JP6927481B2 - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に窒化物半導体を含む半導体発光素子に関する。

波長３００ｎｍ程度以下の、いわゆる深紫外光は、殺菌、キュアリング、医療等の幅広い分野での利用が期待されている。従来、このような波長の光は、水銀ランプを用いて生成されていた。しかし、短寿命、高コスト、有毒ガスの存在などの理由により、固体光源デバイスへの置き換えが検討されている。

しかし、かかる波長帯の光を固体光源デバイスで発光させるに際しては、その発光効率が極めて低いことが課題であり、現在も開発が進められているところである（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１９９９５３号公報

本発明は、従来よりも発光効率を高めた、窒化物系の半導体発光素子を実現することを目的とする。

本発明に係る半導体発光素子は、
基板と、
前記基板の上層に形成された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成された、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体からなる活性層とを有し、
前記活性層は、
第一領域と、前記第一領域よりも高さ位置の低い第二領域とが繰り返されて形成されており、
前記第一領域と前記第二領域の少なくとも一方の面上に、前記第一領域と前記第二領域の高さの差よりも小さい高さの差を有する段差部が繰り返されて形成されていることを特徴とする。

本発明者らの鋭意研究により、活性層の面上に微小な凹凸（段差部）が形成されることで、当該領域に高い発光強度が認められることが確認された。よって、かかる構成を有する素子により、従来よりも発光効率を高めることができる。

この半導体発光素子は、例えば発光波長が２２０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下とすることができる。この場合、第一半導体層としては、例えばＡｌＮで構成されることができる。

なお、本明細書において「高さ」とは、基板の面に対して直交する方向に関する長さであるものとして構わない。この場合において、「高さ位置」とは、基板の面に対して直交する方向に関する位置を指すものとして構わない。

前記基板は、サファイア基板で構成され、
前記第一半導体層及び前記活性層は、前記サファイア基板のｃ軸方向に積層されているものとすることができる。

かかる構成とすることで、ＡｌＮ基板と比べて安価なサファイア基板を用いながら、発光効率の高い発光素子を実現することができる。

前記第一半導体層は、前記基板の面に平行な第一方向に延伸する第一凸部と、前記第一方向に延伸する第一凹部とを、前記基板の面に平行で前記第一方向とは異なる第二方向に交互に有して構成されていても構わない。

ここで、第一半導体層がサファイア基板のｃ面上に形成されている場合、第一凸部及び第一凹部が延伸する方向（第一方向）を、例えば［１１−２０］方向とすることができる。

また、前記半導体発光素子は、前記第一半導体層の上層で、且つ前記活性層の下層に形成された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第二半導体層を有し、
前記第二半導体層は、前記第一半導体層の前記第一凸部の上方に第二凸部を有し、前記第一半導体層の前記第一凹部の上方に第二凹部を有するものとしても構わない。

本発明によれば、従来よりも発光強度の高い半導体発光素子が実現される。

半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 活性層の一部分を拡大した模式的な図面である。 半導体発光素子を備える電子線励起型光源装置の構成を模式的に示す図面である。 電子線源の部分を拡大した模式図である。 第一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程における模式的な断面図である。 第一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程における模式的な断面図である。 第一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程における模式的な断面図である。 第一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程における模式的な断面図である。 実施例１の素子に関する写真及び発光強度プロファイルを示すグラフである。 実施例１の素子の一部分を拡大した写真である。 実施例１と比較例１の素子の発光強度プロファイルを比較した図面である。 比較例２の素子と実施例１の素子の一部拡大写真である。 第二実施形態に係る半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。

本発明の半導体発光素子及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［半導体発光素子の構造］
図１は、半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図１は、半導体発光素子を［０００１］方向及び［１−１００］方向で形成される平面で切断したときの断面図に相当する。図１における奥行き方向は［１１−２０］方向である。

本明細書では、ミラー指数を示すカッコ内の数字の直前に付された符号「−」はその指数の反転を示しており、図面内における「バー」と同義である。また、本明細書において、＜１１−２０＞方向とは、［１１−２０］方向、及びこの［１１−２０］方向と結晶学的に等価な方向、すなわち［１−２１０］方向、［−２１１０］方向、［−１−１２０］方向、［−１２−１０］方向、及び［２−１−１０］方向を含む概念である。

また、本明細書において、単に「ＡｌＧａＮ」という表記をしている場合には、ＡｌとＧａを含む窒化物半導体であるという意味を示すものであり、ＡｌとＧａの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、ＡｌとＧａの組成比が１：１である場合に限定する趣旨ではない。ＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮという表記についても同様である。

図１に示すように、本実施形態における半導体発光素子１は、基板１１、第一半導体層１３、第二半導体層１５、及び活性層１７を備える。本実施形態では、第一半導体層１３は基板１１の上層に形成され、第二半導体層１５は第一半導体層１３の上層に形成され、活性層１７は第二半導体層１５の上層に形成されている。

（基板１１）
基板１１は、例えばサファイア基板で構成されている。本実施形態では、このサファイア基板の（０００１）面、すなわちｃ面を成長面とし、この成長面の上面に各半導体層が形成されている。なお、サファイア基板の他には、ＳｉＣなどが利用可能である。

（第一半導体層１３）
本実施形態において、第一半導体層１３はＡｌＮで構成される。なお、ＡｌＮの他、一般式Ａｌ_x1Ｇａ_y1Ｉｎ_1-x1-y1Ｎ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１）で規定される窒化物半導体層で構成することができる。この場合、Ｉｎ組成は１％以下とするのが好ましく、Ａｌ組成は発光波長に応じて適宜選択される。

第一半導体層１３は、所定の方向（ここでは［１１−２０］方向とする。）に沿って延伸する凹部１３ｂを有している。より詳細には、第一半導体層１３には、所定の間隔を開けて複数の凹部１３ｂが形成されており、言い換えれば、凸部１３ａと凹部１３ｂが交互に形成されている。凸部１３ａが「第一凸部」に対応し、凹部１３ｂが「第一凹部」に対応する。

本実施形態では、凸部１３ａ及び凹部１３ｂの延伸方向を［１１−２０］方向とするが、延伸方向は、［１１−２０］方向に対して結晶学的に等価な方向、すなわち＜１１−２０＞方向であるものとして構わないし、他の方向であっても構わない。この延伸方向が「第一方向」に対応する。また、凸部１３ａ及び凹部１３ｂが交互に繰り返される方向、すなわち本実施形態では［１−１００］方向が、「第二方向」に対応する。

（第二半導体層１５）
本実施形態において、第二半導体層１５はＡｌＮで構成されている。第二半導体層１５は、図５Ｄを参照して後述するように、凸部１５ａと凹部１５ｂが繰り返されて形成されている。

第二半導体層１５は、ＡｌＮの他、一般式Ａｌ_x2Ｇａ_y2Ｉｎ_1−x2−y2Ｎ（０＜ｘ２≦１，０≦ｙ２≦１）で規定される窒化物半導体層で構成することができる。この場合、Ｉｎ組成は１％以下とするのが好ましく、Ａｌの組成は発光波長に応じて適宜選択される。

（活性層１７）
本実施形態において、活性層１７はＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０＜ｘ３≦１）／ＡｌＮが一周期又は複数周期で積層されて構成されている。一例として、Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎからなる発光層とＡｌＮからなる障壁層が複数周期繰り返されて構成されている。活性層１７は、Ａｌ組成を異ならせることでバンドギャップエネルギーに差を設けた２種類の窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ）が一周期又は複数周期積層されて構成されていても構わない。

また、活性層１７はＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０＜ｘ３≦１）の単膜で構成されても構わない。活性層１７の構成材料は、発光波長に応じて適宜選択される。なお、発光波長を２２０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下とする場合において、Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3ＮのＡｌ組成比を５％以上、９５％以下とするのがより好ましく、１０％以上、９０％以下とするのが更に好ましい。

図１に示すように、活性層１７は、高さ位置の異なる２つの領域（１７ａ，１７ｂ）を有している。すなわち、活性層１７は、面の高さ位置が高い領域１７ａと、領域１７ａより高さ位置の低い領域１７ｂを有する。領域１７ａが「第一領域」に対応し、領域１７ｂが「第二領域」に対応する。

図２は、図１における領域Ａ、すなわち領域１７ａの一部分を拡大した図面である。図２に示すように、活性層１７は、段差部３１を有する。この段差部３１は、領域１７ａと１７ｂの高さの差よりは小さい高さの差で構成されている。活性層１７には、連続した複数の段差部３１が形成されている。なお、本実施形態の半導体発光素子１においては、領域１７ａと同様に、活性層１７の領域１７ｂにも複数の段差部３１が形成されているものとして構わない。また、活性層１７のうち、領域１７ｂにのみ段差部３１が形成されているものとしても構わない。

図２に示される例では、各段差部３１の上面部３２が（０００１）面に平行であり、隣接する各上面部３２を連結する面が当該（０００１）面とは非平行である。ただし、各上面部３２は必ずしも（０００１）面に対して平行でなければならないものではなく、図２に示された構造はあくまで一例である。

［電子線励起型光源装置の構造］
次に、図１に示す半導体発光素子１を、電子線励起型光源装置として利用した場合について説明する。

図３は、図１に示す半導体発光素子１を備える電子線励起型光源装置の構成を模式的に示す図面である。図３において、（ａ）が電子線励起型光源装置を側面から見たときの模式的な断面図であり、（ｂ）が同装置を上面から見たときの模式的な平面図である。なお、図３（ｂ）では、後述する光透過窓４５を取り外した状態を示している。

電子線励起型光源装置９０は、内部が負圧の状態で密閉された、外形が直方体状の真空容器４０を有し、この真空容器４０は、一面に開口を有する容器基体４１と、この容器基体４１の開口に配置されて当該容器基体４１に気密に封着された光透過窓４５とによって構成されている。

図３に示すように、容器基体４１の底壁の内面に、図１に示す半導体発光素子１が、基板１１とは反対側、すなわち光取り出し面を構成する活性層１７側が光透過窓４５に離間して対向するよう配置される。そして、半導体発光素子１の周辺領域には、それぞれ矩形の支持基板６１上に矩形の面状の電子線放出部６２が形成されてなる複数（図示の例では２つ）の電子線源６０が、半導体発光素子１を挟んだ位置に配置されている。

図４は、電子線源６０の部分を拡大した模式図である。電子線放出部６２は、多数のカーボンナノチューブが支持基板６１上に支持されることによって形成されており、支持基板６１は板状のベース部６３上に固定されている。また、電子線放出部６２の上方には網状の引き出し電極６５が当該電子線放出部６２に離間して対向するよう配置され、この引き出し電極６５は、電極保持部材６６を介してベース部６３に固定されている。支持基板６１及び引き出し電極６５は、真空容器４０の内部から外部に引き出された導電線（不図示）を介して、真空容器４０の外部に設けられた、電子線放出用電源（不図示）に電気的に接続されている。

図３に示す構成では、各ベース部６３が容器基体４１における互いに対向する２つの側壁の内面に固定されることにより、各支持基板６１は、半導体発光素子１を挟んだ位置において電子線放出部６２が互いに対向するよう配置されている。

電子線励起型光源装置９０においては、電子線源６０と引き出し電極６５との間に電圧が印加されると、電子線放出部６２から引き出し電極６５に向かって電子が放出される。この電子は、半導体発光素子１と電子線源６０との間に印加された加速電圧によって、半導体発光素子１に向かって加速されながら進み、電子線として半導体発光素子１の活性層１７の表面に入射する。この結果、活性層１７内の電子が励起され、電子線が入射された表面から紫外線などの光が放射され、光透過窓４５を介して当該真空容器４０の外部に取り出される。

［製造方法］
半導体発光素子１の製造方法につき、図５Ａ〜図５Ｄの工程断面図を参照しながら説明する。なお、各工程断面図は、図１と同様に、各時点における素子を［０００１］方向及び［１−１００］方向で形成される平面で切断したときの断面図に相当する。

（ステップＳ１）
基板１１を準備する（図５Ａ参照）。この基板１１としては、一例として（０００１）面を有するサファイア基板を用いることができる。

準備工程として、基板１１のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的な一例としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内に基板１１を配置し、処理炉内に流量が例えば１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

（ステップＳ２）
図５Ｂに示すように、基板１１の（０００１）面上にＡｌＮからなる第一半導体層１３を形成する。具体的な方法の一例としては、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を９００℃以上１６００℃以下の温度とし、キャリアガスとして窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニアを処理炉内に供給する。ＴＭＡとアンモニアの流量比（V／III比）を１０以上４０００以下の値とし、成長圧力を１０ｔｏｒｒ以上５００ｔｏｒｒ以下の値とし、供給時間を適宜調整することで、所望の膜厚のＡｌＮが形成される。ここでは、膜厚が６００ｎｍのＡｌＮからなる第一半導体層１３を形成した。

第一半導体層１３として、Ａｌ_x1Ｇａ_y1Ｉｎ_1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１）を形成する場合には、ＴＭＡ、アンモニアに加えて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を、第一半導体層１３の組成に応じた所定の流量で供給すればよい。

第一半導体層１３の厚みは、良好な結晶性が得られる十分な厚さを設定すれば良く、例えば４００ｎｍ以上とすることができる。

（ステップＳ３）
図５Ｃに示すように、第一半導体層１３に対して、＜１１−２０＞方向に延伸した凹部１３ｂを形成する。具体的な方法の一例としては、ステップＳ２まで実行することで得られたウェハを処理炉から取り出し、フォトリソグラフィ法及びリアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）によって第一半導体層１３の＜１１−２０＞方向に平行な複数の溝を所定の間隔で形成する。なお、図５Ｃでは、＜１１−２０＞方向と結晶学的に等価な一の方向である［１１−２０］方向に凹部１３ｂを延伸させている。

本ステップＳ３では、凹部１３ｂの底面に成長基板１１が露出しない範囲内の深さで凹部１３ｂを形成するように制御される。好ましくは、凹部１３ｂの底面から基板１１までの間に、第一半導体層１３が２００ｎｍ以上の厚みで形成されているのが好ましい。本ステップＳ３により、第一半導体層１３の上面に、凹部１３ｂと凸部１３ａが所定の方向（本実施形態では［１−１００］方向）に交互に現れる。

一例として、凸部１３ａの幅、及び凹部１３ｂの幅は、いずれも１２μｍに設定される。なお、凸部１３ａの幅と凹部１３ｂの幅は異なる値に設定されるものとしても構わない。

（ステップＳ４）
図５Ｄに示すように、所定の方向に延伸する凹凸部（凸部１３ａと凹部１３）が形成された第一半導体層１３の上面に、第二半導体層１５を形成する。具体的な方法の一例としては、ステップＳ３の実行完了後のウェハを再びＭＯＣＶＤ装置の炉内に入れ、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を９００℃以上１６００℃以下の温度とし、キャリアガスとして窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとしてＴＭＡ及びアンモニアを処理炉内に供給する。ＴＭＡとアンモニアの流量比（V／III比）を１０以上４０００以下の値とし、成長圧力を１０ｔｏｒｒ以上５００ｔｏｒｒ以下の値とし、供給時間を適宜調整することで、所望の膜厚のＡｌＮが形成される。ここでは、膜厚が３０００ｎｍのＡｌＮからなる第二半導体層１５を形成した。

なお、第二半導体層１５として、Ａｌ_x2Ｇａ_y2Ｉｎ_1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２≦１，０≦ｙ２≦１）を形成する場合には、ＴＭＡ、アンモニアに加えて、ＴＭＧ、及びＴＭＩを、第二半導体層１５の組成に応じた所定の流量で供給すればよい。

ステップＳ３において、第一半導体層１３に凹凸を形成したことで、その後に成長された第二半導体層１５においても、凸部１５ａ及び凹部１５ｂが形成される。凸部１５ａが「第二凸部」に対応し、凸部１５ｂが「第二凹部」に対応する。

（ステップＳ５）
第二半導体層１５の上面に、引き続き活性層１７を成長させる（図１参照）。具体的な方法の一例としては、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を９００℃以上１６００℃以下の温度とし、キャリアガスとして窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとしてＴＭＡ及びアンモニアを処理炉内に膜厚に応じて所定時間供給する工程と、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを処理炉内に膜厚に応じて所定時間供給する工程とを、周期数に応じて所定回数繰り返す。これにより、多周期のＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０＜ｘ３≦１）／ＡｌＮからなる活性層１７が形成される。

なお、活性層１７として、Ａｌ_x3Ｇａ_y3Ｉｎ_1-x3-y3Ｎ（０＜ｘ３≦１，０≦ｙ３≦１）／Ａｌ_x4Ｇａ_y4Ｉｎ_1-x4-y4Ｎ（０＜ｘ４≦１，０≦ｙ４≦１）を形成する場合には、原料ガスとして、ＴＭＡ、アンモニア、ＴＭＧ、及びＴＭＩを、活性層１７の組成に応じた所定の流量で供給すればよい。また、上述したように、活性層１７は、Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０＜ｘ３≦１）の単膜で構成されてもよい。

本ステップＳ５により、活性層１７は、高さ位置の異なる２つの領域（１７ａ、１７ｂ）が形成されると共に、これらの領域間における高さの差よりは高さの差が小さい段差部３１が形成される（図１及び図２参照）。段差部３１は、ステップＳ３で設定される凸部１３ａ及び凹部１３ｂの幅、その他の成長条件などによって、大きさや発現頻度が調整され得る。この点は、実施例を参照して後述される。

（以下のステップ）
半導体発光素子１を電子線励起型光源装置９０として利用する場合には、図３及び図４を参照して上述したように、真空容器４０内の所定の位置に半導体発光素子１を配置し、更に電子線源６０、光透過窓４５を配置することで実現される。

［検証］
以下、実施例及び比較例を参照して説明する。

図６は、上述した製造方法で製造された半導体発光素子（以下、「実施例１」と呼ぶ。）の結果を示す写真及びグラフである。図６において、（ａ）は実施例１の素子の断面構造を示すＳＥＭ写真であり、（ｂ）は、カソードルミネッセンスによるパンクロマティック像の写真であり、（ｃ）はパンクロマティック像の発光強度プロファイルである。なお、（ｂ）の写真は、（ａ）の試料に対して、室温下で加速電圧５ｋＶの電圧を印加した状態で表面を撮像した画像である。また、（ｃ）のグラフは、（ｂ）で得られた発光強度を同一位置において＜１１−２０＞方向に積分した値をグラフ化したものである。

なお、実施例１は、ＡｌＮからなる第一半導体層１３の上層に、ＡｌＧａＮ単膜からなる活性層１７を膜厚８００ｎｍで形成した素子に対応する。すなわち、活性層１７が第二半導体層１５を兼ねる構造である。

図６（ａ）によれば、活性層１７は、面の高さ位置が高い領域１７ａと、領域１７ａより高さ位置の低い領域１７ｂを有して構成されていることが確認される。また、図６（ｂ）に示すパンクロマティック像の結果によれば、所定の領域において発光強度が著しく高い箇所が存在することが確認される。図６（ｂ）において白っぽく表示されている領域が、発光強度が著しく高い箇所に対応する。

図７は、実施例１の素子の一部分を拡大した写真である。図７によれば、活性層１７に段差部３１が形成されていることが確認される。そして、この図７と図６とを対比すると、当該段差部３１において発光強度が上昇していることが確認される。

図８は、比較例１の素子と実施例１の素子の両者に対し、図６（ｃ）と同様の方法によって得られた、パンクロマティック像の発光強度プロファイルを並べたものである。なお、比較例１の素子は、ステップＳ３を行わずに製造された素子である。すなわち、第一半導体層１３に凹部１３ｂを形成することなく、ＡｌＧａＮ単膜からなる活性層１７を形成させた素子に対応する。なお、図８（ｃ）は、比較例１と実施例１の各素子の発光積分強度を比較した表である。

図８（ｂ）によれば、比較例１の素子では、発光強度が位置によらず均一であることが理解される。これに対し、図８（ａ）によれば、実施例１の素子は、上述したように段差部３１の形成箇所において飛躍的に発光強度が向上していることが分かるまた、図８（ｃ）によれば、素子全体の発光強度は実施例１の素子の方が比較例１の素子よりも高いことが確認される。

このように、半導体発光素子１によれば、活性層１７に段差部３１を有することで、従来よりも発光強度を高めることができる。なお、この理由は現時点では定かではないが、一つの仮説として、段差部３１が活性層１７に形成された結果、段差部３１でＡｌＧａＮ組成が局所的に変調されＩｎＧａＮ系で見られたようなポテンシャルの空間的な揺らぎが形成されたことで、電子と正孔の再結合確率が向上したものと推察される。

図９は、比較例２の素子と実施例１の素子の両者の活性層の一部拡大写真である。ここで、比較例２の素子は、実施例１の素子と比較して、ステップＳ３における凸部１３ａの幅、及び凹部１３ｂの幅を異ならせている。実施例１の素子では、凸部１３ａの幅、及び凹部１３ｂの幅をいずれも１２μｍとしている。これに対し、比較例２の素子では、凸部１３ａの幅、及び凹部１３ｂの幅をいずれも２μｍとしている。

図９によれば、比較例２の素子では、活性層１７に段差部３１が確認されなかった。これに対し、実施例１の素子では、活性層１７に段差部３１が形成されている。この結果からは、ステップＳ３において設定される、凸部１３ａの幅、及び凹部１３ｂの幅によっては、活性層１７に段差部３１が形成される場合と形成されない場合が起こり得ることが分かる。本発明者は、ステップＳ３において、所定の条件下で凸部１３ａの幅、及び凹部１３ｂの幅を設定した上で、上述した各ステップを実行することで、活性層１７に段差部３１が形成されることを新たに見出したものである。なお、上述しているように、ここでいう「段差部３１」とは、第一領域１７ａと第二領域１７ｂの差の部分を意味するものではなく、これらの領域（１７ａ，１７ｂ）の高さの差よりも高さの差が小さい、微小な凹凸を指している。

活性層１７に段差部３１が形成される理由としては、現時点では定かではないが、ステップＳ３によって形成された凹凸構造（１３ａ，１３ｂ）の存在により、エピタキシャル成長時の原料ガスの流れと結晶の成長方向が微妙に影響し、この結果、成長モードが変化することで段差部３１が形成されたものと考えられる。

以上によれば、上述した各ステップＳ１〜Ｓ５を経て半導体発光素子１を製造することで、活性層１７に段差部３１が形成され、発光強度が高まることが確認された。なお、上記実施例１では、単膜のＡｌＧａＮからなる活性層１７を備えた構成としているが、同じ原理によって、多重量子井戸構造からなる活性層１７を有する場合であっても、段差部３１が形成されることが分かる。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態につき、説明する。

図１に示す半導体発光素子１は、ＬＥＤ素子として用いることもできる。本実施形態は、半導体発光素子１をＬＥＤ素子として利用する場合に対応する。以下、構造とその製造方法につき説明する。

図１０は、図１に示す半導体発光素子１をＬＥＤとして実現したものの模式的な断面図である。半導体発光素子１をＬＥＤとして実現する場合には、第二半導体層１５を第一導電型（例えばｎ型）の半導体層として構成する。一例として、第二半導体層１５はｎ型Ａｌ_X2Ｇａ_1-X2Ｎ（０＜ｘ２≦１）で構成される。

また、図１０に示す半導体発光素子１は、活性層１７の上層に、例えばｐ型Ａｌ_x5Ｇａ_1-X5Ｎ（０＜ｘ５≦１）で構成された第三半導体層１９を備える。そして、第二半導体層１５の一部露出面上に、例えばＴｉ／Ａｌで構成されるｎ側電極２１が形成されており、第三半導体層１９の上層に例えばＮｉ／Ａｕで構成されるｐ側電極２３が形成されている。そして、ｎ側電極２１及びｐ型電極２３に対して、それぞれ不図示のボンディングワイヤが形成される。

図１０に示す半導体発光素子１において、ｎ側電極２１とｐ側電極２３の間に電圧が印加されると、活性層１７に電流が流れ、電子と正孔が再結合して所定波長の光が発光する。このとき、本構成によれば、第一実施形態で上述したように、活性層１７に段差部３１が形成されているため、当該領域において高い発光強度が示される。

次に、半導体発光素子１をＬＥＤ素子として利用する場合の製造方法につき説明する。

まず、上記と同様にステップＳ１〜Ｓ３を実行する。その後、ステップＳ４において、原料ガスとして、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧに加えて、ｎ型不純物を構成するためのメチルシランやテトラエチルシランなどを含める。これにより、ｎ型半導体からなる第二半導体層１５を形成する。

その後、ステップＳ５において活性層１７を成長させた後、原料ガスとして、アンモニア、ＴＭＡ及びＴＭＧに加えて、ｐ型不純物を構成するためのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を含めて更に成長させる。これにより、図１０に示すように、活性層１７の上層にｐ型Ａｌ_x5Ｇａ_1-X5Ｎ（０＜ｘ５≦１）で構成された第三半導体層１９が形成される。なお、この後に、原料ガスの流量を変更して、ｐ^＋型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を形成してもよい。

次に、ＲＩＥ法により、一部の領域内に形成された第三半導体層１９及び活性層１７を削って第二半導体層１５の上面を露出させる。そして、露出した第二半導体層１５の上層に例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極２１を形成する。一方で、第三半導体層１９（又はｐ型コンタクト層）の上層に例えばＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極２３を形成する。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、電極に対してワイヤボンディングを行う。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉 上記の実施形態では、ステップＳ２で第一半導体層１３を形成した後、ステップＳ３で第一半導体層１３の上面に凹凸を形成し、その後に、ステップＳ４で第二半導体層１５を形成し、その後に、ステップＳ５で活性層１７を形成する場合について説明した。この場合において、第二半導体層１５を第一半導体層１３と同一の材料で実現しても構わない。

また、上記の実施形態において、第二半導体層１５を形成した後、別の半導体層を形成してから活性層１７を形成しても構わない。すなわち、少なくとも活性層１７を形成する前の段階において、基板１１上に形成された第一半導体層１３に、所定の大きさの凹凸加工が施されていればよい。

〈２〉 第一実施形態において、凸部１３ａ及び凹部１３ｂの延伸方向が＜１１−２０＞方向である場合を例に挙げて説明したが、これはあくまで一例であり、活性層１７が段差部３１を有して成長することができれば、凹凸の延伸方向は他の方向でも構わない。

〈３〉 上記の実施形態において、第一半導体層１３と第二半導体層１５の間に別の半導体層が形成されていても構わない。この場合、第二実施形態では、少なくともｎ型半導体層として形成された第二半導体層１５の一部上面を露出させた後、当該第二半導体層１５の上面にｎ側電極２１が形成されているものとして構わない。

なお、第二実施形態において、第二半導体層１５をｎ型半導体層とし、第三半導体層１９をｐ型半導体層として説明したが、これはあくまで一例であって、上記実施形態の構成からｎ型とｐ型を反転させた半導体発光素子を本発明から排除する趣旨ではない。

〈４〉 半導体発光素子１を用いたアプリケーションとして、ＬＥＤ及び電子線励起型光源装置を上述したが、半導体発光素子１の利用態様はこれらに限定されるものではない。また、各図面に示した構成は、あくまで一例であり、本発明はこれらの図面に示される構造に限定されるべきものではない。

１ ： 半導体発光素子
１１ ： 基板
１３ ： 第一半導体層
１３ａ ： 凸部（第一凸部）
１３ｂ ： 凹部（第一凹部）
１５ ： 第二半導体層
１５ａ ： 凸部（第二凸部）
１５ｂ ： 凹部（第二凹部）
１７ ： 活性層
１７ａ ： 第一領域
１７ｂ ： 第二領域
１９ ： 第三半導体層
２１ ： ｎ側電極
２３ ： ｐ側電極
３１ ： 段差部
３２ ： 上面部
４０ ： 真空容器
４１ ： 容器基体
４５ ： 光透過窓
６０ ： 電子線源
６１ ： 支持基板
６２ ： 電子線放出部
６３ ： ベース部
６５ ： 引き出し電極
６６ ： 電極保持部材
９０ ： 電子線励起型光源装置

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上層に形成された、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第一半導体層と、
   前記第一半導体層の上層に形成され、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、ｎ型又はｐ
   型を示す第二半導体層と、
   前記第二半導体層の上層に形成された、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体からなる活性層と、
   前記活性層の上層に形成され、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、前記第二半導体層とは異なる導電型の第三半導体層と、を有し、
   前記活性層は、
   第一領域と、前記第一領域よりも高さ位置の低い第二領域とが繰り返されて形成されており、
   前記第一領域と前記第二領域の少なくとも一方の面上に、前記第一領域と前記第二領域の高さの差よりも小さい高さの差を有する段差部が繰り返されて形成されていることを特徴とするＬＥＤ素子。
2. 前記基板は、サファイア基板で構成され、
   前記第一半導体層及び前記活性層は、前記サファイア基板のｃ軸方向に積層されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
3. 前記第一半導体層は、前記基板の面に平行な第一方向に延伸する第一凸部と、前記第一方向に延伸する第一凹部とを、前記基板の面に平行で前記第一方向とは異なる第二方向に交互に有して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ素子。
4. 前記第二半導体層は、前記第一半導体層の前記第一凸部の上方に第二凸部を有し、前記第一半導体層の前記第一凹部の上方に第二凹部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
5. 前記第一半導体層はＡｌＮで構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。

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