WO2020026567A1 - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.
  • Nitride semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes that output blue light are known (see Patent Document 1).
  • the nitride semiconductor light-emitting device described in Patent Document 1 is a light-emitting device having an emission wavelength of 300 nm or less formed on an AlN-based group-III nitride single crystal. Or a multiple quantum well structure comprising an i-type group III nitride barrier layer and an n-type or i-type group III nitride well layer, an i-type group III nitride final barrier layer, and a p-type group III nitride Layer, and a p-type layer formed between the i-type group III nitride final barrier layer and the p-type group III nitride layer and serving as an energy barrier for electrons with respect to the i-type group III nitride final barrier layer.
  • an electron block layer made of an i-type AlN layer wherein the thickness of the i-type III-nitride final barrier layer is 2 nm to 10 nm, and the thickness of the n-type or i-type III-nitride well layer is 2n thickness It is characterized in that less.
  • the luminous efficiency of the light emitting element has been improved by providing the multiple quantum well layer in which the quantum well structure is multiplexed and stacked.
  • the present inventors have found that, in a nitride semiconductor light emitting device formed of AlGaN, even when a quantum well structure is multiplexed in a specific range of emission wavelengths, the emission efficiency is not always improved, that is, It has been found that depending on the wavelength band, a single quantum well structure can improve luminous efficiency more than a multiple quantum well structure.
  • an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of improving luminous efficiency in a specific range of emission wavelengths and a method of manufacturing the same.
  • a nitride semiconductor light emitting device is a nitride semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light having a center wavelength of 290 nm to 360 nm and on which AlGaN-based nitride semiconductors are stacked, and is formed of n-type AlGaN.
  • a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device includes a step of forming an n-type clad layer having n-type AlGaN on a substrate, and a step of forming an n-type clad layer formed of AlGaN on the n-type clad layer. Forming an active layer including a single quantum well structure including one barrier layer and one well layer formed of AlGaN having an Al composition ratio smaller than that of AlGaN forming the one barrier layer; And a step of performing.
  • a nitride semiconductor light emitting device capable of improving luminous efficiency in a specific range of emission wavelengths and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a configuration of a nitride semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention. It is a figure showing the measurement result of the luminescence output of the light emitting element concerning an example and a comparative example. It is a figure which shows the relationship between the light emission wavelength and the light emission output of the light emitting element which concerns on an Example and a comparative example.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between an emission wavelength and an emission output of a light emitting element according to another comparative example.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of a configuration of a nitride semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
  • the nitride semiconductor light emitting device 1 includes, for example, a laser diode and a light emitting diode (Light Emitting Diode: LED).
  • a light emitting diode that emits ultraviolet light having a center wavelength of 290 nm to 360 nm (preferably 295 nm to 355 nm, more preferably 300 nm to 350 nm) will be described as an example of the light emitting element 1. .
  • the light emitting device 1 includes a substrate 10, an n-type cladding layer 30, an active layer 50 including a barrier layer 51 and a well layer 52, an electron blocking layer 60, and a p-type cladding layer 70. , A p-type contact layer 80, an n-side electrode 90, and a p-side electrode 92.
  • a semiconductor forming the light emitting element for example, a binary or ternary group III nitride semiconductor represented by Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) can be used. Further, part of nitrogen (N) may be replaced with phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), or the like.
  • the substrate 10 includes, for example, a sapphire (Al 2 O 3) substrate 11 and a buffer layer 12 formed on the sapphire substrate 11.
  • the buffer layer 12 is formed of aluminum nitride (AlN).
  • AlN aluminum nitride
  • an AlN substrate formed of only AlN may be used as the substrate 10, and in this case, the buffer layer 12 may not necessarily be included.
  • the surface (outermost surface) of the substrate 10 is formed of AlN.
  • the n-type cladding layer 30 is formed on the substrate 10.
  • 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 1 doped with silicon (Si) as an n-type impurity.
  • -Q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1).
  • 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 4 ⁇ m, for example, about 3 ⁇ m.
  • the n-type cladding layer 30 may have a single layer or a multilayer structure.
  • the Al composition ratio (also referred to as “Al content” or “Al mole fraction”) of the n-type AlGaN forming the n-type cladding layer 30 is preferably 50% or less (that is, 0 ⁇ q ⁇ ). 0.5).
  • the active layer 50 is formed on the n-type cladding layer 30.
  • the active layer 50 has one barrier layer 51 located on the n-type cladding layer 30 side and one well layer 52 located on the electron block layer 60 side (that is, the opposite side of the n-cladding layer 30 in the thickness direction) described later.
  • a single quantum well structure 50A composed of The active layer 50 is configured to have a band gap of 3.4 eV or more in order to output ultraviolet light having a wavelength of 360 nm or less (preferably, 355 nm or less).
  • the barrier layer 51 is formed of Al r Ga 1-r N (0 ⁇ r ⁇ 1).
  • the Al composition ratio of AlGaN forming the barrier layer 51 (hereinafter, also referred to as “second Al composition ratio”) is determined by the Al composition ratio of n-type AlGaN forming the n-type cladding layer 30 (hereinafter, “first Al composition ratio”).
  • Composition ratio ie, q ⁇ r ⁇ 1).
  • the second Al composition ratio is 50% or more (0.5 ⁇ r ⁇ 1), more preferably 60% to 90%.
  • the barrier layer 51 has a thickness in a range of, for example, 5 nm to 50 nm.
  • the well layer 52 is formed of Al s Ga 1-s N (0 ⁇ s ⁇ 1, r> s).
  • the Al composition ratio of AlGaN forming the well layer 52 (hereinafter, also referred to as “third Al composition ratio”) is smaller than the first Al composition ratio.
  • the third Al composition ratio is 40% or less (0 ⁇ s ⁇ 0.4).
  • the well layer 52 has a thickness in the range of, for example, 1 nm to 5 nm.
  • the arrangement of one barrier layer 51 and one well layer 52 in the quantum well structure 50A is not limited to the above, and the arrangement order may be reversed.
  • the electron block layer 60 is formed on the active 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 block layer 60 has a thickness of about 1 nm to 30 nm.
  • the Al composition ratio of AlGaN constituting the electron block layer 60 (hereinafter, also referred to as “fourth Al composition ratio”) is larger than the second composition ratio.
  • the electron block layer 60 may include a layer formed of AlN.
  • the electron block layer 60 is not necessarily limited to a p-type semiconductor layer, but may be an undoped semiconductor layer.
  • the p-type cladding layer 70 is formed on the electron block layer 60.
  • the p-type clad layer 70 is a layer formed of p-type AlGaN.
  • the p-type clad layer 70 is an Al t Ga 1-t N clad layer (0 ⁇ t ⁇ 1) doped with magnesium (Mg) as a p-type impurity. is there.
  • Mg magnesium
  • As the p-type impurity zinc (Zn), beryllium (Be), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), or the like may be used.
  • the p-type cladding layer 70 has a thickness of about 10 nm to 1000 nm, for example, about 50 nm to 800 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 doped with an impurity such as Mg at a high concentration.
  • 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.
  • 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 nickel (Ni) / gold (Au) multilayer film sequentially laminated on the p-type contact layer 80.
  • nitride semiconductor light emitting device 1 Manufacturing method of nitride semiconductor light emitting device 1
  • a buffer layer 12 is grown on a sapphire substrate 11 at a high temperature to produce a substrate 10 whose outermost surface is AlN.
  • the n-type clad layer 30, the active layer 50, the electron block layer 60, and the p-type clad layer 70 are grown on the substrate 10 at a high temperature while gradually decreasing the temperature in this order, and have a predetermined diameter (for example, , 50 mm) having a disk-shaped shape (also referred to as a “wafer”).
  • a predetermined diameter for example, , 50 mm
  • the n-type cladding layer 30, the active layer 50, the electron blocking layer 60, and the p-type cladding layer 70 are formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (Molecular beam epitaxy). MBE) and a well-known epitaxial growth method such as a halide vapor phase epitaxy method (Halide Vapor Phase Epitaxy: NVPE). Further, the composition of trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), or the like constituting the source gas is adjusted to control the Al composition ratio of each layer to a target value.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • NVPE halide Vapor Phase Epitaxy
  • TMA trimethylaluminum
  • TMG trimethylgallium
  • a mask is formed on the p-type cladding layer 70, and each exposed region of the active layer 50, the electron blocking layer 60, and the p-type cladding layer 70 where no mask is formed is removed.
  • the removal of the active layer 50, the electron block layer 60, and the p-type cladding layer 70 can be performed by, for example, plasma etching.
  • n-side electrode 90 is formed on the exposed surface 30a (see FIG. 1) of the n-type cladding layer 30, and a p-side electrode 92 is formed on the p-type contact layer 80 from which the mask has been removed.
  • the n-side electrode 90 and the p-side electrode 92 can be formed by a known method such as an electron beam evaporation method or a sputtering method. By cutting the wafer into predetermined dimensions, the light emitting elements 1 shown in FIG. 1 are formed.
  • Measurement result 1 shows the relationship between the number of well layers and barrier layers measured at the same wavelength (315 ⁇ 10 nm) and the light emission output.
  • the light emitting device 1 according to the embodiment includes the single quantum well structure 50A (hereinafter, also referred to as “SQW (Single Quantum Well)”) as the active layer 50.
  • SQW Single Quantum Well
  • a multiple quantum well layer (hereinafter, referred to as “MQW (Multiple Quantum),” in which a plurality of barrier layers 51 and a plurality of well layers 52 are alternately stacked. Well) ”). ). That is, the number of quantum well structures 50A is different between the light emitting element 1 according to the example and the light emitting elements according to comparative examples 1 and 2.
  • the light emitting device according to Comparative Example 1 includes three quantum well structures 50A (hereinafter, also referred to as “3QW”) in which three barrier layers 51 and three well layers 52 are alternately stacked.
  • the light emitting device according to Comparative Example 2 includes two quantum well structures 50A (hereinafter, also referred to as “2QW”) in which two barrier layers 51 and two well layers 52 are alternately stacked.
  • the conditions other than the number of the quantum well structures 50A (for example, the composition and thickness of each layer) were unified between the light emitting element 1 according to the example and the light emitting elements according to comparative examples 1 and 2.
  • the emission wavelength (nm) is a wavelength when the emission output is measured.
  • the light emission output (arbitrary unit) can be measured by various known methods.
  • an In (indium) electrode is provided at the center and the edge of one wafer, respectively.
  • a method was used in which a predetermined current was applied to this electrode to cause light emission at the center of the wafer, and this light emission was measured by a photodetector installed at a predetermined position. Note that the magnitude of the applied current was set to 20 mA.
  • FIG. 2 is a bar graph showing the light emission output of the light emitting element 1 according to the example shown in Table 1 and the light emitting elements according to Comparative Examples 1 and 2. As shown in Table 1 and FIG. 2, the light emission output of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 stayed at 0.56 and 0.15, whereas the light emission output of 0.80 was obtained in Example. Was done. That is, in the example, about 1.4 times the light emission output of the comparative example 1 was obtained, and about 5.3 times the light emission output of the comparative example 2 was obtained.
  • the light emitting device has a single quantum well structure 50A.
  • the light emission output of the light emitting element 1 was the largest. As described above, it has been shown that the emission output is increased by using one quantum well structure 50A as compared with the configuration in which a plurality of (two or three) quantum well structures 50A are provided.
  • the light-emitting element having the smallest light-emitting output among the three light-emitting elements was a light-emitting element having two quantum well structures 50A.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between the emission wavelength and the emission output of the light emitting elements according to the example and the comparative example.
  • an In (indium) electrode was attached to the center and the edge of one wafer, respectively, and a predetermined current was applied to this electrode to cause the center of the wafer to emit light and to be positioned at a predetermined position. The method of measuring this luminescence by the installed photodetector was used. Further, the light emission output obtained from the central portion of the wafer is used as the light emission output of the light emitting element 1 according to the embodiment.
  • the number of quantum well structures 50A of the light emitting device according to the comparative example was plural (2 to 4). Note that 71 light-emitting elements 1 according to the example and 98 light-emitting elements according to the comparative example were prepared as samples to be measured.
  • the black circles in FIG. 3 indicate the measurement results of the light emitting element 1 according to the example, and the white circles indicate the measurement results of the light emitting element according to the comparative example.
  • the triangles (two points) indicate the measurement results of the InGaN-based nitride semiconductor light emitting device as a reference example.
  • the solid line in FIG. 3 is an approximate curve of the data of the black circle, and the broken line is an approximate curve of the data of the white circle.
  • the light emission output of the light emitting element according to the comparative example increases as the light emission wavelength increases from about 255 nm to about 285 nm, reaches a local maximum near about 285 nm, and has a light emission wavelength of about 285 nm. From about 335 nm to about 335 nm, reaches a local minimum near about 335 nm, and rises again in the emission wavelength range of about 335 nm or more (see broken line). That is, in the light emitting element according to the comparative example, the data of the light emission wavelength (nm) and the light emission output (arbitrary unit) draw a substantially cubic function curve. As described above, in the light emitting device according to the comparative example, there is a tendency that the emission output is lower in the emission wavelength range of about 280-290 nm to 350-360 nm as compared with the emission output in other wavelength ranges.
  • Fig. 4 shows the data described in Fig. 1.1 of III-Nitride Ultraviolet Emitters Technology and Applications (Kneissl, Michael, Rass, Jens, 2016, Springer, ISBN: 978-3-319-24098-5). This is an excerpt.
  • the light output of the light emitting device 1 according to the example increases as the light emission wavelength increases from about 290 nm to about 315 nm, and the light emission output increases from about 1.0 to about 355 nm in the light emission wavelength range of about 315 nm to about 355 nm. It has a stable value between 1.5 (see the solid line).
  • the light-emitting element 1 according to the example it was shown that the light-emitting output increased in the wavelength range where the light-emitting output decreased in the light-emitting element in the comparative example (range from about 280-290 nm to 350-360 nm).
  • one barrier layer 51 and one well layer 52 are formed between the n-type cladding layer 30 and the electron block layer 60.
  • a single quantum well structure 50A is provided. This makes it possible to increase the light emission output of the light emitting element 1 that emits ultraviolet light having a center wavelength of 290 nm to 360 nm (preferably, 295 nm to 355 nm, more preferably, 300 nm to 350 nm).
  • a nitride semiconductor light-emitting element (1) that emits ultraviolet light having a center wavelength of 290 nm to 360 nm and has an n-type clad layer (30) formed of n-type AlGaN ) And one Al layer formed on the n-type cladding layer (30), which is smaller than the Al composition ratio of one barrier layer (51) formed of AlGaN and AlGaN forming the one barrier layer (51).
  • the one barrier layer (51) is located on the n-type cladding layer (30) side in the single quantum well structure (50A), and the one well layer (52) is The nitride semiconductor light emitting device (1) according to the above [1], which is located on the opposite side of the n-type cladding layer (30) in a single quantum well structure (50A).
  • [6] a step of forming an n-type cladding layer (30) having n-type AlGaN on the substrate (10), and one barrier layer (51) made of AlGaN on the n-type cladding layer (30) And a single quantum well structure (50A) constituted by one well layer (52) formed of AlGaN having an Al composition ratio smaller than that of AlGaN forming the one barrier layer (51).
  • Forming an active layer (50) containing: a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device (1) that emits ultraviolet light having a center wavelength of 290 nm to 360 nm.
  • ⁇ ⁇ Provide a nitride semiconductor light emitting device capable of improving luminous efficiency in a specific range of emission wavelengths and a method of manufacturing the same.
  • Nitride semiconductor light emitting device (light emitting device) Reference Signs List 10: substrate 11: sapphire substrate 30: n-type cladding layer 50: active layer 50A: single quantum well structure 51: barrier layer 52: well layer

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Abstract

窒化物半導体発光素子１は、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体が積層された中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍの紫外光を発光する窒化物半導体発光素であって、ｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層３０と、前記ｎ型クラッド層３０上に設けられた、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層５１及びこの１つの障壁層５１を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層５２により構成された単一の量子井戸構造５０Ａを含む活性層５０と、を備える。

Description

窒化物半導体発光素子及びその製造方法
　本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
　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知られている（特許文献１参照）。
　特許文献１に記載された窒化物半導体発光素子は、ＡｌＮ系ＩＩＩ族窒化物単結晶上に形成する発光波長が３００ｎｍ以下の光発光素子において、高濃度ｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、ｎ型又はｉ型のＩＩＩ族窒化物障壁層とｎ型又はｉ型のＩＩＩ族窒化物井戸層とからなる多重量子井戸構造と、ｉ型のＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層と、前記ｉ型ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層と前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物層との間に形成され、前記ｉ型ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層に対して電子のエネルギー障壁となるｐ型又はｉ型のＡｌＮ層からなる電子ブロック層とを有し、前記ｉ型ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層の厚さを、２ｎｍから１０ｎｍとし、前記ｎ型又はｉ型のＩＩＩ族窒化物井戸層の厚さを２ｎｍ以下とすることを特徴とするものである。
　このように、従来、量子井戸構造を多重化して積層させた多重量子井戸層を設けることにより、発光素子の発光効率の改善を図ってきた。
特許第５６４１１７３号公報
　しかしながら、本発明者らは、ＡｌＧａＮにより形成される窒化物半導体発光素子において、特定の範囲の発光波長では量子井戸構造を多重化したとしても必ずしも発光効率が向上するとは限らないこと、すなわち、発光波長帯によっては、単一の量子井戸構造の方が多重量子井戸構造よりも発光効率を向上させることができることの知見を得た。
　そこで、本発明の目的は、特定の範囲の発光波長において発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
　本発明の一実施態様による窒化物半導体発光素子は、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体が積層された中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍの紫外光を発光する窒化物半導体発光素であって、ｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に設けられた、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層及び該１つの障壁層を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層により構成された単一の量子井戸構造を含む活性層と、を備える。
　本発明の他の実施態様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、前記ｎ型クラッド層上に、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層及び該１つの障壁層を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層により構成された単一の量子井戸構造を含む活性層を形成する工程と、を備える。
　本発明によれば、特定の範囲の発光波長において発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。 実施例及び比較例に係る発光素子の発光出力の測定結果を示す図である。 実施例及び比較例に係る発光素子の発光波長と発光出力との関係を示す図である。 他の比較例に係る発光素子の発光波長と発光出力との関係を示す図である。
［実施の形態］
　本発明の実施の形態について、図面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。また、以下の説明において、「上」又は「下」とは、一つの対象物と他の対象物との相対的な位置関係を示すものとし、当該一つの対象物が第三対象物を間に挟まずに当該他の対象物の上又は下に配置されている状態のみならず、当該一つの対象物が第三対象物を間に挟んで当該他の対象物の上又は下に配置されている状態も含むものとする。
（窒化物半導体発光素子の構成）
　図１は、本発明の一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概略的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう）には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が含まれる。本実施の形態では、発光素子１として、中心波長が２９０ｎｍ～３６０ｎｍ（好ましくは、２９５ｎｍ～３５５ｎｍ、より好ましくは、３００ｎｍ～３５０ｎｍ）の紫外光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）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、ｎ型クラッド層３０と、障壁層５１と井戸層５２とを含む活性層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、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）にて表される２元系又は３元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。
　基板１０は、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１１と、このサファイア基板１１上に形成されたバッファ層１２とを含んで構成されている。バッファ層１２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。かかる構成に代えて、基板１０には、例えば、ＡｌＮのみにより形成されたＡｌＮ基板を用いてもよく、この場合、バッファ層１２は、必ずしも含まなくてもよい。以上を換言すれば、基板１０の表面（最表面）は、ＡｌＮで形成されている。
　ｎ型クラッド層３０は、基板１０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～４μｍ程度の厚さを有し、例えば、３μｍ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。なお、ｎ型クラッド層３０を形成するｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成比（「Ａｌ含有率」や「Ａｌモル分率」ともいう）は、好ましくは、５０％以下である（すなわち、０≦ｑ≦０．５）。
　活性層５０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。活性層５０は、ｎ型クラッド層３０側に位置する１つの障壁層５１、及び後述する電子ブロック層６０側（すなわち、厚み方向におけるｎクラッド層３０の反対側）に位置する１つの井戸層５２により構成された単一の量子井戸構造５０Ａを含んで構成されている。また、活性層５０は、波長３６０ｎｍ以下（好ましくは、３５５ｎｍ以下）の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。
　障壁層５１は、ＡｌｒＧａ１－ｒＮにより形成されている（０≦ｒ≦１）。障壁層５１を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「第２のＡｌ組成比」ともいう）は、ｎ型クラッド層３０を形成するｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「第１のＡｌ組成比」ともいう）よりも大きい（すなわち、ｑ≦ｒ≦１）。好ましくは、第２のＡｌ組成比は、５０％以上（０．５≦ｒ≦１）、より好ましくは、６０％～９０％である。また、障壁層５１は、例えば、５ｎｍ～５０ｎｍの範囲の厚みを有する。
　井戸層５２は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮにより形成されている（０≦ｓ≦１、ｒ＞ｓ）。井戸層５２を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「第３のＡｌ組成比」ともいう）は、第１のＡｌ組成比よりも小さい。好ましくは、第３のＡｌ組成比は、４０％以下（０≦ｓ≦０．４）である。また、井戸層５２は、例えば、１ｎｍ～５ｎｍの範囲の厚みを有する。
　なお、量子井戸構造５０Ａ内における１つの障壁層５１及び１つの井戸層５２の配置は、上述したものに限定されるものではなく、配置の順序は上述した順序と逆でもよい。
　電子ブロック層６０は、活性層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～３０ｎｍ程度の厚さを有している。電子ブロック層６０を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比（以下、「第４のＡｌ組成比」ともいう）は、第２の組成比よりも大きい。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、１０ｎｍ～１０００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、５０ｎｍ～８００ｎｍ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。
（窒化物半導体発光素子１の製造方法）
　次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、サファイア基板１１上にバッファ層１２を高温成長させて最表面がＡｌＮである基板１０を作製する。次に、この基板１０上にｎ型クラッド層３０、活性層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０を、この順に温度を段階的に下げながら高温成長させて、所定の直径（例えば、５０ｍｍ）の円盤状の形状を有する窒化物半導体積層体（「ウエハ」ともいう）を形成する。
　これらｎ型クラッド層３０、活性層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。また、原料ガスを構成するトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の組成等を調整して、各層のＡｌ組成比が目的とする値になるように制御する。
　次に、ｐ型クラッド層７０の上にマスクを形成し、活性層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０においてマスクが形成されていないぞれぞれの露出領域を除去する。活性層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。このウエハを所定の寸法に切り分けることにより、図１に示す発光素子１が形成される。
（測定結果１）
　次に、本発明の実施の形態に係る実施例の発光素子１の発光出力を測定した結果の一例について説明する。測定結果１は、同程度の波長（３１５±１０ｎｍ）で測定した井戸層及び障壁層の数と発光出力との関係を示す。実施例に係る発光素子１は、上述したように、活性層５０として単一の量子井戸構造５０Ａ（以下、「ＳＱＷ（Single Quantum Well）」ともいう。）を含んでいる。
　これに対して、比較例１及び２に係る発光素子は、活性層５０として、複数の障壁層５１と複数の井戸層５２とを交互に積層した多重量子井戸層（以下、「ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）」）ともいう。）を含んでいる。すなわち、実施例に係る発光素子１と、比較例１及び２に係る発光素子との間では、量子井戸構造５０Ａの数が互いに相違している。
　具体的には、比較例１に係る発光素子は、３つの障壁層５１と３つの井戸層５２とを交互に積層した３つの量子井戸構造５０Ａ（以下、「３ＱＷ」ともいう）を備えている。比較例２に係る発光素子は、２つの障壁層５１と２つの井戸層５２とを交互に積層した２つの量子井戸構造５０Ａ（以下、「２ＱＷ」ともいう）を備えている。なお、量子井戸構造５０Ａの数以外の条件（例えば、各層の組成、厚み等）は、実施例に係る発光素子１と、比較例１及び２に係る発光素子との間で統一した。
　実施例及び比較例の測定結果について表１に示す。発光波長（ｎｍ）は、発光出力を測定したときの波長である。発光出力（任意単位）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、１枚のウエハの中心部と縁部とにそれぞれＩｎ（インジウム）電極を付着し、この電極に所定の電流を流してウエハの中心部を発光させ、所定の位置に設置した光検出器によりこの発光を測定する方法を用いた。なお、流した電流の大きさは、それぞれ２０ｍＡとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図２は、表１に示した実施例に係る発光素子１及び比較例１及び２に係る発光素子の発光出力を棒グラフで表した図である。表１及び図２に示すように、比較例１及び比較例２では、発光出力が０．５６及び０．１５に留まっているのに対して、実施例では、０．８０の発光出力が得られた。すなわち、実施例では、比較例１の約１．４倍の発光出力が得られるとともに、比較例２の約５．３倍の発光出力が得られた。
　このように、２つ又は３つの量子井戸構造５０Ａを有する発光素子と単一の量子井戸構造５０Ａを有する発光素子１との間で発光出力を比較した結果、単一の量子井戸構造５０Ａを有する発光素子１の発光出力が最も大きくなった。以上のように、量子井戸構造５０Ａを１つにすることにより、量子井戸構造５０Ａを複数（２つや３つ）設ける構成よりも発光出力が上昇することが示された。なお、この３つの発光素子の中で、発光出力が最も小さいのは、２つの量子井戸構造５０Ａを有する発光素子であった。
（測定結果２）
　次に、発光波長と発光出力との関係について図３を参照して説明する。図３は、実施例及び比較例に係る発光素子の発光波長と発光出力との関係の一例を示す図である。この実験では、一例として、１枚のウエハの中心部と縁部とにそれぞれＩｎ（インジウム）電極を付着し、この電極に所定の電流を流してウエハの中心部を発光させ、所定の位置に設置した光検出器によりこの発光を測定する方法を用いた。また、ウエハの中心部から得られる発光出力を実施例に係る発光素子１の発光出力として代用する。比較例に係る発光素子の量子井戸構造５０Ａの数は、複数（２～４つ）とした。なお、測定の対象となるサンプルとして実施例に係る発光素子１を７１個、比較例に係る発光素子を９８個それぞれ準備した。
　図３の黒丸は、実施例に係る発光素子１の測定結果を示し、白丸は、比較例に係る発光素子の測定結果を示す。なお、三角（２点）は、参考例としてＩｎＧａＮ系の窒化物半導体発光素子の測定結果を示す。また、図３の実線は、黒丸のデータの近似曲線であり、破線は、白丸のデータの近似曲線である。
　図３に示すように、比較例に係る発光素子の発光出力は、発光波長が約２５５ｎｍから約２８５ｎｍに向かって増加するにつれて上昇し約２８５ｎｍの付近で極大値をとるとともに、発光波長が約２８５ｎｍから約３３５ｎｍ向かって増加するにつれて低下し約３３５ｎｍの付近で極小値をとり、発光波長が約３３５ｎｍ以上の範囲で再び上昇している（破線参照）。すなわち、比較例に係る発光素子では、発光波長（ｎｍ）と発光出力（任意単位）とのデータは、略三次関数的な曲線を描いている。このように、比較例に係る発光素子では、発光波長が約２８０－２９０ｎｍから３５０－３６０ｎｍの範囲で他の波長範囲の発光出力と比較して発光出力が低くなるという傾向が示されている。
　なお、図４に示すように、比較例に係る各社製の発光素子においても同様の傾向が示されている。図４は、III-Nitride Ultraviolet Emitters Technology and Applications (Kneissl, Michael, Rass, Jens著, 2016年, Springer発行, ISBN:978-3-319-24098-5)の図１．１に記載のデータを抜粋したものである。
　これに対して、実施例に係る発光素子１の発光出力は、発光波長が約２９０ｎｍから約３１５ｎｍに向かって増加するにつれて上昇し、発光波長が約３１５ｎｍから約３５５ｎｍの範囲において約１．０～１．５の間で安定した値をとっている（実線参照）。このように、実施例に係る発光素子１では、比較例における発光素子で発光出力が低下した波長範囲（約２８０－２９０ｎｍから３５０－３６０ｎｍの範囲）において発光出力が上昇することが示された。
（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と電子ブロック層６０との間に、１つの障壁層５１と１つの井戸層５２とにより構成された単一の量子井戸構造５０Ａが設けられている。これにより、中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍ（好ましくは、２９５ｎｍ～３５５ｎｍ、より好ましくは、３００ｎｍ～３５０ｎｍ）の紫外光を発光する発光素子１の発光出力を上昇させることが可能となる。
（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］ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体が積層された中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍの紫外光を発光する窒化物半導体発光素（１）であって、ｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層（３０）と、前記ｎ型クラッド層（３０）上に設けられた、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層（５１）及び該１つの障壁層（５１）を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層（５２）により構成された単一の量子井戸構造（５０Ａ）を含む活性層（５０）と、を備える窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記１つの障壁層（５１）は、前記単一の量子井戸構造（５０Ａ）内において、前記ｎ型クラッド層（３０）側に位置し、前記１つの井戸層（５２）は、前記単一の量子井戸構造（５０Ａ）内において、前記ｎ型クラッド層（３０）の反対側に位置する、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記１つの障壁層（５１）は、前記ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも大きなＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成されている、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記ｎ型クラッド層（３０）の下に位置して、ＡｌＮで形成された表面を有する基板（１０）をさらに備える、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子。
［５］前記ｎ型クラッド層（３０）の下に位置して、ＡｌＮで形成された表面を有する基板（１０）をさらに備える、前記［３］に記載の窒化物半導体発光素子。
［６］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、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層（５１）及び該１つの障壁層（５１）を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層（５２）により構成された単一の量子井戸構造（５０Ａ）を含む活性層（５０）を形成する工程と、を備える、中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍの紫外光を発光する窒化物半導体発光素子（１）の製造方法。
　特定の範囲の発光波長において発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子及びそ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
１１…サファイア基板
３０…ｎ型クラッド層
５０…活性層
５０Ａ…単一の量子井戸構造
５１…障壁層
５２…井戸層
 

Claims (6)

  1. 　ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体が積層された中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍの紫外光を発光する窒化物半導体発光素であって、
    　ｎ型ＡｌＧａＮによって形成されたｎ型クラッド層と、
    　前記ｎ型クラッド層上に設けられた、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層及び該１つの障壁層を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層により構成された単一の量子井戸構造を含む活性層と、
    　を備える窒化物半導体発光素子。
  2. 　前記１つの障壁層は、前記単一の量子井戸構造内において、前記ｎ型クラッド層側に位置し、
    　前記１つの井戸層は、前記単一の量子井戸構造内において、前記ｎ型クラッド層の反対側に位置する、
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 　前記１つの障壁層は、前記ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも大きなＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成されている、
    　請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記ｎ型クラッド層の下に位置して、ＡｌＮで形成された表面を有する基板をさらに備える、
    　請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 　前記ｎ型クラッド層の下に位置して、ＡｌＮで形成された表面を有する基板をさらに備える、
    　請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 　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、
    　前記ｎ型クラッド層上に、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層及び該１つの障壁層を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも小さいＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された１つの井戸層により構成された単一の量子井戸構造を含む活性層を形成する工程と、を備える、
    　中心波長が２９０ｎｍから３６０ｎｍの紫外光を発光する窒化物半導体発光素子の製造方法。
     
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