WO2017077917A1 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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WO2017077917A1
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semiconductor
light emitting
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active layer
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川上　養一
充 船戸
研 片岡
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ウシオ電機株式会社
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    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device including a nitride semiconductor.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing the semiconductor light emitting device.
  • Patent Document 1 describes an ultraviolet irradiation device for curing an ultraviolet curable resin. Moreover, as described in Patent Document 1, it is described that a light source (multiple emission wavelengths) having a plurality of peak wavelengths of a light emitting element is preferable depending on the use application of an ultraviolet irradiation device.
  • Patent Document 1 a plurality of types of ultraviolet light emitting diodes having different peak wavelengths are arranged in a light emitting probe of a light source device, and a plurality of types of ultraviolet light output from each light emitting diode are irradiated.
  • an object of the present invention is to realize a semiconductor light emitting device capable of emitting light having a plurality of peak wavelengths from a single light emitting device.
  • the semiconductor light emitting device is A substrate, A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor, which is formed in an upper layer of the substrate and has a concavo-convex shape on a surface opposite to the substrate; An active layer made of a nitride semiconductor containing Al and Ga, formed on the first semiconductor layer; The active layer includes regions having different Ga compositions in a direction parallel to the surface of the substrate.
  • the band gap can be varied according to the position of the active layer.
  • light of different wavelengths is generated according to the position of the active layer, so that light of multiple wavelengths is generated by one light emitting element.
  • the first semiconductor layer has a concave portion extending in a first direction parallel to the surface of the substrate and a convex portion extending in the first direction on a surface opposite to the substrate. It is configured to alternately have a second direction different from the first direction parallel to the surface of the substrate,
  • the active layer has a region located above the boundary between the concave portion and the convex portion, a region located above the center of the concave portion in the second direction, and the center of the convex portion in the second direction.
  • the Ga composition may be higher than that of the region located above.
  • the active layer may alternately include first regions having a non-polar surface as a facet surface and second regions having a polar surface as a facet surface in a direction parallel to the surface of the substrate.
  • the Ga composition may be higher than that in the second region.
  • the active layer when the active layer is grown with both the polar face and the nonpolar face as facet faces, the non-polar face is made more than the area (second area) having the polar face as the facet face. It was confirmed that the Ga composition is higher in the region (first region) that is the facet plane. Therefore, as described above, the active layer includes the first region and the second region alternately so that light having a plurality of peak wavelengths can be generated.
  • the facet plane may be a ⁇ 1-101 ⁇ plane.
  • the ⁇ 1-101 ⁇ plane means the (1-101) plane and a plane crystallographically equivalent to the (1-101) plane, that is, the (10-11) plane, (01 It is a concept that includes a (-11) plane, a (0-111) plane, a (-1101) plane, and a (-1011) plane.
  • a method for manufacturing a semiconductor light emitting device includes: Preparing a substrate (a); A step (b) of forming a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor on the upper layer of the substrate; A step (c) of forming a concavo-convex shape on the surface of the first semiconductor layer opposite to the substrate; After the step (c), a step (d) of forming an active layer made of a nitride semiconductor containing Al and Ga on the first semiconductor layer, The step (c) A plurality of recesses extending in a first direction parallel to the surface of the substrate are formed on the surface of the first semiconductor layer, spaced apart in a second direction different from the first direction and parallel to the surface of the substrate. And forming the concave portions and the convex portions formed in the region sandwiched between the adjacent concave portions alternately in the second direction, The active layer formed by the step (d) includes a region having a different Ga composition in the second direction.
  • the active layer is grown on the surface of the first semiconductor layer on which the concavo-convex shape has been formed through the step (c), so that the concave portion and the convex portion are adjacent to the active layer ( It was found that the Ga composition can be grown with respect to the second direction). As a result, the band gap can be varied depending on the position in the active layer, thereby realizing a semiconductor light emitting device capable of generating light having a plurality of peak wavelengths.
  • the active layer formed in the step (d) is located above the center of the concave portion in the second direction in the region located above the boundary between the concave portion and the convex portion.
  • the Ga composition may be higher than that in the region to be performed and in the region located above the center of the convex portion in the second direction.
  • the light emitted from the region located above the boundary between the concave portion and the convex portion is more than the light emitted from the region located above the central portion of the concave portion and above the center of the convex portion.
  • the peak wavelength becomes a long wavelength. As a result, light having a plurality of peak wavelengths is emitted from the entire active layer.
  • the extending direction of the recess may be the ⁇ 11-20> direction.
  • a semiconductor light emitting device capable of emitting light having a plurality of peak wavelengths from a single light emitting device is realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 1 corresponds to a cross-sectional view of the semiconductor light emitting device taken along a plane formed in the [0001] direction and the [1-100] direction.
  • the depth direction in FIG. 1 is the [11-20] direction.
  • the symbol “-” attached immediately before the number in parentheses indicating the Miller index indicates the inversion of the index, and is synonymous with “bar” in the drawing.
  • the ⁇ 1-101 ⁇ plane means the (1-101) plane and a plane crystallographically equivalent to the (1-101) plane, that is, the (10-11) plane, (01 It is a concept that includes a (-11) plane, a (0-111) plane, a (-1101) plane, and a (-1011) plane.
  • the ⁇ 11-20> direction refers to the [11-20] direction and a crystallographically equivalent direction to the [11-20] direction, that is, the [1-210] direction, [ ⁇ 2110] direction, [ ⁇ 1-120] direction, [-12-10] direction, and [2-1-10] direction.
  • AlGaN when “AlGaN” is simply indicated, it means that the nitride semiconductor contains Al and Ga, and the description of the composition ratio of Al and Ga is simply omitted. However, the present invention is not limited to the case where the composition ratio of Al and Ga is 1: 1. The same applies to the notations InGaN and AlInGaN.
  • the semiconductor light emitting device 1 includes a substrate 11, a first semiconductor layer 13, a second semiconductor layer 15, and an active layer 17.
  • the first semiconductor layer 13 is formed in the upper layer of the substrate 11
  • the second semiconductor layer 15 is formed in the upper layer of the first semiconductor layer 13
  • the active layer 17 is formed in the upper layer of the second semiconductor layer 15. ing.
  • the substrate 11 is composed of, for example, a sapphire substrate, and the growth surface is the (0001) plane, that is, the c plane.
  • the sapphire substrate SiC or the like can be used.
  • the first semiconductor layer 13 is composed of an AlN layer.
  • it can be composed of a nitride semiconductor layer defined by the general formula Al x1 Ga y1 In 1-x1-y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1).
  • the In composition is preferably 1% or less, and the Al composition is appropriately selected according to the emission wavelength.
  • the first semiconductor layer 13 has a recess 13b extending along a predetermined direction (here, referred to as [11-20] direction). More specifically, the first semiconductor layer 13 is formed with a plurality of recesses 13b at predetermined intervals, in other words, the protrusions 13a and the recesses 13b are alternately formed.
  • the extending direction of the convex portion 13a and the concave portion 13b is the [11-20] direction.
  • the extending direction is a crystallographically equivalent direction to the [11-20] direction, that is, ⁇ 11- 20> direction or another direction. This extending direction corresponds to the “first direction”.
  • the direction in which the convex portions 13a and the concave portions 13b are alternately repeated, that is, the [1-100] direction in the present embodiment corresponds to the “second direction”.
  • the second semiconductor layer 15 is made of AlN.
  • the second semiconductor layer 15 includes a growth surface 15a parallel to a nonpolar plane (eg, ⁇ 1-101 ⁇ plane) and a polar plane (eg, ⁇ 0001 ⁇ plane).
  • the second semiconductor layer 15 is composed of a nitride semiconductor layer defined by the general formula Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 N (0 ⁇ x2 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1) in addition to AlN. be able to.
  • the In composition is preferably 1% or less, and the composition of Al is appropriately selected according to the emission wavelength.
  • the active layer 17 is configured by laminating Al x3 Ga 1-x3 N (0 ⁇ x3 ⁇ 1) / AlN in one cycle or a plurality of cycles.
  • a light emitting layer made of Al 0.8 Ga 0.2 N and a barrier layer made of AlN are formed by repeating a plurality of periods.
  • the constituent material of the active layer 17 is appropriately selected according to the emission wavelength.
  • the active layer 17 has a growth surface 17a parallel to a nonpolar plane (for example, ⁇ 1-101 ⁇ plane) and a polar plane (for example, ⁇ 0001 ⁇ plane), like the second semiconductor layer 15. It has a parallel growth surface 17b.
  • the active layer 17 may be configured by laminating two or more types of nitride semiconductor layers (AlGaN or AlInGaN) having different band gap energies by different Al compositions.
  • FIG. 2A and 2B are drawings schematically showing a configuration of an electron beam excitation light source device including the semiconductor light emitting element 1 shown in FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the electron beam excitation light source device as viewed from the side, and FIG. 2B is a schematic plan view of the device as viewed from the top. 2B shows a state in which a light transmission window 45 described later is removed.
  • the electron beam excitation light source device 90 includes a vacuum container 40 having a rectangular parallelepiped shape and sealed inside in a negative pressure state.
  • the vacuum container 40 includes a container base 41 having an opening on one surface, and the container.
  • the light transmitting window 45 is disposed in the opening of the base body 41 and hermetically sealed to the container base body 41.
  • the semiconductor light emitting device 1 shown in FIG. 1 is light-transmitted on the inner surface of the bottom wall of the container base 41 on the side opposite to the substrate 11, that is, on the active layer 17 side constituting the light extraction surface. It arrange
  • a plurality of (two in the illustrated example) electron beam sources 60 each having a rectangular planar electron beam emitting portion 62 formed on a rectangular support substrate 61 are provided in the peripheral region of the semiconductor light emitting device 1.
  • the semiconductor light emitting device 1 is disposed at a position sandwiching it.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic view of the electron beam source 60.
  • the electron beam emitting portion 62 is formed by supporting a large number of carbon nanotubes on a support substrate 61, and the support substrate 61 is fixed on a plate-like base portion 63.
  • a net-like extraction electrode 65 is disposed above the electron beam emitting portion 62 so as to face the electron beam emitting portion 62 while being spaced apart from the electron beam emitting portion 62, and the extraction electrode 65 is disposed on the base portion 63 via the electrode holding member 66. It is fixed.
  • the support substrate 61 and the extraction electrode 65 are connected to an electron beam emission power source (not shown) provided outside the vacuum vessel 40 via a conductive wire (not shown) drawn from the inside of the vacuum vessel 40 to the outside. Electrically connected.
  • each base portion 63 is fixed to the inner surfaces of two opposite side walls of the container base 41, so that each support substrate 61 has an electron at a position sandwiching the semiconductor light emitting element 1.
  • the line emission parts 62 are arranged so as to face each other.
  • the electron beam excitation light source device 90 when a voltage is applied between the electron beam source 60 and the extraction electrode 65, electrons are emitted from the electron beam emitter 62 toward the extraction electrode 65.
  • the electrons travel while being accelerated toward the semiconductor light-emitting element 1 by an acceleration voltage applied between the semiconductor light-emitting element 1 and the electron beam source 60, and travel on the surface of the active layer 17 of the semiconductor light-emitting element 1 as an electron beam. Incident.
  • the electrons in the active layer 17 are excited, light such as ultraviolet rays is emitted from the surface on which the electron beam is incident, and is taken out of the vacuum vessel 40 through the light transmission window 45.
  • FIGS. 4A to 4D A method for manufacturing the semiconductor light emitting device 1 will be described with reference to process cross-sectional views in FIGS. 4A to 4D.
  • Each process cross-sectional view corresponds to a cross-sectional view when the element at each time point is cut along a plane formed in the [0001] direction and the [1-100] direction, as in FIG.
  • Step S1 A substrate 11 is prepared (see FIG. 4A).
  • this substrate 11 for example, a sapphire substrate having a (0001) plane can be used.
  • the substrate 11 is cleaned.
  • the substrate 11 is placed in a processing furnace of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and hydrogen gas having a flow rate of, for example, 10 slm is placed in the processing furnace.
  • the temperature in the furnace is raised to, for example, 1150 ° C. while flowing.
  • This step S1 corresponds to the step (a).
  • Step S2 the first semiconductor layer 13 made of AlN is formed on the (0001) plane of the substrate 11.
  • the temperature in the furnace of the MOCVD apparatus is set to a temperature of 900 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower, and trimethylaluminum (TMA) and ammonia are treated as source gases while flowing nitrogen gas and hydrogen gas as carrier gases. Supply into the furnace.
  • the flow rate ratio (V / III ratio) between TMA and ammonia is set to a value of 10 or more and 4000 or less, the growth pressure is set to a value of 10 to 500 torr, and the supply time is appropriately adjusted to form AlN having a desired film thickness.
  • the first semiconductor layer 13 made of AlN having a thickness of 600 nm was formed.
  • TMG trimethylgallium
  • TMA trimethylindium
  • TMI trimethylindium
  • the thickness of the first semiconductor layer 13 may be set to a thickness sufficient to obtain good crystallinity, for example, 400 nm or more.
  • This step S2 corresponds to the step (b).
  • Step S3 As shown in FIG. 4C, a recess 13b extending in the ⁇ 11-20> direction is formed in the first semiconductor layer 13.
  • a wafer obtained by executing up to step S2 is taken out of the processing furnace, and the first semiconductor layer 13 is ⁇ 11-20 by photolithography and reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • a plurality of grooves parallel to the> direction are formed at predetermined intervals.
  • the recess 13b is extended in the [11-20] direction, which is one direction crystallographically equivalent to the ⁇ 11-20> direction.
  • the recess 13b is controlled to be formed at a depth within a range where the growth substrate 11 is not exposed on the bottom surface of the recess 13b.
  • the first semiconductor layer 13 is formed with a thickness of 200 nm or more between the bottom surface of the recess 13b and the substrate 11.
  • This step S3 corresponds to the step (c).
  • Step S4 As shown in FIG. 4D, the second semiconductor layer 15 is formed on the upper surface of the first semiconductor layer 13 on which the concavo-convex portions (the convex portions 13a and the concave portions 13) extending in a predetermined direction are formed.
  • the wafer after completion of the execution of step S3 is again placed in the furnace of the MOCVD apparatus, the furnace temperature of the MOCVD apparatus is set to a temperature of 900 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower, and nitrogen gas and While flowing hydrogen gas, TMA and ammonia are supplied into the processing furnace as source gases.
  • the flow rate ratio (V / III ratio) between TMA and ammonia is set to a value of 10 or more and 4000 or less, the growth pressure is set to a value of 10 to 500 torr, and the supply time is appropriately adjusted to form AlN having a desired film thickness.
  • the second semiconductor layer 15 made of AlN having a thickness of 3000 nm was formed.
  • the second semiconductor layer 15 having the growth surface 15b parallel to the surface 15a and the polar surface (here, ⁇ 0001 ⁇ surface) is formed.
  • This step S4 corresponds to the step (e).
  • Step S5 The active layer 17 is subsequently grown on the upper surface of the second semiconductor layer 15 having the growth surface 15a parallel to the nonpolar surface and the growth surface 15b parallel to the polar surface (see FIG. 1).
  • the furnace temperature of the MOCVD apparatus is set to a temperature of 900 ° C. to 1600 ° C., and nitrogen gas and hydrogen gas are allowed to flow as carrier gases, while TMA and ammonia are used as source gases in the processing furnace.
  • the step of supplying a predetermined time according to the thickness and the step of supplying TMA, TMG and ammonia as source gases into the processing furnace for a predetermined time according to the film thickness are repeated a predetermined number of times according to the number of cycles. As a result, an active layer 17 made of multi-period Al x3 Ga 1-x3 N (0 ⁇ x3 ⁇ 1) / AlN is formed.
  • TMA, ammonia, TMG, and TMI may be supplied as raw material gases at a predetermined flow rate according to the composition.
  • step S4 since the second semiconductor layer 15 having the growth surface 15a parallel to the nonpolar surface and the growth surface 15b parallel to the polar surface is formed, the epitaxial growth is performed in this step S5 in this state.
  • This step S5 corresponds to the step (d).
  • the semiconductor light emitting element 1 When the semiconductor light emitting element 1 is used as the electron beam excitation light source device 90, the semiconductor light emitting element 1 is placed at a predetermined position in the vacuum container 40 as described above with reference to FIGS. 2A, 2B, and 3. This is realized by arranging the electron beam source 60 and the light transmission window 45.
  • FIG. 5A is a graph showing an emission spectrum of a semiconductor light emitting device manufactured by the manufacturing method described above (hereinafter referred to as “Example 1”).
  • Example 1 the element of Example 1 was manufactured with the width of the convex portion 13a (the length in the [1-100] direction in FIG. 4C) being 20 ⁇ m and the interval between the convex portions 13a, that is, the width of the concave portion 13b being 40 ⁇ m. It was.
  • FIG. 5A is obtained by constructing an electron beam excitation light source device 90 using the element of Example 1, and exciting the active layer 17 by irradiating electrons from the electron beam source 60 to the element of Example 1.
  • the spectrum of the emitted light is an emission spectrum actually obtained, and (b), (c), and (d) are graphs obtained by Gaussian fitting of the emission spectrum of (a). is there.
  • the spectrum of (d) is obtained by summing the spectra of (b) and (c) by calculation.
  • FIG. 5B is a graph showing an emission spectrum of a semiconductor light-emitting element (hereinafter, referred to as “Comparative Example 1”) manufactured by changing only the conditions in Step S3 as compared with Example 1.
  • the element of Comparative Example 1 was manufactured with the width of the convex portions 13a being 5 ⁇ m and the interval between the convex portions 13a, that is, the width of the concave portions 13b being 5 ⁇ m.
  • the electron beam excitation light source device 90 is configured using the element of Comparative Example 1, and the electron beam source 60 irradiates electrons to the element of Comparative Example 1 to activate the element. It is a spectrum of light obtained by exciting the layer 17.
  • FIG. 5A shows that light having a peak wavelength near the wavelength of 252 nm and light having a peak wavelength near the wavelength of 264 nm are emitted from the element of Example 1.
  • FIG. 5B single peak light having a peak wavelength around 258 nm is emitted from the element of Comparative Example 1, and the active layer 17 included in the element of Comparative Example 1 is a single layer. It is recognized that light having a peak wavelength of is generated.
  • the inventor presumes the reason why the peak wavelength of the light emitted from the active layer 17 becomes single or plural depending on the uneven shape formed in the first semiconductor layer 13 as follows. is doing.
  • FIG. 6A is a graph showing the Ga composition ratio according to the position of the active layer 17 in the element of Example 1 with respect to the direction in which the convex portion 13a and the concave portion 13b are adjacent (in this embodiment, the [1-100] direction). is there.
  • FIG. 6B is a graph showing the Ga composition ratio corresponding to the position of the active layer 17 for the element of Comparative Example 1 in the same manner.
  • the vertical axis indicates the Ga composition ratio contained in the active layer 17, and the horizontal axis indicates the origin when the boundary position between the convex portion 13a and the concave portion 13b at a predetermined location is the origin.
  • the distance in the [1-100] direction is shown.
  • FIG. 6A also shows the size of the unevenness of the first semiconductor layer 13 included in the element of Example 1
  • FIG. 6B shows the first semiconductor layer 13 included in the element of Comparative Example 1. The size of the unevenness is also shown.
  • the Ga composition ratio contained in the active layer 17 does not change significantly.
  • the Ga composition ratio of the active layer 17 is high in the active layer 17 at a position near the boundary between the convex portion 13a and the concave portion 13b of the first semiconductor layer 13. It can be seen that the Ga composition ratio of the active layer 17 is low at a position far from the boundary.
  • the growth surface of the active layer 17 formed in step S5 is affected according to the shape of the irregularities formed in step S3, and as a result, the Ga layer is likely to be incorporated in the active layer 17. It is inferred that there was a place where it was difficult for Ga and Ga to be taken in. In a nitride semiconductor containing Al and Ga, the emission wavelength is shifted to the longer wavelength side because the band gap is shorter as the Ga composition is higher. That is, in Example 1, the active layer 17 has a portion where the Ga is easily taken in and a portion where the Ga is difficult to be taken. As a result, the band gap is different depending on the location, so that the emission wavelength is increased. it is conceivable that. On the other hand, in Comparative Example 1, since there was no significant difference in the ease of Ga incorporation in the active layer 17, the band gap in the active layer 17 was made almost uniform depending on the location, resulting in an emission wavelength of It is thought that it became a single wavelength.
  • the active layer 17 is a region having a nonpolar surface 17 a as a growth surface (facet surface) (corresponding to a “first region”) near the boundary between the convex portion 13 a and the concave portion 13 b.
  • the active layer 17 in the [1-100] direction, is a region having a polar surface 17b as a growth surface (referred to as a “second region”) near the center of the convex portion 13a and the center of the concave portion 13b.
  • the active layer 17 takes in more Ga in the region having the nonpolar surface 17a as the growth surface than in the region having the polar surface 17b as the growth surface. It is suggested that it is growing.
  • the active layer 17 has a polarity that occupies the growth surface as a result of the narrowed region having the nonpolar surface 17a as the growth surface. It is considered that the ratio of the surface 17b is extremely high. That is, in the device of Comparative Example 1, it was considered that a region in which a relatively large amount of Ga could be taken in the active layer 17 could not be formed (or the number of the regions was small) compared to the device of Example 1. It is done.
  • a sub peak (peak of (b) in FIG. 5A) appears on the longer wavelength side than the peak emission wavelength indicated by the element of Comparative Example 1. Consistent with that.
  • the size of the unevenness (projection 13a and recess 13b) formed in step S3 is different from that in step S5 in that the active layer 17 has a different Ga composition in the direction in which the recess 13b and the projection 13a are adjacent.
  • the semiconductor light emitting device 1 capable of generating light of multiple wavelengths is realized by setting the range within which growth is possible.
  • the semiconductor light emitting device 1 shown in FIG. 1 can also be used as an LED device. This embodiment corresponds to the case where the semiconductor light emitting element 1 is used as an LED element.
  • the structure and the manufacturing method thereof will be described.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device 1 shown in FIG. 1 realized as an LED.
  • the second semiconductor layer 15 is configured as a first conductivity type (for example, n-type) semiconductor layer.
  • the second semiconductor layer 15 is composed of n-type Al X2 Ga 1 -X2 N (0 ⁇ x2 ⁇ 1).
  • the semiconductor light emitting device 1 shown in FIG. 7 includes a third semiconductor layer 19 formed of, for example, p-type Al x5 Ga 1 -X5 N (0 ⁇ x5 ⁇ 1) on the active layer 17.
  • An n-side electrode 21 made of, for example, Ti / Al is formed on a partly exposed surface of the second semiconductor layer 15, and ap layer made of, for example, Ni / Au is formed on the third semiconductor layer 19.
  • a side electrode 23 is formed. Then, bonding wires (not shown) are formed for the n-side electrode 21 and the p-type electrode 23, respectively.
  • steps S1 to S3 are executed in the same manner as described above. Thereafter, in step S4, as a source gas, in addition to ammonia, TMA, and TMG, methylsilane, tetraethylsilane, and the like for forming n-type impurities are included. Thereby, the second semiconductor layer 15 made of an n-type semiconductor is formed.
  • the second semiconductor layer 15 of the present embodiment is also formed with a growth surface 15a parallel to the nonpolar surface and a growth surface 15b parallel to the polar surface.
  • step S5 biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) for forming a p-type impurity is further included as a source gas in addition to ammonia, TMA and TMG. Grow.
  • the third semiconductor layer 19 made of p-type Al x5 Ga 1 -X5 N (0 ⁇ x4 ⁇ 1) is formed on the active layer 17.
  • the p-type contact layer made of p + -type GaN may be formed by changing the flow rate of the source gas.
  • the third semiconductor layer 19 and the active layer 17 formed in a part of the region are shaved by ICP etching to expose the upper surface of the second semiconductor layer 15.
  • an n-side electrode 21 made of, for example, Ti / Al is formed on the exposed second semiconductor layer 15.
  • a p-side electrode 23 made of, for example, Ni / Au is formed on the third semiconductor layer 19 (or p-type contact layer).
  • each element is isolate
  • step S2 After forming the first semiconductor layer 13 in step S2, irregularities are formed on the upper surface of the first semiconductor layer 13 in step S3, and then the second semiconductor layer 15 is formed in step S4.
  • the second semiconductor layer 15 may be realized with the same material as the first semiconductor layer 13.
  • the active layer 17 may be formed after another semiconductor layer is formed after the second semiconductor layer 15 is formed. That is, at least before the active layer 17 is formed, the first semiconductor layer 13 formed on the substrate 11 has been subjected to uneven processing, and the upper surface of the uneven surface is a nonpolar surface. A semiconductor layer having a growth surface on both polar surfaces may be formed.
  • the case where the extending direction of the convex portion 13a and the concave portion 13b is the ⁇ 11-20> direction has been described as an example. However, this is only an example, and the active layer 17 is nonpolar. If the growth surface 17a parallel to the surface and the growth surface 17b parallel to the polar surface can be grown, the extending direction of the projections and depressions may be other directions.
  • another semiconductor layer may be formed between the first semiconductor layer 13 and the second semiconductor layer 15.
  • the n-side electrode 21 is formed on the upper surface of the second semiconductor layer 15. It does n’t matter what you have.
  • the second semiconductor layer 15 is described as an n-type semiconductor layer
  • the third semiconductor layer 19 is described as a p-type semiconductor layer. This is not intended to exclude from the present invention a semiconductor light emitting device in which the p-type and the p-type are reversed.

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Abstract

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。　半導体発光素子は、基板と、基板の上層に形成され、基板とは反対側の面に凹凸形状を有する、窒化物半導体からなる第一半導体層と、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する。活性層は、基板の面に平行な方向に関して、Ｇａ組成が異なる領域を備えている。

Description

半導体発光素子及びその製造方法
　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。また、本発明は、前記半導体発光素子の製造方法に関する。
　近年、ＬＥＤを用いた紫外発光光源の用途が拡大しており、ＬＥＤを搭載した光照射装置が、殺菌、キュアリング、医療等の幅広い分野で検討されている。
　例えば、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。また特許文献１に記載されるように、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（発光波長の多波長化）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並べて実装する必要があり、実装が難しく、さらに装置の小型化が困難である。また、照射面での発光波長や強度が不均一になりやすく、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形状を有する、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、前記基板の面に平行な方向に関して、Ｇａ組成が異なる領域を備えていることを特徴とする。
　上記構成によれば、活性層の位置においてＧａ組成が異なることで、活性層の位置に応じてバンドギャップを異ならせることができる。これにより、活性層の位置に応じて異なる波長の光が生成されるため、一の発光素子によって多波長の光が生成される。
　上記構成において、前記第一半導体層は、前記基板とは反対側の面に、前記基板の面に平行な第一方向に延伸する凹部と、前記第一方向に延伸する凸部とを、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おり、
　前記活性層は、前記凹部と前記凸部の境界の上方に位置する領域が、前記第二方向に係る前記凹部の中心の上方に位置する領域、及び前記第二方向に係る前記凸部の中心の上方に位置する領域よりも、Ｇａ組成が高い構成としても構わない。
　また、前記活性層は、前記基板の面に平行な方向に関して、非極性面をファセット面とする第一領域と、極性面をファセット面とする第二領域とを交互に備え、前記第一領域内において、前記第二領域内よりもＧａ組成が高い構成としても構わない。
　本発明者の鋭意研究により、活性層を、極性面と非極性面の双方をファセット面として成長させた場合に、極性面をファセット面とする領域（第二領域）よりも、非極性面をファセット面とする領域（第一領域）の方がＧａ組成が高まることが確認された。よって、上記の構成のように、活性層が第一領域と第二領域を交互に備えることで、複数のピーク波長を有する光を生成することができる。
　前記第一領域内において、ファセット面が｛１－１０１｝面からなるものとしても構わない。なお、本明細書において、｛１－１０１｝面とは、（１－１０１）面、及びこの（１－１０１）面と結晶学的に等価な面、すなわち（１０－１１）面、（０１－１１）面、（０－１１１）面、（－１１０１）面、及び（－１０１１）面を含む概念である。
　本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、
　基板を準備する工程（ａ）と、
　前記基板の上層に、窒化物半導体からなる第一半導体層を形成する工程（ｂ）と、
　前記第一半導体層の面のうち、前記基板とは反対側の面に凹凸形状を形成する工程（ｃ）と、
　前記工程（ｃ）の後、前記第一半導体層の上層に、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程（ｄ）とを有し、
　前記工程（ｃ）は、
　　前記第一半導体層の面に、前記基板の面に平行な第一方向に延伸する凹部を、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離間して複数形成することで、前記凹部と、隣接する前記凹部に挟まれた領域に形成される凸部とを、前記第二方向に交互に形成する工程であり、
　　前記工程（ｄ）によって形成された前記活性層が、前記第二方向に関してＧａ組成が異なる領域を備えることを特徴とする。
　本発明者の鋭意研究により、前記工程（ｃ）を経て凹凸形状が形成された第一半導体層の面上に活性層を成長させることで、活性層を、凹部と凸部が隣接する方向（第二方向）に関してＧａ組成を異ならせて成長させることができることを見出した。これにより、活性層内において、位置に応じてバンドギャップを異ならせることができるため、複数のピーク波長を有する光を生成することのできる半導体発光素子が実現される。
　上記の方法において、前記工程（ｄ）によって形成された前記活性層は、前記凹部と前記凸部の境界の上方に位置する領域内が、前記第二方向に係る前記凹部の中心の上方に位置する領域内、及び前記第二方向に係る前記凸部の中心の上方に位置する領域内よりも、Ｇａ組成が高いものとしても構わない。
　この場合、活性層のうち、凹部と凸部の境界の上方に位置する領域から放射される光は、凹部の中心の上方、及び凸部の中心の上方に位置する領域から放射される光よりも、ピーク波長が長波長となる。この結果、活性層全体から複数のピーク波長を有する光が放射される。
　前記半導体発光素子の製造方法において、前記凹部の延伸方向を＜１１－２０＞方向としても構わない。
　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。
第一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。 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の発光スペクトルを示すグラフである。 比較例１の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例１の素子において、凹部と凸部が隣接する方向に関して、活性層の位置に応じたＧａ組成比を示すグラフである。 比較例１の素子において、凹部と凸部が隣接する方向に関して、活性層の位置に応じたＧａ組成比を示すグラフである。 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。
　［第一実施形態］
　本発明の第一実施形態につき、説明する。
　　＜半導体発光素子の構造＞
　図１は、第一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。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。
　なお、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、｛１－１０１｝面とは、（１－１０１）面、及びこの（１－１０１）面と結晶学的に等価な面、すなわち（１０－１１）面、（０１－１１）面、（０－１１１）面、（－１１０１）面、及び（－１０１１）面を含む概念である。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、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、成長面を（０００１）面、すなわちｃ面としている。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層で構成される。なお、ＡｌＮの他、一般式Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ1-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。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４Ｄ等を参照して後述するように、非極性面（例えば｛１－１０１｝面）に平行な成長面１５ａと、極性面（例えば｛０００１｝面）に平行な成長面１５ｂを有する。なお、第二半導体層１５は、ＡｌＮの他、一般式Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ1－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Ａｌx3Ｇａ1-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、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ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。なお、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。また本実施形態では、活性層１７は、第二半導体層１５と同様に、非極性面（例えば｛１－１０１｝面）に平行な成長面１７ａと、極性面（例えば｛０００１｝面）に平行な成長面１７ｂを有する。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。
　＜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２Ａ及び図２Ｂ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２Ａは、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、図２Ｂは、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２Ｂ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２Ａ及び図２Ｂ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３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２Ａ及び図２Ｂ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４Ａ～図４Ｄ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４Ａ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。
　本ステップＳ１が工程（ａ）に対応する。
　　（ステップＳ２）
　図４Ｂ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、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ1-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。
　本ステップＳ２が工程（ｂ）に対応する。
　　（ステップＳ３）
　図４Ｃ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４Ｃ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。
　本ステップＳ３が工程（ｃ）に対応する。
　　（ステップＳ４）
　図４Ｄ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、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ1-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を組成に応じた所定の流量で供給すればよい。
　基板１１の上面が露出しない深さを有する凹部１３ｂが形成された第一半導体層１３上に対して結晶を成長させることで、非極性面（ここでは｛１－１０１｝面）に平行な成長面１５ａ、及び極性面（ここでは｛０００１｝面）に平行な成長面１５ｂを有する第二半導体層１５が形成される。
　本ステップＳ４が工程（ｅ）に対応する。
　　（ステップＳ５）
　非極性面に平行な成長面１５ａ、及び極性面に平行な成長面１５ｂを有する第二半導体層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Ａｌx3Ｇａ1-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、Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ1-x3-y3Ｎ（０＜ｘ３≦１，０≦ｙ３≦１）／Ａｌx4Ｇａy4Ｉｎ1-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を組成に応じた所定の流量で供給すればよい。
　ステップＳ４において、非極性面に平行な成長面１５ａ、及び極性面に平行な成長面１５ｂを有する第二半導体層１５が形成されているため、この状態で本ステップＳ５においてエピタキシャル成長させることで、非極性面に平行な成長面１７ａ及び極性面に平行な成長面１７ｂを有する活性層１７が形成される。
　本ステップＳ５が工程（ｄ）に対応する。
　（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２Ａ、図２Ｂ及び図３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５Ａ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。）の発光スペクトルを示すグラフである。実施例１の素子は、ステップＳ３において、凸部１３ａの幅（図４Ｃにおける［１－１００］方向の長さ）を２０μｍとし、凸部１３ａの間隔、すなわち凹部１３ｂの幅を４０μｍとして製造された。
　図５Ａ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５において、（ａ）は実際に得られた発光スペクトルであり、（ｂ）、及び（ｃ）、及び（ｄ）は、（ａ）の発光スペクトルをガウシアンフィッティングすることで得られたグラフである。なお、（ｄ）のスペクトルは、（ｂ）及び（ｃ）のスペクトルを演算によって合計して得られたものである。
　図５Ｂは、実施例１と比べてステップＳ３における条件のみを異ならせて製造された半導体発光素子（以下、「比較例１」と呼ぶ。）の発光スペクトルを示すグラフである。比較例１の素子は、ステップＳ３において、凸部１３ａの幅を５μｍとし、凸部１３ａの間隔、すなわち凹部１３ｂの幅を５μｍとして製造された。なお、図５Ｂも、図５Ａと同様に、比較例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から比較例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５Ａによれば、実施例１の素子からは、波長２５２ｎｍ近傍をピーク波長とする光と、波長２６４ｎｍ近傍をピーク波長とする光が放射されていることが分かる。すなわち、実施例１の素子が備える活性層１７は、複数のピーク波長を有する光を生成していると認められる。これに対し、図５Ｂによれば、比較例１の素子からは波長２５８ｎｍ近傍をピーク波長とする単一ピークの光が放射されており、比較例１の素子が備える活性層１７は、単一のピーク波長を有する光を生成していると認められる。
　このように、第一半導体層１３に形成する凹凸の形状によって活性層１７から射出される光のピーク波長が単一になったり複数になったりする理由につき、本発明者は以下のように推察している。
　図６Ａは、実施例１の素子において、凸部１３ａと凹部１３ｂが隣接する方向（本実施形態では［１－１００］方向）に関して、活性層１７の位置に応じたＧａ組成比を示すグラフである。また、図６Ｂは、比較例１の素子について、同様に活性層１７の位置に応じたＧａ組成比を示したグラフである。いずれのグラフにおいても、縦軸は、活性層１７に含まれるＧａ組成比を示しており、横軸は、所定の箇所における凸部１３ａと凹部１３ｂの境界位置を原点としたときにおける、当該原点から［１－１００］方向の離間距離を示している。なお、参考のために、図６Ａには実施例１の素子が備える第一半導体層１３の凹凸の大きさを併記しており、図６Ｂには比較例１の素子が備える第一半導体層１３の凹凸の大きさを併記している。
　図６Ｂによれば、比較例１の素子では、活性層１７内において［１－１００］方向に移動しても活性層１７に含まれるＧａ組成比に大きな変化は見られない。これに対し、図６Ａによれば、実施例１の素子では、活性層１７内において、第一半導体層１３の凸部１３ａと凹部１３ｂの境界に近い位置では活性層１７のＧａ組成比が高く、前記境界から遠い位置では活性層１７のＧａ組成比が低いことが分かる。
　以上の点から、ステップＳ３で形成される凹凸の形状に応じて、ステップＳ５で形成される活性層１７の成長面に影響が及び、この結果、活性層１７内において、Ｇａの取り込まれやすい箇所とＧａの取り込まれにくい箇所が生じたものと推察される。ＡｌとＧａを含む窒化物半導体においては、Ｇａの組成が高くなるほど、バンドギャップが短くなる方向にシフトするため、発光波長は長波長側にシフトする。つまり、実施例１では、活性層１７内において、Ｇａの取り込まれやすい箇所と取り込まれにくい箇所が生じた結果、場所に応じてバンドギャップが異なったことで、発光波長が多波長化されたものと考えられる。他方、比較例１では、活性層１７内においてＧａの取り込まれやすさに大きな差異が生じなかったことで、活性層１７内におけるバンドギャップが場所に応じてほぼ均一化された結果、発光波長が単一波長になったものと考えられる。
　図１に模式的に示すように、凸部１３ａと凹部１３ｂの境界に近い箇所において、活性層１７は非極性面１７ａを成長面（ファセット面）とする領域（「第一領域」に対応）を有する。また、図１において、［１－１００］方向に関して、凸部１３ａの中心や凹部１３ｂの中心に近い箇所においては、活性層１７は極性面１７ｂを成長面とする領域（「第二領域」に対応）を有する。このことと、図６Ａの結果とを踏まえれば、ステップＳ５において、活性層１７は、非極性面１７ａを成長面とする領域では、極性面１７ｂを成長面とする領域に比べてＧａを多く取り込みながら成長していることが示唆される。
　これに対し、比較例１の素子においては、凸部１３ａの幅や間隔が小さかったために、活性層１７は、非極性面１７ａを成長面とする領域が狭くなった結果、成長面に占める極性面１７ｂの割合が極めて高くなったものと考えられる。つまり、比較例１の素子では、実施例１の素子と比べて、活性層１７内にＧａを比較的多く取り込みやすい領域を形成することができなかった（又はその領域が少なかった）ものと考えられる。このことは、図５Ａ及び図５Ｂを比較すると、実施例１の素子において、比較例１の素子が示すピーク発光波長よりも長波長側に、サブピーク（図５Ａにおける（ｂ）のピーク）が現れていることに整合する。
　以上によれば、ステップＳ３において形成される凹凸（凸部１３ａと凹部１３ｂ）の大きさを、ステップＳ５において、活性層１７が凹部１３ｂと凸部１３ａが隣接する方向に関してＧａ組成を異なせて成長できるような範囲内に設定することで、多波長の光を生成できる半導体発光素子１が実現される。
　［第二実施形態］
　本発明の第二実施形態につき、説明する。
　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７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ＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎ（０＜ｘ２≦１）で構成される。
　また、図７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Ａｌx5Ｇａ1-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７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内において、Ｇａ組成の異なる領域が存在するため、複数のピーク波長の有する光を発するＬＥＤ素子が実現される。
　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。第一実施形態と同様の理由により、本実施形態の第二半導体層１５においても、非極性面に平行な成長面１５ａ、及び極性面に平行な成長面１５ｂを有して形成される。
　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７に示すように、活性層１７の上層にｐ型Ａｌx5Ｇａ1-X5Ｎ（０＜ｘ４≦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、ＩＣＰエッチングにより、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に凹凸加工が施されており、且つ、当該凹凸加工面よりも上層に、非極性面と極性面の双方に成長面を有した半導体層が形成されていればよい。
　〈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が非極性面に平行な成長面１７ａ及び極性面に平行な成長面１７ｂ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
　　　１３ｂ　　：　　凹部
　　　１５　　　：　　第二半導体層
　　　１７　　　：　　活性層
　　　１９　　　：　　第三半導体層
　　　２１　　　：　　ｎ側電極
　　　２３　　　：　　ｐ側電極
　　　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 (11)

  1. 　半導体発光素子であって、
    　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する、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、前記基板の面に平行な方向に関して、Ｇａ組成が異なる領域を備えていることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 　前記第一半導体層は、前記基板とは反対側の面に、前記基板の面に平行な第一方向に延伸する凹部と、前記第一方向に延伸する凸部とを、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おり、
    　前記活性層は、前記凹部と前記凸部の境界の上方に位置する領域が、前記第二方向に係る前記凹部の中心の上方に位置する領域、及び前記第二方向に係る前記凸部の中心の上方に位置する領域よりも、Ｇａ組成が高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 　前記活性層は、前記基板の面に平行な方向に関して、非極性面をファセット面とする第一領域と、極性面をファセット面とする第二領域とを交互に備え、前記第一領域内において、前記第二領域内よりもＧａ組成が高い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. 　前記第一領域内において、ファセット面が｛１－１０１｝面からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
  5. 　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第二半導体層を有し、
    　前記第二半導体層は、前記基板の面に平行な方向に関して、非極性面をファセット面とする第一領域と、極性面をファセット面とする第二領域とを交互に備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体発光素子。
  6. 　前記活性層から射出される光が複数のピーク波長を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  7. 　半導体発光素子の製造方法であって、
    　基板を準備する工程（ａ）と、
    　前記基板の上層に窒化物半導体からなる第一半導体層を形成する工程（ｂ）と、
    　前記第一半導体層の面のうち、前記基板とは反対側の面に凹凸を形成する工程（ｃ）と、
    　前記工程（ｃ）の後、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程（ｄ）とを有し、
    　前記工程（ｃ）は、前記第一半導体層の面に、前記基板の面に平行な第一方向に延伸する凹部を、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離間して複数形成することで、前記凹部と、隣接する前記凹部に挟まれた領域に形成される凸部とを、前記第二方向に交互に形成する工程であり、
    　前記工程（ｄ）によって形成された前記活性層が、前記第二方向に関してＧａ組成が異なる領域を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  8. 　前記工程（ｄ）によって形成された前記活性層は、前記凹部と前記凸部の境界の上方に位置する領域内が、前記第二方向に係る前記凹部の中心の上方に位置する領域内、及び前記第二方向に係る前記凸部の中心の上方に位置する領域内よりも、Ｇａ組成が高いことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
  9. 　前記工程（ｄ）が、前記第二方向に関して、非極性面をファセット面とする第一領域と、極性面をファセット面とする第二領域とを交互に有した状態で前記活性層を形成する工程であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体発光素子の製造方法。
  10. 　前記工程（ｃ）の後、前記第一半導体層の上面に、前記第二方向に関して、非極性面をファセット面とする第一領域と、極性面をファセット面とする第二領域とを交互に有した状態で第二半導体層を形成する工程（ｅ）を有し、
    　前記工程（ｄ）が前記工程（ｅ）の後に実行されることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
  11. 　前記凹部の延伸方向が、＜１１－２０＞方向であることを特徴とする請求項７～１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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