JP6727385B1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光効率を向上させつつ、発光寿命も向上させ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、紫外光を発光する活性層と、活性層上に位置すし、活性層側から第１の電子ブロック層、第２の電子ブロック層、及び第３の電子ブロック層を順次積層した構造を含むｐ型ＡｌＧａＮ系の電子ブロック積層体と、電子ブロック積層体上に位置するｐ型コンタクト層と、を備え、第２の電子ブロック層のＡｌ組成比は、第１の電子ブロック層のＡｌ組成比よりも小さく、第３の電子ブロック層のＡｌ組成比は、第２の電子ブロック層側からｐ型コンタクト層側に向かって減少する。【選択図】図２
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
近年、紫外光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が実用化されており、発光寿命の向上を可能とする窒化物半導体発光素子の開発が進められている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、少なくともＡｌを含む井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の発光層と、当該障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層と、当該電子ブロック層の上に形成されたｐ型クラッド層と、当該ｐ型クラッド層上に形成されたｐ型コンタクト層と、が積層された積層構造を備えている。特許文献１には、かかる構成により、素子の寿命を向上させることが記載されている。
しかしながら、発光層とｐ型クラッド層との間に電子ブロック層を設ける構造においては、発光層に対する電子の注入効率を高める観点から、電子ブロック層のＡｌ組成を比較的に大きくするため、電子ブロック層とｐ型コンタクト層との間でＡｌ組成の差が大きくなり、格子不整合による品質の劣化によって発光寿命を短くする虞がある。すなわち、上述した構造においては、電子の注入効率を高めて発光素子の発光効率の向上を図ること、及び発光素子の発光寿命の向上を図ることの両方を効率よく行うことは困難であった。
そこで、本発明は、発光効率を向上させつつ、発光寿命も向上させ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、上記課題を解決することを目的として、ＡｌＧａＮにより形成された障壁層を含み、紫外光を発光する活性層と、前記活性層上に位置し、前記活性層側から第１の電子ブロック層、第２の電子ブロック層、及び第３の電子ブロック層を順次積層した構造を含むｐ型ＡｌＧａＮ系の電子ブロック積層体と、前記電子ブロック積層体上に位置するｐ型コンタクト層と、を備え、前記第２の電子ブロック層のＡｌ組成比は、第１の電子ブロック層のＡｌ組成比よりも小さく、かつ、前記障壁層のＡｌ組成比以下であり、前記第３の電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層のＡｌ組成比以下であり、かつ、前記第２の電子ブロック層側から前記ｐ型コンタクト層側に向かって減少する窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明によれば、発光効率を向上させつつ、発光寿命も向上させ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できる。
本発明の実施の形態について、図面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。
［第１の実施の形態］
（窒化物半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。なお、図１に示す各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。この窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう）には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が含まれる。本実施の形態では、発光素子１として、中心波長が２５０ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に挙げて説明する。
（窒化物半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。なお、図１に示す各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。この窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう）には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が含まれる。本実施の形態では、発光素子１として、中心波長が２５０ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に挙げて説明する。
図１に示すように、発光素子１は、基板１１と、バッファ層１２と、ｎ型クラッド層３０と、活性層５０と、複数の電子ブロック層が積層された電子ブロック積層体６０と、ｐ型コンタクト層８０と、ｎ側電極９０と、ｐ側電極９２と、を含んで構成されている。
発光素子１を構成する半導体には、例えば、ＡｌｒＧａｓＩｎ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ≦１、０≦ｓ≦１、０≦ｒ＋ｓ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置き換えても良く、また、Ｎの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、又はビスマス（Ｂｉ）等で置き換えても良い。以下、各構成要素について説明する。
活性層５０は、ｎ型クラッド層３０側に位置する障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃと、電子ブロック積層体６０に位置する井戸層５４ｃを含む３つの井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃとを含む。電子ブロック積層体６０は、第１の電子ブロック層６１と、第２の電子ブロック層６２と、第２の電子ブロック層６３とを、順次積層した構造を含んでいる。なお、以下、３つの障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃを総称する場合は、「障壁層５２」ともいい、３つの井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃを総称する場合は、「井戸層５４」ともいう。
（１）基板１１
基板１１は、発光素子１が発する紫外光に対して透光性を有する基板である。基板１１には、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）により形成されたサファイア基板が用いられる。なお、基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されたＡｌＮ単結晶基板でもよい。
基板１１は、発光素子１が発する紫外光に対して透光性を有する基板である。基板１１には、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）により形成されたサファイア基板が用いられる。なお、基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されたＡｌＮ単結晶基板でもよい。
（２）バッファ層１２
バッファ層１２は、基板１１上に形成されている。バッファ層１２は、ＡｌＮにより形成されたＡｌＮ層である。バッファ層１２は、１．０μｍから４．５μｍ程度の膜厚を有する。バッファ層１２の構造は、単層でも多層構造でもよい。なお、基板１１がＡｌＮ単結晶基板の場合、バッファ層１２は、必ずしも設けなくてもよい。また、バッファ層１２上にＡｌＧａＮにより形成されたアンドープのＡｌＧａＮ層を設けてもよい。
バッファ層１２は、基板１１上に形成されている。バッファ層１２は、ＡｌＮにより形成されたＡｌＮ層である。バッファ層１２は、１．０μｍから４．５μｍ程度の膜厚を有する。バッファ層１２の構造は、単層でも多層構造でもよい。なお、基板１１がＡｌＮ単結晶基板の場合、バッファ層１２は、必ずしも設けなくてもよい。また、バッファ層１２上にＡｌＧａＮにより形成されたアンドープのＡｌＧａＮ層を設けてもよい。
（３）ｎ型クラッド層３０
ｎ型クラッド層３０は、バッファ層１２上に形成されている。ｎ型クラッド層３０は、ｎ型ＡｌＧａＮにより形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＮ層である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、又はテルル（Ｔｅ）等を用いてよい。ｎ型クラッド層３０は、１μｍから４μｍ程度の膜厚を有し、例えば、２μｍから３μｍ程度の膜厚を有している。ｎ型クラッド層３０の構造は、単層でもよく、多層構造でもよい。
ｎ型クラッド層３０は、バッファ層１２上に形成されている。ｎ型クラッド層３０は、ｎ型ＡｌＧａＮにより形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＮ層である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、又はテルル（Ｔｅ）等を用いてよい。ｎ型クラッド層３０は、１μｍから４μｍ程度の膜厚を有し、例えば、２μｍから３μｍ程度の膜厚を有している。ｎ型クラッド層３０の構造は、単層でもよく、多層構造でもよい。
（４）活性層５０
活性層５０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。本実施の形態では、活性層５０は、ｎ型クラッド層３０側に位置する障壁層５２ａを含む３層の障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃ、及び電子ブロック積層体６０側に位置する井戸層５４ｃを含む３層の井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃを交互に積層した量子井戸構造を有している。
活性層５０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。本実施の形態では、活性層５０は、ｎ型クラッド層３０側に位置する障壁層５２ａを含む３層の障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃ、及び電子ブロック積層体６０側に位置する井戸層５４ｃを含む３層の井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃを交互に積層した量子井戸構造を有している。
障壁層５２は、例えば、３ｎｍから５０ｎｍ程度の範囲の膜厚を有する。また、井戸層５４は、例えば、１ｎｍから５ｎｍ程度の範囲の膜厚を有する。障壁層５２及び井戸層５４の数は３つに限定されるものではなく、障壁層５２及び井戸層５４はそれぞれ１つずつ設けてもよく、２ずつ設けてもよく、４つ以上設けてもよい。ここで、障壁層５２及び井戸層５４がそれぞれ１つずつ設けられた構成を、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single Quantum Well）ともいい、複数設けられた構成を、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）ともいう。
障壁層５２及び井戸層５４は、ＡｌＧａＮを含んで構成されている。障壁層５２を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比（「ＡｌＮモル分率」ともいう。）は、井戸層５４を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも大きい。
また、障壁層５２を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「障壁層５２のＡｌ組成比」ともいう。）及び井戸層５４を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「井戸層５４のＡｌ組成比」ともいう。）はそれぞれ、活性層５０が波長３６０ｎｍ以下の紫外光を出力できるようにするために活性層５０内のバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように適宜調整される。一例として、発光波長が２５０ｎｍ〜２８０ｎｍになるようにする場合、井戸層５４のＡｌ組成比は、（４０±１０）％とし、障壁層５２のＡｌ組成比は、（８０±１０）％としてよい（図３、図４、図５及び図６参照）。
（５）電子ブロック積層体６０
電子ブロック積層体６０は、活性層５０上に形成されている。電子ブロック積層体６０は、ｐ型コンタクト層８０側への電子の流出を抑制する役割を担う層である。電子ブロック積層体６０は、活性層５０側に位置する第１の電子ブロック層６１、この第１の電子ブロック層６１上に位置する第２の電子ブロック層６２、及び第２の電子ブロック層６２上に位置する第３の電子ブロック層６３、を順次積層した構造を含むＡｌＧａＮ系の層である。
電子ブロック積層体６０は、活性層５０上に形成されている。電子ブロック積層体６０は、ｐ型コンタクト層８０側への電子の流出を抑制する役割を担う層である。電子ブロック積層体６０は、活性層５０側に位置する第１の電子ブロック層６１、この第１の電子ブロック層６１上に位置する第２の電子ブロック層６２、及び第２の電子ブロック層６２上に位置する第３の電子ブロック層６３、を順次積層した構造を含むＡｌＧａＮ系の層である。
第１の電子ブロック層６１は、ｎ型クラッド層３０から活性層５０内に供給される電子を堰き止める障壁となるエネルギー障壁層として機能する。第３の電子ブロック層６３は、ｐ型コンタクト層８０と電子ブロック積層体６０とをＡｌ組成比において滑らかに接続して格子不整合を低減する緩和層として機能する。第２の電子ブロック層６２は、第１の電子ブロック層６１と第３の電子ブロック層６３との間に介在し、第１の電子ブロック層６１の膜厚を小さくして電気抵抗の増加を抑制することに寄与する中間層として機能する。なお、第２の電子ブロック層は、必ずしも設けなくてもよい。
第１の電子ブロック層６１は、例えば、ＡｌＮからなるＡｌＮ層である。第２の電子ブロック層６２及び第３の電子ブロック層６３はともに、ｐ型のＡｌＧａＮにより形成された層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌＧａＮ層である。なお、ｐ型の不純物としては、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。第１の電子ブロック層６１は、必ずしもＡｌＮ層でなくてもよく、第２の電子ブロック層６２及び第３の電子ブロック層６３と同様に、ｐ型の不純物がドープされたｐ型のＡｌＧａＮにより形成された層でもよい。
第２の電子ブロック層６２の厚さは、第１の電子ブロック層６１の厚さ以上である。好ましくは、第２の電子ブロック層６２は、第１の電子ブロック層６１よりも厚い。第２の電子ブロック層６２は、例えば、第１の電子ブロック層６１の厚さの１倍以上２０倍以下の厚さを有する。第３の電子ブロック層６３の厚さは、第１の電子ブロック層６１の厚さよりも大きい。また、電子ブロック積層体６０の厚さ、すなわち第１の電子ブロック層６１、第２の電子ブロック層６２及び第３の電子ブロック層６３を合わせた厚みは、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である。
次に、電子ブロック積層体６０を形成するｐ型のＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比」ともいう。以下、同様とする。）について図２を参照して、説明する。図２は、電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比の一例を模式的に示す図である。
図２に示すように、第１の電子ブロック層６１のＡｌ組成比は、第２の電子ブロック層６２及び第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比よりも大きい。第１の電子ブロック層６１のＡｌ組成比は、好ましくは、９０％以上であり、より好ましくは、約１００％（すなわち、第１の電子ブロック層６１は、ＡｌＮ層）である。Ａｌ組成比を高くすることにより、エネルギー障壁層としての機能性を高めるためである。
第２の電子ブロック層６２のＡｌ組成比は、障壁層５２のＡｌ組成比以下である。第２の電子ブロック層６２では、Ａｌ組成比を高くすると、電子のオーバーフローを抑制する効果を高くできるのに対して、井戸層５２へのホールの注入効率は低下する。これに対し、Ａｌ組成比を低くすると、井戸層５２へのホールの注入効率を向上させることができるのに対して、電子のオーバーフローを抑制する効果は低下し、発光波長によっては光の吸収が起こる。以上を考慮すると、第２の電子ブロック層６２のＡｌ組成比は、６０％〜８０％であることが好ましい。
第３の電子ブロック層６３は、厚み方向においてＡｌ組成比が傾斜する組成傾斜層である。具体的には、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比は、第２の電子ブロック層６２側からｐ型コンタクト層８０側に向かって連続的に減少する。また、第３の電子ブロック層６３の第２の電子ブロック層６２側のＡｌ組成比（すなわち、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比の最大値）は、障壁層５２のＡｌ組成比以下（例えば、８０％以下）であり、かつ、ｐ型コンタクト層８０のＡｌ組成比よりも大きい。なお、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比は、必ずしも連続的に減少するものに限られず、例えば、階段状に減少する等、間欠的に減少するものでもよい。
以上をまとめると、活性層５０、電子ブロック積層体６０、及びｐ型コンタクト層８０におけるＡｌ組成比は、下式（１）を満たしている。
第１の電子ブロック層６１＞障壁層５２≧第２の電子ブロック層６２≧第３の電子ブロック層６３＞ｐ型コンタクト層８０・・・（１）
なお、上記の式（１）の関係式は、傾斜するＡｌ組成比を有する第３の電子ブロック層６３については、例えば、代表値としてＡｌ組成比の最大値（すなわち、第２の電子ブロック層６２側のＡｌ組成比）と最小値（すなわち、ｐ型コンタクト層８０側のＡｌ組成比）とを平均した値（すなわち、中間値）について成立するものとしてよい。なお、上記式（１）は、中間値に代えて、例えば、第３の電子ブロック層６３の高い値から低い値の全ての組成比を合計したものを第３の電子ブロック層６３を厚さで除した値（すなわち、平均値）について成立するものとしてもよい。以下、同様の説明は省略する場合がある。
第１の電子ブロック層６１＞障壁層５２≧第２の電子ブロック層６２≧第３の電子ブロック層６３＞ｐ型コンタクト層８０・・・（１）
なお、上記の式（１）の関係式は、傾斜するＡｌ組成比を有する第３の電子ブロック層６３については、例えば、代表値としてＡｌ組成比の最大値（すなわち、第２の電子ブロック層６２側のＡｌ組成比）と最小値（すなわち、ｐ型コンタクト層８０側のＡｌ組成比）とを平均した値（すなわち、中間値）について成立するものとしてよい。なお、上記式（１）は、中間値に代えて、例えば、第３の電子ブロック層６３の高い値から低い値の全ての組成比を合計したものを第３の電子ブロック層６３を厚さで除した値（すなわち、平均値）について成立するものとしてもよい。以下、同様の説明は省略する場合がある。
また、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比の傾斜率（すなわち、減少率）は、その厚み方向において略一定であってもよく、厚み方向において変動してもよい。減少率が略一定の場合、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比は直線的に減少する。このとき、第３の電子ブロック層６３におけるＡｌ組成比の減少率ｄ１は、下式（２）
ｄ１＝ｈ１／ｗ１・・・（２）
で表される。ここで、ｗ１は、第３の電子ブロック層６３の厚さであり、ｈ１は、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比の幅、すなわち、第２の電子ブロック層６２側のＡｌ組成比とｐ型コンタクト層８０側のＡｌ組成比との差である。
ｄ１＝ｈ１／ｗ１・・・（２）
で表される。ここで、ｗ１は、第３の電子ブロック層６３の厚さであり、ｈ１は、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比の幅、すなわち、第２の電子ブロック層６２側のＡｌ組成比とｐ型コンタクト層８０側のＡｌ組成比との差である。
第３の電子ブロック層６３におけるＡｌ組成比の減少率ｄ１は、例えば、２．５％／ｎｍよりも大きく、２０％／ｎｍ以下である。すなわち、第３の電子ブロック層６３におけるＡｌ組成比の減少率ｄ１は、下式（３）
０．０２５／ｎｍ＜ｄ１≦０．２０／ｎｍ・・・（３）
を満たす。
０．０２５／ｎｍ＜ｄ１≦０．２０／ｎｍ・・・（３）
を満たす。
（６）ｐ型コンタクト層８０
ｐ型コンタクト層８０は、電子ブロック積層体６０上、具体的には第３の電子ブロック層６３上に形成されている。ｐ型コンタクト層８０は、例えば、Ｍｇ等の不純物が高濃度にドープされたｐ型のＧａＮ層である。なお、ｐ型コンタクト層８０は、例えば、１０％以下のＡｌ組成比を有するｐ型ＡｌＧａＮによって形成された層でもよい。
ｐ型コンタクト層８０は、電子ブロック積層体６０上、具体的には第３の電子ブロック層６３上に形成されている。ｐ型コンタクト層８０は、例えば、Ｍｇ等の不純物が高濃度にドープされたｐ型のＧａＮ層である。なお、ｐ型コンタクト層８０は、例えば、１０％以下のＡｌ組成比を有するｐ型ＡｌＧａＮによって形成された層でもよい。
（７）ｎ側電極９０
ｎ側電極９０は、ｎ型クラッド層３０の一部の領域上に形成されている。ｎ側電極９０は、例えば、ｎ型クラッド層３０上に順にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。
ｎ側電極９０は、ｎ型クラッド層３０の一部の領域上に形成されている。ｎ側電極９０は、例えば、ｎ型クラッド層３０上に順にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。
（８）ｐ側電極９２
ｐ側電極９２は、ｐ型コンタクト層８０上に形成されている。ｐ側電極９２は、例えば、ｐ型コンタクト層８０上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。
ｐ側電極９２は、ｐ型コンタクト層８０上に形成されている。ｐ側電極９２は、例えば、ｐ型コンタクト層８０上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。
（発光素子１の製造方法）
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、基板１１上にバッファ層１２を高温成長させる。次に、このバッファ層１２上にｎ型クラッド層３０、活性層５０、電子ブロック積層体６０及びｐ型コンタクト層８０を順に積層して、所定の直径（例えば、５０ｍｍ程度）を有する円板状の窒化物半導体積層体（「ウエハ」又は「ウェハ」ともいう）を形成する。
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、基板１１上にバッファ層１２を高温成長させる。次に、このバッファ層１２上にｎ型クラッド層３０、活性層５０、電子ブロック積層体６０及びｐ型コンタクト層８０を順に積層して、所定の直径（例えば、５０ｍｍ程度）を有する円板状の窒化物半導体積層体（「ウエハ」又は「ウェハ」ともいう）を形成する。
これらｎ型クラッド層３０、活性層５０、電子ブロック積層体６０及びｐ型コンタクト層８０は、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）等の周知のエピタキシャル成長法を用いて形成してよい。
次に、ｐ型コンタクト層８０上にマスクを形成し、活性層５０、電子ブロック積層体６０及びｐ型コンタクト層８０においてマスクが形成されていないぞれぞれの露出領域を除去する。活性層５０、電子ブロック積層体６０及びｐ型コンタクト層８０の除去は、例えば、プラズマエッチングにより行ってよい。
ｎ型クラッド層３０の露出面３０ａ（図１参照）上にｎ側電極９０を形成し、マスクを除去したｐ型コンタクト層８０上にｐ側電極９２を形成する。ｎ側電極９０及びｐ側電極９２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。このウエハを所定の寸法に切り分けることにより、図１に示す発光素子１が形成される。
（実施例）
上述した第１の実施の形態に係る実施例を図３から図６を参照して説明する。以下、第１の実施の形態に係る実施例として、実施例１から実施例４の４つの実施例を説明する。図３は、実施例１に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図４は、実施例２に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図５は、実施例３に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図６は、実施例４に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。なお、図３から図６では、第１の電子ブロック層６１と第２の電子ブロック層６２との境界面の位置を、発光素子１の厚さの起点（すなわち、厚さ＝０）として示した。
上述した第１の実施の形態に係る実施例を図３から図６を参照して説明する。以下、第１の実施の形態に係る実施例として、実施例１から実施例４の４つの実施例を説明する。図３は、実施例１に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図４は、実施例２に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図５は、実施例３に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図６は、実施例４に係る発光素子１の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。なお、図３から図６では、第１の電子ブロック層６１と第２の電子ブロック層６２との境界面の位置を、発光素子１の厚さの起点（すなわち、厚さ＝０）として示した。
図３から図６に示すように、各実施例に係る発光素子１おいて、電子ブロック積層体６０は、Ａｌ組成比が大きい第１の電子ブロック層６１、厚さ方向に傾斜するＡｌ組成比を有する第３の電子ブロック層６３、及び第１の電子ブロック層６１と第３の電子ブロック層６３との間に設けられた第２の電子ブロック層６２、を順次積層した構造を含んでいる。
第１の電子ブロック層６１、第２の電子ブロック層６２及び第３の電子ブロック層６３は、Ａｌ組成比について、上述した式（１）で示される関係を満たしているとともに、膜厚について、上述した関係を満たしている。なお、いずれの実施例においても、障壁層５２のＡｌ組成比は、約８０％程度であり、井戸層５４のＡｌ組成比は、約４０％程度であり、ｐ型コンタクト層８０のＡｌ組成比は約０％である。
また、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比の傾斜率（すなわち、減少率）ｄ１は、上述した式（３）を満たしている。以下、表１に、図３から図６に示されている、電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比、厚さ、及び第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比における減少率等の情報をまとめる。
（発光寿命）
次に、上記の実施例１から実施例４に係る発光素子１の発光寿命の測定結果について説明する。図７は、比較例に係る発光素子の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図８は、上述した実施例１から実施例４に係る発光素子１の発光寿命の測定結果の一例を示す図である。発光寿命は、初期の発光出力に対する、所定の時間通電した後に測定した発光出力の割合（以下、「残存出力」ともいう。）を用いて評価した。
次に、上記の実施例１から実施例４に係る発光素子１の発光寿命の測定結果について説明する。図７は、比較例に係る発光素子の電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比を示す図である。図８は、上述した実施例１から実施例４に係る発光素子１の発光寿命の測定結果の一例を示す図である。発光寿命は、初期の発光出力に対する、所定の時間通電した後に測定した発光出力の割合（以下、「残存出力」ともいう。）を用いて評価した。
初期の発光出力の測定は、発光素子１の製造時に実施した。通電時間は、１，０００時間とした。なお、発光出力は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本測定では、一例として、上述したｎ側電極９０及びｐ側電極９２の間に一定の電流（例えば、３５０ｍＡ）を流し、発光素子１の下側に設置した光検出器により測定した。
また、図７に示すように、比較例としては、第１の電子ブロック層６１と、第２の電子ブロック層６２と、Ａｌ組成比が厚さ方向において傾斜せずに略一定の値を有する第３の電子ブロック層６３と、を含む電子ブロック積層体６０を備える発光素子を用いた。すなわち、比較例に係る発光素子は、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比が厚さ方向において傾斜せずに略一定の値を有している点で、実施例１から実施例４に係る発光素子１と相違する。
以下、表２に、測定結果をまとめる。
図８は、上記表２のうち「残存出力」の値をグラフで示した図である。図８に示すように、従来例では、残存出力が、０．８１まで降下したのに対して、実施例１では、０．９７、実施例２では、０．９２、実施例４では、０．９４までの降下に留まった。また、実施例３では、僅かではあるが残存出力が上昇することが確認された。この測定結果に示されるように、実施例１から実施例４に係る発光素子１において、従来例に係る発光素子よりも残存出力の値が大きくなることが確認された。
残存出力の値が大きいということは、初期の発光出力に対する１，０００時間通電後の発光出力の低下が小さいということ、すなわち、発光寿命が向上しているということを意味している。したがって、上記の測定結果は、実施例１から実施例４に係る発光素子１において、従来例に係る発光素子よりも発光寿命が向上することを示している。かかる発光寿命の向上は、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比を厚さ方向において傾斜させたことによって、電子ブロック積層体６０及びｐ型コンタクト層８０を含むｐ型の半導体層内の格子不整合が低減されたことによるものと考えられる。格子不整合が低減されると、転位等の結晶欠陥の発生が抑制され結晶品質が向上するためである。
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子１の構成の一例を概略的に示す断面図である。第２の実施の形態に係る発光素子１は、ｐ型クラッド層７０を有する点で第１の実施の形態の発光素子１と相違する。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子１の構成の一例を概略的に示す断面図である。第２の実施の形態に係る発光素子１は、ｐ型クラッド層７０を有する点で第１の実施の形態の発光素子１と相違する。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
図９に示すように、本実施の形態に係る発光素子１は、上述した第１の実施の形態に係る発光素子１の構成に加えて、電子ブロック積層体６０とｐ型コンタクト層８０との間に位置するｐ型クラッド層７０をさらに備えている。ｐ型クラッド層７０は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の膜厚を有し、例えば、２０ｎｍ〜８００ｎｍ程度の膜厚を有する。ｐ型クラッド層７０は、ｐ型のＡｌＧａＮにより形成された層である。
ｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比は、第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比以下であり、かつ、ｐ型コンタクト層８０のＡｌ組成比よりも大きい。以上をまとめると、電子ブロック積層体６０のＡｌ組成比は、下式（４）を満たしている。
第１の電子ブロック層６１＞障壁層５２≧第２の電子ブロック層６２≧第３の電子ブロック層６３≧ｐ型クラッド層７０＞ｐ型コンタクト層８０・・・（４）
第１の電子ブロック層６１＞障壁層５２≧第２の電子ブロック層６２≧第３の電子ブロック層６３≧ｐ型クラッド層７０＞ｐ型コンタクト層８０・・・（４）
なお、ｐ型クラッド層７０は、Ａｌ組成比がｐ型クラッド層７０の厚み方向において傾斜する組成傾斜層であってもよい。具体的には、ｐ型クラッド層７０は、電子ブロック積層体６０側からｐ型コンタクト層８０側に向かって減少するＡｌ組成比を有してもよい。
また、ｐ型クラッド層７０が組成傾斜層である場合、ｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比の傾斜率（すなわち、減少率）は、厚み方向において略一定であってもよく、厚み方向において変動してもよい。減少率が略一定の場合、ｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比は直線的に減少する。このとき、ｐ型クラッド層７０におけるＡｌ組成比の減少率ｄ２は、下式（５）
ｄ２＝ｈ２／ｗ２・・・（５）
で表される。ここで、ｗ２（不図示）は、ｐ型クラッド層７０の厚さであり、ｈ２（不図示）は、ｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比の幅、すなわち、電子ブロック積層体６０側のＡｌ組成比とｐ型コンタクト層８０側のＡｌ組成比との差である。
ｄ２＝ｈ２／ｗ２・・・（５）
で表される。ここで、ｗ２（不図示）は、ｐ型クラッド層７０の厚さであり、ｈ２（不図示）は、ｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比の幅、すなわち、電子ブロック積層体６０側のＡｌ組成比とｐ型コンタクト層８０側のＡｌ組成比との差である。
ｐ型クラッド層７０におけるＡｌ組成比の減少率ｄ２は、第３の電子ブロック層６３におけるＡｌ組成比の減少率ｄ１と同程度であり、例えば、２．５％／ｎｍよりも大きく、２０％／ｎｍ以下である。すなわち、ｐ型クラッド層７０におけるＡｌ組成比の減少率ｄ２は、下式（６）
０．０２５／ｎｍ＜ｄ２≦０．２０／ｎｍ・・・（６）
を満たす。
０．０２５／ｎｍ＜ｄ２≦０．２０／ｎｍ・・・（６）
を満たす。
なお、この場合、上記の式（４）は、第３の電子ブロック層６３の最大値（すなわち、第３の電子ブロック層６３の第２の電子ブロック層６２側のＡｌ組成比）、及びｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比の最大値（すなわち、電子ブロック積層体６０側のＡｌ組成比）に対して成立する。したがって、例えば、第３の電子ブロック層６３の最小値（すなわち、第３の電子ブロック層６３のｐ型クラッド層７０側のＡｌ組成比）は、ｐ型クラッド層７０のＡｌ組成比の最大値（すなわち、電子ブロック積層体６０側のＡｌ組成比）よりも小さくてもよい。つまり、Ａｌ組成比は、第３の電子ブロック層６３とｐ型クラッド層７０との間で不連続であってもよい。
第３の電子ブロック層６３のＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するｐ型クラッド層７０をさらに設けることにより、井戸層５４へのホール注入効率をさらに向上できる。また、ｐ型クラッド層７０をＡｌ組成比が傾斜する組成傾斜層とすることにより、ｐ型の半導体層内の格子不整合をさらにより抑制することができると考えられる。
（実施形態のまとめ）
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］ＡｌＧａＮにより形成された障壁層（５２）を含み、紫外光を発光する活性層（５０）と、前記活性層（５０）上に位置し、前記活性層（５０）側から第１の電子ブロック層（６１）、第２の電子ブロック層（６２）、及び第３の電子ブロック層（６３）を順次積層した構造を含むｐ型ＡｌＧａＮ系の電子ブロック積層体（６０）と、前記電子ブロック積層体（６０）上に位置するｐ型コンタクト層（８０）と、を備え、前記第２の電子ブロック層（６２）のＡｌ組成比は、第１の電子ブロック層（６１）のＡｌ組成比よりも小さく、かつ、前記障壁層（５２）のＡｌ組成比以下であり、前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層（６２）のＡｌ組成比以下であり、かつ、前記第２の電子ブロック層（６２）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって減少する、窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記第３の電子ブロック層（６３）におけるＡｌ組成比の減少率は、０．０２５／ｎｍ以上０．２０／ｎｍ以下である、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層（６２）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって間欠的に減少する、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層（６２）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって連続的に減少する、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］前記電子ブロック積層体（６０）と前記ｐ型コンタクト層（８０）との間に、ｐ型のＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層（７０）をさらに備え、前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層（７０）のＡｌ組成比以上である、前記［１］から［４］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［６］前記ｐ型クラッド層（７０）のＡｌ組成比は、前記電子ブロック積層体（６０）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって減少する、前記［５］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［７］前記ｐ型クラッド層（７０）におけるＡｌ組成比の減少率は、０．０２５／ｎｍ以上０．２０／ｎｍ以下である、前記［６］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記第３の電子ブロック層（６３）におけるＡｌ組成比の減少率は、０．０２５／ｎｍ以上０．２０／ｎｍ以下である、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層（６２）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって間欠的に減少する、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層（６２）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって連続的に減少する、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］前記電子ブロック積層体（６０）と前記ｐ型コンタクト層（８０）との間に、ｐ型のＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層（７０）をさらに備え、前記第３の電子ブロック層（６３）のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層（７０）のＡｌ組成比以上である、前記［１］から［４］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［６］前記ｐ型クラッド層（７０）のＡｌ組成比は、前記電子ブロック積層体（６０）側から前記ｐ型コンタクト層（８０）側に向かって減少する、前記［５］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［７］前記ｐ型クラッド層（７０）におけるＡｌ組成比の減少率は、０．０２５／ｎｍ以上０．２０／ｎｍ以下である、前記［６］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
１…窒化物半導体発光素子（発光素子）
１１…基板
１２…バッファ層
３０…ｎ型クラッド層
３０ａ…露出面
５０…活性層
５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ…障壁層
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ…井戸層
６０…電子ブロック積層体
６１…第１の電子ブロック層
６２…第２の電子ブロック層
６３…第３の電子ブロック層
７０…ｐ型クラッド層
８０…ｐ型コンタクト層
９０…ｎ側電極
９２…ｐ側電極
１１…基板
１２…バッファ層
３０…ｎ型クラッド層
３０ａ…露出面
５０…活性層
５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ…障壁層
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ…井戸層
６０…電子ブロック積層体
６１…第１の電子ブロック層
６２…第２の電子ブロック層
６３…第３の電子ブロック層
７０…ｐ型クラッド層
８０…ｐ型コンタクト層
９０…ｎ側電極
９２…ｐ側電極
Claims (7)
- ＡｌＧａＮにより形成された障壁層を含み、紫外光を発光する活性層と、
前記活性層上に位置し、前記活性層側から第１の電子ブロック層、第２の電子ブロック層、及び第３の電子ブロック層を順次積層した構造を含むｐ型ＡｌＧａＮ系の電子ブロック積層体と、
前記電子ブロック積層体上に位置するｐ型コンタクト層と、を備え、
前記第２の電子ブロック層のＡｌ組成比は、第１の電子ブロック層のＡｌ組成比よりも小さく、かつ、前記障壁層のＡｌ組成比以下であり、
前記第３の電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層のＡｌ組成比以下であり、かつ、前記第２の電子ブロック層側から前記ｐ型コンタクト層側に向かって減少する、窒化物半導体発光素子。 - 前記第３の電子ブロック層におけるＡｌ組成比の減少率は、０．０２５／ｎｍ以上０．２０／ｎｍ以下である、
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第３の電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層側から前記ｐ型コンタクト層側に向かって間欠的に減少する、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第３の電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記第２の電子ブロック層側から前記ｐ型コンタクト層側に向かって連続的に減少する、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック積層体と前記ｐ型コンタクト層との間に、ｐ型のＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層をさらに備え、
前記第３の電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比以上である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比は、前記電子ブロック積層体側から前記ｐ型コンタクト層側に向かって減少する、
請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記ｐ型クラッド層におけるＡｌ組成比の減少率は、０．０２５／ｎｍ以上０．２０／ｎｍ以下である、
請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
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