JP7195815B2

JP7195815B2 - 紫外線発光素子

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Publication number: JP7195815B2
Application number: JP2018158630A
Authority: JP
Inventors: 陽吉川; 朋浩森下; 亮介長谷川; 梓懿張; 優太本間
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: JP2020035797A

Description

本開示は、紫外線発光素子に関する。

紫外線発光素子は、発光層のバンドギャップエネルギーを制御することにより発光波長を制御することができるとともに、寿命が長く信頼性が高い。そのため、照明、計測器用光源、殺菌用光源など様々な用途に利用されている。一般的な紫外線発光素子は、基板上に、発光層をｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体で挟んだＰＩＮ構造を有する。

発光素子の発光出力（発光強度）を高めるために、発光効率を向上させる事が重要である。例えば、特許文献１には、活性層（発光層）とｐ型窒化物半導体層との間に量子障壁層を形成し、各層のバンドギャップエネルギーを調整する事で、発光効率を向上させる技術が開示されている。

また、発光強度を高めるために、活性層周辺の層内のミスフィット転位を排除する技術（例えば特許文献２参照）、および、転位密度を抑制する技術（例えば特許文献３および４参照）が提案されている。

特開２０１０－１１４４０３号公報特開２０１４－２３２８９２号公報国際公開第２０１６／１４３６５３号特開２０１５－１６７２３１号公報

紫外線発光素子には、さらなる発光効率の向上が求められている。本開示の目的は、発光強度を高めることができる紫外線発光素子を提供することにある。

本開示に係る紫外線発光素子は、Ａｌを含む窒化物半導体を含む基板と、前記基板上に形成され、導電性を有し、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を含む窒化物半導体を含む発光層と、前記発光層上に形成され、前記第１導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する第２導電型窒化物半導体層と、を備え、前記第１導電型窒化物半導体層のＸＲＤによる（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの半値幅Ｈｂは、前記基板のＸＲＤによる（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの半値幅Ｈａより大きく、１＜Ｈｂ／Ｈａ≦２．５を満たす。

本開示によれば、発光強度を高めることができる紫外線発光素子を提供することが可能となる。

一実施形態に係る紫外線発光素子の構成を示す断面図である。

＜紫外線発光素子の構成＞
図１に示すように、本実施形態の紫外線発光素子１は、基板２と、基板２上に形成される窒化物半導体積層体１１と、を備える。窒化物半導体積層体１１は、第１導電型窒化物半導体層３と、発光層４と、第２導電型窒化物半導体層５と、を有する。つまり、紫外線発光素子１は、基板２と、第１導電型窒化物半導体層３と、発光層４と、第２導電型窒化物半導体層５と、を備える。紫外線発光素子１はさらに電極を備え得る。

（基板）
基板２はＡｌを含む窒化物半導体を含む。Ａｌを含む窒化物半導体は例えばＡｌＮである。Ａｌを含む窒化物半導体は、ＡｌＮに限定されず、例えばＡｌＧａＮであってよい。ここで、「基板２は…窒化物半導体を含む」という表現における「含む」という文言は、窒化物半導体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Ｇａ（Ｇａが主元素でない場合）、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂ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。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。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。

例えばＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体単結晶基板、または、基材上に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。

また、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。また、基板２は、ＡｌＮ等の窒化物半導体と、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＧａＮまたはＩｎＮとの混晶であり得る。

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６００μｍ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。

（第１導電型窒化物半導体層）
第１導電型窒化物半導体層３は、導電性を有し、ＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体の層である。第１導電型窒化物半導体層３は基板２上に形成される。ここで、例えば「第１導電型窒化物半導体層３は基板２上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板２の上に第１導電型窒化物半導体層３が形成されることを意味するが、基板２と第１導電型窒化物半導体層３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。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、発光層４上に電子バリア層を介して第２導電型窒化物半導体層５が形成される場合も、「第２導電型窒化物半導体層５は発光層４上に形成される」という表現に含まれる。

第１導電型窒化物半導体層３が含む窒化物半導体は、例えばＡｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）である。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４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３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３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、不純物元素の種類としてはこの限りではない。

また、第１導電型窒化物半導体層３と第２導電型窒化物半導体層５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、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４への影響が低い。そのため、第１導電型窒化物半導体層３がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層５がｐ型である事が好ましい。

（発光層）
発光層４は、ＡｌおよびＧａを含む窒化物半導体の層である。発光層４は、第１導電型窒化物半導体層３上に形成される。発光層４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４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、不純物元素の種類としてはこの限りではない。また、発光層４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４は少なくとも１つの井戸構造を有することが好ましい。

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４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４は、Ａｌ、ＧａおよびＮを含む量子井戸層と、ＡｌＮを含む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。

（第２導電型窒化物半導体層）
第２導電型窒化物半導体層５は、第１導電型窒化物半導体層３と異なる導電性を有する窒化物半導体の層である。第２導電型窒化物半導体層５は、発光層４上に形成される。第２導電型窒化物半導体層５が含む窒化物半導体は例えばＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮおよび、それらを含む混晶などである。第２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、Ｂｅ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３の導電性がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層５の導電性がｐ型である事が好ましい。

（電極）
紫外線発光素子１は、さらに電極を備えてよい。電極は、ｎ型電極およびｐ型電極の少なくとも１つであり得る。

ｎ型電極は、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Ｇａ_２Ｏ_３等の導電性酸化物等を用いることができる。また、ｎ型電極は、第１導電型窒化物半導体層３および第２導電型窒化物半導体層５のうち、導電性がｎ型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。

ｐ型電極は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｚｒ等の金属、これらの混晶、または、ＩＴＯもしくはＧａ_２Ｏ_３等の導電性酸化物等を用いることができる。また、ｐ型電極は、第１導電型窒化物半導体層３および第２導電型窒化物半導体層５のうち、導電性がｐ型である層とコンタクトするように形成される事が好ましい。

電極の形成方法として、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。電極は単層であり得る。また、電極は積層であり得る。また、電極は、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。

（紫外線発光素子）
紫外線発光素子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。紫外線発光素子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。

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。

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。

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。

＜製造方法＞
紫外線発光素子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；ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で行うことができる。

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（ＮＨ_３）を含むＮ原料を用いて形成することができる。

紫外線発光素子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。

また、紫外線発光素子１は、電極を形成する工程を経て製造され得る。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。

ここで、紫外線発光素子１は、上記の工程を経て各層が形成された基板２をダイシングにより個片へと分割して製造される。紫外線発光素子１のように、製造過程に確率要素を含み得る製品については、一般に、中間物の評価（評価工程）が製造工程に含まれる。すなわち、評価工程における中間物の評価結果に基づいて最終製品の特性を予測し、中間物の選別、工程の選択または追加等が実施され得る。

紫外線発光素子１の製造における中間物は、例えば電極を形成する前の基板２および窒化物半導体積層体１１である。また、製造工程に含まれる評価工程の例としては、基板２と窒化物半導体積層体１１の界面における転位密度の測定がある。転位密度は、例えば断面ＴＥＭ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、透過型電子顕微鏡）を用いて観察できる。また、製造工程に含まれる評価工程の別の例としては、基板２および窒化物半導体積層体１１の緩和率の測定がある。緩和率は、例えばＸＲＤ（Ｘ‐ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、Ｘ線回折）を用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行うことによって測定できる。より詳細に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を算出する。

また、製造工程に含まれる評価工程のさらに別の例としては、基板２および窒化物半導体積層体１１のそれぞれの回折線の半値幅の測定がある。半値幅の値によって結晶性を確認することができる。ここでいう半値幅は、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定によって得られるものを意味する。より詳細に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（０００２）面ピークに対して軸立を行う。その後に、検出器スリットを外し、オープン状態にてωスキャンを±１．５°の範囲で測定間隔０．０２°、積算時間を０．３秒として測定を行い、半値幅を算出する。ＡｌＧａＮに対しても同様であり、ＡｌＧａＮのピークに対して軸立を行った後に同様の条件でロッキングカーブの測定を行う。

＜好ましい形態＞
上記の紫外線発光素子１の製造の工程を踏まえて検討したところ、発明者は、基板と第１導電型窒化物半導体層とに関する値が所定の関係を満足することによって発光強度を高めることができることを見出すに至った。

上記の階層構造を有する紫外線発光素子１は、第１導電型窒化物半導体層３の半値幅Ｈｂが基板２の半値幅Ｈａより大きく、１＜Ｈｂ／Ｈａ≦２．５を満たすことが好ましい。基板２の半値幅Ｈａと第１導電型窒化物半導体層３の半値幅Ｈｂとが上記の関係にある場合、結晶性の観点から、基板２と第１導電型窒化物半導体層３とが高い結晶性をもつ。それにより第１導電型窒化物半導体層３においてキャリアを失活させる転位が減少し、電気伝導性を高めることができる。また、紫外線発光素子１は、基板２と第１導電型窒化物半導体層３との界面における転位密度が１×１０^５ｃｍ^－２以下であることが好ましい。界面における転位密度が１×１０^５ｃｍ^－２以下であることは、発光層における転位を抑制することが可能であり、非発光再結合が抑制されることで発光強度を高めることができる。

また、紫外線発光素子１は、第１導電型窒化物半導体層３が０％以上かつ５％未満の緩和率を有することが好ましい。格子が緩和することで基板２と第１導電型窒化物半導体層３との界面においてミスフィット転位等の格子欠陥が発生することが防止される。つまり、緩和率が５％未満であれば、上記のように転位による影響を受けることなく高い発光強度を得ることができる。

また、紫外線発光素子１は、第１導電型窒化物半導体層３が３００ｎｍ以上かつ７５０ｎｍ以下の膜厚を有することが好ましい。第１導電型窒化物半導体層３の膜厚は緩和に影響する。膜厚を調整することによって、間接的に緩和の制御が可能になる。第１導電型窒化物半導体層３の膜厚が概ね７５０ｎｍを超えると、緩和率が５％以上であると測定される場合がある。また、第１導電型窒化物半導体層３の膜厚は、駆動電圧を抑制するために、３００ｎｍ以上であることが好ましい。第１導電型窒化物半導体層３の膜厚を上記の範囲とすることによって、緩和率の増加を抑制しつつ、発光強度を高めた紫外線発光素子１を得ることが可能である。

ここで、第１導電型窒化物半導体層３の成膜条件における温度は結晶性に影響する。つまり、第１導電型窒化物半導体層３を成膜する際の温度は、第１導電型窒化物半導体層３の半値幅Ｈｂと基板２の半値幅Ｈａとの関係性に影響する。温度を調整することによって、間接的に結晶性の制御が可能になる。一例として、温度が１０５０℃未満の条件で第１導電型窒化物半導体層３を成膜する場合に、第１導電型窒化物半導体層３の半値幅Ｈｂが基板２の半値幅Ｈａより大きくならないことがある。結晶性の観点からは１０５０℃未満の条件で第１導電型窒化物半導体層３を成膜することが最も望ましいが、発光層４成膜時における成膜温度は１０５０℃よりも高い方が、発光強度が高くなるため、第１導電型窒化物半導体層３と発光層４は異なる温度で成膜することが望まれる。成膜中に成膜温度を変えるためには成長中断を導入する必要があるが、成長中断によって界面（成長表面）からのＧａやＡｌの脱離（空孔の形成）によって界面の荒れや非発光再結合中心などが形成されることにより発光層の発光強度が低下する問題が起きる。そのため、紫外線発光素子１における全体の最適化という観点から、１＜Ｈｂ／Ｈａ≦２．５を満たす第１導電型窒化物半導体層３の成膜条件が好ましい。第１導電型窒化物半導体層３の成膜条件における温度を１０５０℃以上とすることによって、第１導電型窒化物半導体層３の半値幅Ｈｂは基板２の半値幅Ｈａより大きく、１＜Ｈｂ／Ｈａ≦２．５であるとの関係を満たして、発光強度を高めた紫外線発光素子１を得ることが可能である。

また、第１導電型窒化物半導体層３の成膜条件におけるＶ／ＩＩＩ比は転位に影響する。つまり、第１導電型窒化物半導体層３を成膜する際のＶ／ＩＩＩ比は、基板２と第１導電型窒化物半導体層３との界面における転位密度に影響する。Ｖ／ＩＩＩ比を調整することによって、間接的に転位の制御が可能になる。一例として、Ｖ／ＩＩＩ比が１２０００以上の条件で第１導電型窒化物半導体層３を成膜する場合に、転位密度が１×１０^５ｃｍ^－２より大きくなることがある。Ｖ／ＩＩＩ比を１２０００未満とすることによって、転位が生じないようにして、発光強度を高めた紫外線発光素子１を得ることが可能である。基板２および第１導電型窒化物半導体層３における転位密度の測定方法として、薄膜を薄片化して、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欠陥を数え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、素子内の５箇所でそれぞれ観察を行い、５箇所の総転位密度の平均を第１導電型窒化物半導体層３における転位密度とする。

また、紫外線発光素子１は、第１導電型窒化物半導体層３が０．５０以上かつ０．８５以下のＡｌ組成比を有することが好ましい。より好ましくは０．６以上かつ０．８以下である。第１導電型窒化物半導体層３におけるＡｌ組成比が上記の範囲にあることで発光層から生じた紫外光を第１導電型窒化物半導体層３で吸収されることなく外部に取り出すことが可能となる。

また、紫外線発光素子１は、基板２および第１導電型窒化物半導体層３が、それぞれ１０^５ｃｍ^－２以下の転位密度を有することが好ましい。これにより第１導電型窒化物半導体層３の電気伝導性を高めるとともに、発光層の発光強度を高めることが可能となる。

また、紫外線発光素子１は、発光層４に含まれる炭素および酸素の濃度が、１０^１５ｃｍ^－２以上かつ１０^１８ｃｍ^－２以下であることが好ましい。これにより高結晶性を得ることができ、電気伝導性を高めることが可能となる。また、炭素及び酸素が拡散することにより、発光層における非発光再結合を低減し、発光強度を高めることもできる。発光層４に含まれる炭素及び酸素などの不純物濃度は二次イオン質量測定（ＳＩＭＳ）を用いて測定することが可能である。

また、上記のように、一般に、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４への影響が低い。そのため、第１導電型窒化物半導体層３がｎ型で、第２導電型窒化物半導体層５がｐ型である事が好ましい。

上記の実施形態の紫外線発光素子１と同じ層構成を有する、実施例１－７および比較例１－４の紫外線発光素子を作製した。つまり、実施例１－７および比較例１－４の紫外線発光素子は、基板、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を備える。また、実施例１－７および比較例１－４の紫外線発光素子は、ｎ型電極およびｐ型電極を備える。

［実施例１］
厚さが５５０μｍのｃ面ＡｌＮ基板に対して、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、アニール処理が行われた。アニール処理は、１３００℃において、ＮＨ_３雰囲気中での５分間およびＨ_２雰囲気中での５分間を１セットとして、２セットが実行された。次に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層が、１２００℃において、５００ｎｍの厚さで形成された。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比は５０であった。また、真空度は５０ｍｂａｒであった。また、成長レートは０．５ｕｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ_３）が用いられた。

上記のように形成されたＡｌＮ層上に第１導電型窒化物半導体層が形成された。第１導電型窒化物半導体層は、Ｓｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ：７０％）である。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を８０００とした条件で５００ｎｍの厚さで成膜された。このときの成長レートは０．５μｍ／ｈｒであった。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ_３）が用いられた。また、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）が用いられた。

上記のように形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層上に発光層が形成された。発光層は、量子井戸層と電子バリア層とを３周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜された。ここで、量子井戸層は、１．５ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ（Ａｌ：５２％）、すなわちＡｌ_０．５２Ｇａ_０．４８Ｎである。また、６．０ｎｍの厚さを有する電子バリア層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：７５％）、すなわちＡｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎである。発光層は、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、Ｖ／ＩＩＩ比を８０００とした条件で製膜された。このときの量子井戸層の成長レートは０．１８μｍ／ｈｒであった。また、電子バリア層の成長レートは０．１５μｍ／ｈｒであった。

上記のように形成された発光層上に電子バリア層が成膜された。そして、電子バリア層上に第２導電型窒化物半導体層が成膜された。電子バリア層は、ＡｌＧａＮ（Ａｌ：８５％）である。また、第２導電型窒化物半導体層は、ｐ型ＧａＮ層である。このように、ＡｌＮ基板上に、窒化物半導体積層体が形成された。

上記のように形成された窒化物半導体積層体を、断面ＴＥＭを用いて観察したところ、ＡｌＮ層（基板）とｎ型ＡｌＧａＮ層（第１導電型窒化物半導体層）との界面に新規の転位が確認されなかった。ここで、新規の転位とは、ＡｌＮ層（基板）に存在する転位と、そのＡｌＮ層からｎ型ＡｌＧａＮ層へ延伸する転位以外の、ｎ型ＡｌＧａＮ層／ＡｌＮ層界面から新たに発生する転位のことをいう。より詳細には、断面ＴＥＭ測定による解析の結果、ＡｌＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層の界面において、新しく生じた転位は観察されず、各層の転位密度はどちらも１×１０^４ｃｍ^－２以下であり、すべて連続した転位であった。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、ＡｌＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層の緩和率は０．３％であった。以下において、緩和率が５％以上であると測定された場合を「緩和あり」とし、上記の緩和率が５％未満であると測定された場合を「緩和なし」とする。この基準に従うと、本実施例は「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が６０ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が９０ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた窒化物半導体積層体をドライエッチングすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部が露出した。露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｎ型電極に相当）が形成された。また、ｐ型ＧａＮ層（第２導電型窒化物半導体層）上に、ＮｉおよびＡｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）が形成された。ＡｌＮ基板を、厚さが１００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより紫外線発光素子の個片へと分割した。得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が９．５ｍＷであった。

［実施例２］
ｎ型ＡｌＧａＮ層（第１導電型窒化物半導体層）の成膜条件において、温度が１１００℃に設定された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

上記のように形成された窒化物半導体積層体を、断面ＴＥＭを用いて観察したところ、ＡｌＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面に新規の転位が確認されなかった。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．５％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が６５ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１２５ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．６Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が１０ｍＷであった。

［実施例３］
ｎ型ＡｌＧａＮ層の成膜条件において、温度が１０５０℃に設定された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．３％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が３０ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が５５ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．５Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が９ｍＷであった。

［実施例４］
ｎ型ＡｌＧａＮ層の成膜条件において、Ｖ／ＩＩＩ比が１００００に設定された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．１％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が５０ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１１０ａｒｃｓｅｃであった。

［実施例５］
ｎ型ＡｌＧａＮ層の成膜条件において、Ｖ／ＩＩＩ比が４０００に設定された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．３％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が４５ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１０５ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．４Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が９ｍＷであった。

［実施例６］
ｎ型ＡｌＧａＮ層の成膜条件において、温度が１０５０℃に設定された。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層は、厚さが３００ｎｍであるように成膜された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．３％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が５５ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１０５ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．２Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が８ｍＷであった。

［実施例７］
ｎ型ＡｌＧａＮ層の成膜条件において、温度が１０５０℃に設定された。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層は、厚さが７５０ｎｍであるように成膜された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が１．２％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が４５ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が６０ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は５．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が７ｍＷであった。

［比較例１］
ｎ型ＡｌＧａＮ層の成膜条件において、Ｖ／ＩＩＩ比が１２０００に設定された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

上記のように形成された窒化物半導体積層体を、断面ＴＥＭを用いて観察したところ、ＡｌＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面に新規の転位が確認された。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．３％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が５５ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１４０ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．５Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４．５ｍＷであった。

［比較例２］
ｎ型ＡｌＧａＮ層（第１導電型窒化物半導体層）の成膜条件において、温度が１０３０℃に設定された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が０．２％であり、「緩和なし（緩和率が５％未満）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が５０ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が５０ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は６．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が３．５ｍＷであった。

また、得られた紫外線発光素子の第１導電型窒化物半導体層における不純物濃度は、実施例１－７およびその他の比較例（比較例１、３および４）の５倍以上であった。ここで、第１導電型窒化物半導体層における不純物は炭素である。炭素不純物が多いと、紫外線発光素子の発光強度が低下する。

［比較例３］
ｎ型ＡｌＧａＮ層は、厚さが１０００ｎｍであるように成膜された。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が８％であり、「緩和あり（緩和率が５％以上）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が４５ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１３５ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．２Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が４ｍＷであった。

［比較例４］
ＡｌＮ基板に対して、Ｈ_２雰囲気中での５分間のアニール処理が１回だけ実行された。つまり、実施例１－７およびその他の比較例（比較例１－３）と比べて、Ｈ_２雰囲気中でのアニール処理が１回少ない。また、ＮＨ_３雰囲気中でのアニール処理は１回も実行されていない。それ以外については実施例１と同じ条件を用いて、実施例１と同じ方法によって紫外線発光素子が得られた。

上記のように形成された窒化物半導体積層体を、断面ＴＥＭを用いて観察したところ、ＡｌＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面に新規の転位が確認された。より詳細にはＡｌＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層に連続して存在する転位密度は１０^４ｃｍ^－２であったが、ｎ型ＡｌＧａＮ層から新規に発生した転位密度は１０^７ｃｍ^－２であった。

また、ＸＲＤを用いて（２０－２４）面における逆格子マッピングを行って、緩和率を測定したところ、緩和率が１５％であり、「緩和あり（緩和率が５％以上）」であった。さらに、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定を行ったところ、ＡｌＮ層が６０ａｒｃｓｅｃで、ｎ型ＡｌＧａＮ層が１６５ａｒｃｓｅｃであった。

また、得られた紫外線発光素子を、電流１００ｍＡで駆動させたところ、駆動電圧は７．８Ｖ、ピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度が２ｍＷであった。

実施例１－７および比較例１－４の紫外線発光素子について、上記の製造条件および評価の結果を下記の表１にまとめて示す。

表１においてアニールは、基板のアニールの条件を示す。標準は、１３００℃において、ＮＨ_３雰囲気中での５分間およびＨ_２雰囲気中での５分間を１セットとして、２セットが実行されたことを意味する。「Ｈ_２を１回」は、１３００℃において、Ｈ_２雰囲気中で５分間のアニール処理が１回実行されたことを意味する。表１において温度は、第１導電型窒化物半導体層であるｎ型ＡｌＧａＮ層の成長温度を示す。表１においてＶ／ＩＩＩ比は、第１導電型窒化物半導体層の成膜の条件として設定されたＶ／ＩＩＩ比を示す。表１において膜厚は、成膜の条件として設定された第１導電型窒化物半導体層の厚さを示す。表１において半値幅は、ＸＲＤを用いて（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの測定によって得られた半値幅（ＸＲＤ－ωロッキングカーブ半値幅）である。表１では、ＡｌＧａＮすなわち第１導電型窒化物半導体層の測定された半値幅は、区切り文字である「／」の左側に記載される。また、ＡｌＮすなわち基板の測定された半値幅は、区切り文字である「／」の右側に記載される。表１において緩和は、基板および第１導電型窒化物半導体層の緩和率が５％以上（「あり」）であるか、５％未満（「なし」）であるか、を示す。表１において転位は、基板と第１導電型窒化物半導体層との界面に新規の転位が確認された（「あり」）か、確認されなかった（「なし」）か、を示す。表１において発光強度は、電極を形成した紫外線発光素子を電流１００ｍＡで駆動させた場合のピーク波長２６５ｎｍにおける発光強度を示す。表１において転位密度は、基板および第１導電型窒化物半導体層について測定された転位密度を示す。表１において駆動電圧は、電極を形成した紫外線発光素子を電流１００ｍＡで駆動させた場合の駆動電圧を示す。

（比較）
実施例１－７の紫外線発光素子は、第１導電型窒化物半導体層の半値幅Ｈｂが基板の半値幅Ｈａより大きく、１＜Ｈｂ／Ｈａ≦２．５を満たす。そして、発光強度の測定値は６．５～１０ｍＷである。つまり、実施例１－７の紫外線発光素子は、比較例１－４よりも発光強度を高めている。ここで、第１導電型窒化物半導体層の半値幅Ｈｂは、表１においてＡｌＧａＮ側の半値幅、すなわち「／」の左側に記載された半値幅である。また、基板の半値幅Ｈａは、表１においてＡｌＮ側の半値幅、すなわち「／」の右側に記載された半値幅である。また、実施例１－７の紫外線発光素子は、基板と第１導電型窒化物半導体層との界面において新しく生じている転位はなく、ＡｌＮからＡｌＧａＮ層に連続している転位密度が１×１０^５ｃｍ^－２以下である。

比較例１および比較例４の紫外線発光素子は、Ｈｂ／Ｈａ≦２．５を満たさない。また、比較例３の紫外線発光素子は、Ｈｂ／Ｈａ≦２．５を満たさない。比較例１、比較例３および比較例４の紫外線発光素子の発光強度の測定値はそれぞれ４．５ｍＷ、４ｍＷ、２ｍＷであって、実施例１－７の紫外線発光素子に及ばない。また、比較例１および比較例４の紫外線発光素子は、転位密度が１×１０^５ｃｍ^－２以下でない。

比較例２の紫外線発光素子は、転位も緩和もないが、第１導電型窒化物半導体層の半値幅Ｈｂが基板の半値幅Ｈａより大きいとの条件を満たさない。上記のように、比較例２の紫外線発光素子は、第１導電型窒化物半導体層における不純物濃度が高く、発光強度の測定値が３．５ｍＷである。

ここで、比較例４の紫外線発光素子は、第１導電型窒化物半導体層の成膜条件の温度、Ｖ／ＩＩＩ比および膜厚が実施例１と同じである。しかし、比較例４の紫外線発光素子は、転位が生じており、また、緩和率も高くなっている。その結果、比較例４の紫外線発光素子の発光強度の測定値は最も低い。これは、基板のアニール処理が十分でないことが大きな要因と考えられる。

（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。

１紫外線発光素子
２基板
３第１導電型窒化物半導体層
４発光層
５第２導電型窒化物半導体層
１１窒化物半導体積層体

Claims

Ａｌを含む窒化物半導体を含む基板と、
前記基板上に形成され、導電性を有し、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を含む窒化物半導体を含む発光層と、
前記発光層上に形成され、前記第１導電型窒化物半導体層と異なる導電性を有する第２導電型窒化物半導体層と、を備え、
前記第１導電型窒化物半導体層のＸＲＤによる（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの半値幅Ｈｂは、前記基板のＸＲＤによる（０００２）面におけるωスキャンロッキングカーブの半値幅Ｈａより大きく、１．３３≦Ｈｂ／Ｈａ≦２．３３を満たし、
前記基板は、１０ ^５ｃｍ ^－２以下の転位密度を有し、
前記第１導電型窒化物半導体層は、１０ ^５ｃｍ ^－２以下の転位密度を有する、紫外線発光素子。
前記基板と前記第１導電型窒化物半導体層との界面における転位密度は１×１０^５ｃｍ^－２以下である、請求項１に記載の紫外線発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層は、０％以上かつ５％未満の緩和率を有する、請求項１または２に記載の紫外線発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層は、３００ｎｍ以上かつ７５０ｎｍ以下の膜厚を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層は、０．５０以上かつ０．８５以下のＡｌ組成比を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層に含まれる炭素および酸素の濃度は、１０^１８ｃｍ^－２以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層はｎ型の導電性を有し、
前記第２導電型窒化物半導体層はｐ型の導電性を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。