WO2019054068A1 - 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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layer
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nitride semiconductor
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優太 古澤
和田　貢
勇介 松倉
シリル ペルノ
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日機装株式会社
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device.
  • Patent No. 5521068 gazette
  • the nitride semiconductor light emitting device described in Patent Document 1 is a Group III nitride semiconductor light emitting device having an active layer between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer, and the active layer is the n-type.
  • Three or more layers of Al including a first barrier layer in contact with a cladding layer, a second barrier layer in contact with the p-type cladding layer, and one or more intermediate barrier layers located between the first and second barrier layers
  • a multiple quantum well structure including a barrier layer consisting of X Ga 1-x N (0 ⁇ X ⁇ 1) and two or more well layers consisting of a group III nitride semiconductor sandwiched between the barrier layers
  • the Al composition ratio X of the barrier layer is gradually increased toward the first barrier layer and the second barrier layer based on the intermediate barrier layer having the smallest Al composition ratio X min among the intermediate barrier layers.
  • the ratio X 2 and the above X min satisfy the following relational expression. Note X 2 + 0.01 ⁇ X 1 X min + 0.03 ⁇ X 2
  • the composition ratio of Al at the interface between the n-type cladding layer and the first barrier layer changes rapidly.
  • a V-shaped deep band structure (hereinafter, also referred to as a “notch”) occurs at the interface, and electrons are trapped in the notch, which makes it easy to block the flow of electrons.
  • an electric field is generated due to the piezoelectric effect, which tends to inhibit the flow of electrons. Due to such a factor, in the nitride semiconductor light emitting device described in Patent Document 1, there is a possibility that a decrease in light emission output occurs.
  • the object of the present invention is to suppress the notch of the band structure which may occur at the interface between the n-type cladding layer and the barrier layer on the n-type cladding layer side of the multiple quantum well layer, and to reduce the electric field generated by the piezoelectric effect. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device capable of improving the light emission output.
  • a nitride semiconductor light emitting device is provided with an n-type cladding layer formed of n-type AlGaN having a first Al composition ratio, and the n-type cladding side of a multiple quantum well layer, A barrier layer formed of AlGaN having a second Al composition ratio larger than the first Al composition ratio, and the first Al composition ratio located between the n-type cladding layer and the barrier layer; And a graded layer having a third Al composition ratio with the second Al composition ratio, wherein the third Al composition ratio of the graded layer is the nitride semiconductor light emitting device.
  • the ratio increases from the first Al composition ratio to the second Al composition ratio at a predetermined increase rate.
  • the method further comprises the steps of: forming an n-type cladding layer having n-type AlGaN on a substrate; Forming a barrier layer comprising AlGaN having a second Al composition ratio which is located and is larger than the first Al composition ratio, and between the n-type cladding layer and the barrier layer, Forming a graded layer having a third Al composition ratio between the Al composition ratio of the first Al composition ratio and the first Al composition ratio, and in the step of forming the gradient layer, the third Al composition It is characterized in that it is formed while increasing the supply amount of Al so that the ratio increases at a predetermined increase rate from the first Al composition ratio to the second Al composition ratio.
  • the present invention it is possible to suppress the notch of the band structure which may occur at the interface between the n-type cladding layer and the barrier layer on the n-type cladding layer side of the multiple quantum well layer, and to generate the electric field generated at this interface. It is possible to provide a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device capable of improving the light emission output by reducing the
  • FIG. 3A It is a schematic sectional drawing which shows an example of a structure of the nitride semiconductor light-emitting device based on embodiment of this invention. It is a graph which shows typically Al composition ratio of the light emitting element of this invention compared with Al composition ratio of the conventional light emitting element. It is a figure showing the wavelength and light emission output of the light emitting element which concerns on an Example and a comparative example. It is a graph which shows the result shown to FIG. 3A.
  • Embodiment Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3A and 3B. Note that the embodiments described below are shown as preferable specific examples for carrying out the present invention, and there are portions that specifically exemplify various technical matters that are technically preferable. The technical scope of the present invention is not limited to this specific embodiment. In addition, the dimensional ratio of each component in each drawing does not necessarily coincide with the dimensional ratio of the actual nitride semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the nitride semiconductor light emitting element 1 (hereinafter, also simply referred to as “light emitting element 1”) is a light emitting diode (Light Emitting Diode: LED) that emits light of a wavelength in the ultraviolet region.
  • LED Light Emitting Diode
  • the light emitting element 1 which emits deep ultraviolet light having a central wavelength of 250 nm to 350 nm will be described as an example.
  • the light emitting device 1 includes a substrate 10, a buffer layer 20, an n-type cladding layer 30, an inclined layer 40, a light emitting layer 50 including multiple quantum well layers, an electron block layer 60, A p-type cladding layer 70, a p-type contact layer 80, an n-side electrode 90, and a p-side electrode 92 are included.
  • the semiconductor constituting the light emitting element 1 includes, for example, a binary system represented by Al x Ga y In 1-x-y N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • a ternary or quaternary group III nitride semiconductor can be used. Also, part of these group III elements may be replaced with boron (B), thallium (Tl), etc., and part of N may be phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), etc. It may be replaced with bismuth (Bi) or the like.
  • the substrate 10 is a substrate having translucency to deep ultraviolet light emitted by the light emitting element 1.
  • the substrate 10 is, for example, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate.
  • a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate for example, an aluminum nitride (AlN) substrate or an aluminum gallium nitride (AlGaN) substrate may be used.
  • the buffer layer 20 is formed on the substrate 10.
  • the buffer layer 20 includes an AlN layer 22 and an undoped u-Al p Ga 1-p N layer 24 (0 ⁇ p ⁇ 1) formed on the AlN layer 22. Also, the substrate 10 and the buffer layer 20 constitute the base structure portion 2.
  • the u-Al p Ga 1-p N layer 24 may not necessarily be provided.
  • the n-type cladding layer 30 is formed on the base structure portion 2.
  • the n-type cladding layer 30 is a layer formed of n-type AlGaN (hereinafter, also simply referred to as “n-type AlGaN”), and for example, Al q Ga doped with silicon (Si) as an n-type impurity 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1).
  • n-type AlGaN n-type AlGaN
  • germanium (Ge), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C) or the like may be used as the n-type impurity.
  • the n-type cladding layer 30 has a thickness of about 1 ⁇ m to 3 ⁇ m, for example, a thickness of about 2 ⁇ m.
  • the n-type cladding layer 30 may be a single layer or a multilayer structure.
  • the inclined layer 40 is formed on the n-type cladding layer 30.
  • the inclined layer 40 is a layer formed of n-type AlGaN, and is, for example, an Al z Ga 1-z N layer (0 ⁇ z ⁇ 1) doped with silicon (Si) as an n-type impurity.
  • the inclined layer 40 has a thickness of about 1 to 100 nm, for example, a thickness of about 25 nm.
  • the inclined layer 40 plays a role of controlling the interface between the n-type cladding layer 30 and the barrier layer 52a on the n-type cladding layer 30 side of the multiple quantum well layer described later.
  • the graded layer 40 has a role of suppressing rapid change in the composition ratio of Al (hereinafter, also simply referred to as "Al composition ratio”) between the n-type cladding layer 30 and the barrier layer 52a.
  • Al composition ratio a composition ratio
  • the light emitting layer 50 including the multiple quantum well layer is formed on the inclined layer 40.
  • the light emitting layer 50 includes three barrier layers 52a, 52b and 52c including Al n Ga 1-r N and a barrier layer 52a on the n-type cladding layer 30 side of the multiple quantum well layer and Al s Ga 1-s It is a multiple quantum well layer in which three well layers 54a, 54b, 54c (0 ⁇ r ⁇ 1, 0 ⁇ s ⁇ 1, r> s, see FIG. 2) formed by N are alternately stacked.
  • the light emitting layer 50 is configured to have a band gap of 3.4 eV or more in order to output deep ultraviolet light having a wavelength of 350 nm or less.
  • FIG. 2 is a graph schematically showing the Al composition ratio of the light emitting element 1 in comparison with the Al composition ratio of the conventional light emitting element.
  • Symbol A in FIG. 2 indicates the Al composition ratio of the light emitting element 1 according to the present invention
  • symbol B in FIG. 2 indicates the Al composition ratio of the conventional light emitting element.
  • AlN molar fraction (%) can be used as another expression for the Al composition ratio.
  • the Al composition ratio (hereinafter also referred to as “first Al composition ratio”) of the n-type cladding layer 30 is about 40% to 60%, preferably about 50% to 60%, more preferably 54.6. It is about%. Further, the Al composition ratio (hereinafter, also referred to as “second Al composition ratio”) of the barrier layer 52 a is larger than the first Al composition ratio, and is, for example, 70% or more, preferably 80% or more. . The same applies to the barrier layers 52b and 52c, but the description is omitted here.
  • the Al composition ratio of the graded layer 40 suppresses the notch of the band structure which may occur at the interface between the n-type cladding layer 30 and at least the barrier layer 52a, and reduces the electric field generated by the piezoelectric effect.
  • the ratio increases from the ratio toward the second Al composition ratio at a predetermined increase rate.
  • the Al composition ratio of the graded layer 40 (hereinafter, also referred to as “third Al composition ratio”) is the first Al composition ratio (for example, about 55%) in the depth direction of the light emitting element 1. ) And increases gradually between the second Al composition ratio (about 80%).
  • the Al composition ratio of the graded layer 40 increases in a substantially linear manner between the first Al composition ratio (about 55%) and the second Al composition ratio (about 80%). There is. That is, the third Al composition ratio of the graded layer 40 increases at a constant increase from the first Al composition ratio (about 55%) to the second Al composition ratio (about 80%). Details of the increase rate will be described later.
  • the increase rate takes a value equal to or higher than a predetermined value (lower limit value) in order to suppress a notch in the band structure and a rapid increase in the Al composition ratio that generates an electric field generated by the piezoelectric effect.
  • the increase rate is equal to or higher than a predetermined value (lower limit value).
  • the film thickness of the inclined layer 40 becomes thicker than 100 nm or more, the electrical resistance needs to be increased, and the forward voltage does not have to be increased.
  • the Al composition ratio of the graded layer 40 is between 55.3 mm and 83.1 mm when the upper surface of the p clad layer 70 is 0 mm from the n-type clad layer 30 side toward the barrier layer 52 a side. It has increased from 54.6% to 82.0%. That is, the Al composition ratio of the graded layer 40 changes at an increasing rate that increases about 28% with respect to about 28 nm.
  • the Al composition ratio is X Al (% ) Satisfies the following relational expression.
  • X Al (%) -(1.0 ⁇ 0.1) x D (nm) + X 0 X 0 is a coefficient having a predetermined value.
  • the Al composition ratio of the graded layer 40 is not limited to the one that linearly inclines and increases from the first Al composition ratio to the second Al composition ratio, and for example, the first Al composition ratio to the second The Al composition ratio may be increased stepwise for each predetermined depth a plurality of times. Further, the Al composition ratio of the graded layer 40 may be inclined and increased from the first Al composition ratio to the second Al composition ratio.
  • the “curved slope” means, for example, a parabola shape that increases upward or downward from the n-type cladding layer 30 side to the barrier layer 52 side. In other words, the Al composition ratio of the graded layer 40 may change at an increasing rate that varies from the n-type cladding layer 30 side to the barrier layer 52 side.
  • the electron blocking layer 60 is formed on the light emitting layer 50.
  • the electron block layer 60 is a layer formed of p-type AlGaN (hereinafter, also simply referred to as “p-type AlGaN”).
  • the electron blocking layer 60 has a thickness of about 1 nm to 10 nm.
  • the electron blocking layer 60 may include a layer formed of AlN, or may be formed of AlN not containing GaN.
  • the electron block layer 60 is not necessarily limited to the p-type semiconductor layer, and may be an undoped semiconductor layer.
  • the p-type cladding layer 70 is formed on the electron block layer 60.
  • the p-type cladding layer 70 is a layer formed of p-type AlGaN, for example, an Al t Ga 1 -t N cladding layer (0 ⁇ t ⁇ 1) doped with magnesium (Mg) as a p-type impurity. is there.
  • magnesium magnesium
  • Zn zinc
  • beryllium (Be) calcium
  • Scr strontium
  • barium (Ba) or the like may be used as the p-type impurity.
  • the p-type cladding layer 70 has a thickness of about 300 nm to 700 nm, for example, a thickness of about 400 nm to 600 nm.
  • the p-type contact layer 80 is formed on the p-type cladding layer 70.
  • the p-type contact layer 80 is, for example, a p-type GaN layer heavily doped with an impurity such as Mg.
  • the n-side electrode 90 is formed on a partial region of the n-type cladding layer 30.
  • the n-side electrode 90 is formed of, for example, a multilayer film in which titanium (Ti) / aluminum (Al) / Ti / gold (Au) is sequentially stacked on the n-type cladding layer 30 in order.
  • the p-side electrode 92 is formed on the p-type contact layer 80.
  • the p-side electrode 92 is formed of, for example, a multilayer film of nickel (Ni) / gold (Au) sequentially stacked on the p-type contact layer 80.
  • the buffer layer 20 is formed on the substrate 10. Specifically, on the substrate 10, the AlN layer 22, the u-Al 1-p Ga p N layer 24 of undoped to high temperature growth. Next, the n-type cladding layer 30 is grown at high temperature on the buffer layer 20. Next, the inclined layer 40 is grown at a high temperature on the n-type cladding layer 30 while gradually increasing the supply amount of Al. Specifically, the gradient layer 40 is grown at a high temperature by adjusting the supply amount of Al so that the composition ratio of Al increases by about 1.0 ⁇ 0.1% per unit depth (nm).
  • the adjustment of the supply amount of Al may be performed using a known technique such as adjusting the ratio of ammonia gas to the metal material, for example.
  • the relative supply amount of Al may be adjusted by adjusting the growth temperature of the inclined layer 40 while keeping the supply amount of the raw material of AlGaN constant.
  • the “supply amount” means, for example, a relative ratio of Al to the raw material to be supplied.
  • the light emitting layer 50, the electron blocking layer 60, and the p-type cladding layer 70 are sequentially grown at a high temperature on the inclined layer 40.
  • the n-type cladding layer 30, the inclined layer 40, the light emitting layer 50, the electron blocking layer 60, and the p-type cladding layer 70 are formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (Molecular beam epitaxy) It can be formed using a well-known epitaxial growth method such as Beam Epitaxy (MBE) or Halide Vapor Phase Epitaxy (NVPE).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE Beam Epitaxy
  • NVPE Halide Vapor Phase Epitaxy
  • a mask is formed on the p-type cladding layer 70, and the inclined layer 40, the light emitting layer 50, the electron blocking layer 60, and the p-type cladding layer 70 in the exposed region where the mask is not formed are removed.
  • the removal of the inclined layer 40, the light emitting layer 50, the electron blocking layer 60, and the p-type cladding layer 70 can be performed, for example, by plasma etching.
  • the n-side electrode 90 is formed on the exposed surface 30a (see FIG. 1) of the n-type cladding layer 30, and the p-side electrode 92 is formed on the p-type contact layer 80 from which the mask is removed.
  • the n-side electrode 90 and the p-side electrode 92 can be formed by, for example, a known method such as an electron beam evaporation method or a sputtering method.
  • a known method such as an electron beam evaporation method or a sputtering method.
  • the light emitting element 1 shown in FIG. 1 is formed.
  • FIG. 3A is a diagram showing the light emission wavelength and the light emission output of the light-emitting element 1 according to Example 1 to Example 5 and Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 3B is a graph showing the results shown in FIG. 3A
  • the light emitting device 1 according to Example 1 to 5 includes the above-described inclined layer 40. That is, the Al composition ratio of the light emitting device 1 according to Examples 1 to 5 is multiplexed from the n-type cladding layer 30 side.
  • the light emitting elements according to Comparative Examples 1 and 2 do not include the above-described inclined layer 40. That is, the comparative example.
  • the Al composition ratio of the light emitting elements according to 1 and 2 changes sharply between the first Al composition ratio of the n-type cladding layer 30 and the second Al composition ratio of the barrier layer 52a.
  • FIG. 3A and FIG. 3B show the light emission output (arbitrary unit, our company ratio) of the light emitting element 1 according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
  • the emission wavelength (nm) is the wavelength at which the emission output was measured.
  • the light emission output can be measured by various known methods, but in the present embodiment, as an example, a current is caused to flow between the n-side electrode 90 and the p-side electrode 92 described above. It measured by the photodetector installed in the side.
  • the emission wavelength is specified depending on the growth temperature of the inclined layer 40 and the light emitting layer 50.
  • Example 1 an emission output of 1.24 was obtained at an emission wavelength of 280.7 nm.
  • Example 2 an emission output of 1.28 was obtained at an emission wavelength of 283.3 nm.
  • Example 3 a light emission output of 1.23 was obtained at a light emission wavelength of 283.1 nm.
  • Example 4 an emission output of 1.25 was obtained at an emission wavelength of 281.7 nm.
  • Example 5 an emission output of 1.20 was obtained at an emission wavelength of 283.0 nm.
  • Comparative Example 1 a light emission output of 0.74 was obtained at a light emission wavelength of 279.8 nm. In Comparative Example 2, a light emission output of 0.86 at a light emission wavelength of 283.8 nm was obtained.
  • the Al composition ratio is n between the n-type cladding layer 30 and the barrier layer 52 a on the n-type cladding layer 30 side of the multiple quantum well layer.
  • the inclined layer 40 gradually increases from the side of the first cladding layer 30 toward the side of the barrier layer 52a on the side of the n-type cladding layer 30 of the multiple quantum well layer. This makes it possible to increase the light emission output of the deep ultraviolet light of the light emitting element 1.
  • the inclined layer 40 having such an Al composition ratio between the n-type cladding layer 30 and the n-type cladding layer 30 side barrier layer 52a of the multiple quantum well layer, the band generated in the conventional light emitting device It is considered that the notch can be suppressed and the electric field generated by the piezo effect can be reduced.
  • a nitride semiconductor light emitting device (1) comprising: a graded layer (40) having a third Al composition ratio between the first Al composition ratio and the second Al composition ratio; A nitride semiconductor light emitting device, wherein the third Al composition ratio of the inclined layer (40) increases from the first Al composition ratio toward the second Al composition ratio at a predetermined increase rate Element (1).
  • a nitride semiconductor light emitting device While suppressing the notch of the band structure which may occur at the interface between the n-type cladding layer and the barrier layer on the n-type cladding layer side of the multiple quantum well layer, the electric field generated at this interface is reduced to improve the light emission output.
  • a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device.
  • Nitride semiconductor light emitting element (light emitting element) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate 30 ... n-type cladding layer 40 ... Sloped layer 50 ... Light emitting layer 52, 52a, 52b, 52c ... Barrier layer 54, 54a, 54b, 54c ... Well layer

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Abstract

窒化物半導体発光素子１は、第１のＡｌ組成比を有するｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層３０と、多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層側に位置し、第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮによって形成された障壁層５２と、前記ｎ型クラッド層及び前記障壁層の間に位置して、前記第１のＡｌ組成比と前記第２のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層４０とを含む窒化物半導体発光素子であって、前記傾斜層の前記第３のＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比から第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加する。

Description

窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法
　本発明は、窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子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窒化物半導体発光素子が実用化されており、発光出力を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている（特許文献１参照。）。
特許第５５２１０６８号公報
　特許文献１に記載された窒化物半導体発光素子は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記活性層が、前記ｎ型クラッド層に接する第１障壁層、前記ｐ型クラッド層に接する第２障壁層、ならびに前記第１および第２障壁層の間に位置する１層以上の中間障壁層を含む、３層以上のＡｌＸＧａ１－ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層と、該障壁層の間に挟まれたIII族窒化物半導体からなる２層以上の井戸層と、を含む多重量子井戸構造を有し、前記障壁層のＡｌ組成比Ｘが、前記中間障壁層のうち最小のＡｌ組成比Ｘｍｉｎをとる中間障壁層を基準として、前記第１障壁層および前記第２障壁層に向かって漸増し、前記第１障壁層のＡｌ組成比Ｘ１、前記第２障壁層のＡｌ組成比Ｘ２、および前記Ｘｍｉｎが以下の関係式を満たすものである。
　　　　　　　　　　　　　　　　　記
Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１
Ｘｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２
　しかしながら、特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子では、ｎ型クラッド層と第１障壁層との界面でのＡｌの組成比が急激に変化している。そのため、界面でバンド構造がＶ字型に深くなる状態（以下、「ノッチ」ともいう。）が生じ、電子がこのノッチに捕獲され電子の流れが阻まれやすくなる。また、このような界面ではピエゾ効果により電界が発生し、これにより電子の流れが阻害されやすくなる。このような要因により、特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子では、発光出力の低下が起こる可能性があった。
　そこで、本発明の目的は、ｎ型クラッド層と多重量子井戸層のｎ型クラッド層側の障壁層との界面で生じ得るバンド構造のノッチを抑制するとともに、ピエゾ効果により発生する電界を低減して発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
　本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子は、第１のＡｌ組成比を有するｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層と、多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド側に位置し、前記第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮによって形成された障壁層と、前記ｎ型クラッド層及び前記障壁層の間に位置して、前記第１のＡｌ組成比と前記第２のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層と、を備えた含む窒化物半導体発光素子であって、前記傾斜層の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加する。
　また、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にｎ型ＡｌＧａＮを有するｎ型クラッド層を形成する工程と、多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層側に位置し、第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮを有する障壁層を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層及び前記障壁層の間に位置して、前記第２のＡｌ組成比と前記第１のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層を形成する工程と、を備え、前記傾斜層を形成する工程は、前記第３のＡｌ組成比が、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加するようＡｌの供給量を増加させながら形成することを特徴とする。
　本発明の一実施形態によれば、ｎ型クラッド層と多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層側の障壁層との界面で生じ得るバンド構造のノッチを抑制するとともに、この界面で発生する電界を低減して、発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の発光素子のＡｌ組成比を従来の発光素子のＡｌ組成比と比較して模式的に示すグラフである。 実施例及び比較例に係る発光素子の波長と発光出力とを表す図である。 図３Ａに示す結果を示すグラフである。
［実施の形態］
　本発明の実施の形態について、図１乃至図３Ａ，Ｂを参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。
　図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を示す概略断面図である。窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。本実施の形態では、特に、中心波長が２５０ｎｍ～３５０ｎｍの深紫外光を発する発光素子１を例に挙げて説明する。
　図１に示すように、発光素子１は、基板１０と、バッファ層２０と、ｎ型クラッド層３０と、傾斜層４０と、多重量子井戸層を含む発光層５０と、電子ブロック層６０と、ｐ型クラッド層７０と、ｐ型コンタクト層８０と、ｎ側電極９０と、ｐ側電極９２とを含んで構成されている。
　発光素子１を構成する半導体には、例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置き換えても良く、また、Ｎの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えても良い。
　基板１０は、発光素子１が発する深紫外光に対して透光性を有する基板である。基板１０は、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板１０には、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の他に、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板を用いてもよい。
　バッファ層２０は、基板１０上に形成されている。バッファ層２０は、ＡｌＮ層２２と、ＡｌＮ層２２上に形成されるアンドープのｕ－ＡｌｐＧａ１－ｐＮ層２４（０≦ｐ≦１）を含んで構成されている。また、基板１０及びバッファ層２０は、下地構造部２を構成する。なお、ｕ－ＡｌｐＧａ１－ｐＮ層２４は、必ずしも設けなくてもよい。
　ｎ型クラッド層３０は、下地構造部２上に形成されている。ｎ型クラッド層３０は、ｎ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｎ型ＡｌＧａＮ」ともいう。）によって形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌｑＧａ１－ｑＮ層（０≦ｑ≦１）である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、炭素（Ｃ）等を用いてもよい。ｎ型クラッド層３０は、１μｍ～３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有している。ｎ型クラッド層３０は、単層でもよく、多層構造でもよい。
　傾斜層４０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。傾斜層４０は、ｎ型ＡｌＧａＮにより形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（０≦ｚ≦１）である。傾斜層４０は、１～１００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２５ｎｍ程度の厚さを有している。傾斜層４０はｎ型クラッド層３０と後述する多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側の障壁層５２ａとの界面を制御する役割を担う層である。具体的には、傾斜層４０は、ｎ型クラッド層３０と障壁層５２ａとの間でＡｌの組成比（以下、単に「Ａｌ組成比」ともいう。）が急激に変化することを抑制する役割を担う。
　多重量子井戸層を含む発光層５０は、傾斜層４０上に形成されている。発光層５０は、ＡｌｒＧａ１－ｒＮによって形成された多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側の障壁層５２ａを含む３層の障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃとＡｌｓＧａ１－ｓＮによって形成された３層の井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃ（０≦ｒ≦１、０≦ｓ≦１、ｒ＞ｓ、図２参照）とを交互に積層した多重量子井戸層である。発光層５０は、波長３５０ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成されている。
　発光素子１のＡｌ組成比について、図２を参照して説明する。図２は、発光素子１のＡｌ組成比を従来の発光素子のＡｌ組成比と比較して模式的に示すグラフである。図２の記号Ａは、本発明に係る発光素子１のＡｌ組成比を示し、図２の記号Ｂは、従来の発光素子のＡｌ組成比を示す。なお、Ａｌ組成比には、別の表現として、「ＡｌＮモル分率」（％）を用いることができる。
　ｎ型クラッド層３０のＡｌ組成比（以下、「第１のＡｌ組成比」ともいう。）は、４０％～６０％程度、好ましくは、５０％～６０％程度、より好ましくは、５４．６％程度である。また、障壁層５２ａのＡｌ組成比（以下、「第２のＡｌ組成比」ともいう。）は、第１のＡｌ組成比よりも大きく、例えば、７０％以上、好ましくは、８０％以上である。障壁層５２ｂ、５２ｃも同様であるが、ここでは説明を省略する。
　傾斜層４０のＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層３０と少なくとも障壁層５２ａとの界面で生じ得るバンド構造のノッチを抑制し、ピエゾ効果により発生する電界を低減するように、第１のＡｌ組成比から第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加している。換言すれば、傾斜層４０のＡｌ組成比（以下、「第３のＡｌ組成比」ともいう。）は、発光素子１の深さ方向に向かって第１のＡｌ組成比（例えば、約５５％）から第２のＡｌ組成比（約８０％）の間で傾斜して増加している。
　具体的には、傾斜層４０のＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比（約５５％）から第２のＡｌ組成比（約８０％）の間で略直線的に傾斜して増加している。すなわち、傾斜層４０の第３のＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比（約５５％）から第２のＡｌ組成比（約８０％）まで一定の増加率で増加している。増加率の詳細は、後述する。
　バンド構造のノッチや、ピエゾ効果により発生する電界を発生させる急激なＡｌ組成比の増加を抑制するために、増加率は、所定の値（下限値）以上の値をとる。また、好ましくは、増加率は、所定の値（下限値）以上をとる。増加率を所定の値（下限値）よりも小さくすると、傾斜層４０の膜厚が１００ｎｍ以上よりも厚くなり、電気抵抗が大きくなって、順方向電圧が大きくならないようにする必要がある。
　より好ましくは、傾斜層４０のＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層３０側から障壁層５２ａ側に向かって、ｐクラッド層７０の上面を０ｍｍとした場合、５５．３ｍｍ～８３．１ｍｍの間において５４．６％から８２．０％に増加している。すなわち、傾斜層４０のＡｌ組成比は、約２８ｎｍに対して約２８％増加する増加率で変化している。換言すれば、発光素子１の深さ（ｐ型クラッド層７０側からｎ型クラッド層３０側に向かう方向を正とする）をＤ（ｎｍ）としたときに、Ａｌ組成比をＸＡｌ（％）は、以下の関係式を満たす。
ＸＡｌ（％）＝―（１．０±０．１）×Ｄ（ｎｍ）＋Ｘ０
Ｘ０は、所定の値を有する係数である。
　なお、傾斜層４０のＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比から第２のＡｌ組成比に直線的に傾斜して増加するものに限られず、例えば、第１のＡｌ組成比から第２のＡｌ組成比に所定の深さごとに複数回に亘って階段状に増加するようにしてもよい。また、傾斜層４０のＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比から第２のＡｌ組成比に曲線的に傾斜して増加するようにしてもよい。「曲線的に傾斜」とは、例えば、ｎ型クラッド層３０側から障壁層５２側に向かって、上又は下に凸の放物線状に増加するように変化することをいう。換言すれば、傾斜層４０のＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層３０側から障壁層５２側に向かって変動する増加率で変化するようにしてもよい。
　電子ブロック層６０は、発光層５０上に形成されている。電子ブロック層６０は、ｐ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｐ型ＡｌＧａＮ」ともいう。）により形成された層である。電子ブロック層６０は、１ｎｍ～１０ｎｍ程度の厚さを有している。なお、電子ブロック層６０は、ＡｌＮにより形成された層を含んでもよく、ＧａＮを含まないＡｌＮにより形成されているものであってもよい。また、電子ブロック層６０は、必ずしもｐ型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。
　ｐ型クラッド層７０は、電子ブロック層６０上に形成されている。ｐ型クラッド層７０は、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成される層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌｔＧａ１－ｔＮクラッド層（０≦ｔ≦１）である。なお、ｐ型の不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いてもよい。ｐ型クラッド層７０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。
　ｐ型コンタクト層８０は、ｐ型クラッド層７０上に形成されている。ｐ型コンタクト層８０は、例えば、Ｍｇ等の不純物が高濃度にドープされたｐ型のＧａＮ層である。
　ｎ側電極９０は、ｎ型クラッド層３０の一部の領域上に形成されている。ｎ側電極９０は、例えば、ｎ型クラッド層３０の上に順にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。
　ｐ側電極９２は、ｐ型コンタクト層８０の上に形成されている。ｐ側電極９２は、例えば、ｐ型コンタクト層８０の上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。
　次に、発光素子１の製造方法について説明する。基板１０上にバッファ層２０を形成する。具体的には、基板１０上に、ＡｌＮ層２２と、アンドープのｕ－Ａｌ１－ｐＧａｐＮ層２４を高温成長させる。次に、バッファ層２０上にｎ型クラッド層３０を高温成長させる。次に、ｎ型クラッド層３０上に、Ａｌの供給量を徐々に増やしながら、傾斜層４０を高温成長させる。具体的には、Ａｌの組成比が単位深さ（ｎｍ）あたり１．０±０．１％程度増加するようにＡｌの供給量を調整して傾斜層４０を高温成長させる。Ａｌの供給量の調整は、例えば、アンモニアガスと金属材料との比率を調整する等、公知の技術を用いてよい。あるいは、ＡｌＧａＮの原料の供給量を一定に保ちつつ、傾斜層４０の成長温度を調整することによりＡｌの相対的な供給量を調整してもよい。なお、「供給量」とは、例えば、供給する原料に対してＡｌが占める相対的な割合をいう。
　次に、傾斜層４０上に、発光層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０を順に高温成長させる。ｎ型クラッド層３０、傾斜層４０、発光層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０は、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシ法（Halide Vapor Phase Epitaxy：ＮＶＰＥ）等の周知のエピタキシャル成長法を用いて形成することができる。
　次に、ｐ型クラッド層７０の上にマスクを形成し、マスクが形成されていない露出領域の傾斜層４０、発光層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０を除去する。傾斜層４０、発光層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０の除去は、例えば、プラズマエッチングにより行うことができる。ｎ型クラッド層３０の露出面３０ａ（図１参照）上にｎ側電極９０を形成し、マスクを除去したｐ型コンタクト層８０上にｐ側電極９２を形成する。ｎ側電極９０及びｐ側電極９２は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。以上により、図１に示す発光素子１が形成される。
　次に、本発明の実施の形態に係る実施例について図３Ａ，Ｂを参照して説明する。図３Ａは、実施例１から実施例５、及び比較例１及び２に係る発光素子１の発光波長と発光出力とを表す図であり、（図３Ｂは、図３Ａに示す結果を示すグラフである。実施例１から実施例５に係る発光素子１は、上述した傾斜層４０を含む。すなわち、実施例１～５に係る発光素子１のＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層３０側から多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側障壁層５２ａ側に向かって徐々に増加している。また、比較例１及び２に係る発光素子は、上述の傾斜層４０を含まない。すなわち、比較例１及び２に係る発光素子のＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層３０の第１のＡｌ組成比と障壁層５２ａの第２のＡｌ組成比との間で急峻に変化している。
　図３Ａ、図３Ｂに、実施例１～５、及び比較例１及び２に係る発光素子１の発光出力（任意単位、当社比）を示す。発光波長（ｎｍ）は、発光出力を計測した波長である。発光出力は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本実施例では、一例として、上述したｎ側電極９０及びｐ側電極９２の間に電流を流し、発光素子１の下側に設置した光検出器により測定した。なお、発光波長は、傾斜層４０及び発光層５０の成長温度に依存して特定される。
　図３Ａに示すように、実施例１では、２８０.７ｎｍの発光波長で１.２４の発光出力が得られた。実施例２では、２８３.３ｎｍの発光波長で１.２８の発光出力が得られた。実施例３では、２８３.１ｎｍの発光波長で１.２３の発光出力が得られた。実施例４では、２８１.７ｎｍの発光波長で１.２５の発光出力が得られた。実施例５では、２８３.０ｎｍの発光波長で1.２０の発光出力が得られた。
　これらに対し、比較例１では、２７９.８ｎｍの発光波長で０.７４の発光出力が得られた。比較例２では、２８３．８ｎｍに発光波長で０．８６の発光出力が得られた。
　以上をまとめると、比較例１及び２では、発光出力が１．０未満にであったのに対し、実施例１～５ではいずれも発光出力が１．２以上となった。また、実施例１～５の発光出力は、いずれも、比較例１の発光出力の１．６倍以上、比較例２の発光出力の１．４倍以上となった。以上のように、発光素子１の発光出力が上昇することが明らかになった。
（実施の形態の作用及び効果）
　以上説明したように、本発明の実施の形態に係る発光素子１では、ｎ型クラッド層３０と多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側の障壁層５２ａとの間に、Ａｌ組成比がｎ型クラッド層３０側から多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側障壁層５２ａ側に向かって徐々に増加する傾斜層４０が設けられている。これにより、発光素子１の深紫外光の発光出力を上昇させることが可能となる。このようなＡｌ組成比を有する傾斜層４０をｎ型クラッド層３０と多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側障壁層５２ａとの間に設けることにより、従来の発光素子で生じていたバンドのノッチを抑制するともに、ピエゾ効果により発生する電界を低減することができたためと考えられる。
（実施形態のまとめ）
　次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
［１］第１のＡｌ組成比を有するｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層（３０）と、多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層（３０）側に位置し、前記第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮによって形成された障壁層（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）と、前記ｎ型クラッド層（３０）及び前記障壁層（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）の間に位置して、前記第１のＡｌ組成比と前記第２のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層（４０）とを備えた含む窒化物半導体発光素子（１）であって、前記傾斜層（４０）の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加する、窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記傾斜層（４０）の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって傾斜して増加する、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記傾斜層（４０）の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって略直線的に傾斜して増加する、前記［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記増加率は、０．９％／ｎｍ～１．１％／ｎｍの間の値である、［１］から［５］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］前記ｎ型クラッド層（３０）の前記第１のＡｌ組成比は、５０％～６０％の間の値である、［１］から［３］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［６］前記障壁層（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）の前記第２アルミニウムのＡｌ組成比は、８０％以上の値である、［１］から［４］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［７］基板（１０）上にｎ型ＡｌＧａＮを有するｎ型クラッド層（３０）を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層（３０）上に、多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層（３０）側に位置し、第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮを有する障壁層（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層（３０）及び前記障壁層（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）の間に位置して、前記第２のＡｌ組成比と前記第１のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層（４０）を形成する工程と、を備え、前記傾斜層（４０）を形成する工程は、前記第３のＡｌ組成比が、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加するようＡｌの供給量を増加させながら形成することを特徴とする、窒化物半導体発光素子（１）の製造方法。
　ｎ型クラッド層と多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層側の障壁層との界面で生じ得るバンド構造のノッチを抑制するとともに、この界面で発生する電界を低減して、発光出力を向上させることができる窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。
１…窒化物半導体発光素子（発光素子）
１０…基板
３０…ｎ型クラッド層
４０…傾斜層
５０…発光層
５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ…障壁層
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ…井戸層
 

Claims (7)

  1. 　第１のＡｌ組成比を有するｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層と、
    　多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層側に位置し、前記第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮによって形成された障壁層と、
    　前記ｎ型クラッド層及び前記障壁層の間に位置して、前記第１のＡｌ組成比と前記第２のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層と
    　を含む窒化物半導体発光素子であって、
    　前記傾斜層の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加する、
    　窒化物半導体発光素子。
  2. 　前記傾斜層の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって傾斜して増加する、
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 　前記傾斜層の前記第３のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって略直線的に傾斜して増加する、
    　請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記増加率は、０．９％／ｎｍ～１．１％／ｎｍの間の値である、
    　請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 　前記ｎ型クラッド層の前記第１のＡｌ組成比は、５０％～６０％の間の値である、
    　請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 　前記障壁層の前記第２のＡｌ組成比は、８０％以上の値である、
    　請求項４又は５に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 　基板上にｎ型ＡｌＧａＮを有するｎ型クラッド層を形成する工程と、
    　多重量子井戸層の前記ｎ型クラッド層側に位置し、第１のＡｌ組成比よりも大きな第２のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮを有する障壁層を形成する工程と、
    　前記ｎ型クラッド層及び前記障壁層の間に位置して、前記第２のＡｌ組成比と前記第１のＡｌ組成比との間の第３のＡｌ組成比を有する傾斜層を形成する工程と、を備え、
    　前記傾斜層を形成する工程は、前記第３のＡｌ組成比が、前記第１のＡｌ組成比から前記第２のＡｌ組成比に向かって所定の増加率で増加するようＡｌの供給量を増加させながら形成することを特徴とする、
    　窒化物半導体発光素子の製造方法。
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