JP4974270B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、より詳細には、２００ｎｍから３００ｎｍの波長の光を高効率に発光する半導体発光素子に関するものである。

環境、衛生、医療、バイオなどの幅広い分野で、波長が２００ｎｍから３００ｎｍの範囲の紫外光が利用されている。例えば、波長２５０ｎｍの紫外光は、バクテリアを効率よく死滅できることから、水の浄化や殺菌などに用いられている。また、有害物質の検出、細胞の選別、紫外光治療などには、３００ｎｍ以下の波長の紫外光が利用されている。

現在、重水素ランプや水銀ランプなどのガス光源が用いられている。しかし、大型、寿命が短い、持ち運びができない、有害ガスを含むなどの問題がある。そのため、同様な発光波長を持ち、小型、長寿命、持ち運び可能、安全な紫外光光源が強く望まれている。

半導体発光素子は、小型化が容易である。紫外光域での半導体発光素子用の材料のひとつに、窒化物半導体である窒化アルミニウムガリウムインジウムボロン（Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ）層がある。この窒化物半導体の、有害性は極めて低い。Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層は、直接遷移型のバンド構造を有し、Ａｌ組成Ｘがおおよそ０．３以上において発光波長が３００ｎｍ以下となる。また、各組成Ｘ、Ｙ、Ｚを調整することで、発光波長を１．５μｍから１８０ｎｍの間で連続的に可変できる特性がある。そして、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、波長２０５ｎｍ付近で発光する。

しかしながら、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素子において、その発光効率は発光波長が３００ｎｍ以下になると極めて低い。また、パルス電圧で駆動しないと高い発光出力が得られないなどの大きな問題がある。これにより、３００ｎｍ以下の光を発光する高効率、長寿命、直流駆動の半導体発光素子を作製することは極めて困難である。以下に、半導体発光素子の２つの報告例について述べる。

＜報告例１＞
図１を参照して、発光層にＡｌ_1-ＸＧａ_ＸＮを用いた発光ダイオードに関し、非特許文献１に記載されている報告例について述べる。この報告例では、図１に示す発光ダイオード１００を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により作製している。基板１０２にはＡｌ_２Ｏ_３（０００１）面を使用している。まず、ＡｌＮバッファ層１０４（膜厚０．３μｍ）、ＡｌＮ／Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ｎ超格子層１０６、ｎ型Ａｌ_0.72Ｇａ_0.28Ｎ層１０８、発光層としてＡｌ_0.58Ｇａ_0.42Ｎ／Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ多重量子井戸層（３周期）１１０、ｐ型Ａｌ_0.72Ｇａ_0.28Ｎ層（膜厚２０ｎｍ）１１２、ｐ型ＧａＮ層１１４を成長させている。ｎ型電極１２２はｎ型Ａｌ_0.72Ｇａ_0.28Ｎ層１０８上に、ｐ型電極１２４はｐ型ＧａＮ層１１４上にそれぞれ形成されている。素子サイズは１５０μｍ×１５０μｍである。

図２に示すように、この場合、Ａｌ_２Ｏ_３基板の＜０００１＞面方位は、成長表面、つまりＡｌ_２Ｏ_３（０００１）面と垂直である。発光層であるＡｌ_0.58Ｇａ_0.42Ｎ／Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ多重量子井戸層１１０はＡｌ_２Ｏ_３基板１０２にエピタキシャル成長するため、Ａｌ_0.58Ｇａ_0.42Ｎ／Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ多重量子井戸層１１０の＜０００１＞方位とＡｌ_２Ｏ_３基板１０２の＜０００１＞面方位は平行である。そして、発光層１１０で発光した光は、基板１０２の裏面側、つまり、発光層１１０の＜０００１＞方位方向から取出している。また、本構造では、発光層１１０の端面を＜０００１＞方位と平行にしている。

本発光ダイオード１００の発光波長は、２５０ｎｍである。パルス電流３００ｍＡ（パルス幅２００ｎｓｅｃ、デューティー比０．２％）の条件下において、出力は０．１６ｍＷ、外部量子効率は０．０１％と低い。つまり、この構造では、重水素ランプや水銀ランプなどのガス光源に代わる、波長２００ｎｍから３００ｎｍの間の光を高効率に発光する半導体発光素子を作製することができない。

＜報告例２＞
次に、図３を参照して、発光層にＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層を用い、ｐ型ＧａＮ表面にナノメートルサイズの凹凸を形成した発光ダイオードに関し、非特許文献２に記載されている報告例について述べる。この報告例では、図３に示す発光ダイオード３００をＭＯＣＶＤ法により作製している。基板３０２にはＡｌ_２Ｏ_３（０００１）面を使用している。まず、ｎ型ＧａＮ層３０４、発光層としてＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層３０６、ｐ型ＧａＮ層３０８を成長させている。ｐ型ＧａＮ層３０８上にクラスター化したＰｔを形成し、それをマスクとしてｎ型ＧａＮ層３０８の表面にナノメートルサイズの凹凸をドライエッチングにより形成している。ｎ型電極３２２はｎ型ＧａＮ層３０４上に、ｐ型電極３２４はｐ型ＧａＮ層３０８上に形成した。この場合、発光層であるＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層３０６はＡｌ_２Ｏ_３基板３０２にエピタキシャル成長するため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層３０６の＜０００１＞方位とＡｌ_２Ｏ_３基板３０２の＜０００１＞面方位は平行である。そして、発光層で発光した光は、ｐ型電極３２４の上方側、つまり、発光層３０６の＜０００１＞方位方向から取出している。また、本構造では、発光層３０６の端面を＜０００１＞方位と平行にしている。

本発光ダイオード３００の発光波長は、直流電流２０ｍＡの条件下において、４７０ｎｍである。発光出力は、ナノメートルサイズの凹凸を形成することにより最大で１．９倍増加した。これは、ｐ型ＧａＮ層３０８の表面での光の反射や屈折が、凹凸により変化し、光の取出し効率が向上するためである。

しかし、発光層にＡｌを含まないＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸発光層３０６では、発光波長を３６０ｎｍ以下にすることはできない。また、発光層上部のｐ型層に凹凸を形成した構造では、光の発光強度が２倍程度増加するだけで、それ以上飛躍的に増加することはできない。つまり、この構造では、重水素ランプや水銀ランプなどのガス光源に代わる、波長２００ｎｍから３００ｎｍの間の光を高効率に発光する半導体発光素子を作製することができない。

Ｖ．Ａｄｉｖａｒａｈａｎ他， "ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲ"， Ｖｏｌ．８５, Ｎｏ．１２， ＰＰ．２１７５−２１７７， ２００４年 Ｅｕｎ−Ｊｅｏｎｇ Ｋａｎｇ他， "Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｌｉｇｈｔ−Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ ｏｆ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＬＥＤｂｙ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｓｉｚｅ Ｃａｖｉｔｉｅｓ ｏｎ ｐ−ＧａＮ Ｓｕｒｆａｃｅ"， ８， Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌｅｔｔｅｒ，Ｇ３２７−３２９，２００５年

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、波長２００ｎｍから３００ｎｍの間の光を高効率で発光する半導体発光素子である発光ダイオードを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長２００ｎｍから３００ｎｍの紫外光を発光する発光ダイオードであって、ＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長により形成された発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層とし、前記Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成を０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲とし、前記Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位と前記ＡｌＮ基板の面方位とのなす角θ１を３０度より大きくしたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、波長２００ｎｍから３００ｎｍの紫外光を発光する発光ダイオードであって、ＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長により形成された発光層をＡｌＮ層とし、前記ＡｌＮ層の＜０００１＞方位と前記ＡｌＮ基板の面方位とのなす角θ１を３０度より大きくしたことを特徴とする。

本発明によれば、波長２００ｎｍから３００ｎｍの間の光を高効率で発光する半導体発光素子を提供することができる。

本発明によれば、発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層とし、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成を０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲とした窒化物半導体を用いた半導体発光素子が開示される。さらに、本発明によれば、光取出し方向を発光層であるＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位から傾斜させた半導体発光素子が開示される。

発光層にＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎを用いた半導体発光素子において、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の組成Ｘ、Ｙ、Ｚを限定的な範囲とするとともに、光取出し方向をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位から傾斜させた点が、従来の技術と異なる点である。

図４および５を参照して、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の発光強度を高くする光取出し方向について説明する。図４にその測定系の概略を示す。Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４（膜厚２００ｎｍ）は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ基板４０２上に作製されている。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｂ原料としてトリエチルボロン（ＴＥＢ）、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用いている。なお、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の各組成を０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲にすることで、発光波長を２００ｎｍから３００ｎｍの範囲に調整できる。Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４からのフォトルミネッセッスの発光強度は光検出器４０６で測定される。ここでは、基板４０２の表面と垂直方向、つまり基板４０２の面方位の方向に光検出器４０６を設置し、その方向を光取出し方向とする。

Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の＜０００１＞方位と光取出し方向のなす角θを変化させるため、異なる面方位のＡｌＮ基板や傾斜角の異なるＡｌＮ基板を用いた。この場合、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４はＡｌＮ基板４０２上にエピタキシャル成長するため、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の＜０００１＞方位はＡｌＮ基板４０２の＜０００１＞方位と一致する。例えば、ＡｌＮ（０００１）基板の場合はθ＝０°となり、ＡｌＮ（１−１００）基板の場合はθ＝９０°となる。基板４０２の面方位が異なることによるＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の結晶性や表面モフォロジーの変化はない。

図５に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の＜０００１＞方位と光取出し方向のなす角θと発光強度の関係を示す。Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の各組成は（Ａ）Ｘ＝０．５８、Ｙ＝０．４、Ｚ＝０．０１５、（Ｂ）Ｘ＝０．３、Ｙ＝０．６８、Ｚ＝０．０１５、（Ｃ）Ｘ＝１、Ｙ＝０、Ｚ＝０（ＡｌＮ）、（Ｄ）Ｘ＝０、Ｙ＝１、Ｚ＝０（ＧａＮ）、（Ｅ）Ｘ＝０、Ｙ＝０．８、Ｚ＝０．２（ＩｎＧａＮ）とした。それぞれの発光波長は（Ａ）２５０ｎｍ、（Ｂ）３００ｎｍ、（Ｃ）２０５ｎｍ、（Ｄ）３６５ｎｍ、（Ｅ）４５０ｎｍである。ただし、それぞれの発光層を用いた場合の発光強度は、θが０度である、（０００１）面方位基板を用いた、従来構造の値で規格化している。

図５中の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示されるように、発光波長が３００ｎｍ以下、つまり、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲の場合、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層発光層４０４の＜０００１＞方位と光取出し方向のなす角θを０度より増加することで、発光強度を増加できる。

上記（Ｂ）の場合、すなわち発光波長が３００ｎｍの場合、θが０度である従来構造と比較して、θが１０度以上で発光強度は２倍以上、θが３０度以上で発光強度は４倍以上増加する。また上記（Ｃ）の場合、すなわち発光波長が２０５ｎｍの場合、θが０度である従来構造と比較して、θが１０度以上で発光強度は８倍以上、θが３０度以上で発光強度は４０倍以上増加する。

このように、発光波長が短くなるほど、つまり、Ａｌ組成が増加するほど、効果は大きく、飛躍的に発光強度を増加できる。ただし、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲から外れた場合、θを増加しても、発光強度を増加させることはできない。

一方、図５中の（Ｄ）、（Ｅ）で示されるように、発光波長が３００ｎｍ以上の場合、つまり、Ａｌ組成Ｘが０．３以下の場合、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の＜０００１＞方位と光取出し方向のなす角θを増加しても、発光強度はむしろ低下する。

以上より、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の各組成が限定的な範囲において、光取出し方向をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の＜０００１＞方位から傾斜させた場合に、発光強度を飛躍的に増加させることができる。上記Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の表面は平坦であり、凹凸を形成する加工は施していない。つまり、表面形状は同じであり、表面形状に起因した反射、屈折の影響はない。従って、光取出し方向をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の＜０００１＞方位から傾斜することで発光強度を高くできることは、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層４０４の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の場合にのみ効果があり、本質的なものである。以下に記す本発明の実施例は上記に基づくものである。

以上説明したように、本発明によれば、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲では、光取出し方向をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位から傾斜させた場合に、波長２００ｎｍから３００ｎｍの間の光を高い効率で取出すことができる。

また、本発明を、波長が２００ｎｍから３００ｎｍの間の半導体発光素子に適用すれば、高い発光効率が得られ、その結果、低消費エネルギーで高い発光出力を有し、直流電圧駆動でも安定に動作する、波長が２００ｎｍから３００ｎｍの間の半導体発光素子を作製することができる。

図６〜８を参照して本発明に係る半導体発光素子の第１の実施例を説明する。
図６および７に、発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層とした本実施例の発光ダイオード６００の断面構造およびその製作方法をそれぞれ示す。

図６に示す発光ダイオード６００は、ＡｌＮ（１−１００）基板６０２上に順次作製された、アンドープＡｌＮ層６０４と、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６０６と、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層６０８と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６１０とを備える。また、発光ダイオード６００は、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６０６上に形成されたｎ型電極６２２と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６１０上に形成されたｐ型電極６２４とをさらに備える。

Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により作製した。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｂ原料としてトリエチルボロン（ＴＥＢ）、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ_３）、シリコン（Ｓｉ）ドーパント原料してシラン（ＳｉＨ_４）、Ｍｇドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。成長温度は１２００℃である。

図７に示すように、本実施例の発光ダイオードは、まず、（１）ＡｌＮ（１−１００）基板６０２上にアンドープＡｌＮ層６０４（膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長させる。
（２）次いで、アンドープＡｌＮ層６０４上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６０６（膜厚０．５μｍ、Ｘ＝０．７５、Ｙ＝０．２４、Ｚ＝０．０１、Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（３）次いで、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６０６上に、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層６０８（膜厚１０ｎｍ、Ｘ＝０．５８、Ｙ＝０．４、Ｚ＝０．０１５）をエピタキシャル成長させる。
（４）次いで、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層６０８上に、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６１０（膜厚０．２μｍ、Ｘ＝０．７５、Ｙ＝０．２４、Ｚ＝０．０１、Ｍｇ濃度４×１０^１９ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（５）さらに、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６１０上に、半透明Ｐｄ／Ａｕ電極６２４を形成する。
（６）次いで、エッチングによりＳｉドープｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層６０６の一部を露出させる。
（７）次いで、露出したＳｉドープｎ型ＡｌＮ上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極６２２を形成する。

デバイスサイズは１５０μｍ×１５０μｍである。本素子では、ＡｌＮ（１−１００）基板６０２を用いたことにより、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層６０８の＜０００１＞方位と、基板６０２の表面に垂直な＜１−１００＞面方位とが９０度の角度をなす。

一方、図７の作製方法を使用して、ＡｌＮ（１−１００）基板６０２に代えて、ＡｌＮ（０００１）基板とすることで、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の＜０００１＞方位と、基板の表面に垂直な＜０００１＞面方位とが平行となる、すなわちこれらの方位のなす角度が０度をなす、図１で示した従来構造と同様の素子を作製することができる。

図８に、作製した本実施例の発光ダイオードおよび従来構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す。図８中、（Ａ）はＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層６０８の＜０００１＞方位と光取出し方向が９０度の角度をなす本実施例の発光ダイオードの発光スペクトルを示し、（Ｂ）はＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向が０度の角度をなす従来構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す。なお、図８中の（Ｂ）は、ＡｌＮ（０００１）基板を用いて作製した発光ダイオードの発光強度を５倍で表示している。

発光ダイオードの発光スペクトルおよび発光強度は、基板６０２の表面（積層面）と垂直方向かつ半透明Ｐｄ／Ａｕ電極６２４側で測定した。この場合、光取出し方向は、基板の面方位と一致する。これらの発光ダイオードのｐ型電極６２４に正の電圧を、ｎ型電極６２２に負の電圧を印加し、直流３００ｍＡ駆動の条件下において測定した。（Ａ）ＡｌＮ（１−１００）基板を用いた本実施例の発光ダイオードでは、発光波長は２５０ｎｍ、発光出力は８ｍＷ、外部量子効率は０．５％である。（Ｂ）ＡｌＮ（０００１）基板を用いた従来構造の発光ダイオードでは、発光波長は２５０ｎｍ、発光出力は０．１６ｍＷ、外部量子効率は０．０１％であり、図１に示した従来構造と同様に低い値を示した。

本実施例によれば、従来構造の発光ダイオードよりも効率が約５０倍も高く、また直流駆動で動作する発光ダイオードを実現することができる。

図９および１０を参照して本発明に係る半導体発光素子の第２の実施例を説明する。

図９に、発光層をＡｌＮ層とした本実施例の発光ダイオード９００の断面構造を示す。発光ダイオード９００の作製手順は、図７を参照して説明した製造手順に準じる。

図９に示す発光ダイオード９００は、ＡｌＮ（１−１００）基板９０２上に順次作製された、アンドープＡｌＮ層９０４と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層９０６と、アンドープＡｌＮ発光層９０８と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層９１０とを備える。また、発光ダイオード９００は、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層９０６上に形成されたｎ型電極９２２と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層９１０上に形成されたｐ型電極９２４とをさらに備える。

本実施例の発光ダイオードは、まず、ＭＯＣＶＤ法により、（１）ＡｌＮ（１−１００）基板９０２上に、アンドープＡｌＮ層９０４（膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長させる。
（２）次いで、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層９０６（膜厚０．５μｍ、Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（３）次いで、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層９０６上に、アンドープＡｌＮ層９０８（膜厚１０ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。
（４）次いで、アンドープＡｌＮ層９０８上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層９１０（膜厚０．２μｍ、Ｍｇ濃度４×１０^１9ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（５）さらに、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層９１０上に、半透明Ｐｄ／Ａｕ電極９２４を形成する。
（６）次いで、エッチングによりＳｉドープｎ型ＡｌＮ層９０６の一部を露出させる。
（７）次いで、露出したＳｉドープｎ型ＡｌＮ上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極９２２を形成する。

デバイスサイズは１５０μｍ×１５０μｍである。本素子では、ＡｌＮ（１−１００）基板９０２を用いたことにより、ＡｌＮ発光層９０８の＜０００１＞方位と基板９０２の＜１−１００＞面方位とが９０度の角度をなす。

一方、上記作製方法において、ＡｌＮ（１−１００）基板９０２に代えて、ＡｌＮ（０００１）基板とすることで、ＡｌＮ発光層の＜０００１＞方位と基板の＜０００１＞面方位とが平行となる、すなわちこれらの方位のなす角度が０度をなす、図１で示した従来構造と同様の素子を作製することができる。

図１０に、作製した本実施例の発光ダイオードおよび従来構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す。図１０中、（Ａ）はＡｌＮ発光層９０８の＜０００１＞方位と光取出し方向が９０度の角度をなす本実施例の発光ダイオードの発光スペクトルを示し、（Ｂ）はＡｌＮ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向が０度の角度をなす従来構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す。なお、図１０中の（Ｂ）は、ＡｌＮ（０００１）基板を用いて作製した発光ダイオードの発光強度を２０倍で表示している。

発光ダイオードの発光スペクトルおよび発光強度は、基板９０２の面方位方向、半透明Ｐｄ／Ａｕ電極上方で測定した。この場合、光取出し方向は、基板の面方位と一致する。これらの発光ダイオードのｐ型電極に正の電圧を、ｎ型電極に負の電圧を印加した。発光波長は２０５ｎｍである。（Ａ）ＡｌＮ（１−１００）基板を用いた本実施例の発光ダイオードでは、直流３００ｍＡ駆動の条件下において、発光出力は２ｍＷ、外部量子効率は０．１％である。一方、（Ｂ）ＡｌＮ（０００１）基板を用いた従来構造の発光ダイオードでは、直流３００ｍＡ駆動の条件下において、発光出力は０．０２ｍＷ、外部量子効率は０．００１％であり、図１に示した従来構造と同様に低い値を示した。

本実施例によれば、ＡｌＮ発光層の＜０００１＞方位と基板の面方位のなす角度θ１を０度から９０度にすることで、従来構造の発光ダイオードに比べて、発光出力と外部量子効率を１００倍増加でき、従来よりも効率が約１００倍も高く、また直流駆動で動作する発光ダイオードが実現することができる。

なお、本実施例の発光層をアンドープＡｌＮ発光層９０８として説明したが、これに限られるものではなく、発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層（０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５）として実施することもできる。

図１１および１２を参照して、本発明に係る半導体発光素子の第３の実施例を説明する。図１１に、本実施例の発光ダイオード１１００の断面構造を示す。本実施例の発光ダイオードは、光取出し方向と発光層の＜０００１＞方位のなす角θ１を変化させるため、異なる面方位のＡｌＮ基板や傾斜角の異なるＡｌＮ基板上に作製される発光ダイオードである。また、発光ダイオード１１００の作製手順は、図７を参照して説明した製造手順に準じる。

図１１に示す発光ダイオード１１００は、ＡｌＮ基板１１０２上に順次作製された、アンドープＡｌＮ層１１０４と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１１０６と、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１１１０とを備える。また、発光ダイオード１１００は、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１１０６上に形成されたｎ型電極１１２２と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１１１０上に形成されたｐ型電極１１２４とをさらに備える。

本実施例の発光ダイオードは、まず、ＭＯＣＶＤ法により、（１）ＡｌＮ基板１１０２上に、アンドープＡｌＮ層１１０４（膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長させる。
（２）次いで、アンドープＡｌＮ層１１０４上に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１１０６（膜厚０．５μｍ、Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（３）次いで、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１１０６上に、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８（膜厚１０ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。
（４）次いで、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１１１０（膜厚０．２μｍ、Ｍｇ濃度４×１０^１9ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（５）さらに、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１１１０上に、半透明Ｐｄ／Ａｕ電極を形成しする。
（６）次いで、エッチングによりＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１１０６の一部を露出させる。
（７）次いで、露出したＳｉドープｎ型ＡｌＮ層上に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極１１２２を形成する。

デバイスサイズは１５０μｍ×１５０μｍである。本素子では、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８の各組成は（Ａ）Ｘ＝０．５８、Ｙ＝０．４、Ｚ＝０．０１５、（Ｂ）Ｘ＝０．３、Ｙ＝０．６８、Ｚ＝０．０１５、（Ｃ）Ｘ＝１、Ｙ＝０、Ｚ＝０（ＡｌＮ）、（Ｄ）Ｘ＝０、Ｙ＝１、Ｚ＝０（ＧａＮ）、（Ｅ）Ｘ＝０、Ｙ＝０．８、Ｚ＝０．２（ＩｎＧａＮ）とすることができる。

それぞれの組成における発光波長は、（Ａ）２５０ｎｍ、（Ｂ）３００ｎｍ、（Ｃ）２０５ｎｍ、（Ｄ）３６５ｎｍ、（Ｅ）４５０ｎｍである。

本素子では、測定系発光強度は、基板１１０２の面方位方向、半透明Ｐｄ／Ａｕ電極１１２４上方で測定した。つまり、光取出し方向は、基板１１０２の面方位と一致する。

図１２に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８の＜０００１＞方位と光取出し方向（基板１１０２の面方位）のなす角θ１を変化させた場合の、外部量子効率の変化を示す。ただし、それぞれの発光層１１０８を用いた場合の外部量子効率は、θ１が０度である従来構造の値で規格化している。

図１２中の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示されるように、発光波長が３００ｎｍ以下、つまり、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲の場合、すなわち、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８の＜０００１＞方位と光取出し方向とのなす角θ１を０度より大きくした場合、発光ダイオードにおける外部量子効率を増加することができる。

例えば、図１２中の（Ｂ）に示すように、発光波長が３００ｎｍの発光ダイオードの場合、θ１が０度である従来構造の発光ダイオードと比較して、θ１が１０度以上で外部量子効率は２倍以上、θ１が３０度以上で外部量子効率は４倍以上増加する。また図１２中の（Ｃ）に示すように、発光波長が２０５ｎｍの発光ダイオードの場合、θ１が０度である従来構造の発光ダイオードと比較して、θ１が１０度以上で外部量子効率は８倍以上、θ１が３０度以上で外部量子効率は４０倍以上増加する。

このように、発光波長が短くなるほど、つまり、Ａｌ組成が増加するほど、効果は大きく、飛躍的に外部量子効率を増加できる。ただし、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲から外れた場合、θ１を増加しても、発光効率を増加させることはできない。

一方、図中の（Ｄ）、（Ｅ）で示されるように、発光波長が３００ｎｍ以上の場合、つまり、Ａｌ組成Ｘが０．３以下の場合、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１１０８の＜０００１＞方位と光取出し方向とのなす角θ１を増加しても、外部量子効率はむしろ低下する。

以上より、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が限定的な範囲において、光取出し方向をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層１１０８の＜０００１＞方位から傾斜させた場合に、外部量子効率を飛躍的に増加させることができる。

図１３〜１５を参照して、半導体発光素子の参考例を説明する。
図１３（ａ）に本参考例の発光ダイオード１３００の上面図を示し、図１３（ｂ）に本参考例の発光ダイオード１３００の断面線Ａにおける断面構造を示す。本参考例の発光ダイオード１３００は、発光層であるＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の端面とそのＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位とのなす角がθ２となる発光ダイオードである。

図１３に示す発光ダイオード１３００は、ＡｌＮ（０００１）基板１３０２上に順次作製された、アンドープＡｌＮ層１３０４と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１３０６と、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１３０８と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１３１０とを備える。また、発光ダイオード１３００は、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１３０６上に形成されたｎ型電極１３２２と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１３１０上に形成されたｐ型電極１３２４とをさらに備える。

アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１３０８の端面は、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位とのなす角がθ２となるようにエッチングされている。

本参考例の発光ダイオードは、まず、ＭＯＣＶＤ法により、（１）ＡｌＮ（０００１）基板１３０２上に、アンドープＡｌＮ層１３０４（膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長させる。
（２）次いで、アンドープＡｌＮ層１３０４上に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１３０６（膜厚０．５μｍ、Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（３）次いで、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１３０６上に、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１３０８（膜厚１０ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。
（４）次いで、アンドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層１３０８上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１３１０（膜厚０．２μｍ、Ｍｇ濃度４×１０^１9ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（５）さらに、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１３１０上に半透明Ｐｄ／Ａｕ電極１３２４を形成する。
（６）次いで、エッチングによりＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１３０６の一部を露出させる。この過程で、発光層であるＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層１３０８の端面とそのＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層１３０８の＜０００１＞方位とのなす角θ２はエッチングの条件により制御される。
（７）次いで、露出したＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１３０６上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極１３２２を形成する。

Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の各組成は、（Ａ）Ｘ＝０．５８、Ｙ＝０．４、Ｚ＝０．０１５、（Ｂ）Ｘ＝０．３、Ｙ＝０．６８、Ｚ＝０．０１５、（Ｃ）Ｘ＝１、Ｙ＝０、Ｚ＝０（ＡｌＮ）、（Ｄ）Ｘ＝０、Ｙ＝１、Ｚ＝０（ＧａＮ）、（Ｅ）Ｘ＝０、Ｙ＝０．８、Ｚ＝０．２（ＩｎＧａＮ）とすることができる。

それぞれの組成における発光波長は、（Ａ）２５０ｎｍ、（Ｂ）３００ｎｍ、（Ｃ）２０５ｎｍ、（Ｄ）３６５ｎｍ、（Ｅ）４５０ｎｍである。

光検出器４０６（図４）を、発光ダイオード１３００の上部に設置して、取り出す光を観測した。

図１５に、発光層であるＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層１３０８の端面とそのＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位とのなす角θ２と、外部量子効率との関係を示す。ただし、それぞれの発光層を用いた場合の外部量子効率は、θ２が０度である従来構造の値で規格化している。

図１５中の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示されるように、発光波長が３００ｎｍ以下、つまり、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲の場合、θ２を傾斜することで外部量子効率を増加できる。

例えば、図１５中の（Ｂ）に示すように、発光波長が３００ｎｍの発光ダイオードの場合、θ２が０度である従来構造の発光ダイオードと比較して、１０度≦θ２＜９０度または９０度＜θ２≦１７０度で外部量子効率は２倍以上、３０度≦θ２＜９０度または９０度＜θ２≦１５０度で外部量子効率は４倍以上増加する。また、図１５中の（Ｃ）に示すように、発光波長が２０５ｎｍの発光ダイオードの場合、θ２が０度である従来構造の発光ダイオードと比較して、１０度≦θ２＜９０度または９０度＜θ２≦１７０度で外部量子効率は４倍以上、θ２が３０度≦θ２＜９０度または９０度＜θ２≦１５０度で外部量子効率は２０倍以上増加する。

このように、発光波長が短くなるほど、つまり、Ａｌ組成が増加するほど、効果は大きく、飛躍的に外部量子効率を増加できる。ただし、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲から外れた場合、θ２を増加しても、発光効率を増加させることはできない。

一方、図中の（Ｄ）、（Ｅ）で示されるように、発光波長が３００ｎｍ以上の場合、つまり、Ａｌ組成Ｘが０．３以下の場合、θ２を増加しても、外部量子効率は２倍程度増加するのみである。

以上より、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成が０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５と限定的な範囲において、発光層であるＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層１３０８の端面とそのＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層１３０８の＜０００１＞方位のなす角θ２を１０度≦θ２＜９０度または９０度＜θ２≦１７０度とする場合に、外部量子効率を飛躍的に増加させることができる。

図１６および１７を参照して、半導体発光素子の参考例を説明する。
図１６および１７に、発光層とそれに接する層の界面が複数の面方位を有する本参考例の発光ダイオード１６００の断面構造およびその作製方法をそれぞれ示す。

図１６に示す発光ダイオード１６００は、ＡｌＮ（０００１）基板１６０２上に順次作製された、アンドープＡｌＮ層１６０４と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６と、アンドープＡｌＮ発光層１６０８と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１６１０とを備える。また、発光ダイオード１６００は、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６上に形成されたｎ型電極１６２２と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１６１０上に形成されたｐ型電極１６２４とをさらに備える。

アンドープＡｌＮ層１６０４は、その一部がＡｌＮ（０００１）基板１６０２の表面（積層面）に対して凸状であり、複数の面方位を有する。アンドープＡｌＮ層１６０４上に順次作製された、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６、アンドープＡｌＮ発光層１６０８、およびＭｇドープｐ型ＡｌＮ層１６１０も同様に凸状であり、複数の面方位を有する。

本参考例の発光ダイオードは、まず、（１）ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ（０００１）基板１６０２上に、アンドープＡｌＮ層１６０４ａ（膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長させる。
（２）次いで、エッチングによりアンドープＡｌＮ層１６０４ａの一部を除去して、ＡｌＮ（０００１）基板１６０２の一部を露出させる。
（３）次いで、再成長により、露出したＡｌＮ（０００１）基板１６０２および残ったアンドープＡｌＮ層１６０４ａ上に、アンドープＡｌＮ層１６０４ｂ（膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長させる。アンドープＡｌＮ層１６０４ａとアンドープＡｌＮ層１６０４ｂとは、ＡｌＮ（０００１）基板１６０２上に作製された凸状のアンドープＡｌＮ層１６０４であり、複数の面方位を有する。これにより、凸状のアンドープＡｌＮ層１６０４上に作製される以下の層は、複数の面方位を有する。
（４）次いで、アンドープＡｌＮ層１６０４ｂ上に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６（膜厚０．５μｍ、Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（５）次いで、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６上に、アンドープＡｌＮ発光層１６０８（膜厚１０ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。
（６）次いで、アンドープＡｌＮ発光層１６０８上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１６１０（膜厚０．２μｍ、Ｍｇ濃度４×１０^１9ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（７）さらに、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１６１０上に半透明Ｐｄ／Ａｕ電極１６２４を形成する。
（８）次いで、エッチングによりＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６の一部を露出させる。
（９）次いで、露出したＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を形成する。

デバイスサイズは１５０μｍ×１５０μｍである。本構造の素子では、ＡｌＮ発光層１６０８とそれを挟むＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１６０６とＭｇドープｐ型ＡｌＮ層１６１０の界面は、（１−１０１）面、（０００１）面、（−１１０１）面からなり、３つの面方位、＜１−１０１＞面方位（図１６中の面方位１）、＜０００１＞面方位（図１６中の面方位２）、＜−１１０１＞面方位（図１６中の面方位３）を有する。

本素子の発光強度は、基板１６０２の＜０００１＞面方位方向、半透明Ｐｄ／Ａｕ電極上方で測定した。つまり、光取出し方向は、基板１６０２の面方位と一致する。ｐ型電極１３２４に正の電圧を、ｎ型電極１６２２に負の電圧を印加した結果、直流３００ｍＡ駆動の条件下において、発光波長は２０５ｎｍ、発光出力は１ｍＷ、外部量子効率は０．０５％である。実施例２の図１０の（Ｂ）に示したように、ＡｌＮ発光層とそれを挟むＳｉドープｎ型ＡｌＮ層とＭｇドープｐ型ＡｌＮの界面が（０００１）面のみである従来の発光ダイオードでは、発光出力は０．０２ｍＷ、外部量子効率は０．００１％と低かった。本参考例の発光ダイオードによれば、従来構造の発光ダイオードよりも外部量子効率が約５０倍も高い発光ダイオードが実現できる。

なお、本参考例の発光層をアンドープＡｌＮ発光層１６０８として説明したが、これに限られるものではなく、発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層（０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５）として実施することもできる。

図１８〜２０を参照して、半導体発光素子の参考例を説明する。
図１８および１９に、本参考例の発光ダイオード１８００の断面構造およびその作製方法をそれぞれ示す。

本参考例の発光ダイオード１８００は、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１８０２上に順次作製された、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１８０４と、アンドープＡｌＮ発光層１８０６と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ１８０８と、絶縁膜１８１０とを備える。また、発光ダイオード１８００は、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１８０２の表面（積層面）と対向する面に形成されたｎ型電極１８２２と、絶縁膜１８１０で覆われていないＭｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８を覆うとともに絶縁膜１８１０の一部に接するように形成されたｐ型電極１８２４とをさらに備える。

基板１８０２は、ｎ型伝導性半導体の＜０００１＞面方位を使用し、基板１８０２の表面（積層面）には高さをＴ１とする段差を有し、Ｔ１は、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層発光層１８０６とそれを挟む層（１８０４，１８０８）の膜厚の合計をＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２を満たす。

本参考例の発光ダイオードは、まず、（１）ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１８０２にマスクを形成する。
（２）次いで、エッチングによりその基板の一部を除去する。
（３）さらに、マスクを除去し、高さＴ１の段差を有する凸部を基板１８０２の表面（積層面）に形成する。例えば、凸部は円柱、円錐、六角柱、六角錐とすることができるが、これに限られない。
（４）次いで、ＭＯＣＶＤ法により、その基板１８０２上に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１８０４（膜厚０．５μｍ、Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（５）次いで、Ｓｉドープｎ型ＡｌＮ層１８０４上に、アンドープＡｌＮ発光層１８０６（膜厚１０ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。
（６）次いで、アンドープＡｌＮ発光層１８０６上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８（膜厚０．２μｍ、Ｍｇ濃度４×１０^１9ｃｍ^-3）をエピタキシャル成長させる。
（７）次いで、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８上の一部に絶縁膜１８１０を形成する。
（８）さらに、露出しているＭｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８を覆うように半透明Ｐｄ／Ａｕ電極１８２４を形成する。これにより、Ｍｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８は、その一部に絶縁膜１８１０で、他の部分を半透明Ｐｄ／Ａｕ電極１８２４によって覆われる。
（９）次いで、基板１８０２の裏面（積層面に対向する面）にＴｉ／Ａｌ電極１８２２を形成する。

デバイスサイズは１５０μｍ×１５０μｍである。本構造では、ＡｌＮ発光層１８０６とそれを挟むＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１８０４とＭｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８の膜厚の合計Ｔ２は１．２１μｍである。段差の高さＴ１は、エッチング条件により変化させることができる。

図２０に、基板１９２２の表面の段差の高さＴ１と発光強度の関係を示す。図２０の発光強度は、Ｔ１が０μｍ、つまり、基板表面に凸部加工を施していない場合の従来構造の発光ダイオードの値で規格化している。また、光取出し方向は、基板１８２２の＜０００１＞面方位と垂直な方向で測定した。ただし、Ｔ１が０μｍ、つまり、基板１８０２の表面に加工を施していない従来構造の発光ダイオードの場合、従来どおりの光取出し方向を基板の＜０００１＞面方位とした。発光ダイオードのｐ型電極に正の電圧を、ｎ型電極に負の電圧を印加し、直流３００ｍＡ駆動の条件下において発光強度を測定した。

図２０に示すように、基板１８０２の表面の段差の高さＴ１を増加することにより、発光強度は増加する。特に、基板１８０２の表面の段差の高さＴ１がＡｌＮ発光層１８０６とそれを挟むＳｉドープｎ型ＡｌＮ層１８０４とＭｇドープｐ型ＡｌＮ層１８０８の膜厚の合計Ｔ２を超えると、発光強度は２倍以上に増加する。つまり、Ｔ２＞Ｔ１となる限定的な範囲において、発光強度を飛躍的に増加させることができる。

なお、本参考例の発光層をアンドープＡｌＮ発光層１８０６として説明したが、これに限られるものではなく、発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層（０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５）として実施することもできる。

従来の窒化物半導体を用いた発光ダイオードの断面構造図。 六方晶構造の結晶面と面方位の関係を説明するための図。 表面に凹凸加工を施した従来の窒化物半導体を用いた発光ダイオードの断面構造図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の発光強度の測定系を説明するための図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位と光取出し方向のなす角θを変化させた場合の発光強度の変化を示す図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向が９０度の角度をなす発光ダイオードの断面構造図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向が９０度の角度をなす発光ダイオードの作製手順を説明するための図。 本発明の一実施例の発光ダイオードの発光スペクトルと、従来構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す図。 ＡｌＮ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向が９０度の角度をなす発光ダイオードの断面構造図。 本発明の一実施例の発光ダイオードの発光スペクトルと、従来構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向がθ１の角度を有する発光ダイオードの断面構造図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の＜０００１＞方位と光取出し方向のなす角θ１を変化させた場合の外部量子効率の変化を示す図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の端面と＜０００１＞方位がθ２の角度を有する発光ダイオードの断面構造図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の端面と＜０００１＞方位がθ２の角度を有する発光ダイオードの作製手順を説明するための図。 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ発光層の端面と＜０００１＞方位のなす角θ２を変化させた場合の外部量子効率の変化を示す図。 発光層とそれに接する層の界面が複数の面方位を有する発光ダイオードの断面構造図。 発光層とそれに接する層の界面が複数の面方位を有する発光ダイオードの作製手順を説明するための図。 ｎ型伝導性半導体の＜０００１＞面方位基板表面に高さＴ１の段差を有する発光ダイオードの断面構造図。 ｎ型伝導性半導体の＜０００１＞面方位基板表面に高さＴ１の段差を有する発光ダイオードの作製手順を説明するための図。 基板表面の段差の高さＴ１と発光強度の関係を示す図。

符号の説明

１００，３００，６００，９００，１１００，１３００，１６００，１８００， 発光ダイオード
１０２，３０２，４０２，６０２，９０２，１１０２，１３０２，１６０２，１８０２ 基板
１１０，３０６，４０４，６０８，９０８，１１０８，１３０８，１６０８，１８０６ 発光層

Claims (2)

1. 波長２００ｎｍから３００ｎｍの紫外光を発光する発光ダイオードであって、
   ＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長により形成された発光層をＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層とし、前記Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の各組成を０．３≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５の範囲とし、前記Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＢ_{1-Ｘ-Ｙ-Ｚ}Ｎ層の＜０００１＞方位と前記ＡｌＮ基板の面方位とのなす角θ１を３０度より大きくしたことを特徴とする発光ダイオード。
2. 波長２００ｎｍから３００ｎｍの紫外光を発光する発光ダイオードであって、
   ＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長により形成された発光層をＡｌＮ層とし、前記ＡｌＮ層の＜０００１＞方位と前記ＡｌＮ基板の面方位とのなす角θ１を３０度より大きくしたことを特徴とする発光ダイオード。

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