JP2022179037A - 紫外半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部量子効率を高めることができ、高効率かつ高出力な紫外半導体発光素子を提供する【解決手段】単結晶ＡｌＮからなる基板と、基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、活性層への電流印加によって発光スペクトルにメインピーク及びＭｇ由来のサブピークを呈し、駆動電流密度２０ｍＡ／ｍｍ2におけるサブピークの強度のメインピークの強度に対するピーク強度が３～１５％である、紫外半導体発光素子。【選択図】図４
Description
本発明は、紫外半導体発光素子、特に紫外光を放出する窒化物半導体発光素子に関する。
近年、細菌やウイルスの不活化作用及び殺菌効果を有する光源として深紫外領域を発光波長帯域とする半導体発光素子が注目されている。
例えば、特許文献１には、発光層と他の半導体層との界面におけるドーパント濃度を制御することで外部量子効率を向上させる窒化物半導体発光素子について開示されている。
従来の紫外半導体発光素子においては、半導体層の積層構造、組成や不純物濃度、層厚などについての各層の検討がなされてきたものの、十分に高効率かつ高出力な素子を実現することが困難であった。
特に、特許文献１に記載のように、発光波長スペクトルにおけるサブピーク発光強度の増加にしたがい主ピーク発光強度が減じる場合、非発光遷移の増加による発光効率の低下が示唆されていた。
本願の発明者は、発光波長スペクトルにおけるサブピーク発光強度を単純に低減するだけでは発光効率を十分に高めることが困難であるとの知見を得た。本願発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、外部量子効率を高めることができ、高発光効率かつ高出力な紫外半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の１実施形態による紫外半導体発光素子は、
単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇ（マグネシウム）ドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、
前記活性層への電流印加によって発光スペクトルにメインピーク及びＭｇ由来のサブピークを呈し、駆動電流密度２０ｍＡ／ｍｍ2における前記サブピークの強度（Ｓ）の前記メインピークの強度（Ｍ）に対するピーク強度（Ｓ／Ｍ）が３～１５％である。
単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇ（マグネシウム）ドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、
前記活性層への電流印加によって発光スペクトルにメインピーク及びＭｇ由来のサブピークを呈し、駆動電流密度２０ｍＡ／ｍｍ2における前記サブピークの強度（Ｓ）の前記メインピークの強度（Ｍ）に対するピーク強度（Ｓ／Ｍ）が３～１５％である。
また、本発明の他の実施形態による紫外半導体発光素子は、
単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇ（マグネシウム）ドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、
前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層のＭｇ濃度は３．０×１０19ｃｍ-3～５．０×１０19ｃｍ-3の範囲内であり、前記ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層のＭｇ濃度は２．０×１０19ｃｍ-3～１．０×１０20ｃｍ-3の範囲内であり、
前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層の層厚は４～１０ｎｍの範囲内である。
単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇ（マグネシウム）ドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、
前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層のＭｇ濃度は３．０×１０19ｃｍ-3～５．０×１０19ｃｍ-3の範囲内であり、前記ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層のＭｇ濃度は２．０×１０19ｃｍ-3～１．０×１０20ｃｍ-3の範囲内であり、
前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層の層厚は４～１０ｎｍの範囲内である。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［紫外半導体発光素子の構造］
図１は、本発明の１実施態様による紫外半導体発光素子１０の構造を模式的に示す断面図である。紫外半導体発光素子１０は、紫外発光ダイオード（以下、ＬＥＤ素子１０とも称する）であり、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造される。
［紫外半導体発光素子の構造］
図１は、本発明の１実施態様による紫外半導体発光素子１０の構造を模式的に示す断面図である。紫外半導体発光素子１０は、紫外発光ダイオード（以下、ＬＥＤ素子１０とも称する）であり、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造される。
ＬＥＤ素子１０は、基板１１上に、順次、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２、活性層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５及びｐ型ＧａＮ層１６がエピタキシャル成長によって積層されて形成されている。
図２には、ＬＥＤ素子１０のバンドダイアグラムが模式的に示されている。図１及び図２を参照してより詳細に説明する。
基板１１は、転位密度が１０8ｃｍ-2以下の単結晶ＡｌＮ基板であり、以下、ＡｌＮ基板１１と称する。本発明の紫外発光素子を構成するＡｌＧａＮ系半導体材料では、例えば、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．１６ Ａ６３９（２０１７）に記載されているように、転位密度が１０7～１０8ｃｍ-2を上回ると発光効率が急激に低下することが知られている。そのため、単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は低いほど好ましく、具体的には１０6ｃｍ-2以下、さらに好ましくは１０4ｃｍ-2以下である。このような低転位密度のＡｌＮ基板１１を用いることで、後述する活性層１３における転位密度を、発光効率が低下しない１０7ｃｍ-2以下にすることができる。
本発明のＡｌＮ基板１１の成長面（表面）は、特に限定されるものではなく、Ｃ面、Ｍ面などの成長面とすることができるが、ＡｌＧａＮ系材料の成長面として一般的に用いられているＣ面であることが好ましい。さらに、Ｃ面を結晶成長面とする場合は、ＡｌＮ基板１１上に成長されるＡｌＧａＮ層の平滑性を向上させるなどの目的により、Ｃ面から微傾斜したＯＦＦ基板であることが好ましい。Ｃ面からの傾斜角度は特に限定されるものではなく、平滑なＡｌＧａＮ層が得られるように適宜決定すればよいが、通常は０．１～１．０°の範囲で選択される。また、Ｃ面からの傾斜方向も、特に限定されるものではなく、Ａ軸方向、Ｍ軸方向などを適宜選択すればよいが、ステップ端の直線性が高くなるＭ軸方向を選択することが好ましい。
また、ＡｌＮ基板１１の表面粗さが大きいと、基板上に成長するＡｌＧａＮ層の異常成長などの要因となるため、表面粗さ（ＲＳＭ）は１．０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５ｎｍ以下である。このような平滑面を得るため、または基板の製造過程で基板表面に形成されたダメージ層を取り除くため、基板表面は化学機械研磨（ＣＭＰ）処理が施されていることが好ましい。
また、活性層から放射される紫外光に対する基板の吸収係数が大きいと、外部へ取り出せる紫外光の総量が減少して発光効率の低下を招く懸念がある。そのため、ＡｌＮ基板およびＡｌＮテンプレートのＡｌＮ層の吸収係数は、好ましくは２０ｃｍ-1以下であり、さらに好ましくは１０ｃｍ-1以下である。１０ｃｍ-1以下にすることで、例えばＡｌＮ基板１１の板厚が１００μｍであっても、９０％以上の直線透過率を確保することができる。
ｎ型ＡｌＧａＮ層１２は、Ｓｉ（シリコン）ドープされたｎ型導電層である。紫外半導体発光素子において、発光層から放出された紫外光は、通常ｎ型ＡｌＧａＮ層１２と基板１１を透過して外部に放出される。ｎ型ＡｌＧａＮ層はＡｌ組成が大きくなるにつれて、ｎ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップは大きくなり、それに応じて、より短波長の紫外光を透過することができるようになるため、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、所望とする紫外光の発光波長に対して十分な透過性が得られるように適宜決定すればよい。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層はＡｌ組成の異なる複数の層から形成されていてもよく、さらに積層方向にＡｌ組成が傾斜する組成傾斜層とすることもできる。例えば、第１のｎ型ＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎ層１２Ａ及び第２のｎ型ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ層１２Ｂからなる積層構造が挙げられる。第１のｎ型ＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎ層１２Ａは、例えば、積層方向（成長方向）にＡｌ組成Ｘ１が１．０から０．７５に減じる組成傾斜層であり、第２のｎ型ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ層１２Ｂは、例えば、Ａｌ組成Ｘ２が０．７５から０．７０に減じる組成傾斜層である。なお、第１のｎ型ＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎ層１２Ａ及び第２のｎ型ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ層１２Ｂの界面におけるＡｌ組成は等しいことが好ましい。
また、ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚は特に限定されるものではなく適宜決定すればよいが、ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚が厚くなりすぎると、ＡｌＮ基板１１とｎ型ＡｌＧａＮ層１２が格子緩和を起こして転位が発生しやすくなるため、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２の総膜厚は０．５～２．０μｍの範囲に設定することが好ましい。例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２が、上述した第１のｎ型ＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎ層１２Ａ及び第２のｎ型ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ層１２Ｂからなる積層構造の場合は、第１のｎ型ＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎ層１２Ａは２００ｎｍの層厚を有し、第２のｎ型ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ層１２Ｂは１０００ｎｍの層厚を有している積層構造を用いればよい。当然のことながら、これらの第一、および第二のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚は例示した数字に限定されるものではなく、総膜厚が２．０μｍ以下になるように適宜決定すれば良い。
また、ドーピングするＳｉ濃度は、所望のｎ型導電性が得られるように適宜決定すればよいが、ｎ型ＡｌＧａＮ層の抵抗値を下げる観点からは、１×１０18～１×１０20ｃｍ-3であることが好ましく、更には５×１０18～５×１０19ｃｍ-3であることが好ましい。またＳｉドーピング濃度は、ｎ型ＡｌＧａＮ層内の膜厚方向で一定であってもいいし、膜厚方向でＳｉ濃度の異なる変調ドーピングにすることもできる。なお、Ｓｉ濃度、および後述するＭｇ濃度は、公知のＳｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＳＩＭＳ）分析により測定することができる。また、本願におけるＳｉ濃度、およびＭｇ濃度は、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層について、それぞれＡｌＮ、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ、ＧａＮの標準試料を用いた定量値を採用している。
活性層（ＡＣＴ）１３は、ＡｌA1Ｇａ1-A1Ｎ層からなる障壁層１３ＢとＡｌA2Ｇａ1-A2Ｎ層からなる井戸層１３Ｗで構成される量子井戸構造である。また、活性層１３は、後述するスペーサ層１３Ｓを有する。活性層１３の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にある。活性層１３から放出される光の波長は井戸層のＡｌ組成と膜厚によって決まるため、Ａｌ組成と膜厚は、上記の波長範囲において所望の発光波長が得られるように適宜決定すすることができる。
例えば、井戸層の膜厚は２～１０ｎｍの範囲で設定し、所望の発光波長が得られるようにＡｌ組成を決定することができる。また、障壁層のＡｌ組成と膜厚についても、特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌ組成はＡ２＜Ａ１≦１．０、膜厚は２～１５ｎｍの範囲内で設定することができる。また、井戸層や障壁層は、Ｓｉがドープされたｎ型層とすることもできる。井戸層と障壁層ともにＳｉドーピング層であってもよいし、井戸層のみ、もしくは障壁層のみにＳｉがドーピングされた構造であってもよい。ドーピングされるＳｉ濃度は、特に限定されるものではないが、１×１０17～５×１０18ｃｍ-3の範囲が好ましい。また、量子井戸の層数も特に限定されるものではなく、複数の井戸層が形成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造であってもいいし、単一量子井戸（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）であってもよい。井戸層の数は、１～５の範囲で適宜決定することが好ましい。
図２に示すように、活性層１３において、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２の端部から量子井戸層１３Ｗのうち最も上層の量子井戸層１３Ｗ（すなわち、後述するｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４に最も近い量子井戸層１３Ｗ）の端部までを量子井戸構造層１３Ｑとして説明すると、スペーサ層１３Ｓは、当該最上層の量子井戸層１３Ｗと、ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４との間に設けられている。
スペーサ層１３ＳのＡｌ組成は、発光波長に応じて、または発光効率を向上させる過程において、以下のように最適に選択し得る。量子井戸構造の障壁層１３Ｂと同一組成であってもよいし、障壁層１３Ｂ及びｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４の中間組成を有していても良い。あるいは、スペーサ層１３Ｓは、障壁層１３Ｂと同一組成の層と、その上層として形成された当該中間組成の層とから構成されていてもよい。さらに、スペーサ層１３Ｓは、傾斜組成層又は組成が段差状に変化する段差組成層であってもよい。
本発明の実施形態を例に具体的に示すと、ＳｉドープされたＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層を障壁層（バリア層）１３ＢとしアンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を量子井戸層（ウエル層）１３Ｗとする３層の多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造において、スペーサ層１３Ｓは障壁層１３Ｂと同一組成を採用しているが、活性層１３Ｗへのキャリアの注入効率を高めるためには、スペーサ層１３ＳのＡｌ組成（Ｙ）は、Ｙ＝０．５５～０．６５が好ましく、Ｙ＝０．５７～０．６２であることがより好ましい。
また、スペーサ層１３Ｓの膜厚は特に限定されるものではないが、膜厚が厚くなると、ｐ型層と井戸層１３Ｗとの物理的な距離が離れてしまうため、活性層１３Ｗへのキャリアの注入効率が低下する傾向がある。そのため、スペーサ層１３Ｓの膜厚は２～１５ｎｍの範囲であることが好ましく、４～１０ｎｍの範囲の層厚を有することがさらに好ましい。
スペーサ層１３Ｓは、上記で説明した障壁層と同様に、Ｓｉがドーピングされた構造であってもよい。ドーピングされるＳｉ濃度は、特に限定されるものではないが、１×１０17～５×１０18ｃｍ-3の範囲が好ましい。
また、スペーサ層１３ＳにはＭｇが含まれている。スペーサ層１３Ｓに含まれるＭｇは、後述するｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４層からの拡散による拡散ドーピングによるものであってもいいし、または意図的にＭｇをドーピングしたものであってもよい。本発明者らは、スペーサ層１３に含まれるＭｇ濃度の増加にともなって、発光効率は向上する傾向を示すことを見出した。この効果は、スペーサ層１３Ｓがｐ型ドーパントであるＭｇを含むことによって、実質的にｐ型層と活性層の距離が近き、その結果、キャリアの注入効率が向上したためだと考えられる。具体的には、スペーサ層１３Ｓに含まれるＭｇ濃度は、５．０×１０17～５．０×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、さらに好ましくは７．０×１０17～３．０×１０18ｃｍ-3、最も好ましくは１．０×１０18～２．５×１０18ｃｍ-3である。
なお、上述したＭｇ濃度を求めるために行うＳＩＭＳ分析では、サンプルに１次イオン（酸素）を照射し、資料からはじき出された２次イオン（Ｍｇ）の検出量を求めることで定量評価を行う。一般的に、ＳＩＭＳ分析では、１次イオンによる不純物の試料内への押し込み、試料の表面粗さによって均一な１次イオンの照射が困難などの理由により不純物濃度が深さ方向にテールを持つ傾向があり、また試料の材質の違い（本願の例ではＡｌＧａＮ層のＡｌ組成）によってエッチングレートが異なるため、数ナノメートルオーダーでの深さ方向の精度を得ることが困難である。そのため、上記のスペーサ層のＭｇ濃度は、ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４のＭｇ濃度のピーク位置から活性層１３側に２０ｎｍの位置（評価位置）におけるＭｇ濃度で定義した。
活性層１３上のｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４は、活性層１３に注入された電子が後述するｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５へオーバーフローすることを抑制するための電子ブロック層（ＥＢＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）として機能する。そのため、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４は、活性層１３、およびｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５よりも大きなバンドギャップを有し、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４のＡｌ組成Ｙ１は０．８＜Ｙ１≦１．０の範囲で決定される。発光波長の短波長化に伴って、基板１１上にエピタキシャル成長するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は高くなり、発光波長が２７０ｎｍよりも短い場合では、電子ブロック層としての機能を十分に発現させるため、Ａｌ組成Ｙ１は０．９≦Ｙ１≦１．０であることが好ましい。なお本実施例においては、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４としてＡｌＮ（Ｙ１＝１）を用いている。
また、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４は、電子ブロック層としての機能を発現できる限りは、アンドープ層であってもよく、またはｐ型ドーパントがドーピングされていてもよい。ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４におけるｐ型のドーパント材料としてはＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛），Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃ（炭素）等を用いることができる。特に、ＡｌＧａＮ層のｐ型ドーパント材料として一般的に用いられているＭｇを用いることが好ましく、後述する本発明の実施例においてもＭｇを用いている。ｐ型ドーパント材料は、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４の積層方向において、一様にドーピングされていてもよいし、積層方向でドーパント材料の濃度を変えることもできる。例えば、活性層と接する側から、アンドープのＡｌＮ層１４Ａ（Ｙ１＝１）及びＭｇ（マグネシウム）ドープされたｐ型ＡｌＮ層１４Ｂからなる積層構造などとすることもできる。ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４におけるｐ型ドーパント濃度は、電子ブロック層としての機能が得られ、発光層へのキャリアの注入効率を高められるという観点から、１．０×１０19～８．０×１０19ｃｍ-3であることが好ましく、さらに好ましくは３．０×１０19～５．０×１０19ｃｍ-3、特に好ましくは、３．０×１０19～４．０×１０19ｃｍ-3である。
また、ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４は、ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４は、４～１０ｎｍの範囲の層厚を有することが好ましい。４ｎｍ未満であると、トンネリング効果によって電子ブロック層としての効果が小さく、１０ｎｍ以上であると、正孔（ホール）の注入効率の低下を生じるからである。
ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５は、ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４上に形成され、Ｍｇがドーピングされたｐ型クラッド層として機能する。ｐ型ドーパント材料には上述した材料を制限なく用いることができるが、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４と同様にＭｇを用いることが好ましい。本発明の紫外発光素子においては、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５中のＭｇ濃度は、２．０×１０19～１．０×１０20ｃｍ-3であることが好ましく、さらに好ましくは２．０×１０19～５．０×１０20ｃｍ-3である。ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５中のＭｇ濃度を上述の範囲にすることによって、Ｓ／Ｍが３～１５％となり、高い発光効率を得ることができる。
ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５のＡｌ組成Ｙ２は、積層方向でＹ２が一定の値である構造の場合、活性層の障壁層のＡｌ組成を超え、かつＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４のＡｌ組成Ｙ１以下であることが好ましい。ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５のＡｌ組成Ｙ２を上記の範囲にすることにより、紫外発光素子の注入電流量が多い場合においても、高いキャリアオーバーフローの抑制効果が得られる。より高い効果を得るためには、活性層の障壁層のＡｌ組成とｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５のＡｌ組成Ｙ２の差が、０．５～１．０であることが好ましい。また、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５のＡｌ組成Ｙ２は、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成よりも大きいことが好ましく、これによってｐ型層へのキャリアオーバーフローの抑制効果が高まり、紫外発光素子の発光効率を高めることができる。
また、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５は、Ａｌ組成Ｙ２が積層方向で変化する組成傾斜層であってもよい。特に、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４に接する側から、Ａｌ組成Ｙ２が積層方向に小さくなる構造であることが好ましい。これによって、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５内で分極ドーピング効果が得られるため、より高いホール濃度が得られやすくなり、その結果、活性層へのホールの注入効率が高くなる。例えば、発光波長が２７０ｎｍ以下の場合、ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４に接する側のＡｌ組成は０．９５～１．０であることが好ましく、反対側のｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５の表層におけるＡｌ組成は０．６０～０．８５であることが好ましい。このような構造を採用することで、上述した分極ドーピング効果を高め、かつ発光波長に対して透明性を維持できるため、高い発光効率が得られやすくなる。
また、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５の膜厚は、特に制限されるものではないが、１０～１５０ｎｍの範囲で適宜決定すればよい。ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５の膜厚が１０ｎｍ未満になると、上述したキャリアオーバーフローの抑制効果が得られにくくなり、一方で、膜厚が厚くなり、１５０ｎｍを超える場合、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５の抵抗値が大きくなり、結果として紫外発光素子の動作電圧の上昇を招いてしまう。このような観点から、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５の膜厚は、４０～１２０ｎｍであることが好ましく、特に好ましくは５０～１００ｎｍである。本発明の実施形態においては、Ａｌ組成Ｙ２がｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層１４のＡｌ組成から成長方向に減じる（Ａｌ組成Ｙ２が１．０から０．８に減じる）組成傾斜層を採用している。また、ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５の膜厚は、６０ｎｍとしている。
ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層１５上には、電極との接触抵抗を下げる目的で、ｐ型ドーパントがドーピングされたｐ型ＧａＮ層１６が形成されていてもよい。ｐ型ドーパント材料としては上述した公知のｐ型ドーパント材料を用いることができるが、同様の理由によりＭｇを用いることが好ましい。ｐ型ＧａＮ層１６中のＭｇドーピング濃度は、特に制限されるものではないが、ｐ型ＧａＮ層中の抵抗値を下げ、かつ接触抵抗を下げるためには、１×１０18～２×１０20ｃｍ-3であることが好ましい。また、ｐ型ＧａＮ層１６の膜厚も特に制限されるものではなく、５～５００ｎｍの範囲で適宜決定すればよい。
なお、ｐ型ＧａＮ層１６を除き、ＡｌＧａＮ層１２，１３，１４，１５の全ての層はＡｌＮ基板１１と格子整合した状態で結晶成長されているため、ＡｌＮ基板１１と同等の低い転位密度を有している。具体的には、１０5ｃｍ-2以下の転位密度を有している。
なお、ＬＥＤ素子１０が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合について説明するが、半導体レーザ素子（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）として構成されていてもよい。
次に、上記で説明した構造の紫外ＬＥＤの製造方法について説明する。本発明の紫外ＬＥＤ１０は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の結晶成長法によって製造することができる。中でも、生産性が高く、工業的に広く採用されているＭＯＣＶＤ法が好ましい。本発明で使用するＩＩＩ族（Ａｌ、Ｇａ）原料ガス、Ｖ族（Ｎ）原料ガスには、特に制限なく公知の原料ガスを使用できる。
次に、上記で説明した構造の紫外ＬＥＤの製造方法について説明する。本発明の紫外ＬＥＤ１０は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の結晶成長法によって製造することができる。中でも、生産性が高く、工業的に広く採用されているＭＯＣＶＤ法が好ましい。本発明で使用するＩＩＩ族（Ａｌ、Ｇａ）原料ガス、Ｖ族（Ｎ）原料ガスには、特に制限なく公知の原料ガスを使用できる。
例えば、ＩＩＩ族原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等のガスを使用できる。またＶ族原料ガスとしては、通常アンモニアが用いられる。
また、Ｍｇ、Ｓｉのドーパント原料ガスも、公知の材料が制限なく使用でき、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム、モノシラン、テトラエチルシランなどを使用できる。
以上の原料ガスを、水素／および又は窒素などのキャリアガスと共に基板１１上に供給することで紫外ＬＥＤ１０の素子層を成長させる。
ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスの供給量比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、所望の特性が得られるように適宜決定すればよいが、５００～１００００の範囲内で設定することが好ましい。
また、紫外ＬＥＤ１０を構成する素子層の成長温度については、特に制限されるものではなく所望とする、各層の特性、および紫外ＬＥＤ１０の特性が得られるように適宜決定すればよいが、１０００～１２００℃で成長することが好ましく、より好ましくは１０００～１１５０℃である。
以下で、発光波長２６５ｎｍの紫外ＬＥＤを作製した実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
［ＬＥＤ素子の作製］
紫外ＬＥＤ素子層を成長する基板にはＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ５ （２０１２）１２２１０１に記載の方法により作製されたＡｌＮ単結晶基板を用いた。具体的には、物理気相輸送（ＰＶＴ）法により作製されたＣ面ＡｌＮ種基板とハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法で成長したＡｌＮ厚膜を備えた積層基板である。このＡｌＮ基板の転位密度は１０5ｃｍ-2以下であり、５×５μｍ2の範囲での方面粗さ（ＲＭＳ）は０．１ｎｍであった。
紫外ＬＥＤ素子層を成長する基板にはＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ５ （２０１２）１２２１０１に記載の方法により作製されたＡｌＮ単結晶基板を用いた。具体的には、物理気相輸送（ＰＶＴ）法により作製されたＣ面ＡｌＮ種基板とハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法で成長したＡｌＮ厚膜を備えた積層基板である。このＡｌＮ基板の転位密度は１０5ｃｍ-2以下であり、５×５μｍ2の範囲での方面粗さ（ＲＭＳ）は０．１ｎｍであった。
このＡｌＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ装置によって、ＡｌＮ層（１００ｎｍ）、第一のｎ型ＡｌＧａＮ層（２００ｎｍ）、第二のｎ型ＡｌＧａＮ層（１０００ｎｍ）を成長させた。第一、および第二のｎ型ＡｌＧａＮ層はいずれも組成傾斜層であって、第一のｎ型ＡｌＧａＮ層では、ＡｌＮ層と接する側からＡｌ組成が１．０から０．７５に減じ、第二のｎ型ＡｌＧａＮ層では、第一のｎ型ＡｌＧａＮ層と接する側から、Ａｌ組成が０．７５から０．７０に減じている。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層におけるＳｉ濃度は１×１０19ｃｍ-3になるように制御した。
次いで、ｎ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ（７ｎｍ）からなる障壁層と、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ（４ｎｍ）からなる井戸層とからなる、３重量子井戸層を成長させた。障壁層のＳｉ濃度は１×１０18ｃｍ-3になるように制御した。
次いで、ＡｌＮ（１０ｎｍ）からなる電子ブロック層１４を成長させた。障壁層と接する側の電子ブロック層はアンドープ層１４Ａ（２ｎｍ）とし、残りの電子ブロック層１４Ｂには４±１×１０19ｃｍ-3のＭｇがドーピングされている。
次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５（６０ｎｍ）を成長させた。ｐ型ＡｌＧａＮ層１５は電子ブロック層と接する側からＡｌ組成が１．０から０．８に減じる組成傾斜層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度は、２×１．０×１０19ｃｍ-3～１．０×１０20ｃｍ-3の範囲で変化させた数種類のウエハを作製した。
次いで、ｐ型ＧａＮ層１６（２７０ｎｍ）を成長し、深紫外ＬＥＤ素子層の成長を完成させた。ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度は５×１０19ｃｍ-3とした。
次いで、ＩＣＰドライエッチングにより、第二のｎ型ＡｌＧａＮ層が露出するまでエッチングした後、Ｔｉ／Ａｕからなるｎ型電極を形成し、窒素雰囲気中、９００℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型ＧａＮ層上にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極を形成し、酸素雰囲気中、５００℃の条件で熱処理を行った。
次いで、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚保膜が露出するまでＡｌＮ基板の裏面（紫外ＬＥＤ素子層とは反対側）を機械研磨して、紫外ＬＥＤを完成させた。次いで、ダイシングによって０．７５ｍｍ×０．９５ｍｍのチップ形状に切断した後、セラミックサブマウント上へフリップチップボンディングして紫外ＬＥＤ素子を完成させ、スペクトル及び特性評価を行った。
図３Ａは、作製したウエハのスペーサ層１３Ｓ及びｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度及びそれらのウエハから得られたＬＥＤの素子特性を示す表である。なお、以下においては、べき乗、例えば１．０×１０19を１．０Ｅ１９のように表記する場合がある。
なお、図中の各欄の上段及び下段には、ウエハの成長温度の違いに応じた素子特性を区分けして示している。具体的には、上段には、ｐ型ＡｌＮ層１４及びｐ型ＡｌＧａＮ層１５の成長温度がそれぞれ１１１５℃及び１０９０℃の場合（成長温度条件：ＧＴ１）、下段には、成長温度条件ＧＴ１よりも僅かに（２０℃）温度が低い、それぞれ１０９５℃及び１０７０℃の場合（成長温度条件：ＧＴ２）の素子特性を示している。
また、各欄には、各ウエハから得られた素子のうち最大のＥＱＥ（外部量子効率）と、当該最大ＥＱＥが得られた素子のＳ／Ｍ比を括弧内に示している。
図３Ｂは、図３Ａの上段に示す各ウエハから得られた素子の最大のＥＱＥ（外部量子効率）をスペーサ層１３Ｓの濃度を横軸としプロットしたグラフである。
［素子評価（発光スペクトル）］
図４は、本発明の１実施態様による紫外ＬＥＤ素子１０（実施例：ＥＭＢ）及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤの発光スペクトルの一例を示す図である。なお、駆動電流密度Ｊが２０ｍＡ／ｍｍ2における発光スペクトルを示している。
図４は、本発明の１実施態様による紫外ＬＥＤ素子１０（実施例：ＥＭＢ）及び比較例（ＣＭＰ）の紫外ＬＥＤの発光スペクトルの一例を示す図である。なお、駆動電流密度Ｊが２０ｍＡ／ｍｍ2における発光スペクトルを示している。
実施例（ＥＭＢ）の発光スペクトルには活性層１３からの発光ピークであり、強度がＭのメインピークＭＡＩＮと、強度がＳのサブピークＳＵＢが観測された。以下、説明及び理解の容易さのため、強度とピークとに同符号を用い、メインピークＭ又はサブピークＳとも表記する。
サブピークＳはメインピークＭから約３０ｎｍ長波側に観測された。一方、比較例（ＣＭＰ）の発光スペクトルには明確なサブピークＳは観測されなかった。
実施例（ＥＭＢ）の発光スペクトルにおいて観測されたサブピークＳは、その波長からｐ型の不純物準位を介した発光、すなわちＭｇに由来する発光と解される。また、電流密度が大きくなると活性層での発光が支配的になり、当該Ｍｇ由来の発光は小さくなるため、メインピークの発光強度Ｍに対するサブピークの発光強度Ｓの比（以下、Ｓ／Ｍ比と称する。）は小さくなる。
従って、検出感度の点から低い電流密度におけるＳ／Ｍ比を評価の基準とした。具体的には、駆動電流密度Ｊが２０ｍＡ／ｍｍ2におけるＳ／Ｍ比（％）を評価の基準とした。
［素子評価（発光特性及びＳ／Ｍ比）］
図５は、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度が２．０Ｅ１８ｃｍ-3で、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度が４．０Ｅ１９ｃｍ-3のウエハ（実施例１：ＥＸ１）と、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度が１．０Ｅ１８ｃｍ-3で、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度が１．０Ｅ２０ｃｍ-3のウエハ（実施例２：ＥＸ２）とから得られた紫外ＬＥＤ１０の発光効率（ＥＱＥ：外部量子効率）及びＳ／Ｍ比（％）をプロットしたグラフである。
図５は、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度が２．０Ｅ１８ｃｍ-3で、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度が４．０Ｅ１９ｃｍ-3のウエハ（実施例１：ＥＸ１）と、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度が１．０Ｅ１８ｃｍ-3で、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度が１．０Ｅ２０ｃｍ-3のウエハ（実施例２：ＥＸ２）とから得られた紫外ＬＥＤ１０の発光効率（ＥＱＥ：外部量子効率）及びＳ／Ｍ比（％）をプロットしたグラフである。
実施例１及び実施例２のウエハ（ＥＸ１、ＥＸ２）のいずれにおいても、Ｓ／Ｍ比の増大に伴って発光効率が増加している。
実施例１（ＥＸ１）の場合では、Ｓ／Ｍ比が４．０％で発光効率（ＥＱＥ）が最大値３．４％を示し、その後Ｓ／Ｍ比の増大に伴い、発光効率は緩やかに減少している。
実施例２（ＥＸ２）の場合では、Ｓ／Ｍ比が１０．９％で発光効率（ＥＱＥ）が最大値２．８％を示し、その後Ｓ／Ｍ比の増大に伴い、発光効率は減少している。
実施例１及び実施例２（ＥＸ１、ＥＸ２）の結果を参照すると、Ｓ／Ｍ比が３～１５％において、サブピークが見られない場合に比べて高い発光効率が得られることがわかる。また、実施例１（ＥＸ１）の結果を参照すると、Ｓ／Ｍ比が３～６％において、極めて高い発光効率が得られることがわかる。
再度、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、上記したスペーサ層１３Ｓ及びｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度が異なる各ウエハのＬＥＤ素子１０について、発光効率（ＥＱＥ）の最大値ＥＱＥmax（％）及びＳ／Ｍ比（％）が示されている。
これらの結果から、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度は、５．０Ｅ１７～５．０Ｅ１８ｃｍ-3の範囲内であり、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度は、２．０Ｅ１９ｃｍ-3～１．０Ｅ２０ｃｍ-3の範囲内であれば、高い発光効率（ＥＱＥ）が得られることが分かる。
特に、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度が、７．０Ｅ１７～３．０Ｅ１８ｃｍ-3の範囲内であり、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度は、２．０Ｅ１９ｃｍ-3～５．０Ｅ１９ｃｍ-3の範囲内であることが好ましい。
［Ｓ／Ｍ比と発光特性の関係］
発光強度に関し、例えば特許文献１には、活性層における非発光遷移の増加は、サブピーク強度の増加によること、およびサブピーク強度の増加にともなって主ピーク発光強度が低下し、その結果、外部量子効率が低下することが記載されている。
発光強度に関し、例えば特許文献１には、活性層における非発光遷移の増加は、サブピーク強度の増加によること、およびサブピーク強度の増加にともなって主ピーク発光強度が低下し、その結果、外部量子効率が低下することが記載されている。
また、量子井戸層とＥＢＬ層（ＡｌＮ層）との間の層であるスペーサ層のＭｇ濃度の低下に伴ってサブピーク強度が低下することが示されており、スペーサ層中のＭｇ濃度の好ましい範囲が１Ｅ１７ｃｍ-3以下であることが記載されている。
ところで、ＬＥＤ半導体層の発光効率（内部量子効率）は、下記の式で決定される。なお、上述したＥＱＥ（外部量子効率）は、内部量子効率とＬＥＤ半導体層からの光取り出し効率の積で現される。
内部量子効率 ＝ 活性層における再結合確率 × 活性層へのキャリア注入効率
上記したように、従来の構造では活性層近傍のｐ層のＭｇ濃度が高くなると発光効率が低下することが知られていた。これは、Ｍｇ不純物準位が物理的に活性層に近くなるため、キャリアがＭｇ不純物準位間を介した遷移過程で消費されて活性層に注入されるキャリアが減少するためであると解されていた。
上記したように、従来の構造では活性層近傍のｐ層のＭｇ濃度が高くなると発光効率が低下することが知られていた。これは、Ｍｇ不純物準位が物理的に活性層に近くなるため、キャリアがＭｇ不純物準位間を介した遷移過程で消費されて活性層に注入されるキャリアが減少するためであると解されていた。
本願の発明者らは、紫外ＬＥＤの発光効率を向上させるべく、ｐ－ＡｌＮ層１４及びｐ－ＡｌＧａＮ層１５の構造と成長条件（Ｍｇ供給流量、成長温度）、及び、これらの成長条件の結果を反映して決定されるスペーサ層１３ＳのＭｇ濃度の検証を行った。
具体的には、ｐ－ＡｌＮ層１４やｐ－ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度について検討を行った結果、サブピーク強度を単純に低下させただけでは発光効率を十分に高めることが困難であり、サブピーク強度の低下に伴って発光効率も低下する傾向があることが分かった。
そして、ｐ－ＡｌＮ層１４およびｐ－ＡｌＧａＮ層１５の構造、特にｐ－ＡｌＮ層１４の層厚、及びｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度と、スペーサ層１３Ｓの拡散ドープ濃度との関係に着目し、紫外ＬＥＤの発光効率を向上させることについて知見を得た。
（スペーサ層のＭｇ濃度）
図６は、本発明の実施例（ＥＭＢ）のＬＥＤ素子１０及び比較例（ＣＭＰ）のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）測定の結果の一例を示している。具体的には、ＬＥＤの深さ方向（横軸）に対するＭｇ濃度を示している。また、ＳＩＭＳプロファイルの上欄には半導体層の各層の位置を示している。なお、横軸の深さは、上述の通り、各層の膜厚を正確に反映できないため、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ標準試料のエッチング深さを示している。
図６は、本発明の実施例（ＥＭＢ）のＬＥＤ素子１０及び比較例（ＣＭＰ）のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）測定の結果の一例を示している。具体的には、ＬＥＤの深さ方向（横軸）に対するＭｇ濃度を示している。また、ＳＩＭＳプロファイルの上欄には半導体層の各層の位置を示している。なお、横軸の深さは、上述の通り、各層の膜厚を正確に反映できないため、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ標準試料のエッチング深さを示している。
実施例（ＥＭＢ）のＬＥＤ素子１０のプロファイル（実線）を参照すると、スペーサ層１３Ｓ中にＭｇが拡散しているのが分かる。一方、比較例（ＣＭＰ）のＬＥＤ素子のプロファイル（破線）を参照すると、スペーサ層１３ＳにおいてＭｇ濃度は急峻に低下し、Ｍｇの拡散が少ないことが分かる。
より詳細には、ｐ－ＡｌＮ層１４およびｐ－ＡｌＧａＮ層１５が同一の層厚を有し、成長温度及びＭｇ濃度を変化させたＬＥＤ素子を作製した。そして、これらのＬＥＤ素子についてｐ－ＡｌＮ層１４のＭｇ濃度のピーク位置から活性層１３側に２０ｎｍの位置（評価位置）におけるＭｇ濃度を測定した。また、これらのＬＥＤ素子の発光効率を測定し、当該評価位置におけるＭｇ濃度との相関関係を調べた。
その結果、スペーサ層１３ＳのＭｇ濃度と発光効率に相関があることがわかった。具体的には、スペーサ層１３Ｓの当該評価位置におけるＭｇ濃度が５．０Ｅ１７～５．０Ｅ１８ｃｍ-3で高い発光効率が得られ、さらに、７．０Ｅ１７～３．０Ｅ１８ｃｍ-3でより高い発光効率が得られた。一方、Ｍｇ濃度が８．０Ｅ１６ｃｍ-3では、Ｓ／Ｍ比は１％以下であり、高い発光効率は得られなかった。また、Ｍｇ濃度が７．０Ｅ１８ｃｍ-3では、Ｓ／Ｍが８０％以上となり、高い発光効率は得られなかった。
つまり、スペーサ層１３中に拡散しているＭｇ濃度が少なくとも７．０Ｅ１７ｃｍ-3以上で高い発光効率が得られ、さらに、少なくとも１．０Ｅ１８ｃｍ-3以上でより高い発光効率が得られた。
また、ｐ－ＡｌＮ層１４の層厚が１０ｎｍ以下とし、ｐ－ＡｌＮ層１４中のＭｇ流量を増やし、成長温度を上げることで発光効率が向上することが分かった。
（発光効率とＳ／Ｍ比の関係）
上記のＬＥＤ素子のスペーサ層１３中のＭｇ濃度及び発光効率の評価結果と、図５のＳ／Ｍ比及び発光効率の評価結果に示したように、スペーサ層１３へのＭｇの拡散と発光スペクトル中にサブピークが見られることとは等価と考えられる。
（発光効率とＳ／Ｍ比の関係）
上記のＬＥＤ素子のスペーサ層１３中のＭｇ濃度及び発光効率の評価結果と、図５のＳ／Ｍ比及び発光効率の評価結果に示したように、スペーサ層１３へのＭｇの拡散と発光スペクトル中にサブピークが見られることとは等価と考えられる。
換言すると、スペーサ層１３にＭｇが拡散した結果、発光スペクトル中にサブピークが発現し、一定範囲のＭｇの拡散、すなわち一定強度のサブピークが発現する場合に高い発光効率が得られることが分かった。これは、活性層１３の近くのスペーサ層１３のＭｇ濃度が高くなることで、活性層１３へのキャリア注入効率が高くなったためだと考えられる。
図７は、本発明の実施例（ＥＭＢ１，ＥＭＢ２）及びスペーサ層のＭｇ濃度が低い比較例（ＣＭＰ）における、Ｓ／Ｍ比と発光効率又はキャリア注入量との関係を説明するための概念図である。
上記したように、ｐ－ＡｌＮ層１４及びｐ－ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度の検討において、Ｓ／Ｍ比と発光効率の関係性から、発光効率を高める上で、最適なＳ／Ｍ比の範囲があることが分かった。
これから、発光遷移量とキャリア注入量とにはトレードオフの関係があることが推測された。まず、サブピーク強度の増大はキャリアの消費（活性層でのメインピークの発光遷移の減少）を意味するから、Ｓ／Ｍ比の増加に従い発光遷移量は減少する（実線）。一方、Ｓ／Ｍ比の増加（スペーサ層１３へのＭｇの拡散）によってキャリア注入量は増大する（ＥＭＢ１，ＥＭＢ２：一点鎖線，及びＣＭＰ：破線）。
発光効率は、発光遷移確率とキャリア注入効率との積であるため、Ｓ／Ｍ比には最適値（発光遷移確率とキャリア注入効率との交点）がある。また、実施例ＥＭＢ１よりもＭｇ流量及び成長温度を増加させた実施例ＥＭＢ２の場合では、Ｓ／Ｍ比はより低い最適値をもつ。一方、比較例（ＣＭＰ）の場合では、スペーサ層のＭｇ濃度が低く、キャリア注入量が小さいため、サブピーク強度の低下に伴って発光効率は向上するが、発光効率は実施例（ＥＭＢ１，ＥＭＢ２）の場合よりも小さい。
上記したように、スペーサ層１３Ｓ、ｐ－ＡｌＮ層１４、及びｐ－ＡｌＧａＮ層１５のＭｇ濃度の検討によって、Ｓ／Ｍ比と発光効率の関係性から、Ｓ／Ｍ比が３～１５％において発光効率が最大となることが分かった。また、Ｓ／Ｍ比が３～６％において、さらに高い発光効率が得られることが分かった。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、活性層へのキャリア注入効率が高く高効率かつ高出力な紫外半導体発光素子を提供することができる。
１０：紫外半導体発光素子、１１：基板、１２：ｎ型ＡｌＧａＮ層、１２Ａ：第１のｎ型ＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎ層、１２Ｂ：第２のｎ型ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ層、１３：活性層、１３Ｑ：量子井戸構造層、１３Ｓ：スペーサ層、１４：ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層、１５：ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層、１６：ｐ型ＧａＮ層
Claims (7)
- 単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇ（マグネシウム）ドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、
前記活性層への電流印加によって発光スペクトルにメインピーク及びＭｇ由来のサブピークを呈し、駆動電流密度２０ｍＡ／ｍｍ2における前記サブピークの強度（Ｓ）の前記メインピークの強度（Ｍ）に対するピーク強度（Ｓ／Ｍ）が３～１５％である、紫外半導体発光素子。 - 前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層のＭｇ濃度は３．０×１０19ｃｍ-3～５．０×１０19ｃｍ-3の範囲内であり、前記ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層のＭｇ濃度は２．０×１０19ｃｍ-3～１．０×１０20ｃｍ-3の範囲内である、請求項１に記載の紫外半導体発光素子。
- 前記ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層のＭｇ濃度は２．０×１０19ｃｍ-3～５．０×１０19ｃｍ-3の範囲内である、請求項１に記載の紫外半導体発光素子。
- 前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層の層厚は４～１０ｎｍの範囲内である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の紫外半導体発光素子。
- 前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層はｐ型ＡｌＮ層である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の紫外半導体発光素子。
- 前記サブピークの強度（Ｓ）の前記メインピークの強度（Ｍ）に対するピーク強度（Ｓ／Ｍ）が３～６％である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の紫外半導体発光素子。
- 単結晶ＡｌＮからなる基板と、
前記基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、Ｍｇ（マグネシウム）ドープのｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層（０．５≦Ｙ１≦１．０）及びＭｇドープのｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層（０．５≦Ｙ２≦１．０，Ｙ２≦Ｙ１）がこの順でエピタキシャル成長された半導体構造層、を含み、
前記活性層の発光ピーク波長は２１０～３００ｎｍの範囲内にあり、
前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層のＭｇ濃度は３．０×１０19ｃｍ-3～５．０×１０19ｃｍ-3の範囲内であり、前記ｐ型ＡｌY2Ｇａ1-Y2Ｎ層のＭｇ濃度は２．０×１０19ｃｍ-3～１．０×１０20ｃｍ-3の範囲内であり、
前記ｐ型ＡｌY1Ｇａ1-Y1Ｎ層の層厚は４～１０ｎｍの範囲内である、紫外半導体発光素子。
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