JP2018148130A - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子の発光特性を向上させる。【解決手段】半導体発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層２４と、ｎ型クラッド層２４上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の平坦化層（第１平坦化層４１）と、平坦化層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層（第１障壁層４０ａ）と、障壁層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層３６とを含む活性層２６と、活性層２６上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。活性層２６は、波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を発し、平坦化層（第１平坦化層４１）の伝導帯の基底準位は、障壁層（第１障壁層４０ａ）の伝導帯の基底準位よりも低く、井戸層３６の伝導帯の基底準位よりも高い。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
近年、深紫外光を出力する半導体発光素子の開発が進められている。深紫外光用の発光素子は、基板上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する。発光波長が４００ｎｍ程度の窒化ガリウム（ＧａＮ）系の発光素子では、活性層の平坦性を高めるためにｎ型クラッド層と活性層の間にフォトニック結晶構造の平坦化層を挿入することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−１４０９１７号公報
波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を出力させる場合、ｎ型クラッド層として高ＡｌＮ組成比のＡｌＧａＮを用いる必要がある。高ＡｌＮ組成比のｎ型クラッド層と活性層の間にフォトニック結晶構造を挿入した場合、活性層への電子注入効率に大きな影響を与え、発光特性の低下につながってしまう。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、半導体発光素子の発光特性を向上させる技術を提供することにある。
本発明のある態様の半導体発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の平坦化層と、平坦化層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層と、障壁層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層とを含む活性層と、活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。活性層は、波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を発し、平坦化層は、障壁層よりもＡｌＮモル分率が低く、井戸層よりも伝導帯の基底準位が高い。
この態様によると、ＡｌＮ組成が相対的に低い平坦化層上に障壁層および井戸層を設けることで、低ＡｌＮ組成のＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される井戸層の平坦性を高めることができる。また、平坦化層の伝導帯の基底準位を井戸層よりも高くすることにより、平坦化層での発光を抑制し、平坦性の高い井戸層で発光が生じるようにできる。これにより、活性層の発光特性を向上させ、特に、発光スペクトルの半値幅を低減することができる。
平坦化層は、井戸層よりも積層方向の厚さが小さくてもよい。
平坦化層は、井戸層よりもＡｌＮモル分率が高くてもよい。
平坦化層と井戸層との間の伝導帯の基底準位の差は、活性層の発光波長に対応する光エネルギーの２％以上であってもよい。
平坦化層は、第１平坦化層であり、障壁層は、第１障壁層であり、活性層は、第１平坦化層と第１障壁層の間に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の第２平坦化層と、第１平坦化層と第２平坦化層の間に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の第２障壁層とをさらに含んでもよい。第２平坦化層は、第１障壁層および第２障壁層よりもＡｌＮモル分率が低く、活性層よりも伝導帯の基底準位が高くてもよい。
第２平坦化層の積層方向の厚さは、井戸層の厚さより小さくてもよい。
第２平坦化層のＡｌＮモル分率は、井戸層のＡｌＮモル分率より大きくてもよい。
活性層は、ｎ型クラッド層と平坦化層の間に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の別の障壁層をさらに含んでもよい。
本発明の別の態様は、波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を発する半導体発光素子の製造方法である。この方法は、半導体発光素子の製造方法であって、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の平坦化層を形成する工程と、平坦化層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層を形成する工程と、障壁層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層を形成する工程と、井戸層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備える。平坦化層は、障壁層よりもＡｌＮモル分率が低く、井戸層よりも伝導帯の基底準位が高い。
この態様によると、ＡｌＮ組成が相対的に低い平坦化層上に障壁層および井戸層を設けることで、低ＡｌＮ組成のＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される井戸層の平坦性を高めることができる。また、平坦化層の伝導帯の基底準位を井戸層よりも高くすることにより、平坦化層での発光を抑制し、平坦性の高い井戸層で発光が生じるようにできる。これにより、活性層の発光特性を向上させ、特に、発光スペクトルの半値幅を低減することができる。
障壁層を形成する工程は、ＩＩＩ族原料およびＶ族原料を供給してＡｌＧａＮ系半導体材料層を成長させる工程と、ＩＩＩ族原料を供給停止した状態でＶ族原料を６秒以上３０秒以下の時間にわたって供給してＡｌＧａＮ系半導体材料層を安定化させる工程と、を含んでもよい。
本発明によれば、半導体発光素子の発光特性を向上させることができる。
実施の形態に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子のエネルギーバンドを模式的に示す図である。 半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。本実施の形態は、波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を出力するための窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系の半導体発光素子である。この発光素子は、基板上のｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上の活性層と、活性層上のｐ型半導体層とを備える。活性層は、ＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層とを含む。
上記構造の発光素子では、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を形成し、ＡｌＮ層上にｎ型クラッド層、活性層およびｐ型半導体層が形成される。その結果、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いる場合と比べて、ｎ型クラッド層や活性層と基板との間に大きな格子不整合が発生し、原子レベルで見たときに結晶表面が荒れやすく、結晶表面の平坦性が低下しやすい。平坦性の低い表面上に活性層、特に井戸層を形成した場合、均一な厚さの井戸層を形成することが難しくなる。活性層の発光波長は、量子井戸構造内の井戸層の厚さに影響されることから、井戸層の厚さが不均一となると発光波長にばらつきが生じて、発光スペクトル幅が広がってしまう。そうすると、出力光の単色性が低下してしまう。
そこで、本実施の形態では、ｎ型クラッド層と井戸層との間に平坦化層を挿入することにより、井戸層の結晶表面の平坦性を高め、井戸層の厚さが均一化されるようにする。特に、平坦化層のＡｌＮ組成比を井戸層と同程度にすることにより、基板と井戸層の間の格子定数差を緩和し、平坦性の高い井戸層が形成されるようにする。さらに、本実施の形態では、平坦化層の伝導帯の基底準位を井戸層より高くすることで、平坦化層での発光を抑制し、平坦化層の発光に起因する発光特性の劣化を防ぐ。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、半導体発光素子１０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。
本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。
また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。
半導体発光素子１０は、基板２０と、バッファ層２２と、ｎ型クラッド層２４と、活性層２６と、電子ブロック層２８と、ｐ型クラッド層３０と、ｎ側電極３２と、ｐ側電極３４とを有する。
基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する基板であり、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａの反対側の第２主面２０ｂを有する。第１主面２０ａは、バッファ層２２より上の各層を成長させるための結晶成長面となる一主面である。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取出面となる一主面である。変形例において、基板２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板であってもよいし、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板であってもよい。
バッファ層２２は、基板２０の第１主面２０ａの上に形成される。バッファ層２２は、ｎ型クラッド層２４より上の各層を形成するための下地層（テンプレート層）である。バッファ層２２は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ；High Temparature AlN）層である。バッファ層２２は、ＡｌＮ層上に形成されるアンドープのＡｌＧａＮ層を含んでもよい。変形例において、基板２０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、バッファ層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層のみで構成されてもよい。つまり、バッファ層２２は、アンドープのＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方を含む。
ｎ型クラッド層２４は、バッファ層２２の上に形成される。ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が２０％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように形成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように形成されることがより望ましい。ｎ型クラッド層２４は、１μｍ〜３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有する。
活性層２６は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で構成され、ｎ型クラッド層２４と電子ブロック層２８の間に挟まれてダブルへテロ接合構造を形成する。活性層２６は、量子井戸構造を有し、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層３６と、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される障壁層４０ａ，４０ｂ，４０ｃ（総称して障壁層４０ともいう）と、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される平坦化層４１，４２とを含む。図示する例では、ｎ型クラッド層２４の上に第３障壁層４０ｃ、第２平坦化層４２、第２障壁層４０ｂ、第１平坦化層４１、第１障壁層４０ａおよび井戸層３６が順に積層される。活性層２６の詳細な構成については、図２を参照しながら別途後述する。
電子ブロック層２８は、活性層２６の上に形成される。電子ブロック層２８は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。電子ブロック層２８は、ｐ型ではなく、アンドープの半導体層であってもよい。
ｐ型クラッド層３０は、電子ブロック層２８の上に形成されるｐ型半導体層である。ｐ型クラッド層３０は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層３０は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。ｐ型クラッド層３０は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。
ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の一部領域上に形成される。ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の上に順にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に形成される。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。
図２は、半導体発光素子１０のエネルギーバンドを模式的に示す図であり、特に活性層２６付近の伝導帯の基底準位を模式的に示す。図示されるように、井戸層３６の基底準位Ｅ０が最も低く、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１が井戸層３６よりΔＥだけわずかに大きい。障壁層４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）の基底準位Ｅ３は、井戸層３６や平坦化層４１，４２よりも大きく、ｎ型クラッド層２４の基底準位Ｅ２よりも大きい。電子ブロック層２８の基底準位Ｅ４は、障壁層４０よりも大きい。
井戸層３６は、ノンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される。井戸層３６は、障壁層４０よりもバンドギャップが小さく、障壁層４０よりもＡｌＮのモル分率が小さくなるよう構成される。井戸層３６は、隣接する障壁層４０との間で量子井戸構造を形成し、波長３６０ｎｍ以下の深紫外光が出力されるようバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成される。井戸層３６のＡｌＮモル分率は、活性層２６の発光波長にも依存するが、例えば、１０％以上、好ましくは１５％以上となるように形成される。井戸層３６のＡｌＮモル分率は、具体的には、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、または、４０％程度である。
障壁層４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）は、ノンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される。障壁層４０は、井戸層３６および平坦化層４１，４２よりもバンドギャップが大きく、これらの層よりもＡｌＮのモル分率が大きくなるよう構成される。障壁層４０のＡｌＮモル分率は、活性層２６の発光波長にも依存するが、例えば４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。障壁層４０のＡｌＮモル分率は、６０％以上であってもよく、具体的には、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％程度であってもよい。
平坦化層４１，４２は、ノンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される。平坦化層４１，４２は、障壁層４０よりもバンドギャップが小さく、障壁層４０よりもＡｌＮのモル分率が小さくなるよう構成される。したがって、平坦化層４１，４２は、隣接する障壁層４０との間で量子井戸構造を形成する。その一方で、平坦化層４１，４２においてキャリアの再結合による実質的な発光が生じないよう、井戸層３６よりも量子井戸の基底準位Ｅ１が高くなるように構成される。
平坦化層４１，４２での実質的な発光を防ぐには、井戸層３６と平坦化層４１，４２の基底準位の差ΔＥ（＝Ｅ１−Ｅ０）が井戸層３６の発光波長λに対応する光エネルギーＥ＝ｈｃ／λの２％以上とする必要があり、３％以上であることが好ましい。一方、井戸層３６の平坦性を改善させるためには、井戸層３６と平坦化層４１，４２のＡｌＮ組成比が近いことが好ましく、井戸層３６と平坦化層４１，４２のＡｌＮモル分率の差が１０％以内、例えば５％以内であることが好ましい。
平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１の値は、ＡｌＧａＮ系半導体材料のＡｌＮモル分率と、平坦化層４１，４２の積層方向の厚さとを適切に選択することにより制御できる。例えば、平坦化層４１，４２のＡｌＮモル分率を井戸層３６よりも高くすることにより、平坦化層４１，４２のバンドギャップを大きくして、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１を井戸層３６の基底準位Ｅ０より大きくできる。また、平坦化層４１，４２の厚さをより小さくすることにより、量子井戸構造内に形成される平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１の高さを大きくできる。
平坦化層４１，４２と井戸層３６の厚さを同じにする場合、平坦化層４１，４２のＡｌＮ組成比を井戸層３６のＡｌＮ組成比より大きくすることで、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１を井戸層３６の基底準位Ｅ０より大きくできる。例えば、井戸層３６と平坦化層４１，４２のＡｌＮモル分率の差を３％以上とすることにより、井戸層３６と平坦化層４１，４２の基底準位の差ΔＥを２％以上にすることができる。
一方、平坦化層４１，４２のＡｌＮ組成比を井戸層３６と同じにする場合、平坦化層４１，４２の厚さを井戸層３６の厚さよりも小さくすることで、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１を井戸層３６の基底準位Ｅ０より大きくできる。例えば、井戸層３６の厚さを１．５〜３ｎｍ程度とする一方、平坦化層４１，４２の厚さを０．５〜１．５ｎｍ程度とすればよい。上記数値範囲において、井戸層３６と平坦化層４１，４２の間に２０％〜５０％程度の厚さの差を生じさせることで、平坦化層４１，４２の発光を好適に防ぐことができる。
なお、平坦化層４１，４２のＡｌＮモル分率と厚さの双方を井戸層３６と異ならせることにより、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１を調整してもよい。例えば、平坦化層４１，４２のＡｌＮモル分率を井戸層３６よりも低くし、かつ、平坦化層４１，４２の厚さを井戸層３６よりも小さくすることにより、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１が井戸層３６より高くなるようにしてもよい。
第１平坦化層４１と第２平坦化層４２の基底準位Ｅ１は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。例えば、井戸層３６に近い第１平坦化層４１は、井戸層３６から遠い第２平坦化層４２よりも基底準位が高くなるよう構成されてもよい。逆に、第１平坦化層４１の基底準位が第２平坦化層４２よりも低くなるよう構成されてもよい。いずれの場合であっても、第１平坦化層４１および第２平坦化層４２の基底準位は、井戸層３６の基底準位Ｅ０よりも高くなるよう構成される。
図示する例では、二つの平坦化層４１，４２が設けられるが、平坦化層の層数は１層であってもよいし、３層以上であってもよい。平坦化層が１層の場合、ｎ型クラッド層２４の上に第２障壁層４０ｂ、第１平坦化層４１、第１障壁層４０ａおよび井戸層３６が順に設けられる。平坦化層が３層以上の場合、ｎ型クラッド層２４と第３障壁層４０ｃの間にさらなる平坦化層および障壁層が挿入される。
つづいて、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図３は、半導体発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、基板２０を用意し、基板２０の第１主面２０ａの上にバッファ層２２およびｎ型クラッド層２４を順に形成する（Ｓ１０）。
基板２０は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板であり、ＡｌＧａＮ系半導体材料を形成するための成長基板である。例えば、サファイア基板の（０００１）面上にバッファ層２２が形成される。バッファ層２２は、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ）層と、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ−ＡｌＧａＮ）層とを含む。ｎ型クラッド層２４は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。
つづいて、ｎ型クラッド層２４の上に障壁層（第３障壁層４０ｃ）を形成し、障壁層の上に平坦化層（第２平坦化層４２）を形成する（Ｓ１２）。障壁層および平坦化層は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。例えば、ＩＩＩ族原料となるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ；（ＣＨ３）３Ａｌ）およびトリメチルガリウム（ＴＭＧ；ＣＨ３）３Ｇａ）と、Ｖ族原料となるアンモニア（ＮＨ３）とを原料ガスとして供給することにより、ＡｌＧａＮ系半導体材料層を成長させることができる。
次に、ＩＩＩ族原料の供給を停止した状態でＶ族原料を供給することにより平坦化層を安定化させる（Ｓ１４）。この安定化工程は、６秒以上３０秒以下の時間にわたって行われる。ＩＩＩ族原料の供給を停止した状態でＶ族原料を供給することにより、平坦化層の表面の結晶性を改善させ、より平坦化された結晶表面を形成できる。
つづいて、さらなる平坦化層が必要であれば（Ｓ１６のＹ）、Ｓ１２およびＳ１４の工程を繰り返す。例えば、第２平坦化層４２の上にさらなる障壁層（第２障壁層４０ｂ）を形成し、障壁層の上にさらなる平坦化層（第１平坦化層４１）を形成し、形成した平坦化層を安定化させる。さらなる平坦化層が不要であれば（Ｓ１６のＮ）、平坦化層の上に障壁層（第１障壁層４０ａ）を形成し、障壁層の上に井戸層３６を形成する。井戸層３６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。これにより、活性層２６ができあがる。
次に、活性層２６の上にｐ型半導体層を形成する（Ｓ２０）。例えば、活性層２６の上に電子ブロック層２８を形成し、つづいて、ｐ型クラッド層３０を形成する。電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０は、ＡｌＮ系半導体材料またはＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。
つづいて、ｐ型クラッド層３０の上にマスクを形成し、マスクが形成されていない露出領域の活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０を除去する。活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０の除去は、プラズマエッチングにより行うことができる。ｎ型クラッド層２４の露出面２４ａの上にｎ側電極３２を形成し、マスクを除去したｐ型クラッド層３０の上にｐ側電極３４を形成する。ｎ側電極３２およびｐ側電極３４は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。これにより、図１に示す半導体発光素子１０ができあがる。
以下、本実施の形態が奏する効果について実施例および比較例を挙げながら説明する。
実施例１では、２層の平坦化層４１，４２を形成し、平坦化層４１，４２のＡｌＮモル分率を井戸層３６よりも高くすることにより、平坦化層４１，４２の伝導帯の基底準位Ｅ１が井戸層３６の基底準位Ｅ０より高くなるようにした。実施例１では、平坦化層４１，４２の形成時に安定化処理を行っていない。実施例１では、１００ｍＡの通電時において、発光波長２８５ｎｍ、発光スペクトルの半値全幅１７．８ｎｍ、発光出力４．３ｍＷが得られた。
実施例２では、２層の平坦化層４１，４２を形成し、平坦化層４１，４２の厚みを井戸層３６より小さくすることにより、平坦化層４１，４２の伝導帯の基底準位Ｅ１が井戸層３６の基底準位Ｅ０より高くなるようにした。実施例２では、平坦化層４１，４２の形成時に安定化処理を行っていない。実施例２では、１００ｍＡの通電時において、発光波長２８５ｎｍ、発光スペクトルの半値全幅１５．６ｎｍ、発光出力４．４ｍＷが得られた。
実施例３では、実施例２と同様に２層の平坦化層４１，４２の厚みを井戸層３６より小さくすることにより、平坦化層４１，４２の伝導帯の基底準位Ｅ１が井戸層３６の基底準位Ｅ０より高くなるようにした。実施例３では、平坦化層４１，４２の形成時に１２秒の安定化処理を行った。実施例３では、１００ｍＡの通電時において、発光波長２８５ｎｍ、発光スペクトルの半値全幅１３．６ｎｍ、発光出力４．５ｍＷが得られた。
実施例４では、実施例３と同様に２層の平坦化層４１，４２の厚みを井戸層３６より小さくすることにより、平坦化層４１，４２の伝導帯の基底準位Ｅ１が井戸層３６の基底準位Ｅ０より高くなるようにした。実施例４では、平坦化層４１，４２の形成時に２４秒の安定化処理を行った。実施例４では、１００ｍＡの通電時において、発光波長２８５ｎｍ、発光スペクトルの半値全幅１４．２ｎｍ、発光出力４．３ｍＷが得られた。
比較例１では、平坦化層を設けないこととし、ｎ型クラッド層２４の上に障壁層および井戸層を１層ずつ形成した。比較例１では、１００ｍＡの通電時において、発光波長２８５ｎｍ、発光スペクトルの半値全幅２０．２ｎｍ、発光出力４．２ｍＷが得られた。
比較例２では、実施例２〜４と同様に２層の平坦化層４１，４２の厚みを井戸層３６より小さくすることにより、平坦化層４１，４２の伝導帯の基底準位Ｅ１が井戸層３６の基底準位Ｅ０より高くなるようにした。比較例２では、平坦化層４１，４２の形成時に３６秒の安定化処理を行った。比較例２では、１００ｍＡの通電時において、発光波長２８５ｎｍ、発光スペクトルの半値全幅１４．６ｎｍが得られたが、発光出力が４ｍＷに満たなかった。
以上の結果より、平坦化層４１，４２を活性層２６に挿入することで、半導体発光素子１０の発光特性を向上させることができる。特に、半導体発光素子１０の発光強度を損なうことなく、半導体発光素子１０の発光スペクトルの半値全幅を１５％〜３０％程度小さくして、半導体発光素子１０の単色性を高めることができる。また、１２秒または２４秒の安定化処理により半導体発光素子１０の単色性をより高めることができる一方で、３６秒の安定化処理をすると半導体発光素子１０の発光出力が低下する。したがって、安定化処理時間は３６秒より短くする必要があり、６秒以上３０秒以下とすることが好ましい。
本実施の形態では、２層の平坦化層４１，４２を設けるとともに、２層の平坦化層４１，４２の間に障壁層（第２障壁層４０ｂ）を挿入することで、半導体発光素子１０の発光特性をより好適に向上させることができる。井戸層３６の平坦性を改善するためには、その下地となる平坦化層の厚みを大きくすることが好ましいと考えられる。しかしながら、平坦化層の厚みを大きくすると、平坦化層の伝導帯の基底準位が低くなり、平坦化層の発光につながるおそれが生じる。一方で、平坦化層の発光を防ぐために平坦化層のＡｌＮ組成比を高めてしまうと、平坦化層と井戸層３６の格子定数差が大きくなり、平坦化層の挿入による平坦性の改善効果が低下してしまう。
本実施の形態によれば、厚みの大きい平坦化層を挿入するのではなく、厚みの小さい平坦化層４１，４２を複数に分けて挿入することで、平坦化層４１，４２の基底準位Ｅ１を井戸層３６の基底準位Ｅ０より高くすることができる。また、複数の平坦化層４１，４２の合計での厚みを大きくすることで、平坦化層の挿入による平坦性の改善効果を高めることができる。
なお、平坦化層の層数を増やそうとする場合、平坦化層の層数に応じて障壁層の層数を増やす必要があり、井戸層３６のキャリア注入効率の低下につながるおそれがある。したがって、平坦化層の層数を増やしすぎることも好ましくない。本発明者らの知見によれば、平坦化層の層数は、４層以下とすることが好ましく、１層〜３層程度とすることがより好ましい。
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
上述の実施の形態では、ｎ型クラッド層２４と第２平坦化層４２の間に第３障壁層４０ｃを設ける場合について示した。さらなる変形例では、第３障壁層４０ｃを設けないこととし、ｎ型クラッド層２４の直上に第２平坦化層４２を設けることとしてもよい。
１０…半導体発光素子、２４…ｎ型クラッド層、２６…活性層、３６…井戸層、４０…障壁層、４０ａ…第１障壁層、４０ｂ…第２障壁層、４１…第１平坦化層、４２…第２平坦化層。

Claims (10)

  1. ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の平坦化層と、前記平坦化層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層と、前記障壁層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層とを含む活性層と、
    前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備え、
    前記活性層は、波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を発し、
    前記平坦化層は、前記障壁層よりもＡｌＮモル分率が低く、前記井戸層よりも伝導帯の基底準位が高いことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記平坦化層は、前記井戸層よりも積層方向の厚さが小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記平坦化層は、前記井戸層よりもＡｌＮモル分率が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記平坦化層と前記井戸層との間の伝導帯の基底準位の差は、前記活性層の発光波長に対応する光エネルギーの２％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  5. 前記平坦化層は、第１平坦化層であり、前記障壁層は、第１障壁層であり、
    前記活性層は、前記第１平坦化層と前記第１障壁層の間に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の第２平坦化層と、前記第１平坦化層と前記第２平坦化層の間に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の第２障壁層とをさらに含み、
    前記第２平坦化層は、前記第１障壁層および前記第２障壁層よりもＡｌＮモル分率が低く、前記活性層よりも伝導帯の基底準位が高いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記第２平坦化層の積層方向の厚さは、前記井戸層の厚さより小さいことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
  7. 前記第２平坦化層のＡｌＮモル分率は、前記井戸層のＡｌＮモル分率よりも高いことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体発光素子。
  8. 前記活性層は、前記ｎ型クラッド層と前記平坦化層の間に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の別の障壁層をさらに含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  9. 波長３６０ｎｍ以下の深紫外光を発する半導体発光素子の製造方法であって、
    ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型クラッド層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の平坦化層を形成する工程と、
    前記平坦化層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層を形成する工程と、
    前記障壁層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層を形成する工程と、
    前記井戸層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備え、
    前記平坦化層は、前記障壁層よりもＡｌＮモル分率が低く、前記井戸層よりも伝導帯の基底準位が高いことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  10. 前記障壁層を形成する工程は、ＩＩＩ族原料およびＶ族原料を供給してＡｌＧａＮ系半導体材料層を成長させる工程と、ＩＩＩ族原料を供給停止した状態でＶ族原料を６秒以上３０秒以下の時間にわたって供給して前記ＡｌＧａＮ系半導体材料層を安定化させる工程と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
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