JPWO2013021464A1 - 窒化物半導体紫外線発光素子 - Google Patents

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Abstract

サファイア（０００１）基板、前記基板上に形成されたＡｌＮ層を含む下地構造部、及び、前記下地構造部上に形成された、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｐ型クラッド層を含む発光素子構造部を備えてなる窒化物半導体紫外線発光素子であって、前記基板の（０００１）面が０．６?以上３．０?以下のオフ角で傾斜し、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が５０％以上である。

Description

本発明は、サファイア（０００１）基板の上側にＡｌＧａＮ系半導体層のｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層を形成してなる窒化物半導体発光素子に関し、特に、ピーク発光波長域が紫外領域にある窒化物半導体紫外線発光素子に関する。
従来から、ＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体レーザ等の窒化物半導体発光素子は、基板としてサファイア（０００１）基板を用い、その上にエピタキシャル成長により複数の窒化物半導体層からなる発光素子構造を形成したものが多数存在する。窒化物半導体層は、一般式Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。
サファイア（０００１）基板は、（０００１）面が全く傾斜していない、つまり、オフ角が０度の無傾斜基板より、（０００１）面が僅かに傾斜した微傾斜基板が、エピタキシャル成長させる窒化物半導体層の表面性状や結晶性が向上されるとして、オフ角が０．０５°〜０．５°程度のものが、一般的に使用されている（例えば、下記の特許文献１及び特許文献２等参照）。
発光素子構造は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）或いは多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）の窒化物半導体層よりなる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。活性層がＡｌＧａＮ系半導体層の場合、ＡｌＮモル分率（ＡｌＮ組成比とも言う）を調整することにより、バンドギャップエネルギを、ＧａＮとＡｌＮが取り得るバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶと約６．２ｅＶ）を夫々下限及び上限とする範囲内で調整でき、発光波長が約２００ｎｍから約３６５ｎｍまでの紫外線発光素子が得られる。
特開２０００−１５６３４１号公報 特開２００１−１５８６９１号公報
サファイア（０００１）基板のオフ角として、０．０５°〜０．５°程度のものが一般的に使用されている背景として、以下の事柄が想定される。
上述の微傾斜基板は、図１に模式的に示すように、（０００１）面が傾斜してなるテラス面Ｔとテラス面Ｔの間に段差Ｓのあるステップ状の基板となり、テラス面Ｔの幅Ｗはオフ角θが大きい程狭くなる。オフ角θは、図１に示すように、段差Ｓの上端または下端を結ぶ線とテラス面Ｔの成す角度として定義される。オフ角が０．０５°〜０．５°程度の一般的なサファイア（０００１）基板上に形成した窒化物半導体層の表面の凹凸のＲＭＳ（二乗平均平方根）値は通常０．４ｎｍ以下であるが、オフ角が０．５°を超えて大きくなると、当該ＲＭＳ値が０．４ｎｍを超えて大きくなる虞がある。一方、活性層を構成する量子井戸層の膜厚は通常５ｎｍ以下であるので、オフ角を大きくし過ぎると、量子井戸層の膜厚に与える変動が大きくなり、発光素子の発光性能に与える影響が懸念される。
更に、上述の基板表面がステップ状となる場合、その上に成長する窒化物半導体層も基板表面の性状を踏襲してステップ状となるが、Ｇａはマイグレーションが大きいため、段差部を超えて下側のテラス面に移動し易いので、成長する窒化物半導体層の組成にＧａの偏析が生じ、ＡｌＧａＮ系半導体では、段差部に沿ってＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ領域とＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮ領域ができる。この結果、オフ角が大きくなると、活性層からの発光の波長分布が広がり、発光波長のピークが分離する可能性がある。
上述のように、サファイア（０００１）基板を用いる窒化物半導体発光素子において、オフ角として、０．０５°〜０．５°程度のものが一般的に使用されているが、主として、活性層がＧａＮ或いはＩｎＧａＮ系半導体である場合の発光波長が約３６５ｎｍより長い発光素子に適合するものである（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。発光波長が約３６５ｎｍより短い紫外線発光素子において、０．０５°〜０．５°程度の範囲のオフ角が最適であるか否かの検討は過去十分になされていなかった。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフ角の最適化によりサファイア（０００１）基板上に形成されるＡｌＧａＮ系半導体層の結晶品質の向上を図り、窒化物半導体紫外線発光素子の発光出力の向上を図ることにある。
本願の発明者の鋭意研究によって、サファイア（０００１）基板上に形成されるＡｌＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）法で評価したツイスト分布の半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）で示される結晶性と当該ＡｌＧａＮを含む発光素子構造から出力される紫外線発光素子の発光出力との間の関係において、当該ツイスト分布のＦＷＨＭが所定値以下において良好な発光出力の得られることを見出し、更に、当該ツイスト分布のＦＷＨＭが上記所定値以下となるオフ角に、ｎ型クラッド層に使用されるＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率依存性があることを見出した。
本発明は、上記新知見に基づいて成されたものであり、サファイア（０００１）基板と、前記基板の（０００１）面上に形成されたＡｌＮ層を含む下地構造部、及び、前記下地構造部の結晶表面上に形成された、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｐ型クラッド層を含む発光素子構造部を備えてなり、前記基板の（０００１）面が０．６°以上３．０°以下のオフ角で傾斜し、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が５０％以上であることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
尚、本発明では、ＡｌＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘはＡｌＮモル分率、０≦ｘ≦１）で表わされる３元（または２元）加工物を基本とし、そのバンドギャップエネルギがＧａＮ（ｘ＝０）とＡｌＮ（ｘ＝１）のバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶと約６．２ｅＶ）を下限及び上限とする範囲内の３族窒化物半導体であり、当該バンドギャップエネルギに関する条件を満たす限りにおいて、微量のＩｎが含有されている場合も含まれる。
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が５０％以上の場合において、従来一般的に使用されていたオフ角の範囲を大幅に超えた０．６°以上３．０°以下の範囲において、下地構造部のＡｌＮ層より上層のｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶性を示すツイスト分布のＦＷＨＭが所定値以下となる確率が大幅に向上し、高歩留まりで発光出力の向上が図れる。
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記オフ角が１．０°以上２．５°以下であることがより好ましい。これにより、更に、ＡｌＧａＮ層の結晶性が一層改善され、発光出力の向上がより高歩留まりで安定的に図れる。
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、ピーク発光波長が３００ｎｍ以下であることが好ましい。上述したように、オフ角が０．６°以上３．０°以下の範囲のサファイア（０００１）基板は、（０００１）面がステップ状となるため、その上に形成されるＡｌＧａＮ半導体層においてＧａの偏析が生じて、発光波長分布が広がる。当該発光波長分布の広がりは、後述するように、発光波長が長い程大きくなる傾向があるが、ピーク発光波長が３００ｎｍ以下では、当該発光波長分布の広がり（半値全幅）が、オフ角が１°の場合で２０ｎｍ程度以下に抑制され、発光波長のピークの分離も生じない。
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記下地構造部の前記基板上に形成される前記ＡｌＮ層の膜厚が、２．２μｍ以上６．６μｍ以下であることが好ましい。下地構造部のＡｌＮ層の膜厚が大きい方がその上層に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶性がより改善される傾向にあり、一方、当該膜厚は大きくなり過ぎると、下地構造部にクラックの生じる可能性が高くなる傾向があり、当該膜厚を２．２μｍ以上６．６μｍ以下とすることで、発光出力の向上効果がより確実に得られる。
オフ角θで傾斜したサファイア（０００１）基板の基板表面の状態を模式的に示す説明図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における積層構造を模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における平面構造を模式的に示す平面図である。 ｎ型クラッド層のツイスト分布のＦＷＨＭと発光出力の関係を示す特性図である。 サファイア（０００１）基板のオフ角とｎ型クラッド層のツイスト分布のＦＷＨＭとの関係を示す特性図である。 サファイア（０００１）基板のオフ角の違いによるｎ型クラッド層のツイスト分布のＦＷＨＭとＡｌＮ層のツイスト分布のＦＷＨＭとの関係を示す特性図である。 ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率とツイスト分布のＦＷＨＭとの関係を示す特性図である。 ＡｌＮ層の膜厚とｎ型クラッド層のツイスト分布のＦＷＨＭとの関係を示す特性図である。 実施例１と比較例１，３の発光出力と順方向電流の関係を示す特性図である。 実施例１と比較例１，３の発光波長特性を示す特性図である。 実施例２，３と比較例２の発光出力と順方向電流の関係を示す特性図である。 実施例２，３と比較例２の発光波長特性を示す特性図である。 実施例１〜３と比較例１〜３のｎ型クラッド層のツイスト分布のＦＷＨＭ、順方向電流１００ｍＡ時の発光出力、及び、発光波長分布のＦＷＨＭを示す一覧表である。
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子（以下、単に「発光素子」と略称する。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で使用する図面では、説明の理解の容易のために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。以下、本実施形態では、発光素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
図２に示すように、本実施形態の発光素子１は、サファイア（０００１）基板２上にＡｌＮ層３とＡｌＧａＮ層４を成長させた基板をテンプレート５（下地構造部に相当）として用い、当該テンプレート５上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層６、活性層７、Ａｌモル分率が活性層７より大きいｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層８、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層９、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層１０を順番に積層した積層構造を有している。ｎ型クラッド層６より上部の活性層７、電子ブロック層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０の一部が、ｎ型クラッド層６の一部表面が露出するまで反応性イオンエッチング等により除去され、ｎ型クラッド層６上の第１領域Ｒ１にｎ型クラッド層６からｐ型コンタクト層１０までの発光素子構造部１１が形成されている。更に、ｐ型コンタクト層１０の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１２が、ｎ型クラッド層６の第１領域Ｒ１以外の第２領域Ｒ２の表面の一部に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１３が形成されている。尚、本実施形態では、ＡｌＮ層３は約１１５０〜１３００℃の温度で結晶成長させたものを使用している。
本実施形態では、後述する理由から、サファイア（０００１）基板２として、基板の（０００１）面が０．６°以上３．０°以下のオフ角で傾斜する微傾斜基板を使用する。当該微傾斜基板のオフ角は、１．０°以上２．５°以下がより好ましい。尚、オフ角の傾斜方向はｍ軸方向またはａ軸方向またはその中間方向の何れであっても良い。
活性層７は、一例として、膜厚１０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮのバリア層７ａと膜厚３．５ｎｍのＡｌＧａＮの井戸層７ｂからなる単層の量子井戸構造となっている。活性層７は、下側層と上側層にＡｌモル分率の大きいｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮ層で挟持されるダブルヘテロジャンクション構造であれば良く、また、上記単層の量子井戸構造を多層化した多重量子井戸構造であっても良い。
各ＡｌＧａＮ層は、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、或いは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により形成されており、ｎ型層のドナー不純物として、例えばＳｉ、ｐ型層のアクセプタ不純物として、例えばＭｇを使用している。尚、導電型を明記していないＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層は、不純物注入されないアンドープ層である。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層及び活性層のＡｌＮモル分率は、一例として、ＡｌＧａＮ層４、ｎ型クラッド層６及びバリア層７ａが５０％以上１００％以下（より好ましくは、５５％以上９０％以下）、井戸層７ｂが３０％以上８０％以下（より好ましくは、３５％以上７０％以下）となっている。本実施形態では、発光素子１のピーク発光波長は、２２３ｎｍ以上３００ｎｍ以下となる場合を想定する。本実施形態では、活性層７からの発光をサファイア基板２側から取り出す裏面出射型の発光素子を想定しているため、ＡｌＧａＮ層４のＡｌＮモル分率は、井戸層７ｂより大きく設定する必要があり、一例として、ＡｌＧａＮ層４とｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を同じに設定する。尚、ＡｌＧａＮ層４のＡｌＮモル分率をｎ型クラッド層６より大きくしても良い。
活性層７以外の発光素子構造部の各ＡｌＧａＮ層の膜厚は、例えば、ｎ型クラッド層６が２０００ｎｍ、電子ブロック層８が２ｎｍ、ｐ型クラッド層９が５４０ｎｍ、ｐ型コンタクト層１０が２００ｎｍである。また、テンプレート５については、ＡｌＮ層３の膜厚は、２２００ｎｍ以上６６００ｎｍ以下、より好ましくは、３０００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下に設定するのが好ましく、ＡｌＧａＮ層４の膜厚は、例えば、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲に設定する。尚、本実施形態では、ＡｌＧａＮ層４上に同じＡｌＧａＮ層のｎ型クラッド層６が形成されるため、ＡｌＧａＮ層４の導電型はアンドープ層ではなくｎ型層であっても良く、ＡｌＧａＮ層４をｎ型クラッド層６と一体化して、テンプレート５をＡｌＮ層３だけで構成しても良い。
図３に、発光素子１の平面視パターンの一例を示す。図３は、ｐ電極１２及びｎ電極１３が形成される前の第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を示す。一例として、ｐ電極１２は第１領域Ｒ１のほぼ全面に、ｎ電極１３は第２領域Ｒ２のほぼ全面に、夫々形成される。また、後述する実施例に使用した発光素子１のチップサイズは縦横夫々８００μｍであり、第１領域Ｒ１の面積は約１６８０００μｍ２である。尚、図２に示す第１領域Ｒ１は、図３に示す第１領域Ｒ１の一部である。
発光素子１のテンプレート５及び発光素子部１１の各層は、上述のように周知の成長方法により形成され、ｐ電極１２及びｎ電極１３は、夫々、各電極の反転パターンとなるフォトレジストを形成した後に、電子ビーム蒸着法等により各電極の多層金属膜を蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の多層金属膜を剥離し、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により必要に応じて熱処理を加えて形成される。
次に、本発明の基礎となる測定データについて説明する。図４は、本発明の基礎となる第１の測定データで、図２及び図３に例示した構造の発光素子１のピーク発光波長が２５５ｎｍから３００ｎｍの範囲内のサンプルについて、ｎ型クラッド層６のｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶性をＸＲＣ法で評価したツイスト分布のＦＷＨＭと発光出力を夫々測定したものを、当該ＦＷＨＭ（単位：ａｒｃｓｅｃ）を横軸に取り、発光出力（単位：ｍＷ）を縦軸に取ってプロットしたグラフである。尚、使用したサンプルのサファイア（０００１）基板は、オフ角が０．１５°〜２．０°の範囲のものを使用した。
図４の測定結果より、ツイスト分布のＦＷＨＭが約５５０ａｒｃｓｅｃを超えて大きくなると、発光出力が低下し、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下の範囲では、ツイスト分布のＦＷＨＭをより小さくしても発光出力は増加しない傾向にあることが分かる。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶性として、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のツイスト分布のＦＷＨＭが得られれば十分であることが分かる。
図５は、本発明の基礎となる第２の測定データで、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が５０％以上で、オフ角が０．３°、０．６°、１．０°、１．５°、２．０°、３．０°の６種類のサンプルについて、各オフ角におけるツイスト分布のＦＷＨＭの測定値の最小値及び中央値をプロットしたものである。但し、オフ角３．０°は最小値のみを表示する。図５に示す測定データのサンプルの構造は、図４に示す測定データのサンプルと、ｎ型クラッド層６より上層の半導体層と各電極を形成していない点を除き同じである。
図５の測定結果より、オフ角を０．３°から１．５°にかけて増加させるとツイスト分布のＦＷＨＭが低下し、逆に、オフ角を１．５°から３．０°にかけて増加させるとツイスト分布のＦＷＨＭが増加することが分かる。また、オフ角が０．６°以上３．０°以下の範囲において、ツイスト分布のＦＷＨＭが約５５０ａｒｃｓｅｃ以下となり、図４の測定結果と照合ささると、発光出力の向上が図れることが分かる。
図６は、本発明の基礎となる第３の測定データで、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が５０％以上で、オフ角が０．１５°、０．３°、１．０°の３種類のサンプル（サンプルの構造は図５に示す測定データのサンプルと同じ）について、各オフ角におけるＡｌＮ層３とｎ型クラッド層６の夫々のツイスト分布のＦＷＨＭの測定し、ｎ型クラッド層６のＦＷＨＭを縦軸に、ＡｌＮ層３のＦＷＨＭを横軸に取り、各ＦＷＨＭの測定値をプロットしたものである。図６中の斜めに引いた実線は、ＡｌＮ層３とｎ型クラッド層６の各ＦＷＨＭが同じ値の点を結んだ線であり、当該実線より下側のサンプルでは、ＡｌＮ層３よりその上層のｎ型クラッド層６の方で結晶性が向上し、逆に、当該実線より上側のサンプルでは、ＡｌＮ層３よりその上層のｎ型クラッド層６の方で結晶性が低下していることを示している。
図６の測定結果より、オフ角が０．１５°のサンプルでは、ＡｌＮ層３のＦＷＨＭが５６４〜６７９ａｒｃｓｅｃに分布していたものが、ｎ型クラッド層６のＦＷＨＭが５５８〜７１９ａｒｃｓｅｃに変化し、殆どのサンプルで結晶性が低下していることが分かる。オフ角が０．３°のサンプルでは、ＡｌＮ層３のＦＷＨＭが４０２〜７７３ａｒｃｓｅｃに分布していたものが、ｎ型クラッド層６のＦＷＨＭが５１７〜７３３ａｒｃｓｅｃに変化し、約半分のサンプルで結晶性が低下し、約半分のサンプルで結晶性が向上していることが分かる。これに対して、オフ角が１．０°のサンプルでは、ＡｌＮ層３のＦＷＨＭが４１０〜６８３ａｒｃｓｅｃに分布していたものが、ｎ型クラッド層６のＦＷＨＭが３９４〜５６８ａｒｃｓｅｃに変化し、大半のサンプルで結晶性が向上し、殆ど全てのサンプルでＦＷＨＭが約５５０ａｒｃｓｅｃ以下になっていることが分かる。
図７は、本発明の基礎となる第４の測定データで、オフ角が０．１５°、０．３°、１．０°の３種類のサンプル（サンプルの構造は図５及び図６に示す測定データのサンプルと同じ）について、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を全体で１９．２％から８４％の範囲で変化させたサンプルに対して、ｎ型クラッド層６のツイスト分布のＦＷＨＭの測定し、ｎ型クラッド層６のＦＷＨＭを縦軸に、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を横軸に取り、ＦＷＨＭの測定値をプロットしたものである。
図７の測定結果より、オフ角が０．１５°のサンプルでは、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約４０％以下の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが増加し、ｎ型クラッド層６の結晶性が低下し、逆に、約４０％以上の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが減少し、ｎ型クラッド層６の結晶性が向上する傾向にあり、更に、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のＦＷＨＭを実現するには、ＡｌＮモル分率を約２８％以下に限定する必要のあることが分かる。オフ角が０．３°のサンプルでは、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約３５％以下の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭがやや増加し、ｎ型クラッド層６の結晶性が低下し、逆に、約３５％以上の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが減少し、ｎ型クラッド層６の結晶性が向上する傾向にある。更に、オフ角が０．３°のサンプルでは、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のＦＷＨＭを実現するには、ＡｌＮモル分率を約５５％以下に限定する必要があるが、高歩留まりは期待できない。これに対して、オフ角が１．０°のサンプルでは、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約３０％以上の範囲で、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが減少し、ｎ型クラッド層６の結晶性が向上する傾向にあり、更に、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約５０％以上の範囲において、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のＦＷＨＭを高歩留まりで実現できることが分かる。
以上の図４乃至図７の測定結果より、本実施形態の発光素子１は、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を５０％以上、サファイア（０００１）基板のオフ角を０．６°以上３．０°以下の範囲内に設定しているので、ツイスト分布のＦＷＨＭが約５５０ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性の良好なｎ型クラッド層６が高歩留まりで実現でき、その結果、安定的に高発光出力が得られることが分かる。
更に、図５に示す測定結果より、サファイア（０００１）基板のオフ角を１．０°以上２．５°以下の範囲内に設定することで、ツイスト分布のＦＷＨＭを約５５０ａｒｃｓｅｃより更に低下させることができ、より安定的に高発光出力が得られることが分かる。
また、図７に示す測定結果より、同じ窒化物半導体紫外線発光素子でも、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が２８％以下、つまり、活性層７からの発光波長が長い場合には、サファイア（０００１）基板のオフ角は０．１５°程度の小さい値に止めておくのが良く、逆に、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が５０％以上、つまり、活性層７からの発光波長が短い場合（概ね３００ｎｍ以下）では、オフ角は、従来使用されていた範囲を大幅に超えて、０．６°以上３．０°以下が好ましいことが分かる。
図８は、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が５０％以上で、オフ角が１．０°のサンプル（サンプルの構造は図５乃至図７に示す測定データのサンプルと同じ）について、ＡｌＮ層の膜厚依存性について測定した結果を示すもので、当該膜厚が２２００ｎｍから６６００ｎｍの範囲で、ｎ型クラッド層６のツイスト分布のＦＷＨＭとして約５５０ａｒｃｓｅｃ以下が実現できることが分かる。
次に、サファイア（０００１）基板２のオフ角が１．０°の本実施形態の発光素子１の２つの実施例１，２とオフ角が０．６°の本実施形態の発光素子１の実施例３、サファイア（０００１）基板２のオフ角が０．３°の２つの比較例１，２とオフ角が０．１５°の比較例３の発光出力と波長分布を測定した結果を、図９乃至図１２に示す。実施例１と比較例１，３は、オフ角が異なるだけで、その他の素子構造は同じで、ｎ型クラッド層６と井戸層７ｂのＡｌＮモル分率が夫々６０％と３５％で、発光波長が互いに近似する（第１発光波長グループ）。実施例２，３と比較例２は、オフ角が異なるだけで、その他の素子構造は同じで、ｎ型クラッド層６と井戸層７ｂのＡｌＮモル分率が夫々７０％と５５％で、発光波長が互いに近似する（第２発光波長グループ）。
図９は、実施例１と比較例１，３の発光出力と順方向電流の関係を示す発光出力特性を示し、図１０は、実施例１と比較例１，３の発光波長特性を示す。図１１は、実施例２，３と比較例２の発光出力と順方向電流の関係を示す発光出力特性を示し、図１２は、実施例２，３と比較例２の発光波長特性を示す。図１０及び図１２に発光波長特性の縦軸はピーク出力を１として正規化した発光強度を示す。また、図１３に、実施例１〜３と比較例１〜３のｎ型クラッド層６のツイスト分布のＦＷＨＭ、順方向電流１００ｍＡ時の発光出力、及び、発光波長分布のＦＷＨＭを夫々一覧表に纏めて示す。
図９及び図１１より、各発光波長グループで、オフ角が大きくなる程、印加する順方向電流が同じでも、発光出力が増加することが分かる。
更に、図１０及び図１２より、各発光波長グループで、オフ角が０．３°を超えて大きくなると、発光波長分布が広がることが分かる。尚、２つの発光波長グループでは、発光波長の短い第２発光波長グループにおいて、当該発光波長分布の広がりが抑制されることが分かる。また、各発光波長グループで、オフ角が大きくなるとピーク発光波長が長くなる傾向が見られるが、発光波長が短い方が、ピーク発光波長の変化は抑制されることが分かる。詳細には、図１０より、オフ角が１．０°の実施例１では、オフ角が０．１５°の比較例３と比較して、ピーク発光波長は１５ｎｍ程度長くなり３００ｎｍ程度となり、発光波長分布のＦＷＨＭは、約１．５倍の１８ｎｍ程度にまで広がるが、発光波長のピークの分離は見られない。図１２より、オフ角が１．０°の実施例２では、オフ角が０．３°の比較例２と比較して、ピーク発光波長は僅かに２ｎｍ程度長くなり２６０ｎｍ程度となり、発光波長分布のＦＷＨＭは、約１．２倍の１２ｎｍ程度にまで広がるが、約１．２倍の拡大に抑えられている。
図１０及び図１２において観測される発光波長分布の広がりは、上述したように、オフ角が大きくなると、サファイア（０００１）基板２のステップ状の段差が大きくなり、その上層に形成される発光素子構造部１１の活性層７においてＡｌＧａＮ層の組成にＧａの偏析が生じ、段差部に沿ってＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ領域とＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮ領域ができることに起因するものである。
以上の測定データより、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が５０％以上、つまり、活性層７からの発光波長が短い場合（概ね３００ｎｍ以下）では、サファイア（０００１）基板のオフ角を、従来使用されていた範囲を大幅に超えて、０．６°以上３．０°以下に設定することで、発光波長分布のＦＷＨＭの拡大は僅かに生じるものの、発光出力を増大できることが明らかとなった。
以上、発光素子１の実施形態につき詳細に説明した。上記実施形態では、発光素子１を構成する発光素子構造部として、図２に示す発光素子構造部１１を一例として説明したが、上記説明で例示した積層構造、電極構造、膜厚、及び、ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率等は一例であり、発光素子構造部１１は当該具体例に限定されるものではない。更に、発光素子１の平面視形状も図３に例示した形状に限定されるものではない。
特に、図５〜図８に示す測定データは、ｎ型クラッド層６より上層の素子構造を形成しないサンプルについての測定データであり、発光素子構造部１１の素子構造に関係なく、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が５０％以上であれば、オフ角とｎ型クラッド層６の結晶性（ツイスト分布のＦＷＨＭ）との関係が成立することを示しており、ｎ型クラッド層６の結晶性の改善に伴う、発光特性の向上は、他の発光素子構造においても同様に期待される。
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子は、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が５０％以上の発光ダイオード等に利用可能であり、発光出力の改善に有効である。
１： 窒化物半導体紫外線発光素子
２： サファイア（０００１）基板
３： ＡｌＮ層
４： ＡｌＧａＮ層
５： テンプレート（下地構造部）
６： ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ）
７： 活性層
７ａ： バリア層
７ｂ： 井戸層
８： 電子ブロック層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
９： ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
１０： ｐコンタクト層（ｐ型ＧａＮ）
１１： 発光素子構造部
１２： ｐ電極
１３： ｎ電極
Ｒ１： 第１領域
Ｒ２： 第２領域
Ｓ： 段差
Ｔ： テラス面
尚、本発明では、ＡｌＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘはＡｌＮモル分率、０≦ｘ≦１）で表わされる３元（または２元）化合物を基本とし、そのバンドギャップエネルギがＧａＮ（ｘ＝０）とＡｌＮ（ｘ＝１）のバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶと約６．２ｅＶ）を下限及び上限とする範囲内の３族窒化物半導体であり、当該バンドギャップエネルギに関する条件を満たす限りにおいて、微量のＩｎが含有されている場合も含まれる。
図７の測定結果より、オフ角が０．１５°のサンプルでは、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約４０％以下の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが増加し、ｎ型クラッド層６の結晶性が低下し、逆に、約４０％以上の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが減少し、ｎ型クラッド層６の結晶性が向上する傾向にあり、更に、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のＦＷＨＭを実現するには、ＡｌＮモル分率を約２８％以下に限定する必要のあることが分かる。オフ角が０．３°のサンプルでは、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約３５％以下の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭがやや増加し、ｎ型クラッド層６の結晶性が低下し、逆に、約３５％以上の範囲では、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが減少し、ｎ型クラッド層６の結晶性が向上する傾向にある。更に、オフ角が０．３°のサンプルでは、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のＦＷＨＭを実現するには、ＡｌＮモル分率を約５５％以上に限定する必要があるが、高歩留まりは期待できない。これに対して、オフ角が１．０°のサンプルでは、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約３０％以上の範囲で、ＡｌＮモル分率の増加とともに、ツイスト分布のＦＷＨＭが減少し、ｎ型クラッド層６の結晶性が向上する傾向にあり、更に、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が約５０％以上の範囲において、約５５０ａｒｃｓｅｃ以下のＦＷＨＭを高歩留まりで実現できることが分かる。

Claims (4)

  1. サファイア（０００１）基板と、前記基板の（０００１）面上に形成されたＡｌＮ層を含む下地構造部、及び、
    前記下地構造部の結晶表面上に形成された、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｐ型クラッド層を含む発光素子構造部を備えてなり、
    前記基板の（０００１）面が０．６°以上３．０°以下のオフ角で傾斜し、
    前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が５０％以上であることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
  2. 前記オフ角が１．０°以上２．５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  3. ピーク発光波長が３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  4. 前記下地構造部の前記基板上に形成される前記ＡｌＮ層の膜厚が、２．２μｍ以上６．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
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