氮化物半导体发光元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用氮化物半导体的发光波长在200~300nm区域的新型的深紫外发 光元件。
【背景技术】
[0002] 现状是作为发光波长300nm以下的深紫外光源，使用氘、汞等的气体光源。这些气 体光源存在短寿命、以及为大型等不便。此外，汞为受到条约限制的物质。因此，期待实现 能够消除这些不便、处理容易的、使用半导体的深紫外发光元件。
[0003] 然而，使用半导体的发光元件存在与氘气体灯或者汞气体灯等的气体光源相比光 输出弱、此外发光效率也低的问题。
[0004] 作为半导体发光元件的光输出不充分的原因，可以列举出在氮化物半导体发光元 件中，与空穴相比，电子的有效质量小、并且载流子浓度高，因此引起电子穿过活性层（区 域）、向P型层溢出，从而导致发光效率的降低。这种电子向P型层溢出在高注入电流条件 下导致发光效率的进一步降低，同时发热量增加。其结果，光输出达到极限，难以得到与注 入的载流子的量相应的光输出。
[0005] 氮化物半导体发光元件中的电子向p型层溢出的问题不是仅在发光波长300nm以 下的深紫外发光元件中产生的问题（例如，参照非专利文献1)。例如，专利文献1中记载 了如下的技术，在发光波长超过300nm的半导体发光元件中，在活性层与p型层之间形成具 有与活性层的带隙相比更大的带隙的电子阻挡层，从而防止电子由活性层区域向P型层流 出，提高发光效率。此外，非专利文献2中记载了，在深紫外发光元件中，尝试如上所述的电 子阻挡层的应用（参照非专利文献2)。
[0006] 现有技术文献
[0007] 非专利文献
[0008] 非专利文献 1 :J.Appl.Phys. 108,033112(2010)
[0009] 非专利文献 2 :Electorn.Lett. 44,493 (2008)
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开2007-88269号公报
[0012] 专利文献2 :日本特开2010-205767号公报
[0013] 专利文献3 :日本特开平11-298090号公报
【发明内容】
[0014] 发明要解决的问题
[0015] 然而，根据本发明人的研究，明确在发光波长300nm以下的氮化物半导体发光元 件中，仅简单地设置电子阻挡层不能充分地改善发光效率。本发明人对于该理由推定如下。 即，要求发光波长为300nm以下的深紫外发光元件中的p型层的带隙大于近紫外以及可见 光的发光元件中的P型层的带隙。认为结果是深紫外发光元件的P型层中的空穴的活化率 进一步降低、并且有效质量也变大，因此电子的溢出更容易产生。
[0016] 因此本发明的课题在于针对发光波长为200~300nm的氮化物半导体发光元件解 决如上所述的问题点，提供发光效率高的氮化物半导体深紫外发光元件。
[0017] 用于解决问题的方案
[0018] 本发明人为了解决上述课题进行深入研究。尤其是，详细地研究各层的带隙的关 系，结果发现至少设置一层具有与形成活性层以及P型层的层的带隙相比更大的带隙的电 子阻挡层、和具有与n型层内为最小带隙的层（在以下，有时称为"n型第一层"）的带隙相 比更大的带隙的P型第一层，从而可以高效地改善氮化物半导体深紫外发光元件的发光效 率，从而完成本发明。
[0019] 本发明的第一方式：
[0020] [1] -种氮化物半导体发光元件，所述氮化物半导体发光元件具有200~300nm的 发光波长，其特征在于，其具有：
[0021] 由单一层或带隙不同的多个层形成的n型层、
[0022] 由单一层或带隙不同的多个层形成的p型层、以及
[0023] 配设在n型层与p型层之间的活性层，
[0024] p型层具有p型第一层，该p型第一层具有与在n型层内具有最小带隙的n型第一 层的带隙相比更大的带隙，并且
[0025] 具有比形成活性层以及p型层的层的带隙都大的带隙的电子阻挡层设置于活性 层与P型第一层之间。
[0026] [2]在本发明的第一方式中，p型层能够由带隙不同的多个层形成。
[0027] [3]在本发明的第一方式中，优选的是，活性层具有阱层以及势皇层；p型层 具有P型包层以及P型接触层；该氮化物半导体发光元件包含以如下顺序层叠n型 层、活性层、电子阻挡层、P型包层、以及P型接触层的层叠结构；势皇层用组成式 AlaGaiaN(0. 34彡a彡0. 89)表示；p型包层用组成式AlbGaibN(0. 44〈b〈l. 00)表示；并且， P型包层的A1组成与势皇层的A1组成之差（b-a)超过0. 10且为0. 45以下。
[0028] 需要说明的是，上述p型包层优选为p型第一层。
[0029] [4]在上述形态[3]的本发明的第一方式中，优选的是，阱层用组成式 AleG&1eN(0. 33彡e彡0. 87)表示；势皇层的A1组成与阱层的A1组成之差（a-e)为0. 02 以上。
[0030][5]在上述形态[3]~[4]的本发明的第一方式中，优选的是，阱层的厚度为4~20nm〇
[0031] [6]在上述形态[3]~[5]的本发明的第一方式中，优选的是，电子阻挡层为p型 或i型；电子阻挡层的组成用组成式AlfaiJ(0. 45彡c彡1. 00)表示；p型包层的组成用 组成式41心&1。(0.44〈13〈1.00)表示；电子阻挡层的41组成（(3)大于前述口型包层的41组 成（b);电子阻挡层的A1组成与前述势皇层的A1组成之差（c-a)为0. 11~0.98;p型包 层的A1组成与前述势皇层的A1组成之差（b-a)超过0. 10且为0. 45以下。
[0032] [7]在上述形态[3]~[6]的本发明的第一方式中，优选的是，具有多个势皇层； 该多个势皇层包含与n型层相接的第一势皇层、和与电子阻挡层相接的第二势皇层。
[0033] [8]本发明的第二方式为具有上述本发明的第一方式中所述的氮化物半导体发光 元件的层叠结构的氮化物半导体晶圆。
[0034] 发明的效果
[0035] 根据本发明，能够抑制发光波长300nm以下的氮化物半导体深紫外发光元件中的 电子的溢出，因此可以提高氮化物半导体深紫外发光元件的发光效率。
【附图说明】
[0036] 图1为说明本发明的氮化物半导体发光元件的一个实施方式的示意性截面图。
[0037] 图2为说明图1的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
[0038]图3为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式中的能带图的一个 例子的示意性截面图。
[0039]图4为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式中的能带图的一个 例子的示意性截面图。
[0040] 图5为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式中的能带图的一个 例子的示意性截面图。
[0041]图6为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
[0042]图7为说明图6的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
[0043]图8为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
[0044] 图9为说明图8的氮化物半导体发光元件的能带图的例子的图。
[0045] 图10为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
[0046] 图11为说明图10的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
[0047] 图12为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
[0048] 图13为说明图12的氮化物半导体发光元件的能带图的例子的图。
[0049]图14为说明本发明的氮化物半导体发光元件的其他实施方式的示意性截面图。
[0050]图15为说明图14的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。
【具体实施方式】
[0051] 〈1.氮化物半导体发光元件〉
[0052] 首先对于氮化物半导体发光元件的基本概要进行说明。
[0053] 在本发明中，具有200~300nm的发光波长的氮化物半导体发光元件（以下也存 在仅简记为"深紫外发光元件"的情况）例如可以通过有机金属化学气相成长法（M0CVD法） 来制造。具体而言，可以如下制造，使用市售的装置，在后述的单晶基板上、或层叠体的基板 上，供给III族原料气体例如三甲基铝那样的有机金属的气体、和氮源气体例如氨气体那 样的原料气体。通过M0CVD法制造氮化物半导体发光元件的条件可以采用公知的方法。此 外，本发明的氮化物半导体发光元件也可以用M0CVD法以外的方法来制造。
[0054] 在本发明中，氮化物半导体发光元件若具有200~300nm的发光波长，则没有特别 限制。具体而言，从包含选自硼、铝、铟和镓中的一种以上以及氮且用通式：BxAlYInzG aixyZN (0<x彡l、0〈y彡l、(Xz〈l、0〈x+y+z彡1)表示的构成的物质之中，决定各层的组成，制成 具有200~300nm的发光波长的氮化物半导体发光元件即可。若示出更具体的例子，例如， 由用AlaGaiaN表示的组成构成活性层的情况下，需要为0. 2彡a彡1的组成。
[0055] 此外，通常地，B、A1的比例增加时，带隙有变大的倾向，In、Ga的比例增加时，带隙 有变小的倾向。因此，可以通过这些构成元素的比例来调整各层的带隙。构成元素的比例 可以利用SIMS(SecondaryIon-microprobeMassSpectrometer:二次离子质谱分析仪）、 TEM-EDX(TransmissionElectronMicroscope-EnergyDispersiveX-rayspectrometry： 透射电子显微镜-能量色散型X射线光谱法）、三维原子探针法（3DAP)等测定所制造的氮 化物半导体发光元件而求出。然后，带隙可以由各层的构成元素的比例来换算。此外，也可 以利用阴极发光法（CL法）、光致发光法（PL法）分析氮化物半导体发光元件，从而直接求 出各层的带隙。构成元素为Al、Ga、以及N时，可以由带隙的值使用换算式来特定A1组成。
[0056] 需要说明的是，在本申请的实施例/比较例中，通过X射线衍射法（XRD)来测定各 层的构成元素的比例，利用PL法来求出带隙。在判断本申请所公开的发明的技术范围时， 只要没有特别的情况，则对于各层的组成，应用XRD得到的测定值，对于各层的带隙，应用 由PL法确定的值。
[0057] 以下，使用附图对于本发明的第一方式的氮化物半导体发光元件进行详细地说 明。图1为一个实施方式的本发明的氮化物半导体发光元件的示意性截面图。此外，图2 为说明图1的氮化物半导体发光元件的能带图的一个例子的图。在图2中，以纸面上下方 向表示带隙的大小、越向纸面上方电子的能量越高（空穴的能量越低）的方式描绘能带图。 在本申请的其他的能带图中也是同样的。图2例如表示了与n型层20的带隙相比，电子阻 挡层40、以及p型第一层51的带隙大。
[0058] 如图1所示，氮化物半导体发光元件1具备基板10、在基板10上设置的n型层20、 在n型层20上设置的活性层30、在活性层30上设置的电子阻挡层40、和在电子阻挡层40 上设置的P型层50。在图1的氮化物半导体发光元件100中，n型层为单一层。此时，n型 层20相当于在n型层内具有最小带隙的n型第一层。此外，在图1的氮化物半导体发光元 件100中，p型层50由带隙不同的多个层形成。p型层50由具有与n型第一层20的带隙 相比更大的带隙的P型第一层（P型包层）51、和具有不同于p型第一层51的带隙的p型第 二层（P型接触层）52形成。
[0059] 氮化物半导体发光元件1还具备：在从p型第二层52至n型层20的一部分被蚀 刻除去从而露出的n型层20的表面设置的n型用电极60、和在p型第二层52上设置的p 型用电极70。n型用电极60以及p型用电极70可以使用公知的方法来