JP7463201B2

JP7463201B2 - 発光素子

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Publication number: JP7463201B2
Application number: JP2020105434A
Authority: JP
Inventors: 賢吾永田; 恵太片岡; 哲生成田; 嘉代近藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2024-04-08
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: JP2021197533A

Description

本発明は、発光素子に関する。

従来、トンネル接合を利用した発光素子が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光素子においては、発光層の上のｐ型ＧａＮ層にｎ型ＩｎＧａＮ層をトンネル接合させ、ｎ型ＩｎＧａＮ層をｐ側のコンタクト層としてｐ側電極を接続している。そのため、ｐ側のコンタクト層とｎ側のコンタクト層の両方にｎ型半導体を用いることができ、それによってｎ側の電極とｐ側の電極を同じ材料から形成することができる。

特許第３７８６８９８号公報

しかしながら、ＧａＮやＩｎＧａＮは、それらのバンドギャップの大きさに起因して、深紫外領域の光を強く吸収する。そのため、特許文献１に記載の発光素子の構成を深紫外発光素子に適用すると、ｐ型ＧａＮ層やｎ型ＩｎＧａＮ層が発光層から発せられる光を強く吸収し、光取出効率が低くなる。

本発明の目的は、トンネル接合を利用した深紫外光を発する発光素子であって、トンネル接合を形成するｎ型層とｐ型層による光の吸収が抑えられた発光素子を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［５］の発光素子を提供する。

［１］ＡｌＧａＮからなる第１のｎ型コンタクト層と、前記第１のｎ型コンタクト層の上の、深紫外光を発する発光層と、前記発光層の上の、ＡｌＧａＮからなるｐ型層と、前記ｐ型層の上の、前記ｐ型層にトンネル接合する、フェルミ準位と伝導帯が縮退した、ＡｌＧａＮからなる第２のｎ型コンタクト層と、前記第１のｎ型コンタクト層に接続されたｎ電極と、前記第２のｎ型コンタクト層に接続されたｐ電極と、を備え、前記第２のｎ型コンタクト層のＡｌ組成が、４０％以上、７０％以下の範囲内にある、発光素子。
［２］前記ｐ型層が二次元ホールガスを含む、上記［１］に記載の発光素子。
［３］前記ｎ型コンタクト層が、前記縮退が生じる濃度であって、かつ４．０×１０^１９ｃｍ^－３以下の濃度のＳｉを含む、上記［１］又は［２］に記載の発光素子。
［４］前記ｎ電極の前記第１のｎ型コンタクト層に接触する部分と、前記ｐ電極の前記第２のｎ型コンタクト層に接触する部分が同じ材料からなる、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の発光素子。
［５］前記材料がアルミニウムである、上記［４］に記載の発光素子。

本発明によれば、トンネル接合を利用した深紫外光を発する発光素子であって、トンネル接合を形成するｎ型層とｐ型層による光の吸収が抑えられた発光素子を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の垂直断面図である。図２は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成と波長２８０ｎｍの深紫外光の透過率の関係を示すグラフである。図３は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成と電気抵抗率との関係を示すグラフである。図４（ａ）～（ｃ）は、ｎ型コンタクト層のＳｉ濃度と電気抵抗率との関係を示すグラフである。図５（ａ）～（ｃ）は、ｎ型コンタクト層の電気抵抗率、キャリア濃度、移動度の温度依存性を示すグラフである。図６は、各種のｎ型コンタクト層のカソードルミネッセンス測定により得られたスペクトル（ＣＬスペクトル）を示す。

（発光素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１の垂直断面図である。発光素子１は、フリップチップ実装型の深紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ここで、深紫外とは、２００～３００ｎｍの波長域をいうものとする。

発光素子１は、基板１０と、基板１０上のバッファ層１１と、バッファ層１１上のｎ型コンタクト層１２と、ｎ型コンタクト層１２上の発光層１３と、発光層１３上の電子ブロック層１４と、電子ブロック層１４上のｐ型層１５と、ｐ型層１５上のｎ型コンタクト層１６と、ｎ型コンタクト層１６に接続されたｐ電極１７と、ｎ型コンタクト層１２に接続されたｎ電極１８と、を備える。

なお、発光素子１の構成における「上」とは、図１に示されるような向きに発光素子１を置いたときの「上」であり、基板１０からｐ電極１７に向かう方向を意味するものとする。

基板１０は、サファイアからなる成長基板である。基板１０の厚さは、例えば、９００μｍである。基板１０の材料として、サファイア以外にも、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯなどを用いることができる。

バッファ層１１は、例えば、核層、低温バッファ層、高温バッファ層の３層を順に積層した構造を有する。核層は、低温で成長させたノンドープのＡｌＮからなり、結晶成長の核となる層である。核層の厚さは、例えば、１０ｎｍである。低温バッファ層は、核層よりも高温で成長させたノンドープのＡｌＮからなる層である。低温バッファ層の厚さは、例えば、０．３μｍである。高温バッファ層は、低温バッファ層よりも高温で成長させたノンドープのＡｌＮからなる層である。高温バッファ層の厚さは、例えば、２．７μｍである。このようなバッファ層１１を設けることで、ＡｌＮの貫通転位の密度低減を図っている。

発光層１３はＡｌＧａＮからなり、好ましくは多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。発光層１３のＡｌ組成（ＭＱＷ構造を有する場合は井戸層のＡｌ組成）は、深紫外領域（２００～３００ｎｍ）内の所望の発光波長に応じて設定され、例えば、発光波長が２７０～２９０ｎｍである場合には、およそ４０～５０％に設定される。ここで、上記のＡｌ組成のパーセンテージは、Ｇａの含有量とＡｌの含有量の合計値に対するＡｌの含有量の割合である。

例えば、発光層１３は、井戸層が２層のＭＱＷ構造、すなわち、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、第３障壁層の順に積層された構造を有する。第１井戸層及び第２井戸層は、ｎ型のＡｌＧａＮからなる。第１障壁層、第２障壁層、及び第３障壁層は、第１井戸層及び第２井戸層よりもＡｌ組成の高いｎ型のＡｌＧａＮ（Ａｌ組成が１００％のもの、すなわちＡｌＮを含む）からなる。

一例としては、第１井戸層及び第２井戸層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ４０％、２．４ｎｍ、９×１０^１ｃｍ^－３である。また、第１障壁層及び第２障壁層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ５５％、１９ｎｍ、９×１０^１８ｃｍ^－３である。また、第３障壁層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、５５％、４ｎｍ、５×１０^１８ｃｍ^－３である。

ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６は、ｎ型のＡｌＧａＮからなる。そして、発光層１３から発せられる深紫外光の吸収を抑えるためには、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が発光層１３のＡｌ組成よりも高いことが好ましく、例えば、５０％以上、７０％以下の範囲内にあることが好ましい。この場合、理想的には、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６は、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０．５≦ｘ≦０．７）で表される組成を有する。

ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が５０％以上であれば、波長２７０～２９０ｎｍの深紫外光、及びそれより長い波長を有する光に対して高い透過率を確保することができる。また、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が５５％以上であれば、より高い透過率を確保することができ、６０％以上であれば、さらに高い透過率を確保することができる。

また、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が７０％以下であれば、電気抵抗を低く抑えることができる。ＡｌＧａＮの電気抵抗は、Ａｌ組成を増加させていったときに、７０％まではほとんど一定であるが、７０％を超えると増加し始める。このため、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成は７０％以下に設定される。

一方で、ｎ型コンタクト層１６とｐ型層１５の間でキャリアを効率的にトンネルさせるためには、ｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成はなるべく低い方が好ましく、キャリアのトンネルを重視する場合は、深紫外光の吸収をある程度抑えられる範囲内で発光層１３のＡｌ組成より低く設定されてもよい。このため、ｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成は、例えば、４０％以上、７０％以下の範囲内に設定される。ｎ型コンタクト層１６とｐ型層１５のトンネル接合については後述する。

また、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６は、フェルミ準位と伝導帯が縮退する（重なる）濃度のＳｉを含む。フェルミ準位と伝導帯が縮退した半導体は、金属のように振る舞い、電気抵抗が低減する。

非特許文献“A. Wolos et al., “Properties of metal-insulator transition and electron spin relaxation in GaN:Si”, PHYSICAL REVIEW B 83, 165206 (2011)”によれば、Ｓｉをドーパントとして含むＧａＮにおいて、Ｓｉ濃度が１．６×１０^１８ｃｍ^－３以上であるときにフェルミ準位と伝導帯が縮退するとされている。ＡｌＧａＮはＧａＮとほぼ同等の挙動を示すと考えられることから、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６もＳｉ濃度がおよそ１．６×１０^１８ｃｍ^－３以上であるときにフェルミ準位と伝導帯が縮退すると考えられる。

一方で、Ｓｉをドーパントとするｎ型ＡｌＧａＮにおいては、Ｓｉ濃度を増加させると、ある濃度までは一般的な半導体と同様に電気抵抗が低減するが、ある濃度を超えると反対に電気抵抗が増加し始める。このため、ｎ型コンタクト層１２及びｎ型コンタクト層１６に含まれるＳｉの濃度は、Ｓｉ濃度の増加に伴う電気抵抗の増加を抑えるため、４．０×１０^１９ｃｍ^－３以下に設定されることが好ましい。

Ｓｉをドーパントとするｎ型ＡｌＧａＮにおける、Ｓｉ濃度の増加に伴う電気抵抗の増加は、Ｓｉ濃度がある濃度を超えたときにＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥が発生することによると考えられる。ＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥の詳細については未だ明らかになっていないが、一説によると、ＡｌＧａＮの成長過程において生じるＩＩＩ族空孔にＳｉが入らずに他の位置に留まった場合に、Ｓｉがドナーとして振る舞う（電子を放出する）ことができず、その状態に応じて１～３個の正孔が放出され、それによって電気抵抗が増加していると言われている。

ｎ型コンタクト層１２の厚さは、例えば、５００～２０００ｎｍである。また、ｎ型コンタクト層１６の厚さは、例えば、２５～２００ｎｍである。

電子ブロック層１４は、ｎ型コンタクト層１６側への電子の拡散を抑制するための層であり、例えば、ノンドープのＡｌＮからなる。電子ブロック層１４の厚さは、例えば、２ｎｍである。

ｐ型層１５は、ｐ型のＡｌＧａＮからなり、例えば、ｐ型電子ブロック層とｐ型クラッド層を順に積層した構造を有する。ｐ型電子ブロック層がＡｌＧａＮからなる場合は、ｐ型クラッド層はｐ型電子ブロック層よりもＡｌ組成が低いＡｌＧａＮ又はＧａＮからなり、ｐ型電子ブロック層がＡｌＮからなる場合は、ｐ型クラッド層はＡｌＧａＮからなる。ｐ型電子ブロック層の厚さは、例えば、１０～５０ｎｍである。また、ｐ型クラッド層の厚さは、例えば、２～２００ｎｍである。

例えば、ｐ型電子ブロック層及びｐ型クラッド層がＡｌＧａＮからなる場合、ｐ型電子ブロック層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＭｇ濃度は、例えば、それぞれ８０％、２５ｎｍ、１×１０^２０ｃｍ^－３である。また、ｐ型クラッド層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＭｇ濃度は、例えば、それぞれ３５％、５ｎｍ、１×１０^１９ｃｍ^－３である。

発光層１３から発せられる深紫外光の吸収を抑えるためには、ｐ型電子ブロック層及びｐ型クラッド層のＡｌ組成は、発光層１３のＡｌ組成よりも高いことが好ましい。この場合、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が、５０％以上、例えば５０～６０％であることが好ましい。

一方で、ｎ型コンタクト層１６とｐ型層１５の間でキャリアを効率的にトンネルさせるためには、ｐ型電子ブロック層及びｐ型クラッド層のＡｌ組成はなるべく低い方が好ましく、キャリアのトンネルを重視する場合は、ｐ型クラッド層のＡｌ組成を深紫外光の吸収をある程度抑えられる範囲内で発光層１３のＡｌ組成より低く設定してもよい。ｎ型コンタクト層１６とｐ型層１５のトンネル接合については後述する。

フェルミ準位と伝導帯が縮退したｎ型コンタクト層１６は、ｐ型層１５とトンネル接合する。ｐ型層１５のｎ型コンタクト層１６との界面近傍のエネルギーバンドが湾曲した領域には、ｎ型とp型のキャリアが高濃度に分布しているため、ｐ電極１７とｎ電極１８の間に順方向電圧を印加したときに、電子が障壁をトンネルしてｐ型層１５からｎ型コンタクト層１６に移動し、発光素子１が発光する。

また、ｐ型層１５のｎ型コンタクト層１６との界面近傍においてフェルミ準位と価電子帯が縮退して二次元ホールガスが生じている場合は、ｐ型層１５とｎ型コンタクト層１６の間の障壁がより薄くなることによりトンネルが生じやすくなり、発光素子１の動作電圧を低減することができる。

二次元ホールガスを形成するためには、例えば、それぞれｐ型のＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＧａＩｎＮからなり、Ａｌ組成が１０％以上異なる第１の層とその上の第２の層の積層体をｐ型層１５として用いる。この場合、第２の層のＡｌ組成を第１の層のＡｌ組成より大きくすることにより、第１の層と第２の層の界面に電子が沸き、一方、第２の層とｎ型コンタクト層１６の界面にホールが沸いて二次元ホールガスが形成される。また、ｐ型層１５は、複数の薄い第１の層と第２の層を交互に積層させた構造（超格子構造）を有してもよい。この場合は、第１の層と第２の層のそれぞれの界面近傍にも二次元ホールガスが形成される。また、この場合は、第１の層と第２の層のどちらのＡｌ組成が大きくてもよい。ここで、発光層１３へのキャリア注入量を増加させるために、ｐ型層１５にＭｇをドープすることが好ましい。

なお、二次元ホールガスは、断面ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscopy）観察により高濃度ｐ型領域として観察することができる。すなわち、ｐ型層１５のｎ型コンタクト層１６との界面近傍に高濃度ｐ型領域が観察されれば、二次元ホールガスが生成されていると判定することができる。

ｎ型コンタクト層１６表面の一部領域には溝が設けられている。溝はｎ型コンタクト層１６、ｐ型層１５、及び発光層１３を貫通し、ｎ型コンタクト層１２に達しており、この溝により露出したｎ型コンタクト層１２の表面にｎ電極１８が接続されている。

発光素子１においては、ｎ電極１８が接続されるｎ型コンタクト層１２と、ｐ電極１７が接続されるｎ型コンタクト層１６が、ともにｎ型のＡｌＧａＮからなる。このため、ｎ電極１８のｎ型コンタクト層１２に接触する部分と、ｐ電極１７のｎ型コンタクト層１６に接触する部分の材料に、同じものを用いることができる。ｐ電極１７とｎ電極１８がそれぞれ単一の材料からなる場合は、ｎ電極１８とｐ電極１７の材料に同じものを用いることができる。

このため、ｎ電極１８と同様に、ｐ電極１７にも深紫外光に対する反射率が高いアルミニウムを用いることができる。したがって、ｎ電極１８のｎ型コンタクト層１２に接触する部分と、ｐ電極１７のｎ型コンタクト層１６に接触する部分の材料に、アルミニウムを用いることが好ましい。

ｐ電極１７及びｎ電極１８は、例えば、Ｖ／Ａｌ／ＮｉＡｕや、Ｖ／Ａｌ／Ｒｕ／Ａｕからなる。なお、この場合、反射率を大きくするためＶの層はできるだけ薄い方が好ましい。

なお、ｐ型のＡｌＧａＮには仕事関数が低いアルミニウムをオーミック接触させることができないため、従来の一般的な発光素子のように、ｐ型のＡｌＧａＮからなるコンタクト層にｐ電極を接続する場合には、ｐ電極の材料にアルミニウムを用いることはできない。

なお、発光素子１のｎ型コンタクト層１６などの特徴的な構成はレーザーダイオードなどのＬＥＤ以外の発光素子に適用することもできる。

（発光素子の製造方法）
以下に、本発明の実施の形態に係る発光素子１の製造方法の一例について説明する。気相成長法による発光素子１の各層の形成においては、Ｇａ原料ガス、Ａｌ原料ガス、Ｎ原料ガスとしては、例えば、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアを用いる。また、ｎ型ドーパントであるＳｉの原料ガス、ｐ型ドーパントであるＭｇの原料ガスとしては、例えば、それぞれシランガス、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムガスを用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素ガスや窒素ガスを用いる。

まず、基板１０を用意し、その上にバッファ層１１を形成する。バッファ層１１の形成においては、まず、スパッタによってＡｌＮからなる核層を形成する。成長温度は、例えば、８８０℃である。次に、核層上に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮからなる低温バッファ層、高温バッファ層を順に形成する。低温バッファ層の成長条件は、例えば、成長温度が１０９０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。また、高温バッファ層の成長条件は、例えば、成長温度が１２７０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。

次に、バッファ層１１上に、ＭＯＣＶＤ法によってＳｉを含むＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１２を形成する。ｎ型コンタクト層１２の成長条件は、例えば、成長温度が９８０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。

ｎ型コンタクト層１２の電気抵抗の増加を抑えるため、ｎ型コンタクト層１２の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１０００以上、３２００以下の範囲内に設定することが好ましく、成長温度を１１００℃以下に設定することが好ましい。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比は、ＩＩＩ族元素（Ｇａ、Ａｌ）とＶ族元素（Ｎ）の原料ガスにおける原子数の比を意味する。また、Ｎの原料であるアンモニアを分解しやすくするため、成長温度を８５０℃以上に設定することが好ましい。また、ｎ型コンタクト層１２の成長圧力は、例えば、２０～２００ｍｂａｒに設定する。なお、ｎ型コンタクト層１２の成長温度を低く（８５０℃に近く）設定する場合には、Ｃの取り込みを抑えるため、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を上記の範囲よりも大きく、例えば１００００程度まで増加させることが好ましい。ｎ型コンタクト層１２にＣが取り込まれると、Ｃがアクセプタとして働いてキャリアを補償し、また、Ｃによって不純物散乱が増加してキャリア移動度が低下するため、ｎ型コンタクト層１２が高抵抗化するおそれがある。

次に、ｎ型コンタクト層１２上に、ＭＯＣＶＤ法によって発光層１３を形成する。発光層１３の形成は、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、第３障壁層の順に積層して行う。発光層１３の成長条件は、例えば、成長温度が９７５℃、成長圧力が４００ｍｂａｒである。

次に、発光層１３上に、ＭＯＣＶＤ法によって電子ブロック層１４を形成する。電子ブロック層１４の成長条件は、例えば、成長温度が９７５℃、成長圧力が４００ｍｂａｒである。

次に、電子ブロック層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によってｐ型層１５を形成する。ｐ型層１５の形成は、ｐ型電子ブロック層、ｐ型クラッド層の順に積層して行う。ｐ型電子ブロック層の成長条件は、例えば、成長温度が１０２５℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。ｐ型クラッド層の成長条件は、例えば、成長温度が９８０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。

また、ｐ型層１５を形成した後、ｐ型層１５に含まれるＭｇを活性化させるため、アニール処理を実施してｐ型層１５から水素を抜くことが好ましい。

次に、ｐ型層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型コンタクト層１６を形成する。ｎ型コンタクト層１６の成長条件は、例えば、成長温度が９８０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。

また、ｎ型コンタクト層１２と同様に、ｎ型コンタクト層１２の電気抵抗の増加を抑えるため、ｎ型コンタクト層１２の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１０００以上、３２００以下の範囲内に設定することが好ましく、成長温度を１１００℃以下に設定することが好ましい。また、Ｎの原料であるアンモニアを分解しやすくするため、成長温度を８５０℃以上に設定することが好ましい。また、ｎ型コンタクト層１２の成長圧力は、例えば、２０～２００ｍｂａｒに設定する。

ここで、アニール処理によりｐ型層１５から水素を抜いている場合は、ｐ型層１５に水素が再び入り込んでＭｇを不活性化させることを抑制するため、ｎ型コンタクト層１６の成長温度を９００℃以下に設定することが好ましい。

次に、ｎ型コンタクト層１６表面の所定領域をドライエッチングし、ｎ型コンタクト層１２に達する深さの溝を形成する。

次に、ｎ型コンタクト層１６上にｐ電極１７、溝の底面に露出するｎ型コンタクト層１２上にｎ電極１８を形成する。ｐ電極１７及びｎ電極１８は、スパッタや蒸着などによって形成する。

（実施の形態の効果）
上記の本発明の実施の形態によれば、フェルミ準位と伝導帯が縮退した、高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１６を用いることにより、深紫外光の吸収を抑えたトンネル接合構造を形成することができる。また、ｎ型コンタクト層１６をｐ電極１７のコンタクト層として用いることにより、ｐ電極１７の材料に仕事関数の低いアルミニウムなどの深紫外光に対する反射率が高い材料を用いることができる。

したがって、発光層１３から発せられてｐ電極１７側へ向かう光の多くが、ｎ型コンタクト層１６に吸収されずに透過し、ｐ電極１７によって効率よく反射され、基板１０側から取り出されるため、発光素子１は高い光取出効率を有する。

以下、上記の本実施の形態に係るｎ型コンタクト層１２の特性の評価結果について述べる。本実施例においては、基板１０上にバッファ層１１を介してｎ型コンタクト層１２を後述する各種条件で形成し、それらｎ型コンタクト層１２について評価を行った。次の表１に、本実施例に係る基板１０、バッファ層１１、及びｎ型コンタクト層１２の構成及び成長条件を示す。

本実施例においては、ｎ型コンタクト層１２の電気抵抗率、キャリア濃度、及び移動度はホール効果測定により測定し、Ｓｉ濃度は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により測定し、透過率は分光光度計により測定した。

図２は、ｎ型コンタクト層１２のＡｌ組成と波長２８０ｎｍの深紫外光の透過率の関係を示すグラフである。図２に係るｎ型コンタクト層１２の厚さは５００ｎｍとした。図２は、ｎ型コンタクト層１２のＡｌ組成が５０％以上であれば、波長２８０ｎｍの深紫外光の透過率が５０％を超え、Ａｌ組成が５５％以上であれば、波長２８０ｎｍの深紫外光の透過率が７０％を超え、Ａｌ組成が６０％以上であれば、波長２８０ｎｍの深紫外光の透過率がほぼ１００％になることを示している。この結果は、ｎ型コンタクト層１２と同じｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１６にも当てはまる。次の表２に、図２のプロット点の数値を示す。

図３は、ｎ型コンタクト層１２のＡｌ組成と電気抵抗率との関係を示すグラフである。図３は、ｎ型コンタクト層１２のＡｌ組成がおよそ７０％を超えると電気抵抗が増加することを示している。この結果は、ｎ型コンタクト層１２と同じｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１６にも当てはまる。次の表３に、図３のプロット点の数値を示す。

図４（ａ）～（ｃ）は、ｎ型コンタクト層１２のＳｉ濃度と電気抵抗率との関係を示すグラフである。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に係るｎ型コンタクト層１２は、成長温度と原料ガスのＶ／III比が異なる。図４（ａ）～（ｃ）は、ｎ型コンタクト層１２のＳｉ濃度がおよそ４．０×１０^１９ｃｍ^－３を超えると電気抵抗が増加することを示している。

この結果から、ｎ型コンタクト層１２のＡｌ組成が５０％以上であれば、２８０ｎｍに近い２７０～２９０ｎｍの波長域の深紫外光、及びそれより長い波長を有する光に対して高い透過率を確保することができ、また、Ａｌ組成が５５％以上であれば、より高い透過率を確保することができ、Ａｌ組成が６０％以上であれば、さらに高い透過率を確保することができると言える。この結果は、ｎ型コンタクト層１２と同じｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１６にも当てはまる。次の表４に、図４のプロット点の数値を示す。

図５（ａ）～（ｃ）は、ｎ型コンタクト層１２の電気抵抗率、キャリア濃度、移動度の温度依存性を示すグラフである。図５（ａ）～（ｃ）には、それぞれＳｉ濃度が２．１０×１０^１９ｃｍ^－３、３．２０×１０^１９ｃｍ^－３、４．３０×１０^１９ｃｍ^－３の３種のｎ型コンタクト層１２の測定値が示されている。

フェルミ準位と伝導帯が縮退しているｎ型のＡｌＧａＮにおいては、キャリア濃度の温度依存性がほとんどない。図５（ｂ）によれば、Ｓｉ濃度が２．１０×１０^１９ｃｍ^－３、３．２０×１０^１９ｃｍ^－３、４．３０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２のいずれにおいても、キャリア濃度の温度依存性が小さいため、フェルミ準位と伝導帯が縮退していると判定できる。

一方、フェルミ準位と伝導帯が縮退している場合であっても、ＩＩＩ族空孔とＳｉの複合欠陥が存在すると、欠陥でキャリアが散乱するため、移動度は温度に依存する。図５（ｃ）によれば、Ｓｉ濃度が２．１０×１０^１９ｃｍ^－３、３．２０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２においては、移動度の温度依存性はほとんどないが、Ｓｉ濃度が４．３０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２においては、比較的大きな移動度の温度依存性がある。これは、Ｓｉ濃度が高いためにＩＩＩ族空孔とＳｉの複合欠陥が多く存在するためと考えられる。

また、図５（ａ）によれば、Ｓｉ濃度が２．１０×１０^１９ｃｍ^－３、３．２０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２においては、電気抵抗率の温度依存性がほとんどないが、Ｓｉ濃度が４．３０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２においては、比較的大きな電気抵抗率の温度依存性がある。

ＡｌＧａＮにフェルミ準位と伝導帯が縮退していない場合にも電気抵抗率は温度に依存するが、図５（ｂ）からＳｉ濃度が４．３０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２に縮退が生じていることが確認できるため、Ｓｉ濃度が４．３０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２の電気抵抗率の温度依存性は、ＩＩＩ族空孔とＳｉの複合欠陥が多く存在していることによると考えられる。

図６は、各種のｎ型コンタクト層１２のカソードルミネッセンス測定により得られたスペクトル（ＣＬスペクトル）を示す。ｎ型コンタクト層１２のＣＬスペクトルにおける、フォトンエネルギーが２．４ｅＶ付近のピークは、ＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥に起因する発光によるものであり、このピークの強度が大きいほどＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥が多いことになる。

なお、フォトンエネルギーが３．２ｅＶ付近のピークは、Ｖ族サイトのＣに起因する発光によるものであり、フォトンエネルギーが４．９ｅＶ付近のピークは、バンドギャップに相当する発光によるものである。

図６は、ｎ型コンタクト層１２のＣＬスペクトルの形状のＳｉ濃度による変化を示している。図６によれば、ＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥に起因するピークは、Ｓｉ濃度が４．０×１０^１８～３．０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２には確認されず、Ｓｉ濃度が４．０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２に弱く現れ、Ｓｉ濃度が６．０×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型コンタクト層１２に強く現れている。

ＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥が多いほどｎ型コンタクト層１２の電気抵抗は大きくなるため、この図６から得られる結果は、ｎ型コンタクト層１２のＳｉ濃度がおよそ４．０×１０^１９ｃｍ^－３を超えると電気抵抗が増加するという図４（ａ）～（ｃ）から得られる結果と一致する。

以上、本発明の実施の形態及び実施例について説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態及び実施例の構成要素を任意に組み合わせることができる。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１発光素子
１０基板
１１バッファ層
１２ｎ型コンタクト層
１３発光層
１４電子ブロック層
１５ｐ型層
１６ｎ型コンタクト層
１７ｐ電極
１８ｎ電極

Claims

ＡｌＧａＮからなる第１のｎ型コンタクト層と、
前記第１のｎ型コンタクト層の上の、深紫外光を発する発光層と、
それぞれＡｌＧａＮからなり、複数の第１の層と当該第１の層とＡｌ組成が異なる複数の第２の層を交互に積層させた超格子構造を有する、前記発光層の上のｐ型層と、
前記ｐ型層の上の、前記ｐ型層にトンネル接合する、フェルミ準位と伝導帯が縮退した、ＡｌＧａＮからなる第２のｎ型コンタクト層と、
前記第１のｎ型コンタクト層に接続されたｎ電極と、
前記第２のｎ型コンタクト層に接続されたｐ電極と、
を備え、
前記ｐ型層と前記第２のｎ型コンタクト層の界面、及び前記ｐ型層の、前記複数の第１の層と前記複数の第２の層のそれぞれの界面に二次元ホールガスを含み、
前記第２のｎ型コンタクト層のＡｌ組成が、４０％以上、７０％以下の範囲内にある、
発光素子。
前記第２のｎ型コンタクト層が、前記縮退が生じる濃度であって、かつ４．０×１０^１９ｃｍ^－３以下の濃度のＳｉを含む、
請求項１に記載の発光素子。
前記ｎ電極の前記第１のｎ型コンタクト層に接触する部分と、前記ｐ電極の前記第２のｎ型コンタクト層に接触する部分が同じ材料からなる、
請求項１又は２に記載の発光素子。
前記材料がアルミニウムである、
請求項３に記載の発光素子。