CN111668697B - 氮化物半导体元件 - Google Patents

氮化物半导体元件 Download PDF

Info

Publication number
CN111668697B
CN111668697B CN202010128267.4A CN202010128267A CN111668697B CN 111668697 B CN111668697 B CN 111668697B CN 202010128267 A CN202010128267 A CN 202010128267A CN 111668697 B CN111668697 B CN 111668697B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
composition
nitride semiconductor
region
change region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010128267.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111668697A (zh
Inventor
佐藤恒辅
岩谷素显
安江信次
荻野雄矢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2020000817A external-priority patent/JP7410508B2/ja
Application filed by Asahi Kasei Corp filed Critical Asahi Kasei Corp
Publication of CN111668697A publication Critical patent/CN111668697A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111668697B publication Critical patent/CN111668697B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2206—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on III-V materials
    • H01S5/221—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on III-V materials containing aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H01S5/3215—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities graded composition cladding layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2214—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on oxides or nitrides
    • H01S5/2215—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on oxides or nitrides using native oxidation of semiconductor layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H01S5/3213—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities asymmetric clading layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3427—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in IV compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0287—Facet reflectivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H01S5/04257—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration having positive and negative electrodes on the same side of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1039—Details on the cavity length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

提供高电流密度下的驱动中也不发生元件破坏的氮化物半导体元件。氮化物半导体元件具备由AlxGa(1‑x)N形成的氮化物半导体活性层和由Alx3Ga(1‑x3)N形成的组成变化层，该组成变化层与氮化物半导体活性层相比形成在更上部，且其Al组成比x3沿着远离氮化物半导体活性层的方向减少。组成变化层具有第一组成变化区域和第二组成变化区域，所述第一组成变化区域具有大于0nm且小于400nm的厚度，所述第二组成变化区域为与第一组成变化区域相比更远离氮化物半导体活性层的区域，在组成变化层的膜厚的厚度方向上的Al组成比x3的变化率大于第一组成变化区域，第一组成变化区域的Al组成比在膜厚的厚度方向上连续地变化。

Description

氮化物半导体元件
技术领域
本发明涉及氮化物半导体元件。
背景技术
已知具有Al组成沿着厚度方向而减少的由AlGaN形成的p型包层的氮化物半导体发光元件(例如，专利文献1及2)。专利文献1公开了：通过使p型AlGaN包层的Al组成进行组成倾斜，从而进行激光激发的阈值电流密度及阈值电压降低。专利文献2公开了：通过使p型包层的Al组成在p型包层的整个厚度范围内从电子阻挡层侧向p型接触层侧递减、并且将p型包层的Al组成在厚度方向的减少率设为0.01/nm以上且0.025/nm以下，从而可以得到具有长寿命的III族氮化物半导体发光元件。
另外，对于氮化物半导体发光元件、例如发光二极管(LED)而言，有时为了高输出化而流过大电流。或者，有时为了降低成本而使元件小型化。另外，例如就激光二极管而言，有时为了增大电流密度而减小电极面积。在上述所有情况下，均需要可耐受更高电流密度下的驱动的元件。特别是为了实现用波长小于380nm的紫外光的激光激发，需要比其更长波长的比氮化物半导体激光二极管更高的电流密度进行驱动。其原因在于，由于高品质的AlGaN薄膜的生长较为困难、限制光所必需的导电型的高Al组成的AlGaN的生长极为困难，从而激光激发所需要的阈值电流密度高。另外，特别是根据基于326nm以下的激光元件的光激发法的阈值(数kW/cm2至数10kW/cm2)进行推测时，至少1kA/cm2以上的电流密度为激光激发所必需的最低条件。对于发光二极管而言，为了兼顾可降低成本的小型化、通过高电流注入而实现的高输出化，也期望开发出可耐受1kA/cm2以上的电流密度的元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-98401号公报
专利文献2：日本特开2016-171127号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供在高电流密度下的驱动中也没有元件破坏的氮化物半导体元件。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明的一方式的氮化物半导体元件的特征在于，其具备活性层和由AlGaN形成的组成变化层，所述组成变化层与上述活性层相比形成在更上部，且其Al组成比沿着远离上述活性层的方向减少，上述组成变化层具有第一组成变化区域和第二组成变化区域，所述第一组成变化区域具有大于0nm且小于400nm的厚度，所述第二组成变化区域为比上述第一组成变化区域更远离上述活性层的区域，在上述组成变化层的膜厚的厚度方向上的Al组成比的变化率大于上述第一组成变化区域，上述第一组成变化区域的Al组成比在膜厚的厚度方向上连续地变化。
发明的效果
根据本发明的一方式，可以开发出在高电流密度下的驱动中也没有元件破坏的元件。
附图说明
图1为示意性示出本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件的概要构成的一例的立体图。
图2为示意性示出本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件的能带的一例的图。
图3为示出波导损耗相对于本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件所具备的第一氮化物半导体层的Al组成比的一例的图。
图4为示出波导损耗相对于构成本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件所具备的组成变化层的第一组成变化区域的膜厚的一例的图。
图5为示出波导损耗相对于构成本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件所具备的组成变化层的第一组成变化区域的规定端部的Al组成比的一例的图。
图6为示出波导损耗相对于构成本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件所具备的组成变化层的第二组成变化区域的膜厚的一例的图。
图7为示出波导损耗相对于构成本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件所具备的组成变化层的第二组成变化区域的规定端部的Al组成比的一例的图。
图8为示出波导损耗相对于本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件所具备的第二氮化物半导体层的膜厚的一例的图。
图9为示意性示出本发明的第2实施方式的氮化物半导体元件的概要构成的一例的立体图。
图10为示意性示出本发明的第2实施方式的氮化物半导体元件的能带的一例的图。
附图标记说明
1,2 氮化物半导体元件
11 基板
14 第一电极
15 第二电极
16a 共振器面
16b 背侧共振器面
17 脊部半导体层
31 第一氮化物半导体层
32,36 组成变化层
33 第二氮化物半导体层
34 电子阻挡层
35 发光部
311 第一层叠部
311a 上表面
312 第二层叠部
321,361 第一组成变化区域
312a，321a，361a 突出部
322,362 第二组成变化区域
351 下部导向层
352 氮化物半导体活性层
353 上部导向层
352a 阱层
352b 势垒层
具体实施方式
〔第1实施方式〕
作为本发明的一例的第1实施方式的氮化物半导体元件能够通过紫外光的电流注入而进行激光激发。因此，本实施方式的氮化物半导体元件可以应用于能发出紫外光的激光二极管。本实施方式的氮化物半导体元件可以得到例如波长为380nm至320nm的UVA、波长为320nm至280nm的UVB、波长为280nm至200nm的UVC的各区域的发光。
使用图1至图8说明本发明的第1实施方式的氮化物半导体元件。首先使用图1及图2说明本实施方式的氮化物半导体元件1的概要构成。
如图1所示，本实施方式的氮化物半导体元件1具备基板11、和设置在基板11的上方的由AlxGa(1-x)N形成的氮化物半导体活性层(活性层的一例)352。另外，氮化物半导体元件1具备由Alx3Ga(1-x3)N形成的组成变化层32，所述组成变化层32与氮化物半导体活性层352相比形成在更上部，且其Al组成比x3沿着远离氮化物半导体活性层352的方向减少。组成变化层32也是组成倾斜层，其Al组成比x3沿着远离氮化物半导体活性层352的方向连续地减少。组成变化层32具有第一组成变化区域321，所述第一组成变化区域321具有大于0nm且小于400nm的厚度。第一组成变化区域321的Al组成比在膜厚的厚度方向上连续地变化。第一组成变化区域321中可以含有Mg。在含有Mg的情况下，例如以1×1018cm-3的杂质浓度注入到第一组成变化区域321。另外，组成变化层32具有第二组成变化区域322，所述第二组成变化区域322为比第一组成变化区域321更远离氮化物半导体活性层352的区域，在组成变化层32的膜厚的厚度方向上的Al组成比x3的变化率大于第一组成变化区域321。第二组成变化区域322的Al组成比在膜厚的厚度方向上连续地变化。
氮化物半导体元件1在氮化物半导体活性层352的两侧中的未配置组成变化层32的一侧具有由Alx1Ga(1-x1)N形成的第一氮化物半导体层31。在此，氮化物半导体活性层352的两侧中的未配置组成变化层32的一侧例如为配置基板11的那一侧。
氮化物半导体元件1具备：设置在第一氮化物半导体层31与氮化物半导体活性层352之间的、由Alx4Ga(1-x4)N形成的下部导向层351；和，设置在氮化物半导体活性层352与组成变化层32之间的、由Alx4Ga(1-x4)N形成的上部导向层353。下部导向层351、氮化物半导体活性层352和上部导向层353合起来构成发光部35。需要说明的是，通常出于将光限制在导向层的目的而使用具有上部导向层353、下部导向层351的结构，氮化物半导体元件1为激光二极管。结构与氮化物半导体元件1类似但没有下部导向层351、上部导向层353的元件结构通常为发光二极管(LED)。
氮化物半导体元件1具备电子阻挡层34，其设置在第一组成变化区域321与上部导向层353之间。电子阻挡层34例如由Alx6Ga(1-x6)N形成。电子阻挡层34也可以设置在氮化物半导体活性层352与上部导向层353之间。或者，电子阻挡层34也可以按照将下部导向层351两等分的方式***。
氮化物半导体元件1具备膜厚大于0nm且小于100nm、与第二组成变化区域322邻接而层叠于组成变化层32的第二氮化物半导体层33。第二氮化物半导体层33例如由Alx2Ga(1-x2)N形成。
氮化物半导体元件1具备：与第二氮化物半导体层33接触而设置的第一电极14；和，与第一氮化物半导体层31的一部分接触而设置的第二电极15。
氮化物半导体元件1具备脊部半导体层17，所述脊部半导体层17由在设置于组成变化层32的第一组成变化区域321的一部分形成的突出部321a、设置于组成变化层32的第二组成变化区域322、和第二氮化物半导体层33构成。在脊部半导体层17上设置有第一电极14。
第一氮化物半导体层31具有：配置在基板11上的由Alx1Ga(1-x1)N形成的第一层叠部311；和，层叠在第一层叠部311上的由Alx1Ga(1-x1)N形成的第二层叠部312。在第一层叠部311的上表面311a的一部分配置有第二层叠部312。因此，第一层叠部311的上表面311a中存在未形成第二层叠部312的区域、和形成了第二层叠部312的区域。需要说明的是，第二层叠部312也可以层叠在第一层叠部311的整个上表面311a上。第二层叠部312具有突出部312a，所述突出部312a形成在第二层叠部312表面的一部分上。
氮化物半导体元件1具备AlN层30，该AlN层30形成在第一氮化物半导体层31与基板11之间，即基板11上。AlN层30是作为基底而配置的，目的是抑制第一氮化物半导体层31的形成材料即Alx1Ga(1-x1)N在使用常规薄膜生长装置即气相生长装置的成膜中产生裂纹。通过具有AlN层30，可抑制压缩应力作用于上层的AlGaN层、而使Alx1Ga(1-x1)N产生裂纹的情况。
氮化物半导体元件1具备共振器面16a，其至少包含第二层叠部312、发光部35、电子阻挡层34、组成变化层32及第二氮化物半导体层33的一侧面，所述共振器面16a设置在使光射向外部的方向的侧面。更具体而言，共振器面16a由平面构成，所述平面是由第二层叠部312的一侧面、发光部35的一侧面、电子阻挡层34的一侧面、组成变化层32的一侧面和第二氮化物半导体层33的一侧面形成的同一平面。另外，氮化物半导体元件1具备背侧共振器面16b，所述背侧共振器面16b至少包含与第二层叠部312、发光部35、电子阻挡层34、组成变化层32及第二氮化物半导体层33的一侧面相对的侧面，所述背侧共振器面16b设置在对共振器面16a所反射的光进行反射的侧面。需要说明的是，图1中用粗线示出了背侧共振器面16b的部分轮廓。更具体而言，背侧共振器面16b由平面构成，所述平面为由第二层叠部312的对侧面、发光部35的对侧面、电子阻挡层34的对侧面、组成变化层32的对侧面和第二氮化物半导体层33的对侧面形成的同一平面。
如上所述，氮化物半导体元件1具备基板11、层叠在基板11上的AlN层30、层叠在AlN层30上的第一氮化物半导体层31、层叠在第一氮化物半导体层31上的发光部35、层叠在发光部35上的电子阻挡层34、层叠在电子阻挡层34上的组成变化层32、层叠在组成变化层32上的第二氮化物半导体层33、形成在第二氮化物半导体层33上的第一电极14、和形成在第一氮化物半导体层31上的第二电极15。
在AlN层30上配置有第一氮化物半导体层31的第一层叠部311。在第一氮化物半导体层31的第二层叠部312的突出部312a上配置有发光部35的下部导向层351，在第二层叠部312的未形成突出部312a的规定区域配置有第二电极15。在构成发光部35的上部导向层353上配置有电子阻挡层34。在组成变化层32的第二组成变化区域322上配置有第二氮化物半导体层33。
参照图1且使用图2来说明具有这种层叠结构的氮化物半导体元件1的带隙结构。在图2中的上部示意性示出氮化物半导体元件1的导带及价带的能量图。在图2中的下部与该带隙结构对应地示意性示出氮化物半导体元件1的层叠结构。在图2中示意性示出构成氮化物半导体活性层352的阱层352a及势垒层352b。需要说明的是，图2中省略了设置在下部导向层351与阱层352a之间的势垒层及设置在上部导向层353与阱层352a之间的势垒层的图示。
如图2所示，与阱层352a的价带能级和阱层352a的导带能级的级差的相当的能量差为发光所需要的光能El。在激光二极管中，在共振中传导光的是发光部35。在氮化物半导体元件1中，为了将光限制在发光部35，发光部35以折射率高于作为发光部35的上层和下层的第二层叠部312以及电子阻挡层34及组成变化层32的方式而形成。若氮化物半导体为例如AlGaN，则Al组成比率越高，折射率越降低，在氮化物半导体元件1中的AlGaN层叠结构中，发光部35、特别是负责传导光的下部导向层351按照Al组成比率高于第二层叠部312以及电子阻挡层34及组成变化层32的方式而形成。此时，能量图则如图2所示，注入的电子、空穴的载流子也被限制在能量比发光部35的上层和下层、即第二层叠部312以及电子阻挡层34及组成变化层32更低的发光部35。在此，组成变化层32的一部分、图2中为相当于第二组成变化层的第二组成变化区域322按照Al组成比率比下部导向层351更低的方式而配置。这是由于，在第一组成变化区域321具有足够的膜厚和低折射率、从而光不会漏到第二组成变化区域322的情况下，可以为了注入电流而有意地降低Al组成比率。这种情况下，后述的内部损耗不会增加。另外，对于作为尤其是在激光二极管中会增大激发阈值的因素之一的内部损耗，关系到薄膜中的光吸收或光在传导路径中行进时向传导路径外泄露而导致的减少。在为该结构的情况下，由构成发光层、即氮化物半导体活性层352的阱层352a得到发光，该光的能量为光能El。氮化物半导体元件1对光的吸收发生在带隙能量小于光能El的半导体层或光能El与带隙能量相同的半导体层中。在光能El与带隙能量的关系如图2所示时，第二氮化物半导体层33则成为吸收光的层。即，在氮化物半导体元件1中，第二氮化物半导体层33可成为光吸收层。
通常，在氮化物半导体中，电子的迁移率高于空穴的迁移率。因此，通过按照氮化物半导体活性层352侧的组成变化层32的Al组成比x3高于第一氮化物半导体层31的Al组成比x1的方式来设计，可防止电子向由p型半导体构成的组成变化层32侧溢流。并且按照电子阻挡层34的Al组成比x6也高于第一氮化物半导体层31的Al组成比x1的方式来设计。由此可防止电子向组成变化层32侧溢流。
氮化物半导体元件1按照与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部处的Al组成比x3高于上部导向层353的Al组成比x4的方式而构成。即，氮化物半导体元件1按照第一组成变化区域321整体的Al组成比x3高于上部导向层353的Al组成比x4的方式而构成。因此，与上部导向层353相比，组成变化层32整个层的折射率降低，组成变化层32具有通过下部导向层351及上部导向层353限制发光部35中发出的光、不使该光传播到包含吸收层的第二氮化物半导体层33及第一电极14的效果。
氮化物半导体元件1通过具备具有将膜厚调整为最适值的第一组成变化区域321的组成变化层32，从而兼顾了将光限制在发光部35和即使是高电流密度下的驱动也不会发生元件破坏。
氮化物半导体元件1按照与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的组成变化层32的端部(即，与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第二组成变化区域322的端部)处的Al组成比x3高于氮化物半导体活性层352的阱层352a的Al组成比x5(低于上部导向层353的Al组成比x4)的方式而构成。即，按照在第二组成变化区域322的整个区域中Al组成比x3高于阱层352a的Al组成比x5(低于上部导向层353的Al组成比x4)的方式而构成。因此，如图2所示，第二组成变化区域322整体的带隙能量高于阱层352a的带隙能量。即，与元件发光的光能El相比，第二组成变化区域322的带隙能量更大。由此，氮化物半导体元件1可实现对组成变化层32中的光吸收的抑制。
氮化物半导体元件1按照第二氮化物半导体层33的Al组成比x2比与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第二组成变化区域322的端部处的Al组成比x3低的方式而构成。因此，如图2所示，第二氮化物半导体层33的价带能级低于与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第二组成变化区域322的端部的导带能级。由此，氮化物半导体元件1中，第二氮化物半导体层33与第一电极14(参照图1)的接触电阻降低，可实现低电压化。
然后，参照图1及图2并且使用图3至图8来说明构成氮化物半导体元件1的各构成要件的细节。
(基板)
作为形成基板11的材料的具体例，可列举Si、SiC、MgO、Ga2O3、Al2O3、ZnO、GaN、InN、AlN、或这些的混晶等。从组装的角度，基板11优选薄且具有四边形的形状，但不限于此。另外，从生长出高品质的晶体的观点出发，基板的偏角(Off angle)优选为大于0度且小于2度。关于基板11的膜厚，若是出于在上层堆叠AlGaN层的目的则没有特别限制，优选为50微米以上且1毫米以下。基板11是为了支撑上层薄膜及提高结晶性、向外部散热而使用的。因此，优选使用作为可以使AlGaN高品质生长、导热率高的材料的AlN基板。基板11的晶体品质没有特别限制，为了在上层形成具有高的发光效率的元件薄膜，穿透位错密度优选为1×109cm-2以下，更优选为1×108cm-2以下。关于基板的生长面，通常使用的+c面AlN由于低成本而较佳，但是也可以为-c面AlN、半极性面基板或非极性面基板。从增大极化掺杂效果的观点出发，优选+c面AlN。
(AlN层)
AlN层30形成于基板11的整面。AlN层30在本例中具有数微米(例如1.6μm)的厚度，但不限于该值。具体而言，AlN层30的膜厚优选为大于10nm且小于10μm。通过使AlN层30的膜厚大于10nm，从而可以制作结晶性高的AlN，通过使AlN层30的膜厚小于10μm，从而能够在晶圆的整面中生长出没有裂纹的晶体。AlN层30可以具有更优选大于50nm且小于5μm的膜厚。通过使AlN层30的膜厚大于50nm，从而可以再现性良好地制作结晶性高的AlN，通过使AlN层30的膜厚小于5μm，能够生长出裂纹产生概率低的晶体。在使用AlN作为基板11的形成材料时，关于AlN层30与基板11之间的差异，由于为相同材料，因此AlN层30与基板11的边界变得不清晰。在本实施方式中，在基板11由AlN形成的情况下，即使基板11上未层叠AlN层也视为氮化物半导体元件1具有AlN层。AlN层30以比第一氮化物半导体层31更薄的方式形成，但不限于此。在第一氮化物半导体层31比AlN层30厚的情况下，可以在抑制裂纹的范围内将第一氮化物半导体层31尽量厚膜化，因此第一氮化物半导体层31的薄膜层叠的水平方向的电阻降低，可以实现低电压驱动的氮化物半导体元件1。若实现了氮化物半导体元件1的低电压驱动，则能够进一步抑制高电流密度驱动下的由发热导致的破坏。AlN层30与第一氮化物半导体层31之间的晶格常数差及热膨胀系数差小，可以在AlN层30上生长出缺陷少的氮化物半导体层。进而，AlN层30可以在压缩应力下使第一氮化物半导体层31生长，可以抑制第一氮化物半导体层31产生裂纹的情况。在基板11由GaN、AlN及AlGaN等氮化物半导体形成的情况下，由于上述理由而可以在基板11上生长出缺陷少的氮化物半导体层。因此，在基板11由GaN、AlN及AlGaN等氮化物半导体形成的情况下，也可以不设置AlN层30。另外，在其它基板上，也可以直接在基板上形成高品质的AlGaN而不具有AlN。AlN层30中可以混入碳、硅、铁、镁等杂质。
(第一氮化物半导体层)
构成第一氮化物半导体层31的第一层叠部311的形成材料可列举Alx1Ga(1-x1)N(0＜x1＜1)。可利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定第一氮化物半导体层的Al组成比率。关于剖面，使用聚焦离子束(FIB)装置使沿着AlGaN的a面的剖面露出。作为剖面的观察方法，使用透射型电子显微镜。观察倍率相对于所测定的层的膜厚设为x1000倍/nm。例如，在观察膜厚100nm的层时，以100000倍的倍率进行观察，在观察膜厚1μm的层时，以1000000倍的倍率进行观察。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量的Al、Ga的摩尔数的值进行定义。另外，形成第一层叠部311的Alx1Ga(1-x1)N中，可以包含P、As、Sb之类的N以外的V族元素以及C、H、F、O、Mg、Si等杂质。通过由Alx1Ga(1-x1)N来形成第一层叠部311，从而使第一层叠部311的上表面311a中的、未形成第二层叠部312的区域由AlGaN来形成。第一层叠部311可以含有作为III族元素的除Al、Ga以外的例如B、In，但是在包含B、In的位置会形成缺陷、产生耐久性变化，因此优选不含Al、Ga以外的III族元素。在本实施方式中，第一层叠部311为例如n型半导体。在将第一层叠部311设为n型半导体的情况下，例如通过掺杂(例如1×1019cm-3)Si使第一层叠部311进行n型化。在将第一层叠部311设为p型半导体的情况下，例如通过掺杂(例如3×1019cm-3)Mg而使第一层叠部311进行p型化。第一层叠部311与第二电极15之间可以直接接触，也可以如隧道结那样借助不同的层而连接。在由n型半导体构成的第一氮化物半导体层31与第二电极15形成隧道结的情况下，在第一氮化物半导体层31与第二电极15之间存在p型半导体。因此，第二电极15优选为例如Ni与Au的层叠电极或合金化的金属，以便与该p型半导体形成欧姆结。在此，后述的组成变化层32使用Al较少的AlGaN，因此例如在基板为+c面蓝宝石的情况下，组成变化层32通过极化而成为p型半导体。若使用-c面蓝宝石，则组成变化层32通过极化而成为n型半导体。从制作PN二极管的观点出发，在使用+c面蓝宝石的情况下，第二层叠部312为n型半导体，在使用-c面蓝宝石的情况下，第二层叠部312为p型半导体。
构成第一氮化物半导体层31的第二层叠部312位于第一层叠部311上，并且形成在第一层叠部311的一部分。第二层叠部312也可以形成在第一层叠部311的上表面311a的整面。为了向发光部35供给电子或空穴，第二层叠部312可以具有导电性。第二层叠部312的厚度没有特别限制。例如，可以为了降低第二层叠部312的电阻而为100nm以上，从抑制形成第二层叠部312时产生裂纹的观点出发，可以为10μm以下。
形成第二层叠部312的材料可列举Alx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤1)。形成第二层叠部312的Alx1Ga(1-x1)N的Al组成比x1可以与第一层叠部311的上表面311a的Alx1Ga(1-x1)N的Al组成比x1相同，也可以小于上表面311a的Alx1Ga(1-x1)N的Al组成比x1。由此，能够抑制在第一层叠部311与第二层叠部312的层叠界面处产生缺陷。另外，形成第二层叠部312的材料中，可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
在本实施方式中，第二层叠部312为例如n型半导体。在第二层叠部312为n型半导体的情况下，例如可通过掺杂1×1019cm-3的Si而进行n型化。在第二层叠部312为p型半导体的情况下，例如可通过掺杂3×1019cm-3的Mg而进行p型化。杂质浓度在层整体中可以相同也可以不均匀，另外，既可以仅在膜厚方向上不均匀，也可以仅在基板水平方向上不均匀。
在此，使用图3说明第一氮化物半导体层31的Al组成比x1及膜厚。图3为示出波导损耗相对于设置在氮化物半导体元件1上的第一氮化物半导体层31的Al组成比x1的一例的图。图3中的横轴表示第一氮化物半导体层31的Al组成比x1(％)，纵轴表示波导损耗(cm-1)。
表1示出用于得到图3及后述的图4～图8所示的图的、氮化物半导体元件1的电流及发光模拟的基本模型。在该模拟中，假定氮化物半导体元件1为激光二极管。表1的第1行所示的“层的名称”表示构成氮化物半导体元件1的各层，“Al组成比(％)”以百分率来示出形成“层的名称”栏中记载的各层的AlGaN的Al组成比。表1的第1行所示的“膜厚(nm)”表示“层的名称”栏中记载的各层的膜厚(单位为纳米(nm))。表1的第1行所示的“掺杂(cm-3)”表示注入到“层的名称”栏中记载的各层中的杂质的种类及浓度。需要说明的是，在对应于未注入杂质的层的“掺杂(cm-3)”栏中记载“-”。表1的第1行所示的“电子迁移率(cm2/Vs)”表示“层的名称”栏中记载的各层中的电子迁移率，“空穴迁移率(cm2/Vs)”表示“层的名称”栏中记载的各层中的空穴迁移率。表1的“Al组成比(％)”栏中的对应于第二组成变化区域的位置中所记载的“50→0”表示第二组成变化区域的Al组成比从第一组成变化区域侧的端部向第二氮化物半导体层侧的端部由50％变为0％。表1的“Al组成比(％)”栏中的对应于第一组成变化区域的位置中所记载的“80→50”表示第一组成变化区域的Al组成比从电子阻挡层侧的端部向第二组成变化区域侧的端部由80％变为50％。在模拟中，使用了STRCorporation公司的SiLENSe LD Edition。
【表1】
Figure BDA0002395071620000141
为了得到图3及后述的图4～图8所示的图，在表1所示的电流模拟的基本模型的基础上，设定以下各参数作为激光模拟模型。氮化物半导体元件1的共振器宽度、即脊部半导体层17的宽度设为3μm。另外，氮化物半导体元件1的共振器长度、即共振器面16a与背侧共振器面16b之间的长度设为500μm。进一步地，共振器面16a及背侧共振器面16b各自的反射率设为18％。
将共振器(即，发光部35)的波导损耗设为αi，将共振器的长度(即，共振器面16a与背侧共振器面16b之间的距离)设为L，将光取出侧的共振器面16a的反射率设为Rf，将并非光取出侧的背侧共振器面16b的反射率设为Rr，将镜面损耗(mirror loss)设为αm，将激发阈值增益设为gth，则镜面损耗可以用以下的式(1)来表示，激发阈值增益可以用以下的式(2)来表示。
Figure BDA0002395071620000142
Figure BDA0002395071620000143
如式(2)所示，氮化物半导体元件1可以通过减小波导损耗αi及镜面损耗αm来实现激发阈值增益gth的降低。通过使增益g超过将波导损耗αi与镜面损耗αm相加而得的光学损耗，从而氮化物半导体元件1实现激发。达到激发的增益g为激发阈值增益gth。激发电流密度的阈值(以下有时称为“阈值电流密度”)Jth除了受激发阈值增益gth影响以外，还受到内部效率、光限制系数、氮化物半导体活性层352的膜厚的影响，所述内部效率表示由外部电源注入到氮化物半导体元件1的载流子中向光子进行能量变换的效率，所述光限制系数表示氮化物半导体元件1中的基板垂直方向的光强度分布中的与阱层352a的重叠比例。但是，已确认在后述的实施例中氮化物半导体元件1的内部效率及光限制系数为固定值。同样地，已确认在后述的实施例中镜面损耗αm恒定，为34.3cm-1。另外，关于活性层的膜厚，在该实施例中在全部设计中均采用相同的膜厚。即，对于用于激发的阈值电流密度Jth，波导损耗αi成为决定性因子，在后述的实施例中，αi越低的元件，阈值电流密度Jth越低，可以称之为优选的元件。
如图3所示，第一氮化物半导体层31的Al组成比x1越高则波导损耗αi越大。在模拟中，第一氮化物半导体层31的Al组成比低于50％的区域中未确认到激光激发，第一氮化物半导体层31的Al组成比为80％以上的区域中无电流流过，未能确认到激光激发。
在氮化物半导体元件1的模拟中可确认：若第一氮化物半导体层31的Al组成比x1比与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部处的Al组成比x3高0.05以上且不足0.3，则氮化物半导体元件1激发。因此，第一氮化物半导体层31例如按照Al组成比高于与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部的方式来形成即可。即，第一氮化物半导体层31的Al组成比x1高于第一组成变化区域321的两端部中的、第二组成变化区域322侧的端部的Al组成比x3即可。第一氮化物半导体层31的Al组成比x1更优选为0.05以上且0.1以下。通过使第一氮化物半导体层31的Al组成比x1在该范围内，尤其可以降低激发阈值，而且无需将第一氮化物半导体层31的Al组成比率提高到必要程度以上。由此，可以降低第一氮化物半导体层31与第一电极14之间的接触电阻、及第一氮化物半导体层31的半导体的电阻，因此可以降低氮化物半导体元件1的驱动电压。通过降低氮化物半导体元件1的驱动电压，可以减少发热量，可以实现更高的电流密度，可以实现高输出的发光元件、低阈值的激光二极管。
通过使作为第一氮化物半导体层31的形成材料的Alx1Ga(1-x1)N的Al组成比x1大于0.2，能够在第一氮化物半导体层31与下部导向层351之间形成组成差异。而且，容易在下部导向层351与第二氮化物半导体层33之间形成组成差异。如上所述，下部导向层351需要使Al组成小于第一氮化物半导体层31的第二层叠部312，因此，从限制光的观点出发，在制造工序中必需控制性良好地形成组成差异。
作为第一氮化物半导体层31的形成材料的Alx1Ga(1-x1)N的Al组成比x1可以小于1。通常，无论是使用SiC、蓝宝石、ZnO等种类不同的基板还是使用AlN基板，在紫外受发光元件中，通常会在这些基板的上层堆叠与基板上所堆叠的III族氮化物半导体进行假晶格匹配(pseudomorphic)的AlN。因此，堆叠在基板上的该AlN与第一氮化物半导体层31之间的晶格常数差小，能够生长高品质的晶体。
(下部导向层)
下部导向层351形成在第一氮化物半导体层31的第二层叠部312上。下部导向层351与第二层叠部312有折射率差异，以便将氮化物半导体活性层352所发出的光限制在发光部35。作为形成下部导向层351的材料，可列举AlN、GaN的混晶。形成下部导向层351的材料的具体例为Alx4Ga(1-x4)N(0＜x4＜1)。可利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定下部导向层的Al组成比率。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量出的Al、Ga的摩尔数的值来定义。形成下部导向层351的Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4可以小于形成第二层叠部312的Alx1Ga(1-x1)N的Al组成比x1。由此，下部导向层351的折射率大于第二层叠部312，能够将氮化物半导体活性层352所发出的光限制在发光部35。另外，形成下部导向层351的材料中，可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素以及In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
在下部导向层351为n型半导体的情况下，例如可以通过掺杂1×1019cm-3的Si而n型化。在下部导向层351为p型半导体的情况下，例如可以通过掺杂3×1019cm-3的Mg而p型化。下部导向层351可以仅在膜厚方向的一部分具有掺杂剂。即，在下部导向层351的膜厚方向的一部分中，可以将n型半导体与无掺杂层组合、或者将p型半导体与无掺杂层组合。下部导向层351可以为无掺杂层。下部导向层351可以具有使组成倾斜的结构。例如，下部导向层351可以具有使Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4连续或阶梯状地从0.6变化为0.5的层结构。下部导向层351的厚度没有特别限制。为了将来自氮化物半导体活性层352的发光有效地限制在发光部35，下部导向层351的厚度可以为10nm以上，另外，从降低下部导向层351的电阻的观点出发，下部导向层351的厚度可以为2μm以下。下部导向层351可以在可实现将光限制在发光部35的目的的范围内具有成为阻挡层的AlGaN层。这是为了与后述的电子阻挡层34同样地阻挡载流子。
(氮化物半导体活性层)
氮化物半导体活性层352是得到氮化物半导体元件1的发光的层。即，氮化物半导体活性层352为发光层。作为形成氮化物半导体活性层352的材料，可列举AlN、GaN及其混晶。形成氮化物半导体活性层352的材料的具体例为AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)。为了将由第一电极14及第二电极15注入的载流子高效地限制在发光部35，氮化物半导体活性层352的AlxGa(1-x)N的Al组成比x可以小于下部导向层351的Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4。例如，氮化物半导体活性层352可以由Al组成比x满足0.2≤x＜1的关系的AlxGa(1-x)N形成。另外，形成氮化物半导体活性层352的材料中，可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
在氮化物半导体活性层352为n型半导体的情况下，例如可以通过掺杂1×1019cm-3的Si而n型化。在氮化物半导体活性层352为p型半导体的情况下，例如可以通过掺杂3×1019cm-3的Mg而p型化。氮化物半导体活性层352也可以为无掺杂层。
氮化物半导体活性层352可以具有例如由Alx5Ga(1-x5)N形成的阱层352a(参照图2)和与阱层352a邻接设置且由例如Alx4Ga(1-x4)N形成的势垒层352b(参照图2)，可以具有由阱层352a(参照图2)与势垒层352b一层一层交替层叠而成的多层量子阱(MQW：MultipleQuantum Well)结构。阱层352a的Al组成比x5小于下部导向层351及上部导向层353各自的Al组成比x4。另外，阱层352a的Al组成比x5小于势垒层352b的Al组成比x4。在本实施方式中，势垒层352b的Al组成比x4与下部导向层351及上部导向层353各自的Al组成比x4相同，但是也可以高于或低于下部导向层351及上部导向层353各自的Al组成比x4。阱层352a及势垒层352b的平均Al组成比成为氮化物半导体活性层352的Al组成比x。通过使氮化物半导体元件1具有多层量子阱结构的氮化物半导体活性层352，从而可以实现氮化物半导体活性层352的发光效率、发光强度的提高。可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定阱层352a及势垒层352b的Al组成比率。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量出的Al、Ga的摩尔数的值进行定义。氮化物半导体活性层352可以具有例如“势垒层/阱层/势垒层/阱层/势垒层”之类的二层量子阱结构。这些阱层各自的膜厚可以为例如4nm，这些势垒层各自的膜厚可以为例如8nm，氮化物半导体活性层352的膜厚可以为32nm。多层量子阱层的量子阱数可以为1层(即，不是多层量子阱，而是单量子阱)、2层、3层、4层、5层。出于增加1个阱层内的载流子密度的目的，优选单个阱层。
若使构成氮化物半导体活性层352的阱层352a的形成材料、即Alx5Ga(1-x5)N的Al组成比x5满足0.2≤x5＜1的关系，则上述本发明的效果高。在阱层352a的Al组成比x5小于0.2时，从提高氮化物半导体元件1的发光效率的观点及降低驱动电压的观点出发，优选第一氮化物半导体层31、组成变化层32及第二氮化物半导体层33的Al组成比x2的最大值为0.2以上且值尽量小。这是由于，若氮化物半导体元件1的各层Al组成比变大，则理论上驱动二极管所需要的驱动电压变大、以及第一氮化物半导体层31与第二电极15之间的接触电阻及第二氮化物半导体层33与第一电极14之间的接触电阻变大，从而使驱动电压变大。若氮化物半导体元件1的驱动电压变大，则发热量变大而容易发生高电流密度下的元件破坏，因此不优选。但是，在Al组成小的情况下，第一组成变化区域321与第二组成变化区域322之间的Al组成差异变小，从Al组成差异越大则越生成容易附着的空穴气体的观点出发是不利的。在氮化物半导体活性层352的形成材料的AlxGa(1-x)N的Al组成比x为1的情况下，不能使氮化物半导体活性层352由AlGaN形成阱结构，因此难以限制载流子及光，在发光二极管(LED)的情况下发光效率低，在半导体激光(LD)的情况下无法实现激光激发。另外，由于氮化物半导体元件1具备AlN层30，因此，在第一组成变化区域321的Al组成比x3小于0.2时，为了避免氮化物半导体活性层352中的晶格弛豫，优选在氮化物半导体活性层352下的生长中在由于内部应力而使其三维生长的生长条件下进行生长。在未使用该三维生长的生长条件时，在氮化物半导体活性层352的生长中会发生弛豫，失配位错等抑制发光的缺陷增加，因此发光效率容易下降。通过用阱层352a的Al组成比x5满足0.2≤x5＜1的关系的AlxGa(1-x)N形成氮化物半导体活性层352，从而与氮化物半导体活性层352相比在更下层发生弛豫，从而抑制氮化物半导体活性层352中的晶格弛豫，由此可以抑制发光效率下降，并且通过使阱层352a的形成材料的Al组成比x5小于1而容易将载流子运送到氮化物半导体活性层352，因此发光效率的下降得到抑制。
(上部导向层)
上部导向层353形成在氮化物半导体活性层352上。上部导向层353与第二氮化物半导体层33有折射率差异，以便将氮化物半导体活性层352所发出的光限制在发光部35。作为形成上部导向层353的材料，可列举AlN、GaN及其混晶。形成上部导向层353的材料的具体例为Alx4Ga(1-x4)N(0≤x4≤1)。可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定上部导向层353的Al组成比率。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量出的Al、Ga的摩尔数的值进行定义。上部导向层353的Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4可以大于阱层352a的Alx5Ga(1-x5)N的Al组成比x5。由此，能够将载流子限制在氮化物半导体活性层352。另外，形成上部导向层353的材料中可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。
在上部导向层353为n型半导体的情况下，例如可以通过掺杂1×1019cm-3的Si而n型化。在上部导向层353为p型半导体的情况下，例如可以通过掺杂3×1019cm-3的Mg而p型化。上部导向层353也可以为无掺杂层。上部导向层353可以具有使Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4倾斜的结构。例如，上部导向层353可以具有使Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4连续或阶梯状地从0.5变化为0.6的层结构。上部导向层353的厚度没有特别限制。为了将来自氮化物半导体活性层352的发光有效地限制在发光部35，上部导向层353的厚度可以为10nm以上。另外，从降低上部导向层353的电阻的观点出发，上部导向层353的厚度可以为2μm以下。上部导向层353及下部导向层351各自的Alx4Ga(1-x4)N(0≤x4≤1)的Al组成比x4可以为相同的值，也可以为不同的值。
(电子阻挡层)
电子阻挡层34例如由Alx6Ga(1-x6)N形成。在第二层叠部312为n型半导体、组成变化层32为p型半导体的情况下，电子阻挡层34优选为p型半导体，更优选注入有Mg。例如，Mg以1×1018cm-3的杂质浓度被注入到电子阻挡层34中。由此，电子阻挡层34被p型化而构成p型半导体。电子阻挡层34也可以不添加Mg。电子阻挡层34中不添加Mg会使电子阻挡层34的导电性下降，但是特别是在激光二极管中可以抑制由吸收导致的内部损耗增加，因此能够降低阈值电流密度Jth。在组成变化层32中的空穴浓度低的情况下，氮化物半导体元件1存在如下可能性：从第一氮化物半导体层31侧流入的电子不是全部被注入到氮化物半导体活性层352，部分电子流向组成变化层32侧。于是存在氮化物半导体元件1的电子注入效率下降、难以充分提高发光效率的可能性。因此，本实施方式在发光部35与组成变化层32之间设置有电子阻挡层34。电子阻挡层34可以将从第一氮化物半导体层31侧流入、但未注入氮化物半导体活性层352中的电子反射并注入到氮化物半导体活性层352中。由此，氮化物半导体元件1的电子注入效率升高，因此可以实现发光效率的提高。
从阻挡电子的观点出发，要求电子阻挡层34的势垒高度尽可能高。但是，若过度提高势垒高度则元件电阻变大，引起氮化物半导体元件1的驱动电压增加、在不破坏氮化物半导体元件1的范围内可达到的最大电流密度下降。因此，电子阻挡层34的势垒高度具有最适值。电子阻挡层34的Al组成比x6的优选范围为：Al组成比率与氮化物半导体活性层352的Al组成比x4相比高0.3以上且不足0.55。在该处的组成差异为0.55的情况下，可见元件电阻增加的现象，在小于0.3时，可见元件绝缘化的现象。作为不足0.3则绝缘化的理由，可推测如下：由于下部导向层351与电子阻挡层34之间的Al组成差异而产生的二维电子气、和在第一组成变化区域321层中产生的三维空穴气借助电子阻挡层34而相互扩散，结果导致载流子猝灭，在电子阻挡层34的周围形成耗尽层。可认为其原因是，若氮化物半导体活性层352与电子阻挡层34的组成差异小于0.3，则特别是在下部导向层351侧产生的电子气容易向组成变化层32侧扩散。另外，从抑制裂纹的产生的观点出发，优选电子阻挡层34的Al组成比x6小于1。
在本实施方式中，形成电子阻挡层34的Alx6Ga(1-x6)N的Al组成比x6设为与形成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最大值相同的值。可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定电子阻挡层34的Al组成比率。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量出的Al、Ga的摩尔数的值进行定义。另外，电子阻挡层34有时也被配置在氮化物半导体活性层352与上部导向层353之间。另外，有时也按照将下部导向层351分割的方式将电子阻挡层34配置在下部导向层351中。另外，电子阻挡层34有时也被配置在下部导向层351与氮化物半导体活性层352之间。另外，有时在这些配置位置中配置多个电子阻挡层34。电子阻挡层34可以由单一的Al组成形成，也可以为使Al组成重复高组成和低组成而成的超晶格结构。电子阻挡层34的厚度可以为0nm，即没有电子阻挡层34。作为电子阻挡层34的膜厚范围，优选为0nm以上且50nm以下。电子阻挡层34的膜厚为50nm以下则元件电阻低、驱动电压低。电子阻挡层34的膜厚更优选为0nm以上且30nm以下，进一步优选为2nm以上且20nm以下。电子阻挡层34的膜厚越小则越可以降低元件电阻，因此可以抑制氮化物半导体元件1的驱动电压的增加，若电子阻挡层34的膜厚大于2nm，则可以发挥电子阻挡效果、提高内部效率，从提高发光输出的观点出发是优选的。
(组成变化层)
组成变化层32的一部分构成脊部半导体层17的一部分。即，形成在组成变化层32的第一组成变化区域321的突出部321a及第二组成变化区域322构成脊部半导体层17的一部分。在本实施方式中，突出部321a被配置在第一组成变化区域321中的、尽可能靠近第二电极15的距离。即，脊部半导体层17被配置在偏第二电极15侧。通过使脊部半导体层17靠近第二电极15，从而氮化物半导体元件1中的电流路径缩短，因此可以降低氮化物半导体元件1中所形成的电流路径的电阻值。由此，可以降低氮化物半导体元件1的驱动电压。但是，从光刻的再现性的观点出发，突出部321a及脊部半导体层17优选与台面端相距1μm以上。也可以与配置于中央的一侧偏离而形成。
在此，对构成组成变化层32的第一组成变化区域321进行说明。构成第一组成变化区域321的AlGaN可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。另外，构成第一组成变化区域321的AlGaN可以包含Si作为n型半导体的掺杂剂、包含Mg作为p型半导体的掺杂剂。第一组成变化区域321为Al组成比率连续地减少的区域，在+c面生长时通过极化而产生空穴。在这种情况下，第一组成变化区域321可以包含Mg作为掺杂剂。在-c面生长时，通过极化而产生电子。在这种情况下，第一组成变化区域321可以包含Si作为掺杂剂。第一组成变化区域321可以为不含作为掺杂剂的Si、Mg的无掺杂层。通过将第一组成变化区域321设为无掺杂层，可以抑制由杂质引起的光吸收，能够降低激光二极管中的内部损耗。另外，在发光二极管中，也可以通过抑制光吸收而提高光取出效率、提高发光效率。第一组成变化区域321的AlGaN的电子阻挡层34侧的Al组成比率与电子阻挡层34的Al组成比率可以相同，也可以更高或更低。在第一组成变化区域321的AlGaN的电子阻挡层34侧的Al组成比率与电子阻挡层34的Al组成比率相同的情况下，从抑制相间的势垒的观点出发，可以制作二极管的上升电压最低的元件，因此适合于例如以低压驱动的低耗电元件。在第一组成变化区域321的AlGaN的电子阻挡层34侧的Al组成比率高于电子阻挡层34的Al组成比率的情况下，可以提高Al组成比率在第一组成变化区域321内的层内变化率，因此可以通过极化掺杂来提高载流子密度。在这种情况下，可以降低元件电阻，因此适合于例如在大电流下以大电压驱动的高输出发光元件、阈值电流密度Jth高的激光二极管。在第一组成变化区域321的AlGaN的电子阻挡层34侧的Al组成比率低于电子阻挡层34的Al组成比率的情况下，通过利用由于电子阻挡层34与第一组成变化区域321之间的Al组成比率差异而产生的二维空穴气，在电流值小的低载流子密度时也可以实现高的内部效率，因此适合于在低电流下也需要高的发光特性的发光二极管。可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定组成变化层32的组成变化。具体而言，在具有相对于被判断为组成变化层32的层的膜厚的最多1/10以下的距离的分辨率的条件下，对作为对象的层内实施具有10个以上的测定点的测定。在Al组成比率相对于膜厚呈线性的情况下，视为该结构连续。此时，作为线性的定义，对将作为测定结果而得到的Al组成比率相对于膜厚作图而得的图实施线性回归，此时至少3个以上的测定点的Al组成比率有差异且判定系数为0.95以上。需要说明的是，若将判定系数设为R2，则判定系数可以用以下的式(3)来定义。
Figure BDA0002395071620000241
在式(3)中，yi表示测定点i的Al组成比率，ey表示相对于全部测定点的Al组成比率的平均值，f(xi)表示位于回归直线的位置xi处的预测值。将测定点中的最接近活性层的测定点认为是第一测定点，随着远离活性层而依次定义为第二测定点、第三测定点、(以下以此类推)。
若在所选择的膜厚内判定系数为0.7以上且小于0.95，则不符合第一组成变化区域的定义。这种情况下，在为了进行测定而选择的膜厚内，存在第一组成变化区域改变倾斜率(即，变化率)而多级堆叠的可能性，因此减小选择膜厚而重新实施测定。将判定系数为0.95以上的最大膜厚定义为第一组成变化区域的膜厚。同样地，若所选择的膜厚内判定系数为0.7以上且小于0.95，则不符合第一组成变化区域的定义。这种情况下，存在膜厚范围过小、从而测定的不是第一组成变化区域的Al组成的倾斜率(即，变化率)而是测定误差、通常的薄膜生长时的Al组成偏差的可能性，因此增大选择膜厚而重新实施测定。在重新进行测定时，若在更厚的膜厚中存在判定系数为0.95以上的膜厚，则将其定义为第一组成变化区域的膜厚。在该膜厚大于0nm且小于400nm时，视为第一组成变化区域。
在这一定义之下，实际上，由Al组成的组成差异发生变化的微区域和Al组成的组成差异恒定的微区域组合而成的阶梯状较小的阶梯结构、Al组成连续地变化且倾斜率(即，变化率)也连续地变化的结构中，一部分也被包含在本发明中。在考虑本发明的效果的情况下，这些结构应包含在本发明中，因此定义为本发明中的第一组成变化区域。以下记载的组成变化层也同样地定义。
然后，记载与以下所述的第二组成变化区域的区别。例如，组合有Al组成比率连续地从0.9减少到0.5的厚度220nm的第1层、和Al组成比率连续地从0.5减少到0.3的厚度30nm的第2层的结构当然可定义为本发明的第一组成变化区域及第二组成变化区域。在EDX测定中例如从第1层中取9个测定点、从第2层中取1个测定点的情况下，存在因测定点的选择的不同而使回归曲线的判定系数为0.95以上的情况。这种情况下，所选择的第一组成变化区域的膜厚区域有误。当可以在更薄的膜厚下按照上述定义区分第一组成变化区域和第二组成变化区域的倾斜率(即，变化率)的情况下，则定义为本发明所包括的、组合有第一组成变化区域和第二组成变化区域的结构。将上述所确定的回归直线的斜率定义为第一组成变化区域的Al组成比率相对于膜厚的变化率。
参照图1及图2且使用图4说明第一组成变化区域321的膜厚。图4为示出波导损耗相对于氮化物半导体元件1中所设置的组成变化层32的第一组成变化区域321的膜厚的模拟结果的一例的图。图4中的横轴表示第一组成变化区域321的膜厚(nm)，纵轴表示波导损耗(cm-1)。另外，就该模拟结果而言，按照内部效率、光限制系数几乎没有变化且氮化物半导体活性层352的膜厚相同的设计实施，因此波导损耗αi成为阈值电流密度Jth的决定性因子。
如式(2)所示，波导损耗αi越小则氮化物半导体元件的激发阈值增益gth越降低。因此，从激发氮化物半导体元件1的观点出发，第一组成变化区域321的膜厚可以为0nm至400nm。如图4所示，从该模拟结果中发现，第一组成变化区域321为150nm以上则波导损耗降低，在400nm以上则值几乎不变。即，就激光二极管特性而言优选150nm以上。另外，虽然在模拟中可以计算，但是实际上若第一组成变化区域321的膜厚为400nm以上的厚度，则第一组成变化区域321的电阻变高，驱动电压增加导致发热量增加，容易引起氮化物半导体元件1的破坏。即，第一组成变化区域321需要比400nm薄。另外，如后所述，即使第一组成变化区域321为厚度大于0nm且小于150nm的区域，也能够实现1kA/cm2以上的高电流密度。就不需要限制光的例如发光二极管(LED)而言，可以制作即使第一组成变化区域321的膜厚大于0nm且小于150nm也能够实现高电流密度的良好的元件，因此有效果。就激光二极管而言，第一组成变化区域321的膜厚进一步优选为150nm以上且小于400nm。从进一步降低波导损耗αi的观点出发，第一组成变化区域321的膜厚更优选为200nm以上且小于400nm。进一步地，从降低波导损耗αi的观点出发，第一组成变化区域321的膜厚更优选为300nm以上且小于400nm。
然后说明氮化物半导体元件1的基于最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率的观点的第一组成变化区域321的膜厚。为了研究氮化物半导体元件1的基于该观点的第一组成变化区域321的膜厚，实际制作元件，并对第一组成变化区域321测定最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率。需要说明的是，为了方便说明该测定，测定中使用的氮化物半导体元件及氮化物半导体元件的构成要素均使用本实施方式的氮化物半导体元件1及氮化物半导体元件1的构成要素的符号。
在测定氮化物半导体元件1的最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率时，对于与氮化物半导体元件1具有相同构成且改变第一组成变化区域321的膜厚的5种样品，各制作54个样品。具体为第一组成变化区域321的膜厚为40nm的样品A1、该膜厚为75nm的样品A2、该膜厚为245nm的样品A3、该膜厚为374nm的样品A4及该膜厚为404nm的样品A5这5种。样品A1～A5的氮化物半导体元件1的各层组成等参数与上述表1所示的电流模拟的基本模型基本相同，除了第一组成变化区域的膜厚以外，以下的参数不同。
(1)第二组成倾斜层的膜厚：75nm
(2)氮化物半导体活性层的发光层的Al组成比：35％
(3)第一氮化物半导体层的膜厚：3000μm
(4)AlN层的膜厚：1600nm
使用从第一电极14向着第二电极15并流入氮化物半导体元件1的电流I、和第一电极14与第二氮化物半导体层33相接触的面积S，如以下的式(4)那样定义氮化物半导体元件1中的电流密度J。需要说明的是，式(4)用电流密度J、电流I及面积S这些符号来表示。
J＝I÷S···(4)
氮化物半导体元件1的最大电流密度Jmax如下算出：通过以规定间隔分阶段地增加施加于第一电极14与第二电极15之间的施加电压Va的电压值，从而使流过氮化物半导体元件1的电流I的电流量逐渐增大，基于氮化物半导体元件1即将被破坏前的电流值来算出氮化物半导体元件1的最大电流密度Jmax。在算出最大电流密度Jmax时，若氮化物半导体元件1的电压电流特性从常规二极管曲线偏离则判定为氮化物半导体元件1被破坏。具体而言，在对得到最大电流密度Jmax的测定点的下一个测定点实施测定时，电压下降，电流值极端地增大。另外，将基于即将从该二极管曲线偏离前(前1个)的测定点的电流I的电流密度定义为最大电流密度Jmax。进一步地，将氮化物半导体元件1的电流电压特性即将从常规二极管曲线偏离前(前1个)的施加电压Va定义为最大电流时电压Vmax。通过利用脉冲宽度为50nsec、脉冲周期为500μs的脉冲信号的施加电压Va的脉冲测定，来评价氮化物半导体元件1的电流电压特性。
对于样品A1～A6，将54个氮化物半导体元件1中的满足以下的合格品条件的氮化物半导体元件1的比例定义为电气合格品收率。
＜合格品条件＞
在将电流I的上限设为20mA的状态下，进行在第一电极14与第二电极15之间从0V到20V的电压扫描的CW(连续波，Continuous Wave)测定，3V下的电流值为1mA以上且20mA的电压值为7V以下。
表2示出相对于第一组成变化区域321的膜厚的最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率的测定结果。表2的第1行所示的“样品”表示测定中使用的氮化物半导体元件1的样品的种类。表2的第1行所示的“第一组成变化区域的厚度[nm]”表示测定中使用的氮化物半导体元件1中所设置的第一组成变化区域321的膜厚(大括号内为膜厚的单位)。表2的第1行所示的“最大电流密度[kA/cm2]”表示测定中使用的54个氮化物半导体元件1各自的最大电流密度的平均值(大括号内为单位)。表2的第1行所示的“最大电流时电压[V]”表示分别施加于测定中使用的54个氮化物半导体元件1的最大电流时电压的平均值(大括号内为单位)。表2的第1行所示的“电气合格品收率[％]”表示按照测定中使用的样品的种类分类的电气合格品收率(大括号内为单位)。
【表2】
Figure BDA0002395071620000281
如表2所示，样品A1的氮化物半导体元件1与样品A2～A5的氮化物半导体元件1相比，第一组成变化区域321的膜厚最薄。因此，样品A1的氮化物半导体元件1的第一组成变化区域321的阻挡电子效果弱，因此容易发生泄露不良。这表明，不仅电子阻挡层34，第一组成变化区域321层也有助于阻挡电子。由此，样品A1的氮化物半导体元件1即使在高电流注入下会由于泄露而被破坏、不会流过高电流，最大电流密度Jmax为1.15kA/cm2，与样品A2～A4的氮化物半导体元件1相比降低。但是，最大电流密度Jmax高于1kA/cm2，因此样品A1的氮化物半导体元件1也具有本发明的效果。另外，样品A1的氮化物半导体元件1的电气合格品收率为6(％)，在样品A1～A5的氮化物半导体元件1中电气合格品收率最低。即，样品A1的氮化物半导体元件1在样品A1～A5的氮化物半导体元件1中最容易发生泄露不良。
样品A5的氮化物半导体元件1与样品A1～A4的氮化物半导体元件1相比，第一组成变化区域321的膜厚最厚。因此，样品A5的氮化物半导体元件1与样品A1～A4的氮化物半导体元件1相比为高电阻，因此通电中的施加电压Va变高，容易发生热破坏。因此，样品A5的氮化物半导体元件1的最大电流密度Jmax为0.39kA/cm2，难以实现1kA/cm2以上的高电流密度。
在样品A1～A5的氮化物半导体元件1的第一组成变化区域321的膜厚的范围中，样品A3的氮化物半导体元件1具有膜厚几乎处于中间的第一组成变化区域321。因此，样品A3的氮化物半导体元件1与样品A1的氮化物半导体元件1相比，第一组成变化区域321的阻挡电子的效果提高，不易发生泄露不良。另外，样品A3的氮化物半导体元件1与样品A5的氮化物半导体元件1相比，氮化物半导体元件1的电阻低，因此通电中的施加电压Va变低，不易发生热破坏。于是，样品A3的氮化物半导体元件1的、第一组成变化区域321的阻挡电子的效果与氮化物半导体元件1的电阻值的平衡变得良好。其结果是，样品A3的氮化物半导体元件1的最大电流密度Jmax为47kA/cm2，容易流过高电流，并且电气合格品收率为93％，与样品A1、A2、A4、A5的氮化物半导体元件1相比提高。
可耐受最大电流密度Jmax为1kA/cm2的电流密度的氮化物半导体元件1、即最大电流密度Jmax为1kA/cm2的氮化物半导体元件1可以减少元件面积。另外，若由激光激发的阈值进行换算，激光激发需要1kA/cm2以上的电流密度。因此，更优选氮化物半导体元件1可耐受1kA/cm2以上的电流密度、例如5kA/cm2或10kA/cm2的电流密度。
于是，从激发、最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率的观点出发，氮化物半导体元件1中设置的第一组成变化区域321存在最适的膜厚。通过使第一组成变化区域321的膜厚比0nm更厚，从而发生泄露不良的氮化物半导体元件1减少。因此，第一组成变化区域321的膜厚需要比0nm厚。另外，若第一组成变化区域321的膜厚为400nm以上，发生通电破坏不良的氮化物半导体元件1会增加。因此，第一组成变化区域321的膜厚需要比400nm薄。因此，本实施方式的氮化物半导体元件1中，第一组成变化区域321例如具有大于0nm且小于400nm的厚度即可。
另外，根据氮化物半导体元件1的动作模拟，若第一组成变化区域321的膜厚为150nm以上且小于400nm，可以确认到激光激发。因此，氮化物半导体元件1可以具有膜厚为150nm以上且小于400nm的第一组成变化区域321。另外，根据氮化物半导体元件1的动作模拟，若第一组成变化区域321的膜厚为200nm以上且小于400nm，可确认到波导损耗αi降低、因此激发阈值增益gth降低。因此，氮化物半导体元件1可以具有膜厚为200nm以上且小于400nm的第一组成变化区域321。进一步地，根据氮化物半导体元件1的动作模拟，若第一组成变化区域321的膜厚为300nm以上且小于400nm，可确认波导损耗αi降低、因此激发阈值增益Jth降低，且αi为固定值、因此激发阈值增益Jth为固定值。因此，氮化物半导体元件1可以具有膜厚为300nm以上且小于400nm的第一组成变化区域321。若激发阈值增益Jth为固定值，则即使制造时第一组成变化区域321的膜厚产生偏差，氮化物半导体元件1也不易产生激发不良。由此，可以实现氮化物半导体元件1的制造成品率的提高。需要说明的是，若第一组成变化区域321的膜厚小于150nm，在模拟中氮化物半导体元件1虽然发光但不能激发。
然后，参照图1及图2并使用图5来说明第一组成变化区域321的Al组成比x3。图5为示出波导损耗相对于设置于氮化物半导体元件1的组成变化层32的第一组成变化区域321的规定端部的Al组成比的模拟结果的一例的图。第一组成变化区域321的规定端部为与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部。换言之，第一组成变化区域321的规定端部为与第二组成变化区域322接触的那一侧的端部。图5中的横轴表示第一组成变化区域321的规定端部的Al组成比(％)，纵轴表示波导损耗(cm-1)。
如图5所示，第一组成变化区域321的规定端部的Al组成比x3越大则波导损耗αi越变小。另外，就该模拟结果而言，按照内部效率、光限制系数几乎没有变化且镜面损耗αm为34.3cm-1也为固定值、氮化物半导体活性层352的膜厚相同的设计而实施，因此波导损耗αi成为激发阈值增益gth的决定性因子。
波导损耗αi越小，则氮化物半导体元件的电流的激发阈值增益gth越降低。因此，在本计算中，第一组成变化区域321的Al组成比x3需要为例如50％以上。即，第一组成变化区域321的规定端部的Al组成比x3的下限值成为例如50％(0.5)。这与下部导向层351及上部导向层353的Al组成比x4一致。即，若第一组成变化区域321的规定端部的Al组成比x3的下限值不大于下部导向层351及上部导向层353的Al组成比x4，则不能有效地将光限制在下部导向层351及上部导向层353中，波导损耗αi变大。考虑氮化物半导体元件1的导电性来决定第一组成变化区域321的规定端部的Al组成比x3的上限值。在本实施方式中，第一组成变化区域321的Al组成比x3的上限值设为例如80％。
另外，在+c面蓝宝石基板上生长相对于上述样品A3的薄膜结构而言仅仅将电子阻挡层的Al组成比率设为1、将第一组成变化区域的Al组成比率从1减少为0.5的薄膜结构，结果从2英寸基板的周围端至一半的区域中可见裂纹。我们认为，这是由于第一组成变化区域的导向层侧的Al组成比率高，从而在拉伸应力作用下生成了裂纹。基于此，本发明中，第一组成变化区域的导向层侧的端面的Al组成可以为0.2以上且1以下，可以优选为0.5以上且小于1，可以更优选为0.5以上且0.8以下。需要说明的是，可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定第一组成变化层的导向层侧的端面的Al组成比率。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量出的Al、Ga的摩尔数的值进行定义。这种情况下，定义用于定义第一组成变化区域的膜厚的回归直线，将其所定义的膜厚范围区域中最靠近导向层侧的位置处的、回归直线所示的Al组成比率定义为第一组成变化区域的导向层侧的端面的Al组成比率。
与氮化物半导体活性层352(参照图1)的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部的Al组成比x3可以与上部导向层353的Al组成比x4相同或更高。与氮化物半导体活性层352(参照图1)的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部为第一组成变化区域321的膜厚方向上的两端部中的未配置上部导向层353那一侧的端部。另外，换言之，与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部为第一组成变化区域321的膜厚方向上的两端部中的处于与第二组成变化区域322的边界侧的端部。与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第一组成变化区域321的端部可以按照Al组成比x3比上部导向层353的Al组成比x4高例如10％以上的方式形成。通过由此将第一组成变化区域321的该端部的Al组成比x3设定为高于上部导向层353的Al组成比x4，可以降低波导损耗αi，因此氮化物半导体元件1可以进一步降低激发阈值增益gth。可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定第一组成变化层的第二组成变化层侧的端面的Al组成比率。Al组成比率可以定义为Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和的比率，具体而言，可以使用由EDX分析及定量出的Al、Ga的摩尔数的值进行定义。这种情况下，定义用于定义第一组成变化区域的膜厚的回归直线，将其所定义的膜厚范围的区域中最靠近第二组成变化区域侧的位置处的、回归直线所示的Al组成比率定义为第一组成变化区域的第二组成变化区域侧的端面的Al组成比率。
然后说明构成组成变化层32的第二组成变化区域322。首先，参照图1及图2并使用图6说明第二组成变化区域322的膜厚。图6为示出波导损耗相对于设置于氮化物半导体元件1的组成变化层32的第二组成变化区域322的膜厚的模拟结果的一例的图。图6中的横轴表示第二组成变化区域322的膜厚(nm)，纵轴表示波导损耗(cm-1)。
如图6所示，第二组成变化区域322的膜厚越薄则波导损耗αi越变小。另外，就该模拟结果而言，按照内部效率、光限制系数几乎没有变化且镜面损耗αm为34.3cm-1也为固定值、氮化物半导体活性层352的膜厚相同的设计而实施，因此波导损耗αi成为激发阈值增益gth的决定性因子。
波导损耗αi越小则氮化物半导体元件的激发阈值增益gth越降低。因此，从激发氮化物半导体元件1的观点出发，第二组成变化区域322的膜厚可以为130nm以下。
氮化物半导体元件1中，第二组成变化区域322为对于从第一电极14向第一组成变化区域321注入载流子而言的必需构成要素。构成第二组成变化区域322的AlGaN可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。另外，构成第二组成变化区域322的AlGaN可以包含作为n型半导体的掺杂剂的Si、作为p型半导体的掺杂剂的Mg。第二组成变化区域321为Al组成比率连续地减少的区域，在+c面生长时通过极化而产生空穴。这种情况下，第二组成变化区域322可以包含Mg作为掺杂剂。在-c面生长时，通过极化而产生电子。这种情况下，第二组成变化区域322可以包含Si作为掺杂剂。第二组成变化区域可以为不包含作为掺杂剂的Si、Mg的无掺杂层。通过将第二组成变化区域322设为无掺杂层，可以抑制由杂质引起的光吸收，能够降低激光二极管中的内部损耗。另外，在发光二极管中，也可以通过抑制光吸收而提高光取出效率、提高发光效率。第二组成变化区域322可以与第一组成变化区域321直接接触。另外，可以在第一组成变化区域321与第二组成变化区域322之间包含例如组成恒定的作为AlN与GaN的混晶的AlGaN层。第二组成变化区域322的第一组成变化区域321侧的Al组成比率可以与第一组成变化区域321的第二组成变化区域322侧的Al组成比率相同，也可以更高或更低。第二组成变化区域322的第一组成变化区域321侧的Al组成比率优选与第一组成变化区域321的第二组成变化区域322侧的Al组成比率相同或更低。这种情况下，通过使第一组成变化区域321与第二组成变化区域322之间的势垒消失，可以制作二极管的上升电压低的元件，因此适合于低耗电元件。与第一组成变化区域321的组成变化同样地，可以利用剖面结构的能量色散型X射线分析(EDX)来确定第二组成变化区域322的组成变化。具体而言，在具有相对于被判断为第二组成变化区域322的层的膜厚的最多1/10以下的距离的分辨率的条件下，在作为对象的层内实施具有10个以上的测定点的测定。在Al组成比率相对于膜厚呈线性的情况下，视为该结构的Al组成比率连续地变化。此时，作为线性的定义，与第一组成变化区域321同样地进行定义。
然后描述第二组成变化区域322与其它层的区别。例如，具有组合有Al组成比率从0.5连续地减少为0的厚度75nm的第3层和Al组成比率为0、固定的厚度50nm的第4层的结构的层当然可被定义为本发明的第二组成变化区域322。在EDX测定中例如从第3层中取9个测定点、从第4层中取1个测定点的情况下，存在因测定点的选择的不同而使回归曲线的判定系数为0.95以上的情况。这种情况下，所选择的第二组成变化区域322的膜厚区域有误。当在更薄的膜厚下存在按照上述定义而相当于第二组成变化区域322的层的情况下，则将该层定义为本发明中所含的第二组成变化区域322。将通过上述而确定的回归直线的斜率定义为第二组成变化区域322的Al组成比率相对于膜厚的变化率。
第二组成变化区域322的Al组成比率相对于膜厚的变化率(倾斜率)需要大于第一组成变化区域321的变化率。这是由于，第二组成变化区域322的作用为使电流有效地流向第一组成变化区域321且抑制后述的由漏光引起的内部损耗增加。在存在多个相当于第二组成变化区域322的层的情况下，该多个层中的每一层只要满足第二组成变化区域322的定义则视为为本发明的结构。
在第一组成变化区域321的Al组成比率和第二组成变化区域322的Al组成比率连续地变化时，作为第一组成变化区域321与第二组成变化区域322相接触的界面处的Al组成比率的定义，定义为上述所定义的第一组成变化区域321的回归直线与第二组成变化区域322的回归直线的交点处的Al组成比率。
第二组成变化区域322有可能包含Al组成比比下部导向层351及上部导向层353的Al组成比x4更低的层。该层有使发光部35所发出的光泄露到第二组成变化区域322、第二氮化物半导体层33及第一电极14的风险。另外，第二组成变化区域322有可能包含Al组成比比氮化物半导体活性层352的阱层352a的Al组成比更低的层。该层有吸收发光部35所发出的光的可能性。为了减少由Al组成比比下部导向层351及上部导向层353的Al组成比x4更低的层引起的漏光，需要使第二组成变化区域322尽量薄。因此，为了实现本发明，第二组成变化区域322需要通过使组成变化率大于第一组成变化区域321而薄膜化。另外，根据用于得到图6所示的特性的模拟结果，在第二组成变化区域322的膜厚比200nm更薄时，确认到氮化物半导体元件1的激发。因此，在氮化物半导体元件1中，第二组成变化区域322可以具有大于0nm且小于200nm的厚度。为了降低氮化物半导体元件1的电阻而降低驱动电压、减小发热量、抑制氮化物半导体元件1的破坏，优选第二组成变化区域322的膜厚更薄。
另外，为了降低激发阈值增益gth，氮化物半导体元件1可以具有以大于0nm且小于150nm的膜厚而形成的第二组成变化区域322。另外，为了大幅降低激发阈值增益gth，氮化物半导体元件1可以具有以大于0nm且小于100nm的膜厚而形成的第二组成变化区域322。进一步地，为了提高第二组成变化区域322的组成变化(即，组成倾斜)的再现性，氮化物半导体元件1可以具有以大于10nm且为100nm以下的膜厚而形成的第二组成变化区域322。
然后，参照图1及图2并使用图7说明第二组成变化区域322的Al组成比x3。图7为示出波导损耗相对于设置于氮化物半导体元件1的组成变化层32的第二组成变化区域322的规定端部的Al组成比x3的模拟结果的一例的图。第二组成变化区域322的规定端部为与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第二组成变化区域322的端部。换言之，第二组成变化区域322的规定端部为与其和第一组成变化区域321的边界侧处于相反侧的端部。再换一种说法，第二组成变化区域322的规定端部为与第二氮化物半导体层33相接触的那一侧的端部。图7中的横轴为第二组成变化区域322的，另外，就该模拟结果而言，按照内部效率、光限制系数几乎没有变化且镜面损耗αm为34.3cm-1也为固定值、氮化物半导体活性层352的膜厚相同的设计而实施，因此波导损耗αi成为激发阈值增益gth的决定性因子。
如图7所示，在第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3为0％至30％的范围内，Al组成比x3越大则波导损耗αi越变小。另外，在第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3为30％以上的范围内，波导损耗αi大体上为固定值。另一方面，镜面损耗αm不依赖于第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3，为34.3cm-1，大体上为固定值。波导损耗αi不依赖于第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3且比镜面损耗αm更小。
波导损耗αi越小则氮化物半导体元件的激发阈值增益gth越降低。因此，从激发的观点出发，第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3大于0即可。但是，若第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3为0.5以上(即，50％以上)，则组成变化层32与第二氮化物半导体层33之间的电阻值变高，变得不能对发光部35进行电流注入。因此，与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第二组成变化区域322的端部(即，规定端部)的Al组成比x3可以为0以上且小于0.5。另外，为了更容易向组成变化层32注入载流子、更容易流通电流，第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3可以大于0且为0.3以下(即，30％以下)。进一步地，第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3可以为0.1以上且0.3以下(10％以上且30％以下)。若第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3为该范围，则如图7所示，氮化物半导体元件1的波导损耗αi变低，因此可以降低激发阈值增益gth(参照式(2))。在此，作为第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比率的定义，定义为按照上述方法所定义的膜厚范围中的、距离第一组成变化区域最远的点的Al组成比率。
然后，说明氮化物半导体元件1的基于最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率的观点的第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比。为了研究氮化物半导体元件1的基于该观点的第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3，与第一组成变化区域321同样地对第二组成变化区域322测定最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率。需要说明的是，为了方便说明该测定，测定中使用的、除了作为比较例的氮化物半导体元件之外的氮化物半导体元件及氮化物半导体元件的构成要素均使用本实施方式的氮化物半导体元件1及氮化物半导体元件1的构成要素的符号。
在测定氮化物半导体元件1的最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率时，对于与氮化物半导体元件1具有相同构成且改变第二组成变化区域322的Al组成比x3的2种样品，各制作54个样品。具体为第二组成变化区域322的膜厚为75nm且Al组成比x3从50％变化为0％的样品B1、该膜厚为35nm且Al组成比x3从50％变化为30％的样品B2这2种。进一步地，作为比较例，制作54个除了不具有第二组成变化区域322之外与氮化物半导体元件1具有相同构成的样品B3的氮化物半导体元件。样品B1及B2的氮化物半导体元件1、以及样品B3的氮化物半导体元件的各层的组成等参数与上述表1所示的电流模拟的基本模型大体上相同，但是除了第二组成变化区域的膜厚以外，以下的参数不同。
(1)第一组成变化区域的膜厚：75nm
(2)氮化物半导体活性层的发光层的Al组成比：35％
(3)第一氮化物半导体层的膜厚：3000μm
(4)AlN层的膜厚：1600nm
最大电流密度Jmax、最大电流时电压Vmax及电气合格品收率的算出方法与上述第一组成变化区域的膜厚依赖的测定相同，因此省略说明。
表3示出相对于第二组成变化区域322的膜厚的最大电流密度、最大电流时电压及电气合格品收率的测定结果。表3的第1行所示的“样品”表示测定中使用的氮化物半导体元件的样品的种类。表3的第1行所示的“第二组成变化区域的Al组成比[％]”表示设置于测定中使用的氮化物半导体元件的第二组成变化区域的Al组成比。“第二组成变化区域的Al组成比[％]”的栏中记载的“50→0”表示第二组成变化区域的Al组成比从第一组成变化区域侧的端部向第二氮化物半导体层侧的端部从50％变化为0％。因此，在样品B1的氮化物半导体元件1中，第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3成为0％。“第二组成变化区域的Al组成比[％]”的栏中记载的“50→30”表示第二组成变化区域的Al组成比从第一组成变化区域侧的端部向第二氮化物半导体层侧的端部从50％变化为30％。因此，在样品B2的氮化物半导体元件1中，第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3成为30％。样品B3的氮化物半导体元件不具有第二组成变化区域，因此对应于样品B3的“第二组成变化区域的Al组成比[％]”的栏中记载为“无”。
表3的第1行所示的“第二组成变化区域的厚度[nm]”表示设置于测定中使用的氮化物半导体元件的第二组成变化区域的膜厚(大括号内为膜厚的单位)。样品B3的氮化物半导体元件不具有第二组成变化区域，因此对应于样品B3的“第二组成变化区域的厚度[nm]”的栏中记载了“-”，其表示无第二组成变化区域的厚度的意思。
表3的第1行所示的“Al组成比的变化率[％/nm]”表示设置于测定中使用的氮化物半导体元件的第二组成变化区域的Al组成比的变化率(大括号内为该变化率的单位)。Al组成比的变化率通过将第二组成变化区域的Al组成比的变化量除以第二组成变化区域的膜厚而求出。更具体而言，Al组成比的变化率为AlGaN中的Al的摩尔数相对于Al与Ga的摩尔数之和、即Al的组成比率沿着组成变化层32的厚度方向的变化比例。就样品B1的氮化物半导体元件1而言，第二组成变化区域的Al组成比的变化量为50％(＝50-0)，第二组成变化区域的膜厚为75nm，因此Al组成比的变化率成为0.67％/nm(＝50/75)。就样品B2的氮化物半导体元件1而言，第二组成变化区域的Al组成比的变化量为20％(＝50-30)，第二组成变化区域的膜厚为35nm，因此Al组成比的变化率成为0.57％/nm(＝20/35)。样品B3的氮化物半导体元件不具有第二组成变化区域，因此对应于样品B3的“Al组成比的变化率[％/nm]”的栏中记载“-”，其表示无第二组成变化区域的组成变化率的意思。另外，样品B3的氮化物半导体元件的电气合格品收率为0％，没有可以测定最大电流密度及最大电流时电压的样品。因此，在分别对应于样品B3的“最大电流密度[kA/cm2]”及“最大电流时电压[V]”的栏中记载“-”，其表示无可以测定最大电流密度及最大电流时电压的样品。
表3的第1行所示的“最大电流密度[kA/cm2]”表示测定中使用的54个氮化物半导体元件各自的最大电流密度的平均值(大括号内为单位)。表3的第1行所示的“最大电流时电压[V]”表示分别施加于测定中使用的54个氮化物半导体元件的最大电流时电压的平均值(大括号内为单位)。表3的第1行所示的“电气合格品收率[％]”表示按照测定中使用的样品的种类分类的电气合格品收率(大括号内为单位)。
【表3】
Figure BDA0002395071620000391
若减小第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3，则该端部处的半导体的能带隙变小(参照图2)。若带隙能量小于阱层352a，则入射到氮化物半导体元件1的光在第二组成变化区域322中被吸收。因此，为了抑制光的吸收，第二组成变化区域322以第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3尽可能大的方式而形成。但是，若第二组成变化区域322的规定端部处的Al组成比x3变大，则如表3所示，有最大电流密度及电气合格品收率下降的倾向(参照样品B1及样品B2的测定结果)。
因此，从最大电流密度、电气合格品收率及上述激发的观点考虑，在本实施方式的氮化物半导体元件1中，例如按照Al组成比x3为0以上且小于0.5的方式来形成与氮化物半导体活性层352的配置侧处于相反侧的第二组成变化区域322的端部(即，规定端部)。
于是，组成变化层32由Alx3Ga(1-x3)N形成且Al组成比x3沿着远离氮化物半导体活性层352的方向而减少。在本实施方式中，组成变化层32中，第一组成变化区域321及第二组成变化区域322的Al组成比x3均连续地减少(参照图2)。决定组成变化层32的组成的Al组成比x3可以基于在组成变化层32的厚度方向上氮化物半导体活性层352侧的区域的Al组成比x3的变化率小于第二氮化物半导体层33侧的区域的前提、在0以上且1以下(0≤x3≤1)的范围内变化。因此，组成变化层32具有下述结构中的任一种：Al组成比x3在大于0且小于1的范围内变化的仅由Alx3Ga(1-x3)N形成的结构、Al组成比x3在大于0且为1以下的范围内变化的由AlN及Alx3Ga(1-x3)N形成的结构、Al组成比x3在0以上且小于1的范围内变化的由Alx3Ga(1-x3)N及GaN形成的结构、以及Al组成比x3在0以上且为1以下的范围内变化的由AlN、Alx3Ga(1-x3)N及GaN形成的结构。
组成变化层32的Al组成比的变化率大于0.1％/nm。通过将Al组成比的变化率规定在该范围内，可以在缓和能量的倾斜的同时使由于极化掺杂而产生的空穴分散在组成变化层32内。由此，可以高效地向氮化物半导体活性层352运送空穴，可以制作发光效率高的氮化物半导体元件1。将构成组成变化层32的第一组成变化区域321的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最小值设为y1、将最大值设为y2。另外，将构成组成变化层32的第二组成变化区域322的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最小值设为z1、将最大值设为z2。于是，组成变化层32的氮化物半导体活性层352侧的端部由Aly2Ga(1-y2)N形成，第一组成变化区域321和第二组成变化区域322相邻而形成的情况下，处于第一组成变化区域321与第二组成变化区域322的边界部的第一组成变化区域321的端部由Aly1Ga(1-y1)N形成。需要说明的是，该边界部的第一组成变化区域321和第二组成变化区域322的Al组成比可以通过上述方法来确定。另外，组成变化层32的、处于第一组成变化区域321与第二组成变化区域322的边界部的第二组成变化区域322的端部由Alz2Ga(1-z2)N形成，与氮化物半导体活性层352侧处于相反侧(即，第二氮化物半导体层33侧)的端部由Alz1Ga(1-z1)N形成。第一组成变化区域321的Al组成比x3的最小值y1与第二组成变化区域322的Al组成比x3的最大值z2可以一致，也可以不同。从尽量避免形成能量势垒的观点出发，第一组成变化区域321的Al组成比x3的最小值y1与第二组成变化区域322的Al组成比x3的最大值z2一致、或该最大值z2小于该最小值y1的方式较好。
组成变化层32按照下述方式来形成：在氮化物半导体活性层352侧的端部与处于第一组成变化区域321和第二组成变化区域322的边界部的第一组成变化区域321的端部之间、即第一组成变化区域321中，Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3从氮化物半导体活性层352侧向所述边界部那一侧连续地变小。另外，组成变化层32按照下述方式来形成：在处于第一组成变化区域321与第二组成变化区域322的边界部的第二组成变化区域322的端部和与氮化物半导体活性层352侧处于相反侧的端部之间、即第二组成变化区域322中，Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3从所述边界部那一侧向氮化物半导体活性层352侧的相反侧连续地变小。第一组成变化区域321的Al组成比x3的变化率小于第二组成变化区域322的Al组成比x3的变化率。在此，变化率是指Al组成比率相对于膜厚的倾斜比例。即，变化率的单位的一例为例如“Al％/nm”。
在本实施方式中，相邻且相互接触地形成了第一组成变化区域321与第二组成变化区域322，但是，氮化物半导体元件1也可以在第一组成变化区域321与第二组成变化区域322之间具有中间层。该中间层可以具有例如组成不变的AlwGa1-wN(0＜w＜1)、组成不变的AlwGa1-wN和组成不变的AlvGa1-vN(0＜v＜w＜1)层叠而成的结构(在多级的情况下，相当于超晶格结构)等。当该中间层具有层叠结构时，从避免形成能量势垒的观点出发，优选满足z2≤v＜w≤y1的关系，但不限于此。当该中间层具有层叠结构时，作为Al组成比w及Al组成比v的一例，可以是w为0.6、v为0.4。另外，该中间层可以为p型半导体，也可以为n型半导体，还可以无掺杂。
在这种于第一组成变化区域321与第二组成变化区域322之间设置有中间层的情况下，使用图5而说明的第一组成变化区域321的规定端部成为与该中间层接触的那一侧的端部。通过使组成变化层32具有这种中间层，可以使第二组成变化区域322进一步远离上部导向层353。由此，发光部35所发出的光不易漏到第二组成变化区域322，因此可以降低波导损耗。设置在第一组成变化区域321及第二组成变化区域322之间的中间层的Al组成比可以高于阱层352a。进一步地，设置于第一组成变化区域321与第二组成变化区域322之间的中间层的Al组成比可以高于上部导向层353。第一组成变化区域321与该中间层的接触面及该中间层与第二组成变化区域322的接触面的Al组成比可以相同，也可以不同，为了进行载流子注入，Al组成比可以按照第一组成变化区域321、该中间层及第二组成变化区域322的顺序逐渐地提高。
在本实施方式中，如上所述，构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最小值z1可以为0以上且小于0.5。另外，构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最小值z1可以与氮化物半导体活性层352的阱层352a(参照图2)的Al组成比相同或更高。由此，可以抑制组成变化层32吸收来自阱层352a的发光的情况，降低激光二极管的内部损耗，提高发光二极管的光取出效率。构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最小值z1为第二组成变化区域322的Al组成比x3的最小值z1。因此，第二组成变化区域322的Al组成比x3的最小值z1可以与氮化物半导体活性层352的阱层352a的Al组成比相同或更高。即，第二组成变化区域322的区域整体的Al组成比可以与氮化物半导体活性层352的阱层352a的Al组成比相同或更高。
构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3在第一组成变化区域321中的最小值y1可以在大于最小值z1的前提下为0.5以上。构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3在第一组成变化区域321中的最小值y1可以与构成上部导向层353的Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4相同或更高。通过使最小值y1取与Alx4Ga(1-x4)N的Al组成比x4相同或更高的值，能够在激光二极管中使第一组成变化区域作为光限制层起作用，可以抑制光漏到第二组成变化区域侧。进一步地，构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3在第一组成变化区域321中的最小值y1可以小于第一氮化物半导体层31的Al组成比x1。
就发光元件而言，将载流子高效地运送到发光层、将载流子限制于发光层是可得到高发光效率的设计。组成变化层32的Al组成比x3是变化的，因此可以通过使最小值y1小于第一氮化物半导体层31的Al组成比x1而使形成在发光层的上层和下层的能量阱的高度在上下方向均匀、或者使组成变化层32侧高于第一氮化物半导体层31侧。在第一氮化物半导体层31由N型半导体形成、组成变化层由p型半导体形成的情况下，特别是为了抑制电子向p型半导体侧的溢流，优选组成变化层32侧的带隙能量大于第一氮化物半导体层31的带隙能量。另外，在激光二极管中，为了将光限制于氮化物半导体活性层352且为了增加与产生增益的阱层352a的光强度分布的重叠，需要在第一氮化物半导体层31与组成变化层32之间形成折射率差异以限制光。此时，为了在上层和下层取得折射率的平衡，优选最小值y1小于第一氮化物半导体层31的Al组成比x1。由此，即使发生组成变化，组成变化层32也可以实现可与第一氮化物半导体层31相对地保持平衡的带隙能量及折射率。
按照在使构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最大值y2大于最小值z1的值的前提下将其控制为大于0.5且为1以下的范围的值的方式来形成组成变化层32，从而通过极化掺杂而形成的组成变化层32内的空穴密度提高。进一步地，按照将构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最大值y2控制为大于0.5且为1以下的范围的值的方式来形成组成变化层32，从而利用组成变化层32的折射率将氮化物半导体活性层352所发出的光限制在下部导向层351与上部导向层353之间的效果提高。通过由此对构成组成变化层32的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的最小值z1及最大值y2进行最优化，可以实现提高通过极化掺杂而形成的组成变化层32内的空穴密度和提高下部导向层351与上部导向层353间的光限制效果的兼顾。由此，氮化物半导体元件1可以实现高输出化及激光二极管的激发阈值的降低。
氮化物半导体元件1通过具有组成变化层32而具有抑制组成变化层32及第二氮化物半导体层33的组成的急剧变化、抑制与晶格弛豫相伴随的结晶性恶化或与三维生长相伴随的薄膜平坦性恶化的效果。
(脊部半导体层)
包含组成变化层32的一部分而形成脊部半导体层17。脊部半导体层17具有形成于第一组成变化区域321的突出部321a、第二组成变化区域322、和第二氮化物半导体层33。通过在第一组成变化区域321的一部分上形成脊部半导体层17，从而可抑制从第一电极14注入的载流子在脊部半导体层17中沿着基板11的水平方向发生扩散的情况。由此，氮化物半导体活性层352中的发光被控制在位于脊部半导体层17的下方的区域(即，位于第一组成变化区域321的突出部321a的下方的区域)。其结果是，氮化物半导体元件1能够实现高电流密度、降低激光激发的阈值。为了向发光部35供给电子或空穴，脊部半导体层17可以具有导电性。作为形成脊部半导体层17中的除第一组成变化区域321的突出部321a及第二组成变化区域322之外的部分、即第二氮化物半导体层33的材料，可列举AlN、GaN及其混晶。形成第二氮化物半导体层33的材料的具体例为AlGaN。第二氮化物半导体层33的AlGaN的Al组成比可以与处于氮化物半导体活性层352侧的相反侧的第二组成变化区域322的端部的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3(即，最小值z1)相同，也可以更大。由此，第二氮化物半导体层33可以将从第一电极14注入的载流子高效地向着发光部35传送。另外，形成第二氮化物半导体层33的材料中可以包含P、As或Sb之类的N以外的V族元素或者In或B之类的III族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn或Be等杂质。另外，通过形成脊，可以在脊的侧面配置例如SiO2、空气等材料，可以实现水平方向上的光的限制。
如上所述，脊部半导体层17的作用为集中电流和限制基板水平方向上的光，因此并非必需仅形成在第一组成变化区域321的一部分。脊部半导体层17可以包含发光层，可以包含第一组成变化区域321。进一步地，脊部半导体层17也可以不存在。需要说明的是，在不存在脊部半导体层17的情况下，以与台面部相同的面积层叠组成变化层32，将第一电极14(详细情况如后所述)的宽度和长度设计为合适的大小以抑制电流注入量即可。
在第二氮化物半导体层33为n型半导体的情况下，例如可以通过掺杂1×1019cm-3的Si而n型化。在第二氮化物半导体层33为p型半导体的情况下，例如可以通过掺杂3×1019cm-3的Mg而p型化。在基板11的垂直方向上，掺杂剂的浓度可以为固定值，也可以不均匀。在基板11的面内方向上，掺杂剂的浓度可以为固定值，也可以不均匀。第二氮化物半导体层33可以具有使AlGaN的Al组成比倾斜的结构。例如，第二氮化物半导体层33可以具有使AlGaN的Al组成比从组成变化层32的Al组成比x3的最小值z1连续或阶梯状地变化为0.3的层结构。在第二氮化物半导体层33具有层结构的情况下，第二氮化物半导体层33可以不具有掺杂剂，即为无掺杂层。第二氮化物半导体层33可以是在最上层进一步具有掺杂浓度高的层的层叠结构。第二氮化物半导体层33可以为二层以上的层叠结构。这种情况下，为了将载流子高效地传送到氮化物半导体活性层352，优选越朝向上层Al组成比率越变小。
(第二氮化物半导体层)
参照图1及图2且使用图8说明第二氮化物半导体层33的膜厚。图8为示出波导损耗相对于设置于氮化物半导体元件1的第二氮化物半导体层33的膜厚的模拟结果的一例的图。图8中的横轴表示第二氮化物半导体层33的膜厚(nm)，纵轴表示波导损耗(cm-1)。另外，就该模拟结果而言，按照内部效率、光限制系数几乎没有变化且镜面损耗αm为34.3cm-1的固定计算值、氮化物半导体活性层352的膜厚相同的设计而实施，因此波导损耗αi成为激发阈值增益gth的决定性因子。
如图8所示，第二氮化物半导体层33的膜厚越厚则波导损耗αi越变大。波导损耗αi越小则氮化物半导体元件的激发阈值增益gth越变小。另外，在氮化物半导体元件1的动作模拟中，对于氮化物半导体元件1，在第二氮化物半导体层33的膜厚小于100nm时确认到激发。进一步地，为了以低电阻连接组成变化层32和第一电极14(参照图1)，氮化物半导体元件1可以具备第二氮化物半导体层33。因此，氮化物半导体元件1可以具备膜厚大于0nm且小于100nm、与第二组成变化区域322邻接且层叠于组成变化层32的第二氮化物半导体层33。另外，第二氮化物半导体层33的膜厚可以大于0nm且小于20nm。由此，氮化物半导体元件1可以实现激发阈值增益gth的降低。另外，通过使第二氮化物半导体层33的膜厚止步于该范围，可以抑制第二氮化物半导体层33生长中的由于晶格弛豫导致的三维生长，能够使第二氮化物半导体层33的表面平坦化。即，可以按照设计而进行第二氮化物半导体层33与第一电极14的接触，可以实现再现性高、驱动电压低的氮化物半导体元件1。
第二氮化物半导体层33的形成材料的Alx2Ga(1-x2)N的Al组成比x2与接触第二氮化物半导体层33那一侧的第二组成变化区域322的端部的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3(即，x3＝z1)的关系可以满足z1＞x2+0.2的关系。即，第二组成变化区域322的该端部处的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3(z3＝z1)可以大于在Alx2Ga(1-x2)N的Al组成比x2上加0.2而得的值。由此，通过第二氮化物半导体层33的形成材料的Alx2Ga(1-x2)N的Al组成比x2与第二组成变化区域322的形成材料的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的组成差异，可以高效地生成空穴气。另外，在氮化物半导体元件1为紫外受光/发光元件的情况下，第二氮化物半导体层33通常是以低Al组成比构成的，产生容易吸收目标光之类的抑制效果。为了抑制该抑制效果，可列举将第二组成变化区域322的Al组成比x3设为高于氮化物半导体活性层352的Al组成比x的方法、将第二氮化物半导体层33的Al组成比x2设为低于氮化物半导体活性层352的Al组成比x而降低与第一电极14的接触电阻的方法。在这种情况下，若还考虑控制各层的组成时的制造误差，则需要使第二组成变化区域322的Al组成比x3的最小值z1比氮化物半导体活性层352的Al组成比x大0.1、使第二氮化物半导体层33的Al组成比x2比氮化物半导体活性层352的Al组成比x小0.1。为了实现该构成，可以使第二组成变化区域322与第二氮化物半导体层33之间的Al组成差异大于0.2。
第二氮化物半导体层33可以具有层叠有多个层的构成。在这种情况下，第二氮化物半导体层33的Al组成比x2表示最表层、即与第一电极14相接触的表面处的组成比。
第二氮化物半导体层33的形成材料的Alx2Ga(1-x2)N的Al组成比x2可以满足x2＝0的关系。即，该Al组成比x2可以为0。通过在第二氮化物半导体层33的最上层使用Alx2Ga(1-x2)N中的Al组成比x2为0的p型的(p-)GaN，可以降低与第二氮化物半导体层33上所配置的第一电极14的接触电阻。另外，若在第二氮化物半导体层33的最上层使用Alx2Ga(1-x2)N中的Al组成比x2为0的p型的(p-)GaN，可以将第二组成变化区域322的形成材料的Alx3Ga(1-x3)N的Al组成比x3的范围设计为更宽的范围，因此氮化物半导体元件1可对应的紫外光的波长范围变宽。在本实施方式的氮化物半导体元件1中，第二氮化物半导体层33由p-GaN构成。
从而，氮化物半导体元件1可以使组成变化层32的第二组成变化区域322与第二氮化物半导体层33的层叠界面处产生空穴气。从而，通过与相当于第二组成变化区域322与第二氮化物半导体层33之间的价带能级差的能量差相比、向第一电极14施加电压而有效地减小的能量，可以使电流(空穴)从第二氮化物半导体层33流向第二组成变化区域322。
(第一电极)
第一电极14形成在脊部半导体层17上。在第一电极14为n型电极的情况下，作为形成第一电极14的材料，若出于向脊部半导体层17注入电子的目的使用第一电极14，则可使用常规的对应于氮化物半导体发光元件的n型电极的材料。例如，作为第一电极14为n型电极时的形成材料，可使用Ti、Al、Ni、Au、Cr、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W及其合金或ITO等。
在第一电极14为p型电极的情况下，作为形成第一电极14的材料，若出于向氮化物半导体发光元件注入空穴(hole)的目的使用第一电极14，则可使用与常规的氮化物半导体发光元件的p型电极层相同的材料。例如，作为第一电极14为p型电极时的形成材料，可使用Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Cu及其合金或ITO等。在第一电极14为p型电极时，可以为使第一电极14与脊部半导体层17的接触电阻小的Ni、Au或这些的合金或者ITO。在本实施方式中，按照成为p型电极的方式形成第一电极14。
为了使电流在整个第一电极14中均匀地扩散，第一电极14可以在上部具有焊盘电极(pad electrode)。作为形成焊盘电极的材料，可列举例如Au、Al、Cu、Ag或W等。从导电性的观点出发，该焊盘电极可以由这些材料中的导电性高的Au来形成。具体而言，作为第一电极14的结构，可列举例如在脊部半导体层17上形成由Ni及Au的合金形成的第二接触电极、并且在第二接触电极上形成由Au形成的第二焊盘电极的结构。例如以240nm的厚度形成第一电极14。
在激光二极管的情况下，第一电极14可以具有短边的长度小于10μm且长边的长度为1000μm以下的长方形形状，且层叠在第二氮化物半导体层33上。在发光二极管的情况下，可设为各种形状，例如可设为50μm×200μm的长方形形状等。第一电极14与脊部半导体层17相接触的彼此的接触面具有大体上相同的形状。因此，脊部半导体层17具有短边的长度小于10μm且长边的长度为100μm以下的长方形形状。通过使第一电极14与脊部半导体层17相接触的彼此的接触面具有相同的形状，可以抑制从第一电极14注入的载流子在脊部半导体层17中沿着基板11的水平方向扩散的情况，可以控制氮化物半导体活性层352中的发光。
(第二电极)
第二电极15形成在第一氮化物半导体层31的第二层叠部312上。在第二电极15为n型电极的情况下，作为形成第二电极15的材料，若为了向第一氮化物半导体层31注入电子而使用第二电极15，则可使用对应于常规氮化物半导体发光元件的n型电极的材料。例如，作为第二电极15为n型电极时的形成材料，可使用Ti、Al、Ni、Au、Cr、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W及其合金或ITO等。
在第二电极15为p型电极的情况下，作为形成第二电极15的材料，若为了向氮化物半导体发光元件注入空穴(hole)而使用第二电极15，则可以使用与常规的氮化物半导体发光元件的p型电极层相同的材料。例如，作为第二电极15为p型电极时的形成材料，可使用Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Cu及其合金或ITO等。在第二电极15为p型电极的情况下，可以为第二电极15与第一氮化物半导体层31的第二层叠部312的接触电阻小的Ni、Au或这些的合金或者ITO。在本实施方式中，按照成为n型电极的方式形成第二电极15。
为了使电流在整个第二电极15中均匀地扩散，第二电极15可以在上部具有焊盘电极。作为形成焊盘电极的材料，可列举例如Au、Al、Cu、Ag或W等。从导电性的观点出发，该焊盘电极可以由这些材料中的导电性高的Au来形成。具体而言，作为第二电极15的结构，可列举例如在第一氮化物半导体层31的第二层叠部312上形成由选自Ti、Al、Ni及Au中的材料的合金形成的第一接触电极、并且在第一接触电极上形成由Au形成的第一焊盘电极的结构。例如以60nm的厚度形成第二电极15。在本实施方式中，以不同于第一电极14的厚度形成了第二电极15，当然也可以以与第一电极14相同的厚度来形成。
(共振器面)
在将氮化物半导体元件1用于激光二极管时，需要形成共振器面。共振器面16a由平面构成，所述平面为分别由第一氮化物半导体层31的第二层叠部312、发光部35、电子阻挡层34、组成变化层32及第二氮化物半导体层33的侧面形成的同一平面。另外，背侧共振器面16b为与共振器面16a相对的侧面且由平面构成，所述平面为分别由第一氮化物半导体层31的第二层叠部312、发光部35、电子阻挡层34、组成变化层32及第二氮化物半导体层33的侧面形成的同一平面。共振器面16a及背侧共振器面16b是为了反射发光部35的发光而设置的。为了将共振器面16a及背侧共振器面16b所反射的光限制在发光部35，成对地具备共振器面16a及背侧共振器面16b。共振器面16a成为例如氮化物半导体元件1的光的射出侧。就共振器面16a及背侧共振器面16b而言，为了反射来自发光部35的发光，共振器面16a及背侧共振器面16b可以与发光部35与上部导向层353的接触面垂直且平坦。但是，共振器面16a及背侧共振器面16b可以整体或在局部具有倾斜部或凹凸部。
共振器面16a及背侧共振器面16b的表面可以形成有介电体多层膜等绝缘保护膜及反射膜。具体而言，该绝缘保护膜可以由SiO2形成，此外也可以由Al2O3、SiN、SnO2、ZrO或HfO2等形成。另外，该绝缘保护膜可以具有由这些材料层叠而成的结构。该绝缘保护膜可以形成在氮化物半导体元件1的成为光的射出侧的共振器面16a、和不为光的射出侧的反射侧的背侧共振器面16b的两个表面。形成在光的射出侧的共振器面16a的绝缘保护膜和形成在光的反射侧的背侧共振器面16b的绝缘保护膜可以具有相同的结构，也可以具有不同的结构。
(制法)
可以如下制作组成变化层32。例如，使用有机气相沉积装置(MOVPE装置)，一边连续地增大作为原料气体的TMG(三甲基镓)的流量且连续地减少TMA(三甲基铝)的流量，一边同时流入氨气，从而使AlGaN生长。由此可以制作AlGaN的Al组成比发生变化的组成变化层。此时，通过使Cp2Mg(环戊二烯基镁)与氨气同时流入，可以将Mg作为杂质添加到AlGaN中。
(测定方法)
用能量色散型X射线分析(Energy dispersive X-ray spectrometry：EDX)来实施本实施方式中的材料确定及组成分析。通过对垂直于各层的层叠方向的剖面进行切割及研磨或实施聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)加工，并用透射电子显微镜(TransmissionElectron Microscope：TEM)观察其剖面，从而可以明确各层的配置，用能够进行点分析的能量色散型X射线分析(Energy dispersive X-ray spectrometry：EDX)进行鉴定。
另外，对垂直于薄膜层叠方向的剖面进行切割及研磨或实施聚焦离子束加工，用透射电子显微镜观察其剖面，从而测定半导体薄膜的膜厚。
如以上所说明，本实施方式的氮化物半导体元件1具备由AlxGa(1-x)N形成的氮化物半导体活性层352和由Alx3Ga(1-x3)N形成的组成变化层32，所述组成变化层32的Al组成比x3沿着远离氮化物半导体活性层352的方向而减少。组成变化层32具有第一组成变化区域321和第二组成变化区域322，所述第一组成变化区域321具有大于0nm且小于400nm的厚度，所述第二组成变化区域322为比第一组成变化区域321更远离氮化物半导体活性层352的区域、且在组成变化层32的膜厚的厚度方向上的Al组成比x3的变化率大于第一组成变化区域321。
具备该构成的氮化物半导体元件1可以实现最大电流密度的提高和最大电流时电压的降低。由此，氮化物半导体元件1在高电流密度下也可以抑制元件破坏。
〔第2实施方式〕
使用图9及图10说明本发明的第2实施方式的氮化物半导体元件。本实施方式的氮化物半导体元件2相对于上述第1实施方式的氮化物半导体元件1，特征在于组成变化层的构成不同。因此，对于氮化物半导体元件2的构成要素，将与氮化物半导体元件1的构成要素发挥相同的作用·功能的构成要素标记相同的符号并省略其说明。
图9为示意性示出本实施方式的氮化物半导体元件2的概要构成的一例的立体图。图10为用于说明具有层叠有氮化物半导体的层叠结构的氮化物半导体元件2的带隙结构的图。图10中的上部示意性示出氮化物半导体元件2的导带及价带的能量图。图10中的下部与该带隙结构对应地示意性示出氮化物半导体元件2的层叠结构。图10示意性地示出构成氮化物半导体活性层352的阱层352a及势垒层352b。需要说明的是，图10中省略了设置在下部导向层351与阱层352a之间的势垒层、以及设置在上部导向层353与阱层352a之间的势垒层的图示。
如图9及图10所示，氮化物半导体元件2具备组成变化层36，所述组成变化层36具有3个Al组成比的变化率不同的区域。组成变化层36在位于第一组成变化区域361与第二组成变化区域362之间的区域具有第三组成变化区域363，所述第三组成变化区域363的Al组成比x3的变化率与第二组成变化区域362不同。第三组成变化区域363按照平均的Al组成比x3低于第一组成变化区域361、平均的Al组成比x3高于第二组成变化区域362的方式而构成。
如图9所示，第三组成变化区域363形成于突出部361a上，所述突出部361a则形成在第一组成变化区域361上。第二组成变化区域322形成在第三组成变化区域363上。在第二组成变化区域362上形成有第二氮化物半导体层33。脊部半导体层17由形成于第一组成变化区域361的突出部361a、第三组成变化区域363、第二组成变化区域362及第二氮化物半导体层33构成。其中，如上述第1实施方式中所说明，突出部361a(脊部)是为了集中电流，因此可以包含作为发光层的氮化物半导体活性层352，也可以包含第一氮化物半导体层31。或者，氮化物半导体元件2也可以原本不具有突出部361a、而是具有通过以与台面部相同的面积形成组成变化层36且将第一电极14的大小设计为合适的值而使电流集中的结构。
通过使组成变化层36具有第三组成变化区域363，在将第一组成变化区域361、第三组成变化区域363、第二组成变化区域362依次彼此相邻地配置时，如图10所示那样在氮化物半导体活性层352的配置侧的第一组成变化区域361的端部与氮化物半导体活性层352的配置侧的第二组成变化区域362的端部之间具有Al组成比x3的变化率发生变化的边界。由此，氮化物半导体元件2可以实现光限制的提高。组成变化率优选为：第三组成变化区域363大于第二组成变化区域362、第一组成变化区域361大于第三组成变化区域363。由此，使第二组成变化区域362与第三组成变化区域363的平均的Al组成比率比以第二组成变化区域362的变化率(倾斜率)形成第二组成变化区域362及第三组成变化区域363的层时高，从而光的限制效率提高。另外，优选第二组成变化区域362与第三组成变化区域363的转折面处的Al组成比率比第三组成变化区域363与第一组成变化区域361的转折面处的Al组成比率大0.1以上。氮化物半导体元件2通过具有该结构而能够抑制由使第二组成变化区域362的膜厚达到必要厚度以上而引起的驱动电压增加、元件破坏率增加，并且，通过具有第三组成变化区域363，能够兼顾光限制和高电流密度的实现。
在本实施方式中，相互接触地形成第一组成变化区域361及第三组成变化区域363、相互接触地形成第三组成变化区域363及第二组成变化区域362，但是氮化物半导体元件2也可以在第一组成变化区域361与第三组成变化区域363之间及第三组成变化区域636与第二组成变化区域362之间分别具有中间层。该中间层可以具有例如组成不变的AlwGa1- wN(0＜w＜1)、或组成不变的AlwGa1-wN与组成不变的AlvGa1-vN(0＜v＜w＜1)层叠而成的结构(多级的情况下，相当于超晶格结构)等。作为Al组成比w及Al组成比v的一例，可以是w为0.6、v为0.4。在该中间层具有层叠结构的情况下，从避免形成能量势垒的观点出发，Al组成比v及Al组成比w可以与各自的组成变化区域的端点的Al组成比的值相同或有差异。在与Al组成比的值有差异的情况下，从更有效地将载流子运到发光层的观点出发，优选越靠近上层则Al组成比率越小的结构。该中间层可以为与第一组成变化区域361、第三组成变化区域363及第二组成变化区域362相同的导电型。另外，该中间层可以是p型半导体或n型半导体，也可以无掺杂。在本实施方式中，通过使组成变化层36具有中间层，从而得到与上述第1实施方式的组成变化层32具有该中间层时同样的作用·效果。
如以上所说明，本实施方式的氮化物半导体元件2具备由AlxGa(1-x)N形成的氮化物半导体活性层352和由Alx3Ga(1-x3)N形成的组成变化层36，所述组成变化层36的Al组成比x3沿着远离氮化物半导体活性层352的方向减少。组成变化层36具有第一组成变化区域361和第二组成变化区域362，所述第一组成变化区域361具有大于0nm且小于400nm的厚度，所述第二组成变化区域362为与第一组成变化区域361相比更远离氮化物半导体活性层352的区域、且组成变化层36的膜厚的厚度方向上的Al组成比x3的变化率大于第一组成变化区域361。
具备该构成的氮化物半导体元件2可以实现最大电流密度的提高和最大电流时电压的降低。由此，氮化物半导体元件2可以实现高电流密度。
进一步地，氮化物半导体元件2所具备的组成变化层36在第一组成变化区域361与第二组成变化区域362之间的区域具有Al组成比x3的变化率与第二组成变化区域362不同的第三组成变化区域363。按照平均的Al组成比x3低于第一组成变化区域361、平均的Al组成比x3高于第二组成变化区域362的方式而构成第三组成变化区域363。由此，可以不使第一组成变化区域361的厚度达到必要以上地以低驱动电压无元件破坏地实现高电流密度、且降低激光激发的阈值。
本发明不受上述第1实施方式及第2实施方式限定，能够进行各种变更。
在上述第1实施方式及第2实施方式中，氮化物半导体活性层由AlGaN形成，但本发明不限于此。例如，氮化物半导体活性层即使由AlInGaN、BAlGaN形成，也可以得到与上述实施方式相同的效果。
本发明的保护范围不限于图示、所记载的例示性实施方式，还包括可实现与本发明的目的效果具有等同效果的全部实施方式。进一步地，本发明的保护范围不受权利要求划定的发明特征的组合限定，而是可通过全部公开的各特征中的、特定特征的所有的期望组合来划定。

Claims (10)

1.一种氮化物半导体元件，其具备活性层、电子阻挡层(34)和由AlGaN形成的组成变化层，
所述电子阻挡层与所述活性层相比形成在更上部，
所述组成变化层与所述电子阻挡层相比形成在更上部，且其Al组成比沿着远离所述活性层的方向减少，
所述电子阻挡层的Al组成比与所述组成变化层的Al组成比的最大值相同，
所述组成变化层具有第一组成变化区域和第二组成变化区域，
所述第一组成变化区域具有大于0nm且小于400nm的厚度，
所述第二组成变化区域为比所述第一组成变化区域更远离所述活性层的区域，在所述组成变化层的膜厚的厚度方向上的Al组成比的变化率大于所述第一组成变化区域，
所述第一组成变化区域的Al组成比在膜厚的厚度方向上连续地变化。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，
所述第二组成变化区域的Al组成比在膜厚的厚度方向上连续地变化。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体元件，其中，
所述组成变化层在所述第一组成变化区域与所述第二组成变化区域之间的区域内具有第三组成变化区域，所述第三组成变化区域的所述Al组成比的变化率与所述第二组成变化区域不同，
所述第三组成变化区域的平均的Al组成比低于所述第一组成变化区域且高于所述第二组成变化区域。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，
与所述活性层的配置侧处于相反侧的所述第二组成变化区域的端部的Al组成比为0以上且小于0.5。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，
在所述活性层的两侧中的未配置所述组成变化层的一侧具备由AlGaN形成的第一氮化物半导体层，
所述第一氮化物半导体层的Al组成比高于与所述活性层的配置侧处于相反侧的所述第一组成变化区域的端部。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，
所述活性层具有阱层、和与所述阱层邻接设置的势垒层，
所述第二组成变化区域的整个区域的Al组成比与所述阱层的Al组成比相同或更高。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，
在所述第一组成变化区域中注入有Mg。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其具备导向层，
所述导向层设置在所述活性层与所述组成变化层之间，由AlGaN形成，
与所述活性层的配置侧处于相反侧的所述第一组成变化区域的端部的Al组成比与所述导向层的Al组成比相同或更高。
9.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其具备第二氮化物半导体层，
所述第二氮化物半导体层的膜厚大于0nm且小于100nm，且与所述第二组成变化区域邻接地层叠于所述组成变化层。
10.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，
所述第二组成变化区域具有大于0nm且小于200nm的厚度。
CN202010128267.4A 2019-03-07 2020-02-28 氮化物半导体元件 Active CN111668697B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-042048 2019-03-07
JP2019042048 2019-03-07
JP2020000817A JP7410508B2 (ja) 2019-03-07 2020-01-07 窒化物半導体素子
JP2020-000817 2020-01-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111668697A CN111668697A (zh) 2020-09-15
CN111668697B true CN111668697B (zh) 2023-04-18

Family

ID=72335517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010128267.4A Active CN111668697B (zh) 2019-03-07 2020-02-28 氮化物半导体元件

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11088512B2 (zh)
CN (1) CN111668697B (zh)

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001068786A (ja) * 1999-06-24 2001-03-16 Sharp Corp 窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法
US6586762B2 (en) * 2000-07-07 2003-07-01 Nichia Corporation Nitride semiconductor device with improved lifetime and high output power
US7157297B2 (en) * 2004-05-10 2007-01-02 Sharp Kabushiki Kaisha Method for fabrication of semiconductor device
JP2006270028A (ja) * 2005-02-25 2006-10-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体発光素子
CN101390201B (zh) * 2005-12-28 2010-12-08 日本电气株式会社 场效应晶体管和用于制备场效应晶体管的多层外延膜
JP5572919B2 (ja) * 2007-06-07 2014-08-20 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体レーザ素子
US9219189B2 (en) * 2012-09-14 2015-12-22 Palo Alto Research Center Incorporated Graded electron blocking layer
JP6255939B2 (ja) * 2012-11-27 2018-01-10 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体レーザ素子
JP2016171127A (ja) * 2015-03-11 2016-09-23 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法
US10340415B2 (en) * 2016-09-01 2019-07-02 Lg Innotek Co., Ltd. Semiconductor device and semiconductor device package including the same
WO2018052252A1 (ko) * 2016-09-13 2018-03-22 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지
JP6838731B2 (ja) 2016-12-15 2021-03-03 学校法人 名城大学 窒化物半導体レーザ素子
WO2018236183A1 (ko) * 2017-06-22 2018-12-27 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자

Also Published As

Publication number Publication date
US20200287354A1 (en) 2020-09-10
CN111668697A (zh) 2020-09-15
US11088512B2 (en) 2021-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100527349B1 (ko) 질화물반도체소자
KR100267839B1 (ko) 질화물 반도체 장치
US8039830B2 (en) Semiconductor light emitting device and wafer
US8411718B2 (en) Semiconductor light-emitting device
US8519411B2 (en) Semiconductor light emitting device
US7196347B2 (en) Semiconductor light emitting device
KR20060045483A (ko) 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
CN114342194B (zh) 激光二极管
KR100538313B1 (ko) 질화물반도체소자
JP7410508B2 (ja) 窒化物半導体素子
CN111668697B (zh) 氮化物半导体元件
JP2021190687A (ja) 窒化物半導体素子
JP2021184456A (ja) 窒化物半導体レーザダイオード
US12020930B2 (en) Nitride semiconductor element
JP7506873B2 (ja) 窒化物半導体素子
US20210375614A1 (en) Nitride semiconductor element
US20220247156A1 (en) Semiconductor light-emitting element and method of fabricating semiconductor light-emitting element
JP2022138095A (ja) 窒化物半導体レーザダイオード及び窒化物半導体レーザダイオードの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant