WO2014123092A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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俊之 小幡
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Definitions

  • the present invention relates to a novel deep ultraviolet light emitting device using a nitride semiconductor and having an emission wavelength in the 200 to 300 nm region.
  • gas light sources such as deuterium and mercury are used as deep ultraviolet light sources with an emission wavelength of 300 nm or less. These gas light sources have disadvantages such as short life and large size.
  • Mercury is a substance that is being regulated by the Convention. Therefore, the realization of a deep ultraviolet light emitting element using a semiconductor that can solve these disadvantages and is easy to handle is awaited.
  • a light emitting element using a semiconductor has a problem that light output is weak and luminous efficiency is low as compared with a gas light source such as a deuterium gas lamp or a mercury gas lamp.
  • the reason why the light output is insufficient in the semiconductor light emitting device is that, in the nitride semiconductor light emitting device, the effective mass of electrons is smaller than that of holes and the carrier concentration is high. It is possible to overcome the light emission efficiency by overcoming and overflowing the p-type layer. Such overflow of electrons to the p-type layer causes a further decrease in luminous efficiency under high injection current conditions, and at the same time the amount of heat generation increases. As a result, the light output reaches a peak, and it becomes difficult to obtain a light output corresponding to the amount of injected carriers.
  • Patent Document 1 discloses that in a semiconductor light emitting device having an emission wavelength exceeding 300 nm, an electron block layer having a band gap larger than the band gap of the active layer is formed between the active layer and the p-type layer. A technique for preventing the outflow of electrons from the active layer region to the p-type layer and increasing the light emission efficiency is described.
  • Non-Patent Document 2 describes an attempt to apply the above-described electronic block layer in a deep ultraviolet light-emitting device (see Non-Patent Document 2).
  • the band gap of the p-type layer in the deep ultraviolet light-emitting device having an emission wavelength of 300 nm or less is required to be larger than the band gap of the p-type layer in the near-ultraviolet and visible light emitting devices.
  • the hole activation rate in the p-type layer of the deep ultraviolet light-emitting element is further decreased and the effective mass is increased, and it is considered that the overflow of electrons is more likely to occur.
  • an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor deep ultraviolet light emitting device having high luminous efficiency by solving the above-mentioned problems in a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 200 to 300 nm.
  • the inventor has intensively studied to solve the above problems.
  • the active layer the electron block layer having a band gap larger than the band gap of the layer forming the p-type layer, the minimum band gap in the n-type layer
  • the luminous efficiency of the nitride semiconductor deep ultraviolet light-emitting device is provided by providing at least one p-type first layer having a band gap larger than the band gap of the layer (hereinafter also referred to as “n-type first layer”).
  • n-type first layer has been found to be effectively improved, and the present invention has been completed.
  • the first aspect of the present invention is: [1] A nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 200 to 300 nm, An n-type layer composed of a single layer or a plurality of layers having different band gaps, A p-type layer composed of a single layer or a plurality of layers having different band gaps, and an active layer disposed between the n-type layer and the p-type layer,
  • the p-type layer has a p-type first layer having a band gap larger than that of the n-type first layer having the smallest band gap in the n-type layer, and forms an active layer and a p-type layer.
  • the nitride semiconductor light emitting device is characterized in that an electron block layer having a band gap larger than any of the band gaps of the layers is provided between the active layer and the p-type first layer.
  • the p-type layer may be composed of a plurality of layers having different band gaps.
  • the active layer has a well layer and a barrier layer;
  • the p-type layer has a p-type cladding layer and a p-type contact layer;
  • An n-type layer, an active layer, an electron block layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer include a stacked structure in this order;
  • the barrier layer has a composition formula of Al a Ga 1-a N (0.
  • the p-type cladding layer is represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.44 ⁇ b ⁇ 1.00); and the Al composition of the p-type cladding layer And the difference (ba) between the Al composition of the barrier layer and the barrier layer is preferably more than 0.10 and not more than 0.45.
  • the p-type cladding layer is preferably a p-type first layer.
  • the well layer is represented by a composition formula Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e ⁇ 0.87);
  • the difference (ae) between the Al composition and the Al composition of the well layer is preferably 0.02 or more.
  • the thickness of the well layer is preferably 4 to 20 nm.
  • the electron blocking layer is located in p-type or i-type; the composition of the electron blocking layer is a composition formula Al c Ga 1-c N (0.45 ⁇ c ⁇ 1.00); the composition of the p-type cladding layer is represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.44 ⁇ b ⁇ 1.00);
  • the Al composition (c) is greater than the Al composition (b) of the p-type cladding layer; the difference (ca) between the Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of the barrier layer is 0.11 to 0
  • the difference (b ⁇ a) between the Al composition of the p-type cladding layer and the Al composition of the barrier layer is preferably more than 0.10 and not more than 0.45.
  • the plurality of barrier layers have a plurality of barrier layers; the plurality of barrier layers include a first barrier layer in contact with the n-type layer; And a second barrier layer in contact with the electron blocking layer.
  • a second aspect of the present invention is a nitride semiconductor wafer having a laminated structure of nitride semiconductor light emitting elements according to the first aspect of the present invention.
  • the light emission efficiency of the nitride semiconductor deep ultraviolet light emitting device can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment of a nitride semiconductor light emitting device of the present invention. It is a figure explaining an example of the energy band figure of the nitride semiconductor light-emitting device of FIG. It is a schematic cross section explaining an example of an energy band diagram in another embodiment of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention. It is a schematic cross section explaining an example of an energy band diagram in another embodiment of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention. It is a schematic cross section explaining an example of an energy band diagram in another embodiment of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
  • Nitride Semiconductor Light Emitting Device First, a basic outline of the nitride semiconductor light emitting device will be described.
  • a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 200 to 300 nm (hereinafter sometimes simply referred to as “deep ultraviolet light emitting device”) is obtained by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • a group III source gas for example, an organic metal gas such as trimethylaluminum, and a nitrogen source gas are formed on a single crystal substrate, which will be described later, or on a laminated substrate.
  • a raw material gas such as ammonia gas.
  • a known method can be adopted.
  • the nitride semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a method other than the MOCVD method.
  • the nitride semiconductor light emitting device is not particularly limited as long as it has an emission wavelength of 200 to 300 nm. Specifically, it contains at least one selected from boron, aluminum, indium, and gallium, and nitrogen, and has a general formula: B X Al Y In Z Ga 1-xyz N (0 ⁇ x ⁇ 1, If the composition of each layer is determined from the structures represented by 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1, 0 ⁇ x + y + z ⁇ 1), a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 200 to 300 nm is obtained. Good. To give a more specific example, for example, when the active layer is formed with a composition represented by Al a Ga 1-a N, a composition of 0.2 ⁇ a ⁇ 1 is required.
  • the band gap tends to increase as the proportions of B and Al increase, and the band gap tends to decrease as the proportions of In and Ga increase. Therefore, the band gap of each layer can be adjusted by the ratio of these constituent elements.
  • the ratio of the constituent elements is as follows: SIMS (Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer), TEM-EDX (Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-rayspectrometry: transmission electron microscope) -Energy dispersive X-ray spectroscopy) It can be obtained by measurement by a three-dimensional atom probe method (3DAP) or the like. And a band gap can be converted from the ratio of the constituent element of each layer.
  • 3DAP three-dimensional atom probe method
  • the band gap of each layer can also be calculated
  • CL method cathodoluminescence method
  • PL method photoluminescence method
  • the constituent elements are Al, Ga, and N
  • the Al composition can be specified from the band gap value using a conversion formula.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device of the present invention according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an energy band diagram of the nitride semiconductor light emitting device of FIG.
  • the vertical direction of the paper surface represents the size of the band gap, and the energy band diagram is drawn such that the energy of electrons increases (the energy of holes decreases) as it goes upward in the paper surface.
  • FIG. 2 shows that, for example, the band gaps of the electron block layer 40 and the p-type first layer 51 are larger than the band gap of the n-type layer 20.
  • a nitride semiconductor light emitting device 1 includes a substrate 10, an n-type layer 20 provided on the substrate 10, an active layer 30 provided on the n-type layer 20, and an active layer.
  • the electron block layer 40 provided on 30 and the p-type layer 50 provided on the electron block layer 40 are provided.
  • the n-type layer is a single layer.
  • the n-type layer 20 corresponds to the n-type first layer having the smallest band gap in the n-type layer.
  • the p-type layer 50 is composed of a plurality of layers having different band gaps.
  • the p-type layer 50 includes a p-type first layer (p-type cladding layer) 51 having a band gap larger than that of the n-type first layer 20 and a p-type layer having a different band gap from the p-type first layer 51.
  • a second mold layer (p-type contact layer) 52 is formed.
  • the nitride semiconductor light emitting device 1 includes an n-type electrode 60 provided on the surface of the n-type layer 20 exposed by etching away from the p-type second layer 52 to a part of the n-type layer 20; And a p-type electrode 70 provided on the mold second layer 52.
  • the n-type electrode 60 and the p-type electrode 70 can be formed by a known method. Hereinafter, each layer will be described in detail.
  • substrate 10 As the substrate 10, a known substrate manufactured by a known method can be used without particular limitation. Specific examples of the substrate that can be employed as the substrate 10 include an AlN substrate, a GaN substrate, a sapphire substrate, a SiC substrate, and a Si substrate. Among these, an AlN substrate having a C plane as a growth surface or a sapphire substrate having a C plane as a growth surface is preferable.
  • the thickness of the substrate 10 is not particularly limited, but is preferably 0.1 mm to 2 mm.
  • the n-type layer 20 is a layer doped with an n-type dopant.
  • the n-type layer 20 is a single layer. Therefore, the n-type layer 20 and the n-type first layer having the smallest band gap in the n-type layer are the same layer. .
  • the n-type layer 20 is not particularly limited.
  • the n-type layer 20 may have an impurity concentration of 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ] using Si as a dopant.
  • a form showing n-type conductive properties by including a dopant can be preferably adopted.
  • the dopant material may be a material other than Si.
  • the band gap of the n-type layer 20 is not particularly limited as long as it is smaller than the band gap of the p-type first layer described in detail below.
  • the band gap value of the n-type layer 20 is 4.15 eV or more and 6.27 eV or less in order to increase the productivity of the nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 200 to 300 nm and widen the usage. It is preferably 4.20 eV or more and 6.25 eV or less, and particularly preferably 4.50 eV or more and 5.50 eV or less.
  • a preferred composition of the n-type layer 20 is, for example, a composition having an Al composition (d) of 0.34 to 1.00 when represented by the composition formula Al d Ga 1-d N.
  • the Al composition (d) is more preferably 0.34 to 0.90, and further preferably 0.34 to 0. .80, most preferably 0.45 to 0.70.
  • the n-type layer 20 is preferably formed of a single crystal.
  • the film thickness of the n-type layer 20 is not particularly limited, but may be 1 nm or more and 50 ⁇ m or less.
  • the n-type layer 20 included in the nitride semiconductor light emitting device 100 of FIG. 1 is a single layer, the n-type layer is also formed in an embodiment (described later) having an n-type layer composed of a plurality of layers having different band gaps. Preferably, any of the plurality of layers is within the preferred composition or typical composition ranges described above.
  • the active layer 30 has a quantum well structure (hereinafter sometimes simply referred to as “quantum well structure”) including one or more well layers and one or more barrier layers.
  • quantum well structure including well layers 30a, 31a, 32a, and 33a and barrier layers 30b, 31b, 32b, 33b, and 34b.
  • the band gap of the layer forming the active layer is not particularly limited as long as it is smaller than the band gap of the electron block layer.
  • the barrier layer usually has a larger band gap than the well layer in the active layer. Therefore, it is sufficient that the band gap of the barrier layer having the largest band gap in the active layer is smaller than the band gap of the electron block layer.
  • the band gap of the well layer can be appropriately determined in consideration of other layers, but is preferably 4.13 eV or more and 6.00 eV or less, more preferably 4.18 eV or more and 5.98 eV or less. More preferably, it is 20 eV or more and 5.00 eV or less.
  • the band gap of the barrier layer is not particularly limited, but is preferably 4.15 eV or more and 6.02 eV or less, more preferably 4.20 eV or more and 6.00 eV or less, and 4.30 eV. It is particularly preferable that it is 5.50 eV or less.
  • each of the well layer and the barrier layer is preferably 1 to 50 nm.
  • the barrier layer may be formed of a single crystal having a composition represented by the composition formula Al a Ga 1-a N (0.34 ⁇ a ⁇ 1.00), and the composition formula Al a Ga 1-a N (0 .34 ⁇ a ⁇ 0.89) is preferably formed from a single crystal having a composition represented by
  • the p-type first layer (p-type clad layer) 51 is formed of a single crystal represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.44 ⁇ b ⁇ 1.00) as will be described later.
  • the difference (b ⁇ a) between the Al composition of the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 and the Al composition of each barrier layer is preferably more than 0.10 and not more than 0.45.
  • the Al composition (a) of the barrier layer is 0.34 ⁇ a ⁇ 0.80, and the difference (ba) in the Al composition is 0.12 or more and 0. More preferably, the Al composition (a) of the barrier layer is 0.40 ⁇ a ⁇ 0.70 and the difference (ba) in the Al composition is 0.12 or more and 0.45 or less. It is particularly preferred.
  • the thickness and composition of each barrier layer may be the same or different.
  • the thickness of any barrier layer is preferably in the range of 2 to 50 nm, and the composition of any barrier layer is preferably in the range of the above composition formula (0.34 ⁇ a ⁇ 0.89).
  • the Al composition of the barrier layer is compared with the Al composition of the layers other than the barrier layer. A comparison is made based on (e.g., ba is evaluated).
  • the plurality of barrier layers are preferably layers having the same thickness and composition.
  • the thickness of each barrier layer is more preferably 2 to 20 nm, and further preferably 2 to 10 nm.
  • the well layer is preferably formed of a single crystal having a composition represented by the composition formula Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e ⁇ 0.87).
  • the well layer is formed so as to have a smaller band gap than the barrier layer. Therefore, when both the well layer and the barrier layer are formed from an AlGaN single crystal, the well layer is formed from an AlGaN single crystal having an Al composition lower than that of the barrier layer.
  • the barrier layer When the well layer is formed from a single crystal represented by the composition formula Al e Ga 1-e N and the barrier layer is formed from a single crystal represented by the composition formula Al a Ga 1-a N, the barrier layer
  • the difference (ae) between the Al composition (a) and the Al composition (e) of the well layer is preferably 0.02 or more, and the upper limit of the difference (ae) is not particularly limited. However, it is preferably 0.87 or less.
  • the absolute value of the Al composition (e) of the well layer in the case where the well layer is formed from a single crystal represented by the composition formula Al e Ga 1-e N is determined by the balance with the band gap of the other layers.
  • the composition formula Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e ⁇ 1.00) may be satisfied, and the composition formula Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e ⁇ 0.87) may be satisfied.
  • the composition formula Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e ⁇ 0.78) is more preferable, and the composition formula Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e It is particularly preferable that ⁇ 0.68) is satisfied.
  • the thickness of the well layer is preferably 4 nm or more and 20 nm or less.
  • the thickness of the well layer is 4 nm or more and 20 nm or less. Further improve.
  • the well layer is relatively thick, that is, 4 nm or more, the hole injection efficiency is improved, so that the occurrence of carrier overflow in the high current injection region can be reduced.
  • the internal electric field in the active layer acts to spatially separate the wave functions of electrons and holes confined in the well layer and reduce the recombination efficiency.
  • the thickness of the well layer is 20 nm or less.
  • the internal electric field can be sufficiently screened (screened) by the injected carriers, spatial separation between the electron wave function and the hole wave function can be suppressed, and the recombination probability can be increased.
  • nitride semiconductors particularly nitride semiconductor light emitting devices represented by AlGaN, form a triangular potential instead of a rectangular potential due to the effect of spontaneous polarization at heterointerfaces having different compositions. Therefore, when a quantum well layer is formed, electrons and holes injected by the quantum confined Stark effect (Quantum Confined Stark Effect: hereinafter simply referred to as “QCSE”) due to the internal electric field are respectively present at the opposite interface. Since it has a bias, it is spatially separated.
  • QSE Quantum Confined Stark Effect
  • the thickness of the well layer is 20 nm or less, the internal electric field can be sufficiently screened (shielded) by the injected carriers, so that QCSE can be suppressed.
  • the thickness of the well layer is preferably 4 nm or more and 18 nm or less, and more preferably 4 nm or more and 15 nm or less.
  • the thickness and composition of each well layer may be the same or different,
  • the thickness of any well layer is preferably 4 nm or more and 20 nm or less, and any well layer is formed of a single crystal having a composition formula of Al e Ga 1-e N (0.33 ⁇ e ⁇ 0.87).
  • the difference (ae) between the Al composition (a) in the barrier layer and the Al composition (e) in the well layer is preferably 0.02 or more.
  • the plurality of well layers are preferably layers having the same thickness and composition.
  • the active layer 30 has a plurality of barrier layers, and the plurality of barrier layers are in contact with the n-type layer 20, one barrier layer 30 b, and another barrier in contact with the electron blocking layer 40. And a layer 34b.
  • the active layer 30 has such a structure, it is possible to prevent the dopant from diffusing from the n-type layer 20 and the p-type layers 51 and 52 to the well layers 30a, 31a, 32a, and 33a.
  • the barrier layers 30b to 34b may be added with a p-type or n-type dopant.
  • a p-type dopant is added to the barrier layers 30b to 34b, the effect of suppressing carrier overflow and the effect of reducing QCSE can be enhanced.
  • an n-type dopant is added to the barrier layers 30b to 34b, the effect of reducing QCSE can be enhanced.
  • the electron blocking layer 40 is a layer for suppressing a part of electrons injected from the n-type layer to the active layer by applying an electric field from leaking to the p-type layer side. Therefore, the electron blocking layer 40 needs to have a band gap larger than the band gap of any layer that forms the active layer 30 and the p-type layer 50 described later, and the active layer 30 and the p-type first layer described later. It must be formed between the layer (p-type cladding layer) 51.
  • the band gap of the electron blocking layer 40 is larger than the band gap of any layer constituting the active layer 30 and larger than the band gap of any layer constituting the p-type layer 50.
  • the band gap of the electron block layer 40 is not particularly limited as long as it is larger than the band gap of any layer constituting the active layer 30 and the p-type layer 50. However, it is preferably 0.03 eV or more, more preferably 0.05 eV or more, and particularly preferably 0.20 eV or more larger than the band gap of the barrier layer having the largest band gap in the active layer 30. .
  • the upper limit of the difference between the band gap of the electron blocking layer 40 and the maximum band gap of the active layer 30 is not particularly limited, but is preferably 2.15 eV or less from the viewpoint of productivity. In addition, the band gap of the electron blocking layer 40 is 0.
  • the band gap of the layer (p-type first layer (p-type cladding layer) 51) having the largest band gap among the layers constituting the p-type layer 50 is preferably greater than 02 eV, more preferably greater than 0.04 eV, and particularly preferably greater than 0.10 eV.
  • the upper limit of the difference between the band gap of the electron block layer 40 and the maximum band gap of the layers constituting the p-type layer 50 is not particularly limited, but may be 2.14 eV or less from the viewpoint of productivity. Preferably, it is 2.09 eV or less, more preferably 1.20 eV or less.
  • the absolute value of the band gap of the electron blocking layer 40 is not particularly limited, but is preferably 4.18 eV or more and 6.30 eV or less, more preferably 4.25 eV or more and 6.30 eV or less, It is particularly preferably 4.70 eV or more and 6.30 eV or less.
  • the electron block layer 40 is preferably formed of an AlGaN single crystal.
  • the electron block layer 40 has an Al composition ratio higher than any of the layers constituting the active layer 30 and the p-type layer 50. It is preferably formed from a high AlGaN single crystal.
  • the electron block layer 40 may be formed from an AlGaN single crystal having an Al composition lower than the Al composition of the n-type layer 20, but the n-type layer 20 It is preferably formed from an AlGaN single crystal having an Al composition higher than the Al composition. That is, the electron block layer 40 is preferably formed from an AlGaN single crystal having a higher Al composition than any other layer.
  • the Al composition (c) of the electron block layer 40 is preferably 0.45 ⁇ c ⁇ 1.00, 0.53 It is particularly preferable that ⁇ c ⁇ 1.00.
  • the difference (c ⁇ a) between the Al composition (c) of the electron blocking layer 40 and the Al composition (a) of the barrier layer is 0.11 to 0.98. It is preferably 0.13 to 0.80, more preferably 0.13 to 0.60.
  • the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 is formed of a single crystal represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.44 ⁇ b ⁇ 1.00), electrons
  • the Al composition (c) of the block layer 40 is preferably larger than the Al composition (b) of the p-type first layer (p-type cladding layer) 51.
  • the difference (cb) in the Al composition between the electron blocking layer 40 and the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 is preferably more than 0.00 and 0.88 or less. It is more preferably 0.000 or more and 0.80 or less, and further preferably 0.01 or more and 0.70 or less.
  • the electron blocking layer 40 may be doped with a p-type dopant or may be an undoped layer.
  • the impurity concentration is preferably 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ].
  • the electron blocking layer 40 may include both a region doped with a p-type dopant and an undoped region.
  • the impurity concentration of the entire electron blocking layer 40 is preferably 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ].
  • the thickness of the electron block layer 40 is not particularly limited, but is preferably 1 nm or more and 50 nm or less.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 includes the electron block layer 40 and is larger in the p-type layer 50 than the band gap of the n-type first layer (20) having the smallest band gap in the n-type layer 20.
  • a p-type first layer (p-type cladding layer) 51 having a band gap is provided.
  • the p-type layer 50 is a p-type second layer (p-type contact) in contact with the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 and the p-type electrode 70. Layer) 52.
  • the p-type layer 50 is doped with a p-type dopant and exhibits p-type conductivity characteristics. Specifically, it is preferable to include Mg as a p-type dopant so that the impurity concentration is 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ].
  • the impurities may be distributed uniformly or may have a non-uniform impurity concentration distribution. Further, when the p-type layer 50 is composed of a plurality of layers as shown in FIG. 1, the impurity concentrations of the plurality of layers may be the same or different.
  • the p-type has a band gap larger than the band gap of the n-type first layer (n-type layer 20 in FIGS. 1 and 2) having the smallest band gap in the n-type layer.
  • a first layer (p-type cladding layer) 51 is provided, and an electron blocking layer 40 is provided between the p-type first layer (p-type cladding layer) and the active layer 30.
  • the electron blocking layer 40 acts as a potential barrier against electrons that are about to flow into the p-type layer 50 from the active layer 30, and the presence of this p-type first layer (p-type cladding layer) 51 allows the active layer Since the seepage of the electron wave function from 30 to the p-type layer 50 side of the electron blocking layer 40 can be reduced, the outflow of electrons from the active layer 30 to the p-type layer 50 can be more effectively reduced.
  • the difference in band gap between the n-type layer 20 (n-type first layer) and the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 is not particularly limited, but the p-type first layer (p-type cladding layer) ) Preferably has a band gap larger by 0.01 eV or more than the n-type first layer 20, and more preferably has a band gap larger by 0.10 eV or more.
  • the upper limit of the difference in band gap between the n-type layer 20 (n-type first layer) and the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 is not particularly limited, but from the viewpoint of productivity. Is preferably 1.50 eV or less, more preferably 1.00 eV or less, and particularly preferably 0.50 eV or less.
  • the absolute value of the band gap of the p-type first layer 51 is not particularly limited as long as it is larger than that of the n-type first layer 20, but is preferably 4.16 eV or more and 6.28 eV or less, Furthermore, it is preferably 4.21 eV or more and 6.26 eV or less, and particularly preferably 4.60 eV or more and 5.60 eV or less.
  • the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 is preferably formed of a single crystal represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.44 ⁇ b ⁇ 1.00).
  • the composition (b) is more preferably 0.52 or more and 0.99 or less.
  • the difference (b ⁇ a) between the Al composition (b) of the p-type first layer (p-type cladding layer) and the Al composition of the barrier layer is more than 0.10 and not more than 0.45 as described above. Is preferable, and it is more preferable that it is 0.12 to 0.45.
  • the thickness of the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 is not particularly limited, but is preferably 1 nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • the p-type layer 50 may be a single layer (in this case, the p-type layer 50 becomes a p-type first layer (p-type cladding layer)), but a p-type second layer (p-type).
  • the contact layer 52 it is easy to achieve ohmic contact with the p-type electrode 70, and it is easy to reduce contact resistance with the p-type electrode 70.
  • the p-type second layer (p-type contact layer) 52 has a band gap smaller than that of the p-type first layer (p-type cladding layer) 51.
  • the band gap of the p-type second layer (p-type contact layer) 52 is smaller than the band gap of the p-type first layer (p-type cladding layer) 51, and its absolute value is It is preferably 0.70 eV or more and 6.00 eV or less, and more preferably 3.00 eV or more and 4.50 eV or less.
  • a form in which the p-type second layer (p-type contact layer) 52 is formed of GaN (band gap: 3.4 eV) can be given.
  • the p-type second layer (p-type contact layer) 52 is preferably formed from an AlGaN single crystal.
  • the p-type second layer (p-type contact layer) 52 is preferably formed from an AlGaN single crystal.
  • the p-type second layer (p-type contact layer) 52 The Al composition is preferably smaller than the Al composition of the p-type first layer (p-type cladding layer) 51.
  • the p-type second layer (p-type contact layer) 52 is composed of a single crystal represented by the composition formula Al f Ga 1-f N, the Al composition (f) is 0.00 to 1.00.
  • the p-type second layer (p-type contact layer) 52 may contain In as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the thickness of the p-type second layer (p-type contact layer) 52 is preferably 1 nm or more and 250 nm or less.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 in which the active layer 30 has a quantum well structure and the number of the well layers is four is mainly exemplified, but the present invention is limited to this form. Not.
  • the number of well layers may be one or plural.
  • the upper limit of the number of well layers is not particularly limited, but is preferably 10 or less from the viewpoint of productivity of the nitride semiconductor light emitting device.
  • the active layer 30 has a bulk structure (double heterostructure) instead of a quantum well structure.
  • the thickness of the active layer 30 is preferably 20 to 100 nm.
  • the active layer 30 is configured by a quantum well structure including the well layers 30a to 33a and the barrier layers 30b to 34b, and the layer in contact with the n-type layer 20 is the barrier layer 30b.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 in which the contacting layer is the barrier layer 34b has been mainly exemplified and described, the present invention is not limited to the embodiment.
  • a nitride semiconductor light emitting device having a first well layer in contact with the n-type layer and a second well layer in contact with the electron blocking layer may be provided.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an energy band diagram of the nitride semiconductor light emitting device 100 ′ according to another embodiment of the present invention. In FIG.
  • the active layer 30 ′ has well layers 30a, 31a, 32a, and 33a and barrier layers 31b, 32b, and 33b, and is n-type.
  • the layer in contact with the layer 20 is the well layer 30a
  • the layer in contact with the electron blocking layer 40 is the well layer 33a.
  • the electron block layer 40 functions as a barrier layer of the well layer 33a, the carrier overflow can be suppressed also by such a laminated structure.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an energy band diagram of the nitride semiconductor light emitting device 100 ′′ according to another embodiment of the present invention.
  • the same elements as those shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3, and description thereof is omitted. As shown in FIG. 4, the same elements as those shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3, and description thereof is omitted. As shown in FIG.
  • the active layer 30 ′′ includes the well layers 30a, 31a, 32a, and 33a and the barrier layers 30b, 31b, 32b, and 33b.
  • the layer in contact with the n-type layer 20 is the barrier layer 30b, and the layer in contact with the electron blocking layer 40 is the well layer 33a.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an energy band diagram of a nitride semiconductor light emitting device 100 ′ ′′ according to another embodiment of the present invention.
  • the same elements as those shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 4, and description thereof is omitted. As shown in FIG.
  • the active layer 30 ′ ′′ includes well layers 30a, 31a, 32a, and 33a and barrier layers 31b, 32b, 33b, and 34b.
  • the layer in contact with the n-type layer 20 is the well layer 30a, and the layer in contact with the electron blocking layer 40 is the barrier layer 34b.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 in the form in which the active layer 30 and the electron blocking layer 40 are in direct contact with each other is mainly exemplified and described.
  • the form is not limited.
  • a nitride semiconductor light emitting device having a p-type third layer provided between the active layer and the electron blocking layer may be used.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device 200 according to such another embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an example of an energy band diagram of the nitride semiconductor light emitting device 200 of FIG.
  • FIGS. 1 to 5 the same elements as those shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5, and the description thereof is omitted.
  • a p-type third layer 53 is provided between the active layer 30 and the electron blocking layer 40.
  • the nitride semiconductor light emitting device of FIG. Different from the device 100.
  • the other p-type layers (p-type first layer (p-type cladding layer) 51 and p-type second layer (p-type contact layer) 52) are connected to the active layer 30.
  • the quality of the active layer 30 can be improved.
  • the p-type third layer 53 may be a layer doped with a p-type dopant at the time of formation, like the other p-type layers, or after forming an undoped layer once, the dopant of the other p-type layer
  • the undoped layer may be a layer having p-type conductivity by the diffusion of.
  • the p-type third layer 53 is formed on the active layer 30, and the electron blocking layer 40 is formed thereon.
  • the band gap of the p-type third layer 53 is preferably the same as the band gap of the active layer 30, particularly the band gaps of the barrier layers 30b to 34d.
  • the thickness of the p-type third layer 53 is preferably 1 nm or more and 50 nm or less.
  • the n-type layer is composed of a plurality of layers
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 in which the n-type layer is a single layer, that is, the n-type layer 20 is the n-type first layer having the smallest band gap in the n-type layer Although 200 is mainly exemplified, the present invention is not limited to this form.
  • a nitride semiconductor light emitting device having an n-type layer composed of a plurality of layers may be provided. The nitride semiconductor light emitting device of the present invention according to such another embodiment will be described below.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device 300 according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining examples of energy band diagrams in the nitride semiconductor light emitting device 300 of FIG. 8 and 9, the same elements as those already appearing in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 7, and the description thereof is omitted. As shown in FIG.
  • a nitride semiconductor light emitting device 300 includes an n-type layer 20 ′ composed of two layers of an n-type underlayer 20A and an n-type cladding layer 20B instead of a single n-type layer 20. This is different from the nitride semiconductor light emitting devices 100 and 200 of FIGS. 1 and 6 in this respect. As shown in FIG. 8, the n-type cladding layer 20B is provided between the n-type underlayer 20A and the active layer 30.
  • the n-type underlayer 20A is for relaxing lattice mismatch between the substrate 10 and the growth layer (the n-type clad layer 20B and the n-type clad layer 20B in FIG. 8) and roughening of the interface. Is a layer.
  • the underlayer may be an undoped layer, but is preferably a layer having n-type conductivity like the n-type underlayer 20A.
  • An advantage of the n-type underlayer is that the drive voltage can be lowered in a flip-chip type light emitting element that requires current injection from the lateral direction.
  • the n-type cladding layer 20B is a layer that plays the same role as the n-type layer (for example, the n-type layer 20 in the nitride semiconductor light emitting devices 100 and 200) in a form in which the n-type layer is a single layer, and the n-type underlayer A layer for supplying electrons to the active layer 30 together with 20A.
  • the n-type underlayer 20A and the n-type cladding layer 20B are n-type layers, for example, Si is used as a dopant so that the impurity concentration is 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ]. Is preferred.
  • This impurity (dopant) may be uniformly distributed in the n-type underlayer 20A and the n-type cladding layer 20B or may be unevenly distributed.
  • a part of the n-type underlayer 20A on the side in contact with the substrate 10 may be undoped.
  • the band gap of the n-type underlayer 20A has an n-type cladding layer. It is preferably larger than the band gap of 20B.
  • the layer having the smallest band gap in the n-type layer 20 ', that is, the n-type first layer is preferably the n-type cladding layer 20B.
  • the band gap of the n-type underlayer 20A is preferably smaller than the band gap of the n-type cladding layer 20B.
  • the layer having the smallest band gap in the n-type layer 20 ', that is, the n-type first layer is preferably the n-type cladding layer 20A.
  • the n-type underlayer 20A also functions as an n-type clad layer. be able to.
  • the band gap of the n-type underlayer 20A is larger than that of the n-type cladding layer 20B (see FIG. 9A)
  • the n-type underlayer 20A and the n-type underlayer 20A The difference in band gap from the mold cladding layer 20B is preferably 0.025 eV or more and 2.00 eV or less.
  • the band gap between the n-type underlayer 20A and the n-type cladding layer 20B The difference is preferably 0.025 eV or more and 2.00 eV or less.
  • the absolute value of the band gap of the n-type underlayer 20A is preferably 3.4 eV or more and 6.30 eV or less, and the absolute value of the band gap of the n-type cladding layer 20B is 4.15 eV or more and 6.27 eV or less. It is preferable that The preferable range of the absolute value of the band gap of the n-type underlayer 20A and the n-type cladding layer 20B is the same when other n-type layers are further formed.
  • the thickness of the n-type underlayer 20A is preferably 1 nm or more and 50 ⁇ m or less, and the thickness of the n-type cladding layer 20B is preferably 1 nm or more and 50 ⁇ m or less.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300 having the p-type first layer (p-type clad layer) 51 and the p-type second layer (p-type contact layer) 52 has been exemplified.
  • the form is not limited.
  • a nitride semiconductor light emitting device in which a p-type third layer is further provided between the active layer and the electron blocking layer can be provided.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device 400 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of an energy band diagram in the nitride semiconductor light emitting device 400 of FIG. 10 and 11, the same elements as those already shown in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 9, and the description thereof is omitted. As shown in FIG.
  • the nitride semiconductor light emitting device 400 includes an n-type layer 20 ′ configured by two layers of an n-type cladding layer 20 ⁇ / b> B and an n-type hole blocking layer 20 ⁇ / b> C instead of a single n-type layer 20. This is different from the nitride semiconductor light emitting devices 100 and 200 of FIGS. 1 and 6 in this respect. As shown in FIG. 10, the n-type hole blocking layer 20 ⁇ / b> C is provided between the n-type cladding layer 20 ⁇ / b> B and the active layer 30.
  • the n-type hole blocking layer 20C is a layer for suppressing a part of holes injected from the p-type layer to the active layer from leaking to the n-type layer side by applying an electric field.
  • the n-type cladding layer 20B is a layer that plays the same role as the n-type layer (for example, the n-type layer 20 in the nitride semiconductor light emitting devices 100 and 200) in a form in which the n-type layer is a single layer, This is a layer for supplying to the active layer 30.
  • the n-type cladding layer 20B and the n-type hole blocking layer 20C are n-type layers, for example, Si is used as a dopant so that the impurity concentration is 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ]. It is preferable. This impurity may be uniformly distributed in the n-type cladding layer 20B and the n-type hole block layer 20C, or may be distributed non-uniformly.
  • the band gap of the n-type hole blocking layer 20C is preferably larger than the band gap of the n-type cladding layer 20B.
  • the layer having the smallest band gap in the n-type layer 20 ′′, that is, the n-type first layer is preferably the n-type cladding layer 20B.
  • the difference in band gap between the n-type cladding layer 20B and the n-type hole blocking layer 20C is preferably 0.025 eV or more and 2.00 eV or less.
  • the absolute value of the band gap of the n-type cladding layer 20B is preferably 4.15 eV or more and 6.27 eV or less, and the absolute value of the band gap of the n-type hole blocking layer 20C is 4.18 eV or more and 6.29 eV.
  • the preferable range of the absolute values of the band gaps of the n-type cladding layer 20B and the n-type hole blocking layer 20C is the same when other n-type layers are further formed.
  • the thickness of the n-type cladding layer 20B is preferably 1 nm or more and 50 ⁇ m or less, and the thickness of the n-type hole blocking layer 20C is preferably 1 nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • the nitride semiconductor light emitting device 400 having the p-type first layer (p-type clad layer) 51 and the p-type second layer (p-type contact layer) 52 has been exemplified.
  • the form is not limited.
  • a nitride semiconductor light emitting device in which a p-type third layer is further provided between the active layer and the electron blocking layer can be provided.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device 500 of the present invention according to another embodiment.
  • 13A and 13B are diagrams for explaining examples of energy band diagrams in the nitride semiconductor light emitting device 500 of FIG. 12 and 13, the same elements as those already shown in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 11, and the description thereof is omitted. As shown in FIG.
  • a nitride semiconductor light emitting device 500 includes an n-type layer 20 ′ composed of two layers of an n-type cladding layer 20B and an n-type current diffusion layer 20D instead of a single n-type layer 20. ”, which differs from the nitride semiconductor light emitting devices 100 and 200 of FIGS. As shown in FIG. 12, the n-type current diffusion layer 20 ⁇ / b> D is provided between the n-type cladding layer 20 ⁇ / b> B and the active layer 30.
  • a semiconductor light emitting device that needs to inject current in the lateral direction (the direction of the laminated surface in the laminated structure inside the device)
  • carriers in the depth direction of the light emitting device the normal direction of the laminated surface in the laminated structure inside the device
  • the required moving distance of the carrier in the lateral direction of the light emitting element is longer than the required moving distance. Therefore, the driving voltage of the light emitting element increases with the resistance proportional to the required moving distance in the lateral direction of the carrier. Therefore, a structure using a two-dimensional electron gas is generally used to increase the carrier conductivity in the lateral direction of the device, and such a structure is called a current diffusion layer.
  • the Fermi level exists above the lower end of the conduction band due to the formation of the triangular potential.
  • the n-type cladding layer 20B is a layer that plays a role of supplying electrons to the active layer. Since these n-type cladding layer 20B and n-type current diffusion layer 20D are n-type layers, for example, Si is used as a dopant so that the impurity concentration is 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 21 [cm ⁇ 3 ]. It is preferable. Impurities (dopants) may be distributed uniformly in the n-type cladding layer 20B and the n-type current diffusion layer 20D, or may be distributed unevenly.
  • FIG. 13A is a diagram for explaining an energy band diagram when the band gap of the n-type current diffusion layer 20D is smaller than the band gap of the n-type cladding layer 20B.
  • the layer (n-type first layer) having the smallest energy gap in the n-type layer is the n-type current diffusion layer 20D.
  • the n-type current diffusion layer 20D may have a larger band gap than the n-type cladding layer 20B as long as a two-dimensional electron gas can be generated by forming a triangular potential.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating an energy band diagram when the band gap of the n-type current diffusion layer 20D is larger than the band gap of the n-type cladding layer 20B.
  • the layer (n-type first layer) having the smallest energy gap in the n-type layer is the n-type cladding layer 20B.
  • the difference in band gap between the n-type cladding layer 20B and the n-type current diffusion layer 20D is preferably 0.03 eV or more and 2.00 eV or less.
  • the absolute value of the band gap of the n-type current diffusion layer 20D is smaller than the absolute value of the band gap of the n-type cladding layer 20B (see FIG. 13A)
  • the band gap of the n-type current diffusion layer 20D The absolute value is preferably 4.15 eV or more and 6.27 eV or less
  • the band gap of the n-type cladding layer 20B is preferably 4.18 eV or more and 6.30 eV or less.
  • the band gap of the n-type current diffusion layer 20D When the absolute value of the band gap of the n-type current diffusion layer 20D is larger than the absolute value of the band gap of the n-type cladding layer 20B (see FIG. 13B), the band gap of the n-type current diffusion layer 20D
  • the absolute value is preferably 4.18 eV or more and 6.30 eV or less, and the band gap of the n-type cladding layer 20B is preferably 4.15 eV or more and 6.27 eV or less.
  • the thickness of the n-type cladding layer 20B is preferably 1 nm or more and 50 ⁇ m or less, and the thickness of the n-type current diffusion layer 20D is preferably 1 nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • the nitride semiconductor light emitting device 500 in which the n-type current diffusion layer 20D is provided separately from the n-type cladding layer 20B and the active layer 30 is stacked in contact with the n-type current diffusion layer 20D.
  • the present invention is not limited to this form.
  • An n-type current diffusion layer is formed inside the n-type cladding layer, and therefore, a nitride semiconductor light emitting device in which the active layer is not in direct contact with the n-type current diffusion layer can be obtained.
  • the nitride semiconductor light emitting device 500 having the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 and the p-type second layer (p-type contact layer) 52 as the p-type layer is mainly exemplified.
  • the present invention is not limited to this form.
  • a nitride semiconductor light emitting device in which a p-type third layer is further provided between the active layer and the electron blocking layer can be provided.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300, 400 having an n-type layer composed of a combination of two layers is not limited to these forms.
  • a nitride semiconductor light emitting device having an n-type layer composed of another combination of a plurality of layers may be used.
  • the plurality of layers constituting the n-type layer may be two or more layers selected from an n-type underlayer, an n-type cladding layer, an n-type hole blocking layer, and an n-type current spreading layer.
  • each layer is as described above. However, as an order in which the plurality of layers constituting the n-type layer exemplified above are stacked on the substrate, Substrate / (n-type underlayer) / n-type cladding layer / (n-type hole blocking layer, n-type current diffusion layer) (The layer in parentheses indicates that the layer is not an essential layer.
  • the order of stacking the n-type hole blocking layer and the n-type current diffusion layer is not particularly limited.)
  • the layer having the smallest band gap among the n-type underlayer, the n-type cladding layer, the n-type hole blocking layer, and the n-type current spreading layer Corresponds to the n-type first layer.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device 600 according to another embodiment of the present invention, and FIG.
  • the nitride semiconductor light emitting device 600 has a single p-type layer 50 ′ instead of the p-type layer 50 composed of a plurality of layers, and is different from the nitride semiconductor light emitting device 100 and the like exemplified above in this respect. is doing.
  • the p-type layer 50 ′ has a p-type layer having a larger band gap than the n-type first layer having the smallest band gap in the n-type layer, that is, the p-type first layer. It corresponds to one layer.
  • the second aspect of the present invention is a nitride semiconductor wafer having the laminated structure described above for the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
  • the nitride semiconductor wafer of the present invention usually has a laminated structure of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention described above.
  • a plurality of nitride semiconductor light emitting devices of the present invention can be obtained by cutting out individual devices from the nitride semiconductor wafer.
  • the ratio of the constituent elements of each layer was measured by X-ray diffraction (XRD), and the band gap was determined by the photoluminescence method (PL method).
  • XRD measurement was performed using X'Pert® PRO manufactured by PANalytical® B.V, and HR800® UV manufactured by HORIBA, IV Ltd. was used for the PL method.
  • SMS-500 manufactured by SphereOptics GmbH was used, and the wavelength with the maximum emission intensity was recorded as the emission wavelength.
  • the external quantum efficiency was measured using the same apparatus as that used for measuring the emission wavelength.
  • Example 1 A nitride semiconductor light emitting device having the laminated structure shown in FIG. 1 was manufactured.
  • an Al 0.75 Ga 0.25 N layer (n-type first layer) doped with Si is formed as an n-type layer (20) on a C-plane AlN substrate 10 having a side of 7 mm square and a thickness of 500 ⁇ m by MOCVD.
  • a barrier layer (composition Al 0.75 Ga 0.25 N, band gap 5.23 eV, undoped, layer thickness 7 nm) so that barrier layers and well layers are alternately stacked on the n-type layer (20).
  • 5 layers and well layers (composition Al 0.5 Ga 0.5 N, band gap 4.55 eV, undoped, layer thickness 7 nm) are formed to form a quantum well structure having four quantum wells (see FIG.
  • An active layer (30) having 2) was formed.
  • One barrier layer was formed in contact with the n-type layer (20), and the other barrier layer was formed as the outermost layer.
  • An MgN-doped AlN layer (band gap 6.00 eV, Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ on the active layer (30) (ie, on the barrier layer that is the outermost layer of the active layer) as the electron blocking layer (40). 3 and a layer thickness of 30 nm).
  • a p-type first layer (p-type cladding layer) (51) an Mg 0.8- doped Al 0.8 Ga 0.2 N layer (band gap 5.38 eV, Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and a layer thickness of 50 nm).
  • a GaN layer doped with Mg band gap 3.40 eV, Mg concentration 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , layer thickness 100 nm.
  • a predetermined resist pattern is formed on the surface of the p-type second layer (p-type cladding layer) (52) by photolithography, and the window portion where the resist pattern is not formed is subjected to reactive ion etching to form an n-type layer (20 Etching was performed until the surface was exposed.
  • a Ti (20 nm) / Al (200 nm) / Au (5 nm) electrode (negative electrode) is formed on the surface of the n-type layer (20) by a vacuum deposition method, and in a nitrogen atmosphere at 810 ° C. for 1 minute. Heat treatment was performed.
  • a Ni (20 nm) / Au (50 nm) electrode (positive electrode) is formed on the surface of the p-type second layer (p-type contact layer) (52) by vacuum deposition, and then in an oxygen atmosphere for 3 minutes. Heat treatment was performed at 550 ° C. to manufacture a nitride semiconductor light emitting device.
  • the obtained nitride semiconductor light emitting device had an emission wavelength of 267 nm when the current injection was 10 mA, and the external quantum efficiency was 2.2%.
  • Example 1 (Comparative Example 1) In Example 1, the p-type first layer (p-type cladding layer) (51) was changed to the composition Al 0.75 Ga 0.25 N and the band gap 5.23 eV (Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ). A nitride semiconductor light emitting device was fabricated by performing the same operation as in Example 1 except for the above.
  • the obtained nitride semiconductor device had an emission wavelength of 267 nm when the current injection was 10 mA, and the external quantum efficiency was 1.7%.
  • Example 2 (Comparative Example 2) In Example 1, except that the p-type first layer (p-type cladding layer) 51 was changed to a composition Al 0.7 Ga 0.3 N and a band gap of 5.09 eV (Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ). By performing the same operation as in Example 1, a nitride semiconductor light emitting device was fabricated.
  • the emission wavelength of the obtained nitride semiconductor light emitting device has an emission wavelength of 267 nm when the current injection is 10 mA, and the external quantum efficiency was 1.3%.
  • Example 2 A wafer having a plurality of nitride semiconductor light emitting elements having the laminated structure shown in FIG. 1 was manufactured, and the nitride semiconductor light emitting elements were cut out from the wafer. However, the number of quantum wells in the active layer was three.
  • an Al 0.75 Ga 0.25 N layer (band gap 5) doped with Si is formed as an n-type layer (20) on a C-plane AlN substrate (10) having a side of 7 mm square and a thickness of 500 ⁇ m by MOCVD. .23 eV, Si concentration 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) with a layer thickness of 1.0 ⁇ m.
  • a barrier layer doped with Si (composition Al 0.75 Ga 0.25 N, band gap 5.23 eV, Si concentration so that barrier layers and well layers are alternately stacked on the n-type layer (20).
  • Si composition Al 0.75 Ga 0.25 N, band gap 5.23 eV, Si concentration so that barrier layers and well layers are alternately stacked on the n-type layer (20).
  • An active layer (30) having a quantum well structure including three quantum wells was formed.
  • One barrier layer was formed in contact with the n-type layer (20), and the other barrier layer was formed as the outermost layer.
  • An MgN-doped AlN layer (band gap 6.00 eV, Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ on the active layer (30) (ie, on the barrier layer that is the outermost layer of the active layer) as the electron blocking layer (40). 3 and a layer thickness of 15 nm).
  • a p-type first layer (p-type cladding layer) (51) an Mg 0.8 doped Al 0.80 Ga 0.20 N layer (band gap 5.38 eV, Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and a layer thickness of 50 nm).
  • a GaN layer doped with Mg band gap 3.40 eV, Mg concentration 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , layer thickness 100 nm).
  • a predetermined resist pattern is formed on the surface of the p-type second layer (p-type contact layer) (52) by photolithography, and the window portion where no resist pattern is formed is subjected to reactive ion etching to form an n-type layer (20 Etching was performed until the surface was exposed.
  • a Ti (20 nm) / Al (200 nm) / Au (5 nm) electrode (negative electrode) is formed on the surface of the n-type layer (20) by a vacuum deposition method, and in a nitrogen atmosphere at 810 ° C. for 1 minute. Heat treatment was performed.
  • a Ni (20 nm) / Au (50 nm) electrode (positive electrode) is formed on the surface of the p-type second layer (p-type contact layer) (52) by vacuum deposition, and then in an oxygen atmosphere for 3 minutes. Heat treatment was performed at 550 ° C. to manufacture a nitride semiconductor wafer having the above laminated structure. The obtained nitride semiconductor wafer was cut into a 700 ⁇ m square to produce a nitride semiconductor light emitting device.
  • the obtained nitride semiconductor device had an emission wavelength of 272 nm when the current injection was 100 mA, and the external quantum efficiency was 2.0%.
  • Example 3 In Example 2, the same operation as in Example 2 was performed except that each barrier layer was changed to the composition Al 0.65 Ga 0.35 N (band gap 4.95 eV, Si concentration 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ). By performing, the nitride semiconductor wafer and the nitride semiconductor light emitting element were produced. The obtained nitride semiconductor light emitting device had an emission wavelength of 267 nm when the current injection was 100 mA, and the external quantum efficiency was 2.3%.
  • Example 4 In Example 3, a nitride semiconductor wafer and a nitride semiconductor light emitting device were manufactured by performing the same operation as in Example 3 except that the thickness of each well layer was changed from 2 nm to 4 nm. The obtained nitride semiconductor light emitting device had an emission wavelength of 270 nm when the current injection was 100 mA, and the external quantum efficiency was 2.7%.
  • Example 5 In Example 2, each barrier layer was changed to the composition Al 0.60 Ga 0.40 N (band gap 4.81 eV, Si concentration 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ), and the thickness of each well layer was changed from 2 nm to 6 nm.
  • a nitride semiconductor wafer and a nitride semiconductor light emitting device were produced by performing the same operation as in Example 3 except that the change was made.
  • the obtained nitride semiconductor light emitting device had an emission wavelength of 263 nm when the current injection was 100 mA, and the external quantum efficiency was 3.2%.
  • Table 1 shows configurations and evaluation results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
  • the nitride semiconductor elements of Examples 1 to 5 are nitrided of Comparative Examples 1 and 2 that do not have a p-type layer having a band gap larger than the minimum band gap of the n-type layer on the side opposite to the active layer of the electron block layer. Compared with a physical semiconductor light emitting device, the light emission efficiency was good. All of the nitride semiconductor devices of Examples 1 to 5 are an n-type layer, an active layer having a well layer and a barrier layer, an electron block layer, a p-type first layer (p-type cladding layer), and a p-type second layer.
  • the barrier layer is represented by the composition formula Al a Ga 1-a N (0.34 ⁇ a ⁇ 0.89)
  • the layer (p-type cladding layer) is represented by the composition formula Al b Ga 1-b N (0.44 ⁇ b ⁇ 1.00).
  • the difference (ba) between the Al composition of the p-type first layer (p-type cladding layer) and the Al composition of the barrier layer exceeds 0.10 and is 0.45 or less.
  • the nitride semiconductor light emitting device showed a light emission efficiency even better than the nitride semiconductor light emitting devices of Examples 1 and 2 that were not. Further, the nitride semiconductor light emitting devices of Examples 4 to 5 in which the thickness of the well layer is in the range of 4 to 20 nm showed particularly excellent luminous efficiency.

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Abstract

　優れた発光効率を有する窒化物半導体深紫外発光素子を提供する。２００～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子であって、単一の層またはバンドギャップの異なる複数の層からなるｎ型層、単一の層またはバンドギャップの異なる複数の層からなるｐ型層、及びｎ型層とｐ型層との間に配設された活性層を有し；ｐ型層は、ｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層を有し；かつ、活性層およびｐ型層を形成する層のバンドギャップのいずれよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層が、活性層とｐ型第一層との間に設けられている、窒化物半導体発光素子。

Description

窒化物半導体発光素子
　本発明は、窒化物半導体を用いた発光波長が２００～３００ｎｍ領域である新規な深紫外発光素子に関する。
　現状、発光波長３００ｎｍ以下の深紫外光源としては、重水素や水銀などのガス光源が使用されている。これらのガス光源には、短寿命であること、及び大型であること等の不都合がある。また水銀は条約による規制を受けつつある物質である。そのため、これらの不都合を解消でき、取扱が容易である、半導体を用いた深紫外発光素子の実現が待たれている。
　しかしながら、半導体を用いた発光素子には、重水素ガスランプあるいは水銀ガスランプ等のガス光源と比較して光出力が弱く、また発光効率も低いという問題がある。
　半導体発光素子において光出力が不十分である原因としては、窒化物半導体発光素子においては正孔と比較して電子の有効質量が小さく、かつキャリア濃度が高いため、電子が活性層（領域）を乗り越え、ｐ型層へオーバーフローを起こすことにより、発光効率の低下を招くことが挙げられる。このような電子のｐ型層へのオーバーフローは、高注入電流条件下において発光効率のさらなる低下を招き、同時に発熱量は増加する。その結果、光出力は頭打ちとなり、注入したキャリアの量に応じた光出力を得ることが困難になる。
　窒化物半導体発光素子におけるｐ型層への電子のオーバーフローの問題は、発光波長３００ｎｍ以下の深紫外発光素子だけに生じている問題ではない（例えば、非特許文献１参照）。例えば、特許文献１には、発光波長が３００ｎｍを越える半導体発光素子において、活性層とｐ型層との間に、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する電子ブロック層を形成することにより、活性層領域からｐ型層への電子の流出を防ぎ、発光効率を高める技術が記載されている。また非特許文献２には、深紫外発光素子において、上記のような電子ブロック層の適用を試みたことが記載されている（非特許文献２参照）。
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０８，０３３１１２（２０１０） Ｅｌｅｃｔｏｒｎ．Ｌｅｔｔ．４４，４９３（２００８）
特開２００７－８８２６９号公報 特開２０１０－２０５７６７号公報 特開平１１－２９８０９０号公報
　しかしながら、本発明者の検討によれば、発光波長３００ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子においては、単に電子ブロック層を設けるだけでは、十分に発光効率が改善されないことが判明した。本発明者はこの理由を、以下のように推定している。すなわち、発光波長が３００ｎｍ以下の深紫外発光素子におけるｐ型層のバンドギャップは、近紫外および可視光の発光素子におけるｐ型層のバンドギャップより大きいことが求められる。その結果、深紫外発光素子のｐ型層における正孔の活性化率はより低下し、かつ有効質量も大きくなることから、電子のオーバーフローがより生じ易くなるものと考えられる。
　したがって、本発明は、発光波長が２００～３００ｎｍの窒化物半導体発光素子において、上記のような問題点を解決し、発光効率の高い窒化物半導体深紫外発光素子を提供することを課題とする。
　本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した。特に、各層のバンドギャップの関係を詳細に検討したところ、活性層、およびｐ型層を形成する層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層と、ｎ型層内の最小バンドギャップとなる層（以下において「ｎ型第一層」ということがある。）のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するｐ型第一層を少なくとも一層設けることにより、窒化物半導体深紫外発光素子の発光効率を効果的に改善できることを見出し、本発明を完成するに至った。
　本発明の第一の態様は：
［１］　２００～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子であって、
　単一の層またはバンドギャップの異なる複数の層からなるｎ型層、
　単一の層またはバンドギャップの異なる複数の層からなるｐ型層、及び
　ｎ型層とｐ型層との間に配設された活性層を有し、
　ｐ型層は、ｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層を有し、かつ
　活性層およびｐ型層を形成する層のバンドギャップのいずれよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層が、活性層とｐ型第一層との間に設けられていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子である。
［２］　本発明の第一の態様において、ｐ型層はバンドギャップの異なる複数の層からなり得る。
［３］　本発明の第一の態様において、活性層が、井戸層および障壁層を有し；ｐ型層が、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を有し；当該窒化物半導体発光素子は、ｎ型層、活性層、電子ブロック層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層が、この順で積層された積層構造を含み；障壁層が組成式ＡｌａＧａ１－ａＮ（０．３４≦ａ≦０．８９）で表され；ｐ型クラッド層が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表され；かつ、ｐ型クラッド層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）が０．１０を超え０．４５以下であることが好ましい。
　なお、上記ｐ型クラッド層はｐ型第一層であることが好ましい。
［４］　上記［３］の形態の本発明の第一の態様においては、井戸層が組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．８７）で表され；障壁層のＡｌ組成と井戸層のＡｌ組成との差（ａ－ｅ）が０．０２以上であることが好ましい。
［５］　上記［３］～［４］の形態の本発明の第一の態様においては、井戸層の厚みが４～２０ｎｍであることが好ましい。
［６］　上記［３］～［５］の形態の本発明の第一の態様においては、電子ブロック層がｐ型またはｉ型であり；電子ブロック層の組成が組成式ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０．４５≦ｃ≦１．００）で表され；ｐ型クラッド層の組成が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表され；電子ブロック層のＡｌ組成（ｃ）が、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成（ｂ）よりも大きく；電子ブロック層のＡｌ組成と前記障壁層のＡｌ組成との差（ｃ－ａ）が０．１１～０．９８であり；ｐ型クラッド層のＡｌ組成と前記障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）が０．１０を超え０．４５以下であることが好ましい。
［７］　上記［３］～［６］の形態の本発明の第一の態様においては、複数の障壁層を有し；該複数の障壁層は、ｎ型層に接する第一の障壁層と、電子ブロック層に接する第二の障壁層とを含むことが好ましい。
［８］　本発明の第二の態様は、上記本発明の第一の態様に係る窒化物半導体発光素子の積層構造を有する、窒化物半導体ウェーハである。
　本発明によれば、発光波長３００ｎｍ以下の窒化物半導体深紫外発光素子における電子のオーバーフローを抑制できるので、窒化物半導体深紫外発光素子の発光効率を高めることが可能である。
本発明の窒化物半導体発光素子の一の実施形態を説明する模式断面図である。 図１の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例を説明する図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態におけるエネルギーバンド図の一例を説明する模式断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態におけるエネルギーバンド図の一例を説明する模式断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態におけるエネルギーバンド図の一例を説明する模式断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態を説明する模式断面図である。 図６の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例を説明する図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態を説明する模式断面図である。 図８の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の例を説明する図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態を説明する模式断面図である。 図１０の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例を説明する図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態を説明する模式断面図である。 図１２の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の例を説明する図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の実施形態を説明する模式断面図である。 図１４の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例を説明する図である。
　＜１．窒化物半導体発光素子＞
　先ずは、窒化物半導体発光素子の基本的な概要について説明する。
　本発明において、２００～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子（以下、単に「深紫外発光素子」と略記する場合もある）は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって製造することができる。具体的には、市販の装置を使用し、後述する単結晶基板上に、または、積層体の基板上に、ＩＩＩ族原料ガス、例えば、トリメチルアルミニウムのような有機金属のガスと、窒素源ガス、例えば、アンモニアガスのような原料ガスを供給することにより、製造することができる。ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体発光素子を製造する条件は、公知の方法を採用することができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法以外の方法で製造することもできる。
　本発明において、窒化物半導体発光素子は、２００～３００ｎｍの発光波長を有するものであれば、特に制限されるものではい。具体的には、ホウ素、アルミニウム、インジウム、及びガリウムから選ばれる一種以上と、窒素とを含み、一般式：ＢＸＡｌＹＩｎＺＧａ１－ｘ－ｙ－ｚＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で示される構成のものの中から、各層の組成を決定し、２００～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子とすればよい。より具体的な例を示せば、例えば、ＡｌａＧａ１－ａＮで示される組成で活性層を構成する場合には、０．２≦ａ≦１の組成が必要になる。
　また一般的に、Ｂ、Ａｌの割合が増加するとバンドギャップが大きくなる傾向にあり、Ｉｎ、Ｇａの割合が増加するとバンドギャップが小さくなる傾向にある。そのため、これら構成元素の割合により、各層のバンドギャップを調整することができる。構成元素の割合は、製造した窒化物半導体発光素子をＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：二次イオン質量分析計）、ＴＥＭ－ＥＤＸ（Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spectrometry：透過型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法）、３次元アトムプローブ法（３ＤＡＰ）等により測定して求めることができる。そして、バンドギャップは、各層の構成元素の割合から換算することができる。また、窒化物半導体発光素子をカソードルミネセンス法（ＣＬ法）、フォトルミネセンス法（ＰＬ法）により分析することにより、直接、各層のバンドギャップを求めることもできる。構成元素がＡｌ、Ｇａ、及びＮである場合には、バンドギャップの値から換算式を用いてＡｌ組成を特定できる。
　なお、本出願の実施例・比較例においては、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により各層の構成元素の割合を測定し、ＰＬ法によりバンドギャップを求めた。本出願に開示された発明の技術的範囲を判断するにあたっても、特段の事情がない限り、各層の組成についてはＸＲＤによる測定値が適用され、各層のバンドギャップについてはＰＬ法により決定される値が適用されるものとする。
　以下、本発明の第一の態様に係る窒化物半導体発光素子について図を用いて詳細に説明する。図１は、一の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子の模式断面図である。また図２は、図１の窒化物半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例を説明する図である。図２においては、紙面上下方向がバンドギャップの大きさを表しており、紙面上方向に行くほど電子のエネルギーが高く（正孔のエネルギーは低く）なるようにエネルギーバンド図が描かれている。本出願の他のエネルギーバンド図においても同様である。図２は、例えば、ｎ型層２０のバンドギャップよりも、電子ブロック層４０、及びｐ型第一層５１のバンドギャップが大きくなっていることを示している。
　図１に示すように、窒化物半導体発光素子１は、基板１０と、基板１０の上に設けられたｎ型層２０と、ｎ型層２０の上に設けられた活性層３０と、活性層３０の上に設けられた電子ブロック層４０と、電子ブロック層４０の上に設けられたｐ型層５０とを備える。図１の窒化物半導体発光素子１００においては、ｎ型層が単一層である。この場合、ｎ型層２０がｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層に該当する。また、図１の窒化物半導体発光素子１００においては、ｐ型層５０がバンドギャップの異なる複数の層からなる。ｐ型層５０は、ｎ型第一層２０のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１と、ｐ型第一層５１とは異なるバンドギャップを有するｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２とから形成されている。
　窒化物半導体発光素子１は、ｐ型第二層５２からｎ型層２０の一部までがエッチング除去されることにより露出したｎ型層２０の表面に設けられたｎ型用電極６０と、ｐ型第二層５２上に設けられたｐ型用電極７０とを更に備える。ｎ型用電極６０及びｐ型用電極７０は、公知の方法で形成することができる。以下、各層について詳細に説明する。
　（基板１０）
　基板１０としては、公知の方法で製造された公知の基板を特に制限なく用いることができる。基板１０として採用可能な基板の具体例としては、ＡｌＮ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等が挙げられる。中でも、Ｃ面を成長面とするＡｌＮ基板、又はＣ面を成長面とするサファイア基板であることが好ましい。なお、基板１０の厚みは、特に制限されるものではないが、０．１ｍｍ～２ｍｍであることが好ましい。
　（ｎ型層２０）
　ｎ型層２０は、ｎ型のドーパントがドープされている層である。図１の深紫外発光素子１においては、ｎ型層２０が単一層であり、したがってｎ型層２０とｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層とは同一の層である。このｎ型層２０は、特に制限されるものではないが、例えば、ｎ型層２０がＳｉをドーパントとして、不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］となるように該ドーパントを含むことによりｎ型の導電特性を示す形態を好ましく採用できる。ドーパント材料は、Ｓｉ以外の材料であってもよい。
　ｎ型層２０が単一層の場合、ｎ型層２０のバンドギャップは、下記に詳述するｐ型第一層のバンドギャップよりも小さい限りにおいて、特に制限されるものではない。ただし、２００～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子の生産性を高め、使用用途を広げるためには、ｎ型層２０のバンドギャップの値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましく、４．２０ｅＶ以上６．２５ｅＶ以下であることがより好ましく、４．５０ｅＶ以上５．５０ｅＶ以下であることが特に好ましい。
　ｎ型層２０の好ましい組成としては、例えば組成式ＡｌｄＧａ１－ｄＮで表される場合、Ａｌ組成（ｄ）が０．３４～１．００である組成を挙げることができる。ｎ型層２０の組成が組成式ＡｌｄＧａ１－ｄＮで表される場合、そのＡｌ組成（ｄ）はより好ましくは０．３４～０．９０であり、さらに好ましくは０．３４～０．８０であり、最も好ましくは０．４５～０．７０である。またｎ型層２０は単結晶によって形成されることが好ましい。
　また、ｎ型層２０の膜厚は、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上５０μｍ以下であり得る。
　なお、図１の窒化物半導体発光素子１００が有するｎ型層２０は単一層であるが、バンドギャップの異なる複数の層からなるｎ型層を有する形態（後述）においても、ｎ型層を構成する複数の層のいずれもが、上記した好ましい組成又は典型的な組成の範囲内であることが好ましい。
　（活性層３０）
　活性層３０は、一以上の井戸層と一以上の障壁層とを備える量子井戸構造（以下において単に「量子井戸構造」ということがある。）を有している。図２のエネルギーバンド図において、活性層３０は井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、及び３３ａ、並びに障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、及び３４ｂを備える量子井戸構造を有している。
　活性層を形成する層のバンドギャップは、電子ブロック層のバンドギャップよりも小さい限りにおいて、特に制限されるものではない。活性層が一以上の井戸層と一以上の障壁層とを備える量子井戸構造を有する場合、活性層においては通常、障壁層の方が井戸層よりも大きいバンドギャップを有する。そのため、活性層の中で最大のバンドギャップを有する障壁層のバンドギャップが、電子ブロック層のバンドギャップよりも小さければよいことになる。井戸層のバンドギャップは、他の層との兼ね合いで適宜決定し得るが、４．１３ｅＶ以上６．００ｅＶ以下であることが好ましく、４．１８ｅＶ以上５．９８ｅＶ以下であることがより好ましく、４．２０ｅＶ以上５．００ｅＶ以下であることがさらに好ましい。また、障壁層のバンドギャップも、特に制限されるものではないが、４．１５ｅＶ以上６．０２ｅＶ以下であることが好ましく、４．２０ｅＶ以上６．００ｅＶ以下であることがより好ましく、４．３０ｅＶ以上５．５０ｅＶ以下であることが特に好ましい。
　井戸層および障壁層の各層の厚さは、１～５０ｎｍであることが好ましい。
　（障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ）
　障壁層は組成式ＡｌａＧａ１－ａＮ（０．３４≦ａ≦１．００）で表される組成を有する単結晶から形成されればよく、組成式ＡｌａＧａ１－ａＮ（０．３４≦ａ≦０．８９）で表される組成を有する単結晶から形成されることが好ましい。そして、後述するようにｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表される単結晶から形成されるとき、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１のＡｌ組成と各障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）が０．１０を超えて０．４５以下であることが好ましく、このとき、生産性を高めつつ発光効率をさらに高める観点から、障壁層のＡｌ組成（ａ）が０．３４≦ａ≦０．８０であり且つＡｌ組成の差（ｂ－ａ）が０．１２以上０．４５以下であることがより好ましく、障壁層のＡｌ組成（ａ）が０．４０≦ａ≦０．７０であり且つＡｌ組成の差（ｂ－ａ）が０．１２以上０．４５以下であることが特に好ましい。
　図２における障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、及び３４ｂのように、活性層中に障壁層が複数存在する場合には、各障壁層の厚み及び組成はそれぞれ同一でも異なっていてもよいが、いずれの障壁層の厚みも２～５０ｎｍの範囲内であることが好ましく、いずれの障壁層の組成も上記組成式の範囲（０．３４≦ａ≦０．８９）内であることが好ましい。複数の障壁層の間で組成が異なる場合に、障壁層のＡｌ組成を障壁層以外の層のＡｌ組成と比較するにあたっては、Ａｌ組成（ａ）が最も高い障壁層のＡｌ組成（ａ）に基づいて比較を行う（例えばｂ－ａを評価する）ものとする。なお生産性の観点からは、複数の障壁層は同一の厚み及び組成を有する層であることが好ましい。また各障壁層の厚みは２～２０ｎｍであることがより好ましく、２～１０ｎｍであることがさらに好ましい。
　（井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ）
　井戸層は組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．８７）で表される組成を有する単結晶から形成されることが好ましい。井戸層は、障壁層よりも小さいバンドギャップを有するように形成される。そのため、井戸層及び障壁層の両方がＡｌＧａＮの単結晶から形成される場合には、井戸層は、障壁層のＡｌ組成よりも低いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮの単結晶から形成される。
　井戸層が組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮで表される単結晶から形成され、且つ障壁層が組成式ＡｌａＧａ１－ａＮで表される単結晶から形成されている場合、障壁層のＡｌ組成（ａ）と井戸層のＡｌ組成（ｅ）との差（ａ－ｅ）が、０．０２以上であることが好ましく、差（ａ－ｅ）の上限は特に制限されるものではないが、０．８７以下であることが好ましい。
　井戸層が組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮで表される単結晶から形成されている場合における井戸層のＡｌ組成（ｅ）の絶対値は、他の層のバンドギャップとの兼ね合いで決定すればよいが、組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦１．００）を満足すればよく、組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．８７）を満足することが好ましく、組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．７８）を満足することがより好ましく、組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．６８）を満足することが特に好ましい。
　井戸層の厚さは、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型クラッド層のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ａ－ｅ）が上記の好ましい範囲内であるときに、井戸層の厚さが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることにより、発光効率がさらに向上する。井戸層の厚みが比較的厚いこと、すなわち４ｎｍ以上であることにより、ホールの注入効率が向上するので、高電流注入領域におけるキャリアオーバーフローの発生を低減することが可能になる。一方、活性層内の内部電界は、井戸層に閉じ込められた電子とホールの波動関数を空間的に分離させ、再結合効率を低下させるように作用するところ、井戸層の厚みが２０ｎｍ以下であることにより、注入キャリアによって内部電界を十分にスクリーニング（遮蔽）できるので、電子の波動関数とホールの波動関数との空間的分離を抑制し、再結合確率を高めることができる。より詳しくは、窒化物半導体、とりわけＡｌＧａＮで表される窒化物半導体発光素子は、組成の異なるヘテロ界面において、自発分極の効果により、矩形のポテンシャルではなく、三角ポテンシャルを形成する。そのため、量子井戸層を形成した場合においては、その内部電界による量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect：以下において単に「ＱＣＳＥ」と称する。）により注入された電子とホールはそれぞれ逆側の界面に偏りを持つようになるため、空間的に分離される。その結果電子とホールの再結合確率が低下するため、内部量子効率が低下する。これに対して井戸層の厚みが２０ｎｍ以下であることにより、注入キャリアによって内部電界を十分にスクリーニング（遮蔽）できるので、ＱＣＳＥを抑制することが可能になる。同様の観点から、井戸層の厚みは、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましい。
　図２における井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、及び３３ａのように、活性層中に井戸層が複数層存在する場合には、各井戸層の厚み及び組成はそれぞれ同一でも異なっていてもよいが、いずれの井戸層の厚みも４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましく、いずれの井戸層も組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．８７）の範囲内の単結晶で形成されていることが好ましく、且ついずれの井戸層についても障壁層におけるＡｌ組成（ａ）と該井戸層のＡｌ組成（ｅ）との差（ａ－ｅ）が０．０２以上であることが好ましい。なお生産性の観点からは、複数の井戸層は同一の厚み及び組成を有する層であることが好ましい。
　（活性層３０の構造）
　図２に示すように活性層３０は、複数の障壁層を有し、且つ、該複数の障壁層が、ｎ型層２０に接する一の障壁層３０ｂと、電子ブロック層４０と接する他の障壁層３４ｂとを含む構造を有している。活性層３０がこのような構造を有することにより、ｎ型層２０およびｐ型層５１、５２からドーパントが井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、及び３３ａへ拡散することを防ぐことが可能になる。
　障壁層３０ｂ乃至３４ｂは、ｐ型またはｎ型のドーパントを添加されていてもよい。障壁層３０ｂ乃至３４ｂにｐ型のドーパントが添加されている場合においては、キャリアオーバーフローの抑制効果とＱＣＳＥの低減効果を高めることができる。また障壁層３０ｂ乃至３４ｂにｎ型のドーパントが添加されている場合においては、ＱＣＳＥの低減効果を高めることができる。
　（電子ブロック層４０）
　電子ブロック層４０は、電界をかけたことによりｎ型層から活性層へと注入された電子の一部がｐ型層側に漏れることを抑制するための層である。そのため、電子ブロック層４０は、活性層３０および後述するｐ型層５０を形成するいずれの層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する必要があり、また、活性層３０と後述するｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１との間に形成される必要がある。
　電子ブロック層４０のバンドギャップは、活性層３０を構成するいずれの層のバンドギャップよりも大きく、かつ、ｐ型層５０を構成するいずれの層のバンドギャップよりも大きい。
　電子ブロック層４０のバンドギャップは、活性層３０及びｐ型層５０を構成するいずれの層のバンドギャップよりも大きい限りにおいて、特に制限されるものではない。ただし、活性層３０の中で最大のバンドギャップを有する障壁層のバンドギャップよりも、０．０３ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．０５ｅＶ以上大きいことがより好ましく、０．２０ｅＶ以上大きいことが特に好ましい。電子ブロック層４０のバンドギャップと活性層３０の最大バンドギャップとの差の上限は、特に制限されるものではないが、生産性の観点からは２．１５ｅＶ以下であることが好ましい。また、電子ブロック層４０のバンドギャップは、ｐ型層５０を構成する層のうち最大のバンドギャップを有する層（ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１）のバンドギャップよりも、０．０２ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．０４ｅＶ以上大きいことがより好ましく、０．１０ｅＶ以上大きいことが特に好ましい。電子ブロック層４０のバンドギャップとｐ型層５０を構成する層の最大バンドギャップとの差の上限は、特に制限されるものではないが、生産性の観点からは２．１４ｅＶ以下であることが好ましく、２．０９ｅＶ以下であることがより好ましく、１．２０ｅＶ以下であることがさらに好ましい。
　電子ブロック層４０のバンドギャップの絶対値は、特に制限されるものではないが、４．１８ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましく、４．２５ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることがより好ましく、４．７０ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが特に好ましい。
　電子ブロック層４０は、ＡｌＧａＮ単結晶によって形成されることが好ましい。活性層３０、ｐ型層５０、及び電子ブロック層４０がＡｌＧａＮ単結晶から形成される場合、電子ブロック層４０は、活性層３０及びｐ型層５０を構成するいずれの層よりもＡｌ組成比が高いＡｌＧａＮ単結晶から形成されることが好ましい。またｎ型層２０がＡｌＧａＮ単結晶から形成される場合、電子ブロック層４０は、ｎ型層２０のＡｌ組成よりも低いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ単結晶から形成されてもよいが、ｎ型層２０のＡｌ組成より高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ単結晶から形成されることが好ましい。つまり、電子ブロック層４０は、他の何れの層よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ単結晶から形成されることが好ましい。
　電子ブロック層４０が組成式ＡｌｃＧａ１－ｃＮで表される場合、電子ブロック層４０のＡｌ組成（ｃ）は、０．４５≦ｃ≦１．００であることが好ましく、０．５３≦ｃ≦１．００であることが特に好ましい。そして本発明の効果をさらに高める観点から、電子ブロック層４０のＡｌ組成（ｃ）と障壁層のＡｌ組成（ａ）との差（ｃ－ａ）が０．１１～０．９８であることが好ましく、０．１３～０．８０であることがより好ましく、０．１３～０．６０であることがさらに好ましい。
　後述するようにｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表される単結晶から形成されるとき、電子ブロック層４０のＡｌ組成（ｃ）は、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１のＡｌ組成（ｂ）よりも大きいことが好ましい。具体的には、電子ブロック層４０とｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１とのＡｌ組成の差（ｃ－ｂ）が０．００を超え０．８８以下であることが好ましく、０．００を超え０．８０以下であることがより好ましく、０．０１以上０．７０以下であることがさらに好ましい。
　また、電子ブロック層４０は、ｐ型のドーパントがドープされていてもよいし、アンドープの層であってもよい。電子ブロック層４０にｐ型のドーパントがドープされている場合、例えばＭｇがドープされている場合には、不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］であることが好ましい。さらに、この電子ブロック層４０には、ｐ型のドーパントがドープされた領域と、アンドープの領域との両方が存在してもよい。電子ブロック層がドープされた領域とアンドープの領域との両方を有する場合、電子ブロック層４０全体の不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］であることが好ましい。
　電子ブロック層４０の厚さは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　（ｐ型層５０）
　窒化物半導体発光素子１００は、電子ブロック層４０を有すると共に、ｐ型層５０内に、上記ｎ型層２０内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層（２０）のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１を有する。
　図１の窒化物半導体発光素子１００においては、ｐ型層５０が、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１、及び、ｐ型用電極７０と接触するｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２から構成されている。ｐ型層５０は、ｐ型のドーパントをドープされており、ｐ型の導電特性を示す。具体的には、ｐ型のドーパントとしてＭｇを、不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］となるように含むことが好ましい。なお、ｐ型層５０において、不純物は均一に分布していてもよく、また、不均一な不純物濃度分布となっていてもよい。さらに、図１のようにｐ型層５０が複数の層から構成される場合には、それら複数の層の不純物濃度は同一でも異なっていてもよい。
　（ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１）
　窒化物半導体発光素子１００においては、ｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層（図１及び図２においてはｎ型層２０）のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１が設けられており、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）と活性層３０との間に電子ブロック層４０が設けられている。電子ブロック層４０は活性層３０からｐ型層５０へ流入しようとする電子に対してポテンシャル障壁として作用するところ、このｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１が存在することにより、活性層３０から電子ブロック層４０のｐ型層５０側への電子の波動関数のしみ出しを低減できるので、活性層３０からｐ型層５０への電子の流出を一層効果的に低減できる。
　ｎ型層２０（ｎ型第一層）とｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１とのバンドギャップの差は特に制限されるものではないが、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）はｎ型第一層２０よりも０．０１ｅＶ以上大きいバンドギャップを有することが好ましく、０．１０ｅＶ以上大きいバンドギャップを有することがより好ましい。なお、ｎ型層２０（ｎ型第一層）とｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１とのバンドギャップの差の上限は、特に制限されるものではないが、生産性の観点からは１．５０ｅＶ以下であることが好ましく、１．００ｅＶ以下であることがより好ましく、０．５０ｅＶ以下であることが特に好ましい。
　また、ｐ型第一層５１のバンドギャップの絶対値は、ｎ型第一層２０よりも大きい限りにおいて特に制限されるものではないが、４．１６ｅＶ以上６．２８ｅＶ以下であることが好ましく、さらに、４．２１ｅＶ以上６．２６ｅＶ以下であることが好ましく、特に、４．６０ｅＶ以上５．６０ｅＶ以下であることが好ましい。
　ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１は、組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表される単結晶から形成されることが好ましく、そのＡｌ組成（ｂ）は０．５２以上０．９９以下であることがより好ましい。そしてｐ型第一層（ｐ型クラッド層）のＡｌ組成（ｂ）と障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）は上記の通り、０．１０を超えて０．４５以下であることが好ましく、０．１２以上０．４５以下であることがより好ましい。
　ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１の厚みは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
　（ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２）
　本発明においては、ｐ型層５０は単一層（この場合、ｐ型層５０がｐ型第一層（ｐ型クラッド層）となる）であってもよいが、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２を形成することにより、ｐ型用電極７０とのオーミック接触を実現し易くするとともに、ｐ型用電極７０との接触抵抗を低減することが容易になる。
　ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２は、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する。具体的には、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２のバンドギャップは、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１のバンドギャップよりも小さい値であって、その絶対値が、０．７０ｅＶ以上６．００ｅＶ以下であることが好ましく、３．００ｅＶ以上４．５０ｅＶ以下であることがより好ましい。典型的な例としては、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２がＧａＮ（バンドギャップ：３．４ｅＶ）から形成される形態を挙げることができる。
　ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２はＡｌＧａＮ単結晶から形成されることが好ましい。ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１及びｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２の両方がそれぞれＡｌＧａＮ単結晶から形成される場合、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２のＡｌ組成は、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１のＡｌ組成よりも小さいことが好ましい。ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２が組成式ＡｌｆＧａ１－ｆＮで表される単結晶から構成される場合、そのＡｌ組成（ｆ）は、０．００～１．００であればよく、０．００～０．７０であることが好ましく、０．００～０．４０であることがより好ましい。上記の典型的な例のようにｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２がＧａＮから形成される場合にはｆ＝０．００である。なおｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２は、本発明の効果を阻害しない範囲で、Ｉｎを含んでいてもよい。
　また、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２の厚みは、１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　（他の実施形態（１）：活性層の他の構成）
　本発明に関する上記説明では、活性層３０が量子井戸構造を有し、その井戸層の数が４つである形態の窒化物半導体発光素子１００を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の窒化物半導体発光素子において活性層が量子井戸構造を有する場合、井戸層の数は１つであってもよく、複数であってもよい。なお井戸層の数の上限は特に制限されるものではないが、窒化物半導体発光素子の生産性の観点からは、１０以下であることが好ましい。また活性層が量子井戸構造ではなくバルク構造（ダブルヘテロ構造）を有する形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。活性層３０がバルク構造により構成されている場合には、活性層３０の厚さは、２０～１００ｎｍであることが好ましい。
　本発明に関する上記説明では、活性層３０が井戸層３０ａ乃至３３ａ及び障壁層３０ｂ乃至３４ｂを備える量子井戸構造により構成され、ｎ型層２０に接する層が障壁層３０ｂであり、電子ブロック層４０に接する層が障壁層３４ｂである形態の窒化物半導体発光素子１００を主に例示して説明したが、本発明は当該形態に限定されない。ｎ型層に接する第一の井戸層と、電子ブロック層に接する第二の井戸層とを有する形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。図３は、そのような他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子１００’のエネルギーバンド図を説明する図である。図３において図１～２に現れた要素と同一の要素については図１～２における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図３に示すように窒化物半導体発光素子１００’においては、活性層３０’が井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、及び３３ａと、障壁層３１ｂ、３２ｂ、及び３３ｂとを有しており、ｎ型層２０と接する層が井戸層３０ａであり、電子ブロック層４０と接する層が井戸層３３ａである。このような積層構造においては電子ブロック層４０が井戸層３３ａのバリア層として作用するため、このような積層構造によってもキャリアオーバーフローを抑制することが可能である。
　また、ｎ型層に接する層が障壁層であり、電子ブロック層に接する層が井戸層である形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。図４は、そのような他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子１００''のエネルギーバンド図を説明する図である。図４において図１～３に現れた要素と同一の要素については図１～３における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図４に示すように、窒化物半導体発光素子１００''においては、活性層３０''が井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、及び３３ａと、障壁層３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、及び３３ｂとを有しており、ｎ型層２０と接する層が障壁層３０ｂであり、電子ブロック層４０に接する層が井戸層３３ａである。
　また、ｎ型層に接する層が井戸層であり、電子ブロック層に接する層が障壁層である形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。図５は、そのような他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子１００'''のエネルギーバンド図を説明する図である。図５において図１～４に現れた要素と同一の要素については図１～４における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図５に示すように、窒化物半導体発光素子１００'''においては、活性層３０'''が井戸層３０ａ、３１ａ、３２ａ、及び３３ａと、障壁層３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、及び３４ｂとを有しており、ｎ型層２０に接する層が井戸層３０ａであり、電子ブロック層４０に接する層が障壁層３４ｂである。このような構造（１００''、１００'''）とすることにより、光場の調整が可能となり、半導体レーザを作製する際の設計を容易にできる。
　（他の実施形態（２）：ｐ型第三層を有する形態）
　本発明の窒化物半導体発光素子に関する上記説明では、活性層３０と電子ブロック層４０とが直接に接している形態の窒化物半導体発光素子１００を主に例示して説明したが、本発明は当該形態に限定されない。活性層と電子ブロック層との間に、ｐ型第三層が設けられた形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。図６は、そのような他の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００の模式断面図である。また図７は、図６の窒化物半導体発光素子２００のエネルギーバンド図の一例を説明する図である。図６及び図７において、図１～５に現れた要素と同一の要素については図１～５における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図６に示すように、窒化物半導体発光素子２００においては、活性層３０と電子ブロック層４０との間にｐ型第三層５３が設けられており、この点において図１の窒化物半導体発光素子１００と異なっている。
　ｐ型第三層５３を設けることにより、他のｐ型層（ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１、及びｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２）から活性層３０への、特にｐ型層に最も近い井戸層である井戸層３３ａへの不純物（ドーパント）の拡散を抑制することができるので、活性層３０の品質を高めることが可能になる。
　ｐ型第三層５３は、他のｐ型層と同じく、形成時にｐ型のドーパントをドープした層であってもよく、また、アンドープの層を一旦形成した後、他のｐ型層のドーパントの拡散により、該アンドープの層がｐ型の導電性を有するようになった層であってもよい。このｐ型第三層５３は、活性層３０上に形成され、その上に電子ブロック層４０が形成される。
　ｐ型第三層５３のバンドギャップは、活性層３０のバンドギャップ、特に障壁層３０ｂ乃至３４ｄのバンドギャップと同一であることが好ましい。また、ｐ型第三層５３の厚みは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　（他の実施形態（３）：ｎ型層が複数の層から構成される形態）
　本発明に関する上記説明では、ｎ型層が単一層である、すなわち、ｎ型層２０がｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層である形態の窒化物半導体発光素子１００、２００を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。複数の層から構成されるｎ型層を有する形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。そのような他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子について以下に説明する。
　（他の実施形態（３－１）：ｎ型下地層及びｎ型クラッド層を有する形態）
　図８は、他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子３００の模式断面図である。図９（Ａ）及び（Ｂ）は、図８の窒化物半導体発光素子３００におけるエネルギーバンド図の例を説明する図である。図８及び図９において、図１～７に既に現れた要素と同一の要素については図１～７における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図８に示すように、窒化物半導体発光素子３００は、単一層のｎ型層２０の代わりに、ｎ型下地層２０Ａ及びｎ型クラッド層２０Ｂの２層から構成されるｎ型層２０’を有しており、この点において図１及び図６の窒化物半導体発光素子１００及び２００と異なっている。図８に示すように、ｎ型クラッド層２０Ｂは、ｎ型下地層２０Ａと活性層３０との間に設けられている。
　ｎ型下地層２０Ａは、基板１０と成長層（図８においてｎ型クラッド層２０Ｂ及びｎ型クラッド層２０Ｂより紙面上側の層）との間の格子不整合や界面のラフニングなどを緩和するための層である。下地層はアンドープの層であってもよいが、このｎ型下地層２０Ａのようにｎ型の導電性を有する層であることが好ましい。下地層をｎ型にすることの利点としては、横方向からの電流注入が必要となるフリップチップ型の発光素子において、駆動電圧を下げることが可能になる点が挙げられる。
　ｎ型クラッド層２０Ｂは、ｎ型層が単一層である形態におけるｎ型層（例えば上記窒化物半導体発光素子１００、２００におけるｎ型層２０）と同じ役割を果たす層であり、ｎ型下地層２０Ａと共に、活性層３０へ電子を供給するための層である。
　これらｎ型下地層２０Ａ及びｎ型クラッド層２０Ｂは、ｎ型層とするため、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］となるように含むことが好ましい。この不純物（ドーパント）は、ｎ型下地層２０Ａおよびｎ型クラッド層２０Ｂ中に均一に分布していてもよく、不均一に分布していてもよい。さらにｎ型下地層２０Ａにおいては、ｎ型下地層２０Ａの基板１０に接する側の一部がアンドープであってもよい。
　特に制限されるものではないが、例えば、基板１０がサファイア基板またはＡｌＮ基板上である場合においては、図９（Ａ）に示すように、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップが、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも大きいことが好ましい。そして、ｎ型層２０’において最小のバンドギャップを有する層、すなわち、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Ｂであることが好ましい。また例えば、基板１０がＧａＮ基板である場合においては、図９（Ｂ）に示すように、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップが、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも小さいことが好ましい。そして、ｎ型層２０’において最小のバンドギャップを有する層、すなわち、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Ａであることが好ましい。基板１０の材質に応じてｎ型下地層２０Ａのバンドギャップとｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップとの関係を上記のようにすることにより、ｎ型下地層２０Ａをｎ型クラッド層としても機能させることができる。
　また、特に制限されるものではないが、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップがｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも大きい場合（図９（Ａ）参照）においては、ｎ型下地層２０Ａとｎ型クラッド層２０Ｂとのバンドギャップの差は０．０２５ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。一方、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップがｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも小さい場合（図９（Ｂ）参照）においては、ｎ型下地層２０Ａとｎ型クラッド層２０Ｂとのバンドギャップの差は０．０２５ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。なお、ｎ型下地層２０Ａのバンドギャップの絶対値は、３．４ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましく、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましい。これらｎ型下地層２０Ａ及びｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値の好ましい範囲は、他のｎ型層がさらに形成される場合においても同様である。
　ｎ型下地層２０Ａの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、ｎ型クラッド層２０Ｂの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下となることが好ましい。
　なお、上記説明では、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１及びｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２を有する形態の窒化物半導体発光素子３００を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。既に例示した窒化物半導体発光素子２００におけるように、活性層と電子ブロック層との間に、さらにｐ型第三層が設けられた形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。
　（他の実施形態（３－２）：ｎ型クラッド層及びｎ型ホールブロック層を有する形態）
　図１０は、他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子４００の模式断面図である。図１１は、図１０の窒化物半導体発光素子４００におけるエネルギーバンド図の一例を説明する図である。図１０及び図１１において、図１～９に既に現れた要素と同一の要素については図１～９における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図１０に示すように、窒化物半導体発光素子４００は、単一層のｎ型層２０の代わりに、ｎ型クラッド層２０Ｂ及びｎ型ホールブロック層２０Ｃの２層から構成されるｎ型層２０''を有しており、この点において図１及び図６の窒化物半導体発光素子１００及び２００と異なっている。図１０に示すように、ｎ型ホールブロック層２０Ｃは、ｎ型クラッド層２０Ｂと活性層３０との間に設けられている。
　ｎ型ホールブロック層２０Ｃは、電界をかけたことにより、ｐ型層から活性層へと注入されたホールの一部がｎ型層側に漏れることを抑制するための層である。また、ｎ型クラッド層２０Ｂは、ｎ型層が単一層である形態におけるｎ型層（例えば上記窒化物半導体発光素子１００、２００におけるｎ型層２０）と同じ役割を果たす層であり、電子を活性層３０に供給するための層である。これらｎ型クラッド層２０Ｂ及びｎ型ホールブロック層２０Ｃは、ｎ型層とするため、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］となるように含むことが好ましい。この不純物は、ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型ホールブロック層２０Ｃ中に均一に分布していてもよく、不均一に分布していてもよい。
　特に制限されるものではないが、図１１に示すように、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも、ｎ型ホールブロック層２０Ｃのバンドギャップが大きいことが好ましい。そして、ｎ型層２０''において最小のバンドギャップを有する層、すなわち、ｎ型第一層は、ｎ型クラッド層２０Ｂであることが好ましい。さらに、ｎ型クラッド層２０Ｂとｎ型ホールブロック層２０Ｃとのバンドギャップの差は、０．０２５ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。なお、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値は、４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましく、ｎ型ホールブロック層２０Ｃのバンドギャップの絶対値は、４．１８ｅＶ以上６．２９ｅＶ以下であることが好ましい。これらｎ型クラッド層２０Ｂ及びｎ型ホールブロック層２０Ｃのバンドギャップの絶対値の好ましい範囲は、他のｎ型層がさらに形成される場合においても同様である。
　ｎ型クラッド層２０Ｂの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、ｎ型ホールブロック層２０Ｃの厚みは、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
　なお、上記説明では、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１及びｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２を有する形態の窒化物半導体発光素子４００を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。活性層と電子ブロック層との間に、さらにｐ型第三層が設けられた形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。
　（他の実施形態（３－３）：ｎ型クラッド層及びｎ型電流拡散層を有する形態）
　図１２は、他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子５００の模式断面図である。図１３（Ａ）及び（Ｂ）は、図１２の窒化物半導体発光素子５００におけるエネルギーバンド図の例を説明する図である。図１２及び図１３において、図１～１１に既に現れた要素と同一の要素については図１～１１における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図１２に示すように、窒化物半導体発光素子５００は、単一層のｎ型層２０の代わりに、ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型電流拡散層２０Ｄの２層から構成されるｎ型層２０'''を有しており、この点において図１及び図６の窒化物半導体発光素子１００及び２００と異なっている。図１２に示すように、ｎ型電流拡散層２０Ｄは、ｎ型クラッド層２０Ｂと活性層３０との間に設けられている。
　横方向（素子内部の積層構造における積層面方向）に電流を注入することが必要な半導体発光素子においては一般に、発光素子深さ方向（素子内部の積層構造における積層面の法線方向）におけるキャリアの所要移動距離に対して発光素子の横方向におけるキャリアの所要移動距離は十分以上に長い。そのため発光素子の駆動電圧はキャリアの横方向の所要移動距離に比例する抵抗とともに増大する。したがって素子の横方向のキャリア伝導度を高めるために２次元電子ガスを利用した構造が一般的に用いられており、このような構造を電流拡散層と呼ぶ。ｎ型電流拡散層２０Ｄにおいては、三角ポテンシャルの形成により、フェルミ準位が伝導帯下端よりも上側に存在している。ｎ型クラッド層２０Ｂは、電子を活性層に供給する役割を果たす層である。これらｎ型クラッド層２０Ｂ及びｎ型電流拡散層２０Ｄは、ｎ型層とするため、例えば、Ｓｉをドーパントとして不純物濃度が１×１０１６～１×１０２１［ｃｍ－３］となるように含むことが好ましい。不純物（ドーパント）は、ｎ型クラッド層２０Ｂ、ｎ型電流拡散層２０Ｄ中に均一に分布していてもよく、不均一に分布していてもよい。
　図１３（Ａ）は、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップがｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップよりも小さい場合のエネルギーバンド図を説明する図である。この場合、ｎ型層において最小のエネルギーギャップを有する層（ｎ型第一層）は、ｎ型電流拡散層２０Ｄである。
　ただし、ｎ型電流拡散層２０Ｄは、三角ポテンシャルの形成により２次元電子ガスを生成できる限りにおいて、ｎ型クラッド層２０Ｂよりも大きなバンドギャップを有してもよい。図１３（Ｂ）は、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップがｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップより大きい場合のエネルギーバンド図を説明する図である。この場合、ｎ型層において最小のエネルギーギャップを有する層（ｎ型第一層）は、ｎ型クラッド層２０Ｂである。
　特に制限されるものではないが、ｎ型クラッド層２０Ｂとｎ型電流拡散層２０Ｄとのバンドギャップの差は、０．０３ｅＶ以上２．００ｅＶ以下であることが好ましい。なお、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値がｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値より小さい場合（図１３（Ａ）参照）においては、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値が４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であり、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップが４．１８ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であることが好ましい。また、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値がｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップの絶対値より大きい場合（図１３（Ｂ）参照）においては、ｎ型電流拡散層２０Ｄのバンドギャップの絶対値が４．１８ｅＶ以上６．３０ｅＶ以下であり、ｎ型クラッド層２０Ｂのバンドギャップが４．１５ｅＶ以上６．２７ｅＶ以下であることが好ましい。
　ｎ型クラッド層２０Ｂの厚みは、１ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、ｎ型電流拡散層層２０Ｄの厚みは、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
　上記説明では、ｎ型クラッド層２０Ｂとは別個にｎ型電流拡散層２０Ｄが設けられ、且つｎ型電流拡散層２０Ｄに接して活性層３０が積層されている形態の窒化物半導体発光素子５００を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。ｎ型クラッド層の内部にｎ型電流拡散層が形成され、それゆえ活性層がｎ型電流拡散層に直接接触していない形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。
　上記説明では、ｐ型層としてｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１及びｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）５２を有する形態の窒化物半導体発光素子５００を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。活性層と電子ブロック層との間に、さらにｐ型第三層が設けられた形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。
　（その他のｎ型層の組み合わせ）
　複数の層から構成されたｎ型層を有する形態の本発明の窒化物半導体発光素子に関する上記説明では、２層の組み合わせから構成されるｎ型層を有する形態の窒化物半導体発光素子３００、４００、及び５００を例示したが、本発明はこれらの形態に限定されない。複数の層の他の組み合わせから構成されるｎ型層を有する形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。例えば、ｎ型層を構成する複数の層は、ｎ型下地層、ｎ型クラッド層、ｎ型ホールブロック層、およびｎ型電流拡散層から選ばれる２層以上の層であり得る。各層の厚みは上記説明の通りである。ただし、上記例示した、ｎ型層を構成する複数の層が、基板の上に積層される順序としては、
基板／（ｎ型下地層）／ｎ型クラッド層／（ｎ型ホールブロック層，ｎ型電流拡散層）
の積層順序が好ましい（括弧内の層はその層が必須の層ではないことを表す。またｎ型ホールブロック層とｎ型電流拡散層との積層順序は特に限定されない。）。ｎ型層を構成する複数の層がこのような組み合わせである場合、ｎ型下地層、ｎ型クラッド層、ｎ型ホールブロック層、およびｎ型電流拡散層の中で最も小さいバンドギャップを有する層が、ｎ型第一層に該当する。
　（他の実施形態（４）：ｐ型層が単一層である形態）
　本発明に関する上記説明では、バンドギャップの異なる複数の層からなるｐ型層を有する形態の窒化物半導体発光素子１００、１００’、１００''、１００'''、２００、３００、４００、及び５００を主に例示したが、本発明はこれらの形態に限定されない。ｐ型層が単一層である形態の窒化物半導体発光素子とすることも可能である。図１４は、そのような他の実施形態に係る本発明の窒化物半導体発光素子６００の模式断面図であり、図１５は、窒化物半導体発光素子６００におけるエネルギーバンド図の一例を説明する図である。図１４～１５において、図１～１３に既に現れた要素と同一の要素については図１～１３における符号と同一の符号を付し、説明を省略する。窒化物半導体発光素子６００は、複数の層からなるｐ型層５０の代わりに単一層であるｐ型層５０’を有しており、この点において上記例示した窒化物半導体発光素子１００等と相違している。窒化物半導体発光素子６００においては、ｐ型層５０’が、ｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型層、すなわちｐ型第一層に該当する。
　＜２．窒化物半導体ウェーハ＞
　本発明の第二の態様は、本発明の窒化物半導体発光素子について上記説明した積層構造を有する、窒化物半導体ウェーハである。本発明の窒化物半導体ウェーハには通常、上記説明した本発明の窒化物半導体発光素子の積層構造が形成されている。そして当該窒化物半導体ウェーハから個々の素子を切り出すことにより、本発明の窒化物半導体発光素子を複数得ることができる。
　以下、実施例及び比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
　以下の実施例及び比較例においては、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により各層の構成元素の割合を測定し、フォトルミネッセンス法（ＰＬ法）によりバンドギャップを求めた。ＸＲＤ測定にはPANalytical B. V.製X’Pert PROを用い、ＰＬ法の測定にはHORIBA, Ltd.製HR800 UVを用いた。発光波長の測定にはSphereOptics GmbH製SMS-500を用い、発光強度が最大である波長を発光波長として記録した。外部量子効率の測定は発光波長の測定に用いた装置と同じ装置を用いて行った。
　＜実施例１、比較例１～２＞
　（実施例１）
　図１に示した積層構造を有する窒化物半導体発光素子を製造した。
　先ず、ＭＯＣＶＤ法により、一辺７ｍｍ角、厚さ５００μｍのＣ面ＡｌＮ基板上１０上に、ｎ型層（２０）として、ＳｉをドープしたＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層（ｎ型第一層：バンドギャップ５．２３ｅＶ、Ｓｉ濃度１×１０１９ｃｍ－３、層厚み１．０μｍ）を形成した。
　ｎ型層（２０）上に、障壁層と井戸層とが交互に積層されるように、障壁層（組成Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ、バンドギャップ５．２３ｅＶ、アンドープ、層厚み７ｎｍ）を５層、及び井戸層（組成Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、バンドギャップ４．５５ｅＶ、アンドープ、層厚み７ｎｍ）を４層形成することにより、４つの量子井戸を備える量子井戸構造（図２参照）を有する活性層（３０）を形成した。一の障壁層はｎ型層（２０）に接して形成され、他の一の障壁層は最外層として形成された。
　活性層（３０）上（すなわち活性層の最外層である障壁層上）に、電子ブロック層（４０）として、ＭｇをドープしたＡｌＮ層（バンドギャップ６．００ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３、層厚み３０ｎｍ）を形成した。
　電子ブロック層（４０）上に、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）（５１）として、ＭｇをドープしたＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層（バンドギャップ５．３８ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３、層厚み５０ｎｍ）を形成した。そしてｐ型第一層（ｐ型クラッド層）（５１）上に、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）（５２）として、ＭｇをドープしたＧａＮ層（バンドギャップ３．４０ｅＶ、Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ－３、層厚み１００ｎｍ）を形成した。
　次いで、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を行った。その後、ｐ型第二層（ｐ型クラッド層）（５２）の表面にフォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成し、レジストパターンが形成されていない窓部を反応性イオンエッチングによりｎ型層（２０）の表面が露出するまでエッチングした。その後、ｎ型層（２０）の表面に真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）電極（負電極）を形成し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）（５２）の表面に、真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極（正電極）を形成した後、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を行い、窒化物半導体発光素子を作製した。
　得られた窒化物半導体発光素子は、電流注入が１０ｍＡのときに２６７ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は２．２％であった。
　（比較例１）
　実施例１において、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）（５１）を組成Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ、バンドギャップ５．２３ｅＶ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３）に変更した以外は、実施例１と同様の操作を行うことにより、窒化物半導体発光素子を作製した。
　得られた窒化物半導体素子は、電流注入が１０ｍＡのときに２６７ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は１．７％であった。
　（比較例２）
　実施例１において、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）５１を組成Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ、バンドギャップ５．０９ｅＶ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３）に変更した以外は、実施例１と同様の操作を行うことにより、窒化物半導体発光素子を作製した。
　得られた窒化物半導体発光素子の発光波長は電流注入が１０ｍＡのときに２６７ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は１．３％であった
　＜実施例２～５＞
　（実施例２）
　図１に示した積層構造の窒化物半導体発光素子を複数有するウェーハを製造し、そのウェーハから窒化物半導体発光素子を切り出した。ただし活性層中の量子井戸の数は３つとした。
　先ず、ＭＯＣＶＤ法により、一辺７ｍｍ角、厚さ５００μｍのＣ面ＡｌＮ基板（１０）上に、ｎ型層（２０）として、ＳｉをドープしたＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層（バンドギャップ５．２３ｅＶ、Ｓｉ濃度１×１０１９ｃｍ－３）を層厚み１．０μｍで形成した。
　ｎ型層（２０）上に、障壁層と井戸層とが交互に積層されるように、Ｓｉをドープした障壁層（組成Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ、バンドギャップ５．２３ｅＶ、Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ－３、層厚み７ｎｍ）を４層、及び井戸層（組成Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、バンドギャップ４．５５ｅＶ、アンドープ、層厚み２ｎｍ）を３層形成することにより、３つの量子井戸を備える量子井戸構造を有する活性層（３０）を形成した。一の障壁層はｎ型層（２０）に接して形成され、他の一の障壁層は最外層として形成された。
　活性層（３０）上（すなわち活性層の最外層である障壁層上）に、電子ブロック層（４０）として、ＭｇをドープしたＡｌＮ層（バンドギャップ６．００ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３、層厚み１５ｎｍ）を形成した。
　電子ブロック層（４０）上に、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）（５１）として、ＭｇをドープしたＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ｎ層（バンドギャップ５．３８ｅＶ、Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３、層厚み５０ｎｍ）を形成した。そしてｐ型第一層（ｐ型クラッド層）（５１）上に、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）（５２）として、ＭｇをドープしたＧａＮ層（バンドギャップ３．４０ｅＶ、Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ－３、層厚み１００ｎｍ）を形成した。
　次いで、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を行った。その後、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）（５２）の表面にフォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない窓部を反応性イオンエッチングによりｎ型層（２０）の表面が露出するまでエッチングした。その後、ｎ型層（２０）の表面に真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）電極（負電極）を形成し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）（５２）の表面に、真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極（正電極）を形成した後、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を行い、上記の積層構造を有する窒化物半導体ウェーハを製造した。得られた窒化物半導体ウェーハを７００μｍ角に切り出すことにより、窒化物半導体発光素子を作製した。
　得られた窒化物半導体素子は、電流注入が１００ｍＡのときに２７２ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は２．０％であった。
　（実施例３）
　実施例２において、各障壁層を組成Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ（バンドギャップ４．９５ｅＶ、Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ－３）に変更した以外は、実施例２と同様の操作を行うことにより、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体発光素子を作製した。得られた窒化物半導体発光素子は電流注入が１００ｍＡのときに２６７ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は２．３％であった。
　（実施例４）
　実施例３において、各井戸層の厚みを２ｎｍから４ｎｍに変更した以外は、実施例３と同様の操作を行うことにより、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体発光素子を作製した。得られた窒化物半導体発光素子は電流注入が１００ｍＡのときに２７０ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は２．７％であった。
　（実施例５）
　実施例２において、各障壁層を組成Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ（バンドギャップ４．８１ｅＶ、Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ－３）に変更し、各井戸層の厚みを２ｎｍから６ｎｍに変更した以外は、実施例３と同様の操作を行うことにより、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体発光素子を作製した。得られた窒化物半導体発光素子は電流注入が１００ｍＡのときに２６３ｎｍに発光波長を有し、外部量子効率は３．２％であった。
　＜評価結果＞
　実施例１～５及び比較例１～２の構成および評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１～５の窒化物半導体素子は、ｎ型層の最小バンドギャップより大きいバンドギャップを有するｐ型層を電子ブロック層の活性層とは反対の側に有しない比較例１～２の窒化物半導体発光素子に比較して、良好な発光効率を示した。実施例１～５の窒化物半導体素子はいずれもｎ型層、井戸層と障壁層とを有する活性層、電子ブロック層、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）、及びｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）がこの順で積層された積層構造を有し、障壁層が組成式ＡｌａＧａ１－ａＮ（０．３４≦ａ≦０．８９）で表され、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表される。これらの中でも、ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）のＡｌ組成と障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）が０．１０を超え０．４５以下である実施例３～５の窒化物半導体発光素子は、そうでない実施例１～２の窒化物半導体発光素子よりもさらに優れた発光効率を示した。さらに、井戸層の厚さが４～２０ｎｍの範囲内である実施例４～５の窒化物半導体発光素子は、特に優れた発光効率を示した。
１０　　　基板
２０、２０’、２０''、２０'''　　　ｎ型層
２０Ａ　　ｎ型下地層
２０Ｂ　　ｎ型クラッド層
２０Ｃ　　ｎ型ホールブロック層
２０Ｄ　　ｎ型電流拡散層
３０　　　活性層（活性層領域）
３０ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ　　井戸層
３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ　　障壁層
４０　　　電子ブロック層
５０、５０’　　　ｐ型層
５１　　　ｐ型第一層（ｐ型クラッド層）
５２　　　ｐ型第二層（ｐ型コンタクト層）
５３　　　ｐ型第三層
６０　　　ｎ型用電極層
７０　　　ｐ型用電極層
１００、１００’、１００''、１００'''、２００、３００、４００、５００、６００　窒化物半導体発光素子（深紫外半導体発光素子）

Claims (8)

  1. 　２００～３００ｎｍの発光波長を有する窒化物半導体発光素子であって、
    　単一の層またはバンドギャップの異なる複数の層からなるｎ型層、
    　単一の層またはバンドギャップの異なる複数の層からなるｐ型層、及び
    　前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配設された活性層を有し、
    　前記ｐ型層は、前記ｎ型層内で最小のバンドギャップを有するｎ型第一層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｐ型第一層を有し、かつ
    　前記活性層および前記ｐ型層を形成する層のバンドギャップのいずれよりも大きいバンドギャップを有する電子ブロック層が、前記活性層と前記ｐ型第一層との間に設けられていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
  2. 　前記ｐ型層が、バンドギャップの異なる複数の層からなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 　前記活性層が、井戸層および障壁層を有し、
    　前記ｐ型層が、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を有し、
    　前記窒化物半導体発光素子は、前記ｎ型層、前記活性層、前記電子ブロック層、前記ｐ型クラッド層、および前記ｐ型コンタクト層が、この順で積層された積層構造を含み、
    　前記障壁層が組成式ＡｌａＧａ１－ａＮ（０．３４≦ａ≦０．８９）で表され、
    　前記ｐ型クラッド層が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表され、かつ、
    　前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成と前記障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）が０．１０を超え０．４５以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記井戸層が、組成式ＡｌｅＧａ１－ｅＮ（０．３３≦ｅ≦０．８７）で表され、
    　前記障壁層のＡｌ組成と前記井戸層のＡｌ組成との差（ａ－ｅ）が０．０２以上である、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 　前記井戸層の厚みが４～２０ｎｍである、請求項３又は４に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 　前記電子ブロック層がｐ型またはｉ型であり、
    　前記電子ブロック層が組成式ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０．４５≦ｃ≦１．００）で表され、
    　前記ｐ型クラッド層が組成式ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．４４＜ｂ＜１．００）で表され、
    　前記電子ブロック層のＡｌ組成（ｃ）が、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成（ｂ）よりも大きく、
    　前記電子ブロック層のＡｌ組成と前記障壁層のＡｌ組成との差（ｃ－ａ）が０．１１～０．９８であり、
    　前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成と前記障壁層のＡｌ組成との差（ｂ－ａ）が０．１０を超え０．４５以下であることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 　複数の前記障壁層を有し、
    　前記複数の障壁層は、前記ｎ型層に接する第一の障壁層と、前記電子ブロック層に接する第二の障壁層とを含むことを特徴とする、請求項３～６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子の積層構造を有する、窒化物半導体ウェーハ。
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