＡｌ組成よりも大きくする。
第１の電子ブロック層１５１を形成する際には、ラストバリア層１４２ｚから最も遠い第３の箇所ｋ３を形成する。第３の箇所ｋ３におけるＡｌ組成を、第１の箇所ｋ１および第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成よりも大きくする。このように、ラストバリア層から第１の電子ブロック層にかけてのＡｌ組成を、第１の箇所から第２の箇所にかけて減少させ、第２の箇所から第３の箇所にかけて増加させる。
３−７．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、電子ブロック層１５０の上にｐ型コンタクト層１６０を形成する。ｐ型コンタクト層１６０として例えば、ｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。また、キャリアガスとして、少なくとも水素ガスを供給するとよい。これにより、ｐ型コンタクト層１６０の表面平坦性は向上する。基板温度を、８００℃以上１２００℃以下の範囲内とする。
次に、電子ブロック層１５０の上にｐ型コンタクト層１６０を形成する。ｐ型コンタクト層１６０として例えば、ｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。また、キャリアガスとして、少なくとも水素ガスを供給するとよい。これにより、ｐ型コンタクト層１６０の表面平坦性は向上する。基板温度を、８００℃以上１２００℃以下の範囲内とする。
３−８．透明電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１６０の上に透明電極ＴＥ１を形成する。その際、スパッタリング技術を用いてもよいし、蒸着技術を用いてもよい。
次に、ｐ型コンタクト層１６０の上に透明電極ＴＥ１を形成する。その際、スパッタリング技術を用いてもよいし、蒸着技術を用いてもよい。
３−９．電極形成工程
そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１６０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０の一部を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。また、透明電極ＴＥ１の上にｐ電極Ｐ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１６０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０の一部を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。また、透明電極ＴＥ１の上にｐ電極Ｐ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
３−１０．その他の工程
また、上記の工程の他、絶縁膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１の発光素子１００が製造される。
また、上記の工程の他、絶縁膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１の発光素子１００が製造される。
４．本実施形態と従来技術との比較
図４は、第１の実施形態の発光素子１００と従来の発光素子とで伝導帯を比較するグラフである。そのために、発光層１４０の周辺を抜き出して拡大してある。図４の横軸は発光素子における基板の板面に垂直な半導体の積層方向の位置である。図４の縦軸は伝導帯のエネルギーである。図４の実線は、本実施形態の発光素子１００を示している。図５の破線は、従来の発光素子を示している。これらは、シミュレーションにより得られた値を示している。
図４は、第１の実施形態の発光素子１００と従来の発光素子とで伝導帯を比較するグラフである。そのために、発光層１４０の周辺を抜き出して拡大してある。図４の横軸は発光素子における基板の板面に垂直な半導体の積層方向の位置である。図４の縦軸は伝導帯のエネルギーである。図４の実線は、本実施形態の発光素子１００を示している。図５の破線は、従来の発光素子を示している。これらは、シミュレーションにより得られた値を示している。
図４に示すように、本実施形態の発光素子１００においては、ラストバリア層１４２ｚは、十分な高さの障壁を備えている。従来の発光素子においては、電子ブロック層に最も近い障壁層は、やや低い高さの障壁を備えている。したがって、従来の発光素子においては、十分に電子をブロックできない。一方、本実施形態の発光素子１００は、ｐ型半導体層への電子の拡散を好適に抑制できる。
図５は、第１の実施形態の発光素子１００と従来の発光素子とで正孔のフラックスを比較するグラフである。図４と同様に、発光層１４０の周辺を抜き出して拡大してある。図５の横軸は発光素子における基板の板面に垂直な半導体の積層方向の位置である。図５の縦軸は正孔のフラックスである。図５には、図４の伝導帯に加えて、正孔のフラックスがプロットされている。図５の実線は、本実施形態の発光素子１００を示している。図５の破線は、従来の発光素子を示している。これらは、シミュレーションにより得られた値を示している。
図５に示すように、本実施形態の発光素子１００においては、ラストバリア層１４２ｚより基板１１０側の井戸層１４１の内部には十分な正孔フラックスがある。
一方、従来の発光素子においては、電子ブロック層に最も近い障壁層に隣接する井戸層には十分な正孔フラックスがある。しかしながら、電子ブロック層から離れた位置に位置する井戸層では、正孔フラックスは十分ではない。
このようにラストバリア層１４２ｚおよび電子ブロック層１５０の構成を本実施形態のようにすることにより、ラストバリア層１４２ｚにおける障壁の低下を防止するとともに、井戸層１４１への正孔の注入効率を向上させることのできる発光素子１００が実現されている。
５．実験
本実験では、ラストバリア層１４２ｚと電子ブロック層１５０との間の位置におけるＡｌ組成を変化させて、内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積を測定した。つまり、図３における第２の箇所ｋ２のＡｌ組成の値を変えて、内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積を測定した。
本実験では、ラストバリア層１４２ｚと電子ブロック層１５０との間の位置におけるＡｌ組成を変化させて、内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積を測定した。つまり、図３における第２の箇所ｋ２のＡｌ組成の値を変えて、内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積を測定した。
一般に、深紫外発光素子では可視光の波長の発光素子に比べて、井戸層付近で正孔濃度が不足しがちである。したがって、深紫外発光素子においては注入効率（ＩＥ）重要である。
図６は、ラストバリア層１４２ｚのＡｌ組成と内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積との関係を示すグラフである。図６の横軸は、図３の第２の箇所ｋ２におけるＡｌ組成である。図６の縦軸は、内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積である。
図６に示すように、第２の箇所ｋ２のＡｌ組成の値を５５％以上６５％以下とすると、内部量子効率（ＩＱＥ）と注入効率（ＩＥ）との積の値は向上する。
６．変形例
６−１．フリップチップ
本実施形態の発光素子１００は、フェイスアップ型の発光素子である。しかし、本明細書の技術をフリップチップ型の発光素子に適用することができる。
６−１．フリップチップ
本実施形態の発光素子１００は、フェイスアップ型の発光素子である。しかし、本明細書の技術をフリップチップ型の発光素子に適用することができる。
６−２．積層構造
半導体層の積層構造は、上記の実施形態以外の構造であってもよい。
半導体層の積層構造は、上記の実施形態以外の構造であってもよい。
６−３．導電型
本実施形態では、ｎ型半導体層は、第１導電型の第１半導体層である。ｐ型半導体層は、第２導電型の第２半導体層である。しかし、逆であってもよい。つまり、ｐ型半導体層が第１導電型の第１半導体層であり、ｎ型半導体層が第２導電型の第２半導体層であってもよい。
本実施形態では、ｎ型半導体層は、第１導電型の第１半導体層である。ｐ型半導体層は、第２導電型の第２半導体層である。しかし、逆であってもよい。つまり、ｐ型半導体層が第１導電型の第１半導体層であり、ｎ型半導体層が第２導電型の第２半導体層であってもよい。
６−４．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
７．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００においては、ラストバリア層１４２ｚから第１の電子ブロック層１５１にかけてＡｌ組成が調整されている。つまり、ラストバリア層１４２ｚから第１の電子ブロック層１５１にかけてのＡｌ組成は、第１の箇所ｋ１から第２の箇所ｋ２にかけて減少しており、第２の箇所ｋ２から第３の箇所ｋ３にかけて増加している。このため、電子がラストバリア層１４２ｚの奥の電子ブロック層１５０に逃げにくくなっているとともに、正孔が井戸層１４１に注入されやすくなっている。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００においては、ラストバリア層１４２ｚから第１の電子ブロック層１５１にかけてＡｌ組成が調整されている。つまり、ラストバリア層１４２ｚから第１の電子ブロック層１５１にかけてのＡｌ組成は、第１の箇所ｋ１から第２の箇所ｋ２にかけて減少しており、第２の箇所ｋ２から第３の箇所ｋ３にかけて増加している。このため、電子がラストバリア層１４２ｚの奥の電子ブロック層１５０に逃げにくくなっているとともに、正孔が井戸層１４１に注入されやすくなっている。
Ａ．付記
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上の発光層と、発光層の上の第２導電型の第２半導体層と、を有する。発光層は、複数の障壁層と井戸層とを有する。第２半導体層は、電子ブロック層を有する。複数の障壁層は、電子ブロック層に最も近いラストバリア層を有する。電子ブロック層は、発光層に最も近い第１の電子ブロック層を有する。ラストバリア層は、第１の電子ブロック層から最も遠い第１の箇所と、第１の電子ブロック層との境界である第２の箇所と、を有する。第１の電子ブロック層は、ラストバリア層から最も遠い第３の箇所を有する。第１の箇所におけるＡｌ組成は、第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きい。第３の箇所におけるＡｌ組成は、第１の箇所および第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きい。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上の発光層と、発光層の上の第２導電型の第２半導体層と、を有する。発光層は、複数の障壁層と井戸層とを有する。第２半導体層は、電子ブロック層を有する。複数の障壁層は、電子ブロック層に最も近いラストバリア層を有する。電子ブロック層は、発光層に最も近い第１の電子ブロック層を有する。ラストバリア層は、第１の電子ブロック層から最も遠い第１の箇所と、第１の電子ブロック層との境界である第２の箇所と、を有する。第１の電子ブロック層は、ラストバリア層から最も遠い第３の箇所を有する。第１の箇所におけるＡｌ組成は、第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きい。第３の箇所におけるＡｌ組成は、第１の箇所および第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きい。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、ラストバリア層から第１の電子ブロック層にかけてのＡｌ組成は、第１の箇所から第２の箇所にかけて減少しており、第２の箇所から第３の箇所にかけて増加している。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、第２の箇所におけるＡｌ組成は、５５％以上６５％以下である。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、第１導電型の第１半導体層を形成する工程と、第１半導体層の上に発光層を形成する工程と、発光層の上に第２導電型の第２半導体層を形成する工程と、を有する。発光層形成工程は、複数の障壁層を形成する障壁層形成工程と、井戸層を形成する井戸層形成工程と、を有する。第２半導体層形成工程は、電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程を有する。障壁層形成工程では、第１半導体層から最も遠い位置にラストバリア層を形成する。電子ブロック層形成工程では、ラストバリア層の次にラストバリア層に隣接して第１の電子ブロック層を形成する。ラストバリア層を形成する際には、第１の電子ブロック層から最も遠い第１の箇所と、第１の電子ブロック層との境界である第２の箇所と、を形成する。第１の電子ブロック層を形成する際には、ラストバリア層から最も遠い第３の箇所を形成する。第１の箇所におけるＡｌ組成を、第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きくする。第３の箇所におけるＡｌ組成を、第１の箇所および第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きくする。
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ラストバリア層から第１の電子ブロック層にかけてのＡｌ組成を、第１の箇所から第２の箇所にかけて減少させ、第２の箇所から第３の箇所にかけて増加させる。
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、第２の箇所におけるＡｌ組成を、５５％以上６５％以下にする。
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…発光層
１４１…井戸層
１４２…障壁層
１４２ｚ…障壁層（ラストバリア層）
１５０…電子ブロック層
１５１…第１の電子ブロック層
１６０…ｐ型コンタクト層
ＴＥ１…透明電極
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…発光層
１４１…井戸層
１４２…障壁層
１４２ｚ…障壁層（ラストバリア層）
１５０…電子ブロック層
１５１…第１の電子ブロック層
１６０…ｐ型コンタクト層
ＴＥ１…透明電極
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極
Claims (6)
- 第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上の発光層と、
前記発光層の上の第２導電型の第２半導体層と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層は、
複数の障壁層と井戸層とを有し、
前記第２半導体層は、
電子ブロック層を有し、
前記複数の障壁層は、
前記電子ブロック層に最も近いラストバリア層を有し、
前記電子ブロック層は、
前記発光層に最も近い第１の電子ブロック層を有し、
前記ラストバリア層は、
前記第１の電子ブロック層から最も遠い第１の箇所と、前記第１の電子ブロック層との境界である第２の箇所と、を有し、
前記第１の電子ブロック層は、
前記ラストバリア層から最も遠い第３の箇所を有し、
前記第１の箇所におけるＡｌ組成は、
前記第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きく、
前記第３の箇所におけるＡｌ組成は、
前記第１の箇所および前記第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きいこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記ラストバリア層から前記第１の電子ブロック層にかけてのＡｌ組成は、
前記第１の箇所から前記第２の箇所にかけて減少しており、
前記第２の箇所から前記第３の箇所にかけて増加していること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第２の箇所におけるＡｌ組成は、
５５％以上６５％以下であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 第１導電型の第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層の上に発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に第２導電型の第２半導体層を形成する工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程は、
複数の障壁層を形成する障壁層形成工程と、
井戸層を形成する井戸層形成工程と、
を有し、
前記第２半導体層形成工程は、
電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程を有し、
前記障壁層形成工程では、
前記第１半導体層から最も遠い位置にラストバリア層を形成し、
前記電子ブロック層形成工程では、
前記ラストバリア層の次に前記ラストバリア層に隣接して前記第１の電子ブロック層を形成し、
前記ラストバリア層を形成する際には、
前記第１の電子ブロック層から最も遠い第１の箇所と、前記第１の電子ブロック層との境界である第２の箇所と、を形成し、
前記第１の電子ブロック層を形成する際には、
前記ラストバリア層から最も遠い第３の箇所を形成し、
前記第１の箇所におけるＡｌ組成を、
前記第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きくし、
前記第３の箇所におけるＡｌ組成を、
前記第１の箇所および前記第２の箇所におけるＡｌ組成よりも大きくすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ラストバリア層から前記第１の電子ブロック層にかけてのＡｌ組成を、
前記第１の箇所から前記第２の箇所にかけて減少させ、
前記第２の箇所から前記第３の箇所にかけて増加させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項４または請求項６に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記第２の箇所におけるＡｌ組成を、
５５％以上６５％以下にすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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