<発光素子の構成>
 図1は、本発明の実施の形態に係る発光素子 10の構造を模式的に示す図である。図1(a)は発 光素子10の上面図であり、図1(b)は該上面図に 記す線分A-Bに沿った断面図である。なお、図 1以降の各図における各部の比率は、必ずし� �実際のものを反映したものではない。図1(b)� ��示すように、発光素子10は、基板1の上に、� ��地層2と、第1導電層3と、発光層4と、中間層 5と、第2導電層6と、コンタクト層7とをこの� �に隣接形成させた積層構造を有する。換言� �れば、下地層2の上において第1導電層3と第2� ��電層6とで発光層4と中間層5とを上下から挟� ��込み、さらにその上にコンタクト層7を備え る積層構造体を、基板1の上に設けたもので� �るともいえる。

 また、第1導電層3の一部は露出しており� �その露出部分にカソード電極部8が設けられ� ��なる。なお、カソード電極部8のことをカソ ード電極パッド8とも称する。カソード電極� �ッド8は、Ti/Al/Ni/Auによって形成されてなる� �

 さらに、コンタクト層7の上には、アノー ド電極層9aとアノード電極パッド9bとからな� �アノード電極部9が設けられてなる。アノー� ��電極層9aは、コンタクト層7の略全面に形成� ��れてなる。アノード電極パッド9bは、係る� �ノード電極層9aの一部に設けられてなる。ア ノード電極層9aとアノード電極パッド9bとは� �Ni/Auによって形成されてなる。

 発光素子10は、カソード電極パッド8とア� ��ード電極パッド9bとの間に所定の電圧を印� �することで生じる、発光層4におけるキャリ� ��の再結合による励起発光を、素子外部に向� ��て出射するものである。

 基板1は、サファイア、MgO、ダイヤモンド やAlN、AlGaN、AlInN、AlInGaNなどの単結晶基材1a� �、該単結晶基材1aの上にAlN、AlGaN、AlInN、AlInG aNなどのIII族窒化物の結晶をエピタキシャル� ��成させてなる表面層1bとからなる、いわゆ� �エピタキシャル基板である。例えば、厚み� �数百μm程度のC面単結晶サファイアを単結晶� ��材1aとして用い、その上に、MOCVD法によって 0.1μm~数μm程度の厚みのAlN単結晶層を表面層1b としてエピタキシャル成長させたものを基板 1とするのが好適な一例である。単結晶基材1a 、表面層1bの材料としては、外部量子効率を� ��上させる観点から、所望の発光波長の吸収� ��数が小さい材料を選択することが望ましい� ��ただし、表面層1bを有しておらず単結晶基� �そのものを基板1として用いる態様であって� ��よい。

 このような基板1の上に、MOCVD法などの公� ��のエピタキシャル成長法によって所定のIII� ��窒化物からなる複数の層を順次にエピタキ� ��ャル成長させることで、上述の積層構造を� ��成する各層が形成されてなる。

 なお、第1導電層3は、N型の導電型を有す� ��ように形成されてなる。このようにN型の導 電型を有する部位を、N型の導電部と総称す� �場合がある。また、第2導電層6とコンタクト 層7とは、いずれもP型の導電型を有するよう� ��形成されてなる。このようにP型の導電型を 有する部位を、P型の導電部と総称する場合� �ある。

 なお、第1導電層3及び第2導電層6は単一組 成で構成される必要はなく、超格子構造多層 膜を挿入したり、超格子構造のみから構成す ることもできる。こうした超格子構造は、応 力制御の役割を担い、転位低減あるいは表面 平坦性を確保するという効果を有する。応力 制御は、AlN単結晶あるいは低転位のAlNエピタ キシャル膜を用いた場合、特に有効である。

 発光層4は、発光素子10において発光を担う� ��であり、紫外領域に発光波長を有するIII族� ��化物で、数nm~数十nm程度の厚みに形成され� �なる。ここで、紫外領域に発光波長を有す� �とは、発光波長が210nm以上340nm以下の範囲に� ��ることを意味する。これは、Al _x Ga _1-x N(0.1≦x≦0.9)なるIII族窒化物で発光層4を形成� ��ることに相当する。なお、Al _x Ga _1-x N(0.25≦x≦0.6)なるIII族窒化物で発光層4を形成 すれば、発光波長が250nm以上300nm以下の範囲� �ある発光が得られる。例えば、Al _0.49 Ga _0.51 NなるIII族窒化物で発光層4を形成した場合に� ��、265nmの発光波長の発光が得られる。

 発光層4は、単一かつ均一組成のIII族窒化物 層にて形成される態様であってもよいが、発 光効率の向上という観点からは、いわゆる多 重量子井戸構造を有するものであってもよい 。図2は、係る場合の発光素子10の構成を例示 する図である。図2に示す場合、発光層4は、2 10nm以上340nm以下の範囲の所定の発光波長での 発光を実現するIII族窒化物にて形成されてな り、実際に励起発光を生じさせる単位発光層 4aと、キャリアの閉じ込め効果を得るために� ��位発光層4aを構成するIII族窒化物よりもわ� �かにバンドギャップが大きなIII族窒化物で� �成されてなる単位バリア層4bとが数周期程度 繰り返し積層されてなる構造を有する。例え ば、単位発光層4aとしてAl _0.49 Ga _0.51 Nからなる層を3nmの厚みに形成し、単位バリ� �層4bとしてAl _0.55 Ga _0.45 Nからなる層を5nmの厚みに形成することを数� �期程度繰り返す態様が、その好適な一例で� �る。

 本実施の形態に係る発光素子10において� �、この発光層4の上に、中間層5が設けられて なる。中間層5についての詳細は後述する。

 第1導電層3は、N型の導電型を有する。第1 導電層3は、第2導電層6(より具体的にはクラ� �ド層6a)と併せ、発光層4におけるキャリアの� ��じこめ効果を高める目的で設けられる層で� ��る。すなわち、第1導電層3は、いわゆるク� �ッド層として機能する。係る目的を満たす� �く、第1導電層3は、発光層4を構成するIII族� �化物よりも、バンドギャップが大きなIII族� �化物で形成されてなる。

 発光層4がAl _x Ga _1-x N(0.1≦x≦0.9)なるIII族窒化物で形成されてな� �場合、第1導電層3は、さらにAlリッチなAl _y Ga _1-y N(x<y≦1.0)なるIII族窒化物に、SiなどのN型の ドーパントをドープすることによって形成さ れてなる。より好ましくは、少なくとも発光 層4との接合部近傍においては、Al _y Ga _1-y N(x<y≦1.0かつ0.6≦y≦1.0)なるIII族窒化物で� �成される。係る場合、発光素子10の発光特性 がより向上するからである。

 例えば、発光層4をAl _0.49 Ga _0.51 NなるIII族窒化物で形成する場合であれば、N� ��ドーパントとしてのSi原子を2×10 ¹⁸ /cm ³ 程度含むAl _0.6 Ga _0.4 Nからなる層を1μm程度の厚みに形成するのが� ��適である。

 なお、上述したように、第1導電層3の一� �は露出させられてなり、その露出部分にカ� �ード電極部8が設けられてなる。すなわち、� ��1導電層3は、カソード電極部8とのコンタク� ��層としての役割をも担う。

 下地層2は、第1導電層3を構成するIII族窒� ��物と略同一組成のIII族窒化物にて形成され� ��なる。ただし、下地層2は、第1導電層3と違� ��、ドーパントはドープされていない高抵抗� ��である。下地層2は、数百nm~数μm程度の厚み に形成されるのがその好適な一例である。

 第2導電層6は、P型の導電型を有する。第2 導電層6は、少なくとも発光層4へのキャリア� ��閉じ込めが実現されるように設けられる層� ��ある。本実施の形態に係る発光素子10にお� �ては、第2導電層6が、この閉じ込め効果を担 うクラッド層6aと、発光層4へのキャリア供給 効率を高めるためのキャリア供給層6bとの2層 からなるものとする。

 クラッド層6aは、上述したように、第1導� ��層3と併せ、発光層4におけるキャリアの閉� �こめ効果を高める目的で設けられる層であ� �。従って、発光層4を構成するIII族窒化物よ� ��も、バンドギャップが大きなIII族窒化物で� ��成されてなる。

 発光層4がAl _x Ga _1-x N(0.1≦x≦0.9)なるIII族窒化物で形成されてな� �場合、クラッド層6aは、さらにAlリッチなAl _z1 Ga _1-z1 N(x<z1≦1.0)なるIII族窒化物に、MgなどのP型� �ドーパントをドープすることによって形成� �れてなる。より好ましくは、少なくとも発� �層4との接合部近傍においては、Al _z1 Ga _1-z1 N(x<z1≦1.0かつ0.6≦z1≦1.0)なるIII族窒化物で 形成される。係る場合、発光素子10の発光特� ��がより向上するからである。

 一方、キャリア供給層6bは、発光層4に対し� ��ャリアが効率的に供給されるように設けら� ��る層である。キャリア供給層6bは、上述の� �うに発光層4がAl _x Ga _1-x N(0.1≦x≦0.9)なるIII族窒化物で形成されてな� �、クラッド層6aがAl _z1 Ga _1-z1 N(x<z1≦1.0)なるIII族窒化物で形成されてな� �場合、キャリア供給層6bは、Al _z2 Ga _1-z2 N(0≦z2<z1)なるIII族窒化物に、MgなどのP型の ドーパントをドープすることによって形成さ れてなる。

 例えば、発光層4をAl _0.49 Ga _0.51 NなるIII族窒化物で形成する場合、クラッド� �6aについては、P型ドーパントとしてのMg原子 を1×10 ¹⁹ /cm ³ 程度含むAl _0.6 Ga _0.4 Nからなる層を、数十nm程度の厚みに形成し、 キャリア供給層6bについては、P型ドーパント としてのMg原子を3×10 ¹⁹ /cm ³ 程度含むAl _0.3 Ga _0.7 Nからなる層を、数十nm程度の厚みに形成する のが、好適な一例である。

 なお、キャリア供給層6bは単一組成で構� �される必要はなく、超格子構造としたり組� �傾斜構造とすることもできる。こうした構� �は、P型キャリア濃度の向上や、抵抗低減の� ��割を担う。

 コンタクト層7は、アノード電極部9との� �で良好なオーミック接触を得るために、第2� ��電層6とアノード電極部9との間に形成され� �。第2導電層6がキャリア供給層6bを有してな� ��場合は、キャリア供給層6bの上に設けられ� �。

 コンタクト層7は、P型の導電型を有する� �コンタクト層7は、第2導電層6を構成するIII� �窒化物よりもバンドギャップが小さいIII族� �化物に、MgなどのP型のドーパントをドープ� �ることによって形成される。第2導電層6がキ ャリア供給層6bを有してなる場合は、キャリ� ��供給層6bよりもバンドギャップが小さいIII� �窒化物を用いて形成される。例えば、GaNを� �いるのが好適な一例である。

 コンタクト層7は、その機能が確保される 範囲において適宜の厚みに形成されてよい。 例えば、100nm以上の厚みを有するように形成� ��ることもできる。100nmよりも厚くコンタク� �層7を形成した場合、三次元核成長段階から� ��次元成長段階に移行するため、表面が平坦� ��結晶層として形成され、比抵抗を低減でき� ��。200nm程度に設けるのが好適な一例である� �

 なお、コンタクト層7を、III族窒化物の組 成や不純物濃度が異なる複数の層からなる多 層構造を有するように形成してもよい。例え ば、Al、Ga、In組成を変調若しくは超格子構造 にしたり、表面近傍でP型のドーパント濃度� �上げたりすることにより、P型電極との接触� ��抗を低減することも可能である。

  <中間層>
 本実施の形態に係る発光素子10においては� �従来の発光素子のように発光層をP型とN型の 導電部で直接に挟み込むのではなく、発光層 4とP型の導電部である第2導電層6との間に、� �間層5を介在させてなる点で特徴的である。

 中間層5は、発光素子10において、発光層4か らの所望の発光波長(ねらいの発光波長)での� ��光を良好に生じさせる目的で設けられる。� ��間層5は、好ましくは、Al _w1 Ga _1-w1 N(0.8≦w1≦1.0)なるIII族窒化物にて、より好ま� ��くはAlNにて、5nm以下の厚みに、好ましくは1 nm程度の厚みに形成される。中間層5を5nmより 厚く形成することは、立ち上がり電圧を大き くする必要が生じるため好ましくない。

 特にAlNを用いて中間層5を形成する場合、 中間層5の厚みは、第2導電層6から発光層4へ� �キャリア注入が阻害されないように、トン� �ル電流が支配的になるような範囲内とする� �とが望ましい。

 図3および図4は、発光素子10が中間層5を� �することの効果を例示するための図である� �なお、図3および図4では、ねらいの発光波長 が265nmであり、発光層4が多重量子井戸構造を 有してなり、中間層5をAlNにて1nmの厚みに形� �した場合について例示している(実線)。また 、比較のため、中間層5を有さない以外は同� �構造を有する発光素子における発光波長と� �光強度の関係についても併せて示している(� ��線)。

 まず、図3は、発光素子における発光波長 と発光強度の関係を示す図である。図3から� �かるように、中間層5を設けない場合は、ね� ��いの発光波長よりも長波長の領域である300n m~350nmの範囲にブロードな波長ピークを有す� �不要な発光が生じているのに対し、中間層5� ��設けた場合には、このような発光は生じず� ��ねらいの発光波長での発光のみが生じてい� ��。

 ここで、中間層5を設けない場合に上述のよ うなブロードなピークが生じるのは、第2導� �層6(クラッド層6aとキャリア供給層6b)にドー� ��されてなるMg原子が発光素子10の作成過程で 発光層4に拡散することによって生じるから� �ある。発光層4にMgが存在するとねらいの発� �波長以外での発光が生じることは、例えば� �発光層の形成の際にMgを意図的にドープした 他は本実施の形態に係る発光素子10と同様の� ��成を有する、深紫外域をねらいの発光波長� ��する発光素子を作製し、発光を生じさせた� ��に、図3の中間層5を設けない場合と同様に30 0nm帯に発光波長を有する発光が生じる、とい う実験事実(詳細は比較例2参照)から判断され る。また、発光層4へのMg原子の拡散は、クラ ッド層6aにMg原子が1×10 ¹⁹ /cm ³ 程度存在するように作製した発光素子10につ� ��て、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定� ��た発光層4内のMg原子濃度は3.9×10 ¹⁷ /cm ³ であるのに対して、中間層5を設けない他は� �様に作製した発光素子において同様に測定� �た発光層4内のMg原子濃度がそれよりも1オー� ��ー以上大きな2.1×10 ¹⁸ /cm ³ である、という結果から確認される。すなわ ち、上述のような300nm帯での不要な発光は、� ��光層4内に第2導電層6から拡散してきたMg原� �が存在する状況のもとで生じるものと考え� �れる。

 そして、このことを踏まえると、中間層� ��備えない発光素子においては不要な発光が� ��じ、中間層5を備える発光素子10においては� ��る不要な発光が抑制されているのは、中間� ��5を具備することで発光層4へのMg原子の拡散 が防止されているからであると結論づけられ る。この効果は、原子間の結合力が強く、格 子定数が最も小さいAlNの場合に顕著となる。

 一方、図4は、印加電流に対する光出力の 変化を示す図である。なお、図4は、基板1の� ��における光出力を示している。図4からわか るように、中間層5を設けない場合は、印加� �流を100mAにまで大きくしても、10μW以下の光� ��力しか得られないのに対し、中間層5を設け た場合には、50mAの印加電流で10μWを超える光 出力が得られ、印加電流を100mAにまで大きく� ��た場合には、60μWという、中間層5を設けな� ��場合の6倍以上の光出力が得られる。これは 、中間層5を備える発光素子10においては、こ れを備えない発光素子に比して、優れた発光 効率が実現されることを指し示す結果である 。また、Gaを含まないAlNを用いて中間層5を形 成する場合、Mg原子の拡散を防止する役割以� ��にも、二元系の材料が持つ面内での組成均� ��化の効果を活かし、発光効率向上を最も向� ��することができる。ただし、この場合、中� ��層5に不純物程度のGa、Inが含まれることは� �組成不均一を引き起こすことにはならない� �で、排除されない。

 以上を鑑みれば、本実施の形態に係る発� ��素子10においては、中間層5が存在すること� ��、Mg原子が発光層4に拡散することなく第2導 電層6(クラッド層6aおよびキャリア供給層6b)� �留まっており、中間層5を備えない場合に比� ��て、ドーパントとしてのMg原子の実効性が� �り高められているものと考えられる。

 本実施の形態によれば、発光層とP型の導 電部である第2導電層との間に中間層を備え� �ことで、所望する紫外域での発光を従来よ� �も高い光出力で得ることができ、不要な発� �が生じることのない発光素子が実現される� �

  <発光素子の作製方法>
 次に、本実施の形態に係る発光素子10の作� �方法の一例を示す。ここでは、発光層4をAl _x Ga _1-x N(0.4≦x≦1.0)で形成し、下地層2と第1導電層3� �をAl _y Ga _1-y N(x<y≦1.0)で形成し、中間層5をAl _w1 Ga _1-w1 N(0.8≦w1≦1.0)で形成し、クラッド層6aをAl _z1 Ga _1-z1 N(x<z1≦1.0)で形成し、キャリア供給層6bをAl _z2 Ga _1-z2 N(0≦z2<z1)で形成し、コンタクト層7をGaNで� �成する場合について説明する。なお、以下� �示す作製方法はあくまで例示であって、必� �しもこれに限られるわけではない。

 まず、C面単結晶サファイアからなる厚み が数百μm程度の単結晶基材1aを用意し、その� ��に、MOCVD法によって、数μm程度の厚みのAlN� �を表面層1bとしてエピタキシャル成長させる 。これによって基板1が得られる。なお、上� �したように、サファイアやSiCなどの単結晶� �材をそのまま基板1として用いてもよい。

 引き続き、MOCVD法を用いて、基板1の上に下� ��層2、第1導電層3,発光層4、中間層5、クラッ� ��層6a、キャリア供給層6b、コンタクト層7と� �るIII族窒化物層を次のように順次にエピタ� �シャル成長させる:
 (1)下地層2を数百nm程度の厚みに形成する;
 (2)第1導電層3を、Si原子濃度が2×10 ¹⁸ /cm ³ 程度となるようにSiをドーピングしつつ、1μm 程度の厚みに形成する;
 (3)発光層4を、10nm程度の厚みに形成する;
 (4)中間層5を、1nm程度の厚みに形成する;
 (5)クラッド層6aを、Mg原子濃度が1×10 ¹⁹ /cm ³ 程度となるようにMgをドーピングしつつ、数� ��nm程度の厚みに形成する;
 (6)キャリア供給層6bを、Mg原子濃度が3×10 ¹⁹ /cm ³ 程度となるようにMgをドーピングしつつ、数� ��nm程度の厚みに形成する;
 (7)コンタクト層7を、Mg原子濃度が1×10 ²⁰ /cm ³ 程度となるようにMgをドーピングしつつ、数� ��nm程度の厚みに形成する。

 このようにして得られた積層構造体に対� ��、フォトリソグラフィープロセスとRIE法と� ��用いて、第1導電層3の一部を露出させる。

 次に、クラッド層6a、キャリア供給層6b、 およびコンタクト層7におけるMgイオンの活性 化処理として、窒素雰囲気中での800℃の熱処 理を数十分間施す。

 続いて、フォトリソグラフィープロセス� ��真空蒸着法とを用いて、第1導電層3の露出� �分に、カソード電極パッド8となるTi/Al/Ni/Au� �を適宜の厚みにパターニングする。その後� �オーム性接触特性を良好なものとするため� �、窒素雰囲気中での900℃以上の温度での熱� �理を、好ましくは1000℃での熱処理を数十秒� ��施す。通常GaNの場合700℃程度での熱処理で� ��るが、III族元素のうちAlの濃度が40%以上と� �るN型III族窒化物材料でオーミック性コンタ� ��トを実現するには、900℃以上の温度で熱処� ��することがが好ましい。

 さらに、フォトリソグラフィープロセス� ��真空蒸着法とを用いて、コンタクト層7の最 上面に、アノード電極層9aとなるNi/Au膜をパ� �ーニングする。その後、オーム性接触特性� �良好なものとするために窒素雰囲気中での60 0℃の熱処理を数分間施す。

 さらに、フォトリソグラフィープロセス� ��真空蒸着法とを用いて、アノード電極層9a� �上面の一部領域に、アノード電極パッド9bと なるNi/Au膜をパターニングする。

 以上のプロセスを経ることで、発光素子1 0は作製される。

  <変形例>
 上述の実施の形態では、発光層とP型の導電 部である第2導電層との間にのみ中間層を設� �ていたが、これに加え、さらに発光層とN型� ��導電部である第1導電層との間にも中間層を 設ける態様であってもよい。図5は、係る構� �を有する発光素子20の構造を模式的に示す図 である。図5(a)は発光素子10の上面図であり、 図5(b)は該上面図に記す線分C-Dに沿った断面� �である。なお、発光素子20の構成要素であっ て、発光素子10と共通するものは、同一の符� ��を付してその説明を省略する。

 図5(b)に示すように、発光素子20は、発光層4 と第1導電層3との間に第1中間層5aを備えると� ��に、発光層4と第2導電層6との間に第2中間層 5bを備える。中間層5は、好ましくは、Al _w2 Ga _1-w2 N(0.8≦w2≦1.0)なるIII族窒化物にて、より好ま� ��くはAlNにて、5nm以下の厚みに、好ましくは1 nm程度の厚みに形成される。係る構成を有す� ��発光素子20においては、所望する紫外域で� �発光を発光素子10よりもさらに高い光出力で 得ることができ、不要な発光が生じることの ない発光素子が実現される。

 基板1がAlNからなる表面層1bを有する場合� ��下地層2との間に、AlNと下地層2を形成するII I族窒化物との中間的な組成を有する、いわ� �る低温バッファ層がさらに設けられてもよ� �。係る場合、下地層2およびさらにその上に� ��成される各層の表面平坦性が改善されると� ��もに組成揺らぎが抑制される。

 発光層4がAlInGaNからなる場合であっても� �中間層5を設けることの効果は同様に得られ� ��。