JP7221593B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子、特に、深紫外領域の光を放出する半導体発光素子に関する。

近年、空気や水の殺菌作用を有する新しい光源として、深紫外領域（例えばピーク波長が２００ｎｍ～３００ｎｍ）に発光波長帯域を有する半導体発光素子が注目されている。例えば、特許文献１には、ｎ型層とｐ型層との間に活性層を有し、ピーク波長が２００ｎｍ～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物系半導体からなる発光素子が開示されている。

特開2014-154597号公報

深紫外領域に発光波長を有する半導体発光素子は、長寿命化及び高出力化の点で課題を有している。特に、高い光出力を得るために比較的大きな電流（例えば１００ｍＡ以上の電流）を印加すると、早期に素子が劣化し、急激に出力が低下することが多い。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、特に高い注入電流量が要求される半導体発光素子における早期の出力低下が抑制され、高い発光効率を有する深紫外領域の半導体発光素子を提供することを目的としている。

本発明による半導体発光素子は、ＡｌＧａＮの組成を有するｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成され、ＡｌＧａＮの組成を有する活性層領域と、活性層領域上に形成され、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮの組成を有し、ｎ型半導体層及び活性層領域よりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成され、電子ブロック層以下のバンドギャップを有するｐ型半導体層と、を有し、ｐ型半導体層は、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ≦１）の組成を有しかつ電子ブロック層との界面から電子ブロック層に垂直な方向に沿って徐々にＡｌ組成ｚが減少する組成傾斜層を有することを特徴としている。

実施例１に係る半導体発光素子の上面図である。 実施例１に係る半導体発光素子の断面図である。 実施例１に係る半導体発光素子のバンド図である。 実施例１に係る半導体発光素子内の電流経路を示す図である。 比較例に係る半導体発光素子内の電流経路を示す図である。 実施例１に係る半導体発光素子における組成傾斜層の組成変化率と光出力との間の関係を示す図である。 実施例１に係る半導体発光素子における組成傾斜層の層厚と劣化率との間の関係を示す図である。 実施例１の変形例１に係る半導体発光素子のバンド図である。 実施例１の変形例２に係る半導体発光素子のバンド図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る半導体発光素子（以下、単に発光素子と称する）１０の上面図である。また、図２は、発光素子１０の断面図であり、図１のＷ－Ｗ線に沿った断面図である。また、図３は、発光素子１０のバンド図である。図１乃至図３を用いて、発光素子１０の構成について説明する。

まず、発光素子１０の構造について説明する。本実施例においては、発光素子１０は、深紫外領域（例えば２００～３００ｎｍの範囲内）に発光波長帯域を有する窒化物系半導体からなる。

発光素子１０は、基板１１上に形成されたｎ型半導体層１２、活性層領域１３、電子ブロック層１４及びｐ型半導体層１５を有する。ｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５は、発光素子１０における発光構造層として機能する。また、発光素子１０は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５にそれぞれ接続されたｎ電極１６及びｐ電極１７を有する。

まず、本実施例においては、基板１１はｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５を結晶成長させる成長用基板である。基板１１は、例えば、ＡｌＮ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板からなる。本実施例においては、基板１１はＡｌＮ基板である。

なお、高い結晶品質のｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５を成長させることを考慮すると、基板１１、比較的低い転位密度を有することが好ましい。例えば、基板１１の転位密度は、１０⁸ｃｍ^-2以下であることが好ましく、１０⁷ｃｍ^-2以下であることがさらに好ましい。なお、転位密度は、透過型電子顕微鏡像より転位数を測定すること、及び加熱酸混合溶液に浸漬した後に測定したエッチピット数を測定することなど、公知の方法を用いて測定することができる。

また、本実施例においては、基板１１は、＋Ｃ面を結晶成長面として有するＡｌＮからなる。従って、基板１１上に成長させるｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５は、Ｃ面を結晶成長面として有する。しかし、基板１１の結晶成長面はＣ面である場合に限定されず、例えばＣ面から傾斜（オフ）した面を結晶成長面として用いてもよい。Ｃ面から傾斜した面を結晶成長面として用いる場合、その傾斜角（オフ角）は、０．１～０．５°の範囲内であることが好ましく、０．３～０．４°の範囲内であることがさらに好ましい。また、基板１１の結晶成長面は、Ｍ面又はＡ面であってもよい。

また、基板１１の厚みは、光の吸収係数を小さくすること、及び取り扱いの容易さ（歩留まり）などを考慮して定めることができる。基板１１の厚みは、例えば、５０～１０００μｍの範囲内であることが好ましい。

なお、基板１１とｎ型半導体層１２との間には、バッファ層（図示せず）が設けられていてもよい。バッファ層を設ける場合、バッファ層は、例えば、単層のＡｌＮ層からなること、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層からなる超格子構造を有すること、又は互いに異なる組成のＡｌＧａＮ層からなる超格子構造を有することが好ましい。また、バッファ層は、例えば、ｎ型半導体層１２よりも高いＡｌ組成のＡｌＧａＮ層からなることが好ましい。しかし、バッファ層は、ｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５の結晶成長プロセスの歩留まり向上に寄与するような組成を有していればよい。

また、バッファ層を設ける場合、バッファ層は、例えば生産性を考慮すると、１～１０００ｎｍの範囲内の層厚を有することが好ましく、１０～１００ｎｍの範囲内の層厚を有することがさらに好ましい。

図２及び図３を参照すると、ｎ型半導体層１２は、基板１１上に形成されている。ｎ型半導体層１２は、活性層領域１３に電子を注入する役割を担う。また、ｎ型半導体層１２は、クラッド層として機能する。

本実施例においては、ｎ型半導体層１２は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１、好ましくは０．５≦ｘ≦０．９）の組成を有する。本実施例においては、ｎ型半導体層１２は、Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎの組成を有する。ｎ型半導体層１２は、例えば、１００ｎｍ以上の層厚を有することが好ましい。また、ｎ型半導体層１２は、低い転位密度を有することが好ましい。

ｎ型半導体層１２は、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを含み、ｎ型の導電型を有する。ｎ型半導体層１２のドーパント濃度は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜決定すればよい。例えば、高い導電性を得ることを考慮すると、ｎ型半導体層１２のドーパント濃度は、１×１０¹⁵～５×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲内であることが好ましい。

なお、ｎ型半導体層１２は、複数のｎ型の導電型を示す半導体層から構成されていてもよい。この場合、そのそれぞれの半導体層は、１×１０¹⁵～５×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲内のドーパント濃度を有することが好ましい。

活性層領域１３は、ｎ型半導体層１２上に形成され、ｎ型半導体層１２以下のバンドギャップを有する。活性層領域１３は、発光層として機能する。本実施例においては、活性層領域１３は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）の組成を有する。活性層領域１３は、深紫外領域の光を放出する。なお、活性層領域１３は、ｎ型半導体層１２上に直接形成されていること、すなわちｎ型半導体層１２に接していることが好ましい。

また、本実施例においては、図３に示すように、活性層領域１３は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。本実施例においては、活性層領域１３は、各々がＡｌ_y1Ｇａ_1-y1Ｎの組成を有する複数の井戸層１３Ａと、各々がＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎの組成を有しかつ当該井戸層よりも大きなバンドギャップを有する複数の障壁層１３Ｂと、を含む。

本実施例においては、井戸層１３Ａの各々はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎの組成を有し、障壁層１３Ｂの各々はＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎの組成を有する。また、本実施例においては、障壁層１３ＢのＡｌ組成ｙ２は、ｎ型半導体層１２のＡｌ組成ｘよりも小さい。従って、障壁層１３Ｂは、ｎ型半導体層１２よりも小さなバンドギャップを有する。従って、本実施例においては、ｎ型半導体層１２と障壁層１３Ｂとの間にバンドギャップの段差が設けられている。

なお、活性層領域１３の構成はこれに限定されない。例えば、活性層領域１３は、多重量子井戸構造を有する場合に限定されない。例えば、活性層領域１３は、単一量子井戸構造を有していてもよく、また、単層からなっていてもよい。

電子ブロック層１４は、活性層領域１３上に形成され、活性層領域１３よりも大きなバンドギャップを有する。電子ブロック層１４は、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ（０．８＜ｓ≦１）の組成を有する。電子ブロック層１４は、活性層領域１３内に注入された電子のｐ型半導体層１５へのオーバーフローを抑制する層として機能する。本実施例においては、電子ブロック層１４は、ｎ型半導体層１２よりも大きなバンドギャップを有する。また、本実施例においては、電子ブロック層１４は、基板１１と同一の組成、すなわちＡｌＮの組成を有する（ｓ＝１の場合に対応する）。

なお、本実施例においては、電子ブロック層１４は、ｐ型ドーパントとしてＭｇを含み、ｐ型の導電型を有する。しかし、電子ブロック層１４は、ｐ型ドーパントを含んでいなくてもよく、また、その一部にｐ型ドーパントを含んでいてもよい。また、電子ブロック層１４は、設けられていなくてもよい。すなわち、活性層領域１３上にｐ型半導体層１５が形成されていてもよい。

ｐ型半導体層１５は、電子ブロック層１４以下のバンドギャップを有する。ｐ型半導体層１５は、ｐ型ドーパントとして例えばＭｇを含み、ｐ型の導電型を有する。ｐ型半導体層１５は、ｎ型半導体層１２と共に、クラッド層として機能する。

また、ｐ型半導体層１５は、電子ブロック層１４との界面から電子ブロック層１４に垂直な方向（各層の層厚方向）に沿って組成が変化する組成傾斜層１５Ａと、組成傾斜層１５Ａ上に形成されかつｐ電極１７とのオーミックコンタクトを形成するコンタクト層１５Ｂと、を有する。本実施例においては、組成傾斜層１５Ａがクラッド層として機能する。

組成傾斜層１５Ａは、活性層領域１３よりも大きなバンドギャップを有する。本実施例においては、組成傾斜層１５Ａは、ｎ型半導体層１２よりも大きくかつ電子ブロック層１４以下のバンドギャップを有する。本実施例においては、組成傾斜層１５Ａは、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０．５＜ｚ≦１）の組成を有する。

本実施例においては、組成傾斜層１５Ａは、電子ブロック層１４との界面からコンタクト層１５Ｂとの界面まで、単調にかつ線形的にＡｌ組成ｚが減少するように構成されている。本実施例においては、組成傾斜層１５Ａは、電子ブロック層１４との界面ではＡｌＮの組成（ｚ＝１の場合に対応し、電子ブロック層１４と同一の組成）を有し、コンタクト層１５Ｂとの界面ではＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎの組成（ｚ＝０．８の場合に対応する）を有する。すなわち、組成傾斜層１５Ａ内においては、電子ブロック層１４から離れるに従って、そのＡｌ組成ｚが１．０から０．８まで減少している。

コンタクト層１５Ｂは、組成傾斜層１５Ａにおけるコンタクト層１５Ｂとの界面部分以下のバンドギャップを有する。コンタクト層１５Ｂは、Ａｌ_tＧａ_1-tＮ（０≦ｔ＜０．８、好ましくは０≦ｔ＜０．１）の組成を有する。本実施例においては、コンタクト層１５Ｂは、ｎ型半導体層１２及び活性層領域１３（井戸層１３Ａ及び障壁層１４Ｂの各々）よりも小さなバンドギャップを有する。本実施例においては、コンタクト層１５Ｂは、ＧａＮの組成を有する（ｔ＝０の場合に対応する）。

本実施例においては、ｎ型半導体層１２、活性層領域１３、電子ブロック層１４、及びｐ型半導体層１５（組成傾斜層１５Ａ及びコンタクト層１５Ｂ）の各々のバンドギャップは、図３に示すような関係を有する。

図１及び図２を参照すると、ｎ電極１６は、ｎ型半導体層１２上に形成され、ｐ電極１７はｐ型半導体層１５（コンタクト層１５Ｂ）上に形成されている。例えば、ｎ電極１６は、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＡｕ層の積層体からなる。また、ｐ電極１７は、例えば、Ｎｉ層及びＡｕ層の積層体からなる。

本実施例においては、ｐ型半導体層１５の表面には、ｐ型半導体層１５、電子ブロック層１４、活性層領域１３を貫通してｎ型半導体層１２に至り、上面視において櫛歯形状を有する凹部（メサ構造部）が形成されている。ｎ電極１６は、当該凹部の底部において露出したｎ型半導体層１２の表面上に櫛歯状に形成されている。

また、ｐ電極１７は、当該凹部が形成されていないｐ型半導体層１５の表面上に櫛歯状に形成され、上面視においてその櫛歯部分がｎ電極１６の櫛歯部分に噛み合うように配置されている。

なお、図示していないが、本実施例においては、発光素子１０は、ｎ電極１６及びｐ電極１７側の上面にパッド電極を有し、当該パッド電極を介して実装用基板にはんだ接合されたフリップチップ型の実装構造を有する。また、活性層領域１３から放出された光は、ｎ型半導体層１２を透過し、基板１１を介して外部に取り出される。すなわち、基板１１のｎ型半導体層１２とは反対側の表面は、発光素子１０における光取り出し面として機能する。

なお、上記したｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５の構成、並びにｎ電極１６及びｐ電極１７の構成は、一例に過ぎない。例えば、ｎ電極１６は、ｎ型半導体層１２に接していればよい。また、例えば、ｐ電極１７は、ｐ型半導体層１５に接していればよい。すなわち、例えば図１及び図２に示す発光素子１０の構成（例えば電極形状など）は一例に過ぎない。

図４は、発光素子１０におけるｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５間の電流経路を示す図である。なお、図４は、図１のＷ－Ｗ線に沿った断面図であるが、その一部のみを示している。また、図の明確さのため、図４においては、ハッチングを省略し、コンタクト層１５Ｂ及びｐ電極１７を省略している。図４を用いて、発光素子１０の発光動作及び組成傾斜層１５Ａの機能について説明する。

図４に示すように、ｐ電極１７から印加された電流Ｃ１は、コンタクト層１５Ｂ、組成傾斜層１５Ａ、電子ブロック層１４、活性層領域１３及びｎ型半導体層１２を通って、ｎ電極１６に向かって流れる。

ここで、本願の発明者らは、ｐ型半導体層１５内に組成傾斜層１５Ａを設けることによって、発光素子１０の早期劣化につながる１つのモードを抑制しつつ、かつ発光効率を向上させることができることを見出した。

具体的には、本願の発明者らは、素子内に大きな順方向電流（例えば４００ｍＡ程度）が生じる程度の電圧を印加すると、素子の一部に電流が顕著に集中して流れる現象（カレントクラウディング（current crowding））が生じていることを見出した。そして、本願の発明者らは、このカレントクラウディングが早期の劣化に大きな影響を及ぼしていること、及び組成傾斜層１５Ａを設けることでカレントクラウンディングを抑制できることを見出した。

図５を用いて、カレントクラウディングについて説明する。図５は、比較例の発光素子１００における図４と同様の断面図である。発光素子１００は、組成傾斜層１５Ａに代えて、組成が変化しないＡｌＧａＮ層をクラッド層１０１として有する点を除いては、発光素子１０と同様の構成を有する。

発光素子１００を駆動すると、クラッド層１０１と電子ブロック層１４との界面に三角形状のポテンシャル井戸が形成され、この界面に正孔が蓄積される（２次元ホールガスの発生ともいう）。２次元ホールガスが発生すると、電流Ｃ２は、クラッド層１０１と電子ブロック層１４との界面において、クラッド層１０１に平行な方向（以下、横方向と称する）に流れやすくなり、電子ブロック層１４に向かう方向（以下、縦方向と称する）に流れにくくなる。

これによって、図５に示すように、電流Ｃ２は、その大部分がクラッド層１０１と電子ブロック層１４との界面においてｎ電極１６に向かって横方向に流れた後、電子ブロック層１４及び活性層領域１３を介してｎ型半導体層１２に向かって流れる。すなわち、発光素子１００においては、電流Ｃ２は、ｎ電極１６の近傍のｎ型半導体層１２の部分（メサ構造部）に集中して流れることとなる。このようにして、発光素子１００においては、カレントクラウディングが発生する。

カレントクラウディングが発生すると、その発生部分である電流の集中部分が急速に劣化する。従って、発光素子１００においては、早期の急激な出力の低下及び不安定化、すなわち寿命が短いことが予想される。また、カレントクラウディングが発生すると、発光領域、すなわち活性層領域１３の全体に電流が流れにくくなる。従って、発光効率が低下することが予想される。

これに対し、発光素子１０においては、ｐ型半導体層１５が、電子ブロック層１４に向かって徐々にＡｌ組成ｚが高くなる（すなわちバンドギャップが徐々に電子ブロック層１４に近づく）組成傾斜層１５Ａを有する。これによって、組成傾斜層１５Ａと電子ブロック層１４との間にポテンシャルが形成されることが抑制される。従って、２次元ホールガスの発生及びカレントクラウディングの発生が抑制される。

従って、図４に示すように、発光素子１０においては、電流Ｃ１は、組成傾斜層１５Ａの大部分の領域から縦方向に流れやすくなり、そして、ｎ型半導体層１２内において広く流れることとなる。従って、素子の早期劣化を抑制でき、また高い発光効率を得ることができる。

特に、発光素子１０のように深紫外領域の発光帯域を有する発光素子においては、大電流駆動時における短時間での素子劣化が大きな課題の１つとなっている。本願の発明者らは、所定数の発光素子１００を４００ｍＡで駆動させた場合、劣化率が約２３％であったことを確認した。一方、本願の発明者らは、発光素子１０においては、組成傾斜層１５Ａを設けることで、同条件での劣化率が少なくとも１０％程度に改善したことを確認した。なお、ここでは、劣化率とは、駆動直後の光出力を基準（１００％）とし、駆動時間が１００時間を経過した後に低下した光出力の割合を示すものとして定義する。

また、本実施例においては、組成傾斜層１５Ａは、その全体でｎ型半導体層１２よりも大きなバンドギャップを有する。本実施例においては、組成傾斜層１５Ａは、最も小さなバンドギャップを有する部分であるコンタクト層１５Ｂ側の部分においても、ｎ型半導体層１２のＡｌ組成ｘよりも大きなＡｌ組成ｚを有する。これによって、組成傾斜層１５Ａは、高抵抗化される。この組成傾斜層１５Ａの高抵抗化は、効果的なカレントクラウディングの抑制、及びこれによる劣化率の改善に寄与するものと考えられる。

図６は、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄ（層厚Ｄについては図２参照）と劣化率との間の関係を示す図である。また、図７は、組成傾斜層１５ＡにおけるＡｌ組成ｚの変化率（層厚方向における１ｎｍ当たりのＡｌ組成ｚの変化率）と光出力との間の関係を示す図である。図６及び図７を用いて、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄ及びＡｌ組成ｚの好ましい範囲について説明する。

まず、図６は、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄが４０ｎｍから６０ｎｍまで５ｎｍ単位で異なる発光素子における劣化率の実験結果を示す図である。なお、図６のデータ点の各々は、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚを１．０から０．８まで変化させた場合の、層厚Ｄ毎の劣化率に対応する。組成傾斜層１５Ａを有しない発光素子１００の劣化率が２０％以上であったことを考慮すると、組成傾斜層１５Ａが５０ｎｍ以上の層厚Ｄを有する場合、劣化率の明確な改善を確認することができる。

また、この劣化率の抑制効果は、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄを好ましい範囲内に設定することでカレントクラウディングが抑制されていることに起因すると考えられる。本願の発明者らは、種々の層厚Ｄの組成傾斜層１５Ａを有する発光素子１０からの発光パターン（正確には活性層領域１３からの放出光によってコンタクト層１５Ｂが励起されてコンタクト層１５Ｂから放出されたＰＬ光）を観測した。その結果、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄは、４０ｎｍ以上であれば好ましい結果を得ることができた。

より具体的には、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄが４０ｎｍの場合、発光素子１０からの発光パターンが上面視におけるｐ電極１７の外周部の領域にやや偏るものの、層厚Ｄを大きくすることで発光パターンがその内側の領域にまで広がっており、当該上面視におけるｐ電極１７の領域全体で安定した強度の光を観測することができた。これらを考慮すると、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄは、４０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがさらに好ましく、また６０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。

なお、図６に示す結果からは、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄは、６０ｎｍ以上、さらに８０ｎｍ以上であれば、ほぼ劣化率が０％となることが推測される。従って、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄは、例えば、８０ｎｍ以下であれば十分な劣化率の抑制効果を得ることができると考えられる。

次に、図７は、組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄを６０ｎｍに固定し、組成傾斜層１５Ａ内においてＡｌ組成ｚが互いに異なる傾斜率で変化させた発光素子の各々の光出力をシミュレーションした結果を示す。図７のデータ点は、それぞれ、電子ブロック層１４との界面から、Ａｌ組成ｚを、１．０から０．８まで減少させた場合、１．０から０．７まで減少させた場合、及び１．０から０．６まで減少させた場合の組成傾斜層１５Ａに対応する出力値に対応する。

図７に示すように、Ａｌ組成ｚの傾斜率、すなわち組成傾斜層１５Ａの電子ブロック層１４に垂直な方向における１ｎｍ当たりのＡｌ組成ｚの減少率は、高くなるほど光出力向上に寄与することがわかる。すなわち、組成傾斜層１５Ａ内において、Ａｌ組成ｚが大きく変化することが好ましいことがわかる。例えば、Ａｌ組成ｚの傾斜率（変化率）は、０．００３ｎｍ^-1以上であることが光出力向上の点で好ましい。

図６の実験結果、図７のシミュレーション結果、及び上記した組成範囲を考慮すると、組成傾斜層１５Ａは、少なくとも０．００２５～０．００７ｎｍ^-1の範囲内の減少率で、電子ブロック層１４との界面から電子ブロック層１４に垂直な方向に沿って徐々に減少するＡｌ組成ｚを有すること、又は、４０ｎｍ以上の層厚Ｄを有することが好ましい。

また、図６の実験結果によって、層厚Ｄは４０ｎｍ以上で劣化率の改善効果が期待できる。これを図７のシミュレーション結果にあてはめると、層厚Ｄが４０ｎｍの組成傾斜層１５ＡにおいてＡｌ組成ｚを１．０から０．６まで変化させた場合、そのＡｌ組成ｚの傾斜率は０．０１ｎｍ^-1となる。従って、組成傾斜層１５ＡにおけるＡｌ組成ｚの変化率（減少率）は、０．００２５～０．０１ｎｍ^-1の範囲内であることが好ましい。

また、図６の結果は、Ａｌ組成ｚを１．０から０．８まで傾斜させた場合の組成傾斜層１５Ａに対して行われた実験によるものである。この図６の結果をＡｌ組成ｚの傾斜率に換算すると、例えば、層厚Ｄが４０ｎｍの場合はその傾斜率は０．００５ｎｍ^-1であり、同様に層厚Ｄが５０ｎｍ及び６０ｎｍではその傾斜率はそれぞれ０．００４ｎｍ^-1及び０．００３ｎｍ^-1である。また、図７の結果からは、０．００３３～０．００６７ｎｍ^-1の範囲内で光出力の改善効果が確認できた。

従って、組成傾斜層１５ＡにおけるＡｌ組成ｚの傾斜率は、例えば、０．００３～０．００６６ｎｍ^-1の範囲内あることが好ましい。また、図６及び図７の結果を考慮した最も高い効果を得ることが期待される傾斜率としては、例えば、０．００３３～０．００５ｎｍ^-1の範囲であることが挙げられる。

また、この劣化率の抑制及び光出力の増加を両立させることを考慮した組成傾斜層１５Ａの好ましい層厚Ｄは、例えば、４０～１６０ｎｍの範囲内である。また、層厚Ｄは４０～１３５ｎｍの範囲内であることがより好ましく、さらには４０～１２０ｎｍの範囲内であることが好ましい。

例えば、本実施例においては、活性層領域１３の井戸層１４ＡのＡｌ組成ｙ１は０．５である。この場合、例えば、組成傾斜層１５Ａにおけるコンタクト層１５Ｂ側のＡｌ組成ｚ（組成傾斜層１５ＡにおけるＡｌ組成ｚの下限値）は、０．５以上であることが好ましい。

また、本実施例においては、電子ブロック層１４がＡｌＮの組成を有し（ｓ＝１の場合に対応する）、コンタクト層１５ＢがＧａＮの組成を有する（ｔ＝０の場合に対応する）。従って、この場合、例えば、組成傾斜層１５Ａは、その全体が電子ブロック層１４とコンタクト層１５Ｂと間のＡｌ組成ｚであること、すなわちＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０≦ｚ≦１）の組成を有していてもよい。すなわち、組成傾斜層１５Ａ内においてＡｌ組成ｚが１．０から０まで（すなわち最大の変化量で）傾斜していてもよい。

なお、組成傾斜層１５Ａ内においてＡｌ組成ｚが１．０から０まで傾斜するように構成されている場合、組成傾斜層１５Ａとコンタクト層１５Ｂとの界面においてもポテンシャルの形成が抑制される。従って、劣化率の改善効果が期待できる。また、本願の発明者らは、この構成についてもシミュレーションを行ったが、光出力が向上していることが確認できた。従って、組成傾斜層１５ＡにおけるＡｌ組成ｚの変化量を大きくすることでＡｌ組成ｚの変化率を高くすると、光出力が向上することが期待される。

一方、本実施例のようにＡｌＮからなる基板１１上に成長したｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５を用いて発光素子１０を作製する場合においては、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚをコンタクト層１５ＢのＡｌ組成ｓまで変化させる場合（０≦ｚ＜ｓの範囲で変化させる場合）、組成傾斜層１５Ａに格子緩和が生じるなど、結晶性の悪化を招く可能性がある。本願の発明者らは、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚを１．０から０まで傾斜させた場合の発光素子１０の光出力を確認したところ、図３に示したバンド構成の発光素子１０の半分程度の光出力を示した。

従って、結晶性を考慮すると、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚは、例えば、電子ブロック層１４とコンタクト層１５Ｂとの中間より大きい範囲内、すなわち（（ｔ＋ｓ）／２＜ｚ＜ｓ）の範囲内であることが好ましい。

また、劣化率の改善と光出力の向上の両立の観点からは、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚは、ｎ型半導体層１２のＡｌ組成ｘより大きいこと、すなわち（ｘ＜ｚ＜ｓ）であることが好ましい。また、電子ブロック層１４との間で明確なバンドギャップの差を形成することを考慮すると、Ａｌ組成ｚは０．０５以上、さらには０．１以上であることが好ましい。

なお、これら好適なＡｌ組成ｚの範囲、例えば（（ｔ＋ｓ／２）＜ｚ＜ｓ）、（ｘ＜ｚ＜ｓ）は、ＡｌＮの単結晶基板を基板１１として用いる場合に限定されるものである。例えば、サファイア基板を基板１１とし、サファイア基板上に格子緩和しつつｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５が成長するように発光素子１０を作製する場合など、異種基板上に成長したｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５を有する発光素子１０においてはこの限りではない。

また、本実施例においては、コンタクト層１５Ｂは、２７０ｎｍの層厚を有する。本実施例においては、コンタクト層１５Ｂがｐ型のドーパントが添加された層の中で最も厚い層である。しかし、コンタクト層１５Ｂの層厚は、所望する駆動電圧や透明電極の形成などを考慮して任意に設計することが可能である。

また、本実施例においては、電子ブロック層１４がＡｌＮの組成を有し、組成傾斜層１５ＡがＡｌＮと同一の組成に対応する１．０から徐々に減少するＡｌ組成ｚを有する場合について説明した。しかし、電子ブロック層１４及び組成傾斜層１５Ａの構成はこれに限定されない。

まず、電子ブロック層１４は、ＡｌＮの組成を有する場合に限定されず、ＡｌＧａＮの組成を有していてもよい。また、組成傾斜層１５Ａにおける電子ブロック層１４側のＡｌ組成ｚは上記に限定されない。組成傾斜層１５Ａは、電子ブロック層１４との界面において電子ブロック層１４とは異なる組成、すなわち電子ブロック層１４のＡｌ組成ｓとは異なるＡｌ組成ｚを有していてもよい。なお、２次元ホールガスの発生を抑制することを考慮すると、Ａｌ組成ｚ及びＡｌ組成ｓは、（ｓ－ｚ）＜０．０５の関係を満たすことが好ましく、（ｓ－ｚ）＜０．０５の関係を満たすことがさらに好ましい。

また、上記した組成傾斜層１５Ａの層厚Ｄの好ましい範囲、及びＡｌ組成ｚの減少率の好ましい範囲は、一例に過ぎない。組成傾斜層１５Ａは、電子ブロック層１４との界面から電子ブロック層１４に垂直な方向に沿って徐々にＡｌ組成ｚが減少するＡｌＧａＮ層から構成されていればよい。

また、本実施例においては、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚが線形的に変化し、図３に示すバンドギャップを示す場合について説明した。しかし、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚが変化する態様は、これに限定されない。組成傾斜層１５Ａは、電子ブロック層１４との界面から単調にＡｌ組成ｚが減少するＡｌＧａＮ層から構成されていればよい。

図８は、実施例１の変形例１に係る発光素子２０のバンド図である。発光素子２０は、ｐ型半導体層２１の構成を除いては、発光素子１０と同様の構成を有する。また、ｐ型半導体層２１は、組成傾斜層２１Ａの構成を除いては、ｐ型半導体層１５と同様の構成を有する。

本変形例においては、組成傾斜層２１ＡにおけるＡｌ組成ｚの減少率は、電子ブロック層１４との界面から、徐々に減少している。なお、組成傾斜層２１Ａにおける電子ブロック層１４側の組成及びコンタクト層１５Ｂ側の組成は、組成傾斜層１５Ａと同様である。従って、組成傾斜層２１Ａは、図８に示すようなバンドギャップを示す。

本変形例のように、コンタクト層１５Ｂに向かって、減少率を徐々に下げながらＡｌ組成ｚを減少させることによっても、電子ブロック層１４と組成傾斜層２１Ａとの界面における２次元ホールガス及びカレントクラウディングの発生を抑制することができる。

図９は、実施例１の変形例２に係る発光素子３０のバンド図である。発光素子３０は、ｐ型半導体層３１の構成を除いては、発光素子１０と同様の構成を有する。また、ｐ型半導体層３１は、組成傾斜層３１Ａの構成を除いては、ｐ型半導体層１５と同様の構成を有する。

本変形例においては、組成傾斜層３１ＡにおけるＡｌ組成ｚの減少率は、電子ブロック層１４との界面から、徐々に増加している。なお、組成傾斜層３１Ａにおける電子ブロック層１４側の組成及びコンタクト層１５Ｂ側の組成は、組成傾斜層１５Ａと同様である。従って、組成傾斜層３１Ａは、図９に示すようなバンドギャップを示す。

本変形例のように、コンタクト層１５Ｂに向かって、減少率を徐々に上げながらＡｌ組成ｚを減少させることによっても、電子ブロック層１４と組成傾斜層２１Ａとの界面における２次元ホールガス及びカレントクラウディングの発生を抑制することができる。

変形例１及び２の組成傾斜層２１Ａ及び３１Ａのように、組成傾斜層１５Ａは、減少率が変化しつつ、徐々にＡｌ組成ｚが減少するように構成されていてもよい。

また、組成傾斜層１５ＡのＡｌ組成ｚは、単調に減少していれば、連続的に変化していてもよいし、段階的に変化していてもよい。ただし、Ａｌ組成ｚを段階的に変化させる場合、組成傾斜層１５Ａ内に２次元ホールガスが発生することは抑制される必要がある。従って、その段差でのＡｌ組成ｚの変化量は、５％以内であることが好ましく、３％以内であることが好ましい。なお、Ａｌ組成ｚが段階的に変化する場合、Ａｌ組成ｚの減少率は、例えば、組成傾斜層１５Ａ内における平均的なＡｌ組成ｚの減少率であればよい。

このように、本実施例においては、発光素子１０は、基板１１（例えばＡｌＮ単結晶基板）と、ＡｌＧａＮの組成を有するｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に形成され、ＡｌＧａＮの組成を有する活性層領域１３と、活性層領域１３上に形成され、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮの組成を有し、ｎ型半導体層１２及び活性層領域１３よりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層１４と、電子ブロック層１４上に形成され、電子ブロック層１４以下のバンドギャップを有するｐ型半導体層１５と、を有する。

また、例えば、ｐ型半導体層１５は、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ≦１）の組成を有しかつ電子ブロック層１４との界面から電子ブロック層１４に垂直な方向に沿って徐々にＡｌ組成ｚが減少する組成傾斜層１５Ａを有する。従って、早期の出力低下が抑制され、高い発光効率を有する深紫外領域の発光素子１０を提供することができる。

１０、２０、３０ 半導体発光素子
１３ ｎ型半導体層
１４ 活性層領域
１５ 電子ブロック層
１６、２１、３１ ｐ型半導体層
１６Ａ、２１Ａ、３１Ａ 組成傾斜層

Claims (9)

1. ＡｌＧａＮの組成を有するｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層上に形成され、ＡｌＧａＮの組成を有し、２００～３００ｎｍの発光波長帯域を有する活性層領域と、
   前記活性層領域上に形成され、Ａｌ _ｓ Ｇａ _１－ｓ Ｎ（０．８＜ｓ≦１）の組成を有し、前記ｎ型半導体層及び前記活性層領域よりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層と、
   前記電子ブロック層上に形成され、前記電子ブロック層以下のバンドギャップを有するｐ型半導体層と、を有し、
   前記ｐ型半導体層は、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＮ（０＜ｚ≦１）の組成を有しかつ前記電子ブロック層との界面から前記電子ブロック層に垂直な方向に沿って連続的にＡｌ組成ｚが減少する組成傾斜層を有し、
   前記組成傾斜層は、４０ｎｍ以上の層厚を有し、
   前記組成傾斜層における前記Ａｌ組成ｚの減少率は、０．００２５～０．０１ｎｍ ^－１ の範囲内であり、
   前記電子ブロック層のＡｌ組成ｓと前記組成傾斜層の前記電子ブロック層側界面のＡｌ組成ｚとは（ｓ－ｚ）＜０．０５の関係を満たし、かつ、
   前記組成傾斜層のＡｌ組成ｚと前記電子ブロック層のＡｌ組成ｓはｚ≦ｓの関係を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ｎ型半導体層は、単結晶のＡｌＮ基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記組成傾斜層は、前記電子ブロック層とは反対側の面上において前記ｎ型半導体層よりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記電子ブロック層は、ＡｌＮの組成を有し、
   前記ｐ型半導体層は、前記組成傾斜層上に形成され、前記組成傾斜層よりも小さなＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ又はＧａＮの組成を有するコンタクト層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記組成傾斜層における前記Ａｌ組成ｚの前記減少率は、０．００３～０．００８ｎｍ^－１の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 前記組成傾斜層における前記Ａｌ組成ｚの前記減少率は、０．００３～０．００６ｎｍ^－１の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記組成傾斜層における前記Ａｌ組成ｚの減少率は、前記電子ブロック層との前記界面から徐々に減少することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記組成傾斜層における前記Ａｌ組成ｚの減少率は、前記電子ブロック層との前記界面から徐々に増加することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
9. 単結晶のＡｌＮ基板と、
   前記ＡｌＮ基板上に形成されたＡｌＧａＮの組成を有するｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層上に形成され、ＡｌＧａＮの組成を有し、２００～３００ｎｍの発光波長帯域を有する活性層領域と、
   前記活性層領域上に形成され、Ａｌ _ｓ Ｇａ _１－ｓ Ｎ（０．８＜ｓ≦１）の組成を有し、前記ｎ型半導体層及び前記活性層領域よりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層と、
   前記電子ブロック層上に形成され、前記電子ブロック層以下のバンドギャップを有するｐ型半導体層と、を有し、
   前記ｐ型半導体層は、Ａｌ _ｚ Ｇａ _１－ｚ Ｎ（０＜ｚ≦１）の組成を有しかつ前記電子ブロック層との界面から前記電子ブロック層に垂直な方向に沿って連続的にＡｌ組成ｚが減少する組成傾斜層と、前記組成傾斜層の上に形成されたＡｌ _ｔ Ｇａ _１－ｔ Ｎ（０≦ｔ＜０．８）の組成を有するコンタクト層を有し、
   前記組成傾斜層は、４０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の層厚を有し、
   前記組成傾斜層のＡｌ組成ｚの減少率は、０．００３３～０．００５ｎｍ ^－１ であり、
   前記組成傾斜層は、前記電子ブロック層とは反対側の面上において前記ｎ型半導体層よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、
   前記組成傾斜層のＡｌ組成ｚは、前記電子ブロック層のＡｌ組成ｓと前記コンタクト層のＡｌ組成ｔに対して（ｔ＋ｓ）／２＜ｚ＜ｓの関係を満たすことを特徴とする半導体発光素子。

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