(57)【要約】【課題】検出対象の状態をより高精度に検出できる受発光装置を提供する。【解決手段】受発光装置１は、基板２と、基板２上に形成され、第１の窒化物半導体積層体２１を有する発光素子２０と、基板２上に形成され、第２の窒化物半導体積層体３１を有する受光素子３０と、を備え、第１の窒化物半導体積層体２１は、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物半導体層３ａと、ＡｌおよびＧａを含み、第１の窒化物半導体層３ａよりも格子定数の大きい第２の窒化物半導体層４ａと、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層５と、ＡｌおよびＧａを含む発光層６と、ＡｌおよびＧａを含む第２導電型窒化物半導体層７と、を有し、第２の窒化物半導体積層体３１は、第１の窒化物半導体層３ａと組成が同じ第３の窒化物半導体層３ｂと、第２の窒化物半導体層４ａと組成が同じ第４の窒化物半導体層４ｂと、を有する。【選択図】図１
2020068283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、第１の窒化物半導体積層体を有する発光素子と、
前記基板上に形成され、第２の窒化物半導体積層体を有する受光素子と、を備え、
前記第１の窒化物半導体積層体は、
ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含み、前記第１の窒化物半導体層よりも格子定数の大きい第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層と、
前記第１導電型窒化物半導体層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む発光層と、
前記発光層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む第２導電型窒化物半導体層と、を有し、
前記第２の窒化物半導体積層体は、
前記第１の窒化物半導体層と組成が同じ第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に形成された、前記第２の窒化物半導体層と組成が同じ第４の窒化物半導体層と、を有する、
受発光装置。
【請求項２】
前記第１の窒化物半導体層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）を含み、
前記第２の窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜ｙ＜１）を含む、
請求項１に記載の受発光装置。
【請求項３】
前記第１の窒化物半導体層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０．５２＜ｘ＜０．７）を含み、膜厚が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
請求項２に記載の受発光装置。
【請求項４】
前記第２の窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ｘ＜ｙ＜ｘ＋０．３）を含み、膜厚が３００ｎｍ以下である、
請求項１から３のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項５】
前記第１導電型窒化物半導体層は、ｎ型導電性であって、ＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ｙ≦ｚ＜０．８５）を含む、
請求項２から４のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項６】
前記基板は、サファイア基板またはＡｌＮ基板である、
請求項１から５のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項７】
前記発光層は、Ａｌ、ＧａおよびＮを含む多重量子井戸構造を有する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の受発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、受発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外線を受光する受光素子の一例として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造を用いたｐ型ゲート光ＦＥＴからなる紫外線受光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、紫外線を発光する発光素子の一例として、ＩＩＩ族窒化物積層体からなる紫外発光素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
また、発光素子と受光素子とを組み合わせて、発光素子と受光素子との間の検出対象の状態を検出する受発光装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。ここで、検出対象の状態は、例えば受発光装置が置かれた環境における特定の気体の濃度や、液体の濃度、または発光素子から放出され、反射してきた光であり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／１３５７３９号
【特許文献２】国際公開第２０１６／１４３６５３号
【特許文献３】特開２０１６−１８１６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、発光素子は、使用環境または経時変化によって照射する光の特性（一例として発光強度）が変化し得る。例えば受発光装置において、発光素子が照射する光の特性が変化すると、受光素子の検出値に基づいて正確に検出対象の状態を判定することは困難になる。
【０００６】
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、検出対象の状態をより高精度に検出できる受発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態に係る受発光装置は、基板と、前記基板上に形成され、第１の窒化物半導体積層体を有する発光素子と、前記基板上に形成され、第２の窒化物半導体積層体を有する受光素子と、を備え、前記第１の窒化物半導体積層体は、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含み、前記第１の窒化物半導体層よりも格子定数の大きい第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層と、前記第１導電型窒化物半導体層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む発光層と、前記発光層上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む第２導電型窒化物半導体層と、を有し、前記第２の窒化物半導体積層体は、前記第１の窒化物半導体層と組成が同じ第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層上に形成された、前記第２の窒化物半導体層と組成が同じ第４の窒化物半導体層と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、検出対象の状態をより高精度に検出できる受発光装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る受発光装置の構成を示す断面図である。
【図２】反射光および伝播光を説明するための図である。
【図３】受発光装置の製造方法の工程を説明するための図である。
【図４】受発光装置の製造方法の、図３の後の工程を説明するための図である。
【図５】受発光装置の製造方法の、図４の後の工程を説明するための図である。
【図６】受発光装置の製造方法の、図５の後の工程を説明するための図である。
【図７】受発光装置の製造方法の、図６の後の工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施形態を、図面を用いて説明する。以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【００１１】
＜受発光装置の構成＞
図１に示すように、本実施形態の受発光装置１は、基板２と、発光素子２０と、受光素子３０と、を備える。発光素子２０は、基板２上に形成され、第１の窒化物半導体積層体２１を有する。受光素子３０は、基板２上に形成され、第２の窒化物半導体積層体３１を有する。
【００１２】
第１の窒化物半導体積層体２１は、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物半導体層３ａを有する。第１の窒化物半導体積層体２１は、第１の窒化物半導体層３ａ上に形成され、ＡｌおよびＧａを含み、第１の窒化物半導体層３ａよりも格子定数の大きい第２の窒化物半導体層４ａを有する。第１の窒化物半導体積層体２１は、第２の窒化物半導体層４ａ上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む第１導電型窒化物半導体層５を有する。第１の窒化物半導体積層体２１は、第１導電型窒化物半導体層５上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む発光層６を有する。第１の窒化物半導体積層体２１は、発光層６上に形成され、ＡｌおよびＧａを含む第２導電型窒化物半導体層７を有する。つまり、第１の窒化物半導体積層体２１では、基板２上に、第１の窒化物半導体層３ａ、第２の窒化物半導体層４ａ、第１導電型窒化物半導体層５、発光層６および第２導電型窒化物半導体層７が、この順に形成される。図１に示すように、発光素子２０は、第２導電型窒化物半導体層７上に電極１１を有する。また、発光素子２０は、第１導電型窒化物半導体層５上に電極１２を有する。また、第１の窒化物半導体層３ａと第２の窒化物半導体層４ａとの間に、二次元電子ガス層８ａが存在する。二次元電子ガス層８ａは、二次元状に電子が分布した二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層であって、電子走行層である。
【００１３】
ここで、例えば「第１の窒化物半導体層３ａ上に…第２の窒化物半導体層４ａを有する」という表現における「上に」という文言は、第１の窒化物半導体層３ａの上に第２の窒化物半導体層４ａが形成されることを意味するが、第１の窒化物半導体層３ａと第２の窒化物半導体層４ａとの間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。例えば、図１に示すように、第１の窒化物半導体層３ａと第２の窒化物半導体層４ａとの間に二次元電子ガス層８ａが存在する場合も、「第１の窒化物半導体層３ａ上に…第２の窒化物半導体層４ａを有する」という表現に含まれる。その他の層同士および層と素子との関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。
【００１４】
また、「ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物半導体層３ａ」という表現における「含む」という文言は、ＡｌおよびＧａを主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＡｓ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｂ、またはＮ等の元素を数％以下）加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれることは当然である。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。
【００１５】
第２の窒化物半導体積層体３１は、第１の窒化物半導体層３ａと組成が同じ第３の窒化物半導体層３ｂを有する。第２の窒化物半導体積層体３１は、第３の窒化物半導体層３ｂ上に形成された、第２の窒化物半導体層４ａと組成が同じ第４の窒化物半導体層４ｂを有する。つまり、第２の窒化物半導体積層体３１では、基板２上に、第３の窒化物半導体層３ｂおよび第４の窒化物半導体層４ｂが、この順に形成される。図１に示すように、受光素子３０は、第４の窒化物半導体層４ｂ上に電極１３および電極１４を有する。また、第３の窒化物半導体層３ｂと第４の窒化物半導体層４ｂとの間に、二次元電子ガス層８ｂが存在する。二次元電子ガス層８ｂは、二次元電子ガス層８ａと同じく、電子走行層である。
【００１６】
詳細は後述するが、第１の窒化物半導体層３ａと第３の窒化物半導体層３ｂとは、１つの窒化物半導体下層３を分離して形成される。よって、第３の窒化物半導体層３ｂは、第１の窒化物半導体層３ａと同じ組成を有する。また、第２の窒化物半導体層４ａと第４の窒化物半導体層４ｂとは、１つの窒化物半導体上層４を分離して形成される。よって、第４の窒化物半導体層４ｂは、第２の窒化物半導体層４ａと同じ組成を有する。ここで、同様に、二次元電子ガス層８ａと二次元電子ガス層８ｂとは、１つの二次元電子ガス層８を分離して形成される。
【００１７】
＜作用、効果＞
図２に示すように、受発光装置１は、発光素子２０および受光素子３０の基板２と反対側（図２の例では上側）に検出対象Ｔが存在する状態で使用される。検出対象Ｔは例えば水または空気である。また、発光素子２０が照射する光は例えば紫外線である。受発光装置１は、検出対象Ｔに含まれる特定の物質または特定の気体の濃度を検出できる。
ここでいう物質や期待は例えば亜硝酸塩、Ｏ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＤＮＡ、炎などが挙げられるが、紫外線領域に光吸収をもつ物質であればこれに限定されない。
また紫外線を用いる場合は、対象Ｔに含まれる菌を殺菌することができる。発光素子２０の発光層６から検出対象Ｔに照射された光は、検出対象Ｔに含まれる特定の物質または特定の気体の濃度に応じて吸収される。したがって、受光素子３０が受光した検出対象Ｔからの反射光Ｌａの強度に基づいて、特定の物質または特定の気体の濃度を検出することが可能である。殺菌の場合は殺菌に十分な紫外線の光量が放出されているかを確認することができる。
また発光素子２０と受光素子３０を同一基板上に形成することで、簡易に受発光装置を形成できる。
【００１８】
ここで、発光素子２０および受光素子３０といった光学素子は、一般に、使用環境における温度等や、経年によって素子特性が変化する。例えば発光素子２０の場合、同じ電力で動作させても、発光素子２０の温度変化に応じて照射する光の光量が変化し得る。また、例えば受光素子３０の場合、同じ光量の光を受光していても検出値が変化し得る。そのため、例えば光学素子を計測装置に用いる場合に、素子温度によって計測結果が変わってしまうという問題が生じ得る。そこで、計測装置として使用される受発光装置１では、検出値の補正等が実行されることが好ましい。
【００１９】
上記のように、受発光装置１は、発光素子２０および受光素子３０が共通の基板２上に形成される。そのため、図２に示すように、受発光装置１は、発光素子２０の発光層６から出力されて基板２を伝わり受光素子３０で受光される伝播光Ｌｂを生じる。ここで、伝播光Ｌｂが生成される環境（発光素子２０および受光素子３０の動作環境）は、反射光Ｌａと全く同じである。そして、伝播光Ｌｂは、反射光Ｌａと異なり、特定の物質または特定の気体による吸収がないため、環境温度や発光素子の劣化も含めたリアルタイムの発光強度を計測することが可能である。ここで、反射光Ｌａが既知となる状態は、例えば反射光Ｌａがゼロになる状態である。一例として、シャッターなどで受光素子の光入射面を遮断する、または黒体面で発光素子上面を遮断するなどの手法によって、受光素子３０から伝播光Ｌｂの検出値を得ることが可能である。そして、受発光装置１は、検出対象Ｔの測定において上記の発光強度を基に補正を実行することによって、検出対象Ｔの状態をより高精度に検出できる。別の例として、検出値の補正は減算処理によって実行されてよい。減算処理は、例えば、検出対象Ｔの測定における受光素子３０の検出値から、予め取得した伝播光Ｌｂに対する受光素子３０の検出値を減算することであってよい。ここで、特性の算出および補正は、受光素子３０の検出値を取得するプロセッサ等によって実行され得る。また、受発光装置１の温度特性は、プロセッサからアクセス可能なメモリ等に記憶されてよい。また、発光素子を殺菌にもちいるときには受光素子の検出値から発光素子の使用電力を変化させるなどの補正回路を備えていても良い。
【００２０】
また、受発光装置１は、上記の補正を実行するために、別の素子（例えば補正用受光素子）を必要としない。そのため、受発光装置１は、小型化が可能である。
【００２１】
＜好ましい形態＞
受発光装置１は、第１の窒化物半導体層３ａがＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）を含み、第２の窒化物半導体層４ａがＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜ｙ＜１）を含むことが好ましい。
【００２２】
受発光装置１は、第１の窒化物半導体層３ａがＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０．５２＜ｘ＜０．７）を含み、膜厚が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
受発光装置１は、第２の窒化物半導体層４ａがＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ｘ＜ｙ＜ｘ＋０．３）を含み、膜厚が１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
受発光装置１は、第１導電型窒化物半導体層５が、ｎ型導電性であって、ＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ｙ≦ｚ＜０．８５）を含むことが好ましい。
【００２５】
受発光装置１は、基板２が、サファイア基板またはＡｌＮ基板であることが好ましい。
【００２６】
受発光装置１は、発光層６が、Ａｌ、ＧａおよびＮを含む多重量子井戸構造を有することが好ましい。
【００２７】
＜各構成についての詳述＞
（基板）
一態様の受発光装置１を構成する基板２の具体例としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶等を含む基板２が挙げられる。
【００２８】
例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体単結晶基板、または、基材上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層が形成された基板（テンプレート基板）を用いると、基板２の上側に形成する窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
【００２９】
また、汎用性が高いという観点から、基板２はサファイア基板であってよい。基板２は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、ｎ型またはｐ型にドーピングされてよい。
【００３０】
基板２の作製方法としては、昇華法もしくはＨＶＰＥ法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法が適用できる。また、基板２の厚さは一例として１００μｍ以上かつ８００μｍ以下であってよい。また、面方位はｃ面（０００１）、ａ面｛１１−２０｝、ｍ面｛１０−１０｝などが挙げられるが、より好ましくはｃ面基板である。
【００３１】
（第１の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層）
上記のように、第１の窒化物半導体層３ａおよび第３の窒化物半導体層３ｂは、基板２の主面上に形成される窒化物半導体下層３を分離して形成される。したがって、窒化物半導体下層３の組成が、第１の窒化物半導体層３ａおよび第３の窒化物半導体層３ｂの組成となる。ここで、基板２の主面は、第１の窒化物半導体積層体２１および第２の窒化物半導体積層体３１がその上に積層される面をいう。ここで、基板２の主面は平坦な面（平面）に限定されるものでなく、例えば凹凸を含んでよい。
【００３２】
窒化物半導体下層３は、窒化物半導体としてＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）を含む。ここで、上記のように、「ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎを含む」とは、窒化物半導体下層３の大部分はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで構成されるが、それ以外の材料を含む場合があることを意味する。例えば、Ａｌ、ＧａおよびＮ以外の元素（例えばＩｎ等のＩＩＩ族元素またはＭｇ、Ｓｉ等のドーパント）が、窒化物半導体下層３の特性に影響を与えない程度（数％程度）に含まれる場合がある。
また、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）は基板や発光層との格子整合の観点からＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０．４５＜ｘ＜１）であることが好ましい。さらに受光素子としての波長を鑑みると、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０．５２＜ｘ＜０．７）であることがより好ましい。
また、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの膜厚は格子緩和の観点および二次元電子ガスの生成キャリア量の観点から２０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることが好ましい。プロセスの観点から、より好ましくは５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
また、第１の窒化物半導体層３ａおよび第３の窒化物半導体層３ｂには、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよいが、これに限らない。
【００３３】
（第２の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層）
上記のように、第２の窒化物半導体層４ａおよび第４の窒化物半導体層４ｂは、窒化物半導体上層４を分離して形成される。したがって、窒化物半導体上層４の組成が、第２の窒化物半導体層４ａおよび第４の窒化物半導体層４ｂの組成となる。窒化物半導体上層４は、窒化物半導体としてＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜ｙ＜１）を含む。ｘは窒化物半導体下層３における窒化物半導体の組成式におけるＡｌ組成比である。
また発光素子２０におけるＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜ｙ＜１）は基板や発光層との格子整合の観点からＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ｘ＜ｙ＜ｘ＋０．３）であることが好ましい。さらに受光素子としての電極とのコンタクト性を鑑みると、ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ｘ＜ｙ＜ｘ＋０．２）であることがより好ましい。
また、ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎの膜厚は格子緩和の観点および二次元電子ガスの生成キャリア量の観点から５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。プロセスの観点から、より好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
受光素子３０におけるＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜ｙ＜１）は発光素子２０と同様となる。一方で膜厚に関しては二次元電子ガスの生成キャリア量の観点から５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。また電極によるショットキー障壁形成の観点から１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることが好ましい。
また、第２の窒化物半導体層４ａおよび第４の窒化物半導体層４ｂには、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよいが、これに限らない。
【００３４】
ここで、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの格子定数はＶｅｇａｒｄ則を用いて次の式（１）によって計算可能である。
ａＡＢ＝ｘａＡ＋（１−ｘ）ａＢ  …  （１）
式（１）におけるａＡＢはＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの格子定数である。また、ａＡはＡｌＮの格子定数である。また、ａＢはＧａＮの格子定数である。ここで、ａＡおよびａＢとして、「Ｓ．Ｓｔｒｉｔｅ  ａｎｄ  Ｈ．Ｍｏｒｋｏ，ＧａＮ，ＡＩＮ，ａｎｄ  ＩｎＮ：Ａ  ｒｅｖｉｅｗ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ  １０，１２３７（１９９２）；ｄｏｉ：１０．１１１６／１．５８５８９７」に記載された値（ａＡ＝３．１１２Å、ａＢ＝３．１８９Å）を使用することができる。
より詳細に格子定数を求めるには電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ−ＥＥＬＳ）によって求めることが可能である。材料科学技術振興財団（ＭＳＴ）に依頼したＥＥＬＳ測定によって得られる各層のＡｌ組成およびＧａ組成から、上記のＶｅｇａｒｄ則により詳細な各層の格子定数を求めることができる。
または、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて算出することも可能である。ＸＲＤはパナリティカル社製のＸ‘ｐｅｒｔ／ＭＲＤを用いて、管球を４５ｋＶ／４０ｍＡの状態で、二結晶Ｇｅ（２２０）を用いて平行化した線源を使用し、入射ソーラースリットを０．０４°、検出器スリットを１／１６ｍｍにし、ＡｌＮ基板の（２０−２４）面ピークに対して軸立を行う。その後に、２θ／ωスキャンを３４°〜３７°までの範囲において、測定間隔０．０２°、積算時間を０．３秒として測定を行い、ωを±１．５°の範囲で０．０５°間隔で変更しながら、２θ／ωスキャンを繰り返す。前記の測定からＱｘおよびＱｙを算出し、基板に対する緩和率と格子定数を算出する。
基板および窒化物半導体層における各層の膜厚の測定方法として、積層体を薄片化して、断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡法）観察することにより観察される膜厚を用いる方法が挙げられる。より詳細には＜１１−２０＞面に対して、２００ｎｍまで剥片化された資料試料を用意する。日立のＨＤ−２３００を用い、２００ｋＶの印加電圧で測定を行う。断面画像の観察範囲は１μｍの観察幅を有することとし、３箇所でそれぞれ観察を行い、３箇所の各層の膜厚の平均を膜厚とする。
【００３５】
上記のように、窒化物半導体上層４の窒化物半導体の組成式におけるＡｌ組成比ｙは、窒化物半導体下層３の窒化物半導体の組成式におけるＡｌ組成比ｘより大きい。そのため、第２の窒化物半導体層４ａは、第１の窒化物半導体層３ａよりも格子定数が大きい。また、第４の窒化物半導体層４ｂは、第３の窒化物半導体層３ｂよりも格子定数が大きい。
【００３６】
（第１導電型窒化物半導体層）
第１導電型窒化物半導体層５は、導電性を有する窒化物半導体の層であり、窒化物半導体上層４（第２の窒化物半導体層４ａ）上に形成される。第１導電型窒化物半導体層５が含む窒化物半導体は、例えばＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０＜ｚ＜１）である。またＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０＜ｚ＜１）は基板や発光層との格子整合の観点からＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ｙ≦ｚ＜１）であることが好ましい。さらに電極とのコンタクト性を鑑みると、ＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ｙ≦ｚ＜０．８５）であることがより好ましい。また、ＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎの膜厚は格子緩和の観点および抵抗成分の低減の観点から、３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることが好ましい。プロセスの観点から、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。ｙ＜ｚのとき、この界面にも２ＤＥＧが発生するので抵抗低減の観点からはもっとよい。
深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層６として形成する場合に、その結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第１導電型窒化物半導体層５が含む窒化物半導体は、ＡｌＮおよびＧａＮの混晶であることが好ましい。第１導電型窒化物半導体層５の窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよいが、これに限らない。
【００３７】
また、第１導電型窒化物半導体層５と第２導電型窒化物半導体層７とは、互いに異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。一般に、ｐ型半導体はｎ型半導体よりもアクセプタ準位が深く、格子定数の大きい低Ａｌ組成ＡｌＧａＮを成長する必要がある。格子整合の観点から、発光層と格子定数が近くなるｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れており、発光層６への影響が低い。そのため、第１導電型窒化物半導体層５がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層７がｐ型である事が好ましい。
【００３８】
（発光層）
発光層６は、窒化物半導体の層であり、第１導電型窒化物半導体層５上に形成される。発光層６が含む窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から例えばＡｌＮ、ＧａＮの混晶であることが好ましい。発光層６には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよい。また、発光層６は、量子井戸構造も単層構造も取り得る。高い発光効率を実現する観点から、発光層６は少なくとも１つの井戸構造を有することが好ましい。
【００３９】
また、発光素子２０の発光波長を深紫外領域の波長（２８０ｎｍ以下）としたい場合には、発光層６が含む窒化物半導体はＡｌ、ＧａおよびＮを含むことが好ましい。また、発光効率を高める観点から、発光層６は、Ａｌ、ＧａおよびＮを含む量子井戸層と、ＡｌＮまたはＡｌＮを含む混晶からなる電子バリア層とを有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であることが好ましい。
【００４０】
（第２導電型窒化物半導体層）
第２導電型窒化物半導体層７は、導電性を有する窒化物半導体の層であり、発光層６上に形成される。第２導電型窒化物半導体層７が含む窒化物半導体は例えばＧａＮやＡｌＧａＮである。第２導電型窒化物半導体層７の窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ等の不純物が混入していてよい。ただし、上記のように、第１導電型窒化物半導体層５の導電性がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層７の導電性がｐ型である事が好ましい。
【００４１】
（電極）
発光素子２０の電極１１および電極１２のうち、ｎ型電極（例えば電極１２）は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｒ等の金属、これらの混晶、または、ＩＴＯもしくはＧａ２Ｏ３等の導電性酸化物等を用いることができる。例えばｎ型電極は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕを用いてよい。また、ｐ型電極（例えば電極１１）は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ等の金属、これらの混晶、または、ＩＴＯもしくはＧａ２Ｏ３等の導電性酸化物等を用いることができる。例えばｐ型電極は、Ｎｉ／Ａｕを用いてよい。
【００４２】
また、受光素子３０の電極１３および電極１４は、コンタクト抵抗の低い材料であるＴｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ａｇ、ＣｒおよびＺｒのうち少なくとも３つを含む材料で構成され得る。例えば電極１３および電極１４は、Ｖ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕを用いてよい。
【００４３】
電極１１、１２、１３および１４の形成方法として、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。電極１１、１２、１３および１４は単層であり得る。また、電極１１、１２、１３および１４は積層であり得る。また、電極１１、１２、１３および１４は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。
【００４４】
（二次元電子ガス層）
窒化物半導体下層３がチャネル層、窒化物半導体上層４がバリア層として機能し、チャネル層とバリア層との界面に二次元電子ガス層８が存在する。ここで、受光素子３０において、
ソース電極およびドレイン電極に対応する電極１３および電極１４が上記の材料で構成されることによって、窒化物半導体上層４と電極１３および電極１４との間にショットキー接合が生じる。そのため、受光素子３０において、暗状態におけるソース・ドレイン間電流が低減する。一方、窒化物半導体上層３、４に紫外線が入射すると、空乏層内において電子・正孔対が生成し、電界によって電子・正孔がそれぞれ流れることにより、二次元電子ガス層８ｂ層と電極間の抵抗が低下する。それにより、窒化物半導体上層３と電極１３および電極１４との間のショットキー接合が消失する。そのため、光入射時には大きな光電流が得られる。
【００４５】
また、発光素子２０は、従来技術の構成とは異なり、第１の窒化物半導体層３ａと、第１の窒化物半導体層３ａよりも格子定数の大きい第２の窒化物半導体層４ａと、を備える。発光素子２０は、受光素子３０と同様に、二次元電子ガス層８ａを有する。また、発光素子２０は、二次元電子ガス層８ａに近い第１導電型窒化物半導体層５上にオーミックコンタクト（電極１２）を備える。二次元電子ガス層８が存在することにより、電極１２を介して注入された電子は第１導電型窒化物半導体層５上を経由して、二次元電子ガス層８を優先的に流れる。これは二次元電子ガス層が第１導電型窒化物半導体層よりも低抵抗であるためであり、これによって横方向の抵抗が低減し、発光素子２０のフォワード電圧Ｖｆを低減することが可能である。また二次元電子ガス層を優先的に電子が流れることにより、電流の集中が低減する。これにより、発光分布が改善し、発光素子２０の発光強度を高めることができる。
【００４６】
（受光素子）
受光素子３０は、ＭＳＭ（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ）型紫外線受光素子である。構成が簡単であるため、受光素子３０の製造において複雑な工程が不要であり、また、発光素子２０の下位の層（基板２に近いの層）と共通化が可能になる。また、上記のように、受光素子３０の検出値について、発光素子２０と共通の基板２を伝わる伝播光Ｌｂに基づく補正が可能になる。
【００４７】
（受発光装置）
受発光装置１は、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。受発光装置１は、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
【００４８】
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。
【００４９】
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用または寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。
【００５０】
固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。
【００５１】
＜製造方法＞
受発光装置１は、基板２上に各層を形成する工程を経て製造される。この工程は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で行うことができる。図３は、基板２上に、窒化物半導体下層３、窒化物半導体上層４、第１導電型窒化物半導体層５、発光層６および第２導電型窒化物半導体層７が、この順に形成された状態を示す。ここで、窒化物半導体下層３と窒化物半導体上層４との界面に二次元電子ガス層８が存在する。
【００５２】
受発光装置１は、基板２上に形成された各層に対して、不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される。この工程は、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチング等で行うことができる。ここで、必要部分（保護する部分）にはレジスト５０が形成される。図４は、基板２上に形成された各層に対して、エッチングを実行し、発光素子２０の部分と受光素子３０の部分とに分離した状態を示す。ここで、図４に示すように、発光素子２０および受光素子３０の部分の第２導電型窒化物半導体層７上にレジスト５０が形成される。また、図５は、エッチングによって、受光素子３０の部分の第１導電型窒化物半導体層５、発光層６および第２導電型窒化物半導体層７が除去された状態を示す。また、図６は、エッチングによって、発光素子２０の発光層６および第２導電型窒化物半導体層７の一部が除去された状態を示す。
【００５３】
受発光装置１は、電極１１、１２、１３および１４を形成する工程を経て製造される。この工程は、例えば電子線蒸着（ＥＢ）法によって金属を蒸着させる等の種々の方法で行うことができる。図７は、金属を蒸着させて電極１１を形成している状態を示す。
【００５４】
ここで、基板２上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含むＡｌ原料、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等を含むＧａ原料、例えばアンモニア（ＮＨ３）を含むＮ原料を用いて形成することができる。
【実施例】
【００５５】
上記の実施形態の受発光装置１と同じ層構成を有する、実施例１〜１９および比較例１〜４の受発光装置を作製した。つまり、実施例１〜１９および比較例１〜４の受発光装置は、１つの基板上に、発光素子と、受光素子と、を備える。発光素子は、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第１導電型窒化物半導体層、発光層、第２導電型窒化物半導体層および２つの電極を備える。また、受光素子は、第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層および２つの電極を備える。
【００５６】
［実施例１］
図１に示す構造の受発光装置１を以下のようにして作製した。
【００５７】
有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、サファイア単結晶を含む基板２上に、窒化物半導体下層３、窒化物半導体上層４、第１導電型窒化物半導体層５、発光層６および第２導電型窒化物半導体層７が、この順に積層された。詳しくはサファイア単結晶基板上にＴＭＡｌおよびＮＨ３を用いてＡｌＮバッファ層を２μｍ形成した。その上にＴＭＡｌ、ＴＥＧａおよびＮＨ３を用いて第１の窒化物半導体下層３であるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ｘ＝０．４５）を１５０ｎｍ形成した。次に、第２の窒化物半導体上層４としてＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ｙ＝０．５５）を５０ｎｍ形成した。第１導電型窒化物半導体層５としてＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ｚ＝０．５５）を５００ｎｍ形成し、このときモノシラン（ＳｉＨ４）を用いることによりＳｉをドーピングし、ｎ型半導体層とした。その上に、Ａｌ０．５５Ｇａ０．４５Ｎ／Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎからなる発光層６をそれぞれ量子井戸層３ｎｍ／バリア層６ｎｍになるよう３周期積層した。電子ブロック層としてｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎを１０ｎｍ形成した。このときシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いてＭｇをドーピングした。最後にＣｐ２Ｍｇを用いてｐ型ＧａＮを１００ｎｍ、第２導電型窒化物半導体層７として積層した。この工程により図３に示す積層体を得た。この積層体の各層における膜厚は断面ＴＥＭ測定により、Ａｌ組成についてはＸＲＤから算出を行った。
【００５８】
この積層工程において、得られた積層体に対して、図４〜７に示す工程により受発光素子を作製した。詳しくはＲＴＡ装置を用いて、９００℃、窒素雰囲気中において５分間のｐ型活性化処理を行い、レジストを用いたフォトマスクが形成された積層体に対して、ＩＣＰを用いて基板上に成長されたＡｌＮバッファ層まで到達するようエッチングを行い、発光素子と受光素子の分離を行った。次に、レジストを用いたフォトマスクを再度形成し、ＩＣＰにより受光素子３０のみ第２の窒化物半導体上層４ｂまでエッチングを行った。このとき、段差測定から第２の窒化物半導体上層４ｂの厚みは２５ｎｍであった。新しいレジストを用いたフォトマスクを作製し、発光素子２０に対して、一部のエッチングを第１導電型窒化物半導体層５まで行った。このときエッチングされた第１導電型窒化物半導体層５の露出部の膜厚は４８０ｎｍであった。新しいレジストを用いたフォトマスクを形成し、ＥＢ蒸着を発光素子２０のエッチングされた第１導電型窒化物半導体層窒５と受光素子３０の第２の窒化物半導体上層４ｂに対して行った。用いた電極はＶ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕである。蒸着された電極に対して、ＲＴＡ装置を用いて、９５０℃、窒素雰囲気中において１分間の合金化処理を行った。新しいレジストを用いたフォトマスクを形成し、ＥＢ蒸着を発光素子２０の第２導電型窒化物半導体層窒７に対して行った。用いた電極はＮｉ／Ａｕである。蒸着された電極に対して、ＲＴＡ装置を用いて、９００℃、窒素雰囲気中において１分間の合金化処理を行った。プラズマＣｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）を用いてＳｉＯ２保護膜を１０ｎｍ形成した。電極１１，１２，１３，１４直上のＳｉＯ２保護膜に窓開けを行い、Ｔｉ／ＡｕをＰａｄ電極として蒸着し、受発光装置１を得た。
【００５９】
このようにして、図１に示す構造の受発光装置１が得られた。フリップチップ型の加工を行った装置に対してＬＥＤ特性およびセンサ特性の評価を行った。ＬＥＤ特性の評価は電流を印加した際の発光特性と駆動電圧を、積分球およびパラメータアナライザを用いて測定した。３５０ｍＡを印加した際に、基板の裏側から照射される紫外光を測定したところ、波長２６５ｎｍであり、出力１２ｍＷを得た。このとき駆動電圧は５．１Ｖであった。次にＬＥＤを照射していない状態において、フィルタによって分光された標準紫外光を用いてセンサの特性評価を行った。このときも基板の裏側から紫外光を入射して測定を行った。用いた紫外光の波長は２６５ｎｍ（半価幅３ｎｍ）であり、１０μＷ／ｃｍ２を使用した。得られた電流値から算出される受光感度は１０６Ａ／Ｗであり、紫外光非照射時とのシグナル／ノイズ（Ｓ／Ｎ）は１０６であった。また、ＬＥＤを上記と同様の条件で照射した際に、センサには反射光が入らない環境下（シャッターや覆いを用いる）において、基板内部のみを伝播したＬＥＤの照射光によって得られるセンサの出力電圧（解放系での出力電圧）を測定したところ、３ｍＶが得られた。ＬＥＤを駆動していない際の出力電圧は０．０１ｍＶであったため、伝搬光を測定できていることが明らかとなった。
【００６０】
［実施例２］
第１の窒化物半導体積層体２１および第２の窒化物半導体積層体３１に対して実施例１と同じ工程を行い、詳細には表１に示す条件とすることにより、実施例２〜１９、比較例１〜３の受発光装置１が得られた。
【００６１】
【表１】
2020068283.tif 000003
【００６２】
以上の結果より、伝搬光のみを測定した際のセンサ出力電圧とＬＥＤの照射強度にはよい相関が得られており、内部伝搬光を用いた校正が可能であることを証明している。
【００６３】
（その他）
本開示は、以上に記載した実施形態および変形例に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様は本開示の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１    受発光装置
２    基板
３    窒化物半導体下層
３ａ  第１の窒化物半導体層
３ｂ  第３の窒化物半導体層
４    窒化物半導体上層
４ａ  第２の窒化物半導体層
４ｂ  第４の窒化物半導体層
５    第１導電型窒化物半導体層
６    発光層
７    第２導電型窒化物半導体層
８、８ａ、８ｂ  二次元電子ガス層
１１、１２、１３、１４  電極
２０  発光素子
２１  第１の窒化物半導体積層体
３０  受光素子
３１  第２の窒化物半導体積層体
５０  レジスト
Ｌａ  反射光
Ｌｂ  伝播光
Ｔ    検出対象
【図１】
2020068283.tif 000004
【図２】
2020068283.tif 000005
【図３】
2020068283.tif 000006
【図４】
2020068283.tif 000007
【図５】
2020068283.tif 000008
【図６】
2020068283.tif 000009
【図７】
2020068283.tif 000010