JP6475928B2

JP6475928B2 - 電子線励起型発光エピタキシャル基板及びその製造方法、並びに電子線励起型発光装置

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Publication number: JP6475928B2
Application number: JP2014136069A
Authority: JP
Inventors: 鳥羽　隆一; 隆一鳥羽; 雅年岩田
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2019-02-27
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: JP2016015379A

Description

本発明は、電子線励起型発光エピタキシャル基板及びその製造方法、並びに電子線励起型発光装置に関し、特に、発光出力の向上を可能にする電子線励起型発光エピタキシャル基板及びその製造方法、並びに電子線励起型発光装置に関するものである。

従来、紫外線は、感光性を有する樹脂の硬化や、物質の検出や組成分析等のセンシング、水や物質表面の殺菌や消毒といった様々な用途に使用されている。このような紫外線を発光する素子の１つに、電子線励起型発光エピタキシャル基板の発光層に電子線を照射して電子・正孔対を形成し、電子と正孔を再結合させることにより紫外線を放射させる電子線励起型の電子線励起型発光装置がある。

これまで、上記した電子線励起型発光装置から放射される紫外線の発生効率を向上させる幾つかの技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発光層であるＩｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮからなる量子井戸または多重量子井戸をそれらよりバンドギャップの大きいクラッド層で挟み、これらクラッド層の少なくとも一方のバンドギャップを井戸層から離れるに従って大きくすることにより、形成された電子・正孔対を井戸層に有効に移動させて発光効率を向上させる技術が記載されている。

また、特許文献２には、発光層であるＡｌ、Ｇａ及びＮを含む発光層に不純物をドープしてキャリアを形成し、発光層の導電性を向上させることにより、紫外線の発生効率を向上させる技術について記載されている。

特開平１０−３２１９５５号公報特開２０１１−１７８９２８号公報

上記した特許文献２に記載された技術により、紫外線の発生効率を大きく向上させて発光強度を高めることができる。しかし、発光強度の更なる向上が望まれており、それを可能にする技術の確立が希求されていた。
そこで、本発明の目的は、発光強度の向上を可能にする電子線励起型発光エピタキシャル基板及びその製造方法、並びに電子線励起型発光装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。上述のように、電子線が発光させるための励起源である電子線励起型発光エピタキシャル基板を用いた電子線励起型の発光装置では、発光層に電子線を照射すると、発光層内に電子・正孔対が形成され、形成された電子・正孔対が再結合することにより紫外線が放射される。ここで、発光層が多重量子井戸構造である場合、井戸層と障壁層のうち、井戸層が紫外線の発光領域となる。

ここで、図２に示すように、電子線の加速電圧を上げると、発光層の厚さ方向への電子線の平均侵入深さが深くなり、電子・正孔対の密度はより深い位置で最大となる。発光層を突き抜ける電子が多いと、意図しない基板発光の発生や発光効率の低下に繋がることから、発光層の厚みに対して電子線が発光層を突き抜けない加速電圧条件とすることが好ましいが、そのような条件においては、発光層内における電子・正孔対の密度は、電子線が照射された側の領域で高く、光取り出し面側の領域で低くなる。つまり、通常、電子線が照射された側の領域での発光強度は高く、照射された側の領域から最も離れた光取り出し面側の領域での発光強度は低くなる。

本発明者らは、紫外線の発光強度を高める方途を検討する中で、発光層の電子線が照射された側の領域で発生した、発光強度の高い紫外線が光取り出し面側に向かう過程で、その一部が発光層自身によって吸収されて、光取り出し効率が低下しているのではないかと考えた。すなわち、従来の電子線励起型の電子線励起型発光装置では、発光層における発光領域のバンドギャップは層内で一定にされている。そのため、電子線が照射された側の領域で発生した紫外線は、この紫外線と同一のバンドギャップを有する発光層内を通過して光取り出し面に向かうことになる。従って、発光層内を通過する紫外線は、光取り出し面に到達する前に、その一部が発光層自身によって吸収され得る。そこで、本発明者らは、電子線励起により発生した紫外線が発光層自身によって吸収されるのを抑制する方途について鋭意検討した結果、発光層の発光領域の井戸層のバンドギャップを、電子線励起側から光取り出し面側に向かって増加させることが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）基板と、該基板上に設けられた多重量子井戸構造を有する発光層と、該発光層上に設けられた金属層とを備え、前記発光層の井戸層のバンドギャップが、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に増加することを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（２）前記金属層は電子線源の陽極と反射層とチャージアップ防止層を兼ねるものであり、前記発光層上に接して設けられる前記（１）に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（３）前記井戸層は、ドーパントを含むＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる、前記（１）または（２）に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（４）前記ドーパントはＳｉである（３）に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（５）前記多重量子井戸構造において、前記井戸層のバンドギャップは前記金属層側から前記基板側に向かって階段状に増加し、同一のバンドギャップを有する前記井戸層の数は前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に減少する、前記（３）に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（６）前記基板と前記発光層の間に、前記井戸層よりもバンドギャップの大きなIII族窒化物半導体層を有する、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（７）前記III族窒化物半導体層または前記基板の、前記発光層と接する表面の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００秒以下である、前記（６）に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。

（８）前記（１）〜（７）に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板と、前記電子線励起型発光エピタキシャル基板の金属層に電子線を照射する電子線源とを備える電子線励起型発光装置。

（９）基板上に多重量子井戸構造を有する発光層をエピタキシャル成長させた後、該発光層上に金属層を形成し、前記発光層における井戸層のバンドギャップを、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に増加させることを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法。

本発明によれば、発光層の発光領域の井戸層のバンドギャップを、電子線励起側から光取り出し面側に向かって増加させるようにしたため、発光層において発生した光を発光層自身によって吸収されるのを抑制して光取り出し効率を高めることができ、発光強度を向上させることができる。

本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を示す図である。加速電圧を変えた場合の深さ方向のエネルギー密度の例を示す図である。発明例に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。比較例１に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。比較例２に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。比較例３に対する、照射電流と発光強度との関係を示す図である。

（電子線励起型発光エピタキシャル基板）
以下、図面を参照して本発明について詳しく説明する。図１は、本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を示す図である。この図における電子線励起型発光エピタキシャル基板３は、基板１１上に設けられた多重量子井戸構造をもつ発光層３３と、該発光層３３上に設けられた金属層１３とを備える。基板１１と発光層３３との間に、発光層３３の結晶性を向上させるための層としてIII族窒化物半導体層１４を更に備える形態とするのも好ましい形態である。

ここで、発光層３３における井戸層３１のバンドギャップが、金属層１３側から基板１１側に向かって発光層３３の厚さ方向に増加することが肝要である。基板１１側から金属層１３側に向かって発光層３３の厚さ方向に減少すると言い換えても良い。発光層３３中の井戸層３１のバンドギャップが、電子線が照射された側（すなわち、金属層１３側）の領域から光取り出し面側（すなわち、基板１１側）に向かって増加することにより、電子線が照射された側の井戸層３１において発生した光が、光取り出し面側の井戸層３１によって吸収されるのを抑制して光取り出し効率を高めることができ、ひいては発光強度を向上させることができるのである。以下、電子線励起型発光エピタキシャル基板における各構成について説明する。

まず、基板１１およびIII族窒化物半導体層１４は、発光層３３及び金属層１３を支持するとともに、発光層３３において発生した紫外線を透過させる。基板１１の裏側の面は光取り出し面として機能する。

この基板１１としては、発光層３３において発生した紫外線の波長に対して、透過特性が良好なものであれば特に限定されない。例えば、サファイア基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板、等を用いることができるが、サファイア基板を用いることがコスト面では特に好ましい。サファイア基板は対候性が高くて割れにくく、短波長の紫外域まで高い透過率を有するため、そのまま紫外光源の光取り出し部として使用しやすい。

基板１１の厚さは、十分に大きいことが好ましく、具体的には１００μｍ以上２０００μｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは、４００μｍ以上１４００μｍ以下である。なお、基板１１としてサファイア基板を用いる場合、現在市販されているものの標準的な厚さは、２インチ径のもので４３０μｍ、４インチ径のもので６５０μｍ、６インチ径のもので１０００μｍまたは１３００μｍである。

こうした基板１１の光取り出し面である裏側の面に、凹凸を設けることが好ましい。これにより、光取り出し面に到達した紫外線の光取り出し効率をさらに向上させることができる。ここで、凹凸パターンにおける凸部の形状や大きさ等は、光取り出し効率を向上させるものであれば特に限定されない。例えば、凸部を２〜５μｍ径の半球状・円錐状・多角錐状とすることができる。こうした凹凸は、ドライエッチングより形成することができる。

基板１１がサファイア基板のように発光層３３とは異種の材料の基板である場合、基板１１と発光層３３との間に、発光層３３の結晶性を向上させ、かつ、発光層３３において発生した紫外線を透過するIII族窒化物半導体層１４を介していることが好ましい。すなわち、発光層３３の井戸層３１よりもバンドギャップの大きくなるIII族窒化物半導体層１４であることが好ましい。たとえば、井戸層３１よりも高いＡｌ組成をもつIII族窒化物半導体層１４であり、最も好ましくはＡｌＮである。この場合、サファイア基板上にＡｌＮ層を有するＡｌＮテンプレート基板のようにIII族窒化物半導体層１４を予め備えるテンプレート基板２１を用いても良いし、サファイア基板上にIII族窒化物半導体層１４をエピタキシャル成長後に、発光層３３を成長しても良い。なお、基板１１が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板のように、発光層３３と同種の材料の基板である場合は、III族窒化物半導体層１４は省略することもできる。

特に、発光層３３をエピタキシャル成長させる表面が、面刃状転位の密度が低減された、Ｘ線回折による（１０−１２）面の半値幅（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈＨａｌｆＭａｘｉｍｕｍ，ＦＷＨＭ）が５００秒以下である前記の同種の材料の基板１１またはテンプレート基板２１を用いることが好ましい。これにより、発光層３３内の発光効率に悪影響を及ぼす転位が抑えられ、紫外線の発光強度を大きく向上させることができる。本発明の実施例と比較例に用いたＡｌＮ（０００１）テンプレート基板は、高温熱処理を施した高品位品（ＤＯＷＡエレクトロニクス社製）であって、ＡｌＮ表面のＸ線回折による（１０−１２）面）の半値幅が２５０〜３５０秒のテンプレート基板を使用しているが、例えば比較例３と同一条件下において、半値幅が１１６１秒のテンプレート基板を使用した場合には比較例３に対し、発光強度が１／５に低下する。また、（１０−１２）の半値幅が５０８秒のテンプレート基板を用い、実施例と同一条件で作成した試料では、発光強度が実施例の約２／３となる。

次に、発光層３３について説明する。発光層３３は、紫外線を放射する機能を有し、井戸層３１と、該井戸層３１よりも大きなバンドギャップを有する障壁層３２とからなる多重量子井戸構造３３を有する。これにより、電子線励起により形成された電子・正孔対をバンドギャップのより小さな井戸層３１に閉じ込めて、紫外線を効率よく発生させることができる。井戸層３１は、ドーパントを含むＡｌＧａＮ材料で構成されていることが好ましい。ここで、「ＡｌＧａＮ材料」とは、アルミニウム、ガリウム及び窒素からなる材料であって、式Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）で表される材料を意味する。なお、ＡｌＧａＮ材料は、結晶性向上のためにＩｎ（インジウム）をＩＩＩ族の組成に対し５％以下含んでいても良く、この場合はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．０５）となり、Ａｌ組成だけでなくＩｎ組成を含めてバンドギャップを計算する必要がある。

また、ドーパントとしては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、カドミウム、炭素、シリコン、ゲルマニウム、及び酸素の少なくとも１種とすることができる。中でも扱いやすいことから、ドーパントとしてシリコンを用いることが好ましい。

ドーパントの濃度は、１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下とすることが好ましい。これにより、発光層３３における発光効率を向上させることができる。

本発明においては、発光層３３における井戸層３１のバンドギャップ（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）の場合はＡｌ組成ｘ）が、金属層１３側から基板１１側に向かって発光層の厚さ方向に増加することが肝要である。これにより、発光層である発光層のバンドギャップが電子線励起側の領域から光取り出し面側の領域に向かって増加することになり、井戸層３１において発生した紫外線が光取り出し面に向かう際に、井戸層３１自身による吸収が抑制される。その結果、紫外線の光取り出し効率が向上して発光強度が向上するのである。

なお、本発明において、「バンドギャップが金属層側から基板側に向かって発光層の厚み方向に増加する」とは、常に増加する様態に限定されず、一定範囲は金属層側から基板側に向かってバンドギャップが変動せずに維持されている状態を含み、たとえば、階段の上り口や踊り場を含めるような階段状の様態を含む。ここで、バンドギャップの増加の態様は何ら限定されず、金属層１３側から基板１１側に向かって、直線状や曲線状、あるいは階段状等に増加させることができる。バンドギャップは、井戸層が式Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）で表される材料の場合はＡｌ組成（ｘ）と置き換えても良い。金属層側から基板側までを合計した増加量としては、Ａｌ組成（ｘ）で０．０５に相当するバンドギャップ以上の増加量があることが好ましい。

なお、上記したバンドギャップ（Ａｌ組成）に関する要件は、発光層３３の発光に寄与する井戸層３１に対して課されればよく、障壁層３２に対して課す必要はない。

発光層３３において発生する紫外線の波長は、井戸層３１を構成するバンドギャップ、例えばＡｌＧａＮ材料（式Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）のＡｌ組成（ｘ）により決定され、Ａｌ組成を変更することにより、発生する紫外線の波長を所望の値に調整することができる。ここで、ＡｌＧａＮ材料を構成するＡｌＮ及びＧａＮのバンドギャップはそれぞれ約６．２ｅＶ、約３．４ｅＶであるため、Ａｌ組成を変更することにより、ＡｌＧａＮ材料のバンドギャップを約６．２ｅＶと約３．４ｅＶとの間で調整することができる。

なお、バンドギャップ約６．２ｅＶ、約３．４ｅＶに対応する光の波長は、それぞれ約２１０ｎｍ、約３６５ｎｍであるため、ＡｌＧａＮ材料のＡｌ組成を変更することにより、発生する紫外線の波長を約２１０ｎｍと約３６５ｎｍとの間で調整することができる。

上述のように、電子線励起により形成される電子・正孔対の密度は、発光層３３における電子線が照射された側の領域で高いため、光取り出し面から放射される紫外線のピーク波長は、上記した電子線が照射された側の領域で発生した紫外線の波長に影響されることになる。そこで、発光層３３の電子線が照射された側の領域の組成を紫外線の所望の波長となるようにこの領域の井戸層３１のＡｌ組成を設定する。

また、図２に示すエネルギー密度、すなわち電子・正孔対の密度が最大となるところを、Ａｌ組成が同じ井戸層の数が最大となる領域に含まれるようにすることで、その領域の発光を紫外線の主波長とし、井戸層３１のＡｌ組成の増加は、その領域よりも光取り出し面側（基板１１側）において行うことがより好ましい。上述のように、電子線励起により形成される電子・正孔対の密度は、電子線が照射された側の領域で高いため、その発光層３３と金属層１３との界面位置の近傍に、Ａｌ組成が同じ井戸層の数が最大となる領域を備えるのが好ましくなる。Ａｌ組成を増加させる領域も電子線が届けば発光する発光層の一部であるが、図２に示すエネルギー密度、すなわち電子・正孔対の密度が相対的に低い光取り出し面側（基板１１側）の領域に、Ａｌ組成を増加させる領域を合わせるように設計することにより、電子線の電圧や電流の変化による波長の変化量を制御し、実用的な電子線の照射条件において高い発光効率となる最適なＡｌ組成の増加パターンを導き出すことができる。

そのためには、例えば、井戸層３１のＡｌ組成（ｘ）は、金属層側から基板側に向かって階段状に増加し、同一のＡｌ組成を有する井戸層３１の数は金属層側から基板側に向かって発光層の厚さ方向に減少することが好ましい。電子・正孔対の密度が高い領域に、Ａｌ組成が同じ井戸層の数が最大となる領域を備えると同時に、異種材料である基板からの応力に対して発光層の結晶性を向上させるような歪緩和の効果も得ることができるためである。

井戸層３１を挟む障壁層３２は、井戸層３１よりも大きなバンドギャップ（すなわち、高いＡｌ組成）を有しているため、井戸層３１において発光した光を吸収せず、発生した紫外光の取り出しに悪影響を与えない。また、図１に示すように、発光層の両端は障壁層３２であることが好ましいく、金属層と接するのは障壁層３２であることが好ましい。なお、金属層と直接接する障壁層３２は、他の障壁層とは厚さなどの条件を変えても良い。

ここで、井戸層３１のＡｌ組成は、上述のように、発光される紫外線の波長が所望のピーク波長を有するように設定すればよい。また、障壁層３２のＡｌ組成は、障壁層３２のバンドギャップが井戸層３１のバンドギャップよりも大きくなるように設定される。

ここで、井戸層３１の厚みは、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とする。ここで、２ｎｍ未満の場合には、井戸層３１が薄いため、電子線による十分な励起ができなくなるためである。一方、４ｎｍを超えると、いわゆる量子シュタルク効果により、電子と正孔の空間的な分離が生じ、発光効率が低下するためである。好ましくは、２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。

また、障壁層３２の厚みは、１ｎｍ以上９ｎｍ以下とする。ここで、１ｎｍ未満の場合には、障壁層３２が障壁層として機能せず、電子の閉じ込めが不十分となり、発光効率が低下するためである。一方、９ｎｍを超えると、電子線により励起された電子が、井戸層３１で発光再結合をする前に欠陥にトラップされ、非発光再結合をしてしまうためである。好ましくは、２ｎｍ以上６ｎｍ以下である。

このような発光層３３上に形成される金属層１３は、電子線源の陽極と反射層とチャージアップ防止層を兼ねるものであるが、メタルバックとも呼ばれることもある。接地させて電子線源（陰極、図示せず）に対する陽極として機能するとともに、照射された電子線を透過させて発光層３３に入射させる。さらに、照射された電子線により発光層３３に電荷が蓄積されるのを抑制して、発光層３３が絶縁破壊するのを防止する。さらにまた、発光層３３において発生した光のうち、光取り出し側と反対側（すなわち、金属層１３側）に進む光を反射して、光取り出し効率を向上させる。発光ダイオードなどとは異なり、電子線励起型においては電子線が発光層を発光させるため、この金属層が発光層に直接接するように形成される。

この金属層１３を構成する材料としては、アルミニウム、ロジウム、モリブデン、タングステン等の、波長３５０ｎｍ以下の波長領域の光に対して高い反射率（例えば、０．７以上）を有する材料を用いることができる。また、金属層１３の厚さは、電子線の出力や、発光層３３及び金属層１３の厚さに依存するが、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。この金属層１３は、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタ装置を用いて発光層３３上に形成することができる。

（電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法）
本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法は、上述した本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を製造する方法であって、基板１１上にドーパントを含むＡｌＧａＮ材料からなる発光層３３を成長させた後、該発光層上に金属層を形成する。ここで、発光層３３における発光領域（井戸層３１）のＡｌ組成を、金属層１３側から基板１１側に向かって発光層３３の厚さ方向に増加させることが肝要である。これにより、発光層である発光層３３において発生した紫外線が、発光層３３自身により吸収されるのを抑制して、光取り出し効率を向上させて、放射される紫外線の発光強度を向上させることができる。

また、基板として、少なくともＡｌを含むIII族窒化物半導体層１４を有するテンプレート基板２１を用いることできること、ドーパントとしてシリコンを用いるのが好ましいこと、等は既述の通りである。

発光層３３、金属層１３及びIII族窒化物半導体層１４の形成方法は限定されない。例えば、III族窒化物半導体層１４及び発光層３３は、有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）により成長させることができる。また、金属層１３は、電子ビーム蒸着法やスパッタ法等により形成することができる。

ＭＯＣＶＤ法により発光層３３を成長させる場合、発光層３３における発光領域のＡｌ組成の調整は、供給するＩＩＩ族元素原料ガスのＩＩＩ族元素濃度全体（すなわち、Ａｌ濃度＋Ｇａ濃度）に対するＡｌ原料ガスのＡｌ濃度（気相比という）を調整することにより行うことができる。より具体的には、Ｇａ原料ガスの流量を一定にして、Ａｌ原料ガスの流量を変更することにより、発光層３３における発光領域のＡｌ組成を調整することができる。なお、本発明において「Ａｌ組成」とは、単層膜を成長後、単層膜をＰＬ（フォトルミネッセンス）の発光波長により分析してＡｌ組成を算出した値を示す。このＡｌ組成を固相比ともいう。この固相比と気相比とは相関関係があることが知られており、成長時の気相比以外の条件が同じで気相比と固相比との関係が既知であれば、成長時に各々設定した気相比から各々の固相比を算出できる。

（電子線励起型発光装置）
本発明に係る電子線励起型発光装置は、上述の本発明に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板と、該電子線励起型発光エピタキシャル基板の金属層の表面に電子線を照射する電子線源とを備える。このような構成とすることにより、発光層３３において発生した光を発光層３３自身によって吸収されるのを抑制することができ、発光強度を向上させることができる。

ここで、電子線源としては、各種の熱電子型電子銃やカーボンナノチューブ陰極、カーボンナノウォール、ナノダイヤモンド等の電界放出型の電子源を用いることができる。コンパクト化や低消費電力的な面で、電界放出型の電子線源がより好ましい。

＜電子線励起型発光エピタキシャル基板の作製＞
（発明例）
以下、本発明の実施例について説明する。
サファイア基板（直径：２インチ、厚さ：４３０μｍ）上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＡｌＮ単結晶層(厚さ：６００ｎｍ)を成長させて、窒化物半導体成長用基板としてＡｌＮ（０００１）テンプレート基板を作製した。ＡｌＮ層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は３１５秒であった。
次に、得られたＡｌＮ（０００１）テンプレート基板上に、ＡｌＮからなる障壁層（厚さ：３ｎｍ）を一層成長させた後、Ａｌ_xＧａ_1-xＮからなる井戸層（厚さ：３ｎｍ）及びＡｌＮからなる障壁層（厚さ：３ｎｍ）を１００組エピタキシャル成長させて、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させた。その際、井戸層のＡｌ組成（ｘ）を、表１に示すように基板側に向かって階段状に増加するように調整し、また、同一のＡｌ組成を有する井戸層の数（組数）が、基板側に向かって発光層の厚さ方向に減少するようにした。さらに、井戸層にシリコンをドープした。井戸層におけるドープしたシリコンの濃度を２次イオン質量分析法（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ＳＩＭＳ）により測定したところ、約６×１０¹⁷／ｃｍ³であった。
その後、多重量子井戸構造を有する発光層上に、電子ビーム蒸着法により金属層としてアルミニウム（厚さ：５０ｎｍ）を形成して、発明例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。

（比較例１）
発明例と同様に、比較例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。ただし、表２に示すように、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させる際に、全ての井戸層のＡｌ組成（ｘ）を０．５４とした。それ以外の条件は、発明例と全て同じである。

（比較例２）
発明例と同様に、比較例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。ただし、表３に示すように、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させる際に、井戸層のＡｌ組成（ｘ）を表１に示すように、基板側に向かって減少するように調整し、また、同一のＡｌ組成を有する井戸層の数（組数）が基板側に向かって発光層の厚さ方向に増加するようにした。それ以外の条件は、発明例と全て同じである。

（比較例３）
発明例と同様に、比較例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。ただし、表４に示すように、多重量子井戸構造を有する発光層を成長させる際に、全ての井戸層のＡｌ組成（ｘ）を０．６９とした。それ以外の条件は、発明例と全て同じである。

（比較例４）
ＡｌＮ層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１１６１秒（４−１）と５０８秒（４−２）の二種類のＡｌＮテンプレート基板を用いたこと以外、発明例に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板を作製した。

＜紫外線の波長及び発光強度の測定＞
内部に電子線源としての電子銃（ＫｉｍｂａｌｌＰｈｙｓｉｃｓ社製、型番：ＥＭＧ−４２１２）が設けられたチャンバ−内において、上述のようにして得られた発明例及び比較例１〜３に係る電子線励起型発光エピタキシャル基板試料を、その金属層と電子線源とが対向するように配置し、チャンバ−内を排気して真空状態とした（圧力：１．５〜４．５×１０^-5Ｐａ）。次に、電子線を照射する金属層を電流計を介して接地し、電子銃から電子線を照射して、発光層を発光させた。その際、電子の加速電圧は、発明例及び比較例１及び４については４．５ｋＶ、比較例２及び３については４．０ｋＶとし、試料への照射電流の値を変化させながら、サファイア基板の光取り出し面側（裏面）に対して、垂直方向に設けられたコサインコレクタを介して、励起された紫外線の発光スペクトルを、分光器（ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社製ＵＳＢ２０００＋、波長：１８０ｎｍ〜８５０ｎｍ）を用いて測定し、これにより紫外線の波長と発光強度を測定した。なお、分光評価システムは、重水素標準ランプを光源として分光感度校正を施している。発明例及び比較例１〜３に対する、照射電流と発光強度との関係を図３〜６にそれぞれ示す。なお、図３〜６における相対効率とは、発光強度を投入電力（加速電圧×照射電流）で割った値であり、投入したエネルギーに対する発光効率を表している。紫外線の発光ピーク波長は、発明例、比較例１、比較例（４−１）ならびに比較例（４−２）では２５２ｎｍであり、比較例２および比較例３では２４０ｎｍであった。

＜紫外線の発光強度の評価＞
図３と図４との比較から、多重量子井戸構造における井戸層のＡｌ組成を金属層側から基板側に向かって増加させた発明例においては、全ての井戸層が同一のＡｌ組成を有する比較例１に対して、発光強度が２倍以上に増加していることが分かる。また、図５と図６との比較から、多重量子井戸構造における井戸層のＡｌ組成を金属層側から基板側に向かって減少させた比較例２においては、全ての井戸層が同一のＡｌ組成を有する比較例３よりも、発光強度は大きく減少していることが分かる。このように、本発明により、紫外線の発光強度を大きく向上できることが分かる。
また、比較例１〜３については、照射電流と発光強度のリニアリティが維持されているのは、照射電流が５０μＡ程度までであるのに対して、発明例については１００μＡ程度までリニアリティが維持されており、照射電流と発光強度のリニアリティが改善されていることが分かる。
また、比較例１〜４（（４−１）、（４−２））と発明例との比較を表５に示すが、ＡｌＮテンプレートのＡｌＮ層（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００秒を超えた場合（比較例４−１）、転位の影響で発光強度が発明例に比べ一桁以上低下してしまうことが分かる。また、ＡｌＮテンプレートのＡｌＮ層（１０−１２）面の半値幅が５０８秒の場合（比較例４−２）、発明例の半値幅よりも大きいものの、比較例４−１よりも刃状転位密度が低いため、発光強度の低下割合は改善されていることが分かる。すなわち、ＡｌＮ層の（１０−１２）面の半値幅は５００秒以下であることが好ましいことが分かる。

本発明による電子線励起型発光エピタキシャル基板は、紫外線を発生する発光層における発光領域のＡｌ組成を、金属層側から基板側に向かって発光層の厚さ方向に増加させるようにしたため、発光層において発生した光を発光層自身によって吸収されるのを抑制して発光強度を向上させることができる。かかる電子線励起型発光エピタキシャル基板は、半導体産業、食品産業などの工業分野や環境浄化分野、医療分野において有用である。

３電子線励起型発光エピタキシャル基板
１１基板
１３金属層
１４ III族窒化物半導体層層
２１テンプレート基板
３１井戸層
３２障壁層
３３多重量子井戸構造

Claims

基板と、
該基板上に設けられた多重量子井戸構造を有する発光層と、
該発光層上に設けられた金属層と、
を備え、
前記発光層の井戸層のバンドギャップが、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に階段状に増加し、同一のバンドギャップを有する前記井戸層の数が、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に減少することを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板。
前記金属層は電子線源の陽極と反射層とチャージアップ防止層を兼ねるものであり、前記発光層上に接して設けられる請求項１に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
前記井戸層は、ドーパントを含むＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる、請求項１または２に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
前記ドーパントはＳｉである、請求項３に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
前記基板と前記発光層の間に、前記井戸層よりもバンドギャップの大きなIII族窒化物半導体層を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
前記III族窒化物半導体層または前記基板の、前記発光層と接する表面の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００秒以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板。
請求項１〜６に記載の電子線励起型発光エピタキシャル基板と、
前記電子線励起型発光エピタキシャル基板の金属層に電子線を照射する電子線源と、を備える電子線励起型発光装置。
基板上に多重量子井戸構造を有する発光層をエピタキシャル成長させた後、該発光層上に金属層を形成し、前記発光層における井戸層のバンドギャップを、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に階段状に増加させ、同一のバンドギャップを有する前記井戸層の数を、前記金属層側から前記基板側に向かって前記発光層の厚さ方向に減少させることを特徴とする電子線励起型発光エピタキシャル基板の製造方法。