JPWO2017150280A1 - 縦型紫外発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】より低い動作電圧で、より高い発光効率を有する、縦型紫外発光ダイオードを提供する。
【解決手段】ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、部分的に設けられたｎ電極、好ましくは少なくとも一つの光取出し窓となる開口部を設けて形成されるｎ電極とを備え、該ｎ電極が設けられていない部分の任意の点とｎ電極との最短距離が４００μｍ以下である縦型紫外発光ダイオードである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｎ型ＡｌＮ（窒化アルミニウム）単結晶基板を用いた縦型の紫外線発光ダイオードに関する。
III族窒化物半導体は、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の混晶からなる半導体材料であり、III族元素であるＩｎ、Ｇａ、Ａｌの混晶組成を制御することにより、それぞれのバンドギャップエネルギー（０．７ｅＶ（ＩｎＮ）、３．４ｅＶ（ＧａＮ）、６．１ｅＶ（ＡｌＮ））に相当する赤外領域から紫外領域に至る波長範囲で高効率な発光素子の作製が可能である。そのため、今日では、III族窒化物半導体を用いた青色発光ダイオードは、蛍光体を組み合わせた白色発光ダイオードとして、照明を初めとする多岐に渡る用途で用いられている。
青色発光ダイオードは、ＩｎＮとＧａＮの混晶材料であるＩｎＧａＮ系材料によって形成されており、一般的に、Ｃ面（（０００１）面）サファイア基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によってｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ型ＧａＮ層をこの順に形成して作製される。この場合、サファイア基板とＧａＮ層との格子定数や熱膨張係数差によって、発光効率を低下させる要因となる結晶欠陥（転位）がＧａＮ層中に高密度に形成されるが、活性層中のＩｎの組成変調効果によって、高効率発光が実現される（非特許文献１参照）。
また、サファイア基板は絶縁性であるため、発光ダイオードを駆動するためのｎ型およびｐ型電極は、一般的に、III族窒化物層が形成された面（Ｇａ極性面）と同じ面に形成される構造が広く採用されている。さらに、印加電流を増やして高出力を得ることを目的として、レーザーリフトオフ法等によってサファイア基板をＧａＮ層から剥離する、もしくは導電性のＧａＮ基板を用いることによって、ｎ型ＧａＮ層もしくはｎ型ＧａＮ基板の裏面（−Ｃ面、窒素極性面）とｐ型ＧａＮ層表面に対向電極を形成する縦型発光ダイオード構造が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
一方、青色発光ダイオードよりも波長の短い紫外発光ダイオードでは、ＧａＮとＡｌＮの混晶系である窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）材料が用いられる。この場合でも、基板材料として主にサファイア基板が用いられ、ＩｎＧａＮ系発光素子と同様のプロセスによって紫外発光ダイオードが作製される。しかし、紫外発光ダイオードの場合は、ＡｌＧａＮ層中に形成される転位によって発光効率や信頼性の低下が顕著になるため、ＡｌＧａＮ層と物理定数が近接しているＡｌＮ単結晶を基板に用いる方法が提案されている。そして、ＡｌＮ単結晶を基板に採用することによって、高い発光効率と信頼性が得られることが報告されている（非特許文献２参照）。
紫外発光ダイオードにおいても、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードと同様に、縦型構造を採用することができれば更なる高出力化が期待できる。しかしながら、ＡｌＧａＮ系材料では、上述したレーザーリフトオフのような有効な基板剥離手段が未開発の状態であり、現状の技術レベルでは基板剥離技術を用いた縦型の紫外発光ダイオード構造を実現することは困難である。
また、縦型紫外発光ダイオードを実現するための別の手段として、ｎ型導電性のＡｌＮ基板を用いた縦型の紫外発光素子構造が挙げられる（特許文献３参照）。しかしながら、ｎ型導電性のＡｌＮ基板を用いた、紫外領域で発光する縦型紫外発光ダイオードは、未だ実現されていないのが現状である。
特開２００１−１４８３５７ 特開２００３−６９０７５ 特許５８１８８５３号
Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．５，ｐ８１０（２００６） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，６，０９２１０３（２０１３）
特許文献３には、ｎ型導電性を有するＡｌＮ単結晶基板の上下面に形成された、対向する電極を備えた縦型半導体デバイスが開示されており、半導体デバイスとして紫外発光ダイオードへ応用できることが示されている。
しかしながら、本発明者らが、特許文献３と、公知の紫外発光ダイオードの製造方法を組み合わせて縦型紫外発光ダイオードの作製を試みたところ、より低い動作電圧でより高い発光特性を得るためには、改善すべき点があることが分かった。
従って、本発明は、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上にＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層を積層した縦型紫外発光ダイオードであって、良好な発光特性および低い動作電圧の、紫外領域で発光する縦型紫外発光ダイオードを提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決するため、鋭意検討を行った。そして、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上にＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層を積層した種々の縦型紫外発光素子を作製し、発光特性および電流−電圧特性を評価した。その結果、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の窒素極性面側に形成されるｎ電極の形状が、発光特性の向上、および動作電圧の低下に影響を与えることを見出し、本発明を完成するに至った。加えて、ｎ電極が形成される界面のダメージ層や表面形状が発光特性の向上、および動作電圧の低減に影響を与えることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明に係る第１の縦型紫外発光ダイオードは、 発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードであって、
ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、
該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、
該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、部分的に設けられたｎ電極とを備え、
該反対側の面上のｎ電極が設けられていない部分の任意の点と、ｎ電極との最短距離が４００μｍ以下であることを特徴とする。
本発明に係る第２の縦型紫外発光ダイオードは、
発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードであって、
ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、
該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、
該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、少なくとも一つの光取出し窓となる開口部を設けて形成されるｎ電極とを備え、
該ｎ電極の端と開口部における任意の点との最短距離が４００μｍ以下であることを特徴とする。
第２の本発明においては、発光効率を高めるためには、前記開口部を複数有することが好ましい。
また、第２の本発明は、前記ｎ電極が形成される部分において、該部分のｎ型ＡｌＮ単結晶基板表面からのダメージ層厚みが５０ｎｍ以下であることが好ましい。
さらに、第２の本発明は、前記ｎ電極が形成される部分において、該部分の少なくとも一部が半極性面であることが好ましい。
本発明に係る第３の縦型紫外発光ダイオードは、
発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードであって、
ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、
該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、
該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、ｎ電極を備え、
前記ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上の前記ｎ電極が形成される部分において、該部分の少なくとも一部が半極性面であることを特徴とする。
本発明によれば、従来実現されていない、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板を用いた縦型紫外発光ダイオードが提供され、出力特性の向上と動作電圧の低減が可能な縦型紫外発光ダイオードを提供することができる。
通常であれば、光を取り出す窓口（発光表面の内、ｎ電極が形成されていない部分であり、好ましくはｎ電極で形成される開口部）は、広い方が多くの光を取り出すことができるため、好適であると考えられる。しかし、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板を用いた縦型紫外発光ダイオードにおいては、特定の大きさの窓口としなければ、窓口内での発光出力分布が大きくなり、またｎ型ＡｌＮ単結晶基板とｎ電極の界面にダメージ層が介在すると、動作電圧が増大することが分かり、本発明は、それを解決したものである。そのため、従来よりも低い駆動電流値で動作可能な紫外発光ダイオードの作製が可能になる。
また、ｎ電極が形成されるｎ型ＡｌＮ単結晶基板面を半極性面とすることで、電極抵抗が低減され、駆動電流を低くできる。
本発明の一例である縦型紫外発光ダイオードの断面図である。 第１の本発明における、ｎ電極の形成パターンの一例です。 第２の本発明における、ｎ電極が形成する開口部（光取出し窓）の一例である。 第２の本発明における、ｎ電極が形成する開口部（光取出し窓）の一例である。 第２の本発明における、ｎ電極が形成する開口部（光取出し窓）の一例である。 ｎ電極が形成される面における、ダメージ層がない（１０ｎｍ未満）場合を示した透過型電子顕微鏡写真の図である。 ｎ電極が形成される面における、ダメージ層がある（７０ｎｍ程度）場合を示した透過型電子顕微鏡写真の図である。 第３の本発明に関し、ｎ電極が形成される部分が半極性面となった状態を示す電子顕微鏡写真の図である。
本発明の紫外発光ダイオードは、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上、すなわち、Ｃ面（０００１）表面上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、およびｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、ｐ型ＧａＮ層上とｎ型ＡｌＮ単結晶基板の該アルミニウム極性面とは反対側の面上に電極を有する縦型構造を特徴としている。以下、アルミニウム極性面を単に「主面」、その反対側の面を単に「裏面」とする場合もある。
本発明の紫外発光ダイオードにおいては、活性層から放射される紫外光の発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある。そして、該紫外光はｎ型ＡｌＮ単結晶基板を透過してｎ型ＡｌＮ単結晶基板の裏面側から取り出される。裏面側にｎ電極が形成され、ｎ電極の間から紫外光が取り出される。以下、紫外光が取り出される裏面の内、ｎ電極が形成されていない部分を特に「発光面」と呼ぶことがあり、また、ｎ電極に囲まれた部分を「開口部」と呼ぶことがある。これらは光取出し窓として機能する。本発明において、発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードに限定したのは、本発明の効果が顕著に発揮されるからである。
次に、本発明の縦型紫外発光ダイオードにおいて、好適な構造について図１（断面図）等を用いて具体的に説明する。
（ｎ型ＡｌＮ単結晶基板）
図１において、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１は、ＡｌＮ基板中にｎ型ドーパント材料を含み、ｎ型導電性を有するものである。ｎ型ドーパント材料は、特に限定されるものではないが、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ等の公知のドーパント材料を用いることができる。中でも、ドーパント濃度の制御性や、ＡｌＮ中のイオン化エネルギーなどを考慮すると、Ｓｉであること好ましい。
ｎ型ドーパント濃度は、所望の導電性が得られるように適宜決定すればよいが、一般的には１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲であることが好ましく、５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることがより好ましい。
また、ｎ型ドーパント以外の不純物（例えばＣ、Ｍｇ、Ｃｌなど）は、ｎ型ドーパントを補償することによってｎ型導電性低下の要因となり得るため、１×１０１７ｃｍ−３以下の低濃度であることが好ましく、５×１０１６ｃｍ−３以下であることがさらに好ましい。
ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の電気抵抗は、紫外発光ダイオードの直列抵抗成分となる。そのため、紫外発光ダイオードの駆動電圧を低減させる観点から、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の比抵抗は低い方が好ましい。ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の比抵抗は、上述のｎ型ドーパント濃度と補償中心となるその他の不純物濃度を制御することにより調整できる。ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の比抵抗は、好ましくは３００Ωｃｍ以下、さらに好ましくは２００Ωｃｍ以下とすることが好ましい。比抵抗の下限は、低ければ低い方が好ましいが、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の工業的生産を考慮すると、０．１Ωｃｍである。
なお、Ｓｉ等のドーパント材料を含む不純物濃度の測定は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などの公知の技術によって行うことができる。また、ｎ型導電性は、公知のホール効果測定などにより測定することができる。
本発明の縦型紫外発光ダイオードにおいては、紫外光は基板を介して外部に放出される。そのため、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１中での紫外光の吸収を抑制し、高い発光出力を得るためには、本発明で限定した発光ピーク波長の範囲（２１０〜３００ｎｍ）において、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の透過率が高いことが好ましい。具体的には、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の、本発明で限定した発光ピーク波長範囲における吸収係数は、２５ｃｍ−１以下であることが好ましく、さらに好ましくは１５ｃｍ−１以下、最も好ましくは１０ｃｍ−１以下である。このような優れた紫外光透過性を実現するためには、ＡｌＮ単結晶中で吸収バンドを形成する不純物濃度を低減させる必要があり、具体的には、Ｃ、Ｏの濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることが好ましい。
ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１中の結晶欠陥（転位）は、キャリアの非輻射再結合中心として働き発光効率を低下させる、または電流リークパスや不純物の拡散パスとなることで信頼性を低下させる要因となる。そのため、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１中の転位密度は１０６ｃｍ−２以下であり、より好ましくは１０４ｃｍ−２以下である。転位密度の好適な下限値は０ｃｍ−２であるが、工業的な生産を考慮すると１０２ｃｍ−２である。転位密度の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、又は簡易的にアルカリ溶液に浸漬した後のエッチピット密度の観察により行うことができる。
本発明において、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の厚みは、所望の用途、設計に応じて適時決定すればよいが、ハンドリングの容易さを考慮すると、５０〜５００μｍの範囲である。基板の厚みが上述の５０μｍ未満の場合は、基板としての自立性を確保することが難しくなる傾向にあると共に、クラックなどの不具合が生じやすくなる傾向にあるため、結果として発光ダイオードの製造歩留りの低下を招くため恐れがある。一方、基板の厚みが５００μｍを超えると、ハンドリングが容易になる反面、ＡｌＮ基板の直列抵抗が増加することによる発光ダイオードの動作電圧の増大や、ＡｌＮ単結晶基板中での紫外光の吸収量が増加する結果、発光効率が低下するなどのマイナス要因が顕著になる傾向にある。歩留まりをより向上し、特性をさらに向上させるためには、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の厚みは、８０〜２００μｍの範囲であることがより好ましい。
また、紫外発光ダイオードを形成するｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層などが形成されるｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の主面の面方位は、Ｃ面（アルミニウム極性面）であって、光取出し面側となる裏面が−Ｃ面（窒素極性面）である。ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の主面は、Ｃ面から僅かに傾斜した面であってもよく、特に制限されるものではないが、Ｃ面から傾斜させる角度は０〜３°であることが好ましい。
本発明において、ｎ型Ａｌ単結晶基板１の主面（アルミニウム極性面）、及び裏面（窒素極性面）の面積は、特に制限されるものではなく、目的とする用途に応じて、適宜決定することができる。通常、工業的な生産、用途等を考慮すると、１つのチップにしたときのｎ型Ａｌ単結晶基板１の面積は、０．０１〜１０ｍｍ２であることが好ましい。
なお、このような特性のｎ型ＡｌＮ単結晶基板は、例えば特許文献３に記載されている、ＡｌＮ単結晶種基板上に、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法によって厚膜ＡｌＮ（ｎ型ＡｌＮ）を結晶成長した後、種基板を除去する方法によって、ｎ型ＡｌＮ単結晶層からなる基板を作製することができる。
（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層）
図１のｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、Ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層（以下、単に「ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層」とする場合もある）２は、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１のＣ面上（アルミニウム極性面上）に形成された単結晶層である。Ａｌ組成比のＸは、有理数であり、目的とする波長に応じて、０．５≦Ｘ≦１．０の範囲で適宜決定すればよい。ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２は、上記の組成範囲内のＡｌ組成の単一の層であってもよいし、組成の異なる複数の層から形成されていてもよく、組成が連続的に変化する傾斜層であってもよい。
また、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２は、ＡｌＮ単結晶基板１とａ軸の格子定数が格子整合（ｎ型ＡｌＮ単結晶基板とａ軸の格子定数が等しい）した状態であることが好ましい。本発明においては、ｎ型ＡｌＧａＮ層２の格子緩和率は５％以下であることが好ましい。格子緩和率の下限値は０％（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層とｎ型ＡｌＮ単結晶基板のａ軸格子定数が完全に一致している状態）である。なお、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２およびｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の格子定数や格子緩和率は、Ｘ線逆格子マッピング測定を行うことにより、各層の格子定数を測定することにより算出することができる。ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２の膜厚は、上述の格子緩和率が満たされる範囲内において自由に設計することができるが、通常は０．１〜２．０μｍである。本発明の縦型紫外発光ダイオードにおいては、原理的に、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２の膜厚増加に伴って、発光ダイオードの直列抵抗が増加する、また生産性が低下する等の理由により、０．１〜１μｍであることがより好ましい。ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層２が複数層からなる場合には、全ての層の格子緩和率が５％以下となることが好ましく、全ての層の合計厚みが０．１〜２．０μｍであることが好ましい。
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２は、結晶中にＳｉ、Ｏ、Ｇｅなどの公知のｎ型ドーパント材料をドーピングしたものである。中でも、使用するドーピング材料は、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板と同様の理由によりＳｉであること好ましい。ｎ型ドーパント濃度は所望の導電性が得られるように、適宜決定すればよいが、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
このようなｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の結晶成長法によって成長できる。中でも、生産性が高く工業的に広く用いられているＭＯＣＶＤ法が好ましい。ＭＯＣＶＤ法を採用する場合は、例えば特許文献３に記載の方法と同様にして、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２を形成すればよい。
（活性層）
図１において、活性層３は、前記ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２上に形成され、組成式ＡｌＺＧａ１−ＺＮ（但し、Ｚは、０.０≦Ｚ≦１．０を満足する有理数である）で示される単結晶層（以下、単に「ＡｌＺＧａ１−ＺＮ層」とする場合もある）から構成されることが好ましい。具体的には、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮ層からなる量子井戸層と障壁層を組み合わせた量子井戸構造にすることが好ましい。この量子井戸構造は、単一の量子井戸層、もしく複数の量子井戸層からなる多重量子井戸構造とすることもできる。量子井戸層の厚みは特に限定されるものではないが、発光効率の向上および信頼性の観点から、１．５〜１０ｎｍであることが好ましい。障壁層の厚みも、特に限定されるものではないが、一般的には５〜３０ｎｍの範囲である。また、量子井戸の層数は特に限定されるものではないが、より高い出力を安定して得るためには３層以上であることが好ましい。
量子井戸層および障壁層のＡｌ組成および厚みは、所望の発光ピーク波長が得られるように適宜決定すればよい。
また、量子井戸層および障壁層には、発光効率を向上させることを目的として、不純物をドーピングすることもできる。
また、活性層３は、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１とａ軸の格子定数が格子整合した状態であることが好ましく、本発明においては、格子緩和率は５％以下であることが好ましい。
活性層３は、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２と同様に、ＭＯＣＶＤ法で製造することが好ましい。この場合、例えば、特開２０１４−２４１３９７等に記載の方法と同様にして、活性層３を形成することができる。
（ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層）
図１において、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層（以下、単に「ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層」とする場合もある）４は、活性層３上に形成された単結晶層である。Ａｌ組成比のＹは、有理数であり、目的とする発光ピーク波長に応じて、０．５≦Ｙ≦１．０の範囲で適宜決定すればよい。ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４は、上記の組成範囲内のＡｌ組成の単一の層であってもよいし、組成の異なる複数の層から形成されていてもよく、組成が連続的に変化する傾斜層であってもよい。ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層での電子のリークを効果的に抑制するためには、活性層３側から、ｐ型ＡｌＮ層（Ｙ＝１．０）層／ｐ型ＡｌＧａＮ（０．５≦Ｙ＜１．０）層の積層構造を採用することが好ましい。
このようなｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層３は、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２および活性層３と同様に、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１とａ軸の格子定数が格子整合した状態であることが好ましく、格子緩和率も５％以下であることが好ましい。また、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４の膜厚は、発光ダイオードの設計に応じて適宜決定すればよいが、５〜１００ｎｍであることが好ましい。
なお、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４が複数層からなる場合には、全ての層の格子緩和率が５％以下となることが好ましく、全ての層の合計厚みが５〜１００ｎｍであることが好ましい。
ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４は、結晶中にＭｇ、Ｂｅ、Ｃなどの公知のｐ型ドーパント原料を含有することによりｐ型導電性を付与した単結晶層である。使用するｐ型ドーパント原料は、イオン化エネルギーの小さいＭｇを使用することが好ましい。ｐ型ドーパント濃度は所望の導電性が得られるように、適宜決定すればよいが、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４は、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２および活性層３と同様にＭＯＣＶＤ法で製造することが好ましい。ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４を形成する場合、例えば特開２０１４−２４１３９７等に記載の方法と同様にして、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４を形成すればよい。
（ｐ型ＧａＮ層）
図１において、ｐ型ＧａＮ層５は、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４上に形成された単結晶層であって、ｐ型ＧａＮ層５上に形成されるｐ電極７と接触する層となる。ｐ型ＧａＮ層５のｐ型ドーパントは、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４と同様に、Ｍｇを使用することが好ましい。ｐ型ＧａＮ層５中のドーパント濃度は、適宜決定すればよいが、ｐ型電極との接触抵抗の低減を容易にする観点から、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。また、ｐ型ＧａＮ層５中において、ドーパント濃度は単一であっても良いし、層内で濃度傾斜を持たせることもできる。
また、ｐ型ＧａＮ層５の膜厚は、特に限定されるものではないが、５〜４００ｎｍであることが好ましい。ｐ型ＧａＮ層が上記範囲を満足することにより、ｐ電極との接触抵抗が増加するのを抑制することができ、ｐ型ＧａＮ層の成長時間が長時間化してしまうのを防止することができる。ｐ型ＧａＮ層のその他の層と同様に、ＭＯＣＶＤ法によって製造することが好ましく、例えば、特許５４０１１４５等に記載の方法と同様にしてｐ型ＧａＮ層５を形成すればよい。
（ｐ電極）
図１において、ｐ型ＧａＮ層５上に形成されるｐ電極６は、ｐ型ＧａＮ層５との接触抵抗を低減できる材料であれば、特に制限されるものではなく、公知のｐ型オーミック電極材料を使用することができる。具体的には、例えば、特許３４９９３８５等に記載されている、Ｎｉ、Ａｕを含む電極材料や、特開２００４−３２７９８０等に記載されているＰｄ、Ｐｔ、ＩＴＯ等の電極材料を使用することができる。また、ｐ電極６は、活性層で発生した紫外光を、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板側に反射させることを目的として、Ａｌを含む層とすることもできる。
また、ｐ電極６は、ｐ型ＧａＮ層５上の全面に形成してもよいし、メッシュ状に形成することもできる。ｐ電極６とｐ型ＧａＮ層５間の抵抗値を低減するためには、接触面積を大きくすることが好ましい。ただし、一般的に、上述したｐ型オーミック電極材料は、紫外光の反射率が低い。そのため、基板側への紫外光の反射量を増加させる目的で、メッシュ形状のｐ型電極とＡｌ反射電極を組み合わせるなどの構造を採用することが好ましい。
これらの電極材料は、真空蒸着法、スパッタリング法などによって形成できる。ｐ電極を形成した後には、接触抵抗値を低減させる目的で、窒素、酸素などの雰囲気中でアニール処理を行うことが好ましい。アニール温度は、特に制限されるものではないが、一般的に４００〜７００℃程度である。また、特に制限されるものではないが、ｐ電極６の厚みは、１〜３００ｎｍであることが好ましい。
（ｎ電極）
図１において、ｎ電極７は、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の主面とは反対側の裏面（窒素極性面）側に形成される。裏面のうち、ｎ電極が形成されていない部分は発光面として機能し、好ましい態様では、光取出し窓として機能する開口部を備えている。図２、図３、図４および図５に、光が取り出される側から見たｎ電極の形状を示す。図３、図４および字５は、ｎ電極が開口部８（光取出し窓）を構成した例を示している。
ｎ電極の形状は特に限定されるものではなく、図２に示すように櫛形の形状であってもよく、図３および図４に示すように、ｎ電極により円形、四角形などの開口部８（光取出し窓）が形成された形状でもよい。中でも、発光出力や電流密度の不均一を抑制する観点から、円形に代表されるように、極力等方的な電流注入が可能な形状であることが好ましい。
そして、本発明においては、ｎ電極の端と、ｎ電極が形成されていない部分（すなわち発光面あるいは開口部、以下ではこの部分を総称して単に「開口部」と呼ぶ）における任意の点との最短距離が４００μｍ以下でなければならない。すなわち、開口部における全ての点（位置）において、その点（位置）と最も近い位置にあるｎ電極の端との距離が４００μｍ以下とならなければならない。言い換えれば、開口部のある一点とその点から最も近い位置にあるｎ電極の端との距離を測定し、その距離が最も長くなる組み合わせを見つけ、その組み合わせの距離が４００μｍ以下とならなければならない。なお、当然のことながら、ｎ電極の端とは、開口部と接する側の端である。
例えば、図２に示すようにｎ電極が櫛形の場合には、開口部８中、ｎ電極との距離が最も長くなるのは、ａ−ｂ間であり、このａ−ｂ間の距離が４００μｍであればよい。図３のような円形の場合には、開口部８の中心ｃとｎ電極の端ｄとの距離（ｃ−ｄ間の距離）、すなわち開口部８の半径が４００μｍ以下となれば、ｎ電極の端と開口部における任意の点との最短距離が４００μｍ以下となる。また、図４のような開口部８が四角形の場合、開口部８の中心ｅとｎ電極７の辺と垂直に交わる点ｆにおいて、開口部８の中心ｅと該点ｆとの距離（ｅ−ｆ間の距離）が長くなる方の組み合わせの距離が４００μｍ以下となれば、ｎ電極の端と開口部における任意の点との最短距離が４００μｍ以下となる（当然ことながら、正方形の場合には、開口部８の中心ｅとｎ電極７の辺と垂直に交わる点ｆとの距離は、何れも等しくなる。）。また、変形例として、図５のように、四角形状の開口部８中に線状のｎ電極９を設けた場合には、最も近い位置にあるｎ電極の端ｈと開口部８にある点との距離が最も長くなるのは、ｇ−ｈ間の距離あり、このｇ−ｈ間の距離が４００μｍ以下となればよい。
ｎ電極の端と開口部における任意の点との最短距離が４００μｍ以下でなければならない。最短距離が４００μｍを超えると（ｎ電極７の開口部が大きくなると）、開口部の中心までキャリアが到達できなくなり、開口部の中心部では発光強度が低くなり、ｎ電極に近い部分、すなわち開口部の外周部のみ発光している現象が発生する。この場合、結晶内での電流密度の分布が大きくなり、結果として素子の信頼性が低下するなどの不具合が生じやすくなる。最短距離を４００μｍ以下に設計することで、開口部での電流密度の偏りが低減され、結果として開口部内の発光強度を均一にすることができる。最短距離が小さすぎると発光ダイオードチップ内での発光面積が相対的に小さくなって、発光強度が低下する場合がある。そのため、最短距離の下限値は３０μｍであることが好ましい。発光強度の均一性と発光強度とを考慮すると、最短距離は、５０〜４００μｍであることが好ましく、さらに好ましくは５０〜３００μｍである。また、電流の等方性、発光の均一性を考えると、開口部８は、図３〜図５に示すように、ｎ電極に囲まれた形態とすることが特に好ましい。
本発明において、開口部８は、前記最短距離を満足すれば１つであってもよいが、発光強度の点から、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面に複数存在することが好ましい。開口部８の数は、最短距離の長さ、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の大きさ（ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面の面積）等に応じて適宜決定すればよい。中でも、開口部８の合計面積（全面積）が、発光ダイオードチップの形状に加工された後のｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面の面積の４０％以上、さらに好ましくは５０％以上となるように、開口部８を複数設けることが好ましい。また、開口部８の合計面積の上限値は、発光ダイオードチップの形状に加工された後のｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面の９０％である。前記の通り、１つのチップにした際のｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面の面積は０．０１〜１０ｍｍ２が好ましく、この場合、開口部８の合計面積は０．００４〜９ｍｍ２となることが好ましい。
本発明において、ｎ電極７は、公知のｎ型オーミック電極材料および形成方法を使用することができる。具体的には、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１との接触抵抗値を低減可能な材料であれば、特に限定されるものではない。具体的には、特開２０１１−５４７６０４に記載されているＴｉ、およびＡｌを含む電極材料を使用することが好ましい。ｎ電極７は、これらの電極材料を用いて、真空蒸着法、スパッタリング法でｎ型ＡｌＮ単結晶基板１上にｎ電極７を形成する。ｎ電極７は、多層の金属膜から形成されてもよい。また、接触抵抗値を低減させるため、ｎ電極７を形成した後に、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気中でアニールすることが好ましい。アニール温度は特に制限されるものではないが、７００〜１１００℃であることが好ましい。また、ｎ電極（層）７の厚みは、特に限定されるものではなく、アニール後の接触抵抗値の低減が可能な範囲で各層の膜厚を適示決定すればよい。中でも、電極層の生産性などを考慮すると、総厚を５０〜５００ｎｍにすることが好ましい。
（ｎ電極７が形成される裏面について）
本発明においては、ｎ電極７が形成されるｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面において、機械研磨などによるダメージ層厚みが５０ｎｍ以下となることが好ましい。このダメージ層の厚みは、通常であれば、１０００００〜１００００００の倍率の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）測定におけるコントラストにより確認される、結晶構造の揺らぎや転位が発生している層の厚みである。当然、ダメージ層の厚みは、該窒素極性面からのｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の深さ方向の厚みである。
ｎ電極７が形成されるｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の窒素極性面の表面上に、機械研磨などによるダメージ層が存在すると、ｎ電極７とｎ型ＡｌＮ単結晶基板１との接触抵抗が増大する要因となる。そのため、ダメージ層の厚みは５０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０ｎｍ以下である。ダメージ層の厚みの下限値は、当然のことながら０ｎｍである。
III族窒化物基板表面を機械研磨すると、数十ｎｍ以上の深さのダメージ層が形成されることが知られている（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１１３，１２３５０８（２０１３）参照。）。ダメージ層を５０ｎｍ以下とするためには、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）研磨を実施してやればよい。一般的に、ＣＭＰ研磨は、結晶成長面の表面ダメージ層を取り除く目的で行われるが、本発明者等は、結晶成長面の反対側である窒素極性面（電極形成面）側にも、同様のＣＭＰ研磨を行うことが、電極特性の改善において効果的であることを見出した。
本発明において、ＣＭＰ研磨でダメージ層を除去する場合には、ＩＩＩ族窒化物のＣＭＰ研磨剤として通常用いられるアルカリ性研磨剤を使用することができる。ただし、研磨剤によるエッチングによって研磨傷が取り除けない場合があるため、中性もしくは酸性の研磨剤を用いることが好ましい。ＣＭＰ研磨に用いる砥粒のサイズも特に限定されるものではないが、２０〜１００ｎｍ程度のものを用いることが好ましい。このような条件でｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の窒素極性面のＣＭＰ研磨を行うことによって、ダメージ層の厚みを５０ｎｍ以下にすることができる。
本発明においては、ｎ電極７が形成される面は、結晶成長面（Ｃ面；アルミニウム極性面（主面））と平行な−Ｃ面（０００−１；窒素極性面（裏面））となる。本発明においては、この窒素極性面上に直接ｎ電極７を積層することができる。また、本発明の他の態様では、ｎ電極７が形成される裏面の少なくとも一部分を半極性面とすることもできる。ｎ電極７を形成する結晶面として、−Ｃ面から、Ａ面（１１−２０）面やＭ面（１−１００）面側に傾いた半極性面を用いることによって、電極抵抗を低減できる。具体的には、この半極性面が露出した形状は、半極性面で形成された多角錐となる。半極性面の面方位は、特に限定されるものではないが、形状の化学的な安定性などを考慮すると、（１−１０２）や（１−１０１）などの、Ｍ面（１−１００）を傾斜させた半極性面を用いることが好ましく、中でも（１−１０１）が好ましい。半極性面上にｎ電極７を形成することによって、ｎ電極７とｎ型ＡｌＮ単結晶基板１との電極抵抗を低減できる要因は、必ずしも明確ではないが、本発明者らは次の可能性があるものと考えている。すなわち、１）ｎ電極７とｎ型ＡｌＮ単結晶基板１との接触抵抗は変わらないものの、電極の接触面積が増加する結果、電極抵抗が低減される、もしくは、２）−Ｃ面に比べて半極性面では、ｎ電極７とｎ型ＡｌＮ単結晶基板１との間のエネルギーバリアが小さくなるため、接触抵抗が小さくなり、その結果、電極抵抗が低減される、などが考えられる。
このような半極性面は、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の−Ｃ面（窒素極性面）を、公知のフォトリソグラフィーやナノインプリントなどによって所定のパターンを形成した後、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチングすることによって形成することができる。また、アルカリ溶液に浸漬してｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の窒素極性面をエッチングすることによって形成することもできる。ＩＣＰドライエッチングを行う場合、エッチングガスにはＣｌ２、ＢＣｌ３、ＣＨＦ３などの公知のエッチングガスを用いることができる。また、ＩＣＰドライエッチング後のｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面表面は、単に円錐形状の凹凸が形成されるだけであり、上述したようなＭ面を傾斜させた半極性面が形成されていない場合がある。そのため、半極性面を露出させる目的、およびＩＣＰドライエッチング表面に形成されるダメージを除去する目的で、ＩＣＰドライエッチング後には、アルカリ溶液または塩酸などの溶液中で浸漬エッチング処理を行うことが好ましい。この浸漬エッチング処理の条件は適宜決定すればよいが、例えば、塩酸を使用する場合には、４０℃に加熱した２０％の塩酸溶液中に３０分間程度、浸漬すればよい。また、アルカリ水溶液としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）水溶液、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）などの公知のアルカリ溶液を使用できる。
一方、アルカリ溶液によるエッチング処理を行う場合のエッチング条件は、特に限定されるものではなく、所望の形状が得られるよう適宜決定すればよい。アルカリ溶液としては上述した公知のアルカリ溶液と同じものを用いることができる。また、温度、浸漬時間なども特に制限されるものではないが、例えば１０％のＫＯＨ水溶液を用いる場合は、エッチング温度は４０〜１００℃、浸漬時間は２〜１０ｍｉｎの範囲で適宜決定すればよい。
なお、本発明において、半極性面の面方位は、水平方向および垂直方向の凹凸の角度を測定することで概ね知ることができる。また、半極性面は、ｎ電極７が形成される部分に少なくとも存在すればよいが、半極性面上にｎ電極７を形成するのであれば、生産性を考慮すると、単結晶ＡｌＮ基板１の裏面全体を半極性面とすることが好ましい。さらに、裏面全面を半極性面とすることにより、光取出し効率を向上することもできる。
以下、発光波長２６０ｎｍの縦型紫外発光ダイオードを作製した実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１
（ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の準備）
ｎ型ＡｌＮ単結晶基板は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ８（２０１５）０６１００３に記載の方法により作製した。具体的には、先ず、ＰＶＴ法（昇華法）により作製されたΦ２５ｍｍのＣ面ＡｌＮ種基板を準備した。このＡｌＮ種基板は、オフ角度は０．０５〜０．３°であり、転位密度は１０４ｃｍ−２以下である。また、使用したＡｌＮ種基板は高抵抗（比抵抗値１０ＴΩｃｍ）である。
次に、前記ＡｌＮ種基板上に、ＨＶＰＥ法により３００μｍの厚みでｎ型ＡｌＮ厚膜（以下、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜とする）を形成し、その後、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜成長面ＣＭＰ研磨を行った。ＣＭＰ研磨後のＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜はＸ線ロッキングカーブ測定から、ＡｌＮ種基板と同様に１０４ｃｍ−２以下の転位密度が保持されていることが確認された。なお、ドーパントはＳｉとした。
また、ＣＭＰ研磨後のＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜のオフ角度は０．２〜０．５°になるように制御した。このようにして作製した成長用基板（ＡｌＮ種基板上にＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜が積層された基板）の結晶成長面（ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜の研磨した面）の表面粗さ（ＲＭＳ）は、５×５μｍ２の範囲で０．１ｎｍ以下であった。
さらに、同様にして作製した成長用基板のＡｌＮ種基板部分を機械研磨により除去した後に、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜（厚み１００μｍ）の透過率の測定を行った結果、２６０ｎｍの直線透過率は６３％以上であり、同波長における吸収係数は１０ｃｍ−１以下であることが確認された。また、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜（厚み１００μｍ）には、Ｓｉが２×１０１８ｃｍ−３含まれ、比抵抗が１６０Ωｃｍであり、Ｃ、Ｏの濃度が共に１×１０１７ｃｍ−３以下であった。
なお、下記に詳述するが、ＡｌＮ種基板部分は、縦型紫外発光素子を作製する際には、この成長用基板から最終的に除去する。そのため、本発明におけるｎ型単結晶ＡｌＮ基板は、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜部分が該当する。
（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２の成長）
以上のように作製した成長用基板をＭＯＣＶＤ装置内のサセプター上に設置し、総流量１３ｓｌｍの水素と窒素の混合ガスを流しながら、１２００℃まで加熱し、結晶成長面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を１０５０℃とし、トリメチルアルミニウム流量を３５μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム流量を１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、テトラエチルシラン流量を０．０２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量を１．５ｓｌｍの条件で、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を１．０μｍ形成した。なお、同条件で形成したｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層に含まれるＳｉは、９×１０１８ｃｍ−３であった。
（活性層３の成長）
次いで、テトラエチルシラン流量を０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎとした以外は、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と同条件で障壁層を１０ｎｍ形成した。次いで、トリメチルガリウム流量を４０μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルアルミニウムを３μｍｏｌ／ｍｉｎ、テトラエチルシラン流量を０μｍｏｌ／ｍｉｎとした以外はｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と同条件で、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ井戸層を３ｎｍ形成した。この井戸層と障壁層の成長を３回繰り返すことにより３重量子井戸層（活性層）を形成した。なお、同条件で形成した障壁層に含まれるＳｉは、１×１０１８ｃｍ−３であった。
（ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層４の成長）
次いで、トリメチルガリウムおよびテトラエチルシランの供給を停止し、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを１．０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給した以外は、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と同条件で、ｐ型ＡｌＮ層を２０ｎｍ形成した。なお、同条件で形成したｐ型ＡｌＮ層に含まれるＭｇは、５×１０１９ｃｍ−３であった。
次いで、トリメチルガリウム流量を８μｍｏｌ／ｍｉｎで供給した以外は、ｐ型ＡｌＮ層と同様の条件で、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層を３０ｎｍ形成した。なお、同条件で形成したｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層に含まれるＭｇは、６×１０１９ｃｍ−３であった。
（ｐ型ＧａＮ層５の成長）
次いで、基板温度を１０３０℃、圧力を２００ｍｂａｒに変更した後、トリメチルガリウム流量が０．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量が３．０ｓｌｍ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム流量が１．０μｍｏｌ／ｍｉｎ、キャリアガス流量が７ｓｌｍ（窒素混合比０．４）の条件で、ｐ型ＧａＮ層を２００ｎｍ形成した。ｐ型ＧａＮ層に含まれるＭｇは、７×１０１９ｃｍ−３であった。
（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層からｐ型ＧａＮ層の特徴）
ｐ型ＧａＮ層まで成長した基板をＭＯＣＶＤ装置から取出し、ＡｌＮ基板と同様に、高分解能Ｘ線回折装置によって結晶品質を評価した。各層の格子緩和の状態評価のために（１１４）面のＸＲＤ逆格子マッピング測定を行った結果、ＡｌＧａＮ層（ｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層）の格子緩和率は全て１．０％以下であり、ｐ型ＧａＮ層の格子緩和率は７１．２％であった。
（ｎ型ＡｌＮ単結晶基板１の裏面の露出）
次いで、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜の窒素極性面が露出するまで、ＡｌＮ種基板を機械研磨により除去した。その後、ＣＭＰ研磨によってＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の窒素極性面のダメージ層を除去した。研磨後に残ったｎ型ＡｌＮ単結晶厚膜（基板）の厚みは、１０９μｍであった。同様にＣＭＰ研磨を行って作製したｎ型ＡｌＮ単結晶基板の窒素極性面の断面ＴＥＭ像を図６、およびＣＭＰ研磨を行わず機械研磨のみを行ったｎ型ＡｌＮ単結晶基板の窒素極性面の断面ＴＥＭ像を図７に示す。機械研磨のみの場合は、表面からのダメージ層の厚み（深さ）が７０ｎｍ程度であったのに対し、ＣＭＰ研磨を行った場合は、１０ｎｍ未満であった。
（ｎ電極７の形成（開口部８の形成)）
次いで、ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の窒素極性面側（裏面）に、図３のような複数の直径５００μｍの円形の開口部（最短距離２５０μｍ）を設けたｎ電極（Ｔｉ（１０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ｔｉ（５ｎｍ））を真空蒸着法により形成し、窒素雰囲気中、１分間、８００℃の条件で熱処理を行った。
（ｐ電極６の形成）
次いで、上記ｐ型ＧａＮ層上に真空蒸着法によりｐ電極（Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ））電極を形成し、窒素雰囲気中、５分間、５００℃の条件で熱処理を行った。
次いで、熱処理後のｎおよびｐ電極上にパッド電極（Ｔｉ（１０ｎｍ）／Ｎｉ（３００ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ））を形成し、縦型紫外発光ダイオードウェハを完成させた（この場合ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ厚膜部分がｎ型ＡｌＮ単結晶基板に該当する）。
（縦型紫外発光ダイオードの特性）
作製した縦型発光ダイオードウェハをダイシングにより複数の１．８×１．８ｍｍのチップ形状に切断した後、セラミック基板上にマウントして、縦型発光ダイオードを完成させた。ｎ型ＡｌＮ単結晶基板の裏面の面積は３．２４ｍｍ２であり、全開口部の面積は１．７７ｍｍ２（開口部数９個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は５５％である。作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は３７Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．８１であった。これらの結果を表１にまとめた。
実施例２
実施例１のｎ電極の形成において、開口部の直径を３００μｍ（最短距離１５０μｍ）に変更した以外は、実施例１と同様の方法で縦型発光ダイオードを作製した。開口部の面積は１．７７ｍｍ２（開口部数２５個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は５５％である。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は３５Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．８７であった。これらの結果を表１にまとめた。
実施例３
実施例１のｎ型ＡｌＮ単結晶基板の裏面の露出において、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ基板の窒素極性面のＣＭＰ研磨後に、１０％のＫＯＨ水溶液中に１００℃、５ｍｉｎの条件で浸漬した以外は、実施例１と同様の方法で縦型発光ダイオードを作製した。全開口部の面積は１．７７ｍｍ２（開口部数９個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は５５％である。開口部の電子顕微鏡写真を図８に示す。ｎ型ＡｌＮ単結晶全面に６角錐が形成されており、水平面と６角錐の面角度は６０〜６３°であり、ＡｌＮの（１−１０１）面とほぼ等しいことが確認された。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は２３Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．８０であった。これらの結果を表１にまとめた。
実施例４
実施例１のｎ型ＡｌＮ単結晶基板の裏面の露出において、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ基板の窒素極性面のＣＭＰ研磨を行わない以外は、実施例１と同様の方法で縦型発光ダイオードを作製した。全開口部の面積は１．７７ｍｍ２（開口部数９個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は５５％である。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６１ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は９４Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．８２であった。これらの結果を表１にまとめた。
実施例５
実施例１のｎ電極の形成において、開口部を一辺が５００μｍの正方形（最短距離２５０μｍ）とした以外は、実施例１と同様の方法で縦型紫外発光ダイオードを製した。全開口部の面積は１．５ｍｍ２（開口部数６個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は４６％である。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６１ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は３３Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．７３であった。これらの結果を表１にまとめた。
比較例１
実施例１のｎ電極の形成において、開口部の直径を１０００μｍ（最短距離５００μｍ）に変更し、チップの中心部に単一の開口部を設けた以外は実施例１と同様の方法で縦型発光ダイオードを作製した。開口部の面積は０．７９ｍｍ２（開口部数１個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は２４％である。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は３０Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．６６であった。これらの結果を表１にまとめた。
比較例２
比較例１において、ＨＶＰＥ法ｎ型ＡｌＮ基板の窒素極性面のＣＭＰ研磨を行わない以外は比較例１と同様の方法で縦型発光ダイオードを作製した。開口部の面積は０．７９ｍｍ２（開口部数１個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は２４％である。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は９５Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．６８であった。これらの結果を表１にまとめた。
比較例３
縦型紫外発光ダイオードのチップ形状を１．１×１．１ｍｍとした以外は、比較例２と同様にして、縦型発光ダイオードを作製した。開口部の面積は０．７９ｍｍ２（開口部数１個）であり、チップの裏面面積に対する開口部の割合は５５％である。
作製した縦型発光ダイオードの発光波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける動作電圧は１６７Ｖであった。また、発光ダイオードの近視野像が見積もった発光面上の発光強度分布（最小光強度／最大光強度）は０．５７であった。これらの結果を表１にまとめた。
Figure 2017150280
実施例では、開口部の面積割合が大きくても発光強度分布が均一で、優れた発光効率が達成されている。これに対し、比較例では、開口部の面積割合が小さくても、発光強度分布が不均一であることが分かる。また、実施例は、動作電圧が低いことも分かる。また、裏面に半極性面を設けた場合（実施例３）、ダメージ層を低減した場合には、より特性の優れる紫外発光ダイオードが得られることが分かる。
１ ｎ型ＡｌＮ単結晶基板
２ ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層
３ 活性層
４ ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層
５ ｐ型ＧａＮ層
６ ｐ電極
７ ｎ電極
８ 開口部（光取出し窓）

Claims (7)

  1. 発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードであって、
    ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、
    ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、
    該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、
    該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、部分的に設けられたｎ電極とを備え、
    該反対側の面上のｎ電極が設けられていない部分の任意の点と、ｎ電極との最短距離が４００μｍ以下であることを特徴とする縦型紫外発光ダイオード。
  2. 発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードであって、
    ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、
    ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、
    該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、
    該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、少なくとも一つの光取出し窓となる開口部を設けて形成されるｎ電極とを備え、
    該ｎ電極の端と開口部における任意の点との最短距離が４００μｍ以下であることを特徴とする縦型紫外発光ダイオード。
  3. 前記開口部を複数有することを特徴とする請求項２に記載の縦型紫外発光ダイオード。
  4. 前記ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上の前記ｎ電極が形成される部分において、該部分のｎ型ＡｌＮ単結晶基板表面からのダメージ層厚みが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の縦型紫外発光ダイオード。
  5. 前記ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上の前記ｎ電極が形成される部分において、該部分のｎ型ＡｌＮ単結晶基板表面からのダメージ層厚みが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の縦型紫外発光ダイオード。
  6. 前記ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上の前記ｎ電極が形成される部分において、該部分の少なくとも一部が半極性面であることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の縦型紫外発光ダイオード。
  7. 発光ピーク波長が２１０〜３００ｎｍの範囲にある紫外発光ダイオードであって、
    ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面上に、
    ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、活性層、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（但し、Ｙは、０．５≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）で表わされる層、及びｐ型ＧａＮ層をこの順で有し、
    該ｐ型ＧａＮ層上に形成されるｐ電極と、
    該ｎ型ＡｌＮ単結晶基板のアルミニウム極性面とは反対側の面上に、ｎ電極を備え、
    前記ｎ型ＡｌＮ単結晶基板上の前記ｎ電極が形成される部分において、該部分の少なくとも一部が半極性面であることを特徴とすること縦型紫外発光ダイオード。
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