WO2017191724A1 - 深紫外発光素子および深紫外発光素子の製造方法 - Google Patents

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哲彦 稲津
シリル ペルノ
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日機装株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a deep ultraviolet light emitting device, and more particularly to a deep ultraviolet light emitting device using a nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.
  • Such a light emitting element for deep ultraviolet light includes an aluminum gallium nitride (AlGaN) -based n-type cladding layer, an active layer, a p-type cladding layer, and the like, which are sequentially stacked on a substrate.
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • a p-electrode is formed in a first region on a p-type cladding layer, and an n-type cladding layer is exposed by removing the active layer and the p-type cladding layer in a second region different from the first region. Then, an n-electrode is formed on the n-type cladding layer in the second region.
  • Such an element structure is known as a so-called “horizontal structure” (see, for example, Patent Document 1).
  • a so-called “vertical structure” light emitting device in which a substrate is removed from a laminate of an n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer, and an n-electrode is formed on the exposed n-type cladding layer.
  • a substrate is removed from a laminate of an n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer, and an n-electrode is formed on the exposed n-type cladding layer.
  • the light emitting element having the vertical structure described above can easily achieve high output as compared with the horizontal structure in which the n electrode and the p electrode are adjacent in the in-plane direction.
  • a vertical structure light-emitting element has a large series resistance between the n-electrode and the p-electrode, and an extremely high operating voltage is required for driving at a high output.
  • the present invention has been made in view of such problems, and one of exemplary purposes thereof is to provide a technique for reducing the operating voltage of a deep ultraviolet light emitting element having a vertical structure.
  • a deep ultraviolet light emitting device includes a p-type AlGaN semiconductor material or a p-type AlN semiconductor material electron block layer provided on a support substrate, and an activity of the AlGaN semiconductor material provided on the electron block layer.
  • the n-type contact layer has a smaller band gap than the n-type cladding layer.
  • the contact resistance of the n-side electrode can be lowered. Further, by forming the n-side electrode on the n-type contact layer, it is possible to easily realize a good ohmic contact as compared with the case where the n-side electrode is formed on the n-type cladding layer of the AlGaN-based semiconductor material. Thereby, the series resistance of the light emitting element can be reduced, and the operating voltage can be lowered.
  • the n-type contact layer has a lower aluminum nitride (AlN) content than the n-type cladding layer.
  • the n-type cladding layer may have a band gap larger than the wavelength of deep ultraviolet light emitted from the active layer.
  • the n-type contact layer may have a band gap smaller than the wavelength of deep ultraviolet light emitted from the active layer.
  • the n-type cladding layer may have a band gap of 4.3 eV or more.
  • Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a deep ultraviolet light emitting device.
  • an n-type cladding layer of an n-type AlGaN semiconductor material, an active layer of an AlGaN semiconductor material, and an electron blocking layer of a p-type AlGaN semiconductor material or a p-type AlN semiconductor material are formed on a base substrate.
  • the n-type contact layer has a smaller band gap than the n-type cladding layer.
  • the n-side electrode is formed through the n-type contact layer having a smaller band gap than the n-type cladding layer, the contact resistance of the n-side electrode can be lowered. Further, by forming the n-side electrode on the n-type contact layer, it is possible to easily realize a good ohmic contact as compared with the case where the n-side electrode is formed on the n-type cladding layer of the AlGaN-based semiconductor material. Thereby, the series resistance of the light emitting element can be reduced, and the operating voltage can be reduced.
  • the step of forming the n-type contact layer includes a step of forming a mask while avoiding a partial region on the n-type cladding layer exposed by removing the base substrate, and a step of forming a layer of n-type semiconductor material on the mask. And forming an opening region on the n-type cladding layer by removing the mask.
  • the step of forming the n-type contact layer includes forming a layer of n-type semiconductor material on the n-type cladding layer exposed by removing the base substrate, and removing a part of the layer of n-type semiconductor material to form the n-type contact layer. Forming an opening region on the cladding layer.
  • a step of forming a texture structure in the opening region on the n-type contact layer may be further provided.
  • the base substrate may be removed from the laminate by laser lift-off.
  • the step of forming the stacked body may include a step of forming a base layer containing aluminum nitride (AlN) between the base substrate and the n-type cladding layer. Removing the base substrate may include removing at least a portion of the base layer to expose the n-type cladding layer.
  • AlN aluminum nitride
  • the operating voltage of the deep ultraviolet light emitting element having a vertical structure can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a deep ultraviolet light emitting element 10 according to the embodiment.
  • the deep ultraviolet light emitting element 10 includes a support substrate 32, an adhesive layer 30, a p-side electrode 28, a p-type contact layer 26, a p-type cladding layer 24, an active layer 20, an n-type cladding layer 18, an n-type contact layer 34, and an n-side.
  • An electrode 36 is provided.
  • the deep ultraviolet light emitting element 10 is a semiconductor light emitting element configured to emit “deep ultraviolet light” having a center wavelength of about 355 nm or less.
  • the active layer 20 is made of an aluminum gallium nitride (AlGaN) -based semiconductor material having a band gap of about 3.4 eV or more.
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • AlGaN-based semiconductor material refers to a semiconductor material mainly containing aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN), and a semiconductor containing other materials such as indium nitride (InN). Including material. Therefore, the “AlGaN-based semiconductor material” referred to in the present specification has, for example, a composition of In 1-xy Al x Ga y N (0 ⁇ x + y ⁇ 1, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1). And include AlN, GaN, AlGaN, indium aluminum nitride (InAlN), indium gallium nitride (InGaN), and indium aluminum gallium nitride (InAlGaN).
  • AlGaN-based semiconductor materials in order to distinguish materials that do not substantially contain AlN, they may be referred to as “GaN-based semiconductor materials”.
  • the “GaN-based semiconductor material” mainly includes GaN and InGaN, and includes a material containing a small amount of AlN.
  • AlN-based semiconductor materials in order to distinguish materials that do not substantially contain GaN, they may be referred to as “AlN-based semiconductor materials”.
  • AlN-based semiconductor material mainly includes AlN and InAlN, and includes a material containing a small amount of GaN.
  • the support substrate 32 is a support that mechanically supports the stacked body 50 that is composed of each layer from the p-side electrode 28 to the n-type cladding layer 18.
  • the material of the support substrate 32 is not particularly limited, but is preferably made of a material having high thermal conductivity.
  • a ceramic substrate such as alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), or silicon carbide (SiC).
  • the adhesive layer 30 adheres the support substrate 32 and the stacked body 50.
  • the material of the adhesive layer 30 is not particularly limited, but is preferably composed of a metal material having high thermal conductivity. When a metal is used as the adhesive layer 30, a metallization process may be performed on a portion of the support substrate 32 that is in contact with the adhesive layer 30.
  • the p-side electrode 28 is provided between the adhesive layer 30 and the p-type contact layer 26.
  • the p-side electrode 28 is formed of a material capable of realizing ohmic contact with the p-type contact layer 26, and is formed of, for example, a stacked structure of nickel (Ni) / gold (Au).
  • the thickness of each metal layer is, for example, about 60 nm for the Ni layer and about 50 nm for the Au layer.
  • the p-type contact layer 26 is provided between the p-side electrode 28 and the p-type cladding layer 24.
  • the p-type contact layer 26 is formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material, and is, for example, an AlGaN layer doped with magnesium (Mg) as a p-type impurity.
  • the composition ratio of the p-type contact layer 26 is selected so that the Al content is lower than that of the electron block layer 22 and the p-type cladding layer 24.
  • the p-type contact layer 26 preferably has an AlN molar fraction of 20% or less, and more preferably an AlN molar fraction of 10% or less.
  • the p-type contact layer 26 may be formed of a p-type GaN-based semiconductor material that does not substantially contain AlN. By reducing the molar fraction of AlN in the p-type contact layer 26, good ohmic contact with the p-side electrode 28 can be obtained. Further, the bulk resistance of the p-type contact layer 26 can be lowered and the carrier injection efficiency into the active layer 20 can be improved.
  • the p-type cladding layer 24 is provided between the p-type contact layer 26 and the electron block layer 22.
  • the p-type cladding layer 24 is a layer formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material, for example, an Mg-doped AlGaN layer.
  • the composition ratio of the p-type cladding layer 24 is selected so that the mole fraction of AlN is higher than that of the active layer 20 and the p-type contact layer 26 and the mole fraction of AlN is lower than that of the electron block layer 22.
  • the p-type cladding layer 24 has a thickness of about 300 nm to 700 nm, for example, a thickness of about 400 nm to 600 nm. In the modification, the p-type cladding layer 24 may not be provided.
  • the electron block layer 22 is provided between the p-type cladding layer 24 and the active layer 20.
  • the electron block layer 22 is a layer formed of a p-type AlGaN-based semiconductor material, for example, an Mg-doped AlGaN layer.
  • the electron blocking layer 22 has a composition ratio selected so that the molar fraction of AlN is higher than that of the active layer 20, the p-type cladding layer 24, and the p-type contact layer 26.
  • the molar fraction of AlN is 40% or more.
  • it is formed to be 50% or more.
  • the electron blocking layer 22 may be formed such that the molar fraction of AlN is 80% or more, or may be formed of an AlN-based semiconductor material that does not substantially contain GaN.
  • the electron blocking layer 22 has a thickness of about 1 nm to 10 nm, for example, a thickness of about 2 nm to 5 nm.
  • the active layer 20 is provided between the n-type cladding layer 18 and the electron block layer 22.
  • the active layer 20 is made of an AlGaN-based semiconductor material and is sandwiched between the n-type cladding layer 18 and the electron block layer 22 to form a double heterojunction structure.
  • the active layer 20 may constitute a single-layer or multilayer quantum well structure.
  • Such a quantum well structure can be formed, for example, by laminating a barrier layer formed of an n-type AlGaN semiconductor material and a well layer formed of an undoped AlGaN semiconductor material.
  • the n-type cladding layer 18 is provided on the active layer 20.
  • the n-type cladding layer 18 is formed of an n-type AlGaN-based semiconductor material, and is, for example, an AlGaN layer doped with silicon (Si) as an n-type impurity.
  • the n-type cladding layer 18 has a composition ratio selected so as to transmit the deep ultraviolet light emitted from the active layer 20, and is formed, for example, such that the molar fraction of AlN is 40% or more, preferably 50% or more.
  • the n-type cladding layer 18 has a band gap larger than the wavelength of deep ultraviolet light emitted from the active layer 20, and is formed, for example, so that the band gap is 4.3 eV or more.
  • the n-type cladding layer 18 is preferably formed so that the molar fraction of AlN is 80% or less, that is, the band gap is 5.5 eV or less, and the molar fraction of AlN is 70% or less (that is, the band It is more desirable that the gap be formed to be 5.2 eV or less. This is because the conductivity of the n-type AlGaN-based semiconductor material significantly decreases when the AlN composition ratio exceeds 70%, leading to an increase in bulk resistance.
  • the n-type cladding layer 18 has a thickness of about 100 nm to 300 nm, for example, a thickness of about 200 nm.
  • the n-type contact layer 34 is provided on a partial region (contact region W1) of the n-type cladding layer 18.
  • the n-type contact layer 34 is formed of an n-type AlGaN-based semiconductor material, and is, for example, a Si-doped AlGaN layer.
  • the composition ratio of the n-type contact layer 34 is selected so that the Al content is lower than that of the n-type cladding layer 18.
  • the n-type contact layer 34 preferably has an AlN mole fraction of 20% or less, and more preferably an AlN mole fraction of 10% or less.
  • the n-type contact layer 34 may be formed of an n-type GaN-based semiconductor material that does not substantially contain AlN.
  • the n-type contact layer 34 may have a band gap smaller than the wavelength of deep ultraviolet light emitted from the active layer 20, and may have a band gap of about 3.4 eV, for example.
  • the n-type contact layer 34 By reducing the molar fraction of AlN in the n-type contact layer 34, good ohmic contact with the n-side electrode 36 can be obtained.
  • the bulk resistance of the n-type contact layer 34 can be lowered and the carrier injection efficiency into the active layer 20 can be improved.
  • the n-side electrode 36 is provided on the n-type contact layer 34.
  • the n-side electrode 36 is formed with a laminated structure of, for example, titanium (Ti) / Al / Ti / Au.
  • the thickness of each metal layer is, for example, about 20 nm for the first Ti layer, about 100 nm for the Al layer, about 50 nm for the second Ti layer, and about 100 nm for the Au layer.
  • At least a part of the n-side electrode 36 functions as a bonding pad 38.
  • a bonding wire 44 is attached to the bonding pad 38.
  • a contact region W1 and an opening region W2 are provided on the upper surface 18a of the n-type cladding layer 18.
  • the contact region W1 is a region where the n-type contact layer 34 and the n-side electrode 36 are formed
  • the opening region W2 is a region where the n-type cladding layer 18 is exposed and becomes the light emitting surface 40.
  • the light emitting surface 40 is provided with a texture structure 42 for increasing light extraction efficiency.
  • the texture structure 42 is a minute concavo-convex structure of about submicron to submillimeter.
  • FIG. 2 is a top view schematically showing the configuration of the deep ultraviolet light emitting element 10 of FIG. 1, and shows a configuration example of the contact region W1 and the opening region W2.
  • the contact region W1 is a region where the n-type contact layer 34 is formed, and is arranged in a lattice shape as illustrated.
  • the contact region W1 is preferably formed to be wide enough to sufficiently inject carriers into the active layer 20, while it is preferably formed to be thin enough not to impede the output of deep ultraviolet light from the light emitting surface 40.
  • a part wider than the other part is provided in part of the contact region W1 in order to form the bonding pad 38. In the example shown in the drawing, the part is provided in the corner part 10a of the deep ultraviolet light emitting element 10.
  • the opening region W2 is a region corresponding to the light emitting surface 40 where the n-type contact layer 34 is not formed, and each region is surrounded by the contact region W1.
  • FIG. 2 shows an example in which nine opening regions W2 are provided, but the shapes of the contact region W1 and the opening region W2 are not limited to the illustrated example, and may have other arbitrary shapes.
  • a manufacturing method of the deep ultraviolet light emitting element 10 will be described with reference to FIGS.
  • a first base layer 14, a second base layer 16, an n-type clad layer 18, an active layer 20, an electron block layer 22, a p-type clad layer 24, a p-type are formed on a base substrate 12.
  • the contact layer 26 and the p-side electrode 28 are laminated in this order.
  • the base substrate 12 is a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate and is a growth substrate for forming an AlGaN-based semiconductor material.
  • the first base layer 14 and the second base layer 16 are stacked on the (0001) plane of the sapphire substrate.
  • the first base layer 14 is a layer formed of an AlN-based semiconductor material, for example, an AlN (HT-AlN) layer grown at a high temperature.
  • the second base layer 16 is a layer formed of an AlGaN-based semiconductor material, for example, an undoped AlGaN (u-AlGaN) layer.
  • the second base layer 16, the n-type cladding layer 18, the active layer 20, the electron block layer 22, the p-type cladding layer 24, and the p-type contact layer 26 are layers formed of an AlGaN-based semiconductor material or a GaN-based semiconductor material. Further, it can be formed using a known epitaxial growth method such as a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method.
  • MOVPE metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the metal layer (Ni / Au layer) constituting the p-side electrode 28 can be formed by, for example, a known method such as the MBE method.
  • a support substrate 32 is attached on the p-side electrode 28 via an adhesive layer 30.
  • the laser beam 60 is irradiated from above the base substrate 12 toward the vicinity of the interface between the base substrate 12 and the first base layer 14, and the base substrate 12 is removed from the stacked body 50 by a so-called laser lift-off process. Remove.
  • the vertical direction of the drawing is reversed from FIG. 4, and the support substrate 32 is drawn on the lower side.
  • the laser lift-off only the base substrate 12 may be removed, or some or all of the first base layer 14 and the second base layer 16 may be removed.
  • At least a part of the first base layer 14 and the second base layer 16 may be removed by dry etching using reactive ion etching or plasma. As a result of these treatments, as shown in FIG. 6, the upper surface 18a of the n-type cladding layer 18 is exposed.
  • a mask layer 46 is formed in a portion corresponding to the opening region W ⁇ b> 2 on the upper surface 18 a of the n-type cladding layer 18, and a layer 48 of n-type semiconductor material is formed on the mask layer 46.
  • the n-type semiconductor material layer 48 is formed of an n-type AlGaN-based semiconductor material, and the composition ratio is selected so that the Al content is lower than that of the n-type cladding layer 18.
  • the layer 48 of the n-type semiconductor material preferably has an AlN molar fraction of 20% or less or 10% or less, and may be an n-type GaN-based semiconductor material that does not contain AlN.
  • the n-type contact layer 34 is completed as shown in FIG.
  • the mask layer 46 and the n-type semiconductor material layer 48 formed on the mask layer 46 can be removed by using, for example, an acidic solution that dissolves the mask layer 46.
  • a texture structure 42 is formed on the surface of the n-type cladding layer 18 exposed in the opening region W2, a light emission surface 40 is formed as shown in FIG.
  • the texture structure 42 can be formed, for example, by anisotropically etching the upper surface 18a of the n-type cladding layer 18 with an alkaline solution such as potassium hydroxide (KOH).
  • KOH potassium hydroxide
  • the texture structure 42 may be formed by dry etching through a nanoimprinted mask.
  • the n-side electrode 36 is formed on the n-type contact layer 34.
  • the metal layer (Ti / Al / Ti / Au layer) constituting the n-side electrode 36 can be formed by a known method such as the MBE method.
  • heat treatment may be applied by a technique such as rapid thermal annealing (RTA; RapidRaThermal Anneal) in order to reduce the contact resistance between the n-type contact layer 34 and the n-side electrode 36.
  • RTA rapid thermal annealing
  • the deep ultraviolet light emitting element 10 shown in FIG. 1 is completed by connecting the bonding wire 44 to the bonding pad 38 constituted by a part of the n-side electrode 36.
  • the effect produced by the deep ultraviolet light emitting element 10 according to the present embodiment will be described.
  • a vertical structure in which the p-side electrode 28 and the n-side electrode 36 are disposed above and below the active layer 20 can be realized, so that a light-emitting element with higher output than the horizontal structure can be obtained. it can.
  • the n-side electrode 36 is formed via the n-type contact layer 34 instead of forming the n-side electrode 36 directly on the n-type cladding layer 18, a good ohmic contact can be obtained. Thereby, the series resistance value between the p-side electrode 28 and the n-side electrode 36 of the deep ultraviolet light emitting element 10 can be reduced, and the operating voltage of the deep ultraviolet light emitting element 10 can be lowered.
  • the n-type clad layer 18 Since the n-type clad layer 18 is located between the active layer 20 and the light emitting surface 40, the n-type clad layer 18 has a light emitting wavelength with respect to the emission wavelength in order to efficiently extract deep ultraviolet light from the active layer 20 to the outside. It is necessary to have a band gap larger than the emission wavelength. For example, in order to efficiently extract deep ultraviolet light having a wavelength of 310 nm or less, it is necessary to use the n-type cladding layer 18 having a band gap of 4.3 eV or more from the knowledge of the inventors. In order to realize such a band gap, an AlGaN-based semiconductor material having an AlN composition ratio of 40% or more, preferably 50% or more may be used.
  • the n-side electrode 36 is provided through the n-type contact layer 34 having a smaller band gap than the n-type cladding layer 18, that is, having a smaller AlN composition ratio. Contacts can be obtained relatively easily. For example, by setting the AlN composition ratio of the n-type contact layer 34 to 20% or less, the contact resistance between the n-type contact layer 34 and the n-side electrode 36 can be lowered by a relatively low temperature heat treatment (for example, 600 ° C. or less). it can. Thereby, the concern regarding the heat processing at high temperature can be wiped off.
  • a relatively low temperature heat treatment for example, 600 ° C. or less
  • the AlN composition ratio of the n-type contact layer 34 is further reduced and the n-type contact layer 34 is formed of a GaN-based semiconductor material substantially not containing AlN, no heat treatment is applied after the n-side electrode 36 is formed. It is also possible to obtain a good ohmic contact.
  • the texture structure 42 by providing the texture structure 42 on the light emitting surface 40 of the n-type cladding layer 18, it is possible to suppress a decrease in light extraction efficiency due to reflection at the interface of the light emitting surface 40. Can do. Since the upper surface 18a of the n-type cladding layer 18 on which the texture structure 42 is formed is a main surface on the side where crystal growth of the n-type cladding layer 18 is started, it is not a gallium (Ga) surface but mainly nitrogen (N ) Is composed of surfaces. Since the N plane has a feature that it is more easily wet etched than the Ga plane, the texture structure 42 can be formed relatively easily by simply wet etching the exposed surface of the n-type cladding layer 18. Therefore, according to the present embodiment, the texture structure 42 is formed by wet etching the surface exposed by laser lift-off, and the deep ultraviolet light emitting element 10 with high external extraction efficiency can be realized.
  • Ga gallium
  • N nitrogen
  • FIGS. 10 and 11 are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of the deep ultraviolet light emitting element 10 according to the modification, and correspond to the processes of FIGS. 7 and 8 described above.
  • the n-type semiconductor material layer 58 is formed on the upper surface 18 a of the n-type cladding layer 18, and then the mask layer 56 is formed. It differs from the above-described embodiment in that it is provided.
  • an n-type semiconductor material layer 58 and a mask layer 56 are formed on the upper surface 18a of the n-type cladding layer 18 as shown in FIG.
  • the layer 58 of n-type semiconductor material is formed so as to cover the entire upper surface 18 a of the n-type cladding layer 18.
  • the mask layer 56 is selectively provided in a portion to be the contact region W1, and is provided so that the n-type semiconductor material layer 58 is exposed in the opening region W2.
  • a part of the layer 58 of the n-type semiconductor material, that is, a part corresponding to the opening region W2 is removed by using the mask layer 56, so that the contact region W1 is selectively used.
  • An n-type contact layer 34 is formed.
  • the texture structure 42 is formed in the opening region W2
  • the n-side electrode 36 is formed on the n-type contact layer 34
  • the bonding wire 44 is connected to the bonding pad 38.
  • the deep ultraviolet light emitting element 10 of FIG. 1 is completed.
  • the base substrate 12 is removed by laser lift-off, the first base layer 14 and the second base layer 16 remaining on the n-type cladding layer 18 are removed, and then the n-type cladding layer 18 is exposed.
  • the case where the n-type contact layer 34 is formed later is shown.
  • the n-type contact layer 34 may be formed on the first base layer 14 or the second base layer 16 exposed by laser lift-off.
  • the n-type contact layer 34 may be formed on the u-AlGaN layer or the AlN layer provided on the n-type AlGaN-based semiconductor material (n-type cladding layer 18). Even in this case, the contact resistance of the n-side electrode 36 can be reduced as compared with the case where the n-side electrode 36 is formed immediately above the u-AlGaN layer or the AlN layer.
  • the stacked body 50 including the n-type cladding layer 18 may be formed on a growth substrate made of a different material.
  • the second base layer 16 may be omitted, and the n-type cladding layer 18 may be formed on the first base layer 14 that is an AlN layer.
  • an AlN layer may be formed on a growth substrate made of a material different from the sapphire substrate, and the second base layer 16 and the n-type cladding layer 18 or the n-type cladding layer 18 may be formed thereon.
  • a superlattice structure composed of a p-type AlGaN-based semiconductor material may be formed in the p-type cladding layer 24.
  • the superlattice structure can be formed, for example, by laminating an AlGaN layer having a relatively large AlN molar ratio and a small AlGaN layer. Specifically, it is formed by laminating an AlGaN layer having an AlN molar ratio of 60% and an AlGaN layer having an AlN molar ratio of 40%.
  • This superlattice structure is configured to form a two-dimensional hole gas (2DHG) in which carriers (holes) injected from the p-type contact layer 26 are two-dimensionally distributed, and promotes lateral movement of the carriers. Configured as follows. By forming such a superlattice structure, the efficiency of carrier injection into the active layer 20 can be increased, and the output of the deep ultraviolet light emitting element 10 can be improved.
  • 2DHG two-dimensional hole gas
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Deep ultraviolet light emitting element, 12 ... Base substrate, 18 ... N-type clad layer, 20 ... Active layer, 22 ... Electron block layer, 24 ... P-type clad layer, 26 ... P-type contact layer, 28 ... P side electrode, 32 ... Support substrate, 34 ... n-type contact layer, 36 ... n-side electrode, 42 ... texture structure, 48 ... layer of n-type semiconductor material, 50 ... laminated body, W1 ... contact region, W2 ... opening region.
  • the operating voltage of the deep ultraviolet light emitting element having a vertical structure can be reduced.

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Abstract

深紫外発光素子１０は、支持基板３２上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層２２と、電子ブロック層２２上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層２０と、活性層２０上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層１８と、ｎ型クラッド層１８上の一部領域に設けられ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層３４と、ｎ型コンタクト層３４上に形成されるｎ側電極３６と、を備える。ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型クラッド層１８よりもバンドギャップが小さい。

Description

深紫外発光素子および深紫外発光素子の製造方法
　本発明は、深紫外発光素子に関し、特に、窒化物半導体を用いた深紫外発光素子およびその製造方法に関する。
　近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。このような深紫外光用の発光素子は、基板上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを有する。
　深紫外発光素子では、例えば、ｐ型クラッド層上の第１領域にｐ電極が形成され、第１領域と異なる第２領域において活性層およびｐ型クラッド層を除去してｎ型クラッド層が露出され、第２領域のｎ型クラッド層上にｎ電極が形成される。このような素子構造は、いわゆる「水平構造」として知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の積層体から基板を除去し、露出するｎ型クラッド層にｎ電極を形成した、いわゆる「垂直構造」の発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
特許第５５９４５３０号公報
Applied Physics Express 2 (2009)092102
　上述の垂直構造の発光素子では、ｎ電極とｐ電極が面内方向に隣り合う水平構造と比べて高出力化を実現しやすいといわれている。しかしながら、上述の非特許文献１によれば、垂直構造の発光素子では、ｎ電極とｐ電極の間の直列抵抗が大きく、高出力で駆動させるために極めて高い動作電圧が必要とされる。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、垂直構造を有する深紫外発光素子の動作電圧を低減させる技術を提供することにある。
　本発明のある態様の深紫外発光素子は、支持基板上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層と、電子ブロック層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、活性層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上の一部領域に設けられ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に形成されるｎ側電極と、を備える。ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい。
　この態様によると、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さいｎ型コンタクト層を介してｎ側電極が形成されるため、ｎ側電極の接触抵抗を下げることができる。また、ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成することにより、ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層上にｎ側電極を形成する場合と比べて、良好なオーミックコンタクトを実現しやすくできる。これにより、発光素子の直列抵抗を低減させ、動作電圧の低電圧化を実現できる。
　ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層よりも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の含有率が低い。
　ｎ型クラッド層は、活性層が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有してもよい。ｎ型コンタクト層は、活性層が発する深紫外光の波長よりも小さいバンドギャップを有してもよい。
　ｎ型クラッド層は、４．３ｅＶ以上のバンドギャップを有してもよい。
　本発明の別の態様は、深紫外発光素子の製造方法である。この方法は、ベース基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層とを順に積層させた積層体を形成するステップと、積層体からベース基板を除去するステップと、ベース基板の除去により露出するｎ型クラッド層上の一部領域にＧａＮを含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層を形成するステップと、ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成するステップと、を備える。ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい。
　この態様によると、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さいｎ型コンタクト層を介してｎ側電極が形成されるため、ｎ側電極の接触抵抗を下げることができる。また、ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成することにより、ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層上にｎ側電極を形成する場合と比べて、良好なオーミックコンタクトを実現しやすくできる。これにより、発光素子の直列抵抗を低減させ、動作電圧を低減できる。
　ｎ型コンタクト層を形成するステップは、ベース基板の除去により露出するｎ型クラッド層上の一部領域を避けてマスクを形成するステップと、マスクの上からｎ型半導体材料の層を形成するステップと、マスクを除去してｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含んでもよい。
　ｎ型コンタクト層を形成するステップは、ベース基板の除去により露出するｎ型クラッド層上にｎ型半導体材料の層を形成するステップと、ｎ型半導体材料の層の一部を除去してｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含んでもよい。
　ｎ型コンタクト層上の開口領域にテクスチャ構造を形成するステップをさらに備えてもよい。
　ベース基板は、レーザリフトオフにより積層体から除去されてもよい。
　積層体を形成するステップは、ベース基板とｎ型クラッド層の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むベース層を形成するステップを含んでもよい。ベース基板を除去するステップは、ベース層の少なくとも一部を除去してｎ型クラッド層を露出させるステップを含んでもよい。
　本発明によれば、垂直構造を有する深紫外発光素子の動作電圧を低減できる。
実施の形態に係る深紫外発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 図１の深紫外発光素子の構成を概略的に示す上面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 変形例に係る深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 変形例に係る深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
　図１は、実施の形態に係る深紫外発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。深紫外発光素子１０は、支持基板３２、接着層３０、ｐ側電極２８、ｐ型コンタクト層２６、ｐ型クラッド層２４、活性層２０、ｎ型クラッド層１８、ｎ型コンタクト層３４、ｎ側電極３６を備える。深紫外発光素子１０は、中心波長が約３５５ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成される半導体発光素子である。このような波長の深紫外光を出力するため、活性層２０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長が約３１０ｎｍ以下の深紫外光を発する場合について示す。
　本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１－ｘ－ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。
　また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。
　支持基板３２は、ｐ側電極２８からｎ型クラッド層１８までの各層で構成される積層体５０を機械的に支持する支持体である。支持基板３２の材質は特に問わないが、熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましく、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などのセラミック基板を用いることができる。接着層３０は、支持基板３２と積層体５０を接着する。接着層３０の材質も特に問わないが、熱伝導率の高い金属材料で構成されることが好ましい。接着層３０として金属を用いる場合、支持基板３２のうち接着層３０と接する部分にメタライズ処理が施されてもよい。
　ｐ側電極２８は、接着層３０とｐ型コンタクト層２６の間に設けられる。ｐ側電極２８は、ｐ型コンタクト層２６との間でオーミック接触が実現できる材料で形成され、例えば、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、Ｎｉ層が６０ｎｍ程度であり、Ａｕ層が５０ｎｍ程度である。
　ｐ型コンタクト層２６は、ｐ側電極２８とｐ型クラッド層２４の間に設けられる。ｐ型コンタクト層２６は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型コンタクト層２６は、電子ブロック層２２やｐ型クラッド層２４よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択される。ｐ型コンタクト層２６は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下であることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が１０％以下であることがより望ましい。ｐ型コンタクト層２６は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型のＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。ｐ型コンタクト層２６のＡｌＮのモル分率を小さくすることにより、ｐ側電極２８との良好なオーミック接触を得ることができる。また、ｐ型コンタクト層２６のバルク抵抗を下げ、活性層２０へのキャリア注入効率を向上させることができる。
　ｐ型クラッド層２４は、ｐ型コンタクト層２６と電子ブロック層２２の間に設けられる。ｐ型クラッド層２４は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層２４は、活性層２０およびｐ型コンタクト層２６よりもＡｌＮのモル分率が高く、電子ブロック層２２よりもＡｌＮのモル分率が低くなるように組成比が選択される。ｐ型クラッド層２４は、３００ｎｍ～７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ～６００ｎｍ程度の厚さを有する。変形例においては、ｐ型クラッド層２４が設けられなくてもよい。
　電子ブロック層２２は、ｐ型クラッド層２４と活性層２０の間に設けられる。電子ブロック層２２は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。電子ブロック層２２は、活性層２０、ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２６よりもＡｌＮのモル分率が高くなるように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２２は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層２２は、１ｎｍ～１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ～５ｎｍ程度の厚さを有する。
　活性層２０は、ｎ型クラッド層１８と電子ブロック層２２の間に設けられる。活性層２０は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ｎ型クラッド層１８と電子ブロック層２２に挟まれてダブルヘテロ接合構造を構成する。活性層２０は、単層もしくは多層の量子井戸構造を構成してもよい。このような量子井戸構造は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成されるバリア層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層とを積層させることにより形成できる。
　ｎ型クラッド層１８は、活性層２０の上に設けられる。ｎ型クラッド層１８は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層１８は、活性層２０が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層１８は、活性層２０が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層１８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように形成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように形成されることがより望ましい。ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料の導電率がＡｌＮ組成比が７０％を超えると顕著に低下し、バルク抵抗の増大につながるためである。ｎ型クラッド層１８は、１００ｎｍ～３００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２００ｎｍ程度の厚さを有する。
　ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型クラッド層１８の一部領域（コンタクト領域Ｗ１）の上に設けられる。ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ＳｉドープのＡｌＧａＮ層である。ｎ型コンタクト層３４は、ｎ型クラッド層１８よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択される。ｎ型コンタクト層３４は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下であることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が１０％以下であることがより望ましい。ｎ型コンタクト層３４は、実質的にＡｌＮを含まないｎ型のＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。ｎ型コンタクト層３４は、活性層２０が発する深紫外光の波長より小さいバンドギャップを有してもよく、例えば、バンドギャップが３．４ｅＶ程度であってもよい。ｎ型コンタクト層３４のＡｌＮのモル分率を小さくすることにより、ｎ側電極３６との良好なオーミック接触を得ることができる。また、ｎ型コンタクト層３４のバルク抵抗を下げ、活性層２０へのキャリア注入効率を向上させることができる。
　ｎ側電極３６は、ｎ型コンタクト層３４の上に設けられる。ｎ側電極３６は、例えば、チタン（Ｔｉ）／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、第１のＴｉ層が２０ｎｍ程度であり、Ａｌ層が１００ｎｍ程度であり、第２のＴｉ層が５０ｎｍ程度であり、Ａｕ層が１００ｎｍ程度である。ｎ側電極３６の少なくとも一部は、ボンディングパッド３８として機能する。ボンディングパッド３８には、ボンディングワイヤ４４が取り付けられる。
　ｎ型クラッド層１８の上面１８ａには、コンタクト領域Ｗ１と開口領域Ｗ２が設けられる。コンタクト領域Ｗ１は、ｎ型コンタクト層３４およびｎ側電極３６が形成される領域であり、開口領域Ｗ２は、ｎ型クラッド層１８が露出して光出射面４０となる領域である。光出射面４０には、光取り出し効率を高めるためのテクスチャ構造４２が設けられる。テクスチャ構造４２は、サブミクロンないしサブミリ程度の微小な凹凸構造である。
　図２は、図１の深紫外発光素子１０の構成を概略的に示す上面図であり、コンタクト領域Ｗ１および開口領域Ｗ２の構成例を示す。コンタクト領域Ｗ１は、ｎ型コンタクト層３４の形成領域であり、図示されるように格子状に配置される。コンタクト領域Ｗ１は、活性層２０に十分にキャリアを注入できる程度に幅広く形成される一方、光出射面４０からの深紫外光の出力を阻害しない程度に細く形成されることが好ましい。コンタクト領域Ｗ１の一部には、ボンディングパッド３８を形成するために他の部分よりも広い部分が設けられ、図示する例では深紫外発光素子１０の角部１０ａに設けられる。開口領域Ｗ２は、ｎ型コンタクト層３４が形成されていない光出射面４０に対応する領域であり、各領域がコンタクト領域Ｗ１により囲まれている。図２は、９つの開口領域Ｗ２が設けられる例を示しているが、コンタクト領域Ｗ１および開口領域Ｗ２の形状は図示する例に限られず、他の任意の形状を有してもよい。
　つづいて、図３～図９を参照しながら深紫外発光素子１０の製造方法について述べる。まず、図３に示すように、ベース基板１２の上に第１ベース層１４、第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２、ｐ型クラッド層２４、ｐ型コンタクト層２６、ｐ側電極２８を順に積層させる。
　ベース基板１２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板であり、ＡｌＧａＮ系半導体材料を形成するための成長基板である。例えば、サファイア基板の（０００１）面上に第１ベース層１４および第２ベース層１６が積層される。第１ベース層１４は、ＡｌＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ－ＡｌＮ）層である。第２ベース層１６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ－ＡｌＧａＮ）層である。
　第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２、ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料またはＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。ｐ側電極２８を構成する金属層（Ｎｉ／Ａｕ層）は、例えば、ＭＢＥ法などの周知の方法により形成できる。
　次に、図４に示すように、ｐ側電極２８の上に接着層３０を介して支持基板３２を取り付ける。つづいて、図５に示すようにベース基板１２の上からベース基板１２と第１ベース層１４の界面付近に向けてレーザ光６０を照射し、いわゆるレーザリフトオフプロセスによりベース基板１２を積層体５０から除去する。図５では、図面の上下方向を図４と反転し、支持基板３２を下側に描いている。レーザリフトオフでは、ベース基板１２のみが除去されてもよいし、第１ベース層１４および第２ベース層１６の一部または全部が除去されてもよい。レーザリフトオフの後に反応性イオンエッチングやプラズマ等を用いたドライエッチングにより、第１ベース層１４および第２ベース層１６の少なくとも一部が除去されてもよい。これらの処理により、図６に示すように、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａが露出した状態ができあがる。
　次に、図７に示すように、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａの開口領域Ｗ２に対応する部分にマスク層４６が形成され、マスク層４６の上からｎ型半導体材料の層４８が形成される。ｎ型半導体材料の層４８は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ｎ型クラッド層１８よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択される。ｎ型半導体材料の層４８は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下または１０％以下であることが好ましく、ＡｌＮを含まないｎ型のＧａＮ系半導体材料であってもよい。
　つづいて、マスク層４６およびマスク層４６の上に形成されるｎ型半導体材料の層４８を除去することにより、図８に示すように、ｎ型コンタクト層３４ができあがる。マスク層４６およびマスク層４６の上に形成されるｎ型半導体材料の層４８は、例えば、マスク層４６を溶解させる酸性溶液を用いることにより除去できる。さらに、開口領域Ｗ２に露出するｎ型クラッド層１８の表面にテクスチャ構造４２を形成することにより、図９に示すように、光出射面４０が形成される。テクスチャ構造４２は、例えば、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａを水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ溶液で異方性エッチングすることにより形成できる。その他、ナノインプリントなどを施したマスクを介してドライエッチングすることによりテクスチャ構造４２を形成してもよい。
　つづいて、ｎ型コンタクト層３４の上にｎ側電極３６が形成される。ｎ側電極３６を構成する金属層（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ層）は、例えば、ＭＢＥ法などの周知の方法により形成できる。ｎ側電極３６を形成した後、ｎ型コンタクト層３４とｎ側電極３６の接触抵抗を下げるために、急速熱アニール（ＲＴＡ；Rapid Thermal Anneal）などの手法により熱処理を加えてもよい。最後に、ｎ側電極３６の一部で構成されるボンディングパッド３８にボンディングワイヤ４４を接続することにより、図１に示す深紫外発光素子１０ができあがる。
　つづいて、本実施の形態に係る深紫外発光素子１０が奏する効果について述べる。本実施の形態によれば、活性層２０を挟んで上下にｐ側電極２８およびｎ側電極３６が配置される垂直構造を実現できるため、水平構造に比べて高出力の発光素子とすることができる。また、ｎ型クラッド層１８の直上にｎ側電極３６を形成するのではなく、ｎ型コンタクト層３４を介してｎ側電極３６が形成されるため、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。これにより、深紫外発光素子１０のｐ側電極２８とｎ側電極３６の間の直列抵抗値を低減させ、深紫外発光素子１０の動作電圧を低くできる。
　ｎ型クラッド層１８は、活性層２０と光出射面４０の間に位置するため、活性層２０からの深紫外光を効率良く外部に取り出すためには、ｎ型クラッド層１８が発光波長に対して透明であり、発光波長よりも大きいバンドギャップを有する必要がある。例えば、波長３１０ｎｍ以下の深紫外光を効率的に取り出すためには、発明者らの知見から４．３ｅＶ以上のバンドギャップを有するｎ型クラッド層１８を用いる必要がある。このようなバンドギャップを実現するためには、ＡｌＮ組成比が４０％以上、好適には５０％以上のＡｌＧａＮ系半導体材料を用いればよい。しかしながら、ｎ型クラッド層１８のＡｌＮ組成比を高めると、ｎ側電極３６との良好なオーミックコンタクトを得ることが困難となり、また、接触抵抗を下げるために高温での熱処理が必須となる。例えば、ＡｌＮ組成比が４０％のＡｌＧａＮに対してオーミックコンタクトを得る場合には、９００℃以上の熱処理が必要であることが発明者らの知見から分かっている。このような高温での熱処理をｎ側電極３６の形成後に実施すると、積層体５０を構成する各層や、積層体５０と支持基板３２を接着する接着層３０に影響を及ぼし、深紫外発光素子１０の性能を低下させるおそれがある。
　一方、本実施の形態によれば、ｎ型クラッド層１８よりもバンドギャップが小さい、つまり、ＡｌＮ組成比が小さいｎ型コンタクト層３４を介してｎ側電極３６を設けているため、良好なオーミックコンタクトを比較的容易に得ることができる。例えば、ｎ型コンタクト層３４のＡｌＮ組成比を２０％以下とすることにより、比較的低温の熱処理（例えば、６００℃以下）によってｎ型コンタクト層３４とｎ側電極３６の接触抵抗を下げることができる。これにより、高温での熱処理に係る懸念を払拭することができる。また、ｎ型コンタクト層３４のＡｌＮ組成比をさらに低くくし、実質的にＡｌＮを含まないＧａＮ系半導体材料でｎ型コンタクト層３４を形成すれば、ｎ側電極３６の形成後に熱処理を加えなくても良好なオーミックコンタクトを得ることもできる。
　また、本実施の形態によれば、ｎ型クラッド層１８の光出射面４０にテクスチャ構造４２を設けることで、光出射面４０の界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制させることができる。テクスチャ構造４２が形成されるｎ型クラッド層１８の上面１８ａは、ｎ型クラッド層１８の結晶成長が開始される側の主面であるため、ガリウム（Ｇａ）面ではなく、主に窒素（Ｎ）面により構成される。Ｎ面は、Ｇａ面に比べてウェットエッチングされやすい特徴を有するため、ｎ型クラッド層１８の露出面を単にウェットエッチングするだけで比較的容易にテクスチャ構造４２を形成できる。したがって、本実施の形態によれば、レーザリフトオフにより露出した面をウェットエッチングすることで、テクスチャ構造４２を形成し、外部取出効率の高い深紫外発光素子１０を実現できる。
　以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
（変形例１）
　図１０および図１１は、変形例に係る深紫外発光素子１０の製造工程を概略的に示す断面図であり、上述の図７および図８の工程に対応する。本変形例では、マスク層４６の上にｎ型半導体材料の層４８を形成するのではなく、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａにｎ型半導体材料の層５８を形成してからマスク層５６を設ける点で上述の実施の形態と異なる。
　図６の工程後、図１０に示すように、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａにｎ型半導体材料の層５８とマスク層５６が形成される。ｎ型半導体材料の層５８は、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａの全体を覆うように形成される。マスク層５６は、コンタクト領域Ｗ１となる部分に選択的に設けられ、開口領域Ｗ２においてｎ型半導体材料の層５８が露出するように設けられる。
　つづいて、図１１に示すように、マスク層５６を利用してｎ型半導体材料の層５８の一部、つまり、開口領域Ｗ２に対応する一部を除去することにより、コンタクト領域Ｗ１に選択的に設けられるｎ型コンタクト層３４が形成される。その後、図９の工程と同様に、開口領域Ｗ２にテクスチャ構造４２を形成し、ｎ型コンタクト層３４の上にｎ側電極３６を形成し、ボンディングパッド３８にボンディングワイヤ４４を接続することにより、図１の深紫外発光素子１０ができあがる。
（変形例２）
　上述の実施の形態では、ベース基板１２をレーザリフトオフにより除去し、ｎ型クラッド層１８の上に残る第１ベース層１４および第２ベース層１６を除去した後に、ｎ型クラッド層１８を露出させてからｎ型コンタクト層３４を形成する場合を示した。変形例においては、レーザリフトオフにより露出する第１ベース層１４または第２ベース層１６の上にｎ型コンタクト層３４を形成してもよい。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料（ｎ型クラッド層１８）の上に設けられるｕ－ＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層の上にｎ型コンタクト層３４を形成してもよい。この場合であっても、ｕ－ＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層の直上にｎ側電極３６を形成する場合と比べてｎ側電極３６の接触抵抗を下げることができる。
（変形例３）
　上述の実施の形態では、ベース基板１２、第１ベース層１４および第２ベース層１６の積層構造上にｎ型クラッド層１８を含む積層体５０を形成する場合を示した。変形例においては、異なる材料の成長基板上にｎ型クラッド層１８を含む積層体５０を形成してもよい。例えば、第２ベース層１６を省略し、ＡｌＮ層である第１ベース層１４の上にｎ型クラッド層１８を形成してもよい。また、サファイア基板とは異なる材料の成長基板の上にＡｌＮ層を形成し、その上に第２ベース層１６およびｎ型クラッド層１８、または、ｎ型クラッド層１８を形成してもよい。
（変形例４）
　変形例においては、ｐ型クラッド層２４にｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される超格子構造が形成されてもよい。超格子構造は、例えば、ＡｌＮモル比率が相対的に大きいＡｌＧａＮ層と小さいＡｌＧａＮ層を積層させることにより形成できる。具体的には、ＡｌＮモル比率が６０％のＡｌＧａＮ層と、ＡｌＮモル比率が４０％のＡｌＧａＮ層を積層させることで形成される。
　この超格子構造は、ｐ型コンタクト層２６から注入されるキャリア（ホール）が二次元的に分布した二次元ホールガス（２ＤＨＧ）を形成するように構成され、キャリアの横方向の移動を促進させるように構成される。このような超格子構造を形成することにより、活性層２０へのキャリアの注入効率を高め、深紫外発光素子１０の出力を向上させることができる。
　１０…深紫外発光素子、１２…ベース基板、１８…ｎ型クラッド層、２０…活性層、２２…電子ブロック層、２４…ｐ型クラッド層、２６…ｐ型コンタクト層、２８…ｐ側電極、３２…支持基板、３４…ｎ型コンタクト層、３６…ｎ側電極、４２…テクスチャ構造、４８…ｎ型半導体材料の層、５０…積層体、Ｗ１…コンタクト領域、Ｗ２…開口領域。
　本発明によれば、垂直構造を有する深紫外発光素子の動作電圧を低減できる。

Claims (10)

  1. 　支持基板上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層と、
    　前記電子ブロック層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、
    　前記活性層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、
    　前記ｎ型クラッド層上の一部領域に設けられ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層と、
    　前記ｎ型コンタクト層上に形成されるｎ側電極と、を備え、
    　前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする深紫外発光素子。
  2. 　前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層よりも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の含有率が低いことを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
  3. 　前記ｎ型クラッド層は、前記活性層が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、
    　前記ｎ型コンタクト層は、前記活性層が発する深紫外光の波長よりも小さいバンドギャップを有することを特徴とする請求項１または２に記載の深紫外発光素子。
  4. 　前記ｎ型クラッド層は、４．３ｅＶ以上のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の深紫外発光素子。
  5. 　ベース基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料の電子ブロック層とを順に積層させた積層体を形成するステップと、
    　前記積層体から前記ベース基板を除去するステップと、
    　前記ベース基板の除去により露出する前記ｎ型クラッド層上の一部領域にＧａＮを含むｎ型半導体材料のｎ型コンタクト層を形成するステップと、
    　前記ｎ型コンタクト層上にｎ側電極を形成するステップと、を備え、
    　前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする深紫外発光素子の製造方法。
  6. 　前記ｎ型コンタクト層を形成するステップは、前記ベース基板の除去により露出する前記ｎ型クラッド層上の前記一部領域を避けてマスクを形成するステップと、前記マスクの上から前記ｎ型半導体材料の層を形成するステップと、前記マスクを除去して前記ｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項５に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  7. 　前記ｎ型コンタクト層を形成するステップは、前記ベース基板の除去により露出する前記ｎ型クラッド層上に前記ｎ型半導体材料の層を形成するステップと、前記ｎ型半導体材料の層の一部を除去して前記ｎ型クラッド層上に開口領域を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項５に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  8. 　前記ｎ型コンタクト層上の開口領域にテクスチャ構造を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  9. 　前記ベース基板は、レーザリフトオフにより前記積層体から除去されることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の深紫外発光素子の製造方法。
  10. 　前記積層体を形成するステップは、前記ベース基板と前記ｎ型クラッド層の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むベース層を形成するステップを含み、
    　前記ベース基板を除去するステップは、前記ベース層の少なくとも一部を除去して前記ｎ型クラッド層を露出させるステップを含むことを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載の深紫外発光素子の製造方法。
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