(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、ｎ型導電層１３２、再結合層１３４、およびｐ型導電層１３６がこの順に積層されている紫外発光層１３０を備えている。紫外発光層１３０は、２２０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下に含まれている放射ＵＶの主要波長をもつＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮの層である。ｐ型導電層１３６にはさらにＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａのｐ型コンタクト層１５０、および反射電極１６０Ａが積層されている。反射電極は、少なくとも挿入金属層および主成分にＭｇを含むＵＶ反射膜がｐ型コンタクト層の側からこの順に積層されており、放射ＵＶに対し反射性を示す。ＵＶ反射膜また本発明では、上記ＬＥＤ素子を備える電気機器も提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともｎ型導電層、再結合層、およびｐ型導電層がこの順に積層されており、２２０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下に含まれている放射ＵＶの主要波長をもつＡｌＮとＧａＮの混晶（ＡｌＧａＮ）またはＡｌＮとＧａＮとＩｎＮとの混晶（ＩｎＡｌＧａＮ）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ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮのｐ型コンタクト層と、
該ｐ型コンタクト層に電気的に接続しており、少なくとも挿入金属層および主成分にＭｇを含むＵＶ反射膜が該ｐ型コンタクト層の側からこの順に互いに接してまたは他の導電層を介して積層されており、前記放射ＵＶに対し反射性を示す反射電極と
を備えている深紫外発光ダイオード。
【請求項２】
前記挿入金属層が５ｎｍより薄くされているＮｉ膜である請求項１に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項３】
前記挿入金属層が１ｎｍ以下の厚みのＮｉ膜である請求項２に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項４】
前記挿入金属層が０．５ｎｍ以下の厚みのＮｉ膜である請求項３に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項５】
前記挿入金属層がＰｔ膜である請求項１に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項６】
前記挿入金属層がＰｄ膜である請求項１に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項７】
前記ＵＶ反射膜のＭｇを酸化から防ぐ酸化防止コーティングをさらに備える請求項１に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項８】
前記反射電極が前記ＵＶ反射膜に接しているＴｉ膜および該Ｔｉ膜に接しているＡｕ膜をさらに含んでいる請求項１に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項９】
個別化されてフリップチップ実装されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の深紫外発光ダイオード。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の深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】
本発明は深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深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。波長のより短い紫外域においても固体光源が求められ紫外発光ダイオード（ＵＶＬＥＤ）が開発されている。紫外域のうち２００〜３５０ｎｍの波長域は、半導体発光素子の技術分野では深紫外域と呼ぶこともあり、より一般にはＵＶＡ（波長３２０〜３８０ｎｍ）、ＵＶＢ（同、２８０〜３２０ｎｍ）、およびＵＶＣ（同、２００〜２８０ｎｍ）に大別される。ＵＶＡは印刷、塗装、樹脂加工や接着等の樹脂の硬化のための光源に選択される。ＵＶＢは、例えばナローバンドＵＶＢ療法といった医療や、商品作物の病害防止などの農業用途での利用が期待される。ＵＶＣ、とりわけ２６０〜２８０ｎｍ程度の波長域は殺菌、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。例えば上記樹脂の硬化作用では光開始反応にはＵＶＡばかりかＵＶＣ領域も欠かせない。このような背景のもと、ＵＶＣ波長帯の深紫外ＬＥＤ（ＤＵＶＬＥＤのうち特にＵＶＣＬＥＤとも呼ばれる）の開発が精力的に進められている。典型的なＤＵＶＬＥＤの構成は、サファイア基板もしくはＡｌＮ単結晶といった成長基板を利用し、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。
【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である外部量子効率ηＥＱＥ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／ホール（hole）ペアの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、
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には５０％〜８０％もの値を見込むことさえできる。
【０００５】
光取出し効率ηＬＥＥの改善も図られてきている。放射されるＵＶ光である放射ＵＶの波長を限定して、その波長において十分なＵＶ透過性を示すｐ型コンタクト層を採用する構成が本発明者らにより提案されている（特許文献３）。例えば電極にＡｇのようなＵＶ領域で反射率が低下する金属を採用するとこのｐ型コンタクト層のＵＶ透過性を生かすことはできない。そこで、ＵＶ透過性を示すｐ型コンタクト層には十分な反射性を示す電極を組み合わせている（特許文献３）。当該構成では、Ｎｉ膜、Ａｌ膜をｐ型コンタクト層の側からこの順に積層した反射性の電極（Ｎｉ／Ａｌ電極）がＵＶ透過性のｐ型コンタクト層に組み合わされる。これにより、紫外発光層から電極側に向かって放射されたＵＶ光がｐ型コンタクト層を透過し当該電極で反射し、再びｐ型コンタクト層を逆向きに透過して紫外発光層を通って放射されてゆき、その経路における透過−反射−透過を通じたエネルギー損失が抑制される。さらに紫外発光層からみて基板側の何らかの層（例えばバッファー層）に光取出し効率に寄与する形状を設ける手法も提案されている。例えば、ピラーや、より一般にはボイドをバッファー層に設けることが開示されている（特許文献４）。このような形状は、ＵＶ光が素子内部から外界へ脱出する際の効率を高めることに寄与する。これらの概念を組合わせることにより、本発明者を含むグループは、ＵＶ透過性ｐ型コンタクト層、反射性をもつＲｈ（ロジウム）電極、およびボイド構造を実現する加工サファイア基板、という構成をもつＤＵＶＬＥＤを試作し、２７５ｎｍの発光波長で２０．３％もの外部量子効率を観測したところである（非特許文献３）。
【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
【特許文献３】特開２０１５−２１６３５２号公報
【特許文献４】国際公開第２０１４／０６９２３５号
【特許文献５】特開平８−６４８７１号公報
【特許文献６】特開２００９−２００２２０号公報
【特許文献７】特開２０１３−１６８４９３号公報
【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】T. Takano et al., "Deep-ultraviolet light-emitting diodes with external quantum efficiency higher than 20% at 275 nm achieved by improving light-extraction efficiency," Appl. Phys. Express 10(3), 031002, 2017-02-14; doi: 10.7567/APEX.10.031002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光取出し効率ηＬＥＥを増大するために有利な反射電極として採用されてきたものは、これまでＮｉ／Ａｌ電極およびＲｈ反射電極であった。反射電極に求められる性質は、発光波長の光に対する高い反射率ばかりではなく、ｐ型コンタクト層に対し良好な電気的接続性も求められ、さらに、実用性の観点も加味して、例えば受け入れ可能なコストも考慮されなくてはならない。Ｒｈ反射電極は、高い反射率と良好な電気的接続性を満たすものの、材料自体が白金族の希少金属であり、材料価格が高コストである。この懸念はＮｉ／Ａｌ電極では払拭されるものの、Ｎｉ／Ａｌ電極には依然として反射率に改善の余地がある。なお、特許文献５には、ｐコンタクト層にＭｇを接するように配置する電極構成が開示されている。また特許文献６には、マグネシウムを電極に用いる構成が開示される（特許文献６、段落００５３）。特許文献７にもｐ電極にＮｉを採用することが開示されている。
【０００９】
本発明は、上記問題のうちの少なくともいずれかを解決することを課題とし、材質および構造の観点で高い実用性が期待できつつ光取出し効率ηＬＥＥを高めうる反射電極を採用するＤＵＶＬＥＤを提供し、高効率のＤＵＶＬＥＤの実用性の向上に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の発明者らは、発光波長に対して十分な反射性を示す電極として、Ｎｉ膜、マグネシウム（Ｍｇ）膜をｐ型コンタクト層の側からこの順に積層した電極（Ｎｉ／Ｍｇ電極）採用し、ＵＶ透過性ｐ型コンタクト層にこの電極を組み合わせることを着想した。実験により、２２０ｎｍ〜３５０ｎｍ程度の発光波長に対して、Ｎｉ／Ｍｇ電極がＮｉ／Ａｌ電極の場合よりも高い反射率を示しうることも確認した。さらに、実際にＮｉ／Ｍｇ電極を採用して作製したＤＵＶＬＥＤでは、Ｎｉ／Ａｌ電極の場合と同等か、条件次第ではそれを凌駕する外部量子効率ηＥＱＥを実現しうることを確認し、本願に係る発明を完成させた。
【００１１】
本発明のある態様においては、少なくともｎ型導電層、再結合層、およびｐ型導電層がこの順に積層されており、２２０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下に含まれている放射ＵＶの主要波長をもつ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、該ｐ型コンタクト層に電気的に接続しており、少なくとも挿入金属層および主成分にＭｇを含むＵＶ反射膜が該ｐ型コンタクト層の側からこの順に互いに接してまたは他の導電層を介して積層されており、前記放射ＵＶに対し反射性を示す反射電極とを備えている深紫外発光ダイオードが提供される。
【００１２】
本発明の上記態様においては、反射電極は、典型的にはオーミックコンタクトのための挿入金属層と、主成分にマグネシウム（Ｍｇ）を含む膜（本願においてＵＶ反射膜と呼ぶ）とをこの順に積層した電極であり、挿入金属層には、好ましくは５ｎｍより薄いＮｉ膜、さらに好ましくは１ｎｍ以下、さらには０．５ｎｍ以下の厚みのＮｉ膜が採用される。ＵＶ反射膜は、放射ＵＶの波長に対して十分な反射率を示す十分な厚みとなるよう形成される。例えば十分な厚みのＭｇ膜は、２２０〜３５０ｎｍの波長においてＡｌ膜と同程度または上回る程度の反射率を示すためＵＶ反射膜の典型例となる。後述するように本発明における挿入金属層／ＵＶ反射膜の構成をもつ反射電極は、必要な電気的特性を確保しつつ外部量子効率ηＥＱＥを高めることに寄与する。
【００１３】
さらに、本発明の上記態様において挿入金属層を、白金（Ｐｔ）膜や、パラジウム（Ｐｄ）膜とするものも好ましい。
【００１４】
また、本発明の上記態様では、ＵＶ反射膜のＭｇは酸化のために経時的に変化する場合があることから、酸化防止コーティングをさらに備えることがこと好ましい。
【００１５】
上述した反射電極には、ＵＶ反射膜に接しているＴｉ膜および該Ｔｉ膜に接しているＡｕ膜（Ｔｉ／Ａｕ膜）をさらに含んでいると好ましい。挿入金属層／ＵＶ反射膜のＵＶ反射膜にＴｉ／Ａｕ膜を重ねると、Ｔｉ／Ａｕ膜が外部の駆動回路等との電気的接続を容易にするため有利である。さらに、Ｔｉ／Ａｕ膜はＵＶ反射膜の酸化防止コーティングとしても機能することから、主成分にＭｇを含むＵＶ反射膜を採用する上記態様において有利である。
【００１６】
本発明においては、ＵＶ透過性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の混晶すなわち（ＡｌＮ）ｘと（ＧａＮ）１−ｘの混晶（組成式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）をＡｌＧａＮと記載することがある。同様に、本出願において、ＡｌＮとＧａＮとＩｎＮとの混晶すなわち（ＡｌＮ）ｘと（ＧａＮ）１−ｘ−ｙと（ＩｎＮ）ｙとの混晶（組成式ＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ）をＩｎＡｌＧａＮと記載することがある。これらの混晶には、明示した以外の成分を、例えばドーパントとして含む場合もあることに留意すべきである。
【００１７】
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や反射電極による反射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。
【００１８】
さらに加えて、本発明の上記いずれかの態様の深紫外発光ダイオードは、個別化されてフリップチップ実装されていると好ましい。深紫外発光ダイオード中を導波路モードとなって伝播する放射ＵＶは個別化されることにより深紫外発光ダイオードから外部に取出される割合が高まることから、個別化されてフリップチップ実装された深紫外発光ダイオードでは反射電極の反射率を高めたことによる効果がより増強される。
【００１９】
さらに加えて、本発明の上記いずれかの態様の深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。
【００２０】
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深紫外発光ダイオード（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。
【００２１】
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、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、０≦ｘ≦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。別の典型例では、ＩｎＡｌＧａＮ層の多層体、つまり、多層体をなす各層の組成が、ＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ、ｙは、０≦ｘ≦１、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】
【００２２】
本発明のいずれかの態様においては、反射電極の反射率が高められ光取出し効率ηＬＥＥを向上させた深紫外発光ダイオードが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の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り、素子単体の構造（図３Ａ）およびフリップチップ実装した構造（図３Ｂ）である。
【図４】本発明の実施形態の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】サファイア基板にＭｇとＡｌそれぞれを単層の金属膜に形成して測定した反射スペクトルから各波長で両反射率の比を算出した相対反射率スペクトルのグラフである。
【図６】サファイア基板に形成したＮｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜の反射率を、Ｎｉ膜の膜厚を１ｎｍおよび１０ｎｍと変更して測定した反射率スペクトルのグラフである。
【図７】本発明の第２電極として作用するＮｉ／Ｍｇ膜を含むいくつかの構成の反射率測定サンプルの反射スペクトルをＵＶ領域で測定したグラフである。
【図８】本発明の実施形態において、Ｎｉ（１ｎｍ）／Ｍｇ（１５０ｎｍ）膜を採用したＬＥＤ素子を対象にして実測した動作特性を示すグラフであり、電圧−電流特性（図８Ａ）、発光スペクトル（図８Ｂ）、電流−光出力特性（図８Ｃ）、および電流−外部量子効率特性（図８Ｄ）である。
【図９】本発明の実施形態において、Ｎｉ（１ｎｍ）／Ｍｇ（１５０ｎｍ）膜を採用したＬＥＤ素子にて反射電極のみをＮｉ／Ａｌ膜に変更したＬＥＤ素子を対象にして実測した動作特性を示すグラフであり、電圧−電流特性（図９Ａ）、発光スペクトル（図９Ｂ）、電流−光出力特性（図９Ｃ）、および電流−外部量子効率特性（図９Ｄ）である。
【図１０】Ｎｉ／Ｍｇ膜の蒸着直後に図８の特性を得たＬＥＤ素子を、蒸着後３週間のタイミング再測定した動作特性を示すグラフである。
【図１１】蒸着後１ヶ月放置した後にＮｉ／Ｍｇ膜の反射率スペクトルのＮｉ／Ａｌ膜に対する相対反射率を再度測定したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。さらに二つ以上の値を「〜」にて示す数値範囲は、特段の記載のない限りその両端の数値も値の範囲に含まれる。
【００２５】
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。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一旦導波路モードとなって内部を伝搬する。深紫外の放射ＵＶに対し低い透過性をもつｐ型コンタクト層を採用し、低い反射性を示すＮｉ／Ａｕ電極を第２電極に採用するＬＥＤ素子１００では、発光層から第２電極方向に向かうＵＶ光は損失となってしまい、導波路モードとなって伝播すること自体ができず、外部に放射される（取出す）こともできない。これに対し、深紫外の放射ＵＶに対し高い透過性をもつｐ型コンタクト層を採用し、高い反射性を示す挿入金属層／ＵＶ反射膜を第２電極に採用するＬＥＤ素子１００Ａでは、発光層から第２電極方向に向かうＵＶ光は、導波路モードとなって伝播することが許容されるため、取出しうる余地を残している。
【００２６】
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り、素子単体の構造（図３Ａ）およびフリップチップ実装した構造（図３Ｂ）である。ＬＥＤ素子１００および１００Ａの典型的な構成では、平板状のα−Ａｌ２Ｏ３単結晶（サファイア）である基板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、典型的には、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である。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もしくはＩｎＡｌＧａＮまたはそれらいずれかに微量元素（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。従来のＬＥＤ素子１００の場合、ｐ型導電層１３６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。電極１６０または反射電極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。光出力Ｌは、基板１１０を通してその他方の面である光取出し面１０２から放射される。
【００２７】
より詳細に各層の構成を説明する。基板１１０は紫外発光層１３０のエピタキシャル成長を行いうる成長基板であり、成長のための結晶方位や耐熱性といった条件を兼ね備える任意の材質のものから選択される。本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａのように最終的に基板１１０が残される場合、基板１１０には放射ＵＶに対する透過性も要請される。基板１１０の典型的な材質は、上述したα−Ａｌ２Ｏ３単結晶（サファイア）に加え、ＡｌＮ単結晶基板や、３００ｎｍ以上の波長の放射ＵＶの場合にはＧａ２Ｏ３基板であり、各材質に応じて適切な結晶方位およびオフ角をもつものが適宜に選択される。基板１１０にＧａ２Ｏ３基板のような導電性が期待できる材質のものを採用する場合には、ｎ型導電層１３２に電気的に接続されうる限り第１電極１４０の配置を図３Ａ、３Ｂとは異なる配置とすることもでき、例えば、基板１１０の紫外発光層１３０とは反対側の表面上に第１電極１４０が設けられる。バッファー層１２０は、良質なＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層の結晶を基板１１０に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必要に応じて単層または多層に形成され、例えば２μｍ程度の厚みに作製される。紫外発光層１３０において、紫外発光層１３０のためにＡｌＧａＮ層を採用する場合の典型的な構成は、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。紫外発光層１３０のためにＩｎＡｌＧａＮ層を採用する場合にも、これに準じた構成を採用することができる。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は電子に対し高いバリアを備える単一の層や、例えばＭＱＢにより構成される。
【００２８】
従来のＬＥＤ素子１００のｐ型コンタクト層１５０は、例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）。従来のｐ型コンタクト層１５０に採用されたｐ型ＧａＮの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。これに対し本実施形態のｐ型コンタクト層１５０Ａは紫外発光層１３０のためにＡｌＧａＮ層を採用する場合にはｐ型ＡｌＧａＮ、紫外発光層１３０のためにＩｎＡｌＧａＮ層を採用する場合にはｐ型ＩｎＡｌＧａＮとすることができるため、組成比を適切に選べば放射ＵＶに対する高い透過性を持たせることができる。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例えば２５ｎｍの厚みの層である。
【００２９】
第２電極について、従来のＬＥＤ素子１００の場合の電極１６０は第１電極１４０と同様の従来のＮｉ／Ａｕ電極を採用する。それに対し、本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａにおいては反射電極１６０Ａに、放射ＵＶに対しＡｌ膜と同程度または上回る高い反射性を示すＵＶ反射膜１６４を採用する。このＵＶ反射膜１６４は、主成分にＭｇを含む材質の膜である。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、反射電極の一部となる挿入金属層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１６０Ａの一部である挿入金属層１６２となるＮｉの厚みは５ｎｍより薄く、好ましくは厚みが１ｎｍ程度、さらに好ましくは０．５ｎｍ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Ｍｇ膜の材質には高純度のＭｇのみならずＭｇ合金を含み、両者を材質とする膜を総称して「主成分にＭｇを含む膜」とも呼ぶ。
【００３０】
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から電極１６０または反射電極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）と、ＵＶ透過性媒体による封止部材（採用される場合）との屈折率は、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放射ＵＶ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て傾斜し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放射ＵＶのうち出力されるのは、上記一方の面１０４とは逆の面である光取出し面１０２から導波路モードとならずに出射した光のみである。導波路モードとならず出射可能な放射ＵＶの比率は全反射しない範囲の立体角分に限られ高々８％程度である。残りはｐ型コンタクト層１５０を通るためその吸収の影響が避けられない。
【００３１】
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から取り出される成分となりうる放射ＵＶには、光取出し面１０２に向かう成分だけでなく、ｐ型コンタクト層１５０Ａ側に向かうものも含まれる。さらに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から取り出されうる。つまり、本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａでは、ｐ型コンタクト層１５０Ａを透過性のものとし、反射電極１６０Ａを採用して反射性のものとする組み合わせによって、紫外発光層１３０から放出される放射ＵＶを余すことなく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が増大し光取出し効率ηＬＥＥが改善される理由である。
【００３２】
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。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。
【００３３】
また、フリップチップ実装した場合には、ＬＥＤ素子１００Ａは、導通パッド２１２、２１４が形成された中間基板などとも呼ばれる回路基板２２０に、金等の導電性バンプ２０２、２０４を通じて必要な電気的導通を確保して搭載される。そして必要に応じ、ＵＶ透過性を示す封止樹脂３００により気密に封止される。光取出し面１０２には、必要に応じてさらに何らかの封止やＵＶ透過性の部材が取り付けられる場合もある。この場合において、回路基板２２０には、導通パッド２１２、２１４を通じてＬＥＤ素子１００Ａに供給するための駆動電力がさらに外部から供給される。このような実装形態では、光取出し面１０２からの放射ＵＶに加え、実用上は光取出し面１０２を通らずに端部などから出射する放射ＵＶも有効活用される。図３Ｂでは、有効活用される放射ＵＶのうち、光取出し面１０２を通るものと通らないものの典型例を実線太矢印により示している。光取出し面１０２を通らない放射ＵＶは、本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａの内部では一旦導波路モードとなった成分が大半を占めている。
【００３４】
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。ここでの説明は、紫外発光層１３０にＡｌＧａＮを採用する場合のものである。
【００３５】
まず、基板準備工程Ｓ１１０では基板１１０を準備する。基板１１０は、α−Ａｌ２Ｏ３単結晶（サファイア）、ＡｌＮ単結晶基板、Ｇａ２Ｏ３基板などから適宜選択され、典型的には、格子転位の少ない単結晶のα−Ａｌ２Ｏ３の（０００１）面配向のサファイア基板が好適である。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。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、採用される基板に応じて適宜に条件が決定され、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。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。なお、紫外発光層１３０にＩｎＡｌＧａＮを採用する場合には、Ｉｎのためにｔｒｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ｉｎｄｉｕｍ（ＴＭＩ）を原料ガスに加える。
【００３８】
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。
【００３９】
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の形成は、典型的には、まず挿入金属層１６２が形成され、続けてＵＶ反射膜１６４が形成される。
【００４０】
２．実施例
次に、本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。
【００４１】
２−１．深紫外領域でのＭｇの反射率
図５は、サファイア基板にＭｇとＡｌそれぞれを単層の金属膜に形成して測定した反射スペクトルから各波長で両反射率の比を算出した相対反射率スペクトルのグラフである。各測定サンプルは、十分厚いサファイア基板片面にＭｇまたはＡｌの単層膜を真空蒸着法によって１５０ｎｍ厚に形成したものであり、サファイア基板上に形成されたＭｇまたはＡｌの単層膜を、サファイア基板を通らない配置で各単層膜表面の反射を測定する配置で光を入射させＵＶ−ＶＩＳ分光光度計を用いて検出した。Ｍｇ膜反射サンプルの反射率Ｒ（Ｍｇ）をＡｌ膜反射サンプルの反射率Ｒ（Ａｌ）で除算した値をグラフの縦軸に、横軸を測定波長としている。グラフに示されるように、２３０ｎｍを越す波長域でＭｇ膜の反射率はＡｌ膜を上回ることが確認され、２６０〜２８０ｎｍではＡｌ膜を１００％とする相対比較でＭｇ膜が約１０１％程度の反射率を示した。
【００４２】
２−２．Ｎｉ／Ｍｇ電極構造での反射率
図６は、サファイア基板に形成したＮｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜の反射率を、Ｎｉ膜の膜厚を１ｎｍおよび１０ｎｍと変更して測定した反射率スペクトルのグラフである。Ｎｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜は、Ｎｉ／Ｍｇ膜に重ねてＴｉ膜、さらにそのＴｉ膜に接してＡｕ膜を配置した積層膜であり、Ｎｉ／Ｍｇ膜を用いて作製されたＬＥＤ素子の実装における実用性を想定した構造である。反射率測定サンプルは、サファイア基板片面にＮｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜を形成した。測定値は、サファイア基板側からの値、つまり、サファイア基板の成膜されていない面から光を入射し、サファイア基板の片面に形成されたＮｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜にサファイア基板を通して光を照射し、そこで反射してサファイア基板中を戻って最初の入射側から空間に出射させて検出した値である。Ｎｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜の膜厚条件は２条件各２サンプルであり、条件の一つは、Ｎｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕの順に１ｎｍ／１５０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ、もう一つの条件は、Ｎｉ膜を１０ｎｍで他を同じとしたものである。なお、図６の縦軸はリファレンスとなるＡｌ膜の表面で反射した配置での反射率を１００％とする相対反射率であり、当該Ａｌミラーが２００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で約９２％の反射率をもつことから、実際の反射率を求めるには０．９２倍する必要がある。図６に示されるように、Ｎｉ膜の厚みが１０ｎｍの反射率測定サンプルに比べ１ｎｍとしたものでは２２０〜３５０ｎｍ程度の領域で高い反射率の大幅な向上が観察された。特に２６０〜２８０ｎｍでは、Ｎｉを１ｎｍ程度および１０ｎｍとしたときのＮｉ／Ｍｇ／Ｔｉ／Ａｕ膜の実際の反射率は、それぞれ約８２％および約４２％であった。可視域ではＮｉ膜厚でここまでの差は生じないことから、挿入金属層／ＵＶ反射膜の構成をもつ反射電極における挿入金属層に膜厚を薄くしたＮｉ膜が有用となるのは、ＤＵＶＬＥＤ素子に特有の事情といえる。
【００４３】
図７は、Ｎｉ／Ｍｇ膜を含むいくつかの構成の反射率測定サンプルの反射スペクトルをＵＶ領域で測定したグラフである。サンプルはこれまで同様にサファイア基板片面に金属膜を形成してサファイア基板を光が往復する配置で光を入射させ検出した。また、リファレンスとなるサファイア基板に形成した十分厚いＡｌ膜の当該基板を通した往復の反射率を１００％とする相対反射率である。基板に単層のＭｇを十分な厚み（２００ｎｍ）に形成した膜では、測定した波長域全域で相対反射率は１０３％程度となり、Ｍｇ膜では放射ＵＶに対し高い反射率が期待できることが示されている。挿入金属層となるＮｉを用いる場合では、Ｎｉ（０．９ｎｍ）／Ｍｇ（２００ｎｍ）膜がＮｉ（０．９ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）膜よりも反射率が高いことが確認できる。このため、Ｎｉ／Ａｌの構成で良好な反射率といえる場合と同等または上回る性能は、挿入金属層にＮｉを採用する場合には、１ｎｍ程度の厚みとした場合に実現される。そこからＮｉを薄くしてＮｉ（０．５ｎｍ）／Ｍｇ（２００ｎｍ）膜とした場合には、一層高い反射率が実現することも確認できた。なお、Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）の膜は、典型的な従来のＮｉ／Ａｕ膜であり、その相対反射率は、例えば２８０ｎｍでは３５％程度である。
【００４４】
以上のように、Ａｌとの比較においてＭｇはＵＶの反射率が高くＵＶ反射膜として適することが確認され、また、Ｎｉ膜を挿入金属層として採用する構成でもこの傾向が確認された。
【００４５】
２−３．試作デバイスでの比較
次に、図１、２に示した構造のＤＵＶＬＥＤ素子を試作してＮｉ／Ｍｇ膜とＮｉ／Ａｌ膜を比較した。試作したＤＵＶＬＥＤ素子は、各電極のＤＵＶＬＥＤ素子サンプルをウエハーの各片に複数作り込んだ特性測定用のものであり、各ＬＥＤ素子は同一の構成の電極のものをウエハーの各片に作製した。図８および図９は、それぞれ、Ｎｉ（１ｎｍ）／Ｍｇ（１５０ｎｍ）膜を採用したＬＥＤ素子１００Ａおよび、反射電極１６０ＡのみをＮｉ（１ｎｍ）／Ａｌ（１５０ｎｍ）膜に変更したＬＥＤ素子を対象にして実測した動作特性を示すグラフである。各グラフは、電圧−電流特性（図８Ａ、図９Ａ）、発光スペクトル（図８Ｂ、図９Ｂ）、電流−光出力特性（図８Ｃ、図９Ｃ）、および電流−外部量子効率特性（図８Ｄ、図９Ｄ）であり、複数の特性測定用サンプルの曲線を重ねて示すものである。電圧電流特性（図８Ａ、図９Ａ）から両ＬＥＤ素子の電気的特性は似通っていることが確認できた。発光スペクトル（図８Ｂ、図９Ｂ）からも両ＬＥＤ素子の発光動作は目的通りとなっていた。電流出力特性（図８Ｃ、図９Ｃ）では、Ｎｉ／Ｍｇ膜のものに比べてＮｉ／Ａｌ膜のものは特性にややばらつきがみられた。そしてこれらから算出される外部量子効率ηＥＱＥは、電流外部量子効率特性（図８Ｄ、図９Ｄ）に示されるとおりであり、数値では８．２％（Ｎｉ／Ｍｇ膜）および８．０％（Ｎｉ／Ａｌ膜）となって、Ｎｉ／Ｍｇ膜でＮｉ／Ａｌ膜に比較して良好な特性が実現することが確認された。
【００４６】
これらの測定では各ＤＵＶＬＥＤ素子をウエハーから切り離さずに動作させて各素子の発光強度を測定した。現実に実施されるＤＵＶＬＥＤ素子では、例えば公知の実装技術であるフリップチップ実装のように、各素子が個別化されてパッケージ化等される（図３Ｂ）。ここで、ＤＵＶＬＥＤ素子はフリップチップ実装されると、ウエハーでの測定値よりも外部量子効率ηＥＱＥが大きな値となることが別途確認されている。とりわけＵＶ透過性ｐ型コンタクト層に反射電極を組み合わせる本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａの構成のものを従来のＬＥＤ素子１００と比較すると、性能改善の程度は、ウエハーのものよりも実装された状態のものでより顕著となることも確認している。この理由について、本発明者は、フリップチップ実装され個別化されているＤＵＶＬＥＤ素子では、導波路モードで伝播した放射ＵＶの多くが端部にすぐに到達して外部に取出されるためと推測している。このため、反射電極の反射率の相異に基づく外部量子効率ηＥＱＥの改善は、実装形態まで考慮した場合はより増強されるといえる。このため、現時点で得られた８．２％（Ｎｉ／Ｍｇ膜）および８．０％（Ｎｉ／Ａｌ膜）との外部量子効率ηＥＱＥの測定値の相異は、実施化のために実装されたＤＵＶＬＥＤ素子ではより大きな効率の改善に相当すると評価することができる。
【００４７】
２−４．Ｎｉ／Ｍｇ電極特有の経時変化
次に、実際に作製したＬＥＤ素子により経時変化の特性を調べた。図１０は、Ｎｉ／Ｍｇ膜の蒸着直後に図８の特性を得たＬＥＤ素子を、蒸着後３週間のタイミング再測定した動作特性を示すグラフである。なお、この際、Ｔｉ／Ａｕ膜（図６）は形成していない。電流特性（図１０Ａ）は、蒸着直後に比べわずかにばらつきが増している。発光スペクトル（図１０Ｂ）はさほど違いはない。電流出力特性（図１０Ｃ）も同様に違いは少ない。外部量子効率（図１０Ｄ）は、曲線のばらつきは増し、また、外部量子効率ηＥＱＥの数値も蒸着直後の８．２％から７．９％に低下した。
【００４８】
図１１はＮｉ／Ｍｇ膜の反射率スペクトルのＮｉ／Ａｌ膜に対する相対反射率を示すグラフであり、図５のグラフを得たものと同一のサンプルを蒸着後１ヶ月放置した後に再度測定したものである。これらのサンプルでもＴｉ／Ａｕ膜は形成していない。比較のため、蒸着後１週間後に測定した図５の曲線も合わせて示している。Ｎｉ／Ｍｇ膜はＮｉ／Ａｌ膜との比較において、蒸着後１ヶ月では全体に反射率の低下が見られた。このため、Ｍｇ膜の反射率がＡｌ膜との比較で高い値を示す波長範囲は、蒸着後１週間では２３０ｎｍを越す波長域であったが、１ヶ月では２７０ｎｍを越す波長域となり、２２０〜３５０ｎｍの波長域でＮｉ／Ｍｇ膜がＮｉ／Ａｌ膜を上回るとはいえなくなることが確認された。なお、比較に用いたＮｉ／Ａｌ膜には経時劣化は殆ど生じないことが確認されている。
【００４９】
２−５．ＵＶ反射膜の経時変化への対応
Ｍｇ膜において観察される経時変化は比較的穏やかなものであるが、性能を長期間維持すべき要請や実際の動作条件の下でＬＥＤ素子の温度が上昇する点を考慮すると、適切な対処が望ましい。この経時変化の原因について、本発明者は、雰囲気中の酸素やオゾン（以下「酸素等」）により酸化されるためと予想している。この対策として、ＵＶ反射膜に含まれるＭｇを酸素等による酸化から防ぐ酸化防止コーティングを追加することが有効である。このような酸化防止コーティングの例は、挿入金属層／ＵＶ反射膜のＵＶ反射膜に接するように形成された金属膜や、有機膜、無機膜の任意の被覆材料を採用することができる。この被覆材料には、酸素等を遮断したり自らが酸化されたりすることによってＵＶ反射膜中のＭｇの酸素等による酸化を抑制する作用をもつものが好ましい。酸化防止コーティングの例となる上記金属膜例としては、例えばＴｉ／Ａｕ膜やＡｌ膜を挙げることができる。Ｔｉ／Ａｕ膜は、高い安定性をもつＡｕ膜の下地に高融点のＴｉ膜による拡散防止効果を付与した積層膜であるため、外部から駆動電力を受ける機能のための配線や接続部材を取り付ける電気的接続性を確保しつつ、酸化防止の作用も発揮する。また、Ａｌ膜は、Ｍｇよりも安定していることから酸化防止の作用をもつのに加え、主成分にＭｇを含むＵＶ反射膜の膜厚が薄い場合にその反射性を補う作用も発揮する。なお、Ｔｉ／Ａｕ膜、Ａｌ膜を含む金属膜による酸化防止コーティングは、電気的な接続のための構造が取り付けられた後に施されても好ましい構成となる。また、酸化防止コーティングとなる被覆は複数種類の被覆材料を組み合わせるものとしてもよい。Ｔｉ／Ａｕ膜、Ａｌ膜を含む金属膜によって挿入金属層／ＵＶ反射膜を覆った場合に、ＵＶ反射膜が端部から露出していると、そこからの酸化が問題になりかねない。そのような場合には、Ｔｉ／Ａｕ膜またはＡｌ膜に加え、ＵＶ反射膜の端部を気密にシールするような樹脂などを追加することが有用である。
【００５０】
２−６．ｐ型コンタクト層
本実施形態においてｐ型コンタクト層には放射ＵＶについてのＵＶ透過性が高いものが好ましい。例えば、放射ＵＶの主要波長についての透過率が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。なお、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を高める上で有効である。特に導波路モードとなった放射ＵＶは、ｐ型コンタクト層を２回以上通過したり、傾斜のために通過の際の実質的な厚みが増えることがあるため、透過率改善がもたらす光取出し効率ηＬＥＥへの寄与は大きい。ｐ型コンタクト層の透過率を高めるためには、そこに含まれるＡｌ組成比つまりＡｌＮ混晶組成比を高めることが有効である。
【００５１】
すなわち、ＡｌＧａＮのバンドギャップはＧａＮのそれに比べて大きい。同様にＩｎＡｌＧａＮのバンドギャップはＩｎＧａＮ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およびＧａＮの混晶またはＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮ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またはＩｎＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを採用する構成でｐ型コンタクト層にＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを採用する本実施形態では、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。
【００５２】
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やＩｎＡｌＧａＮ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またはＩｎＡｌＧａＮ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またはＩｎＡｌＧａＮ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またはＩｎＡｌＧａＮを採用する構成は、十分に実用的である。
【００５３】
３．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。
【００５４】
３−１．変形例：ＵＶ反射膜の変形
上述したＵＶ反射膜１６４のためには、主成分にＭｇを含む任意の材質を採用することができる。最も典型には特性を明示した特段の成分を加えていないＭｇの膜つまりＭｇ膜である。ＵＶ反射膜には酸化を抑制するため、またはＵＶ反射性を向上させるための変形を施すことができる。例えば、ＭｇとＡｌを主成分に含む合金も、ＵＶ反射膜のために採用することができる。
【００５５】
３−２．変形例：挿入金属層の変形
本実施形態の挿入金属層１６２の材質についてＮｉ以外を採用することもできる。Ｎｉを主成分とする合金や、挿入金属層１６２自体が積層構造をもっているものを採用することもできる。挿入金属層１６２として採用することが有利なものを列挙すれば、Ｐｔ膜、Ｐｄ膜、Ｎｉ／Ｐｄ膜、Ｎｉ／Ｐｔ膜、Ｎｉ／Ｐｔ／Ｐｄ膜、Ｎｉ／Ｐｄ／Ｐｔ膜、が例示される。これらは、オーミックコンタクトと密着性が両立させやすい挿入金属層の例である。さらには、これらに示したいずれかの挿入金属層とＵＶ反射膜との間に導電性を示す何らかの膜を配置して本実施形態のＬＥＤ素子１００Ａを実施することもできる。主成分にＭｇを含むＵＶ反射膜１６４がいずれかの材質の挿入金属層１６２に直接または間接に積層されれば、良好な電気的特性と良好なＵＶの反射特性とを兼ね備えた反射電極１６０Ａを実現することができる。
【００５６】
３−３．変形例：電気機器への適用
各実施形態のＬＥＤ素子１００Ａ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。
【００５７】
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】
【００５８】
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】
【００５９】
１００、１００Ａ  ＬＥＤ素子（深紫外ＬＥＤ素子）
１０２    光取出し面
１０４    基板の一方の面
１１０    基板
１２０    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）
１６０    電極
１６０Ａ  反射電極
１６２    挿入金属層
１６４    ＵＶ反射膜
２０２、２０４  導電性バンプ
２１２、２１４  導通パッド
２２０    回路基板
３００    封止樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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