JP7388859B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体素子に関する。
窒化物半導体素子は、発光層のバンドギャップエネルギーを制御することにより発光波長を制御することができるとともに、寿命が長く信頼性が高い。そのため、照明、計測器用光源、殺菌用光源など様々な用途に利用されている。一般的な窒化物半導体素子は、基板上に、発光層をｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体で挟んだＰＩＮ構造を有する。
発光素子の発光出力（発光強度）を高めるためには、正孔注入効率と発光分布を高めることが重要である。例えば、特許文献１には、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの多積層体を用いることで多重量子バリアを作製し、正孔の注入効率を向上させ、発光素子の発光強度を向上させることが記載されている。
窒化物半導体素子には、さらなる発光効率の向上が求められている。本開示の目的は、発光強度を高めることができる窒化物半導体素子を提供することにある。
本発明は以下の通りである。
［１］
基板と、
前記基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層と、
前記第１導電型窒化物半導体層上の少なくとも一部に形成された、ＡｌおよびＧａを含む発光層と、
前記発光層上の少なくとも一部に形成された、Ｇａを含む、前記第１導電型窒化物半導体層とは異なる導電型である第２導電型窒化物半導体層と、を備え、
前記発光層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に、キャリア拡散層を含み、
前記キャリア拡散層の前記基板側に隣接する層がＡｌを含む隣接窒化物半導体層Ｘであり、
前記キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成は、前記隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成よりも高く、
前記キャリア拡散層の厚みは１原子層以上１０原子層以下であり、
前記キャリア拡散層は各原子の配列が（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下で傾いている、
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
［２］
前記キャリア拡散層の前記第２導電型窒化物半導体層側に隣接する層が隣接窒化物半導体層Ｙであり、
前記隣接窒化物半導体層Ｘ及び前記隣接窒化物半導体層Ｙの各原子の配列が、（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下で傾いている
ことを特徴とする［１］に記載の窒化物半導体素子。
［３］
前記キャリア拡散層に含まれる前記Ａｌ含有窒化物のＡｌ組成は前記隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成より１５％以上多い
ことを特徴とする［１］又は［２］に記載の窒化物半導体素子。
［４］
前記発光層と前記第２導電型窒化物半導体層の間に、電子ブロック層と組成傾斜層とを備え、
前記組成傾斜層の厚みは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記組成傾斜層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成が１０％以上９０％以下の範囲で前記発光層側から前記第２導電型窒化物半導体層側に向かって傾斜している
ことを特徴とする［１］～［３］のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
［５］
前記基板は、ＡｌＮ基板または基板上に形成されたＡｌＮ薄膜である
ことを特徴とする［１］～［４］のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
［６］
前記基板がＡｌＮ単結晶であり、転位密度が１×１０５ｃｍ－２以下である、
ことを特徴とする［１］～［５］のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
［７］
前記第１導電型窒化物半導体層はｎ型のＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ（０．６≦ｘ≦０．９）であり、前記第２導電型窒化物半導体層はｐ型のＡｌｙＧａ（１－ｙ）Ｎ（０≦ｙ≦０．２）である
ことを特徴とする［１］～［６］のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
［１］
基板と、
前記基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層と、
前記第１導電型窒化物半導体層上の少なくとも一部に形成された、ＡｌおよびＧａを含む発光層と、
前記発光層上の少なくとも一部に形成された、Ｇａを含む、前記第１導電型窒化物半導体層とは異なる導電型である第２導電型窒化物半導体層と、を備え、
前記発光層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に、キャリア拡散層を含み、
前記キャリア拡散層の前記基板側に隣接する層がＡｌを含む隣接窒化物半導体層Ｘであり、
前記キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成は、前記隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成よりも高く、
前記キャリア拡散層の厚みは１原子層以上１０原子層以下であり、
前記キャリア拡散層は各原子の配列が（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下で傾いている、
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
［２］
前記キャリア拡散層の前記第２導電型窒化物半導体層側に隣接する層が隣接窒化物半導体層Ｙであり、
前記隣接窒化物半導体層Ｘ及び前記隣接窒化物半導体層Ｙの各原子の配列が、（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下で傾いている
ことを特徴とする［１］に記載の窒化物半導体素子。
［３］
前記キャリア拡散層に含まれる前記Ａｌ含有窒化物のＡｌ組成は前記隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成より１５％以上多い
ことを特徴とする［１］又は［２］に記載の窒化物半導体素子。
［４］
前記発光層と前記第２導電型窒化物半導体層の間に、電子ブロック層と組成傾斜層とを備え、
前記組成傾斜層の厚みは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記組成傾斜層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成が１０％以上９０％以下の範囲で前記発光層側から前記第２導電型窒化物半導体層側に向かって傾斜している
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［５］
前記基板は、ＡｌＮ基板または基板上に形成されたＡｌＮ薄膜である
ことを特徴とする［１］～［４］のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
［６］
前記基板がＡｌＮ単結晶であり、転位密度が１×１０５ｃｍ－２以下である、
ことを特徴とする［１］～［５］のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
［７］
前記第１導電型窒化物半導体層はｎ型のＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ（０．６≦ｘ≦０．９）であり、前記第２導電型窒化物半導体層はｐ型のＡｌｙＧａ（１－ｙ）Ｎ（０≦ｙ≦０．２）である
ことを特徴とする［１］～［６］のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
本開示によれば、発光強度を高めることができる窒化物半導体素子を提供することが可能となる。
＜窒化物半導体素子の構成＞
図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体素子は、基板と、上記基板上に形成される窒化物半導体積層体と、を備える。上記窒化物半導体積層体は、第１導電型窒化物半導体層と、発光層と、キャリア拡散層と、第２導電型窒化物半導体層と、を有する。つまり、本実施形態の窒化物半導体素子は、基板と、第１導電型窒化物半導体層と、発光層と、キャリア拡散層と、第２導電型窒化物半導体層と、を備える。窒化物半導体素子はさらに電極を備え得る。
図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体素子は、基板と、上記基板上に形成される窒化物半導体積層体と、を備える。上記窒化物半導体積層体は、第１導電型窒化物半導体層と、発光層と、キャリア拡散層と、第２導電型窒化物半導体層と、を有する。つまり、本実施形態の窒化物半導体素子は、基板と、第１導電型窒化物半導体層と、発光層と、キャリア拡散層と、第２導電型窒化物半導体層と、を備える。窒化物半導体素子はさらに電極を備え得る。
（基板）
基板はＡｌを含む窒化物半導体を含むことが好ましい。Ａｌを含む窒化物半導体は、例えば、ＡｌＮである。Ａｌを含む窒化物半導体は、ＡｌＮに限定されず、例えば、ＡｌＧａＮであってよい。
ここで、「基板は…窒化物半導体を含む」という表現における「含む」という文言は、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＧａ（Ｇａが主元素でない場合）、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂ等の元素を数％以下）加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。
基板はＡｌを含む窒化物半導体を含むことが好ましい。Ａｌを含む窒化物半導体は、例えば、ＡｌＮである。Ａｌを含む窒化物半導体は、ＡｌＮに限定されず、例えば、ＡｌＧａＮであってよい。
ここで、「基板は…窒化物半導体を含む」という表現における「含む」という文言は、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＧａ（Ｇａが主元素でない場合）、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂ等の元素を数％以下）加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。
また、基板は単結晶基板だけでなく、異種基板上に形成されたＡｌＮ薄膜やＡｌＧａＮ薄膜を含む。上記基板は、ＡＩＮ基板又は基板上に形成されたＡＩＮ薄膜であることが好ましい。上記基板は、ＡＩＮ単結晶であることが好ましい。
例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体単結晶基板、または、異種基材上にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層が形成された基板（テンプレート基板）を用いると、基板の上側に形成する窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
また、基板は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、ｎ型またはｐ型にドーピングされてよい。また、基板は、ＡｌＮ等の窒化物半導体と、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮまたはＩｎＮとの混晶であり得る。
例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体単結晶基板、または、異種基材上にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層が形成された基板（テンプレート基板）を用いると、基板の上側に形成する窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
また、基板は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、ｎ型またはｐ型にドーピングされてよい。また、基板は、ＡｌＮ等の窒化物半導体と、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮまたはＩｎＮとの混晶であり得る。
基板の作製方法としては、昇華法もしくはＨＶＰＥ法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法が適用できる。
基板の厚さは一例として１００μｍ以上かつ６００μｍ以下であってよい。
上記基板の転位密度は、１×１０5ｃｍ-2以下であることが好ましい。
基板の面方位はｃ面（０００１）、ａ面｛１１－２０｝、ｍ面｛１０－１０｝などが挙げられるが、より好ましくはｃ面基板である。
（第１導電型窒化物半導体層）
第１導電型窒化物半導体層は、導電性を有し、ＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体の層である。第１導電型窒化物半導体層は基板上に形成される。上記第１導電型窒化物半導体層は、上記基板上に直接積層されていてもよい。
ここで、例えば「第１導電型窒化物半導体層は基板上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板の上に第１導電型窒化物半導体層が形成されることを意味するが、基板と第１導電型窒化物半導体層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、発光層上に電子ブロック層を介して第２導電型窒化物半導体層が形成される場合も、「第２導電型窒化物半導体層は発光層上に形成される」という表現に含まれる。
第１導電型窒化物半導体層は、導電性を有し、ＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体の層である。第１導電型窒化物半導体層は基板上に形成される。上記第１導電型窒化物半導体層は、上記基板上に直接積層されていてもよい。
ここで、例えば「第１導電型窒化物半導体層は基板上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板の上に第１導電型窒化物半導体層が形成されることを意味するが、基板と第１導電型窒化物半導体層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、発光層上に電子ブロック層を介して第２導電型窒化物半導体層が形成される場合も、「第２導電型窒化物半導体層は発光層上に形成される」という表現に含まれる。
第１導電型窒化物半導体層が含む窒化物半導体は、例えば、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ＜１）である。深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層として形成する場合に、その結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第１導電型窒化物半導体層が含む窒化物半導体は、ＡｌＮおよびＧａＮの混晶であることが好ましい。第１導電型窒化物半導体層の窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。紫外線透過率の観点とコンタクト抵抗の観点から、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．６≦ｘ≦０．９、好ましくは０．６＜ｘ＜０．９）であることがより好ましい。
また、第１導電型窒化物半導体層と第２導電型窒化物半導体層とは、互いに異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。一般に、ｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れており、発光層への影響が低い。そのため、第１導電型窒化物半導体層がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層がｐ型であることが好ましい。
また、第１導電型窒化物半導体層と第２導電型窒化物半導体層とは、互いに異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。一般に、ｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れており、発光層への影響が低い。そのため、第１導電型窒化物半導体層がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層がｐ型であることが好ましい。
（発光層）
発光層は、Ａｌおよび／またはＧａを含む窒化物半導体の層であることが好ましい。
発光層が含む窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮの混晶であることが好ましい。発光層には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。また、発光層は、量子井戸構造も単層構造も取り得る。高い発光効率を実現する観点から、発光層は少なくとも１つの量子井戸構造を有することが好ましい。
発光層は、Ａｌおよび／またはＧａを含む窒化物半導体の層であることが好ましい。
発光層が含む窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮの混晶であることが好ましい。発光層には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。また、発光層は、量子井戸構造も単層構造も取り得る。高い発光効率を実現する観点から、発光層は少なくとも１つの量子井戸構造を有することが好ましい。
発光層は、第１導電型窒化物半導体層上の少なくとも一部に形成され、第１導電型窒化物半導体層上の一部に形成されることが好ましい。上記発光層は、上記第１導電型窒化物半導体層上に直接積層されていてもよい。
また、窒化物半導体素子の発光波長を深紫外領域の波長（２８０ｎｍ以下）としたい場合には、発光層が含む窒化物半導体はＡｌ、ＧａおよびＮを含むことが好ましい。また、発光効率を高める観点から、発光層は、Ａｌ、ＧａおよびＮを含む量子井戸層と、ＡｌＮを含む量子障壁層とを有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であることが好ましい。
（第２導電型窒化物半導体層）
第２導電型窒化物半導体層は、Ｇａを含み、第１導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。第２導電型窒化物半導体層は、発光層上に形成される。上記第２導電型窒化物半導体層は、上記発光層上に、キャリア拡散層、第２導電型窒化物半導体層の順に直接積層されていてもよいし、電子ブロック層、組成傾斜層、キャリア拡散層、第２導電型窒化物半導体層の順に直接積層されていてもよい。
上記第２導電型窒化物半導体層は、上記発光層上の少なくとも一部に形成され、上記発光層上の一部に形成されることが好ましい
第２導電型窒化物半導体層は、Ｇａを含み、第１導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。第２導電型窒化物半導体層は、発光層上に形成される。上記第２導電型窒化物半導体層は、上記発光層上に、キャリア拡散層、第２導電型窒化物半導体層の順に直接積層されていてもよいし、電子ブロック層、組成傾斜層、キャリア拡散層、第２導電型窒化物半導体層の順に直接積層されていてもよい。
上記第２導電型窒化物半導体層は、上記発光層上の少なくとも一部に形成され、上記発光層上の一部に形成されることが好ましい
第２導電型窒化物半導体層が含む窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、およびそれらを含む混晶などである。第２導電型窒化物半導体層の窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｅ等の不純物が混入していてよい。ただし、上記のように、第１導電型窒化物半導体層の導電性がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層の導電性がｐ型であることが好ましい。
窒化物半導体としては、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０≦ｙ≦０．２）であることが好ましい。
窒化物半導体としては、ＡｌyＧａ(1-y)Ｎ（０≦ｙ≦０．２）であることが好ましい。
（キャリア拡散層）
キャリア拡散層は第２導電型窒化物半導体層から注入された正孔を横方向（例えば、積層方向（厚さ方向）に対して垂直方向）に拡散させる機能を有する窒化物半導体層である。横方向にキャリアが拡散することで電界集中が緩和され、発光分布が改善されることで発光強度が向上する。また、低抵抗層が界面に存在することで、正孔が縦方向（例えば、積層方向）にも輸送されやすくなることで、正孔注入効率が向上し、発光強度が向上する。キャリア拡散層は、発光層と第２導電型窒化物半導体層の間に形成される。この間には組成傾斜層や電子ブロック層などの機能をもつ層を有していても良い。キャリア拡散層が含む窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、およびそれらを含む混晶などである。キャリア拡散層の窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｅ等の不純物が混入していてよい。
キャリア拡散層は第２導電型窒化物半導体層から注入された正孔を横方向（例えば、積層方向（厚さ方向）に対して垂直方向）に拡散させる機能を有する窒化物半導体層である。横方向にキャリアが拡散することで電界集中が緩和され、発光分布が改善されることで発光強度が向上する。また、低抵抗層が界面に存在することで、正孔が縦方向（例えば、積層方向）にも輸送されやすくなることで、正孔注入効率が向上し、発光強度が向上する。キャリア拡散層は、発光層と第２導電型窒化物半導体層の間に形成される。この間には組成傾斜層や電子ブロック層などの機能をもつ層を有していても良い。キャリア拡散層が含む窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、およびそれらを含む混晶などである。キャリア拡散層の窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｅ等の不純物が混入していてよい。
キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成が、キャリア拡散層の基板側に隣接する層であるＡｌを含む隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成よりも高いことにより、第２導電型窒化物半導体層との界面には高濃度の二次元ホールガス（２ＤＨＧ）が発生する。そこで注入され正孔はこの２ＤＨＧによって横方向に伝搬しやすくなる。この観点から、キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成は上記隣接窒化物半導体層Ｘより高いことが好ましい。さらに好ましくは、上記隣接窒化物層ＸのＡｌ組成より１５％以上高いことである。
ここで、隣接窒化物層Ｘは、例えば、キャリア拡散層の基板側に隣接する発光層（図１）、組成傾斜層（図２）であってよい。キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物とは、キャリア拡散層中の質量割合が最も高いＡｌを含む窒化物としてよい。組成傾斜層のＡｌ含有窒化物のＡｌ組成は、キャリア拡散層との界面に存在するＡｌ含有窒化物のＡｌ組成としてよい。Ａｌ含有窒化物のＡｌ組成とは、ＡｌとＮと任意の他の元素とから構成される化合物において、窒素を除く元素の数に対するＡｌの割合をいう。例えば、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎでは、ｘ％としてよい。
ここで、隣接窒化物層Ｘは、例えば、キャリア拡散層の基板側に隣接する発光層（図１）、組成傾斜層（図２）であってよい。キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物とは、キャリア拡散層中の質量割合が最も高いＡｌを含む窒化物としてよい。組成傾斜層のＡｌ含有窒化物のＡｌ組成は、キャリア拡散層との界面に存在するＡｌ含有窒化物のＡｌ組成としてよい。Ａｌ含有窒化物のＡｌ組成とは、ＡｌとＮと任意の他の元素とから構成される化合物において、窒素を除く元素の数に対するＡｌの割合をいう。例えば、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎでは、ｘ％としてよい。
また、キャリア拡散層の膜厚が厚すぎる場合、注入された正孔はトンネル伝導できず、障壁となってしまい、閾値電圧の上昇となる。そのため、キャリア拡散層の膜厚は１原子層以上１０原子層以下であることが好ましい。さらに好ましくは１原子層以上５原子層以下である。
また、キャリア拡散層とその上限の窒化物半導体（たとえば第２導電型窒化物半導体層および電子ブロック層）が歪んでいることによって、より高い正孔注入効率が得られる。しかし歪みすぎると歪緩和によって発光特性が低下する。そのため、基板に垂直なｃ面（（０００２）面）方向に対して、７５°以上９０°以下の傾きで歪んでいることが好ましい。さらに好ましくは７９％以上８６％以下である。
窒化物半導体素子の厚さ方向上側にキャリア拡散層と隣接する隣接窒化物半導体層Ｘ及び厚さ方向下側に隣接する隣接窒化物半導体層Ｙの核原子の配列は、（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下であることが好ましい。
また、キャリア拡散層とその上限の窒化物半導体（たとえば第２導電型窒化物半導体層および電子ブロック層）が歪んでいることによって、より高い正孔注入効率が得られる。しかし歪みすぎると歪緩和によって発光特性が低下する。そのため、基板に垂直なｃ面（（０００２）面）方向に対して、７５°以上９０°以下の傾きで歪んでいることが好ましい。さらに好ましくは７９％以上８６％以下である。
窒化物半導体素子の厚さ方向上側にキャリア拡散層と隣接する隣接窒化物半導体層Ｘ及び厚さ方向下側に隣接する隣接窒化物半導体層Ｙの核原子の配列は、（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下であることが好ましい。
（組成傾斜層）
発光層と第２導電型窒化物半導体層との間に、組成傾斜層が配置されていることが好ましい。その材料は、ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ（０．２≦ｚ≦１）であって、発光層側の面から第２導電型窒化物半導体層側の面に向けて、Ａｌ組成ｚが減少する層である。組成傾斜層中に含まれるＡｌ含有窒化物は、Ａｌ組成が１０％以上９０％以下の範囲であることが好ましい。
そのＡｌ組成ｚのプロファイルは、発光層側の面から連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。「断続的に減少する」とは、組成傾斜層の膜厚方向にＡｌ組成ｚが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、組成傾斜層には、発光層側からＡｌ組成ｚが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。組成傾斜層には、Ａｌ組成ｚが同じになっている部分が例えば数ｎｍの厚さで含まれることがある。
ここで、Ａｌ組成の変化は、Ａｌ含有窒化物を構成する元素種が同じである窒化物のＡｌ組成を比べてよい。
組成傾斜層にはＣ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよい。
組成傾斜層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く活性層に注入する作用を有するため、発光層と第２導電型窒化物半導体層との間に設けることで、発光効率を高めることができる。
発光層と第２導電型窒化物半導体層との間に、組成傾斜層が配置されていることが好ましい。その材料は、ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ（０．２≦ｚ≦１）であって、発光層側の面から第２導電型窒化物半導体層側の面に向けて、Ａｌ組成ｚが減少する層である。組成傾斜層中に含まれるＡｌ含有窒化物は、Ａｌ組成が１０％以上９０％以下の範囲であることが好ましい。
そのＡｌ組成ｚのプロファイルは、発光層側の面から連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。「断続的に減少する」とは、組成傾斜層の膜厚方向にＡｌ組成ｚが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、組成傾斜層には、発光層側からＡｌ組成ｚが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。組成傾斜層には、Ａｌ組成ｚが同じになっている部分が例えば数ｎｍの厚さで含まれることがある。
ここで、Ａｌ組成の変化は、Ａｌ含有窒化物を構成する元素種が同じである窒化物のＡｌ組成を比べてよい。
組成傾斜層にはＣ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよい。
組成傾斜層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く活性層に注入する作用を有するため、発光層と第２導電型窒化物半導体層との間に設けることで、発光効率を高めることができる。
組成傾斜層の膜厚は、発光効率を高める観点から、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
組成傾斜層の代わりに、格子定数の異なる半導体層の短膜周期的構造（ＳＰＳＬ）を設けることもできる。一例としては、ＡｌaＧａ(1-a)Ｎ／ＡｌbＧａ(1-b)Ｎ（ａ≠ｂ）の周期的構造が挙げられる。上記の構造では、膜中の歪に起因する分極効果により生成する２次元正孔ガスが活性層へ注入される。ＳＰＳＬには不純物が添加されていてもよい。
（電極）
窒化物半導体発光素子は、さらに電極を備えてよい。電極は、ｎ型電極およびｐ型電極の少なくとも１つであり得る。
窒化物半導体発光素子は、さらに電極を備えてよい。電極は、ｎ型電極およびｐ型電極の少なくとも１つであり得る。
ｎ型電極は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｒ等の金属、これらの混晶、または、ＩＴＯもしくはＧａ２Ｏ３等の導電性酸化物等を用いることができる。また、ｎ型電極は、第１導電型窒化物半導体層および第２導電型窒化物半導体層のうち、導電性がｎ型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
ｐ型電極は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｚｒ等の金属、これらの混晶、または、ＩＴＯもしくはＧａ２Ｏ３等の導電性酸化物等を用いることができる。また、ｐ型電極は、第１導電型窒化物半導体層および第２導電型窒化物半導体層のうち、導電性がｐ型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
電極の形成方法として、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。電極は単層であり得る。また、電極は積層であり得る。また、電極は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。
（窒化物半導体素子）
窒化物半導体素子は、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。窒化物半導体素子は、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
窒化物半導体素子は、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。窒化物半導体素子は、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用または寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。
固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。
＜製造方法＞
窒化物半導体素子は、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。この工程は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で行うことができる。
ここで、基板上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含むＡｌ原料、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等を含むＧａ原料、例えばアンモニア（ＮＨ3）を含むＮ原料を用いて形成することができる。
窒化物半導体素子は、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。この工程は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で行うことができる。
ここで、基板上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含むＡｌ原料、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等を含むＧａ原料、例えばアンモニア（ＮＨ3）を含むＮ原料を用いて形成することができる。
窒化物半導体素子は、基板上に形成された各層に対して、不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される。この工程は、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチング等で行うことができる。
また、窒化物半導体素子は、電極を形成する工程を経て製造され得る。この工程は、例えば電子線蒸着（ＥＢ）法や抵抗加熱法によって金属を蒸着させる等の種々の方法で行うことができる。
ここで、窒化物半導体素子は、上記の工程を経て各層が形成された基板をダイシングにより個片へと分割して製造される。窒化物半導体素子のように、製造過程に確率要素を含み得る製品については、一般に、中間物の評価（評価工程）が製造工程に含まれる。すなわち、評価工程における中間物の評価結果に基づいて最終製品の特性を予測し、中間物の選別、工程の選択または追加等が実施され得る。
窒化物半導体素子の製造における中間物は、例えば電極を形成する前の基板および窒化物半導体積層体である。
キャリア拡散層の膜厚測定方法として、薄膜を薄片化して、断面を高分解能ＴＥＭ（ＨＲＴＥＭ：透過電子顕微鏡法）観察することにより観察される膜厚を測定する方法が挙げられる。より詳細には＜１１－２０＞面に対して、一般的に１００ｎｍ以下の切片厚さまで薄片化された試料を用意する。日本電子のＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆを用い、２００ｋＶの印加電圧で観察して膜厚の測定を行う。断面画像の観察範囲は２０ｎｍの観察幅を有することとし、素子内の３箇所でそれぞれ観察を行い、３箇所の平均をキャリア拡散層の膜厚とする。同様に第２導電型窒化物半導体層の歪量と歪膜厚に関しても、ＨＲＴＥＭ法によって評価できる。前記の手法で得られた原子像に対して、基板の格子定数を配置し、それに対して、原子１個がずれるのに必要な原子数を計算することで格子のｃ面に対する傾きが算出できる。
また、キャリア拡散層のＡｌ組成を評価する方法として、アトムプローブトモグラフィー（ＡＰＴ）がある。窒化物半導体積層体のＡＰＴ解析では、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工技術を用いて、観察したい多層膜部位を先端の曲率半径１００ｎｍ程度の針状試料へ加工する。半導体多層膜表面に電極が形成されている場合は電極が着いた状態で、電極がない場合はＷなどの保護膜を形成した状態で、ＦＩＢにより針状試料へ加工する。半導体積層体の膜の垂直方向が針状試料の軸方向になるように、かつ観察したい膜部分が針の先端付近にくるように加工することが一般的である。この針状試料へ電圧パルス印加、あるいは電圧パルス印加と観察部位へのレーザーパルス照射を行うことによって、針状試料先端からの単原子イオン、あるいは複数の原子からなるクラスターイオンを電界蒸発させる。これら電界蒸発によって針状試料先端から放出されたイオンを質量分析することによってイオン種を同定し、かつイオンが放出された針状試料内の位置を二次元検出器によって同定することで、針状試料内の原子の３次元分布を原子レベルの分解能で得ることができる。（https://www.nanoanalysis.co.jp/business/device_01.html）
以上の原理によって、ＡＰＴによって膜中の原子のマッピングを深さ方向、面内方向で観察することが可能である。
このＡＰＴ法によってＡｌ組成の中心値Ｘを測定する方法を下記に記載する。形成された針状試料に対して、深さ方向に垂直な面内では、試料中心の２５％の領域を除去し、残りの領域におけるマッピングの平均値をＡｌ組成の中心値Ｘとする。
以上の原理によって、ＡＰＴによって膜中の原子のマッピングを深さ方向、面内方向で観察することが可能である。
このＡＰＴ法によってＡｌ組成の中心値Ｘを測定する方法を下記に記載する。形成された針状試料に対して、深さ方向に垂直な面内では、試料中心の２５％の領域を除去し、残りの領域におけるマッピングの平均値をＡｌ組成の中心値Ｘとする。
［実施例１］
厚さが５５０μｍのｃ面ＡｌＮ基板（転位密度１×１０4ｃｍ-2以下）に対して、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、１３００℃においてアニール処理が行われた。次に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層が、１２００℃において、５００ｎｍの厚さで形成された。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は５０であった。また、真空度は５０ｍｂａｒであった。また、成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。
上記のように形成されたＡｌＮ層上に第１導電型窒化物半導体層が形成された。第１導電型窒化物半導体層は、Ｓｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ：７０％）である。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で５００ｎｍの厚さで成膜された。このときの成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。また、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）が用いられた。
上記のように形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層上に発光層が形成された。発光層は、量子井戸層と量子障壁層とを５周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜された。ここで、量子井戸層は、３．０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ（Ａｌ：５２％）、すなわちＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎである。また、６．０ｎｍの厚さを有する量子障壁層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：７５％）、すなわちＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎである。発光層は、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で製膜された。このときの量子井戸層の成長レートは０．１８μｍ／ｈｒであった。
上記のように形成された発光層上に電子ブロック層が成膜された。電子ブロック層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：８５％）である。上記のように形成された電子ブロック層上に組成傾斜層が成膜された。組成傾斜層は（Ａｌ：８５％から３０％）まで傾斜され、その膜厚は３５ｎｍである。上記のように形成された組成傾斜層上にキャリア拡散層が成膜された。ＮＨ3の流量はそのままに維持し、ＴＭＡｌとＴＥＧａの流量を量子井戸層形成時の１／１０にする。この状態で、ＴＭＡｌとＴＥＧａを供給：２秒間、停止：５秒間のパルス的に供給する。これを３５周期実施する。
また、キャリア拡散層上にｐ型ＧａＮ層である第２導電型窒化物半導体層を形成した。このように、ＡｌＮ基板上に、窒化物半導体積層体が形成された。
上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は３８％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、８３°であった。
また、得られた窒化物半導体積層体をドライエッチングすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部が露出した。露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｎ型電極に相当）が形成された。また、ｐ型ＧａＮ層（第２導電型窒化物半導体層）上に、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）が形成された。ＡｌＮ基板を、厚さが１００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより窒化物半導体素子の個片へと分割した。得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が２７ｍＷであった。
厚さが５５０μｍのｃ面ＡｌＮ基板（転位密度１×１０4ｃｍ-2以下）に対して、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、１３００℃においてアニール処理が行われた。次に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層が、１２００℃において、５００ｎｍの厚さで形成された。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は５０であった。また、真空度は５０ｍｂａｒであった。また、成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。
上記のように形成されたＡｌＮ層上に第１導電型窒化物半導体層が形成された。第１導電型窒化物半導体層は、Ｓｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ：７０％）である。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で５００ｎｍの厚さで成膜された。このときの成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。また、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）が用いられた。
上記のように形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層上に発光層が形成された。発光層は、量子井戸層と量子障壁層とを５周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜された。ここで、量子井戸層は、３．０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ（Ａｌ：５２％）、すなわちＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎである。また、６．０ｎｍの厚さを有する量子障壁層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：７５％）、すなわちＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎである。発光層は、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で製膜された。このときの量子井戸層の成長レートは０．１８μｍ／ｈｒであった。
上記のように形成された発光層上に電子ブロック層が成膜された。電子ブロック層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：８５％）である。上記のように形成された電子ブロック層上に組成傾斜層が成膜された。組成傾斜層は（Ａｌ：８５％から３０％）まで傾斜され、その膜厚は３５ｎｍである。上記のように形成された組成傾斜層上にキャリア拡散層が成膜された。ＮＨ3の流量はそのままに維持し、ＴＭＡｌとＴＥＧａの流量を量子井戸層形成時の１／１０にする。この状態で、ＴＭＡｌとＴＥＧａを供給：２秒間、停止：５秒間のパルス的に供給する。これを３５周期実施する。
また、キャリア拡散層上にｐ型ＧａＮ層である第２導電型窒化物半導体層を形成した。このように、ＡｌＮ基板上に、窒化物半導体積層体が形成された。
上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は３８％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、８３°であった。
また、得られた窒化物半導体積層体をドライエッチングすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部が露出した。露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｎ型電極に相当）が形成された。また、ｐ型ＧａＮ層（第２導電型窒化物半導体層）上に、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）が形成された。ＡｌＮ基板を、厚さが１００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより窒化物半導体素子の個片へと分割した。得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が２７ｍＷであった。
［実施例２］
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を４２％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．３Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３３ｍＷであった。
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を４２％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．３Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３３ｍＷであった。
［実施例３］
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を４５％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４７ｍＷであった。
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を４５％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４７ｍＷであった。
［実施例４］
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を６０％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．５Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が５５ｍＷであった。
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を６０％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．５Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が５５ｍＷであった。
［実施例５］
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を８０％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が６１ｍＷであった。
実施例１からキャリア拡散層のＡｌ組成を８０％へと変化させた以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が６１ｍＷであった。
［実施例６］
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を６０周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを５原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が５２ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を６０周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを５原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が５２ｍＷであった。
［実施例７］
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を９５周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを８原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．２Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４６ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を９５周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを８原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．２Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４６ｍＷであった。
［実施例８］
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を１１５周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを１０原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４２ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を１１５周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを１０原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４２ｍＷであった。
［実施例９］
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を１４０周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを１２原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は９Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３８ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層が成膜時の繰り返し周期を１４０周期実施し、キャリア拡散層の原子厚みを１２原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は９Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３８ｍＷであった。
［実施例１０］
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１０５０℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１２０００に上昇させ、成膜時の繰り返し周期を３０周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、７８°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．６Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４３ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１０５０℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１２０００に上昇させ、成膜時の繰り返し周期を３０周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、７８°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．６Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４３ｍＷであった。
［実施例１１］
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１０３０℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１２０００に上昇させ、成膜時の繰り返し周期を２７周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、７３°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．９Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３６ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１０３０℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１２０００に上昇させ、成膜時の繰り返し周期を２７周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、７３°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．９Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３６ｍＷであった。
［実施例１２］
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１１００℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１５００に減少させ、成膜時の繰り返し周期を４５周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、８８°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４８ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１１００℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１５００に減少させ、成膜時の繰り返し周期を４５周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、８８°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４８ｍＷであった。
［実施例１３］
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１１２０℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１５００に減少させ、成膜時の繰り返し周期を５０周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、９３°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．１Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３９ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層の成長温度を１１２０℃に設定し、成長Ｖ／ＩＩＩ比を１５００に減少させ、成膜時の繰り返し周期を５０周期実施した。上記のように形成された窒化物半導体積層体を、高分解能ＨＲＴＥＭ測定によって評価したところ、キャリア拡散層の膜厚は３原子層厚みであった。また、ＡＰＴ法によってＡｌ組成を評価したところ、キャリア拡散層のＡｌ組成は６０％であった。また、ＨＲＴＥＭによって得られた原子像からｃ面に対する傾きを算出したところ、９３°であった。このようにして得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．１Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３９ｍＷであった。
［比較例１］
厚さが５５０μｍのｃ面ＡｌＮ基板（転位密度１×１０4ｃｍ-2以下）に対して、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、１３００℃においてアニール処理が行われた。次に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層が、１２００℃において、５００ｎｍの厚さで形成された。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は５０であった。また、真空度は５０ｍｂａｒであった。また、成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。
上記のように形成されたＡｌＮ層上に第１導電型窒化物半導体層が形成された。第１導電型窒化物半導体層は、Ｓｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ：７０％）である。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で５００ｎｍの厚さで成膜された。このときの成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。また、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）が用いられた。
上記のように形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層上に発光層が形成された。発光層は、量子井戸層と量子障壁層とを５周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜された。ここで、量子井戸層は、３．０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ（Ａｌ：５２％）、すなわちＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎである。また、６．０ｎｍの厚さを有する量子障壁層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：７５％）、すなわちＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎである。発光層は、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で製膜された。このときの量子井戸層の成長レートは０．１８μｍ／ｈｒであった。
上記のように形成された発光層上に電子ブロック層が成膜された。電子ブロック層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：８５％）である。上記のように形成された電子ブロック層上に組成傾斜層が成膜された。組成傾斜層は（Ａｌ：８５％から３０％）まで傾斜され、その膜厚は３５ｎｍである。また、組成傾斜層上にｐ型ＧａＮ層である第２導電型窒化物半導体層を形成した。このように、ＡｌＮ基板上に、窒化物半導体積層体が形成された。
得られた窒化物半導体積層体をドライエッチングすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部が露出した。露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｎ型電極に相当）が形成された。また、ｐ型ＧａＮ層（第２導電型窒化物半導体層）上に、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）が形成された。ＡｌＮ基板を、厚さが１００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより窒化物半導体素子の個片へと分割した。得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．２Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が１８ｍＷであった。
厚さが５５０μｍのｃ面ＡｌＮ基板（転位密度１×１０4ｃｍ-2以下）に対して、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、１３００℃においてアニール処理が行われた。次に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層が、１２００℃において、５００ｎｍの厚さで形成された。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は５０であった。また、真空度は５０ｍｂａｒであった。また、成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。
上記のように形成されたＡｌＮ層上に第１導電型窒化物半導体層が形成された。第１導電型窒化物半導体層は、Ｓｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ：７０％）である。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で５００ｎｍの厚さで成膜された。このときの成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）が用いられた。また、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）が用いられた。
上記のように形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層上に発光層が形成された。発光層は、量子井戸層と量子障壁層とを５周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜された。ここで、量子井戸層は、３．０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ（Ａｌ：５２％）、すなわちＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎである。また、６．０ｎｍの厚さを有する量子障壁層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：７５％）、すなわちＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎである。発光層は、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を４０００とした条件で製膜された。このときの量子井戸層の成長レートは０．１８μｍ／ｈｒであった。
上記のように形成された発光層上に電子ブロック層が成膜された。電子ブロック層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：８５％）である。上記のように形成された電子ブロック層上に組成傾斜層が成膜された。組成傾斜層は（Ａｌ：８５％から３０％）まで傾斜され、その膜厚は３５ｎｍである。また、組成傾斜層上にｐ型ＧａＮ層である第２導電型窒化物半導体層を形成した。このように、ＡｌＮ基板上に、窒化物半導体積層体が形成された。
得られた窒化物半導体積層体をドライエッチングすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部が露出した。露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｎ型電極に相当）が形成された。また、ｐ型ＧａＮ層（第２導電型窒化物半導体層）上に、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）が形成された。ＡｌＮ基板を、厚さが１００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより窒化物半導体素子の個片へと分割した。得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．２Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が１８ｍＷであった。
［比較例２］
実施例４からキャリア拡散層のＡｌ組成を２０％とし、原子厚みを５原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．７Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が１６ｍＷであった。
実施例４からキャリア拡散層のＡｌ組成を２０％とし、原子厚みを５原子層にした以外は同じ条件で得られた窒化物半導体素子を電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は８．７Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が１６ｍＷであった。
本開示は、以上に記載した実施形態および変形例に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様は本開示の範囲に含まれる。
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に形成された、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層と、
前記第１導電型窒化物半導体層上の少なくとも一部に形成された、ＡｌおよびＧａを含む発光層と、
前記発光層上の少なくとも一部に形成された、Ｇａを含む、前記第１導電型窒化物半導体層とは異なる導電型である第２導電型窒化物半導体層と、を備え、
前記発光層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に、キャリア拡散層を含み、
前記キャリア拡散層の前記基板側に隣接する層がＡｌを含む隣接窒化物半導体層Ｘであり、
前記キャリア拡散層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成は、前記隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成よりも高く、
前記キャリア拡散層の厚みは１原子層以上１０原子層以下であり、
前記キャリア拡散層は各原子の配列が（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下で傾いている、
ことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記キャリア拡散層の前記第２導電型窒化物半導体層側に隣接する層が隣接窒化物半導体層Ｙであり、
前記隣接窒化物半導体層Ｘ及び前記隣接窒化物半導体層Ｙの各原子の配列が、（０００２）面方向に対して７５°以上９０°以下で傾いている
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。 - 前記キャリア拡散層に含まれる前記Ａｌ含有窒化物のＡｌ組成は前記隣接窒化物半導体層ＸのＡｌ含有窒化物のＡｌ組成より１５％以上多い
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。 - 前記発光層と前記第２導電型窒化物半導体層の間に、電子ブロック層と組成傾斜層とを備え、
前記組成傾斜層の厚みは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記組成傾斜層に含まれるＡｌ含有窒化物のＡｌ組成が１０％以上９０％以下の範囲で前記発光層側から前記第２導電型窒化物半導体層側に向かって傾斜している
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記基板は、ＡｌＮ基板または基板上に形成されたＡｌＮ薄膜である
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記基板がＡｌＮ単結晶であり、転位密度が１×１０５ｃｍ－２以下である、
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第１導電型窒化物半導体層はｎ型のＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ（０．６≦ｘ≦０．９）であり、前記第２導電型窒化物半導体層はｐ型のＡｌｙＧａ（１－ｙ）Ｎ（０≦ｙ≦０．２）である
ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
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