JP6968122B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

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、光出力を向上させるために様々な取り組みが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の発光素子は、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。

特許第５６４１１７３号公報

特許文献１に記載の方法によれば、ｉ型のＩＩＩ族窒化物井戸層及びｉ型ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層の膜厚を調整することによって発光効率を向上させている。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物半導体では、上述のような対策してもなお、十分な光出力を得るべく改善の余地があった。かかる背景を受け本発明者らは、ＩＩＩ族窒化物半導体において光出力を向上させることについて鋭意検討し、本発明をなすに至った。

つまり、本発明は、光出力を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、ｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に位置する、ＡｌＧａＮにより形成された活性層と、を備え、前記活性層は、複数の障壁層と複数の井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、前記活性層は、前記活性層の積層方向におけるＳｉの濃度分布において、最大値かつ極大値として現れる局所的なピークを有し、前記活性層の前記積層方向のＳｉの濃度分布において、前記ピークは、前記複数の井戸層のうち最も前記ｎ型クラッド層側に位置する下側井戸層内に存在し、前記活性層は、前記下側井戸層の前記ｎ型クラッド層側に隣り合う位置に形成された隣接障壁層を備え、前記活性層の前記積層方向のＳｉの濃度分布において、前記ピークは、前記複数の井戸層のうちの前記下側井戸層にのみ存在しており、かつ前記下側井戸層における前記隣接障壁層側の端部に位置している、窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、光出力を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の第１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概略的に示す断面図である。 図１に示す窒化物半導体発光素子の断面の一部のＳＴＥＭ画像図である。 図１に示す窒化物半導体発光素子の厚さ方向におけるＳｉの濃度プロファイル及びＡｌのイオン強度プロファイルを示す図である。 図１に示す窒化物半導体発光素子の光出力を測定した結果を示す図であり、（ａ）は、光出力とＳｉ濃度との関係をグラフで示した図、（ｂ）は、光出力とＳｉ濃度との関係を示すテーブルである。 本発明の第２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概略的に示す断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光素子の断面の一部のＳＴＥＭ画像図である。 図５に示す窒化物半導体発光素子の厚さ方向におけるＳｉの濃度プロファイル及びＡｌのイオン強度プロファイルを示す図である。 本発明の第３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概略的に示す断面図である。 図８に示す窒化物半導体発光素子の断面の一部のＳＴＥＭ画像図である。 図８に示す窒化物半導体発光素子の厚さ方向におけるＳｉの濃度プロファイル及びＡｌのイオン強度プロファイルを示す図である。

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、窒化物半導体発光素子がフェイスアップ型であるかフリップチップ型であるかに依らず、「上」とは、一律にｐ側電極９２（図１参照）側を示し、「下」とは、一律に基板１０（図１参照）側を指すものとする。なお、特に記述のない限り、「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。

［第１の実施の形態］
（第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の第１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概略的に示す断面図である。この窒化物半導体発光素子（以下、単に「発光素子」ともいう）１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２５０ｎｍ〜３６０ｎｍ（好ましくは、２９５ｎｍ〜３６０ｎｍ）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、第１の実施の形態に係る発光素子１は、基板１０と、ｎ型クラッド層３０と、１つの障壁層５１Ａと１つの井戸層５２Ａ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、Ａｌ_ｘＧａ_１−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（Ａｌ_２Ｏ_３）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の半導体層側の表面（以下、「最表面」ともいう）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、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされた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を形成するＡｌ組成比（「ＡｌＮモル分率」ともいう）は、２０％以上であり、好ましくは、２５％以上５５％以下である。ｎ型クラッド層３０は、１μｍ〜４μｍ程度の厚さを有し、例えば、３±０．３μｍ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。

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５１Ａ、及び後述する電子ブロック層６０側（すなわち、厚さ方向におけるｎ型クラッド層３０の反対側）に位置する１つの井戸層５２Ａ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。１つの障壁層５１Ａは、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の厚さを有する。また、１つの井戸層５２Ａは、例えば、１ｎｍ〜５ｎｍの範囲、好ましくは、３ｎｍ〜５ｎｍの範囲の厚さを有する。

１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２Ａはともに、ＡｌＧａＮにより形成されている。具体的には、１つの障壁層５１Ａは、Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＮを含んで構成され、１つの井戸層５２Ａは、Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＮを含んで構成される（０≦ｒ≦１、０≦ｓ≦１、ｒ＞ｓ）。すなわち、１つの障壁層５１Ａを形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、１つの井戸層５２Ａを形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも大きい。なお、単一の量子井戸構造５０Ａ内における１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２Ａの配置は、上述したものに限定されるものではなく、ｎ型クラッド層３０側に１つの井戸層５２Ａが位置し電子ブロック層６０側に１つの障壁層５１Ａが位置する配置でもよい。

また、１つの障壁層５１Ａから１つの井戸層５２Ａの間、すなわち、活性層５０内には、ｎ型クラッド層３０、１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２Ａが積層される方向におけるＳｉの濃度（以下、単に「Ｓｉ濃度」ともいう）の分布における局所的なピークが存在する。換言すれば、発光素子１の厚み方向のＳｉ濃度の分布は、活性層５０内に局所的なピークを有する。

好ましくは、Ｓｉ濃度の分布は、１つの障壁層５１Ａ内に局所的なピークを有する。また、Ｓｉ濃度のピークの値は、１．０×１０^１８個／ｃｍ^３以上、１．０×１０^２０個／ｃｍ^３以下である。Ｓｉ濃度の詳細については、後述する。

電子ブロック層６０は、活性層５０上に形成されている。本実施の形態では、電子ブロック層６０は、ＡｌＮにより形成された第１の電子ブロック層６１と、ｐ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｐ型ＡｌＧａＮ」ともいう）により形成された第２の電子ブロック層６２と、をこの順に含んでいる。電子ブロック層６０は、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度の厚さを有している。なお、第１の電子ブロック層６１は、必須の構成要素ではない。また、第２の電子ブロック層６２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、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ｐ型Ａｌ_tＧａ_1-tＮ（０≦ｔ≦１）により形成された層である。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、例えば、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ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。

〔電極〕
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。

（第１の実施の形態に係る発光素子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を積層して、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、１つの井戸層５２Ａには、Ｓｉを所定のドープ量でドープする。ドープ量は、１．０×１０^１８〜１．０×^２０個／ｃｍ^３であることが好ましい。

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。

（第１の実施の形態に係る実施例）
次に、第１の実施の形態に係る実施例について説明する。図２は、第１の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の断面の一部のＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscopy）画像図である。画像の倍率は、１５０万倍、加速電圧は、２００ｋＶとした。図２に示すように、発光素子１には、下から順に、ｎ型クラッド層３０（相対的に色が薄い部分）、１つの障壁層５１Ａ（ｎ型クラッド層３０に対して色が濃い部分）、１つの井戸層５２Ａ（前記１つの障壁層５１Ａに対して色が薄い部分）、第１の電子ブロック層６１（前記１つの井戸層５２Ａに対して色が濃い部分）、及び第２の電子ブロック層６２（第１の電子ブロック層６１に対して色が薄い部分）が形成されている。また、前記１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２Ａは、活性層５０（具体的には、単一の量子井戸構造５０Ａ）を形成している。

活性層５０及び電子ブロック層６０を構成する各層の厚さについて、以下表１にまとめる。

図３は、第１の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の厚さ方向におけるＳｉの濃度プロファイル及びＡｌのイオン強度プロファイルを示す図である。図３に示すプロファイルは、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry；二次イオン質量分析法）により測定したものである。実線（太い実線）はＳｉの濃度（個／ｃｍ^３；縦軸左側の目盛り参照）示し、破線は、Ａｌの２次イオン強度（count／秒；縦軸右側の目盛り参照）を示している。

ここで、本実施例では、ｎ型クラッド層３０、１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２ＡにＳｉをドープした（図３の細い破線及び「Ｓｉバックグラウンド」参照。）。また、ドープ量は、（１．０±０．１）×１０^１７個／ｃｍ^３とした。なお、説明の便宜上、Ｓｉのドープを示す線（細い破線）は、横軸の一端から他端の全体に亘って描いた。

図３に示すように、Ｓｉ濃度は、以下の関係式（１）及び（２）
１つの井戸層５２ＡのＳｉ濃度≧ｎ型クラッド層３０のＳｉ濃度・・・（１）
ｎ型クラッド層３０のＳｉ濃度＞１つの障壁層５１ＡのＳｉ濃度・・・（２）
を満たしている。Ａｌ組成比が高いほどＳｉがドープされにくいためである。

また、ｎ型クラッド層３０、１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２Ａが積層される方向におけるＳｉ濃度の分布は、１つの障壁層５１Ａ及び１つの井戸層５２Ａの間に少なくとも１つ以上のピークを有している。本実施例では、Ｓｉ濃度の分布は、図３に示すように、１つの井戸層５２Ａ内にピークを有している（図３の円枠参照。）。このＳｉ濃度のピークの値は、（１．５±０．２）×１０^１９個／ｃｍ^３である。

（光出力）
次に、図４を参照して、Ｓｉ濃度と発光素子１の光出力との関係について説明する。図４は、第１の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の光出力を測定した結果を示す図であり、（ａ）は、光出力とＳｉ濃度との関係をグラフで示した図、（ｂ）は、光出力とＳｉ濃度との関係を示すテーブルである。ここで、図４（ａ）の横軸は、１つの井戸層５２ＡにおけるＳｉ濃度（例えば、１つの井戸層５２Ａ内のピークの値）（個／ｃｍ^３）を示し、縦軸は、発光素子１の光出力（任意単位、当社比）を示している。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、測定時に流した電流の大きさは、２０ｍＡとした。

図４（ａ）に示すように、発光素子１の光出力は、１つの井戸層５２ＡにおけるＳｉ濃度が０〜（５．０±０．５）×１０^１９個／ｃｍ^３の範囲で上昇し、Ｓｉ濃度が（５．０±０．５）×１０^１９個／ｃｍ^３付近で極大となり、Ｓｉ濃度が（５．０±０．５）×１０^１９個／ｃｍ^３を超えると下降する。すなわち、発光素子１の光出力は、１つの井戸層５２ＡにおけるＳｉ濃度を変数として上に凸の放物線状に変化する。換言すれば、発光素子１の光出力は、１つの井戸層５２ＡにおけるＳｉ濃度を変数とする二次曲線上にプロットされている。

したがって、所定の発光素子１の光出力を得るための１つの井戸層５２ＡにおけるＳｉ濃度の範囲を定めることができる。例えば、発光素子１の光出力を０．５以上とするためにＳｉ濃度を１．０×１０^１８個／ｃｍ^３以上１．０×１０^２０個／ｃｍ^３以下としてよく、発光素子１の光出力を０．６以上とするためにＳｉ濃度を８．５×１０^１８個／ｃｍ^３以上９．５×１０^１９個／ｃｍ^３以下としてよく、発光素子１の光出力を０．７以上とするためにＳｉ濃度を２．２×１０^１９個／ｃｍ^３以上８．２×１０^１９個／ｃｍ^３以下としてよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子１の構成の一例を概略的に示す断面図である。この発光素子１は、複数の障壁層５１Ｂを有する点で第１の実施の形態の発光素子１と相違する。以下、第１の実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略するとともに、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

（第２の実施の形態に係る発光素子１の構成）
図５に示すように、第２の実施の形態に係る発光素子１は、基板１０と、ｎ型クラッド層３０と、複数の障壁層５１Ｂと１つの井戸層５２Ａ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。このうち、基板１０、ｎ型クラッド層３０、１つの井戸層５２Ａ、電子ブロック層６０、ｐ型クラッド層７０、ｐ型コンタクト層８０、ｎ側電極９０及びｐ側電極９２は、上述した第１の実施の形態と同一のため詳細な説明は省略する。１つの井戸層５２Ａは、井戸層の一例である。

複数の障壁層５１Ｂは、ｎ型クラッド層３０側に位置する第１の障壁層５１ａと、第１の障壁層５１ａ上に設けられた第２の障壁層５１ｂと、第２の障壁層５１ｂ上に設けられ、１つの井戸層５２Ａ側に位置する第３の障壁層５１ｃと、を含んでいる。換言すれば、活性層５０は、ｎ型クラッド層３０から電子ブロック層６０に向かって、第１の障壁層５１ａ、第２の障壁層５１ｂ及び第３の障壁層５１ｃをこの順に積層させた複数の障壁層５１Ｂと、この複数の障壁層５１Ｂ上に積層された１つの井戸層５２Ａと、を有して構成されている。

第１の障壁層５１ａは、ＡｌＧａＮにより形成される。また、第１の障壁層５１ａは、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比が厚さ方向に沿って変化する組成傾斜層である。具体的には、第１の障壁層５１ａを形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層３０から第２の障壁層５１ｂに向かって増加する。第１の障壁層５１ａは、ｎ型クラッド層３０と第２の障壁層５１ｂとの間でＡｌ組成比が不連続的に変化することを抑制し、Ａｌ組成比においてｎ型クラッド層３０と第２の障壁層５１ｂとを滑らかに接続する機能を有すると考えられる。第１の障壁層５１ａは、例えば、５ｎｍから２０ｎｍの厚さを有する。

第２の障壁層５１ｂは、ＡｌＮにより形成される。第２の障壁層５１ｂは、活性層５０への所定エネルギー以下の電子注入を抑制する層として機能する。第２の障壁層５１ｂは、例えば、１．０ｎｍ〜５．０ｎｍの厚さを有する。

第３の障壁層５１ｃは、５ｎｍから２０ｎｍの厚さを有する。なお、複数の障壁層５１Ｂを構成する層の数は、３つに限定されるものではなく、２つでもよく、４つ以上でもよい。

また、Ｓｉ濃度の分布は、複数の障壁層５１Ｂ内に局所的なピークを有する。好ましくは、Ｓｉ濃度の分布は、第２の障壁層５１ｂ及び第３の障壁層５１ｃの境界の付近に局所的なピークをする。また、Ｓｉ濃度のピークの値は、１．０×１０^１８個／ｃｍ^３以上、１．０×１０^２０個／ｃｍ^３以下である。

（第２の実施の形態に係る発光素子１の製造方法）
次に、上述の第２の実施の形態に係る発光素子１の製造方法について、第１の実施の形態に係る発光素子１の製造方法と異なる点を中心に説明する。第２の実施の形態では、第２の障壁層５１ｂとしてのＡｌＮ層、及びＳｉを所定のドープ量でドープした第３の障壁層５１ｃを形成する。この所定のドープ量は１．０×１０^１８〜１．０×１０^２０個／ｃｍ^３の範囲であることが好ましい。

（第２の実施の形態に係る実施例）
次に、上述の第２の実施の形態に係る実施例について説明する。図６は、第２の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の断面の一部のＳＴＥＭ画像図である。撮影の条件は、図２に示したものと同一である。

図６に示すように、第２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１つの井戸層５２Ａとの間に、第１の障壁層５１ａとしての組成傾斜層、第２の障壁層５１ｂとしてのＡｌＮ層及び第３の障壁層５１ｃとがこの順に積層されている。

活性層５０及び電子ブロック層６０を構成する各層の厚さについて、以下表２にまとめる。

１つの井戸層５２Ａは、表２に示すように、３．０ｎｍ以上の厚さを有している。

図７は、第２の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の厚さ方向におけるＳｉの濃度プロファイル及びＡｌのイオン強度プロファイルを示す図である。Ｓｉ濃度の分布は、図７に示すように、複数の障壁層５１Ｂ内に、具体的には、第２の障壁層５１ｂ及び第３の障壁層５１ｃの境界の付近に、ピークを有している。このＳｉ濃度のピークの値は、（４．０±０．４）×１０^１９個／ｃｍ^３である。

また、上述の表２に示したように、第２の実施の形態の一実施例に係る発光素子１では、１つの井戸層５２Ａの厚さは、３．３±０．３ｎｍである。従来技術では、ピエゾ電界の発生に伴う分極の影響を和らげるため、井戸層の厚さは概ね２．０ｎｍ以下に制限されるが、本実施の形態に係る発光素子１では、１つの井戸層５２Ａの厚さを、従来技術の厚さよりも厚く（例えば、従来技術においても大きめの厚さである２．０ｎｍの約１．５倍以上に）することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子１の構成の一例を概略的に示す断面図である。この発光素子１は、複数の障壁層５１Ｂと複数の井戸層５２Ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造５０Ｂを有する点で第１の実施の形態の発光素子１及び第２の実施の形態の発光素子１と相違する。以下、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略するとともに、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第３の実施の形態に係る発光素子１は、中心波長が２５０ｎｍ〜３６０ｎｍ（好ましくは、２５０ｎｍ〜２９５ｎｍ）の紫外光を発する。

（第３の実施の形態に係る発光素子１の構成）
図８に示すように、第３の実施の形態に係る発光素子１は、基板１０と、ｎ型クラッド層３０と、傾斜組成層である第１の障壁層５１ａと、複数の障壁層５１Ｂと複数の井戸層５２Ｂとを含む多重量子井戸構造５０Ｂを有する活性層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。なお、以下では、説明の便宜上、上述した実施の形態と同様に傾斜組成層を第１の障壁層５１ａともいうが、傾斜組成層は、多重量子井戸構造５０Ｂを構成する複数の障壁層５１Ｂとは異なるのものとして区別して扱う。

本実施の形態に係る活性層５０は、この第１の障壁層５１ａ上に、Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＮを含んで構成される複数の障壁層５１ＢとＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＮを含んで構成される複数の井戸層５２Ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造５０Ｂを有している。具体的には、この活性層５０は、Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＮを含んで構成されるＫ層からなる障壁層５１ＢとＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＮを含んで構成されるＫ層からなる井戸層５２Ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造５０Ｂを有している。なお、Ｋは、自然数である。

より具体的には、この活性層５０は、Ａｌ_ｒ１Ｇａ_１−ｒ１Ｎを含んで構成される第２の障壁層５１ｂと、Ａｌ_ｓ１Ｇａ_１−ｓ１Ｎを含んで構成される第１の井戸層５２ａと、Ａｌ_ｒ２Ｇａ_１−ｒ２Ｎを含んで構成される第３の障壁層５１ｃと、Ａｌ_ｓ２Ｇａ_１−ｓ２Ｎを含んで構成される第２の井戸層５２ｂと、Ａｌ_ｒ３Ｇａ_１−ｒ３Ｎを含んで構成される第４の障壁層５１ｄと、Ａｌ_ｓ３Ｇａ_１−ｓ３Ｎを含んで構成される第３の井戸層５２ｃと、をこの順に積層した多重量子井戸構造５０Ｂを有している（０≦ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３≦１、０≦ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３≦１、ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３＞ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３）。なお、図８では、Ｋ＝３の例を示したが、Ｋは、３に限定されるものではなく、Ｋは、２でもよく、４以上でもよい。第３の実施の形態における第１の井戸層５２ａは、下側井戸層の一例である。第３の実施の形態における第２の井戸層５２ｂ及び第３の井戸層５２ｃは、上側井戸層の一例である。

多重量子井戸構造５０Ｂを含む構成では、Ｓｉ濃度の分布は、好ましくは、複数の井戸層５２Ｂのうち、ｎ型クラッド層３０に近い井戸層（すなわち、第１の井戸層５２ａ）に局所的なピークを有する。

（第３の実施の形態に係る発光素子１の製造方法）
次に、上述の第３の実施の形態に係る発光素子１の製造方法について、第１の実施の形態に係る発光素子１の製造方法及び第２の実施の形態に係る発光素子１の製造方法と異なる点を中心に説明する。第３の実施の形態では、第１の井戸層５２ａに、Ｓｉを所定のドープ量でドープする。この所定のドープ量は１．０×１０^１８〜１．０×１０^２０個／ｃｍ^３の範囲であることが好ましい。

（第３の実施の形態に係る実施例）
次に、上述の第３の実施の形態に係る実施例について説明する。図９は、第３の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の断面の一部のＳＴＥＭ画像図である。撮影の条件は、図２に示したものと同一である。

図９に示すように、第３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、第１の障壁層５１ａとしての組成傾斜層と、３つの障壁層と３つの井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造５０Ｂからなる活性層５０と、がこの順に積層されている。なお、破線は、下から順にそれぞれｎ型クラッド層３０と第１の障壁層５１ａ（組成傾斜層）との界面、及び第１の障壁層５１ａ（組成傾斜層）と複数の障壁層５１Ｂ（具体的には、第２の障壁層５１ｂ）との界面を示している。

活性層５０及び電子ブロック層６０を構成する各層の厚さについて、以下表３にまとめる。

表３に示すように、第１の障壁層５１ａ（組成傾斜層）は、多重量子井戸構造５０Ｂを構成する各障壁層及び井戸層の厚さの３〜５倍厚さを有している。また、第１の井戸層５２ａ（すなわち、下側井戸層）は、３．０ｎｍ以上の厚さを有しており、これは他の井戸層（第２の井戸層５２ｂ及び第３の井戸層５２ｃ、すなわち、上側井戸層）の厚さの１．５倍〜２．５倍の厚さに相当している。

図１０は、第３の実施の形態の一実施例に係る発光素子１の厚さ方向におけるＳｉの濃度プロファイル及びＡｌのイオン強度プロファイルを示す図である。図１０に示すように、Ｓｉの濃度は、第１の井戸層５２ａ内にピークを有している。このＳｉ濃度のピークの値は、（４．５±０．５）×１０^１９個／ｃｍ^３である。図１０に示すように、多重量子井戸構造５０Ｂを含む構成では、Ｓｉの濃度は、複数の井戸層５２Ｂのうちｎ型クラッド層３０に近い第１の井戸層５２ａにピークを有している。ここで、下側井戸層としての第１の井戸層５２ａに対して、ｎ型クラッド層３０側に隣り合う隣接障壁層は、第２の障壁層５１ｂであり、積層方向の活性層５０のＳｉの濃度分布において、ピークは、下側井戸層における隣接障壁層側の端部に位置している。

［実施の形態の作用及び効果］
以上説明したように、本発明の上述した実施の形態及びその変形例に係る発光素子１では、活性層５０内に、ｎ型クラッド層３０及び活性層５０が積層される方向におけるＳｉの濃度（以下、単に「Ｓｉ濃度」ともいう）の分布における局所的なピークが存在する。かかる構成により、発光素子１の光出力を向上させることが確認できる。

なお、上述した効果は、発光素子１の中心波長が２９５ｎｍから３６０ｎｍの深紫外光を発光し、かつ、単一の量子井戸構造５０Ａを備える構成、及び発光素子１の中心波長が２９５ｎｍ以下深紫外光を発光し、かつ、多重量子井戸構造５０Ｂを備える構成について特に有効である。

（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、特許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］ｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層（３０）と、前記ｎ型クラッド層（３０）上に位置する、ＡｌＧａＮにより形成された活性層（５０）と、を備え、前記活性層（５０）内に、前記ｎ型クラッド層（３０）及び前記活性層（５０）が積層される方向におけるＳｉの濃度の分布の局所的なピークが存在する、窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記活性層（５０）は、前記ｎ型クラッド層（３０）側に位置する、ＡｌＧａＮにより形成された１つの障壁層（５１Ａ）と、該１つの障壁層（５１Ａ）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（５２Ａ）と、により構成された単一の量子井戸構造（５０Ａ）を有し、前記Ｓｉの濃度の分布は、前記１つの井戸層（５２Ａ）内に前記ピークを有する、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記活性層（５０）は、前記ｎ型クラッド層（３０）側から前記活性層（５０）側に向かって傾斜するＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された第１の障壁層（５１ａ）と、前記第１の障壁層（５１ａ）上に設けられた、ＡｌＮにより形成された第２の障壁層（５１ｂ）と、を含む複数の障壁層（５１Ｂ）を備え、前記Ｓｉの濃度の分布は、前記複数の障壁層（５１Ｂ）内に前記ピークを有する、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記複数の障壁層（５１Ｂ）は、前記第２の障壁層（５１ｂ）上に形成された第３の障壁層（５１ｃ）をさらに備え、前記Ｓｉの濃度の分布は、前記第２の障壁層（５１ｂ）及び前記第３の障壁層（５１ｃ）の境界の付近に前記ピークを有する、前記［３］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］前記活性層（５０）は、前記第３の障壁層（５１ｃ）上に形成された１つの井戸層（５２Ａ）をさらに備え、前記１つの井戸層（５２Ａ）は、３．０ｎｍ以上の厚さを有している、前記［４］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［６］前記活性層（５０）は、複数の障壁層（５１Ｂ）と複数の井戸層（５２Ｂ）とを交互に積層した多重量子井戸構造（５０Ｂ）を有し、前記Ｓｉの濃度の分布は、前記複数の井戸層（５２Ｂ）のうち前記ｎ型クラッド層（３０）側に位置する下側井戸層内に前記ピークを有する、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［７］前記ｎ型クラッド層（３０）と前記活性層（５０）との間に、前記ｎ型クラッド層（３０）側から前記活性層（５０）側に向かって傾斜するＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された第１の障壁層（５１ａ）をさらに備え、前記第１の障壁層（５１ａ）の厚さは、前記複数の障壁層（５１Ｂ）のうちのいずれかの障壁層又は前記複数の井戸層（５２Ｂ）のうちのいずれかの障壁層の厚さの３〜５倍である、前記［６］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［８］前記複数の井戸層（５２Ｂ）は、前記下側井戸層と、該下側井戸層よりも前記ｎ型クラッド層（３０）と反対側に位置する上側井戸層と、を備え、前記上側井戸層は、３．０ｎｍ以上の厚さを有するとともに、前記上側井戸層の厚さの１．５倍〜２．５倍の厚さを有している、前記［６］又は［７］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［９］前記Ｓｉの濃度の前記ピークの値は、１．０×１０^１８個／ｃｍ^３以上１．０×１０^２０個／ｃｍ^３以下である、前記［１］から［８］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［１０］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］から［９］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［１１］中心波長が２９５ｎｍから３６０ｎｍの深紫外光を発光する、前記［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）。
［１２］中心波長が２５０ｎｍから２９５ｎｍの深紫外光を発光する、前記［６］から［１０］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（２）。

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
１２…バッファ層
３０…ｎ型クラッド層
３０ａ…露出面
５０…活性層
５０Ａ…量子井戸構造
５０Ｂ…多重量子井戸構造
５１Ａ…１つの障壁層
５１Ｂ…複数の障壁層
５１ａ…第１の障壁層
５１ｂ…第２の障壁層
５１ｃ…第３の障壁層
５１ｄ…第４の障壁層
５２Ａ…１つの井戸層
５２Ｂ…複数の井戸層
５２ａ…第１の井戸層
５２ｂ…第２の井戸層
５２ｃ…第３の井戸層
６０…電子ブロック層
６１…第１の電子ブロック層
６２…第２の電子ブロック層
７０…ｐ型クラッド層
８０…ｐ型コンタクト層
９０…ｎ側電極
９２…ｐ側電極

Claims (7)

1. ｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層上に位置する、ＡｌＧａＮにより形成された活性層と、
   を備え、
   前記活性層は、複数の障壁層と複数の井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、
   前記活性層は、前記活性層の積層方向におけるＳｉの濃度分布において、最大値かつ極大値として現れる局所的なピークを有し、
   前記活性層の前記積層方向のＳｉの濃度分布において、前記ピークは、前記複数の井戸層のうち最も前記ｎ型クラッド層側に位置する下側井戸層内に存在し、
   前記活性層は、前記下側井戸層の前記ｎ型クラッド層側に隣り合う位置に形成された隣接障壁層を備え、
   前記活性層の前記積層方向のＳｉの濃度分布において、前記ピークは、前記複数の井戸層のうちの前記下側井戸層にのみ存在しており、かつ前記下側井戸層における前記隣接障壁層側の端部に位置している、
   窒化物半導体発光素子。
2. 前記複数の井戸層のそれぞれにおいて、前記積層方向の各位置のＡｌ組成比のうち最小のものを最小Ａｌ組成比としたとき、前記複数の井戸層は、前記ｎ型クラッド層から遠い井戸層ほど、前記最小Ａｌ組成比が小さい、
   請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に、前記ｎ型クラッド層側から前記活性層側に向かって傾斜するＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮにより形成された組成傾斜層をさらに備え、
   前記組成傾斜層の厚さは、前記複数の障壁層のうちのいずれかの障壁層又は前記複数の井戸層のうちのいずれかの井戸層の厚さの３〜５倍である、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記複数の井戸層は、前記下側井戸層と、該下側井戸層よりも前記ｎ型クラッド層と反対側に位置する上側井戸層と、を備え、
   前記下側井戸層は、３．０ｎｍ以上の厚さを有するとともに、前記上側井戸層の厚さの１．５倍〜２．５倍の厚さを有している、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ピークにおけるＳｉの濃度の値は、１．０×１０^１８個／ｃｍ^３以上１．０×１０^２０個／ｃｍ^３以下である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 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から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 中心波長が２５０ｎｍから２９５ｎｍの深紫外光を発光する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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