特許 7626834 窒化物半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-27

(45)【発行日】2025-02-04

(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H10H 20/82 20250101AFI20250128BHJP

   H10H 20/825 20250101ALI20250128BHJP

   H10H 20/817 20250101ALI20250128BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20250128BHJP

【ＦＩ】

H10H20/82

H10H20/825

H10H20/817

H01S5/343 610

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023220368

(22)【出願日】2023-12-27

【審査請求日】2023-12-27

(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】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼尾 一史

(72)【発明者】

【氏名】松倉 勇介

(72)【発明者】

【氏名】ペルノ シリル

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５１０２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８８４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８８８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５３１９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０３４８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１１２６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１４－０１４３９６６（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｈ ２０／００ － ２０／８５８

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

成長面がオフ角を有するｃ面からなる基板と、
前記成長面上に形成された、ＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層と、
前記ＡｌＮバッファ層上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された、紫外光を発する活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、を備え、
前記ＡｌＮバッファ層の上面は、複数のテラスと、前記テラス同士を繋ぐ複数のステップとを有するステップ・テラス構造を有し、
前記複数のステップの高さの平均値は、５．０ｎｍ以上７．１ｎｍ以下であり、
前記複数のテラスの幅の平均値は、２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である、
窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

前記複数のステップの高さの平均値は、７．０ｎｍ未満である、
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

前記複数のテラスの幅の平均値は、３２５ｎｍ以下である、
請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

前記ｎ型半導体層と前記活性層との間に、前記活性層側の位置ほどＡｌ組成比が高くなる組成傾斜層を更に有する、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項5】

前記ｐ型半導体層上に形成され、前記活性層から発される光を反射する反射電極を更に備え、
前記ｐ型半導体層は、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層を有し、
前記ｐ型コンタクト層の膜厚は、５０ｎｍ以下である、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、基板と、基板上に形成された下地層と、下地層上に形成された第一クラッド層と、第一クラッド層上に形成された紫外光を発する発光層と、発光層上に形成された第二クラッド層とを備える紫外線発光素子が開示されている。特許文献１に記載の紫外線発光素子においては、下地層と第一クラッド層との界面のステップ高さが１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－２９６０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の紫外線発光素子においては、ステップ高さが比較的小さい例についての光出力は検討されていない。

【0005】

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、前記の目的を達成するため、成長面がオフ角を有するｃ面からなる基板と、前記成長面上に形成された、ＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層と、前記ＡｌＮバッファ層上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成された、紫外光を発する活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、を備え、前記ＡｌＮバッファ層の上面は、複数のテラスと、前記テラス同士を繋ぐ複数のステップとを有するステップ・テラス構造を有し、前記複数のステップの高さの平均値は、５．０ｎｍ以上７．１ｎｍ以下であり、前記複数のテラスの幅の平均値は、２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子を提供する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態における、窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す模式図である。

【図2】実施の形態における、窒化物半導体発光素子の一部を拡大した模式断面図である。

【図3A】実施例１と同様の製造条件で成長されたウエハのＡｌＮバッファ層の上面のＡＦＭ像である。

【図3B】図３Ａの一点鎖線箇所の断面プロファイルである。

【図4A】比較例１と同様の製造条件で成長されたウエハのＡｌＮバッファ層の上面のＡＦＭ像である。

【図4B】図４Ａの一点鎖線箇所の断面プロファイルである。

【図5】実験例における、平均ステップ高さと光出力との関係を示すグラフである。

【図6】実験例における、平均テラス幅と光出力との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

【0010】

（窒化物半導体発光素子１）
図１は、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各半導体層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。以後、発光素子１の各半導体層の積層方向（すなわち基板２の底面に直交する方向）を上下方向という。また、上下方向の一方側であって、基板２における各半導体層が成長される側（例えば図１の上側）を上側とし、その反対側（例えば図１の下側）を下側とする。なお、上下の表現は便宜的なものであり、例えば発光素子１の使用時における、鉛直方向に対する発光素子１の姿勢を限定するものではない。

【0011】

発光素子１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を構成するものである。本形態において、発光素子１は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオードを構成するものである。特に、本形態の発光素子１は、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発する。発光素子１は、例えば殺菌（例えば空気浄化、浄水等）、医療（例えば光線治療、計測・分析等）、ＵＶキュアリング等の分野において用いることができる。

【0012】

発光素子１は、基板２上に、ＡｌＮバッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次備える。また、発光素子１は、ｎ型半導体層４上に設けられたｎ側電極１１と、ｐ型半導体層８上に設けられたｐ側電極１２とを備える。

【0013】

発光素子１を構成する半導体としては、例えば、Ａｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{１－ａ－ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）にて表される２～４元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いることができる。本形態においては、発光素子１を構成する半導体として、Ａｌ_ｃＧａ_１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）にて表される２元系又は３元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いている。これらのＩＩＩ族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置き換えてもよい。また、窒素の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。

【0014】

基板２は、活性層６が発する光を透過する材料からなる。基板２は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。図２は、発光素子１の上下方向に平行な模式断面図であって、ＡｌＮバッファ層３の周囲を拡大した模式断面図である。基板２の上面にて構成される成長面２１は、オフ角θを有するｃ面からなる。オフ角θは、例えば０．２°以上１．５°以下、より好ましくは１．０°±０．３°（すなわち０．７°以上１．３°以下）である。なお、図２はあくまでも模式図であり、基板２の成長面２１及びＡｌＮバッファ層３の上面３１の形状は実際のものと異なり得る。

【0015】

基板２の成長面２１は、オフ角θを有するｃ面にて構成された複数のテラスＴ１と、テラスＴ１同士を繋ぐ複数のステップＳ１とを有するステップ・テラス構造を有する。ステップ・テラス構造は、テラスＴ１とステップＳ１とが交互に多段状に形成されたものである。基板２は、特に限定されないが、例えば、オフ角θが０．２°でテラス幅の平均値が６０．２ｎｍのもの、オフ角θが０．６°でテラス幅の平均値が２０．１ｎｍのもの、オフ角θが１．０°でテラス幅の平均値が１２．０ｎｍのもの、オフ角θが１．５°でテラス幅の平均値が８．０ｎｍのものとしてもよい。また、基板２として、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板等を用いてもよい。

【0016】

ＡｌＮバッファ層３は、基板２上に形成されている。ＡｌＮバッファ層３は、アンドープの窒化アルミニウムにより形成されている。アンドープの半導体層とは、その半導体層の形成時に意図的に不純物の添加が行われていない半導体層を意味し、不可避的に含まれる微量の不純物を含む半導体層もアンドープの半導体層とする。

【0017】

ＡｌＮバッファ層３は、ステップフロー成長により形成されており、ＡｌＮバッファ層３の上面３１は、上下方向に直交する仮想平面に対して傾斜した複数のテラスＴ２と、テラスＴ２同士を繋ぐ複数のステップＳ２とを有するステップ・テラス構造を有する。

【0018】

ＡｌＮバッファ層３の上面３１において、ステップＳ２の高さＨの平均値は、７．１ｎｍ以下であり、テラスＴ２の幅の平均値は、３５０ｎｍ以下である。これにより、ＡｌＮバッファ層３を下地層として形成される活性層６が適度に平坦化され、活性層６から発される光の単色性が向上する結果、発光素子１の所望の波長帯での光出力が向上するものと推測される。ステップＳ２の高さＨとは、上下方向におけるステップＳ２の長さである。テラスＴ２の幅とは、上下方向に直交する方向のうち、テラスＴ２及びステップＳ２が連続する方向（例えば図２の左右方向）におけるテラスＴ２の長さである。以後、ＡｌＮバッファ層３の上面３１におけるステップＳ２の高さＨの平均値を「平均ステップ高さ」ともいい、ＡｌＮバッファ層３の上面３１におけるテラスＴ２の幅Ｗの平均値を「平均テラス幅」ともいう。

【0019】

平均ステップ高さは、７．０ｎｍ未満が好ましく、平均テラス幅は、３２５ｎｍ以下がより好ましい。また、ＡｌＮバッファ層３にステップフロー成長を生じさせる観点から、平均ステップ高さは５．０ｎｍ以上、平均テラス幅は２５０ｎｍ以上であることが好ましい。

【0020】

平均ステップ高さは、例えば、以下のように算出できる。まず、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にてＡｌＮバッファ層３の表面形状を測定する。そして、測定されたＡＦＭ像から、テラスＴ２及びステップＳ２が連続する方向と上下方向との双方に沿った断面プロファイルを少なくとも１つ抽出する。そして、抽出された少なくとも１つの断面プロファイルに現れる複数のステップＳ２の高さＨの合計をステップＳ２の数で除算することで、ステップＳ２の高さＨの平均値が得られる。

【0021】

また、平均テラス幅は、例えば、前述のように抽出された少なくとも１つの断面プロファイルに現れるテラスＴ２の幅の合計をテラスＴ２の数で除算することで得られる。

【0022】

なお、ＡｌＮバッファ層３の上に、アンドープのＡｌ_ｐＧａ_１－ｐＮ（０≦ｐ≦１）からなるバッファ層を含んでいてもよい。

【0023】

ｎ型半導体層４は、ＡｌＮバッファ層３上に形成されている。ｎ型半導体層４は、例えば、ｎ型不純物がドープされたＡｌ_ｑＧａ_１－ｑＮ（０≦ｑ≦１）により形成されたｎ型クラッド層である。本形態において、ｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。ｎ型半導体層４以外の、ｎ型不純物を含む半導体層においても同様である。なお、ｎ型不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型半導体層４のＡｌ組成比ｑは、例えば４５％以上６５％以下である。

【0024】

ｎ型半導体層４の上面の形状は、ＡｌＮバッファ層３の上面３１の形状が引き継がれる。このとき、ｎ型半導体層４は、所定の膜厚までは、膜厚が増える程ｎ型半導体層４の上面の形状が平坦化されるが、ｎ型半導体層４の膜厚が所定の膜厚を超えると、膜厚の増加に伴うｎ型半導体層４の上面の形状の変化は略なくなるものと考えられる。ｎ型半導体層４は、通電を生じさせる半導体層であるため、通電可能なように比較的大きな膜厚（例えば１μｍ以上）に形成されるが、ｎ型半導体層４において通常採られる膜厚は、前記所定の膜厚よりも大きい。本形態において、ｎ型半導体層４の膜厚は、例えば１６００ｎｍ以上３６００ｎｍ以下である。ｎ型半導体層４は、単層構造でもよく、多層構造でもよい。

【0025】

組成傾斜層５は、ｎ型半導体層４上に形成されている。組成傾斜層５は、Ａｌ_ｒＧａ_１－ｒＮ（０≦ｒ≦１）からなる。組成傾斜層５の上下方向の各位置におけるＡｌ組成比は、上側の位置程大きくなっている。なお、組成傾斜層５は、例えば上下方向の極一部の領域（例えば組成傾斜層５の上下方向の全体の５％以下の領域）に、上側に向かうにつれてＡｌ組成比が大きくならない領域を含んでいてもよい。

【0026】

組成傾斜層５は、その下端部のＡｌ組成比が、組成傾斜層５の下側に隣接するｎ型半導体層４の上端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。また、組成傾斜層５は、その上端部のＡｌ組成比が、組成傾斜層５の上側に隣接する障壁層６１の下端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。組成傾斜層５には、シリコンがドープされている。組成傾斜層５のシリコン濃度は、例えば５．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

【0027】

活性層６は、組成傾斜層５上に形成されている。本形態の活性層６は、複数の井戸層６２１，６２２を有する多重量子井戸構造である。活性層６は、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発することができるよう、バンドギャップが調整されている。本形態のように、活性層６が多重量子井戸構造である場合、光出力の向上の観点から、活性層６が発する紫外光の中心波長は、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、２６０ｎｍ以上２９０ｎｍ以下がより好ましい。本形態において、活性層６は、障壁層６１と井戸層６２１，６２２とを３つずつ有し、障壁層６１と井戸層６２１，６２２とが交互に積層されている。活性層６においては、下端に障壁層６１が位置しており、上端に井戸層６２２が位置している。

【0028】

各障壁層６１は、Ａｌ_ｓＧａ_１－ｓＮ（０＜ｓ≦１）により形成されている。各障壁層６１のＡｌ組成比ｓは、例えば７５％以上９５％以下である。また、各障壁層６１の膜厚は、例えば２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

【0029】

井戸層６２１，６２２は、Ａｌ_ｔＧａ_１－ｔＮ（０＜ｔ＜１）により形成されている。各井戸層６２１，６２２のＡｌ組成比ｔは、障壁層６１のＡｌ組成比ｓよりも小さい（すなわちｔ＜ｓ）。

【0030】

３つの井戸層６２１，６２２は、最も下側に配された井戸層である最下井戸層６２１と、最下井戸層６２１以外の２つの井戸層である上側井戸層６２２とで構成が異なっている。例えば、最下井戸層６２１の膜厚は、２つの上側井戸層６２２のそれぞれの膜厚よりも１ｎｍ以上大きく、かつ、最下井戸層６２１のＡｌ組成比は、２つの上側井戸層６２２のそれぞれのＡｌ組成比よりも２％以上大きい。本形態において、上側井戸層６２２は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下の膜厚を有するとともに２５％以上４５％以下のＡｌ組成比を有し、最下井戸層６２１は、４ｎｍ以上６ｎｍ以下の膜厚を有するとともに３５％以上５５％以下のＡｌ組成比を有する。最下井戸層６２１の膜厚と各上側井戸層６２２との膜厚の差は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることができる。

【0031】

最下井戸層６２１のＡｌ組成比を、上側井戸層６２２のＡｌ組成比よりも大きくすることにより、最下井戸層６２１の結晶性が向上する。これは、最下井戸層６２１とｎ型半導体層４とのＡｌ組成比の差が小さくなるためである。最下井戸層６２１の結晶性が向上することにより、最下井戸層６２１から上側に形成される活性層６の各半導体層の結晶性も向上する。これにより、活性層６におけるキャリアの移動度が向上し、光出力が向上する。かかる効果は、最下井戸層６２１の膜厚が大きくなるほど顕著であるが、発光素子１全体の電気抵抗値が増加することを抑制する観点から最下井戸層６２１の膜厚は所定値以下となるよう設計される。

【0032】

なお、本形態において、活性層６は、井戸層６２１，６２２が３つの多重量子井戸構造である例を示したが、これに限られず、井戸層が２つ又は４つ以上である多重量子井戸構造であってもよい。また、活性層６は、井戸層を１つのみ有する単一量子井戸構造であってもよい。

【0033】

電子ブロック層７は、活性層６上に形成されている。電子ブロック層７は、活性層６からｐ型半導体層８側へ電子がリークするオーバーフロー現象の発生を抑制すること（以後、電子ブロック効果ともいう）によって活性層６への電子注入効率を向上させる役割を有する。電子ブロック層７は、下側から順に、第１層７１と第２層７２とを積層した積層構造を有する。

【0034】

第１層７１は、活性層６上に設けられている。第１層７１は、例えばＡｌ_ｕＧａ_１－ｕＮ（０＜ｕ≦１）からなる。第１層７１のＡｌ組成比ｕは、例えば９０％以上であり、本形態においては窒化アルミニウムにて構成されている。第１層７１の膜厚は、例えば０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

【0035】

第２層７２は、例えばＡｌ_ｖＧａ_１－ｖＮ（０＜ｖ＜１）からなる。第２層７２のＡｌ組成比ｖは、第１層７１のＡｌ組成比ｔよりも小さく（すなわちｖ＜ｔ）、例えば７０％以上９０％以下である。第２層７２の膜厚は、第１層７１の膜厚よりも大きく、例えば１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0036】

Ａｌ組成比が大きい半導体層ほど電気抵抗値が大きくなるため、Ａｌ組成比が比較的高い第１層７１の膜厚を大きくし過ぎると発光素子１の全体の電気抵抗値の過度な上昇を招く。そのため、第１層７１の膜厚はある程度小さくすることが好ましい。一方、第１層７１の膜厚を小さくすると、トンネル効果によって電子が第１層７１を下側から上側にすり抜ける確率が増大し得る。そこで、本形態の発光素子１においては、第１層７１上に第２層７２を形成することで、電子ブロック層７の全体を電子がすり抜けることを抑制している。

【0037】

第１層７１及び第２層７２のそれぞれは、アンドープの層、ｎ型不純物を含有する層、ｐ型不純物を含有する層、又はｎ型不純物及びｐ型不純物の双方を含有する層とすることができる。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができるが、マグネシウム以外にも、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）又は炭素（Ｃ）等を用いてもよい。他のｐ型不純物を含む半導体層においても同様である。各電子ブロック層７が不純物を含有する場合において、各電子ブロック層７が含有する不純物は、各電子ブロック層７の全体に含まれていてもよいし、各電子ブロック層７の一部に含まれていてもよい。本形態において、電子ブロック層７の全体は、アンドープの層である。

【0038】

ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７上に形成されている。ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７よりもＡｌ組成比が小さく、ｐ型不純物がドープされたＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮ（０≦ｗ≦１）により形成されている。本形態において、ｐ型半導体層８は、下側から順に、ｐ型クラッド層８１及びｐ型コンタクト層８２を有する。

【0039】

ｐ型クラッド層８１は、電子ブロック層７の上面に接するよう設けられている。ｐ型クラッド層８１のＡｌ組成比は、電子ブロック層７におけるｐ型クラッド層８１に隣接する半導体層（すなわち第２層７２）のＡｌ組成比よりも小さく、ｐ型コンタクト層８２のＡｌ組成比よりも大きくすることができる。ｐ型クラッド層８１の膜厚は、例えば９ｎｍ以上１０５ｎｍ以下である。

【0040】

ｐ型コンタクト層８２は、後述するｐ側電極１２が接続された層であり、ｐ型不純物が高濃度にドープされている。ｐ型コンタクト層８２は、ｐ側電極１２とのオーミックコンタクトを実現すべくＡｌ組成比が低くなるよう構成されており（例えば１０％以下）、かかる観点からｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成することが好ましい。Ａｌ組成比が低いｐ型コンタクト層８２は活性層６から発された紫外光を吸収し得るため、ｐ型コンタクト層８２の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましく、２５ｎｍ以下がより好ましい。また、ｐ型コンタクト層８２の膜厚は、ショートの発生を抑制する観点から５ｎｍ以上が好ましい。

【0041】

ｎ側電極１１は、ｎ型半導体層４における活性層６から上側に露出した露出面４１に形成されている。ｎ側電極１１は、例えば、ｎ型半導体層４の上にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム、チタン、窒化チタン（ＴｉＮ）が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｎ側電極１１は、活性層６が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。

【0042】

ｐ側電極１２は、ｐ型半導体層８の上面に形成されている。ｐ側電極１２は、例えば、ロジウム（Ｒｈ）から構成することができる。本形態において、ｐ側電極１２は、活性層６が発する光の中心波長において５０％以上、好ましくは６０％以上の反射率を有する反射電極であるが、これに限られない。

【0043】

発光素子１は、図示しないパッケージ基板にフリップチップ実装されて使用され得る。すなわち、発光素子１は、上下方向におけるｎ側電極１１及びｐ側電極１２が設けられた側をパッケージ基板側に向け、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２のそれぞれが、金バンプ等を介してパッケージ基板に実装される。フリップチップ実装された発光素子１は、基板２側（すなわち下側）から光が取り出される。なお、これに限られず、発光素子１は、ワイヤボンディング等によりパッケージ基板に実装されてもよい。また、本形態において、発光素子１は、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２の双方が発光素子１の上側に設けられた、いわゆる横型の発光素子としたが、これに限られず、縦型の発光素子であってもよい。縦型の発光素子は、ｎ側電極とｐ側電極とによって活性層がサンドイッチされた発光素子である。

【0044】

（発光素子１の製造方法）
次に、本形態の発光素子１の製造方法の一例につき説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、ＡｌＮバッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次エピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各半導体層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に各半導体層が形成される。各半導体層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ_３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。

【0045】

なお、ＭＯＣＶＤ法は、有機金属化学気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）と呼ばれることもある。また、基板２上に各半導体層をエピタキシャル成長させるに際しては、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の他のエピタキシャル成長法を用いることも可能である。

【0046】

本形態の発光素子１の製造方法においては、ＡｌＮバッファ層３の上面３１における平均ステップ高さが７．１ｎｍ以下かつ平均テラス幅が３５０ｎｍ以下となるよう製造条件が設計される。例えば、ＡｌＮバッファ層３の成長速度を速くすると、平均ステップ高さが低くなる傾向がある。ＡｌＮバッファ層３の成長速度の調整は、例えばＡｌＮバッファ層３における成長温度、原料ガスの供給量等を調整することで実現可能である。各製造条件の適切値は、他の製造条件によっても変わり得るし、使用する製造装置によっても変わり得る。また、ＡｌＮバッファ層３の上面３１の形状は、成長速度だけではなく、基板２の成長面２１の形状の影響も受ける。以上のように、ＡｌＮバッファ層３の上面３１に影響を及ぼす要素が適宜調整されることで、ＡｌＮバッファ層３がステップフロー成長されてその上面３１が前述した形状に形成される。

【0047】

円板状の基板２上に各半導体層を形成した後、ｐ型半導体層８上の一部、すなわちｎ型半導体層４の露出面４１になる部分以外の部位にマスクを形成する。そして、マスクを形成していない領域を、ｐ型半導体層８の上面から上下方向のｎ型半導体層４の途中までエッチングにより除去する。これにより、ｎ型半導体層４に、上側に向かって露出する露出面４１が形成される。露出面４１の形成後、マスクを除去する。

【0048】

次いで、ｎ型半導体層４の露出面４１上にｎ側電極１１を形成し、ｐ型半導体層８上にｐ側電極１２を形成する。ｎ側電極１１及びｐ側電極１２は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成してよい。以上により完成したものを、所望の寸法に切り分けることにより、１つのウエハから図１に示すような発光素子１が複数製造される。

【0049】

（実施の形態の作用及び効果）
本形態の発光素子１において、ＡｌＮバッファ層３の上面３１は、複数のテラスＴ２と、テラスＴ２同士を繋ぐ複数のステップＳ２とを有するステップ・テラス構造を有する。そして、ＡｌＮバッファ層３の上面３１において、平均ステップ高さは７．１ｎｍ以下であり、平均テラス幅は３５０ｎｍ以下である。それゆえ、発光素子１の光出力の向上を図ることができる。これは、ＡｌＮバッファ層３を下地層として形成される活性層６が適度に平坦化され、活性層６から発される光の単色性が向上する結果、発光素子１の所望の波長帯での光出力が向上するものと推測される。これらの数値については、後述する実験例にて裏付けられる。

【0050】

また、平均ステップ高さは、７．０ｎｍ未満である。それゆえ、発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。この数値については、後述する実験例にて裏付けられる。

【0051】

また、平均テラス幅は、３２５ｎｍ以下である。それゆえ、発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。この数値については、後述する実験例にて裏付けられる。

【0052】

また、発光素子１は、ｎ型半導体層４と活性層６との間に、活性層６側の位置ほどＡｌ組成比が高くなる組成傾斜層５を更に有する。それゆえ、活性層６の結晶性が向上するため、前述のように平均ステップ高さを７．１ｎｍ以下とするとともに平均テラス幅を３５０ｎｍ以下とすることで活性層６が平坦化されることと相まって光出力が一層向上しやすくなる。

【0053】

また、発光素子１は、ｐ側電極１２が反射電極からなり、ｐ型コンタクト層８２の膜厚が５０ｎｍ以下である。すなわち、本形態の発光素子１は、活性層６からｐ側電極１２側に発される紫外光が、ｐ側電極１２に反射されて基板２側から取り出される構成を有する。かかる構成を有する場合、活性層６から基板２側に直接的に発される直接出射光と、活性層６からｐ側電極１２に反射されて基板２側から取り出される反射出射光とが互いに強め合って干渉するよう、直接出射光と反射出射光との位相差が設計される。しかしながら、各半導体層の界面の平坦性が悪い場合は、各半導体層の界面において光散乱が生じやすくなる結果、直接出射光と反射出射光との位相が揃い難くなって光出力の向上が損なわれるおそれがある。一方、本形態の発光素子１は、前述のように、ＡｌＮバッファ層３の上面３１における平均ステップ高さを７．１ｎｍ以下、平均テラス幅を３５０ｎｍ以下としているため、ＡｌＮバッファ層３上に成膜される各半導体層も同様にステップの高さ及びテラス幅のそれぞれが小さくなる（すなわち平坦性が向上する）と考えられる。そのため、本形態の発光素子１においては、各半導体層の界面での光散乱の発生が抑制され、直接出射光と反射出射光との位相が揃いやすくなる結果、光出力の向上を図りやすくなる。

【0054】

以上のごとく、本形態によれば、光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

【0055】

［実験例］
本実験例は、ＡｌＮバッファ層の上面における平均ステップ高さ及び平均テラス幅を種々変更したときのウエハの光出力を評価した例である。なお、本実験例にて用いた構成要素の名称のうち、既出の形態において用いた名称と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素を表す。

【0056】

本実験例においては、実施例１～５及び比較例１～３に係るウエハを準備した。下記表１に示すごとく、実施例１～５及び比較例１～３に係るウエハは、実施の形態における発光素子と基本構造が同じである。実施例１～５及び比較例１～３の違いは、詳細は後述するが、平均ステップ高さ及び平均テラス幅である。実施例１～５及び比較例１～３に係るウエハに共通する基本構成を表１に示す。

【0057】

【表1】

【0058】

表１に記載の各層のＡｌ組成比は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定したＡｌの二次イオン強度から推定した値である。また、表１における組成傾斜層のＡｌ組成比の欄は、組成傾斜層の上下方向の各位置のＡｌ組成比が、組成傾斜層の下端から上端までにかけて、５５％から８５％まで漸増していることを表している。実施例１～５及び比較例１～３に係るウエハにおいて、基板は、オフ角が１．０°±０．３°のｃ面が成長面のものを用いた。

【0059】

また、実施例１～５及び比較例１～３に係るウエハについて、平均ステップ高さ及び平均テラス幅を算出した。これらの算出方法について以下説明する。

【0060】

平均ステップ高さの算出は、次のように行った。まず、実施例１～５及び比較例１～３のそれぞれの製造条件と同等の製造条件でＡｌＮバッファ層まで成長させたウエハを準備した。次いで、各ウエハのＡｌＮバッファ層の上面の形状を、ＡＦＭにて測定した。実施例１と同様の製造条件で成長されたウエハのＡｌＮバッファ層の上面のＡＦＭ像を図３Ａに示しており、比較例１と同様の製造条件で成長されたウエハのＡｌＮバッファ層の上面のＡＦＭ像を図４Ａに示している。本実施例においては、各ウエハの上面の中央位置において、５μｍ四方の範囲を測定した。

【0061】

次いで、次いで得られた各ＡＦＭ像において、任意の５か所、上下方向及びテラス及びステップが連続する方向の双方に沿った断面プロファイルを取得した。図３Ａの一点鎖線箇所の断面プロファイルを図３Ｂに示しており、図４Ａの一点鎖線箇所の断面プロファイルを図４Ｂに示している。

【0062】

そして、各ＡＦＭ像から得られた５つの断面プロファイルから、現れているすべてのステップＳ２の高さＨを測定して平均をとることで平均ステップ高さを算出した。なお、図３Ｂにおいては、極めて小さいステップも現れているが、このような極めて小さいステップも１つのステップとしてカウントしている。

【0063】

また、平均テラス幅の算出は、各ＡＦＭ像から得られた５つの断面プロファイルから、現れているすべてのテラスＴ２の幅Ｗを測定して平均をとることで行った。本実験例においては、図３Ｂ及び図４Ｂに示されるような断面プロファイルにおいて、テラスＴ２の左右両側に位置する上凸の頂点同士の左右方向（すなわち上下方向に直交する方向のうち、テラス及びステップが連続する方向）の長さをテラスＴ２の幅Ｗとみなした。図３Ｂにおいては、極めて小さいテラスも現れているが、このような極めて小さいテラスも１つのテラスとしてカウントしている。

【0064】

なお、図３Ｂ及び図４Ｂにおいては、左右両端に現れているテラスは途中で切れており、テラス全体の正確な幅が測定できない。このように、一部のみしか現れていないテラスについては、平均テラス幅の算出に当たっては無視した。左右両端にステップが現れており、ステップが途中で切れている場合も同様である。

【0065】

以上のようにして算出された実施例１～５及び比較例１～３に係る平均ステップ高さ及び平均テラス幅を表２に示す。なお、表２においては、実施例１～５及び比較例１～３に係るウエハの光出力も記載しているが、これについては後述する。

【0066】

【表2】

【0067】

表２に示すごとく、実施例１～５は、平均ステップ高さが７．１ｎｍ以下、平均テラス幅が３５０ｎｍ以下を満たしており、比較例１～３は、平均ステップ高さが７．１ｎｍを超えているとともに平均テラス幅が３５０ｎｍを超えている。

【0068】

そして、実施例１～５及び比較例１～３のそれぞれにおいて、オンウエハの状態で２０ｍＡの電流を流し、光出力を測定した。実施例１～５及び比較例１～３のそれぞれの光出力は、実施例１～５及び比較例１～３のそれぞれの下側（すなわち基板側）に設置した光検出器によって測定した。平均ステップ高さと光出力との関係を図５に示し、平均テラス幅と光出力との関係を図６に示す。なお、実施例１～５及び比較例１～３の発光波長は、２６０ｎｍ以上２９０ｎｍ以下であった。

【0069】

表２、図５及び図６から分かるように、平均ステップ高さが７．１ｎｍ以下、かつ平均テラス幅が３５０ｎｍ以下の実施例１～５は、平均ステップ高さが７．１ｎｍを超えるとともに平均テラス幅が３５０ｎｍを超える比較例１～３と比べ、高い光出力が得られる。

【0070】

また、実施例１～４のように、平均ステップ高さを７．０ｎｍ未満とすることで、光出力を一層高めることができる。また、平均ステップ高さが高い程、平均テラス幅が大きくなる傾向があり、平均ステップ高さを７．０ｎｍ未満とする観点から、平均テラス幅は３２５ｎｍ以下であることが好ましい。

【0071】

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

【0072】

［１］本発明の第１の実施態様は、成長面２１がオフ角θを有するｃ面からなる基板２と、前記成長面２１上に形成された、ＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層３と、前記ＡｌＮバッファ層３上に形成されたｎ型半導体層４と、前記ｎ型半導体層４上に形成された、紫外光を発する活性層６と、前記活性層６上に形成されたｐ型半導体層８と、を備え、前記ＡｌＮバッファ層３の上面３１は、複数のテラスＴ２と、前記テラスＴ２同士を繋ぐ複数のステップＳ２とを有するステップ・テラス構造を有し、前記複数のステップＳ２の高さＨの平均値は、７．１ｎｍ以下であり、前記複数のテラスＴ２の幅Ｗの平均値は、３５０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子１である。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の向上を図ることができる。

【0073】

［２］本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様において、前記複数のステップＳ２の高さＨの平均値が、７．０ｎｍ未満であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0074】

［３］本発明の第３の実施態様は、第１又は第２の実施態様において、前記複数のテラスＴ２の幅Ｗの平均値が、３２５ｎｍ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0075】

［４］本発明の第４の実施態様は、第１乃至第３のいずれか１つの実施態様において、前記ｎ型半導体層４と前記活性層６との間に、前記活性層６側の位置ほどＡｌ組成比が高くなる組成傾斜層５を更に有することである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0076】

［５］本発明の第５の実施態様は、第１乃至第４のいずれか１つの実施態様において、前記ｐ型半導体層８上に形成され、前記活性層６から発される光を反射する反射電極１２を更に備え、前記ｐ型半導体層８が、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層８２を有し、前記ｐ型コンタクト層８２の膜厚が、５０ｎｍ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0077】

（付記）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、前記各実施の形態の構成を適宜組み合わせた構成を採用してもよい。

【符号の説明】

【0078】

１…窒化物半導体発光素子
１２…ｐ側電極（反射電極）
２…基板
２１…成長面
３…ＡｌＮバッファ層
３１…上面
４…ｎ型半導体層
５…組成傾斜層
６…活性層
８…ｐ型半導体層
８２…ｐ型コンタクト層
Ｈ…ステップの高さ
Ｓ２…ステップ
Ｔ２…テラス
θ…基板のオフ角

【要約】

【課題】光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、成長面２１がオフ角θを有するｃ面からなる基板２と、成長面２１上に形成された、ＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層３と、ＡｌＮバッファ層３上に形成されたｎ型半導体層４と、ｎ型半導体層４上に形成された、紫外光を発する活性層と、活性層上に形成されたｐ型半導体層と、を備える。ＡｌＮバッファ層３の上面３１は、複数のテラスＴ２と、テラスＴ２同士を繋ぐ複数のステップＳ２とを有するステップ・テラス構造を有する。複数のステップＳ２の高さＨの平均値は、７．１ｎｍ以下である。複数のテラスＴ２の幅Ｗの平均値は、３５０ｎｍ以下である。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】