JP2023171371A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子１は、ｃ面が成長面２１である基板２と、基板２の成長面２１上に積層された窒化物半導体層３と、を備え、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発光する。窒化物半導体層３は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層３２と、ｎ型半導体層３２の基板２と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する１つの井戸層３３２を有する、単一量子井戸構造の活性層３３と、活性層３３の基板２と反対側に形成されたｐ型半導体層３５と、を有する。活性層３３は、ｎ型半導体層３２側から順に、Ａｌ及びＮを含有する第１障壁層３３１ａと、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するとともに第１障壁層３３１ａよりもＡｌ組成比が小さい第２障壁層３３１ｂと、井戸層３３２とを有する。【選択図】図２
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
特許文献１には、基板の上に窒化物半導体からなる複数の層を積層してなる窒化物半導体発光素子が開示されている。
窒化物半導体発光素子は、光出力の向上を図るべく、その発光波長毎に採用すべき構成を変えるべきである。しかしながら、これについては特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子においては考慮されておらず、改善の余地がある。
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明は、前記の目的を達成するため、ｃ面が成長面である基板と、前記基板の前記成長面上に積層された窒化物半導体層と、を備え、中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子であって、前記窒化物半導体層は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の前記基板と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する１つの井戸層を有する、単一量子井戸構造の活性層と、前記活性層の前記基板と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を有し、前記ｎ型半導体層は、５０％以下のＡｌ組成比を有するとともに、２μｍ超の膜厚を有し、前記ｎ型半導体層のＡｌ組成比から前記井戸層のＡｌ組成比を減算した組成差は、２２％以上である、窒化物半導体発光素子を提供する。
また、本発明は、前記の目的を達成するため、ｃ面が成長面である基板と、前記基板の前記成長面上に積層された窒化物半導体層と、を備え、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子であって、前記窒化物半導体層は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の前記基板と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する１つの井戸層を有する、単一量子井戸構造の活性層と、前記活性層の前記基板と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を有し、前記活性層は、前記ｎ型半導体層側から順に、Ａｌ及びＮを含有する第１障壁層と、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するとともに前記第１障壁層よりもＡｌ組成比が小さい第２障壁層と、前記井戸層とを有する、窒化物半導体発光素子を提供する。
また、本発明は、前記の目的を達成するため、ｃ面が成長面である基板と、前記基板の前記成長面上に積層された窒化物半導体層と、を備え、中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子であって、前記窒化物半導体層は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の前記基板と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する複数の井戸層を有する、多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層の前記基板と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を有し、前記ｎ型半導体層のＡｌ組成比は、５０％超７０％以下である、窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明によれば、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。
本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。
（窒化物半導体発光素子１）
図１は、本形態における、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。
図１は、本形態における、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。
発光素子１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を構成するものである。本形態の発光素子１は、中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の紫外光を発する発光ダイオードを構成するものである。発光素子１は、基板２と、基板２の成長面２１上に積層された窒化物半導体層３と、窒化物半導体層３に接続されたｎ側電極４及びｐ側電極５とを備える。以後、基板２及び窒化物半導体層３の積層方向を上下方向といい、基板２に対して窒化物半導体層３が積層された側（すなわち図１の上側）を上側といい、その反対側（すなわち図１の下側）を下側という。上下の表現は便宜的なものであり、例えば発光素子１の使用時における、鉛直方向に対する発光素子１の姿勢を限定するものではない。
基板２は、後述の活性層３３が発する紫外光を透過する材料からなる。本形態において、基板２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板２における窒化物半導体層３が積層される面である成長面２１は、ｃ面である。このｃ面は、オフ角を有するものであってもよい。なお、基板２としては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板又は窒化アルミニウムガリウム基板等を用いてもよい。
窒化物半導体層３の各層は、例えば、ＡｌａＧａｂＩｎ１－ａ－ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０＜ａ＋ｂ≦１）にて表される２～４元系のＩＩＩ族窒化物半導体にて構成される。本形態において、窒化物半導体層３の各層は、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）にて表される２元系又は３元系のＩＩＩ族窒化物半導体からなる。ＩＩＩ族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置き換えてもよい。また、窒素の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。窒化物半導体層３の各層は、上下方向に厚みを有する。窒化物半導体層３は、基板２側から順に、バッファ層３１、ｎ型半導体層３２、活性層３３、電子ブロック層３４、及びｐ型半導体層３５を備える。
バッファ層３１は、窒化アルミニウムからなる層を有する。例えば、バッファ層３１は、窒化アルミニウムの単層で形成されていてもよいし、窒化アルミニウムからなる層に加えて窒化アルミニウムガリウムからなる層を含んでいてもよい。バッファ層３１の膜厚は、例えば１μｍ以上４μｍ以下である。バッファ層３１の膜厚を１μｍ以上とすることで、バッファ層３１と基板２との格子定数差に起因して生じる転位がバッファ層３１の上端まで形成されることが抑制され、バッファ層３１の上端部の格子定数を窒化アルミニウム本来の格子定数とすることができる。また、バッファ層３１の膜厚を４μｍ以下とすることで、バッファ層３１とバッファ層３１に隣接する層との間の熱膨張係数の差に起因するクラックの発生を抑制できる。なお、基板２が窒化アルミニウム基板又は窒化アルミニウムガリウム基板である場合、バッファ層３１は必ずしも設けなくてもよい。
ｎ型半導体層３２は、例えば、ｎ型不純物がドープされたＡｌｑＧａ１－ｑＮ（０≦ｑ≦１）により形成されたｎ型クラッド層である。ｎ型半導体層３２は、Ａｌ組成比ｑ（ＡｌＮモル分率ともいう）が５０％以下であり、かつ膜厚が２μｍを超えている。これにより、ｎ型半導体層３２において格子緩和が生じる。本形態のように、発光素子１が発する紫外光の中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下であって活性層３３が後述するように単一量子井戸（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造である場合は、ｎ型半導体層３２に格子緩和が生じることで発光素子１の光出力が向上する。この理由は、発光素子１が発する紫外光の中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下であって活性層３３が単一量子井戸構造である場合は、ｎ型半導体層３２に格子緩和が生じることで、ｎ型半導体層３２上に形成される活性層３３の歪みが発光に適した歪みになるためであると推測される。なお、ｎ型半導体層３２に格子緩和が生じることで、ｎ型半導体層３２がコヒーレント成長してなる場合と比べて、ｎ型半導体層３２に生じる歪みが小さくなり、その上側に形成される活性層３３に生じる歪みも小さくなる。
ｎ型半導体層３２の膜厚は、２．５μｍ以上が好ましい。これにより、ｎ型半導体層３２が完全に格子緩和した状態に近づき、ｎ型半導体層３２上に形成される活性層３３の結晶性が向上し、光出力が向上する。また、ｎ型半導体層３２の膜厚は、４μｍ以下が好ましい。これにより、ｎ型半導体層３２の成膜時間が無駄に長くなることが抑制され、発光素子１の生産性が向上する。
本形態において、ｎ型半導体層３２は、単層のｎ型クラッド層からなる。なお、ｎ型半導体層３２は、複数層から構成されていてもよい。この場合、特に断らない限り、ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比といったものは、ｎ型半導体層３２の各層のＡｌ組成比を意味し、ｎ型半導体層３２の膜厚といったものは、ｎ型半導体層３２の全体の膜厚、すなわちｎ型半導体層３２の各層の合計の膜厚を意味する。
本形態において、ｎ型半導体層３２にドーピングするｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。ｎ型半導体層３２以外の、ｎ型不純物を含む半導体層においても同様である。なお、ｎ型不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型半導体層３２上に、活性層３３が形成されている。
活性層３３は、１つの井戸層３３２を有する単一量子井戸構造となるよう形成されている。活性層３３は、中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の紫外光を発することができるようバンドギャップが調整されている。活性層３３は、ｎ型半導体層３２側から順に、障壁層３３１及び井戸層３３２を有する。
障壁層３３１は、ＡｌｒＧａ１－ｒＮ（０＜ｒ≦１）により形成されている。障壁層３３１のＡｌ組成比ｒは、ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑよりも大きい（すなわちｒ＞ｑ）。障壁層３３１のＡｌ組成比ｒは、例えば５０％以上である。障壁層３３１の膜厚は、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
井戸層３３２は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０＜ｓ＜１）により形成されている。井戸層３３２のＡｌ組成比ｓは、ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑよりも小さい（すなわちｓ＜ｑ）。井戸層３３２のＡｌ組成比ｓは、光出力向上の観点及び発光素子１の発光スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）を狭くする観点から、１０％以下が好ましく、６％未満がより好ましい。以後、発光素子１の発光スペクトルの半値全幅を単に「半値全幅」ということもある。
ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑから井戸層３３２のＡｌ組成比ｓを減算した組成差ｑ－ｓは、２２％以上である。これにより、発光素子１の光出力が向上する。かかる観点から、組成差ｑ－ｓは、２８％以上がより好ましい。また、ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比が過度に高くなるとｎ型半導体層３２の電気抵抗値が過度に高くなるところ、発光素子１の性能低下を抑えつつｎ型半導体層３２の電気抵抗値を抑制する観点から、組成差ｑ－ｓは３４％以下とすることが好ましい。井戸層３３２の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。井戸層３３２上に、電子ブロック層３４が形成されている。
電子ブロック層３４は、活性層３３からｐ型半導体層３５側へ電子がリークするオーバーフロー現象の発生を抑制すること（以後、電子ブロック効果ともいう）によって活性層３３への電子注入効率を向上させる役割を有する。電子ブロック層３４は、下側から順に、第１層３４１と第２層３４２とを積層した積層構造を有する。
第１層３４１は、活性層３３上に設けられている。第１層３４１は、例えばＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０＜ｔ≦１）からなる。第１層３４１のＡｌ組成比ｔは、例えば９０％以上である。第１層３４１の膜厚は、例えば０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。
第２層３４２は、例えばＡｌｕＧａ１－ｕＮ（０＜ｕ＜１）からなる。第２層３４２のＡｌ組成比ｕは、第１層３４１のＡｌ組成比ｔよりも小さく、例えば７０％以上９０％以下である。第２層３４２の膜厚は、第１層３４１の膜厚よりも大きく、例えば１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
Ａｌ組成比が大きい半導体層ほど電気抵抗値が大きくなるため、Ａｌ組成比が比較的高い第１層３４１の膜厚を大きくし過ぎると発光素子１の全体の電気抵抗値の過度な上昇を招く。そのため、第１層３４１の膜厚はある程度小さくすることが好ましい。一方、第１層３４１の膜厚を小さくすると、トンネル効果によって電子が第１層３４１を下側から上側にすり抜ける確率が増大し得る。そこで、本形態の発光素子１においては、第１層３４１上に第２層３４２を形成することで、電子ブロック層３４の全体を電子がすり抜けることを抑制している。
第１層３４１及び第２層３４２のそれぞれは、アンドープの層、ｎ型不純物を含有する層、ｐ型不純物を含有する層、又はｎ型不純物及びｐ型不純物の双方を含有する層とすることができる。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができるが、マグネシウム以外にも、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）又は炭素（Ｃ）等を用いてもよい。他のｐ型不純物を含む半導体層においても同様である。各電子ブロック層３４が不純物を含有する場合において、各電子ブロック層３４が含有する不純物は、各電子ブロック層３４の全体に含まれていてもよいし、各電子ブロック層３４の一部に含まれていてもよい。電子ブロック層３４上に、ｐ型半導体層３５が形成されている。
本形態において、ｐ型半導体層３５は、ｐ型コンタクト層からなる。ｐ型コンタクト層は、後述するｐ側電極５が接続された層であり、ｐ型不純物が高濃度にドープされたＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０≦ｖ≦１）により形成されている。ｐ型コンタクト層としてのｐ型半導体層３５は、ｐ側電極５とのオーミックコンタクトを実現すべくＡｌ組成比が低くなるよう構成されており、かかる観点からｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成することが好ましい。
ｎ側電極４は、ｎ型半導体層３２の上面に形成されている。ｎ側電極４は、例えば、ｎ型半導体層３２の上にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム、チタン、金（Ａｕ）が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｎ側電極４は、活性層３３が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。
ｐ側電極５は、ｐ型半導体層３５の上面に形成されている。ｐ側電極５は、例えば、ｐ型半導体層３５の上にニッケル（Ｎｉ）、金が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｐ側電極５は、活性層３３が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。
発光素子１は、図示しないパッケージ基板にフリップチップ実装されて使用され得る。すなわち、発光素子１は、上下方向におけるｎ側電極４及びｐ側電極５が設けられた側をパッケージ基板側に向け、ｎ側電極４及びｐ側電極５のそれぞれが、金バンプ等を介してパッケージ基板に実装される。フリップチップ実装された発光素子１は、基板２側（すなわち下側）から光が取り出される。なお、これに限られず、発光素子は、ワイヤボンディング等によりパッケージ基板に実装されてもよい。また、本形態において、発光素子１は、ｎ側電極４及びｐ側電極５の双方が窒化物半導体層３における上側に設けられた、いわゆる横型の発光素子としたが、これに限られず、縦型の発光素子であってもよい。縦型の発光素子は、ｎ側電極とｐ側電極とによって窒化物半導体層がサンドイッチされた発光素子である。なお、発光素子を縦型とする場合、基板及びバッファ層は、レーザーリフトオフ等により除去することが好ましい。
（窒化物半導体発光素子１の製造方法）
次に、発光素子１の製造方法の一例について説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、窒化物半導体層３の各層を順にエピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に窒化物半導体層３が形成される。各層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。各層をエピタキシャル成長させるための成長温度、成長圧力、及び成長時間等の製造条件については、各層の構成に応じた一般的な条件とすることができる。
次に、発光素子１の製造方法の一例について説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、窒化物半導体層３の各層を順にエピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に窒化物半導体層３が形成される。各層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。各層をエピタキシャル成長させるための成長温度、成長圧力、及び成長時間等の製造条件については、各層の構成に応じた一般的な条件とすることができる。
なお、ＭＯＣＶＤ法は、有機金属化学気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）と呼ばれることもある。また、基板２上に窒化物半導体層３の各層をエピタキシャル成長させるに際しては、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の他のエピタキシャル成長法を用いることも可能である。
円板状の基板２上に窒化物半導体層３を形成した後、ｐ型半導体層３５上の一部、すなわちｎ型半導体層３２の露出面３２１になる部分以外の部位にマスクを形成する。そして、マスクを形成していない領域を、ｐ型半導体層３５の上面から上下方向のｎ型半導体層３２の途中までエッチングにより除去する。これにより、ｎ型半導体層３２に、上側に向かって露出する露出面３２１が形成される。露出面３２１形成後、マスクを除去する。
次いで、ｎ型半導体層３２の露出面３２１上にｎ側電極４を形成し、ｐ型半導体層３５上にｐ側電極５を形成する。ｎ側電極４及びｐ側電極５は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成してよい。以上により完成したものを、所望の寸法に切り分けることにより、１つのウエハから図１に示すような発光素子１が複数製造される。
［第２の実施の形態］
図２は、本形態における、発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。
図２は、本形態における、発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。
本形態は、第１の実施の形態に対し、発光波長の中心波長を３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下にするとともに、ｎ型半導体層３２及び活性層３３の構成を変更した形態である。
本形態のｎ型半導体層３２は、格子緩和が生じていてもよいし、コヒーレント成長されていてもよい。ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑは、特に限定されないが、一例として、Ａｌ組成比ｑは、３０％以上７０％以下とすることができる。ｎ型半導体層３２の膜厚は、１μｍ以上４μｍ以下が好ましい。ｎ型半導体層３２の膜厚を１μｍ以上とすることで、ｎ型半導体層３２の断面積が小さくなることに起因して発光素子１の全体の電気抵抗値が増大することを抑制できる。ｎ型半導体層３２の膜厚を４μｍ以下とすることで、ｎ型半導体層３２の成膜時間が無駄に長くなることが抑制され、発光素子１の生産性が向上する。
活性層３３は、第１の実施の形態と同様、単一量子井戸構造である。活性層３３は、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発することができるようバンドギャップが調整されている。活性層３３は、ｎ型半導体層３２側から順に、第１障壁層３３１ａと、第２障壁層３３１ｂと、井戸層３３２とを備える。
第１障壁層３３１ａは、Ａｌｒ１Ｇａ１－ｒ１Ｎ（０＜ｒ１≦１）により形成されており、第２障壁層３３１ｂは、Ａｌｒ２Ｇａ１－ｒ２Ｎ（０＜ｒ２＜１）により形成されている。第１障壁層３３１ａのＡｌ組成比ｒ１は、第２障壁層３３１ｂのＡｌ組成比ｒ２よりも大きい（すなわちｒ１＞ｒ２）。第１障壁層３３１ａのＡｌ組成比ｒ１は、例えば８０％以上であり、第２障壁層３３１ｂのＡｌ組成比ｒ２は、井戸層３３２のＡｌ組成比ｓよりも大きく、例えば６５％以上９５％以下である。第１障壁層３３１ａの膜厚は、第２障壁層３３１ｂの膜厚よりも小さい。第１障壁層３３１ａは、Ａｌ組成比ｒ１が高い層であり、その膜厚を大きくし過ぎると発光素子１の全体の電気抵抗値が上昇するため、第１障壁層３３１ａの膜厚は、第２障壁層３３１ｂの膜厚よりも小さいことが好ましい。第１障壁層３３１ａの膜厚は、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、第２障壁層３３１ｂの膜厚は、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
井戸層３３２のＡｌ組成比ｓは、光出力向上の観点から、１５％以上２６％以下が好ましく、２２％以下をさらに満たすことがより好ましい。また、発光素子１の発光スペクトルの半値全幅を狭くする観点からは、井戸層３３２のＡｌ組成比ｓは、１８％以上が好ましい。
ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑから井戸層３３２のＡｌ組成比ｓを減算した組成差ｑ－ｓは、光出力向上の観点から、２８％以上４１％以下が好ましい。また、発光素子１の発光スペクトルの半値全幅を狭くする観点からは、ｎ型半導体層３２が５０％超のＡｌ組成比及び２μｍ以下の膜厚の少なくとも一方を満たし（すなわちｎ型半導体層３２がコヒーレント成長により形成され）、かつ組成差ｑ－ｓが３０％以上４０％以下を満たすことが好ましい。
その他は、第１の実施の形態と同様である。
なお、第２の実施の形態以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
なお、第２の実施の形態以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
［第３の実施の形態］
図３は、本形態における、発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。
図３は、本形態における、発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。
本形態は、第１の実施の形態に対し、発光波長の中心波長を２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満とし、ｎ型半導体層３２をコヒーレント成長にて形成し、活性層３３を多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造にした形態である。
本形態のように、発光素子１が発する紫外光の中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満であって活性層３３が複数の井戸層３３２ａ～３３２ｃを有する多重量子井戸構造である場合は、ｎ型半導体層３２をコヒーレント成長にて形成することで発光素子１の光出力が向上する。この理由は、発光素子１が発する紫外光の中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満であって活性層３３が多重量子井戸構造である場合は、ｎ型半導体層３２をコヒーレント成長にて形成することで、ｎ型半導体層３２の歪が多重量子井戸構造の活性層３３にて緩和され、最上段に位置する井戸層３３２ｃに生じる歪みが発光に適した歪みになるためであると推測される。なお、活性層３３が多重量子井戸構造である場合は、活性層３３を構成する複数の井戸層３３２ａ～３３２ｃのうち、最もｐ型半導体層３５側に位置する井戸層３３２ｃ（すなわち後述の最上井戸層３３２ｃ）が最も強く発光する傾向がある。また、発光素子１が発する紫外光の中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満と短波長である場合は、基板２のｃ軸方向以外の方向（例えばａ軸方向、ｍ軸方向等）の光が強くなり、基板２から下側に紫外光が取り出し難くなる傾向があるが、本形態においては、基板２の下側からの光出力を向上させることができる。
本形態において、ｎ型半導体層３２は、Ａｌ組成比が５０％超を満たすことで、コヒーレント成長にて形成される。また、ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比は、７０％以下をさらに満たす。ｎ型半導体層３２の膜厚は、１μｍ以上４μｍ以下が好ましい。ｎ型半導体層３２の膜厚を１μｍ以上とすることで、ｎ型半導体層３２の断面積が小さくなることに起因して発光素子１の全体の電気抵抗値が増大することを抑制できる。ｎ型半導体層３２の膜厚を４μｍ以下とすることで、ｎ型半導体層３２の成膜時間が無駄に長くなることが抑制され、発光素子１の生産性が向上する。
ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑと、ｎ型半導体層３２の膜厚ｄ［μｍ］とは、４．１ｑ－０．６≦ｄ≦４．１ｑの関係を満たすことが好ましい。ｎ型半導体層３２は、Ａｌ組成比が高くなる程、キャリア濃度が低下して電気抵抗値が上昇するため、ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比の増加に応じて膜厚ｄを大きくすることで、ｎ型半導体層３２の電気抵抗値の上昇を抑制できる。
活性層３３は、複数の井戸層３３２ａ～３３２ｃを有する多重量子井戸構造となるよう形成されている。活性層３３は、中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の紫外光を発することができるようバンドギャップが調整されている。本形態においては、活性層３３が、障壁層３３１と井戸層３３２ａ～３３２ｃとをそれぞれ３つずつ備える例を説明する。なお、活性層３３における井戸層３３２ａ～３３２ｃの数は、光出力向上の観点からは３つ以下が好ましい。
障壁層３３１と井戸層３３２ａ～３３２ｃとは、交互に積層されている。活性層３３の下端に障壁層３３１が形成されており、活性層３３の上端に井戸層３３２ｃが形成されている。各障壁層３３１の構成は、第１の実施の形態と同様とすることができる。
３つの井戸層３３２ａ～３３２ｃのうち、最も下側に配された井戸層を最下井戸層３３２ａとし、最も上側に配された井戸層を最上井戸層３３２ｃとし、最下井戸層３３２ａと最上井戸層３３２ｃとの間に配された井戸層を中間井戸層３３２ｂとする。本形態において、３つの井戸層３３２ａ～３３２ｃは、最下井戸層３３２ａと、最下井戸層３３２ａ以外の井戸層（すなわち中間井戸層３３２ｂ及び最上井戸層３３２ｃ）とで構成が異なっている。最下井戸層３３２ａの膜厚は、中間井戸層３３２ｂ及び最上井戸層３３２ｃのそれぞれの膜厚よりも大きい。これにより、最下井戸層３３２ａが平坦化し、最下井戸層３３２ａ上に形成される活性層３３の各層の平坦性も向上する結果、出力光の単色性を向上させることができる。例えば、最下井戸層３３２ａの膜厚は、４ｎｍ以上６ｎｍ以下、中間井戸層３３２ｂ及び最上井戸層３３２ｃのそれぞれの膜厚は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることができる。３つの井戸層３３２ａ～３３２ｃのそれぞれのＡｌ組成比は、例えば２５％以上４５％以下とすることができる。３つの井戸層３３２ａ～３３２ｃのそれぞれのＡｌ組成比は、光出力向上の観点及び半値全幅を狭くする観点からは、２８％以上３６％以下が好ましい。また、最下井戸層３３２ａのＡｌ組成比を、中間井戸層３３２ｂ及び最上井戸層３３２ｃのそれぞれのＡｌ組成比よりも大きくしてもよい。これにより、ｎ型半導体層３２と最下井戸層３３２ａとの間のＡｌ組成比の差が比較的小さくなり、活性層３３の各層の結晶性が向上する。
ｎ型半導体層３２のＡｌ組成比ｑから最上井戸層３３２ｃのＡｌ組成比ｓを減算した組成差ｑ－ｓは、光出力向上の観点から、１５％以上３１％以下が好ましく、２０％以上３０％未満がより好ましい。また、発光素子１の半値全幅を狭くする観点からは、組成差ｑ－ｓは、２２％以下が好ましい。
その他は、第１の実施の形態と同様である。
その他は、第１の実施の形態と同様である。
［実験例］
本実験例は、発光波長、活性層の構成、ｎ型半導体層の成長モード等が種々異なる多数の発光素子を用意し、それぞれの発光素子について光出力及び半値全幅を測定した例である。
本実験例は、発光波長、活性層の構成、ｎ型半導体層の成長モード等が種々異なる多数の発光素子を用意し、それぞれの発光素子について光出力及び半値全幅を測定した例である。
本実験例においては、試料１～１３１に係る発光素子を準備した。まず、試料１～１３１の大まかな構成を表１に示す。
表１において、表記「ＳＱＷ」は単一量子井戸構造を意味し、表記「ＭＱＷ」は多重量子井戸構造を意味する。また、ｎ型半導体層の成長モードの欄は、ｎ型半導体層に格子緩和が生じているか、又はｎ型半導体層がコヒーレント成長しているかを表している。ｎ型半導体層のＡｌ組成比が５０％以上、かつｎ型半導体層の膜厚が２μｍ超の条件を満たしている場合、ｎ型半導体層の成長モードは格子緩和であると判断し、当該条件を満たさない場合、ｎ型半導体層の成長モードはコヒーレント成長であると判断した。本条件を満たすことでｎ型半導体層に格子緩和が生じ、前述の条件から外れることでｎ型半導体層がコヒーレント成長することを確認済みである。
そして、試料１～１７、試料１８～３９、試料４０～５３、試料５４、試料５５～７２、試料７３～１２９、試料１３０及び試料１３１のそれぞれの詳細構成を表２～表９に示す。
表２～表９に記載の各層の膜厚は、透過型電子顕微鏡によって測定したものである。また、表２～表９に記載の各層のＡｌ組成比は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定したＡｌの２次イオン強度から推定した値である。
本実験例においては、試料１～１３１のそれぞれの光出力及び半値全幅を測定した。各試料の光出力は、オンウエハの状態の各試料に２０ｍＡの電流を流したときの各試料の光出力である。各試料の光出力は、試料１～１３１のそれぞれの下側（すなわち基板側）に設置した光検出器によって測定した。
各試料における主要部の具体的な構成と、発光波長、光出力及び半値全幅との関係を表１０～１８に示す。また、各試料の発光波長と光出力との関係を図４に示し、各試料の発光波長と半値全幅（ＦＷＨＭ）を図５に示す。図４及び図５においては、活性層が単一量子井戸構造であり、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和である試料の測定結果を黒塗りの正方形のプロットで示しており、活性層が単一量子井戸構造であり、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長である試料の測定結果を白抜きの正方形のプロットで示しており、活性層が多重量子井戸構造であり、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和である試料の測定結果を黒塗りの菱形のプロットで示しており、活性層が多重量子井戸構造であり、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長である試料の測定結果を白抜きの菱形のプロットで示している。
（第１の実施の形態の効果について）
実験例の結果から、第１の実施の形態の効果について検討する。
第１の実施の形態は、中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の紫外光を発し、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、活性層が単一量子井戸構造であり、ｎ型半導体層のＡｌ組成比から井戸層のＡｌ組成比を減算した組成差ｑ－ｓが２２％以上を満たす発光素子である。
実験例の結果から、第１の実施の形態の効果について検討する。
第１の実施の形態は、中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の紫外光を発し、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、活性層が単一量子井戸構造であり、ｎ型半導体層のＡｌ組成比から井戸層のＡｌ組成比を減算した組成差ｑ－ｓが２２％以上を満たす発光素子である。
図４及び図５においては、黒塗り正方形のプロットに係る試料のうち、発光波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下であり、かつ、ｎ型半導体層のＡｌ組成比ｑから井戸層のＡｌ組成比ｓを減算した組成差ｑ－ｓが２２％以上を満たす試料が第１の実施の形態の構成を満たす発光素子である。図４及び図５から分かるように、黒塗り正方形のプロットに係る試料であって、発光波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下のもの（すなわち第１の実施の形態の一部の構成を満たす試料）は、高い光出力及び狭い半値全幅が得られている。
次に、図４又は図５の結果について別の見方をした図６乃至図９を参照する。図６は、活性層が単一量子井戸構造である試料について、ｎ型半導体層と井戸層との組成差ｑ－ｓと光出力との関係を示した図である。図７は、活性層が単一量子井戸構造である試料について、ｎ型半導体層と井戸層との組成差ｑ－ｓと半値全幅との関係を示した図である。図８は、活性層が単一量子井戸構造である試料について、井戸層のＡｌ組成比と光出力との関係を示した図である。図９は、活性層が単一量子井戸構造である試料について、井戸層のＡｌ組成比と半値全幅との関係を示した図である。図６乃至図９においては、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、発光波長が３００ｎｍ未満の試料の結果をバツ記号にてプロットしており、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、発光波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の試料の結果を白抜きの丸記号にてプロットしており、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、発光波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の試料の結果を黒塗りの丸記号にてプロットしている。また、図６乃至図９においては、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレントであり、発光波長が３００ｎｍ未満の試料の結果を十字記号にてプロットしており、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレントであり、発光波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の試料の結果を白抜きの三角形にてプロットしており、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレントであり、発光波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の試料の結果を黒塗りの三角形にてプロットしている。
図６及び図７においては、黒塗り丸記号のプロットに係る試料のうち、組成差ｑ－ｓが２２％以上を満たす試料が第１の実施の形態の構成を満たす発光素子である。
図６から、黒塗りの丸記号のプロットに係る試料は、組成差ｑ－ｓが２２％以上のときに特に高い光出力が得られていることが分かる。そのため、第１の実施の形態の構成を満たすことで、高い光出力が得られることが分かる。また、その中でも、組成差ｑ－ｓが２８％以上のときに特に高い光出力が得られていることが分かる。
また、図８及び図９から、黒塗り丸記号のプロットに係る試料は、井戸層の組成比を１０％以下とすることで光出力が向上するとともに半値全幅が狭くなることが分かる。かかる観点から、黒塗り丸記号のプロットに係る試料は、井戸層の組成比を６％未満にすることが好ましいことが分かる。
（第２の実施の形態の効果について）
次に、第２の実施の形態の効果について検討する。
第２の実施の形態は、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発し、活性層が単一量子井戸構造であるとともに第１障壁層及び第２障壁層を備える発光素子である。
次に、第２の実施の形態の効果について検討する。
第２の実施の形態は、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発し、活性層が単一量子井戸構造であるとともに第１障壁層及び第２障壁層を備える発光素子である。
図４及び図５においては、黒塗り正方形及び白抜き正方形のプロットに係る試料のうち、発光波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であり、かつ、活性層が第１障壁層及び第２障壁層を備える試料が、第２の実施の形態の構成を満たす発光素子である。図４及び図５から分かるように、黒塗り正方形及び白抜き正方形のプロットに係る試料であって、発光波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下のもの（すなわち第２の実施の形態の一部の構成を満たす試料）は、高い光出力及び狭い半値全幅が得られている。つまり、活性層が単一量子井戸構造の場合は、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であるかコヒーレント成長であるかに関わらず、発光波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下のときに、高い光出力及び狭い半値全幅が得られている。
図１０及び図１１は、表４に記載した試料４４～５３のうちの２つの試料と、図５に記載した試料５４との合計３つの試料につき、光出力及び半値全幅のそれぞれを比較した図である。これら３つの試料は、障壁層の数を除いて互いに同等の構成を有する。これら３つの試料は、発光波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であり、ｎ型半導体層がコヒーレント成長にて形成されている。これら３つの試料のうち、障壁層の数が２つのものが、第２の実施の形態の構成を満たす試料である。図１０及び図１１から分かるように、障壁層の数を２つとした試料は、障壁層の数を１つとした試料に比べ、光出力が向上するとともに半値全幅が狭くなっていることが分かる。そのため、第２の実施の形態の構成を満たすことで、一層高い光出力及び一層狭い半値全幅が得られることが分かる。
また、図６乃至図９においては、白抜き丸記号及び白抜き三角形のプロットに係る試料のうち、活性層が第１障壁層及び第２障壁層を含む試料が、第２の実施の形態の構成を満たす発光素子である。
図６から、白抜き丸記号及び白抜き三角形のプロットに係る試料は、組成差ｑ－ｓが２８％以上４１％以下のときに特に高い光出力が得られていることが分かる。また、図７から、白抜き丸記号及び白抜き三角形のプロットに係る試料のうち、特に白抜き三角形のプロットに係る試料は、組成差ｑ－ｓが３０％以上４０％以下のときに狭い半値全幅が得られていることが分かる。
また、図８から、白抜き丸記号及び白抜き三角形のプロットに係る試料は、井戸層のＡｌ組成比を１５％以上２６％以下とすることで、光出力が向上することが分かる。また、図９から、白抜き丸記号及び白抜き三角形のプロットに係る試料は、井戸層のＡｌ組成比を１８％以上とすることで、半値全幅が狭くなることが分かる。
（第３の実施の形態の効果について）
次に、第３の実施の形態の効果について検討する。
第３の実施の形態は、中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の紫外光を発し、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、活性層が多重量子井戸構造である発光素子である。
次に、第３の実施の形態の効果について検討する。
第３の実施の形態は、中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の紫外光を発し、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、活性層が多重量子井戸構造である発光素子である。
図４及び図５においては、白抜き菱形のプロットに係る試料のうち、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満である試料が第３の実施の形態の構成を満たす発光素子である。図４及び図５から分かるように、白抜き菱形のプロットに係る試料であって、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満のもの（すなわち第３の実施の形態の構成を満たす試料）は、高い光出力及び狭い半値全幅が得られる傾向にある。その中でも、発光波長が２８５ｎｍ以上の試料は、光出力が特に高い傾向にある。
次に、図４又は図５の結果について別の見方をした図１２乃至図１５を参照する。図１２は、活性層が多重量子井戸構造である試料について、ｎ型半導体層と最上井戸層との組成差ｑ－ｓと光出力との関係を示した図である。図１３は、活性層が多重量子井戸構造である試料について、ｎ型半導体層と最上井戸層との組成差ｑ－ｓと半値全幅との関係を示した図である。図１４は、活性層が多重量子井戸構造である試料について、最上井戸層のＡｌ組成比と光出力との関係を示した図である。図１５は、活性層が多重量子井戸構造である試料について、最上井戸層のＡｌ組成比と半値全幅との関係を示した図である。図１２乃至図１５においては、活性層が３つの井戸層を有し（すなわち３ＱＷ）、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の試料の結果を白抜きの丸記号にてプロットしており、活性層が３つの井戸層を有し、ｎ型半導体層の成長モードが格子緩和であり、発光波長が３００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の試料の結果を黒塗りの丸記号にてプロットしている。また、図１２乃至図１５においては、活性層が３つの井戸層を有し、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、発光波長が２６５ｎｍ未満の試料の結果を十字記号にてプロットしており、活性層が３つの井戸層を有し、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の試料の結果を白抜きの三角形にてプロットしており、活性層が３つの井戸層を有し、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、発光波長が３００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の試料の結果を黒塗りの三角形にてプロットしている。また、図１２乃至図１５においては、活性層が４つの井戸層を有し（すなわち４ＱＷ）、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の試料の結果を白抜きの正方形にてプロットしており、活性層が２つの井戸層を有し（すなわち２ＱＷ）、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長であり、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の試料の結果を黒塗りの正方形にてプロットしている。
図１２乃至図１５においては、白抜き三角形、白抜き正方形及び黒塗り正方形のプロットに係る試料が第３の実施の形態の構成を満たす発光素子である。
図１２から、白抜き三角形、白抜き正方形及び黒塗り正方形のプロットに係る試料は、光出力向上の観点からは、組成差ｑ－ｓが１５％以上３１％以下を満たすことが好ましく、２０％以上３０％未満を満たすことがさらに好ましいことが分かる。また、図１３から、白抜き三角形、白抜き正方形及び黒塗り正方形のプロットに係る試料は、半値全幅を狭くする観点からは、組成差ｑ－ｓが２２％以下を満たすことが好ましいことが分かる。
また、図１４及び図１５から、白抜き三角形、白抜き正方形及び黒塗り正方形のプロットに係る試料は、最上井戸層のＡｌ組成比を２８％以上３６％以下とすることで、光出力が向上するとともに半値全幅が狭くなることが分かる。
また、図１２及び図１４に示す例では、井戸層を４つ有する活性層を備える発光素子の光出力が比較的低いことが分かる。そのため、第３の実施の形態の構成は、井戸層が２つ又は３つであることが好ましい。
図１６は、図１２乃至図１５の白抜き三角形のプロット及び黒塗り正方形のプロットに係る試料につき、ｎ型半導体層のＡｌ組成比ｑとｎ型半導体層の膜厚ｄ［μｍ］との関係を示した図である。これら試料は、すべて光出力が高いものであり、図１５は、光出力を高くするためのｎ型半導体層のＡｌ組成比ｑとｎ型半導体層の膜厚ｄとの関係を示すものである。これら試料は、ｎ型半導体層のＡｌ組成比ｑが、５５％、６５％及び７５％の３種類である。そして、図１６のグラフにおける縦軸は、各Ａｌ組成比を有する試料におけるｎ型半導体層の膜厚の平均値を示している。そして、図１６においては、３つのプロットの近似直線を併せて表示している。本近似直線は、ｄ＝４．１ｑ－０．３で表される直線である。つまり、発光波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満であって、活性層が多重量子井戸構造であって、ｎ型半導体層の成長モードがコヒーレント成長である発光素子は、ｎ型半導体層のＡｌ組成比ｑとｎ型半導体層の膜厚ｄとが、ｄ＝４．１ｑ－０．３の関係又はこれに近い関係を満たすことが好ましい。例えば、ｄ＝４．１ｑ－０．３のプラスマイナス０．３の範囲である４．１ｑ－０．６≦ｄ≦４．１ｑを満たすことが好ましい。
（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
［１］本発明の第１の実施態様は、ｃ面が成長面（２１）である基板（２）と、前記基板（２）の前記成長面（２１）上に積層された窒化物半導体層（３）と、を備え、中心波長が３２０ｎｍ超３６５ｎｍ以下の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子（１）であって、前記窒化物半導体層（３）は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層（３２）と、前記ｎ型半導体層（３２）の前記基板（２）と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する１つの井戸層（３３２）を有する、単一量子井戸構造の活性層（３３）と、前記活性層（３３）の前記基板（２）と反対側に形成されたｐ型半導体層（３５）と、を有し、前記ｎ型半導体層（３２）は、５０％以下のＡｌ組成比を有するとともに、２μｍ超の膜厚を有し、前記ｎ型半導体層（３２）のＡｌ組成比から前記井戸層（３３２）のＡｌ組成比を減算した組成差は、２２％以上である、窒化物半導体発光素子（１）である。
これにより、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子（１）を提供することが可能となる。
これにより、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子（１）を提供することが可能となる。
［２］本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様において、前記組成差が、２８％以上３４％以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が向上するとともに生産性が向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が向上するとともに生産性が向上する。
［３］本発明の第３の実施態様は、第１又は第２の実施態様において、前記基板（２）が、サファイア基板であり、前記窒化物半導体層（３）が、前記基板（２）と前記ｎ型半導体層（３２）との間に形成されたＡｌＮからなる層を有するバッファ層（３１）をさらに備え、前記バッファ層（３１）の膜厚が、１μｍ以上４μｍ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
［４］本発明の第４の実施態様は、ｃ面が成長面（２１）である基板（２）と、前記基板（２）の前記成長面（２１）上に積層された窒化物半導体層（３）と、を備え、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子（１）であって、前記窒化物半導体層（３）は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層（３２）と、前記ｎ型半導体層（３２）の前記基板（２）と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する１つの井戸層（３３２）を有する、単一量子井戸構造の活性層（３３）と、前記活性層（３３）の前記基板（２）と反対側に形成されたｐ型半導体層（３５）と、を有し、前記活性層（３３）は、前記ｎ型半導体層（３２）側から順に、Ａｌ及びＮを含有する第１障壁層（３３１ａ）と、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するとともに前記第１障壁層（３３１ａ）よりもＡｌ組成比が小さい第２障壁層（３３１ｂ）と、前記井戸層（３３２）とを有する、窒化物半導体発光素子（１）である。
これにより、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子（１）を提供することが可能となる。
これにより、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子（１）を提供することが可能となる。
［５］本発明の第５の実施態様は、第４の実施態様において、前記ｎ型半導体層（３２）のＡｌ組成比から前記井戸層（３３２）のＡｌ組成比を減算した組成差が、２８％以上４１％以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
［６］本発明の第６の実施態様は、第５の実施態様において、前記ｎ型半導体層（３２）が、５０％超のＡｌ組成比及び２μｍ以下の膜厚の少なくとも一方を満たし、前記組成差が、３０％以上４０％以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光スペクトルにおける半値全幅を狭くすることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光スペクトルにおける半値全幅を狭くすることができる。
［７］本発明の第７の実施態様は、第４乃至第６のいずれか１つの実施態様において、前記第１障壁層（３３１ａ）の膜厚が、前記第２障壁層（３３１ｂ）の膜厚よりも小さいことである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の全体の電気抵抗値を低減することができる。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の全体の電気抵抗値を低減することができる。
［８］本発明の第８の実施態様は、ｃ面が成長面（２１）である基板（２）と、前記基板（２）の前記成長面（２１）上に積層された窒化物半導体層（３）と、を備え、中心波長が２６５ｎｍ以上３００ｎｍ未満の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子（１）であって、前記窒化物半導体層（３）は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層（３２）と、前記ｎ型半導体層（３２）の前記基板（２）と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する複数の井戸層（３３２ａ～３３２ｃ）を有する、多重量子井戸構造の活性層（３３）と、前記活性層（３３）の前記基板（２）と反対側に形成されたｐ型半導体層（３５）と、を有し、前記ｎ型半導体層（３２）のＡｌ組成比は、５０％超７０％以下である、窒化物半導体発光素子（１）である。
これにより、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子（１）を提供することが可能となる。
これにより、特定の範囲の発光波長において光出力を向上することができる窒化物半導体発光素子（１）を提供することが可能となる。
［９］本発明の第９の実施態様は、第８の実施態様において、前記ｎ型半導体層（３２）のＡｌ組成比ｑと、前記ｎ型半導体層（３２）の膜厚ｄ［μｍ］とが、４．１ｑ－０．６≦ｄ≦４．１ｑの関係を満たすことである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
［１０］本発明の第１０の実施態様は、第８又は第９の実施態様において、前記ｎ型半導体層（３２）のＡｌ組成比から、前記複数の井戸層（３３２ａ～３３２ｃ）のうちの最も前記ｐ型半導体層（３５）側に位置する井戸層である最上井戸層（３３２ｃ）のＡｌ組成比を減算した組成差が、１５％以上３１％以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
［１１］本発明の第１１の実施態様は、第８乃至第１０のいずれか１つの実施態様において、前記基板（２）が、サファイア基板であり、前記窒化物半導体層（３）が、前記基板（２）と前記ｎ型半導体層（３２）との間に形成されたＡｌＮからなる層を有するバッファ層（３１）をさらに備え、前記バッファ層（３１）の膜厚が、１μｍ以上４μｍ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の光出力が一層向上する。
（付記）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
１…窒化物半導体発光素子
２…基板
２１…成長面
３…窒化物半導体層
３１…バッファ層
３２…ｎ型半導体層
３３…活性層
３３１ａ…第１障壁層
３３１ｂ…第２障壁層
３３２…井戸層
３３２ａ…最下井戸層
３３２ｂ…中間井戸層
３３２ｃ…最上井戸層
３５…ｐ型半導体層
２…基板
２１…成長面
３…窒化物半導体層
３１…バッファ層
３２…ｎ型半導体層
３３…活性層
３３１ａ…第１障壁層
３３１ｂ…第２障壁層
３３２…井戸層
３３２ａ…最下井戸層
３３２ｂ…中間井戸層
３３２ｃ…最上井戸層
３５…ｐ型半導体層
Claims (4)
- ｃ面が成長面である基板と、前記基板の前記成長面上に積層された窒化物半導体層と、を備え、中心波長が３００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外光を発光する窒化物半導体発光素子であって、
前記窒化物半導体層は、
Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の前記基板と反対側に形成されるとともに、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する１つの井戸層を有する、単一量子井戸構造の活性層と、
前記活性層の前記基板と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を有し、
前記活性層は、前記ｎ型半導体層側から順に、Ａｌ及びＮを含有する第１障壁層と、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するとともに前記第１障壁層よりもＡｌ組成比が小さい第２障壁層と、前記井戸層とを有する、
窒化物半導体発光素子。 - 前記ｎ型半導体層のＡｌ組成比から前記井戸層のＡｌ組成比を減算した組成差は、２８％以上４１％以下である、
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記ｎ型半導体層は、５０％超のＡｌ組成比及び２μｍ以下の膜厚の少なくとも一方を満たし、
前記組成差は、３０％以上４０％以下である、
請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第１障壁層の膜厚は、前記第２障壁層の膜厚よりも小さい、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
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| JP2022082767A JP7405902B2 (ja) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | 窒化物半導体発光素子 |
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