JP2019110168A

JP2019110168A - 光半導体素子

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Publication number: JP2019110168A
Application number: JP2017240978A
Authority: JP
Inventors: 亨木下; Toru Kinoshita
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-07-04
Also published as: US11031522B2; US20210249555A1; US20190189834A1; US11600742B2

Abstract

【課題】所望の層厚の高品質かつ高Ａｌ組成のｎ型ＡｌＧａＮ層を有し、低い動作電圧で動作しかつ受発光効率を有する深紫外領域の光半導体素子を提供する。【解決手段】ＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板上に成長され、ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層１３と、ｎ型半導体層上に成長された活性層１４と、活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体発光素子及び半導体受光素子などの光半導体素子に関する。

近年、深紫外線領域（例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍ）に発光ピーク波長を有するＡｌＧａＮ系半導体発光素子が、紫外光源として主に用いられてきた水銀ランプに替わる新しい光源として、空気や水の殺菌応用分野で注目されている。このようなＡｌＧａＮ系半導体発光素子として、例えば、特許文献１及び２には、青色発光ダイオード用基板として一般的に用いられてきた単結晶サファイア上にＡｌＧａＮ系半導体層を積層した深紫外発光素子が開示されている。また、例えば、特許文献３には、基板材料として、窒化アルミニウム単結晶（ＡｌＮ）を用いて、ＡｌＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させた擬似格子整合型の半導体ヘテロ構造、及び当該ヘテロ構造を含む深紫外発光素子が開示されている。

特許４０６３５２０号公報特許５６４１１７３号公報特許５７３０４８４号公報

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ３１１（２００９）２８６４−２８６６

半導体発光素子などの光半導体素子においては、高い発光効率又は受光効率を有することが好ましい。このためには、例えば、受発光を行う光半導体層が高い結晶品質を有すること、具体的には、発光効率又は受光効率を低下させる要因となる貫通転位などの結晶欠陥密度を低減させることが好ましい。また、電力変換効率の観点からは、光半導体素子を駆動させる際の動作電圧が低いことが好ましく、そのためには、当該光半導体層が低い電気抵抗を有することが好ましい。

特に、深紫外領域の波長の光を受発光する光半導体素子については、少なくとも発光効率及び受光効率の点で改善の余地が多い。例えば、深紫外領域の光半導体素子は、活性層を含む光半導体層が高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層によって構成される。

この高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層は、ＡｌＮ基板上に成長させることで、ＡｌＮ基板と格子定数が揃った状態すなわち擬似格子整合した状態で成長する。従って、高い結晶品質のＡｌＧａＮ層を形成することができる。しかし、高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層をＡｌＮ基板上に成長した場合、ＡｌＧａＮ層は圧縮歪を受けるため、疑似格子整合状態を保つことのできる最大膜厚（臨界膜厚）が非常に小さくなる。

例えば、非特許文献１では、Ａｌ組成が５０％のＡｌＧａＮ（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ）層をＡｌＮ基板上に成長させた場合の臨界膜厚は、わずか０．５μｍ以下であることが示されている。このように、擬似格子整合状態を維持しつつ所望の層厚のＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させることが困難な場合が多い。

光半導体素子に用いるＡｌＧａＮ層の層厚が所望の層厚よりも小さい場合、ＡｌＧａＮ層の成長面に対して平行な方向（以下、横方向と称する場合がある）の電気抵抗が大きくなる。従って、動作電圧が上昇し、また、半導体層内の電流の広がりが阻害されるため、発光効率が低下する要因となる。

特に、ＡｌＮ基板上に成長させるｎ型ＡｌＧａＮ層においては、上述の臨界膜厚の観点から、層厚が小さくなるため、横方向の抵抗の増加によって、光半導体素子の動作電圧が大きく増加する。また、光半導体層の一方の表面側にｎ電極及びｐ電極の両方が設けられた光半導体素子では、動作電圧の増加が顕著となる。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶品質の低下は、その後に成長させる活性層やｐ型半導体層の結晶品質にも影響を及ぼす。

また、例えばフリップチップ実装によって実装用の基板に光半導体素子を実装する場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ基板を介して光を取り出す又は取り込む。この場合、ＡｌＮ基板とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面では、屈折率の差によってフレネル反射が生じるため、光取り出し効率又は光取り込み効率は低下する。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、所望の層厚の高品質かつ高Ａｌ組成のｎ型ＡｌＧａＮ層を有し、低い動作電圧で動作しかつ高い受発光効率を有する深紫外領域の光半導体素子を提供することを目的としている。

本発明による光半導体素子は、ＡｌＮ基板と、ＡｌＮ基板上に成長され、ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に成長された活性層と、活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有することを特徴としている。

また、本発明による光半導体素子は、ＡｌＮ基板と、ＡｌＮ基板上に成長され、ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に成長された活性層と、活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有し、ｎ型半導体層は、ＡｌＮ基板上に成長され、ＡｌＮ基板側において０．９５〜１の範囲内のＡｌ組成を有し、ＡｌＮ基板から活性層に向かって第１の比率で徐々にＡｌ組成が０．７〜０．８まで小さくなる第１の組成傾斜層と、第１の組成傾斜層上に成長され、第１の組成傾斜層から活性層に向かって第１の比率よりも小さな第２の比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第２の組成傾斜層と、有することを特徴としている。

また、本発明による光半導体素子は、ＡｌＮ基板と、ＡｌＮ基板上に成長され、ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に成長された活性層と、活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有し、ｎ型半導体層は、ＡｌＮ基板上に成長され、ＡｌＮ基板側において０．９５〜１の範囲内のＡｌ組成を有し、ＡｌＮ基板から活性層に向かって０．５〜２／μｍの範囲内の比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第１の組成傾斜層と、第１の組成傾斜層上に成長され、第１の組成傾斜層から活性層に向かって０．１〜１／μｍの比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第２の組成傾斜層と、有することを特徴としている。

実施例１に係る光半導体素子の断面図である。実施例１に係る光半導体素子のバンド図である。実施例１に係る光半導体素子の構成例を示す図である。実施例１に係る光半導体素子における第１の組成傾斜層の層厚に対するｎ型ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層との界面での反射率を示す図である。実施例１に係る光半導体素子における第１の組成傾斜層の層厚とＡｌＮ基板中の光量との関係を示す図である。実施例１に係る光半導体素子における第１の組成傾斜層の層厚と光出力との関係を示す図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る光半導体素子１０の断面図である。また、図２は、光半導体素子１０のバンド図である。光半導体素子１０は、光電変換を行う半導体素子であり、例えば半導体発光素子である。以下においては、光半導体素子１０が半導体発光素子である場合について説明し、光半導体素子１０を発光素子と称する。発光素子１０は、例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内に発光波長のピークを有する深紫外発光素子である。

発光素子１０は、ＡｌＮの単結晶基板（以下、ＡｌＮ基板と称する）１１と、ＡｌＮ基板１１上に形成されたバッファ層１２、ｎ型半導体層１３、活性層１４及びｐ型半導体層１５と、を有する。

発光素子１０は、ＡｌＮ基板１１を成長用基板とし、ＡｌＮ基板１１上にバッファ層１２、ｎ型半導体層１３、活性層１４及びｐ型半導体層１５がこの順で順次成長させることで作製することができる。

図１及び図２を用いて、発光素子１０の各層の構成について説明する。

まず、ＡｌＮ基板１１は、特に制限されるものではないが、低転位密度のものを使用することが好ましい。ＡｌＮ基板１１の転位密度は、１０⁶ｃｍ^-2以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０⁴ｃｍ^-2以下である。低転位密度のＡｌＮ基板１１を使用することによって、ＡｌＮ基板１１上に積層する半導体層の転位密度も低くでき、その結果、発光効率又は受光効率を向上させることができる。転位密度の下限は０ｃｍ^-2である。なお、転位密度は、透過型電子顕微鏡像より転位数を測定する、または加熱酸混合溶液に浸漬した後に測定したエッチピット数を測定する、など公知の方法を用いて測定することができる。

本発明においては、ＡｌＮ基板１１における結晶成長面はＣ面である。また、このＣ面から微傾斜（オフ）した面であってもよく、その場合のオフ角度は、０．１〜０．５°であることが好ましく、０．３〜０．４°であることがさらに好ましい。また、結晶面が傾斜する方向は、特に限定させるものではないが、平滑性の観点からはＭ軸方向に傾斜していることが好ましい。なお、本発明においては、Ｃ面ＡｌＮ基板を使用するため、該基板上に成長させる半導体層も、基板と同じＣ面が結晶成長面となる。

また、ＡｌＮ基板１１の結晶成長面は、ＡｌＮ基板と半導体層界面での新たな転位の発生を抑制する観点から平滑であることが好ましい。具体的には、５×５μｍ²の領域における２乗平均粗さ（ＲＭＳ）は５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましく、０．５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。このような平滑面は、公知のＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈ（ＣＭＰ研磨）処理によって得ることができる。ＲＭＳの下限値は、０ｎｍであることが好ましいが、工業的な生産を考慮すると、現在の技術では０．０５ｎｍである。

また、ＡｌＮ基板１１は、最終的に形成する発光素子又は受光素子の光に対して透過性が高いことが好ましい。そのため、深紫外領域、具体的には２１０ｎｍ以上の波長における吸収係数が２５ｃｍ^-1以下であることが好ましい。なお、吸収係数の下限は、０ｃｍ^-1であるが、工業的生産や測定精度なども考慮すると、２１０ｎｍにおける吸収係数の下限値は１５ｃｍ^-1であって、２５０ｎｍ以上の波長における吸収係数の下限値は５ｃｍ^-1である。このような低い吸収係数のＡｌＮ基板を使用することにより、ＡｌＮ基板１１中での紫外光吸収による特性の低下を抑制することができる。

また、本発明で使用するＡｌＮ基板１１の厚みは、特に制限されるものではない。ＡｌＮ基板の厚みが薄ければ、吸収係数が高い場合であっても基板中での光吸収量を低くすることができる。ただし、薄過ぎると取扱い難く、また素子の歩留まりを低下させるおそれがある。そのため、通常、該厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。以上のようなＡｌＮ基板１１は、例えば、文献Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ３１２，５８−６３（２００９）、文献Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ５，０５５５０４（２０１１）に記載の昇華法、もしくはハイドライド気相成長法などによって作製できる。

なお、ＡｌＮ基板１１の結晶成長面はＣ面（Ｃ⁺面）である場合に限定されず、例えばＭ面又はＡ面であってもよい。

バッファ層１２は、ＡｌＮ基板１１とｎ型半導体層１３の間に設けられる単結晶ＡｌＮ層である。バッファ層１２は、発光素子又は受光素子の機能上は必須ではないが、ｎ型半導体層１３の格子緩和を抑制し、結晶成長プロセスの歩留りを高める観点から、バッファ層１２を設けることが好ましい。バッファ層１２の層厚は、特に制限されるものではないが、上述した格子緩和の抑制効果を得るためには、５〜１０００ｎｍであることが好ましく、さらに好ましくは３０〜１００ｎｍである。また、バッファ層１２は、ＡｌＮ単結晶基板１１と格子整合した状態である。ここで、格子整合した状態とは、ＡｌＮ単結晶基板１１のａ軸の格子定数が、バッファ層１２とほぼ等しい状態であって、格子緩和率が±５％以下であることを指す。格子緩和率の下限値は０であり、この場合はＡｌＮ単結晶基板１１と半導体層の格子定数が完全に一致していることを意味する。なお、この格子緩和率は、Ｘ線逆格子マッピング測定により測定することができる。

ｎ型半導体層１３は、ＡｌＮ基板１１及びバッファ層１２以下のバンドギャップを有する単結晶Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）層である。ｎ型半導体層１３は、ＡｌＮ基板１１と格子整合しているため、ｎ型半導体層１３においては転位の発生を伴う格子緩和が起こっていない。そのため、ｎ型半導体層１３中の転位密度は、ＡｌＮ基板１１の表面の転位密度と同等となる。よって、ｎ型半導体層１３の転位密度は、ＡｌＮ基板１１と同様、１０⁶ｃｍ^-2以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０⁴ｃｍ^-2以下である。なお、本発明のｎ型半導体層１３が複数の層から形成される場合においても、これらの層は全て格子整合しているため、各層とも転位密度は同等である。

ｎ型半導体層１３は、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを含む。ｎ型半導体層１３のドーパント濃度は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜決定すればよい。中でも、高い導電性を実現するためには、例えばＳｉ濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3であることが好ましい。ｎ型半導体層１３が複数の層から形成される場合においても、各層のＳｉの濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3であるこが好ましい。そして、各層のＳｉ濃度は、一定であってもよいし、デバイス設計などに応じて各層のＳｉ濃度が異なっていてもよい。また、各層の界面ではＳｉ濃度を比較的高くすることもできる。

また、本実施例においては、ｎ型半導体層１３は、成長方向、すなわちＡｌＮ基板１１から離れる方向（活性層１４に向かう方向）にＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなる。

本実施例においては、ｎ型半導体層１３は、互いに異なる比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ及び１３Ｂを含む。具体的には、まず、第１の組成傾斜層１３Ａは、ＡｌＮ基板１１上に成長され、ＡｌＮ基板１１から活性層１４に向かって第１の比率（低下率）で徐々にＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなる。

また、第２の組成傾斜層１３Ｂは、第１の組成傾斜層１３Ａ上に成長され、第１の組成傾斜層１３Ａ以下のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層からなる。また、第２の組成傾斜層１３Ｂは、第１の組成傾斜層１３Ａから活性層１４に向かって、第１の比率よりも小さな第２の比率（低下率）で徐々にＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなる。従って、ｎ型半導体層１３は、図２に示すようなバンドギャップを有する。

また、図１に示すように、第２の組成傾斜層１３Ｂは、第１の組成傾斜層１３Ａよりも大きな層厚を有する。具体的には、第１の組成傾斜層１３Ａは第１の層厚ｄ１を有し、第２の組成傾斜層１３Ａは、第１の層厚ｄ１よりも大きな第２の層厚ｄ２を有する。なお、本実施例においては、ｎ型半導体層１３の全体が組成傾斜層であり、層厚Ｄを有する。

活性層１４は、ｎ型半導体層１３以下のバンドギャップを有するＡｌＧａＮ層からなる。本実施例においては、活性層１４は、複数の井戸層及び障壁層からなる多重量子井戸構造を有する。活性層１４は、深紫外領域の光を放出する。なお、活性層１４の構成はこれに限定されず、単層で構成されていてもよいし、単一量子井戸構造を有していてもよい。

ｐ型半導体層１５は、ｐ型ドーパントとして例えばＭｇを含むＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層からなる。本実施例においては、ｐ型半導体層１５は、ＡｌＮ層からなる電子ブロック層１５Ａ、ＡｌＧａＮ層からなるｐ型クラッド層１５Ｂ及びＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層１５Ｃが活性層１４上に成長された構造を有する。従って、ｐ型半導体層１５は、図２に示すようなバンドギャップを有する。

なお、ｐ型半導体層１５の構成はこれに限定されない。例えば、電子ブロック層１５Ａがｐ型のドーパントを有していなくてもよいし、電子ブロック層１５Ａが設けられていなくてもよい。

また、発光素子１０は、ｎ型半導体層１３上に形成されたｎ電極１６と、ｐ型半導体層１５上に形成されたｐ電極１７とを有する。本実施例においては、図１に示すように、活性層１４及びｐ型半導体層１５の一部が除去され、当該除去された部分からｎ型半導体層１３の上面が露出している。ｎ電極１６は、当該ｎ型半導体層１３の露出した上面上に形成されている。また、ｐ電極１７は、ｐ型半導体層１５上に形成されている。

例えば、ｎ電極は、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＡｕ層の積層体からなる。また、ｐ電極１７は、例えば、Ｎｉ層及びＡｕ層の積層体からなる。

本実施例においては、活性層１４から放出された光は、ＡｌＮ基板１１を介して外部に取り出される。すなわち、ＡｌＮ基板１１のｎ型半導体層１３とは反対側の表面が光取り出し面として機能する。また、発光素子１０は、ｎ電極１６及びｐ電極１７側から実装用基板（図示せず）に実装されたフリップチップ型の実装構造を有する。

図３は、発光素子１０のｎ型半導体層１３及び活性層１４の構成例を模式的に示す図である。図３を用いて、ｎ型半導体層１３の詳細構成について説明する。まず、ｎ型半導体層１３は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）の組成を有する。また、本実施例においては、ｎ型半導体層１３は、そのＡｌ組成ｘが１から０．６５まで徐々に小さくなるように構成されている。

また、ｎ型半導体層１３の第１の組成傾斜層１３Ａは、Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０．７５≦ｘ１≦１）の組成を有し、そのＡｌ組成ｘ１がＡｌＮ基板１１から活性層１４に向かって線形的に小さくなるように構成されている。また、第２の組成傾斜層１３Ｂは、Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０．６５≦ｘ２≦０．７５）の組成を有し、そのＡｌ組成ｘ２が第１の組成傾斜層１３Ａから活性層１４に向かって線形的に小さくなるように構成されている。

まず、ｎ型半導体層１３は、Ａｌ組成がＡｌＮ基板１１（バッファ層１２）から徐々に小さくなるように構成されていることで、高品質でありながら深紫外発光素子に好適な層厚を実現することができる。具体的には、本願の発明者は、ＡｌＮ基板１１上に擬似格子整合する高Ａｌ組成（例えばＡｌ組成ｘが０．５以上）のＡｌＧａＮの臨海膜厚は、１μｍ程度に留まることに着目した。

これは、ＡｌＮとＡｌＧａＮとの間の格子定数の差に基づいてＡｌＧａＮの成長時にＡｌＧａＮ層内（特にＡｌＮとの界面）に生ずる歪が大きいことに起因すると考えられる。しかし、動作電圧（横方向の電気抵抗）の上昇を抑制することを考慮すると、深紫外発光素子としての発光素子１０においては、ｎ型半導体層１３としてのＡｌＧａＮ層は、これ以上の層厚を有することが好ましい。一方で、結晶品質の低下は抑制されることが好ましい。

これに対し、ｎ型半導体層１３は、層内におけるＡｌ組成を徐々に変化させることで、格子定数の急峻な変化を抑制する。例えば、仮にＡｌＧａＮ層が均一なＡｌ組成を有する場合、ＡｌＮ層（バッファ層１２）との界面に歪が集中する。しかし、本発明においては、ＡｌＧａＮ層（ｎ型半導体層１３）内には、ＡｌＮ層（バッファ層１２）との界面から、小さな歪が徐々に生じていくように構成されている。従って、ｎ型半導体層１３の全体において歪が緩和される。

従って、ｎ型半導体層１３は、擬似格子整合しつつ１μｍ以上の層厚を有するＡｌＧａＮ層として構成されることができる。なお、本願の発明者は、層厚Ｄが２μｍ以上でも擬似格子整合したｎ型半導体層１３を形成可能であると予測している。従って、ｎ型半導体層１３内におけるｎ型半導体層１３に平行な方向の電気抵抗が低下し、動作電圧の上昇が抑制される。また、高い結晶品質のｎ型半導体層１３内においては、活性層１４からの放出光の吸収が少ない。従って、高い光取り出し効率を得ることができる。

また、本実施例においては、第１の組成傾斜層１３Ａは、比較的小さな層厚ｄ１の中でＡｌ組成ｘ１が１から０．７５まで低下するように構成されている。これは、ｎ型半導体層１３としてのＡｌＧａＮ層において、Ａｌ組成ｘが０．８を超えると急激に導電率が低下することに起因する。具体的には、ｎ型半導体層１３は、Ａｌ組成ｘが０．８以上の領域が大きいと、ｎ型半導体層１３の全体としての導電率、すなわち電気抵抗が上昇する。従って、少なくともＡｌ組成が０．８を下回るまでは、層厚が小さいことが好ましい。

本実施例においては、第１の組成傾斜層１３Ａは、第２の組成傾斜層１３Ｂの層厚ｄ２よりも小さな層厚ｄ１を有する。従って、ｎ型半導体層１３の全体の層厚Ｄに対する第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１の比率が小さい。従って、ｎ型半導体層１３の全体で電気抵抗の上昇が抑制され、動作電圧の上昇が抑制される。

なお、第２の組成傾斜層１３ＢよりもＡｌＮ基板１１側に設けられる第１の組成傾斜層１３Ａは、上記した層厚ｄ１及びｄ２の関係に関わらず、ＡｌＮ基板１１から第２の組成傾斜層１３Ｂに向かって、そのＡｌ組成ｘ１が少なくとも０．９５から０．８を下回るまで小さくなることが好ましい。

また、このＡｌ組成ｘ１の上限は、０．９５を下回ると、第１の組成傾斜層１３ＡとＡｌＮ基板１１（バッファ層１２）との界面におけるＡｌ組成の差が大きくなる。これによって、ＡｌＮ基板１１及びバッファ層１１であるＡｌＮ層とｎ型半導体層１３との間の屈折率差が大きくなる。これによって、本実施例においてはバッファ層１１とｎ型半導体層１３との間で光のフレネル反射が起きやすくなる。従って、活性層１４からの放出光がＡｌＮ基板１１から外部に取り出されにくくなり、光取り出し効率が低下する。また、Ａｌ組成ｘ１の下限は、０．８を超えると、上記したような導電率の低下する領域が大きくなる。

なお、第１の組成傾斜層１３Ａにおける第２の組成傾斜層１３Ｂとの界面のＡｌ組成の下限値は、素子の設計によって適宜決定すればよいが、結晶内の歪を低減する観点からは、０．７であることが好ましい。

従って、第１の組成傾斜層１３Ａは、Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０．７≦ｘ１≦１）の組成を有すること、また、組成ｘ１がＡｌＮ基板１１から活性層１４に向かって線形的に小さくなるように構成されていることが好ましい。また、第１の組成傾斜層１３Ａは、ＡｌＮ基板１１側のＡｌ組成ｘ１が１〜０．９５の範囲内であること、また、Ａｌ組成ｘ１が少なくとも０．９５から０．８を下回るまで小さくなるように構成されていることが好ましい。

次に、第２の組成傾斜層１３Ｂは、上記したように第１の組成傾斜層１３Ａよりも大きな層厚ｄ２を有する。また、第２の組成傾斜層１３Ｂは、第１の組成傾斜層１３Ａよりも緩やかにＡｌ組成ｘ２が小さくなるように構成されている。これによって、ｎ型半導体層１３内における導電率が高い部分の比率が大きくなる。また、本実施例においては、ｎ電極１６が第２の組成傾斜層１３Ｂに接している。従って、第２の組成傾斜層１３Ｂを介してｎ電極１６と活性層１４との間で多くの電流が流れる。また、ｎ電極１６と第１の組成傾斜層１３Ａとの間には、例えば５００ｎｍ以上、好ましくは１μｍ以上の第２の組成傾斜層１３Ｂが介在している。これによって、動作電圧の上昇を抑制することができる。

なお、例えば、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１は、５０〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、例えば、第２の組成傾斜層１３Ｂの層厚ｄ２は、０．５〜２μｍの範囲内であることが好ましい。なお、第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ及び１３Ｂの構成例としては、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１が第２の組成傾斜層１３Ｂの層厚ｄ２の半分未満であること、例えば第１の組成傾斜層１３Ａが３００ｎｍであり、第２の組成傾斜層１３Ｂが７００ｎｍであることが挙げられる。これは、ｎ型半導体層１３の全体を考えたとき、そのＡｌＮ基板１１側の１／３の領域において、その全体のＡｌ組成傾斜のうちの２／３以上が起きていることになる。

上記を考慮すると、例えば、第１の組成傾斜層１３ＡにおけるＡｌ組成ｘ１の好ましい低下率（第１の比率）は、０．５〜２／μｍの範囲内となる。また、例えば、第２の組成傾斜層１３ＢにおけるＡｌ組成ｘ２の好ましい低下率（第２の比率）は、０．１〜１／μｍの範囲内となる。

また、図３に示すように、第２の組成傾斜層１３Ｂは、第１の組成傾斜層１３Ａとの界面において、第１の組成傾斜層１３Ａにおける第２の組成傾斜層１３Ｂ側のＡｌ組成ｘ１と同一のＡｌ組成を有することが好ましい。これによって、第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ及び１３Ｂの界面での急峻な組成変化及びこれによる屈折率変化を抑制することができる。従って、動作電圧の上昇を抑制しつつ、かつ結晶品質を向上させることができる。

なお、本実施例においては、活性層１４は、４つのＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎの組成を有する障壁層及び３つのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎの組成を有する井戸層からなる多重量子井戸構造を有する。従って、本実施例においては、発光素子１０は、約２６５ｎｍの波長の光を放出する。

また、活性層１４の障壁層は、第２の組成傾斜層１３Ｂにおける当該障壁層との界面のＡｌ組成以下、又はこれ未満のＡｌ組成を有している。また、活性層１４上には、電子ブロック層１５ＡとしてＡｌＮ層が、ｐ型クラッド層１５ＢとしてＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ層が、ｐ型コンタクト層１５ＣとしてＧａＮ層が成長される。なお、ｐ型クラッド層１５Ｂは、電子ブロック層１５Ａとの界面において、第２の組成傾斜層１３Ｂの活性層１４（障壁層）との界面のＡｌ組成以上、又はこれを超えるＡｌ組成を有している。

次に、図４及び図５を用いて、第１の組成傾斜層１３Ａのより好ましい層厚ｄ１について説明する。図４は、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１に対する、ｎ型半導体層１３（ＡｌＧａＮ層）とバッファ層１２（ＡｌＮ層）との界面の光の反射率を示す図である。図４は、活性層１４が約２６５ｎｍの波長の光を放出する場合において当該光が当該界面に垂直に入射する場合の当該界面での反射率の計算結果である。

図４に示すように、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１が５０ｎｍを超えると、急激に反射率が低下することがわかる。この５０ｎｍは、活性層１４からの放出光の第１の組成傾斜層１３Ａ内における光学波長の１／２に対応する。

従って、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１は、活性層１４からの放出光の第１の組成傾斜層１３Ａ内における光学波長の１／２以上であることが好ましい。これによって、第１組成傾斜層１３Ａとバッファ層１２との界面での光の反射（フレネル反射）が大きく抑制される。従って、光取り出し効率が向上する。

また、図５は、第１の組成傾斜層１３Ａ側から、波長２６５ｎｍの紫外光を入射角０〜９０°の範囲で入射し、ＡｌＮ基板中へ侵入した光量の増加率（ｄ１＝０ｎｍを基準、すなわち増加率０％とする）を、層厚ｄ１に対してプロットした計算結果である。図５に示すように、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１の増加に伴って増加率も向上し、概ね２００ｎｍを超えると、増加率が飽和する傾向が見られる。

また、図６に、図５で計算を行った構造と同構造の紫外発光素子１０からの光出力の増加率を示す。図６に示すように、実験においても図５の計算結果と同様の結果が得られ、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１が２００ｎｍおよび３００ｎｍの場合において、光出力が１０％以上向上する結果が得られた。また、図５の計算結果と図６の実験結果との差異は、計算がｎ型半導体層１３からＡｌＮ基板１１中への１パスの光侵入量を見積もったものであるのに対して、実際の発光素子では、半導体層内部での多重反射の効果が加わわるため、フレネル反射の抑制効果がより顕著になったためだと思われる。

従って、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１は、２００ｎｍ以上であることが好ましい。従って、例えば、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１は、２００〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましく、２００〜３５０ｎｍであることがさらに好ましい。層厚ｄ１が５００ｎｍ以上になると、ｎ型半導体層１３全体の層厚Ｄが大きくなってしまうため、格子緩和のリスクが大きくなる。また、フレネル反射を抑制する観点からも、層厚ｄ１が３５０ｎｍ以上であっても得られる効果が同程度であるため、生産性の観点からは層厚ｄ１は３５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

以下に、発光素子１０における他の層の層厚の１例を示す。例えば、活性層１４の井戸層の各々は３ｎｍの層厚を有する。また、活性層１４の障壁層の各々は、最もｐ型半導体層１５側の障壁層を除いて、層厚は７ｎｍの層厚を有する。活性層１４の最もｐ型半導体層１５側の障壁層は、２０ｎｍの層厚を有する。また、電子ブロック層１５Ａは、９ｎｍの層厚を有する。ｐ型クラッド層１５Ｂは、５０ｎｍの層厚を有する。また、ｐ型コンタクト層１５Ｃは、２５０ｎｍの層厚を有する。

なお、本実施例においては、第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ及び１３Ｂの各々が線形的にＡｌ組成を有する場合について説明した。しかし、当該Ａｌ組成は、段階的に変化していてもよい。すなわち、ｎ型半導体層１３のＡｌ組成が徐々に小さくなるとは、当該Ａｌ組成が線形的小さくなること、又は段階的に小さくなることを意味する。

また、本実施例においては、バッファ層１２上にｎ型半導体層１３として組成傾斜層が成長される場合について説明した。しかし、当該組成傾斜層は、一部にｎ型のドーパントを含まない層を有していてもよい。例えば、バッファ層１２とｎ型半導体層１３との間に、ｎ型ドーパントを含まない組成傾斜層が設けられていてもよい。すなわち、当該ノンドープの組成傾斜層とｎ型ドーパントを含む組成傾斜層とが積層されていてもよい。

また、本実施例においては、第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ及び１３Ｂの各々は、連続的にＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなる場合について説明した。しかし、第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ及び１３Ｂの各々は、等価的にＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層であってもよい。具体的には、第１及び第２の組成傾斜層１３Ａ又は１３Ｂは、ＡｌＧａＮからなる井戸層及び障壁層のペアが複数回積層された超格子構造を有し、当該井戸層のＡｌ組成が活性層１４に向かって段階的に小さくなるように構成されていてもよい。

また、本実施例においては、光半導体素子１０が半導体発光素子である場合について説明したが、光半導体素子１０は、深紫外領域の光を受けて電気信号を生成する受光素子であってもよい。この場合、例えばＡｌＮ基板１１のｎ型半導体層１３とは反対側の表面は、光取り込み面（受光面）として機能する。この場合についても、高い結晶品質のｎ型半導体層１３が所望の層厚Ｄで形成されるので、動作電圧が低くかつ高い受光効率を有する半導体受光素子を提供することができる。

また、光半導体素子１０が半導体受光素子である場合、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１は、活性層１４が受光する光の第１の組成傾斜層１３Ａ内における光学波長以上であればよい。これによって、第１組成傾斜層１３Ａとバッファ層１２との界面での光の反射（フレネル反射）が抑制される。従って、ＡｌＮ基板１１、バッファ層１２及びｎ型半導体層１３を介して取り込まれる光が増大する。従って、受光効率（光取り込み効率）が向上する。

従って、第１の組成傾斜層１３Ａの層厚ｄ１は、活性層１４からの放出光又は活性層１４が受光する光の第１の組成傾斜層１３Ａにおける光学波長以上であることが好ましい。なお、活性層１４が放出する光又は活性層１４が受光する光とは、活性層１４のバンドギャップに対応する波長及び当該波長を含む波長帯域の光をいう。

上記したように、光半導体素子１０は、ＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板１１上に成長され、ＡｌＮ基板１１に擬似格子整合し、ＡｌＮ基板１１から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層１３と、ｎ型半導体層１３上に成長された活性層１４と、活性層１４上に成長されたｐ型半導体層１５と、を有する。従って、所望の層厚Ｄの高品質かつ高Ａｌ組成のｎ型ＡｌＧａＮ層を有し、低い動作電圧で動作する深紫外領域の光半導体素子１０を提供することができる。

１０光半導体素子
１１ＡｌＮ基板（成長用基板）
１２ＡｌＮバッファ層
１３ｎ型半導体層
１３Ａ第１の組成傾斜層
１３Ｂ第２の組成傾斜層
１４活性層
１５ｐ型半導体層

Claims

ＡｌＮ基板と、
前記ＡｌＮ基板上に成長され、前記ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、前記ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に成長された活性層と、
前記活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有することを特徴とする光半導体素子。
前記ｎ型半導体層は、前記ＡｌＮ基板上に成長され、前記ＡｌＮ基板から前記活性層に向かって第１の比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第１の組成傾斜層と、前記第１の組成傾斜層上に成長され、前記第１の組成傾斜層以下のＡｌ組成を有し、前記第１の組成傾斜層から前記活性層に向かって前記第１の比率よりも小さな第２の比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第２の組成傾斜層と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
前記第１の組成傾斜層は、Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０．７≦ｘ１≦１）の組成を有し、
前記Ａｌ組成ｘ１は、前記ＡｌＮ基板から前記活性層に向かって線形的に小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子。
前記第１の組成傾斜層は、前記第２の組成傾斜層よりも小さな層厚を有することを特徴とする請求項３に記載の光半導体素子。
前記第１の組成傾斜層は、前記活性層からの放出光又は前記活性層が受光する光の前記第１の組成傾斜層における光学波長以上の層厚を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の光半導体素子。
前記第１の組成傾斜層は、２００ｎｍ以上の層厚を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の光半導体素子。
前記第１の比率は、０．５〜２／μｍの範囲内であり、
前記第２の比率は、０．１〜１／μｍの範囲内であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１つに記載の光半導体素子。
前記第１の組成傾斜層は、前記ＡｌＮ基板側において０．９５〜１の範囲内のＡｌ組成を有し、
前記第２の組成傾斜層は、前記第１の組成傾斜層側において前記第１の組成傾斜層と同一のＡｌ組成を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光半導体素子。
ＡｌＮ基板と、
前記ＡｌＮ基板上に成長され、前記ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、前記ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に成長された活性層と、
前記活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有し、
前記ｎ型半導体層は、
前記ＡｌＮ基板上に成長され、前記ＡｌＮ基板側において０．９５〜１の範囲内のＡｌ組成を有し、前記ＡｌＮ基板から前記活性層に向かって第１の比率で徐々にＡｌ組成が０．７〜０．８まで小さくなる第１の組成傾斜層と、
前記第１の組成傾斜層上に成長され、前記第１の組成傾斜層から前記活性層に向かって前記第１の比率よりも小さな第２の比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第２の組成傾斜層と、有することを特徴とする光半導体素子。
ＡｌＮ基板と、
前記ＡｌＮ基板上に成長され、前記ＡｌＮ基板に擬似格子整合し、前記ＡｌＮ基板から離れるに従ってＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層からなるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に成長された活性層と、
前記活性層上に成長されたｐ型半導体層と、を有し、
前記ｎ型半導体層は、
前記ＡｌＮ基板上に成長され、前記ＡｌＮ基板側において０．９５〜１の範囲内のＡｌ組成を有し、前記ＡｌＮ基板から前記活性層に向かって０．５〜２／μｍの範囲内の比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第１の組成傾斜層と、
前記第１の組成傾斜層上に成長され、前記第１の組成傾斜層から前記活性層に向かって０．１〜１／μｍの比率で徐々にＡｌ組成が小さくなる第２の組成傾斜層と、有することを特徴とする光半導体素子。