JP6466653B2 - 窒化物半導体発光素子、および窒化物半導体ウェーハ - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体よりなる発光波長が２００〜３５０ｎｍの新規な深紫外発光素子に関する。

現在、発光波長が３５０ｎｍ以下の深紫外光源には重水素や水銀などのガス光源が使用されている。前記ガス光源は、短寿命、有害、大型であるといった不都合がある。そのため、前記不都合が解消され、取扱が容易である半導体を用いた発光素子の実現が待たれている。

しかしながら、前記窒化物半導体を用いた発光素子は、重水素ガスランプあるいは水銀ガスランプと比較して光出力が弱く、また発光効率も小さいという問題がある。このような問題が生じる原因として、一つ目には、活性層内の内部電界の効果により、井戸層に閉じ込められた電子とホールの波動関数が分離し、再結合効率が低くなってしまうことが挙げられる。また、二つ目の原因として、注入電流量が増加するに従って発光効率が低下するために、光出力が不十分となることが挙げられる。

一つ目の原因について詳細に説明する。窒化物半導体、とりわけＡｌＧａＮで表される窒化物半導体の発光素子は、組成の異なるヘテロ界面において、自発分極の効果により、矩形のポテンシャルではなく三角ポテンシャルを形成する。そのため、量子井戸層を形成した場合においては、その内部電界による量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ：以下、単に「ＱＣＳＥ」とする。）によって、注入された電子とホールはそれぞれ逆側の界面に偏りを持つようになり、空間に分離される。その結果、電子とホールの再結合確率が低下し、内部量子効率の低下を招く。このような原因に対し、窒化物半導体発光素子におけるＱＣＳＥを抑制する方法として、例えば、特許文献１に示されるように、井戸層厚を薄くすることにより、電子とホールの波動関数の空間的な分離幅を小さくする方法が挙げられる。また、特許文献２に示されるように、障壁層にドーピングを施すことにより、内部電界をスクリーニングする方法が挙げられる。

二つ目の原因について詳細に説明する。窒化物半導体発光素子では、ホールと比較して電子の有効質量が小さくかつキャリア濃度が高いことから、電子が活性層領域を乗り越え、ｐ型層へオーバーフローを起こすことによって、発光効率の低下を招いていることが挙げられる。このような電子のｐ型層へのオーバーフローは、高注入電流下においてさらなる発光効率の低下をさせ、発熱量を増加させる。その結果、光出力は頭打ちとなり、注入したキャリアに応じた光出力を得ることができなくなる。窒化物半導体発光素子におけるｐ型層への電子のオーバーフローの問題は、特定の発光波長を有する発光素子だけに生じている問題ではなく（非特許文献１参照）、ｐ型層への電子のオーバーフローを制御する方法として、例えば、特許文献３には、活性層とｐ型層との間に、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層を形成することにより、電子の活性層領域外への流出を防ぎ発光効率を高める技術が記載されている。

Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０８，０３３１１２（２０１０）

特開２０１０−２０５７６７号公報 特開平１１−２９８０９０号公報 特開２００７−０８８２６９号公報

以上のような背景において、窒化物半導体発光素子は、ＱＣＳＥを制御する方法とｐ型層への電子のオーバーフローを抑制する方法とを組み合わせることにより、より一層、発光効率を改善できるものと考えられる。

しかしながら、本発明者等の検討によれば、窒化物半導体よりなる発光波長が３５０ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子（以下、単に、深紫外発光素子とする場合もある。）において、両方法を組み合わせたところ、十分に発光効率を高めることができないことが分かった。この原因としては、以下のことが考えられた。つまり、窒化物半導体よりなる深紫外発光素子は、注入電流の増加に伴う外部電界の増加に従ってホットエレクトロンが増加し、注入電流の増加に従いキャリアオーバーフローを生じてしまう。そのため、井戸層厚を薄くし、障壁層にドーピングを行い、電子ブロック層を設けただけでは、高出力化ができないと考えられた。

したがって、本発明の目的は、上記問題を解決して、発効効率の高く、高注入電流領域でも安定した動作が可能な深紫外発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、鋭意検討した。そして、各層の厚み、組成を検討したところ、比較的厚い井戸層と、障壁層と電子ブロック層上に形成されるｐ型クラッド層との組成を特定の関係にすることにより、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、第一の本発明は、
ｎ型層、井戸層と障壁層とを有する活性層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層が、この順で積層された積層構造を含み、発光波長が２００〜３５０ｎｍである窒化物半導体発光素子であって、
井戸層の厚みが４〜２０ｎｍであり、
障壁層が組成式Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０．０２≦ａ≦０．８９）で表され、
ｐ型クラッド層が組成式Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表され、かつ、
ｐ型クラッド層のＡｌ組成と該障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超えて０．４５以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。

さらに、第二の本発明は、前記窒化物半導体発光素子の積層構造を有する窒化物半導体ウェーハである。

本発明の窒化物半導体発光素子は、発光波長３５０ｎｍ以下の窒化物半導体によりなる深紫外発光素子における高電流注入領域における発光効率を高め、高出力化が可能となる。

本発明の窒化物半導体発光素子（「深紫外発光素子」）の一例を示す模式断面図である。 図１に示した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。 図１に示した窒化物半導体発光素子において、ｎ型層および電子ブロック層に接する層が活性層（領域）における井戸層である場合のエネルギーバンド図の一例である。 図１に示した窒化物半導体発光素子において、電子ブロック層に接する層が活性層領域における井戸層である場合のエネルギーバンド図の一例である。 図１に示した窒化物半導体発光素子において、ｎ型層に接する層が活性層領域における井戸層である場合のエネルギーバンド図の一例である。 図１に示した窒化物半導体発光素子において、活性層領域における障壁層においてｎ型のドーピングが施されている場合のエネルギーバンド図およびドーピングプロファイル図の一例である。 図１に示した窒化物半導体発光素子において、活性層領域における障壁層においてｎ型のドーピングが施されている場合のエネルギーバンド図およびドーピングプロファイル図の一例である。

先ずは、窒化物半導体発光素子の基本的な概要について説明する。

本発明において、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子（深紫外発光素子）は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって製造することができる。具体的には、市販の装置を使用し、後述する単結晶基板上に、または、積層体の基板上に、ＩＩＩ族原料ガス、例えば、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムのような有機金属のガスと、窒素源ガス、例えば、アンモニアガスのような原料ガスを供給することによって、後述する各層を形成し、製造することができる。ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体発光素子を製造する条件は、公知の方法を採用することができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法以外の方法で製造することもできる。

本発明において、窒化物半導体発光素子は、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有するものであれば、特に制限されるものではない。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および窒素（Ｎ）を含むものであり、後述する各層の組成を決定して、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子とすればよい。

構成元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｎ）の割合は、製造した窒化物半導体発光素子をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：二次イオン質量分析計）、ＴＥＭ−ＥＤＸ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：透過型電子顕微鏡によるエネルギー分散型Ｘ線分析法）、３ＤＡＰ（３Ｄｅｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｔｏｍ Ｐｒｏｂｅ：３次元アトムプローブ法）等により測定して求めることができる。また、バンドギャップの値から各層の構成元素の割合を換算することもできる。すなわち、窒化物半導体発光素子をカソードルミネセンス法（ＣＬ法）、フォトルミネセンス法（ＰＬ法）により分析することによって、直接各層のバンドギャップを測定し、当該バンドギャップの値から換算式を用いてＡｌ組成を特定することができる。なお、今回の実施例・比較例においては、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により、各層のＡｌ組成を求めた。

以下、本発明について、図を用いて詳細に説明する。図１に、代表的な本発明の、２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子（深紫外発光素子）の模式断面図を示す。また、図２に、図１の深紫外発光素子とした場合のエネルギーバンド図の例を示す。図２においては、縦方向がＡｌ組成の大きさとなる（その他のＡｌ組成図も同様である）。図２は、活性層３０における障壁層３０ｂから３３ｂがｐ型層５１のＡｌ組成よりも、小さくなっていることを示している。

深紫外発光素子１は、基板１０、基板１０の上に設けられるｎ型層２０と、ｎ型層２０の上に設けられる活性層３０と、前記活性層３０の上に設けられる電子ブロック層４０と、電子ブロック層４０の上に設けられるｐ型クラッド層５０と、ｐ型クラッド層５０の上に設けられるｐ型コンタクト層５１を備えた積層構造を含む。なお、活性層３０における井戸層数は、１層であってもよいし、２層以上であってもよい。また、下記に層述するが、本発明の窒化物半導体発光素子は、基盤１０、および電子ブロック層３０が存在しない積層構造を有していてもよい。

その他、通常、深紫外発光素子１は、ｐ型コンタクト層５１上にｐ型用電極７０と、ｐ型コンタクト層５１からｎ型層２０の一部までエッチングして除去することにより露出したｎ型層２０の上に設けられるｎ型用電極６０とを備える。ｐ型用電極７０、およびｎ型用電極６０は、公知の方法で形成すればよい。また、この図１においては、ｎ型層２０は、単一層（同じ組成からなる単一層）であるが、組成が異なる複数の層から形成されてもよい。
次に、各層について詳細に説明する。

（基板１０）
基板１０は、特に制限されるものではなく、公知の方法で製造された、公知の基板を用いることができる。具体的には、ＡｌＮ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等が挙げられる。中でも、Ｃ面を成長面とするＡｌＮ基板、サファイア基板であることが好ましい。

ｎ型層２０が厚くなる場合には、この基板１０は研磨等により除去することができる。ただし、安定して窒化物半導体発光素子を製造するためには、基板１０を備えることが好ましい。基板１０を備える場合には、基板１０の厚みは、特に制限されるものではないが、０．０１〜２ｍｍであることが好ましい。

（ｎ型層２０）
ｎ型層２０は、ｎ型のドーパントがドープされている層である。このｎ型層２０は、特に制限されるものではないが、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０^１６〜１×１０^２１［ｃｍ^−３］となる範囲で含まれることにより、ｎ型層２０がｎ型の導電特性を示すことが好ましい。ドーパント材料は、Ｓｉ以外の材料であってもよい。

２００〜３５０ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子の生産性を高め、使用用途を広げるためには、このｎ型層２０は、組成式Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮで表され、Ａｌ組成（ｄ）が０．０５〜０．９０となることが好ましく、さらに０．１０〜０．８０、さらに好ましくは０．４５〜０．７０となる単結晶である。また、ｎ型層２０の膜厚は、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上５０μｍ以下であればよい。

図１には、ｎ型層２０が単一層の場合の例を示したが、ｎ型層２０は、組成の異なる複数層であってもよい。ただし、複数層からなる場合であっても、ｎ型の各層の組成が、組成式Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０．０５≦ｄ≦０．９０）を満足することが好ましく、さらに、組成式Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０．２５≦ｄ≦０．８０）を満足することが好ましく、特に、組成式Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０．４５≦ｄ≦０．７０）を満足することが好ましい。

ｎ型層を複数層とする場合には、基板１０と成長層との格子不整合や界面のラフニングなどを緩和させるため導入されるｎ型下地層、
電界をかけたことにより、ｐ型層から活性層へと注入されたホールの一部がｎ型層側に漏れることを抑制するために設けられるｎ型ホールブロック層、
横方向の伝導度を高めるためのｎ型電流拡散層等、
を形成することができる。なお、下地層は、アンドープの層であってもよいが、ｎ型層としての機能を持たせることが好ましい。これら複数層とした場合には、各層の厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

（活性層３０）
活性層３０は、前記ｎ型層２０の上に形成される。活性層３０は、例えば、１層以上の井戸層と障壁層により構成されればよい。井戸数は、図１においては３つである場合の例を示したが、１つであってもよいし、２つ以上の複数であってもよい。複数ある場合には、特に制限されるものではないが、窒化物半導体発光素子の生産性を考慮すると、１０以下であることが好ましい。図２では、井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａを記し、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂを記した。

（障壁層）
活性層は、障壁層と井戸層とからなる。そして、障壁層は、通常、井戸層よりもバンドギャップが大きくなる。そのため、障壁層は、井戸層よりも高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮで形成される。

本発明の深紫外発光素子において、障壁層は、組成式Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０．０２≦ａ≦０．８９）で表される単結晶から形成される。そして、下記に詳述するｐ型クラッド層は組成式Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表される単結晶から形成され、かつ、ｐ型クラッド層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超えて０．４５以下でなければならない。生産性を高め、より発光効率を高めるためには、障壁層のＡｌ組成（ａ）が０．２０≦ａ≦０．８０であり、Ａｌ組成の差（ｂ−ａ）が０．１２以上０．４５以下であることが好ましく、さらに、障壁層のＡｌ組成（ａ）が０．４０≦ａ≦０．７０であり、Ａｌ組成の差（ｂ−ａ）が０．１２以上０．４５以下であることが好ましい。

また、下記に詳述する電子ブロック層を有する場合には、ｐ型クラッド層は組成式Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．１２＜ｂ＜１．００）で表される単結晶で形成されることが好ましい。この場合も、Ａｌ組成の差（ｂ−ａ）は、０．１０を超えて０．４５以下となることが好ましく、０．１２以上０．４５以下となることがより好ましい。

なお、障壁層が複数層存在する場合には、２〜５０ｎｍの厚みの範囲、上記組成式の範囲（０．０２≦ａ≦０．８９）であれば、各層の厚み、組成がそれぞれ異なっていてもよいが、生産性を考慮すると、厚み、組成とも同一の層であることが好ましい。なお、厚みは２〜２０ｎｍであることがより好ましく、２〜１０ｎｍであることがさらに好ましい。各層の組成が異なる場合には、他層のＡｌ組成比と比較する層は、Ａｌ組成比が最も高い障壁層のＡｌ組成比を用いる。

（井戸層）
井戸層は、障壁層よりもバンドギャップが小さくなる。そのため、井戸層は、障壁層よりも低いＡｌ組成比となるＡｌＧａＮの単結晶から形成される。

井戸層を組成式Ａｌ_ｅＧａ_１−ｅＮで表される単結晶としたとき、障壁層におけるＡｌ組成（ａ）と井戸層のＡｌ組成（ｅ）との差（ａ−ｅ）が、０．０２以上となることが好ましく、差（ａ−ｅ）の上限値は特に制限されるものではないが、０．８７以下であることが好ましい。井戸層におけるＡｌ組成（ｅ）の絶対値は、他の層との兼ね合いで決定すればよいが、組成式Ａｌ_ｅＧａ_１−ｅＮ（０≦ｅ≦０．８７）を満足することが好ましく、さらに、組成式Ａｌ_ｅＧａ_１−ｅＮ（０．１０≦ｅ≦０．７８）を満足することが好ましく、特に、組成式Ａｌ_ｅＧａ_１−ｅＮ（０．３０≦ｅ≦０．６８）を満足することが好ましい。

さらに、井戸層の膜厚は、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下でなければならない。この井戸層の厚みと、ｐ型クラッド層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差が特定の範囲を満足するため、発光効率が向上する。井戸層の厚みが４ｎｍ未満の場合には、高電流注入領域においてホットエレクトロンによるキャリアオーバーフローが生じるため好ましくない。一方、井戸層の厚みが２０ｎｍを越える場合には、注入キャリアによる内部電界のスクリーニングが不十分となり、電子とホールの波動関数の分離が生じるため好ましくない。上記特性を考慮すると、井戸層の厚みは、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることが好ましく、さらに、４ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましく、特に、４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。

井戸層が複数層存在する場合には、各層が、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚み範囲であり、組成式の範囲（０≦ｅ≦０．８７）であり、厚み、組成とも同一の層であることが好ましい。

（活性層３０の構造）
活性層３０は、井戸層と障壁層とが積層された構造（多層構造）となる。この多層構造は、図２に示すように、ｎ型層２０と接する層が障壁層３０ｂであり、電子ブロック層４０と接する層が障壁層３３ｂである構造とすることができる。このような構造とすることにより、ｎ型層、およびｐ型層からドーパントが井戸層へ拡散することを防ぐことができる。なお、図２には、障壁層３３ｂが電子ブロック層４０と接している例を示しているが、この電子ブロック層４０が存在しない場合、障壁層３３ｂは、ｐ型クラッド層５０と接していてもよい。

また、図４に示すように、ｎ型層２０と接する層が障壁層３０ｂであり、電子ブロック層４０に接する層が井戸層３２ａである構造とすることもできる。さらには、図５に示すように、ｎ型層２０と接する層が井戸層３０ａであり、電子ブロック層４０に接する層が障壁層３３ｂである構造とすることもできる。このような構造とすることにより、光場の調整が可能となり、半導体レーザを作成する際に設計が容易となることができる。なお、図４、５の例示においても、電子ブロック層４０が存在しない場合、井戸層３２ａ（図４）、障壁層３３ｂ（図５）は、ｐ型クラッド層５０と接していてもよい。

さらに、例えば、図６、７に示すように、障壁層３０ｂ〜３４ｂには、ｐ型、またはｎ型のドーパントを添加することができる、ｐ型、またはｎ型のドーパントを添加することにより、ｐ型のドーパントを添加する場合においては、キャリアオーバーフローの抑制効果とＱＣＳＥの低減効果を高めることができる。また、ｎ型のドーパントを添加する場合においては、ＱＣＳＥの低減効果を高めることができる。

（電子ブロック層４０）
電子ブロック層４０は、必要に応じて設ける層である。この層の役割は、電界をかけたことによりｎ型層から活性層へと注入された電子の一部がｐ型層側に漏れることを抑制することにある。そのため、電子ブロック層４０は後述するｐ型クラッド層５０で代用することも可能であるが、電子ブロック層４０を設けることにより、ｐ型クラッド層のＡｌ組成を下げる、かつ膜厚を薄くすることができる。その結果、駆動電圧を低減できるという効果が得られる。

電子ブロック層４０を設ける場合、電子ブロック層４０は、前記活性層３０（活性層における最大バンドギャップを有する（最大のＡｌ組成となる）障壁層）、および下記に詳述するｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有することが好ましい。そのため、電子ブロック層４０は、これらの層よりもＡｌ組成比が高いＡｌＧａＮからなる単結晶から形成され、活性層３０と下記に詳述するｐ型クラッド層との間に形成されることが好ましい。さらに、電子ブロック層４０は、ｎ型層２０のＡｌ組成よりも低い場合があってもよいが、より高いＡｌ組成のＡｌＧａＮ単結晶から形成されることが好ましい。つまり、電子ブロック層４０は、他の何れの層よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ単結晶層から形成されることが好ましい。

電子ブロック層４０が組成式Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮで表される場合、Ａｌ組成（ｃ）は、０．１３≦ｃ≦１．００となることが好ましく、０．３３≦ｃ≦１．００となることがさらに好ましく、０．５３≦ｃ≦１．００となることが特に好ましい。そして、優れた効果を発揮するためには、障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｃ−ａ）が０．１１〜０．９８となることが好ましく、０．１３〜０．８０となることがさらに好ましく、０．１３〜０．６０となることが特に好ましい。このときも、ｐ型クラッド層のＡｌ組成（ｂ）と障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｂ−ａ）は、０．１０を超えて０．４５以下となることが好ましく、０．１２以上０．４５以下となることがより好ましい。

また、電子ブロック層４０のＡｌ組成（ｃ）は、上記の通り、ｐ型クラッド層のＡｌ組成（ｂ）よりも大きいことが好ましい。中でも、Ａｌ組成の差（ｃ−ｂ）が０．００を超え０．８８以下となることが好ましく、０．００を超え０．８０以下となることがより好ましく、０．０１以上０．７０以下となることがさらに好ましい。

また、電子ブロック層４０は、ｐ型のドーパントがドープされていてもよいし、ｉ型のアンドープの層であってもよい。ｐ型のドーパントがドープされている場合、例えば、Ｍｇをドーパントした場合には、不純物濃度が１×１０^１６〜１×１０^２１［ｃｍ^−３］となる範囲であることが好ましい。さらに、この電子ブロック層４０には、ｐ型のドーパントがドープされた領域と、ドーパントされていない層が存在してもよい。この場合、電子ブロック層４０全体の不純物濃度が１×１０^１６〜１×１０^２１［ｃｍ^−３］となる範囲であることが好ましい。

電子ブロック層４０は、特に制限されるものではないが、膜厚が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。

（ｐ型クラッド層５０）
ｐ型クラッド層５０は、前記電子ブロック層４０の上に形成される。ただし、当然のことながら、電子ブロック層４０を設けない場合には、ｐ型クラッド層５０は、活性層の上に形成される。本発明において、ｐ型クラッド層５０は、前記活性層３０内の最大Ａｌ組成比を有する障壁層（図２における３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ）のＡｌ組成比よりも、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮ単結晶から形成される必要がある。このｐ型クラッド層５０が存在することにより、電子のｐ型層（ｐ型コンタクト層５１、ｐ型クラッド層）への流出を抑制することができ、発光効率を高くすることができる。すなわち、前記電子ブロック層４０と同様の作用効果を発揮することもできる。

本発明においてｐ型クラッド層５０は、組成式Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．１２＜ｂ≦１．００）で表され、さらにより高い効果を発揮するためには、Ａｌ組成（ｂ）が（０．３２≦ｂ≦１．００）であることが好ましく、特に（０．５２≦ｂ≦１．００）であることが好ましい。障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｂ−ａ）については、障壁層の項目で説明した通りである。なお、電子ブロック層４０を設けた場合には、Ａｌ組成（ｂ）は、０．１２を超えて１．００未満であることが好ましく、０．３２以上１．００未満であることがより好ましく、０．５２以上０．９９以下であることがさらに好ましい。

また、本発明では、ｐ型クラッド層５０のバンドギャップが、前記ｎ型層２０（但し、ｎ型層２０が複数層の場合は、当該複数層の内最小のバンドギャップを示す層とする。以下同じ）のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、そのためには、ｐ型クラッド層５０を、ｎ型層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮ単結晶から形成することが好ましい。これにより、電子のｐ型層５０への流出を抑制することができ、深紫外発光素子の発光効率をより高くすることができる。

ｎ型層２０とｐ型クラッド層５０とのバンドギャップの差は、特に制限されるものではないが、０．０１ｅＶ以上であることが好ましく、さらに０．１０ｅＶ以上であることが好ましい。なお、ｎ型層２０とｐ型クラッド層５０とのバンドギャップの差の上限は、特に制限されるものではないが、実用的な生産を考慮すると１．５０ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、１．００ｅＶ以下であることが好ましく、特に、０．５０ｅＶ以下であることが好ましい。

ｐ型クラッド層５０の厚みは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

（ｐ型コンタクト層５１）
ｐ型コンタクト層５１は、前記ｐ型クラッド層５０の上に形成される。ｐ型コンタクト層５１を形成することにより、ｐ型用電極７０とのオーミック接触を実現し易くするとともに、その接触抵抗の低減を実現し易くすることができる。

ｐ型コンタクト層５１を設けた場合には、ｐ型コンタクト層５１のバンドギャップは、ｐ型クラッド層５０のバンドギャップよりも低い値とすることが好ましい。つまり、ｐ型コンタクト層５１のＡｌ組成比は、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成よりも小さくなることが好ましい。ｐ型コンタクト層５１が組成式Ａｌ_ｆＧａ_１−ｆＮで表される単結晶から構成される場合、Ａｌ組成（ｆ）は、０．００〜０．７０であることが好ましく、さらに０．００〜０．４０であることが好ましく、最も好ましくはｐ型コンタクト層５１がＧａＮ（ｆ＝０．００）からなる単結晶で形成される場合である。また、このｐ型コンタクト層５１には、効果を阻害しない範囲でインジウム（Ｉｎ）を含んでもよい。

ｐ型コンタクト層５２の厚みは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましい。

（ウェーハ）
本発明は、上記積層構造を有するウェーハにも関する。上記には窒化物半導体発光素子として説明したが、本発明は、該窒化物半導体発光素子が複数存在するウェーハを含むものである。つまり、上記窒化物半導体発光素子において説明した積層構造を有する窒化物半導体ウェーハを含む。通常は、複数の窒化物半導体発光素子を有するウェーハ（上記積層構造を有するウェーハ）から各窒化物半導体発光素子を切り出して使用する。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

比較例１
図１、図２に示した構造、Ａｌ組成の窒化物半導体発光素子を複数有するウェーハを製造し、そのウェーハから窒化物半導体発光素子を切り出した。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、一辺７ｍｍ角、厚さ５００μｍのＣ面ＡｌＮ基板１０上に、ｎ型層２０として、ＳｉをドープしたＡｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ層（Ｓｉ濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］）を層厚み１．０μｍで形成した。
ｎ型層２０上に、活性層３０を量子井戸構造として、井戸層（組成Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎを層厚み２ｎｍ、障壁層（Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ）を層厚み７ｎｍで形成した。また障壁層はＳｉをドープした。（Ｓｉ濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］）。図２に示す通り、井戸層を３層、障壁層を４層形成した。各障壁層は組成、厚みとも同じである。また、各井戸層も組成、厚みとも同じである。
次に、活性層３０（障壁層３３ｂ）上に、電子ブロック層として、ＭｇをドープしたＡｌＮ層（バンドギャップ６．００ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０^１９［ｃｍ^−３］）を層厚み１５ｎｍで形成した。
電子ブロック層４０上に、ｐ型クラッド層５０として、ＭｇをドープしたＡｌ_０．８０Ｇａ_０．２０Ｎ層（Ｍｇ濃度５×１０^１９［ｃｍ^−３］）を層厚み５０ｎｍで形成した。その後、ｐ型コンタクト層５１として、ＭｇをドープしたＧａＮ層（バンドギャップ３．４０ｅＶ、Ｍｇ濃度２×１０^１９［ｃｍ^−３］）を層厚み１００ｎｍで形成した。
次いで、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を行った。その後、ｐ型コンタクト層５１の表面にフォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない窓部を反応性イオンエッチングによりｎ型層２０の表面が露出するまでエッチングした。その後、ｎ型層２０の表面に真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）電極（負電極）を形成し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型コンタクト層５１の表面に真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極（正電極）を形成した後、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を行い、以上の層構成を有するウェーハを製造した。次いで、７００μｍ角に切り出し、窒化物半導体発光素子を作製した。
得られた窒化物半導体素子は、電流注入１００ｍＡ時において２７２ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．０％という出力であった。結果を表１にまとめた。

比較例２
比較例１において、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂを組成式Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ、に変更した以外は、比較例１と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１００ｍＡ時において２６７ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．３％という出力であった。
その結果、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成比（ｂ）と障壁層のＡｌ組成比（ａ）との差（ｂ−ａ）が０．１５であって、井戸層の厚みが２ｎｍの場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．１５倍であることが分かった。結果を表１にまとめた。

実施例１
比較例２において、井戸層厚を２ｎｍから４ｎｍに変更した以外は、比較例２と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１００ｍＡ時において２７０ｎｍに発光波長があり、外部量子効率２．７％という出力であった。
その結果、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成比（ｂ）と障壁層のＡｌ組成比（ａ）との差（ｂ−ａ）が０．１５であって、井戸層の厚みが４ｎｍの場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．３５倍であることが分かった。また、比較例２の素子と比較して１．１７倍であった。結果を表１にまとめた。

実施例２
比較例１において、井戸層厚を２ｎｍから６ｎｍに、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂを組成式Ａｌ_０．６０Ｇａ_０．４０Ｎ、に変更した以外は、比較例１と同様の操作を行い、窒化物半導体発光素子を得た。得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入１００ｍＡ時において２６３ｎｍに発光波長があり、外部量子効率３．２％という出力であった。
その結果、ｐ型クラッド層５０のＡｌ組成比（ｂ）と障壁層のＡｌ組成比（ａ）との差（ｂ−ａ）が０．２０であって、井戸層の厚みが６ｎｍの場合には、比較例１の発光素子と比較して、発光効率が１．６０倍であることが分かった。また、比較例２の素子と比較して１．３９倍であった。結果を表１にまとめた。

１ 発光素子
１０ 基板
２０ ｎ型層
３０ 活性層（領域）
３０ａ 第１の井戸層のＡｌ組成
３１ａ 第２の井戸層のＡｌ組成
３２ａ 第３の井戸層のＡｌ組成
３０ｂ 第１の障壁層のＡｌ組成
３１ｂ 第２の障壁層のＡｌ組成
３２ｂ 第３の障壁層のＡｌ組成
３３ｂ 第４の障壁層のＡｌ組成
４０ 電子ブロック層
５０ ｐ型クラッド層
５１ ｐ型コンタクト層
６０ ｎ型電極層
７９ ｐ型電極層

Claims (5)

1. ｎ型層、井戸層と障壁層とを有する活性層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層が、この順で積層された積層構造を含み、発光波長が２００〜３５０ｎｍである窒化物半導体発光素子であって、
   活性層とｐ型クラッド層との間に、さらに、電子ブロック層を有し、
   井戸層の厚みが４〜２０ｎｍであり、
   前記ｎ型層が組成式Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０．０５≦ｄ≦０．９０）で表され、
   障壁層が組成式Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０．４０≦ａ≦０．７０）で表され、
   井戸層が組成式Ａｌ_ｅＧａ_１−ｅＮ（０．３０≦ｅ≦０．６８）で表され、
   ｐ型クラッド層が組成式Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．５２≦ｂ≦０．９９）で表され、
   ｐ型クラッド層のＡｌ組成と該障壁層のＡｌ組成との差（ｂ−ａ）が０．１０を超え０．４５以下であり、
   電子ブロック層がｐ型、またはｉ型であり、
   電子ブロック層が組成式Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０．５３≦ｃ≦１．００）で表され、
   電子ブロック層のＡｌ組成がｐ型クラッド層のＡｌ組成よりも大きく、
   電子ブロック層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ｃ−ａ）が０．１１〜０．６０であり、
   前記ｐ型クラッド層は、前記ｎ型層よりもバンドギャップが０．１０ｅＶ以上１．００ｅＶ以下大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 障壁層が２層以上存在し、ｎ型層および電子ブロック層と接する層が障壁層であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記電子ブロック層は、ドーパンドがドープされていない領域と、ｐ型ドーパントがドープされた領域とを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. さらにＡｌＮ基板を有し、
   前記ＡｌＮ基板はＣ面を成長面とし、該ＡｌＮ基板の上に前記ｎ型層が積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載された窒化物半導体発光素子の積層構造を有する窒化物半導体ウェーハ。

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