(57)【要約】【課題】被照射体の演色性にも配慮した深紫外発光素子を提供する。【解決手段】本発明による深紫外発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次有し、前記深紫外発光素子の発光スペクトルは、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長域に１次発光ピーク波長を有し、前記１次発光ピーク波長の発光強度を１００％とした場合における２次発光の発光強度を相対発光強度として、前記発光スペクトルは、波長域４３０〜４５０ｎｍの全域において０．０３〜１０％の相対発光強度を有する青紫色の２次発光成分と、波長域５４０〜５８０ｎｍの全域において０．０３〜１０％の相対発光強度を有する黄緑色の２次発光成分とをさらに有し、波長５６０ｎｍにおける発光強度に対する、波長４３５ｎｍにおける発光強度の比が、０．５〜２である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次有する深紫外発光素子であって、
前記深紫外発光素子の発光スペクトルは、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長域に１次発光ピーク波長を有し、
前記１次発光ピーク波長の発光強度を１００％とした場合における２次発光の発光強度を相対発光強度として、前記発光スペクトルは、
波長域４３０〜４５０ｎｍの全域において０．０３〜１０％の相対発光強度を有する青紫色の２次発光成分と、
波長域５４０〜５８０ｎｍの全域において０．０３〜１０％の相対発光強度を有する黄緑色の２次発光成分とをさらに有し、
波長５６０ｎｍにおける発光強度に対する、波長４３５ｎｍにおける発光強度の比が、０．５〜２であることを特徴とする深紫外発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型半導体層が、前記青紫色の２次発光成分を発する第１コンタクト層を含み、
前記ｎ型半導体層が、前記黄緑色の２次発光成分を発する第２コンタクト層を含む、請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項３】
前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層とが交互に並ぶ位置にある、請求項２に記載の深紫外発光素子。
【請求項４】
前記第１コンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０18／ｃｍ3以上のＭｇドープＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦０．３）であり、
前記第２コンタクト層は、Ｓｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3以上のＳｉドープＡｌyＧａ1-yＮ層（０≦ｙ≦０．３）である、請求項２または３に記載の深紫外発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深紫外発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ，Ｇａ，ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、直接遷移型バンド構造をもつワイドバンドギャップ半導体であり、殺菌、浄水、医療、照明などの幅広い応用分野が期待される材料である。特に、発光層にIII族窒化物半導体を用いた発光素子は、III族元素の含有比率を調整することで深紫外光から可視光領域までをカバーすることができ、種々の光源への実用化が進められている。
【０００３】
波長２００〜３５０ｎｍの光は深紫外光と呼ばれ、深紫外光を発光する深紫外発光素子は、一般的には以下のとおりにして作製される。すなわち、サファイアやＡｌＮ単結晶等の基板上に、バッファ層を形成し、III族窒化物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次形成する。次いで、ｎ型半導体層と電気的に接続するｎ側電極、ｐ型半導体層と電気的に接続するｐ側電極をそれぞれ形成する。ｐ型半導体層のｐ側電極側には、オーミック接触を取るため、ホール濃度を高めやすいｐ型ＧａＮコンタクト層を形成するのが一般的である。また、発光層には、III族窒化物半導体からなる障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が広く用いられている。
【０００４】
また、特許文献１には、ＡｌxＧａ1-xＮ材料（但し、０．７≦ｘ≦１．０）からなるｎ型コンタクト層上に、ＡｌyＧａ1-yＮ材料（但し、０≦ｙ≦０．５）からなる中間層を介してｎ電極を形成した窒化物発光素子が開示されている。
【０００５】
深紫外発光素子の発光中心波長は深紫外領域にある。ただし、その発光スペクトルの裾は、肉眼では感知できない紫外線領域よりも、可視光側の長波長の領域にも及ぶ。そのため、深紫外発光素子の発光状態を肉眼で観察すると、深紫外発光素子が青色の光を発しているかのように見えるのが通常である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１６１３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
深紫外発光素子の被照射体の一例として、肉類等の食品が挙げられる。深紫外発光素子が発光する深紫外光を食品等に照射することにより、食品等の殺菌や、菌の増殖を抑えることができる。深紫外光を食品等に照射する状況として、食品等を店舗棟の売り場やレストラン等に陳列しながら行うことも想定される。
【０００８】
従来技術の深紫外発光素子が、深紫外光を発光しつつ、青色や紫色の可視光を発光することは前述のとおりである。肉類等の食品に青色や紫色の可視光が照射された場合には、肉眼では肉類等の色が変色して見えてしまうため、外観が損なわれる場合があった。
【０００９】
また、深紫外発光素子が発光しているかどうかを確認するために、上述した青色や紫色の可視光を活用する方法もある。しかし、目を守るための紫外光をカットする眼鏡等を使用している場合、青色や紫色の可視光も同時にカットされるため、上記方法を採用しても深紫外発光素子が発光しているかどうかを確認することが困難な場合もあった。
【００１０】
そこで、本発明は、被照射体の演色性にも配慮した深紫外発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した結果、深紫外光の１次発光に起因する、青紫色を含む２次発光と、黄緑色を含む２次発光とを同時に得つつ、それらの発光の強度比を同程度とすることで、深紫外光以外の光が白色（または白色に近いシアン色）となる深紫外発光素子が得られることに着目し、以下の発明を完成するに至った。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
【００１２】
（１）III族窒化物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次有する深紫外発光素子であって、
前記深紫外発光素子の発光スペクトルは、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長域に１次発光ピーク波長を有し、
前記１次発光ピーク波長の発光強度を１００％とした場合における２次発光の発光強度を相対発光強度として、前記発光スペクトルは、
波長域４３０〜４５０ｎｍの全域において０．０３〜１０％の相対発光強度を有する青紫色の２次発光成分と、
波長域５４０〜５８０ｎｍの全域において０．０３〜１０％の相対発光強度を有する黄緑色の２次発光成分とをさらに有し、
波長５６０ｎｍにおける発光強度に対する、波長４３５ｎｍにおける発光強度の比が、０．５〜２であることを特徴とする深紫外発光素子。
【００１３】
（２）前記ｐ型半導体層が、前記青紫色の２次発光成分を発する第１コンタクト層を含み、
前記ｎ型半導体層が、前記黄緑色の２次発光成分を発する第２コンタクト層を含む、上記（１）に記載の深紫外発光素子。
【００１４】
（３）前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層とが交互に並ぶ位置にある、上記（２）に記載の深紫外発光素子。
【００１５】
（４）前記第１コンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０18／ｃｍ3以上のＭｇドープＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦０．３）であり、
前記第２コンタクト層は、Ｓｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3以上のＳｉドープＡｌyＧａ1-yＮ層（０≦ｙ≦０．３）である、上記（２）または（３）に記載の深紫外発光素子。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被照射体の演色性にも配慮した深紫外発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に従う深紫外発光素子の模式断面図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に従う深紫外発光素子の平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に従う深紫外発光素子の別の態様の平面図である。
【図３Ａ】発明例１の発光時の金属顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】比較例１の発光時の金属顕微鏡写真である。
【図４Ａ】発明例１の発光時のデジタルカメラ写真である。
【図４Ｂ】比較例１の発光時のデジタルカメラ写真である。
【図５】発明例１および比較例１の発光スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に従う実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。まず、本明細書においてＡｌ組成比を明示せずに単に「ＡｌＧａＮ」と表記する場合は、III族元素（Ａｌ，Ｇａの合計）とＮとの化学組成比が１：１であり、III族元素ＡｌとＧａとの比率は不定の任意の化合物を意味するものとする。この場合、III族元素であるＩｎについての表記がなくとも、III族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよいものとする。また、後述の第１コンタクト層と第２コンタクト層については１０％以内のＩｎを含んでいてもよいこととする。また、単に「ＡｌＮ」または「ＧａＮ」と表記する場合は、それぞれＧａおよびＡｌは組成比に含まないことを意味するが、単に「ＡｌＧａＮ」と表記することによって、ＡｌＮまたはＧａＮのいずれかであることを排除するものではない。なお、Ａｌ組成比の値は、フォトルミネッセンス測定およびＸ線回折測定などによって測定することができる。
【００１９】
また、本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型層と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型層と称する。一方、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にｐ型またはｎ型として機能しない場合、「ｉ型」または「アンドープ」と言う。アンドープの層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよく、具体的には、キャリア密度が小さい（例えば４×１０16／ｃｍ3未満）場合に「アンドープ」である、と本明細書において称する。また、ＭｇやＳｉ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。
【００２０】
また、エピタキシャル成長により形成される各層の厚みは、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の厚みのそれぞれは、隣接する各層の組成が十分異なる場合（例えばＡｌ組成比が、０．０１以上異なる場合）、透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、隣接する層のうち、Ａｌ組成比が同一であるか、または、ほぼ等しい（例えば０．０１未満）ものの、不純物濃度の異なる層の境界および厚みについては、両者の境界ならびに各層の厚みは、ＴＥＭ−ＥＤＳに基づく測定によるものとする。そして、両者の不純物濃度は、ＳＩＭＳ分析により測定できる。また、量子井戸構造や超格子構造のように各層の厚みが薄い場合にはＴＥＭ−ＥＤＳを用いて厚みを測定することができる。
【００２１】
本発明における１次発光とは、深紫外発光素子の発光スペクトル（横軸を波長とし、縦軸を発光強度とする）において、最も発光強度の大きい発光を指す。また、その発光強度が最大となる波長を１次発光ピーク波長とする。そして、本発明による深紫外光発光素子における１次発光ピーク波長は２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の範囲内の深紫外光である。本発明を、中心発光波長が２５０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である深紫外発光素子に供すると、さらに効果的である。
【００２２】
そして、本発明による深紫外発光素子は、その発光スペクトル（例えば２００ｎｍ〜８６０ｎｍの範囲）において、前記１次発光のほかに、青紫色の波長帯（４３０〜４５０ｎｍ、代表波長：４３５ｎｍ）における２次発光成分と、黄緑色の波長帯（５４０〜５８０ｎｍ、代表波長：５６０ｎｍ）における２次発光成分とを有する。
【００２３】
上記の２次発光は１次発光により光励起されて発光するものであるため、２次発光の発光強度は１次発光のそれよりも低い。そこで、発光スペクトルの縦軸を対数表示とし、１次発光ピーク波長の発光強度を１００％とした場合における２次発光の発光強度を相対発光強度（％）と定義する。本発明において、２次発光成分の相対発光強度は１０％以下であり、より好ましくは１％以下である。また、相対発光強度は０．０３％以上であり、より好ましくは０．０５％以上である。相対発光強度が０．０３％未満の場合、２次発光の強度が小さすぎて、本発明の効果である演色性に寄与しない恐れがあるためである。
すなわち、本発明に従う深紫外発光素子において、
・波長域４３０〜４５０ｎｍの全域において相対発光強度が０．０３〜１０％の発光成分がある場合に、青紫色の２次発光成分があると判断し、
・波長域５４０〜５８０ｎｍの全域において相対発光強度が０．０３〜１０％の発光成分がある場合に、黄緑色の２次発光成分があると判断するものとする。
【００２４】
そして、本発明者が鋭意検討した結果、発光素子の発光スペクトルを測定したときの４３５ｎｍ（青紫色）と５６０ｎｍ（黄緑色）の発光強度の比が、０．５〜２であることにより、深紫外光以外の光が白色（または白色に近いシアン色）となることを見出した。また、発光スペクトルを測定したときの５６０ｎｍ（黄緑色）の発光強度に対する４３５ｎｍ（青紫色）の発光強度の比が、０．６〜１．８である好ましく、０．８〜１．５であることがより好ましい。
【００２５】
なお、本発明による深紫外発光素子は、白色光が発光の主とする白色の発光素子ではなく、あくまで深紫外光を主として発する深紫外発光素子であることは、１次発光ピーク波長の発光強度に基づき当然に理解される。
【００２６】
発光スペクトルの測定を行う際の発光素子への通電は、２次発光が十分に行われるよう、１次発光の出力が得られれば良く、例えば４０ｍＡ以上が好ましく、発光出力が５ｍＷ以上となるようにすることが好ましい。また、発光スペクトルの測定は、例えば、ＡｌＮサブマウントに実装されたＬＥＤチップをＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ）基板に実装し、直流電源を用いて１５０ｍＡを通電し、光ファイバーを通じて分光装置で測定を行えばよい。
【００２７】
評価装置としては、浜松ホトニクス製ＰＭＡ−１１シリーズ  分光測光装置Ｃ７４７３（計測可能波長範囲２００〜９５０ｎｍ）を用いる。測定手順としては、迷光成分のキャンセルのため、バックグランド測定を行った後、実際のＬＥＤのスペクトル測定を行う。計測波長範囲の下限は深紫外発光素子の１次発光ピーク波長に合わせて設定してよい（例えば波長２４０ｎｍ）。また、本発明において、可視光成分が重要であるため赤外光は測定しなくてもよく、計測波長範囲の上限を例えば８６０ｎｍに設定してもよい。
また、発光強度は、校正されたキセノンランプでキャリブレーションした値を用いるものとする。
１次発光の発光強度に対して２次発光の発光強度は小さいため、発光スペクトルの縦軸（発光強度）を対数表示とすることで２次発光を確認する。
【００２８】
なお、１次発光の波長が長波長である（例えばピーク波長が３５０ｎｍ）場合は、１次発光の裾が青紫色に及び、２次発光成分の範囲が分かりにくい場合があるが、その場合であっても、波長域４３０〜４５０ｎｍおよび波長域５４０〜５８０ｎｍの相対強度が前述の条件を満足しつつ、４３５ｎｍを代表値とした発光強度と、黄緑色（５６０ｎｍ）の発光強度との比が、上記範囲であれば白色（または白色に近いシアン色）の発光が観察される。
【００２９】
以下、図面を参照して本発明に従う実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。
【００３０】
（深紫外発光素子１００）
本発明の一実施形態に従う深紫外光発光素子１００は、図１Ａに示すように、基板１０上に、ｎ型半導体層２０、発光層３０およびｐ型半導体層４０を順次有し、さらに随意に他の構成を有するものである。
【００３１】
また、ｐ型半導体層４０が、発光層３０からの１次発光で励起されて青紫色を含む２次発光を発する第１コンタクト層５０を含み、ｎ型半導体層２０が、１次発光で励起されて黄緑色を含む２次発光を発する第２コンタクト層６０を含むことが好ましい。さらに、図１Ａ，図１Ｂに例示するように、第１コンタクト層５０と第２コンタクト層６０とが交互に並ぶ位置にあることが好ましい。なお、図１Ａは、図１ＢのＡ−Ａ断面図に対応する。そして、第１コンタクト層５０および第２コンタクト層６０が交互に並ぶ位置にあるとは、例えば、第１コンタクト層５０および第２コンタクト層６０を同一面上に平面視した仮想平面（図１Ｂ参照）において、第１コンタクト層５０の形状は、間隙を介して互いに平行な複数の細片からなる短冊型形状であり、かつ、前記短冊型形状の間隙において第２コンタクト層６０の少なくとも一部が前記複数の細片に対して互いに平行に配置されることをいう。第１コンタクト層５０および第２コンタクト層６０を平面視した仮想平面において、交互に並んでおらず、例えば第１コンタクト層５０が大部分となる偏在領域と第２コンタクト層６０が大部分となる偏在領域とが生じている場合は、発光素子として青紫色と黄緑色の両方が見えるようになる恐れがあるため、第１コンタクト層５０および第２コンタクト層６０が交互に並ぶ位置にある方が好ましい。また、図２に例示するように、ｎ型半導体層２０および第２コンタクト層６０をドット状に配列してもよい。
【００３２】
なお、第２コンタクト層６０は、発光層３０を除去して一部を露出させたｎ型半導体層２０の表面に設けることができ、図１Ａでは、該第２コンタクト層６０上に、ｎ側電極９０が設けられている。
【００３３】
図１Ａに示す態様は、ｐ型電極８０とｎ型電極９０とが同じ側に存在するフィリップチップ型の深紫外発光素子１００を例にしているが、本発明は図１Ａのようなフィリップチップ型の素子に限定されない。ｐ型電極とｎ型電極とが異なる側（対向する方向）に存在する垂直型の深紫外発光素子としてもよい。ただし、垂直型の素子においても、第１コンタクト層５０と第２コンタクト層６０とは互いに平行に配置されることが好ましい。
【００３４】
深紫外発光素子１００の、第１コンタクト層５０および第２コンタクト層６０を平面視した仮想平面において、第１コンタクト層５０および第２コンタクト層６０の面積比は同程度であることが好ましく、例えば第２コンタクト層の面積に対する第１コンタクト層の面積の比は、０．５〜２の間であることが好ましい。そうすることで、黄緑色の波長帯（５４０〜５８０ｎｍ、代表波長：５６０ｎｍ）における２次発光成分の発光強度に対する青紫色の波長帯（４３０〜４５０ｎｍ、代表波長：４３５ｎｍ）における２次発光成分の発光強度の比が、上記範囲になりやすい。
【００３５】
また、本実施形態に従う深紫外光発光素子１００は、基板１０上に必要によりバッファ層（例えばＡｌＮ層）を介してもよく、ｎ型半導体層２０の一部上のｎ側電極９０と、ｐ型半導体層４０上のｐ側電極８０をさらに有することができる。
【００３６】
以下、図１Ａ，図１Ｂを参照しつつ、本実施形態に従う深紫外発光素子１００の特徴的な構成の一つである第１コンタクト層５０と第２コンタクト層６０の好適態様について、さらに詳細に説明する。
【００３７】
＜第１コンタクト層＞
本実施形態に従う第１コンタクト層５０は、ｐ型半導体層４０のどの位置に配置されていてもよいが、ｐ型電極８０との界面にあることが好ましい。当該ｐ型半導体層４０の組成に関しては、発光層３０から発せられる深紫外線を吸収して２次発光するよう組成を適宜調整する必要がある。第１コンタクト層５０は、ｐ型のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）においてｐ型ドーパントであるＭｇがドーピングされた場合の、不純物準位の励起波長が青色〜青紫色であることを利用することができる。発光層３０からの深紫外光でも観察できる程度に励起発光するには、膜厚方向の平均Ｍｇ濃度（以下、単にＭｇ濃度と記載する。）を例えば１×１０18／ｃｍ3以上とすることが好ましい。そのため、ｐ型電極８０に接してオーミックコンタクトを得る層（コンタクト層）を兼ねることが好ましい。第１コンタクト層５０のｐ型ＡｌxＧａ1-xＮは、１０％以内のＩｎを含んでいても良い。また、２次発光の発光強度および／またはｐ型電極８０とのオーミックコンタクトを得る目的のため、第１コンタクト層５０のＭｇ濃度を５×１０18／ｃｍ3以上とすることがより好ましい。一方、高抵抗化を防ぐためであるため、Ｍｇ濃度を１×１０21／ｃｍ3以下とすることが好ましく、５×１０20／ｃｍ3以下とすることがより好ましい。なお、第１コンタクト層５０は超格子構造であってもよい。この場合、超格子構造の最もＡｌ組成の低い層が上記Ａｌ組成ｘ（０≦ｘ≦０．３）の範囲内であることが好ましい。
【００３８】
＜第２コンタクト層＞
本実施形態に従う第２コンタクト層６０は、ｎ型半導体層２０とｎ型電極９０との間にあることが好ましい。第２コンタクト層６０は、ｎ型のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．３）においてｎ型ドーパントであるＳｉがドーピングされた場合の、不純物準位の励起波長が黄色または黄緑色であることを利用することができる。発光層からの深紫外光でも観察できる程度に励起発光するには、膜厚方向の平均Ｓｉ濃度（以下、単にＳｉ濃度と記載する。）は例えば１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。なお、Ｓｉの濃度を多くする（例えば１×１０19／ｃｍ3以上）方が、長波長の発光成分が増えて黄緑よりも黄色に近く見える発光をしやすくなる。その結果、より白色に近い発光に見えやすくなるため、Ｓｉ濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることがより好ましい。また、第２コンタクト層６０がｎ型電極９０に接してオーミックコンタクトを得る層（コンタクト層）を兼ねることが好ましい。Ｓｉ濃度の上限は特に限定されるものではないが、結晶性の顕著な劣化が発生しない１×１０21／ｃｍ3以下が好ましく、１×１０21／ｃｍ3以下がより好ましい。また、第２コンタクト層６０のｎ型ＡｌyＧａ1-yＮは、１０％以内のＩｎを含んでいても良い。また、第２コンタクト層６０の厚みに関しては、当該励起発光を十分に生じさせるため、０．１μｍ以上とすることが好ましい。特に、第２コンタクト層６０としては、電極とのコンタクト抵抗を低減でき、かつ後述するマスクとの選択成長が比較的容易なＧａＮ層を用いることが好ましい。ただし、５％以下の不純物（例えば、Ａｌ、Ｉｎ）を含む場合でも同様の効果が期待できるため、本明細書におけるは、「ＧａＮ層」は５％以下でＡｌやＩｎを含んでもよい。
【００３９】
また、他の実施形態として、素子の一部に、発光層３０からの発光ピーク波長で励起されて赤色を発する層をさらに含むことができる。青紫色と黄緑色による白色は、赤色の対象物に対して演色性が悪い場合があるため、赤色を発する層を有している方が、さらに演色性が向上する。
【００４０】
赤色を発する層は、ｎ型半導体層２０、ｐ型半導体層４０のいずれに配置されていても良く、上記の第１コンタクト層５０や第２コンタクト層６０と縦に積層されていてもよいし、第１コンタクト層５０や第２コンタクト層６０の横に並ぶ（部分的に置き換えられる）ようにしてもよい。
【００４１】
赤色を発する層としては、III族元素であるＡｌ、Ｇａ、Ｉｎと、Ｖ族元素であるＰ、Ａｓを含む化合物半導体であって、ｐ型化またはｎ型化しているものを用いることができる。こうしたIII−Ｖ族半導体材料として、ＧａＡｓ、ＧａＰなどの二元系化合物半導体材料、ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓなどの三元系化合物半導体材料、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＡｓＰなどの四元系化合物半導体材料を例示することができる。さらに、Ｅｕ等の希土類ドープや量子ドットを用いることもできる。
【００４２】
なお、バンドギャップの視点からすると、上述した赤色を発する層を構成する半導体材料は、ｐ型やｎ型のＧａＮよりもさらに狭いバンドギャップを持つため、一般的には深紫外光を吸収（または２次発光）するものとして認識される。しかしながら、屈折率を考慮すると、ＡｌＧａＮとＧａＮとの界面での反射率は１％程度であるところ、ＡｌＧａＮとＡｌＧａＡｓとの界面や、ＡｌＧａＮと赤色を発する層の上記材料との界面の反射率はＧａＮとの界面での反射率（１％程度）よりも遙かに大きい。そこで、波長２８０ｎｍの光に対して１０％以上の反射率、結晶性や平坦性の影響を加味してより好ましくは１５％以上の反射率となる半導体材料を部分的に用いることで、コンタクト層の一部を深紫外光の反射層として用いることが可能である。なお、上述したＧａＡｓなどの上記の半導体材料は、深紫外領域での反射率は高いものの、青色や紫色などの可視光領域（４００ｎｍ以上）では反射率が非常に低くなる。そのため、深紫外発光素子であるからこそ、赤色を発する層としてのみでなく反射層としての機能も兼ねることができる。
【００４３】
ここで、第１コンタクト層５０、第２コンタクト層６０、および赤色を発する層の厚さは、それぞれ１ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは１０〜５００ｎｍである。また、各層を単層構造としてもよいし、深紫外線を透過する層（発光層から発せられる深紫外線を透過するバンドギャップになるようにＡｌ組成を調整したＡｌＧａＮやＡｌＮ）と上述の深紫外線を吸収して励起発光する層とを組み合わせた超格子構造としてもよい。コンタクト層として設ける場合は、厚くしても構わない。
【００４４】
なお、本発明において、上述した赤色の発光は必須ではない。そのため、波長域５８１〜７５０ｎｍの全域における相対発光強度は、０．１０％未満であってもよい。
【００４５】
上述した第１コンタクト層５０、第２コンタクト層６０、および赤色を発する層以外の深紫外発光素子の構成は従来公知のIII族窒化物半導体発光素子と同様の構成を使用することができる。以下、本実施形態に適用可能な構成の具体的態様を説明するが、以下に例示するものに限らず、任意の構成とすることができる。
【００４６】
＜基板＞
基板１０としては、発光層３０による発光を透過して基板側から深紫外光を取り出すことのできる基板を用いることが好ましく、例えばサファイア基板またはＡｌＮ単結晶基板などを用いることができる。また、基板１０として、サファイア基板の表面にアンドープのＡｌＮ層をエピタキシャル成長させたＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい。基板１０の発光層側若しくはその反対側、又はＡｌＮテンプレート基板のＡｌＮ層の表面は、光取り出し効率向上のため、凹凸形状としてもよい。ＡｌＮ層の転位低減を目的として、１５００℃以上でのアニール処理を施してもよい。
【００４７】
＜バッファ層＞
基板１０とｎ型半導体層２０との間には、バッファ層を設けることも好ましい。基板１０と、ｎ型半導体層２０との格子不整合を緩和するためである。バッファ層としてアンドープのIII族窒化物半導体層を用いることができ、バッファ層は超格子構造やIII族元素の組成比を結晶成長方向に組成傾斜させた組成傾斜層を含む構成とすることもできる。
【００４８】
＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層２０は必要によりバッファ層を介し、基板１０上に設けられる。ｎ型半導体層２０を基板１０上に直接設けてもよい。ｎ型半導体層２０は、一般的なｎ型層とすることができ、例えばＡｌＧａＮよりなることができる。ｎ型半導体層２０には、ｎ型のドーパントがドープされることでｎ型層として機能し、ｎ型ドーパントの具体例として、シリコン（Ｓｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），錫（Ｓｎ），硫黄（Ｓ），酸素（Ｏ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）等を挙げることができる。ｎ型ドーパントのドーパント濃度は、ｎ型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜１．０×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることができる。また、ｎ型半導体層２０のバンドギャップは、発光層３０（量子井戸構造とする場合は井戸層）のバンドギャップよりも広く、発光する深紫外光に対し透過性を有することが好ましい。また、ｎ型半導体層２０を単層構造や複数層からなる構造の他、III族元素の組成比を結晶成長方向に組成傾斜させた組成傾斜層や超格子構造を含む構成することもできる。ｎ型半導体層２０は、ｎ型電極９０とのコンタクト部を形成するだけでなく、基板から発光層に至るまでに結晶性を高める機能を兼ねる。ｎ型半導体層２０が第２コンタクト層６０を含んでもよいことは前述のとおりである。
【００４９】
＜発光層＞
発光層３０はｎ型半導体層２０上に設けられる。また、本実施形態における発光層３０は、当該発光層３０による発光の中心発光波長が深紫外光の２００〜３５０ｎｍとなるよう設けられる。２５０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下となるように設けることがより好ましい。
【００５０】
発光層３０は、単層構造により構成してもよいが、Ａｌ組成比の異なるＡｌＧａＮよりなる井戸層および障壁層を繰り返し形成した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造で構成することが好ましい。なお、深紫外光を放出する層は、単層構造の場合は発光層それ自体であり、多重量子井戸構造の場合は井戸層である。
【００５１】
深紫外光を放出する井戸層（ＡｌwＧａ1-wＮ）のＡｌ組成比ｗは、深紫外光の２００〜３５０ｎｍとなるよう、または、中心発光波長が２５０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下となるよう設定する。このようなＡｌ組成比ｗは、例えば０．３〜０．６の範囲内とすることができる。多重量子井戸構造の場合、障壁層（ＡｌbＧａ1-bＮ）のＡｌ組成比ｂは、井戸層のＡｌ組成比ｗよりも高くする。例えば、ｂ＞ｗの条件の下、障壁層のＡｌ組成比ｂを０．４０〜０．９５とすることができる。また、井戸層および障壁層の繰り返し回数は、特に制限されず、例えば１〜１０回とすることができる。発光層３０の厚み方向の両端側（すなわち最初と最後）を障壁層とすることが好ましく、井戸層および障壁層の繰り返し回数をｎとすると、この場合は「ｎ．５組の井戸層および障壁層」と表記することとする。また、井戸層の厚みを０．５ｎｍ〜５ｎｍ、障壁層４２の厚みを３ｎｍ〜３０ｎｍとすることができる。
【００５２】
＜ｐ型半導体層＞
発光層３０上に設けられるｐ型半導体層４０は、発光層３０の側から、ｐ型電子ブロック層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を任意に含んでよい。また、ｐ型クラッド層を省略して、発光層３０上にｐ型電子ブロック層およびｐ型コンタクト層の順に形成することもできる。前述の第１コンタクト層５０がｐ型コンタクト層を兼ねてもよい。
【００５３】
また、上述したｐ型電子ブロック層は電子を堰止めし、電子を発光層３０（多重量子井戸構造の場合には井戸層）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。この目的のため、ｐ型電子ブロック層のＡｌ組成比ｚを、０．５≦ｚ≦１とすることが好ましい。なお、Ａｌ組成比ｚが０．５以上であれば、ｐ型電子ブロック層はIII族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよい。ここで、発光層３０が前述の障壁層を有する多重量子井戸構造である場合、Ａｌ組成比ｚは上記条件を満足しつつ、障壁層のＡｌ組成比ｂよりも高くすることが好ましい。すなわち、ｚ＞ｂである。
【００５４】
ｐ型電子ブロック層の厚みは特に制限されないが、例えば１０ｎｍ〜８０ｎｍとすることが好ましい。ｐ型電子ブロック層の厚みがこの範囲であれば、高い発光出力を確実に得ることができる。なお、ｐ型電子ブロック層の厚みは、障壁層の厚みよりは厚いことが好ましい。また、ｐ型電子ブロック層にドープするｐ型ドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ），カルシウム（Ｃａ），ベリリウム（Ｂｅ），マンガン（Ｍｎ）等を例示することができ、Ｍｇを用いることが一般的である。ｐ型電子ブロック層のドーパント濃度は、ｐ型の半導体層として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜５．０×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることができる。寿命の改善を目的として、ｐ型電子ブロック層の一部に炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの元素を意図的に添加することもできる。もちろん、１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の意図しない原料又は装置起因の不純物（例えば、水素（Ｈ）、炭素（Ｓｉ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（酸素）が含まれることはありうる。
【００５５】
また、ｐ型クラッド層は、発光層３０における深紫外光を放出する層のＡｌ組成比より高く、一方、ｐ型電子ブロック層のＡｌ組成比ｚより低いＡｌ組成比を持つ層である。つまり、ｐ型電子ブロック層とｐ型クラッド層は、いずれも深紫外光を放出する層のＡｌ組成比より高いＡｌ組成比を持つ層であり、発光層３０から発光された深紫外光を実質的に透過する層である。
【００５６】
ｐ型クラッド層を設ける場合、単層構造としてもよいし、複数層構造としてもよいし、組成傾斜層としてもよい。ｐ型クラッド層が超格子積層体構造を有する場合はＡｌ組成比と厚さの積の和を合計厚さで割ることから計算される平均組成比を当該超格子積層体のＡｌ組成比とする。また、本発明において、ｐ型クラッド層を設けなくてもよい。例えば、ｐ型半導体層がｐ型電子ブロック層およびｐ型コンタクト層のみによって構成されていてもよい。
【００５７】
なお、ｐ型コンタクト層内において、局所的にＳｉ等の異種ドーパントを混在させたり、局所的にアンドープ領域を混在させたりすることによりｐ型ドーパントの発光層３０への移動を制御することを行うことも好ましい。
【００５８】
＜ｎ側電極＞
ｎ側電極９０は、ｎ型半導体層２０の露出面上または第２コンタクト層６０表面の一部領域上または全面に設けることができる。ｎ側電極９０として、例えばＴｉ含有膜およびこのＴｉ含有膜上に形成されたＡｌ含有膜を有する金属複合膜とすることができる。なお、図１Ａ，図１Ｂおよび図２に示す深紫外発光素子１００では、発光層３０、ｐ型半導体層４０の一部がエッチング等により除去され、露出したｎ型半導体層２０に設けられる第２コンタクト層６０上にｎ側電極９０が設けられたものである。
【００５９】
＜ｐ側電極＞
ｐ側電極８０は、ｐ型コンタクト層に用いる前述の材料上に形成される公知の電極材料を使用することができる。
【００６０】
（深紫外発光素子の製造方法）
深紫外発光素子１００は、基板１０上に、ｎ型半導体層２０を形成する工程と、ｎ型半導体層２０上に発光層３０を形成する工程と、発光層３０上にｐ型半導体層４０を形成する工程とにより製造することができる。ｐ型半導体層４０を形成する工程が第１コンタクト層５０を形成する工程をさらに含むことが好ましい。また、ｎ型半導体層を形成する工程において第２コンタクト層６０を形成する工程を含んでもよいし、これとは別に第２コンタクト層６０を形成する工程むことも好ましい。前述した２次発光成分の相対強度と、波長５６０ｎｍにおける発光強度に対する、波長４３５ｎｍにおける発光強度の比との関係を満足するように、各工程における各層の作製条件を適宜設定すればよい。
【００６１】
なお、各工程においては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＨＶＰＥ法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができ、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて形成することができる。
【００６２】
また、バッファ層、ｐ側電極８０、ｎ側電極９０についても、一般的な手法を用いて形成することができる。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００６４】
（発明例１）
まず、サファイア基板（直径２インチ、厚さ：４３０μｍ、面方位：（０００１））上に、ＭＯＣＶＤ法により、中心膜厚０．６０μｍ（平均膜厚０．６１μｍ）のＡｌＮ層（成長温度１３００℃）を成長させ、ＡｌＮテンプレート基板とした。膜厚については、光干渉式膜厚測定機（ナノスペックＭ６１００Ａ；ナノメトリックス社製）を用いて、ウェハー面内の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。次いで、上記ＡｌＮテンプレート基板を熱処理炉に導入し、炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してＡｌＮテンプレート基板に対して熱処理を施した。その際、加熱温度は１６５０℃、加熱時間は４時間とした。
【００６５】
続いて、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープのＡｌ0.55Ｇａ0.45Ｎからなる組成の厚み１．０μｍのバッファ層を形成した。次に、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎからなり、Ｓｉドープした厚み１．０μｍのｎ型半導体層を上記バッファ層上に形成した。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型半導体層のＳｉ濃度は２．０×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
【００６６】
続いて、ｎ型半導体層上に、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎからなる厚み７ｎｍの障壁層およびＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなる厚み３ｎｍの井戸層を交互に３組繰り返して積層した量子井戸構造を形成し、さらにＡｌＮからなる１ｎｍの層を形成し、発光層とした。井戸層より放出される深紫外光の発光ピーク波長は３１０ｎｍである。障壁層の形成にあたってはＳｉドープも行った。
【００６７】
その後、発光層上に、水素ガスをキャリアガスとして、Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ｎからなる厚み４０ｎｍのｐ型電子ブロック層を形成した。なお、ｐ型電子ブロック層の形成にあたり、Ｍｇ源としてＣＰ2Ｍｇガスをチャンバに供給してＭｇをドープした。ＳＩＭＳ分析の結果、ｐ型電子ブロック層のＭｇ濃度は２．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
【００６８】
続いて、ｐ型電子ブロック層上にＭｇドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇ濃度２×１０19／ｃｍ3、厚さ０．３μｍ）を形成した。その後、図１Ａ、図１Ｂに示したように、ｎ型半導体層の一部をドライエッチングにより露出させた。この際、ｐ型ＧａＮコンタクト層（及びその下の層）の形状は、間隙を介して互いに平行な複数の細片からなる短冊型形状であり、その間隙においてｎ型半導体層が露出しているようにした。
【００６９】
露出させたｎ型半導体層の一部以外をＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜で覆うことでマスクとし、再度、ＭＯＣＶＤにより、露出するｎ型半導体層（Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ）上にｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉ濃度２×１０19／ｃｍ3、厚さ０．３μｍ）を形成した。
【００７０】
上記ｎ型ＧａＮコンタクト層上に、Ｔｉ（２０ｎｍ）とＡｌ（６００ｎｍ）の積層からなるｎ型電極を、図１Ｂに示すように櫛歯形状となるように形成し、さらに、各々の短冊形状のｐ型ＧａＮコンタクト層上のＳｉＯ2膜を除去して、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にＮｉ（１０ｎｍ）とＡｕ（３００ｎｍ）の積層からなるｐ型電極を形成した。コンタクトアニールを実施した後、ｎ型電極の一部と、ｐ型電極の一部を露出するようにＳｉＯ2絶縁膜を形成し、ｎ型電極と接続するｎ型パッド電極部と、各々の短冊形状のｐ型電極と接続するｐ型パッド電極部とを形成した。ｎ型とｐ型のそれぞれのパッド電極は、各電極上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ0.75Ｓｎ0.25合金／Ａｕの順に形成した。
【００７１】
ｎ型とｐ型のそれぞれのパッド電極を、ＡｕＳｎ半田を用いてサブマウント上にフリップチップ実装した後、１００ｍＡを通電し、金属顕微鏡を用いて光取り出し側（サファイア基板側）からカメラ撮影したところ、図３Ａのように、ｐ型ＧａＮコンタクト層側は青色に、ｎ型ＧａＮコンタクト層側は黄色に観察され、測定時の発光素子はデジタルカメラでの写真および肉眼で図４Ａのように白色に光っているように見えた。
【００７２】
さらに、発明例１の深紫外発光素子に１５０ｍＡ通電した時の、スペクトルアナライザー（浜松ホトニクス製、ＰＭＡ−１１シリーズ  分光測光装置Ｃ７４７３）を用いて計測波長範囲２６０〜８６０ｎｍで測定した発光スペクトルを図５に示す。
【００７３】
（比較例１）
ｎ型ＧａＮコンタクト層を再成長せず、ｎ型半導体層（Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ）上にｎ型電極を形成した以外は、発明例１と同様にして比較例１に係る深紫外発光素子を作製した。
【００７４】
発明例１と同様にして観察したところ、図３Ｂ、４Ｂのようにｐ型ＧａＮコンタクト層側が青色に観察される以外の色は観察されず、測定時の発光素子は金属顕微鏡での写真（図３Ｂ）および肉眼で青色に光っているように見えた（図４Ｂ）。また、発光波長について、発明例１と同様にして測定したスペクトルアナライザーでの測定結果を図５に示す。
【００７５】
発明例１と、比較例１との発光スペクトルについてより詳細に検討した。図５に示すように、発明例１では、青紫色の波長（４３５ｎｍ）を含む２次発光と、黄緑色の波長（５６０ｎｍ）を含む２次発光が観察された。青紫色の波長（４３５ｎｍ）を含む２次発光は、４３０〜４５０ｎｍの全域において相対発光強度は０．０７〜０．０９％であった。黄緑色の波長（５６０ｎｍ）を含む２次発光は、５４０〜５８０ｎｍの全域において相対発光強度は０．０６〜０．０８％であった。これに対して、比較例１では、黄緑色の波長（５６０ｎｍ）を含む２次発光は観察されなかった。発明例１および比較例１のそれぞれにおける、５６０ｎｍの発光強度に対する４３５ｎｍの発光強度の比は、下記表１のとおりである。
【００７６】
【表１】
2019192908.tif 000003
【００７７】
（発明例２）
発明例１におけるｐ型ＧａＮコンタクト層に替えて、Ａｌ0.41Ｇａ0.59Ｎ層（２．５ｎｍ）とＡｌ0.21Ｇａ0.79Ｎ層（５．０ｎｍ）を順に７組繰り返した合計１４層の超格子構造としたＭｇドープｐ型コンタクト層を形成した。また、このｐ型コンタクト層の表面側（Ａｌ0.21Ｇａ0.79Ｎ層）に高濃度領域（Ｍｇ濃度は３．０×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を形成した。その他の作製条件は、発明例１と同様として発明例２に係る深紫外発光素子を作製した。発明例２に係る深紫外発光素子においても、青紫色を含む２次発光が生じることが確認され、発明例１と同様のｎ型ＧａＮコンタクト層による黄緑色を含む２次発光との組み合わせによって肉眼で白色に観察された。なお、発明例２における、波長５６０ｎｍにおける発光強度に対する、波長４３５ｎｍにおける発光強度の比は、０．５〜２の範囲内であることが確認された。また、この場合、深紫外光の反射率の高いｐ型電極（例えば、Ｒｈおよびその合金、Ａｌおよびその合金）を適用することもできる。
【００７８】
（発明例３）
発明例１の深紫外発光素子を構成する各層の組成について、バッファ層の組成をＡｌ0.70Ｇａ0.30Ｎに、ｎ型半導体層の組成をＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎに、障壁層の組成をＡｌ0.64Ｇａ0.36Ｎに、井戸層の組成をＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎに、ブロック層の組成をＡｌ0.68Ｇａ0.32Ｎにそれぞれ変更した。その他の条件は発明例１と同様にして発明例３に係る深紫外発光素子を作製した。なお、発明例３は、発明例１と同様にｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉ濃度２×１０19／ｃｍ3、厚さ０．３μｍ）を再成長により形成したものである。発明例３についても、発明例１と同様、発光時には肉眼で白色に観察された。なお、発明例３の深紫外発光素子における、波長５６０ｎｍにおける発光強度に対する、波長４３５ｎｍにおける発光強度の比は、０．５〜２の範囲内であることが確認された。以上のことから、発光波長が３１０ｎｍ以外の場合でも、青紫色の波長（４３５ｎｍ）を含む２次発光を発するｐ型コンタクト層を有し、かつ、黄緑色の波長（５６０ｎｍ）を含む２次発光を発するｎ型ＧａＮコンタクト層を再成長し、２次発光強度比を調整して同様の効果を得ることができた。
【００７９】
（比較例２）
発明例３に係る深紫外発光素子では、ｎ型ＧａＮコンタクト層を再成長したところ、比較例２においては前述の比較例１と同様、ｎ型ＧａＮコンタクト層を再成長させなかった。その他の条件は発明例３と同様として、比較例２に係る深紫外発光素子を作製した。比較例２では、ｐ型ＧａＮコンタクト層側が青色に観察される以外に、別の色は観察されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、被照射体の演色性にも配慮した深紫外発光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０    基板
２０    ｎ型半導体層
３０    発光層
４０    ｐ型半導体層
５０    第１コンタクト層
６０    第２コンタクト層
８０    ｐ側電極
９０    ｎ側電極
１００  深紫外発光素子
【図１Ａ】
2019192908.tif 000004
【図１Ｂ】
2019192908.tif 000005
【図２】
2019192908.tif 000006
【図３Ａ】
2019192908.tif 000007
【図３Ｂ】
2019192908.tif 000008
【図４Ａ】
2019192908.tif 000009
【図４Ｂ】
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【図５】
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