(57)【要約】【課題】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。【解決手段】  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。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３４７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】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。
【図３】電子線源の部分を拡大した模式図である。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】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。
【図４Ｃ】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。
【図４Ｄ】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。
【図５Ａ】実施例１の発光スペクトルを示すグラフである。
【図５Ｂ】比較例１の発光スペクトルを示すグラフである。
【図６Ａ】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。
【図６Ｂ】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態につき、説明する。
【００２３】
＜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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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。
【００３１】
（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。
【００３２】
＜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。
【００３３】
図２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２において、（ａ）が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２（ｂ）が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２（ｂ）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。
【００３４】
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。
【００３５】
図２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。
【００３６】
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。
【００３７】
図２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。
【００３８】
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。
【００３９】
＜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。
【００４０】
（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。
【００４１】
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。
【００４２】
本ステップＳ１が工程（ａ）に対応する。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
本ステップＳ２が工程（ｂ）に対応する。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
本ステップＳ３が工程（ｃ）に対応する。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
本ステップＳ４が工程（ｅ）に対応する。
【００５４】
（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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
本ステップＳ５が工程（ｄ）に対応する。
【００５８】
（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２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。
【００５９】
＜検証＞
以下、実施例及び比較例を参照して説明する。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
［第二実施形態］
本発明の第二実施形態につき、説明する。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。
【００８１】
〈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。
【００８２】
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。
【００８３】
〈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。
【００８４】
〈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。
【００８５】
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。
【００８６】
〈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。
【符号の説明】
【００８７】
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
【図１】
2017092183.tif 000003
【図２】
2017092183.tif 000004
【図３】
2017092183.tif 000005
【図４Ａ】
2017092183.tif 000006
【図４Ｂ】
2017092183.tif 000007
【図４Ｃ】
2017092183.tif 000008
【図４Ｄ】
2017092183.tif 000009
【図５Ａ】
2017092183.tif 000010
【図５Ｂ】
2017092183.tif 000011
【図６Ａ】
2017092183.tif 000012
【図６Ｂ】
2017092183.tif 000013
【図７】
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