JP4997621B2 - 半導体発光素子およびそれを用いた照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子およびそれを用いた照明装置に関するものである。

近年、V族元素に窒素を含む窒化物半導体がｐｎ接合を利用した発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子の分野で脚光を浴び、各所で研究開発が行われている。ここにおいて、窒化物半導体が脚光を浴びている理由は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮをはじめとする窒化物半導体が、直接遷移型の半導体であり、さらに、三元混晶や四元混晶では組成を適宜設定してバンドギャップを変化させることにより赤外から深紫外までの光を放射できるからである。

しかしながら、窒化物半導体を用いた半導体発光素子の製造にあたっては、窒化物半導体からなる高品質且つ大面積のエピタキシャル成長用基板の作製が困難であるため、例えばサファイア基板や炭化珪素基板などをエピタキシャル成長用基板として用いる必要があり、ヘテロエピタキシャル成長が強いられることとなり、表面が平坦な窒化物半導体薄膜の成長が難しく、窒化物半導体薄膜中の貫通転位の密度が１０^９〜１０^１１ｃｍ^−２にも及んでいた。ここにおいて、貫通転位は半導体発光素子の内部量子効率を低下させる原因となるので、半導体発光素子の内部量子効率を向上させるために、低転位化の技術や、転位の影響を受けにくい発光層材料の選択などが研究されてきた。

ここにおいて、低転位化の技術については、ＧａＮ層を中心に研究が進められ、低温緩衝層（低温バッファ層）の導入、選択成長マスクを用いた横方向エピタキシャル埋め込み成長法（Epitaxial Lateral Overgrowth）、三次元成長を誘起する不純物原子からなるアンチサーファクタント（例えば、Ｓｉ）を下地層（例えば、ＧａＮバッファ層）の表面に添加することで表面構造を制御するアンチサーファクタント法など様々な技術が検討されるとともに、格子不整合率の小さなエピタキシャル成長用基板の検討が行われており、ＧａＮ層中の貫通転位密度を１０^５ｃｍ^−２程度まで減少できることが報告されている。しかしながら、ＡｌＧａＮ三元混晶では、上述の低転位化の技術を用いても得られる効果が小さいことがわかっており、紫外領域の光を放射する半導体発光素子の材料として用いるＡｌＧａＮでは、さらに低転位化の技術を検討する必要がある。

他方、貫通転位の影響を受けにくい発光層材料としては、ＩｎＧａＮ三元混晶が注目されてきた。ＩｎＧａＮは非混和性が強く、Ｉｎの組成の増加に伴い結晶内でのＩｎの組成が不均一になり、ＩｎＧａＮ層に注入されたキャリアが貫通転位に捕獲される前にＩｎの組成の高い領域で再結合するので、ＩｎＧａＮを発光層に用いることで貫通転位が多いにもかかわらず内部量子効率を飛躍的に増加させることが可能となる。

しかしながら、発光層材料にＩｎを含めると発光波長が長波長側へシフトするので、紫外領域の光を放射する半導体発光素子の多くは発光層の材料としてＩｎを含まないＡｌＧａＮが採用されており、内部量子効率が低かった。

ここにおいて、ＡｌＧａＮ層を高品質化するには、エピタキシャル成長用の単結晶基板がサファイア基板であれば、ＡｌＮ層を下地層として成長することが望ましいことが知られている。これは、ＡｌＮ層上にＡｌＧａＮ層を成長するようにすることで、サファイア基板上にＡｌＧａＮ層を直接成長するような場合に比べてＡｌＧａＮ層と下地層との格子不整合率が小さくなるので、ＡｌＧａＮ層に貫通転位が生じにくく、さらに、ＡｌＧａＮ層には圧縮される方向に歪が加わるので、ＡｌＧａＮ層内の隣接する貫通転位が結合し、低転位化が可能になるとともに、クラックの発生が抑制されるからである。なお、上述のＡｌＮ層を下地層として成長する場合には、サファイア基板上に低温バッファ層を介さずに直接成長することが好ましいことが知られている。

また、近年、ＡｌＧａＩｎＮ四元混晶を発光層の材料として用い紫外領域の光を放射する半導体発光素子が注目されている（例えば、特許文献１参照）。ＡｌＧａＩｎＮ層は、Ｉｎを含んでいるにもかかわらず、３６０ｎｍ以下の波長域に発光ピーク波長を設定することが可能であり、内部量子効率もＩｎＧａＮ層と同程度まで改善できることが報告されている。さらに、ＡｌＧａＩｎＮ層は、ＩｎＧａＮ層では成長が困難な８００℃以上の温度領域でも結晶成長が可能であり、より高品質な結晶が得やすくなるという利点がある。

そこで、上述のＡｌＧａＮ層を高品質化する技術とＡｌＧａＩｎＮ四元混晶を発光層の材料として用いる技術とを組み合わせることにより、より高効率で発光する紫外発光素子の実現が期待されている。
特開平９−６４４７７号公報

しかしながら、Ｉｎを含んだ発光層の形成には通常は６００℃〜７５０℃の成長温度が採用されるのに対して、発光層の下地となるｎ形窒化物半導体層に用いられるｎ形ＧａＮ層もしくはｎ形ＡｌＧａＮ層は１０００℃以上の温度領域で成長が行われるので、ｎ形窒化物半導体層を形成した後、発光層を形成するためには、成長を一旦中断し基板温度を変更する必要があり、発光層の形成前にｎ形窒化物半導体層の表面が汚染されてしまい、しかも、ｎ形窒化物半導体層であるｎ形ＡｌＧａＮ層と発光層であるＡｌＧａＩｎＮ層とは格子不整合率が大きいので、高品質なｎ形ＡｌＧａＮ層からなるｎ形窒化物半導体層を形成し且つ発光層材料として高効率な材料を用いても、内部量子効率が低下してしまうという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光層の材料としてＡｌＧａＩｎＮを用いつつ紫外光の発光強度を従来構成に比べて高めることができる半導体発光素子および従来に比べて紫外光の高出力化が可能な照明装置を提供することにある。

請求項１の発明は、エピタキシャル成長用の単結晶基板の一表面側に第１のバッファ層を介して形成されたｎ形窒化物半導体層と、ｎ形窒化物半導体層の表面側に形成された発光層と、発光層の表面側に形成されたｐ形窒化物半導体層とを備え、発光層がＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有し、ｎ形窒化物半導体層と発光層に含まれるアンドープの障壁層との間に、当該障壁層と同じ組成を有するアンドープの第２のバッファ層が設けられてなり、第１のバッファ層と第２のバッファ層とは格子定数が異なっており、ｎ形窒化物半導体層は、第１のバッファ層から離れるにつれて第１のバッファ層の格子定数から第２のバッファ層の格子定数に近づくにように組成比が変化されてなり、第２のバッファ層は、前記障壁層よりも膜厚が大きいことを特徴とする。

この発明によれば、ｎ形窒化物半導体層と発光層に含まれるアンドープの障壁層との間にアンドープの第２のバッファ層を設けることにより、発光層の貫通転位の密度を低減できるとともに発光層に生じる残留歪を低減することができ、しかも、第２のバッファ層が発光層の障壁層と同じ組成を有しているので、製造にあたっては、第２のバッファ層と発光層の障壁層とで同一の成長温度を採用することができ、発光層の下地層となる第２のバッファ層を成長した後に成長中断することなく当該第２のバッファ層上に発光層の障壁層を連続して成長することができて第２のバッファ層と発光層との界面を高品質化できるので、ｎ形窒化物半導体層とＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する発光層との間に発光層の障壁層と同じ組成を有する第２のバッファ層が設けられていない従来構成に比べて、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する発光層から放射される紫外光の発光強度を高めることができ、結果的に、電流注入発光スペクトルの強度を高めることができる。また、この発明によれば、第１のバッファ層と第２のバッファ層とは格子定数が異なっており、ｎ形窒化物半導体層は、第１のバッファ層から離れるにつれて第１のバッファ層の格子定数から第２のバッファ層の格子定数に近づくにように組成比が変化されてなることにより、第１のバッファ層と第２のバッファ層との格子定数差に起因して第２のバッファ層に生じる歪みを低減することができ、第２のバッファ層の結晶性を改善できるので、結果的に、発光層の結晶性を改善することができる。また、この発明によれば、第２のバッファ層は、前記障壁層よりも膜厚が大きいので、第２のバッファ層の結晶性を改善することができ、結果的に、発光層の結晶性を改善することができるとともに再現性を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１のバッファ層は、ＡｌＮ層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ｎ形窒化物半導体層の材料としてＡｌＧａＮを採用する場合に、前記ｎ形窒化物半導体層の下地層となる前記第１のバッファ層としてＡｌＮ層を成長することにより、前記第１のバッファ層としてＧａＮ層を成長する場合に比べて、前記第１のバッファ層と前記ｎ形窒化物半導体層との格子不整合率が小さくなるので、前記ｎ形窒化物半導体層の低転位化を図れるとともに、前記ｎ形窒化物半導体層にクラックが発生するのを抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記ｎ形窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ｎ形窒化物半導体層の高品質化を図ることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記単結晶基板と前記ｎ形窒化物半導体層と前記ｐ形窒化物半導体層との少なくとも１つにおける露出面に光取り出し効率を向上させる凹凸構造が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、光取り出し効率を向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする。

この発明によれば、従来に比べて紫外光の高出力化が可能な照明装置を実現することができる。

請求項１の発明では、ｎ形窒化物半導体層とＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する発光層との間に発光層の障壁層と同じ組成を有する第２のバッファ層が設けられていない場合に比べて、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する発光層から放射される紫外光の発光強度を高めることができるという効果がある。

請求項７の発明では、従来に比べて紫外光の高出力化が可能な照明装置を実現することができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の半導体発光素子は、紫外発光ダイオードであって、図１に示すように、エピタキシャル成長用の単結晶基板１の一表面側に第１のバッファ層２を介してｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に第２のバッファ層４を介して発光層５が形成され、発光層５の表面側にｐ形窒化物半導体層６が形成されている。なお、図示していないが、ｎ形窒化物半導体層３にはカソード電極が形成され、ｐ形窒化物半導体層６にはアノード電極が形成されている。

ここにおいて、単結晶基板１としては、上記一表面が（０００１）面、つまり、ｃ面のサファイア基板を用いている。

第１のバッファ層２は、ｎ形窒化物半導体層３の貫通転位を低減するとともにｎ形窒化物半導体層３の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が０．５μｍの単結晶のＡｌＮ層により構成してある。なお、第１のバッファ層２の膜厚は０．５μｍに限定するものではない。

第１のバッファ層２の形成にあたっては、サファイア基板からなる単結晶基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入した後、反応炉内の圧力を所定の成長圧力（例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒ）に保ちながら基板温度を所定温度（例えば、１２５０℃）まで上昇させてから所定時間（例えば、１０分間）の加熱を行うことにより単結晶基板１の上記一表面を清浄化し、その後、基板温度を上記所定温度と同じ成長温度（ここでは、１２５０℃）に保持した状態で、アルミニウムの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア（ＮＨ_３）の流量を標準状態で０．１Ｌ／ｍｉｎ（１００ＳＣＣＭ）に設定してから、ＴＭＡｌとＮＨ_３とを同時に反応炉内へ供給開始して単結晶のＡｌＮ層からなる第１のバッファ層２を成長させる。第１のバッファ層２について、上述の形成方法を採用することにより、低温ＡｌＮバッファ層を用いることなく単結晶のＡｌＮ層を成長することができる。なお、第１のバッファ層２としては、単結晶のＡｌＮ層に限らず、単結晶のＡｌＧａＮ層を採用してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３は、第１のバッファ層２上に形成されたｎ形Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ層からなる第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａと、第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａ上に形成されたｎ形Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層からなる第２のｎ形ＡｌＧａＮ層３ｂとで構成してある。ここにおいて、ｎ形窒化物半導体層３を構成する第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａと第２のｎ形ＡｌＧａＮ層３ｂとは、第１のバッファ層２から離れるにつれて第１のバッファ層２の格子定数から第２のバッファ層４の格子定数に近づくにように組成比が変化されている。ここで、ｎ形窒化物半導体層３は、第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａの膜厚を１μｍ、第２のｎ形ＡｌＧａＮ層３ｂの膜厚を２μｍに設定してあるが、各ｎ形ＡｌＧａＮ層３ａ，３ｂの膜厚は特に限定するものではない。

ここにおいて、ｎ形窒化物半導体層３の成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素の原料としてＮＨ_３、ｎ形伝導性を付与する不純物であるシリコンの原料としてテトラエチルシリコン（ＴＥＳｉ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスとＨ_２ガスとを用いている。ここで、各層３ａ，３ｂいずれの成長時もＴＥＳｉの流量は標準状態で０．００００５Ｌ／ｍｉｎ（０．０５ＳＣＣＭ）とし、第１のｎ形ＡｌＧａＮ層６ａの成長時と第２のｎ形ＡｌＧａＮ層６ｂの成長時とでIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させている。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、シリコンの原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）を用いてもよい。

第２のバッファ層４は、発光層５の貫通転位を低減するとともに発光層５の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が５０ｎｍのＡｌ_0.30Ｇａ_0.64Ｉｎ_0.06Ｎ層により構成してある。第２のバッファ層４の組成は発光層５の障壁層５ａと同じ組成に設定してあれば、組成は特に限定するものではない。なお、第２のバッファ層４の膜厚は５０ｎｍに限定するものではない。

ここにおいて、第２のバッファ層４の成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。

発光層５は、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造（本実施形態では、多重量子井戸構造となっているが、単一量子井戸構造でもよい）を有し、障壁層５ａを膜厚が１０ｎｍのＡｌ_0.30Ｇａ_0.64Ｉｎ_0.06Ｎ層により構成し、井戸層５ｂを膜厚が２ｎｍのＡｌ_0.15Ｇａ_0.79Ｉｎ_0.06Ｎ層により構成してある。なお、本実施形態では、発光層５が厚み方向に並んだ３つの井戸層５ｂを有する多重量子井戸構造となっているが、井戸層５ｂの数は特に限定するものではなく、例えば井戸層５ｂを１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、障壁層５ａおよび井戸層５ｂの各膜厚は特に限定するものではない。

ここにおいて、発光層５の成長条件としては、成長温度を第２のバッファ層４と同じ８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。なお、発光層５は、障壁層５ａの成長時と井戸層５ｂの成長時とでIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させるが、障壁層５ａと第２のバッファ層４とが同じ組成に設定されているので、第２のバッファ層４の成長後、成長中断することなく、発光層５のうち最下層の障壁層５ａを成長することができる。

ｐ形窒化物半導体層６は、発光層５上に形成されたｐ形Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層からなる第１のｐ形ＡｌＧａＮ層６ａと、第１のｐ形ＡｌＧａＮ層６ａ上に形成されたｐ形Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層からなる第２のｐ形ＡｌＧａＮ層６ｂ、第２のｐ形ＡｌＧａＮ層６ｂ上に形成されたｐ形ＧａＮ層６ｃとで構成してある。ここで、ｐ形窒化物半導体層６は、第１のｐ形ＡｌＧａＮ層６ａの膜厚を２０ｎｍ、第２のｐ形ＡｌＧａＮ層６ｂの膜厚を３００ｎｍ、ｐ形ＧａＮ層６ｃの膜厚を５０ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

ここにおいて、ｐ形窒化物半導体層６の第１のｐ形ＡｌＧａＮ層６ａおよび第２のｐ形ＡｌＧａＮ層６ｂの成長条件としては、成長温度を１０５０℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ _３ 、ｐ形伝導性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。なお、各層６ａ，６ｂ，６ｃいずれの成長時もＣｐ₂Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）とした。

ところで、ｎ形窒化物半導体層３と発光層５との間に第２のバッファ層４を設けたことよる効果を確認するために、第２のバッファ層４を設けた実施例の試料と第２のバッファ層４を設けていない比較例の試料とを用意し、各試料それぞれの発光層５を露出させてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った結果を図２に示す。ここにおいて、図２中の「イ」が実施例のＰＬスペクトルを、「ロ」が比較例のＰＬスペクトルをそれぞれ示しており、図２からｎ形窒化物半導体層３と発光層５との間に第２のバッファ層４を設けたことにより、発光層５の発光強度が高くなっていることが分かる。

また、上述の各層２，３，４，５，６を例示した材料および組成比および膜厚で形成した実施例について電流注入発光スペクトルを測定した結果を図３に示す。ここに、電流注入発光スペクトルの測定時の電流値は４０ｍＡであり、３５０ｎｍに発光ピーク波長を有する良好な電流注入発光スペクトルが測定された。

以上説明した本実施形態の半導体発光素子では、ｎ形窒化物半導体層３と発光層５との間に第２のバッファ層４を設けることにより、発光層５の貫通転位の密度を低減できるとともに発光層５に生じる残留歪を低減することができ、しかも、第２のバッファ層４が発光層５の障壁層５ａと同じ組成を有しているので、製造にあたっては、第２のバッファ層４と発光層５の障壁層５ａとで同一の成長温度を採用することができ、発光層５の下地層となる第２のバッファ層４を成長した後に成長中断することなく当該第２のバッファ層４上に発光層５の障壁層５ｂを連続して成長することができて第２のバッファ層４と発光層５との界面を高品質化できるので、ｎ形窒化物半導体層３とＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する発光層５との間に発光層５の障壁層５ａと同じ組成を有する第２のバッファ層４が設けられていない従来構成に比べて、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する発光層５から放射される紫外光の発光強度を高めることができ、結果的に、電流注入発光スペクトルの強度を高めることができる。

また、本実施形態の半導体発光素子では、ｎ形窒化物半導体層３の材料として上述のようにＡｌＧａＮを採用しており、ｎ形窒化物半導体層３の下地層となる第１のバッファ層２としてＡｌＮ層を成長するので、第１のバッファ層２としてＧａＮ層を成長する場合に比べて、第１のバッファ層２とｎ形窒化物半導体層３との格子不整合率が小さくなり、ｎ形窒化物半導体層３の低転位化を図れるとともに、ｎ形窒化物半導体層３にクラックが発生するのを抑制することができる。また、本実施形態の半導体発光素子では、ｎ形窒化物半導体層３がＡｌＧａＮ層により構成されているので、ｎ形窒化物半導体層３の高品質化を図ることができる。

また、本実施形態の半導体発光素子では、第１のバッファ層２と第２のバッファ層４とで格子定数が異なっているが、ｎ形窒化物半導体層３が、第１のバッファ層２から離れるにつれて第１のバッファ層２の格子定数から第２のバッファ層４の格子定数に近づくにように組成比が変化されているので、第１のバッファ層２と第２のバッファ層４との格子定数差に起因して第２のバッファ層４に生じる歪みを低減することができ、第２のバッファ層４の結晶性を改善でき、結果的に、発光層５の結晶性を改善することができる。また、本実施形態の半導体発光素子では、第２のバッファ層４の膜厚を障壁層５ａの膜厚よりも大きく設定してあるので、第２のバッファ層４の結晶性を改善することができ、結果的に、発光層５の結晶性を改善することができるとともに再現性を高めることができる。

（実施形態２）
本実施形態の半導体発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、実施形態１におけるｐ形窒化物半導体層６のｐ形ＧａＮ層６ｃの代わりに、ｐ形Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層６ｄを用い、ｐ形窒化物半導体層６の表面（つまり、ｐ形Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層６ｄの表面）に光取り出し効率を向上させる凹凸構造７が形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ここにおいて、ｐ形Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層６ｄの形成にあたって、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、各原料を輸送するキャリアガスとしてＮ_２ガスを用いることにより、ｐ形Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層６ｄの表面には下地層である第２のｐ形ＡｌＧａＮ層６ｂの貫通転位の位置を反映してピットが形成され、当該ピットで上記凹凸構造７が形成されるので、上記凹凸構造７を形成するための工程を別途に設ける必要はない。

ただし、ｐ形窒化物半導体層６の表面に凹凸構造７を形成する方法は上述の方法に限らず、例えば、実施形態１の構成において、アンチサーファクタント法を利用して表面に凹凸構造７を有するｐ形ＧａＮ層６ｃを第２のｐ形ＡｌＧａＮ層６ｂ上に成長するようにしてもよいし、ｐ形ＧａＮ層６ｃの表面を、塩酸、硫酸、塩酸と硫酸との混合溶液、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどによりエッチングすることで凹凸構造７を形成するようにしてもよいし、ｐ形ＧａＮ層６ｃの表面を、プラズマを利用してエッチングすることで凹凸構造７を形成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、ｐ形窒化物半導体層６の露出表面に凹凸構造７を形成しているが、光取り出し効率を向上させる凹凸構造７の形成部位はｐ形窒化物半導体層６の表面に限定するものではなく、例えば、単結晶基板１の露出表面、ｐ形窒化物半導体層６の表面側から所定部位をｎ形窒化物半導体層３に達する深さまでエッチングすることにより露出したｎ形窒化物半導体層３の露出表面などに凹凸構造７を形成するようにしてもよい。

なお、ｎ形窒化物半導体層３のうち第１のバッファ層２側の第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａの成長表面に凹凸が形成されるようにすれば第２のｎ形ＡｌＧａＮ層３ｂの貫通転位を低減でき、結果的に発光層５の貫通転位を低減することができる。ここにおいて、第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａの成長表面に凹凸が形成されるようにするには、第１のバッファ層と同じ材料（ＡｌＮ）からなる第３のバッファ層を第１のバッファ層２上に第１のバッファ層２の形成温度よりも規定温度（例えば、１００℃）だけ低い形成温度で形成してから、第１のｎ形ＡｌＧａＮ層３ａを形成するようにすればよい。

（実施形態３）
本実施形態では、図５に示すように、実施形態１の半導体発光素子をパッケージに収納した複数個（図示例では、７個）の発光装置１０を金属製（例えば、アルミニウム製）の器具本体２０に収納配置した照明装置を例示する。ここにおいて、各発光装置１０のパッケージは、半導体発光素子からの光を所望の方向へ反射する反射器および半導体発光素子の各電極と電気的に接続されたリード端子を有している。なお、発光装置１０の個数は特に限定するものではない。

器具本体２０は、一面（前面）が開口した有底筒状（本実施形態では、有底円筒状）に形成されており、器具本体２０の円板状の底壁２０ａと円筒状の周壁２０ｂとで囲まれた空間内で各発光装置１０が器具本体２０の底壁２０ａにグリーンシートからなる絶縁層（図示せず）を介して実装されている。なお、各発光装置１０は、図示しないリード線により直列ないし並列に接続するようにしてあるが、各発光装置１０を直列ないし並列に接続する回路パターンが形成され且つ各発光装置１０それぞれを露出させる複数の窓孔が形成された円板状の回路基板を器具本体２０内に収納配置するようにしてもよい。

ここにおいて、本実施形態の照明装置では、各発光装置１０を器具本体２０の底壁２０ａに上記絶縁層を介して実装することで各発光装置１０と器具本体２０とを電気的に絶縁し且つ両者を熱結合しており、各発光装置１０を回路基板に実装して当該回路基板を器具本体２０内に収納配置する場合に比べて、各発光装置１０から器具本体２０までの熱抵抗を小さくでき放熱性が向上する。ただし、各発光装置１０は器具本体２０に実装せずに、金属板（例えば、アルミニウム板、銅板など）上に絶縁樹脂層を介して導体パターンが形成された金属ベースプリント配線基板のような回路基板に実装してもよく、この場合には当該回路基板と器具本体２０の底壁２０ａとの間にグリーンシートのような絶縁層を介在させればよい。

以上説明した本実施形態の照明装置では、紫外光を放射する半導体発光素子として実施形態１にて説明した半導体発光素子を用いているので、従来に比べて紫外光の高出力化が可能となる。ここにおいて、本実施形態では、半導体発光素子として実施形態１にて説明した半導体発光素子を用いているが、実施形態２にて説明した半導体発光素子を用いてもよい。

なお、上記各実施形態では、半導体発光素子における単結晶基板１としてサファイア基板を用いているが、単結晶基板１はサファイア基板に限定するものではなく、第１のバッファ層２として用いる単結晶のＡｌＮ層が成長できる基板であればよく、例えば、スピネル基板、シリコン（Ｓｉ）基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、酸化亜鉛基板、リン化ガリウム（ＧａＰ）基板、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板、酸化マグネシウム基板、酸化マンガン基板、硼化ジルコニウム基板、III族窒化物系半導体結晶基板などを用いてもよい。

実施形態１を示す半導体発光素子の概略断面図である。 同上の実施例および比較例それぞれのフォトルミネッセンス測定結果を示す発光スペクトル図である。 同上の実施例の電流注入発光スペクトル図である。 実施形態２を示す半導体発光素子の概略断面図である。 実施形態３を示す照明装置の概略正面図である。

符号の説明

１ 単結晶基板
２ 第１のバッファ層
３ ｎ形窒化物半導体層
４ 第２のバッファ層
５ 発光層
５ａ 障壁層
５ｂ 井戸層
６ ｐ形窒化物半導体層

Claims (5)

1. エピタキシャル成長用の単結晶基板の一表面側に第１のバッファ層を介して形成されたｎ形窒化物半導体層と、ｎ形窒化物半導体層の表面側に形成された発光層と、発光層の表面側に形成されたｐ形窒化物半導体層とを備え、発光層がＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有し、ｎ形窒化物半導体層と発光層に含まれるアンドープの障壁層との間に、当該障壁層と同じ組成を有するアンドープの第２のバッファ層が設けられてなり、第１のバッファ層と第２のバッファ層とは格子定数が異なっており、ｎ形窒化物半導体層は、第１のバッファ層から離れるにつれて第１のバッファ層の格子定数から第２のバッファ層の格子定数に近づくにように組成比が変化されてなり、第２のバッファ層は、前記障壁層よりも膜厚が大きいことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１のバッファ層は、ＡｌＮ層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記ｎ形窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ層からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記単結晶基板と前記ｎ形窒化物半導体層と前記ｐ形窒化物半導体層との少なくとも１つにおける露出面に光取り出し効率を向上させる凹凸構造が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする照明装置。

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