JP7049823B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
窒化物半導体であるＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびそれらの混晶は、III族元素(Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ)の組成比を変えることでバンドギャップエネルギーを多様に変化させることができる魅力的な材料である。特に、ＡｌＧａＮは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系トランジスタや深紫外光の受発光素子などの様々なデバイスに用いられている。しかしながら、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮを用いた深紫外発光素子の場合、従来のＧａＩｎＮ系青色発光素子に比べて、十分な正孔濃度を有したｐ型ＡｌＧａＮの実現が困難であることから光取り出し効率が低いこと、およびキャリアを効率良く発光層に注入することが困難であること、から十分な発光効率を得ることが極めて難しい。
さらに、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮは、電極材料とのオーミックコンタクトが取りにくいため、コンタクト抵抗が高くなることが知られている。したがって、ＡｌＧａＮを発光素子の材料として用いた場合、コンタクト抵抗が高くなることで発光素子の駆動電圧が高くなるため発熱量が多くなり、出力低下や寿命低下が生じる。そのため、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮを用いた発光素子では、キャリアの効率的な注入による発光効率向上と、ＡｌＧａＮと電極とのコンタクト抵抗を低くし、駆動電圧を低くすることが求められる。
特許文献１には、III族窒化物半導体を用いた紫外線発光素子の発光効率を高めることを目的とした発光素子構造が記載されている。
具体的には、ＡｌＮ系単結晶層上に発光素子構造を形成し、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の量子井戸層の厚さを最適化することで、内部量子効率の向上を図っている。また、多重量子井戸構造上にファイナルバリア層を設け、ファイナルバリア層上にファイナルバリア層に対して電子のエネルギー障壁となるｐ型又はｉ型のＡｌＮ層からなる電子ブロック層を設けてその厚さを最適化することで、電子注入効率の向上を図っている。
具体的には、ＡｌＮ系単結晶層上に発光素子構造を形成し、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の量子井戸層の厚さを最適化することで、内部量子効率の向上を図っている。また、多重量子井戸構造上にファイナルバリア層を設け、ファイナルバリア層上にファイナルバリア層に対して電子のエネルギー障壁となるｐ型又はｉ型のＡｌＮ層からなる電子ブロック層を設けてその厚さを最適化することで、電子注入効率の向上を図っている。
しかしながら、特許文献１に記載の技術を用いた場合でも、得られる発光効率はまだまだ低いのが現状である。加えて、特許文献１では、ＡｌＧａＮと電極とのコンタクト抵抗を低くすることに関する記載がなく、発光素子構造の説明にＮｉ／Ａｕ電極を用いた例が記載されているだけである。また、一般的に、バリア層の挿入、バリア層のポテンシャル障壁や膜厚を高めることで、駆動電圧は上昇してしまうことが分かっている。よって、特許文献１に記載された窒化物半導体発光素子には、低い駆動電圧と高い発光効率を両立させることにより高い電力変換効率（ＷＰＥ）を実現するという点で改善の余地がある。
本発明の課題は、低い駆動電圧で高い発光効率が得られる窒化物半導体発光素子を提供することである。
本発明の課題は、低い駆動電圧で高い発光効率が得られる窒化物半導体発光素子を提供することである。
上記課題を達成するために、本発明の一態様は、下記の構成(1)～(4)を有する窒化物半導体発光素子を提供する。
(1)基板と、基板上に形成され、ＡｌおよびＧａを少なくとも含む第一のIII族窒化物半導体層と、第一のIII族窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体積層体と、を有する。
(2)窒化物半導体積層体は、第一のIII族窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体積層体であって、ＡｌおよびＧａを少なくとも含むIII族窒化物半導体活性層と、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．９０≦ｘ≦１．００）層であるキャリア防壁層と、第二のIII族窒化物半導体層とを、第一のIII族窒化物半導体層側からこの順に含む。
(3)第一のIII族窒化物半導体層上に形成された第一電極層と、第二のIII族窒化物半導体層上に形成された第二電極層と、を有する
(4)第一電極層はアルミニウムを含む。第一電極層の第一のIII族窒化物半導体層に対する接触面または接触面近傍面に、第一電極層に含まれるアルミニウムの少なくとも一部が存在する。接触面または接触面近傍面におけるアルミニウムおよびアルミニウムを含む合金の合計存在率が７０面積％以上である。
(1)基板と、基板上に形成され、ＡｌおよびＧａを少なくとも含む第一のIII族窒化物半導体層と、第一のIII族窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体積層体と、を有する。
(2)窒化物半導体積層体は、第一のIII族窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体積層体であって、ＡｌおよびＧａを少なくとも含むIII族窒化物半導体活性層と、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．９０≦ｘ≦１．００）層であるキャリア防壁層と、第二のIII族窒化物半導体層とを、第一のIII族窒化物半導体層側からこの順に含む。
(3)第一のIII族窒化物半導体層上に形成された第一電極層と、第二のIII族窒化物半導体層上に形成された第二電極層と、を有する
(4)第一電極層はアルミニウムを含む。第一電極層の第一のIII族窒化物半導体層に対する接触面または接触面近傍面に、第一電極層に含まれるアルミニウムの少なくとも一部が存在する。接触面または接触面近傍面におけるアルミニウムおよびアルミニウムを含む合金の合計存在率が７０面積％以上である。
本発明の窒化物半導体発光素子によれば、低い駆動電圧で高い発光効率を達成することが期待できる。
〔一態様の窒化物半導体発光素子〕
本発明の一態様の窒化物半導体発光素子は上記構成(1)～(4)を有する。つまり、基板、第一のIII族窒化物半導体層、III族窒化物半導体活性層、キャリア防壁層、第二のIII族窒化物半導体層、第一電極、および第二電極を有する。一態様の窒化物半導体発光素子は、キャリア防壁層と第二のIII族窒化物半導体層との間に組成傾斜層を有することが好ましい。これらについて以下に説明する。
本発明の一態様の窒化物半導体発光素子は上記構成(1)～(4)を有する。つまり、基板、第一のIII族窒化物半導体層、III族窒化物半導体活性層、キャリア防壁層、第二のIII族窒化物半導体層、第一電極、および第二電極を有する。一態様の窒化物半導体発光素子は、キャリア防壁層と第二のIII族窒化物半導体層との間に組成傾斜層を有することが好ましい。これらについて以下に説明する。
＜基板＞
基板は、窒化物半導体層を形成することが可能なものであれば特に制限されない。基板を形成する材料の具体例としては、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶等が挙げられる。これらのうち、ＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成された基板を用いると、基板上に形成される各窒化物半導体層との格子定数差や熱膨張係数差が小さく、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長できるため好ましい。特に、ＡｌＮ基板を用いることが好ましい。また、基板を形成する材料には不純物が混入していてもよい。
上述の窒化物半導体を材料とする基板には、基板として使用できる厚さに窒化物半導体を単結晶成長させたものや、サファイア基板などの上に窒化物半導体を結晶成長させたもの（いわゆるテンプレート）が挙げられる。テンプレート用のサファイア基板としては、平坦な成長表面が比較的容易に実現できることからＣ面サファイア基板を用いることが望ましいが、これに限定されるものではない。
基板は、窒化物半導体層を形成することが可能なものであれば特に制限されない。基板を形成する材料の具体例としては、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶等が挙げられる。これらのうち、ＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成された基板を用いると、基板上に形成される各窒化物半導体層との格子定数差や熱膨張係数差が小さく、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長できるため好ましい。特に、ＡｌＮ基板を用いることが好ましい。また、基板を形成する材料には不純物が混入していてもよい。
上述の窒化物半導体を材料とする基板には、基板として使用できる厚さに窒化物半導体を単結晶成長させたものや、サファイア基板などの上に窒化物半導体を結晶成長させたもの（いわゆるテンプレート）が挙げられる。テンプレート用のサファイア基板としては、平坦な成長表面が比較的容易に実現できることからＣ面サファイア基板を用いることが望ましいが、これに限定されるものではない。
（不純物濃度の測定）
基板、および各層のドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量測定（ＳＩＭＳ）およびＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて定量化を行うことが可能である。ＸＰＳでは、Ｘ線等で励起して得られる光電子スペクトルを測定・解析する。後述するｎ型、およびｐ型ドーパントの添加濃度（Ｓｉ、Ｍｇ）においてもこれらの測定により定量化できる。
基板、および各層のドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量測定（ＳＩＭＳ）およびＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて定量化を行うことが可能である。ＸＰＳでは、Ｘ線等で励起して得られる光電子スペクトルを測定・解析する。後述するｎ型、およびｐ型ドーパントの添加濃度（Ｓｉ、Ｍｇ）においてもこれらの測定により定量化できる。
＜第一のIII族窒化物半導体層＞
第一のIII族窒化物半導体層は、ＡｌおよびＧａを少なくとも含む材料で形成された第一導電型の半導体層である。第一のIII族窒化物半導体層を形成する材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶および混晶であることが好ましい。これらの材料には、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。。
第一のIII族窒化物半導体層は、ＡｌおよびＧａを少なくとも含む材料で形成された第一導電型の半導体層である。第一のIII族窒化物半導体層を形成する材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶および混晶であることが好ましい。これらの材料には、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。。
第一のIII族窒化物半導体層を電子供給層とする場合、第一導電型はｎ型である。第一のIII族窒化物半導体層の具体例としては、Ｓｉをｎ型ドーパントとして添加したｎ－ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）が挙げられる。３００ｎｍ以下の深紫外光を発するIII族窒化物半導体活性層をさらに積層する場合、下地との格子定数差を小さくして結晶欠陥を低減する観点からＡｌ組成は高いことが好ましい。一方で、Ａｌ組成の上昇に伴い、第一の電極層とのコンタクト抵抗は高くなるため、Ａｌ組成には適した範囲が存在する。上記の観点から、ｎ－ＡｌxＧａ(1-x)ＮのＡｌ組成ｘは、０．５０≦ｘ≦０．８０であることが好ましく、０．６０≦ｘ≦０．７５であることがより好ましい。
第一のIII族窒化物半導体層が下地に対して格子緩和した場合、膜中の電子濃度や電子移動度が低下してしまうことで、第一のIII族窒化物半導体層のシート抵抗が悪化する。その結果、駆動電圧が上昇してしまう。したがって、第一のIII族窒化物半導体層の格子緩和率は、０％以上１５％以下であることが好ましく、より好ましくは０％以上１２％以下である。
第一のIII族窒化物半導体層が下地に対して格子緩和した場合、膜中の電子濃度や電子移動度が低下してしまうことで、第一のIII族窒化物半導体層のシート抵抗が悪化する。その結果、駆動電圧が上昇してしまう。したがって、第一のIII族窒化物半導体層の格子緩和率は、０％以上１５％以下であることが好ましく、より好ましくは０％以上１２％以下である。
格子緩和率を低くする手段としては、下地との格子定数差を低減すること、第一のIII族窒化物半導体層の膜厚を薄くすることが挙げられる。ＡｌＮ基板上にｎ－ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層を積層する場合、上述のＡｌ組成範囲（０．５０≦ｘ＜０．８０）においては、格子緩和を抑制する観点から、膜厚は１．３μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１．２μｍ以下である。一方で、素子化プロセス工程の観点から、第一のIII族窒化物半導体の膜厚は１００ｎｍ以上であることが好ましい。したがって、ｎ－ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層の膜厚は１００ｎｍ以上１．３μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以上１．２μｍ以下である。
第一のIII族窒化物半導体層は、基板上に直接ではなく、例えばバッファ層など第一導電型の窒化物半導体層以外の層を介して形成されていてもよく、上記バッファ層の材料や膜厚は特に限定されない。
第一のIII族窒化物半導体層は、基板上に直接ではなく、例えばバッファ層など第一導電型の窒化物半導体層以外の層を介して形成されていてもよく、上記バッファ層の材料や膜厚は特に限定されない。
（Ａｌ組成の測定方法）
第一のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成ｘおよび格子緩和率は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法による逆格子マッピング測定（ＲＳＭ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ Ｓｐａｃｅ Ｍａｐｐｉｎｇ）を行うことにより定量化することが可能である。この時、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、下地に対する格子緩和率とＡｌ組成が得られるが、上記回折面としては、例えば（１０－１５）面や（２０－２４）面が挙げられる。
第一のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成ｘおよび格子緩和率は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法による逆格子マッピング測定（ＲＳＭ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ Ｓｐａｃｅ Ｍａｐｐｉｎｇ）を行うことにより定量化することが可能である。この時、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、下地に対する格子緩和率とＡｌ組成が得られるが、上記回折面としては、例えば（１０－１５）面や（２０－２４）面が挙げられる。
＜III族窒化物半導体活性層＞
III族窒化物半導体活性層は、単層構造でも多層構造であっても良い。多層構造の例としては、ＡｌＧａＮからなる井戸層とＡｌＧａＮやＡｌＮからなるバリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が挙げられる。井戸層およびバリア層のＡｌ組成や膜厚を変えることで、得られる発光波長を調整することが可能である。また、この層には、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれに限定されない。
III族窒化物半導体活性層は、単層構造でも多層構造であっても良い。多層構造の例としては、ＡｌＧａＮからなる井戸層とＡｌＧａＮやＡｌＮからなるバリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が挙げられる。井戸層およびバリア層のＡｌ組成や膜厚を変えることで、得られる発光波長を調整することが可能である。また、この層には、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれに限定されない。
＜キャリア防壁層＞
キャリア防壁層は、電子と正孔を効率良くIII族窒化物半導体活性層へ注入する観点から極めて重要である。具体的には、第一のIII族窒化物半導体層から注入された電子に対してポテンシャル障壁として作用し、活性層への電子の閉じ込めを促進する。加えて、キャリア防壁層から活性層に対して応力が作用することにより、活性層内に内部電界が発生し、組成傾斜層および第二のIII族窒化物半導体層から供給された正孔がその電界により加速されることで、活性層への注入効率が向上する。以上のことから、キャリア防壁層を挿入することで、電子と正孔を効率良く活性層に注入することが可能となり、高い発光効率が実現できる。
キャリア防壁層は、電子と正孔を効率良くIII族窒化物半導体活性層へ注入する観点から極めて重要である。具体的には、第一のIII族窒化物半導体層から注入された電子に対してポテンシャル障壁として作用し、活性層への電子の閉じ込めを促進する。加えて、キャリア防壁層から活性層に対して応力が作用することにより、活性層内に内部電界が発生し、組成傾斜層および第二のIII族窒化物半導体層から供給された正孔がその電界により加速されることで、活性層への注入効率が向上する。以上のことから、キャリア防壁層を挿入することで、電子と正孔を効率良く活性層に注入することが可能となり、高い発光効率が実現できる。
キャリア防壁層はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．９０≦ｘ≦１．００）層である。また、キャリア防壁層には不純物が含まれていてもよい。
上述のように、発光層へ効率良くキャリアを注入する観点から、キャリア防壁層の膜厚は５ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることが好ましく、７ｎｍ以上１４ｎｍ以下であることがより好ましい。膜厚が薄い場合、量子トンネル効果により電子が活性層からリークしてしまうこと、活性層へ印加される応力が小さくなってしまうことから発光効率は低下する。一方で、膜厚が厚い場合には、正孔の注入が妨げられるためやはり発光効率は低下してしまうため、最適範囲が存在する。
上述のように、発光層へ効率良くキャリアを注入する観点から、キャリア防壁層の膜厚は５ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることが好ましく、７ｎｍ以上１４ｎｍ以下であることがより好ましい。膜厚が薄い場合、量子トンネル効果により電子が活性層からリークしてしまうこと、活性層へ印加される応力が小さくなってしまうことから発光効率は低下する。一方で、膜厚が厚い場合には、正孔の注入が妨げられるためやはり発光効率は低下してしまうため、最適範囲が存在する。
（膜厚の測定方法）
半導体積層構造の各層膜厚は、基板に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、ＴＥＭの測長機能を使用することで測定可能である。測定方法として、先ず、ＴＥＭを用いて、紫外線発光素子の基板の主面に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、紫外線発光素子の基板の主面に対して垂直な断面を示すＴＥＭ画像内の、基板の主面に対して平行な方向において２μｍ以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、キャリア防壁層と組成の異なる層との界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚みを、幅２００ｎｍの連続する観察領域で観察する。この２００ｎｍ幅の観察領域内に含まれる電子障壁層の厚みの平均値を、上記２μｍ以上の観察幅から任意に抽出した５箇所から算出することで、このキャリア防壁層の膜厚を得る。
半導体積層構造の各層膜厚は、基板に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、ＴＥＭの測長機能を使用することで測定可能である。測定方法として、先ず、ＴＥＭを用いて、紫外線発光素子の基板の主面に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、紫外線発光素子の基板の主面に対して垂直な断面を示すＴＥＭ画像内の、基板の主面に対して平行な方向において２μｍ以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、キャリア防壁層と組成の異なる層との界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚みを、幅２００ｎｍの連続する観察領域で観察する。この２００ｎｍ幅の観察領域内に含まれる電子障壁層の厚みの平均値を、上記２μｍ以上の観察幅から任意に抽出した５箇所から算出することで、このキャリア防壁層の膜厚を得る。
（組成の測定方法）
組成の測定方法としてはＸＰＳ、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）測定が挙げられる。
ＥＥＬＳでは、電子線が試料を透過する際に失うエネルギーを測定することで、試料の組成を分析する。具体的には、例えば、ＴＥＭ観察等で使用する薄片化試料において、透過電子線の強度のエネルギー損失スペクトルを測定・解析する。そして、エネルギー損失量２０ｅＶ付近に現れるピークのピーク位置がキャリア防壁層のＡｌ組成ｘに応じて変化することを利用し、ピーク位置からＡｌ組成ｘを求めることができる。
上述のＴＥＭ観察による膜厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、このキャリア防壁層のＡｌ組成を得る。
組成の測定方法としてはＸＰＳ、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）測定が挙げられる。
ＥＥＬＳでは、電子線が試料を透過する際に失うエネルギーを測定することで、試料の組成を分析する。具体的には、例えば、ＴＥＭ観察等で使用する薄片化試料において、透過電子線の強度のエネルギー損失スペクトルを測定・解析する。そして、エネルギー損失量２０ｅＶ付近に現れるピークのピーク位置がキャリア防壁層のＡｌ組成ｘに応じて変化することを利用し、ピーク位置からＡｌ組成ｘを求めることができる。
上述のＴＥＭ観察による膜厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、このキャリア防壁層のＡｌ組成を得る。
ＥＤＸでは、上述のＴＥＭ観察等で使用する薄片化試料において電子線によって発生する特性Ｘ線を測定・解析する。上述のＴＥＭ観察による膜厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、キャリア防壁層のＡｌ組成を得る。
ＸＰＳでは、イオンビームを用いたスパッタエッチングを行いながらＸＰＳ測定を行うことで、深さ方向の評価が可能である。イオンビームには一般的にＡｒ＋が用いられるが、ＸＰＳ装置に搭載されたエッチング用イオン銃で照射できるイオンであれば、例えばＡｒクラスターイオンなどの他のイオン種でもよい。Ａｌ、Ｇａ、ＮのＸＰＳピーク強度を測定・解析してキャリア防壁層のＡｌ組成ｘの深さ方向分布を得る。スパッタエッチングではなく、紫外線発光素子の基板の主面に対して垂直な断面が拡大されて露出されるように斜め研磨して、露出断面をＸＰＳで測る方法でもＡｌ組成ｘを得ることができる。
ＸＰＳだけでなくオージエ電子分光法（ＡＥＳ）を用いても、スパッタエッチングあるいは斜め研磨により露出させた断面の測定を行うことでＡｌ組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面のＳＥＭ－ＥＤＸ測定を用いてもＡｌ組成を測定できる。
ＸＰＳでは、イオンビームを用いたスパッタエッチングを行いながらＸＰＳ測定を行うことで、深さ方向の評価が可能である。イオンビームには一般的にＡｒ＋が用いられるが、ＸＰＳ装置に搭載されたエッチング用イオン銃で照射できるイオンであれば、例えばＡｒクラスターイオンなどの他のイオン種でもよい。Ａｌ、Ｇａ、ＮのＸＰＳピーク強度を測定・解析してキャリア防壁層のＡｌ組成ｘの深さ方向分布を得る。スパッタエッチングではなく、紫外線発光素子の基板の主面に対して垂直な断面が拡大されて露出されるように斜め研磨して、露出断面をＸＰＳで測る方法でもＡｌ組成ｘを得ることができる。
ＸＰＳだけでなくオージエ電子分光法（ＡＥＳ）を用いても、スパッタエッチングあるいは斜め研磨により露出させた断面の測定を行うことでＡｌ組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面のＳＥＭ－ＥＤＸ測定を用いてもＡｌ組成を測定できる。
＜第二のIII族窒化物半導体層＞
第二のIII族窒化物半導体層は、第二導電型のIII族窒化物半導体層である。つまり、第二のIII族窒化物半導体層の導電型は、第一のIII族窒化物半導体層の導電型（第一導電型）と異なる。
第二のIII族窒化物半導体層を正孔供給層とする場合、第二導電型はｐ型である。
第二のIII族窒化物半導体層の材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単体および混晶であることが好ましい。ｐ型III族窒化物半導体層としては、例えば、ｐ－ＧａＮ層またはｐ－ＡｌＧａＮ層などが挙げられるが、第二の電極層とのコンタクト性を高める観点から、ｐ－ＧａＮ層であることがより好ましい。Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。
第二のIII族窒化物半導体層は、第二導電型のIII族窒化物半導体層である。つまり、第二のIII族窒化物半導体層の導電型は、第一のIII族窒化物半導体層の導電型（第一導電型）と異なる。
第二のIII族窒化物半導体層を正孔供給層とする場合、第二導電型はｐ型である。
第二のIII族窒化物半導体層の材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単体および混晶であることが好ましい。ｐ型III族窒化物半導体層としては、例えば、ｐ－ＧａＮ層またはｐ－ＡｌＧａＮ層などが挙げられるが、第二の電極層とのコンタクト性を高める観点から、ｐ－ＧａＮ層であることがより好ましい。Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。
第二のIII族窒化物半導体層の膜厚は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。この膜厚範囲の特定により、III族窒化物半導体活性層が紫外線を発光する構成の場合、発光した紫外線を効率良く（吸収や損失が抑制された状態で）発光素子から取り出すことができるとともに、第二の電極層に対する良好な接触状態を維持して駆動電圧の増加や電気的不良を抑制することができる。
ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｂｅ等が挙げられる。Ｍｇをp型ドーパントして用いる場合、ｐ－ＧａＮ層の表面の平坦性を高めて第二電極層とのコンタクト性を高める観点から、Ｍｇのドーピング濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上８×１０20ｃｍ-3未満であることが好ましく、２×１０20ｃｍ-3以上６×１０20ｃｍ-3以下であることがより好ましい。
ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｂｅ等が挙げられる。Ｍｇをp型ドーパントして用いる場合、ｐ－ＧａＮ層の表面の平坦性を高めて第二電極層とのコンタクト性を高める観点から、Ｍｇのドーピング濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上８×１０20ｃｍ-3未満であることが好ましく、２×１０20ｃｍ-3以上６×１０20ｃｍ-3以下であることがより好ましい。
＜組成傾斜層＞
組成傾斜層は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、キャリア防壁層に接する面から第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向けて、Ａｌ組成ｙが減少する層である。
組成傾斜層のＡｌ組成ｙは、キャリア防壁層に接する面から第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向けて連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。「断続的に減少する」とは、組成傾斜層の膜厚方向にＡｌ組成ｙが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、組成傾斜層には、キャリア防壁層側から第二のIII族窒化物半導体層側に向けてＡｌ組成ｙが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。組成傾斜層には、Ａｌ組成ｙが同じになっている部分が例えば数ｎｍの厚さで含まれることがある。
組成傾斜層は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、キャリア防壁層に接する面から第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向けて、Ａｌ組成ｙが減少する層である。
組成傾斜層のＡｌ組成ｙは、キャリア防壁層に接する面から第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向けて連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。「断続的に減少する」とは、組成傾斜層の膜厚方向にＡｌ組成ｙが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、組成傾斜層には、キャリア防壁層側から第二のIII族窒化物半導体層側に向けてＡｌ組成ｙが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。組成傾斜層には、Ａｌ組成ｙが同じになっている部分が例えば数ｎｍの厚さで含まれることがある。
キャリア防壁層と接する面における組成傾斜層のＡｌ組成をｙ1、第二のIII族窒化物半導体層と接する面における組成傾斜層のＡｌ組成をｙ２とすると、ｙ1＞ｙ２となるが、ｙ1とｙ２の値は特に限定されない。
組成傾斜層のＡｌ組成ｙ１とキャリア防壁層のＡｌ組成ｘは同じでもよいし、異なっていてもよく、異なる場合はどちらが大きくてもよい。組成傾斜層のＡｌ組成ｙ２と第二のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成は同じでもよいし、異なっていてもよく、異なる場合はどちらが大きくてもよい。
各層での界面におけるポテンシャル障壁を低減し、組成傾斜層からの正孔の注入効率を向上させる観点からは、組成傾斜層のＡｌ組成ｙ１とキャリア防壁層のＡｌ組成ｘとの差は０．３以下、組成傾斜層のＡｌ組成ｙ２と第二のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成との差は０．４以下であることが好ましい。
組成傾斜層のＡｌ組成ｙ１とキャリア防壁層のＡｌ組成ｘは同じでもよいし、異なっていてもよく、異なる場合はどちらが大きくてもよい。組成傾斜層のＡｌ組成ｙ２と第二のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成は同じでもよいし、異なっていてもよく、異なる場合はどちらが大きくてもよい。
各層での界面におけるポテンシャル障壁を低減し、組成傾斜層からの正孔の注入効率を向上させる観点からは、組成傾斜層のＡｌ組成ｙ１とキャリア防壁層のＡｌ組成ｘとの差は０．３以下、組成傾斜層のＡｌ組成ｙ２と第二のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成との差は０．４以下であることが好ましい。
組成傾斜層にはＣ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよい。
組成傾斜層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く活性層に注入する作用を有するため、キャリア防壁層と第二のIII族窒化物半導体層との間に設けることで発光効率を高めることができる。
組成傾斜層の膜厚は、発光効率を高める観点から、５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上９０ｎｍ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは２０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。
（組成の測定方法）
組成の測定方法としてはＸＰＳ、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）測定が挙げられる。
組成傾斜層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く活性層に注入する作用を有するため、キャリア防壁層と第二のIII族窒化物半導体層との間に設けることで発光効率を高めることができる。
組成傾斜層の膜厚は、発光効率を高める観点から、５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上９０ｎｍ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは２０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。
（組成の測定方法）
組成の測定方法としてはＸＰＳ、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）測定が挙げられる。
＜第一電極層＞
第一電極層は、アルミニウムを含み、第一電極層の第一のIII族窒化物半導体層に対する接触面または接触面近傍面に、第一電極層に含まれるアルミニウムの少なくとも一部が存在する。接触面または接触面近傍面におけるアルミニウム（アルミニウム単体）およびアルミニウムを含む合金の合計存在率が７０面積％以上であり、好ましくは９０面積％以上である。
第一電極は、アルミニウムとともに、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｖ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔａ、ＺｒおよびＰｄのうちの少なくとも一つを含むことが好ましく、電極の密着性向上、電極材料の酸化防止などに効果があり、かつ第一のIII族窒化物半導体層とのコンタクト抵抗を下げる観点からはＮｉ、Ｔｉ、Ａｕを含むことがより好ましい。
第一電極層は、アルミニウムを含み、第一電極層の第一のIII族窒化物半導体層に対する接触面または接触面近傍面に、第一電極層に含まれるアルミニウムの少なくとも一部が存在する。接触面または接触面近傍面におけるアルミニウム（アルミニウム単体）およびアルミニウムを含む合金の合計存在率が７０面積％以上であり、好ましくは９０面積％以上である。
第一電極は、アルミニウムとともに、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｖ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔａ、ＺｒおよびＰｄのうちの少なくとも一つを含むことが好ましく、電極の密着性向上、電極材料の酸化防止などに効果があり、かつ第一のIII族窒化物半導体層とのコンタクト抵抗を下げる観点からはＮｉ、Ｔｉ、Ａｕを含むことがより好ましい。
アルミニウムを含む合金は、例えば、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｖ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔａ、ＺｒおよびＰｄのうちの少なくとも一つと、アルミニウムとで形成される合金であるが、第一のIII族窒化物半導体層とのコンタクト抵抗を下げる観点から少なくともＮｉを含む合金を形成していることが好ましい。
上記のことから、第一電極層は、アルミニウムとニッケルを含む材料で形成されていることが好ましい。また、電極の密着性の向上および電極材料の酸化防止などの作用を有するとともに、ｎ－ＡｌＧａＮとのコンタクト抵抗が低くなる材料（例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｚｒなど）が、アルミニウムとニッケルに添加された材料で、第一電極層を形成してもよい。
上記のことから、第一電極層は、アルミニウムとニッケルを含む材料で形成されていることが好ましい。また、電極の密着性の向上および電極材料の酸化防止などの作用を有するとともに、ｎ－ＡｌＧａＮとのコンタクト抵抗が低くなる材料（例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｚｒなど）が、アルミニウムとニッケルに添加された材料で、第一電極層を形成してもよい。
第一電極層の第一のIII族窒化物半導体層に対する接触面に、アルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が存在することが好ましい。接触面におけるアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率が７０面積％以上であることが好ましい。つまり、第一電極層が第一のIII族窒化物半導体層を覆う面の７０％以上にアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金が存在することが好ましく、より好ましくは８０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上である。
＜第二電極層＞
第二電極層は、第二のIII族窒化物半導体層上に形成されている。
第二電極層が窒化物半導体素子に正孔（ホール）を注入する電極である場合、第二電極層の材料としては、一般的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。具体的には、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕおよびその合金、またはＩＴＯ等が挙げられる。これらのうち、窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕもしくはこれらの合金、またはＩＴＯを用いることが好ましい。
第二電極層は、第二のIII族窒化物半導体層上に形成されている。
第二電極層が窒化物半導体素子に正孔（ホール）を注入する電極である場合、第二電極層の材料としては、一般的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。具体的には、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕおよびその合金、またはＩＴＯ等が挙げられる。これらのうち、窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕもしくはこれらの合金、またはＩＴＯを用いることが好ましい。
＜紫外線発光モジュール＞
本発明の一態様の窒化物半導体発光素子を備えた発光装置は、紫外線発光モジュールとして使用することができる。紫外線発光モジュールは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。
本発明の一態様の窒化物半導体発光素子を備えた発光装置は、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
本発明の一態様の窒化物半導体発光素子を備えた発光装置は、紫外線発光モジュールとして使用することができる。紫外線発光モジュールは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。
本発明の一態様の窒化物半導体発光素子を備えた発光装置は、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるがこの限りではない。
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。
〔実施形態〕
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
この実施形態では、本発明の一態様の窒化物半導体発光素子が紫外線発光素子に適用された例が記載されている。また、第一のIII族窒化物半導体層の導電型をｎ型、第二のIII族窒化物半導体層の導電型をｐ型としている。
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
この実施形態では、本発明の一態様の窒化物半導体発光素子が紫外線発光素子に適用された例が記載されている。また、第一のIII族窒化物半導体層の導電型をｎ型、第二のIII族窒化物半導体層の導電型をｐ型としている。
［全体構成］
先ず、図１～図３を用いて、この実施形態の紫外線発光素子１０の全体構成を説明する。
図１および図２に示すように、紫外線発光素子１０は、基板１と、ｎ型III族窒化物半導体層（第一のIII族窒化物半導体層）２と、窒化物半導体積層体３と、第一電極層４と、第二電極層５と、第一パッド電極６と、第二パッド電極７と、絶縁層８を有する。ｎ型III族窒化物半導体層２は、基板１上に形成されている。窒化物半導体積層体３は、ｎ型III族窒化物半導体層２上の一部に形成されたメサ部であり、側面が斜面となっている。
先ず、図１～図３を用いて、この実施形態の紫外線発光素子１０の全体構成を説明する。
図１および図２に示すように、紫外線発光素子１０は、基板１と、ｎ型III族窒化物半導体層（第一のIII族窒化物半導体層）２と、窒化物半導体積層体３と、第一電極層４と、第二電極層５と、第一パッド電極６と、第二パッド電極７と、絶縁層８を有する。ｎ型III族窒化物半導体層２は、基板１上に形成されている。窒化物半導体積層体３は、ｎ型III族窒化物半導体層２上の一部に形成されたメサ部であり、側面が斜面となっている。
図２に示すように、窒化物半導体積層体３は、基板１側から、ｎ型III族窒化物半導体層３１、III族窒化物半導体活性層（発光層）３２、キャリア防壁層３３、組成傾斜層３４、およびｐ型III族窒化物半導体層（第二のIII族窒化物半導体層）３５が、この順に形成されたものである。
なお、窒化物半導体積層体３は、基板１上に、ｎ型III族窒化物半導体層、III族窒化物半導体活性層、キャリア防壁層、組成傾斜層、およびｐ型III族窒化物半導体層を、この順に形成して得た積層体に対して、メサエッチングで、第一電極層４が形成される部分をｎ型III族窒化物半導体層の厚さ方向の途中まで除去することで形成されている。つまり、窒化物半導体積層体３のｎ型III族窒化物半導体層３１は、ｎ型III族窒化物半導体層２上に連続して成膜されたものである。
なお、窒化物半導体積層体３は、基板１上に、ｎ型III族窒化物半導体層、III族窒化物半導体活性層、キャリア防壁層、組成傾斜層、およびｐ型III族窒化物半導体層を、この順に形成して得た積層体に対して、メサエッチングで、第一電極層４が形成される部分をｎ型III族窒化物半導体層の厚さ方向の途中まで除去することで形成されている。つまり、窒化物半導体積層体３のｎ型III族窒化物半導体層３１は、ｎ型III族窒化物半導体層２上に連続して成膜されたものである。
第一電極層４は、ｎ型III族窒化物半導体層２上に例えば図３に示す平面形状で形成されている。第二電極層５は、ｐ型III族窒化物半導体層３５上に例えば図３に示す平面形状で形成されている。第一パッド電極６は、第一電極層４上に第一電極層４と同じ平面形状で形成されている。第二パッド電極７は、第二電極層５上に第二電極層５と同じ平面形状で形成されている。
紫外線発光素子１０は、例えば、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を発光する素子である。
紫外線発光素子１０は、例えば、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を発光する素子である。
基板１はＡｌＮ基板であり、ｎ型III族窒化物半導体層２，３１はｎ－ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５０≦ｘ≦０．８０）層であり、III族窒化物半導体活性層３２はＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＧａＮまたはＡｌＮからなるバリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）である。キャリア防壁層３３は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．９０≦ｘ≦１．００）層であり、その膜厚が５ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。
組成傾斜層３４は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙがキャリア防壁層と接する面から第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向かって連続的に減少する。組成傾斜層３４の膜厚は５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である。ｐ型III族窒化物半導体層３５は、不純物としてＭｇを1×１０20ｃｍ-3以上８×１０20ｃｍ-3未満の範囲で含むＧａＮ層であり、その膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
組成傾斜層３４は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙがキャリア防壁層と接する面から第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向かって連続的に減少する。組成傾斜層３４の膜厚は５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である。ｐ型III族窒化物半導体層３５は、不純物としてＭｇを1×１０20ｃｍ-3以上８×１０20ｃｍ-3未満の範囲で含むＧａＮ層であり、その膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
第一電極層４については後述する。
第二電極層５はＮｉとＡｕとの合金層である。
第一パッド電極６および第二パッド電極７の材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗなどが挙げられるが、導電性の高いＡｕが望ましい。
絶縁層８は、ｎ型III族窒化物半導体層２の第一電極層４で覆われていない部分と、窒化物半導体積層体３の第二電極層５で覆われていない部分と、第一電極層４の第一パッド電極６で覆われていない部分と、第二電極層５の第二パッド電極７で覆われていない部分と、第一パッド電極６および第二パッド電極７の下部の側面に形成されている。絶縁層８は第一パッド電極６および第二パッド電極７の上部の一部を覆うこともある。絶縁層８としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ層などの酸化物や窒化物が挙げられる。
第二電極層５はＮｉとＡｕとの合金層である。
第一パッド電極６および第二パッド電極７の材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗなどが挙げられるが、導電性の高いＡｕが望ましい。
絶縁層８は、ｎ型III族窒化物半導体層２の第一電極層４で覆われていない部分と、窒化物半導体積層体３の第二電極層５で覆われていない部分と、第一電極層４の第一パッド電極６で覆われていない部分と、第二電極層５の第二パッド電極７で覆われていない部分と、第一パッド電極６および第二パッド電極７の下部の側面に形成されている。絶縁層８は第一パッド電極６および第二パッド電極７の上部の一部を覆うこともある。絶縁層８としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ層などの酸化物や窒化物が挙げられる。
＜第一電極層４について＞
第一電極層４は、アルミニウムとニッケルを含む材料で形成されている。
第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２に対する接触面４１に、アルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が存在する。接触面４１におけるアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率は７０面積％以上である。つまり、第一電極層４がｎ型III族窒化物半導体層２を覆う面の７０％以上にアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金が存在する。
例えば図４に示すように、第一電極層４の接触面４１内には、第一の領域４１１、第二の領域４１２、および第三の領域４１３が存在する。
第一電極層４は、アルミニウムとニッケルを含む材料で形成されている。
第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２に対する接触面４１に、アルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が存在する。接触面４１におけるアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率は７０面積％以上である。つまり、第一電極層４がｎ型III族窒化物半導体層２を覆う面の７０％以上にアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金が存在する。
例えば図４に示すように、第一電極層４の接触面４１内には、第一の領域４１１、第二の領域４１２、および第三の領域４１３が存在する。
第一の領域４１１は、アルミニウムとニッケルとを含む合金層である第一の層４ａの下面（ｎ型III族窒化物半導体層２側の面）である。第二の領域４１２は第二の層４ｂの下面である。第二の層４ｂは、アルミニウムとニッケルとを含む合金層以外のアルミニウム含有層であって、含まれるものはアルミニウム単体がほとんどであるが、アルミニウム以外の金属を極微量（面積を推定する際の断面線上で数ｎｍ以内）含む場合もある。
第三の領域４１３は、第三の層４ｃの下面である。第三の層４ｃには、アルミニウムとニッケルとを含む合金以外の合金、電極材料として用いた金属が各々単体で微粒子化しているものなどが混在している。
第三の領域４１３は、第三の層４ｃの下面である。第三の層４ｃには、アルミニウムとニッケルとを含む合金以外の合金、電極材料として用いた金属が各々単体で微粒子化しているものなどが混在している。
そして、アルミニウムとニッケルとを含む合金層の下面である第一の領域４１１の面積と、第二の領域４１２に存在するアルミニウム単体の面積と、の合計値が、接触面４１の面積（第一の領域４１１、第二の領域４１２、および第三の領域４１３の合計面積）の７０％以上になっている。好ましくは８０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上である。
第一の層４ａは、例えば、アルミニウムとニッケルの二成分合金層であり、合金層中のアルミニウムとニッケルの存在比は任意である。第一の層４ａは、アルミニウムおよびニッケルとともにこれら以外の元素を含む層であってもよい。つまり、第一の層４ａは、アルミニウムとニッケルとを含む三成分以上の化合物または混合物を含む層や、三成分以上の金属の合金層になっていてもよい。
第一の層４ａは、例えば、アルミニウムとニッケルの二成分合金層であり、合金層中のアルミニウムとニッケルの存在比は任意である。第一の層４ａは、アルミニウムおよびニッケルとともにこれら以外の元素を含む層であってもよい。つまり、第一の層４ａは、アルミニウムとニッケルとを含む三成分以上の化合物または混合物を含む層や、三成分以上の金属の合金層になっていてもよい。
また、第一の領域４１１と第二の領域４１２の合計面積に対する第二の領域４１２の面積の比率（以下、「アルミニウム含有率」と称する。）が、３０％以上になっている。好ましくは４０％以上であり、さらに好ましくは５０％以上である。
また、第二の領域４１２では、アルミニウム単体が連続層になっていてもよいし、アルミニウム単体が他の元素と混合された状態で存在していてもよいし、アルミニウムと他の元素との化合物が存在していてもよいし、ニッケル以外の金属とアルミニウムとの合金が存在していてもよい。
また、第二の領域４１２では、アルミニウム単体が連続層になっていてもよいし、アルミニウム単体が他の元素と混合された状態で存在していてもよいし、アルミニウムと他の元素との化合物が存在していてもよいし、ニッケル以外の金属とアルミニウムとの合金が存在していてもよい。
図５に示すように、図４のＡ－Ａ断面では、第一電極層４の幅方向中央部に第一の層４ａが存在し、その左右に、第二の層４ｂとその上に形成された第三の層４ｃとの積層部が存在する。
図４のＡ－Ａ断面は、基板１に垂直で、平面視で基板１の中心を通り基板１の一端から他端まで延びる直線に沿った断面である。つまり、図５は、例えば図３のＢ－Ｂ断面である。図１および図３において、直線Ｌは、平面視で基板１の中心Ｃを通り基板１の一端から他端まで延びる直線の一例である。
図４のＡ－Ａ断面は、基板１に垂直で、平面視で基板１の中心を通り基板１の一端から他端まで延びる直線に沿った断面である。つまり、図５は、例えば図３のＢ－Ｂ断面である。図１および図３において、直線Ｌは、平面視で基板１の中心Ｃを通り基板１の一端から他端まで延びる直線の一例である。
第一の層４ａの厚さは、１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。第二の層４ｂの厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第三の層４ｃの厚さは、第一の層４ａの厚さより薄く、第二の層４ｂの厚さより厚い。
なお、上記合金層および上記アルミニウム含有層とｎ型III族窒化物半導体層２との間に、これらの層（上記合金層および上記アルミニウム含有層）以外の層が存在する場合、これらの層の下面はｎ型III族第一窒化物半導体層２との接触面とならない。この場合には、一態様の窒化物半導体発光素子の構成(4)の合計存在率は、接触面における存在率ではなく接触面近傍面における存在率であり、上記合金層および上記アルミニウム含有層が第一窒化物半導体層に接触する場合は、接触面における存在率である。
なお、上記合金層および上記アルミニウム含有層とｎ型III族窒化物半導体層２との間に、これらの層（上記合金層および上記アルミニウム含有層）以外の層が存在する場合、これらの層の下面はｎ型III族第一窒化物半導体層２との接触面とならない。この場合には、一態様の窒化物半導体発光素子の構成(4)の合計存在率は、接触面における存在率ではなく接触面近傍面における存在率であり、上記合金層および上記アルミニウム含有層が第一窒化物半導体層に接触する場合は、接触面における存在率である。
［作用、効果］
＜キャリア防壁層により得られる効果＞
実施形態の紫外線発光素子１０は、キャリア防壁層３３として、Ａｌ組成ｘが０．９０以上１．００以下のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層を膜厚５ｎｍ以上１８ｎｍ以下で設けることで、発光層へのキャリア注入効率が向上するため、高い発光効率が得られる。
＜組成傾斜層により得られる効果＞
実施形態の紫外線発光素子１０は、膜厚５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の組成傾斜層３４を有することで、発光層への正孔注入効率が向上するため、高い発光効率が得られる。
＜キャリア防壁層により得られる効果＞
実施形態の紫外線発光素子１０は、キャリア防壁層３３として、Ａｌ組成ｘが０．９０以上１．００以下のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層を膜厚５ｎｍ以上１８ｎｍ以下で設けることで、発光層へのキャリア注入効率が向上するため、高い発光効率が得られる。
＜組成傾斜層により得られる効果＞
実施形態の紫外線発光素子１０は、膜厚５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の組成傾斜層３４を有することで、発光層への正孔注入効率が向上するため、高い発光効率が得られる。
＜第一電極層の構成により得られる作用、効果＞
実施形態の紫外線発光素子１０は、Ａｌ組成ｘが０．５０以上０．８０未満と高いｎ－ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層をｎ型III族半導体層２としているが、第一電極層４のｎ型半導体層２に対する接触面４１に、アルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が合計で７０面積％以上存在することで、コンタクト抵抗を大幅に低減することが期待できる。コンタクト抵抗が低減することにより駆動電圧が低減できるため、紫外線発光素子１０の発熱量が低減できる。よって、紫外線発光素子１０は、熱による出力低下や寿命低下が抑制される。
実施形態の紫外線発光素子１０は、Ａｌ組成ｘが０．５０以上０．８０未満と高いｎ－ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層をｎ型III族半導体層２としているが、第一電極層４のｎ型半導体層２に対する接触面４１に、アルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が合計で７０面積％以上存在することで、コンタクト抵抗を大幅に低減することが期待できる。コンタクト抵抗が低減することにより駆動電圧が低減できるため、紫外線発光素子１０の発熱量が低減できる。よって、紫外線発光素子１０は、熱による出力低下や寿命低下が抑制される。
そして、紫外線発光素子１０の発熱量が少なくなることで、紫外線発光素子１０を用いた窒化物半導体発光装置のヒートシンクを縮小できるため、窒化物半導体発光装置の小型化が可能になる。
さらに、実施形態の紫外線発光素子１０では、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２に対する接触面４１にアルミニウム単体が存在することで、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２との界面での反射率が高くなるため、発光出力が向上する。また、接触面４１に存在するアルミニウム単体により、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２との界面に導電率の高い層が形成されるため、第一電極層４の面内で電流が流れやすくなり、電流の集中を抑制できる。これらの効果はアルミニウムを含む合金中のアルミニウムでも得ることができるが、アルミニウム単体の方が得られる効果が高い。
さらに、実施形態の紫外線発光素子１０では、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２に対する接触面４１にアルミニウム単体が存在することで、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２との界面での反射率が高くなるため、発光出力が向上する。また、接触面４１に存在するアルミニウム単体により、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２との界面に導電率の高い層が形成されるため、第一電極層４の面内で電流が流れやすくなり、電流の集中を抑制できる。これらの効果はアルミニウムを含む合金中のアルミニウムでも得ることができるが、アルミニウム単体の方が得られる効果が高い。
また、実施形態の紫外線発光素子１０では、第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２に対する接触面４１にアルミニウムとニッケルとを含む合金が存在することにより、第一電極層４の上面（接触面４１の反対側の面）が凹凸状となる。これに伴い、第一電極層４と第一パッド電極６との密着性が向上するため、紫外線発光素子１０の寿命を長くすることができる。この効果は、接触面４１にアルミニウムが存在することによっても得ることができるが、アルミニウムとニッケルとを含む合金が存在する場合に高い効果が得られる。
なお、第一電極層４の第一の層（アルミニウムとニッケルとを含む合金層）４ａの厚さは、上述のコンタクト抵抗の低減および第一パッド電極６との密着性の観点から１００ｎｍ以上であることが好ましく、１５０ｎｍ以上であることがより好ましい。また、第一の層４ａの厚さが厚すぎると、第一電極層４内の凹凸が激しくなりすぎるため、その上部に形成される第一パッド電極６や絶縁層８の被覆性が悪くなり、信頼性不良のリスクが高くなることから、６００ｎｍ以下であることが好ましく、３００ｎｍ以下であることがより好ましい。
これらの観点から、実施形態の紫外線発光素子１０では、第一電極層４の第一の層４ａの厚さを１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下としている。第一電極層４の第一の層４ａの厚さは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより好ましい。
これらの観点から、実施形態の紫外線発光素子１０では、第一電極層４の第一の層４ａの厚さを１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下としている。第一電極層４の第一の層４ａの厚さは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより好ましい。
また、第一電極層４の第二の層（アルミニウム含有層）４ｂの厚さは、上述のコンタクト抵抗の低減および反射率の向上という観点から、１ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることがより好ましい。また、第二の層４ｂの厚さが厚すぎると、第三の層４ｃの厚さが相対的に薄くなることで第二の層４ｂが酸素と接触しやすくなるため、第一電極層４の酸素との接触を低減するという観点から、第二の層４ｂの厚さは１００ｎｍ以下であることが好ましい。これらの観点から、実施形態の紫外線発光素子１０では、第一電極層４の第二の層４ｂの厚さを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下としている。
なお、この実施形態では、本発明の一態様の窒化物半導体素子を紫外線発光素子に適用した例を説明しているが、発光波長は紫外線に限定されない。
なお、この実施形態では、本発明の一態様の窒化物半導体素子を紫外線発光素子に適用した例を説明しているが、発光波長は紫外線に限定されない。
＜試験１：No.1-1～No.1-47＞
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の構成を有する素子を作製した。
基板１はＡｌＮ基板である。ｎ型III族窒化物半導体層２とｎ型III族窒化物半導体層３１は、Ｓｉを不純物として用いたｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層であって、ｎ型III族窒化物半導体層２とｎ型III族窒化物半導体層３１の合計厚さ（つまり、基板１とIII族窒化物半導体活性層３２との間のｎ型III族窒化物半導体層の膜厚）は５００ｎｍである。III族窒化物半導体活性層３２は、厚さ６．５ｎｍのＡｌ0.7８ＧａＮ（バリア層）と厚さ２．５ｎｍのＡｌ0.5２Ｎ（量子井戸層）とを交互にそれぞれ五層有する多重量子井戸構造である。キャリア防壁層３３はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層であって、Ａｌ組成ｘと膜厚を表１および表２に示すように変化させている。
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の構成を有する素子を作製した。
基板１はＡｌＮ基板である。ｎ型III族窒化物半導体層２とｎ型III族窒化物半導体層３１は、Ｓｉを不純物として用いたｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層であって、ｎ型III族窒化物半導体層２とｎ型III族窒化物半導体層３１の合計厚さ（つまり、基板１とIII族窒化物半導体活性層３２との間のｎ型III族窒化物半導体層の膜厚）は５００ｎｍである。III族窒化物半導体活性層３２は、厚さ６．５ｎｍのＡｌ0.7８ＧａＮ（バリア層）と厚さ２．５ｎｍのＡｌ0.5２Ｎ（量子井戸層）とを交互にそれぞれ五層有する多重量子井戸構造である。キャリア防壁層３３はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層であって、Ａｌ組成ｘと膜厚を表１および表２に示すように変化させている。
組成傾斜層３４は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層であり、Ａｌ組成ｙが、キャリア防壁層３３からｐ型III族窒化物半導体層３５に向けて０．７５から０．２５へ連続的に変化する層である。ｐ型III族窒化物半導体層３５は、不純物としてＭｇを４．２×１０20ｃｍ-3含むｐ型ＧａＮ層である。
第一電極層４は、ＴｉとＡｌとＮｉとＡｕを含有し、ｎ型III族窒化物半導体層２との接触面４１に、アルミニウムおよびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が存在する。第二電極層５はＮｉ／Ａｕである。第一パッド電極６および第二パッド電極７はＴｉとＡｕとの積層構造である。
第一電極層４は、ＴｉとＡｌとＮｉとＡｕを含有し、ｎ型III族窒化物半導体層２との接触面４１に、アルミニウムおよびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が存在する。第二電極層５はＮｉ／Ａｕである。第一パッド電極６および第二パッド電極７はＴｉとＡｕとの積層構造である。
第一電極層４のｎ型III族窒化物半導体層２との接触面４１におけるアルミニウムおよびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率（以下、単に「Ａｌ存在率」とも称する。）を、No.1-1～No.1-9では９０面積％、No.1-10～No.1-23とNo.1-37～No.1-42では８０面積％、No.1-24～No.1-31では７５面積％、No.1-32とNo.1-33では６５面積％、No.1-34～No.1-36とNo.1-43～No.1-47では５０面積％とした。
上記構成の各素子を以下の方法で作製・評価を行った。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮ基板の全面に、厚さ５００ｎｍのＳｉドープＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層、上記多重量子井戸構造、キャリア防壁層３３となるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層（ｘと膜厚は表１および表２の値で）、組成傾斜層３４となるＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層（Ａｌ組成ｙを０．７５から０．２５に連続的に変化させ、膜厚４０ｎｍで積層）、不純物としてＭｇを４．２０×１０20ｃｍ-3含む厚み１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を、この順に成膜した。これにより、基板１上に積層体が形成された物体を得た。原料としては、トリエチルガリウム(ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡｌ)、アンモニア(ＮＨ3)、モノシラン(ＳｉＨ4)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を使用した。各層のＡｌ組成はトリエチルガリウム(ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡｌ)の供給比を制御することで、膜厚は成長時間を変化させることでそれぞれ制御を行った。成膜中は基板温度を１１００℃、成長圧力を５０ｈPaに制御し、Ｖ族原料であるＮＨ3とIII族原料(トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム)との原料供給比（Ｖ／III比）は３０００とした。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮ基板の全面に、厚さ５００ｎｍのＳｉドープＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層、上記多重量子井戸構造、キャリア防壁層３３となるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層（ｘと膜厚は表１および表２の値で）、組成傾斜層３４となるＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層（Ａｌ組成ｙを０．７５から０．２５に連続的に変化させ、膜厚４０ｎｍで積層）、不純物としてＭｇを４．２０×１０20ｃｍ-3含む厚み１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を、この順に成膜した。これにより、基板１上に積層体が形成された物体を得た。原料としては、トリエチルガリウム(ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡｌ)、アンモニア(ＮＨ3)、モノシラン(ＳｉＨ4)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を使用した。各層のＡｌ組成はトリエチルガリウム(ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡｌ)の供給比を制御することで、膜厚は成長時間を変化させることでそれぞれ制御を行った。成膜中は基板温度を１１００℃、成長圧力を５０ｈPaに制御し、Ｖ族原料であるＮＨ3とIII族原料(トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム)との原料供給比（Ｖ／III比）は３０００とした。
ｎ型III族窒化物半導体層２のＡｌ組成と格子緩和率は、（１０－１５）面近傍におけるＸ線回折逆格子マッピング測定によりそれぞれ測定した結果、格子緩和率は０％であった。また、作成した発光素子構造の一部に対してＥＥＬＳ測定を行うことによりｎ型III族窒化物半導体層２以外の各層のＡｌ組成を定量した。
ｎ型III族窒化物半導体層２のＳｉ濃度、ｐ型ＧａＮ層のＭｇ濃度はそれぞれＳＩＭＳ測定により定量化を行った。詳細は後述するが、各層の膜厚は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察により測長した。
ｎ型III族窒化物半導体層２のＳｉ濃度、ｐ型ＧａＮ層のＭｇ濃度はそれぞれＳＩＭＳ測定により定量化を行った。詳細は後述するが、各層の膜厚は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察により測長した。
次に、基板１上の積層体に対して、面内の一部を所定深さで除去するエッチングを行うことにより、図２に示す窒化物半導体積層体３を形成した。エッチング深さは、ｎ型III族窒化物半導体層２が一部除去される深さであり、このエッチングにより平面視でｎ型III族窒化物半導体層２の一部が露出する。エッチングされない部分が窒化物半導体積層体３のｎ型III族窒化物半導体層３１として残る。エッチング方法としては、誘導結合型プラズマ方式の装置を用いたドライエッチングを行った。
次に、この状態の基板１の全面に絶縁層８を形成した後、面内の一部の絶縁層８を除去してｎ型III族窒化物半導体層２の一部を露出するためにＢＨＦによるエッチングを行った。
次に、ｎ型III族窒化物半導体層２の平面視で露出面となった領域に、以下の方法で第一電極層４を形成した。
先ず、この領域に図１に示す第一電極層４の平面形状で、チタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層を、この順に２０ｎｍ／１３０ｎｍ／３５ｎｍ／５０ｎｍの厚さに蒸着法で形成することで、金属積層体を得た。次に、この状態の基板１を熱処理装置に入れて、金属積層体をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法で加熱処理した。
次に、ｎ型III族窒化物半導体層２の平面視で露出面となった領域に、以下の方法で第一電極層４を形成した。
先ず、この領域に図１に示す第一電極層４の平面形状で、チタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層を、この順に２０ｎｍ／１３０ｎｍ／３５ｎｍ／５０ｎｍの厚さに蒸着法で形成することで、金属積層体を得た。次に、この状態の基板１を熱処理装置に入れて、金属積層体をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法で加熱処理した。
加熱処理条件は、接触面４１でのＡｌ存在率に応じて変化させるが、例えば、Ａｌ存在率を９０％とするNo.1-1～No.1-9では、基板１の温度を８５０℃に保持し、熱処理装置内に１５０℃の窒素ガスを導入して２分間行った。窒素ガスの温度はガス配管にヒーターを取り付けて調整した。
次に、第一電極層４が形成された後の基板１に対して、窒化物半導体積層体３のｐ型III族窒化物半導体層３５の一部を露出するため、ＢＨＦによるエッチングを行った。
次に、第一電極層４が形成された後の基板１に対して、窒化物半導体積層体３のｐ型III族窒化物半導体層３５の一部を露出するため、ＢＨＦによるエッチングを行った。
次に、この状態の基板１を蒸着装置に入れ、窒化物半導体積層体３のｐ型III族窒化物半導体層３５上に、図１に示す第二電極層５の平面形状で、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層をこの順に形成した後、既知の加熱処理を行って第二電極層５を形成した。
次に、この状態の基板１の第二電極層５が形成されている面の全体に絶縁層８を形成した後、絶縁層８に第一パッド電極６および第二パッド電極７を形成する開口部を形成した。
次に、この状態の基板１の第二電極層５が形成されている面の全体に絶縁層８を形成した後、絶縁層８に第一パッド電極６および第二パッド電極７を形成する開口部を形成した。
次に、第一パッド電極６および第二パッド電極７をＴｉとＡｕとの積層膜で形成した。
紫外線発光素子１０における、各層の膜厚、第一電極層４における接触面４１でのアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率は、以下の方法で確認した。
先ず、３０ｋＶのＧａ＋を用いたＦＩＢ（Focus Ion Beam）法で、紫外線発光素子１０の第一電極層４を含む部分の基板１に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により加速電圧２００ｋＶで観察した。そして、ＴＥＭの測長機能を使用して、切り出した断面における各層の膜厚、および第一電極層４とｎ型半導体層２との境界線の長さを測定し、この長さの測定値から接触面４１の面積を算出した。
紫外線発光素子１０における、各層の膜厚、第一電極層４における接触面４１でのアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率は、以下の方法で確認した。
先ず、３０ｋＶのＧａ＋を用いたＦＩＢ（Focus Ion Beam）法で、紫外線発光素子１０の第一電極層４を含む部分の基板１に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により加速電圧２００ｋＶで観察した。そして、ＴＥＭの測長機能を使用して、切り出した断面における各層の膜厚、および第一電極層４とｎ型半導体層２との境界線の長さを測定し、この長さの測定値から接触面４１の面積を算出した。
また、切り出した断面をＴＥＭで観察して、その観察領域の接触面４１を示す線上をＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscope）により元素分析した。そして、この線上での分析結果から、接触面４１におけるアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率を推定した。
また、得られたNo.1-1～No.1-47の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られたが、その光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.1-1～No.1-47の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表１および表２に示す。また、No.1-1～No.1-47の各紫外線発光素子１０について、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成と膜厚との関係を図６に示す。
また、得られたNo.1-1～No.1-47の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られたが、その光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.1-1～No.1-47の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表１および表２に示す。また、No.1-1～No.1-47の各紫外線発光素子１０について、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成と膜厚との関係を図６に示す。
表１および表２の構成の欄では、本発明の一態様の必須要件である「キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００」と「第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上」から外れる数値に下線を施し、好ましい態様である「キャリア防壁層３３の膜厚５ｎｍ以上１８ｎｍ以下」から外れる数値に二重下線を施してある。また、表１および表２の性能の欄では、良好な光出力値（相対値）に相当する「０．６２以上」から外れる数値と、良好な駆動電圧に相当する「８．０Ｖ以下」から外れる数値に下線を施し、好ましい光出力値（相対値）に相当する「０．７５以上」から外れる数値に二重下線を施してある。
表１に示すNo.1-1～No.1-31の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００と、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上を満たしている。そのため、８．０Ｖ以下の駆動電圧で０．６２以上の良好な光出力が得られている。
これらのうちNo.1-1～No.1-23の素子は、さらに、キャリア防壁層３３の膜厚５ｎｍ以上１８ｎｍ以下（図６のＡ）を満たしている。そのため、８．０Ｖ以下の駆動電圧でより高い０．７５以上の光出力が得られている。
また、No.1-1～No.1-9の素子は、キャリア防壁層３３のＡｌ組成ｘが０．９５以上、膜厚が７ｎｍ以上１４ｎｍ以下（図６のＢ）であり、０．９０以上の光出力が得られている。つまり、キャリア防壁層３３のＡｌ組成ｘを０．９５以上とし、その膜厚を７ｎｍ以上１４ｎｍ以下とすることで、光出力をさらに高くできることが分かる。
これらのうちNo.1-1～No.1-23の素子は、さらに、キャリア防壁層３３の膜厚５ｎｍ以上１８ｎｍ以下（図６のＡ）を満たしている。そのため、８．０Ｖ以下の駆動電圧でより高い０．７５以上の光出力が得られている。
また、No.1-1～No.1-9の素子は、キャリア防壁層３３のＡｌ組成ｘが０．９５以上、膜厚が７ｎｍ以上１４ｎｍ以下（図６のＢ）であり、０．９０以上の光出力が得られている。つまり、キャリア防壁層３３のＡｌ組成ｘを０．９５以上とし、その膜厚を７ｎｍ以上１４ｎｍ以下とすることで、光出力をさらに高くできることが分かる。
＜試験２：No.2-1～No.2-15＞
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の点を除いて試験１と同じ構成を有する素子を作製した。キャリア防壁層３３を膜厚１０ｎｍのＡｌＮ層とし、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率を８０面積％とし、組成傾斜層３４の膜厚を変化させた。つまり、No.2-1～No.2-15の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００と、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上を満たしている。
また、得られたNo.2-1～No.2-15の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られた。光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.2-1～No.2-15の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表３に示す。
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の点を除いて試験１と同じ構成を有する素子を作製した。キャリア防壁層３３を膜厚１０ｎｍのＡｌＮ層とし、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率を８０面積％とし、組成傾斜層３４の膜厚を変化させた。つまり、No.2-1～No.2-15の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００と、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上を満たしている。
また、得られたNo.2-1～No.2-15の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られた。光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.2-1～No.2-15の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表３に示す。
表３の構成の欄では、本発明の一態様の好ましい態様である「組成傾斜層３４の膜厚の膜厚５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下」から外れる数値に二重下線を施してある。また、表３の性能の欄では、好ましい光出力値（相対値）に相当する「０．７５以上」から外れる数値に二重下線を施してある。なお、表３の性能の欄では、良好な駆動電圧に相当する「８Ｖ以下」から外れる数値はなかった。
表３の結果から分かるように、No.2-1～No.2-15の素子は、組成傾斜層３４の膜厚が０以上２００ｎｍ以下であり、８Ｖ以下の駆動電圧で０．６２以上の良好な光出力が得られている。これらのうち組成傾斜層３４の膜厚が５以上１１０ｎｍ以下の範囲にあるNo.2-3～No.2-12の素子は、８Ｖ以下の駆動電圧でより高い０．７５以上の光出力が得られている。つまり、膜厚が５以上１１０ｎｍ以下の組成傾斜層３４を設けることで、光出力を高くできることが分かる。
また、膜厚が１５以上９０ｎｍ以下の範囲であると、０．９０以上の光出力が得られ、膜厚が２０以上７０ｎｍ以下の範囲であると、０．９３以上の光出力が得られている。つまり、組成傾斜層３４の膜厚は１５以上９０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０以上７０ｎｍ以下であることがさらに好ましいことが分かる。
表３の結果から分かるように、No.2-1～No.2-15の素子は、組成傾斜層３４の膜厚が０以上２００ｎｍ以下であり、８Ｖ以下の駆動電圧で０．６２以上の良好な光出力が得られている。これらのうち組成傾斜層３４の膜厚が５以上１１０ｎｍ以下の範囲にあるNo.2-3～No.2-12の素子は、８Ｖ以下の駆動電圧でより高い０．７５以上の光出力が得られている。つまり、膜厚が５以上１１０ｎｍ以下の組成傾斜層３４を設けることで、光出力を高くできることが分かる。
また、膜厚が１５以上９０ｎｍ以下の範囲であると、０．９０以上の光出力が得られ、膜厚が２０以上７０ｎｍ以下の範囲であると、０．９３以上の光出力が得られている。つまり、組成傾斜層３４の膜厚は１５以上９０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０以上７０ｎｍ以下であることがさらに好ましいことが分かる。
＜試験３：No.3-1～No.3-10＞
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の点を除いて試験１と同じ構成を有する素子を作製した。キャリア防壁層３３を膜厚１０ｎｍのＡｌＮ層とし、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率を８０面積％とし、ｐ型III族窒化物半導体層３５は、不純物としてＭｇを含むＧａＮ層（膜厚１０ｎｍ）であるが、Ｍｇ濃度を変化させた。つまり、No.3-1～No.3-10の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００であること、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上であることを満たしている。
また、得られたNo.3-1～No.3-10の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られた。光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.3-1～No.3-10の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表４に示す。
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の点を除いて試験１と同じ構成を有する素子を作製した。キャリア防壁層３３を膜厚１０ｎｍのＡｌＮ層とし、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率を８０面積％とし、ｐ型III族窒化物半導体層３５は、不純物としてＭｇを含むＧａＮ層（膜厚１０ｎｍ）であるが、Ｍｇ濃度を変化させた。つまり、No.3-1～No.3-10の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００であること、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上であることを満たしている。
また、得られたNo.3-1～No.3-10の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られた。光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.3-1～No.3-10の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表４に示す。
表４の構成の欄では、本発明の一態様の好ましい態様である「Ｍｇ濃度1×１０20ｃｍ-3以上８×１０20ｃｍ-3未満」から外れる数値に二重下線を施してある。また、より良好な駆動電圧に相当する「７．４Ｖ以下」から外れる数値に二重下線を施してある。なお、表４の性能の欄では、良好な光出力値に相当する「０．６２以上」および良好な駆動電圧に相当する「８Ｖ以下」から外れる数値はなかった。
表４の結果から分かるように、ｐ型III族窒化物半導体層３５であるｐ型ＧａＮ層のＭｇ濃度が、1×１０20ｃｍ-3以上７．６×１０20ｃｍ-3以下であるNo.3-3～No.3-7の素子では、７．４Ｖ以下の駆動電圧で０．９７以上の高い光出力が得られている。
表４の結果から分かるように、ｐ型III族窒化物半導体層３５であるｐ型ＧａＮ層のＭｇ濃度が、1×１０20ｃｍ-3以上７．６×１０20ｃｍ-3以下であるNo.3-3～No.3-7の素子では、７．４Ｖ以下の駆動電圧で０．９７以上の高い光出力が得られている。
＜試験４：No.4-1～No.4-9＞
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の点を除いて試験１と同じ構成を有する素子を作製した。キャリア防壁層３３を膜厚１０ｎｍのＡｌＮ層とし、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率を８０面積％とした。また、ｎ型III族窒化物半導体層２とｎ型III族窒化物半導体層３１の合計膜厚を変化させて、格子緩和率を変化させた。つまり、No.4-1～No.4-9の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００であることと、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上を満たしている。
また、得られたNo.4-1～No.4-9の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られた。光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.4-1～No.4-9の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表５に示す。
実施形態に記載された構造の紫外線発光素子１０であって、以下の点を除いて試験１と同じ構成を有する素子を作製した。キャリア防壁層３３を膜厚１０ｎｍのＡｌＮ層とし、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率を８０面積％とした。また、ｎ型III族窒化物半導体層２とｎ型III族窒化物半導体層３１の合計膜厚を変化させて、格子緩和率を変化させた。つまり、No.4-1～No.4-9の素子は、キャリア防壁層３３であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層のＡｌ組成ｘが０．９０≦ｘ≦１．００であることと、第一電極層の接触面４１でのＡｌ存在率７０面積％以上を満たしている。
また、得られたNo.4-1～No.4-9の各紫外線発光素子１０に３５０ｍＡの電流を流して光出力と駆動電圧を調べた。その結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られた。光出力の相対値（No.1-2の値を１とした値）と駆動電圧の測定値をNo.4-1～No.4-9の各紫外線発光素子１０の構成とともに、下記の表５に示す。
表５の結果から、ｎ型III族窒化物半導体層による格子緩和率を１５％以下とすることで、７．４Ｖ以下の駆動電圧で０．９７以上の高い光出力が得られることが分かる。
１ 基板
２ ｎ型III族窒化物半導体層（第一のIII族窒化物半導体層）
３ 窒化物半導体積層体
３１ ｎ型III族窒化物半導体層（第一のIII族窒化物半導体層）
３２ III族窒化物半導体活性層
３３ キャリア防壁層
３４ 組成傾斜層
３５ ｐ型III族窒化物半導体層（第二のIII族窒化物半導体層）
４ 第一電極層
４ａ 第一電極層を構成する第一の層
４ｂ 第一電極層を構成する第二の層
４ｃ 第一電極層を構成する第三の層
４１ 第一電極層のｎ型窒化物半導体層に対する接触面
４１１ 接触面の第一の領域
４１２ 接触面の第二の領域
４１３ 接触面の第三の領域
５ 第二電極層
６ 第一パッド電極
７ 第二パッド電極
８ 絶縁層
１０ 紫外線発光素子（窒化物半導体発光素子）
２ ｎ型III族窒化物半導体層（第一のIII族窒化物半導体層）
３ 窒化物半導体積層体
３１ ｎ型III族窒化物半導体層（第一のIII族窒化物半導体層）
３２ III族窒化物半導体活性層
３３ キャリア防壁層
３４ 組成傾斜層
３５ ｐ型III族窒化物半導体層（第二のIII族窒化物半導体層）
４ 第一電極層
４ａ 第一電極層を構成する第一の層
４ｂ 第一電極層を構成する第二の層
４ｃ 第一電極層を構成する第三の層
４１ 第一電極層のｎ型窒化物半導体層に対する接触面
４１１ 接触面の第一の領域
４１２ 接触面の第二の領域
４１３ 接触面の第三の領域
５ 第二電極層
６ 第一パッド電極
７ 第二パッド電極
８ 絶縁層
１０ 紫外線発光素子（窒化物半導体発光素子）
Claims (11)
- 基板と、
前記基板上に形成され、アルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）を少なくとも含む第一のIII族窒化物半導体層と、
前記第一のIII族窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体積層体であって、アルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）を少なくとも含むIII族窒化物半導体活性層と、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．９０≦ｘ≦１．００）層であるキャリア防壁層と、第二のIII族窒化物半導体層とを、前記基板側からこの順に含む窒化物半導体積層体と、
前記第一のIII族窒化物半導体層上に形成された第一電極層と、
前記第二のIII族窒化物半導体層上に形成された第二電極層と、
を有し、
前記第一電極層はアルミニウム単体とアルミニウムを含む合金とを含み、
前記第一電極層の前記第一のIII族窒化物半導体層に対する接触面に、アルミニウム単体およびアルミニウムを含む合金の両方が存在し、前記接触面におけるアルミニウム単体とアルミニウムを含む合金との合計存在率が７０面積％以上である窒化物半導体発光素子。 - 前記キャリア防壁層の膜厚が５ｎｍ以上１８ｎｍ以下である請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記キャリア防壁層と前記第二のIII族窒化物半導体層との間に配置されたＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙが、前記キャリア防壁層に接する面から前記第二のIII族窒化物半導体層に接する面に向けて減少する組成傾斜層を、
さらに有する請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記組成傾斜層の膜厚が５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である請求項３記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第二のIII族窒化物半導体層は、不純物としてＭｇを1×１０20ｃｍ-3以上８×１０20ｃｍ-3未満の範囲で含むＧａＮ層である請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第二のIII族窒化物半導体層の膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１～５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記接触面におけるアルミニウム単体とアルミニウムを含む合金との合計存在率が９０面積％以上である請求項１～６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第一電極層は、アルミニウムとともに、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｖ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔａ、ＺｒおよびＰｄのうちの少なくとも一つを含む請求項１～７のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第一電極層は、アルミニウム単体とともにアルミニウムとニッケルとを含む合金を含み、
前記接触面に、アルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の両方が存在し、前記接触面におけるアルミニウム単体およびアルミニウムとニッケルとを含む合金の合計存在率が７０面積％以上である請求項１～８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第一のIII族窒化物半導体層の格子緩和率が０％以上１５％以下である請求項１～９のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記基板がＡｌＮ基板である請求項１～１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
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