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WO2024248151A1 - Ｉｉｉ族窒化物発光デバイス - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物発光デバイス Download PDF

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Publication number
WO2024248151A1
WO2024248151A1 PCT/JP2024/020108 JP2024020108W WO2024248151A1 WO 2024248151 A1 WO2024248151 A1 WO 2024248151A1 JP 2024020108 W JP2024020108 W JP 2024020108W WO 2024248151 A1 WO2024248151 A1 WO 2024248151A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
composition
semiconductor layer
emitting device
nitride
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.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/020108
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
秀人 三宅
謙次郎 上杉
孝夫 中村
一信 小島
修平 市川
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.)
Mie University NUC
University of Osaka NUC
Original Assignee
Osaka University NUC
Mie University NUC
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
Application filed by Osaka University NUC, Mie University NUC filed Critical Osaka University NUC
Priority to CN202480036545.XA priority Critical patent/CN121312294A/zh
Publication of WO2024248151A1 publication Critical patent/WO2024248151A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • H10P14/20—

Definitions

  • This disclosure relates to Group III nitride light emitting devices.
  • Non-Patent Document 1 discloses a light-emitting device that uses a single-crystal aluminum nitride substrate.
  • Non-Patent Documents 2 and 3 disclose light-emitting devices that use an aluminum nitride template.
  • deep UV light with a wavelength of 230 nm or less is substantially absorbed by the stratum corneum of the epidermis of mammals such as humans. As a result, it does not adversely affect the DNA inside cells. There is a demand for new sterilization technologies that do not have such adverse effects.
  • the barrier height of the electron blocking layer is relatively low compared to the active layer that generates long-wave ultraviolet light. This relative reduction may not be sufficient to prevent electrons from leaking out of the active layer.
  • the maximum barrier that can be used in nitride semiconductor light-emitting devices is aluminum nitride (AlN), and exceeding this material limit will require the emergence of a material or structure that can provide a barrier that exceeds the band gap of AlN.
  • the present disclosure aims to provide a group III nitride light-emitting device that suppresses the decrease in external quantum efficiency caused by a decrease in the band offset between the active layer and the electron blocking layer.
  • a Group III nitride light-emitting device comprises: a Group III nitride semiconductor layer containing Al as a constituent element; an electron blocking layer containing Al as a constituent element; an active layer containing an AlYGa1 -YN layer (Y is an Al composition, provided that Y is greater than zero) provided between the electron blocking layer and the Group III nitride semiconductor layer so as to generate light having a peak wavelength in the deep ultraviolet wavelength region of not more than 240 nm and not less than 206 nm; and a base member having a primary surface containing AlXGa1 - XN and mounting the Group III nitride semiconductor layer, the active layer, and the electron blocking layer on the primary surface, where X is greater than 0 and not more than 1, wherein an Al composition G in the active layer is equal to or greater than Y and less than (Y+0.04), and a composition difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of the active layer is 0.18
  • the above aspect provides a group III nitride light-emitting device that suppresses the decrease in external quantum efficiency caused by the decrease in the band offset between the active layer and the electron blocking layer.
  • the above aspect also solves the problem of the relative decrease in the barrier to electrons.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of an exemplary light emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example conduction band structure and an example aluminum profile of the active layer of the light emitting device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the main steps in the method for producing the light-emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the main steps in the method for producing the light-emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the main steps in the method for producing the light-emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of an exemplary light emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example conduction band structure
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the main steps in the method for producing the light-emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 8 is a plot illustrating the Al composition profile in the active layer and adjacent semiconductor regions of the exemplary light emitting device shown in FIGS.
  • FIG. 9 is a flow chart showing the major steps in a method for fabricating a nitride light emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a simulation result showing the relationship between the current injection efficiency (CIE) and the emission wavelength.
  • FIG. 11 is a diagram showing a simulation result showing the relationship between leakage current and emission wavelength.
  • FIG. 12 is a diagram showing an exemplary structure of a light emitting diode (LED).
  • LED light emitting diode
  • FIG. 13 is a diagram showing a reciprocal lattice mapping image of the LED structure shown in FIG. 12 by an X-ray diffraction (XRD) method.
  • FIG. 14 is a drawing showing an X-ray diffraction (XRD) image of the n-type semiconductor layer (Al 0.86 Ga 0.14 N) of the LED structure shown in FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing diffraction peak images of the (0004) and (20-22) planes of an AlN single crystal on a sapphire support.
  • FIG. 16 is a diagram showing electroluminescence (EL) of an LED structure.
  • FIG. 17 is a plot showing the external quantum efficiency (EQE) of the LED structure.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the emission wavelength and the external quantum efficiency (EQE) of an LED structure.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the injection current into an LED structure and the external quantum efficiency (EQE).
  • FIG. 20 shows the EL spectra of the assembled devices (DEV_A, DEV_B).
  • FIG. 21 is a graph showing the injection current dependence of the optical output and external quantum efficiency of the assembled device (DEV_A, emission wavelength 230 nm).
  • FIG. 22 is a graph showing the injection current dependence of the optical output and external quantum efficiency of the assembled device (DEV_B, emission wavelength 236 nm).
  • FIG. 23A shows the area-averaged CL spectrum at room temperature.
  • FIG. 23B is a drawing showing an atomic force microscope (surface AFM) image.
  • FIG. 23C is a drawing showing a scanning electron microscope (SEM) image.
  • FIG. 24 shows a surface AFM image of a light emitting layer having a multiple quantum well structure and a bulk film.
  • FIG. 25 is a drawing showing CL images of a light emitting layer of a multiple quantum well structure and a bulk film.
  • FIG. 26 is a diagram showing CL peak energy maps of a light emitting layer having a multiple quantum well structure and a bulk film.
  • FIG. 27 shows an NBE integrated CL intensity map and a peak energy map of a bulk film light-emitting layer measured at room temperature.
  • FIG. 28 is a drawing showing the surface morphology based on an AFM image.
  • FIG. 29 is a graph showing the relationship between integrated CL intensity and photon energy.
  • FIG. 30 is a graph showing the relationship between integrated CL intensity and photon energy measured at an absolute temperature of 79 Kelvin and at room temperature.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of an exemplary light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-section taken along line I-I in FIG. 2.
  • a light emitting device is a semiconductor element that includes an active layer for emitting light comprising a group III nitride, such as a light emitting diode, a semiconductor laser, or a light source excited by an electron beam.
  • the exemplary light emitting device 110 has the structure of a light emitting diode.
  • the light emitting device 110 includes a base member 112 and an active layer 114, a first nitride semiconductor layer 122 containing Al as a constituent element, and an electron blocking layer 134 containing Al as a constituent element.
  • the first nitride semiconductor layer 122 is included in the lower group III nitride stack 113, and the electron blocking layer 134 is included in the upper group III nitride stack 115.
  • the first nitride semiconductor layer 122 may include a group III nitride semiconductor layer.
  • the active layer 114 is provided between the first nitride semiconductor layer 122 and the electron blocking layer 134 to form, for example, a potential well.
  • Carriers are injected into this well from the n-type semiconductor layer in the lower group III nitride stack 113 and the p-type semiconductor layer in the upper group III nitride stack 115.
  • the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer may include group III nitrides containing respective dopants.
  • the first nitride semiconductor layer 122, the active layer 114, and the electron blocking layer 134 are mounted on a base member 112.
  • the base member 112 has a primary surface including, for example, Al x Ga 1-x N (X is greater than 0 and equal to or less than 1).
  • the base member 112, the first nitride semiconductor layer 122, the active layer 114, and the electron blocking layer 134 are arranged in the direction of an axis Ax1 extending in a direction intersecting the primary surface of the base member 112.
  • the base member 112 includes, for example, a nitride single crystal support 112b including aluminum as a constituent element, or a template member 112c.
  • the primary surface of the bulk AlN single crystal for example a bulk AlN single crystal substrate, can have, for example, a c-plane and can have, for example, an off-axis of 0.5 degrees in the direction of the m-axis.
  • a template member 112c is depicted as an exemplary base member 112.
  • the template member 112c includes a support 118 and a template layer 120.
  • the support 118 has a primary surface 118a made of a material different from a group III nitride.
  • the template layer 120 includes Al x Ga 1-x N (X is greater than 0 and equal to or less than 1) and covers the primary surface 118a of the support 118.
  • the Al x Ga 1-x N may have, for example, a half-width of an X-ray rocking curve of the (10-12) plane of 1000 arcsec or less, and contains compressive strain. This compressive strain is the source of strain applied to the active layer 114.
  • the template layer 120 may be, for example, 2000 nm or less and 100 nm or more, for example, 500 nm.
  • Exemplary substrates 118 may include at least one of the following materials: carbon, boron nitride (BN), aluminum oxide (sapphire), ceramic, silicon carbide, refractory metals, zirconia, tantalum carbide (TaC), ScAlMgO4 .
  • the template member 112c, the lower group III nitride stack 113, the active layer 114, and the upper group III nitride stack 115 are arranged in the direction of an axis Ax1 that extends in a direction intersecting the primary surface 120s of the template layer 120.
  • the active layer 114 is provided on the base member 112, specifically the single crystal support 112b or the template member 112c, and can be configured to generate light having a peak wavelength (wavelength with the maximum light intensity) in the deep ultraviolet wavelength region of 240 nm or less.
  • the peak wavelength of the light from the active layer 114 can be 206 nm or more.
  • the active layer 114 includes at least one Al Y Ga 1-Y N layer, where Y is an Al composition, and Y is greater than zero.
  • the Al Y Ga 1-Y N layer is a light emitting layer associated with the optical transition in the active layer 114. In at least a portion of the light emitting layer, an optical transition generated by carrier recombination occurs.
  • the active layer 114 has a structure including a single film or a multi-layer film, and the structure can be configured to generate light having a peak wavelength in the deep ultraviolet wavelength region of 240 nm or less and 206 nm or more.
  • the exemplary active layer 114 may also comprise at least one of group III nitrides containing aluminum and gallium as group III elements, such as ternary AlGaN and quaternary InAlGaN containing compressive strain.
  • the active layer 114 may have, by way of example, a structure including a single film in a single well (e.g., a bulk light-emitting layer), a stacked structure including multiple films in a single well (e.g., a multi-quantum well structure in a single well (e.g., a multi-layer ...
  • the upper III-nitride stack 115 includes a p-type III-nitride semiconductor region configured to supply carriers (e.g., holes) to the active layer 114.
  • the lower III-nitride stack 113 includes an n-type III-nitride semiconductor region configured to supply carriers (e.g., electrons) to the active layer 114.
  • a part or all of the upper III-nitride stack 115 includes a p-type dopant to form a p-type III-nitride semiconductor region.
  • a part or all of the lower III-nitride stack 113 includes an n-type dopant to form an n-type III-nitride semiconductor region.
  • the upper III-nitride stack 115 may include a heterobarrier layer (e.g., electron blocking layer 134) for carriers (e.g., electrons) injected from the lower III-nitride stack 113.
  • the electron blocking layer 134 may have a substantially constant Al composition or may have a graded Al composition.
  • the lower III-nitride stack 113 may also include a heterobarrier layer (e.g., first nitride semiconductor layer 122) that provides a barrier for carriers (e.g., holes) injected from the upper III-nitride stack 115.
  • the first nitride semiconductor layer 122 may have a substantially constant Al composition or may have a graded Al composition.
  • the exemplary active layer 114 forms a junction with the first nitride semiconductor layer 122 and the electron blocking layer 134.
  • the active layer 114 has an Al composition G, which is represented by a profile (G).
  • the profile (G) of the Al composition G is represented as a function of coordinates defined along an axis Ax1, which extends from one of the first nitride semiconductor layer 122 and the electron blocking layer 134 to the other.
  • the profile (G) may represent a substantially constant Al composition, or may represent a periodic or non-periodic variation in Al composition from multiple semiconductor layers in the active layer 114.
  • the active layer 114 may satisfy the following: the Al composition G in the active layer 114 is equal to or greater than Y, and is less than (Y + 0.04) (less than ⁇ MAX).
  • Al composition G of the active layer 114 If an upper limit is set for the Al composition G of the active layer 114, the average number of Al atoms per unit volume averaged throughout the active layer 114 (Al atom density) can be reduced. Reducing this Al atom density is effective in terms of avoiding high resistance in the active layer 114 and not reducing the relative heterobarrier for the electronic level associated with the optical transition in the active layer 114.
  • the bulk light-emitting layer has a lower Al atom density than the Al atom density of the active layer 114 in the stacked structure of multilayer films in a single well WELL and in the multiple quantum well structure. Therefore, the bulk light-emitting layer can effectively utilize the heterobarrier for electrons (the barrier of the electron blocking layer 134) and does not increase the electrical resistance to the current flowing through the active layer 114.
  • the active layer 114 can satisfy at least one of the following conditions (a), (b), and (c): (a) When the electron blocking layer 134 has a compositionally graded structure or a single composition structure, the minimum value ( ⁇ AP) of the composition difference ( ⁇ AP or ⁇ AP+ ⁇ WB) between the maximum Al composition in the electron blocking layer 134 and the Al composition of the active layer 114 is 0.18 or more.
  • the minimum value ( ⁇ AN) of the composition difference ( ⁇ AN, ⁇ AN+ ⁇ WB) between the maximum Al composition in the first nitride semiconductor layer 122 and the Al composition of the active layer 114 is 0.06 or more.
  • the Al composition G in the active layer 114 is equal to or greater than Y and is less than (Y+0.04).
  • the Al composition G in the active layer 114 is equal to or greater than Y and is less than (Y+0.04).
  • the difference between the Al composition of the Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer 114 and the Al composition of the electron blocking layer 134 may be 0.18 or more. Furthermore, the difference between the Al composition of the Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer 114 and the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 may be 0.06 or more.
  • the Al composition Y of the bulk light emitting layer may be, for example, 0.73 or more and 1 or less. Furthermore, the thickness of the bulk light emitting layer may be, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example conduction band structure and an example aluminum profile of the active layer of the light emitting device shown in FIG. 1.
  • the active layer 114 has an Al composition G, specifically a profile (G).
  • this profile (G) is represented as a function of coordinate defined in the direction of axis Ax1.
  • the Al composition G in the active layer 114 can be equal to or greater than Y and less than (Y+0.04).
  • the Al composition G in the active layer 114 can be, for example, less than (Y+0.035), less than (Y+0.03), less than (Y+0.02), or less than (Y+0.01).
  • the upper limit on the Al composition G of the active layer 114 By setting an upper limit on the Al composition G of the active layer 114, heat generation due to high resistance of the active layer 114, i.e., self-heating, can be suppressed, and the electronic level associated with the optical transition in the active layer 114 can be separated from the energy level of the heterobarrier of the electron blocking layer 134. Furthermore, the upper limit on the Al composition G of the active layer 114 can relatively increase the heterobarrier of the electron blocking layer 134 against electrons in the active layer 114 without changing the material of the electron blocking layer 134 and the structure of the heterobarrier, thereby reducing the possibility of electrons leaking out of the active layer 114.
  • the upper limit on the Al composition G in the active layer 114 can relatively increase the heterobarrier against holes in the active layer 114 without changing the material of the first nitride semiconductor layer 122 and the structure of the heterobarrier, thereby reducing the leakage of holes from the active layer 114.
  • the active layer 114 may include a stacked structure 124a such as a multiple quantum well structure 114a.
  • the stacked structure 124a may include a plurality of semiconductor layers (124b, 124c) having different Al compositions.
  • the stacked structure 124a includes at least one first semiconductor layer 124b and at least one second semiconductor layer 124c.
  • the first semiconductor layer 124b has the smallest Al composition among the semiconductor layers in the stacked structure 124a
  • the second semiconductor layer 124c has the largest Al composition among the semiconductor layers in the stacked structure 124a.
  • the stacked structure 124a may include a further semiconductor layer, for example a third semiconductor layer, having a different Al composition from the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c.
  • the plurality of semiconductor layers (124b, 124c) may have different thicknesses from each other, or may have substantially the same thickness.
  • the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c are disposed in a direction from one side of the first nitride semiconductor layer 122 and the electron blocking layer 134 to the other side, and form a profile of the Al composition G of the active layer 114.
  • the first semiconductor layer 124b comprises a nitride containing Ga and Al as group III constituent elements, and specifically comprises an Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer 114.
  • the second semiconductor layer 124c comprises a nitride containing Ga and Al as group III constituent elements, and may comprise, for example, an Al Z Ga 1-Z N layer (Z is the Al composition, provided that Z is greater than Y and less than 1).
  • the group III nitride of the second semiconductor layer 124c has a larger band gap than the group III nitride of the first semiconductor layer 124b.
  • the difference ( ⁇ AP) between the Al composition of the second semiconductor layer 124c and the Al composition of the electron blocking layer 134 is greater than the difference ( ⁇ WB) between the Al composition of the first semiconductor layer 124b and the Al composition of the second semiconductor layer 124c.
  • the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 is greater than the Al composition of the second semiconductor layer 124c.
  • the composition difference ( ⁇ AN) between the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 and the Al composition of the second semiconductor layer 124c is greater than the Al composition difference ( ⁇ WB) between the Al composition of the first semiconductor layer 124b and the Al composition of the second semiconductor layer 124c.
  • the Al composition G in the exemplary stack structure 124a can be not less than Y (equal to or greater than Y) and less than (Y+0.04) (less than ⁇ MAX).
  • the minimum value of the Al composition G can be the Al composition Y. Setting an upper limit on the Al composition of the stack structure 124a can reduce carrier leakage and self-heating from the active layer 114, as already described.
  • the Al composition difference (less than ⁇ MAX) between the Al composition of the second semiconductor layer 124c and the Al composition of the first semiconductor layer 124b can be less than 0.04.
  • the Al composition difference (less than ⁇ MAX) between the Al composition of the second semiconductor layer 124c and the Al composition of the first semiconductor layer 124b can be 0.035 or less.
  • the Al composition difference (less than ⁇ MAX) between the Al composition of the second semiconductor layer 124c and the Al composition of the first semiconductor layer 124b can be 0.03 or less, 0.02 or less, or 0.01 or less.
  • the external quantum efficiency can be improved by decreasing the Al composition of a semiconductor layer with a high Al composition, for example, the second semiconductor layer 124c.
  • the Al composition of the second semiconductor layer 124c may be less than 0.823 and greater than Y.
  • the Al composition of the second semiconductor layer 124c may be equal to or less than 0.801.
  • the Al composition of the first semiconductor layer 124b may be less than or equal to 0.801.
  • the difference between the Al composition of the second semiconductor layer 124c and the maximum Al composition of the electron blocking layer 134 may be greater than the difference between the Al composition of the first semiconductor layer 124b and the Al composition of the second semiconductor layer 124c. Also, the composition difference between the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 and the Al composition of the second semiconductor layer 124c may be greater than the Al composition difference between the Al composition of the first semiconductor layer 124b and the Al composition of the second semiconductor layer 124c.
  • the Al composition of the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c, the film thickness of the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c, and the arrangement of the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c can be specified so that a multiple quantum well structure 114a is not formed in the active layer 114.
  • the Al composition of the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c, the film thickness of the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c, and the arrangement of the first semiconductor layer 124b and the second semiconductor layer 124c can be specified so that a multiple quantum well structure 114a is provided in the active layer 114.
  • the first semiconductor layer 124b acts as a well layer
  • the second semiconductor layer 124c acts as a barrier layer.
  • the multiple quantum well structure will now be described with reference to the exemplary conduction band structure and aluminum profile (G) of the active layer 114 in FIG. 3.
  • the structure of the active layer 114 is not limited to a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
  • the multiple quantum well structure 114a of the active layer 114 is provided with a plurality of well layers 114b and one or more barrier layers 114c.
  • the barrier layers 114c include an Al.sub.ZGa.sub.1 -ZN layer (Z is an Al composition, where Z is greater than Y and less than 1).
  • Each of the well layers 114b includes an Al.sub.YGa.sub.1 -YN layer.
  • the group III nitride of the barrier layers 114c has a larger band gap than the group III nitride of the well layers 114b.
  • the minimum value of the Al composition of the electron blocking layer 134 may be equal to or greater than the Al composition of the barrier layers 114c.
  • composition difference (.DELTA.AP) between the Al composition of the barrier layer 114c closest to the electron blocking layer 134 and the Al composition of the electron blocking layer 134 may be greater than the composition difference (.DELTA.WB) between the Al composition of the barrier layer 114c and the Al composition of the well layer 114b.
  • the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 is greater than the Al composition of the barrier layer 114c.
  • the composition difference ( ⁇ AN) between the Al composition of the barrier layer 114c closest to the first nitride semiconductor layer 122 and the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 may be greater than the Al composition difference ( ⁇ WB) between the Al composition of the well layer 114b and the Al composition of the barrier layer 114c.
  • the profile (G) of the Al composition G in the exemplary multiple quantum well structure 114a can be equal to or greater than Y and less than (Y+0.04) (less than ⁇ MAX). Setting an upper limit on the Al composition of the multiple quantum well structure 114a can reduce carrier leakage from the active layer 114 and self-heating of the active layer 114.
  • the film thickness of the well layer 114b and the film thickness of the barrier layer 114c can be in the following ranges. Thickness of the well layer 114b: in the range of 1 to 5 nm, for example 2 nm. Thickness of barrier layer 114c: in the range of 2 to 20 nm, for example 3 nm.
  • the thicknesses of the well layers 114b and the barrier layers 114c can be in the following ranges.
  • the thickness of the well layer 114b is in the range of 0.5 to 5 nm.
  • Barrier layer 114c thickness in the range of 2 to 20 nm.
  • the thicknesses of the well layers 114b and the barrier layers 114c can be in the following ranges.
  • the thickness of the well layer 114b is in the range of 0.5 to 5 nm.
  • Barrier layer 114c thickness in the range of 2 to 10 nm.
  • the thicknesses of the well layers 114b and the barrier layers 114c can be in the following ranges.
  • the thickness of the well layer 114b is in the range of 0.5 to 5 nm.
  • Barrier layer 114c thickness in the range of 2 to 10 nm.
  • the thicknesses of the well layers 114b and the barrier layers 114c can be in the following ranges.
  • the thickness of the well layer 114b is in the range of 0.5 to 5 nm.
  • Barrier layer 114c thickness in the range of 2 to 5 nm.
  • the external quantum efficiency can be improved by reducing the Al composition of a semiconductor layer with a high Al composition in the active layer 114, for example, the barrier layer 114c.
  • the Al composition of the barrier layer 114c is less than 0.823 and may be greater than Y.
  • the Al composition of the barrier layer 114c may be equal to or less than 0.801.
  • the Al composition Y of the well layer 114b may be less than or equal to 0.801.
  • the average value of the Al composition in the active layer 114 is lowered to avoid high resistance in the active layer 114.
  • the average value of the Al composition in the active layer 114 is lowered to suppress an increase in group III vacancies in the active layer 114, thereby reducing the concentration of non-radiative centers.
  • the active layer 114 when the active layer 114 has at least one of a bulk light-emitting layer, a stacked structure 124a, and a multiple quantum well structure 114a, the active layer 114 can satisfy at least one of the following conditions (a), (b), and (c) with respect to its Al composition.
  • the minimum composition difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer 134 and the Al composition of the active layer 114 is 0.18 or more.
  • the minimum composition difference between the Al composition of the first nitride semiconductor layer 122 and the Al composition of the active layer 114 is 0.06 or more.
  • the Al composition G of the active layer 114 is equal to or greater than Y and is less than (Y+0.04).
  • the upper group-III nitride stack 115 is provided on the template member 112c such that the active layer 114 is located between the upper group-III nitride stack 115 and the template member 112c.
  • the upper group-III nitride stack 115 can include one or more group-III nitride semiconductor layers (e.g., AlN, AlGaN, GaN, InAlGaN) that contain at least one of Al and Ga as a group-III constituent element.
  • the upper III-nitride stack 115 can include an electron blocking layer 134, a p-type semiconductor layer 136, and a p-type contact layer 138.
  • an exemplary upper III-nitride stack 115 can include the following semiconductor layers:
  • Electron blocking layer 134 undoped or Mg-doped AlN, thickness 5 nm.
  • p-type semiconductor layer 136 Mg-doped compositionally graded AlGaN (Al compositional gradient: 0.9 to 0.3), thickness 12 nm.
  • p-type contact layer 138 Mg-doped GaN.
  • the p-type contact layer 138 has, for example, the following structure.
  • p-type contact layer 138b (second layer) Highly Mg-doped GaN, thickness 30 nm.
  • the p-side electrode 146 is connected to the p-type contact layer 138 through the opening 144a.
  • the term "undoped" refers to the absence of any intentional addition of dopants, and does not refer to a resulting dopant concentration of zero.
  • the lower group III nitride stack 113 is provided between the base member 112 and the active layer 114, and may include one or more group III nitride semiconductor layers (e.g., AlN, AlGaN, InAlGaN) that contain at least Al as a group III constituent element.
  • group III nitride semiconductor layers e.g., AlN, AlGaN, InAlGaN
  • the lower III-nitride stack 113 may include a first nitride semiconductor layer 122 (Al W Ga 1-W N layer), a second nitride semiconductor layer 132 (Al V Ga 1-V N layer), and a third nitride semiconductor layer 130 (Al U Ga 1-U N layer).
  • An exemplary lower III-nitride stack 113 can include the following semiconductor layers: First nitride semiconductor layer 122: Al W Ga 1-W N layer (Al composition W is smaller than 1 and larger than Y. W is equal to or smaller than V) Second nitride semiconductor layer 132: Al.sub.V Ga.sub.1-V N layer (Al composition V is smaller than 1 and equal to or larger than W. V is smaller than U) Third nitride semiconductor layer 130: Al U Ga 1-U N layer (Al composition U is equal to or less than X and is greater than zero)
  • the first nitride semiconductor layer 122 may have n-conductivity.
  • the first nitride semiconductor layer 122 may include one or more III-nitride semiconductor layers, such as n-type AlGaN.
  • a part or all of the first nitride semiconductor layer 122 may be doped with an n-type dopant, and the first nitride semiconductor layer 122 may include, for example, Si-doped Al 0.86 Ga 0.14 N.
  • the thickness of the first nitride semiconductor layer 122 is in the range of 600 nm to 1200 nm.
  • the second nitride semiconductor layer 132 may be made of, for example, undoped AlGaN with a composition gradient (continuous composition change or stepwise composition change).
  • the thickness of the second nitride semiconductor layer 132 may be, for example, 100 nm.
  • the third nitride semiconductor layer 130 may be made of, for example, undoped AlN.
  • the third nitride semiconductor layer 130 may have a thickness of, for example, 200 nm.
  • the electron blocking layer 134 includes a heterobarrier layer that provides a heterobarrier that blocks electrons, and may further include a p-side spacer layer between the heterobarrier layer and the active layer 114 in addition to the heterobarrier layer.
  • the first nitride semiconductor layer 122 includes an n-type carrier supply layer that supplies electrons to the active layer 114, and may further include an n-side spacer layer between the n-type carrier supply layer and the active layer 114 in addition to the n-type carrier supply layer.
  • the electron blocking layer 134 and the first nitride semiconductor layer 122 form a heterojunction with the active layer 114 to provide a potential well WELL for the active layer 114.
  • a single quantum well structure formed by the arrangement of the first nitride semiconductor layer 122, the Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer 114, and the electron blocking layer 134, or an Al Y Ga 1-Y N layer as a bulk light emitting layer may be provided.
  • a multiple quantum well structure including an Al Y Ga 1-Y N layer as a well layer 114b and a barrier layer 114c may be provided.
  • a stacked structure 124a including an arrangement of a plurality of group III nitride layers having different Al compositions may be provided.
  • the active layer 114 has an upper limit of its Al composition, for example, less than (Y+0.04).
  • the active layer 114 When the active layer 114 is provided on an n-type Group III nitride semiconductor region with a low lattice relaxation rate that is in contact with the main surface of the base member 112 (specifically, the main surface 120s of the template layer 120), compressive strain is applied to the active layer 114. Specifically, compressive strain is applied to the bulk light-emitting layer, the well layer 114b, and the barrier layer 114c.
  • the lower group III nitride stack 113 is located between the active layer 114 and the base member 112.
  • the upper group III nitride stack 115 is located on the active layer 114.
  • the lower group III nitride stack 113 forms a bond 119a with the base member 112, specifically the template layer 120 of the template member 112c in FIG. 1, and can have a compressive strain caused by Al.sub.XGa.sub.1 - XN of the template layer 120.
  • the lower group III nitride stack 113 also forms a bond 119b with the active layer 114.
  • the active layer 114 can include a compressive strain caused by Al.sub.XGa.sub.1 - XN of the template layer 120 of the template member 112c. Meanwhile, at least a portion of the upper group III nitride stack 115 may be lattice-relaxed. The upper III-nitride stack 115 is disposed on the active layer 114 and supplies carriers to the active layer 114 .
  • the lower group III nitride stack 113 may include an underlayer, specifically a third nitride semiconductor layer 130 (an Al U Ga 1-U N layer, where U is equal to or smaller than X and larger than Y).
  • the third nitride semiconductor layer 130 may be, for example, undoped and may be provided to cover a major surface of the template layer 120 or the single crystal support 112b.
  • the third nitride semiconductor layer 130 may be made of AlN.
  • the exemplary third nitride semiconductor layer 130 may have a screw dislocation density of, for example, 4 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • the third nitride semiconductor layer 130 may have a threading dislocation density of, for example, 9 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 or less.
  • the third nitride semiconductor layer 130 (undoped Al U Ga 1-U N layer) may contain compressive strain.
  • the lattice relaxation rate of the third nitride semiconductor layer 130 with respect to the template layer 120 is 2% or less.
  • the third nitride semiconductor layer 130 makes it possible to inherit the dislocation density and compressive strain of the template layer 120.
  • the lower group III nitride stack 113 may include another underlayer, specifically a second nitride semiconductor layer 132 (Al V Ga 1-V N layer, where V is smaller than 1 and larger than Y, and V is larger than U).
  • the second nitride semiconductor layer 132 may be, for example, undoped, and may be, for example, made of ternary AlGaN.
  • the second nitride semiconductor layer 132 may be provided on the third nitride semiconductor layer 130 (Al U Ga 1-U N layer).
  • the second nitride semiconductor layer 132 may have a dislocation density including a helical component of, for example, 4 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • the second nitride semiconductor layer 132 may contain compressive strain from the underlayer.
  • the lattice relaxation rate of the third nitride semiconductor layer 130 relative to the template layer 120 is 2% or less.
  • the second nitride semiconductor layer 132 can have an Al composition decreased toward the active layer 114 while inheriting the threading dislocation density and compressive strain of the template layer 120.
  • the second nitride semiconductor layer 132 Al V Ga 1-V N layer
  • can include an Al compositionally graded Al V Ga 1-V N layer (V 1 to 0.86).
  • the lattice relaxation rate of the first nitride semiconductor layer 122 relative to the template layer 120 can be 2% or less.
  • the n-type region of the first nitride semiconductor layer 122 is connected to an electrode (n-side electrode 148). In this case, a current flows in the in-plane direction and in the direction of the axis Ax1 in the first nitride semiconductor layer 122. The thicker the film thickness of this n-type semiconductor region, the lower the resistance, and the lower the driving voltage. However, if the n-type semiconductor region is too thick, the lattice relaxation rate of the n-type semiconductor region increases, and the compressive strain is not effectively transmitted to the active layer 114.
  • a lattice relaxation rate of 2% or less of the first nitride semiconductor layer 122 makes it possible to provide the n-type semiconductor with a film thickness for a good current path and to effectively transmit the compressive strain to the active layer 114.
  • the first nitride semiconductor layer 122 forms a junction 119c with the second nitride semiconductor layer 132 (Al V Ga 1-V N layer).
  • the second nitride semiconductor layer 132 forms a junction 119d with the third nitride semiconductor layer 130 (Al U Ga 1-U N layer).
  • the lower group III nitride stack 113 includes the third nitride semiconductor layer 130 and the second nitride semiconductor layer 132 in addition to the first nitride semiconductor layer 122.
  • the third nitride semiconductor layer 130 and the second nitride semiconductor layer 132 can form a base that transmits the compressive strain of the template layer 120 to the active layer 114.
  • the first nitride semiconductor layer 122 has an Al composition smaller than the Al composition of the second nitride semiconductor layer 132, and has an Al composition larger than the Al composition Y of the well layer 114b and the Al composition Z of the barrier layer 114c.
  • the light emitting device 110 has a protruding region 142.
  • the protruding region 142 may include the upper Group III nitride stack 115, the active layer 114, and an upper portion of the lower Group III nitride stack 113 (specifically, an upper portion of the first nitride semiconductor layer 122).
  • the light emitting device 110 may further include a passivation film 144, which covers the protruding region 142 and the first nitride semiconductor layer 122.
  • the passivation film 144 has a first opening 144a located on the upper surface of the protruding region 142 and a second opening 144b located on the upper surface of the first nitride semiconductor layer 122 (specifically, the n-type semiconductor upper surface of the first nitride semiconductor layer 122).
  • the passivation film 144 may include, for example, a silicon-based inorganic insulator, and specifically, may include silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride.
  • the light emitting device 110 may be provided with a p-side electrode 146 and an n-side electrode 148.
  • the p-side electrode 146 is provided in the first opening 144a, and the n-side electrode 148 is provided in the second opening 144b.
  • the p-side electrode 146 makes contact with the upper surface of the p-type contact layer 138.
  • the n-side electrode 148 makes contact with the n-type semiconductor upper surface of the first nitride semiconductor layer 122.
  • N-side electrode 148 Ti/Al/Ni/Au
  • the base member 112 the upper group III nitride stack 115, the active layer 114, and the lower group III nitride stack 113 form a nitride semiconductor structure 153.
  • the base member 112 has a first region 120a and a second region 120b, and the first region 120a and the second region 120b are arranged along a reference plane Ref that intersects with an axis Ax1 from the base member 112 to the active layer 114.
  • the n-side electrode 148 is located on the first region 120a, specifically on the lower group III nitride stack 113, and the protruding region 142 and the p-side electrode 146 are located on the second region 120b, specifically on the upper surface of the upper group III nitride stack 115.
  • the p-side electrode 146 has, for example, a comb shape.
  • the n-side electrode 148 may include a comb-shaped portion and a peripheral portion. The peripheral portion is provided along the base of the protruding region 142, specifically, so as to surround and close the protruding region 142.
  • Part (a) of FIG. 4, part (b) of FIG. 4, part (a) of FIG. 5, part (b) of FIG. 5, part (a) of FIG. 6, part (b) of FIG. 6, part (a) of FIG. 7, and part (b) of FIG. 7 are drawings showing the main steps of the method for fabricating the light-emitting device according to this embodiment.
  • a light-emitting diode structure is fabricated as the light-emitting device.
  • a template 162 is prepared.
  • Preparing the template 162 includes, for example, fabricating the template 162 or obtaining the template 162 by a method other than fabrication.
  • Making the template 162 can include the following steps:
  • a substrate 150 is prepared.
  • the substrate 150 can be, for example, a 2-inch sapphire substrate.
  • the substrate 150 is placed in a film-forming apparatus, and a precursor 151 for Al.sub.xGa.sub.1 - xN is deposited on a primary surface 150a of the substrate 150.
  • This deposition is performed by a sputtering method using, for example, a sputtering apparatus 155a.
  • the precursor 151 is composed of an aggregate of group III nitride crystal grains for Al.sub.xGa.sub.1 - xN.
  • the sputtering target includes AlN or AlGaN.
  • the target is sputtered using a sputtering pressure of 0.05 Pa, and the precursor 151 of AlN or AlGaN for the AlN template layer is deposited on the substrate 150.
  • the surface temperature of the substrate 150 is kept within a range of about 500 to 700 degrees Celsius, for example, about 700 degrees Celsius.
  • the inert gas for example, nitrogen gas is used, and the flow rate of the nitrogen gas is, for example, 10 to 100 sccm (standard cubic centimeter per minute).
  • an intermediate product including substrate 150 and precursor 151 is placed in heat treatment device 155b.
  • heat treatment device 155b covering member 154 and precursor 151 are made to face each other.
  • covering member 154 and precursor 151 are arranged so that the maximum distance between main surface 152a of precursor 151 and main surface 154a of covering member 154 is preferably 0.5 mm or less.
  • covering member 154 may be another intermediate product (substrate 150 and precursor 151).
  • a heat treatment is performed on the substrate 150 and the precursor 151 using a heat treatment device 155b.
  • the substrate 150 and the precursor 151 are raised to an annealing temperature.
  • the annealing temperature can be, for example, a temperature of 1600 degrees Celsius or more and 1750 degrees Celsius or less, for example, 1725 degrees Celsius.
  • the time during which the substrate 150 and the precursor 151 are held at 1400 degrees Celsius or more may be 20 minutes to 168 hours, and more preferably 3 to 48 hours.
  • the substrate 150 and the precursor 151 are placed within the above temperature range and subjected to a heat treatment for, for example, 20 minutes or more.
  • a heat treatment is referred to as face-to-face annealing (FFA).
  • FFA face-to-face annealing
  • This heat treatment can provide a template 162 that includes a template layer 160.
  • Template layer 160 includes Al x Ga 1-x N (where x is greater than zero and less than or equal to 1) and covers primary surface 150a of substrate 150.
  • Template layer 160 can be, for example, less than or equal to 2000 nm and greater than or equal to 100 nm, and is 500 nm in this embodiment.
  • the covering member 154 can have a main surface 154a that is equal to or larger than the main surface 151a of the precursor 151.
  • the main surface 154a of the covering member 154 can include at least one material of carbon, boron nitride (BN), aluminum oxide (sapphire), ceramic, silicon carbide, high melting point metal, zirconia, tantalum carbide (TaC), and ScAlMgO 4.
  • the inert gas of the atmosphere 158 can include at least one of helium (He) gas, nitrogen (N 2 ) gas, and argon (Ar) gas.
  • the half-width of the (10-12) X-ray rocking curve is measured using an X-ray diffraction device 155c.
  • the template layer 160 has a half-width of the (10-12) X-ray rocking curve of 1000 arcsec or less.
  • the template layer 160 can have an X-ray rocking curve of (10-12) with a half-width of 100 arcsec or less for the (0002) plane.
  • the template layer 160 was formed by deposition through sputtering and high-temperature heat treatment.
  • the prepared template 162 includes a substrate 150 and a template layer 160.
  • the substrate 150 has a primary surface 150a made of a material other than a group III nitride.
  • the template layer 160 includes Al.sub.xGa.sub.1 -xN having an X-ray rocking curve full width at half maximum of 1000 arcsec or less in the (10-12) plane, and covers the primary surface 150a of the substrate 150.
  • Al x Ga 1-x N of template layer 160 can be AlN and/or AlGaN.
  • Template layer 160 can have a dislocation density including a screw component of 5 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, and has a threading dislocation density of 9 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 or less.
  • the substrate 150 may include at least one of the following materials: carbon, boron nitride (BN), aluminum oxide (sapphire), ceramic, silicon carbide, refractory metals, zirconia, tantalum carbide (TaC), ScAlMgO 4.
  • a sapphire substrate may typically have a size of 2 inches.
  • the template layer 160 can have a hexagonal crystal structure.
  • the primary surface of the template layer 160 has an off-angle greater than 0 degrees and less than or equal to 0.5 degrees with respect to the c-plane of the crystal structure.
  • the off-angle direction is, for example, the [1-100] direction (m-axis direction) of the hexagonal crystal structure. This manufacturing method provides exemplary angle ranges and directions for the off-angle.
  • An exemplary Al.sub.xGa.sub.1 -xN layer comprises AlN.
  • a III-nitride stack 164 is then formed.
  • the III-nitride stack 164 is grown on the template layer 160 or on the Al.sub.xGa.sub.1 -xN primary surface of a bulk III-nitride single crystal wafer.
  • the primary surface of the bulk AlN single crystal wafer has an off-angle greater than 0 degrees and less than or equal to 0.5 degrees with respect to the c-plane of the crystal structure.
  • the off-angle direction is, for example, the [1-100] direction (m-axis direction) of the hexagonal crystal structure. According to this manufacturing method, exemplary angle ranges and directions are provided for the off-angle.
  • An exemplary III-nitride single crystal substrate can be an AlN single crystal wafer.
  • a III-nitride stack 164 is grown on the template layer 160.
  • a group III nitride stack 164 is grown on the template layer 160.
  • This growth can be performed by, for example, Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) or Molecular Beam Epitaxy (MBE).
  • MOVPE Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • a MOVPE reactor 155d is employed, and trimethylgallium (TMGa) and trimethylaluminum (TMAl) are used as the gallium precursor and the aluminum precursor, respectively.
  • NH3 is used as the nitrogen source.
  • the III-nitride stack 164 includes a semiconductor film for the lower III-nitride stack 113 and the active layer 114. Specifically, the III-nitride stack 164 has a nitride semiconductor region 166 and an active layer 168.
  • a nitride semiconductor region 166 is grown on the template layer 160.
  • the nitride semiconductor region 166 can include one or more Group III nitride semiconductor films.
  • an n-type Group III nitride semiconductor film for the nitride semiconductor region 166 is grown on the Al x Ga 1-xN template layer 160 having a (10-12) plane X-ray rocking curve half-width of 1000 arcsec or less.
  • the n-type Group III nitride semiconductor film includes an n-type dopant (e.g., silicon) from silane ( SiH4 ) added to the source gas during growth in this embodiment.
  • the nitride semiconductor region 166 can be an AlGaN layer with an Al composition of 0.80 or more.
  • an exemplary NH3 partial pressure in the nitride semiconductor region 166 can be 10 kPa or more.
  • an active layer 168 is grown.
  • the active layer 168 can include AlGaN.
  • the active layer 168 can be configured to generate light having a peak wavelength in the deep ultraviolet wavelength region of 240 nm or less.
  • the active layer 168 can be configured to generate light in the deep ultraviolet wavelength region, for example, up to about 206 nm.
  • the active layer 168 includes a group III nitride semiconductor that includes compressive strain.
  • the active layer 168 can have a bulk light-emitting layer in a single well, a stacked structure of multiple films in a single well, or a multiple quantum well structure in a single well.
  • the multiple quantum well structure of the active layer 168 includes multiple well layers and one or more barrier layers. Each well layer includes compressive strain, and each barrier layer includes compressive strain.
  • the band gap of the compressively strained AlGaN in the well layer is smaller than the band gap of the compressively strained AlGaN in the barrier layer.
  • the active layer 168 is formed such that its Al composition G (see FIG. 1) is less than (Y+0.04).
  • the active layer 168 does not include a barrier layer with a high potential barrier and a well layer with a deep potential well.
  • the active layer 168 can include InAlGaN capable of generating light at deep ultraviolet wavelengths.
  • the Al x Ga 1-x N template layer 160 imparts compressive strain to one or more semiconductor films of the active layer 168 via the nitride semiconductor region with a low lattice relaxation rate (the semiconductor region for the lower III-nitride stack 113).
  • one or more Group III-nitride semiconductor layers are grown prior to the growth of the nitride semiconductor region 166 and the active layer 168.
  • the Group III-nitride stack 164 may include an undoped Al.sub.UGa.sub.1 -U.sub.N layer 170 and an undoped Al.sub.VGa.sub.1 -V.sub.N layer 172.
  • an Al U Ga 1-U N layer 170 (U is equal to or smaller than X and greater than Y) can be grown to cover the template layer 160.
  • the Al U Ga 1-U N layer 170 has an Al composition greater than the Al composition of the nitride semiconductor region 166.
  • the Al U Ga 1-U N layer 170 may be, for example, undoped.
  • the screw dislocation density of the Al U Ga 1-U N layer 170 is, for example, 4 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less, and the threading dislocation density of the Al U Ga 1-U N layer 170 is, for example, 9 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 or less.
  • the Al U Ga 1-U N layer 170 may include compressive strain.
  • the relaxation rate of the Al U Ga 1-U N layer with respect to this AlN is 2% or less.
  • the Al U Ga 1-U N layer 170 makes it possible to inherit the threading dislocation density and compressive strain of the template layer 160.
  • An exemplary Al U Ga 1-U N layer 170 comprises AlN.
  • another Al.sub.V Ga.sub.1 -V N layer 172 (where V is less than 1 and greater than Y, and V is less than U) may be grown on the Al.sub.U Ga.sub.1 - U N layer 170.
  • the Al.sub.V Ga.sub.1- V N layer 172 has an Al composition greater than the Al composition of the nitride semiconductor region 166.
  • An exemplary Al.sub.V Ga.sub.1-V N layer 172 may comprise AlGaN with a constant Al composition and/or compositionally graded AlGaN, including a continuous or stepwise composition change.
  • the Al V Ga 1-V N layer 172 may be, for example, undoped.
  • the screw dislocation density of the Al V Ga 1-V N layer 172 is, for example, 4 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • the Al V Ga 1- V N layer 172 may contain compressive strain.
  • the Al V Ga 1-V N layer 172 may have a lower Al composition toward the active layer 168 while inheriting the threading dislocation density of the template layer 160.
  • the lattice relaxation rate of the undoped Al V Ga 1-V N layer relative to the AlN is 2% or less.
  • the multiple Group III nitride semiconductor layers grown on the template layer 160 can be grown coherently with respect to the template layer 160.
  • growing coherently refers to a pattern in which growth continues with a constant lattice constant.
  • the III-nitride stack 164 may include an electron blocking layer 174, a p-type composition-graded layer 176, and a p-type contact layer 178.
  • the electron blocking layer 174, the p-type composition-graded layer 176, and the p-type contact layer 178 may be grown on the active layer 168, in that order.
  • a groove 180 that defines the outer edge of the element of the light-emitting device is formed by photolithography and etching. Etching is performed from the top surface of the III-nitride stack 164 to the substrate 150, forming the groove 180.
  • a protruding region 182 is formed by photolithography and etching.
  • the etching is performed to form a groove 183 that reaches the nitride semiconductor region 166 from the upper surface of the III-nitride stack 164 so as to separate the active layer 168.
  • the etching does not reach the Al.sub.V Ga.sub.1-V N layer 172.
  • the upper portion of the nitride semiconductor region 166 is removed to expose the surface of the nitride semiconductor region 166 so that an n-side electrode can be formed on the etched nitride semiconductor region 166.
  • the lower portion of the nitride semiconductor region 166 is left so as to provide a horizontal current path.
  • a passivation film 184 In the process shown in FIG. 7B, a passivation film 184, a p-side electrode 186, and an n-side electrode 188 are formed.
  • the passivation film 184 has a first opening 184a located on the top surface of the protruding region 182, and a second opening 184b located on the bottom surface of the groove 183 that defines the protruding region 182.
  • one of the p-side electrode 186 and the n-side electrode 188 is formed in the first opening 184a, and the other of the p-side electrode 186 and the n-side electrode 188, for example the n-side electrode 188, is formed in the second opening 184b.
  • FIG. 8 shows the Al composition profile in the active layer and adjacent semiconductor regions of the exemplary light-emitting device shown in FIGS. 1 and 3.
  • the active layer (MQW) of the exemplary light-emitting device has a deep potential multiple quantum well structure with an Al composition of (Y+0.04) or more.
  • Arrows CA1, CA2, and CA3 show the movement of carriers (electrons) in a schematic manner.
  • an electron flow is injected from n-type AlGaN (e.g., the first nitride semiconductor layer 122) into the first well layer.
  • the electron flow propagates in the active layer (MQW) while making an optical direct transition.
  • the active layer of the exemplary light-emitting device has a deep potential well WELL.
  • the active layer of the specific light-emitting device has a shallow quantum well structure (MQW), which is contained in the deep potential well WELL.
  • Arrows CA4, CA5, and CA6 show the movement of carriers (electrons) in a schematic manner.
  • an electron flow is injected from the first nitride semiconductor layer 122 to the first well layer.
  • the electron flow propagates in the active layer (MQW) while making an optical direct transition.
  • AlN electron blocking layer
  • the Al composition difference ( ⁇ WB) between the Al composition of the barrier layer 114c and the Al composition of the well layer 114b becomes smaller, and the quantum confinement becomes weaker.
  • a deep well potential (WELL) is provided in the active layer 114, which is made possible by setting an upper limit for the Al composition.
  • the first nitride semiconductor layer 122 and the electron block layer 134 can firmly confine carriers in the well (WELL in part (b) of FIG. 8) provided by them.
  • This well potential (WELL) fully utilizes the heterobarrier from the first nitride semiconductor layer 122 and the electron block layer 134, which is specified by the existing material, for carrier confinement.
  • the well potential (WELL) enables carrier confinement, and also enables emission at the desired wavelength of the bulk light emitting layer in addition to the shallow potential stacked structure 124a and the shallow potential multiple quantum well structure 114a in the well potential (WELL).
  • the active layer 114 of the well potential includes an Al Y Ga 1-Y N layer acting as a bulk light emitting layer.
  • the Al Y Ga 1-Y N layer is provided between the first nitride semiconductor layer 122 and the electron blocking layer 134 and is configured to generate light having a peak wavelength in the deep ultraviolet wavelength region of 240 nm or less and 206 nm or more.
  • the depth of the well potential is specified such that the composition difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer and the Al composition Y of the Al Y Ga 1- Y N layer is 0.18 or more.
  • the well potential can be specified such that the composition difference between the maximum Al composition in the first nitride semiconductor layer 122 and the Al composition of the Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer 114 is 0.06 or more.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the main steps in the method for fabricating a nitride light-emitting device according to this embodiment.
  • the light-emitting diode to be fabricated includes a bulk AlN substrate or a sapphire template, an AlN homoepitaxial layer, an AlGaN layer, an n-type electron spreader layer, an active layer, an electron blocking layer, a p-type hole injection layer, and a p-type contact layer. These semiconductor layers are stacked in order.
  • An n-side electrode is connected to the electron spreader layer of the n-type AlGaN layer, and a p-side electrode is connected to the p-type contact layer.
  • a substrate is prepared.
  • the substrate can be, for example, a sapphire substrate.
  • the substrate is not limited to sapphire, and can include at least one of the following materials: carbon, boron nitride (BN), ceramic, silicon carbide, refractory metal, zirconia, tantalum carbide (TaC), and ScAlMgO4 .
  • an AlN template layer is formed on a sapphire substrate.
  • the AlN template layer is substantially made of AlN.
  • the AlN template layer is formed to grow an epitaxial layer having good crystallinity on the substrate.
  • the main surface of the AlN template layer substantially comprises a hexagonal c-plane.
  • the AlN of the template layer provides the following advantages:
  • the lattice constant of AlN can be well matched with the lattice constant of AlGaN used in the active layer of an ultraviolet light-emitting diode.
  • AlN on a sapphire substrate exhibits high transmittance for ultraviolet light.
  • AlN exhibits high thermal conductivity.
  • step S11a a desired sputtering target is prepared.
  • step S11b a precursor for the AlN template layer is deposited by sputtering, for example.
  • step S11c the deposited precursor is heat-treated. Specifically, the precursor for the AlN template layer is formed by one or more depositions on the surface of the sapphire substrate, for example by reactive sputtering, and the AlN and sapphire substrate thus deposited are subjected to one or more heat treatments. This forms the template layer. The deposition and heat treatments can be performed alternately.
  • the method for forming the template layer is not limited to reactive sputtering, and can be performed using MOVPE, MBE, or hydride vapor phase epitaxy (HVPE).
  • the thickness of the AlN template layer may be, for example, in the range of 100 to 10,000 nm, and more preferably in the range of 500 to 1,500 nm. By performing film formation by a sputtering method and heat treatment one or more times, this thickness range provides a sufficiently low threading dislocation density in the template layer and a sufficiently low frequency of cracks occurring in the template layer.
  • a bulk single crystal AlN substrate or a sapphire template is prepared.
  • an epitaxial structure for a light emitting diode is formed on the AlN template layer of the sapphire substrate.
  • This epitaxial structure can be formed using deposition methods such as MOVPE, HVPE, and MBE.
  • all layers other than the AlN template layer are fabricated using MOVPE.
  • an AlN homoepitaxial layer is formed. Specifically, prior to forming the AlN homoepitaxial layer on the AlN template layer, if necessary, the surface of the AlN template layer is treated (surface cleaning) in a MOVPE reactor. This surface treatment is a heat treatment for about 10 minutes in a high temperature atmosphere. The surface treatment is performed in a mixed atmosphere of H2 and NH3 , or in a mixed atmosphere of H2 , NH3, and N2 .
  • the treatment temperature may be, for example, 1200 degrees Celsius or higher, and more preferably, 1300 degrees Celsius or higher.
  • This treatment is performed to remove oxides and organic substances present on the surface of the AlN template layer and to suppress the introduction of defects in each layer from the AlN homoepitaxial layer grown on the AlN template layer to the contact layer.
  • the pressure may be, for example, 13 kPa.
  • the homoepitaxial layer is made of the same material as the surface of the template layer or bulk AlN substrate.
  • the homoepitaxial layer is made of, for example, AlN.
  • the homoepitaxial layer has a surface with better flatness than the surface of the AlN template layer.
  • the homoepitaxial layer also prevents residual impurities (e.g., carbon (C), oxygen (O), and silicon (Si)) contained in the template layer from passing through the homoepitaxial layer.
  • the thickness of the homoepitaxial layer may be, for example, in the range of 10 to 10,000 nm, and more preferably in the range of 50 to 1,000 nm.
  • the thickness of the AlN homoepitaxial layer is, for example, 200 nm.
  • the AlN homoepitaxial layer is formed under conditions such as, for example, a carrier gas of H2 , raw materials of NH3 and TMAl, a growth pressure of 13 kPa, and a substrate temperature of 1300 degrees Celsius.
  • a buffer layer such as an AlGaN buffer layer is formed on the homoepitaxial layer.
  • the buffer layer can be made of a nitride (Al y1 Ga z1 In (1-z1-y1) N, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ z1 ⁇ 1, y1+z1 ⁇ 1) containing a group III element as a constituent element.
  • the buffer layer plays a role of matching a layer formed below the buffer layer with a layer formed above the buffer layer in terms of lattice constant.
  • the buffer layer can be made of, for example, AlGaN or AlGaInN.
  • the lattice constant specific to AlN is different from the lattice constant specific to AlGaN, so a layer that matches the lattice constant specific to the crystal is provided between the AlN layer and the AlGaN layer.
  • the buffer layer may have a structure in which the lattice constant changes continuously or discontinuously in the stacking direction within the buffer layer.
  • the buffer layer may be undoped, i.e., not intentionally doped with impurities, or may have an n-type dopant, such as Si, Ge (germanium), Sn (tin), O (oxygen), S (sulfur), Se (selenium), or Te (tellurium), to impart n-type conductivity to the semiconductor.
  • An exemplary buffer layer may be a compositionally graded AlGaN layer (thickness 100 nm).
  • an electron spreader layer is formed on the buffer layer.
  • the electron spreader layer may be made of a nitride containing a group III element as a constituent element (Al y2 Ga z2 In (1-z2-y2) N, 0 ⁇ y2 ⁇ 1, 0 ⁇ z2 ⁇ 1, y2+z2 ⁇ 1).
  • the electron spreader layer may be made of at least one of AlGaN and AlGaInN, for example.
  • the electron spreader layer may have an n-type dopant to impart n-type conductivity to the semiconductor.
  • the electron spreader layer provides a conductive path for electrons to propagate to the active layer.
  • Providing the electron spreader layer with a high Al composition can reduce the lattice mismatch between AlN (e.g., AlN template layer and AlN homoepitaxial layer) and the group III nitride (e.g., AlGaN) of the electron spreader layer. This reduction can effectively suppress the occurrence of misfit dislocations due to lattice relaxation.
  • the high Al composition electron spreader layer can transfer compressive strain from the template layer to the active layer. This can improve the LED characteristics, and more specifically, can provide an improved internal quantum efficiency and a narrow emission spectrum of the LED.
  • the Al composition of the electron spreader layer may be, for example, in the range of 0.8 to 0.9. This range avoids providing an undesirable level of conductivity in the electron spreader layer due to a too high Al composition.
  • the thickness of the electron spreader layer may be, for example, in the range of 600 to 1200 nm to provide sufficient strain to the active layer.
  • An exemplary electron spreader layer may be a 1200 nm thick n-type Al 0.86 Ga 0.14 N layer.
  • an active layer is formed.
  • the active layer has a structure having an AlGaN well layer and an AlGaN barrier layer alternately stacked.
  • the AlGaN well layer and the AlGaN barrier layer contain AlGaN having the respective Al compositions.
  • the Al composition of the AlGaN well layer is smaller than the Al composition of the AlGaN barrier layer.
  • the number of layers of the AlGaN well layer can be, for example, seven layers.
  • the uppermost layer of the active layer may be an AlGaN well layer or an AlGaN barrier layer, and therefore the active layer may be in contact with the electron block layer.
  • the lowermost AlGaN well layer or AlGaN barrier layer of the active layer may be in contact with the electron spreader layer, and therefore the active layer may be in contact with the first nitride semiconductor layer 122.
  • the multiple AlGaN well layers can have the same film thickness and Al composition, or can have different film thicknesses and Al compositions. At least some of the multiple AlGaN well layers can have a thickness different from the thickness of the remaining AlGaN well layers.
  • the emission wavelength of the active layer can be 206 nm to 240 nm, and the Al composition of the bulk light emitting layer can be in the range of 0.73 or more and 1 or less.
  • the thickness of the AlGaN well layer is, for example, 2 nm, and the Al composition is, for example, 0.792.
  • the thickness of the AlGaN barrier layer is, for example, 3 nm, and the Al composition is, for example, 0.801.
  • the AlGaN barrier layer may be in contact with the electron spreader layer, or the AlGaN well layer may be in contact with the electron spreader layer.
  • the AlGaN barrier layer may be in contact with the electron block layer, or the AlGaN well layer may be in contact with the electron block layer.
  • an electron blocking layer is formed on the active layer.
  • the electron blocking layer can be made of a nitride (Al y3 Ga z3 In (1-z3-y3) N, 0 ⁇ y3 ⁇ 1, 0 ⁇ z3 ⁇ 1, y3+z3 ⁇ 1) containing a group III element as a constituent element.
  • the electron blocking layer can be made of at least one of AlN, AlGaN, and AlGaInN, for example, undoped AlN.
  • the band gap energy of the electron blocking layer is larger than the band gap energy of the AlGaN barrier layer.
  • the electron blocking layer prevents electrons from the electron spreader layer from leaking out from the active layer to the hole injection layer.
  • the film thickness of the electron blocking layer may be 1 to 20 nm, and more preferably 3 to 10 nm.
  • the electron blocking layer can have a structure in which the band gap energy changes continuously or stepwise in the stacking direction of the semiconductor film in the electron blocking layer, that is, a composition gradient structure.
  • the electron blocking layer may be undoped, that is, not intentionally doped with impurities, or may have p-type conductivity imparted by the addition of a p-type dopant such as Mg (magnesium), Be (beryllium), C (carbon), or Zn (zinc).
  • AlN electron blocking layer Growth pressure: 40 kPa. Substrate temperature: 1050 degrees Celsius.
  • a hole injection layer such as a p-type AlGaN layer is formed.
  • the hole injection layer is provided on the active layer and the electron blocking layer.
  • the hole injection layer can be made of a nitride containing a group III element as a constituent element (Al y4 Ga z4 In (1-z4-y4) N, 0 ⁇ y4 ⁇ 1, 0 ⁇ z4 ⁇ 1, y4+z4 ⁇ 1).
  • the hole injection layer can be made of at least one of AlN, AlGaN, and AlGaInN.
  • the hole injection layer can have p-type conductivity imparted by adding a p-type dopant such as Mg (magnesium), Be (beryllium), C (carbon), or Zn (zinc).
  • the hole injection layer provides a conduction path that provides holes to the active layer.
  • the band gap energy of the hole injection layer is smaller than the band gap energy of the electron blocking layer and larger than the band gap energy of the contact layer, which will be described subsequently.
  • the hole injection layer may have a structure in which the band gap energy changes continuously or stepwise in the direction from the active layer to the electron blocking layer, i.e., a composition gradient structure, specifically a structure in which the band gap energy decreases.
  • the thickness of the hole injection layer may be 1 to 50 nm.
  • a contact layer is grown on the hole injection layer.
  • the contact layer may be made of a nitride containing a group III element as a constituent element (Al y5 Ga z5 In (1-z5-y5) N, 0 ⁇ y5 ⁇ 1, 0 ⁇ z5 ⁇ 1, y4+z4 ⁇ 1).
  • the contact layer may be made of at least one of GaN, InGaN, AlGaN, and AlGaInN, for example.
  • the contact layer may have p-type conductivity imparted by adding a p-type dopant.
  • the contact layer may include multiple GaN layers with different dopant concentrations.
  • the contact layer may include a first contact layer and a second contact layer.
  • the first contact layer may be GaN containing a Mg dopant at a concentration in the range of, for example, 5 ⁇ 10 17 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and may provide a good carrier conduction path.
  • the second contact layer may be GaN containing a Mg dopant at a concentration in the range of, for example, 5 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 , and may reduce the contact resistance between the semiconductor and the metal electrode.
  • an n-side electrode and a p-side electrode are formed. Specifically, the n-side electrode is in contact with the surface of the electron spreader layer.
  • the n-side electrode may contain at least one metal selected from the group consisting of Al, Ti (titanium), Ni (nickel), V (vanadium), Zr (zirconium), Mo (molybdenum), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ag (silver), In, Sn (tin), Ta (tantalum), W (tungsten), Pt (platinum), and Au (gold).
  • the n-side electrode may be a metal alloyed with these metals.
  • the n-side electrode may contain a conductive oxide or a conductive nitride.
  • the p-side electrode is in contact with the surface of the contact layer.
  • the p-side electrode may contain at least one of the following metals: Al, Ti, Ni, V, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, Ta, W, Pt, and Au.
  • the p-side electrode may be a metal alloyed with these metals.
  • the p-side electrode may contain a conductive oxide or a conductive nitride.
  • Figure 10 shows the results of a simulation showing the relationship between current injection efficiency (CIE) and emission wavelength.
  • Al composition of electron blocking layer 1.
  • Well layer thickness 2 nm.
  • Barrier layer thickness 3 nm.
  • Al composition of the well layer 0.6 to 0.8.
  • Al composition of the barrier layer 0.80.
  • Al composition of the well layer 0.6 to 0.8.
  • the current injection efficiency decreases as the emission wavelength becomes shorter. Reducing the Al composition of the barrier layer and moving the level related to the optical transition away from the heterobarrier of the electron blocking layer improves the injection efficiency.
  • Figure 11 shows the results of a simulation that shows the relationship between leakage current and emission wavelength.
  • the horizontal axis shows wavelength
  • the vertical axis shows leakage current ratio.
  • the leakage current ratio indicates the ratio (NH/NE) of the current from the number of electrons NE that reach the p-side electrode and the number of holes NH that reach the n-side electrode, relative to the current applied to the light-emitting diode. While the main leakage current is the flow of electrons, it is important to block this flow. With regard to the leakage current of holes, attention is also paid to the heterobarrier on the n-side.
  • Characteristic lines ⁇ BW1, ⁇ BW2, ⁇ BW3, ⁇ BW4, ⁇ BW5, and ⁇ BW6 show the characteristics of the Al composition difference between the barrier layer and the well layer as follows:
  • characteristic line Al composition difference characteristic line ⁇ BW1: 0.30. Characteristic line ⁇ BW2: 0.25. Characteristic line ⁇ BW3: 0.20. Characteristic line ⁇ BW4: 0.15. Characteristic line ⁇ BW5: 0.10. Characteristic line ⁇ BW6: 0.05.
  • the difference in Al composition between the barrier layer and the well layer can be less than 0.07, the difference in Al composition can be less than 0.06, and the difference in Al composition can be less than 0.05.
  • reducing the difference in Al composition between the barrier layer and the well layer weakens the quantum confinement while lowering the leakage current ratio.
  • a reduction in the leakage current ratio leads to an increase in the external quantum efficiency.
  • the experimental results show similar behavior to the simulation results.
  • reducing the difference in Al composition between the barrier layer and the well layer can move the level related to the optical transition away from the heterobarrier energy level of the electron blocking layer.
  • moving the level related to the optical transition away from the maximum value of the heterobarrier can improve the external quantum efficiency.
  • this embodiment can provide a group III nitride light-emitting device that suppresses the decrease in external quantum efficiency caused by the reduction in the band offset between the active layer and the electron blocking layer.
  • FIG. 12 shows an exemplary structure of a light emitting diode (LED).
  • LED light emitting diode
  • n-type semiconductor layer Al 0.86 Ga 0.14 N layer having a thickness of 600 to 1200 nm.
  • Multiple quantum well structure (MQW) 7 well layers.
  • Well layer AlGaN with a thickness of 2 nm and an Al composition of 0.792.
  • Barrier layer AlGaN with a thickness of 3 nm and Al compositions of 0.823 and 0.801.
  • Figure 13 shows a reciprocal space mapping (XRD-RSM) image of the (10-15) plane of the LED structure shown in Figure 12, obtained by XRD.
  • the "-1" in the plane index indicates that a bar is drawn over the "1" in the figure.
  • n-type semiconductor layer Al 0.86 Ga 0.14 N
  • MQW multiple quantum well structure
  • Fig. 14 shows an X-ray diffraction (XRD) image of the n-type semiconductor layer (Al 0.86 Ga 0.14 N) of the LED structure shown in Fig. 12. Specifically, parts (a) and (b) of Fig. 14 show diffraction peak images of the (0004) and (20-22) planes of the n-type semiconductor layer (Al 0.86 Ga 0.14 N). The "-2" in the plane index indicates that a bar is drawn over the "2" in the figure. Full width at half maximum of the diffraction image of the (0004) plane: 30 degrees. Full width at half maximum of the diffraction image of the (20-22) plane: 114 degrees.
  • XRD X-ray diffraction
  • Parts (a) and (b) of FIG. 15 show diffraction peak images of the (0004) and (20-22) planes of an AlN single crystal on a sapphire support.
  • Full width at half maximum of the diffraction image of the (0004) plane 29 degrees.
  • Full width at half maximum of the diffraction image of the (20-22) plane 114 degrees.
  • the dislocation densities of the n-type semiconductor layer and the AlN single crystal estimated from the measurements in parts (a) and (b) of FIG. 14 and parts (a) and (b) of FIG. 15 are shown below. Screw/mixed dislocation density: less than 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 . Edge dislocation density: less than 1 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 .
  • FIG. 16 is a diagram showing electroluminescence (EL) of an LED structure. Referring to FIG. 16, characteristic lines EL823 and LE801 are shown.
  • the LED structure of characteristic curve EL823 has the following multiple quantum well structure (MQW): Multiple quantum well structure (MQW): 7 well layers.
  • Well layer AlGaN with a thickness of 2 nm and an Al composition of 0.792.
  • Barrier layer AlGaN with a thickness of 3 nm and an Al composition of 0.823.
  • EL peak wavelength 229.5 nm.
  • the LED structure of characteristic curve EL801 has the following multiple quantum well structure (MQW). Multiple quantum well structure (MQW): 7 well layers.
  • Well layer AlGaN with a thickness of 2 nm and an Al composition of 0.792.
  • Barrier layer AlGaN with a thickness of 3 nm and an Al composition of 0.801.
  • EL peak wavelength 230.2 nm.
  • FIG. 17 is a diagram showing the external quantum efficiency (EQE) of an LED structure. Referring to FIG. 17, characteristic line EQE823 and characteristic line EQE801 are shown. Reducing the Al composition of the barrier layer increases the external quantum efficiency of the LED structure.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the emission wavelength and the external quantum efficiency (EQE) of an LED structure.
  • groups G801 and G823 are shown.
  • Group G801 includes on-wafer measurement values of an LED structure having a multiple quantum well structure with a barrier layer having a thickness of 3 nm and an Al composition of 0.801.
  • Group G823 includes on-wafer measurement values of an LED structure having a multiple quantum well structure with a barrier layer having a thickness of 3 nm and an Al composition of 0.823.
  • the LED structure of group G801 is superior to the LED structure of group G823.
  • the external quantum efficiency (EQE) of deep-UV LEDs decreases as the wavelength shortens in the emission wavelength range from 240 nm to 206 nm.
  • Figure 19 shows the relationship between the current injected into the LED structure and the external quantum efficiency (EQE).
  • External quantum efficiencies EQE7982, EQE7980, and EQE7979 are shown in Figure 19.
  • EQE7979 shows the characteristics of a bulk light-emitting layer in which both the well layer and the barrier layer are grown with the same Al composition of 0.79. Reducing the average Al composition of the active layer increases the external quantum efficiency.
  • the assembled devices are created by flip-chip mounting the LED structure onto an AlN ceramic package using solder (AuSn).
  • Al composition of the barrier layer is 0.797.
  • the Al composition of the well layer is 0.785.
  • the difference in Al composition between the barrier layer and the well layer is 0.012.
  • DEV_B Al composition of the barrier layer is 0.743.
  • the Al composition of the well layer is 0.730.
  • the difference in Al composition between the barrier layer and the well layer is 0.013.
  • FIG. 20 shows the EL spectra of the assembled devices (DEV_A, DEV_B).
  • Parts (a) and (b) of Figure 21 respectively show the injection current dependence of the optical output and external quantum efficiency of the assembled device (DEV_A, emission wavelength 230 nm). Parts (a) and (b) of Figure 22 respectively show the injection current dependence of the optical output and external quantum efficiency of the assembled device (DEV_B, emission wavelength 236 nm).
  • the optical output and external quantum efficiency of these assembled devices (DEV_A, DEV_B) were measured by pulse driving and CW driving. The pulse width was 120 microseconds, and the pulse duty was 0.1%.
  • the assembled device (DEV_A) In CW operation, the assembled device (DEV_A) exhibited an optical output of 3.12 mW at a current of 191 mA and an external quantum efficiency (max) of 0.59%. In pulse operation, the assembled device (DEV_A) exhibited an optical output of 20.3 mW at a current of 1000 mA and an external quantum efficiency (max) of 0.68%.
  • the assembled device (DEV_B) In CW operation, the assembled device (DEV_B) exhibited an optical output of 11.4 mW at a current of 200 mA and an external quantum efficiency (max) of 1.44%. In pulse operation, the assembled device (DEV_B) exhibited an optical output of 51.0 mW at a current of 1000 mA and an external quantum efficiency (max) of 1.48%.
  • External quantum efficiency Emission wavelength 236 nm, 1.44% @ emission wavelength 236 nm (CW operation).
  • External quantum efficiency (maximum) Emission wavelength 230 nm, 0.59% @ emission wavelength 236 nm (CW operation).
  • the epitaxial structure for CL evaluation is shown below.
  • a template including a sapphire substrate and a FFA sapphire AlN template layer 600 nm thick
  • an AlN film 200 nm thick
  • a compositionally graded AlGaN layer 100 nm thick
  • an n-type Al0.86Ga0.14N layer 750 nm thick
  • an emission layer is sequentially grown by MOVPE.
  • the emission layer includes a multiple quantum well structure (seven 2 nm thick Al0.79Ga0.21N well layers/3 nm thick Al0.86Ga0.14N barrier layer) or an Al0.79Ga0.21N bulk film (e.g., 35 nm thick).
  • FIG. 23A, 23B, and 23C show the area-averaged CL spectrum, atomic force microscope (surface AFM) image, and scanning electron microscope (SEM) image at room temperature, respectively.
  • FIG. 23A the CL spectra of the multiple quantum well structure and bulk film light-emitting layers are shown.
  • the band-edge emission is analyzed by a single Gaussian fit, the peak wavelength is approximately 235 nm, and the peak intensity of the spectral image of the bulk film light-emitting layer is greater than the peak intensity of the spectral image of the multiple quantum well structure light-emitting layer.
  • the AFM image of the bulk film surface shows irregularities, whereas the SEM image shows no irregularities.
  • Figure 24 shows surface AFM images of the light-emitting layer of the multiple quantum well structure and bulk film.
  • the arrow AOFF, crystal orientation system GOR, and measure GMS with a length of 2 micrometers shown in Figure 24 are shared by parts (a) and (b) of Figure 24.
  • steps appear in the off-direction (arrow AOFF) of the template member in the surface AFM image of the multiple quantum well structure light-emitting layer.
  • the dashed-line box in part (a) of Figure 24 indicates the region where the surface film thickness fluctuates.
  • the arrow AR1 indicates the recess between the steps.
  • steps appear in the off-direction (arrow AOFF) of the template member in the surface AFM image of the bulk film light-emitting layer.
  • the dashed-line box in part (b) of Figure 24 indicates the region where the surface film thickness fluctuates.
  • the arrow AR2 indicates the recess between the steps.
  • Figure 25 shows CL images of the light-emitting layer of the multiple quantum well structure and the bulk film.
  • the CL images are normalized to the range of the intensity measures shown on the right side of each of parts (a) and (b) of Figure 25.
  • the CL image of the multiple quantum well structure light-emitting layer shows a pattern corresponding to steps in the off direction of the template member (arrow AOFF in Figure 24).
  • the dashed line box in part (a) of Figure 25 shows the area where the CL intensity is high.
  • Arrow AR3 shows the dark line.
  • the CL image of the bulk film light-emitting layer shows a pattern corresponding to steps in the off direction of the template member (arrow AOFF).
  • the dashed line box in part (b) of Figure 25 shows the area where the CL intensity is high.
  • Arrow AR4 shows the dark line.
  • Figure 26 shows CL peak energy maps of the light emitting layer of the multiple quantum well structure and bulk film.
  • the crystal orientation system GOR and the 2 micrometer long measure GMS shown in Figure 26 are shared by parts (a) and (b) of Figure 26.
  • the CL peak energy maps are normalized to the range of the intensity measure shown on the right side of each of parts (a) and (b) of Figure 26.
  • the CL peak energy map of the multiple quantum well structure light-emitting layer shows a streak-like region with high peak energy in the off direction of the template member (arrow AOFF in Figure 24).
  • the CL peak energy map of the bulk film light-emitting layer shows a streak-like region with high peak energy in the off direction of the template member (arrow AOFF in Figure 24).
  • Figure 27 shows the NBE integrated CL intensity map and peak energy map of the bulk film light-emitting layer measured at room temperature.
  • the crystal orientation system GOR and the major GMS of 2 micrometers in length shown in Figure 27 are shared by parts (a) and (b) of Figure 27.
  • the CL images in parts (a) and (b) of FIG. 27 have an emission distribution that strongly reflects the off-direction of the template layer surface.
  • the CL images tend to show high CL intensity at low acceleration energies.
  • the dashed-line enclosures in parts (a) and (b) of FIG. 27 indicate that the CL intensity is high in the low-energy region.
  • the CL peak energy width has a maximum width of about 80 meV within the dashed-line region. This CL peak energy width is equivalent to about 0.03 in terms of Al composition.
  • the AlN template layer has a step-like morphology with a width of about 2 to 3 micrometers in the step structure of the epitaxial surface associated with the off-direction.
  • the emission area is associated with a Ga-rich region in the emission layer (e.g., a region where the Ga element is high by up to about 0.03). About 65 percent of the optical power of the total emission intensity is generated in the Ga-rich region rather than the Al-rich region.
  • the optical transition levels in Ga-rich regions differ from the energy levels in Al-rich regions by up to about 30 meV.
  • Figure 28 shows the surface morphology from an AFM image.
  • the right side of Figure 28 shows a depth measure.
  • the AFM image shows that the nanometer-order surface unevenness of the growth surface causes slight compositional fluctuations of Group III elements.
  • Figure 29 shows the relationship between integrated CL intensity and photon energy.
  • the integrated CL intensity has a peak at low photon energy, for example around 5.27 eV, and tails off at about 30 meV into the high photon energy region. This tailing indicates fluctuations in the Ga composition.
  • Region SA15 indicates a region of high CL intensity (15%) at the mapping point
  • region SA50 indicates a region of average CL intensity (50%) at the mapping point. This result indicates that weak, localized emission accounts for 65% of the total emission.
  • Figure 30 shows the relationship between integrated CL intensity and photon energy measured at an absolute temperature of 79 Kelvin and at room temperature. Part (a) of Figure 30 shows the integrated CL intensity distribution measured at 79 Kelvin. Part (b) of Figure 30 shows the integrated CL intensity distribution measured at room temperature. To the right of each integrated CL intensity distribution, a measure representing the frequency is shown.
  • the integrated CL peak intensity at 79 Kelvin is greater than the integrated CL peak intensity at room temperature. At low temperatures, localized emission occurs in the Ga-rich region, and the emission intensity is strong.
  • the template member 112c and the active layer 114 are disposed in the direction of the axis Ax1.
  • the Al Y Ga 1-Y layer of the active layer 114 has a fluctuation in group III composition.
  • the Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer 114 (Y is an average Al composition) includes a Ga-rich region and an Al-rich region in a reference plane intersecting the axis Ax1.
  • the Ga-rich region includes more Ga atoms per unit volume than the Ga composition ( 1-Y ), and the Al-rich region includes more Al atoms per unit volume than the Al composition Y.
  • the Al-rich region has a displacement of at least 0.03 with respect to the Al composition Y of the Al Y Ga 1-Y N layer.
  • the support 118 of the template member 112c includes sapphire.
  • the main surface of the support 118 is off in the m-axis direction, and the template layer 120 is c-axis oriented.
  • the template layer 120 includes a hexagonal AlN layer.
  • the surface of the template layer 120 has a step structure associated with the m-axis direction.
  • this embodiment can provide a group III nitride light-emitting device that suppresses the decrease in external quantum efficiency caused by the reduction in the band offset between the active layer and the electron blocking layer.
  • a Group III nitride light emitting device comprises: a Group III nitride semiconductor layer containing Al as a constituent element; an electron blocking layer containing Al as a constituent element; an active layer containing an AlYGa1 -YN layer (Y is an Al composition, provided that Y is greater than zero) provided between the electron blocking layer and the Group III nitride semiconductor layer so as to generate light having a peak wavelength in the deep ultraviolet wavelength region of not more than 240 nm and not less than 206 nm; and a base member having a primary surface containing AlXGa1 - XN and mounting the Group III nitride semiconductor layer, the active layer, and the electron blocking layer on the primary surface, where X is greater than 0 and not more than 1, wherein an Al composition G in the active layer is equal to or greater than Y and less than (Y+0.04), and a composition difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of the active layer is 0.18
  • the base member includes a template member
  • the template member includes a support having a major surface made of a material different from III-nitride
  • a template layer the template layer includes the Al.sub.xGa.sub.1 - xN, the Al.sub.xGa.sub.1 - xN containing compressive strain covering the major surface of the support, and a half-width of an X-ray rocking curve of a (10-12) plane can be 1000 arcsec or less.
  • the base member may include a bulk AlN single crystal substrate.
  • a maximum composition difference between the Al composition of the III-nitride semiconductor layer and the Al composition of the Al Y Ga 1-Y N layer may be 0.06 or more.
  • the active layer may include the Al.sub.YGa.sub.1 -YN layer as either a bulk light emitting layer or a well layer of a quantum well structure.
  • the active layer includes the AlYGa1 -YN layer as the well layer of the quantum well structure, and a composition difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of a barrier layer of the quantum well structure can be 0.18 or more.
  • the Al.sub.YGa.sub.1 -YN layer may be in contact with the electron blocking layer.
  • the Al composition G within the active layer can be substantially equal to Y throughout the active layer, and a compositional difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of the AlYGa1 -YN layer can be 0.18 or greater.
  • the active layer includes a stacked structure of a plurality of semiconductor layers having different Al compositions from each other, the plurality of semiconductor layers including at least one first semiconductor layer having a smallest Al composition among the Al compositions of the semiconductor layers and at least one second semiconductor layer having a largest Al composition among the Al compositions of the semiconductor layers, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer being arranged in a direction from one to the other of the Group III nitride semiconductor layer and the electron block layer, the first semiconductor layer including the AlYGa1 -YN layer, a difference between the Al composition of the second semiconductor layer and the maximum Al composition of the electron block layer is larger than a difference between the Al composition of the first semiconductor layer and the Al composition of the second semiconductor layer, and a composition difference between the maximum Al composition of the electron block layer and the Al composition of the second semiconductor layer may be 0.18 or more.
  • the Al composition of the group III nitride semiconductor layer may be greater than the Al composition of the second semiconductor layer, and the composition difference between the Al composition of the group III nitride semiconductor layer and the Al composition of the second semiconductor layer may be greater than the Al composition difference between the Al composition of the first semiconductor layer and the Al composition of the second semiconductor layer.
  • the difference in Al composition between the Al composition of the second semiconductor layer and the Al composition of the first semiconductor layer can be less than 0.04.
  • the Al composition difference between the Al composition of the second semiconductor layer and the Al composition of the first semiconductor layer can be 0.01 or less.
  • the Al composition of the second semiconductor layer may be less than 0.823 and greater than Y.
  • the Al composition of the second semiconductor layer may be equal to or less than 0.801.
  • the stacked structure has a multiple quantum well structure
  • the multiple quantum well structure includes a plurality of well layers as the first semiconductor layer and at least one barrier layer as the second semiconductor layer
  • the barrier layer includes an AlZGa1 - ZN layer (Z is an Al composition, where Z is greater than Y)
  • each of the well layers includes the AlYGa1 -YN layer
  • the barrier layer is closest to the electron blocking layer
  • a difference between the Al composition of the barrier layer and the Al composition of the electron blocking layer is greater than a difference between the Al composition of the barrier layer and the Al composition of the well layer
  • an Al composition difference between the maximum Al composition of the electron blocking layer and the Al composition of the barrier layer can be 0.18 or more.
  • the Al composition of the group III nitride semiconductor layer may be greater than the Al composition of the barrier layer, and the difference in Al composition between the Al composition of the group III nitride semiconductor layer and the Al composition of the barrier layer may be greater than the difference in Al composition between the Al composition of the well layer and the Al composition of the barrier layer.
  • the difference in Al composition between the Al composition of the well layer and the Al composition of the barrier layer can be less than 0.04.
  • the difference in Al composition between the Al composition of the well layer and the Al composition of the barrier layer may be 0.01 or less.
  • the Al composition G in the multiple quantum well structure can be greater than Y and less than (Y + 0.04).
  • the Al composition of the barrier layer may be less than 0.823 and greater than Y.
  • the Al composition of the barrier layer may be equal to or less than 0.801.
  • the Al composition of the first semiconductor layer, the Al composition of the second semiconductor layer, the thickness of the first semiconductor layer, the thickness of the second semiconductor layer, and the arrangement of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer can be specified such that a quantum well structure is not formed in the active layer.
  • the Al composition G in the stacked structure can be greater than Y and less than (Y+0.04).
  • the Al composition of the first semiconductor layer, the Al composition of the second semiconductor layer, the thickness of the first semiconductor layer, the thickness of the second semiconductor layer, and the arrangement of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer can be specified so that a quantum well structure is provided in the active layer.
  • the Group III nitride semiconductor layer includes an AlWGa1 -WN layer (W is 1 or less and greater than 0), and an Al composition W of the Group III nitride semiconductor layer can be 0.85 or more.
  • the template member and the active layer are disposed along a first axis
  • the Al Y Ga 1-Y layer has a fluctuation in group III composition
  • the Al Y Ga 1-Y N layer of the active layer includes a Ga-rich region and an Al-rich region in a reference plane intersecting the first axis, the Ga-rich region including more Ga atoms per unit volume than Ga composition (1-Y), and the Al-rich region including more Al atoms per unit volume than Al composition Y.
  • the Al-rich region can have a displacement with respect to the Al composition Y of the Al Y Ga 1-Y N layer of at least 0.03.

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  • Led Devices (AREA)

Abstract

発光デバイスは、構成元素としてＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、構成元素としてＡｌを含む電子ブロック層と、２４０ｎｍ以下２０６ｎｍ以上の深紫外波長領域にピーク波長を有する光を発生するように電子ブロック層とＩＩＩ族窒化物半導体層との間に設けられたＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（Ａｌ組成Ｙはゼロより大きい）を含む活性層と、ＡｌＸＧａ１－ＸＮを含む主面を有すると共にＩＩＩ族窒化物半導体層、活性層、及び電子ブロック層を主面の上に搭載するベース部材であって、Ｘは０より大きく１以下である、ベース部材と、を備え、活性層におけるＡｌ組成ＧはＹに等しい又はＹより大きく（Ｙ＋０．０４）未満であり、電子ブロック層の最大Ａｌ組成と活性層のＡｌ組成との間の組成差は０．１８以上である。

Description

ＩＩＩ族窒化物発光デバイス
　本開示は、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスに関する。
　非特許文献１は、単結晶窒化アルミニウム基板を用いる発光デバイスを開示する。非特許文献２及び非特許文献３は、窒化アルミニウムテンプレートを用いる発光デバイスを開示する。
Hirotsugu Kobayashi et. al., "Milliwatt-power sub-230-nm AlGaN LEDs with > 1500 h lifetime on a single-crystal AlN substrate with many quantum wells for effective carrier injection", Appl. Phys. Lett. 122, 101103 (2023); doi: 10.1063/5.0139970 Masafumi Jo, et. al., "Milliwatt-power far-UVC AlGaN LEDs on sapphire substrates", Appl. Phys. Lett. 120, 211105 (2022); doi: 10.1063/5.0088454 A. Knauer, et. al., "Strain induced power enhancement of far-UVC LEDs on high temperature annealed AlN templates" H. Amano et al., J. Phys. D: Appli. Phys. 53, 50 (2020)
　波長２３０ｎｍ以下の深紫外光は、殺菌に用いられてきた２６５ｎｍ帯の紫外光と異なり、ヒトといったほ乳類の表皮の角質層によって実質的に吸収される。これ故に、細胞内のＤＮＡに悪影響を与えない。このような悪影響を及ぼさない新規な殺菌技術が求められている。
　深紫外領域の光を発生する窒化物半導体発光デバイスでは、発明者らの知見によれば、電子ブロック層の障壁高は、長波の紫外光を生成する活性層に比べて、相対的に低くなっている。相対的な低下は、活性層からの電子の漏れ出しを十分に防いでいない可能性がある。窒化物半導体発光デバイスにおいて使用できる障壁の最大は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、この材料的な限界を越えることは、ＡｌＮのバンドギャップを越える障壁を提供できる材料又は構造の出現を待つことになる。
　期待されていることは、深紫外領域の光を発生する窒化物半導体発光デバイスの高性能化であり、この期待に応えるために、新たな材料の出現とは別の解決策が求められている。
　本開示は、活性層と電子ブロック層とのバンドオフセットの減少による外部量子効率の低下を抑制するＩＩＩ族窒化物発光デバイスを提供することを目的とする。
　本実施形態に係る一態様のＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、構成元素としてＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、構成元素としてＡｌを含む電子ブロック層と、２４０ｎｍ以下２０６ｎｍ以上の深紫外波長領域にピーク波長を有する光を発生するように前記電子ブロック層と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との間に設けられたＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（ＹはＡｌ組成、但しＹはゼロより大きい）を含む活性層と、ＡｌＸＧａ１－ＸＮを含む主面を有すると共に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記電子ブロック層を前記主面の上に搭載するベース部材であって、Ｘは、０より大きく１以下である、ベース部材と、を備え、前記活性層におけるＡｌ組成Ｇは、Ｙに等しい又はＹより大きく、（Ｙ＋０．０４）未満であり、前記電子ブロック層の最大Ａｌ組成と前記活性層のＡｌ組成の間の組成差は、０．１８以上である。
　上記の態様によれば、活性層と電子ブロック層とのバンドオフセットの減少による外部量子効率の低下を抑制するＩＩＩ族窒化物発光デバイスを提供できる。また、電子への障壁の相対的な低下は、上記の態様によって解決される。
図１は、本開示の一実施形態に係る発光デバイスを模式的に示す図面である。 図２は、本実施形態に係る例示的な発光デバイスの構造を示す図面である。 図３は、図１に示された発光デバイスの活性層の例示的な伝導帯バンド構造及び例示的なアルミニウムプロファイルを概略的に示す図面である。 図４は、本実施形態に係る発光デバイスを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図５は、本実施形態に係る発光デバイスを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図６は、本実施形態に係る発光デバイスを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図７は、本実施形態に係る発光デバイスを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図８は、図１及び図３に示された例示的な発光デバイスの活性層及びその近傍の半導体領域におけるＡｌ組成プロファイルを示す図面である。 図９は、本実施形態に係る窒化物発光デバイスを作製する方法における主要な工程を示すフローチャートである。 図１０は、電流注入効率（ＣＩＥ）と発光波長との関係を表すシミュレーション結果を示す図面である。 図１１は、漏れ電流と発光波長との関係を表すシミュレーション結果を示す図面である。 図１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の例示的な構造を示す図面である。 図１３は、図１２に示されたＬＥＤ構造のＸ線回折（ＸＲＤ）法による逆格子マッピング像を示す図面である。 図１４は、図１２に示されたＬＥＤ構造のｎ型半導体層（Ａｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ）のＸ線回折（ＸＲＤ）像を示す図面である。 図１５は、サファイア支持体上のＡｌＮ単結晶の（０００４）面及び（２０－２２）面の回折ピーク像を示す図面である。 図１６は、ＬＥＤ構造のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を示す図面である。 図１７は、ＬＥＤ構造の外部量子効率（ＥＱＥ）を示す図面である。 図１８は、ＬＥＤ構造の発光波長と外部量子効率（ＥＱＥ）との関係を示す図面である。 図１９は、ＬＥＤ構造への注入電流と外部量子効率（ＥＱＥ）との関係を示す図面である。 図２０は、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ、ＤＥＶ＿Ｂ）のＥＬスペクトルを示す図面である。 図２１は、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ、発光波長２３０ｎｍ）の光学出力及び外部量子効率の注入電流依存性を示す図面である。 図２２は、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ｂ、発光波長２３６ｎｍ）の光学出力及び外部量子効率の注入電流依存性を示す図面である。 図２３Ａは、室温における領域平均ＣＬスペクトルを示す図面である。 図２３Ｂは、原子間力顕微鏡（表面ＡＦＭ）像を示す図面である。 図２３Ｃは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す図面である。 図２４は、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層の表面ＡＦＭ像を示す図面である。 図２５は、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層のＣＬ像を示す図面である。 図２６は、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層のＣＬピークエネルギーマップを示す図面である。 図２７は、室温で測定されたバルク膜発光層のＮＢＥ積分ＣＬ強度マップ及びピークエネルギーマップを示す図面である。 図２８は、ＡＦＭ像による表面モフォロジーを示す図面である。 図２９は、積分ＣＬ強度と、フォトンエネルギーとの関係を示す図面である。 図３０は、絶対温度７９ケルビン及び室温において測定された積分ＣＬ強度とフォトンエネルギーとの関係を示す図面である。
　以下、図面を参照して本開示を実施するための各実施形態について説明する。同一及類似のものには、同一又は類似の符号を付して、複写的な記述を省略する。
　図１は、本開示の一実施形態に係る発光デバイスを模式的に示す図面である。図２は、本開示の一実施形態に係る例示的な発光デバイスの構造を示す図面である。図１は、図２のＩ－Ｉ線に沿って取られた断面である。
　発光デバイスは、例えば発光ダイオード、半導体レーザ、電子線励起による光源といった、ＩＩＩ族窒化物を備える発光のための活性層を含む半導体素子である。引き続く説明では、例示的な発光デバイス１１０は、発光ダイオードの構造を有する。
　発光デバイス１１０は、ベース部材１１２及び活性層１１４を備え、さらに、構成元素としてＡｌを含む第１窒化物半導体層１２２、及び構成元素としてＡｌを含む電子ブロック層１３４を備える。第１窒化物半導体層１２２は、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３に含まれ、電子ブロック層１３４は、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５に含まれる。第１窒化物半導体層１２２はＩＩＩ族窒化物半導体層を含むことができる。活性層１１４は、第１窒化物半導体層１２２と電子ブロック層１３４との間に設けられて、例えばポテンシャルの井戸を形成する。この井戸には、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３内のｎ型半導体層及び上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５内のｐ型半導体層からキャリアが注入される。ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、それぞれのドーパントを含むＩＩＩ族窒化物を備えることができる。
　第１窒化物半導体層１２２、活性層１１４、及び電子ブロック層１３４は、ベース部材１１２の上に搭載される。ベース部材１１２は、例えばＡｌＸＧａ１－ＸＮ（Ｘは、０より大きく１以下）を含む主面を有する。ベース部材１１２、第１窒化物半導体層１２２、活性層１１４、及び電子ブロック層１３４が、ベース部材１１２の主面に交差する方向に延在する軸Ａｘ１の方向に配列される。ベース部材１１２は、例えば、構成元素としてアルミニウムを含む窒化物の単結晶支持体１１２ｂ、又はテンプレート部材１１２ｃを含む。
　単結晶支持体１１２ｂは、例えばＡｌＸＧａ１－ＸＮを含む主面を有し、例えばバルクＡｌＮ単結晶（Ｘ＝１、六方晶系）を備える。バルクＡｌＮ単結晶、例えばバルクＡｌＮ単結晶基板の主面は、例えばｃ面を有することができ、例えばｍ軸の方向に０．５度のオフを有することができる。
　図１では、例示的なベース部材１１２としてテンプレート部材１１２ｃが描かれている。テンプレート部材１１２ｃは、支持体１１８及びテンプレート層１２０を含む。支持体１１８は、ＩＩＩ族窒化物と異なる材料からなる主面１１８ａを有する。テンプレート層１２０は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ（Ｘは、０より大きく１以下）を含み支持体１１８の主面１１８ａを覆う。ＡｌＸＧａ１－ＸＮは、例えば（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることができ、圧縮歪を内包する。この圧縮歪は、活性層１１４に加わる歪みの源である。テンプレート層１２０は、例えば２０００ｎｍ以下であり１００ｎｍ以上であることができ、例えば５００ｎｍである。テンプレート層１２０のＡｌＸＧａ１－ＸＮは、ＡｌＮ（Ｘ＝１）であることができ、このとき、圧縮歪を内包するＡｌＮをテンプレート層１２０に提供する。
　例示的な支持体１１８は、炭素、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（サファイア）、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属、ジルコニア、炭化タンタル（ＴａＣ）、ＳｃＡｌＭｇＯ４の少なくとも一つの材料を含むことができる。
　テンプレート部材１１２ｃ、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３、活性層１１４、及び上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５が、テンプレート層１２０の主面１２０ｓに交差する方向に延在する軸Ａｘ１の方向に配列される。
　活性層１１４は、ベース部材１１２、具体的には単結晶支持体１１２ｂ又はテンプレート部材１１２ｃの上に設けられ、また２４０ｎｍ以下の深紫外波長領域にピーク波長（光強度において最大の波長）を有する光を発生するように構成されることができる。活性層１１４からの光のピーク波長は、２０６ｎｍ以上であることができる。活性層１１４は、少なくとも１つのＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（ＹはＡｌ組成、但しＹはゼロより大きい）を含む。ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、活性層１１４における光遷移に関連付けられる発光層である。発光層の少なくとも一部分では、キャリアの再結合によって生成される光遷移が生じる。具体的には、活性層１１４は、単一膜又は多層膜を含む構造を有し、この構造は、２４０ｎｍ以下２０６ｎｍ以上の深紫外波長領域にピーク波長を有する光を発生するように構成されることができる。
　また、例示的な活性層１１４は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウム及びガリウムを含むＩＩＩ族窒化物、例えば圧縮歪を内包する３元ＡｌＧａＮ及び四元ＩｎＡｌＧａＮの少なくとも一方を備えることができる。活性層１１４は、例示的に列挙するならば、単一の井戸（ＷＥＬＬ）内に単一膜を含む構造（例えば、バルク発光層）、単一の井戸（ＷＥＬＬ）内に多層膜を含む積層構造、又は単一の井戸（ＷＥＬＬ）内の多重量子井戸構造を有することができる。
　上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、活性層１１４にキャリア（例えば、正孔）を供給するように構成されるｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体領域を含む。下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、活性層１１４にキャリア（例えば、電子）を供給するように構成されるｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体領域を含む。具体的には、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５の一部又は全部は、ｐ型ドーパントを含んでｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体領域を形成する。下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３の一部又は全部は、ｎ型ドーパントを含んでｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体領域を形成する。
　上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３から注入されるキャリア（例えば電子）に対するヘテロ障壁層（例えば、電子ブロック層１３４）を含むことができる。電子ブロック層１３４は、実質的に一定のＡｌ組成を有することができ、或いは組成傾斜のＡｌ組成を有することができる。また、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５から注入されるキャリア（例えば正孔）に対する障壁を提供するヘテロ障壁層（例えば、第１窒化物半導体層１２２）を含むことができる。第１窒化物半導体層１２２は、実質的に一定のＡｌ組成を有することができ、或いは組成傾斜のＡｌ組成を有することができる。例示的な活性層１１４は、第１窒化物半導体層１２２及び電子ブロック層１３４に接合を形成する。
　活性層１１４は、Ａｌ組成Ｇを有し、このＡｌ組成Ｇはプロファイル（Ｇ）によって表される。Ａｌ組成Ｇのプロファイル（Ｇ）は、軸Ａｘ１の方向に規定された座標の関数として表され、軸Ａｘ１は、第１窒化物半導体層１２２及び電子ブロック層１３４の一方から他方への方向に延在する。プロファイル（Ｇ）は、実質的に一定のＡｌ組成を表すことができ、或いは活性層１１４内の複数の半導体層からの周期的な又は非周期的なＡｌ組成の変化を表すことができる。
　活性層１１４は、活性層１１４内におけるＡｌ組成Ｇが、Ｙに等しい又はＹより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満（△ＭＡＸ未満）であることを満たしていてもよい。
　活性層１１４のＡｌ組成Ｇに上限を設けると、活性層１１４内にわたって平均された単位体積当たりの平均Ａｌ原子数（Ａｌ原子密度）を下げることができる。このＡｌ原子密度を下げることは、活性層１１４内の高抵抗を避けること、及び活性層１１４において光学遷移に関連付けられる電子準位に対する相対的なヘテロ障壁を小さくしないこと、の観点で有効である。具体的には、活性層１１４の厚さを固定したとき、バルク発光層は、単一の井戸ＷＥＬＬ内の多層膜の積層構造及び多重の量子井戸構造における活性層１１４のＡｌ原子密度に比べて、より少ないＡｌ原子密度を有する。これ故に、バルク発光層は、電子に対するヘテロ障壁（電子ブロック層１３４の障壁）を有効に利用できると共に、活性層１１４に流れる電流への電気抵抗を大きくしない。
　上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５のヘテロ障壁層、例えば電子ブロック層１３４に関連付けられた条件、及び下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３のヘテロ障壁層、例えば第１窒化物半導体層１２２に関連付けられる条件に関して、活性層１１４は、以下の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の少なくとも一条件を満たすことができる。
（ａ）電子ブロック層１３４が、組成傾斜構造又は単一組成構造を有するとき、電子ブロック層１３４における最大Ａｌ組成と活性層１１４のＡｌ組成との間の組成差（△ＡＰ又は△ＡＰ＋△ＷＢ）の最小値（△ＡＰ）は０．１８以上であること。
（ｂ）第１窒化物半導体層１２２が組成傾斜構造又は単一組成構造を有するときは、第１窒化物半導体層１２２における最大Ａｌ組成と活性層１１４のＡｌ組成との間の組成差（△ＡＮ、△ＡＮ＋△ＷＢ）の最小値（△ＡＮ）が０．０６以上であること。
（ｃ）活性層１１４内におけるＡｌ組成Ｇが、Ｙに等しい又はＹより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満であること。
　また、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５のヘテロ障壁層及び下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３のヘテロ障壁層に関連付けられる条件に関して、活性層１１４のバルク発光層（△ＷＢ＝０）は、以下の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の少なくとも一条件を満たすことができる。
（ａ）　電子ブロック層１３４が組成傾斜構造又は単一組成構造を有するとき、電子ブロック層１３４における最大Ａｌ組成と活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成との間の組成差（△ＡＰ＋△ＷＢ（ここで△ＷＢ＝０））の最小値（△ＡＰ＋△ＷＢ（ここで△ＷＢ＝０））は０．１８以上であること。
（ｂ）第１窒化物半導体層１２２が組成傾斜構造又は単一組成構造を有するときは、第１窒化物半導体層１２２における最大Ａｌ組成と活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成との間の組成差（△ＡＮ＋△ＷＢ（ここで△ＷＢ＝０））の最小値（△ＡＮ＋△ＷＢ（ここで△ＷＢ＝０））が０．０６以上であること。
（ｃ）活性層１１４内におけるＡｌ組成Ｇが、Ｙに等しい又はＹより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満であること。
　また、活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成と電子ブロック層１３４のＡｌ組成との差は、０．１８以上であることができる。また、活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成と第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成との差は、０．０６以上であることができる。バルク発光層のＡｌ組成Ｙは、例えば０．７３以上であり、１以下であることができる。また、バルク発光層の厚さは、例えば１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以下であることができる。
　図３は、図１に示された発光デバイスの活性層の例示的な伝導帯バンド構造及び例示的なアルミニウムプロファイルを概略的に示す図面である。
　図３に示されるように、活性層１１４は、Ａｌ組成Ｇ、具体的にはプロファイル（Ｇ）を有する。図３では、このプロファイル（Ｇ）は、軸Ａｘ１の方向に規定された座標の関数として表される。活性層１１４内におけるＡｌ組成Ｇは、Ｙに等しい又はＹより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満であることができる。活性層１１４内におけるＡｌ組成Ｇは、例えば（Ｙ＋０．０３５）以下、（Ｙ＋０．０３）以下、（Ｙ＋０．０２）以下、又は（Ｙ＋０．０１）以下であることができる。
　活性層１１４のＡｌ組成Ｇに上限を設けると、活性層１１４の高抵抗化による発熱、つまり自己発熱、を抑制でき、また活性層１１４内において光学遷移に関連付けられる電子準位を電子ブロック層１３４のヘテロ障壁のエネルギーレベルから離すことができる。また、活性層１１４のＡｌ組成Ｇの上限は、電子ブロック層１３４の材料及びヘテロ障壁の構造を変更することなく、活性層１１４内の電子に対する電子ブロック層１３４のヘテロ障壁を相対的に高めて活性層１１４からの電子の漏れ出しの可能性を低減できる。また、活性層１１４におけるＡｌ組成Ｇの上限は、第１窒化物半導体層１２２の材料及びヘテロ障壁の構造を変更することなく、活性層１１４内の正孔に対するヘテロ障壁を相対的に高めて、活性層１１４からの正孔の漏れ出しの低減を可能にする。
　活性層１１４は、多重量子井戸構造１１４ａといった積層構造１２４ａを含むことができる。この積層構造１２４ａは、互いに異なるＡｌ組成を有する複数の半導体層（１２４ｂ、１２４ｃ）を含むことができる。具体的には、積層構造１２４ａは、少なくとも１つの第１半導体層１２４ｂ、及び少なくとも１つの第２半導体層１２４ｃを含む。第１半導体層１２４ｂは、積層構造１２４ａ内の半導体層のＡｌ組成のうち最も小さいＡｌ組成を有し、第２半導体層１２４ｃは、積層構造１２４ａ内の半導体層のＡｌ組成のうち最も大きいＡｌ組成を有する。積層構造１２４ａは、第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃと異なるＡｌ組成を有する更なる半導体層、例えば第３半導体層を含むことができる。複数の半導体層（１２４ｂ、１２４ｃ）は、互いに異なる膜厚を有することができ、或いは実質的に同じ膜厚を有することができる。
　第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃは、第１窒化物半導体層１２２及び電子ブロック層１３４の一方から他方の方向に配置されて、活性層１１４のＡｌ組成Ｇのプロファイルを形成する。例えば、第１半導体層１２４ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてＧａ及びＡｌを含む窒化物を備え、具体的には活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含む。第２半導体層１２４ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてＧａ及びＡｌを含む窒化物を備え、例えばＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（ＺはＡｌ組成、但しＺはＹより大きく、１未満）を含むことができる。第２半導体層１２４ｃのＩＩＩ族窒化物は、第１半導体層１２４ｂのＩＩＩ族窒化物より大きなバンドギャップを有する。
　第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成と電子ブロック層１３４のＡｌ組成との差（△ＡＰ）は、第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成と第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成との差（△ＷＢ）より大きい。
　例示的な積層構造１２４ａでは、第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成は、第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成より大きい。第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成と第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成との組成差（△ＡＮ）は、第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成と第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＷＢ）より大きい。
　例示的な積層構造１２４ａにおけるＡｌ組成Ｇは、Ｙより小さくなく（Ｙに等しい又はＹより大きく）、また（Ｙ＋０．０４）未満（△ＭＡＸ未満）であることができる。Ａｌ組成Ｇの最小値はＡｌ組成Ｙであることができる。積層構造１２４ａのＡｌ組成の上限を設けると、既に説明したように、活性層１１４からのキャリアの漏れ出し及び自己発熱を低減できる。
　具体的には、第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成と第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＭＡＸ未満）は、０．０４未満であることができる。或いは、第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成と第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＭＡＸ未満）は、０．０３５以下であることができる。或いは、第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成と第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＭＡＸ未満）は、０．０３以下、０．０２以下、又は０．０１以下であることができる。
　高いＡｌ組成の半導体層、例えば第２半導体層１２４ｃ、のＡｌ組成を小さくすると、外部量子効率を向上させることができる。活性層１１４の積層構造１２４ａでは、第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成は、０．８２３未満であり、Ｙより大きくてもよい。また、第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成は、０．８０１に等しい又はより小さくてもよい。第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成は、０．８０１以下であることができる。
　第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成と電子ブロック層１３４の最大Ａｌ組成との差は、第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成と第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成との差より大きくてもよい。また、第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成と第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成との組成差は、第１半導体層１２４ｂのＡｌ組成と第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成とのＡｌ組成差より大きくてもよい。
　第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成、第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃの膜厚、並びに第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃの配置は、活性層１１４に多重量子井戸構造１１４ａが形成されないように特定されることができる。
　しかしながら、第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃのＡｌ組成、第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃの膜厚、並びに第１半導体層１２４ｂ及び第２半導体層１２４ｃの配置は、活性層１１４に多重量子井戸構造１１４ａが提供されるように特定されることができる。このような積層構造１２４ａでは、第１半導体層１２４ｂは井戸層として働き、第２半導体層１２４ｃは障壁層として働く。
　引き続き、図３の活性層１１４の例示的な伝導帯バンド構造及びアルミニウムプロファイル（Ｇ）を参照しながら、多重量子井戸構造を説明する。既に説明したように、活性層１１４の構造は、単一量子井戸構造及び多重量子井戸構造に限定されるものではない。
　活性層１１４の多重量子井戸構造１１４ａには、複数の井戸層１１４ｂ及び一又は複数の障壁層１１４ｃが提供される。障壁層１１４ｃは、ＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（ＺはＡｌ組成、但しＺはＹより大きく、１未満）を含む。井戸層１１４ｂの各々は、ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含む。障壁層１１４ｃのＩＩＩ族窒化物は、井戸層１１４ｂのＩＩＩ族窒化物より大きなバンドギャップを有する。電子ブロック層１３４のＡｌ組成の最小値は、障壁層１１４ｃのＡｌ組成に等しい又はより大きくてもよい。例えば、電子ブロック層１３４に最も近い障壁層１１４ｃのＡｌ組成と電子ブロック層１３４のＡｌ組成との組成差（△ＡＰ）は、障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成との組成差（△ＷＢ）より大きくてもよい。
　第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成は、障壁層１１４ｃのＡｌ組成より大きい。例えば、第１窒化物半導体層１２２に最も近い障壁層１１４ｃのＡｌ組成と第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成との組成差（△ＡＮ）は、井戸層１１４ｂのＡｌ組成と障壁層１１４ｃのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＷＢ）より大きくてもよい。
　例示的な多重量子井戸構造１１４ａにおけるＡｌ組成Ｇのプロファイル（Ｇ）は、Ｙに等しい又はＹより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満（△ＭＡＸ未満）であることができる。多重量子井戸構造１１４ａのＡｌ組成に上限を設けると、活性層１１４からのキャリアの漏れ出し及び活性層１１４の自己発熱を低減できる。
　具体的には、障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＷＢ）は、０．０４未満である多重量子井戸構造１１４ａにおいて、井戸層１１４ｂの膜厚及び障壁層１１４ｃの膜厚は、以下の範囲にあることができる。
井戸層１１４ｂの膜厚：１から５ｎｍまでの範囲、例えば２ｎｍ。
障壁層１１４ｃの膜厚：２から２０ｎｍまでの範囲、例えば３ｎｍ。
　また、障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差が０．０３５以下である多重量子井戸構造１１４ａでは、井戸層１１４ｂの膜厚及び障壁層１１４ｃの膜厚は、以下の範囲にあることができる。
井戸層１１４ｂの膜厚：０．５から５ｎｍまでの範囲。
障壁層１１４ｃの膜厚：２から２０ｎｍまでの範囲。
　障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差が０．０３０以下である多重量子井戸構造１１４ａでは、井戸層１１４ｂの膜厚及び障壁層１１４ｃの膜厚は、以下の範囲にあることができる。
井戸層１１４ｂの膜厚：０．５から５ｎｍまでの範囲。
障壁層１１４ｃの膜厚：２から１０ｎｍまでの範囲。
　障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差が０．０２０以下である多重量子井戸構造１１４ａでは、井戸層１１４ｂの膜厚及び障壁層１１４ｃの膜厚は、以下の範囲にあることができる。
井戸層１１４ｂの膜厚：０．５から５ｎｍまでの範囲。
障壁層１１４ｃの膜厚：２から１０ｎｍまでの範囲。
　障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差は、０．０１０以下である多重量子井戸構造１１４ａでは、井戸層１１４ｂの膜厚及び障壁層１１４ｃの膜厚は、以下の範囲にあることができる。
井戸層１１４ｂの膜厚：０．５から５ｎｍまでの範囲。
障壁層１１４ｃの膜厚：２から５ｎｍまでの範囲。
　活性層１１４の高いＡｌ組成の半導体層、例えば障壁層１１４ｃのＡｌ組成を小さくすると、外部量子効率を向上させることができる。活性層１１４の多重量子井戸構造１１４ａでは、障壁層１１４ｃのＡｌ組成は、０．８２３未満であり、またＹより大きくてもよい。また、障壁層１１４ｃのＡｌ組成は、０．８０１に等しい又はより小さくてもよい。井戸層１１４ｂのＡｌ組成Ｙは、０．８０１以下であることができる。
　活性層１１４におけるＡｌ組成の平均値を下げて、活性層１１４の高抵抗を避ける。また、活性層１１４におけるＡｌ組成の平均値を下げて、活性層１１４におけるＩＩＩ族空孔の増大を抑制して、非発光中心の濃度を低減する。
　図１、図２及び図３を参照して説明したように、活性層１１４が、バルク発光層、積層構造１２４ａ、及び多重量子井戸構造１１４ａの少なくともいずれかを有するとき、活性層１１４は、そのＡｌ組成に関して、以下の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の少なくとも１条件を満たすことができる。
　（ａ）電子ブロック層１３４の最大Ａｌ組成と活性層１１４のＡｌ組成との間の最小の組成差が０．１８以上であること。
（ｂ）第１窒化物半導体層１２２のＡｌ組成と活性層１１４のＡｌ組成との間の最小の組成差が０.０６以上であること。
（ｃ）活性層１１４のＡｌ組成Ｇが、Ｙに等しい又はＹより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満であること。
　引き続き、図１を参照しながら、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５及び下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３を具体的に説明する。
　上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、活性層１１４が上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５とテンプレート部材１１２ｃとの間に位置するように、テンプレート部材１１２ｃ上に設けられる。上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、ＩＩＩ族構成元素としてＡｌ及びＧａの少なくとも一方を含む１又は複数のＩＩＩ族窒化物半導体層（例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ）を備えることができる。
　上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、電子ブロック層１３４、ｐ型半導体層１３６、及びｐ型コンタクト層１３８を含むことができる。具体的には、例示的な上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、以下の半導体層を含むことができる。
電子ブロック層１３４：アンドープ又はＭｇドープのＡｌＮ、厚さ５ｎｍ。
ｐ型半導体層１３６：Ｍｇドープの組成傾斜ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成傾斜：０．９から０．３）、厚さ１２ｎｍ。
ｐ型コンタクト層１３８：ＭｇドープのＧａＮ。
ｐ型コンタクト層１３８は、例えば以下の構造を有する。
ｐ型コンタクト層１３８ａ（第１層）：ＭｇドープのＧａＮ、厚さ１２０ｎｍ。
ｐ型コンタクト層１３８ｂ（第２層）：高濃度ＭｇドープのＧａＮ、厚さ３０ｎｍ。
ｐ側電極１４６は、開口１４４ａを介してｐ型コンタクト層１３８に接続される。
「アンドープ」の語句は、意図的なドーパント添加がないことを意味し、結果としてのドーパント濃度ゼロを意味しない。
　下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、ベース部材１１２と活性層１１４との間に設けられ、またＩＩＩ族構成元素として少なくともＡｌを含む１又は複数のＩＩＩ族窒化物半導体層（例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ）を含むことができる。
　下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、第１窒化物半導体層１２２（ＡｌＷＧａ１－ＷＮ層）、第２窒化物半導体層１３２（ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層）、及び第３窒化物半導体層１３０（ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層）を含むことができる。
　例示的な下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、以下の半導体層を含むことがきる。
第１窒化物半導体層１２２：ＡｌＷＧａ１－ＷＮ層（Ａｌ組成Ｗは１より小さく、Ｙより大きい。Ｗは、Ｖに等しい又はより小さい）
第２窒化物半導体層１３２：ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層（Ａｌ組成Ｖは１より小さく、Ｗに等しい又はより大きい。Ｖは、Ｕより小さい）
第３窒化物半導体層１３０：ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層（Ａｌ組成ＵはＸ以下であり、ゼロより大きい）
　具体的には、第１窒化物半導体層１２２では、第１窒化物半導体層１２２の少なくとも一部分は、ｎ導電性を有することができる。具体的には、第１窒化物半導体層１２２は、ｎ型ＡｌＧａＮといった一又は複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を含むことができる。第１窒化物半導体層１２２の一部又は全部には、ｎ型ドーパントが添加されて、第１窒化物半導体層１２２は、例えばＳｉドープＡｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎを含むことができる。第１窒化物半導体層１２２の厚さは、６００ｎｍから１２００ｎｎの範囲である。また、第２窒化物半導体層１３２は、例えば組成傾斜（連続的な組成変化又は階段状の組成変化）のアンドープＡｌＧａＮから成ることができる。第２窒化物半導体層１３２の厚さは、例えば１００ｎｍであることができる。第３窒化物半導体層１３０は、例えばアンドープＡｌＮから成ることができる。第３窒化物半導体層１３０の厚さは、例えば２００ｎｍであることができる。
　電子ブロック層１３４は、電子をブロックするヘテロ障壁を提供するヘテロ障壁層を含み、さらにヘテロ障壁層に加えてヘテロ障壁層と活性層１１４との間にｐ側スペーサー層を含むことができる。第１窒化物半導体層１２２は、活性層１１４に電子を供給するｎ型キャリア供給層を含み、更にｎ型キャリア供給層に加えてｎ型キャリア供給層と活性層１１４との間にｎ側スペーサー層を含むことができる。
　電子ブロック層１３４及び第１窒化物半導体層１２２は、活性層１１４にヘテロ接合を成して、活性層１１４にポテンシャルの井戸ＷＥＬＬを提供する。このポテンシャルの井戸ＷＥＬＬ内には、第１窒化物半導体層１２２、活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層、及び電子ブロック層１３４の配列によって形成される単一量子井戸構造又はバルクの発光層としてＡｌＹＧａ１－ＹＮ層が設けられることができる。或いは、このポテンシャルの井戸ＷＥＬＬ内には、井戸層１１４ｂとしてＡｌＹＧａ１－ＹＮ層と障壁層１１４ｃとを含む多重量子井戸構造が設けられることができる。或いは、このポテンシャルの井戸ＷＥＬＬ内には、互いに異なるＡｌ組成を有する複数のＩＩＩ族窒化物層の配列を含む積層構造１２４ａが設けられることができる。いずれの構造においても、活性層１１４は、そのＡｌ組成の上限、例えば（Ｙ＋０．０４）未満を有する。
　ベース部材１１２の主面（具体的には、テンプレート層１２０の主面１２０ｓ）に接触を成す低い格子緩和率のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体領域上に活性層１１４が設けられると、活性層１１４に圧縮歪みが加わる。具体的には、バルク発光層、井戸層１１４ｂ及び障壁層１１４ｃに圧縮歪みが加わる。
　発光デバイス１１０では、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３が、活性層１１４とベース部材１１２との間に位置する。上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５が活性層１１４の上に位置する。本実施例では、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、ベース部材１１２、図１では具体的にテンプレート部材１１２ｃのテンプレート層１２０に接合１１９ａを成して、テンプレート層１２０のＡｌＸＧａ１－ＸＮに起因する圧縮歪みを有することができる。また、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、活性層１１４に接合１１９ｂを成す。活性層１１４は、テンプレート部材１１２ｃのテンプレート層１２０のＡｌＸＧａ１－ＸＮに起因する圧縮歪を内包することができる。一方、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５の少なくとも一部は、格子緩和していてもよい。上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５は、活性層１１４上に設けられて、活性層１１４にキャリアを供給する。
　具体的には、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、下地層、具体的には第３窒化物半導体層１３０（ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層、ＵはＸ以下であり、Ｙより大きい）を含むことができる。第３窒化物半導体層１３０は、例えばアンドープであることができ、テンプレート層１２０又は単結晶支持体１１２ｂの主面を覆うように設けられることができる。具体的には、第３窒化物半導体層１３０は、ＡｌＮから成ることができる。
　例示的な第３窒化物半導体層１３０は、例えば４×１０６ｃｍ－２以下のらせん転位密度を有することができる。第３窒化物半導体層１３０は、例えば９×１０８ｃｍ－２以下の貫通転位密度を有することができる。第３窒化物半導体層１３０（アンドープＡｌＵＧａ１－ＵＮ層）は、圧縮歪みを内包することができる。テンプレート層１２０に対する第３窒化物半導体層１３０の格子緩和率は、２％以下である。第３窒化物半導体層１３０によれば、テンプレート層１２０の転位密度及び圧縮歪を引き継ぐことを可能にする。
　下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、別の下地層、具体的には第２窒化物半導体層１３２（ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層、Ｖは１より小さく、Ｙより大きい。Ｖは、Ｕより大きい）を含むことができる。第２窒化物半導体層１３２は、例えばアンドープであることができ、具体的には、３元ＡｌＧａＮから成ることができる。第２窒化物半導体層１３２は、第３窒化物半導体層１３０（ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層）上に設けられることができる。第２窒化物半導体層１３２は、例えば４×１０６ｃｍ－２以下のらせん成分を含む転位密度を有することができる。第２窒化物半導体層１３２は、下地からの圧縮歪みを内包することができる。テンプレート層１２０がＡｌＮである場合、このテンプレート層１２０に対する第３窒化物半導体層１３０の格子緩和率は、２％以下である。この発光デバイス１１０によれば、第２窒化物半導体層１３２は、テンプレート層１２０の貫通転位密度及び圧縮歪を引き継ぎながら、Ａｌ組成を活性層１１４に向けて下げることができる。具体的には、第２窒化物半導体層１３２（ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層）は、Ａｌ組成傾斜のＡｌＶＧａ１－ＶＮ層（Ｖ＝１から０．８６）を含むことができる。
　下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３では、テンプレート層１２０に対する第１窒化物半導体層１２２の格子緩和率は、２％以下であることができる。第１窒化物半導体層１２２のｎ型領域は電極（ｎ側電極１４８）と接続される。この場合、第１窒化物半導体層１２２では面内方向及び軸Ａｘ１の方向に電流が流れる。このｎ型半導体領域の膜厚は厚いほどその抵抗は低くなり、駆動電圧を低減できる。しかしながら、ｎ型半導体領域があまり厚いとｎ型半導体領域の格子緩和率が増大して、圧縮歪が活性層１１４に有効に伝わらなくなる。第１窒化物半導体層１２２の２％以下の格子緩和率は、良好な電流路のための膜厚をｎ型半導体へ与えること、及び活性層１１４へ圧縮歪を有効に伝達することを可能にする。
　本実施例では、第１窒化物半導体層１２２は第２窒化物半導体層１３２（ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層）に接合１１９ｃを成している。第２窒化物半導体層１３２は、第３窒化物半導体層１３０（ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層）に接合１１９ｄを成す。下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、第１窒化物半導体層１２２に加えて、第３窒化物半導体層１３０及び第２窒化物半導体層１３２を有する。これらの第３窒化物半導体層１３０及び第２窒化物半導体層１３２は、テンプレート層１２０の圧縮歪を活性層１１４に伝える下地を形成できる。第１窒化物半導体層１２２は、第２窒化物半導体層１３２のＡｌ組成より小さいＡｌ組成を有し、また井戸層１１４ｂのＡｌ組成Ｙ及び障壁層１１４ｃのＡｌ組成Ｚより大きなＡｌ組成を有する。
　図１及び図２を参照すると、発光デバイス１１０は、突出領域１４２を有する。突出領域１４２は、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５、活性層１１４、及び下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３の上部（具体的には、第１窒化物半導体層１２２の上部）を含むことができる。
　発光デバイス１１０は、パッシベーション膜１４４を更に含むことができ、パッシベーション膜１４４は、突出領域１４２及び第１窒化物半導体層１２２を覆う。パッシベーション膜１４４は、突出領域１４２の上面に位置する第１開口１４４ａ、及び第１窒化物半導体層１２２の上面（具体的には、第１窒化物半導体層１２２のｎ型半導体上面）に位置する第２開口１４４ｂを有する。パッシベーション膜１４４は、例えばシリコン系無機絶縁体を含むことができ、具体的には、シリコン酸化物、シリコン窒化物、又はシリコン酸窒化物を含むことができる。
　発光デバイス１１０には、ｐ側電極１４６及びｎ側電極１４８が提供されることができる。ｐ側電極１４６は第１開口１４４ａ内に設けられると共に、ｎ側電極１４８は第２開口１４４ｂ内に設けられる。ｐ側電極１４６は、ｐ型コンタクト層１３８の上面に接触を成す。ｎ側電極１４８は、第１窒化物半導体層１２２のｎ型半導体上面に接触を成す。
ｐ側電極１４６：Ｎｉ／Ａｕ（Ｎｉの上にＡｕを成膜することを意味する）
ｎ側電極１４８：Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ
　ベース部材１１２、上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５、活性層１１４、及び下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３は、窒化物半導体構造１５３を形成する。図１では、窒化物半導体構造１５３では、ベース部材１１２は、第１領域１２０ａ及び第２領域１２０ｂを有し、第１領域１２０ａ及び第２領域１２０ｂは、ベース部材１１２から活性層１１４へ向かう軸Ａｘ１に交差する基準面Ｒｅｆに沿って配置される。ｎ側電極１４８は、第１領域１２０ａ上、具体的には下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３上に位置し、突出領域１４２及びｐ側電極１４６は、第２領域１２０ｂ上、具体的には上側ＩＩＩ族窒化物積層体１１５の上面に位置する。ｐ側電極１４６は、例えばくし形を有する。ｎ側電極１４８は、くし形の部分と、周辺部分とを含むことができる。周辺部分は、突出領域１４２の根本部に沿って設けられ、具体的には突出領域１４２を囲んで閉じるように設けられる。
　図４の（ａ）部、図４の（ｂ）部、図５の（ａ）部、図５の（ｂ）部、図６の（ａ）部、図６の（ｂ）部、図７の（ａ）部、及び図７の（ｂ）部は、本実施形態に係る発光デバイスを作製する方法の主要な工程を示す図面である。引き続く作製方法の説明では、発光デバイスとして発光ダイオード構造が作製される。
　図４の（ａ）部から図５の（ｂ）部に示されるように、テンプレート１６２を準備する。テンプレート１６２を準備することは、例えば、テンプレート１６２を作製すること、又は作製以外の方法によりテンプレート１６２を入手することを含む。
　テンプレート１６２を作製することは、以下の工程を有することができる。
　図４の（ａ）部の工程では、基板１５０を準備する。基板１５０は、例えば２インチのサファイア基板であることができる。成膜装置に基板１５０を配置すると共に、基板１５０の主面１５０ａにＡｌＸＧａ１－ＸＮのための前駆体１５１を堆積する。この堆積は、例えばスパッタリング装置１５５ａを用いてスパッタリング法により行われる。前駆体１５１は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮのためのＩＩＩ族窒化物結晶粒の集合体からなる。スパッタリングのターゲットは、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮを含む。ターゲットは、０．０５Ｐａのスパッタリング圧力を用いてスパッタリングされて、ＡｌＮテンプレート層のためのＡｌＮ又はＡｌＧａＮの前駆体１５１が、基板１５０上に成膜される。この成膜に際して、基板１５０の表面温度は、約摂氏５００～７００度の範囲内の温度であって、例えば約摂氏７００度に保たれる。不活性ガスとして、例えば窒素ガスが用いられる。窒素ガスの流量は、例えば、１０～１００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ　ｃｕｂｉｃ　ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ　ｐｅｒ　ｍｉｎｕｔｅ）である。
　図４の（ｂ）部の工程では、前駆体１５１の堆積の後に、基板１５０及び前駆体１５１を含む中間生産物を熱処理装置１５５ｂに配置する。熱処理装置１５５ｂ内において、覆い部材１５４及び前駆体１５１を互いに対向させる。このとき、覆い部材１５４及び前駆体１５１は、前駆体１５１の主面１５２ａと覆い部材１５４の主面１５４ａとの最大距離が、好ましくは０．５ｍｍ以下になるように配置される。或いは、覆い部材１５４は、別の中間生産物（基板１５０及び前駆体１５１）であってもよい。
　図５の（ａ）部の工程では、熱処理装置１５５ｂを用いて、基板１５０及び前駆体１５１の熱処理を行う。熱処理装置１５５ｂ内に、不活性ガス及びアンモニア（ＮＨ３）を含む混合ガス、又は不活性ガスのいずれかの雰囲気１５８を形成する。雰囲気１５８において、基板１５０及び前駆体１５１をアニール温度まで上昇させる。アニール温度は、例えば摂氏１６００度以上摂氏１７５０度以下の温度であることができ、例えば摂氏１７２５度である。また、基板１５０及び前駆体１５１が摂氏１４００度以上に保持される時間は２０分～１６８時間であればよく、より好ましくは３～４８時間であればよい。熱処理装置１５５ｂにおいて、基板１５０及び前駆体１５１を上記の温度範囲内に置いて、例えば２０分以上の熱処理を施す。このような熱処理は、ｆａｃｅ－ｔｏ－ｆａｃｅアニール（ＦＦＡ）として参照される。この熱処理により、テンプレート層１６０を含むテンプレート１６２を提供できる。テンプレート層１６０は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ（Ｘはゼロより大きく、１以下である）を含み基板１５０の主面１５０ａを覆う。テンプレート層１６０は、例えば２０００ｎｍ以下であり１００ｎｍ以上であることができ、本実施例では５００ｎｍである。
　覆い部材１５４は、前駆体１５１の主面１５１ａ以上の大きさの主面１５４ａを有することができる。覆い部材１５４の主面１５４ａは、炭素、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（サファイア）、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属、ジルコニア、炭化タンタル（ＴａＣ）、ＳｃＡｌＭｇＯ４の少なくとも一つの材料を含むことができる。雰囲気１５８の不活性ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスの少なくとも１つを含むことができる。
　図５の（ｂ）部の工程では、Ｘ線回折装置１５５ｃを用いて（１０－１２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅の測定を行う。テンプレート層１６０は、１０００ａｒｃｓｅｃ以下の（１０－１２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅を有する。これらの工程により、基板１５０からテンプレート１６２が作製される。
　テンプレート１６２を準備する工程の一例によれば、このテンプレート層１６０は、（１０－１２）のＸ線ロッキングカーブに替えて、（０００２）面の半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であることができる。
　スパッタリングによる堆積及び高温の熱処理により、テンプレート層１６０が形成された。
　準備されたテンプレート１６２は、基板１５０及びテンプレート層１６０を含む。基板１５０は、ＩＩＩ族窒化物と異なる材料からなる主面１５０ａを有する。テンプレート層１６０は、（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃ以下であるＡｌＸＧａ１－ＸＮを含み基板１５０の主面１５０ａを覆う。
　テンプレート層１６０のＡｌＸＧａ１－ＸＮは、具体的にはＡｌＮ及び／又はＡｌＧａＮであることができる。また、テンプレート層１６０は、５×１０７ｃｍ－２以下のらせん成分を含む転位密度を有することができ、また、９×１０８ｃｍ－２以下の貫通転位密度を有する。
　基板１５０は、炭素、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（サファイア）、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属、ジルコニア、炭化タンタル（ＴａＣ）、ＳｃＡｌＭｇＯ４の少なくとも一つの材料を含むことができる。例えば、サファイア基板は、典型的には、２インチのサイズを有することができる。
　具体的には、テンプレート層１６０は、六方晶系の結晶構造を有することができる。テンプレート層１６０の主面は、該結晶構造のｃ面に対して０度より大きく、０．５度以下のオフ角を有する。角度オフの方向は、例えば、六方晶系の結晶構造の［１－１００］方向（ｍ軸方向）である。この製造方法によれば、オフ角に関して、例示的な角度範囲及び方向が提供される。
　これらの工程によって、テンプレート層１６０を含むテンプレート１６２が準備される。例示的なＡｌＸＧａ１－ＸＮ層は、ＡｌＮを備える。次いで、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４が形成される。ＩＩＩ族窒化物積層体１６４は、テンプレート層１６０又はバルクＩＩＩ族窒化物単結晶のウエハのＡｌＸＧａ１－ＸＮ主面上に成長される。バルクＡｌＮ単結晶のウエハの主面は、該結晶構造のｃ面に対して０度より大きく、０．５度以下のオフ角を有する。角度オフの方向は、例えば、六方晶系の結晶構造の［１－１００］方向（ｍ軸方向）である。この製造方法によれば、オフ角に関して、例示的な角度範囲及び方向が提供される。例示的なＩＩＩ族窒化物単結晶基板は、ＡｌＮ単結晶ウエハであることができる。
　引き続く説明では、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４がテンプレート層１６０の上に成長される。
　図６の（ａ）部の工程では、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４をテンプレート層１６０の上に成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法、又は分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法によって実行されることができる。引き続く説明では、ＭＯＶＰＥ反応炉１５５ｄが採用され、ガリウム前駆体及びアルミニウム前駆体として、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられる。窒素源としてＮＨ３が用いられる。
　ＩＩＩ族窒化物積層体１６４は、下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３及び活性層１１４のための半導体膜を含む。具体的には、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４は、窒化物半導体領域１６６と、活性層１６８とを有する。
　テンプレート層１６０を作製した後に、窒化物半導体領域１６６が、テンプレート層１６０上に成長される。窒化物半導体領域１６６が、一又は複数のＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むことができる。
　この作製方法によれば、１０００ａｒｃｓｅｃ以下の（１０－１２）面Ｘ線ロッキングカーブ半値幅のＡｌＸＧａ１－ＸＮのテンプレート層１６０上に、窒化物半導体領域１６６のためのｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体膜が成長される。
　ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体膜は、本実施例では成長中に原料ガスに添加されたシラン（ＳｉＨ４）からのｎ型ドーパント（例えば、シリコン）を含む。窒化物半導体領域１６６は、Ａｌ組成０．８０以上のＡｌＧａＮ層であることができる。この製造方法においては、窒化物半導体領域１６６の例示的なＮＨ３分圧は、１０ｋＰａ以上であることができる。
　窒化物半導体領域１６６の成長の後に、活性層１６８が成長される。具体的には、活性層１６８は、ＡｌＧａＮを含むことができる。限定ではなく例示として、活性層１６８は、２４０ｎｍ以下の深紫外波長領域にピーク波長を有する光を発生するように構成されることができる。また、活性層１６８は、深紫外光波長領域の、例えば２０６ｎｍ程度まで光を生成するように構成されることができる。活性層１６８は、圧縮歪を内包するＩＩＩ族窒化物半導体を含む。
　活性層１６８は、既に説明されたように、単一井戸内のバルク発光層、単一井戸内の多層膜の積層構造、又は単一井戸内の多重量子井戸構造を有することができる。活性層１６８の多重量子井戸構造は、複数の井戸層及び１又は複数の障壁層を含む。各井戸層は圧縮歪みを内包し、各障壁層は、圧縮歪みを内包する。井戸層の圧縮歪み内包のＡｌＧａＮのバンドギャップは、障壁層の圧縮歪み内包のＡｌＧａＮのバンドギャップより小さい。活性層１６８は、そのＡｌ組成Ｇ（図１参照）が（Ｙ＋０．０４）未満であるように形成される。これ故に、活性層１６８は、高いポテンシャル障壁の障壁層、及び深いポテンシャル井戸の井戸層を含まない。例示として、活性層１６８は、深紫外波長の光を発生できるＩｎＡｌＧａＮを含むことができる。
　この製造方法によれば、ＡｌＸＧａ１－ＸＮのテンプレート層１６０によれば、低い格子緩和率の窒化物半導体領域（下側ＩＩＩ族窒化物積層体１１３のための半導体領域）を介して，活性層１６８の一又は複数の半導体膜に圧縮歪みを与える。
　本実施例では、窒化物半導体領域１６６及び活性層１６８の成長に先立って、一又は複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する。ＩＩＩ族窒化物積層体１６４は、窒化物半導体領域１６６及び活性層１６８に加えて、アンドープＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０及びアンドープＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２を有することができる。
　具体的には、テンプレート層１６０を覆うように、ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０（ＵはＸ以下であり、Ｙより大きい）を成長することができる。ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０は、窒化物半導体領域１６６のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有する。
　ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０は、例えばアンドープであることができる。ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０のらせん転位密度は、例えば４×１０６ｃｍ－２以下であり、ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０の貫通転位密度は、例えば９×１０８ｃｍ－２以下である。ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０は、圧縮歪みを内包することができる。テンプレート層１６０がＡｌＮである場合、このＡｌＮに対するＡｌＵＧａ１－ＵＮ層の緩和率は、２％以下である。ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０によれば、テンプレート層１６０の貫通転位密度及び圧縮歪を引き継ぐことを可能にする。例示的なＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０は、ＡｌＮを備える。
　具体的には、ＡｌＵＧａ１－ＵＮ層１７０上に別のＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２（Ｖは１より小さく、Ｙより大きい。ＶはＵより小さい）を成長することができる。ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２は、窒化物半導体領域１６６のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有する。例示的なＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２は、定Ａｌ組成のＡｌＧａＮ及び／又は連続的な若しくは階段状の組成変化を包含する組成傾斜のＡｌＧａＮを備えることができる。
　ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２は、例えばアンドープであることができる。ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２のらせん転位密度は、例えば４×１０６ｃｍ－２以下である。ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２は、圧縮歪みを内包することができる。ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２によれば、テンプレート層１６０の貫通転位密度を引き継ぎながら、Ａｌ組成を活性層１６８に向けて下げることができる。テンプレート層１６０がＡｌＮの場合、該ＡｌＮに対するアンドープＡｌＶＧａ１－ＶＮ層の格子緩和率は、２％以下である。
　実施例では、テンプレート層１６０の上に成長される複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を、テンプレート層１６０に対してコヒーレントに成長することができる。ここで、「コヒーレントに成長する」とは、一定の格子定数で成長を継続する様式である。
　引き続き、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４のための複数のＩＩＩ族窒化物半導体層（１７４、１７６、１７８）を活性層１６８上に成長する。具体的には、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４は、電子ブロック層１７４、ｐ型組成傾斜層１７６、及びｐ型コンタクト層１７８を含むことができる。電子ブロック層１７４、ｐ型組成傾斜層１７６、及びｐ型コンタクト層１７８は、順に、活性層１６８上に成長されることができる。
　図６の（ｂ）部の工程では、当該発光デバイスの素子の外縁を規定する溝１８０をフォトリソグラフィ及びエッチングにより形成する。エッチングは、ＩＩＩ族窒化物積層体１６４の上面から基板１５０に到達するように行われて、溝１８０が形成される。
　図７の（ａ）部の工程では、突出領域１８２をフォトリソグラフィ及びエッチングにより形成する。エッチングは、活性層１６８を分離するようにＩＩＩ族窒化物積層体１６４の上面から窒化物半導体領域１６６に到達する溝１８３を形成するように行われる。エッチングは、ＡｌＶＧａ１－ＶＮ層１７２には到達しない。エッチングされた窒化物半導体領域１６６にｎ側電極を形成できるように、窒化物半導体領域１６６の上部分が除かれて、窒化物半導体領域１６６の表面が露出される。また、窒化物半導体領域１６６の下部分が、水平方向の電流経路を提供できるように残される。
　図７の（ｂ）部の工程では、パッシベーション膜１８４、ｐ側電極１８６及びｎ側電極１８８を形成する。パッシベーション膜１８４は、突出領域１８２の上面に位置する第１開口１８４ａ、及び突出領域１８２を規定する溝１８３の底面に位置する第２開口１８４ｂを有する。
　次いで、ｐ側電極１８６及びｎ側電極１８８の一方、例えばｐ側電極１８６を第１開口１８４ａ内に形成すると共に、ｐ側電極１８６及びｎ側電極１８８の他方、例えばｎ側電極１８８を第２開口１８４ｂ内に形成する。
　これらの工程により、当該発光デバイスが作製される。
　図８は、図１及び図３に示された例示的な発光デバイスの活性層及びその近傍の半導体領域におけるＡｌ組成プロファイルを示す。
　図８の（ａ）部を参照すると、例示的な発光デバイスの活性層（ＭＱＷ）は、（Ｙ＋０．０４）以上のＡｌ組成を有する深いポテンシャルの多重量子井戸構造を有する。矢印ＣＡ１、ＣＡ２、及びＣＡ３は、キャリア（電子）の動きを模式的に示す。矢印ＣＡ１によって示されるように、電子流は、ｎ型ＡｌＧａＮ（例えば第１窒化物半導体層１２２）から第１番目の井戸層に注入される。矢印ＣＡ２によって示されるように、電子流は、光学的直接遷移を行いながら活性層（ＭＱＷ）内を伝搬する。活性層（ＭＱＷ）の終端に到達すると、残った電子流の一部は、矢印ＣＡ３によって示されるように、電子ブロック層（ＡｌＮ）を越えてｐ型半導体領域に漏れ出す。ｐ型半導体領域では、キャリアの対消滅が生じる。
　図８の（ｂ）部を参照すると、例示的な発光デバイスの活性層は、深いポテンシャルの井戸ＷＥＬＬを有する。具体的な発光デバイスの活性層は、浅い量子井戸構造（ＭＱＷ）を有し、この量子井戸構造（ＭＱＷ）は、深いポテンシャルの井戸ＷＥＬＬ内に収容される。矢印ＣＡ４、ＣＡ５、及びＣＡ６は、キャリア（電子）の動きを模式的に示す。矢印ＣＡ４によって示されるように、電子流は、第１窒化物半導体層１２２から第１番目の井戸層に注入される。矢印ＣＡ５によって示されるように、電子流は、光学的直接遷移を行いながら活性層（ＭＱＷ）内を伝搬する。電子流は、活性層（ＭＱＷ）の終端に到達すると、矢印ＣＡ６によって示されるように、電子ブロック層（ＡｌＮ）の高い障壁に跳ね返される。電子流は、ｐ型半導体領域に漏れ出し難い。
　活性層１１４のＡｌ組成に上限を設けると、具体的には障壁層１１４ｃのＡｌ組成と井戸層１１４ｂのＡｌ組成とのＡｌ組成差（△ＷＢ）が小さくなって、量子閉じ込め性が弱くなる。しかしながら、活性層１１４には、Ａｌ組成の上限を設けることによって可能になる深い井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）が提供される。第１窒化物半導体層１２２及び電子ブロック層１３４は、これらによって提供される井戸（図８の（ｂ）部のＷＥＬＬ）にキャリアをしっかり閉じ込めることができる。この井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）は、既存の材料によって特定される第１窒化物半導体層１２２及び電子ブロック層１３４からのヘテロ障壁をキャリア閉じ込めのために十分に利用する。井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）は、キャリア閉じ込めを可能にし、また井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）内の浅いポテンシャルの積層構造１２４ａ及び浅いポテンシャルの多重量子井戸構造１１４ａに加えて、バルク発光層の所望の波長における発光を可能にする。
　具体的には、井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）の活性層１１４は、バルク発光層として働くＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含む。ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、第１窒化物半導体層１２２と電子ブロック層１３４との間に設けられると共に、２４０ｎｍ以下２０６ｎｍ以上の深紫外波長領域内にピーク波長を有する光を発生するように構成される。井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）の深さは、電子ブロック層の最大Ａｌ組成とＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成Ｙとの間の組成差が０．１８以上であるように特定される。可能な場合には、井戸ポテンシャル（ＷＥＬＬ）は、第１窒化物半導体層１２２における最大Ａｌ組成と活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成との間の組成差が０．０６以上であるように特定されることができる。
　図９は、本実施形態に係る窒化物発光デバイスを作製する方法における主要な工程を示すフローチャートである。
　作成される発光ダイオードは、バルクＡｌＮ基板又はサファイアテンプレート、ＡｌＮホモエピタキシャル層、ＡｌＧａＮ層、ｎ型の電子スプレダー層、活性層、電子ブロック層、ｐ型の正孔注入層、及びｐ型のコンタクト層を含む。これら半導体層は順に積層される。ｎ型ＡｌＧａＮ層の電子スプレダー層にはｎ側電極が接続され、またｐ型のコンタクト層にはｐ側電極が接続される。
　まず、実施形態に係るテンプレート部材の形成を説明する。
　工程Ｓ１０では、基板を準備する。この基板は、例えばサファイア基板であることができる。しかしながら、基板は、サファイアに限定されることなく、炭素、窒化ホウ素（ＢＮ）、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属、ジルコニア、炭化タンタル（ＴａＣ）、ＳｃＡｌＭｇＯ４の少なくとも一つの材料を含むことができる。
　工程Ｓ１１では、サファイア基板上にＡｌＮテンプレート層を作製する。ＡｌＮテンプレート層は、実質的にＡｌＮから成る。ＡｌＮテンプレート層は、良好な結晶性を有するエピタキシャル層を基板上に成長するために形成される。ＡｌＮテンプレート層の主面は、実質的に六方晶系のｃ面を備える。実施例では、テンプレート層のＡｌＮは、以下の利点を提供する。ＡｌＮの格子定数は、紫外発光ダイオードの活性層に利用されるＡｌＧａＮの格子定数と良好な整合をとり得る。また、サファイア基板上のＡｌＮは、紫外光に対して高い透過率を示す。ＡｌＮは、高い熱伝導率を示す。これらの利点が、テンプレート層としてふさわしい。ＡｌＮのＡｌ原子をわずかにＧａ原子で置換したＡｌＧａＮも類似の特性を示す。
　工程Ｓ１１ａでは、所望のスパッタリングターゲットを準備する。工程Ｓ１１ｂでは、例えばＡｌＮテンプレート層のための前駆体をスパッタリング法により堆積する。工程Ｓ１１ｃでは、堆積された前駆体は、熱処理される。具体的には、ＡｌＮテンプレート層の前駆体は、例えば反応性スパッタリング法によりサファイア基板の表面への一又は複数回の堆積により形成され、このように堆積されたＡｌＮ及びサファイア基板には、一又は複数回の熱処理が施される。これによってテンプレート層が形成される。堆積及び熱処理が交互に行われることができる。テンプレート層の成膜方法は、反応性スパッタリングに限定されることなく、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法を用いて行われることができる。
　テンプレート層の膜厚を厚くすると、テンプレート層のＡｌＮにおける貫通転位密度が低減される。この低減により、テンプレート層上に形成される活性層の内部量子効率を向上できる。一方、テンプレート層の膜厚を薄くすると、テンプレート層におけるクラック発生頻度を低減できる。この低減により、テンプレート層を用いる発光ダイオードの歩留まりが向上される。具体的には、ＡｌＮテンプレート層の膜厚は、例えば１００～１００００ｎｍの範囲であってもよく、より好ましくは５００～１５００ｎｍの範囲であってもよい。１又は複数回のスパッタリング法による成膜及び熱処理を施すことで、この膜厚範囲は、テンプレート層に十分に低い貫通転位密度、テンプレート層に十分に低いクラック発生頻度をもたらす。
　次いで、バルク単結晶ＡｌＮ基板又はサファイアテンプレートが準備される。引き続く説明では、サファイア基板のＡｌＮテンプレート層上に、発光ダイオードのためのエピ構造を形成する。このエピ構造は、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法といった堆積方法を用いて形成されることができる。本実施例では、ＡｌＮテンプレート層以外の層はすべてＭＯＶＰＥ法を用いて作製される。
　工程Ｓ１２では、ＡｌＮホモエピタキシャル層を形成する。具体的には、ＡｌＮテンプレート層上にＡｌＮホモエピタキシャル層を形成するに先立って、必要な場合には、ＭＯＶＰＥ反応炉内においてＡｌＮテンプレート層の表面に処理（表面クリーニング）を施す。この表面処理は、高温の雰囲気中において約１０分間の熱処理である。表面処理は、Ｈ２及びＮＨ３の混合雰囲気中、又はＨ２、ＮＨ３及びＮ２の混合雰囲気中において行われる。処理温度は、例えば摂氏１２００度以上であってもよく、より好ましくは摂氏１３００度以上であってもよい。この処理は、ＡｌＮテンプレート層の表面に存在する酸化物や有機物を除去すると共に、ＡｌＮテンプレート層の上に成長させたＡｌＮホモエピタキシャル層からコンタクト層までの各層に欠陥が導入されることを抑制するために行う。圧力は、例えば１３ｋＰａであることができる。
　（ＡｌＮホモエピ層）
ホモエピタキシャル層は、テンプレート層又はバルクＡｌＮ基板の表面と同じ材料からなる。本実施例では、ホモエピタキシャル層は、例えばＡｌＮから構成される。ホモエピタキシャル層は、ＡｌＮテンプレート層の表面より優れた平坦性の表面を有する。また、ホモエピタキシャル層は、テンプレート層内に含まれる残留不純物（例えば炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、およびケイ素（Ｓｉ））がホモエピタキシャル層を通過することを阻止する。ホモエピタキシャル層の膜厚は、例えば１０～１００００ｎｍの範囲であってもよく、より好ましくは５０～１０００ｎｍの範囲であってもよい。ＡｌＮホモエピタキシャル層の膜厚は、例えば２００ｎｍである。ＡｌＮホモエピタキシャル層は、例えばＨ２のキャリアガス、ＮＨ３及びＴＭＡｌの原材料、１３ｋＰａの成長圧力、摂氏１３００度の基板温度といった条件で形成される。
　工程Ｓ１３では、ホモエピタキシャル層上に、ＡｌＧａＮバッファ層といった緩衝層が形成される。緩衝層は、ＩＩＩ族元素を構成元素として含む窒化物（Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｉｎ（１－ｚ１－ｙ１）Ｎ、０＜ｙ１≦１、０≦ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１≦１）からなることができる。具体的には、緩衝層は、緩衝層の下に形成された層と、緩衝層の上に形成される層とを格子定数の観点で整合させる役割を担う。緩衝層は、例えばＡｌＧａＮから成ることができ、或いはＡｌＧａＩｎＮから成ることができる。例えば、ＡｌＮ（例えばＡｌＮテンプレート層およびＡｌＮホモエピタキシャル層）上へＡｌＧａＮ（例えば活性層）が設けられる場合、ＡｌＮに固有の格子定数とＡｌＧａＮに固有の格子定数とが異なるので、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層との間に結晶固有の格子定数を整合させる層を設ける。緩衝層は、緩衝層内において積層方向に対して格子定数が連続的に又は不連続的に変化する構造を有してもよい。緩衝層は、意図的に不純物をドーピングしないアンドープであってもよいし、ｎ型導電性を半導体に付与するために、例えばＳｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）といったｎ型ドーパントを有することができる。例示的な緩衝層は、組成傾斜のＡｌＧａＮ層（厚さ１００ｎｍ）であることができる。
　工程Ｓ１４では、緩衝層上に電子スプレダー層が形成される。具体的には、電子スプレダー層は、ＩＩＩ族元素を構成元素として含む窒化物（Ａｌｙ２Ｇａｚ２Ｉｎ（１－ｚ２－ｙ２）Ｎ、０＜ｙ２≦１、０≦ｚ２＜１、ｙ２＋ｚ２≦１）からなることができる。電子スプレダー層は、例えばＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかから成ることができる。電子スプレダー層は、ｎ型導電性を半導体に付与するために、ｎ型ドーパントを有することができる。これ故に、電子スプレダー層は、活性層へ電子が伝搬する伝導路を提供する。
　電子スプレダー層に高いＡｌ組成を提供すると、ＡｌＮ（例えばＡｌＮテンプレート層及びＡｌＮホモエピタキシャル層）と電子スプレダー層のＩＩＩ族窒化物（例えば、ＡｌＧａＮ）との間の格子不整合率を低減できる。この低減により、格子緩和に伴うミスフィット転位の発生を効果的に抑制できる。高いＡｌ組成の電子スプレダー層は、テンプレート層からの圧縮歪みを活性層に伝達できる。これにより、ＬＥＤの特性を向上でき、より具体的には、ＬＥＤの内部量子効率の向上と狭い発光スペクトルとを提供できる。
　電子スプレダー層のＡｌ組成は、例えば０．８～０．９の範囲であってもよい。この範囲によれば、高すぎるＡｌ組成に起因して電子スプレダー層に不所望なレベルの導電率が提供されることを回避できる。また、電子スプレダー層の膜厚は、活性層に十分な歪みを与えるために、例えば６００～１２００ｎｍの範囲であってもよい。例示的な電子スプレダー層は、厚さ１２００ｎｍのｎ型Ａｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ層であることができる。
電子スプレダー層のＡｌＧａＮの成長条件
成長圧力：４０ｋＰａ。
基板温度：摂氏１０５０度。
　工程Ｓ１５では、活性層が形成される。具体的には、活性層は、交互に積層されたＡｌＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮ障壁層とを有する構造を備える。ＡｌＧａＮ井戸層及びＡｌＧａＮ障壁層は、それぞれのＡｌ組成を持つＡｌＧａＮを含む。具体的には、ＡｌＧａＮ井戸層のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成より小さい。ＡｌＧａＮ井戸層の層数は、例えば７層であることができる。活性層の最上層がＡｌＧａＮ井戸層又はＡｌＧａＮ障壁層であってもよく、従って活性層が電子ブロック層に接していてもよい。例えば、活性層の最下層のＡｌＧａＮ井戸層又はＡｌＧａＮ障壁層が電子スプレダー層に接していてもよく、従って活性層が第１窒化物半導体層１２２に接していてもよい。また、複数のＡｌＧａＮ井戸層は、互いに等しい膜厚及びＡｌ組成を有することができ、互いに異なる膜厚及びＡｌ組成を有することもできる。複数のＡｌＧａＮ井戸層の少なくとも一部が、残りのＡｌＧａＮ井戸層の膜厚と異なる膜厚を有することができる。活性層の発光波長は２０６ｎｍ～２４０ｎｍであることができ、バルク発光層のＡｌ組成の範囲は０．７３以上であり、１以下であることができる。ＡｌＧａＮ井戸層の膜厚は、例えば２ｎｍであり、Ａｌ組成は、例えば０．７９２である。また、ＡｌＧａＮ障壁層の膜厚は、例えば３ｎｍであり、Ａｌ組成は、例えば０．８０１である。
活性層のＡｌＧａＮの成長条件：
成長圧力：４０ｋＰａ
基板温度：摂氏１０５０度
　ＡｌＧａＮ障壁層が電子スプレダー層と接触を成すことができ、或いはＡｌＧａＮ井戸層が電子スプレダー層と接触を成すことができる。また、ＡｌＧａＮ障壁層が電子ブロック層と接触を成すことができ、或いはＡｌＧａＮ井戸層が電子ブロック層と接触を成すことができる。
　工程Ｓ１６では、活性層上に電子ブロック層を形成する。具体的には、電子ブロック層は、ＩＩＩ族元素を構成元素として含む窒化物（Ａｌｙ３Ｇａｚ３Ｉｎ（１－ｚ３－ｙ３）Ｎ、０＜ｙ３≦１、０≦ｚ３＜１、ｙ３＋ｚ３≦１）からなることができる。電子ブロック層は、例えばＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかから成ることができ、例えばアンドープＡｌＮである。電子ブロック層のバンドギャップエネルギーは、ＡｌＧａＮ障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。電子ブロック層は、電子スプレダー層からの電子が活性層から正孔注入層へ漏れ出ることを防ぐ。電子ブロック層の膜厚は、１～２０ｎｍであってもよく、より好ましくは３～１０ｎｍであってもよい。電子ブロック層は、電子ブロック層の中において半導体膜の積層方向にバンドギャップエネルギーが連続的又は階段状に変化する構造、つまり組成傾斜構造を有することができる。電子ブロック層は、意図的に不純物をドーピングしないアンドープであってもよいし、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）といったｐ型ドーパントを添加して付与されたｐ型導電性を有することができる。
電子ブロック層のＡｌＮの成長条件
成長圧力：４０ｋＰａ。
基板温度：摂氏１０５０度。
　工程Ｓ１７では、ｐ型ＡｌＧａＮ層といった正孔注入層が形成される。具体的には、正孔注入層は、活性層及び電子ブロック層上に設けられる。正孔注入層は、ＩＩＩ族元素を構成元素として含む窒化物（Ａｌｙ４Ｇａｚ４Ｉｎ（１－ｚ４－ｙ４）Ｎ、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｙ４＋ｚ４≦１）からなることができる。具体的には、正孔注入層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかから成ることができる。正孔注入層は、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）といったｐ型ドーパントを添加して付与されたｐ型導電性を有することができる。正孔注入層は、活性層へ正孔を提供する伝導路を提供する。正孔注入層のバンドギャップエネルギーは、電子ブロック層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、引き続き説明されるコンタクト層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。正孔注入層は、活性層から電子ブロック層への方向にバンドギャップエネルギーが連続的又は階段状に変化する構造、つまり組成傾斜構造、具体的には小さくなる構造を有することができる。正孔注入層の膜厚は、１～５０ｎｍであってもよい。
　工程Ｓ１８では、コンタクト層を正孔注入層上に成長する。具体的には、コンタクト層は、ＩＩＩ族元素を構成元素として含む窒化物（Ａｌｙ５Ｇａｚ５Ｉｎ（１－ｚ５－ｙ５）Ｎ、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｙ４＋ｚ４≦１）からなることができる。コンタクト層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかから成ることができる。コンタクト層は、ｐ型ドーパントを添加して付与されたｐ型導電性を有することができる。
　コンタクト層は、異なるドーパント濃度の複数のＧａＮ層を含むことができる。本実施例では、コンタクト層は、第１コンタクト層及び第２コンタクト層を含むことができる。第１コンタクト層は、例えば５×１０１７～５×１０１９ｃｍ－３の範囲の濃度のＭｇドーパントを含むＧａＮであることができ、良好なキャリア伝導路を提供できる。第２コンタクト層は、例えば５×１０１９～１×１０２１ｃｍ－３の範囲の濃度のＭｇドーパントを含むＧａＮであることができ、半導体と金属電極との接触抵抗を低減できる。
　工程Ｓ１９では、ｎ側電極及びｐ側電極が形成される。具体的には、ｎ側電極は、電子スプレッダー層の表面に接触を成す。ｎ側電極は、例えばＡｌ、Ｔｉ（チタン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｖ（バナジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｉｎ、Ｓｎ（スズ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）の少なくともいずれか１つ以上の金属を含んでいてもよい。ｎ側電極は、これらの金属が合金化された金属であってもよい。ｎ側電極は、導電性酸化物又は導電性窒化物を含むことができる。
　ｐ側電極は、コンタクト層の表面に接触を成す。ｐ側電極は、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕの少なくともいずれか１つ以上の金属を含んでいてもよい。ｐ側電極は、これらの金属が合金化された金属であってもよい。ｐ側電極は、導電性酸化物又は導電性窒化物を含むことができる。
　図１０は、電流注入効率（ＣＩＥ）と発光波長との関係を表すシミュレーション結果を示す図面である。
シミュレータ：ＳｉＬＥＮＳｅ　ｖｅｒ．６．４
電子ブロック層のＡｌ組成：１。
井戸層の膜厚：２ｎｍ。
障壁層の膜厚：３ｎｍ。
特性線ＣＩＥ８０。
井戸層のＡｌ組成：０．６～０．８。
障壁層のＡｌ組成：０．８０。
特性線ＣＩＥ８５。
井戸層のＡｌ組成：０．６～０．８。
障壁層のＡｌ組成：０．８５。
　波長２４０ｎｍ以下の発光では、発光波長が短くなると、電流注入効率が低下する。障壁層のＡｌ組成を下げて光遷移に係る準位を電子ブロック層のヘテロ障壁から離すと、注入効率が改善させる。
　図１１は、漏れ電流と発光波長との関係を表すシミュレーション結果を示す図面である。横軸は、波長を示し、縦軸は、漏れ電流比(Leakage Current Ratio)を示す。漏れ電流比は、すなわち、発光ダイオードに与えた電流に対する、ｐ側電極に到達した電子の数ＮＥ及びｎ側電極に到達した正孔の数ＮＨからの電流の割合（ＮＨ／ＮＥ）を示す。主要な漏れ電流は、電子流である一方で、電子流の阻止が重要である。正孔の漏れ電流に関しては、ｎ側のヘテロ障壁にも着目する。
　特性線△ＢＷ１、△ＢＷ２、△ＢＷ３、△ＢＷ４、△ＢＷ５、△ＢＷ６は、以下のような障壁層と井戸層とのＡｌ組成差の特性を示す。
特性線の名称　：Ａｌ組成差
特性線△ＢＷ１：０．３０。
特性線△ＢＷ２：０．２５。
特性線△ＢＷ３：０．２０。
特性線△ＢＷ４：０．１５。
特性線△ＢＷ５：０．１０。
特性線△ＢＷ６：０．０５。
　障壁層と井戸層とのＡｌ組成差は、０．０７未満であることができ、またＡｌ組成差は、０．０６未満であることができ、さらにＡｌ組成差は、０．０５未満であることができる。
　図１１の結果は、発光波長２５０ｎｍより短波長になると、漏れ電流の増加が顕著に生じることを示す。発光波長２４０ｎｍ以下の波長領域では、漏れ電流の増加が特に多くなる。また、電子ブロック層のＡｌ組成を固定するとき障壁層と井戸層とのＡｌ組成差を小さくすると、漏れ電流が低減される。従って、障壁層と井戸層とのＡｌ組成差が０．０４以下、又は０．０４未満であれば、さらに漏れ電流は低減される。
　ある発光波長において、障壁層と井戸層とのＡｌ組成差を小さくすると、量子閉じ込め性が弱まる一方で、漏れ電流比が低くなる。漏れ電流比の低減は、外部量子効率の上昇になる。実験結果は、シミュレーション結果と同様に振る舞いを示す。また、障壁層と井戸層とのＡｌ組成差を小さくすると、光遷移に係る準位を電子ブロック層のヘテロ障壁エネルギーレベルから離すことができる。さらに、光遷移に係る準位をヘテロ障壁の最大値から離すと、外部量子効率を改善できる。これらの利点は、バルク発光層における光遷移に係る準位にも適用される。
　以上説明したように、本実施形態によれば、活性層と電子ブロック層とのバンドオフセットの減少による外部量子効率の低下を抑制するＩＩＩ族窒化物発光デバイスを提供できる。
　図１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の例示的な構造を示す。図１２のＬＥＤ構造において、ＬＥＤ構造のｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域へのアノード電極及びカソード電極が、省略されている。
発光ダイオード（ＬＥＤ）の例示的な構造。
ｎ型半導体層：厚さ６００～１２００ｎｍのＡｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ層。
多重量子井戸構造（ＭＱＷ）：７つの井戸層。
井戸層：厚さ２ｎｍ及びＡｌ組成０．７９２のＡｌＧａＮ。
障壁層：厚さ３ｎｍ、並びにＡｌ組成０．８２３及び０．８０１のＡｌＧａＮ。
　引き続き、ＬＥＤ構造の結晶品質の評価を示す。
　図１３は、図１２に示されたＬＥＤ構造のＸ線回折（ＸＲＤ）法による、（１０－１５）面のＸ線回折の逆格子空間マッピング（ＸＲＤ－ＲＳＭ）像を示す。面指数における「－１」は、図中では「１」の上にバーが描かれることを示す。
　ｎ型半導体層（Ａｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ）及び多重量子井戸構造（ＭＱＷ）は、ＡｌＮテンプレート層に対してコヒーレントに成長されている。コンタクト層のｐ型ＧａＮ層は、格子緩和している。
　図１４は、図１２に示されたＬＥＤ構造のｎ型半導体層（Ａｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ）のＸ線回折（ＸＲＤ）像を示す。具体的には、図１４の（ａ）部及び（ｂ）部は、ｎ型半導体層（Ａｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ）の（０００４）面及び（２０－２２）面の回折ピーク像を示す。面指数における「－２」は、図中では「２」の上にバーが描かれることを示す。
（０００４）面の回折像の半値全幅：３０度。
（２０－２２）面の回折像の半値全幅：１１４度。
　図１５の（ａ）部及び（ｂ）部は、サファイア支持体上のＡｌＮ単結晶の（０００４）面及び（２０－２２）面の回折ピーク像を示す。
（０００４）面の回折像の半値全幅：２９度。
（２０－２２）面の回折像の半値全幅：１１４度。
　図１４の（ａ）部及び（ｂ）部並びに図１５の（ａ）部及び（ｂ）部の測定から見積もられたｎ型半導体層及びＡｌＮ単結晶の転位密度が以下に示される。
らせん／混合転位密度：１×１０５ｃｍ－２未満。
刀状転位密度：１×１０８ｃｍ－２未満。
　次いで、ＬＥＤ構造の電気的特性の評価を示す。
　図１６は、ＬＥＤ構造のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を示す図面である。図１６を参照すると、特性線ＥＬ８２３及びＬＥ８０１が示される。
　特性線ＥＬ８２３のＬＥＤ構造は、以下の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する。
多重量子井戸構造（ＭＱＷ）：７つの井戸層。
井戸層：厚さ２ｎｍ及びＡｌ組成０．７９２のＡｌＧａＮ。
障壁層：厚さ３ｎｍ及びＡｌ組成０．８２３のＡｌＧａＮ。
ＥＬピーク波長：２２９．５ｎｍ。
　特性線ＥＬ８０１のＬＥＤ構造は、以下の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する。
多重量子井戸構造（ＭＱＷ）：７つの井戸層。
井戸層：厚さ２ｎｍ及びＡｌ組成０．７９２のＡｌＧａＮ。
障壁層：厚さ３ｎｍ及びＡｌ組成０．８０１のＡｌＧａＮ。
ＥＬピーク波長：２３０．２ｎｍ。
　図１７は、ＬＥＤ構造の外部量子効率（ＥＱＥ）を示す図面である。図１７を参照すると、特性線ＥＱＥ８２３及び特性線ＥＱＥ８０１が示される。障壁層のＡｌ組成を下げると、ＬＥＤ構造の外部量子効率が上昇する。
　図１８は、ＬＥＤ構造の発光波長と外部量子効率（ＥＱＥ）との関係を示す図面である。図１８を参照すると、グループＧ８０１及びグループＧ８２３が示されている。グループＧ８０１は、厚さ３ｎｍ及びＡｌ組成０．８０１の障壁層の多重量子井戸構造を有するＬＥＤ構造のオン－ウエハ測定値を含む。グループＧ８２３は、厚さ３ｎｍ及びＡｌ組成０．８２３の障壁層の多重量子井戸構造を有するＬＥＤ構造のオン－ウエハ測定値を含む。
　グループＧ８０１の発光波長分布及びグループＧ８２３の発光波長分布において、同じ発光波長のオン－ウエハＬＥＤ構造の外部量子効率（ＥＱＥ）を比較すると、グループＧ８０１のＬＥＤ構造がグループＧ８２３のＬＥＤ構造より優れる。
　深紫外ＬＥＤの外部量子効率（ＥＱＥ）は、２４０ｎｍから２０６ｎｍの発光波長範囲において波長が短くなるにつれて低下する。
　図１９は、ＬＥＤ構造への注入電流と外部量子効率（ＥＱＥ）との関係を示す。図１９には、外部量子効率ＥＱＥ７９８２、ＥＱＥ７９８０、及びＥＱＥ７９７９が示されている。「ＥＱＥ７９８２」は、Ａｌ組成０．７９の井戸層及びＡｌ組成０．８２の障壁層の多重量子井戸構造（△ＷＢ＝０．０３）の特性を示す。「ＥＱＥ７９８０」は、Ａｌ組成０．７９の井戸層及びＡｌ組成０．８０の障壁層の多重量子井戸構造（△ＷＢ＝０．０１）の特性を示す。「ＥＱＥ７９７９」は、井戸層及び障壁層共に同じＡｌ組成０．７９で成長されて、結果的にバルク発光層の特性を示す。活性層の平均Ａｌ組成を下げると、外部量子効率が上昇する。
　引き続く特性評価は、組立デバイスを用いて行われる。組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ、ＤＥＶ＿Ｂ）は、半田（ＡｕＳｎ）を用いてＡｌＮ製セラミックパッケージにＬＥＤ構造をフリップチップ実装して、作成される。
ＤＥＶ＿Ａ：障壁層のＡｌ組成０．７９７。
井戸層のＡｌ組成０．７８５。
障壁層と井戸層とのＡｌ組成差０．０１２。
発光波長２３０ｎｍ。
ＤＥＶ＿Ｂ：障壁層のＡｌ組成０．７４３。
井戸層のＡｌ組成０．７３０。
障壁層と井戸層とのＡｌ組成差０．０１３。
発光波長２３６ｎｍ。
　図２０は、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ、ＤＥＶ＿Ｂ）のＥＬスペクトルを示す。
組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ）の半値全幅：１０ｎｍ。
組立デバイス（ＤＥＶ＿Ｂ）の半値全幅：１０ｎｍ。
　図２１の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ、発光波長２３０ｎｍ）の光学出力及び外部量子効率の注入電流依存性を示す。図２２の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ｂ、発光波長２３６ｎｍ）の光学出力及び外部量子効率の注入電流依存性を示す。これらの組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ、ＤＥＶ＿Ｂ）の光学出力及び外部量子効率は、パルス駆動及びＣＷ駆動によって測定された。パルス幅は１２０マイクロ秒であり、パルスデューティは、０．１％である。
　組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ）は、ＣＷ駆動において、電流１９１ｍＡで光出力３．１２ｍＷ、外部量子効率（最大）０．５９％を示した。パルス駆動において、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ａ）は、電流１０００ｍＡで光出力２０．３ｍＷ、外部量子効率（最大）０．６８％を示した。
　組立デバイス（ＤＥＶ＿Ｂ）は、ＣＷ駆動において、電流２００ｍＡで光出力１１．４ｍＷ、外部量子効率（最大）１．４４％を示した。パルス駆動において、組立デバイス（ＤＥＶ＿Ｂ）は、電流１０００ｍＡで光出力５１．０ｍＷ、外部量子効率（最大）１．４８％を示した。
　非特許文献４に示された外部量子効率と発光波長との関係において、以下の値はトップレベルと同等である。
外部量子効率（最大）：発光波長２３６ｎｍ、１．４４％＠発光波長２３６ｎｍ（ＣＷ駆動）。
外部量子効率（最大）：発光波長２３０ｎｍ、０．５９％＠発光波長２３６ｎｍ（ＣＷ駆動）。
　さらに、ＬＥＤ構造の発光層のカソードルミネッセンス（ＣＬ）評価（加速電圧：２ｋＶ）を示す。
　ＣＬ評価のためのエピ構造は、以下に示される。サファイア基板及びＦＦＡサファイアＡｌＮテンプレート層（厚さ６００ｎｍ）を含むテンプレート上に、ＡｌＮ膜（厚さ２００ｎｍ）、組成傾斜のＡｌＧａＮ層（厚さ１００ｎｍ）、ｎ型Ａｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ層（厚さ７５０ｎｍ）及び発光層が順にＭＯＶＰＥ法で成長される。発光層は、多重量子井戸構造（７つの厚さ２ｎｍのＡｌ０．７９Ｇａ０．２１Ｎ井戸層／厚さ３ｎｍのＡｌ０．８６Ｇａ０．１４Ｎ障壁層）又はＡｌ０．７９Ｇａ０．２１Ｎバルク膜（例えば、厚さ３５ｎｍ）を含む。
　図２３Ａ、図２３Ｂ及び図２３Ｃは、それぞれ、室温における領域平均ＣＬスペクトル、原子間力顕微鏡（表面ＡＦＭ）像、及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。図２３Ａ）を参照すると、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層のＣＬスペクトルが示される。バンド端発光を単一ガウスフィットにより解析すると、ピーク波長は、ほぼ２３５ｎｍであり、バルク膜発光層のスペクトル像のピーク強度は、多重量子井戸構造発光層のスペクトル像のピーク強度より大きい。
　図２３Ｂ及び図２３Ｃを参照すると、バルク膜の表面ＡＦＭ像では表面に凹凸が現れる一方で、ＳＥＭ像では、表面に凹凸が現れない。
　図２４は、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層の表面ＡＦＭ像を示す。図２４に示された矢印ＡＯＦＦ、結晶方位系ＧＯＲ及び長さ２マイクロメートルのメジャーＧＭＳは、図２４の（ａ）部及び（ｂ）部によって共用される。
　図２４の（ａ）部を参照すると、多重量子井戸構造発光層の表面ＡＦＭ像には、テンプレート部材のオフ方向（矢印ＡＯＦＦ）にステップが現れる。図２４の（ａ）部の破線の囲みは、表面膜厚がゆらいでいる領域を示す。矢印ＡＲ１はステップ間の凹部を示す。図２４の（ｂ）部を参照すると、バルク膜発光層の表面ＡＦＭ像には、テンプレート部材のオフ方向（矢印ＡＯＦＦ）にステップが現れる。図２４の（ｂ）部の破線の囲みは、表面膜厚がゆらいでいる領域を示す。矢印ＡＲ２はステップ間の凹部を示す。
　図２５は、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層のＣＬ像を示す。ＣＬ像は、図２５の（ａ）部及び（ｂ）部のそれぞれの右側に示される強度メジャーの範囲に規格化されている。
　図２５の（ａ）部を参照すると、多重量子井戸構造発光層のＣＬ像には、テンプレート部材のオフ方向（図２４の矢印ＡＯＦＦ）にステップに対応したパターンが現れる。図２５の（ａ）部の破線の囲みは、ＣＬ強度が高い領域を示す。矢印ＡＲ３は暗線を示す。図２５の（ｂ）部を参照すると、バルク膜発光層のＣＬ像には、テンプレート部材のオフ方向（矢印ＡＯＦＦ）にステップに対応したパターンが現れる。図２５の（ｂ）部の破線の囲みは、ＣＬ強度が高い領域を示す。矢印ＡＲ４は暗線を示す。
　図２６は、多重量子井戸構造及びバルク膜の発光層のＣＬピークエネルギーマップを示す。図２６に示された結晶方位系ＧＯＲ及び長さ２マイクロメートルのメジャーＧＭＳは、図２６の（ａ）部及び（ｂ）部によって共用される。ＣＬピークエネルギーマップは、図２６の（ａ）部及（ｂ）部のそれぞれの右側に示される強度メジャーの範囲に規格化されている。
　図２６の（ａ）部を参照すると、多重量子井戸構造発光層のＣＬピークエネルギーマップには、テンプレート部材のオフ方向（図２４の矢印ＡＯＦＦ）にすじ状のピークエネルギーが高い領域が現れる。図２６の（ｂ）部を参照すると、バルク膜発光層のＣＬピークエネルギーマップには、テンプレート部材のオフ方向（図２４の矢印ＡＯＦＦ）にすじ状のピークエネルギーが高い領域が現れる。
　図２７は、室温で測定されたバルク膜発光層のＮＢＥ積分ＣＬ強度マップ及びピークエネルギーマップを示す。図２７に示された結晶方位系ＧＯＲ及び長さ２マイクロメートルのメジャーＧＭＳは、図２７の（ａ）部及び（ｂ）部によって共用される。
　図２７の（ａ）部及び（ｂ）部のＣＬ像は、テンプレート層表面のオフ方向を強く反映した発光分布を有する。ＣＬ像は、低い加速エネルギーにおいて大きいＣＬ強度を示す傾向を有する。図２７の（ａ）部及び（ｂ）部の破線の囲みは、低エネルギー領域でＣＬ強度が高いことを示す。ＣＬピークエネルギー幅は、破線の領域内において最大８０ｍｅＶ程度の幅を有する。このＣＬピークエネルギー幅は、Ａｌ組成に換算すると、０．０３程度になる。ＡｌＮテンプレート層は、オフ方向に関連付けられるエピ表面のステップ構造の幅２から３マイクロメートル程度のステップ状モフォロジーを有する。このオフ方向に関連付けられるエピ表面のステップ構造の僅かな乱れがＡｌ組成の分布を引き起こしている。発光エリアは、発光層におけるＧａリッチ領域（例えば、Ｇａ元素が最大０．０３程度で多い領域）に関連付けられる。全発光強度のうち６５パーセント程度の光パワーが、Ａｌリッチ領域よりはＧａリッチ領域において発生される。Ｇａリッチ領域における光遷移レベルは、Ａｌリッチ領域のエネルギーレベルに比べて最大３０ｍｅＶ程度で異なる。
　図２８は、ＡＦＭ像による表面モフォロジーを示す。図２８の右側には深さ方向のメジャーが示されている。ＡＦＭ像は、成長表面におけるナノメートルオーダー表面非平坦性が僅少なＩＩＩ族元素の組成揺らぎを引き起こしている。
　図２９は、積分ＣＬ強度と、フォトンエネルギーとの関係を示す。積分ＣＬ強度は、低いフォトンエネルギー、例えば５．２７ｅＶ辺りにピークを有し、高いフォトンエネルギー領域へ約３０ｍｅＶ程度の裾を引く。この裾引きは、Ｇａ組成のゆらぎを意味する。領域ＳＡ１５はマッピングポイントでＣＬ強度が高い領域（１５％）を示し、領域ＳＡ５０はマッピングポイントで平均的なＣＬ強度の領域（５０％）を示す。この結果は弱く局在した発光が全体の発光の６５％を担っていることを示している。
　図３０は、絶対温度７９ケルビン及び室温において測定された積分ＣＬ強度とフォトンエネルギーとの関係を示す。図３０の（ａ）部は、７９ケルビンにおいて測定された積分ＣＬ強度分布を示す。図３０の（ｂ）部は、室温において測定された積分ＣＬ強度分布を示す。積分ＣＬ強度分布の各々の右側には、頻度を表すメジャーが示される。
　図３０の（ａ）部に示されるように、７９ケルビンにおける積分ＣＬピーク強度は、室温における積分ＣＬピーク強度より大きい。低温においては、Ｇａリッチ領域で局所的な発光が生じており、この発光強度が強い。
　テンプレート部材１１２ｃ及び活性層１１４は、軸Ａｘ１の方向に配置される。活性層１１４のＡｌＹＧａ１－Ｙ層は、ＩＩＩ族組成における揺らぎを有する。活性層１１４のＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（Ｙは平均のＡｌ組成）は軸Ａｘ１に交差する基準面において、Ｇａリッチ領域及びＡｌリッチ領域を含む。Ｇａリッチ領域は、単位体積当たりにＧａ組成（１－Ｙ）に比べて多くのＧａ原子を含み、Ａｌリッチ領域は、単位体積当たりＡｌ組成Ｙに比べて多くのＡｌ原子を含む。Ａｌリッチ領域は、ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成Ｙに対して少なくとも０．０３の変位を有する。テンプレート部材１１２ｃの支持体１１８は、サファイアを含む。支持体１１８の主面は、ｍ軸方向にオフしており、テンプレート層１２０はｃ軸配向している。テンプレート層１２０は、六方晶系のＡｌＮ層を含む。テンプレート層１２０の表面は、ｍ軸方向に関連付けられるステップ構造を有する。
　以上説明したように、本実施形態によれば、活性層と電子ブロック層とのバンドオフセットの減少による外部量子効率の低下を抑制するＩＩＩ族窒化物発光デバイスを提供できる。
　本実施形態は、以下に示される様々な側面を有する。
　本実施形態に係る第１側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、構成元素としてＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、構成元素としてＡｌを含む電子ブロック層と、２４０ｎｍ以下２０６ｎｍ以上の深紫外波長領域にピーク波長を有する光を発生するように前記電子ブロック層と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との間に設けられたＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（ＹはＡｌ組成、但しＹはゼロより大きい）を含む活性層と、ＡｌＸＧａ１－ＸＮを含む主面を有すると共に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記電子ブロック層を前記主面の上に搭載するベース部材であって、Ｘは、０より大きく１以下である、ベース部材と、を備え、前記活性層におけるＡｌ組成Ｇは、Ｙに等しい又はＹより大きく、（Ｙ＋０．０４）未満であり、前記電子ブロック層の最大Ａｌ組成と前記活性層の前記Ａｌ組成との間の組成差は、０．１８以上である。
　本実施形態に係る第１側面に従う第２側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ベース部材は、テンプレート部材を含み、前記テンプレート部材は、ＩＩＩ族窒化物と異なる材料からなる主面を有する支持体、及びテンプレート層を含み、前記テンプレート層は、前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮを含み、前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮは、前記支持体の前記主面を覆う圧縮歪を内包し（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることができる。
　本実施形態に係る第１側面に従う第３側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ベース部材は、バルクＡｌＮ単結晶基板を含むことができる。
　本実施形態に係る第１側面から第３側面のいずれか一側面に従う第４側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成と前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成との間の最大の組成差は、０.０６以上であることができる。
　本実施形態に係る第１側面から第４側面のいずれか一側面に従う第５側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記活性層は、バルク発光層又は量子井戸構造の井戸層のいずれかとして前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含むことができる。
　本実施形態に係る第５側面に従う第６側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記活性層は、前記量子井戸構造の前記井戸層として前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含み、前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記量子井戸構造の障壁層のＡｌ組成の間の組成差は、０．１８以上であることができる。
　本実施形態に係る第１側面から第６側面のいずれか一側面に従う第７側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、前記電子ブロック層に接触を成すことができる。
　本実施形態に係る第５側面に従う第８側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記活性層内における前記Ａｌ組成Ｇは、前記活性層にわたって実質的にＹに等しく、前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層の前記Ａｌ組成の間の組成差は、０．１８以上であることができる。
　本実施形態に係る第１側面から第６側面のいずれか一側面に従う第９側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記活性層は、互いに異なるＡｌ組成を有する複数の半導体層の積層構造を含み、複数の前記半導体層は、前記半導体層のＡｌ組成のうち最も小さいＡｌ組成を有する少なくとも１つの第１半導体層と、前記半導体層のＡｌ組成のうち最も大きいＡｌ組成を有する少なくとも１つの第２半導体層と、を含み、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記電子ブロック層の一方から他方の方向に配置され、前記第１半導体層は、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含み、前記第２半導体層のＡｌ組成と前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成との差は、前記第１半導体層の前記Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成との差より大きく、前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成の間の組成差は、０．１８以上であることができる。
　本実施形態に係る第９側面に従う第１０側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記Ａｌ組成は、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成より大きく、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成との組成差は、前記第１半導体層の前記Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差より大きくてもよい。
　本実施形態に係る第９側面又は第１０側面に従う第１１側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成と前記第１半導体層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差は、０．０４未満であることができる。
　本実施形態に係る第１１側面に従う第１２側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成と前記第１半導体層の前記Ａｌ組成との前記Ａｌ組成差は、０．０１以下であることができる。
　本実施形態に係る第９側面から第１２側面のいずれか一側面に従う第１３側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成は、０．８２３未満であり、Ｙより大きくてもよい。
　本実施形態に係る第１３側面に従う第１４側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成は、０．８０１に等しい又はより小さくてもよい。
　本実施形態に係る第９側面から第１４側面のいずれか一側面に従う第１５側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記積層構造は、多重量子井戸構造を有し、前記多重量子井戸構造は、前記第１半導体層として複数の井戸層、及び前記第２半導体層として少なくとも１つの障壁層を含み、前記障壁層は、ＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（ＺはＡｌ組成、但しＺはＹより大きい）を含み、前記井戸層の各々は、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含み、前記障壁層は、前記電子ブロック層に最も近く、前記障壁層の前記Ａｌ組成と前記電子ブロック層の前記Ａｌ組成との差は、前記障壁層の前記Ａｌ組成と前記井戸層のＡｌ組成との差より大きく、前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成との間のＡｌ組成差は、０．１８以上であることができる。
　本実施形態に係る第１５側面に従う第１６側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成は、前記障壁層の前記Ａｌ組成より大きく、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差は、前記井戸層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差より大きくてもよい。
　本実施形態に係る第１５側面又は第１６側面に従う第１７側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記井戸層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差は、０．０４未満であることができる。
　本実施形態に係る第１７側面に従う第１８側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、
　前記井戸層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成との前記Ａｌ組成差は、０．０１以下であることができる。
　本実施形態に係る第１５側面から第１８側面のいずれか一側面に従う第１９側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記多重量子井戸構造におけるＡｌ組成Ｇは、Ｙより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満であることができる。
　本実施形態に係る第１５側面から第１９側面のいずれか一側面に従う第２０側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記障壁層の前記Ａｌ組成は、０．８２３未満であり、Ｙより大きくてもよい。
　本実施形態に係る第２０側面に従う第２１側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記障壁層の前記Ａｌ組成は、０．８０１に等しい又はより小さくてもよい。
　本実施形態に係る第９側面から第２１側面のいずれか一側面に従う第２２側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記第１半導体層の前記Ａｌ組成、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成、前記第１半導体層の厚さ、前記第２半導体層の厚さ、並びに前記第１半導体層及び前記第２半導体層の配置は、前記活性層に量子井戸構造が形成されないように特定されることができる。
　本実施形態に係る第２２側面に従う第２３側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記積層構造におけるＡｌ組成Ｇは、Ｙより大きく、また（Ｙ＋０．０４）未満であることができる。
　本実施形態に係る第１５側面から第２３側面のいずれか一側面に従う第２４側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記第１半導体層の前記Ａｌ組成、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成、前記第１半導体層の厚さ、前記第２半導体層の厚さ、並びに前記第１半導体層及び前記第２半導体層の配置は、前記活性層に量子井戸構造が提供されるように特定されることができる。
　本実施形態に係る第１側面から第２４側面のいずれか一側面に従う第２５側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、ＡｌＷＧａ１－ＷＮ層（Ｗは１以下であり、０より大きい）を含み、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成Ｗは、０．８５以上であることができる。
　本実施形態に係る第２側面に従う第２６側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記テンプレート部材及び前記活性層は、第１軸の方向に配置され、前記ＡｌＹＧａ１－Ｙ層は、ＩＩＩ族組成における揺らぎを有し、前記活性層の前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、前記第１軸に交差する基準面において、Ｇａリッチ領域及びＡｌリッチ領域を含み、前記Ｇａリッチ領域は、単位体積当たりにＧａ組成（１－Ｙ）に比べて多くのＧａ原子を含み、前記Ａｌリッチ領域は、単位体積当たりＡｌ組成Ｙに比べて多くのＡｌ原子を含むことができる。
　本実施形態に係る第２６側面に従う第２７側面のＩＩＩ族窒化物発光デバイスでは、前記Ａｌリッチ領域は、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成Ｙに対して少なくとも０．０３の変位を有することができる。
　本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施されることが可能である。そして、それらはすべて、本開示の技術思想に含まれるものである。
　本出願は、２０２３年６月１日に出願された日本国特許出願第2023-091229号の優先権を主張し、その全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (27)

  1. 　構成元素としてＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体層と、
    　構成元素としてＡｌを含む電子ブロック層と、
    　２４０ｎｍ以下２０６ｎｍ以上の深紫外波長領域にピーク波長を有する光を発生するように前記電子ブロック層と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との間に設けられたＡｌＹＧａ１－ＹＮ層、（ＹはＡｌ組成、但しＹはゼロより大きい）を含む活性層と、
    　ＡｌＸＧａ１－ＸＮを含む主面を有すると共に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記電子ブロック層を前記主面の上に搭載するベース部材であって、Ｘは、０より大きく１以下である、ベース部材と、
    　を備え、
    　前記活性層におけるＡｌ組成Ｇは、Ｙに等しい又はＹより大きく、（Ｙ＋０．０４）未満であり、
    　前記電子ブロック層の最大Ａｌ組成と前記活性層の前記Ａｌ組成との間の組成差は、０．１８以上である、
    　ＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  2. 　前記ベース部材は、テンプレート部材を含み、
    　前記テンプレート部材は、ＩＩＩ族窒化物と異なる材料からなる主面を有する支持体、及びテンプレート層を含み、
    　前記テンプレート層は、前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮを含み、
    　前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮは、前記支持体の前記主面を覆う圧縮歪を内包し（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃ以下である、
    　請求項１に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  3. 　前記ベース部材は、バルクＡｌＮ単結晶基板を含む、
    　請求項１に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  4. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成と前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成との間の最大の組成差は、０.０６以上である、
    　請求項１から請求項３の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  5. 　前記活性層は、バルク発光層又は量子井戸構造の井戸層のいずれかとして前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含む、
    　請求項１から請求項４の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  6. 　前記活性層は、前記量子井戸構造の前記井戸層として前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含み、
    　前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記量子井戸構造の障壁層のＡｌ組成の間の組成差は、０．１８以上である、
    　請求項５に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  7. 　前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、前記電子ブロック層に接触を成す、
    　請求項１から請求項６の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  8. 　前記活性層における前記Ａｌ組成Ｇは、前記活性層にわたって実質的にＹに等しく、
    　前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成の間の組成差は、０．１８以上である、
    　請求項５に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  9. 　前記活性層は、互いに異なるＡｌ組成を有する複数の半導体層の積層構造を含み、
    　複数の前記半導体層は、前記半導体層のＡｌ組成のうち最も小さいＡｌ組成を有する少なくとも１つの第１半導体層と、前記半導体層の前記Ａｌ組成のうち最も大きいＡｌ組成を有する少なくとも１つの第２半導体層と、を含み、
    　前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記電子ブロック層の一方から他方の方向に配置され、
    　前記第１半導体層は、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含み、
    　前記第２半導体層の前記Ａｌ組成と前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成との差は、前記第１半導体層の前記Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成との差より大きく、
    　前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成の間の組成差は、０．１８以上である、
    　請求項１から請求項６の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  10. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成は、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成より大きく、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成との組成差は、前記第１半導体層の前記Ａｌ組成と前記第２半導体層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差より大きい、
    　請求項９に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  11. 　前記第２半導体層の前記Ａｌ組成と前記第１半導体層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差は、０．０４未満である、
    　請求項９又は請求項１０に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  12. 　前記第２半導体層の前記Ａｌ組成と前記第１半導体層の前記Ａｌ組成との前記Ａｌ組成差は、０．０１以下である、
    　請求項１１に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  13. 　前記第２半導体層の前記Ａｌ組成は、０．８２３未満であり、Ｙより大きい、
    　請求項９から請求項１２の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  14. 　前記第２半導体層の前記Ａｌ組成は、０．８０１に等しい又はより小さい、
    　請求項１３に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  15. 　前記積層構造は、多重量子井戸構造を有し、
    　前記多重量子井戸構造は、前記第１半導体層として複数の井戸層、及び前記第２半導体層として少なくとも１つの障壁層を含み、
    　前記障壁層は、ＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（ＺはＡｌ組成、但しＺはＹより大きい）を含み、
    　前記井戸層の各々は、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層を含み、
    　前記障壁層は、前記電子ブロック層に最も近く、
    　前記障壁層のＡｌ組成と前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成との差は、前記障壁層の前記Ａｌ組成と前記井戸層のＡｌ組成との差より大きく、
    　前記電子ブロック層の前記最大Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成との間のＡｌ組成差は、０．１８以上である、
    　請求項９から請求項１４の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  16. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成は、前記障壁層の前記Ａｌ組成より大きく、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差は、前記井戸層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差より大きい、
    　請求項１５に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  17. 　前記井戸層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成とのＡｌ組成差は、０．０４未満である、
    　請求項１５又は請求項１６に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  18. 　前記井戸層の前記Ａｌ組成と前記障壁層の前記Ａｌ組成との前記Ａｌ組成差は、０．０１以下である、
    　請求項１７に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  19. 　前記多重量子井戸構造における前記Ａｌ組成Ｇは、前記障壁層において、Ｙより大きく、（Ｙ＋０．０４）未満である、
    　請求項１５から請求項１８の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  20. 　前記障壁層の前記Ａｌ組成は、０．８２３未満であり、Ｙより大きい、
    　請求項１５から請求項１９の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  21. 　前記障壁層の前記Ａｌ組成は、０．８０１に等しい又はより小さい、
    　請求項２０に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  22. 　前記第１半導体層の前記Ａｌ組成、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成、前記第１半導体層の厚さ、前記第２半導体層の厚さ、並びに前記第１半導体層及び前記第２半導体層の配置は、前記活性層に量子井戸構造が形成されないように特定される、
    　請求項９から請求項１４の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  23. 　前記積層構造における前記Ａｌ組成Ｇは、前記第２半導体層において、Ｙより大きく、（Ｙ＋０．０４）未満である、
    　請求項２２に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  24. 　前記第１半導体層の前記Ａｌ組成、前記第２半導体層の前記Ａｌ組成、前記第１半導体層の厚さ、前記第２半導体層の厚さ、並びに前記第１半導体層及び前記第２半導体層の配置は、前記活性層に量子井戸構造が提供されるように特定される、
    　請求項１５から請求項２３の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  25. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、ＡｌＷＧａ１－ＷＮ層（Ｗは１未満であり、０より大きい）を含み、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層のＡｌ組成Ｗは、０．８５以上である、
    　請求項１から請求項２４の何れか一項に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  26. 　前記テンプレート部材及び前記活性層は、第１軸の方向に配置され、
    　前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、ＩＩＩ族組成における揺らぎを有し、
    　前記活性層の前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層は、前記第１軸に交差する基準面において、Ｇａリッチ領域及びＡｌリッチ領域を含み、
    　前記Ｇａリッチ領域は、単位体積当たりにＧａ組成（１－Ｙ）に比べて多くのＧａ原子を含み、
    　前記Ａｌリッチ領域は、単位体積当たりＡｌ組成Ｙに比べて多くのＡｌ原子を含む、
    　請求項２に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
  27. 　前記Ａｌリッチ領域は、前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層のＡｌ組成Ｙに対して少なくとも０．０３の変位を有する、
    　請求項２６に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイス。
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