JP7473333B2 - 窒化物半導体素子、窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体素子に関する。
窒化物半導体であるＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびそれらを含む混晶は、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、紫外発光素子の場合、発光層の材料としてバンドギャップエネルギーの大きい高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを用いるが、Ａｌ組成の増加に伴い、十分な正孔濃度を有したｐ型ＡｌＧａＮの実現が困難になり、正孔を効率良く発光層に注入することができなくなってしまう。加えて、電子に対しても十分なポテンシャル障壁を形成することが困難になり、発光層への電子の閉じ込めも低下してしまう。従って、十分な発光効率を備えた紫外発光素子を実現することは極めて難しい。
しかしながら、紫外発光素子の場合、発光層の材料としてバンドギャップエネルギーの大きい高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを用いるが、Ａｌ組成の増加に伴い、十分な正孔濃度を有したｐ型ＡｌＧａＮの実現が困難になり、正孔を効率良く発光層に注入することができなくなってしまう。加えて、電子に対しても十分なポテンシャル障壁を形成することが困難になり、発光層への電子の閉じ込めも低下してしまう。従って、十分な発光効率を備えた紫外発光素子を実現することは極めて難しい。
特許文献１には、p型ＡｌＧａＮ層を紫外線発光素子に適用する技術が開示されているが、得られる光出力は不足しており、改善が求められている。
本発明の課題は、光出力の高い深紫外発光素子を提供することである。
上記課題を解決するために、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素子を提供する。
(1)基板と、基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第一伝導型の窒化物半導体層と、第一伝導型の窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成された第二伝導型の窒化物半導体層と、
を有する。
(2)多重量子井戸構造は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体で形成された井戸層と、少なくともＡｌを含む窒化物半導体で形成されたバリア層と、が周期的に多層化されたものである。
(3)井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係は、Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、下記の式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点またはこの領域を形成する直線上の点として表される。Ｔw＝２．０…(a)、Ｔw＝４．０…(b)、Ｔb＝７．５…(c)、Ｔb＝１４．０…(d)、Ｔw＝（１／３）Ｔb＋１…(e)、Ｔw＝－（１／３）Ｔb＋５…(f)、Ｔw＝Ｔｂ－１２…(g)。
(4)多重量子井戸構造と電子ブロック層との間に、電子ブロック層と接するファイナル井戸層を有する。
(1)基板と、基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第一伝導型の窒化物半導体層と、第一伝導型の窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成された第二伝導型の窒化物半導体層と、
を有する。
(2)多重量子井戸構造は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体で形成された井戸層と、少なくともＡｌを含む窒化物半導体で形成されたバリア層と、が周期的に多層化されたものである。
(3)井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係は、Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、下記の式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点またはこの領域を形成する直線上の点として表される。Ｔw＝２．０…(a)、Ｔw＝４．０…(b)、Ｔb＝７．５…(c)、Ｔb＝１４．０…(d)、Ｔw＝（１／３）Ｔb＋１…(e)、Ｔw＝－（１／３）Ｔb＋５…(f)、Ｔw＝Ｔｂ－１２…(g)。
(4)多重量子井戸構造と電子ブロック層との間に、電子ブロック層と接するファイナル井戸層を有する。
本発明によれば、光出力の高い深紫外発光素子を提供することが期待できる。
〔一態様の窒化物半導体素子〕
上述のように、本発明の一態様の窒化物半導体素子は、基板と、基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第一伝導型の窒化物半導体層と、第一伝導型の窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成された第二伝導型の窒化物半導体層と、を有する。多重量子井戸構造は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体で形成された井戸層と、少なくともＡｌを含む窒化物半導体で形成されたバリア層と、が周期的に多層化されたものである。
上述のように、本発明の一態様の窒化物半導体素子は、基板と、基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第一伝導型の窒化物半導体層と、第一伝導型の窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成された第二伝導型の窒化物半導体層と、を有する。多重量子井戸構造は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体で形成された井戸層と、少なくともＡｌを含む窒化物半導体で形成されたバリア層と、が周期的に多層化されたものである。
また、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が、Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、上記式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点またはこの領域を形成する直線上の点として表される。つまり、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が、「Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、上記式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点またはこの領域を形成する直線上の点として表される。」という条件（以下、これを「条件Ａ」とする。）を満たす。
さらに、多重量子井戸構造と電子ブロック層との間に、電子ブロック層と接するファイナル井戸層を有する。つまり、電子ブロック層に最も近い層がバリア層となっている多重量子井戸構造を有し、このバリア層と電子ブロック層との間にファイナル井戸層が存在し、このファイナル井戸層と電子ブロック層とが接触している。
一態様の窒化物半導体素子において、ファイナル井戸層と電子ブロック層とは接触しているが、それ以外の各層の間には他の層が存在していてもよい。
一態様の窒化物半導体素子は、第一伝導型の窒化物半導体層と多重量子井戸構造との間に、第一の組成傾斜層を有することが好ましい。第一の組成傾斜層は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．００≦ｘ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｘが第一伝導型の窒化物半導体層側の面から多重量子井戸構造側の面に向けて増加する層である。
一態様の窒化物半導体素子は、電子ブロック層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に、第二の組成傾斜層を有することが好ましい。第二の組成傾斜層は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙが電子ブロック層側の面から第二伝導型の窒化物半導体層側の面に向けて減少する層である。
一態様の窒化物半導体素子は、第一伝導型の窒化物半導体層と多重量子井戸構造との間に、第一の組成傾斜層を有することが好ましい。第一の組成傾斜層は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．００≦ｘ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｘが第一伝導型の窒化物半導体層側の面から多重量子井戸構造側の面に向けて増加する層である。
一態様の窒化物半導体素子は、電子ブロック層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に、第二の組成傾斜層を有することが好ましい。第二の組成傾斜層は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙが電子ブロック層側の面から第二伝導型の窒化物半導体層側の面に向けて減少する層である。
一態様の窒化物半導体素子としては、窒化物半導体発光素子（窒化物半導体発光ダイオード）、窒化物半導体レーザダイオード、窒化物半導体トランジスタ、窒化物半導体光電変換素子などが例示できる。
一態様の窒化物半導体素子が窒化物半導体発光素子の場合は、多重量子井戸構造とファイナル井戸層が発光層となる。
一態様の窒化物半導体素子および窒化物半導体発光素子について以下に説明する。
一態様の窒化物半導体素子が窒化物半導体発光素子の場合は、多重量子井戸構造とファイナル井戸層が発光層となる。
一態様の窒化物半導体素子および窒化物半導体発光素子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。サファイア基板を用いる場合、そ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）が一般的に使用される。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面サファイア基板が一般的によく用いられている。
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。サファイア基板を用いる場合、そ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）が一般的に使用される。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面サファイア基板が一般的によく用いられている。
上記材料のうち、ＧａＮ、ＡｌＮあるいはその混晶である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、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮ材料を用いる深紫外発光素子の場合には、ＡｌＮ基板を用いることで、その上に形成される第一伝導型の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なるため、格子緩和に起因する貫通転位や、クラックを形成することなく第一伝導型の窒化物半導体層が成長できる。特に単結晶ＡｌＮ基板を用いることで、結晶粒界やプレーナー欠陥等の影響を受けることなく、結晶欠陥の少ない第一伝導型の窒化物半導体層を形成できる。
基板上へ積層する第一伝導型の窒化物半導体中への貫通転位の伝播を抑制して、結晶性を高める観点から、ＡｌＮ基板中の貫通転位密度は、１０6ｃｍ-2以下が好ましく、より好ましくは１０5ｃｍ-2以下であり、さらに好ましくは１０4ｃｍ-2以下である。
ＡｌＮ基板には不純物が混入していてもよい。また、ＡｌＮ基板の表面（半導体層を形成する面の反対の面）にパターン加工を施したり、ＡｌＮ基板のもう一方の表面（半導体層を形成する面）をＳｉＯ2やＳｉＮなどの絶縁膜によるマスキングを施した状態で第一伝導型の窒化物半導体層を堆積させたりすることもできる。それによって光取り出し効率が向上する。
ＡｌＮ基板には不純物が混入していてもよい。また、ＡｌＮ基板の表面（半導体層を形成する面の反対の面）にパターン加工を施したり、ＡｌＮ基板のもう一方の表面（半導体層を形成する面）をＳｉＯ2やＳｉＮなどの絶縁膜によるマスキングを施した状態で第一伝導型の窒化物半導体層を堆積させたりすることもできる。それによって光取り出し効率が向上する。
ＡｌＮ基板としては、例えば、基板として使用できる厚さにＡｌＮを結晶成長させたものを使用することができる。成長面としては、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。また、オフ角を設けたＡｌＮ基板を使用することもできる。
ＡｌＮ基板を用いることで、基板上に結晶欠陥の少ない窒化物半導体積層構造が形成できるため、一態様の窒化物半導体素子の内部量子効率やキャリア注入効率が高くなることで光出力が向上する。
ＡｌＮ基板を用いることで、基板上に結晶欠陥の少ない窒化物半導体積層構造が形成できるため、一態様の窒化物半導体素子の内部量子効率やキャリア注入効率が高くなることで光出力が向上する。
基板としてサファイア基板のテンプレートを用いる場合には、具体的には、サファイア基板上にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させたものを用いることが好ましい。ＡｌＮ層の貫通転位密度を低減する手段としては、サファイア基板とＡｌＮ層との界面にさらに低温バッファ層を挿入する方法や、オフ角の大きい（＞０．３°）サファイア基板を使用する方法、またサファイア基板の表面（ＡｌＮ層が成長する面）に予めパターン加工を施すことでＡｌＮ層の横方向成長を促進させる方法などがある。
テンプレート上へ積層する第一伝導型の窒化物半導体中への貫通転位の伝播を抑制して、結晶性を高める観点から、テンプレート中の貫通転位密度は、１０9ｃｍ-2以下が好ましく、より好ましくは１０8ｃｍ-2以下であり、さらに好ましくは１０7ｃｍ-2以下である。ＡｌＮ層には不純物が添加されていても良い。また、ＡｌＮ層の膜厚をある程度厚くすることは、貫通転位密度を抑制できるという点で好ましいが、厚くし過ぎるとクラックが形成されてしまう。以上の観点から、ＡｌＮ層の膜厚は０．５μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。
＜第一伝導型の窒化物半導体層＞
第一伝導型の窒化物半導体層を形成する材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶およびこれらの1つ以上を含む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。
第一伝導型の窒化物半導体層を形成する材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶およびこれらの1つ以上を含む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。
第一伝導型の窒化物半導体層を電子供給層とする場合、第一伝導型はｎ型である。第一伝導型の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－ＡｌvＧａ(1-v)Ｎ（０＜ｖ≦１）が挙げられる。波長３００ｎｍ以下の深紫外光を発する発光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こと、加えて発光した紫外光の吸収を抑制して、光取り出し効率を高める観点から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、電極とのコンタクト抵抗が高くなるため、Ａｌ組成には適した範囲が存在する。上記の観点から、ｎ－ＡｌvＧａ(1-v)ＮのＡｌ組成ｘは、０．４０≦ｖ≦０．９０であることが好ましく、０．５０≦ｖ≦０．８０であることがより好ましい。
第一伝導型の窒化物半導体層が下地に対して格子緩和した場合、膜中に貫通転位が形成され、その貫通転位が多重量子井戸層構造まで伝播することで内部量子効率が低下するため、窒化物半導体発光素子では十分な光出力を得ることができない。加えて、発光層（多重量子井戸層構造）内では貫通転位の周辺にＧａが偏析してしまうことで、発光スペクトルの半値幅が増大するという問題が生じる。また、第一伝導型の窒化物半導体層に貫通転位が導入されることで膜中の電子濃度や電子移動度が低下してしまい、第一伝導型の窒化物半導体層のシート抵抗が悪化してしまうので、結果として駆動電圧が上昇する。したがって、第一伝導型の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％以下であり、さらに好ましくは０％以上１０％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、第一伝導型の窒化物半導体層の膜厚を臨界膜厚以下に設定することが挙げられる。基板としてＡｌＮ基板を用いれば、第一伝導型の窒化物半導体層の下地（基板）に対する格子定数差を小さくすることができる。また、ＡｌＮ基板上に直接、またはホモエピタキシャル層を介して第一伝導型の窒化物半導体層としてｎ－ＡｌvＧａ(1-v)Ｎ層を積層する場合、上述のＡｌ組成範囲（０．４０≦ｖ≦０．９０）においては、格子緩和を抑制する観点から、膜厚は１．５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１．３μｍ以下である。一方で、シート抵抗の上昇を抑制し、駆動電圧を高めることを抑えるため、第一伝導型の窒化物半導体の膜厚は４００ｎｍ以上であることが好ましい。
したがって、第一伝導型の窒化物半導体としてのｎ－ＡｌvＧａ(1-v)Ｎ層の膜厚は、４００ｎｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４００ｎｍ以上１．３μｍ以下である。
第一伝導型の窒化物半導体層は、ＡｌＮ基板上に直接形成していてもよく、例えばホモエピタキシャル層やバッファ層など第一伝導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い。バッファ層の材料や膜厚は特に限定されない。
また、第一伝導型の窒化物半導体層は、格子定数の異なる半導体層の周期的構造（ＳＰＳＬ）にすることもできる。一例としては、ＡｌaＧａ(1-a)Ｎ／ＡｌbＧａ(1-b)Ｎ(a≠b)の周期的構造が挙げられる。上記の構造では、膜中の歪に起因する分極効果により生成する２次元電子（または正孔）ガスが電気伝導に寄与する。ＳＰＳＬには不純物が添加されていてもよい。
第一伝導型の窒化物半導体層は、ＡｌＮ基板上に直接形成していてもよく、例えばホモエピタキシャル層やバッファ層など第一伝導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い。バッファ層の材料や膜厚は特に限定されない。
また、第一伝導型の窒化物半導体層は、格子定数の異なる半導体層の周期的構造（ＳＰＳＬ）にすることもできる。一例としては、ＡｌaＧａ(1-a)Ｎ／ＡｌbＧａ(1-b)Ｎ(a≠b)の周期的構造が挙げられる。上記の構造では、膜中の歪に起因する分極効果により生成する２次元電子（または正孔）ガスが電気伝導に寄与する。ＳＰＳＬには不純物が添加されていてもよい。
＜多重量子井戸構造（発光層)＞
多重量子井戸構造は、井戸層とバリア層とをこの順番に従い交互に複数回積層することで形成される。井戸層を形成する材料は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体である。バリア層を形成する材料は、少なくともＡｌを含み、井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体である。
一態様の窒化物半導体素子では、バリア層にｎ型ドーパントが添加されていることが好ましい。ｎ型ドーパントとしては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどが使用できるが、母体結晶中に添加された際に自由電子を生成する作用を持つ元素であれば、特に限定されない。
多重量子井戸構造は、井戸層とバリア層とをこの順番に従い交互に複数回積層することで形成される。井戸層を形成する材料は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体である。バリア層を形成する材料は、少なくともＡｌを含み、井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体である。
一態様の窒化物半導体素子では、バリア層にｎ型ドーパントが添加されていることが好ましい。ｎ型ドーパントとしては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどが使用できるが、母体結晶中に添加された際に自由電子を生成する作用を持つ元素であれば、特に限定されない。
多重量子井戸層としては、井戸層がＡｌtＧａ(1-t)Ｎ（０．００＜ｔ＜１．００）層であり、バリア層がｎ型ドーパントを含むＡｌsＧａ(1-s)Ｎ（０．００＜ｓ≦１．００）層であるものが好ましい。また、一態様の窒化物半導体素子を構成する多重量子井戸層の一例としては、井戸層としてＡｌＧａＮ層を備え、バリア層としてｎ型ドーパントを含むＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層を備えたものが挙げられる。
井戸層およびバリア層には、Ｉｎ、ＢなどのＡｌ、Ｇａ以外のIII族元素や、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素が含まれていても良い。また、井戸層には、不純物がさらに添加されていても良い。例えばｎ型ドーパントとしては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどが使用できるが、母体結晶中に添加された際に自由電子を生成する作用を持つ元素であれば、特に限定されない。同様に、ｐ型ドーパントとしては、ホールを生成する作用を持つ元素であれば特に限定されない。
井戸層およびバリア層には、Ｉｎ、ＢなどのＡｌ、Ｇａ以外のIII族元素や、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素が含まれていても良い。また、井戸層には、不純物がさらに添加されていても良い。例えばｎ型ドーパントとしては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどが使用できるが、母体結晶中に添加された際に自由電子を生成する作用を持つ元素であれば、特に限定されない。同様に、ｐ型ドーパントとしては、ホールを生成する作用を持つ元素であれば特に限定されない。
バリア層は、Ｓｉを２．０×１０18ｃｍ-3以上２．９×１０19ｃｍ-3以下の濃度で含むＡｌＧａＮ層であることがより好ましい。ｎ型ドーパントが高濃度（上記範囲の濃度）で添加されているバリア層を備えた多重量子井戸構造においては、バリア層内でイオン化したドーパントと自由電子が多重量子井戸構造中の内部電界を遮蔽するため、エネルギーバンドのスクリーニング効果が発生する。このスクリーニング効果によりエネルギーバンドの歪が抑制されることで、井戸層中の電子と正孔の空間的分離が低減されるため、内部量子効率が向上する。加えて、バリア層中のエネルギーバンドの歪が抑制されることで、正孔に対するポテンシャル障壁が小さくなることから、井戸層への正孔注入が促進され、窒化物半導体発光素子では光出力が向上する。
＜井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係、ファイナル井戸層＞
一態様の窒化物半導体素子では、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が上述の条件Ａを満たす。また、多重量子井戸構造と電子ブロック層と間にファイナル井戸層を設けている。このファイナル井戸層の膜厚は、多重量子井戸層を構成する複数の井戸層の膜厚と同じにすることが好ましい。ただし、ここでの「膜厚が等しい」という表現は、膜厚測定における測定誤差や、成膜装置の制御ばらつきに起因する各層の膜厚差を考慮し、±０．５ｎｍ以下の差であれば、膜厚が等しいとみなすものとする。
一態様の窒化物半導体素子では、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が上述の条件Ａを満たす。また、多重量子井戸構造と電子ブロック層と間にファイナル井戸層を設けている。このファイナル井戸層の膜厚は、多重量子井戸層を構成する複数の井戸層の膜厚と同じにすることが好ましい。ただし、ここでの「膜厚が等しい」という表現は、膜厚測定における測定誤差や、成膜装置の制御ばらつきに起因する各層の膜厚差を考慮し、±０．５ｎｍ以下の差であれば、膜厚が等しいとみなすものとする。
これらの条件を全て満たすとき、井戸層へのキャリア注入効率を高めることが可能となり、高い光出力を実現可能となる。そのメカニズムに関しては、以下のように考察している。
一般的に、井戸層の膜厚Ｔwが薄すぎる場合には、キャリアを閉じ込める機能が低下するため、光出力が低下する。一方で、厚くし過ぎても内部電界による電子と正孔の空間的分離が促進されることで光出力は低下してしまう。そのため、井戸層の膜厚Ｔwには最適範囲が存在する。
一般的に、井戸層の膜厚Ｔwが薄すぎる場合には、キャリアを閉じ込める機能が低下するため、光出力が低下する。一方で、厚くし過ぎても内部電界による電子と正孔の空間的分離が促進されることで光出力は低下してしまう。そのため、井戸層の膜厚Ｔwには最適範囲が存在する。
ただし、一態様の窒化物半導体素子が、前述のように、バリア層が高濃度のｎ型ドーパントを含む場合、生じている物理現象はより複雑なものになる。すなわち、バリア層中には自由電子やイオン化ドナーが高濃度に存在することで、多重量子井戸構造中では内部電界の遮蔽現象が生じる。バリア層の膜厚Ｔbが薄すぎる場合には、遮蔽効果が不十分となりエネルギーバンドの歪が解消されず、電子と正孔の空間的分離や正孔注入効率の低下により、窒化物半導体発光素子では光出力が低下する。
一方で、バリア層の膜厚Ｔbを厚くし過ぎた場合、上述の遮蔽効果は十分に得られるが、井戸層に到達するまでに拡散しなければならない距離が長くなるため、正孔の注入効率は低下してしまい十分な光出力を得ることができない。しかし、本発明者等の検討により、井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係が上述の条件Ａを満たすとともに、ファイナル井戸層が存在する場合に、高い光出力が達成できることが分かった。
ファイナル井戸層は、第二伝導型の窒化物半導体層側から拡散してきた正孔を井戸層へ効率良く注入する上で極めて重要な働きを有する。ファイナル井戸層があると、多重量子井戸構造の最も電子ブロック層側に位置するバリア層と電子ブロック層との界面に、エネルギーバンド図におけるポテンシャルエネルギーの谷が形成されない。ポテンシャルエネルギーの谷が形成されると、第二伝導型の窒化物半導体層側から拡散してきた正孔をトラップしてしまい、井戸層への正孔の注入を阻害するため、高い光出力増加効果を示すことは困難である。
以上のことから、一態様の窒化物半導体素子（窒化物半導体発光素子）は、井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係が上述の条件Ａを満たすとともに、ファイナル井戸層を有することによって、顕著な光出力向上効果を得ることが期待できる。
また、バリア層が厚い領域では、正孔の注入効率が改善するため、駆動電圧低減効果も期待できる。
また、バリア層が厚い領域では、正孔の注入効率が改善するため、駆動電圧低減効果も期待できる。
さらに、井戸層およびバリア層のＡｌ組成（ｔ，ｓ）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。
より高い光出力を実現する観点から、多重量子井戸構造の周期数（井戸層の層数；ファイナル井戸層は含まない）は３以上５以下であることが好ましい。３周期以上にすることで、キャリアの閉じ込め効果を高めることが可能となる。また、５周期以下にすることで、井戸層の格子緩和を抑制し、結晶性の悪化を抑えることができる。
より高い光出力を実現する観点から、多重量子井戸構造の周期数（井戸層の層数；ファイナル井戸層は含まない）は３以上５以下であることが好ましい。３周期以上にすることで、キャリアの閉じ込め効果を高めることが可能となる。また、５周期以下にすることで、井戸層の格子緩和を抑制し、結晶性の悪化を抑えることができる。
＜電子ブロック層＞
一態様の窒化物半導体素子は、多重量子井戸構造と電子ブロック層との間に、電子ブロック層と接するファイナル井戸層を有する。電子ブロック層は、井戸層内への電子の閉じ込め効果を向上させる観点から、多重量子井戸構造（発光層）を形成する井戸層およびバリア層よりバンドギャップエネルギーの大きい材料で形成されていることが好ましい。電子ブロック層には、伝導型制御ために不純物が添加されていても良い。電子ブロック層の一例としては、ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ層が挙げられ、Ａｌ組成ｚは０．７０以上１．００以下であることが好ましく、より好ましくは０．７５以上１．００以下である。上記範囲に設定することで、電子のオーバーフローを抑制でき、効率良く電子を井戸層へ閉じ込めることができるため、高い光出力が得られる。
一態様の窒化物半導体素子は、多重量子井戸構造と電子ブロック層との間に、電子ブロック層と接するファイナル井戸層を有する。電子ブロック層は、井戸層内への電子の閉じ込め効果を向上させる観点から、多重量子井戸構造（発光層）を形成する井戸層およびバリア層よりバンドギャップエネルギーの大きい材料で形成されていることが好ましい。電子ブロック層には、伝導型制御ために不純物が添加されていても良い。電子ブロック層の一例としては、ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ層が挙げられ、Ａｌ組成ｚは０．７０以上１．００以下であることが好ましく、より好ましくは０．７５以上１．００以下である。上記範囲に設定することで、電子のオーバーフローを抑制でき、効率良く電子を井戸層へ閉じ込めることができるため、高い光出力が得られる。
また、電子ブロック層の膜厚は、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。上記範囲に設定することで、電子のオーバーフローを抑制しつつ、井戸層への正孔注入を阻害しないため、効率良く井戸層へ電子と正孔を注入することが可能となる。
＜第二伝導型の窒化物半導体層＞
第二伝導型の窒化物半導体層の伝導型は、第一伝導型の窒化物半導体層の伝導型と異なる。
第二伝導型の窒化物半導体層を正孔供給層とする場合、第二伝導型はｐ型である。
第二伝導型の窒化物半導体層の材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単体およびこれらの1つ以上を含む混晶のいずれかであることが好ましい。ｐ型の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。つまり、好ましいｐ型の窒化物半導体層の具体例は、ｐ－ＡｌｗＧａ(1-ｗ)Ｎ（０≦ｗ＜１）で表すことができる。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。
第二伝導型の窒化物半導体層の伝導型は、第一伝導型の窒化物半導体層の伝導型と異なる。
第二伝導型の窒化物半導体層を正孔供給層とする場合、第二伝導型はｐ型である。
第二伝導型の窒化物半導体層の材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単体およびこれらの1つ以上を含む混晶のいずれかであることが好ましい。ｐ型の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。つまり、好ましいｐ型の窒化物半導体層の具体例は、ｐ－ＡｌｗＧａ(1-ｗ)Ｎ（０≦ｗ＜１）で表すことができる。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。
第二伝導型の窒化物半導体層の膜厚は、発光層から出た紫外光の吸収を抑制する観点と電気的な不良を引き起こすリスクを低減する観点から、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、光出力を高める観点から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、発光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、電気伝導率を高めて第二電極と良好なコンタクトを形成させる観点から、Ｍｇのドーピング濃度は５×１０18ｃｍ-3以上であることが好ましい。さらに、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。
＜第一伝導型の窒化物半導体上の組成傾斜層：第一の組成傾斜層＞
一態様の窒化物半導体素子は、第一伝導型の窒化物半導体と多重量子井戸構造との間に、組成傾斜層（第一の組成傾斜層）が配置されていることが好ましい。第一の組成傾斜層はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．００≦ｘ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｘが第一伝導型の窒化物半導体層側の面から多重量子井戸構造側の面に向けて増加する層である。
一態様の窒化物半導体素子は、第一伝導型の窒化物半導体と多重量子井戸構造との間に、組成傾斜層（第一の組成傾斜層）が配置されていることが好ましい。第一の組成傾斜層はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．００≦ｘ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｘが第一伝導型の窒化物半導体層側の面から多重量子井戸構造側の面に向けて増加する層である。
第一の組成傾斜層のＡｌ組成ｘは、第一伝導型の窒化物半導体層側の面から多重量子井戸構造型の面に向けて増加する。そのＡｌ組成ｘのプロファイルは、第一伝導型の窒化物半導体層側の面から多重量子井戸構造側の面に向けて連続的に増加してもよいし、断続的に増加してもよい。「断続的に増加する」とは、第一の組成傾斜層の膜厚方向にＡｌ組成ｘが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、第一の組成傾斜層には、第一伝導型の窒化物半導体層側から多重量子井戸構造側に向けてＡｌ組成ｘが減少しない部分が含まれていてもよい。第一の組成傾斜層には、Ａｌ組成ｘが同じになっている部分が例えば数ｎｍ～数十ｎｍの厚さで含まれることがある。
第一伝導型の窒化物半導体層側の面における第一の組成傾斜層のＡｌ組成をｘ1、多重量子井戸構造側の面における第一の組成傾斜層のＡｌ組成をｘ２とすると、ｘ1＜ｘ２≦１となるが、ｘ1とｘ２の値は特に限定されない。なお、組成傾斜層のＡｌ組成ｘ２は、低すぎると電子の運動エネルギー低減効果が乏しいため十分な光出力改善効果が得られないが、高すぎても電子の井戸層への注入を妨げてしまうため、最適範囲が存在する。上記の観点から、組成傾斜層のＡｌ組成ｘ２は、（ｘ１＋０．０２）＜ｘ２≦０．８５であることが好ましい。
第一伝導型の窒化物半導体層と第一の組成傾斜層は接触していてもよいし、第一伝導型の窒化物半導体層と第一の組成傾斜層との間に別の層が存在していてもよい。第一の組成傾斜層と多重量子井戸構造は接触していてもよいし、第一の組成傾斜層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に別の層が存在していてもよい。
各層での界面におけるポテンシャル不連続性を低減し、第一伝導型の窒化物半導体層から多重量子井戸構造への電子注入を向上させる観点からは、第一の組成傾斜層のＡｌ組成ｘ１と第一伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｖとの差は０．０５以下であることが好ましい。
各層での界面におけるポテンシャル不連続性を低減し、第一伝導型の窒化物半導体層から多重量子井戸構造への電子注入を向上させる観点からは、第一の組成傾斜層のＡｌ組成ｘ１と第一伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｖとの差は０．０５以下であることが好ましい。
第一の組成傾斜層は、第一伝導型の窒化物半導体層から注入される電子の運動エネルギーを低減させて、井戸層への電子の閉じ込めを促進させる働きがある。その結果、光出力の向上が期待できる。特に、井戸層とバリア層の膜厚が条件Ａを満たすとともに、ファイナル井戸層を有する場合において、より高い出力改善効果が期待できる。
第一の組成傾斜層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１．５ｎｍ以上１０．０ｎｍである。この範囲にすることで、効率良く電子の運動エネルギーを低減して井戸層での閉じ込めを促進することができる。
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く、不純物の種類はこれらに限定されない。
第一の組成傾斜層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１．５ｎｍ以上１０．０ｎｍである。この範囲にすることで、効率良く電子の運動エネルギーを低減して井戸層での閉じ込めを促進することができる。
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く、不純物の種類はこれらに限定されない。
＜電子ブロック層上の組成傾斜層：第二の組成傾斜層＞
一態様の窒化物半導体素子は、電子ブロック層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に、組成傾斜層（第二の組成傾斜層）が配置されていることが好ましい。第二の組成傾斜層は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、電子ブロック層側の面から第二伝導型の窒化物半導体層側の面に向けて、Ａｌ組成ｙが減少する層である。
一態様の窒化物半導体素子は、電子ブロック層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に、組成傾斜層（第二の組成傾斜層）が配置されていることが好ましい。第二の組成傾斜層は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、電子ブロック層側の面から第二伝導型の窒化物半導体層側の面に向けて、Ａｌ組成ｙが減少する層である。
第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙは、電子ブロック層側の面から第二伝導型の窒化物半導体層側の面に向けて減少する。そのＡｌ組成ｙのプロファイルは、電子ブロック層側の面から第二伝導型の窒化物半導体層側の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、第二の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、第二の組成傾斜層には、電子ブロック層側から第二伝導型の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。第二の組成傾斜層には、Ａｌ組成ｙが同じになっている部分が例えば数ｎｍ～数十ｎｍの厚さで含まれることがある。
電子ブロック層側の面における第二の組成傾斜層のＡｌ組成をｙ３、第二伝導型の窒化物半導体層側の面における第二の組成傾斜層のＡｌ組成をｙ４とすると、ｙ３＞ｙ４となるが、ｙ1とｙ２の値は特に限定されない。
電子ブロック層がＡｌzＧａ(1-z)Ｎ層である場合、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ３と電子ブロック層のＡｌ組成ｚは、同じでもよいし異なっていてもよい。ｙ３とｚが異なる場合はどちらが大きくてもよい。第二伝導型の窒化物半導体層がＡｌwＧａ(1-w)Ｎ（０≦ｗ＜１）である場合、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ４と第二伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｗは、同じでもよいし異なっていてもよい。ｙ４とｗが異なる場合はどちらが大きくてもよい。
電子ブロック層がＡｌzＧａ(1-z)Ｎ層である場合、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ３と電子ブロック層のＡｌ組成ｚは、同じでもよいし異なっていてもよい。ｙ３とｚが異なる場合はどちらが大きくてもよい。第二伝導型の窒化物半導体層がＡｌwＧａ(1-w)Ｎ（０≦ｗ＜１）である場合、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ４と第二伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｗは、同じでもよいし異なっていてもよい。ｙ４とｗが異なる場合はどちらが大きくてもよい。
電子ブロック層と第二の組成傾斜層は接触していてもよいし、電子ブロック層と第二の組成傾斜層との間に別の層が存在していてもよい。第二の組成傾斜層と第二伝導型の窒化物半導体層は接触していてもよいし、第二の組成傾斜層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に別の層が存在していてもよい。
各層での界面におけるポテンシャル障壁を低減し、第二の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、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ３と電子ブロック層のＡｌ組成ｚとの差は０．３以下、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ４と第二伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｗとの差は０．４以下であることが好ましい。
各層での界面におけるポテンシャル障壁を低減し、第二の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、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ３と電子ブロック層のＡｌ組成ｚとの差は０．３以下、第二の組成傾斜層のＡｌ組成ｙ４と第二伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｗとの差は０．４以下であることが好ましい。
第二の組成傾斜層にはＣ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。
第二の組成傾斜層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く多重量子井戸構造に注入する作用を有するため、電子ブロック層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に設けることで、光出力を向上させ、駆動電圧を低減することができる。
第二の組成傾斜層の膜厚は、高い光出力を実現する観点から、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。
第二の組成傾斜層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く多重量子井戸構造に注入する作用を有するため、電子ブロック層と第二伝導型の窒化物半導体層との間に設けることで、光出力を向上させ、駆動電圧を低減することができる。
第二の組成傾斜層の膜厚は、高い光出力を実現する観点から、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。
第二の組成傾斜層の代わりに、格子定数の異なる半導体層の周期的構造（ＳＰＳＬ）を設けることもできる。一例としては、ＡｌaＧａ(1-a)Ｎ／ＡｌbＧａ(1-b)Ｎ(a≠b)の周期的構造が挙げられる。上記の構造では、膜中の歪に起因する分極効果により生成する２次元正孔ガスが多重量子井戸構造へ注入される。ＳＰＳＬには不純物が添加されていてもよい。
＜測定方法＞
（不純物濃度およびドーピング濃度の測定）
一態様の窒化物半導体発光素子を構成する基板および各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定できる。
各層に含まれるドーパントや不純物の濃度を、デバイスに加工された後にＳＩＭＳで測定する場合は、化学的なエッチングや物理研磨により電極を除去した状態で行うことができる。また、電極が形成されていない基板側からスパッタして測定することもできる。
具体的には、エバンス・アナリティカル・グループ（ＥＡＧ）社が提供する測定条件によりＳＩＭＳ測定を実施する。測定時の試料のスパッタには、１４．５ｋｅＶのエネルギーを有したセシウム（Ｃｓ）イオンビームを用いる。
（不純物濃度およびドーピング濃度の測定）
一態様の窒化物半導体発光素子を構成する基板および各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定できる。
各層に含まれるドーパントや不純物の濃度を、デバイスに加工された後にＳＩＭＳで測定する場合は、化学的なエッチングや物理研磨により電極を除去した状態で行うことができる。また、電極が形成されていない基板側からスパッタして測定することもできる。
具体的には、エバンス・アナリティカル・グループ（ＥＡＧ）社が提供する測定条件によりＳＩＭＳ測定を実施する。測定時の試料のスパッタには、１４．５ｋｅＶのエネルギーを有したセシウム（Ｃｓ）イオンビームを用いる。
（膜厚の測定方法）
一態様の窒化物半導体素子を構成する各層の膜厚は、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できる。測定方法としては、先ず、ＴＥＭを用いて、窒化物半導体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、窒化物半導体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、組成の異なる二層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、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各層の厚さの平均値を、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、各層の膜厚を得る。
一態様の窒化物半導体素子を構成する各層の膜厚は、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できる。測定方法としては、先ず、ＴＥＭを用いて、窒化物半導体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、窒化物半導体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、組成の異なる二層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、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各層の厚さの平均値を、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、各層の膜厚を得る。
（第一伝導型の窒化物半導体層の格子緩和率とＡｌ組成の測定方法）
第一伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｘおよび格子緩和率を測定する方法としては、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）が挙げられる。具体的には、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。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。
第一伝導型の窒化物半導体層のＡｌ組成ｘおよび格子緩和率を測定する方法としては、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）が挙げられる。具体的には、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。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。
（井戸層、バリア層、電子ブロック層、組成傾斜層のＡｌ組成の測定方法）
多重量子井戸層を構成する井戸層およびバリア層のＡｌ組成、および組成傾斜層と電子ブロック層のＡｌ組成は、半導体積層体中における原子マッピングにより測定できる。この原子マッピングは、例えばアトムプローブトモグラフィー（ＡＰＴ）を用いて観察できる。具体的には、東芝ナノアナリシス株式会社が提供する測定条件により、Ａｌ組成の定量を行う。
多重量子井戸層を構成する井戸層およびバリア層のＡｌ組成、および組成傾斜層と電子ブロック層のＡｌ組成は、半導体積層体中における原子マッピングにより測定できる。この原子マッピングは、例えばアトムプローブトモグラフィー（ＡＰＴ）を用いて観察できる。具体的には、東芝ナノアナリシス株式会社が提供する測定条件により、Ａｌ組成の定量を行う。
以下、測定条件の詳細を説明する。
窒化物半導体積層体のＡＰＴ解析では、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工技術を用いて、観察したい多層膜部位を先端の曲率半径１００ｎｍ程度の針状試料へ加工する。半導体多層膜表面に電極が形成されている場合は電極が着いた状態で、電極がない場合はＷなどの保護膜を形成した状態で、ＦＩＢにより針状試料へ加工する。半導体積層体の膜の垂直方向が針状試料の軸方向になり、かつ観察したいＭＱＷなどの多層膜部分が針の先端付近にくるように加工する。
窒化物半導体積層体のＡＰＴ解析では、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工技術を用いて、観察したい多層膜部位を先端の曲率半径１００ｎｍ程度の針状試料へ加工する。半導体多層膜表面に電極が形成されている場合は電極が着いた状態で、電極がない場合はＷなどの保護膜を形成した状態で、ＦＩＢにより針状試料へ加工する。半導体積層体の膜の垂直方向が針状試料の軸方向になり、かつ観察したいＭＱＷなどの多層膜部分が針の先端付近にくるように加工する。
この針状試料へ電圧パルス印加、あるいは電圧パルス印加と観察部位へのレーザーパルス照射を行うことによって、針状試料先端からの単原子イオン、あるいは複数の原子からなるクラスターイオンを電界蒸発させる。電界蒸発によって放出されたイオンを質量分析することによってイオン種を同定し、かつイオンが放出された針状試料内の位置を二次元検出器によって同定することで、針状試料内の原子の３次元分布を原子レベルの分解能で得る。
以上により、ＡＰＴによって膜中の原子のマッピングを深さ方向、面内方向で観察する。
以上により、ＡＰＴによって膜中の原子のマッピングを深さ方向、面内方向で観察する。
このＡＰＴ法によって得られた井戸層、バリア層、および電子ブロック層の原子マッピングのデータに対して、Ａｌ組成を算出する方法は以下の通りである。形成された針状試料に対して、面内方向では、試料中心の２５％の領域を除去する。残りの領域において、一層分の面内方向および深さ方向を含めたマッピング値の平均値を計算し、その値を井戸層、バリア層、および電子ブロック層のＡｌ組成とする。このとき、深さ方向に対して少なくとも界面近傍１ｎｍの領域を除去し、マッピング値の平均値を計算する。もし、界面近傍１ｎｍの領域を除くことができないほど膜厚の薄い測定対象を評価する場合には、深さ方向に対するＡｌ組成の最大値（面内における平均Ａｌ組成）をその層のＡｌ組成とする。
一態様の窒化物半導体素子を構成する多重量子井戸層構造は、井戸層とバリア層とが周期的に多層化されたものであるため、複数の井戸層のＡｌ組成を平均した値を井戸層のＡｌ組成とし、複数のバリア層のＡｌ組成を平均した値をバリア層のＡｌ組成とする。
組成傾斜層のＡｌ組成については、一層分の面内方向および深さ方向を含めたマッピング値の平均値を計算するのではなく、一層ずつの面内方向のマッピング値の平均値を計算し、それらの深さ方向に対するプロファイルを求めることで、Ａｌ組成の傾斜を調べる。
組成傾斜層のＡｌ組成については、一層分の面内方向および深さ方向を含めたマッピング値の平均値を計算するのではなく、一層ずつの面内方向のマッピング値の平均値を計算し、それらの深さ方向に対するプロファイルを求めることで、Ａｌ組成の傾斜を調べる。
（その他のＡｌ組成測定方法）
ＡＰＴ法以外にも、Ａｌ組成は、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）によって測定することができる。
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、各層の組成に応じて変化することを利用し、ピーク位置から組成を求めることができる。
ＡＰＴ法以外にも、Ａｌ組成は、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）によって測定することができる。
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、各層の組成に応じて変化することを利用し、ピーク位置から組成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、各層の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、各層の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、各層の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・解析して各層のＡｌ組成の深さ方向分布を得る。スパッタエッチングの代わりに、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窒化物半導体素子を斜め研磨して、露出断面をＸＰＳで測ってもよい。
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、各層の組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面に対するＳＥＭ－ＥＤＸ測定によっても、各層の組成を測定できる。
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、各層の組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面に対するＳＥＭ－ＥＤＸ測定によっても、各層の組成を測定できる。
〔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、第一伝導型の窒化物半導体層の伝導型をｎ型、第二伝導型の窒化物半導体層の伝導型を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、第一伝導型の窒化物半導体層の伝導型をｎ型、第二伝導型の窒化物半導体層の伝導型を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、ＡｌＮ基板１と、ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）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、ＡｌＮ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、ＡｌＮ基板１と、ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）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、ＡｌＮ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、ＡｌＮ基板１側から、ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）３１、第一の組成傾斜層３２、多重量子井戸構造（発光層）３３、ファイナル井戸層３４、電子ブロック層３５、第二の組成傾斜層３６、およびｐ型III族窒化物半導体層（第二伝導型の窒化物半導体層）３７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、ＡｌＮ基板１上に、ｎ型III族窒化物半導体層、第一の組成傾斜層、多重量子井戸層、ファイナル井戸層、電子ブロック層、第二の組成傾斜層、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３７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、中心波長が２１５～３００ｎｍの紫外線を発光する素子である。
紫外線発光素子１０は、中心波長が２１５～３００ｎｍの紫外線を発光する素子である。
ＡｌＮ基板１上に形成されたｎ型III族窒化物半導体層２，３１は、ｎ－ＡｌvＧａ(1-v)Ｎ（０．４０≦ｖ≦０．９０）層である。第一の組成傾斜層３２は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．００≦ｘ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｘがｎ型III族窒化物半導体層３１側の面から多重量子井戸構造３３側の面に向けて増加する。
多重量子井戸構造３３は、ＡｌＧａＮで形成された井戸層とＡｌＧａＮまたはＡｌＮで形成されたバリア層とが、交互に複数積層されたものである。多重量子井戸構造３３を構成する井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係は、上述の条件Ａを満たす。
多重量子井戸構造３３は、ＡｌＧａＮで形成された井戸層とＡｌＧａＮまたはＡｌＮで形成されたバリア層とが、交互に複数積層されたものである。多重量子井戸構造３３を構成する井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係は、上述の条件Ａを満たす。
ファイナル井戸層３４の膜厚は、多重量子井戸構造３３内の井戸層の膜厚と等しい。電子ブロック層３５は、ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ（０．７０≦ｚ≦１．００）層である。
第二の組成傾斜層３６は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙが電子ブロック層３５と接する面（多重量子井戸構造３３側の面）からｐ型III族窒化物半導体層３７に接する面に向かって減少する。第二の組成傾斜層３６の膜厚は５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である。
ｐ型III族窒化物半導体層３７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。
第二の組成傾斜層３６は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０．００≦ｙ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｙが電子ブロック層３５と接する面（多重量子井戸構造３３側の面）からｐ型III族窒化物半導体層３７に接する面に向かって減少する。第二の組成傾斜層３６の膜厚は５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である。
ｐ型III族窒化物半導体層３７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はＡｌおよびＮｉを含む材料の合金層で形成されている。
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。
［作用、効果］
実施形態の紫外線発光素子１０は、多重量子井戸構造（発光層）３３を構成する井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係が上述の条件Ａを満たすとともに、多重量子井戸構造３３と電子ブロック層３５との間にファイナル井戸層３４を有することにより、高い光出力が得られる。
また、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を有することで、多重量子井戸構造３３への電子・正孔注入効率が向上するため、より高い光出力が得られる。
実施形態の紫外線発光素子１０は、多重量子井戸構造（発光層）３３を構成する井戸層の膜厚とバリア層の膜厚との関係が上述の条件Ａを満たすとともに、多重量子井戸構造３３と電子ブロック層３５との間にファイナル井戸層３４を有することにより、高い光出力が得られる。
また、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を有することで、多重量子井戸構造３３への電子・正孔注入効率が向上するため、より高い光出力が得られる。
＜サンプルNo.1-1～No.1-12＞
これらのサンプルは、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。
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、ＡｌＮ基板１と第一の組成傾斜層３２との間のｎ型III族窒化物半導体層の膜厚）は５００ｎｍである。第一の組成傾斜層３２の膜厚は３ｎｍであり、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層側の面のＡｌ組成は０．７であり、多重量子井戸構造側の面のＡｌ組成は０．７６である。
これらのサンプルは、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。
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、ＡｌＮ基板１と第一の組成傾斜層３２との間のｎ型III族窒化物半導体層の膜厚）は５００ｎｍである。第一の組成傾斜層３２の膜厚は３ｎｍであり、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層側の面のＡｌ組成は０．７であり、多重量子井戸構造側の面のＡｌ組成は０．７６である。
多重量子井戸構造（発光層）３３は、Ａｌ0.52Ｇａ0.48Ｎ（井戸層）とＡｌ0.77Ｇａ0.23Ｎ（バリア層）とを交互にそれぞれ４層有する。ファイナル井戸層３４はＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎであり、ファイナル井戸層３４の膜厚は多重量子井戸構造３３の井戸層の膜厚と同じである。電子ブロック層３５は１５ｎｍのＡｌ0.80Ｇａ0.20Ｎ層である。各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表１に示す通りである。
第二の組成傾斜層３６は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層であり、Ａｌ組成ｙが、電子ブロック層３５からｐ型III族窒化物半導体層３７に向けて０．８６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３７は、不純物としてＭｇを２×１０20ｃｍ-3含むｐ型ＧａＮ層である。
第一電極層４は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕであり、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。
第二の組成傾斜層３６は、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層であり、Ａｌ組成ｙが、電子ブロック層３５からｐ型III族窒化物半導体層３７に向けて０．８６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３７は、不純物としてＭｇを２×１０20ｃｍ-3含むｐ型ＧａＮ層である。
第一電極層４は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕであり、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。
上記構成の各素子を以下の方法で作製した。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮ基板の全面に、不純物としてＳｉを含む厚さ５００ｎｍのｎ型Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層、第一の組成傾斜層３２となるＡｌｘＧａ(1-ｘ)Ｎ層（Ａｌ組成ｘを０．７０から０．７６に連続的に変化させた）、上記多重量子井戸構造３３となる各層（井戸層およびバリア層を交互に）、ファイナル井戸層３４となる各層（井戸層およびバリア層を交互に）、電子ブロック層３５となるＡｌ0.80Ｇａ0.20Ｎ層、第二の組成傾斜層３６となる膜厚２８ｎｍのＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層（Ａｌ組成ｙを０．８６から０．２５に連続的に変化させた）、ｐ型III族窒化物半導体層３７となる不純物としてＭｇを２．０×１０20ｃｍ-3含む厚さ１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を、この順に成膜した。これにより、ＡｌＮ基板１上に積層体が形成された物体を得た。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮ基板の全面に、不純物としてＳｉを含む厚さ５００ｎｍのｎ型Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層、第一の組成傾斜層３２となるＡｌｘＧａ(1-ｘ)Ｎ層（Ａｌ組成ｘを０．７０から０．７６に連続的に変化させた）、上記多重量子井戸構造３３となる各層（井戸層およびバリア層を交互に）、ファイナル井戸層３４となる各層（井戸層およびバリア層を交互に）、電子ブロック層３５となるＡｌ0.80Ｇａ0.20Ｎ層、第二の組成傾斜層３６となる膜厚２８ｎｍのＡｌyＧａ(1-y)Ｎ層（Ａｌ組成ｙを０．８６から０．２５に連続的に変化させた）、ｐ型III族窒化物半導体層３７となる不純物としてＭｇを２．０×１０20ｃｍ-3含む厚さ１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を、この順に成膜した。これにより、ＡｌＮ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。Ｓｉのドーピング濃度は、モノシラン(ＳｉＨ4)の供給量を調整することにより制御した。
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。発光層を構成する井戸層およびバリア層、電子ブロック層、組成傾斜層の各Ａｌ組成はアトムプローブ法により、ｎ型III族窒化物半導体層のＡｌ組成はＸＲＤ法により、各層のドーピング濃度はＳＩＭＳ法により、各層の膜厚は断面ＴＥＭにより評価した。
次に、ＡｌＮ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ＡｌＮ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、この状態のＡｌＮ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３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ＡｌＮ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。
先ず、この領域に図３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ＡｌＮ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。
加熱処理は、ＡｌＮ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ＡｌＮ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３７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ＡｌＮ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３７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ＡｌＮ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３７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ＡｌＮ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。
次に、この状態のＡｌＮ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。
＜サンプルNo.2-1～No.2-12＞
これらのサンプルは第二の組成傾斜層３６を有さない。この点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表２に示す通りである。
サンプルNo.2-1～2-12の紫外線発光素子の製造方法は、第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
これらのサンプルは第二の組成傾斜層３６を有さない。この点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表２に示す通りである。
サンプルNo.2-1～2-12の紫外線発光素子の製造方法は、第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
＜サンプルNo.3-1～No.3-44＞
これらのサンプルは、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を有さない。この点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表３に示す通りである。
サンプルNo.3-1～No.3-44の紫外線発光素子の製造方法は、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
これらのサンプルは、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を有さない。この点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表３に示す通りである。
サンプルNo.3-1～No.3-44の紫外線発光素子の製造方法は、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
＜サンプルNo.4-1～No.4-14＞
これらのサンプルは、第一の組成傾斜層３２、ファイナル井戸層３４、および第二の組成傾斜層３６を有さない。この点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表４に示す通りである。
サンプルNo.3-1～No.3-14の紫外線発光素子の製造方法は、第一の組成傾斜層３２、ファイナル井戸層３４、および第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
これらのサンプルは、第一の組成傾斜層３２、ファイナル井戸層３４、および第二の組成傾斜層３６を有さない。この点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表４に示す通りである。
サンプルNo.3-1～No.3-14の紫外線発光素子の製造方法は、第一の組成傾斜層３２、ファイナル井戸層３４、および第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
＜サンプルNo.5-1～No.5-8＞
これらのサンプルは、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を有さない。また、基板１はサファイア基板のテンプレートである。これらの点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表５に示す通りである。
サンプルNo.5-1～No.5-8の紫外線発光素子の製造方法は、ＡｌＮ基板の代わりにサファイア基板のテンプレートを用いたことと、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
これらのサンプルは、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を有さない。また、基板１はサファイア基板のテンプレートである。これらの点を除いて実施形態の紫外線発光素子１０と同じ構造を有する。また、各サンプルにおける、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］およびバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］は、表５に示す通りである。
サンプルNo.5-1～No.5-8の紫外線発光素子の製造方法は、ＡｌＮ基板の代わりにサファイア基板のテンプレートを用いたことと、第一の組成傾斜層３２および第二の組成傾斜層３６を形成しない以外は、上述のサンプルNo.1-1～1-12の紫外線発光素子１０の製造方法と同じである。
＜性能評価＞
得られた各サンプルの紫外線発光素子に５００ｍＡの電流を流して、光出力（Ｐｔ）を測定した。また、各サンプルの測定値を、基準となる構成を有するサンプルNo.3-6の測定値で除した値（相対値）を算出した。これらの結果を各サンプルの構成とともに表１～表５に示す。
各表では、各サンプルについて、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａ（Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、上記式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点またはこの領域を形成する直線上の点として表される。）を満たす場合に「○」と記載し、満たさない場合に「×」と記載した。
得られた各サンプルの紫外線発光素子に５００ｍＡの電流を流して、光出力（Ｐｔ）を測定した。また、各サンプルの測定値を、基準となる構成を有するサンプルNo.3-6の測定値で除した値（相対値）を算出した。これらの結果を各サンプルの構成とともに表１～表５に示す。
各表では、各サンプルについて、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａ（Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、上記式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点またはこの領域を形成する直線上の点として表される。）を満たす場合に「○」と記載し、満たさない場合に「×」と記載した。
表３に示すように、ファイナル井戸層を有し、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係は条件Ａを満たすが、第一の組成傾斜層および第二の組成傾斜層のいずれも有さないサンプルNo.3-6～No.3-8、No.3-12～No.3-16、No.3-19～No.3-24、No.3-27～No.3-31、No.3-35～No.3-38の光出力の相対値は、１．００以上１．１０以下であった。
また、表４に示すように、ファイナル井戸層、第一の組成傾斜層、および第二の組成傾斜層のいずれも有さないサンプルNo.4-1～No.4-14の光出力の相対値は、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａを満たすものであっても、０．７９以下と低かった。
また、ファイナル井戸層を有し、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａを満たし、第一の組成傾斜層を有するが、第二の組成傾斜層を有さないサンプルNo.2-1～No.2-12の光出力の相対値は、表２に示すように、１．１６以上１．３２以下であった。つまり、第一の組成傾斜層を有することで、より高い光出力が得られることが分かる。
また、ファイナル井戸層を有し、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａを満たし、第一の組成傾斜層を有するが、第二の組成傾斜層を有さないサンプルNo.2-1～No.2-12の光出力の相対値は、表２に示すように、１．１６以上１．３２以下であった。つまり、第一の組成傾斜層を有することで、より高い光出力が得られることが分かる。
さらに、ファイナル井戸層を有し、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａを満たし、第一の組成傾斜層および第二の組成傾斜層の両方を有するサンプルNo.1-1～No.1-12の光出力の相対値は、表１に示すように、１．３９以上１．５４以下であった。つまり、第一の組成傾斜層と第二の組成傾斜層の両方を有することで、より一層高い光出力が得られることが分かる。
以上は基板がＡｌＮ基板の場合の結果であるが、ＡｌＮ基板の代わりにサファイア基板のテンプレートを用いた場合も、表５に示すように、ファイナル井戸層を有し、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａを満たすサンプルNo.5-1～No.5-4では、光出力の相対値が０．９０以上０．９８以下であったのに対し、条件Ａを満たさないサンプルNo.5-5～No.5-8の光出力の相対値は０．６５以上０．７６以下であった。つまり、サファイア基板のテンプレートを用いた場合も、ファイナル井戸層を有するだけでなく、井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］とバリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係が条件Ａを満たすものとすることで、光出力を高くできることが分かる。
１ 基板
２ ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）
３ 窒化物半導体積層体
３１ ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）
３２ 第一の組成傾斜層
３３ 多重量子井戸構造（発光層）
３４ ファイナル井戸層（発光層）
３５ 電子ブロック層
３６ 第二の組成傾斜層
３７ ｐ型III族窒化物半導体層（第二伝導型の窒化物半導体層）
４ 第一電極層
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、窒化物半導体素子）
２ ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）
３ 窒化物半導体積層体
３１ ｎ型III族窒化物半導体層（第一伝導型の窒化物半導体層）
３２ 第一の組成傾斜層
３３ 多重量子井戸構造（発光層）
３４ ファイナル井戸層（発光層）
３５ 電子ブロック層
３６ 第二の組成傾斜層
３７ ｐ型III族窒化物半導体層（第二伝導型の窒化物半導体層）
４ 第一電極層
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、窒化物半導体素子）
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第一伝導型の窒化物半導体層と、
前記第一伝導型の窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造上に形成された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成された第二伝導型の窒化物半導体層と、
前記第一伝導型の窒化物半導体層と前記多重量子井戸構造との間に配置されたＡｌ x Ｇａ (1-x) Ｎ（０．００≦ｘ≦１．００）層であって、Ａｌ組成ｘが前記第一伝導型の窒化物半導体層側の面から前記多重量子井戸構造側の面に向けて増加する第一の組成傾斜層と、
を有し、
第一の組成傾斜層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下であり、
前記多重量子井戸構造は、少なくともＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体で形成された井戸層と、少なくともＡｌを含む窒化物半導体で形成されたバリア層と、が周期的に多層化されたものであり、
前記井戸層の膜厚Ｔw［ｎｍ］と前記バリア層の膜厚Ｔb［ｎｍ］との関係は、
Ｔbをｘ軸とし、Ｔwをｙ軸とした座標平面上で、下記の式(a)～式(g)で示される全ての直線で囲まれる領域内の点または前記領域を形成する前記直線上の点として表され、
前記多重量子井戸構造と前記電子ブロック層との間に、前記電子ブロック層と接するファイナル井戸層を有する窒化物半導体素子。
Ｔw＝２．０…(a)
Ｔw＝４．０…(b)
Ｔb＝７．５…(c)
Ｔb＝１４．０…(d)
Ｔw＝（１／３）Ｔｂ＋１…(e)
Ｔw＝－（１／３）Ｔｂ＋５…(f)
Ｔw＝Ｔｂ－１２…(g) - 前記電子ブロック層と前記第二伝導型の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が前記電子ブロック層側の面から前記第二伝導型の窒化物半導体層側の面に向けて減少する第二の組成傾斜層を、
さらに有する請求項１記載の窒化物半導体素子。 - 前記基板はＡｌＮ基板である請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
- 前記バリア層はｎ型ドーピングされている請求項１～３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
- 請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子であって、
前記多重量子井戸構造および前記ファイナル井戸層は発光層であり、
中心波長が２１５～３００ｎｍの紫外光を発する窒化物半導体発光素子。
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