JP6927518B2 - 半導体発光素子 - 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、医療などといった幅広い分野での利用が期待されている。深紫外光は、従来、水銀ランプを用いて生成されていた。しかし、寿命が短い、コストが高い、有毒ガスが利用される、などの課題があるため、水銀ランプから固体光源デバイスへの置き換えが検討されている。

ところで、特許文献１には、紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線照射装置が記載されている。この文献によれば、紫外線照射装置の使用用途によっては、発光素子のピーク波長を複数備えた光源を用いるのが好ましいことが記載されている。

特開２０１０−２３４７２９号公報

特許文献１によれば、光源装置の発光プローブ内に、ピーク波長が異なる複数種類の紫外線発光ダイオードを配列させ、各々の発光ダイオードから出力される複数種類の紫外線を照射させている。

しかしながら、上記構成では、異なる発光素子を狭い領域内に密に配置する必要があるため実装が難しく、また、装置の小型化が困難である。加えて、照射面での発光波長や強度が不均一になりやすいため、別途光混合素子などの部材を用いた対策を講じる必要がある。

上記課題に鑑みて、本願発明は、単一の発光素子から、複数のピーク波長を示す光を放射することのできる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、前記基板とは反対側の面に凹凸を有し、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、
前記第一半導体層は、前記基板とは反対側の面に、結晶学的に等価な複数の方向に延伸して形成された凹部と、前記凹部によって周囲を囲まれた凸部とを有することを特徴とする。

本発明者らの鋭意研究により、半導体発光素子を上記の構成とすることで、これまで見られなかった波長帯に、高い強度の発光が認められた。これにより、一の発光素子によって多波長の光が生成される。この点は、「発明を実施するための形態」の項において実施例を参照して後述される。

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

前記活性層は、前記凹部の上方の位置において、前記凹部の延伸する方向に沿って、高さの位置が連続的に異なる第一段差部を有するものとすることができる。

前記活性層は、前記凹部の上方の位置から、前記凸部の上方の位置に向かう方向に沿って、高さの位置が連続的に異なる第二段差部を有するものとすることができる。

この第二段差部は、凹部の上方の位置と、凸部の上方の位置との高さの差よりは、小さい段差で構成されるものとして構わない。

前記基板は、サファイア基板からなり、
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おり、
前記凹部は、［−１−１２０］方向と結晶学的に等価な方向に延伸するものとしても構わない。

この構成によれば、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。

本発明によれば、単一の発光素子から複数のピーク波長を示す光を放射することのできる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。 半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第一半導体層を上から見たときの模式的な平面図である。 活性層の一部分を拡大した模式的な図面である。 図３Ａに対応する箇所における半導体発光素子のＴＥＭ写真である。 活性層の一部分を拡大した模式的な図面である。 図４Ａに対応する箇所における半導体発光素子のＴＥＭ写真である。 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。 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の発光素子を上から見たときのＳＥＭ写真である。 図８Ａの拡大写真である。 実施例１の発光素子のパンクロマティック像の写真である。 実施例１の発光素子を発光させたときの発光スペクトルを模式的に示すグラフである。 図８Ｃと同一箇所における波長２５４ｎｍのモノクロマティック像の写真である。 図８Ｃと同一箇所における波長２７０ｎｍのモノクロマティック像の写真である。 図８Ｃと同一箇所における波長２９０ｎｍのモノクロマティック像の写真である。 比較例１の発光素子を発光させたときの発光スペクトルを模式的に示すグラフである。 比較例１、実施例１、実施例２、及び実施例３の発光素子を発光させたときの発光スペクトルを模式的に示すグラフである。 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。

本明細書において、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、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。

［半導体発光素子の構造］
図１Ａ及び図１Ｂは、半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。これらの図面の切断方向については、後述される。また、図２は、後述する第一半導体層１３を上から見たときの模式的な平面図である。

図１Ａ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。

図２を参照して後述されるように、半導体発光素子１において、第一半導体層１３は、所定の複数の方向に延伸する凹部１３ｂと、この凹部１３ｂに囲まれた領域に形成された凸部１３ａとを有している。

図１Ａは、半導体発光素子１を、［０００１］方向及び［−２１１０］方向で形成される平面であって、凹部１３ｂ及び凸部１３ａを横切る平面で切断した断面図、すなわち、図２内のＡ１−Ａ１線で半導体発光素子１を切断した断面図に対応する。一方、図１Ｂは、半導体発光素子１を、［０００１］方向及び［−２１１０］方向で形成される平面であって、凹部１３ｂの延伸方向に沿う平面で切断した断面図、すなわち、図２内のＡ２−Ａ２線で半導体発光素子１を切断した断面図に対応する。このため、図１Ｂには、凸部１３ａが図面上現れていない。

なお、本実施形態においては、半導体発光素子１を、［０００１］方向及び［−１−１２０］方向で形成される平面であって、凹部１３ｂ及び凸部１３ａを横切る平面で切断した場合においても、図１Ａと同様の図面になる。同様に、半導体発光素子１を、［０００１］方向及び［−１−１２０］方向で形成される平面であって、凹部１３ｂの延伸方向に沿う平面で切断した場合においても、図１Ｂと同様の図面になる。

（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、結晶学的に等価な複数の方向に延伸して形成された凹部１３ｂと、この凹部１３ｂによって周囲を囲まれた凸部１３ａとを有して構成される。前述したように、図２は、この第一半導体層１３を上から見たときの模式的な平面図である。図２に示される例では、第一半導体層１３が有する凹部１３ｂは、［−１−１２０］方向及び［−２１１０］方向に延伸するように形成されている。そして、凸部１３ａは、これらの凹部１３ｂによって囲まれた位置に形成されている。上述したように、［−２１１０］方向は、［−１−１２０］方向に対して結晶学的に等価な方向である。

本実施形態では、図２に示されるように、凸部１３ａが、ほぼ平行四辺形、又はほぼひし形の形状を示す。

（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７Ｄ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１Ａ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。より詳細には、第一半導体層１３の凸部１３ａの上方に位置する領域には、高さの高い領域１７ａが形成されており、第一半導体層１３の凹部１３ａの上方に位置する領域には、高さの低い領域１７ｂが形成されている。

図３Ａは、図１Ａにおける領域５１の一部分を拡大した図面である。この領域５１は、第一半導体層１３の凹部１３ｂの上方の位置と、第一半導体層１３の凸部１３ａの上方の位置との境界近傍に該当する。図３Ａに示すように、この領域５１内において、活性層１７は、高さの位置が連続的に異なる段差部３２（「第二段差部」に対応する。）を有する。この段差部３２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３２が形成されている。段差部３２の高さは、例えば、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の大きさで形成されている。図３Ｂは、図３Ａに対応する箇所における半導体発光素子１のＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）写真である。

図４Ａは、図１Ｂにおける領域５２の一部分を拡大した図面である。この領域５２は、［−１−１２０］方向に延伸する凹部１３ｂと、［−２１１０］方向に延伸する凹部１３ｂとが交差する領域の近傍の上方に位置している。図４Ａに示すように、この領域５２内において、活性層１７は、高さの位置が連続的に異なる段差部３１（「第一段差部」に対応する。）を有する。図４Ｂは、図４Ａに対応する箇所における半導体発光素子１のＴＥＭ写真である。

上述したように、図１Ｂは、半導体発光素子１を、第一半導体層１３の凹部１３ｂに沿った平面で切断したときの断面図である。すなわち、図１Ｂに表示されている第一半導体層１３は、全て凹部１３ｂに対応するため、この位置における第一半導体層１３の高さは実質的に均一である。しかし、図４Ａに示されるように、この上方に形成される活性層１７には、微細に形成された連続的な段差部３１が設けられている。段差部３１の高さは、例えば、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の大きさで形成されている。

本発明者らは、段差部３１が形成された理由を以下のように推察している。第一半導体層１３を形成した後、第二半導体層１５及び活性層１７を形成する際、第一半導体層１３に形成された三次元構造の影響で各領域で成長時の原料種の表面拡散状態が異なることが予測される。また成長時に、複数の方向に延伸して形成された凹部１３ｂを介して材料が流れ込む。特に、凹部１３ｂの合流地点では、複数の方向から原料ガスが流れ込み、原料ガスの密度が空間的に分布する。このような理由から、局所的な速度の差が発生したことで、段差部３１が形成されたものと考えられる。

また、凹部１３ｂと凸部１３ａの境界において、凹部１３ｂと凸部１３ａの成長が競合することで成長速度の差が発生し、段差部３２が形成されたものと考えられる。

なお、凸部１３ａ及び凹部１３ｂの幅を適宜調整することで、半導体発光素子１が段差部３１のみを有し、段差部３２を有しない構成とすることができ、逆に、半導体発光素子１が段差部３２のみを有し、段差部３１を有しない構成とすることもできる。すなわち、半導体発光素子１は、段差部３１と段差部３２の少なくとも一方を備える構成である。

［電子線励起型光源装置の構造］
次に、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５Ａは、電子線励起型光源装置９０を側面から見たときの模式的な断面図であり、図５Ｂは、同装置９０を上面から見たときの模式的な平面図である。図５Ｂでは、後述する光透過窓４５を取り外した状態が示されている。

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５Ａ及び図５Ｂに示すように、容器基体４１の底壁の内面に、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６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５Ａ及び図５Ｂ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７Ａ〜図７Ｄ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１Ａと同様に、各時点における素子を［０００１］方向及び［−２１１０］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７Ａ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７Ｂ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７Ｃ及び図２に示すように、第一半導体層１３に対して、［−１−１２０］方向、及び［−２１１０］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［−１−１２０］方向、及び［−２１１０］方向に平行な複数の溝を所定の間隔で形成する。

本ステップＳ３では、結晶学的に等価な複数の方向に延伸する凹部１３ｂを形成するものとすればよい。すなわち、凹部１３ｂの延伸方向は、［−１−１２０］方向、及び［−２１１０］方向に限定されるものではない。

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、［−１−１２０］方向、及び［−２１１０］方向に延伸する凹部１３ｂと、この凹部１３ｂに囲まれた島状の凸部１３ａが現れる。

一例として、凹部１３ｂの幅を１０μｍに設定することができる。また、同方向に延伸する凹部１３ｂ同士の間隔を８μｍに設定することができる。凹部１３ｂ同士の間隔は、凸部１３ａの幅に対応する。なお、凹部１３ｂの幅は、１０μｍに限定されるものではなく、例えば０．５μｍ以上、５０μｍ以下に設定される。同様に、凹部１３ｂ同士の間隔は、８μｍに限定されるものではなく、例えば、０．５μｍ以上、５０μｍ以下に設定される。また凹部１３ｂの高さ（深さ）は、０．１μｍ以上５μｍ以下の範囲で設定されている。

（ステップＳ４）
図７Ｄに示すように、凹部１３ｂと凸部１３ａと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が形成されている。

（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１Ａ及び図１Ｂ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及び３２が形成される（図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂ参照）。段差部３１及び段差部３２は、ステップＳ３で設定される凹部１３ｂの幅及び隣接する凹部１３ｂ同士の間隔、その他の成長条件などによって、その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５Ａ及び図５Ｂ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。

実施例１は、上述した製造方法によって、ＡｌＮからなる第一半導体層１３の上層に、ＡｌＧａＮからなる第二半導体層１５を成長させた後、第二半導体層１５の上面に活性層１７として、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの多重量子井戸構造を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。また、実施例１は、第一半導体層１３において、凹部１３ｂの幅を３μｍ、隣接する凹部１３ｂ同士の間隔を８μｍとして製造された素子に対応する。

図８Ａ及び図８Ｂは、実施例１の発光素子を上から見たときのＳＥＭ写真である。図８Ｂは、図８Ａの写真を拡大したものである。図８Ｂによれば、活性層１７のうち、凹部１７ｂが形成されている領域内において、凹部１７ｂの延伸方向に沿って連続的に段差部３１が形成されているのが確認される。図８Ｂによれば、段差部３１は、凸部１７ａと凹部１７ｂの高さの差よりも、小さい段差で構成されていることが確認される。

図８Ｃは、実施例１の素子の、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に対応する。より詳細には、実施例１の素子に対して、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。発光強度が高い箇所ほど白っぽく表示されている。図８Ｃによれば、図８Ｂに図示されるように、段差部３１が形成されている箇所において特に強い発光が確認されている。

図８Ｄは、実施例１の素子を発光させたときの発光スペクトルを模式的に示したグラフである。より詳細には、実施例１の素子を用いて電子線励起型光源装置９０を構成し、電子線源６０から実施例１の素子に対して電子を照射して活性層１７を励起させることで得られた光のスペクトルである。

図８Ｄにおいて、横軸が光の波長を示し、縦軸は光強度の相対値を示している。また、図８Ｄにおいて、実線は実際の発光スペクトルに対応し、破線は実線で示されているスペクトルに対してガウシアンフィッティングを行うことで得られたグラフである。図８Ｄによれば、２５４ｎｍ、２７０ｎｍ、及び２９０ｎｍの３箇所において高い発光強度が認められることが分かる。

図８Ｅ、図８Ｆ、図８Ｇは、それぞれ図８Ｃと同一箇所における、波長２５４ｎｍ、２７０ｎｍ、２９０ｎｍのモノクロマティック像の写真である．図８Ｄでフィッティングした各ピーク波長の発光が、異なる場所で発光しており，２７０ｎｍおよび２９０ｎｍの発光が段差部３１で局所的に起こっていることが確認された。

比較例１は、第一半導体層１３に凹部１３ｂを形成することなく、活性層１７を形成した素子に対応する。すなわち、実施例１と比較して、ステップＳ３が実行されていない点が異なる。図９は、この比較例１の素子を発光させたときの発光スペクトルを模式的に示したグラフである。図９によれば、比較例１の素子では、１箇所にのみ発光ピークが認められている。なお、図９は、図８Ｄと同様に、横軸が波長に対応し、縦軸が光出力の相対値に対応している。ただし、図示の都合上、図８Ｄと図９とでは、基準となる値を異ならせている。

実施例２及び実施例３は、実施例１と同様に、上述した製造方法によって、ＡｌＮからなる第一半導体層１３の上層に、ＡｌＧａＮからなる第二半導体層１５を成長させた後、第二半導体層１５の上面に活性層として複数周期のＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸構造を形成した素子に対応する。なお、実施例２は、第一半導体層１３において、凹部１３ｂの幅を１０μｍ、隣接する凹部１３ｂ同士の間隔を８μｍとして製造された素子に対応する。実施例３は、第一半導体層１３において、凹部１３ｂの幅を１μｍ、隣接する凹部１３ｂ同士の間隔を８μｍとして製造された素子に対応する。

図１０は、比較例１、実施例１、実施例２、及び実施例３の各素子を発光させたときの発光スペクトルを模式的に示したグラフである。図１０によれば、比較例１と比べると、実施例１〜実施例３では、長波長側にも高い発光強度が現れていることが分かる。実施例２及び実施例３の素子の写真は図示されていないが、実施例２では段差部３２が確認され、実施例３では、実施例１と同様に段差部３１が確認された。ただし、実施例３の素子は、実施例１と比較して、段差部３１の大きさは極めて小さかった。また、比較例１の素子には、段差部（３１，３２）が確認されなかった。

以上の結果に鑑みると、活性層１７を形成する前の段階で、第一半導体層１３に対して、所定の複数の方向に凹部１３ｂを形成しておくことで、段差部（３１，３２）が形成され、これにより発光波長の帯域幅が拡がる。すなわち、一の発光素子によって、多波長の光が生成される。また、凹部１３ｂの幅や間隔を調整することで、発光波長のスペクトルを適宜変更させることができる。

段差部（３１，３２）が活性層１７に設けられることで、ｃ面とは異なる面にも活性層１７の成長面が形成される。この成長面では、成長面をｃ面とする領域と比較して原料ガスの取り込まれ方が相違し、バンドギャップエネルギーが異なる値を示す領域が形成されたものと推察される。具体的には活性層１７のＡｌＧａＮ量子井戸層の組成や井戸幅が場所によって異なることでバンドギャップエネルギーが相違すると考えられる。活性層１７がバンドギャップエネルギーが場所に応じて異なる値を示すことで、発光波長が多波長化し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（３１，３２）が形成され、発光波長が多波長化することが確認された。なお、上記実施例１〜３では、多重量子井戸構造からなる活性層１７を備えた構成としているが、同じ原理によって、単膜のＡｌＧａＮからなる活性層１７を有する場合であっても、段差部（３１，３２）が形成されることが分かる。

なお、図８Ａ及び図８Ｂに示される写真では、凹部１７ｂ同士が交差する領域において、凹部１７ｂの面積が拡大していることが確認される。これは、活性層１７を成長させている段階において、成長モードに影響が及んだことで、場所に応じて成長速度が変化したことによるものと推察される。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態につき、説明する。

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１１は、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。

図１１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１１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（３１，３２）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、所定の複数の方向に延伸した凹部１３ｂが形成されていればよい。

〈２〉 第一実施形態において、第一半導体層１３に設けられる凹部１３ｂの延伸方向が［−１−１２０］方向及び［−２１１０］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る。凹部１３ｂの延伸方向は、相互に結晶学的に等価な複数の方向であればよい。例えば、凹部１３ｂを、相互に結晶学的に等価な３方向に延伸させて形成させても構わない。

〈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。

〈５〉 上記の実施例１〜３では、活性層１７が、第一段差部３１と第二段差部３２の一方を備えている場合について、結果に基づいて説明した。しかし、上述の推論に基づけば、段差部（３１，３２）の双方が活性層１７に形成されている場合であっても、発光スペクトルの帯域幅を拡大する効果が得られる。本発明者らの鋭意研究により、凸部１３ａ及び凹部１３ｂの幅を適宜設定することで、段差部３１と段差部３２の双方を備える半導体発光素子１が製造できることが確認された。

１ ： 半導体発光素子
１１ ： 基板
１３ ： 第一半導体層
１３ａ ： 第一半導体層に形成された凸部
１３ｂ ： 第一半導体層に形成された凹部
１５ ： 第二半導体層
１５ａ ： 第二半導体層に形成された凸部
１５ｂ ： 第二半導体層に形成された凹部
１７ ： 活性層
１７ａ ： 活性層内の高さの高い領域
１７ｂ ： 活性層内の高さの低い領域
１９ ： 第三半導体層
２１ ： ｎ側電極
２３ ： ｐ側電極
３１ ： （第一）段差部
３２ ： （第二）段差部
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、前記基板とは反対側の面に凹凸を有し、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、
   前記第一半導体層は、前記基板とは反対側の面に、結晶学的に等価な複数の方向に延伸して形成された凹部と、前記凹部によって周囲を囲まれた凸部とを有し、
   前記凹部は、第一方向に沿って複数本が延伸すると共に、前記第一方向に対して結晶学的に等価な第二方向に沿って複数本が延伸することで、格子形状を呈しており、
   前記活性層は、前記凹部の上方の位置において、前記凹部の延伸する方向に沿って、高さの位置が連続的に異なる第一段差部を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記活性層は、前記凹部の上方の位置から、前記凸部の上方の位置に向かう方向に沿って、高さの位置が連続的に異なる第二段差部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記基板は、サファイア基板からなり、
   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おり、
   前記凹部は、［−１−１２０］方向と結晶学的に等価な方向に延伸することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第一半導体層はＡｌＮからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 発光波長が２２０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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