WO2018181044A1 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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康弘 渡邉
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Definitions

  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a group III nitride semiconductor light-emitting device with improved reliability capable of maintaining a high light emission output and a method for manufacturing the same.
  • Group III nitride semiconductors composed of compounds of Al, Ga, In, etc. and N are wide bandgap semiconductors with a direct transition band structure, and have a wide range of applications such as sterilization, water purification, medical treatment, lighting, and high-density optical recording.
  • the field is expected material.
  • light-emitting elements that use Group III nitride semiconductors in the light-emitting layer can cover the range from deep ultraviolet light to visible light by adjusting the content ratio of Group III elements, and put them into practical use for various light sources. Is underway.
  • a general group III nitride semiconductor light emitting device emitting deep ultraviolet light is formed by sequentially forming an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer through a buffer layer on a substrate such as sapphire or AlN single crystal, And an n-side electrode electrically connected to the n-type semiconductor layer and a p-side electrode electrically connected to the p-type semiconductor layer. Moreover, in order to make ohmic contact on the p-side electrode side of the p-type semiconductor layer, it is common to form a p-type GaN contact layer that can easily increase the hole concentration.
  • the light emitting layer generally uses a multiple quantum well (MQW) structure in which barrier layers and well layers made of a group III nitride semiconductor are alternately stacked.
  • MQW multiple quantum well
  • one of the characteristics required for the group III nitride semiconductor light emitting device is a high external quantum efficiency characteristic.
  • the external quantum efficiency is determined by (i) internal quantum efficiency, (ii) electron inflow efficiency, and (iii) light extraction efficiency.
  • Patent Document 1 discloses an ultraviolet light emitting diode having an AlGaN mixed crystal p-type contact layer and a reflective electrode showing reflectivity with respect to the emitted light from the light emitting layer, with the substrate side as the light extraction direction. According to Patent Document 1, the transmittance of the p-type contact layer can be increased as the Al composition ratio of the p-type contact layer made of AlGaN is increased for short-wavelength light. Therefore, Patent Document 1 proposes to use a p-type contact layer made of AlGaN having transmittance according to the emission wavelength, instead of the conventional p-type contact layer made of GaN.
  • Patent Document 1 even if the hole concentration is reduced by the p-type contact layer made of AlGaN, the light extraction efficiency is greatly improved because the transmittance of the p-type contact layer with respect to the emitted light is increased. The external quantum efficiency is improved.
  • Patent Document 1 the higher the transmittance of the p-type contact layer with respect to the emitted light, the better. Therefore, when the present inventors examined this knowledge, in order to increase the transmittance of the p-type contact layer with respect to the center emission wavelength, when the Al composition ratio of the p-type contact layer made of AlGaN is excessive, the following phenomenon occurs. It has been experimentally shown that it can occur. In other words, depending on the relationship between the central emission wavelength of the group III nitride semiconductor light emitting device and the p-type contact layer, it is possible to obtain a group III nitride semiconductor device having a higher light emission output than in the prior art.
  • a part of the manufactured group III nitride semiconductor light-emitting device had a phenomenon in which the light emission output suddenly deteriorated as it was halved from the initial light emission output.
  • the phenomenon in which the light emission output suddenly deteriorates in this way is referred to as “abandoned” in this specification.
  • a sample of a group III nitride semiconductor light emitting device was energized at 20 mA to measure the initial light emission output, then energized at 100 mA for 3 seconds, and then measured again at 20 mA to obtain the initial light emission output.
  • it is assumed that a sample in which a decrease in output by more than half has been confirmed is dead.
  • Such a sudden death was not confirmed in a conventional group III nitride semiconductor device using a p-type contact layer made of GaN. Further, such a group III nitride semiconductor element that can die suddenly has low reliability even if the light emission output is improved, and cannot be fully put into commercialization.
  • an object of the present invention is to provide a Group III nitride semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing the same that can increase the light-emission output as compared with the related art and that are reliable.
  • the inventor has intensively studied how to solve the above problems.
  • the inventor pays attention to the relationship between the central emission wavelength of the group III nitride semiconductor light-emitting device and the p-type contact layer made of AlGaN, and when both satisfy an appropriate relational expression, the above-mentioned sudden death does not occur, Furthermore, it was experimentally clarified that the light emission output, that is, the external quantum efficiency, can be improved as compared with the prior art.
  • the light emission output that is, the external quantum efficiency
  • the gist of the present invention is as follows. [1] On a substrate, an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, a p-type electron block layer, a p-type contact layer made of Al x Ga 1-x N, and a p-side A group III nitride semiconductor light emitting device comprising a reflective electrode in this order,
  • the central emission wavelength from the light emitting layer is 270 nm or more and 330 nm or less
  • the p-type contact layer is in contact with the p-side reflective electrode, and the p-type contact layer has a thickness of 20 nm to 80 nm;
  • (lambda) p is the said center light emission wavelength (nm).
  • a group III nitride semiconductor light-emitting device comprising an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, a p-type electron blocking layer, a p-type contact layer made of Al x Ga 1-x N, and a p-side reflective electrode in this order on a substrate Because The central emission wavelength from the light emitting layer is 270 nm or more and 310 nm or less, The p-type contact layer is in contact with the p-side reflective electrode, and the p-type contact layer has a thickness of 20 nm to 80 nm; A group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein the Al composition ratio x of the p-type contact layer satisfies the following formula (1). However, in said formula (1), (lambda) p is the said center light emission wavelength (nm).
  • a method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device comprising: The central emission wavelength from the light emitting layer is 270 nm or more and 330 nm or less,
  • the p-type contact layer is formed so that the thickness of the p-type contact layer is 20 nm or more and 80 nm or less, and the Al composition ratio x of the p-type contact layer satisfies the following formula (1).
  • a method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device comprising: The central emission wavelength from the light emitting layer is 270 nm or more and 310 nm or less,
  • the p-type contact layer is formed so that the thickness of the p-type contact layer is 20 nm or more and 80 nm or less, and the Al composition ratio x of the p-type contact layer satisfies the following formula (1).
  • forming a layer comprising forming
  • the p-type contact layer forming step includes a first step of crystal growth of a layer made of Al x Ga 1-x N by supplying a group III source gas, a group V source gas, and an Mg source gas, and the first step Immediately after completion of the step, the flow rate of the group III source gas is reduced to 1 ⁇ 4 or less of the flow rate of the first step, and the group V source gas and the Mg source gas are kept for 1 minute or more following the first step. And a second step of supplying for 20 minutes or less.
  • the method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to [5] or [6].
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a group III nitride semiconductor light emitting device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing group III nitride semiconductor light emitting device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a preferred embodiment of a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention. It is a graph which shows the correspondence of the center light emission wavelength of a group III nitride semiconductor light-emitting device in Example 1 of an Example, and Al composition ratio of a p-type contact layer. It is a graph which shows the correspondence of the center light emission wavelength of a group III nitride semiconductor light-emitting device in Example 3 of an Example, and Al composition ratio of a p-type contact layer.
  • AlGaN the chemical composition ratio of the group III element (total of Al and Ga) and N is 1: 1, and the group III
  • the ratio of the elements Al and Ga shall mean any arbitrary compound. In this case, even if there is no notation about In which is a group III element, it may contain 5% or less of In with respect to Al and Ga as group III elements.
  • AlN or “GaN”
  • AlN the chemical composition ratio of the group III element (total of Al and Ga) and N
  • the ratio of the elements Al and Ga shall mean any arbitrary compound. In this case, even if there is no notation about In which is a group III element, it may contain 5% or less of In with respect to Al and Ga as group III elements.
  • AlN or “GaN”
  • Ga and Al are not included in the composition ratio, respectively, but by simply indicating “AlGaN”, it is either AlN or GaN. This is not excluded.
  • the value of the Al composition ratio can be measured by photoluminescence measurement, X
  • a layer that functions electrically as a p-type is referred to as a p-type layer
  • a layer that functions as an n-type electrically is referred to as an n-type layer.
  • a specific impurity such as Mg or Si is not intentionally added and does not function electrically as p-type or n-type, it is referred to as “i-type” or “undoped”.
  • i-type or “undoped”.
  • inevitable impurities may be mixed in the manufacturing process.
  • the carrier density is small (for example, less than 4 ⁇ 10 16 / cm 3 ), Called.
  • the value of impurity concentration such as Mg or Si is determined by SIMS analysis.
  • the entire thickness of each layer formed by epitaxial growth can be measured using an optical interference type film thickness measuring instrument.
  • the thickness of each layer can be calculated from cross-sectional observation of the growth layer using a transmission electron microscope when the composition of adjacent layers is sufficiently different (for example, when the Al composition ratio is different by 0.01 or more).
  • the Al composition ratio is the same or substantially equal (for example, less than 0.01), but the boundary and thickness of layers having different impurity concentrations are the boundary between both layers and the thickness of each layer. This is based on a measurement based on TEM-EDS. Both impurity concentrations can be measured by SIMS analysis. Further, when the thickness of each layer is thin as in the superlattice structure, the thickness can be measured using TEM-EDS.
  • a group III nitride semiconductor light emitting device 100 includes an n-type semiconductor layer 30, a light emitting layer 40, a p-type electron blocking layer 60, and Al x Ga 1 on a substrate 10.
  • a p-type contact layer 70 made of -xN and a p-side reflective electrode 80 are provided in this order.
  • the central emission wavelength from the light emitting layer 40 is not less than 270 nm and not more than 310 nm.
  • the p-type contact layer 70 is in contact with the p-side reflective electrode 80, the thickness of the p-type contact layer 70 is 20 nm or more and 80 nm or less, and the Al composition ratio x of the p-type contact layer 70 is expressed by the following formula (1 Is satisfied.
  • (lambda) p is the said center light emission wavelength (nm).
  • the substrate 10 it is preferable to use a substrate that can transmit light emitted from the light emitting layer 40.
  • a substrate that can transmit light emitted from the light emitting layer 40 For example, a sapphire substrate or a single crystal AlN substrate can be used.
  • an AlN template substrate obtained by epitaxially growing an undoped AlN layer on the surface of a sapphire substrate may be used.
  • the n-type semiconductor layer 30 is provided on the substrate 10.
  • the n-type semiconductor layer 30 can be a general n-type layer, and can be made of, for example, AlGaN.
  • the n-type semiconductor layer 30 functions as an n-type layer by being doped with an n-type dopant, and specific examples of the n-type dopant include Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, and the like. Can do.
  • the dopant concentration of the n-type dopant is not particularly limited as long as it is a dopant concentration capable of functioning as n-type, and is, for example, 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 to 1.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 . be able to.
  • the n-type semiconductor layer 30 is made of AlGaN, the Al composition ratio is not particularly limited and can be in a general range. Further, the n-type semiconductor layer 30 can be composed of a single layer or a plurality of layers.
  • the light emitting layer 40 is provided on the n-type semiconductor layer 30. Moreover, the light emitting layer 40 in this embodiment is provided so that the center light emission wavelength of light emission by the light emitting layer 40 may be 270 nm or more and 310 nm or less.
  • the Al composition ratio a of the light emitting layer 40 is set within the range of 0.29 ⁇ a ⁇ 0.55 so that the central light emission wavelength is 270 nm or more and 310 nm or less. can do.
  • the composition of the light emitting layer 40 can be expressed as Al a Ga 1-a N.
  • the light emitting layer 40 may have a single layer structure.
  • the light emitting layer 40 is a multiple quantum well (MQW) in which a well layer 41 and a barrier layer 42 made of AlGaN having different Al composition ratios are repeatedly formed.
  • MQW multiple quantum well
  • the Al composition ratio w of the well layer 41 can be set, for example, within the range of 0.29 ⁇ w ⁇ 0.55 so that the center emission wavelength is 270 nm or more and 310 nm or less.
  • the Al composition ratio b of the barrier layer 42 is higher than the Al composition ratio w of the well layer 41 (that is, b> w).
  • the Al composition ratio b of the barrier layer 42 under the condition of b> w. can be set to 0.40 ⁇ b ⁇ 1.0.
  • the number of repetitions of the well layer 41 and the barrier layer 42 is not particularly limited, and can be, for example, 1 to 10 times. It is preferable that both end sides (that is, first and last) in the thickness direction of the light emitting layer 40 are barrier layers, and if the number of repetitions of the well layer 41 and the barrier layer 42 is n, in this case, “n. Layers and barrier layers ”. Further, the thickness of the well layer 41 can be set to 0.5 nm to 5 nm, and the thickness of the barrier layer 42 can be set to 3 nm to 30 nm.
  • the p-type electron block layer 60 is provided on the light emitting layer 40.
  • the p-type electron blocking layer 60 is used as a layer for blocking electrons and injecting electrons into the light emitting layer 40 (well layer 41 in the case of the MQW structure) to increase the efficiency of electron injection.
  • the Al composition ratio z of the p-type electron blocking layer 60 is preferably set to 0.5 ⁇ z ⁇ 0.95. If the Al composition ratio z is 0.5 or more, the p-type electron blocking layer 60 may contain In in an amount of 5% or less with respect to Al and Ga as group III elements.
  • the Al composition ratio z satisfies the above conditions, while the Al composition ratio b of the barrier layer 42 and the Al composition of the p-type contact layer 70 are satisfied. It shall be higher than the ratio x. That is, z> b, and z> x.
  • the Al composition ratio z of the p-type electron blocking layer 60 and the Al composition ratio b of the barrier layer 42 it is preferable that 0 ⁇ z ⁇ b ⁇ 0.55 is satisfied, and 0.1 ⁇ z ⁇ b It is more preferable to satisfy ⁇ 0.55. By doing so, the p-type electron block layer 60 can reliably increase the efficiency of electron injection into the well layer 41.
  • the p-type electron block layer 60 preferably has a single layer structure with a constant AlGaN composition ratio.
  • the thickness of the p-type electron blocking layer 60 is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 80 nm, for example. If the thickness of the p-type electron blocking layer 60 is within this range, a high light emission output can be obtained with certainty.
  • the p-type electron blocking layer 60 is preferably thicker than the barrier layer 42.
  • Mg, Zn, Ca, Be, Mn etc. can be illustrated as a p-type dopant doped to the p-type electron block layer 60, and it is common to use Mg.
  • the dopant concentration of the p-type electron blocking layer 60 is not particularly limited as long as it is a dopant concentration capable of functioning as a p-type layer. For example, the dopant concentration is 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 to 5.0 ⁇ 10 21 atoms / cm 3 can be used.
  • the p-type contact layer 70 is provided on the p-type electron block layer 60.
  • the p-type contact layer 70 is a layer for reducing the contact resistance between the p-side reflective electrode 80 and the p-type electron block layer 60 provided thereon.
  • the p-type contact layer 70 is in contact with the p-side reflective electrode 80 between the p-type contact layer 70 and the p-side reflective electrode 80 except for impurities that are inevitable in manufacturing. Means that no configuration exists.
  • the p-type contact layer 70 is made of Al x Ga 1-x N, and the thickness of the p-type contact layer 70 is 20 nm or more and 80 nm or less.
  • the Al composition ratio x of the p-type contact layer 70 satisfies the following formula (1).
  • the technical significance that the p-type contact layer 70 satisfies this condition will be described together with details of the p-side reflective electrode 80.
  • the lambda p is the center emission wavelength of the group III nitride semiconductor light emitting device 100 (nm). Therefore, 270 ⁇ ⁇ p ⁇ 310.
  • the p-side reflective electrode 80 is provided on and in contact with the p-type contact layer 70.
  • the p-side reflective electrode 80 uses a metal having a high reflectance (for example, 60% or more) with respect to ultraviolet light having a central emission wavelength of 270 nm to 310 nm so as to reflect light emitted from the light emitting layer 40.
  • the metal having such reflectance include rhodium (Rh), platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), and these An alloy containing at least one of them can be used.
  • the reflectivity to ultraviolet light is high, and the p-type contact layer 70 and the p-side reflective electrode 80 can have relatively good ohmic contact. From the viewpoint of reflectivity, among these, it is preferable that the p-side reflective electrode 80 contains rhodium (Rh) alone or in the form of an alloy. Further, the thickness, shape and size of the p-side reflective electrode 80 can be appropriately selected according to the shape and size of the group III nitride semiconductor light emitting device 100. For example, the thickness of the p-side reflective electrode 80 is 30 to 30 mm. It can be 45 nm.
  • the p-type contact layer 70 absorbs most of the light emitted from the light-emitting layer 40, and thus light extraction due to reflection by the p-side reflective electrode 80 is performed. The effect is hardly expected. As the center emission wavelength ⁇ p becomes shorter, the absorption by the p-type contact layer 70 becomes more remarkable. On the other hand, when the Al composition ratio x of the p-type contact layer 70 is increased, the p-type contact layer 70 transmits light emitted from the light-emitting layer 40, so that light extraction efficiency is increased due to reflection from the p-side reflective electrode 80. .
  • the contact resistance of the p-type contact layer 70 is increased, so that a good ohmic contact between the p-type contact layer 70 and the p-side reflective electrode 80 is achieved.
  • the forward voltage (Vf) increases and the incidence of sudden death increases.
  • the Al composition ratio x satisfies the range of the above formula (1), although the specific resistance of the p-type contact layer 70 is increased, the transmittance of the p-type contact layer 70 can be increased. Furthermore, the light emission output improvement effect can be enjoyed by regulating the transmission distance of light emission from the light emitting layer 40. Therefore, by making the thickness of the p-type contact layer 70 20 nm or more and 80 nm or less while the Al composition ratio x of the p-type contact layer 70 satisfies the following formula (1), the light emission output can be made higher than before, In addition, a reliable group III nitride semiconductor light-emitting device can be obtained.
  • the Al composition ratio x of the p-type contact layer satisfies the following formula (2).
  • (lambda) p is the above-mentioned center light emission wavelength (nm).
  • the thickness of the p-type contact layer 70 is preferably 30 nm or more, and more preferably 40 nm or more. Furthermore, the thickness of the p-type contact layer 70 is preferably 70 nm or less, and more preferably 60 nm or less.
  • the p-type contact layer 70 preferably has a high concentration region 72 having a Mg concentration of 3 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more on the side in contact with the p-side reflective electrode 80.
  • the Mg concentration in the high concentration region 72 is more preferably 5 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more.
  • the forward voltage Vf can be lowered by increasing the hole concentration of the p-type contact layer 70.
  • the upper limit of the Mg concentration in the high concentration region 72 can be set to 1 ⁇ 10 21 atoms / cm 3 in this embodiment.
  • the Mg concentration of the region 71 on the p-type electron block layer 60 side in the p-type contact layer 70 can be in a general range, and is usually 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more and 3 ⁇ 10 20 atoms / cm. Less than 3 .
  • region 72 is an average density
  • the thickness of the high concentration region 72 is usually 15 nm or less.
  • the present embodiment it is possible to provide a Group III nitride semiconductor light-emitting element that can have a higher light emission output than that of the related art and that is reliable.
  • this group III nitride semiconductor light-emitting device light emission is reflected by the p-side reflective electrode, so that the main light extraction direction can be the substrate side or the substrate horizontal direction.
  • ⁇ Buffer layer> As shown in FIG. 1, it is also preferable to provide a buffer layer 20 between the substrate 10 and the n-type semiconductor layer 30 for alleviating distortion caused by the difference in lattice constant between the two.
  • the buffer layer 20 is preferably made of AlN or AlGaN.
  • the AlN layer on the surface portion of the AlN template substrate corresponds to the buffer layer 20, but an AlGaN layer may be formed as the buffer layer 20 on the AlN layer. Good.
  • the n-side electrode 90 that can be provided on the exposed surface of the n-type semiconductor layer 30 can be, for example, a metal composite film having a Ti-containing film and an Al-containing film formed on the Ti-containing film.
  • the thickness, shape, and size can be appropriately selected depending on the shape and size of the light-emitting element.
  • the n-side electrode 90 is not limited to being formed on the exposed surface of the n-type semiconductor layer 30 as shown in FIG. 1, and may be electrically connected to the n-type semiconductor layer.
  • a group III nitride semiconductor layer having an Al composition ratio higher than the Al composition ratio z of the p-type electron block layer 60 between the light emitting layer 40 and the p-type electron block layer 60 You may provide the guide layer which consists of. By providing the guide layer, injection of holes into the light emitting layer 40 can be promoted.
  • an n-type semiconductor layer 30, a light emitting layer 40, and a p-type electron blocking layer 60 are sequentially formed on a substrate 10 (FIG. 2A). ), (B)), a p-type contact layer forming step (FIG.
  • the central emission wavelength from the light emitting layer 40 is set to 270 nm or more and 310 nm or less.
  • the thickness of the p-type contact layer is set to 20 nm to 80 nm, and the Al composition ratio x of the p-type contact layer is expressed by the following formula (1).
  • the p-type contact layer 70 is formed so as to satisfy the above. However, in said formula (1), (lambda) p is the said center light emission wavelength (nm).
  • FIG. 2 showing a flowchart according to a preferred embodiment of the present embodiment, but a description overlapping with the above-described embodiment will be omitted.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE Organic Chemical Vapor Deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • sputtering a known epitaxial growth technique
  • the growth temperature, growth pressure, and growth time for epitaxial growth are generally in accordance with the Al composition ratio and thickness of each layer.
  • a carrier gas for epitaxial growth may be supplied into the chamber using hydrogen gas, nitrogen gas, or a mixed gas of both.
  • TMA trimethylaluminum
  • TMG trimethylgallium
  • NH 3 gas can be used as a group V element gas.
  • V / III ratio Molar ratio of group V element to group III element calculated based on the growth gas flow rate of group V element gas such as NH 3 gas and group III element gas such as TMA gas
  • group V element gas such as NH 3 gas and group III element gas such as TMA gas
  • group V / III ratio the general conditions may be used.
  • a dopant source gas for p-type dopants, cyclopentadienyl magnesium gas (CP 2 Mg) or the like is used as an Mg source, and for n-type dopants, for example, monosilane gas (SiH 4 ) or Zn source is used as a Si source.
  • Zinc chloride gas (ZnCl 2 ) or the like is appropriately selected and supplied into the chamber at a predetermined flow rate.
  • a p - type contact layer 70 made of Al x Ga 1-x N is formed on the p-type electron block layer 60.
  • the thickness range of the p-type contact layer 70 and the conditions of the Al composition ratio x are as described above.
  • the p-type contact layer 70 can also be formed by epitaxial growth using the MOCVD method or the like.
  • the p-type contact layer forming step is as follows. The first and second steps are preferably included.
  • the p-type contact layer forming step includes a first step of crystal growth of a layer made of Al x Ga 1-x N by supplying a group III source gas, a group V source gas, and a Mg source gas, and the first step Immediately after the completion, the flow rate of the group III source gas is reduced to 1 ⁇ 4 or less of the flow rate of the first step, and the group V source gas and the Mg source gas are added for 1 minute to 20 minutes following the first step. It is preferable to include the 2nd process supplied below. This preferred embodiment will be described with reference to FIG.
  • a layer made of Al x Ga 1-x N is crystal-grown by supplying group III source gas, group V source gas and Mg source gas.
  • the p-type contact layer 70 made of Al x Ga 1-x N may be epitaxially grown under general conditions.
  • the flow rate of the group III source gas is reduced to 1 ⁇ 4 or less of the flow rate of the first step.
  • the V group source gas and the Mg source gas are supplied for 1 to 20 minutes following the first step.
  • FIG. 3C schematically shows that the high concentration region 72 of Mg was formed after the second step.
  • the second step it is more preferable to lower the flow rate of the group III source gas to 1/10 or less of the flow rate of the first step, and it is more preferable to stop the supply of the group III source gas. By doing so, the Mg concentration in the high concentration region 72 can be more reliably increased.
  • the p-side reflective electrode 80 is formed immediately above the p-type contact layer 70 as shown in FIGS. 2 (D) and 3 (D).
  • the p-side reflective electrode 80 can be formed by sputtering or vacuum deposition.
  • the buffer layer 20 may be formed on the surface 10A of the substrate 10 as shown in FIGS. Furthermore, a part of the light emitting layer 40, the p-type electron block layer 60, and the p-type contact layer 70 can be removed by etching or the like, and the n-side electrode 90 can be formed on the exposed n-type semiconductor layer 30.
  • the present invention provides a group III nitride semiconductor light emitting device having a central emission wavelength from the light emitting layer of 270 nm to 330 nm. Is also applicable. That is, the group III nitride semiconductor light emitting device 100 according to the second embodiment of the present invention includes an n-type semiconductor layer 30, a light emitting layer 40, a p-type electron block layer 60, and Al x Ga 1-x N on the substrate 10. A p-type contact layer 70 and a p-side reflective electrode 80 are provided in this order.
  • the central emission wavelength from the light emitting layer 40 is not less than 270 nm and not more than 330 nm.
  • the p-type contact layer 70 is in contact with the p-side reflective electrode 80, the thickness of the p-type contact layer 70 is not less than 20 nm and not more than 80 nm, and the Al composition ratio x of the p-type contact layer 70 is the above formula ( 1) is satisfied.
  • the same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Therefore, 270 ⁇ ⁇ p ⁇ 330 is applied as the numerical range of ⁇ p in the above-described equations (1) and (2).
  • the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light emitting device 100 according to the second embodiment in which the central emission wavelength from the light emitting layer is 270 nm or more and 330 nm or less includes the n-type semiconductor layer 30, the light emitting layer 40, and the p type on the substrate 10.
  • the central emission wavelength from the light emitting layer 40 is set to 270 nm or more and 330 nm or less.
  • the p-type contact layer has a thickness of 20 nm or more and 80 nm or less, and further, the p-type contact layer has an Al composition ratio x satisfying the above formula (1).
  • a contact layer 70 is formed.
  • the Al composition ratio a of the light emitting layer 40 is 0.17 ⁇ a It may be set from the range of ⁇ 0.55.
  • the Al composition ratio w of the well layer 41 is in the range of 0.17 ⁇ w ⁇ 0.55, and b> Under the condition w, the Al composition ratio b of the barrier layer 42 may be set as appropriate within the range of 0.30 ⁇ b ⁇ 1.0.
  • the growth temperature of the AlN layer was 1300 ° C.
  • the growth pressure in the chamber was 10 Torr
  • the growth gas flow rates of ammonia gas and TMA gas were set so that the V / III ratio was 163.
  • the film thickness of the AlN layer a total of 25 films including the center in the wafer plane and dispersed at equal intervals using an optical interference type film thickness measuring device (Nanospec M6100A; manufactured by Nanometrics). The thickness was measured.
  • the AlN template substrate was introduced into a heat treatment furnace, and the inside of the furnace was put into a nitrogen gas atmosphere, and then the temperature in the furnace was raised to heat-treat the AlN template substrate. At that time, the heating temperature was 1650 ° C., and the heating time was 4 hours.
  • a buffer layer having a thickness of 1 ⁇ m made of undoped Al 0.7 Ga 0.3 N was formed by MOCVD.
  • a Si-doped n-type semiconductor layer having a thickness of 2 ⁇ m made of Al 0.65 Ga 0.35 N was formed on the buffer layer.
  • the Si concentration of the n-type semiconductor layer was 1.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 .
  • n-type semiconductor layer a 3 nm thick well layer made of Al 0.45 Ga 0.55 N and a 7 nm thick barrier layer made of Al 0.64 Ga 0.36 N are alternately formed on the n-type semiconductor layer.
  • a light emitting layer was formed by repeating 5 sets. 0.5 in 3.5 sets represents that the first and last of the light emitting layer are the barrier layers.
  • a p-type electron blocking layer having a thickness of 40 nm and made of Al 0.68 Ga 0.32 N was formed on the light emitting layer using hydrogen gas as a carrier gas (FIG. 3H).
  • CP 2 Mg gas was supplied to the chamber as an Mg source and doped with Mg.
  • the Mg concentration of the p-type electron block layer was 5.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • a p-type contact layer made of Al 0.56 Ga 0.44 N was formed, and the thickness thereof was 50 nm.
  • a p-type contact layer is formed until a Mg-doped p-type contact layer is grown by supplying CP 2 Mg gas as a Mg source together with a group III source TMA gas, TMG gas, and group V source ammonia gas.
  • First step (FIG. 3B). Thereafter, as shown in FIG. 3C, as the second step, only the supply of the group III source gas is stopped, and only the Mg source gas and the group V source gas are supplied for 10.5 minutes. A high concentration region was formed.
  • the Al composition of the p-type contact layer was determined from the emission wavelength (bandgap energy) of the p-type contact layer analyzed by photoluminescence measurement.
  • the Mg concentration in the 45 nm portion (region 71) on the p-type electron block layer side is 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3
  • the remaining 5 nm portion with high Mg concentration was 3 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • Invention Example 2 A Group III nitride semiconductor light-emitting device according to Invention Example 2 was produced in the same manner as Invention Example 1, except that the Al composition ratio of the p-type contact layer in Invention Example 1 was changed to 0.46. Also, as a result of SIMS analysis, in the p-type contact layer of Invention Example 2, the Mg concentration in the 45 nm-thick part (region 71) on the p-type electron blocking layer side is 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , The Mg concentration of the remaining 5 nm portion (high concentration region 72) in which the Mg concentration was high by the process was 3 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • Invention Example 3 A Group III nitride semiconductor light-emitting device according to Invention Example 3 was produced in the same manner as Invention Example 1, except that the Al composition ratio of the p-type contact layer in Invention Example 1 was changed to 0.41.
  • Comparative Example 2 A group III nitride semiconductor light-emitting device according to Invention Example 3 was fabricated in the same manner as Invention Example 1, except that the Al composition ratio of the p-type contact layer in Invention Example 1 was changed to 0.35.
  • Comparative Example 3 III according to Comparative Example 3 except that the well layer in Invention Example 2 was changed to Al 0.29 Ga 0.71 N and the barrier layer was changed to Al 0.43 Ga 0.57 N. A group nitride semiconductor light emitting device was fabricated.
  • Table 2 below shows the conditions for forming the p-type contact layer in the above Invention Examples 1 to 5, Conventional Examples 1 and 2, and Comparative Examples 1 to 3.
  • Example 4 (Comparative Example 4) In Invention Example 1, after forming a p-type contact layer made of Al 0.56 Ga 0.44 N having a thickness of 50 nm, a p-type GaN layer having a thickness of 10 nm is further formed, and the invention example is formed on the surface of the p-type GaN layer. A p-side reflective electrode made of the same Rh as 1 was formed. However, in Comparative Example 4, the second step in forming the p-type contact layer made of Al 0.56 Ga 0.44 N in Invention Example 1 is not performed. Other conditions were the same as in Example 1, and a Group III nitride semiconductor light-emitting device according to Comparative Example 4 was produced.
  • Invention Example 6 A Group III nitride semiconductor light-emitting device according to Invention Example 6 was produced in the same manner as in Invention Example 2, except that the second step in forming the p-type contact layer in Invention Example 2 was not performed.
  • the thickness of the p-type contact layer was 50 nm.
  • the Mg concentration of the p-type contact layer was 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • Invention Example 8 A group III nitride semiconductor light-emitting device according to Invention Example 8 was produced in the same manner as in Invention Example 7, except that the Al composition x of the p-type contact layer was changed to 0.11. Note that the Al composition 0.11 of the p-type contact layer is the lower limit in Equation 1.
  • the light emission output is higher than the conventional light output if the Al composition ratio x of the p-type contact layer is within the range of the formula (1) even when the central emission wavelength ⁇ p is 330 nm. It was confirmed that a reliable light-emitting element that can be performed and does not die is obtained.
  • the expression (1) is applicable not only when the central emission wavelength ⁇ p is 270 nm or more and 310 nm or less but also when the center emission wavelength ⁇ p is 270 nm or more and 330 nm or less. .
  • the light emission output can be made higher than before and a reliable group III nitride semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing the same can be provided, it is useful.

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Abstract

従来よりも発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供する。　本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、基板上に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型電子ブロック層、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層およびｐ側反射電極をこの順に備え、前記発光層からの中心発光波長は２６５ｎｍ以上３３０ｎｍ以下であり、前記ｐ型コンタクト層は前記ｐ側反射電極と接し、かつ、前記ｐ型コンタクト層の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たす。　 ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。

Description

ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法
　本発明は、III族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、高い発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
　Ａｌ，Ｇａ，ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、直接遷移型バンド構造をもつワイドバンドギャップ半導体であり、殺菌、浄水、医療、照明、高密度光記録などの幅広い応用分野が期待される材料である。特に、発光層にIII族窒化物半導体を用いた発光素子は、III族元素の含有比率を調整することで深紫外光から可視光領域までをカバーすることができ、種々の光源への実用化が進められている。
　一般的な深紫外発光のIII族窒化物半導体発光素子は、サファイアやＡｌＮ単結晶等の基板上に、バッファ層を介してｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次形成し、さらに、ｎ型半導体層と電気的に接続するｎ側電極、ｐ型半導体層と電気的に接続するｐ側電極をそれぞれ形成することにより得られる。また、ｐ型半導体層のｐ側電極側には、オーミック接触をとるため、ホール濃度を高めやすいｐ型ＧａＮコンタクト層を形成するのが一般的である。また、発光層には、III族窒化物半導体からなる障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いることが一般的である。
　ここで、III族窒化物半導体発光素子に要求される特性の一つは、高い外部量子効率特性である。外部量子効率は、（ｉ）内部量子効率、（ｉｉ）電子流入効率、および（ｉｉｉ）光取り出し効率によって定まる。
　特許文献１では、ＡｌＧａＮ混晶のｐ型コンタクト層と、発光層からの放射光に対し反射性を示す反射電極とを備える、基板側を光取り出し方向とする紫外発光ダイオードが開示されている。特許文献１によれば、短波長の光に対しては、ＡｌＧａＮよりなるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を高くするほど、ｐ型コンタクト層の透過率を高くすることができる。そこで、特許文献１では、従来一般的であったＧａＮよりなるｐ型コンタクト層に替えて、発光波長に応じた透過率を有するＡｌＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を用いることを提案している。特許文献１によれば、ＡｌＧａＮよりなるｐ型コンタクト層によってホール濃度が低下したとしても、放射光に対するｐ型コンタクト層の透過率が高まるために光取り出し効率の大幅な改善が得られ、全体としての外部量子効率が向上する。
特開２０１５－２１６３５２号公報
　特許文献１によれば、放射光に対するｐ型コンタクト層の透過率は高ければ高いほど好ましいとされる。そこで、本発明者がこの知見を検討したところ、中心発光波長に対するｐ型コンタクト層の透過率を高めるために、ＡｌＧａＮよりなるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を過剰にした場合、以下の現象が発生し得ることが実験的に明らかとなった。すなわち、III族窒化物半導体発光素子の中心発光波長と、ｐ型コンタクト層との関係によっては、従来技術に比べて発光出力の高いIII族窒化物半導体素子を得ることは可能であものの、こうして作製したIII族窒化物半導体発光素子のサンプルの一部には、初期の発光出力から半減するほどに発光出力が突然劣化する現象の発生が確認された。このように発光出力が突然劣化する現象を、本明細書において「頓死」と称することとする。具体的には、III族窒化物半導体発光素子のサンプルを20mAで通電して初期の発光出力を測定し、次いで100mAで3秒間通電した後、再度20mAで測定したときに、初期の発光出力に対して半減以上の出力低下が確認されたサンプルは頓死が発生したものとする。
　このような頓死の発生は、ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を用いた従来のIII族窒化物半導体素子では確認されなかったものである。そして、こうした頓死の発生し得るIII族窒化物半導体素子では、発光出力が改善されていたとしても、信頼性が低く、製品化には到底耐えない。
　そこで、本発明の目的は、従来よりも発光出力を高くすることができ、かつ、信頼性のあるIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。本発明者は、III族窒化物半導体発光素子の中心発光波長と、ＡｌＧａＮよりなるｐ型コンタクト層との関係に着目し、両者が適切な関係式を満たす場合、上述した頓死が発生せず、さらに、従来よりも発光出力、すなわち外部量子効率を改善できることを実験的に明らかにした。こうして、中心発光波長に対して適切なＡｌＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を設けることで、従来よりも発光出力を高くでき、かつ、信頼性のあるIII族窒化物半導体発光素子が得られることを本発明者は知見した。この知見は発光波長２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下のIII族窒化物半導体発光素子に適用可能であり、さらに、発光波長２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下のIII族窒化物半導体発光素子にも適用可能であることが実験的に確認された。こうして、本発明者は本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである
［１］基板上に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型電子ブロック層、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層およびｐ側反射電極をこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子であって、
　前記発光層からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下であり、
　前記ｐ型コンタクト層は前記ｐ側反射電極と接し、かつ、前記ｐ型コンタクト層の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、
　前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
［２］基板上に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型電子ブロック層、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層およびｐ側反射電極をこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子であって、
　前記発光層からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下であり、
　前記ｐ型コンタクト層は前記ｐ側反射電極と接し、かつ、前記ｐ型コンタクト層の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、
　前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
［３］前記ｐ型コンタクト層は、前記ｐ側反射電極と接する側にＭｇ濃度が３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の高濃度領域を有する、前記［１］または［２］に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
［４］前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（２）を満たす、前記［１］～［３］のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　ただし、上記式（２）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
［５］基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型電子ブロック層を順次形成する工程と、
　前記ｐ型電子ブロック層上にＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
　前記ｐ型コンタクト層の直上にｐ側反射電極を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
　前記発光層からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下とし、
　前記ｐ型コンタクト層形成工程において、前記ｐ型コンタクト層の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とし、さらに、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすよう、前記ｐ型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
［６］基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型電子ブロック層を順次形成する工程と、
　前記ｐ型電子ブロック層上にＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
　前記ｐ型コンタクト層の直上にｐ側反射電極を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
　前記発光層からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下とし、
　前記ｐ型コンタクト層形成工程において、前記ｐ型コンタクト層の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とし、さらに、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすよう、前記ｐ型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
［７］前記ｐ型コンタクト層形成工程は、III族原料ガス、V族原料ガスおよびＭｇ原料ガスの供給によりＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなる層を結晶成長させる第１工程と、該第１工程の終了直後に、前記III族原料ガスの流量を前記第１工程の流量の１／４以下に下げると共に、前記第第１工程に引き続き前記V族原料ガスおよび前記Ｍｇ原料ガスを１分以上２０分以下供給する第２工程と、を含む、前記［５］または［６］に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
　本発明によれば、従来よりも発光出力を高くすることができ、かつ、信頼性のあるIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００を説明する模式断面図である。 本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法を説明する模式断面図である。 本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の好適実施形態を説明する模式断面図である。 実施例の実験例１における、III族窒化物半導体発光素子の中心発光波長とｐ型コンタクト層のＡｌ組成比との対応関係を示すグラフである。 実施例の実験例３における、III族窒化物半導体発光素子の中心発光波長とｐ型コンタクト層のＡｌ組成比との対応関係を示すグラフである。
　本発明に従う実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。まず、本明細書においてＡｌ組成比を明示せずに単に「ＡｌＧａＮ」と表記する場合は、III族元素（Ａｌ，Ｇａの合計）とＮとの化学組成比が１：１であり、III族元素ＡｌとＧａとの比率は不定の任意の化合物を意味するものとする。この場合、III族元素であるＩｎについての表記がなくとも、III族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよいこととする。また、単に「ＡｌＮ」または「ＧａＮ」と表記する場合は、それぞれＧａおよびＡｌは組成比に含まないことを意味するが、単に「ＡｌＧａＮ」と表記することによって、ＡｌＮまたはＧａＮのいずれかであることを排除するものではない。なお、Ａｌ組成比の値は、フォトルミネッセンス測定およびＸ線回折測定などによって測定することができる。
　また、本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型層と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型層と称する。一方、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にｐ型またはｎ型として機能しない場合、「ｉ型」または「アンドープ」と言う。アンドープの層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよく、具体的には、キャリア密度が小さい（例えば４×１０１６／ｃｍ３未満）場合、本明細書において「アンドープ」と称する。また、ＭｇやＳｉ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。
　また、エピタキシャル成長により形成される各層の厚さ全体は、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の厚さのそれぞれは、隣接する各層の組成が十分異なる場合（例えばＡｌ組成比が、０．０１以上異なる場合）、透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、隣接する層のうち、Ａｌ組成比が同一であるか、または、ほぼ等しい（例えば０．０１未満）ものの、不純物濃度の異なる層の境界および厚さについては、両者の境界ならびに各層の厚さは、ＴＥＭ－ＥＤＳに基づく測定によるものとする。そして、両者の不純物濃度は、ＳＩＭＳ分析により測定できる。また、超格子構造のように各層の厚さが薄い場合にはＴＥＭ－ＥＤＳを用いて厚さを測定することができる。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している
［第１実施形態］
（実施形態：III族窒化物半導体発光素子１００）
　図１に示すように、本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００は、基板１０上に、ｎ型半導体層３０、発光層４０、ｐ型電子ブロック層６０、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層７０およびｐ側反射電極８０をこの順に備える。そして、発光層４０からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下である。さらに、ｐ型コンタクト層７０は、ｐ側反射電極８０と接し、かつ、ｐ型コンタクト層７０の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
　以下、図１を参照しつつ、本実施形態に従うIII族窒化物半導体素子１００の要部となる上述した各構成の詳細をまず説明する。なお、図１に図示される上記構成以外の具体的態様については後述する。
＜基板＞
　基板１０としては、発光層４０による発光を透過することのできる基板を用いることが好ましく、例えばサファイア基板または単結晶ＡｌＮ基板などを用いることができる。また、基板１０として、サファイア基板の表面にアンドープのＡｌＮ層をエピタキシャル成長させたＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい。
＜ｎ型半導体層＞
　ｎ型半導体層３０は基板１０上に設けられる。ｎ型半導体層３０は、一般的なｎ型層とすることができ、例えばＡｌＧａＮよりなることができる。ｎ型半導体層３０には、ｎ型のドーパントがドープされることでｎ型層として機能し、ｎ型ドーパントの具体例として、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｏ，Ｔｉ，Ｚｒ等を挙げることができる。ｎ型ドーパントのドーパント濃度は、ｎ型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることができる。また、ｎ型半導体層３０がＡｌＧａＮよりなる場合、そのＡｌ組成比は、特に制限はなく、一般的な範囲とすることができる。また、ｎ型半導体層３０を単層または複数層から構成することもできる。
＜発光層＞
　発光層４０はｎ型半導体層３０上に設けられる。また、本実施形態における発光層４０は、当該発光層４０による発光の中心発光波長が２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下となるように設けられる。発光層４０をＡｌＧａＮの単層構造により形成する場合、中心発光波長が２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下となるよう、発光層４０のＡｌ組成比ａを、０．２９≦ａ≦０．５５の範囲内から設定することができる。この場合、発光層４０の組成はＡｌａＧａ１－ａＮと表すことができる。
　また、上述のように発光層４０を単層構造により構成してもよいが、発光層４０をＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮよりなる井戸層４１および障壁層４２を繰り返し形成した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造で構成することが好ましい。この場合、井戸層４１のＡｌ組成比ｗは、中心発光波長が２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下となるよう、例えば０．２９≦ｗ≦０．５５の範囲内から設定することができる。また、障壁層４２のＡｌ組成比ｂは、井戸層４１のＡｌ組成比ｗよりも高く（すなわち、ｂ＞ｗ）し、例えば、ｂ＞ｗの条件の下、障壁層４２のＡｌ組成比ｂを０．４０≦ｂ≦１．０とすることができる。また、井戸層４１および障壁層４２の繰り返し回数は、特に制限されず、例えば１～１０回とすることができる。発光層４０の厚さ方向の両端側（すなわち最初と最後）を障壁層とすることが好ましく、井戸層４１および障壁層４２の繰り返し回数をｎとすると、この場合は「ｎ．５組の井戸層および障壁層」と表記することとする。また、井戸層４１の厚さを０．５ｎｍ～５ｎｍ、障壁層４２の厚さを３ｎｍ～３０ｎｍとすることができる。
＜ｐ型電子ブロック層＞
　ｐ型電子ブロック層６０は、発光層４０上に設けられる。ｐ型電子ブロック層６０は電子を堰止めし、電子を発光層４０（ＭＱＷ構造の場合には井戸層４１）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。この目的のため、ｐ型電子ブロック層６０のＡｌ組成比ｚを、０．５≦ｚ≦０．９５とすることが好ましい。なお、Ａｌ組成比ｚが０．５以上であれば、ｐ型電子ブロック層６０はIII族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよい。ここで、発光層４０が前述の障壁層４２を有する多重量子構造である場合、Ａｌ組成比ｚは上記条件を満足しつつ、障壁層４２のＡｌ組成比ｂおよびｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘよりも高くするものとする。すなわち、ｚ＞ｂであり、さらに、ｚ＞ｘである。ここで、ｐ型電子ブロック層６０のＡｌ組成比ｚおよび障壁層４２のＡｌ組成比ｂの両者に関し、０＜ｚ－ｂ≦０．５５を満足することが好ましく、０．１≦ｚ－ｂ≦０．５５を満足することがより好ましい。こうすることで、ｐ型電子ブロック層６０が井戸層４１への電子の注入効率を確実に高めることができる。なお、ｐ型電子ブロック層６０は、ＡｌＧａＮ組成比が一定の単一層構造とすることが好ましい。
　ｐ型電子ブロック層６０の厚さは特に制限されないが、例えば１０ｎｍ～８０ｎｍとすることが好ましい。ｐ型電子ブロック層６０の厚さがこの範囲であれば、高い発光出力を確実に得ることができる。なお、ｐ型電子ブロック層６０の厚さは、障壁層４２の厚さよりは厚いことが好ましい。また、ｐ型電子ブロック層６０にドープするｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｂｅ，Ｍｎ等を例示することができ、Ｍｇを用いることが一般的である。ｐ型電子ブロック層６０のドーパント濃度は、ｐ型層として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることができる。
＜ｐ型コンタクト層＞
　ｐ型コンタクト層７０は、ｐ型電子ブロック層６０上に設けられる。ｐ型コンタクト層７０は、この上に設けられるｐ側反射電極８０とｐ型電子ブロック層６０との間の接触抵抗を低減するための層である。なお、本明細書において、ｐ型コンタクト層７０がｐ側反射電極８０と接するとは、ｐ型コンタクト層７０、ｐ側反射電極８０との間に、製造上不可避的な不純物以外の所期の構成が存在しないことを意味する。
　ここで、既述のとおり、ｐ型コンタクト層７０はＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなり、ｐ型コンタクト層７０の厚さは２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とする。そして、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすものとする。ｐ型コンタクト層７０がこの条件を満足することの技術的意義については、ｐ側反射電極８０の詳細と併せて説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　ただし、上記式（１）中、λｐはIII族窒化物半導体発光素子１００の中心発光波長（ｎｍ）である。したがって、２７０≦λｐ≦３１０である。
＜ｐ側反射電極＞
　ｐ側反射電極８０は、ｐ型コンタクト層７０上に接して設けられる。ｐ側反射電極８０は、発光層４０からの発光を反射するよう、中心発光波長が２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下の紫外光に対して高い反射率（例えば６０％以上）を有する金属を用いる。このような反射率を有する金属として、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、およびこれらのいずれかを少なくとも含有する合金を用いることができる。これらの金属または合金であれば紫外光への反射率が高く、また、ｐ型コンタクト層７０と、ｐ側反射電極８０とで比較的良好なオーミック接触を取ることもできる。なお、反射率の観点では、これらの中でも、ｐ側反射電極８０がロジウム（Ｒｈ）を単体または合金の形態で含むことが好ましい。また、ｐ側反射電極８０の厚さ、形状およびサイズは、III族窒化物半導体発光素子１００の形状およびサイズに応じて適宜選択することができ、例えばｐ側反射電極８０の厚さを３０～４５ｎｍとすることができる。
　さて、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが比較的低い場合、ｐ型コンタクト層７０は発光層４０からの発光をほとんど吸収してしまうため、ｐ側反射電極８０による反射起因での光取り出し効果はほとんど期待できない。中心発光波長λｐが短波長になるほど、ｐ型コンタクト層７０による吸収は顕著となる。一方、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが高くなると、ｐ型コンタクト層７０が発光層４０からの発光を透過するため、ｐ側反射電極８０からの反射に起因して光取り出し効率が高まる。しかしながら、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが高い場合、ｐ型コンタクト層７０の接触抵抗が高くなってしまうため、ｐ型コンタクト層７０と、ｐ側反射電極８０とで良好なオーミック接触が得がたくなってしまい、結果として順方向電圧（Ｖｆ）の増大や頓死の発生率の増大を招く。
　このような原因が背景にあると思われるが、本発明者らの実験により、Ａｌ組成比ｘが上記式（１）の上限範囲を超えると、頓死が発生する場合があることが確認された。一方、Ａｌ組成比ｘが上記式（１）の下限範囲を超える場合、従来技術のｐ型ＧａＮコンタクト層に比べると、ｐ型コンタクト層７０のホール濃度が低下する。さらに、発光層４０からの発光もｐ型コンタクト層７０の透過率が十分に高いとは言えないため、発光の吸収が発生し、出力向上効果を得ることができない。そこで、Ａｌ組成比ｘが上記式（１）の範囲を満足するようにすれば、ｐ型コンタクト層７０の比抵抗は高くなるものの、ｐ型コンタクト層７０の透過率を高くすることができ、さらに、発光層４０からの発光の透過距離を規制することによって発光出力向上効果を享受することができる。したがって、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満足させつつ、ｐ型コンタクト層７０の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とすることで、従来よりも発光出力を高くでき、かつ、信頼性のあるIII族窒化物半導体発光素子が得られる。
　また、上記作用効果を確実に得るため、ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（２）を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　ただし、上記式（２）中、λｐは前述の中心発光波長（ｎｍ）である。
　さらに、上記作用効果を確実に得るため、ｐ型コンタクト層７０の厚さを３０ｎｍ以上とすることが好ましく、４０ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、ｐ型コンタクト層７０の厚さを７０ｎｍ以下とすることが好ましく、６０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
　また、図１に示すように、ｐ型コンタクト層７０は、ｐ側反射電極８０と接する側に、Ｍｇ濃度が３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の高濃度領域７２を有することが好ましく、この高濃度領域７２におけるＭｇ濃度が５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。ｐ型コンタクト層７０のホール濃度を高めて順方向電圧Ｖｆを低下することができる。上限の限定を意図しないが、工業的生産性を考慮すれば、本実施形態においては高濃度領域７２におけるＭｇ濃度の上限を１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることができる。この場合、ｐ型コンタクト層７０におけるｐ型電子ブロック層６０側の領域７１のＭｇ濃度は一般的な範囲とすることができ、通常５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。なお、領域７１および高濃度領域７２におけるＭｇ濃度は、ＳＩＭＳ測定による各領域での平均濃度である。ｐ型コンタクト層７０の結晶性を保つため、高濃度領域７２の厚さは、通常１５ｎｍ以下である。
　以上のとおり、本実施形態により、従来よりも発光出力を高くすることができ、かつ、信頼性のあるIII族窒化物半導体発光素子を提供することができる。このIII族窒化物半導体発光素子は、ｐ側反射電極により発光が反射されるので、基板側または基板水平方向を主な光取り出し方向とすることができる。
　以下、本実施形態に適用可能な具体的態様について述べるが、本実施形態は以下の態様に限定されない。
＜バッファ層＞
　図１に示すように、基板１０と、ｎ型半導体層３０との間に、両者の格子定数の差に起因する歪みを緩和するためのバッファ層２０を設けることも好ましい。バッファ層２０は、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮよりなることが好ましい。なお、基板１０として前述のＡｌＮテンプレート基板を用いる場合、ＡｌＮテンプレート基板の表面部のＡｌＮ層がバッファ層２０に相当するが、当該ＡｌＮ層上に、さらにバッファ層２０としてＡｌＧａＮ層を形成してもよい。
＜ｎ側電極＞
　また、ｎ型半導体層３０の露出面上に設けられ得るｎ側電極９０は、例えばＴｉ含有膜およびこのＴｉ含有膜上に形成されたＡｌ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚さ、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。ｎ側電極９０は、図１に示すような、ｎ型半導体層３０の露出面上への形成に限定されず、ｎ型半導体層と電気的に接続していればよい。
＜その他の構成＞
　なお、図１には図示しないが、発光層４０と、ｐ型電子ブロック層６０との間に、ｐ型電子ブロック層６０のＡｌ組成比ｚよりもＡｌ組成比の高いIII族窒化物半導体層からなるガイド層を設けてもよい。ガイド層を設けることで、発光層４０への正孔の注入を促進することができる。
（III族窒化物半導体発光素子の製造方法）
　次に、上述したIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法の一実施形態を、図２を用いて説明する。本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法の一実施形態は、基板１０上にｎ型半導体層３０、発光層４０およびｐ型電子ブロック層６０を順次形成する工程（図２（Ａ），（Ｂ））と、ｐ型電子ブロック層６０上にＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層７０を形成するｐ型コンタクト層形成工程（図２（Ｃ））と、ｐ型コンタクト層７０の直上にｐ側反射電極８０を形成する工程（図２（Ｄ））と、を含む。また、発光層４０からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下とする。そして、図２（Ｃ）に示すｐ型コンタクト層形成工程において、前記ｐ型コンタクト層の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とし、さらに、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすよう、ｐ型コンタクト層７０を形成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
　以下、本実施形態の好適な実施形態に従うフローチャートを示す図２を用いて、具体的な態様と共に各工程の詳細を順次説明するが、前述の実施形態と重複する説明については省略する。
　まず、図２（Ａ），（Ｂ）に示す、基板１０上にｎ型半導体層３０、発光層４０およびｐ型電子ブロック層６０を順次形成する工程では、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知のエピタキシャル成長技術により各層を形成することができる。
　ｎ型半導体層３０、発光層４０およびｐ型電子ブロック層６０の各層の形成にあたり、エピタキシャル成長させるための成長温度、成長圧力、成長時間については、各層のＡｌ組成比および厚さに応じた一般的な条件とすることができる。エピタキシャル成長させるためのキャリアガスとしては、水素ガスもしくは窒素ガス、または両者の混合ガスなどを用いてチャンバ内に供給すればよい。さらに、上記各層を成長させる原料ガスとして、III族元素の原料ガスとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）などを用いることができ、V族元素ガスとしてＮＨ３ガスを用いることができる。ＮＨ３ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）についても、一般的な条件とすればよい。さらにドーパント源のガスとしては、ｐ型ドーパントについては、Ｍｇ源としてシクロペンタジニエルマグネシウムガス（ＣＰ２Ｍｇ）などを、ｎ型ドーパントについては、Ｓｉ源として例えばモノシランガス（ＳｉＨ４）、Ｚｎ源としての塩化亜鉛ガス（ＺｎＣｌ２）などを適宜選択し、所定の流量でチャンバ内に供給すればよい。
　次に、図２（Ｃ）に示すｐ型コンタクト層形成工程では、ｐ型電子ブロック層６０上に、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層７０を形成する。ｐ型コンタクト層７０の厚さ範囲およびＡｌ組成比ｘの条件については既述のとおりである。ｐ型コンタクト層７０も、ＭＯＣＶＤ法などによるエピタキシャル成長によって形成することができる。
　ここで、ｐ型コンタクト層７０において、ｐ側反射電極８０と接する側の高濃度領域７２のＭｇ濃度を３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とするためには、ｐ型コンタクト層形成工程が以下の第１および第２工程を含むことが好ましい。すなわち、ｐ型コンタクト層形成工程は、III族原料ガス、V族原料ガスおよびＭｇ原料ガスの供給によりＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなる層を結晶成長させる第１工程と、該第１工程の終了直後に、前記III族原料ガスの流量を前記第１工程の流量の１／４以下に下げると共に、前記第第１工程に引き続き前記V族原料ガスおよび前記Ｍｇ原料ガスを１分以上２０分以下供給する第２工程と、を含むことが好ましい。図３を用いて、この好適態様を説明する。
　図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、まず、第１工程では、III族原料ガス、V族原料ガスおよびＭｇ原料ガスの供給によりＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなる層を結晶成長させる。この第１工程では、一般的な条件によりＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層７０をエピタキシャル成長させればよい。続く第２工程では、第１工程の終了直後に、III族原料ガスの流量を第１工程の流量の１／４以下に下げる。このとき、第１工程に引き続きV族原料ガスおよびＭｇ原料ガスを１分以上２０分以下供給するものとする。第１工程および第２工程を経ることで、ｐ型コンタクト層７０の表層部である領域７１におけるＭｇの存在確率が高まり、Ｍｇの高濃度領域を形成することができる。図３（Ｃ）では、第２工程後に、Ｍｇの高濃度領域７２が形成されたことを模式的に示すものである。
　なお、上記第２工程において、III族原料ガスの流量を第１工程の流量の１／１０以下に下げることがより好ましく、III族原料ガスの供給を停止することがより好ましい。こうすることで、より確実に高濃度領域７２のＭｇ濃度を高めることができる。
　そして、ｐ型コンタクト層７０を形成した後、図２（Ｄ）、図３（Ｄ）に示すように、ｐ型コンタクト層７０の直上にｐ側反射電極８０を形成する。ｐ側反射電極８０は、スパッタ法や真空蒸着法などにより成膜することができる。
　また、図２（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、バッファ層２０を基板１０の表面１０Ａ上に形成してもよい。さらに、発光層４０、ｐ型電子ブロック層６０およびｐ型コンタクト層７０の一部をエッチング等により除去し、露出したｎ型半導体層３０上にｎ側電極９０を形成することができる。
［第２実施形態］
　上述の第１実施形態における発光層４０からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下であったものの、本発明は、発光層からの中心発光波長が２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下のIII族窒化物半導体発光素子にも適用可能である。すなわち、本発明の第２実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００は、基板１０上に、ｎ型半導体層３０、発光層４０、ｐ型電子ブロック層６０、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層７０およびｐ側反射電極８０をこの順に備える。そして、発光層４０からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下である。さらに、ｐ型コンタクト層７０は、ｐ側反射電極８０と接し、かつ、ｐ型コンタクト層７０の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、ｐ型コンタクト層７０のＡｌ組成比ｘが前述の式（１）を満たす。図１～図３と重複する構成については、同一の符号を用い、重複する説明を省略する。したがって、前述の式（１），（２）におけるλｐの数値範囲として、２７０≦λｐ≦３３０が適用される。
　また、発光層からの中心発光波長が２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下である第２実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法は、基板１０上にｎ型半導体層３０、発光層４０およびｐ型電子ブロック層６０を順次形成する工程と、ｐ型電子ブロック層６０上にＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層７０を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、ｐ型コンタクト層７０の直上にｐ側反射電極８０を形成する工程と、を含む。そして、発光層４０からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下とする。また、ｐ型コンタクト層形成工程において、前記ｐ型コンタクト層の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とし、さらに、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが前述の式（１）を満たすよう、ｐ型コンタクト層７０を形成する。
　なお、発光層４０からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下とするためには、発光層４０をＡｌＧａＮの単層構造により形成する場合、発光層４０のＡｌ組成比ａを、０．１７≦ａ≦０．５５の範囲内から設定すればよい。また、発光層４０を井戸層４１および障壁層４２を含む多重量子井戸構造で構成する場合、井戸層４１のＡｌ組成比ｗを０．１７≦ｗ≦０．５５の範囲内としつつ、ｂ＞ｗの条件の下、障壁層４２のＡｌ組成比ｂを０．３０≦ｂ≦１．０の範囲内から適宜設定すればよい。
［実験例１］
（発明例１）
　以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図２に示したフローチャートに従って、発明例１に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板（直径２インチ、厚さ：４３０μｍ、面方位：（０００１））を用意した。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上に中心膜厚０．６０μｍ（平均膜厚０．６１μｍ）のＡｌＮ層を成長させ、ＡｌＮテンプレート基板とした。その際、ＡｌＮ層の成長温度は１３００℃、チャンバ内の成長圧力は１０Ｔｏｒｒであり、V/III比が１６３となるようにアンモニアガスとＴＭＡガスの成長ガス流量を設定した。なお、ＡｌＮ層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機（ナノスペックM6100A；ナノメトリックス社製）を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。
　次いで、上記ＡｌＮテンプレート基板を熱処理炉に導入し、炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してＡｌＮテンプレート基板に対して熱処理を施した。その際、加熱温度は１６５０℃、加熱時間は４時間とした。
　続いて、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎからなる厚さ１μｍのバッファ層を形成した。次に、Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎからなり、Ｓｉドープした厚さ２μｍのｎ型半導体層層を上記バッファ層上に形成した。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型半導体層のＳｉ濃度は１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
　続いて、ｎ型半導体層上に、Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層およびＡｌ０．６４Ｇａ０．３６Ｎからなる厚さ７ｎｍの障壁層を交互に３．５組繰り返して積層した発光層を形成した。３．５組の０．５は、発光層の最初と最後を障壁層としたことを表す。
　その後、発光層上に、水素ガスをキャリアガスとして、Ａｌ０．６８Ｇａ０．３２Ｎからなる厚さ４０ｎｍのｐ型電子ブロック層を形成した（図３（Ｈ））。ｐ型電子ブロック層の形成にあたり、Ｍｇ源としてＣＰ２Ｍｇガスをチャンバに供給してＭｇをドープした。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｐ型電子ブロック層のＭｇ濃度は５．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
　続いて、Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎからなるｐ型コンタクト層を形成し、その厚さを５０ｎｍとした。III族源のTMAガス、TMGガス、およびV族源のアンモニアガスと共にＭｇ源としてＣＰ２Ｍｇガスをチャンバに供給してＭｇをドープしたｐ型コンタクト層を成長するまでを、ｐ型コンタクト層形成の第1工程とする（図３（Ｂ））。その後、図３（Ｃ）に示すように第2工程としてIII族源ガスの供給のみ停止し、Mg源ガスおよびV族源ガスのみを１０．５分間供給し、ｐ型コンタクト層の表面側に高濃度領域を形成した。
　なお、上記ｐ型コンタクト層のAl組成の特定に際しては、フォトルミネッセンス測定により分析されたｐ型コンタクト層の発光波長（バンドギャップエネルギー）からｐ型コンタクト層のAl組成を決定した。
　ＳＩＭＳ分析の結果、ｐ型コンタクト層において、ｐ型電子ブロック層側の厚さ４５ｎｍ部分（領域７１）のＭｇ濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、Ｍｇを高濃度とした残り５ｎｍ部分（高濃度領域７２）のＭｇ濃度は３×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３であった。
　その後、ｐ型コンタクト層の上にマスクを形成してドライエッチングによるメサエッチングを行い、ｎ型半導体層を露出させた。次いで、ｐ型コンタクト層上に、厚さ０．０４μｍのＲｈからなるｐ側反射電極をスパッタ法により形成し、露出したｎ型半導体層上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側電極を形成した。なお、ｎ側電極のうち、Ｔｉの厚さは２００Åであり、Ａｌの厚さは１５００Åである。最後に５５０℃でコンタクトアニール（ＲＴＡ）を行った。こうして発明例１に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。発明例１の層構造を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
（発明例２）
　発明例１におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０．４６に変えた以外は、発明例１と同様にして、発明例２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。また、ＳＩＭＳ分析の結果、発明例２のｐ型コンタクト層においても、ｐ型電子ブロック層側の厚さ４５ｎｍ部分（領域７１）のＭｇ濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、第2工程によりＭｇを高濃度とした残り５ｎｍ部分（高濃度領域７２）のＭｇ濃度は３×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３であった
（発明例３）
　発明例１におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０．４１に変えた以外は、発明例１と同様にして、発明例３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（従来例１）
　発明例１におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０（すなわち、ＧａＮ）に変え、さらに厚さを１５０ｎｍに変えた以外は、発明例１と同様にして、従来例１に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（比較例１）
　発明例１におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０．６２に変えた以外は、発明例１と同様にして、発明例３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（比較例２）
　発明例１におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０．３５に変えた以外は、発明例１と同様にして、発明例３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（比較例３）
　発明例２における井戸層をＡｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎに、障壁層をＡｌ０．４３Ｇａ０．５７Ｎに変えた以外は、発明例２と同様にして、比較例３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（発明例４）
　比較例３におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０．３９に変えた以外は、比較例３と同様にして、発明例４に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（発明例５）
　比較例３におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０．２３に変えた以外は、比較例３と同様にして、発明例５に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（従来例２）
　比較例３におけるｐ型コンタクト層のＡｌ組成比を０に変えた以外は、比較例３と同様にして、従来例２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
　以上の発明例１～５、従来例１，２および比較例１～３の、ｐ型コンタクト層の形成条件を以下の表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
＜評価１＞
　発明例１～３、従来例１および比較例１～２から得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて２０ｍＡの電流を流したときの順方向電圧Ｖｆおよび積分球による発光出力Ｐｏを測定し、それぞれ３個の試料の測定結果の平均値を求めた。発明例１～５、従来例１，２および比較例１～３について、結果を表２に併せて示す。なお、光ファイバ分光器によって発明例１～３、従来例１および比較例１～２の中心発光波長を測定したところ、いずれも２８０ｎｍであった。また、発明例４，５、従来例２および比較例３の中心発光波長を測定したところ、いずれも３１０ｎｍであった。
＜評価２＞
　各発明例、従来例および比較例のサンプルに対して、上記評価１と同様にまず20mAで通電して発光出力を測り、次いで100mAで３秒間通電した後、再び20mAで通電して発光出力を測り、初期の発光出力に対する発光出力の変化を測定した。100mAで３秒間通電した後の発光出力が初期の発光出力の半分以下にまで下がったもの、すなわち頓死が発生するサンプル数を確認した。頓死の発生率の結果を表２に併せて示す。また、III族窒化物半導体発光素子の中心発光波長λｐとｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘとの対応関係を示すグラフを図４に示す。図４のグラフ中、ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比が実線で囲まれた領域内にあれば、頓死が発生しないことが確認された。
　以上の評価結果から、頓死の発生は、ｐ型コンタクト層とｐ電極との間のコンタクト抵抗に起因するもの考えられる。ｐ型コンタクト層のＡｌ組成が高くなるほど、ｐ電極とのコンタクト抵抗が高くなり、電流集中や電極が破壊されやすくなると考えられる。また、発光層における障壁層のAl組成比に対して、コンタクト層のAl組成比が大きい場合に、頓死が発生することも確認される。したがって、応力による結晶性の違いにも頓死発生の原因と推定される。以上を踏まえると、発光層の障壁層のAl組成比よりも、Ａｌ組成比の小さいコンタクト層とすることが好ましいことも確認された。さらに、本発明条件を満足する発明例１～５では、頓死の発生を防止しつつ、ｐ型ＧａＮコンタクト層を用いる従来例に比べて発光出力の大幅な改善が得られることも確認できた
［実験例２］
（比較例４）
　発明例１において、厚さ５０ｎｍのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎからなるｐ型コンタクト層を形成したのち、さらに厚さ１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を形成し、ｐ型ＧａＮ層表面に発明例１と同じＲｈからなるｐ側反射電極を形成した。ただし、比較例４では発明例１のＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎからなるｐ型コンタクト層の形成における第2工程は行っていない。その他の条件は、発明例１と同様にして、比較例４に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
（発明例６）
　発明例２において、ｐ型コンタクト層の形成における第2工程を行わなかった以外は、発明例２と同様にして、発明例６に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ｐ型コンタクト層の厚さは５０ｎｍであり、ＳＩＭＳ分析の結果、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
＜評価＞
　比較例４、発明例６から得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて、実験例１と同様にして順方向電圧Ｖｆおよび積分球による発光出力Ｐｏを測定した。また、頓死の発生状況も、実験例１と同様にして確認した。実験例１の発明例１，２および従来例１と併せて、結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
　発明例１、従来例１および比較例４とを対比すると、ｐ型ＧａＮ層をｐ側電極側に設けることでも頓死の発生は防げるものの、比較例４では発明例１に対して発光出力の大幅な低下が見られることが確認された。これは、ｐ型ＧａＮ層による光吸収があったからだと考えられる。また、発明例２と発明例６とを対比すると、発明例２では順方向電圧が発明例６に比べて小さいことから、Ｍｇ高濃度領域を設けた方が好ましいことが確認された。
［実験例３］
（発明例７）
　実験例１の発明例１における表１に記載の各層の層構造を、中心発光波長が３３０ｎｍとなるよう、下記表４のとおりに変更した以外は、発明例１と同様にして発明例７に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。なお、ｐ型コンタクト層のＡｌ組成０．２７は、式（１）における上限値に該当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000018
（発明例８）
　ｐ型コンタクト層のＡｌ組成ｘを０．１１とした以外は、発明例７と同様にして発明例８に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。なお、ｐ型コンタクト層のＡｌ組成０．１１は、式１における下限値である。
（従来例３）
　ｐ型コンタクト層のＡｌ組成ｘを０とした以外は、発明例７と同様にして従来例３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
＜評価＞
　発明例７、８および従来例３から得られた半導体発光素子のそれぞれに対し、実験例１における評価１と同様にして積分球による発光出力Ｐｏを測定した。また、頓死の発生状況についても、実験例１における評価２と同様にして確認した。下記の表５にそれらの結果を示す。また、前述の図４により示した結果と併せて、発明例７、８および従来例３の中心発光波長λｐとｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘとの対応関係を図５のグラフに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000019
　本実験例３による表５および図５の結果より、中心発光波長λｐが３３０ｎｍにおいてもｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが式（１）の範囲内であれば、従来よりも発光出力を高くすることができ、かつ頓死が起きない信頼性のある発光素子が得られることが確認された。
　したがって、上述の実験例１～３の実験結果に基づき、式（１）は中心発光波長λｐが２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下の場合に加えて、２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下の場合にも適用可能であと結論付けられる。
　本発明によれば、従来よりも発光出力を高くすることができ、かつ、信頼性のあるIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができるため、有用である。
１０　　基板
１０Ａ　基板の主面
２０　　バッファ層
３０　　ｎ型半導体層
４０　　発光層
４１　　井戸層
４２　　障壁層
６０　　ｐ型電子ブロック層
７０　　ｐ型コンタクト層
７１　　ｐ型電子ブロック層側の領域
７２　　ｐ側反射電極と接する側の高濃度領域
８０　　ｎ側電極
９０　　ｐ側反射電極
１００　III族窒化物半導体発光素子
 

Claims (7)

  1. 　基板上に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型電子ブロック層、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層およびｐ側反射電極をこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子であって、
    　前記発光層からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下であり、
    　前記ｐ型コンタクト層は前記ｐ側反射電極と接し、かつ、前記ｐ型コンタクト層の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、
    　前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
  2. 　基板上に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型電子ブロック層、ＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層およびｐ側反射電極をこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子であって、
    　前記発光層からの中心発光波長は２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下であり、
    　前記ｐ型コンタクト層は前記ｐ側反射電極と接し、かつ、前記ｐ型コンタクト層の厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、
    　前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
  3. 　前記ｐ型コンタクト層は、前記ｐ側反射電極と接する側にＭｇ濃度が３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の高濃度領域を有する、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（２）を満たす、請求項１～３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     　ただし、上記式（２）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
  5. 　基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型電子ブロック層を順次形成する工程と、
    　前記ｐ型電子ブロック層上にＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
    　前記ｐ型コンタクト層の直上にｐ側反射電極を形成する工程と、
    を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    　前記発光層からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下とし、
    　前記ｐ型コンタクト層形成工程において、前記ｐ型コンタクト層の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とし、さらに、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすよう、前記ｐ型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
  6. 　基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型電子ブロック層を順次形成する工程と、
    　前記ｐ型電子ブロック層上にＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
    　前記ｐ型コンタクト層の直上にｐ側反射電極を形成する工程と、
    を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    　前記発光層からの中心発光波長を２７０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下とし、
    　前記ｐ型コンタクト層形成工程において、前記ｐ型コンタクト層の厚さを２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とし、さらに、前記ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比ｘが下記式（１）を満たすよう、前記ｐ型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     　ただし、上記式（１）中、λｐは前記中心発光波長（ｎｍ）である。
  7. 　前記ｐ型コンタクト層形成工程は、III族原料ガス、V族原料ガスおよびＭｇ原料ガスの供給によりＡｌｘＧａ１－ｘＮよりなる層を結晶成長させる第１工程と、該第１工程の終了直後に、前記III族原料ガスの流量を前記第１工程の流量の１／４以下に下げると共に、前記第第１工程に引き続き前記V族原料ガスおよび前記Ｍｇ原料ガスを１分以上２０分以下供給する第２工程とを含む、請求項５または６に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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