特許 7614449 窒化物半導体紫外線発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-06

(45)【発行日】2025-01-15

(54)【発明の名称】窒化物半導体紫外線発光素子

(51)【国際特許分類】

   H10H 20/825 20250101AFI20250107BHJP

   H10H 20/821 20250101ALI20250107BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20250107BHJP

【ＦＩ】

H01L33/32

H01L33/24

H01L21/205

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2024515747

(86)(22)【出願日】2022-04-18

(86)【国際出願番号】 JP2022018020

(87)【国際公開番号】W WO2023203599

(87)【国際公開日】2023-10-26

【審査請求日】2024-05-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114476

【弁理士】

【氏名又は名称】政木 良文

(72)【発明者】

【氏名】長澤 陽祐

(72)【発明者】

【氏名】平野 光

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／２６０８４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２２／０５９１２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１５９２６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２２／０３８７６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２２／００９３０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／２６０８５０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内に存在する窒化物半導体紫外線発光素子であって、
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｎ型層、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された活性層、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備え、
前記ｎ型層と前記活性層と前記ｐ型層内の各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であり、
前記活性層が１層以上の井戸層を含む量子井戸構造を有し、
前記１層以上の井戸層の各井戸層の平均ＡｌＮモル分率が、０．２１以上０．２５未満の範囲内にあり、
前記各井戸層の平均膜厚が２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲内にあり、
前記１層以上の井戸層からの発光に、Ａｌ_１／４Ｇａ_３／４Ｎからの第１発光とＡｌ_１／６Ｇａ_５／６Ｎからの第２発光が混在しており、
前記窒化物半導体紫外線発光素子のＥＬスペクトルにおいて、前記第１発光のピーク波長である第１波長が、前記第２発光のピーク波長である第２波長より短く、前記第１波長おけるＥＬ強度が前記第２波長におけるＥＬ強度より大きいことを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。

【請求項2】

前記第１波長が、前記ＥＬ強度の２次導関数において極小値をとる複数の極値点の内、最小の極小値の極値点の波長であり、
前記第２波長が、前記複数の極値点から選択される前記第１波長より１０ｎｍ長波長の基準波長より長波長側に存在する１以上の極値点の内、最小の極小値の極値点の波長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。

【請求項3】

前記発光素子構造部が、主面が（０００１）面に対して０．３°より大きく１°以下の角度で傾斜している微傾斜基板のサファイア基板上に、ＡｌＧａＮ系半導体層を介して形成されてい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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなるピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内に存在する窒化物半導体紫外線発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、窒化物半導体発光素子は、サファイア等の基板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Ａｌ_{１－ｘ－ｙ}Ｇａ_ｘＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。

【0003】

発光ダイオードの発光素子構造は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の２つのクラッド層の間に、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系半導体の場合、ＡｌＮモル分率（Ａｌ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。具体的には、ｐ型窒化物半導体層からｎ型窒化物半導体層に向けて順方向電流を流すことで、活性層においてキャリア（電子及び正孔）の再結合による上記バンドギャップエネルギに応じた発光が生じる。当該順方向電流を外部から供給するために、ｐ型窒化物半導体層上にｐ電極が、ｎ型窒化物半導体層上にｎ電極が、夫々設けられている。

【0004】

活性層がＡｌＧａＮ系半導体の場合、活性層を挟むｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層は、活性層より高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮ系半導体で構成される。しかし、高ＡｌＮモル分率のｐ型窒化物半導体層は、ｐ電極と良好なオーミック接触を形成することが困難なため、ｐ型窒化物半導体層の最上層に低ＡｌＮモル分率のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体（具体的にはｐ－ＧａＮ）からなるｐ電極と良好なオーミック接触可能なｐ型コンタクト層を形成することが一般的に行われている。このｐ型コンタクト層は、ＡｌＮモル分率が活性層を構成するＡｌＧａＮ系半導体より小さいため、活性層からｐ型窒化物半導体層側に向けて出射された紫外線は該ｐ型コンタクト層で吸収され、素子外部に有効に取り出すことができない。このため、活性層がＡｌＧａＮ系半導体の一般的な紫外線発光ダイオードは、図１５に模式的に示すような素子構造を採用し、活性層からｎ型窒化物半導体層側に向けて出射された紫外線を素子外部に有効に取り出している（例えば、下記の特許文献１～３等参照）。

【0005】

図１５に示すように、一般的な紫外線発光ダイオードは、サファイア基板等の基板１００上にＡｌＧａＮ系半導体層１０１（例えば、ＡｌＮ層）を堆積して形成されたテンプレート１０２上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３、活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０５、及び、ｐ型コンタクト層１０６を順番に堆積し、活性層１０４とｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０５とｐ型コンタクト層１０６の一部を、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３が露出するまでエッチング除去し、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層１０３の露出面にｎ電極１０７を、ｐ型コンタクト層１０６の表面にｐ電極１０８を夫々形成して構成される。

【0006】

また、活性層内でのキャリア再結合による発光効率（内部量子効率）を高めるために、活性層を多重量子井戸構造とすること、活性層上に電子ブロック層を設けること等が実施されている。

【0007】

一方、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層で構成されるクラッド層内においてＧａの偏析（Ｇａの質量移動に伴う偏析）による組成変調が生じ、クラッド層表面に対して斜め方向に延伸する局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域が形成されることが報告されている（例えば、下記の特許文献４、非特許文献１，２等参照）。局所的にＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮ系半導体層はバンドギャップエネルギも局所的に小さくなるため、特許文献４では、当該クラッド層内のキャリアが層状領域に局在化し易くなり、活性層に対して低抵抗の電流経路を提供することができ、紫外線発光ダイオードの発光効率の向上が図れることが報告されている。

【0008】

更に、ｎ型クラッド層上に形成される多重量子井戸構造の活性層の各層の表面に（０００１）面に平行な多段状のテラスが表出し、ｎ型クラッド層と同様に、活性層の各層内でＧａの偏析による組成変調が生じ、隣接するテラス間を連結する（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域に、相対的にＡｌＮモル分率の低い領域が生成され、テラス領域に、相対的にＡｌＮモル分率の高い領域が生成され、ピーク発光波長の異なる傾斜領域からの発光とテラス領域からの発光が合成される結果、活性層全体のＥＬ（エレクトロルミネセンス）スペクトルにおいて複数ピークの重なりの生じ得ることが、非特許文献１で報告されている。

【0009】

また、下記の特許文献１には、上記Ｇａの偏析に伴う発光波長分布の広がり（半値全幅）は、発光波長が長い程大きくなる傾向があることが記載されている。更に、特許文献１の図１３には、井戸層を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率が３５％でオフ角が０．１５°、０．３°、１°の３つのサンプルのＥＬスペクトルが開示されており、オフ角が０．１５°、０．３°、１°と大きくなるに伴い、上記Ｇａの偏析が顕著となり、ピーク発光波長が約２８９ｎｍ～約２９９ｎｍの範囲で順次長くなるとともに、オフ角が０．３°を超えると発光波長分布の広がりが極端に広がることが分かる。

【0010】

また、下記の特許文献５及び６には、ＡｌＮモル分率がｎ／１２（但し、ｎは１～１１の整数）で表されるＡｌ_ｎ／１２Ｇａ_{１－ｎ／１２}Ｎ（Ａｌ_ｎＧａ_１２－ｎＮ_１２とも表記できる）が、ＡｌＮモル分率がｎ／１２以外のＡｌＧａＮより安定的に形成されることが報告されている。また、当該Ａｌ_ｎ／１２Ｇａ_{１－ｎ／１２}Ｎは、特許文献５及び６において「準安定ＡｌＧａＮ」と名付けられており、本明細書でもそのように呼称する。ここで、Ｇａの偏析によりｎ型クラッド層内に形成される局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域、及び、井戸層の傾斜領域に形成される局所的にＡｌＮモル分率の低い領域に、上記準安定ＡｌＧａＮを安定的に形成することで、結晶成長装置のドリフト等に起因する特性変動の抑制された窒化物半導体紫外線発光素子を提供できることが報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】国際公開第２０１３／０２１４６４号公報

【文献】国際公開第２０１４／１７８２８８号公報

【文献】国際公開第２０１６／１５７５１８号公報

【文献】国際公開第２０１９／１５９２６５号公報

【文献】国際公開第２０２１／２６０８５０号公報

【文献】国際公開第２０２２／０３８７６９号公報

【非特許文献】

【0012】

非特許文献1：Y. Nagasawa, et al., "Comparison of Al_xGa_1－xN multiple quantum wells designed for 265 and 285nm deep-ultraviolet LEDs grown on AlN templates having macrosteps", Applied Physics Express 12, 064009 (2019)
非特許文献2：K. Kojima, et al., "Carrier localization structure combined with current micropaths in AlGaN quantum wells grown on an AlN template with macrosteps", Applied Physics letter 114, 011102 (2019)
非特許文献3：Shigeaki Sumiya, et al., "AlGaN-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes Grown on Epitaxial AlN/Sapphire Templates", Journal of Applied Physics, Vol. 47, NO. 1, 2008, pp.43-46

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上記特許文献５及び６に開示されている窒化物半導体紫外線発光素子では、上記特許文献４、非特許文献１，２に開示されているように、ｎ型クラッド層内にＧａの偏析によって形成される局所的にＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮ系半導体層の層状領域を、井戸層の傾斜領域にＧａの偏析によって同様に形成される相対的にＡｌＮモル分率の低い領域に対して集中的に電流を供給する低抵抗の電流経路とし、更に、当該傾斜領域に上記準安定ＡｌＧａＮを安定的に形成することで、紫外線発光ダイオードの発光効率の向上と結晶成長装置のドリフト等に起因する特性変動の抑制の両立が図られている。

【0014】

しかし、上記特許文献５及び６では、準安定ＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率ｎ／１２の整数ｎが１～３と小さい場合、つまり、Ｇａの組成比が大きい準安定ＡｌＧａＮでは、１０００℃付近の成長温度において、Ｇａの質量移動が激しく原子配列の対称性が乱れ、ＡｌとＧａの原子配列はランダムな状態に近くなり、安定度が他の準安定ＡｌＧａＮと比べて低下すると考えられていたため、井戸層の傾斜領域に形成される準安定ＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率ｎ／１２の整数ｎとして４以上が想定されていた。この場合、井戸層からの発光は、ＡｌＮモル分率ｎ／１２の準安定ＡｌＧａＮが形成されている傾斜領域からの発光が支配的となる。整数ｎ＝４の準安定ＡｌＧａＮの場合、井戸層の傾斜領域の膜厚を５～１４ＭＬ（単原子層（monolayer））の範囲内で設定すると、一例として、ピーク発光波長は２７７～３１５ｎｍの範囲内に制御し得る。

【0015】

アトピー性皮膚炎の紫外線治療、ＵＶインクの硬化等に有用なピーク発光波長が３１０ｎｍ付近にある紫外線発光を、整数ｎ＝４の準安定ＡｌＧａＮを井戸層の傾斜領域に形成して実現するには、理論上は、傾斜領域の膜厚を１４ＭＬ程度まで厚くすれば良い。しかしながら、一般的に、井戸層の膜厚を３．５ｎｍ（約１３．６ＭＬ）以上に厚くすると安定した発光が得られ難くなるという問題がある。

【0016】

量子井戸構造の井戸層からのピーク発光波長は、井戸層のＡｌＮモル分率と膜厚に応じて変化するが、更に、井戸層内における活性層の下方側に形成されるｎ型ＡｌＧａＮ層及び更に下方側のＡｌＮ層等から受ける（０００１）面に平行な方向の応力等の影響により変動する。従って、ピーク発光波長は、後述のバリア層に対する緩和率（ｆ_Ｒ）をパラメータとする井戸層のＡｌＮモル分率と膜厚の関数として与えられる。ここで、緩和率ｆ_Ｒは、当該応力の影響を示す指標として、バリア層及びｎ型ＡｌＧａＮ層の格子定数つまりＡｌＮモル分率の関数として与えられ、ピーク発光波長を井戸層のＡｌＮモル分率と膜厚の関数として表現する場合のフィッティング・パラメータとして機能する。

【0017】

更に、緩和率ｆ_Ｒの違いによるピーク発光波長の変動幅は、井戸層の膜厚が１０ＭＬを超えて１４ＭＬに向けて大きくなるほど大きくなる傾向がある。また、ピーク発光波長が３００ｎｍ以上の波長範囲では、活性層の下方側に形成されるｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率を６０％程度以下に抑えることが好ましいという事情がある。更に、後述するように、活性層の各層の表面に表出する（０００１）面に平行な多段状のテラスの表面上にも、傾斜領域に比べて段数の少ない１段（１段の高さは１ＭＬ）また２段程度の微小な段差が生じており、１素子の井戸層全体での膜厚の変動が２ＭＬを超える場合がある。

【0018】

従って、井戸層の傾斜領域の膜厚を１４ＭＬ程度まで厚くし、整数ｎ＝４の準安定ＡｌＧａＮを井戸層の傾斜領域に形成できるようにしても、ピーク発光波長が３１０ｎｍ付近の紫外線発光を安定的に実現するのは、現実的には困難である。

【0019】

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、ピーク発光波長が３１０ｎｍ付近の窒化物半導体紫外線発光素子を安定して提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本願発明者は、鋭意研究により、整数ｎが４以上の準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_ｎ／１２Ｇａ_{１－ｎ／１２}Ｎ）に比べて安定度が低いと考えられていた整数ｎが３及び２のＡｌ_３／１２Ｇａ_９／１２ＮとＡｌ_２／１２Ｇａ_{１０／１２}Ｎも、準安定ＡｌＧａＮとして井戸層内に安定的に形成され得ることを、複数のウェハ上の多数のダイからのＥＬスペクトルに対して統計的に分析を行って確認し、更に、整数ｎが２及び３の２種類の準安定ＡｌＧａＮを、前者を井戸層の傾斜領域に、後者をテラス領域に形成することにより、テラス領域からの発光を有効に利用して、ピーク発光波長が３１０ｎｍ付近の窒化物半導体紫外線発光素子を安定して作製し得ることを確認し、以下に詳細に説明する本発明に至った。尚、上記統計的分析の内容については、本願における「不利にならない開示又は新規性喪失の例外に関する申立て」の対象としている下記の２０２２年３月２９日公開の刊行物に詳細に開示されており、また、Ａｌ_３／１２Ｇａ_９／１２ＮとＡｌ_２／１２Ｇａ_{１０／１２}Ｎが、整数ｎが４以上の準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_ｎ／１２Ｇａ_{１－ｎ／１２}Ｎ）に比べて安定度が低下するものの、準安定ＡｌＧａＮとして機能し得ることは上記特許文献５及び６に開示されているので、本願明細書では重複する説明は省略する。
［刊行物］
Y. Nagasawa, et al., "Dual-peak electroluminescence spectra generated from Al_n/12Ga_1-n/12N (n = 2, 3, 4) for AlGaN-based LEDs with nonflat quantum wells", Journal of Physics D: Applied Physics 55 (2022) 255102

【0021】

本発明は、上記目的を達成するために、ピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内に存在する窒化物半導体紫外線発光素子であって、
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｎ型層、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された活性層、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備え、
前記ｎ型層と前記活性層と前記ｐ型層内の各半導体層が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であり、
前記活性層が１層以上の井戸層を含む量子井戸構造を有し、
前記１層以上の井戸層の各井戸層の平均ＡｌＮモル分率が、０．２１以上０．２５未満の範囲内にあり、
前記各井戸層の平均膜厚が２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲内にあり、
前記１層以上の井戸層からの発光に、Ａｌ_１／４Ｇａ_３／４Ｎからの第１発光とＡｌ_１／６Ｇａ_５／６Ｎからの第２発光が混在しており、
前記窒化物半導体紫外線発光素子のＥＬスペクトルにおいて、前記第１発光のピーク波長である第１波長が、前記第２発光のピーク波長である第２波長より短く、前記第１波長おけるＥＬ強度が前記第２波長におけるＥＬ強度より大きい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。

【0022】

尚、ＡｌＧａＮ系半導体とは、一般式Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表されるが、バンドギャップエネルギがＧａＮとＡｌＮが取り得るバンドギャップエネルギを夫々下限及び上限とする範囲内であれば、ＢまたはＩｎ等の３族元素またはＰ等の５族元素等の不純物を微量に含んでいてもよい。また、ＧａＮ系半導体とは、基本的にＧａとＮで構成される窒化物半導体であるが、Ａｌ、ＢまたはＩｎ等の３族元素またはＰ等の５族元素等の不純物を微量に含んでいてもよい。また、ＡｌＮ系半導体とは、基本的にＡｌとＮで構成される窒化物半導体であるが、Ｇａ、ＢまたはＩｎ等の３族元素またはＰ等の５族元素等の不純物を微量に含んでいてもよい。従って、本願では、ＧａＮ系半導体及びＡｌＮ系半導体は、それぞれＡｌＧａＮ系半導体の一部である。

【0023】

更に、ｎ型またはｐ型ＡｌＧａＮ系半導体は、ドナーまたはアクセプタ不純物としてＳｉまたはＭｇ等がドーピングされたＡｌＧａＮ系半導体である。本願では、ｐ型及びｎ型と明記されていないＡｌＧａＮ系半導体は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体を意味するが、アンドープであっても、不可避的に混入する程度の微量のドナーまたはアクセプタ不純物は含まれ得る。また、本明細書において、ＡｌＧａＮ系半導体層、ＧａＮ系半導体層、及びＡｌＮ系半導体層は、それぞれ、ＡｌＧａＮ系半導体、ＧａＮ系半導体、及びＡｌＮ系半導体で構成された半導体層である。

【0024】

次に、準安定ＡｌＧａＮの特徴について簡単に説明する。準安定ＡｌＧａＮを考慮しなければ、ＡｌＧａＮ等の三元混晶は、ランダムに３族元素（ＡｌとＧａ）が混合している結晶状態であり、「ランダム・コンフィグレーション（ｒａｎｄｏｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）」で近似的に説明される。しかし、Ａｌの共有結合半径とＧａの共有結合半径が異なるため、結晶構造中においてＡｌとＧａの原子配列の対称性が高いほうが、一般的に安定な構造となる。

【0025】

ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体は、対称性のないランダム配列と安定な対称配列の２種類の配列が存在し得る。ここで、一定の比率で、対称配列が支配的となる状態が現れる。上述したＡｌＧａＮ組成比（ＡｌとＧａとＮの組成比）が所定の整数比で表される「準安定ＡｌＧａＮ」において、ＡｌとＧａの対称配列構造が発現する。

【0026】

当該対称配列構造では、結晶成長面へのＧａ供給量が僅かに増減しても、対称性が高いためにエネルギ的に安定な混晶モル分率となり、質量移動（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ）し易いＧａの濃度が制御不能となるのを防止できる。

【0027】

上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、各井戸層の平均ＡｌＮモル分率が、整数ｎ＝３及びｎ＝２の２種類の準安定ＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率の中間値（０．２０８）と整数ｎ＝３の準安定ＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率（０．２５）の間に設定されているため、各井戸層内でのＧａの質量移動によって、各井戸層のテラス領域に整数ｎ＝３の準安定ＡｌＧａＮであるＡｌ_１／４Ｇａ_３／４Ｎが安定的に形成され、テラス領域の膜厚が３ＭＬを超えてばらついても、ピーク発光波長が３１５ｎｍ付近の第１波長となる第１発光を出力し、各井戸層の傾斜領域及びテラス領域内の微小な段差部に、整数ｎ＝２の準安定ＡｌＧａＮであるＡｌ_１／６Ｇａ_５／６Ｎが安定的に形成され、ピーク発光波長が第１波長より長い第２波長となり、第２波長におけるＥＬ強度が、第１発光の第１波長におけるＥＬ強度より小さい第２発光を出力し、全体として、第１発光と第２発光の合成ＥＬスペクトルのピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内となる。

【0028】

上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、一実施態様において、前記第１波長が、前記ＥＬ強度の２次導関数において極小値をとる複数の極値点の内、最小の極小値の極値点の波長であり、前記第２波長が、前記複数の極値点から選択される前記第１波長より１０ｎｍ長波長の基準波長より長波長側に存在する１以上の極値点の内、最小の極小値の極値点の波長である。

【0029】

更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、他の実施態様において、前記発光素子構造部が、主面が（０００１）面に対して０．３°より大きく１°以下の角度で傾斜している微傾斜基板のサファイア基板上に、ＡｌＧａＮ系半導体層を介して形成されている。

【0030】

上記他の実施態様によれば、各井戸層において多段状のテラスが表出するとともに、井戸層内でのＧａの質量移動の傾斜領域への集中がある程度抑制され、テラス領域にＡｌ_１／４Ｇａ_３／４Ｎの準安定ＡｌＧａＮが安定的に形成され得る。

【発明の効果】

【0031】

上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ピーク発光波長が３１０ｎｍ付近の窒化物半導体紫外線発光素子を安定して提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図。

【図2】図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子の活性層の多重量子井戸構造の一例を模式的に示した要部断面図。

【図3】図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子の活性層の単一量子井戸構造の一例を模式的に示した要部断面図。

【図4】図２及び図３に示す傾斜領域ＩＡのより詳細な構造を模式的に示す図。

【図5】図２及び図３に示すテラス領域ＴＡのより詳細な構造を模式的に示す図。

【図6】ＡＦＭ装置で測定した井戸層表面の断面プロファイルを示す図。

【図7】図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子を図１の上側から見た場合の構造の一例を模式的に示した平面図。

【図8】井戸層内でのＧａの質量移動に伴いＡｌ富化井戸領域に形成される第１準安定ＡｌＧａＮとＧａ富化井戸領域に形成される第２準安定ＡｌＧａＮの膜厚に応じたＡｌＮモル分率の変化を模式的に示す図。

【図9】第１及び第２準安定ＡｌＧａＮの各ＥＬスペクトルが、図８に示す第１及び第２準安定ＡｌＧａＮの膜厚に応じて変化した複数のＡｌＮモル分率に対応した発光の合成スペクトルとなることを模式的に示す図。

【図10】ＥＬスペクトルが２つに分離したピークを有する場合と１つのピークと１つのショルダーピークを有する場合を模式的に示す図。

【図11】窒化物半導体紫外線発光素子の実施例及び比較例のウェハ状態で測定したＥＬスペクトルのピーク発光波長の分布を示すグラフ。

【図12】窒化物半導体紫外線発光素子の実施例のウェハ状態で測定したＥＬスペクトルを示すグラフ。

【図13】第１及び第２準安定ＡｌＧａＮの各ピーク発光波長と膜厚の関係を示すグラフ。

【図14】ＥＬスペクトルのピーク及びショルダーピークとＥＬ強度の２次導関数の極小値との関係を説明する図。

【図15】一般的な紫外線発光ダイオードの素子構造の一例を模式的に示した要部断面図。

【発明を実施するための形態】

【0033】

本発明の実施形態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。）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の模式図では、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。

【0034】

＜発光素子の素子構造＞
図１に示すように、発光素子１は、サファイア基板１１を含む下地部１０と、複数のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４、ｐ電極２６、及び、ｎ電極２７を含む発光素子構造部２０とを備える。発光素子１は、発光素子構造部２０側（図１における上側）を実装用の基台（サブマウント等）に向けて実装される（フリップチップ実装される）ものであり、光の取出方向は下地部１０側（図１における下側）である。尚、本明細書では、説明の便宜上、サファイア基板１１の主面１１ａ（または、下地部１０及び各ＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４の上面）に垂直な方向を「上下方向」と称し、下地部１０から発光素子構造部２０に向かう方向を上方向、その逆を下方向とする。

【0035】

下地部１０は、サファイア基板１１と、サファイア基板１１の主面１１ａ上に直接形成されたＡｌＮ層１２を備えて構成される。サファイア基板１１は、主面１１ａが（０００１）面に対して一定の範囲内（例えば、０．３°超～１°以下程度）の角度（オフ角）で傾斜し、主面１１ａ上に多段状のテラスが表出している微傾斜基板である。尚、オフ角を設ける方向（具体的には、（０００１）面を傾ける方向であり、例えばｍ軸方向やａ軸方向等）は、後述するようにＡｌＮ層１２から電子ブロック層２３までの各半導体層の表面に多段状のテラスが表出する限りにおいて、任意に決定してもよい。

【0036】

ＡｌＮ層１２は、サファイア基板１１の主面からエピタキシャル成長したＡｌＮ結晶で構成され、このＡｌＮ結晶はサファイア基板１１の主面１１ａに対してエピタキシャルな結晶方位関係を有している。具体的には、例えば、サファイア基板１１のＣ軸方向（＜０００１＞方向）とＡｌＮ結晶のＣ軸方向が揃うように、ＡｌＮ結晶が成長する。尚、ＡｌＮ層１２を構成するＡｌＮ結晶は、微量のＧａやその他の不純物を含んでいてもよいＡｌＮ系半導体層であってもよい。本実施形態では、ＡｌＮ層１２の膜厚として、２μｍ～３μｍ程度を想定している。尚、下地部１０の構造及び使用する基板等は、上述した構成に限定されるものではない。例えば、ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ系半導体層２１の間に、ＡｌＮモル分率が当該ＡｌＧａＮ系半導体層２１のＡｌＮモル分率以上のＡｌＧａＮ系半導体層を備えていてもよい。

【0037】

発光素子構造部２０のＡｌＧａＮ系半導体層２１～２４は、下地部１０側から順に、ｎ型クラッド層２１（ｎ型層）、活性層２２、電子ブロック層２３（ｐ型層）、及び、ｐ型コンタクト層２４（ｐ型層）を順にエピタキシャル成長させて積層した構造を備えている。

【0038】

本実施形態では、サファイア基板１１の主面１１ａから順番にエピタキシャル成長した下地部１０のＡｌＮ層１２、及び、発光素子構造部２０のｎ型クラッド層２１と活性層２２内の各半導体層と電子ブロック層２３は、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有する。尚、ｐ型層のｐ型コンタクト層２４については、電子ブロック層２３上にエピタキシャル成長により形成されるため、同様の多段状のテラスが形成され得るが、必ずしも同様の多段状のテラスが形成された表面を有していなくてもよい。

【0039】

尚、図１に示すように、発光素子構造部２０の内、活性層２２、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４は、ｎ型クラッド層２１の上面の第２領域Ｒ２上に積層された部分が、エッチング等によって除去され、ｎ型クラッド層２１の上面の第１領域Ｒ１上に形成されている。そして、ｎ型クラッド層２１の上面は、第１領域Ｒ１を除く第２領域Ｒ２において露出している。ｎ型クラッド層２１の上面は、図１に模式的に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２間で高さが異なっている場合があり、その場合は、ｎ型クラッド層２１の上面は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２において個別に規定される。

【0040】

ｎ型クラッド層２１は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成され、ｎ型クラッド層２１内に、ｎ型クラッド層２１内で局所的にＡｌＮモル分率の低い層状領域２１ａが一様に分散して存在する。層状領域２１ａは、「背景技術」で上述したように、ｎ型クラッド層２１の表面に対して斜め方向に延伸しており、バンドギャップエネルギが局所的に小さくなるため、キャリアが局在化し易くなり、低抵抗の電流経路として機能する。

【0041】

好ましい一実施態様として、層状領域２１ａ内にＡｌＮモル分率がｐ／１２（但し、ｐは５～８の整数）で表されるｎ型の準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_ｐ／１２Ｇａ_{１－ｐ／１２}Ｎ）が支配的に存在する。但し、上述したように、ピーク発光波長が３００ｎｍ以上の波長範囲では、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率を６０％程度以下に抑えることが好ましいため、整数ｐは５、６または７の何れかが好ましい。

【0042】

更に、上記好ましい一実施態様において、ｎ型クラッド層２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｎａは、層状領域２１ａ内の準安定ＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率Ｘｎｓ（＝ｐ／１２）を基準として、（Ｘｎｓ＋２％）～（Ｘｎｓ＋７％）の範囲内に設定するのが好ましい。

【0043】

本実施形態では、ｎ型クラッド層２１の膜厚として、一般的な窒化物半導体紫外線発光素子で採用されている膜厚と同様に、１μｍ～２μｍ程度を想定しているが、当該膜厚は、２μｍ～４μｍ程度であってもよい。

【0044】

活性層２２は、ＡｌＧａＮ系半導体（ＡｌＮ系半導体とＧａＮ系半導体を除く）で構成される１層以上の井戸層２２０とＡｌＧａＮ系半導体またはＡｌＮ系半導体で構成される１層以上のバリア層２２１を交互に積層した単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を備える。最下層の井戸層２２０とｎ型クラッド層２１の間には、バリア層２２１を必ずしも設ける必要はない。また、本実施形態では、最上層の井戸層２２０と電子ブロック層２３の間には、バリア層２２１を設けていないが、好ましい一実施態様として、バリア層２２１より薄膜でＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層を設けても良い。

【0045】

電子ブロック層２３は、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体またはｐ型ＧａＮ系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２４は、典型的にはｐ－ＧａＮで構成される。

【0046】

図２に、活性層２２における井戸層２２０及びバリア層２２１の積層構造（多重量子井戸構造）の一例を模式的に示す。図２では、井戸層２２０とバリア層２２１がそれぞれ３層の場合を例示する。ｎ型クラッド層２１上に、バリア層２２１、井戸層２２０の順に３層分が積層されており、最上層の井戸層２２０上に電子ブロック層２３が位置している。

【0047】

図３に、活性層２２における井戸層２２０及びバリア層２２１の積層構造（単一量子井戸構造）の一例を模式的に示す。図３では、井戸層２２０とバリア層２２１がそれぞれ１層の場合を例示する。ｎ型クラッド層２１上に、バリア層２２１と井戸層２２０が順に積層されている。図３に示す例では、好ましい一実施態様として、井戸層２２０と電子ブロック層２３の間に、バリア層２２１より薄膜でＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層２２３が形成されている。

【0048】

図２及び図３に示される井戸層２２０、バリア層２２１、及び、電子ブロック層２３におけるテラスＴが多段状に成長する構造は、上記非特許文献１及び２に開示されているように、公知の構造である。各層において横方向に隣接するテラスＴ間には、上述したように、（０００１）面に対して傾斜した傾斜領域ＩＡが形成されている。傾斜領域ＩＡ以外の上下がテラスＴで挟まれた領域を、テラス領域ＴＡと称す。本実施形態では、１つのテラスＴの奥行（隣接する傾斜領域ＩＡ間の距離）は数１０ｎｍ～数１００ｎｍが想定される。従って、傾斜領域ＩＡ内に階段状に表出する（０００１）面は、多段状のテラスＴのテラス面とは区別される。図４に、例えば、１つの井戸層２２０の傾斜領域ＩＡの表面に表出する階段状構造（マクロステップ構造）を模式的に示す。

【0049】

更に、図２及び図３に模式的に示したテラス領域ＴＡ内には、図５に模式的に示すように、段数が１段の単一ステップＳ１及び段数が２～３段程度の小マクロステップＳ２が形成され、テラス領域ＴＡの表面（テラスＴ）は完全な平坦面ではない。この単一ステップＳ１及び小マクロステップＳ２は、図４に示すような傾斜領域ＩＡを形成する更に段数の多い大マクロステップＳ３とは明確に区別される。尚、単一ステップＳ１の高さ、及び、小マクロステップＳ２と傾斜領域ＩＡの大マクロステップＳ３の１段の高さは１ＭＬである。尚、マクロステップの場合、図４に模式的に示すように、２段以上が連続して見かけ上１段となる場合があり得る。

【0050】

図６に、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）装置で測定した井戸層表面の断面プロファイルを示す。横軸及び縦軸に示す数値の単位はナノメータ（ｎｍ）である。横軸はテラス面と平行になるように設定してあるが、完全には一致しておらず、図６に示す箇所では、テラス面は横軸に対して平均的に僅かに右上がりの傾斜面となっている。図６に示すように、断面プロファイル上において、傾斜領域ＩＡに相当する５～６段程度の大マクロステップＳ３と、２段程度の小マクロステップＳ２と、単一ステップＳ１の存在が、それぞれ確認できる。尚、図６では、傾斜領域ＩＡは右下がりの傾斜となっているのに対して、図２～図５の模式図では、右上がりの傾斜として左右が反転して図示されているが、表示上の差異であって、実質的な差異ではない。

【0051】

図２及び図３に模式的に示すように、井戸層２２０の各層において、テラス領域ＴＡから傾斜領域ＩＡへのＧａの質量移動により、ＡｌＮモル分率が井戸層２２０内の平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａより低いＧａ富化井戸領域２２０ａが傾斜領域ＩＡ内に形成されている。また、Ｇａ富化井戸領域２２０ａは、テラス領域ＴＡ内の単一ステップＳ１及び小マクロステップＳ２においても形成され得る。更に、Ｇａ富化井戸領域２２０ａの形成に伴い、つまり、テラス領域ＴＡから傾斜領域ＩＡ等へのＧａの質量移動により、テラス領域ＴＡ内の一部において、Ａｌの密度が相対的に増加して、ＡｌＮモル分率が平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａより高いＡｌ富化井戸領域が形成される。

【0052】

本実施形態では、活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルのピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内となるように、井戸層２２０の平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａは、０．２１以上０．２５未満、より好ましくは、０．２２以上０．２５未満の範囲内に設定される。この結果、上記Ｇａの質量移動に伴い、Ｇａ富化井戸領域２２０ａに、ＡｌＮモル分率が平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａより低い準安定ＡｌＧａＮのＡｌ_２／１２Ｇａ_{１０／１２}Ｎが形成され、更に、Ａｌ富化井戸領域に、ＡｌＮモル分率が平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａより高い準安定ＡｌＧａＮのＡｌ_３／１２Ｇａ_９／１２Ｎが形成される。以下、説明の便宜上、Ａｌ富化井戸領域に形成される準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_３／１２Ｇａ_９／１２Ｎ）を第１準安定ＡｌＧａＮと、Ｇａ富化井戸領域２２０ａに形成される準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_２／１２Ｇａ_{１０／１２}Ｎ）を第２準安定ＡｌＧａＮと、それぞれ称する。第１及び第２準安定ＡｌＧａＮは、整数ｎが３と２の場合の準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_ｎ／１２Ｇａ_{１－ｎ／１２}Ｎ）であり、各ＡｌＮモル分率をそれぞれ記号Ｘｗ１とＸｗ２で示すと、Ｘｗ１＝３／１２、Ｘｗ２＝２／１２であり、Ｘｗ２＜Ｘｗａ＜Ｘｗ１となっている。

【0053】

井戸層２２０の膜厚は、平均膜厚が２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲内において、活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルのピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内となるように設定される。具体的には、第１準安定ＡｌＧａＮからの発光（第１発光）のピーク波長（第１波長）が、同じく３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内となるように、テラス領域ＴＡ内のＡｌ富化井戸領域の膜厚が所定の範囲内に制御される。このため、本実施形態では、井戸層２２０からの発光において、第１準安定ＡｌＧａＮからの発光（第１発光）と第２準安定ＡｌＧａＮからの発光（第２発光）が混在する状態で、第１発光が第２発光より支配的に存在している必要がある。具体的には、第１発光のピーク波長（第１波長）における第１発光のＥＬ強度（第１ピークＥＬ強度）の方が、第２発光のピーク波長（第２波長）における第２発光のＥＬ強度（第２ピークＥＬ強度）より大きい必要がある。尚、第１及び第２ピークＥＬ強度、及び、井戸層２２０の膜厚については、後述の「発光素子のＥＬスペクトル」の項で、詳細に検討する。

【0054】

好ましい一実施態様として、井戸層２２０と同様に、バリア層２２１においても、傾斜領域ＩＡ内にＡｌＮモル分率がバリア層２２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｂａより低いＧａ富化バリア領域２２１ａが形成され、更に、テラス領域ＴＡ内の一部に、ＡｌＮモル分率がバリア層２２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｂａより高いＡｌ富化バリア領域が形成されていても良い。

【0055】

バリア層２２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｂａは、例えば、概ね５１％～９０％の範囲内に設定されている。また、バリア層２２１の膜厚は、テラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡを含めて、例えば、６ｎｍ～８ｎｍの範囲内に設定されている。

【0056】

好ましい一実施態様として、井戸層２２０と同様に、電子ブロック層２３においても、傾斜領域ＩＡ内にＡｌＮモル分率が電子ブロック層２３の平均ＡｌＮモル分率Ｘｅａより低いＧａ富化ＥＢ領域２３ａが形成され、更に、テラス領域ＴＡ内の一部に、ＡｌＮモル分率が電子ブロック層２３の平均ＡｌＮモル分率Ｘｅａより高いＡｌ富化ＥＢ領域が形成されていても良い。

【0057】

電子ブロック層２３の平均ＡｌＮモル分率Ｘｅａは、例えば、概ね６０％～９０％の範囲内に設定されている。また、電子ブロック層２３の膜厚は、テラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡを含めて、例えば、１５ｎｍ～３０ｎｍの範囲内に設定されている。

【0058】

ｎ型クラッド層２１、バリア層２２１、及び電子ブロック層２３の平均ＡｌＮモル分率Ｘｎａ、Ｘｂａ、及びＸｅａは、井戸層２２０の平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａと同様に、ｎ型クラッド層２１、バリア層２２１、及び電子ブロック層２３の各成膜時におけるＡｌＮモル分率の目標値またはその近傍値となる。

【0059】

ｐ電極２６は、例えばＮｉ／Ａｕ等の多層金属膜で構成され、ｐ型コンタクト層２４の上面に形成される。ｎ電極２７は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等の多層金属膜で構成され、ｎ型クラッド層２１の第２領域Ｒ２内の露出面上の一部の領域に形成される。尚、ｐ電極２６及びｎ電極２７は、上述の多層金属膜に限定されるものではなく、各電極を構成する金属、積層数、積層順などの電極構造は適宜変更してもよい。図７に、ｐ電極２６とｎ電極２７の発光素子１の上側から見た形状の一例を示す。図７において、ｐ電極２６とｎ電極２７の間に存在する線ＢＬは、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界線を示しており、活性層２２、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４の外周側壁面と一致する。

【0060】

本実施形態では、図７に示すように、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状は、一例として、櫛形形状のものを採用しているが、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状及び配置等は、図７の例示に限定されるものではない。

【0061】

ｐ電極２６とｎ電極２７間に順方向バイアスを印加すると、ｐ電極２６から活性層２２に向けて正孔が供給され、ｎ電極２７から活性層２２に向けて電子が供給され、供給された正孔及び電子の夫々が活性層２２に到達して再結合することで発光する。また、これにより、ｐ電極２６とｎ電極２７間に順方向電流が流れる。

【0062】

＜発光素子の製造方法＞
次に、図１に例示した発光素子１の製造方法の一例について説明する。

【0063】

先ず、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、下地部１０に含まれるＡｌＮ層１２及び発光素子構造部２０に含まれる窒化物半導体層２１～２４を、サファイア基板１１上に順番にエピタキシャル成長させて積層する。このとき、ｎ型クラッド層２１にはドナー不純物として例えばＳｉをドーピングし、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４にはアクセプタ不純物として例えばＭｇをドーピングする。

【0064】

本実施形態では、少なくともＡｌＮ層１２、ｎ型クラッド層２１、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、及び、電子ブロック層２３の各表面に（０００１）面に平行な多段状のテラスを表出させるために、サファイア基板１１は、主面１１ａが（０００１）面に対して一定の範囲内（例えば、０．３°超～１°以下程度まで）の角度（オフ角）で例えばｍ軸方向またはａ軸方向に傾斜し、主面１１ａ上に多段状のテラスが表出している微傾斜基板を使用する。

【0065】

斯かるエピタキシャル成長の条件として、上述の微傾斜基板の（０００１）サファイア基板１１の使用に加えて、例えば、多段状のテラスが表出し易い成長速度（具体的に例えば、成長温度、原料ガスやキャリアガスの供給量や流速等の諸条件を適宜設定することで、当該成長速度を達成する）等が挙げられる。尚、これらの諸条件は、成膜装置の種類や構造によって異なり得るため、成膜装置において実際に幾つかの試料を作製して、これらの条件を特定すればよい。

【0066】

有機金属化合物気相成長法で使用する原料ガス（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、アンモニアガス）やキャリアガスの供給量及び流速は、上述した発光素子構造部２０に含まれる窒化物半導体層２１～２４のそれぞれの平均ＡｌＮモル分率（ｎ型クラッド層２１：Ｘｎａ、井戸層２２０：Ｘｗａ、バリア層２２１：Ｘｂａ、電子ブロック層２３：Ｘｅａ）を目標値として設定される。窒化物半導体層２１～２４に対する成長速度（ｎｍ／ｈ）及びＶ／ＩＩＩ比（Ｖ族元素原料ガスとＩＩＩ族元素原料ガスの供給比率）の最適値は各層で異なり得るが、一例として、井戸層２２０に対しては、概ね、成長速度は、３００～６００ｎｍ／ｈの範囲内、Ｖ／ＩＩＩ比は３０００～５０００の範囲内で設定するのが好ましい。尚、窒化物半導体層２１～２４のそれぞれの平均ＡｌＮモル分率及び膜厚の好適な範囲については「発光素子の素子構造」の欄で上述したので重複する記載は省略する。

【0067】

ｎ型クラッド層２１の成長条件として、成長開始直後に、ＡｌＮ層１２の上面に形成された多段状のテラス間の段差部（傾斜領域）にＧａの質量移動によって層状領域２１ａの成長開始点が形成され、引き続き、ｎ型クラッド層２１のエピタキシャル成長に伴い、層状領域２１ａが、Ｇａの質量移動に伴う偏析によって斜め上方に向かって成長できるように、成長温度、成長圧力、及び、ドナー不純物濃度が選択される。

【0068】

具体的には、成長温度としては、Ｇａの質量移動の生じ易い１０５０℃以上で、良好なｎ型ＡｌＧａＮが調製可能な１１５０℃以下が好ましい。成長圧力としては、７５Ｔｏｒｒ以下が良好なＡｌＧａＮの成長条件として好ましく、成膜装置の制御限界として１０Ｔｏｒｒ以上が現実的であり好ましい。ドナー不純物濃度は、１×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^－３程度が好ましい。また、ドナー不純物濃度は、ｎ型クラッド層２１の膜厚に対して、必ずしも上下方向に均一に制御する必要はない。尚、上記成長温度及び成長圧力等は、一例であって、使用する成膜装置に応じて適宜最適な条件を特定すればよい。

【0069】

上記要領で、層状領域２１ａとｎ型本体領域２１ｂを有するｎ型クラッド層２１が形成されると、ｎ型クラッド層２１の上面の全面に、引き続き、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４等を形成する。

【0070】

電子ブロック層２３のアクセプタ不純物濃度は、一例として、１．０×１０^１６～１．０×１０^１８ｃｍ^－３程度が好ましく、ｐ型コンタクト層２４のアクセプタ不純物濃度は、一例として、１．０×１０^１８～１．０×１０^２０ｃｍ^－３程度が好ましい。また、アクセプタ不純物濃度は、電子ブロック層２３及びｐ型コンタクト層２４の各膜厚に対して、必ずしも上下方向に均一に制御する必要はない。

【0071】

活性層２２の形成において、基本的にはｎ型クラッド層２１と同様の要領で、上述した多段状のテラスが表出し易い成長条件で、井戸層２２０の平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａを目標値として井戸層２２０を成長させ、更に、バリア層２２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｂａを目標値として、バリア層２２１を成長させる。

【0072】

但し、本実施形態では、上述したように、井戸層２２０の平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａが０．２１以上０．２５未満の範囲内に設定され、Ｇａの質量移動に伴い、Ｇａ富化井戸領域２２０ａに、ＡｌＮモル分率が平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａより低い第２準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_２／１２Ｇａ_{１０／１２}Ｎ）が形成され、Ａｌ富化井戸領域に、ＡｌＮモル分率が平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａより高い第１準安定ＡｌＧａＮ（Ａｌ_３／１２Ｇａ_９／１２Ｎ）が形成される。更に、発光素子１のピーク発光波長を３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内に収めるには、上述のように、第１準安定ＡｌＧａＮからの第１発光が第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光より支配的に存在している必要がある。従って、上述したようにサファイア基板１１のオフ角の上限を１°程度に制限するとともに、更に、第２発光が第１発光より支配的とならないように、Ｇａの質量移動による第２準安定ＡｌＧａＮの過度な形成を抑制するために、井戸層２２０の成長温度をｎ型クラッド層２１の成長温度以下の１０５０℃以下に制御するのが好ましい。尚、平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａが０．２１以上０．２５未満の範囲内で高めに設定される場合、及び／または、サファイア基板１１のオフ角が０．３°～０．４°付近に設定される等、テラス領域ＴＡでのＧａの質量移動が相対的に抑制される方向に設定されている場合は、井戸層２２０の成長温度は、必ずしも１０５０℃以下に制御しない場合もあり得る。

【0073】

電子ブロック層２３の形成において、ｎ型クラッド層２１と同様の要領で、上述した多段状のテラスが表出し易い成長条件で、電子ブロック層２３の平均ＡｌＮモル分率Ｘｅａを目標値として電子ブロック層２３を成長させる。

【0074】

上記要領で、ｎ型クラッド層２１の上面の全面に、活性層２２（井戸層２２０、バリア層２２１）、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４等が形成されると、次に、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法により、窒化物半導体層２１～２４の第２領域Ｒ２を、ｎ型クラッド層２１の上面が露出するまで選択的にエッチングして、ｎ型クラッド層２１の上面の第２領域Ｒ２部分を露出させる。そして、電子ビーム蒸着法などの周知の成膜法により、エッチングされていない第１領域Ｒ１内のｐ型コンタクト層２４上にｐ電極２６を形成するとともに、エッチングされた第２領域Ｒ２内のｎ型クラッド層２１上にｎ電極２７を形成する。尚、ｐ電極２６及びｎ電極２７の一方または両方の形成後に、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等の周知の熱処理方法により熱処理を行ってもよい。

【0075】

尚、発光素子１は、一例として、サブマウント等の基台にフリップチップ実装された後、シリコーン樹脂や非晶質フッ素樹脂等の所定の樹脂（例えば、レンズ形状の樹脂）によって封止された状態で使用され得る。

【0076】

＜発光素子のＥＬスペクトル＞
先ず、発光素子１のＥＬスペクトルの特徴について、図５、図８～図１３を参照して説明する。

【0077】

図５に模式的に示したように、井戸層２２０のテラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡには、単一ステップＳ１、小マクロステップＳ２、及び、大マクロステップＳ３が形成され、井戸層２２０の表面は原子層レベルで平坦ではなく、井戸層２２０内の膜厚も原子層レベルで均一ではない。一例として、図８に模式的に示すように、単一ステップＳ１と小マクロステップＳ２を除くテラス領域ＴＡに主として形成されるＡｌ富化井戸領域の主たる膜厚ｔＴ１をｍＭＬとすると、膜厚ｔＴ１より１ＭＬ薄い（ｍ－１）ＭＬの膜厚ｔＴ０が存在し得る。但し、ｍは８～１４の範囲内の整数である。一方、テラス領域ＴＡ内の単一ステップＳ１と小マクロステップＳ２、及び、傾斜領域ＩＡに主として形成されるＧａ富化井戸領域２２０ａの主たる膜厚ｔＳ１を（ｍ＋ｋ）ＭＬとすると、膜厚ｔＳ１より１ＭＬ薄い（ｍ＋ｋ－１）ＭＬの膜厚ｔＳ０、膜厚ｔＳ１より１ＭＬ厚い（ｍ＋ｋ＋１）ＭＬの膜厚ｔＳ２、膜厚ｔＳ１より２ＭＬ厚い（ｍ＋ｋ＋２）ＭＬの膜厚ｔＳ３が存在し得る。但し、ｋは０以上の整数であり、Ｇａの質量移動が大きいほど大きくなる傾向がある。一実施態様では、ｋとして１～４程度が想定される。

【0078】

図８に示す一例では、井戸層２２０を平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａが０．２１以上０．２５未満の範囲内となるように成長させると、Ｇａの質量移動に伴い、ＡｌＮモル分率が２／１２で、膜厚が（ｍ＋ｋ－１）～（ｍ＋ｋ＋２）ＭＬの４種類の第２準安定ＡｌＧａＮが、Ｇａ富化井戸領域２２０ａに形成され、ＡｌＮモル分率が３／１２で、膜厚が（ｍ－１）ＭＬとｍＭＬの２種類の第１準安定ＡｌＧａＮが、Ａｌ富化井戸領域に形成される場合が想定される。

【0079】

井戸層２２０内に膜厚の異なる２種類の第１準安定ＡｌＧａＮと膜厚の異なる４種類の第２準安定ＡｌＧａＮが形成されると、図９に模式的に示すように、第１準安定ＡｌＧａＮからの第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）は、膜厚ｔＴ１（ｍＭＬ）のＥＬスペクトル（ピーク発光波長＝λ（３，ｍ））と膜厚ｔＴ０（（ｍ－１）ＭＬ）のＥＬスペクトル（ピーク発光波長＝λ（３，ｍ－１））の合成スペクトルとなり、第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）は、膜厚ｔＳ１（（ｍ＋ｋ）ＭＬ）のＥＬスペクトル（ピーク発光波長＝λ（２，ｍ＋ｋ））と膜厚ｔＳ０（（ｍ＋ｋ－１）ＭＬ）のＥＬスペクトル（ピーク発光波長＝λ（２，ｍ＋ｋ－１））と膜厚ｔＳ２（（ｍ＋ｋ＋１）ＭＬ）のＥＬスペクトル（ピーク発光波長＝λ（２，ｍ＋ｋ＋１））と膜厚ｔＳ３（（ｍ＋ｋ＋２）ＭＬ）のＥＬスペクトル（ピーク発光波長＝λ（２，ｍ＋ｋ＋２））との合成スペクトルとなる。そして、活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルは、第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）と第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）の合成スペクトルとなる。

【0080】

第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）においては、Ａｌ富化井戸領域の主たる膜厚ｔＴ１からの発光が支配的となる。膜厚ｔＴ１（ｍＭＬ）のＥＬスペクトルのピーク発光波長λ（３，ｍ）と第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）のピーク発光波長（第１波長、λ１）とは必ずしも一致せず、Δλ３のオフセットが生じ得る。当該オフセットΔλ３は、井戸層２２０の膜厚、Ｇａの質量移動の程度等のウェハ内でのバラツキの影響で、ウェハ内において発光素子１のダイ毎に変化する。

【0081】

第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）においても、同様に、Ｇａ富化井戸領域２２０ａの主たる膜厚ｔＳ１からの発光が支配的となる。膜厚ｔＳ１（（ｍ＋ｋ）ＭＬ）のＥＬスペクトルのピーク発光波長λ（２，ｍ＋ｋ）と第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）のピーク発光波長（第２波長、λ２）とは必ずしも一致せず、Δλ２のオフセットが生じ得る。当該オフセットΔλ２は、井戸層２２０の膜厚、Ｇａの質量移動の程度等のウェハ内でのバラツキの影響で、ウェハ内において発光素子１のダイ毎に変化する。

【0082】

図９では、活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルにおいて、第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）と第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）の各ピークが２つに分離し、それぞれが独立ピークである場合を例示した。しかし、井戸層２２０の平均ＡｌＮモル分率Ｘｗａ、井戸層２２０の膜厚、サファイア基板１１のオフ角、井戸層２２０の成長温度等のバラツキにより、ウェハ内でＧａの質量移動の程度にバラツキが生じ、第１発光のピーク発光波長λ１と第２発光のピーク発光波長λ２の差が短くなるとともに、第２発光のＥＬ強度が第１発光に対して相対的に低下すると、第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）のピークが、図１０の左側に模式的に示すような第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）から分離した独立ピークとして発現せず、図１０の右側に模式的に示すように、第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）の長波長側の肩部分に発光強度の膨らみ（ショルダーピーク）として発現する場合がある。尚、本明細書では、独立ピークは、ＥＬスペクトルの波長が独立ピークの波長（ピーク波長）より短波長側から単調に増加した場合に、ＥＬ強度が、波長が該ピーク波長に至るまで単調に増加し、該ピーク波長となった時点で極大値を取り、波長が該ピーク波長より更に増加すると単調に減少する場合の該ピーク波長におけるピークとして定義される。

【0083】

本実施形態の発光素子１は、活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルのピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内であれば、第２発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ２）のピークが、第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）から分離した独立ピークとして発現する場合と、第１発光のＥＬスペクトル（ＥＬＳ１）の長波長側の肩部分に発光強度の膨らみ（ショルダーピーク）として発現する場合の両方を含む。つまり、本実施形態の発光素子１では、第１発光のＥＬスペクトルのピークは、常に独立ピークであり、第２発光のＥＬスペクトルのピークは、独立ピークまたはショルダーピークの何れか一方である。

【0084】

次に、第１発光のピーク発光波長（第１波長、λ１）と第２発光のピーク発光波長（第２波長、λ２）の特定方法について説明する。

【0085】

活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルのＥＬ強度を波長を変数とする関数で表し、該ＥＬ強度の２次導関数において極小値をとる複数の極値点を抽出する。第１波長λ１は、当該複数の極値点の内、最小の極小値の極値点の波長として特定される。第２波長λ２は、当該複数の極値点から選択される第１波長λ１より１０ｎｍ長波長の基準波長より更に長波長側に存在する１以上の極値点の内、最小の極小値の極値点の波長として特定される。

【0086】

当該特定方法によれば、合計３以上の独立ピークとショルダーピークが混在していても、的確に第１波長λ１と第２波長λ２を特定し得る。例えば、ＥＬスペクトルに第１波長λ１より短波長側または長波長側に第１発光に由来するショルダーピークの存在が認められる場合、或いは、ＥＬ強度の２次導関数において測定誤差に伴う微小な極値点が存在する場合でも、当該ショルダーピーク或いは微小な極値点の波長が誤って第２波長λ２として特定されることが回避される。当該特定方法による第１波長λ１と第２波長λ２の具体例については、図１４を参照して後述する。

【0087】

尚、第１波長λ１は、当該特定方法ではなく、ＥＬ強度が最大値となる波長、または、該ＥＬ強度の１次導関数における１以上の零点の内、当該零点におけるＥＬ強度が最大値となる波長としても特定し得る。更に、第２波長λ２も、第２発光のピークが独立ピークである場合は、第１波長λ１より長波長側の波長範囲において、ＥＬ強度が最大値となる極大点の波長、または、該ＥＬ強度の１次導関数における１以上の零点の内、当該零点におけるＥＬ強度が最大値となる波長としても特定し得る。

【0088】

次に、ウェハ状態における発光素子１のＥＬスペクトルの測定結果について、図１１及び図１２を参照して説明する。発光素子１の２種類のウェハ（Ｗ１及びＷ２）と比較例のウェハ（ＷＲ）を上述の製造方法の項で説明した要領で、井戸層の成長温度を１０３０℃～１０８０℃の範囲内（予想値）で制御して作製した。ウェハＷ１及びＷ２には、オフ角１．０°（ｍ軸方向）のｃ（０００１）サファイア基板を使用し、ウェハＷＲには、オフ角０．２°（ｍ軸方向）のｃ（０００１）サファイア基板を使用した。

【0089】

ウェハ毎に、外部量子効率が０．０３％以上のチップの中からウェハ毎に、ウェハの中心線上に原料ガスの流入方向に沿って約４０チップを選択し、合計約１２０チップのＥＬスペクトルを、分光器の付属したオートプローバを用いて測定した。使用した分光器の波長分解能は０．８ｎｍである。

【0090】

ＥＬスペクトルの測定に使用した３種類のウェハＷ１，Ｗ２，ＷＲは何れも、下から順に、ｎ型クラッド層２１、バリア層２２１、井戸層２２０、ＡｌＮ層２２３、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４が積層された図３に示す発光素子構造部２０を備え、活性層２２は、各１層の井戸層２２０とバリア層２２１からなる単一量子井戸構造である。ｎ型クラッド層２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｎａは約４５％であり、同膜厚は１．７μｍである。バリア層２２１の平均ＡｌＮモル分率Ｘｂａは約６７％であり、同膜厚は約８ｎｍである。井戸層２２０の平均ＡｌＮモル分率Ｘｎｗは約２１～２４％であり、同膜厚は、ウェハ間及びウェハ内でバラツキがあり、ウェハＷ１，Ｗ２については、測定したＥＬスペクトル及び井戸層２２０の成長条件から２．５～３．５ｎｍの範囲内にあると推測される。ＡｌＮ層２２３の膜厚は約２ｎｍである。電子ブロック層２３の平均ＡｌＮモル分率Ｘｅａは約６７％であり、同膜厚は約３０ｎｍである。ｐ型コンタクト層２４は膜厚約２５ｎｍのｐ型ＧａＮ層で構成されている。

【0091】

図１１に、３種類のウェハＷ１，Ｗ２，ＷＲのウェハ状態での各チップ（ダイシング前）のピーク発光波長の分布状態を示す。尚、図１１の散布図は、縦軸がピーク発光波長（ｎｍ）を示し、横軸が各チップのウェハ内での位置を示す。図１１中、大小２種類の白丸がウェハＷ１のピーク発光波長、大小２種類の黒丸がウェハＷ１のピーク発光波長、×印がウェハＷＲのピーク発光波長をそれぞれ示している。図１１より、発光素子１の２種類のウェハＷ１，Ｗ２では、ＥＬスペクトル内に第１準安定ＡｌＧａＮからの第１発光と第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光が混在するため、第１発光のピーク波長である第１波長λ１は、ウェハＷ１の場合、ウェハ端部の３チップを除き、３００ｎｍ～３０５ｎｍの範囲内に収まり、ウェハＷ２の場合、ウェハ中央の１チップを除き、３００ｎｍ～３１１ｎｍの範囲内に収まり、第２発光のピーク波長である第２波長λ２は、ウェハＷ１の場合、ウェハ端部の２チップを除き、３２３ｎｍ～３２９ｎｍの範囲内に収まり、ウェハＷ２の場合、ウェハ中央と端部の各１チップを除き、３２４ｎｍ～３３５ｎｍの範囲内に収まっていることが分かる。また、第１波長λ１と第２波長λ２の差は、ウェハ端部等の上記特定の数チップを除き、１７ｎｍ～２６ｎｍの範囲内に収まっている。尚、第２発光の第２波長λ２におけるピークには、独立ピークとショルダーピークの両方が含まれる。

【0092】

また、サファイア基板のオフ角が０．２°の比較例のウェハＷＲでは、発光素子構造部２０の各半導体層２１～２４が、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成される表面構造とはなっておらず、井戸層２２０内でのＧａの質量移動が、第２準安定ＡｌＧａＮが形成される程度には顕著には発生せず、その結果、各チップのＥＬスペクトルにおいて、第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光は確認されなかった。図１１より、比較例のウェハＷＲの場合、第１発光のピーク波長である第１波長λ１は、３０１ｎｍ～３１１ｎｍの範囲内に収まっていることが分かる。尚、オフ角が０．３°以下のサファイア基板では、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成されないことは、上記非特許文献３に報告されている。

【0093】

ウェハ状態における発光素子１のＥＬスペクトルの測定では、使用したサファイア基板のオフ角は１．０°のみであるが、オフ角が１．０°を超えて増大すると、Ｇａの質量移動がより促進されるため、第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光のピークが顕著な独立ピークとなり、第１準安定ＡｌＧａＮからの第１発光より支配的な存在となり得るため、サファイア基板のオフ角は、１．０°以下とするのが好ましい。更に、ウェハＷ２内には、第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光の第２波長λ２でのＥＬ強度（第２ピークＥＬ強度）が、第１準安定ＡｌＧａＮからの第１発光の第１波長λ１でのＥＬ強度（第１ピークＥＬ強度）より大きいチップが一部混在しているため、サファイア基板のオフ角は、１．０°未満とするのがより好ましく、０．９°以下とするのが更に好ましい。

【0094】

また、発光素子構造部２０の各半導体層２１～２４に、（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成されるためには、サファイア基板のオフ角は、０．３°より大きくする必要がある。尚、上記非特許文献３の図２（ｂ）に表示されているオフ角が０．３°のサファイア基板上に形成されたＡｌＮ層表面のＡＦＭ像には、平坦な結晶成長面上に六角柱または六角錘状のヒロック（hillock）の形成が確認できるとともに、多段状のテラスが形成されるステップフロー成長の痕跡となる三角形状のファセットの発生の兆候も確認できる。また、上記非特許文献４の図３に示されるように、オフ角が０．４８°のサファイア基板上に形成されたＡｌＮ層表面のＡＦＭ像では、上記多段状のテラス及び三角形状のファセットが明確に形成されていることが確認できる。よって、サファイア基板のオフ角の下限は、（０００１）面に平行な多段状のテラスの形成を条件として決定され、その値は、０．３°より大きく、約０．３５°～０．４５°の範囲内と推定される。

【0095】

図１２に、発光素子１の２種類のウェハＷ１，Ｗ２から選択されたウェハＷ１の３チップ（Ｓ１１～Ｓ１３）及びウェハＷ２の６チップ（Ｓ２１～Ｓ２６）の各ＥＬスペクトルを、ウェハ別に示す。同じウェハ内の複数チップの各ＥＬスペクトルは、下から順に、Ｓ１１～Ｓ１３、及び、Ｓ２１～Ｓ２６となるように、縦軸をずらして重ねて表示する。図１２の縦軸は規格化されたＥＬ強度であり、横軸は波長（ｎｍ）である。更に、下記の表１に、ウェハＷ１，Ｗ２から選択された上記９チップのＥＬスペクトルに対して、ＥＬ強度の２次導関数を用いて第１発光のピーク発光波長（第１波長、λ１）と第２発光のピーク発光波長（第２波長、λ２）を算出した結果を示す。

【0096】

【表1】

【0097】

図１３に、第１準安定ＡｌＧａＮ（ｎ＝３）からの第１発光及び第２準安定ＡｌＧａＮ（ｎ＝２）からの第２発光の各ピーク発光波長のシミュレーション結果をグラフ化して示す。井戸層２２０の膜厚は６ＭＬ～１５ＭＬの範囲内で変化させた。シミュレーションに際しては、発光素子１の２種類のウェハＷ１，Ｗ２の素子構造及び成長条件を考慮して、緩和率ｆ_Ｒを０．５に設定した。図１３のシミュレーション結果から得られる、第１発光の一部を構成する膜厚がｍＭＬの第１準安定ＡｌＧａＮからの発光のピーク発光波長λ（３，ｍ）と第２発光の一部を構成する膜厚が（ｍ＋ｋ）ＭＬの第２準安定ＡｌＧａＮからの発光のピーク発光波長λ（２，ｍ＋ｋ）の波長差は、ｋ＝０の場合、ｍ＝８～１４において、約９．７ｎｍ～１３ｎｍであり、ｍが大きいほど大きくなり、ｋが１～４と大きくなると更に大きくなる。よって、第１発光のピーク発光波長である第１波長λ１と第２発光のピーク発光波長である第２波長λ２の波長差（λ２－λ１）は１０ｎｍより大きくなる。

【0098】

更に、下記の表２に、図１３のシミュレーション結果から得られる、第１発光の一部を構成する膜厚がｍＭＬの第１準安定ＡｌＧａＮからの発光のピーク発光波長λ（３，ｍ）、（但し、ｍ＝８～１３）と、第２発光の一部を構成する膜厚が（ｍ＋ｋ）ＭＬの第２準安定ＡｌＧａＮからの発光のピーク発光波長λ（２，ｍ＋ｋ）、（但し、ｍ＋ｋ＝１１～１５）を示す。

【0099】

【表2】

【0100】

図１２及び表１に示す発光素子１のウェハＷ１，Ｗ２上のチップＳ１１～１３，２１～２６の第１波長λ１及び第２波長λ２と、図１３及び表２に示す、井戸層２２０の膜厚が単原子層（ＭＬ）単位で段階的に変化した場合の第１準安定ＡｌＧａＮからの発光のピーク発光波長λ（３，ｍ）と第２準安定ＡｌＧａＮからの発光のピーク発光波長λ（２，ｍ＋ｋ）を対比した結果を、表３及び表４に示す。

【0101】

【表3】

【0102】

【表4】

【0103】

表３及び表４に示す対比結果より、第１準安定ＡｌＧａＮが形成される井戸層２２０のＡｌ富化井戸領域（主として、単一ステップＳ１と小マクロステップＳ２を除くテラス領域ＴＡ）の膜厚は、ウェハＷ１では、９～１０ＭＬの範囲内に分布しており、ウェハＷ２では、１０～１２ＭＬの範囲内に分布していることが分かる。更に、第２準安定ＡｌＧａＮが形成される井戸層２２０のＧａ富化井戸領域２２０ａ（主として単一ステップＳ１、小マクロステップＳ２、傾斜領域ＩＡ）の膜厚は、ウェハＷ１では、１２～１３ＭＬの範囲内に分布しており、ウェハＷ２では、１２～１５ＭＬの範囲内に分布していることが分かる。

【0104】

ここで、チップ別のＡｌ富化井戸領域の平均膜厚ｔＡＲａとＧａ富化井戸領域２２０ａの平均膜厚ｔＧＲａは、図１３に示すピーク発光波長と膜厚の関係から当該チップの第１波長λ１と第２波長λ２に対応する膜厚として導出できる。そして、表３及び表４に示す結果より、Ａｌ富化井戸領域の平均膜厚ｔＡＲａの方が、Ｇａ富化井戸領域２２０ａの平均膜厚ｔＧＲａより小さいことが分かる。

【0105】

井戸層２２０のテラス領域ＴＡ及び傾斜領域ＩＡに亘る平均膜厚は、井戸層２２０の成長条件から推測し得るが、正確に測定することは困難である。しかし、井戸層２２０全体に示すテラス領域ＴＡと傾斜領域ＩＡの面積は、テラス領域ＴＡの面積の方が傾斜領域ＩＡの面積より数倍以上大きいので、井戸層２２０の平均膜厚ｔＱＷａは、Ａｌ富化井戸領域の平均膜厚ｔＡＲａとＧａ富化井戸領域２２０ａの平均膜厚ｔＧＲａの平均値ｔＡＧａよりＡｌ富化井戸領域の平均膜厚ｔＡＲａ寄りである。これを不等式で表せば、
ｔＡＲａ＜ｔＱＷａ＜ｔＡＧａ＝（ｔＡＲａ＋ｔＧＲａ）／２
となる。つまり、Ａｌ富化井戸領域の平均膜厚ｔＡＲａと、平均膜厚ｔＡＲａと平均膜厚ｔＧＲａの平均値ｔＡＧａの両方が、２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲内にあれば、井戸層２２０の平均膜厚ｔＱＷａも、当該の範囲内にあると簡易的に判定できる。ここで、１ＭＬの値は、ＡｌＧａＮの組成比によって僅かに変化するが、概ね１ｎｍ＝３．８７～３．８８ＭＬであるので、２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下をＭＬに換算すると、（７．７４～７．７９）ＭＬ以上、（１３．５４５～１３．５８）ＭＬ以下となる。

【0106】

表１に示すウェハＷ１，Ｗ２のチップＳ１１～Ｓ１３，Ｓ２１～Ｓ２６の各第１波長λ１と第２波長λ２から図１３に示すピーク発光波長と膜厚の関係から得られる平均膜厚ｔＡＲａと平均膜厚ｔＧＲａは、表３及び表４の結果から概算すると、ウェハＷ１のチップＳ１１～Ｓ１３では、ｔＡＲａ＝９～９．５ＭＬ、ｔＧＲａ＝１２．２６～１２．４９ＭＬとなり、平均膜厚ｔＡＲａと平均値ｔＡＧａの両方が、（７．７４～７．７９）ＭＬ以上、（１３．５４５～１３．５８）ＭＬ以下という要件を満たしていることが分かる。更に、ウェハＷ２のチップＳ２１～Ｓ２６では、ｔＡＲａ＝１０．１～１１．１９ＭＬ、ｔＧＲａ＝１２．０９～１４．０６ＭＬとなり、平均膜厚ｔＡＲａと平均値ｔＡＧａの両方が、（７．７４～７．７９）ＭＬ以上、（１３．５４５～１３．５８）ＭＬ以下という要件を満たしていることが分かる。

【0107】

次に、第１波長λ１と第２波長λ２を、活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルのＥＬ強度の２次導関数を用いて特定する方法について、ウェハＷ１のチップＳ１１のＥＬスペクトル（第２発光のピークがショルダーピーク）と、ウェハＷ２のチップＳ２４のＥＬスペクトル（第２発光のピークが独立ピーク）の２例を用いて、具体的に説明する。

【0108】

図１４の左側に、チップＳ１１のＥＬ強度とその２次導関数の各グラフを上下に並べて表示し、図１４の右側に、チップＳ２４のＥＬ強度とその２次導関数の各グラフを上下に並べて表示する。

【0109】

図１４の左側に示すように、波長が３０２．９ｎｍ（第１波長λ１）において、チップＳ１１の上側のＥＬ強度の関数曲線上に、第１発光の独立ピークが存在し、下側のＥＬ強度の２次導関数曲線上に、最小の極小値の極値点が存在することが確認できる。そして、波長が３０２．９ｎｍ（第１波長λ１）より長波長側の３２４．９ｎｍ（第２波長λ２）において、チップＳ１１の上側のＥＬ強度の関数曲線上に、第２発光のショルダーピークが存在し、下側のＥＬ強度の２次導関数曲線上に、第１波長λ１より１０ｎｍ長波長の基準波長より長波長側における最小の極小値の極値点が存在することが確認できる。

【0110】

図１４の右側に示すように、波長が３０９．８ｎｍ（第１波長λ１）において、チップＳ２４の上側のＥＬ強度の関数曲線上に、第１発光の独立ピークが存在し、下側のＥＬ強度の２次導関数曲線上に、最小の極小値の極値点が存在することが確認できる。そして、波長が３０９．８ｎｍ（第１波長λ１）より長波長側の３３３．３ｎｍ（第２波長λ２）において、チップＳ１１の上側のＥＬ強度の関数曲線上に、第２発光の独立ピークが存在し、下側のＥＬ強度の２次導関数曲線上に、第１波長λ１より１０ｎｍ長波長の基準波長より長波長側における最小の極小値の極値点が存在することが確認できる。

【0111】

以上、図１４に示す２つの具体例より、第２発光のピークがショルダーピークと独立ピークの何れであっても、上述の活性層２２からの紫外線発光のＥＬスペクトルのＥＬ強度の２次導関数を用いて、第１波長λ１と第２波長λ２を算出できることが明らかになったものと思料する。

【0112】

以上、詳細に説明したように、発光素子１は、井戸層２２０からの発光において、第１準安定ＡｌＧａＮからの第１発光と第２準安定ＡｌＧａＮからの第２発光が混在する状態で、第１発光が第２発光より支配的に存在している点に特徴がある。

【0113】

一般的に、ピーク発光波長が約２８５ｎｍ以上の窒化物半導体紫外線発光素子では、約２８５ｎｍ未満の場合と比較して、井戸層２２０を構成するＡｌＧａＮ系半導体のＡｌＮモル分率が低いため、相対的に点欠陥となるＡｌ空孔が少なくなっており、井戸層２２０内のテラス領域ＴＡに到達した正孔は、傾斜領域ＩＡよりＡｌＮモル分率の高いテラス領域ＴＡ内で発光再結合して、傾斜領域ＩＡより短波長での発光が生じる。発光素子１は、このテラス領域ＴＡでの発光再結合を有効に利用して、内部量子効率の高い３１０ｎｍ付近のピーク発光波長を実現するものである。

【0114】

［別実施形態］
（１）上記実施形態の発光素子１では、発光素子構造部２０を構成するｐ型層は、電子ブロック層２３とｐ型コンタクト層２４の２層であったが、電子ブロック層２３とｐ型コンタクト層２４の間に１層以上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体で構成されたｐ型クラッド層を備えた構成としても良い。尚、ｐ型クラッド層にドーピングするアクセプタ不純物としては、電子ブロック層２３、及び、ｐ型コンタクト層２４と同様にＭｇを使用し得る。

【0115】

この場合、好ましい一実施態様として、ｐ型クラッド層は、サファイア基板１１の主面１１ａから順番にエピタキシャル成長した下地部１０のＡｌＮ層１２、及び、発光素子構造部２０のｎ型クラッド層２１と活性層２２内の各半導体層と電子ブロック層２３と同様に、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する（０００１）面に平行な多段状のテラスが形成された表面を有する。

【0116】

更に、ｐ型クラッド層の平均ＡｌＮモル分率は、一例として、概ね５２％～７４％の範囲内に設定され、膜厚は、例えば、２０ｎｍ～２００ｎｍの範囲内に設定されるのが好ましい。

【0117】

（２）上記実施形態では、ｎ型クラッド層２１の成長条件の一例として、有機金属化合物気相成長法で使用する原料ガスやキャリアガスの供給量及び流速は、ｎ型クラッド層２１を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層全体の平均的なＡｌＮモル分率に応じて設定されると説明した。つまり、ｎ型クラッド層２１全体の平均的なＡｌＮモル分率が、上下方向に一定値に設定されている場合は、上記原料ガス等の供給量及び流速は一定に制御される場合を想定した。しかし、上記原料ガス等の供給量及び流速は必ずしも一定に制御されなくてもよい。

【0118】

（３）上記実施形態では、第１領域Ｒ１及びｐ電極２６の平面視形状は、一例として、櫛形形状のものを採用したが、該平面視形状は、櫛形形状に限定されるものではない。また、第１領域Ｒ１が複数存在して、夫々が、１つの第２領域Ｒ２に囲まれている平面視形状であってもよい。

【0119】

（４）上記実施形態では、発光素子１として、図１に例示するように、サファイア基板１１を含む下地部１０を備える発光素子１を例示しているが、サファイア基板１１（更には、下地部１０に含まれる一部または全部の層）をリフトオフ等により除去してもよい。更に、下地部１０を構成する基板は、サファイア基板に限定されるものではない。

【産業上の利用可能性】

【0120】

本発明は、ウルツ鉱構造のＡｌＧａＮ系半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が上下方向に積層された発光素子構造部を備えてなるピーク発光波長が３００ｎｍ～３２０ｎｍの範囲内に存在する窒化物半導体紫外線発光素子に利用可能である。

【符号の説明】

【0121】

１： 窒化物半導体紫外線発光素子
１０： 下地部
１１： サファイア基板
１１ａ： サファイア基板の主面
１２： ＡｌＮ層
２０： 発光素子構造部
２１： ｎ型クラッド層（ｎ型層）
２１ａ： 層状領域（ｎ型層）
２１ｂ： ｎ型本体領域（ｎ型層）
２２： 活性層
２２０： 井戸層
２２０ａ： Ｇａ富化井戸領域
２２１： バリア層
２２１ａ： Ｇａ富化バリア領域
２２３： ＡｌＮ層
２３： 電子ブロック層（ｐ型層）
２３ａ： Ｇａ富化ＥＢ領域
２４： ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
２６： ｐ電極
２７： ｎ電極
１００： 基板
１０１： ＡｌＧａＮ系半導体層
１０２： テンプレート
１０３： ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層
１０４： 活性層
１０５： ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層
１０６： ｐ型コンタクト層
１０７： ｎ電極
１０８： ｐ電極
ＢＬ： 第１領域と第２領域の境界線
ＩＡ： 傾斜領域
Ｒ１： 第１領域
Ｒ２： 第２領域
Ｔ： テラス
ＴＡ： テラス領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】