(57)【要約】【課題】  深紫外発光ダイオードの光取出し効率を高める。【解決手段】  本発明のある実施形態の典型的なＬＥＤ素子１００Ａは、単結晶のサファイアまたはＡｌＮ結晶の基板１１０と、ｎ型導電層１３２、再結合層１３４、およびｐ型導電層１３６を基板層の側からこの順に積層されている紫外発光層１３０とを備えている。ｐ型導電層１３６にはさらにｐ型コンタクト層１５０、および反射電極１６０が積層されている。紫外発光層とｐ型コンタクト層はいずれもＡｌＮとＧａＮの混晶とされる。発光波長に対するｐ型コンタクト層の透過率が高まり、光取出し効率が向上する。また本発明では、反射電極がパターニングされ、ｐ型コンタクト層が多層構造にされたＬＥＤ素子も提供される。加えて、本発明ではこれら上記ＬＥＤ素子を備える電気機器も提供される。【選択図】  図２
2020061579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶のサファイアまたはＡｌＮ結晶の基板と、
該基板に接して、または該基板上に設けられた追加のバッファー層に接して配置され、少なくともｎ型導電層、再結合層、およびｐ型導電層が該基板の側からこの順に積層して配置されているＡｌＮとＧａＮの混晶の紫外発光層と、
前記ｐ型導電層に電気的に接続しているＡｌＮとＧａＮの混晶のｐ型コンタクト層と、
前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射ＵＶに対し反射性を示し前記ｐ型コンタクト層に電気的に接続して配置されている反射電極と
を備えている紫外発光ダイオード。
【請求項２】
前記ｐ型コンタクト層は、前記放射ＵＶが厚み方向に一度通過する際の前記放射ＵＶに対する透過率が９０％以上である請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項３】
前記透過率が９５％以上である請求項２に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項４】
前記ｐ型導電層に電子ブロック層が配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の紫外発光ダイオード。
【請求項５】
前記電子ブロック層が多重量子障壁である請求項４に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項６】
前記ｐ型コンタクト層の材質が、前記放射ＵＶの主要波長に比べ短い波長を組成波長としてもつようにされている、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項７】
前記ｐ型コンタクト層の組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるＡｌＮ混晶組成比ｘが、前記放射ＵＶの主要波長の値をＷ（単位：ｎｍ）として、
ｘｍｉｎ＝−０．００６０Ｗ＋２．２６
により求まる下限値ｘｍｉｎ以上の値にされている、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項８】
前記ＡｌＮ混晶組成比ｘが０．７であり、
前記放射ＵＶの主要波長の値が２６０ｎｍである、請求項７に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項９】
前記反射電極がＡｌを主成分とする金属膜であり、
オーミックコンタクトのための挿入金属層が前記ｐ型コンタクト層と該金属膜とによって挟まれている請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１０】
前記挿入金属層がＮｉ膜であり５ｎｍより薄くされている請求項９に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１１】
前記挿入金属層がＮｉ膜であり実質的厚みが１ｎｍである請求項９に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１２】
前記挿入金属層は、前記ｐ型コンタクト層に対して一部のみ覆うようにパターン化されて配置されており、
前記反射電極は、
前記挿入金属層が存在しない位置において前記ｐ型コンタクト層に直に接しており、
前記挿入金属層が存在する位置において、前記挿入金属層と前記ｐ型コンタクト層とが前記挿入金属層を挟んでいるものである、
請求項９に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１３】
前記挿入金属層は、前記ｐ型コンタクト層に直に接する位置にＮｉ膜を有する単層または複層の金属膜である、請求項１２に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１４】
前記ｐ型コンタクト層は、ＡｌＮ混晶組成比の互いに異なる層が厚み方向に積層された多層構造になっており、
これにより、パターン化された前記挿入金属層から前記ｐ型導電層に向かって前記ｐ型コンタクト層を伝播する正孔が、前記基板面内の向きに拡散される、請求項１２に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１５】
パターン化されたｐ型ＧａＮ層をさらに備えており、
パターン化された該ｐ型ＧａＮ層の少なくとも一部が、多層構造の前記ｐ型コンタクト層とパターン化されている前記挿入金属層との双方に直に接して挟まれているものである
請求項１４に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１６】
前記追加のバッファー層が設けられており、該バッファー層にボイドが形成されている請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１７】
前記基板が除去されている請求項１６に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１８】
前記放射ＵＶの主要波長が２６０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下のいずれかの波長である請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項１９】
前記ｐ型導電層、前記ｐ型コンタクト層のいずれかの前記ＡｌＮとＧａＮの混晶の材質にさらにＩｎが含まれている請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の紫外発光ダイオードを紫外線の放出源として備える電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器に関する。さらに詳細には、本発明は光取り出し効率を高めた紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を利用する固体発光素子として、青色発光ダイオードが広く実用に付されている。より短い波長である紫外域においても固体光源が求められ、類似の材質を利用した紫外発光ダイオード（ＵＶＬＥＤ）が開発されている。紫外域のうち３５０ｎｍ以下の深紫外域の紫外線、特にＵＶＣ波長帯の一部となる２６０〜２８０ｎｍ程度の波長域の紫外線は、殺菌、浄水から医療応用にまで広がる広汎な用途が見込まれることから、ＵＶＣ波長帯のＬＥＤすなわち深紫外ＬＥＤ（ＤＵＶＬＥＤ）の開発が進められている。典型的なＤＵＶＬＥＤの構成は、サファイア基板もしくはＡｌＮ単結晶基板を利用し、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および窒素（Ｎ）を主な組成とする窒化ガリウムアルミニウム系の半導体による積層構造体を備えるものである。ＤＵＶＬＥＤでは出力の向上も図られており、１０ｍＷ程度の紫外線出力にて動作するＤＵＶＬＥＤも実用化されている。
【０００３】
ＤＵＶＬＥＤの技術課題の一つに発光効率の改良を挙げることができる。発光効率の指標の一つが、外部量子効率ηＥＱＥであり、これは、ＬＥＤ素子の外部に放出される単位時間当たりのフォトン数を、駆動電流により投入される単位時間当たりの電子数で除算することにより定義される。この外部量子効率ηＥＱＥは、内部量子効率ηＩＱＥ、電子注入効率ηＥＩＥ、および光取出し効率ηＬＥＥの３つの因子の積の形により表現される。すなわち、
ηＥＱＥ＝ηＩＱＥ×ηＥＩＥ×ηＬＥＥ
の関係が成立する。
【０００４】
これまでの開発の結果、ＤＵＶＬＥＤにおける上記３つの因子のうち、内部量子効率ηＩＱＥと電子注入効率ηＥＩＥについては飛躍的向上が達成されてきた。その向上をもたらした具体的技術は、内部量子効率ηＩＱＥの向上のためには、紫外発光層の結晶転位の低減である（たとえば、特許文献１、非特許文献１、および非特許文献２）。また、電子注入効率ηＥＩＥの向上のために、ｐ型半導体層に超格子構造を利用したＭＱＢ（多重量子障壁）構造と呼ばれる構造を採用することによりｐ型半導体層における電子のブロック性を補う技術も有効である（たとえば、特許文献２）。現時点では、内部量子効率ηＩＱＥ×電子注入効率ηＥＩＥの値は５０％〜８０％もの値を見込むことさえできる。
【０００５】
ところが、内部量子効率ηＩＱＥ×電子注入効率ηＥＩＥの値に高い値を見込めるような実際のＤＵＶＬＥＤの素子であっても、外部量子効率ηＥＱＥは最高でも４％程度にとどまっている。明らかに、光取出し効率ηＬＥＥの低さがその原因となっている。従来のＤＵＶＬＥＤでの光取出し効率ηＬＥＥは高々１０％程度に過ぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５４７８０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１０４９６９号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】H. Hirayama et al., "231-261 nm AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes fabricated on AlN multilayer buffers grown by ammonia pulse-flow method on sapphire," Appl. Phys. Lett. 91, 071901 (2007)
【非特許文献２】H. Hirayama et al., "222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire," Phys. Stat. Solidi (a), 206, 1176, (2009)
【非特許文献３】S, Fujikawa, T. Takano, Y. Kondo and H. Hirayama, “Realization of 340-nm-band high-output-power (7mW) InAlGaN quantum well ultraviolet light-emitting diode with p-type InAlGaN”, Jap. J. Appl. Phys. 47, 2941 (2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願の発明者らは、紫外発光ダイオードにおいて光取出し効率ηＬＥＥを向上させる手法を種々の観点から検討した。そして、従来のＤＵＶＬＥＤ素子において、ｐ型導電層に対する電気的接続を確保するために配置されるｐ型コンタクト層が、紫外発光層から発せられる紫外線（放射ＵＶ）の波長に対し吸収を示すことに着目した。すなわち、典型的なＤＵＶＬＥＤでは、基板、バッファー層、紫外発光層、ｐ型導電層、ｐ型コンタクト層、金属電極（第２電極）をこの順に配置することによりＬＥＤ素子が作製される。これら以外の層や部位も適宜に配置され、例えばバッファー層と紫外発光層の間には、ｎ型導電層や、ｎ型導電層に対して導通を取る金属電極（第１電極）も設けられる。そして紫外発光層からの放射ＵＶは層構造の両面から外向きに放射される。放射ＵＶのうち一方側である基板側に向かうものは、外部に取り出されるか、その一部または全部（全反射となる方向の成分）が内部に戻る。他方側のｐ型コンタクト層に向かう放射ＵＶは、ｐ型コンタクト層を透過し、第２電極で反射され、再びｐ型コンタクト層を通過する。ｐ型コンタクト層に向かう放射ＵＶは、そのうちの吸収されずに基板に到達する成分に限り、最終的に外部に取り出される可能性を残している。ｐ型コンタクト層が吸収した放射ＵＶは損失となることから、ｐ型コンタクト層の吸収は光取出し効率ηＬＥＥを有意に悪化させる。従来の典型的なｐ型コンタクト層は、良好な電気的接続を確保する目的で、ホール（ｈｏｌｅ）濃度を高めやすいｐ型ＧａＮにより作製されている。ｐ型ＧａＮは、特に深紫外の波長域では強い吸収を示すため、ｐ型コンタクト層に採用すると放射ＵＶを吸収してしまう。
【０００９】
特に、ｐ型コンタクト層における吸収は他の技術的工夫の効果を減殺することにも注意が必要である。たとえ第２電極の反射率を高めてもｐ型コンタクト層における吸収が強ければ当該他の技術的工夫の効果は小さい。同様に、導波路モードとなり内部を伝播する放射ＵＶを取り出すための種々の工夫を施しても、ｐ型コンタクト層における吸収が強ければ導波路モードのＵＶ自体が弱くなるため、その効果は限られる。光取出し効率ηＬＥＥを高めるためにはｐ型コンタクト層における吸収は抑制されなくてはならない。
【００１０】
本発明は、光取出し効率ηＬＥＥを高めるためのＤＵＶＬＥＤを提供し、高効率のＤＵＶＬＥＤの実現に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の発明者らは、紫外発光層と同様にｐ型コンタクト層においてもＡｌ（アルミニウム）を含む組成とすれば吸収が弱められることに着目し、また、そのような組成のｐ型コンタクト層を採用してもＤＵＶＬＥＤとしての動作が可能となることを実験的に確認し、本発明を創出するに至った。
【００１２】
本発明のある態様においては、単結晶のサファイアまたはＡｌＮ結晶の基板と、該基板に接して、または該基板上に設けられた追加のバッファー層に接して配置され、少なくともｎ型導電層、再結合層、およびｐ型導電層が該基板の側からこの順に積層して配置されているＡｌＮとＧａＮの混晶の紫外発光層と、前記ｐ型導電層に電気的に接続しているＡｌＮとＧａＮの混晶のｐ型コンタクト層と、前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射ＵＶに対し反射性を示し前記ｐ型コンタクト層に電気的に接続して配置されている反射電極とを備えている紫外発光ダイオードが提供される。
【００１３】
本発明においては、ｐ型コンタクト層のためにＡｌＮとＧａＮの混晶の組成を採用する。なお、本出願において、ＡｌＮとＧａＮの混晶をＡｌＧａＮと、また、（ＡｌＮ）ｘと（ＧａＮ）１−ｘの混晶をＡｌｘＧａ１−ｘＮと、それぞれ記載することがある。加えて、ＡｌＮとＧａＮの混晶には、ＡｌＮとＧａＮ以外の成分を含む場合もあることに留意すべきである。
【００１４】
ＡｌＧａＮのバンドギャップはＧａＮのそれに比べて大きい。しかもそのバンドギャップはＡｌの比率（ＡｌＮとＧａＮの混晶におけるＡｌＮの比率、ＡｌＮ混晶組成比）を調整して変化させることができる。この性質を利用すれば、ＡｌＧａＮを採用するｐ型コンタクト層の吸収端を調整して放射ＵＶに対する透過率を調整することができる。特に、紫外発光層にもＡｌＮとＧａＮの混晶を採用する構成では、ｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用すれば紫外発光層からの放射ＵＶの波長に対応するようにその透過率を調整することも容易となる。本発明においてはこの原理を積極的に利用する。
【００１５】
この際に問題となりうるのはｐ型コンタクト層のキャリア濃度である。従来のｐ型コンタクト層のために採用するｐ型ＧａＮでは、Ｍｇをドーピングすることにより十分なキャリア濃度が得られて、反射電極である第２電極との電気的接続が確立されていた。それと同時に従来は、ＡｌＧａＮではキャリア濃度を高めにくい、とも考えられてきた。すなわち、紫外発光層からの放射ＵＶの波長にあわせＡｌＮ混晶組成比を高めると、Ｍｇドープ時のｐ型のアクセプターレベルが深くなり、ｐ型導電層におけるキャリア不足（ホール濃度の不足）を生じやすくなるとされてきた。この従来の考えでは、本発明のようにｐ型コンタクト層としてＡｌＧａＮを採用すると、十分なキャリア濃度とならず、第２電極との電気的接続が不十分となる懸念があった。ところが本願の発明者らがｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用してＤＵＶＬＥＤ素子を作製したところ、実際には、光取り出し効率ηＬＥＥが著しく向上し、外部量子効率ηＥＱＥはむしろ高まることを確認している。したがって、ＤＵＶのＬＥＤ素子のｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用する構成は、十分に実用的である。
【００１６】
なお、本出願全体の説明においてｐ型コンタクト層の透過率で問題となるのは、紫外発光層から放出される放射ＵＶの波長における透過率の値である。ただし、発明を説明するために放射ＵＶ以外の波長に関しても適宜説明する。
【００１７】
本発明の上記態様においてｐ型コンタクト層の透過率が９０％以上であると好ましい。さらに好ましくは、上記透過率が９５％以上とされる。ここで、本出願におけるｐ型コンタクト層の透過率は、界面反射の効果を含まない値すなわち内部透過率を指している。透過率は、断りのない限り厚み方向に一度通過する際の値である。ｐ型コンタクト層を放射ＵＶが往復することから、第２電極としての作用を持つ反射電極を利用する場合において、ｐ型コンタクト層の吸収は、第２電極に入射するまで、およびそこから出射した後の少なくとも２回生じうる。したがって、ｐ型コンタクト層の吸収を十分に抑制すること、すなわち十分に高い透過率を実現することは、光取出し効率ηＬＥＥを高める上で重要である。透過率を高めるためには、ｐ型コンタクト層に含まれるＡｌ組成比すなわちＡｌＮ混晶組成比を高めることにより実現することができる。
【００１８】
本発明の上記態様においてｐ型導電層に電子ブロック層が設けられていると好ましく、当該電子ブロック層が多重量子障壁（ＭＱＢ）とされるとさらに好ましい。ＤＵＶＬＥＤの素子では、ホール濃度が不足する場合、再結合層から電子がリーク（またはオーバーフロー）することから、電子注入効率ηＥＩＥが低下しやすい。そのような場合に備え、電子からみて再結合層の下流側の位置に電子ブロック層を配置すれば、再結合に関与する電子の割合を増大させ電子注入効率ηＥＩＥを高めることができる。この電子ブロック層の典型例は、シングルバリア、すなわちＡｌＮ混晶組成比を高めることにより伝導帯のエネルギーレベルを高めた単一の層である。電子ブロック層のためのさらに好ましい別の典型例がＭＱＢである。ＭＱＢでは、ＡｌＮ混晶組成比の異なる層を複数重ねて伝導帯のエネルギーレベルに厚み方向の凹凸を設け、さらに必要に応じその周期を厚み方向の位置に応じ変化させる。ＭＱＢの多重反射は、電子のリークをより効果的に抑制することに役立つ。さらにＭＱＢでは過度にＡｌＮ混晶組成比を高める必要がないことから、ホール濃度の低下が抑制できる点からも有利である。
【００１９】
本発明の上記態様においてｐ型コンタクト層の材質を、組成波長（compositional wavelength）が放射ＵＶの主要波長より短くなるようにすることが好ましい。ここで組成波長とはｐ型コンタクト層の材質やその成長条件のための指標の一つであり、その層のフォトルミネセンスのピーク波長によって規定される。実験的に組成波長を決定するためには、特徴付ける対象であるｐ型コンタクト層と同一の組成、同一の成長条件で厚い膜を作製し、そのフォトルミネセンスを測定すればよい。一般に、組成波長は吸収端の指標ともなるため、組成波長を境に長い波長での透過率は高く、短い波長では低くなる。この組成波長と対比される放射ＵＶの主要波長は、例えばある程度波長に幅をもつ放射ＵＶのピーク波長とすることができる。組成波長が放射ＵＶの主要波長よりも短くなるようにｐ型コンタクト層の材質が選択され成長条件が決められていると、そのｐ型コンタクト層は、当該主要波長における透過率が高くなる。したがって、ｐ型コンタクト層を特徴付けるために、組成波長に着目して放射ＵＶの主要波長と関連づければ、上記態様のための良好な指標が得られる。なお、放射ＵＶの主要波長を、本出願においては単に発光波長と記すことがある。
【００２０】
本発明の上記態様は、ｐ型コンタクト層の組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるＡｌＮ混晶組成比ｘが、放射ＵＶの主要波長の値をＷ（ｎｍ）として、
ｘｍｉｎ＝−０．００６０Ｗ＋２．２６
により求まる下限値ｘｍｉｎ以上の値にされていると好ましい。ＡｌＮ混晶組成比ｘは、その下限が放射ＵＶの主要波長の値と関連づけて決定されると、上述した透過率を実現することができる。ＡｌＮ混晶組成比ｘは、ＡｌＮがなくＧａＮのみであればｘ＝０となり、ＡｌＮのみであればｘ＝１となる数値であり、ＡｌＧａＮとまとめて記載した場合にＡｌｘＧａ１−ｘＮとも表現される。ＡｌＮ混晶組成比ｘの下限値ｘｍｉｎは、具体的な波長に関連づければ、例えば２６０ｎｍでは０．７（７０％）、２８０ｎｍでは０．５８（５８％）である。これら以外の波長でも、上式から決まるｘｍｉｎを下限としてｐ型コンタクト層のＡｌＮ混晶組成比ｘが決定されていれば、透過率を高めたｐ型コンタクト層により、本発明の効果を発揮することができる。
【００２１】
実際にも、本願の発明者らは、ＡｌＮ混晶組成比ｘを０．７とすることにより、放射ＵＶの主要波長が２６０ｎｍにまで短波長化できることを確認した。本発明の上記態様において２６０ｎｍにおける効率
の高い紫外光源が実現できることは、２６０〜２８０ｎｍの殺菌波長の範囲において実施上の要求に適合する光源を実現できる点において重用である。
【００２２】
本願の発明者らは、ｐ型コンタクト層の透過率が低いままでは第２電極の反射率を高める効果が限定的なものとなる点にも着目した。逆に、本発明の上記態様においてｐ型コンタクト層の透過率が確保されていれば、第２電極としての作用を持つ反射電極のＵＶ反射効果が顕著に光取出し効率ηＬＥＥを向上させる。本発明の上記態様においては、反射電極の反射率を高めることが有利である。
【００２３】
すなわち本発明の上記態様の好ましい構成において、反射電極がＡｌを主成分とする金属膜であり、オーミックコンタクトのための挿入金属層がｐ型コンタクト層と金属膜とに接しながら挟まれている。第２電極のために従来多用されているのはＡｕ（金）である。これに対しＡｌは紫外波長に対し高い反射率を示す。この点に着目し、第２電極の反射率を高めるために、Ａｌを主成分とする金属膜を採用することが有利である。
【００２４】
上記態様における挿入金属層は、一般には仕事関数の大きな金属材料が適する。さらに、挿入金属層は、Ｎｉ膜で５ｎｍより薄くされていると好ましく、さらに好ましくは、実質的厚みが１ｎｍとされる。挿入金属層はオーミックコンタクトを実現するために材質が選択され、Ｎｉのほかには、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ），チタン（Ｔｉ）などを採用することができる。各金属は、互いに、または他の元素を添加して合金とすることも有用である。ただし、Ｎｉ膜とする場合には、反射率を高く保つためには５ｎｍより薄いことが好ましい。特に実質的厚みが１ｎｍとされると、オーミックコンタクトを実現しつつ高い反射率が得られるため、ＤＵＶＬＥＤのための光学的側面と電気的側面を両立させることができる。なお、上記「実質的」厚みとは、実際の成膜において起こりうる膜厚の誤差や、不均質な成膜に伴う厚みの分布などが許容されることを意味する。また、Ｎｉ膜以外の場合にも、同様に膜厚を調整することにより、反射率を高めつつ、電気的接続を確立することができる。
【００２５】
本願の発明者らは、光取り出し効率の点でさらに有利となるような反射電極と挿入金属層とを組合せて得られる第２電極に関する構成を創出した。具体的には、挿入金属層がｐ型コンタクト層に対して一部のみ覆うようにパターン化されて配置されており、反射電極は、挿入金属層が存在しない位置においてｐ型コンタクト層に直に接しており、挿入金属層が存在する位置において挿入金属層を介してｐ型コンタクト層に電気的に接続しているものであると好ましい。加えて、この構成においても、挿入金属層は、ｐ型コンタクト層に直に接する位置にＮｉ膜を有する単層または複層の金属膜となっているとさらに好ましい。これらの構成においては、オーミックコンタクトを実現するという電気的側面の観点から挿入金属層を選択し、かつ放射ＵＶに対する反射率という光学的側面の観点から反射電極を選択することが可能となる。
【００２６】
さらに、挿入金属層がパターン化されている構成において、ｐ型コンタクト層は、ＡｌＮ混晶組成比の互いに異なる層が厚み方向に積層された多層構造になっていると発光効率の点で一層好ましい。この構成では、ｐ型コンタクト層において、パターン化された挿入金属層からｐ型導電層に向かって伝播する正孔が、基板面内のいずれかの向きに拡散される。このために、光学的側面の観点から選択された高い反射率の反射電極を採用する場合において、反射電極による反射を期待できる位置で電子とホールの再結合が高い頻度で生じることから、光取り出し効率の向上が最終的な発光効率の向上に反映される。ｐ型コンタクト層が多層構造となっている構成において、さらに好ましくは、ＬＥＤ素子がパターン化されたｐ型ＧａＮ層をさらに備えており、パターン化された該ｐ型ＧａＮ層の少なくとも一部が、多層構造の前記ｐ型コンタクト層とパターン化されている前記挿入金属層との双方に直に接して挟まれている。ｐ型ＧａＮ層がパターン化されてパターン化された挿入金属層と接していれば、反射率が追加的に低下する現象を回避しつつ、ｐ型ＧａＮ層の示す良好な電気特性を生かすことができる。したがって、パターン化されたｐ型ＧａＮ層を採用することにより、光学的特性を損なうことなく電力効率を向上させることが可能となる。
【００２７】
加えて、ｐ型コンタクト層の透過率が高められている本発明の上記態様においては、導波路モードで伝播する放射ＵＶを外部に取り出す各種の構成も有用である。上記態様のＬＥＤ素子において、バッファー層にボイド（空隙）が形成されていると好ましい。例えば、結晶成長させる際の面内方向のバッファー層の断面を、多数並べた孤立図形パターンの各図形部分や、海島構造パターンの島状の部分のみにて結晶を成長させることによりピラー状の構造を成長させることができる。その際のピラー同士の間がボイドとなる。逆に上記面内方向の断面において、多数並べた孤立図形パターンの各図形の間隙部分や、海島構造パターンの海の部分のみ結晶を成長させることにより、穴あき部が形成される。この場合にはこの穴あき部がボイドとなる。これら以外にも、ストライプパターンをなすように成長させれば多重の壁が形成され壁の間はボイドとなる。結晶成長条件を工夫すれば成長と共にボイドを閉じさせることにより、バッファー層に要求される結晶品質の単結晶連続層を再び得ることもできる。ボイドを形成する各種の手法のうち、特にピラーを形成し、ピラーをあたかも素子の厚み方向に延びる導波路とすることがとりわけ有用である。アスペクト比の高いピラー構造を設けて光の縦伝搬が可能な構造にすれば、光はピラーを伝搬しやすくなる。この場合、導波路モードの光も、素子内から外部に取り出すまでに２〜３回程度の往復しか要さない。このため、第２電極の反射率が必ずしも十分とはいえない場合には大変有利である。なお、単なるボイド構造では、１０回程度の内部反射を経て光が外部に取り出させるため、その往復の途中で減衰しやすい。さらに、バッファー層にボイドが形成されている構成において、基板を除去することも好ましい。例えばピラーを形成した場合は、基板を除去すると、光を取り出す方向に延びる縦型の導波路が多数配列し、それがそのまま表面に位置するため、有利である。
【００２８】
さらに、上記態様のＬＥＤ素子において、放射ＵＶの主要波長が２６０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下のいずれかの波長であると好ましい。屈折率のステップを伴う表面または界面にはモスアイ構造を作製することにより、一般に、屈折率のステップがもたらす表面反射または界面反射を低減することができる。このような屈折率のステップは、放射ＵＶの伝播経路や外部に取り出す際の表面にて問題となるため、第２電極とは反対側に位置する表面や、別の界面のうち屈折率ステップが大きくなる面のいずれかにモスアイ構造が形成されていれば好ましい。そのような表面、界面を例示すれば、例えば、ＬＥＤ素子と外界との最表面となる表面、ＬＥＤ素子をＵＶ透過性媒体（樹脂、ガラス質透明体など）で封止する際のＬＥＤ素子とＵＶ透過性媒体との界面を挙げることができる。
【００２９】
さらに、本発明の上記態様において、ｐ型導電層、ｐ型コンタクト層のいずれかのＡｌＮとＧａＮの混晶の材質にさらにＩｎが含まれていることも好適である。電子バリア層を含め、ｐ型導電層やｐ型コンタクト層ではＩｎが含まれている場合には、キャリア（ホール）濃度が高まる効果を期待することができる。
【００３０】
さらに加えて、本発明の上記いずれかの態様の紫外発光ダイオードは、それを紫外線の放出源として備える電気機器に適用されると有用である。このような電気機器は、紫外線の放出源の効率が向上することで有用性が高まるからである。
【００３１】
紫外発光ダイオード（以下、「ＵＶＬＥＤ」と略記する）とは、紫外域の電磁波（紫外線）を放出する発光ダイオードである。本出願では、主に２２０〜３５０ｎｍの波長域という、深紫外を中心とする波長範囲におけるＵＶＬＥＤ（ＤＵＶＬＥＤ）を作製することができる。また、本発明では、いわゆる殺菌波長（２６０〜２８０ｎｍ）の波長範囲の深紫外領域において発光するＤＵＶＬＥＤも提供される。なお、本出願においては、たとえば紫外域といった可視光ではない電磁波放射に対しても、慣例に従って「光」、「光源」、「発光」、「光取り出し」等と光学分野の表現を用いる。
【００３２】
また、紫外発光層とは、典型的にはＡｌＧａＮ層の多層体、つまり、多層体をなす各層の組成が、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙは、０≦ｙ≦１のいずれかの値）の組成比であり、必要に応じ正または負の伝導型とするための微少量の元素（ドーパント）がさらにドーピングされているような多層体である。紫外発光層は、大略、ｎ型導電層、再結合層、ｐ型導電層がこの順に積層された構成に作製される。なお、ｎ型導電層、再結合層、ｐ型導電層それぞれ自体が量子井戸構造などのために多層膜となっている場合もある。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のいずれかの態様においては、ｐ型コンタクト層による吸収が抑制され光取出し効率ηＬＥＥを高めた紫外発光ダイオードが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態における概念を示す説明図である。
【図２】従来のＬＥＤ素子および本発明の第１実施形態のＬＥＤ素子の両者に共通する概略構成を示す斜視図である。
【図３】従来のＬＥＤ素子および本発明の第１実施形態のＬＥＤ素子の両者に共通する概略構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態において、ｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用した実施例のためのｐ型コンタクト層のＡｌＮ混晶組成比を変更したサンプルから得られた電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態において、ｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用した実施例のためのｐ型コンタクト層のＡｌＮ混晶組成比を変更したサンプルから得られた電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態の実施例に用いたｐ型コンタクト層と同一の材質および成膜条件で形成した膜の透過スペクトルを実測したグラフである。
【図８】本発明の第１実施形態に採用するｐ型コンタクト層のためのＡｌＮ混晶組成比の放射ＵＶの波長に対する依存性を示す説明図である。
【図９】本発明の第２電極として作用する挿入金属層と反射電極のための金属膜についての反射スペクトルである。
【図１０】本発明の第１実施形態の実施例において、第２電極のみを相異させて特性が向上した様子を示す実測のグラフである。
【図１１】本発明の第１実施形態の実施例において、第２電極を高い反射率の構成に変更した際に外部量子効率ηＥＱＥが変化する様子を示す。（ａ）は変化を算出する比較対象サンプルの様子を模式的に示す説明図、（ｂ）はそのグラフである。
【図１２】本発明の第１実施形態の実施例において、共通する組成のｐ型コンタクト層に対し異なる発光波長の紫外発光層を採用した場合の実測の特性を示すグラフである。（ａ）は電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示し、（ｂ）は、最大の外部量子効率ηＥＱＥが得られたときの発光スペクトルを示す。
【図１３】本発明の第１実施形態の実施例において、２６０ｎｍの発光波長に応じたｐ型コンタクト層の構成を採用し、第２電極の構成が異なるサンプルにおける実測の特性を示すグラフである。（ａ）は電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示し、（ｂ）は、最大の外部量子効率ηＥＱＥが得られたときの発光スペクトルを示す。
【図１４】本発明の第２実施形態における概念を示す説明図である。
【図１５】本発明の第２実施形態の挿入金属層のパターンの一例を示す平面図である。
【図１６】本発明の第２実施形態の実施例におけるＬＥＤ素子の構成を示す断面図である。図１６（ａ）はバルクｐ型ＡｌＧａＮをｐ型コンタクト層に採用した実施例サンプルのもの、図１６（ｂ）は多層構造のｐ型ＡｌＧａＮをｐ型コンタクト層に採用した実施例サンプルのものである。
【図１７】本発明の第２実施形態の実施例において実施例サンプルの電流値に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示すグラフである。図１７（ａ）はバルクｐ型ＡｌＧａＮをｐ型コンタクト層に採用した実施例サンプルのもの、図１７（ｂ）は多層構造のｐ型ＡｌＧａＮをｐ型コンタクト層に採用した実施例サンプルのものである。
【図１８】本発明の実施形態のある変形例において得られるＬＥＤ素子の構成を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施形態のある変形例の一例の構成のＬＥＤ素子において、パターン化されたｐ型ＧａＮ層を、挿入金属層のＮｉ層と多層構造のｐ型コンタクト層との間に配置した一例の構成を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明に係る紫外ＬＥＤ素子（以下、「ＬＥＤ素子」という）およびその製造方法に関する実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また各図は各部の互いの縮尺を保って示されてはいない。
【００３６】
１．第１実施形態
図１は、本実施形態における概念を示す説明図である。図１では左右それぞれに、従来のＬＥＤ素子１００および本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａの概略の断面構成を示す。両ＬＥＤ素子において、基板にいくつかの層を介し形成された発光層からは、すべての方向に光が放たれる。従来はｐ型コンタクト層がｐ型ＧａＮであるため、深紫外の放射ＵＶは、ｐ型コンタクト層を通過する際に吸収されている。また、両ＬＥＤ素子に共通して、ＵＶを透過させる材質の屈折率が２を越す程度である。そのため、放射ＵＶの大半は基板から出射できず導波路モードとなって内部を伝搬する。具体的には、紫外発光層から、反射、屈折を経ずに直接外部に取り出される光は、発光した光（放射ＵＶ）のうち、基板側に向かうものに限定され、基板の法線方向から約２０度程度の開き角の円錐の作る立体角の範囲の光のみに限定される。この立体角は全体の約８％程度に過ぎない。従来のｐ型コンタクト層を採用すると残りの成分が外部に取出される見込みはない。
【００３７】
これに対し本発明においては、ｐ型コンタクト層にＵＶに対する透過率が高い材料であるＡｌＧａＮ、すなわちＡｌＮとＧａＮの混晶を採用する。これにより、第２電極に向かう光の吸収が抑制される。ｐ型コンタクト層を通過する光には紫外発光層から直接向かう放射ＵＶのほか、導波路モードになり内部を伝播する光も含まれる。ｐ型コンタクト層のＵＶに対する透過率を高めれば、従来利用することができなかった放射ＵＶすなわち第２電極側に放たれた放射ＵＶも基板側に向けることができ、導波路モードの光も無用な吸収をせずに利用できる。これが本実施形態の狙いである。
【００３８】
１−１．ＬＥＤ素子の構成
図２は、従来のＬＥＤ素子１００および本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａの両者に共通する概略構成を示す斜視図である。また、図３はその概略断面図である。ＬＥＤ素子１００および１００Ａでは、概して平板状のα−Ａｌ２Ｏ３単結晶であるサファイア基板１１０の一方の面１０４にバッファー層１２０がＡｌＮ結晶等の材質によりエピタキシャル成長される。そのバッファー層１２０に接するように、紫外発光層１３０が配置される。紫外発光層１３０の結晶もバッファー層１２０に対しエピタキシャル成長されている。紫外発光層１３０の構成は、従来のＬＥＤ素子１００であるか本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａであるかによらず共通している。具体的には、紫外発光層１３０の構成は、バッファー層１２０の側から、ｎ型導電層１３２、再結合層１３４、およびｐ型導電層１３６がこの順に積層し形成されている。紫外発光層１３０の材質は、典型的にはＡｌＧａＮまたはそれに微量元素（ｎ型のためにはＳｉ、ｐ型のためにはＭｇなど）をドーピングした組成である。ｎ型導電層１３２には第１電極１４０が電気的に接続されている。これに対し、ｐ型導電層１３６には、従来のＬＥＤ素子１００の場合には、ｐ型コンタクト層１５０、さらに第２電極として作用させる反射電極１６０が配置される。本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａの場合には、ｐ型導電層１３６にｐ型コンタクト層１５０Ａが形成され、さらに、反射電極１６０Ａが配置される。反射電極１６０または１６０Ａは、それぞれｐ型コンタクト層１５０または１５０Ａを介し、ｐ型導電層１３６との電気的接続を確立している。そして、サファイア基板１１０の他方の面である光取出し面１０２から光出力Ｌが放射される。
【００３９】
より詳細に各層の構成を説明する。バッファー層１２０はサファイア基板１１０にＡｌＧａＮの結晶をエピタキシャル成長させるために導入されており、例えば２μｍ程度の厚みに作製される。つまり、サファイア基板１１０に良質なＡｌＧａＮ層の結晶を形成し内部発光効率ηＩＱＥを高めるという結晶成長上の要請を満たすために、バッファー層１２０が採用されている。本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａでのバッファー層１２０はこれと同様のものとすることができる。
【００４０】
紫外発光層１３０についてｎ型導電層１３２は、例えばｎ型になるようＳｉがドーピングされたＡｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎの層、つまりＡｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ；Ｓｉ層である。再結合層１３４は、Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０ＮとＡｌ０．５３Ｇａ０．４７Ｎの組成の薄膜を超格子構造となるように積層したＭＱＷ（多重量子井戸）積層体であり、再結合層１３４における量子井戸の数は例えば３程度とする。ｐ型導電層１３６は、ＡｌＧａＮ；Ｍｇ層、つまりｐ型となるようにＭｇをドープしたＡｌＧａＮの層である。本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａでは、ｐ型導電層１３６に任意選択として電子ブロック層１３８が設けられていてもよい。その場合の電子ブロック層１３８は例えばＭＱＢにより構成される。
【００４１】
従来のＬＥＤ素子１００では、ｐ型コンタクト層１５０は、たとえばマグネシウムをドープした窒化ガリウムであるＧａＮ；Ｍｇ（ｐ型ＧａＮとも呼ぶ）という組成の層である。これに対し本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａに採用するｐ型コンタクト層１５０ＡではＡｌを含む材質、つまり、ＡｌＮとＧａＮとの混晶（ＡｌＧａＮ）の材質にＭｇをドープした材質とされる（以下この材質をｐ型ＡｌＧａＮとも呼ぶ）。
【００４２】
従来のｐ型コンタクト層１５０にｐ型ＧａＮが採用されたのは、第２電極との電気的接続を確立して電流注入動作を行なうためである。しかし、上述したようにＧａＮ；Ｍｇは放射ＵＶを吸収するため光取り出し効率を悪化させる原因となる。これに対し本実施形態のｐ型コンタクト層１５０Ａはｐ型ＡｌＧａＮとすることにより高透過性とされ放射ＵＶの吸収が抑制される。この場合であってもＬＥＤ素子１００Ａが実際に動作することを本願の発明者らは確認した。この実験的確認については実施例にて詳述する。
【００４３】
第１電極１４０は、下地側からＮｉ／Ａｕの積層構造の金属電極である。このＮｉは、オーミックコンタクトを実現するためにＡｕとその下地の半導体層との間に挿入されている薄い、例えば２５ｎｍの厚みの層である。
【００４４】
従来のＬＥＤ素子１００の場合、反射電極１６０も第１電極１４０と同様である。それに対し、ＬＥＤ素子１００Ａにおいては、反射電極１６０Ａのために高純度のＡｌやＡｌを主成分とする合金を採用する。本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａではｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率が高まっており、反射電極１６０Ａが反射性をもてば放射ＵＶを反射させて効率良く取り出すことができるためである。つまり反射電極１６０Ａを、ＵＶをサファイア基板１１０側に戻す反射膜としても機能させる。そのために、ＵＶの波長域において高い反射率となるよう、反射電極１６０Ａに金よりも高い反射率を示すＡｌを主成分とする金属膜を採用して反射電極として動作させる。また、この構成の反射電極１６０Ａにおいても電気的側面から下地側に挿入金属層１６２となるＮｉを挿入する。ただしＮｉの場合は厚みが５ｎｍを越すとＵＶに対する反射率が低くなる。したがって、本実施形態における反射電極１６０の挿入金属層１６２となるＮｉの厚みは５ｎｍより薄く、好ましくは実質的厚みが１ｎｍ程度とされる。この点も実施例にて詳述する。なお、本出願の各実施形態において反射電極に採用するＡｌには高純度のＡｌのみならずＡｌ合金を含み、両者を含む膜を、総称して「Ａｌを主成分とする金属膜」とも呼ぶ。
【００４５】
実際のＬＥＤ素子１００および１００Ａの形状について補足する。これらは、バッファー層１２０から反射電極１６０または１６０Ａまでの厚みが高々１００μｍ、ＬＥＤ素子１００または１００Ａの面内のサイズが５００μｍ×５００μｍ程度またはそれより大きいサイズの、概して平板状の形状である。ここで、ＬＥＤ素子１００または１００Ａを構成する材質の放射ＵＶの波長における屈折率は周囲より有意に大きい。実際、周囲の媒体（空気や真空など）や、ＵＶ透過性媒体による封止部材（採用される場合）の屈折率は、それぞれ、１および１．５程度である。これに対しＬＥＤ素子１００または１００Ａを構成する材質の屈折率は２またはそれを越える程度である。このような形状と屈折率に起因し、再結合層１３４において伝導キャリアの再結合の結果放出された光の大半は、導波路モードの光となる。つまり、ＬＥＤ素子１００または１００Ａの平面の法線から臨界角を超えた向きに向かう光は全反射によりＬＥＤ素子１００または１００Ａから出射しない。従来のＬＥＤ素子１００では、この導波路モードの光は、外部に出射するまでにｐ型コンタクト層１５０に吸収されるため、光取出し面１０２から取り出される光出力には寄与しない。従来のＬＥＤ素子１００においては、再結合層１３４において生成された光のうち、実効的に光出力となるのは、上記一方の面１０４とは逆の面である光取出し面１０２から直接出射した光のみである。直接出射可能な立体角は全方位のうち高々８％程度であるため、残りの大半はｐ型コンタクト層１５０の吸収の影響を受ける。
【００４６】
これに対し本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａでは、再結合層１３４において生成され光取出し面１０２に向かう光に加え、ｐ型コンタクト層１５０Ａ側に向かう光でも光取出し面１０２から取り出される成分が多くなる。また導波路モードとなる光もｐ型コンタクト層１５０Ａにより吸収されなければ挿入金属層１６２または反射電極１６０Ａにより反射されて光取出し面１０２から取り出される。つまり、本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａでは、吸収の少ないｐ型コンタクト層１５０Ａを採用し、第２電極のために、高い反射率を示すような反射電極１６０Ａを挿入金属層１６２とともに採用することともあわせ、紫外発光層１３０から両面に向かう光と、導波路モードとなる光の双方を活かすことができる。これがＬＥＤ素子１００Ａにおいて光取出し面１０２から出力させる光の総量を増大させ光取出し効率ηＬＥＥが改善される理由である。
【００４７】
この観点から、導波路モードの光をさらに効率良く取出すための改良も本実施形態では有用となる。具体的には、本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａにおいては、バッファー層１２０にボイドを形成して放射ＵＶを散乱させたり屈折させる等の光の方向変換作用をもたせたりすることにより、ＬＥＤ素子１００Ａにおける光取出し効率ηＬＥＥを向上させることもできる。そのバッファー層は、一例としては、結合ピラーＡｌＮバッファーと呼ぶ構造に作製する（図１８、バッファー層１２０Ｂ）。この構造は、結晶成長上の要請を満たしつつ、方向変換作用を生じさせるような機能を果たす構造である。バッファー層が結合ピラーＡｌＮバッファー等の構造、より一般にはボイドを有していても、これらが形成されないバッファー層１２０（図２）と比肩される程度の内部発光効率ηＩＱＥを維持することができることを本願の発明者らが確認している。このため、伝播する光の方向を変換するボイドやピラーは、導波路モードの光取出し効率ηＬＥＥの向上をもたらす。この点について変形例として後述する。
【００４８】
１−２．ＬＥＤ素子の製造方法
次に、本実施形態のＬＥＤ素子の製造方法を説明する。図４は、本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａの製造方法を示すフローチャートである。本実施形態におけるＬＥＤ素子１００Ａの製造工程は、基板準備工程Ｓ１１０、バッファー層成長工程Ｓ１２０、紫外発光層形成工程Ｓ１３０、ｐ型コンタクト層形成工程Ｓ１４０、電極形成工程Ｓ１５０を含んでいる。
【００４９】
まず、基板準備工程Ｓ１１０ではサファイア基板１１０を準備する。サファイア基板１１０は、格子転位の少ない単結晶のα−Ａｌ２Ｏ３の（０００１）面配向の基板が好適である。サファイア基板１１０は、温度制御機能およびガス供給機能を備えたＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に配置される。
【００５０】
次に、バッファー層成長工程Ｓ１２０においてバッファー層１２０を形成する。このバッファー層成長工程Ｓ１２０は、本実施形態では、一例として、核結晶形成工程Ｓ１２２、埋め込み工程Ｓ１２４、という２つの工程により実施される。核結晶形成工程Ｓ１２２および埋め込み工程Ｓ１２４においては、バッファー層１２０において可能な限り良質な結晶を実現するべく、本願の発明者らが開発してきた高品質な結晶成長のための手法を適用することが有利である。
【００５１】
具体的には、核結晶形成工程Ｓ１２２では、微少なＡｌＮの結晶が形成されやすい条件にてＡｌＮの微少な結晶を成長させる。生成された結晶核はその後の結晶成長の種結晶として機能する。この手法としては、アンモニアを時系列において間欠的に供給するＭＯＶＰＥ工程（「アンモニアパルスフロー成長法」と呼ぶ）が好適である。
【００５２】
続く埋め込み工程Ｓ１２４では、その結晶核の間を埋めるように下地結晶層（図示しない）を成長させる。この工程では、アンモニアパルスフロー成長法と、同時供給成長法（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｓｕｐｐｌｙ  ｇｒｏｗｔｈ）とを少なくとも一回ずつ実行することが好適である。なお、ここでのアンモニアパルスフロー成長法で採用されるのは、核結晶形成工程Ｓ１２２における成長条件とは異なるものであり、新たな結晶核が生成されにくい代わりに、形成済みの結晶核の結晶に対しコヒーレントに横方向（面内方向、無極性方向）に結晶成長しやすい横エンハンス成長（ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｌａｔｅｒａｌ  ｇｒｏｗｔｈ）と呼ぶ条件である。また、同時供給成長法は、ＴＭＡｌ（ｔｒｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ａｌｕｍｉｎｕｍ）とアンモニアとの両方の供給を継続しながら、主として膜厚方向に速い速度で成長させる手法である。この時点のＡｌＮが、後の結晶品質に影響するようである。そこで、本実施形態では、たとえば上述したアンモニアパルスフロー成長法と、同時供給成長法とを交互に複数回繰り返すこと（アンモニアパルスフロー多段成長法）が好適である。このような繰り返しにより、膜厚方向に延びる貫通転位は減少する。具体的な成長工程では、ＭＯＶＰＥ法による結晶成長の条件が精密に制御される。その結晶成長条件のうち本願の発明者らがとりわけ重要と考える条件は、原料ガスのうちＶ族元素のためのガス（アンモニア）とＩＩＩ族元素のためのガス（ＴＭＡｌ）の供給比率である。
【００５３】
発光層形成工程Ｓ１３０では、バッファー層１２０の結晶格子をテンプレートとして、その表面にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、０＜ｘ≦１のいずれかの値）の組成が主成分の紫外発光層１３０が形成される。紫外発光層１３０は、図１に示したものと同様に、ｎ型導電層１３２、再結合層１３４、ｐ型導電層１３６をこの順にバッファー層１２０から積層した積層体である。ｎ型導電層１３２、再結合層１３４、およびｐ型導電層１３６を形成するためには、原料ガスとしてＴＭＡｌガス、アンモニアガスのほか、原料ガスとしてＳｉのためにＴＥＳｉ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ  ｓｉｌａｎｅ）や、ＧａのためにＴＭＧａ（ｔｒｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ｇａｌｌｉｕｍ）またはＴＥＧａ（ｔｒｉ−ｅｔｈｙｌ−ｇａｌｌｉｕｍ）、また、ＭｇのためにＣｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ−ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）等の種々のガスを採用することができる。ｐ型導電層１３６に電子ブロック層を設ける場合には、その電子ブロック層の構成に合せてガス比率等を調整して成長を行なう。
【００５４】
さらに、ｐ型コンタクト層形成工程Ｓ１４０において、電気的接続のためのｐ型コンタクト層１５０Ａを形成する。この際にも、ｐ型導電層１３６を作製するのと同様の原料ガスを採用することができる。なお、従来のｐ型コンタクト層１５０であればｐ型ＧａＮを作製するため、ｐ型コンタクト層形成工程Ｓ１４０ではＴＭＡｌガスは用いられなかった。
【００５５】
その後、電極形成工程Ｓ１５０により電極を形成する。これは、図１に示した第１電極１４０と第２電極を形成する工程である。たとえば、ｎ型導電層１３２の表面には第１電極１４０が形成される。また、ｐ型コンタクト層１５０Ａの表面には、第２電極のために反射電極１６０Ａが形成される。反射電極１６０Ａを形成する前には、必要に応じ挿入金属層１６２も配置されることがある。
【００５６】
２．第１実施形態の実施例
次に、第１実施形態を実施例に基づきさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。以下の説明においては、これまでに説明した図面も引き続き参照し、説明済みの要素の符号はそのまま用いる。
【００５７】
２−１．実施例１：ｐ型コンタクト層１５０Ａの動作可能性確認
本実施形態の実施例１として、まず電気的側面での動作が可能かどうか確認した。なお、実施例１は、全般において、ｐ型コンタクト層１５０Ａにはｐ型ＡｌＧａＮを利用しているものの、第２電極のためには、従来と同様の反射率の低い挿入金属層１６２および反射電極１６０の構成を採用している。
【００５８】
図５は本実施形態のｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用して動作させた実施例（実施例１）において、ｐ型コンタクト層のＡｌＮ混晶組成比を変更したサンプルの電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示すグラフである。測定は室温下の連続発光にて行なった。以下、実施例のために作製したサンプルを実施例サンプルＥ１等と呼び、比較例のために作製したサンプルを比較例サンプルＣ１と呼ぶ。各サンプルの作製条件を表１に抜粋して示す。なお、ｐ型導電層１３６は、ＭＱＢの電子ブロック層１３８のみで構成した。
【表１】
2020061579.tif 000003
【００５９】
各サンプルでは、上述した製造方法に従いＬＥＤ素子を作製した。実施例１では、比較例サンプルＣ１、および実施例サンプルＥ１〜Ｅ３を作製した。これらサンプルは、いずれも発光波長（放射ＵＶの主要波長）が２６５ｎｍとなるように作製し、ｐ型導電層１３６には多重量子障壁（ＭＱＢ）の電子ブロック層１３８を設けた。また、いずれも第２電極となる挿入金属層１６２および反射電極１６０は、従来と同様のＮｉ／Ａｕとした（上述）。各サンプルではｐ型コンタクト層のみを作り分けた。具体的には、比較例サンプルＣ１では、従来のｐ型コンタクト層１５０にｐ型ＧａＮを採用した。ｐ型ＧａＮではＡｌＮ混晶組成比は０％である。これに対し実施例サンプルＥ１〜Ｅ３では、ｐ型コンタクト層１５０Ａにｐ型ＡｌＧａＮを採用した。ＡｌＮ混晶組成比は、順に、４７％、５６％、および６０％である。各ｐ型コンタクト層と同様の組成および同様の成膜条件によって、厚い膜を成膜して室温でのフォトルミネッセンスを測定して求めた組成波長も表１に併記している。また、これらサンプルの電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの測定値が図５のグラフに明示されている。
【００６０】
図５に示されるように、実施例サンプルＥ１〜３がＬＥＤ素子として十分に動作することが確認された。比較例サンプルＣ１および実施例サンプルＥ１〜Ｅ３の傾向は、電気的側面において比較例サンプルＣ１が最も優位であり、ＡｌＮ混晶組成比が増加する実施例サンプルＥ１、Ｅ２、Ｅ３の順に劣ってゆく結果となった。すなわち比較例サンプルＣ１が最も高い外部量子効率ηＥＱＥを示した。ただし、重要なことは、実施例サンプルＥ１、Ｅ２、およびＥ３のいずれのＬＥＤ素子も、動作に支障がない点である。
【００６１】
次に、殺菌用途の波長（２６０〜２８０ｎｍ）の範囲でわずかに長波長側に波長をシフトさせた発光波長２７７ｎｍであるＬＥＤ素子を対象として同種の傾向を調べた。図６は、本実施形態において、ｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮを採用し、ｐ型コンタクト層のＡｌＮ混晶組成比を精密に変更した実施例の電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示すグラフである。図５と図６では、ｐ型コンタクト層の組成波長が、発光波長よりも長いもの（図５）と、短いもの（図６）という違いがある。つまり、実施例サンプルＥ４およびＥ５は、ｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌＮ混晶組成比ｘを、組成波長が発光波長よりも短くなる範囲で変化させたサンプルである。これらのサンプルの条件も表１に記載している。測定は図５と同様に室温下の連続発光にて行なった。ＡｌＮ混晶組成比ｘが６０％および６３％の実施例サンプルＥ４およびＥ５それぞれのｐ型コンタクト層１５０Ａを対象に組成波長を求めたところ、それぞれ、２７０および２６５ｎｍであった。
【００６２】
発光波長よりも短い波長をｐ型コンタクト層１５０Ａの組成波長としている実施例サンプルＥ４およびＥ５のＬＥＤ素子は、ともに支障なく動作した。本願発明者が知る限り、ＡｌＮ混晶組成比ｘが６０％および６３％もの高いｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌＮ混晶組成比ｘの値で実際に動作が確認されたＤＵＶのＬＥＤ素子は報告されていない。また、約３％の外部量子効率ηＥＱＥは、発光波長２７７ｎｍのＬＥＤ素子としてみても十分に高いといえる。なお、これらのサンプルでも、同一の放射ＵＶの波長に対し、ＡｌＮ混晶組成比ｘが増すと、外部量子効率ηＥＱＥが低下する関係は確認された。
【００６３】
実施例サンプルＥ４およびＥ５のｐ型コンタクト層１５０Ａは、両者とも２７７ｎｍの波長に対しては一定程度の透過性を示すものの、ＡｌＮ混晶組成比ｘが増すに従い（組成波長が短くなるに従い）透過率が高くなることが期待される。ただし、ＡｌＮ混晶組成比ｘを過度に増大させても、必ずしも良好な結果とはならない。ＡｌＮ混晶組成比ｘを増大させることによる電気的接続に関する弊害、具体的には、ｐ型コンタクト層１５０Ａのホール濃度の不足が、問題となり始める。つまり、ｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌＮ混晶組成比ｘは、放射ＵＶの波長に応じ適切に調整されるべきといえる。注目すべきは、挿入金属層１６２および反射電極１６０が反射の期待できないＮｉ／Ａｕ構成であるにもかかわらず図６のような十分な動作可能性が確認されたことである。ｐ型コンタクト層の電気的側面の問題は、対処可能であるといえる。
【００６４】
以上のように、Ａｌを組成に含むｐ型コンタクト層１５０Ａを利用しても動作が十分可能であることを確認した。またその際の発光波長と、組成波長で規定されるｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌ組成との関係についても知見を得た。
【００６５】
２−２．実施例２：ｐ型コンタクト層１５０Ａの透過特性
次に、実施例２として、ｐ型コンタクト層１５０Ａに採用する材質の光学的特性を確認するために、ｐ型コンタクト層１５０Ａのための材質の透過率を測定した。図７はｐ型コンタクト層１５０Ａと同一の膜の透過スペクトルを実測したグラフである。測定サンプルの膜は、エピタキシャル成長のためのＡｌＮバッファー層が形成されたサファイア基板の当該バッファー層に対し、ＡｌＮ混晶組成比ｘを０．６（６０％、組成波長２７０ｎｍ）とするｐ型コンタクト層１５０Ａのための成膜条件でＡｌＧａＮを形成したものである。透過率測定用のサンプルでは、測定の精度を高めるため、ＡｌＧａＮの厚みをｐ型コンタクト層１５０Ａに実際に採用する厚みの２倍とした。また、界面反射の影響を含まない内部透過率の値を算出するため、反射率も同時に測定した。その結果、透過率測定用のサンプルでは、ＡｌＮ混晶組成比ｘが０．６の場合（組成波長が２７０ｎｍとなる組成の場合）、２７９ｎｍで９４％もの高い透過率となることを確認した。厚みが２倍の膜に対するこの値は、ＡｌＮ混晶組成比ｘが０．６の場合のｐ型コンタクト層１５０Ａの内部透過率が２７９ｎｍで９７％であることに相当する。なお、２７９ｎｍの放射ＵＶの波長は別の実施例にて示すように実現可能である。また、０．６というＡｌＮ混晶組成比ｘは、実施例１にて説明したように、電気的側面での動作に支障を生じない値である。このように、ｐ型コンタクト層１５０Ａの内部透過率として、放射ＵＶの波長において９０％を超え、また、９５％をも上回る高い値を確認した。また、測定値は示さないが、ＡｌＮ混晶組成比ｘ（組成波長）を変更することにより、透過率が急激に低下する波長（吸収端）がシフトすることを確認した。
【００６６】
次に、発光波長とそれに適するｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌＮ混晶組成比との関係を明らかにした。上述したように、電気的側面からＡｌＮ混晶組成比は可能な限り小さな値が望ましい。その一方、透過率の高いｐ型コンタクト層１５０Ａを実現するためにＡｌＮ混晶組成比には下限値が存在する。本願の発明者らは、ＡｌＮ混晶組成比として好ましい値の範囲をＬＥＤの発光波長と対応付けることとした。図８は、本実施形態に採用するｐ型コンタクト層のためのＡｌＮ混晶組成比の発光波長に対する依存性を示す説明図である。
【００６７】
本願のＬＥＤ素子の典型的な用途の１つとして想定できる殺菌用途では、ＬＥＤの発光波長は２６０ｎｍ〜２８０ｎｍであることが好ましい。２６０ｎｍおよび２８０ｎｍの発光波長のＬＥＤそれぞれにおいて、ｐ型コンタクト層１５０Ａに採用するＡｌＧａＮのＡｌＮ混晶組成比を、それぞれ７０％以上、および５８％以上とすることが好ましい。ただし、この思想は２６０ｎｍ〜２８０ｎｍ以外の発光波長のＬＥＤに対しても適用することができ、そのことを示すのが図８である。具体的には、ＡｌＮ混晶組成比ｘが、発光波長（放射ＵＶの主要波長）の値をＷ（ｎｍ）として、
ｘｍｉｎ＝−０．００６０Ｗ＋２．２６
により求まる下限値ｘｍｉｎ以上の値にされていると好ましい。図８でハッチングされた領域のＡｌＮ混晶組成比ｘを各波長で採用することが好ましく、上式のｘｍｉｎは直線で示されている。
【００６８】
２−３．実施例３：第２電極の反射特性
次に実施例３として、第２電極による反射の増強を試みた。図９は、挿入金属層と第２電極のための各種の金属膜についての反射スペクトルである。測定は、ｐ型コンタクト層１５０Ａに形成された第２電極のｐ型コンタクト層１５０Ａ側での入射および反射のための測定値を得るため、サファイア基板に金属膜を形成し、サファイア基板側から金属膜に入射した光に対する反射スペクトルを測定した。サファイア基板にＡｌ膜のみを十分な厚みで形成した場合には、例えば２７０ｎｍで９１％程度の反射率が測定された。これに対し従来の挿入金属層１６２および反射電極１６０として採用されてきたＮｉ（２５ｎｍ）／Ａｕ（１５０ｎｍ）では、２７０ｎｍにおいて３０％程度の反射率であった。なお、Ｎｉ（２５ｎｍ）／Ａｕ（１５０ｎｍ）は、まず挿入金属層としてＮｉを２５ｎｍ厚だけ形成し、そのＮｉ層に接してＡｕを１５０ｎｍ厚に形成した金属膜である。つまり、従来の反射電極１６０には改善の余地がある。本願の発明者らは、Ａｌの高い反射率を可能な限り維持しつつ、挿入金属層として用いるＮｉの効果を検討した。
【００６９】
まずＮｉを５ｎｍとし、そこに１００ｎｍのＡｌを被覆したところ、２７０ｎｍにて約３４％となり、Ｎｉ／Ａｕと大差の無い反射率に留まった。この問題がＮｉの低い反射率に起因すると推測しＮｉを薄く１ｎｍ厚としたところ、１００ｎｍのＡｌと組み合わせて約６４％もの反射率が得られた。Ａｌの厚みをこれ以上増加させても実質的に変化はなかった。逆にアルミニウムを薄く、例えば５０ｎｍとした場合、反射率が４７％程度にまで低下した。これより、挿入金属層１６２であるニッケルは実質的に厚みが１ｎｍ程度となるようにして反射電極１６０ＡにＡｌを採用すれば、良好な反射率が実現することを確認した。反射電極１６０ＡのＡｌは厚く形成することが電気的側面からも反射率からも有利である。
【００７０】
図９のグラフは反射率を測定するためのサンプルのものであるが、本願の発明者らは実際のＬＥＤ素子でも同様の傾向が成り立つものと考えている。つまり、実際のＬＥＤ素子においても、Ｎｉ／Ａｕの構成の第２電極は１０〜３０％程度の低い反射率となり、Ｎｉ／Ａｌの構成にすると６４％程度は確保できるものと考えている。さらにＰｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉなどのコンタクト金属の選択と、その膜厚の制御を行うことにより、７０％以上の高い反射率も期待できる。
【００７１】
２−４．実施例４：ＬＥＤ素子１００Ａでの実証
次に実施例４として、透過率を高めたｐ型コンタクト層１５０Ａと反射率が高められた第２電極とを組み合わせたＬＥＤ素子１００Ａの実用性を実証した。具体的にはＬＥＤ素子１００Ａにおいて、光取出し効率ηＬＥＥが実際に高まること、および外部量子効率ηＥＱＥが高まることを確認した。なお、実施例４のＬＥＤ素子１００Ａのサンプルではこれまでの実施例サンプルにおいてＭＱＢの最適化を図った。これは、ｐ型コンタクト層１５０Ａにおいて透過率を高めること、すなわちＡｌＮ混晶組成比ｘが高められることに伴い、ホール濃度が不足して電子のリーク（オーバーフロー）が生じやすくなり、電子注入効率ηＥＩＥの低下が懸念されるため、および本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａのもつ可能性を引き出すためである。最適化の具体的内容は、ｐ型導電層１３６に配置するＭＱＢのバリア高を増大させて電子ブロック効果を増強した。透過率を高めたｐ型コンタクト層１５０Ａは、たとえそれによる電子注入効率ηＥＩＥの低下という電気的側面での不利が生じても、ＭＱＢ等の電子ブロック層により対処可能である。
【００７２】
図１０は本実施例において第２電極のみを相異させて特性が向上した様子を示す実測のグラフである。また図１１には、第２電極を高い反射率のものに変更した際に外部量子効率ηＥＱＥが変化する様子を示す。具体的には図１１（ａ）は変化を算出する比較対象サンプルの様子を模式的に示す説明図、図１１（ｂ）はそのグラフである。各サンプルの条件は表１に記載している。本願の発明者らは、透過率を高めたｐ型コンタクト層１５０Ａと反射率が高められた第２電極との組合せによって光取出し効率ηＬＥＥが高まることを実証するため、図１１（ａ）に模式的に示すように、第２電極の構成のみを変更したサンプルを作製し変更の前後で光取出し効率ηＬＥＥの変化を調べた。
【００７３】
具体的には、第２電極がＮｉ／Ａｕであるもの（実施例サンプルＥ６）とＮｉ／Ａｌであるもの（実施例サンプルＥ７）を対象に電流密度と外部量子効率ηＥＱＥの関係を調べた（図１０）。これらのサンプルは、ともに、発光波長が２７９ｎｍとなるように紫外発光層１３０を作製し、組成波長が２７０ｎｍであるｐ型コンタクト層１５０Ａ（ＡｌＮ混晶組成比ｘが６０％）を採用したものであり、室温の連続動作により測定を行なっている。図１０に示すように、第２電極をＮｉ／Ａｕ（Ｅ６）からＮｉ／Ａｌ（Ｅ７）にすることにより、外部量子効率ηＥＱＥの最大値が、４．１％から７．０％へと、約１．６７倍になることが確認できた。
【００７４】
このことは、直接的には二つの点で重要である。まず、殺菌用途の波長である発光波長２７９ｎｍに対して、実際に７．０％もの外部量子効率ηＥＱＥが実現している点で重要である。もう一つは、ＬＥＤ素子１００とＬＥＤ素子１００Ａとを対比することにより、第２電極の反射率の違いが、ｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率の高さのために実際のＬＥＤ素子に反映されたことを実際に確認できた点で重要である。本実施例により、透過性を高めるために６０％のＡｌＮ混晶組成比としたｐ型コンタクト層１５０Ａにおいて、反射率を高めた第２電極を組み合わせて、光取出し効率ηＬＥＥが増大することが現実に確認された。
【００７５】
図１０の結果は、さらにＬＥＤ素子の動作におけるｐ型コンタクト層１５０Ａの組成と発光波長の詳細な関係を示唆している点でも重要である。図１０からは、発光波長２７９ｎｍに対して組成波長が２７０ｎｍ（ＡｌＮ混晶組成比ｘが６０％）のＡｌＧａＮのｐ型コンタクト層１５０Ａが高い透過率を有していること、および、第２電極の高い反射率が実際にも実現していることを示している。ここで図７に関連して説明したように、ｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率スペクトルはそのＡｌＮ混晶組成比ｘ（組成波長）に依存する。このため、第２電極の反射率による外部量子効率ηＥＱＥの改善効果がｐ型コンタクト層１５０Ａの組成と発光波長との組合せに依存する。この点に着目し、図１０のために採用した発光波長（２７９ｎｍ）以外波長に対しても、第２電極の反射率による外部量子効率ηＥＱＥの改善効果を調査したものが図１１（ｂ）である。この改善効果を示す値を「光取り出し比（ＬＥＥ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆａｃｔｏｒ）」と呼ぶ。光取り出し比は、反射率が高められた第２電極（Ｎｉ／Ａｌ、Ｎｉを１ｎｍとしたもの）の場合の外部量子効率ηＥＱＥを、第２電極が反射率の低い従来のもの（Ｎｉ／Ａｕ）である場合の外部量子効率ηＥＱＥで除した値である。ここでの調査対象のサンプルは、ｐ型コンタクト層１５０Ａの材質を固定し（組成波長２７０ｎｍ、ＡｌＮ混晶組成比ｘが６０％）、発光波長が異なるサンプルを作製した。図１１（ｂ）にその結果を示す。図１１（ｂ）には、６波長の発光波長（２７９、２７７、２７５、２７３、２７１、および２６５ｎｍ）に対する光取り出し比を示した。なお、発光波長２７９ｎｍの値は図１０と同一の実施例サンプルＥ６およびＥ７の組合せから得られたものである。
【００７６】
図１１（ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層１５０Ａの組成波長（２７０ｎｍ）を境に、発光波長が短波長である構成では光取り出し比が１．３〜１．４程度の値であった。これに対し発光波長が組成波長より長波長となると光取り出し比が増加し、最大１．７程度の光取り出し比となった。
【００７７】
この結果は、第２電極の反射率の外部量子効率ηＥＱＥに対する寄与が、ｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率が低ければ小さく、逆に透過率が高ければ大きくなる、という理解を支持している。特に、図７に示した透過スペクトルを当てはめて考えればこの点は理解が容易となる。つまり、第２電極の金属膜の反射スペクトルが図９に示されたように波長に対し緩慢な変化しか示さないのに対し、ｐ型コンタクト層１５０Ａの透過スペクトルが図７に示されたように波長に対し急峻に変化している。図１１（ｂ）に示したように、光取り出し比の発光波長依存性も組成波長付近を境に急峻に変化しており、ｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率が光取出し効率ηＬＥＥに大きな寄与を持つことを示している。このように、透過率を高めたｐ型コンタクト層１５０Ａが光取出し効率ηＬＥＥの向上に大きく寄与することを確認した。
【００７８】
また、ｐ型コンタクト層１５０Ａの材質を固定して発光波長を変更することによる確認も実施した。図１２は、共通する組成のｐ型コンタクト層に対して異なる発光波長の紫外発光層を採用した場合の実測の特性を示すグラフである。図１２（ａ）は電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示し、図１２（ｂ）は、ほぼ最大の外部量子効率ηＥＱＥが得られた２０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度の際の発光スペクトルを示す。具体的には、図１２は、第２電極にＮｉ／Ａｌを採用し発光波長を２７９ｎｍとした実施例サンプルＥ７に加え、図１１のために発光波長を２７７、２７５ｎｍとしたサンプル（実施例サンプルＥ８およびＥ９）も加えて外部量子効率ηＥＱＥの電流密度依存性を示す。確認されたことは、一つには、ｐ型コンタクト層１５０Ａの組成波長（これらのサンプルについて、すべて２７０ｎｍ）を固定し発光波長を変化させても、当該組成波長に比べて長い波長の発光波長に対しては、高い外部量子効率ηＥＱＥが得られることである。この点が、実際の外部量子効率ηＥＱＥの値により確認された。もう一つ確認されたことは数量的な関係である。組成波長（２７０ｎｍ）に比べ、５ｎｍ長い発光波長の場合（実施例サンプルＥ９）に比べ、７ｎｍ長い発光波長（Ｅ８）では外部量子効率ηＥＱＥの最大値が大幅に高まること、および、９ｎｍ長い発光波長（Ｅ７）では外部量子効率ηＥＱＥの最大値がさらに高まることも確認した。発光波長から組成波長を減算した値は７ｎｍ程度とすることが好ましく、当該値を９ｎｍ程度とすることはさらに好ましい。
【００７９】
２−５．実施例５：短波長化の例
本願の発明者らは、２６０〜２８０ｎｍ波長域のうち、上述したものよりも一層短い波長での動作を確認するため、２６０ｎｍ付近での発光素子を作製した。具体的には、ＬＥＤ素子１００Ａの実施例サンプルＥ１０およびＥ１１を表２に示す条件により作製した。
【表２】
2020061579.tif 000004
【００８０】
すなわち、実施例サンプルＥ９までのＬＥＤ素子１００Ａとは異なり、実施例サンプルＥ１０およびＥ１１では、発光波長を２６０ｎｍとし、それに応じて、ｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌＮ混晶組成比ｘを７０％と増大させた。発光波長２６０ｎｍとＡｌＮ混晶組成比ｘが７０％（０．７）という関係は、図８に示した発光波長２６０ｎｍに対するＡｌＮ混晶組成比ｘの好ましい値の最小値ｘｍｉｎに対応する。
【００８１】
実施例サンプルＥ１０およびＥ１１では、ｐ型コンタクト層１５０Ａは厚みを１００ｎｍとなるように形成し、ｐ型伝導のためのドーピングはＭｇのドーパント濃度が５×１０１９ｃｍ−３程度となるように調整した。こうして作製されたｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率を図７と同様に測定したところ、図７の吸収スペクトルを約３０ｎｍ短波長方向へシフトした特性となり、２５０ｎｍより長波長側では吸収は生じなかった。その際の組成波長は約２４０ｎｍである。第２電極は、実施例サンプルＥ１０についてＮｉ／Ａｕ、実施例サンプルＥ１１についてＮｉ／Ａｌとした。発光波長である２６０ｎｍにおける各電極の反射率を図９と同様に測定したところ、Ｎｉ／Ａｕについて２５％、Ｎｉ／Ａｌについて７０％であった。
【００８２】
実施例サンプルＥ１０およびＥ１１を動作させて得た実測の特性を図１３に示す。図１３（ａ）は電流密度に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性、図１３（ｂ）は最大の外部量子効率ηＥＱＥが得られたときの発光スペクトルである。各サンプルの外部量子効率（最大値）は、第２電極をＮｉ／Ａｕとした実施例サンプルＥ１０では約２％となり、Ｎｉ／Ａｌとした実施例サンプルＥ１１では約３．２％を超えた。このように、本実施形態において、２６０ｎｍの発光波長に合せた設計をしても、良好な動作が実現することが確認された。なお、２６０ｎｍの発光波長で３％を超す外部量子効率で動作する紫外発光ダイオードは、これまで報告されていないようである。
【００８３】
３．第２実施形態
次に本願の発明者等は、第１実施形態におけるＬＥＤ素子１００Ａのために図９にて上述した第２電極の構成のうち、最も反射率が高いＡｌ単層膜に着目した。この高い反射率を活かすには、第２電極をＡｌ単層膜の反射電極１６０Ａとし、そのＡｌ単層膜をｐ型コンタクト層１５０Ａに直に接する配置が有利である。他方、オーミックコンタクトの条件を成立させるためには、ｐ型コンタクト層１５０Ａに直に接する位置にはＮｉなどの挿入金属層１６２を配置しなくてはならない。これら光学的側面と電気的側面とを考慮し、本願の発明者らは、パターン化された挿入金属層を採用することとした。この形態を本願の第２実施形態として説明する。
【００８４】
図１４は、本実施形態においてＬＥＤ素子の光取り出し効率を向上させる概念を示す説明図である。図１４（ａ）および（ｂ）は、パターン化された挿入金属層１６２Ｂおよび１６２ＣにＡｌの反射電極１６０Ｂおよび１６０Ｃを組み合わせた第２電極を使用するＬＥＤ素子１００Ｂおよび１００Ｃの構造を模式的に示す。ＬＥＤ素子１００Ｂ（図１４（ａ））のｐ型コンタクト層１５０Ｂは、ｐ型コンタクト層１５０Ａ（図２、図３）と同様に一様な組成の単層膜のｐ型ＡｌＧａＮとされ、放射ＵＶの吸収が抑制された高透過性を示す。これに対し、図１４（ｂ）は、多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｃを使用するＬＥＤ素子１００Ｃのものであり、ｐ型コンタクト層１５０Ｃは、高透過性のみならず、図の黒塗り矢印により示すように、ホール流（hole current）を拡散させている。ＬＥＤ素子１００ＢとＬＥＤ素子１００Ｃの反射電極および挿入電極層の構成は同一とすることができる。さらに、ＬＥＤ素子１００Ｂ、１００Ｃのいずれも、ｐ型導電層１３６にＭＱＢの電子ブロック層１３８が設けられていている。ＬＥＤ素子１００Ｂ、１００Ｃの他の要素の構成、例えば紫外発光層１３０の構成や、バッファー層１２０はＬＥＤ素子１００Ａと同様である。
【００８５】
パターン化された挿入金属層１６２Ｂおよび１６２Ｃに、Ａｌの反射電極１６０Ｂおよび１６０Ｃを組み合わせた第２電極の構成および作用についてＬＥＤ素子１００Ｂを例に説明する。図１５は、挿入金属層１６２Ｂのパターンの一例を示す平面図であり、図１４における紙面の上方から観察する向きで描いたものである。なお、図１５では、ＬＥＤ素子１００Ｃの場合の符号も同様に併記している。挿入金属層１６２Ｂはｐ型コンタクト層１５０Ｂの一部のみを覆うようにパターン化して配置される。挿入金属層１６２Ｂは、典型例において、個別には微小なサイズのドットパターンにされ、ドットパターンのなす配列は二次元の正方格子とされる（図１５、拡大図）。挿入金属層１６２Ｂはここに示したもの以外にも、二次元の三角格子の配列をなすようにパターニングされたり、細線のストライプパターンに配列されたり、細線のストライプを交差させたグリッド状に配列されるなど、種々のパターンを持つように形成することができる。また、挿入金属層１６２Ｂは、規則的パターン配列のみならず、ランダムに分散されたドットなど不規則な配列とすることもできる。図１４に示したように、反射電極１６０Ｂは、典型的には主成分がＡｌであり、挿入金属層１６２Ｂが存在しない位置においてｐ型コンタクト層１５０Ｂに直に接し、挿入金属層１６２Ｂが存在する位置においてその挿入金属層１６２Ｂを介しｐ型コンタクト層１５０Ｂに電気的に接続している。
【００８６】
挿入金属層１６２Ｂのパターニング工程は任意の手法により実行することができる。例えば、リフトオフやマスクデポを採用することができる。リフトオフでは、ｐ型コンタクト層１５０Ｂの表面が最表面となっている段階で、まず、開口を設けたパターンのレジスト膜を形成する。次に、挿入金属層１６２Ｂのための単層または複層の金属層を成膜する。そしてレジスト膜ごとその上の金属膜を除去する。これにより、開口のパターンの挿入金属層１６２Ｂをパターニングすることができる。マスクデポでは、例えばｐ型コンタクト層１５０Ｂの表面が最表面となっている段階で、開口部を持つある厚みの金属板をマスクとして、当該マスク越しに挿入金属層１６２Ｂのための単層または複層の金属層を成膜する。これにより、マスクの開口部に応じて挿入金属層１６２Ｂをパターニングすることができる。
【００８７】
反射電極１６０Ｂおよび挿入金属層１６２Ｂの作用は、挿入金属層１６２Ｂを介している領域では、挿入金属層１６２Ｂとｐ型コンタクト層１５０Ｂとの間において電気的接続をオーミックコンタクトに近づけて良好とする作用である。これに対し、反射電極１６０Ｂの下方の界面のうちの挿入金属層１６２Ｂを介さずｐ型コンタクト層１５０Ｂに直に接する領域Ｒ（図１４）では、反射電極１６０Ｂに直接入射して反射する放射ＵＶに対し高い反射率をもたらす。ＬＥＤ素子１００Ｂでは、領域Ｒの面積比を高めることにより、反射電極による反射率を実質的に高めることができる。この点において、ＬＥＤ素子１００Ｂは、反射電極１６０、１６０Ａに挿入金属層１６２を組み合わせたＬＥＤ素子１００、１００Ａ（図２、図３）からみて、光取り出し効率の点では相対的に有利である。
【００８８】
説明のための例示として、具体的サイズを説明する。挿入金属層１６２Ｂは、典型的には、例えば５μｍ角の正方形となるようパターニングされたものであり、各ドットは１５μｍピッチの二次元正方格子の配列パターンをなすように配置される。この場合、反射電極１６０Ｂがｐ型コンタクト層１５０Ｂに直に接するような領域Ｒの面積比は約８９％となる。これらのドットのサイズ、ピッチの値は、挿入金属層１６２Ｂの配列と同様に、適宜に設定することができる。
【００８９】
このように、図１４、図１５に示した構造のＬＥＤ素子１００Ｂにおいては、反射電極１６０ＢのＡｌによる高い反射率を活かしつつ、挿入金属層１６２Ｂによる良好な電気的接続を実現することが可能となる。
【００９０】
図１４では挿入金属層１６２Ｂ自体をＮｉ／Ａｕの複層に構成するものを示しており、ｐ型コンタクト層１５０ＢとＮｉ膜との界面においてオーミックコンタクトが確立される。このため、ＬＥＤ素子１００Ｂに採用されるパターン化された挿入金属層１６２Ｂは、ｐ型コンタクト層１５０Ｂに直に接する厚み方向の位置にオーミックコンタクトに適する金属の膜を有している限り、それ自体が単層であっても、また他種の金属を積層した複層のものであっても構わない。オーミックコンタクトに適する金属の典型例がＮｉである。ここに説明した反射電極および挿入金属層を組み合わせた第２電極の構成や作用はＬＥＤ素子１００Ｃ（図１４（ｂ））でも同様である。
【００９１】
次に、実際の動作において反射電極１６０Ｂの高い反射率を一層活かすことができる追加の工夫について説明する。ＬＥＤ素子１００Ｂではｐ型コンタクト層１５０Ｂの透過率を高めるためＡｌＮ混晶組成比を高く設定するとともに、パターン化された挿入金属層１６２Ｂを採用している。しかし、ＬＥＤ素子１００Ｂの発光波長の設定によってはＡｌＮ混晶組成比を大きくせざるを得ず、ｐ型コンタクト層１５０Ｂの導電性が小さくなる場合もある。導電性が低く体積抵抗率が大きいｐ型コンタクト層１５０Ｂでは、図１４に示すように、ｐ型コンタクト層１５０Ｂ中でのホール流が挿入金属層１６２Ｂそれぞれの直下またはその近傍の狭い部分に集中する。再結合層１３４における電子とホールの再結合も挿入金属層１６２Ｂそれぞれの直下およびその近傍の制限された範囲に集中することから、反射電極１６０Ｂとｐ型コンタクト層１５０Ｂが直に接する領域Ｒでは発光が生じにくい。
【００９２】
ここで、挿入金属層１６２Ｂのために過度に微細なパターンは実用上の観点から採用が難しい。また、ｐ型コンタクト層１５０Ｂの厚みは１００ｎｍ前後の厚みとなるように作製される。これらの理由から、反射電極１６０Ｂとｐ型コンタクト層１５０Ｂが直に接する領域Ｒの面積比を大きく保ちつつ挿入金属層１６２Ｂのパターン同士の間隔を縮小するにも限界がある。図１４は、紙面上の上下方向が左右方向に比べ拡大されていることに注意されたい。この限界から、領域Ｒに適合する紫外発光層１３０の範囲で再結合の頻度を高くし放射ＵＶを強く放出させることは難しく、挿入金属層１６２Ｂの吸収が挿入金属層１６２Ｂの縮小された面積比よりも大きな影響を及ぼし続ける。領域Ｒの高い反射率を活かすためには、電気的側面で改善の余地がある。
【００９３】
そこで、本願の発明者らは、図１４（ｂ）に示したＬＥＤ素子１００Ｃにおいて、ｐ型コンタクト層１５０Ｃのために多層構造を採用することとした。ｐ型コンタクト層１５０Ｃは、ＡｌＮ混晶組成比が交互に増減するようにされたｐ型ＡｌＧａＮの積層体である。ｐ型コンタクト層１５０Ｃにおける電荷（ホール）も、ｐ型コンタクト層１５０Ｂ（図１４（ａ））と同様に、主として厚み方向にｐ型コンタクト層１５０Ｃを伝播する。ところが、ｐ型コンタクト層１５０ＣにおいてＡｌＮ混晶組成比が互いに異なる多数の層を横切るホールの流れはｐ型コンタクト層１５０Ｂの場合よりも広がる。すなわち、ホール流は、ｐ型コンタクト層１５０Ｂの場合には膜厚方向にほぼ直進し挿入金属層１６２Ｂの直下に制限されて流れるのに対し、多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｃの場合には、膜厚方向のみならず面内方向に拡散されながら流れる。この結果、多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｃの場合ではホール流の集中が緩和されて再結合層１３４での再結合頻度の空間分布が均される。このホール流の拡散は、反射電極１６０Ｃによる高い反射率が得られる範囲における発光量を増大させる（図１４（ｂ））。こうして反射電極１６０Ｃがｐ型コンタクト層１５０Ｃに直に接するような領域Ｒの高い反射率が一層効果的に活かされる。なお、ホール流が拡散する理由は、多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｃでは、ホール濃度も層状に変調され、その結果生じたＡｌＮ混晶組成比が小さくホール濃度が高い層が相対的に示す高い伝導度のために、層の広がりの向きにホールが広がるものと考えている。
【００９４】
４．第２実施形態の実施例
第２実施形態の上述した着想を実施例に基づきさらに詳細に説明する。
【００９５】
４−１．実施例６
まず本実施形態の着想の有効性を確認した実施例（実施例６）を説明する。図１６は、実施例６において作製したサンプルの構造を示す断面図であり、図１６（ａ）および（ｂ）は、ＬＥＤ素子１００Ｂおよび１００Ｃそれぞれのための実施例サンプルＥ１２およびＥ１３を示す。各サンプルでは一片の素子のために２種の第２電極を形成した。各サンプルは、実施例４と同様に光取り出し比を評価するための２種の第２電極の特性の比較対照を容易にし、第２電極の構成以外の他の条件の影響を可能な限り排除して評価ができるように準備したものである。各サンプルの２種の第２電極は、一方がＮｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）の構成を持つものであり、他方がドットパターン（５μｍ角、ピッチ１５μｍの二次元正方格子）のＮｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）とした挿入金属層１６２Ｂおよび１６２Ｃを、さらにＡｌ（１００ｎｍ）の反射電極１６０Ｂおよび１６０Ｃにより覆うものである。
【００９６】
ＬＥＤ素子１００Ｂおよび１００Ｃのための実施例サンプルＥ１２およびＥ１３の具体的作製条件は次の通りとした。実施例サンプルＥ１２、Ｅ１３のＬＥＤ素子１００Ｂ、１００Ｃは、いずれも、ｃ面サファイア基板にＭＯＣＶＤ法により作製された。実施例サンプルＥ１２およびＥ１３ともに発光波長を２８０ｎｍとし、バッファー層１２０、ｎ型導電層１３２、再結合層１３４、ｐ型導電層１３６は図３を参照して説明したものと同様とした。実施例サンプルＥ１２のｐ型コンタクト層１５０Ｂは、Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４Ｎの組成の単層膜のｐ型ＡｌＧａＮ（「バルクｐ型ＡｌＧａＮ」）で厚みを１００ｎｍとした。これに対し、実施例サンプルＥ１３のｐ型コンタクト層１５０Ｃは、ＡｌＮ混晶組成比の異なるＡｌ０．７３Ｇａ０．２７ＮとＡｌ０．６６Ｇａ０．３４Ｎの組成の層を交互に積層する多層構造となるようにした。この組成は、平均したＡｌＮ混晶組成比がｐ型コンタクト層１５０Ｂと一致するようにしたものである。ただし、ｐ型コンタクト層１５０Ｃにおいて、多層構造の繰り返し周期と、ＡｌＮ混晶組成比の変動幅（差分）は独立して最適化した。実施例サンプルＥ１３のｐ型コンタクト層１５０Ｃには、試行した条件のうちで最良の結果のもの、すなわち、積層される層の繰り返し周期が２０ｎｍ、全体の厚みが９０ｎｍ（４．５周期分形成したもの）を採用した。このｐ型コンタクト層１５０Ｃには、Ａｌ０．７３Ｇａ０．２７Ｎが５層、Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４Ｎが４層含まれており、各層の厚みは１０ｎｍである。その後、各サンプルに図１６の２種の第２電極を形成した。いずれの第２電極も平面形状は０．４ｍｍ×０．４ｍｍの正方形とした。
【００９７】
図１７は、本実施例における実施例サンプルＥ１２およびＥ１３の電流値に対する外部量子効率ηＥＱＥの依存性を示すグラフである。図１７（ａ）および（ｂ）はそれぞれ実施例サンプルＥ１２およびＥ１３のグラフであり、各グラフには２つの第２電極構成での特性を明示している。バルクｐ型ＡｌＧａＮをｐ型コンタクト層１５０Ｂに採用した実施例サンプルＥ１２は、Ｎｉ／Ａｕ電極である第２電極の部分と、パターン化された挿入金属層１６２Ｂに高い反射率を示すＡｌを組み合せた第２電極の部分との間において外部量子効率ηＥＱＥの最大値に実質的違いがみられず、両者の外部量子効率ηＥＱＥの最大値の比率である光取り出し比の値はほぼ１であった（図１７（ａ））。これに対し、多層構造のｐ型ＡｌＧａＮをｐ型コンタクト層１５０Ｃに採用した実施例サンプルＥ１３における外部量子効率ηＥＱＥの最大値は、パターン化された挿入金属層１６２Ｂの第２電極の部分でＮｉ／Ａｕ電極の部分より有意に向上し、光取り出し比の値が１．５〜１．６倍程度となった（図１７（ｂ））。実施例サンプルＥ１２とＥ１３から得られた実験結果は、ｐ型コンタクト層１５０Ｃを多層構造のｐ型ＡｌＧａＮとすることによりホールが拡散してホール流の集中が緩和されるとする仮説をサポートするものといえる。さらに、ホール流の拡散によりＡｌの高い反射率を活かして光取り出し効率を増大させる、という本実施形態の着想の実現性が実証された。
【００９８】
５．変形例
上述した本発明の各実施形態は、種々の変形を伴う形態により実施することも好ましい。特に、ｐ型コンタクト層１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃのいずれかにより透過率が高まり、第２電極１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃのいずれかにより反射率が高まれば、導波路モードによってＬＥＤ素子１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの内部を伝播する光を外部に取り出すための各種の方策がいずれも効果的に作用することとなる。また、電気的側面での対策も変形が可能である。
【００９９】
５−１．変形例１:ボイドを持つＡｌＮバッファー層
変形例の１つがバッファー層にボイド（空隙）を設けることである。ボイドは、屈折・散乱など現象を引き起こし、伝播する光の方向を変化させる方向変換作用を発揮する。図１８は第１実施形態のある変形例において得られるＬＥＤ素子の構成を示す断面図であり、ボイドＶが形成される変形例である。ボイドＶは、バッファー層１２０Ｂの結晶成長工程において形成される。その形成のための典型的な手法において、サファイア基板１１０Ａの表面にパターニングにより高低差が付けられている。バッファー層１２０Ｂを形成する際に、サファイア基板１１０Ａの高いところ（凸部）において結晶成長速度が速く、低いところ（凹部）において遅くなる。この現象を利用すれば、バッファー層１２０Ｂを成長させる過程において位置選択的に結晶成長を促進または抑制することができる。また、バッファー層１２０Ｂの結晶成長の条件において、面内方向に成長が促進される条件を適用すれば、ボイドＶを成長と共に塞ぐようにして連続した結晶となるバッファー層１２０Ｂを成膜することができる。このようにしてボイドを含むようにされたバッファー層１２０Ｂでは、ＬＥＤ素子１００Ｂから放射ＵＶが出射する際に臨界角以上に傾斜して導波路モードになって伝播する光の方向を、エネルギー損失を伴わずに変化させることができる。ｐ型コンタクト層１５０Ａが強い吸収を持つ場合、そこに入射した導波路モードとなった光も吸収してしまう。各実施形態のＬＥＤ素子１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの構成ではｐ型コンタクト層１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃによる吸収が弱いため、挿入金属層１６２およびいずれかの反射電極を含む第２電極の反射機能と相まって、導波路モードとなった光を再び取り出すことに寄与する。ボイドの方向変換作用は、ｐ型コンタクト層の少ない吸収により効果的に光取出し効率ηＬＥＥの向上に作用することができる。
【０１００】
ボイドの形成のためには、種々の手法を利用することができる。上述したサファイア基板１１０Ａの表面の高低差パターンは、海島構造パターン構造の島部が高くなれば、ピラー１２４が形成され、ピラー１２４同士の間がボイドＶとなる（図１８）。逆に海部が高くなれば、島部に当たる穴あき部が形成できてボイドとなる。バッファー層１２０Ｂの成長の際には、結晶格子の対称性を反映した成長が行なわれるため、ピラーやボイドの平面内の断面形状には、結晶格子の対称性による辺や角が現われる。また、これ以外にも、ストライプパターンや、任意のパターンに形成することができる。さらに、サファイア基板１１０Ａの表面における高低差のパターンによらず、結晶成長を阻害する組成の膜をパターニングして付与することによりマスクとすることもできる。
【０１０１】
ボイドＶを形成したバッファー層１２０Ｂの場合、サファイア基板１１０Ａを除去することも好ましい。図１８には、ピラー１２４のサファイア基板１１０Ａ側に点線により、サファイア基板１１０Ａが除去される位置を示している。サファイア基板１１０Ａを除去してバッファー層１２０ＢのボイドＶが表面に露出すると、そのボイドの構造が全反射や表面反射により内部へ戻る光の総量を減少させる。バッファー層１２０Ｂが結合ピラー状となっている場合に基板を除去すると、ＵＶにとっては各ピラーが導波路となり、また放射ＵＶを外部に取り出す際に各ピラー内部を通過しながら外部に放出されるため、全反射や表面反射による光が減少し、光取出し効率ηＬＥＥが高まる。ピラー部のサイズや伝播方向によっては、後述するモスアイ構造のように外部に出射する放射ＵＶの界面でのインピーダンスが低下することもあり得るが、全反射や表面反射による光は減少する。
【０１０２】
５−２．変形例２：モスアイ構造
各実施形態においてｐ型コンタクト層の透過率を高めることは、光取出し効率ηＬＥＥを高める別の手法と両立することもできる。光取出し効率ηＬＥＥを高めるために、紫外発光層１３０から第２電極側に発せられる光や、導波路モードとなって伝播する光は、ともに最終的に外界に出射される。ＬＥＤ素子の第２電極とは反対側に位置する表面や、別の界面のうち屈折率ステップを伴う表面または界面のいずれかにモスアイ構造が形成されていれば、その出射の際に内部に戻る光を抑制できるため好ましい。モスアイ構造が形成される面を例示すれば、第２電極とは反対側に位置するＬＥＤ素子と外界との最表面となる表面（例えば基板１１０の光取出し面１０２）、ＬＥＤ素子をＵＶ透過性媒体（樹脂、ガラス質透明体など）で封止する際のＬＥＤ素子とＵＶ透過性媒体との界面である。屈折率ステップが大きくなる面のいずれかにモスアイ構造が形成されていれば好ましい。モスアイ構造は、波長を基準にしてそれより小さい面内のサイズで凹凸をもつ任意の表面形状を指しており、屈折率ステップとなる面において、その表面形状のために屈折率ステップによる反射が抑制されているようなものをいう。このような構造では、屈折率ステップのある界面において外部に出射する放射ＵＶのインピーダンスが低下するために、表面反射が軽減される。
【０１０３】
５−３．変形例３：電子ブロック層の構成
上述した各実施形態のさらに別の典型例として、電子ブロック層について説明する。光取出し効率ηＬＥＥを高める各実施形態において、電子注入効率ηＥＩＥを高めるための手法は外部量子効率ηＥＱＥを高める点で重要である。なかでも各実施形態はｐ型コンタクト層１５０Ａの透過率を高めるためにホール濃度を犠牲にすることから、そのことによる電子注入効率ηＥＩＥの低下を補う手法が併用できるかどうかは実用性に影響する。この電子注入効率ηＥＩＥを高める手段として既にＭＱＢに関連して上述したように、ｐ型導電層１３６に設ける電子ブロック層１３８は有効な手段である。
【０１０４】
一般に、発光波長が紫外域の範囲で長波長である場合には、ｐ型コンタクト層１５０Ａの組成波長もそれに合せた大きい値となる。つまりｐ型導電層１３６のＡｌＮ混晶組成比ｘは少なくてもよい。この場合においてホール濃度の問題も深刻ではない。各実施形態の場合でも、ＵＶでも長波長の場合には電子ブロック層は必ずしも必要ではない。短波長になるにつれて、ｐ型導電層１３６やｐ型コンタクト層１５０ＡのＡｌＮ混晶組成比ｘを高めざるをえずホール濃度もその分だけ犠牲になりることから、電子注入効率ηＥＩＥへの影響が深刻化する。これに応じ電子ブロック層１３８を用いる必要性が高まる。波長によっては、比較的簡素な、Ａｌ組成比の高い単層の領域設けるシングルバリア構造で十分な場合がある。極性が生じる結晶方位の場合、シングルバリア構造でも、有効な電子ブロック作用が実現する。より発光波長が短くなると、シングルバリア構造よりも高い電子ブロック作用の期待できるＭＱＢを採用したり、その最適化を緻密に行ったりすることが適切な解決策となる。特に多重反射の効果を利用するＭＱＢでは、ｐ型導電層の電子ブロック層のためにＡｌ混晶組成比の増大をわずかとすることができて電気的接続が維持され、電子注入効率ηＥＩＥの低下を補う手法として上記各実施形態にとって好適である。なお、殺菌用途の波長範囲（２６０〜２８０ｎｍ）では、シングルバリア構造とすることも、実施例として示したようにＭＱＢを採用することも、どちらも有用である。
【０１０５】
重要なことは、各実施形態において光取出し効率ηＬＥＥを高めるべく透過率を高めたｐ型コンタクト層のために引き起こされかねない副作用について、既に解決策が提示されており、その有効性が確認されていることである。さらに、ＭＱＢの効果を高めるにはＡｌ組成比の高低の変化をもたらす厚み方向の周期を変化させることも有用である。この点を含むＭＱＢの詳細は本願の発明者による特許文献２に詳述されている。
【０１０６】
５−４．変形例４:ｐ型層へのＩｎの導入
各実施形態の変形例として、ｐ型導電層１３６や、任意選択として設けられる電子ブロック層１３８、およびｐ型コンタクト層１５０Ａというキャリア（ホール）濃度が低下するｐ型層のいずれかにインジウム（Ｉｎ）を導入することも有用である。ｐ型ＩｎＡｌＧａＮにはＩｎを導入することにより、キャリア濃度が高まることを本願の発明者らは確認している（非特許文献３）。具体的には、ドーピングレベルの低濃度（１×１０１８ｃｍ−３）から２％程度までの濃度範囲でＩｎを含有させて作製したｐ型ＩｎＡｌＧａＮとすることが好ましい。なお、このような組成のｐ型コンタクト層１５０Ａでは、組成波長がおおむねＡｌＮ混晶組成比で決まり、また組成波長より長波長の領域での透過率にもほとんど影響はない。このため、ｐ型導電層１３６、電子ブロック層１３８、およびｐ型コンタクト層１５０Ａに対し本実施形態の上記説明をほとんど変更することなく適用することができる。Ｉｎを導入するためには、トリメチルインジウムジイソプロピルアミンアダクト（ＴＭＩｎアダクト）等の原料ガスを適時に適量添加する。
【０１０７】
５−５．変形例５: 紫外発光層へのＩｎの導入
各実施形態において発光出力を向上するために、紫外発光層、特に再結合層１３４にもＩｎを導入することが有用である。紫外発光層１３０や再結合層１３４のＡｌＮとＧａＮとの混晶の組成にＩｎを例えば０．３％程度混入することにより、２８０ｎｍ付近で発光する量子井戸の内部量子効率が増強されることを本願の発明者らは確認している（非特許文献２）。そのメカニズムについて、ＡｌＧａＮ中のＩｎの組成が揺らぐこと（変調）により、キャリアの局在化が生じる結果、発光に寄与する再結合する電子とホールの比率が増加し、貫通転位の結晶欠陥で非発光で再結合することによる損失が抑制できるためと本願の発明者は考えている。この変形例においても、Ｉｎの組成比は、ドーピングレベル（１×１０１８ｃｍ−３）から最高で２％程度とすることが有用である。
【０１０８】
５−６．変形例６：ＡｌＮ結晶の基板
各実施形態の変形例として、上述したサファイア基板１１０に代え、ＡｌＮ結晶の基板を採用することもできる。この変形例では、ＡｌＮ結晶によるバッファー層１２０が省略される場合がある。紫外発光層１３０は、ＡｌＮ結晶、またはバッファー層（利用される場合）に接して配置され、エピタキシャル成長される。ＡｌＮ結晶の基板を利用する場合であっても、ｐ型コンタクト層の透過率を高めることや、第２電極の反射率を高めることは、光取り出し効率を向上させ、外部量子効率の向上にも役立つ。サファイア基板１１０を採用する場合におけるすべての説明は、ＡｌＮ結晶の基板を採用する変形例についても適用される。
【０１０９】
５−８．変形例７：電気特性の改良
上述した第２実施形態におけるパターン化された挿入金属層１６０Ｃと多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｃとを採用する構成のＬＥＤ素子１００Ｃ（図１４（ｂ））では、さらに電気特性を改良する変形を行なうことにより実用性をさらに高められる。その変形は、パターン化したｐ型ＧａＮ層を、多層構造のｐ型コンタクト層とパターン化された挿入金属層との双方に直に接して挟まれる位置に追加することである。図１９は、一例の構成のＬＥＤ素子１００Ｄにおいて、パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２を、パターン化された挿入金属層１６２ＤのＮｉ層と多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｄとの間に配置する例を示す拡大断面図である。反射電極１６０Ｄは、パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２、挿入金属層１６２Ｄを覆い、挿入金属層１６２Ｄもｐ型ＧａＮ層１５２も介さずｐ型コンタクト層１５０Ｄに直に接する領域Ｒをさらにもつように高い反射率のＡｌ層を形成することによって完成される。
【０１１０】
ｐ型ＧａＮ層１５２の材質は、マグネシウムをドープした窒化ガリウムであるＧａＮ；Ｍｇ（ｐ型ＧａＮとも呼ぶ）の組成により構成されている。従来のＬＥＤ素子１００のｐ型コンタクト層１５０に関し述べたように、ｐ型ＧａＮの材質では光学的な吸収が問題となり得る。しかし、ｐ型ＧａＮ層１５２がパターニングされ、その配置が例えば図１９に示したように挿入金属層１６２Ｄのパターンと対応付けられている場合、実際上の光学的な不利は限定的なものにとどまる。なぜなら、光取り出し効率ηＬＥＥに対しては、パターン化された挿入金属層１６２Ｄの反射の寄与はもともと小さく、それに対応付けて配置されているｐ型ＧａＮ層１５２が光を吸収しても全体の反射率の低下に影響しにくいためである。
【０１１１】
その一方、ｐ型ＧａＮ層１５２を用いることによる電気的側面での利点は大きい。パターン化された挿入金属層１６２ＤのＮｉ層とｐ型コンタクト層１５０Ｄとの間の接触電位差は、これらを直接接触させた場合に比べ、ｐ型ＧａＮ層１５２を間に介在させることで５Ｖ程度の低減できる。これは挿入金属層１６２ＤのＮｉ層とｐ型コンタクト層１５０Ｄとの間に介在するｐ型ＧａＮ層１５２が縮退半導体層（ｐ＋層）となってオーミックコンタクトの確立に役立つためである。この接触電位差の低減は、電流を担うホール流に伴うジュール熱を低減させるため、時間あたりの出力放射エネルギーと投入電力との比によって規定される動作時の電力効率が改善され、発熱も抑制される。
【０１１２】
上述した構成とするためのｐ型ＧａＮ層１５２のパターニングは、例えばフォトリソグラフィーによるレジストパターンを利用したエッチングをパターン化された挿入金属層１６２Ｄの形成の前に行うことにより容易に行うことができる。ｐ型ＧａＮ層１５２のためのパターニングは任意のパターニング手法で行なうことができる。典型的には、フォトリソグラフィーによるレジストマスクを利用したドライエッチングが採用される。パターン化された挿入金属層１６２Ｄのためのパターニングは、パターン化された挿入金属層１６２Ｃ（図１４（ｂ））のためのものと同様に行なうことができる。パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２の平面形状は、図１９に示したようにパターン化された挿入金属層１６２Ｄに一致させることもできるし、一致させることは必ずしも要さない。パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２は、少なくともその一部がｐ型コンタクト層１５０Ｄとパターン化された挿入金属層１６２Ｄとの双方に直に接して挟まれていれば、本変形例にて目的とする電気特性の改良が実現する。なお、パターン化された挿入金属層１６２Ｄは、Ｎｉ／Ａｕの複層のものを図示しているが、挿入金属層１６２Ｃと同様にＡｕ層は必ずしも要さず、例えば単層のＮＩ層とすることもできる。こうしてＬＥＤ素子１００Ｄでは、領域Ｒの高い反射率を活かしつつ、ＬＥＤ素子１００Ｃよりもさらに高い電力効率が実現される。
【０１１３】
５−８．変形例８：電気機器への適用
各実施形態のＬＥＤ素子１００Ａ〜Ｄにより得られる、効率が高められた紫外線の放出源は、それを用いる電気機器の有用性をも高める。このような電気機器は任意であり特段限定されない。そのような電気機器の非限定的な例を挙げれば、殺菌装置、浄水装置、化学物質の分解装置（排ガス浄化装置等を含む）、情報記録・再生装置、等が含まれている。これら電気機器を動作させる際には、効率が高い紫外線の放出源が得られれば、動作のための電力が抑制できて環境負荷が低下しランニングコストも抑制される。また、放出源の効率が高まれば、これら電気機器の構成において放出源自体の数を抑制できるばかりか、放熱構造や駆動電源の構成等も簡素化される。これらは、電気機器の小型化・軽量化に寄与し、機器価格も抑制される。
【０１１４】
以上のように、ｐ型コンタクト層の透過率を高める種々の変形や他の変形を本実施形態に施せば、ＤＵＶＬＥＤの外部量子効率ηＥＱＥを高めることにより、ＤＵＶＬＥＤの実用性を高めることができる。
【０１１５】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態のほかの組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明の紫外発光ダイオードは紫外線を生成する任意の電気機器に利用可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１００、１００Ａ〜Ｄ  ＬＥＤ素子（深紫外ＬＥＤ素子）
１０２    光取出し面
１０４    基板の一方の面
１１０、１１０Ａ  基板
１２０、１２０Ｂ  バッファー層
１３０    紫外発光層
１３２    ｎ型導電層
１３４    再結合層
１３６    ｐ型導電層
１４０    第１電極
１５０    ｐ型コンタクト層
１５０Ａ  ｐ型コンタクト層（高透過性）
１５０Ｂ  ｐ型コンタクト層（バルクｐ型ＡｌＧａＮ）
１５０Ｃ  ｐ型コンタクト層（多層型）
１５２    ｐ型ＧａＮ層（パターン化されたもの）
１６０    反射電極
１６０Ａ  反射電極（高反射性）
１６０Ｂ〜Ｄ、  反射電極（高反射性、Ａｌ）
１６２    挿入金属層
１６２Ｂ〜Ｄ  挿入金属層（パターン化されたもの）
【図１】
2020061579.tif 000005
【図２】
2020061579.tif 000006
【図３】
2020061579.tif 000007
【図４】
2020061579.tif 000008
【図５】
2020061579.tif 000009
【図６】
2020061579.tif 000010
【図７】
2020061579.tif 000011
【図８】
2020061579.tif 000012
【図９】
2020061579.tif 000013
【図１０】
2020061579.tif 000014
【図１１】
2020061579.tif 000015
【図１２】
2020061579.tif 000016
【図１３】
2020061579.tif 000017
【図１４】
2020061579.tif 000018
【図１５】
2020061579.tif 000019
【図１６】
2020061579.tif 000020
【図１７】
2020061579.tif 000021
【図１８】
2020061579.tif 000022
【図１９】
2020061579.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月6日(2020.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶のサファイアまたはＡｌＮ結晶の基板と、
該基板に接して、または該基板上に設けられた追加のバッファー層に接して配置され、少なくともｎ型導電層、再結合層、およびｐ型導電層が該基板の側からこの順に積層して配置されているＡｌＮとＧａＮの混晶の紫外発光層と、
前記ｐ型導電層に電気的に接続しているＡｌＮとＧａＮの混晶のｐ型コンタクト層と、
前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射ＵＶに対し反射性を示し前記ｐ型コンタクト層に電気的に接続して配置されている反射電極と
を備えている紫外発光ダイオード。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
実際にも、本願の発明者らは、ＡｌＮ混晶組成比ｘを０．７とすることにより、放射ＵＶの主要波長が２６０ｎｍにまで短波長化できることを確認した。本発明の上記態様において２６０ｎｍにおける効率の高い紫外光源が実現できることは、２６０〜２８０ｎｍの殺菌波長の範囲において実施上の要求に適合する光源を実現できる点において重要である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
５−７．変形例７：電気特性の改良
上述した第２実施形態におけるパターン化された挿入金属層１６０Ｃと多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｃとを採用する構成のＬＥＤ素子１００Ｃ（図１４（ｂ））では、さらに電気特性を改良する変形を行なうことにより実用性をさらに高められる。その変形は、パターン化したｐ型ＧａＮ層を、多層構造のｐ型コンタクト層とパターン化された挿入金属層との双方に直に接して挟まれる位置に追加することである。図１９は、一例の構成のＬＥＤ素子１００Ｄにおいて、パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２を、パターン化された挿入金属層１６２ＤのＮｉ層と多層構造のｐ型コンタクト層１５０Ｄとの間に配置する例を示す拡大断面図である。反射電極１６０Ｄは、パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２、挿入金属層１６２Ｄを覆い、挿入金属層１６２Ｄもｐ型ＧａＮ層１５２も介さずｐ型コンタクト層１５０Ｄに直に接する領域Ｒをさらにもつように高い反射率のＡｌ層を形成することによって完成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１２】
上述した構成とするためのｐ型ＧａＮ層１５２のパターニングは、例えばフォトリソグラフィーによるレジストパターンを利用したエッチングをパターン化された挿入金属層１６２Ｄの形成の前に行うことにより容易に行うことができる。ｐ型ＧａＮ層１５２のためのパターニングは任意のパターニング手法で行なうことができる。典型的には、フォトリソグラフィーによるレジストマスクを利用したドライエッチングが採用される。パターン化された挿入金属層１６２Ｄのためのパターニングは、パターン化された挿入金属層１６２Ｃ（図１４（ｂ））のためのものと同様に行なうことができる。パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２の平面形状は、図１９に示したようにパターン化された挿入金属層１６２Ｄに一致させることもできるし、一致させることは必ずしも要さない。パターン化されたｐ型ＧａＮ層１５２は、少なくともその一部がｐ型コンタクト層１５０Ｄとパターン化された挿入金属層１６２Ｄとの双方に直に接して挟まれていれば、本変形例にて目的とする電気特性の改良が実現する。なお、パターン化された挿入金属層１６２Ｄは、Ｎｉ／Ａｕの複層のものを図示しているが、挿入金属層１６２Ｃと同様にＡｕ層は必ずしも要さず、例えば単層のＮｉ層とすることもできる。こうしてＬＥＤ素子１００Ｄでは、領域Ｒの高い反射率を活かしつつ、ＬＥＤ素子１００Ｃよりもさらに高い電力効率が実現される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１７】
１００、１００Ａ〜Ｄ  ＬＥＤ素子（深紫外ＬＥＤ素子）
１０２    光取出し面
１０４    基板の一方の面
１１０、１１０Ａ  基板
１２０、１２０Ｂ  バッファー層
１３０    紫外発光層
１３２    ｎ型導電層
１３４    再結合層
１３６    ｐ型導電層
１３８    電子ブロック層
１４０    第１電極
１５０    ｐ型コンタクト層
１５０Ａ  ｐ型コンタクト層（高透過性）
１５０Ｂ  ｐ型コンタクト層（バルクｐ型ＡｌＧａＮ）
１５０Ｃ  ｐ型コンタクト層（多層型）
１５２    ｐ型ＧａＮ層（パターン化されたもの）
１６０    反射電極
１６０Ａ  反射電極（高反射性）
１６０Ｂ〜Ｄ、  反射電極（高反射性、Ａｌ）
１６２    挿入金属層
１６２Ｂ〜Ｄ  挿入金属層（パターン化されたもの）