(57)【要約】【課題】光出力の高出力化を図ることが可能な紫外線発光素子を提供する。【解決手段】紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４及びｐ型ＡｌＧａＮ層６の順に並んでいる積層体２０と、負電極８と、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａ上に直接設けられている正電極９と、を備える。ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々は、発光層４の井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）よりもＡｌの組成比が大きく、かつＭｇを含有している。複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々は、井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）よりもＡｌの組成比が大きく、かつ複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々よりも高い濃度でＭｇを含有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＡｌＧａＮ層、発光層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の順に並んでいる積層体と、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の前記発光層側の表面において前記発光層で覆われていない部位に直接設けられている負電極と、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の表面上に直接設けられている正電極と、
を備え、
前記発光層は、複数の障壁層と複数の井戸層とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有し、
前記複数の井戸層の各々は、第１のＡｌＧａＮ層により構成され、
前記複数の障壁層の各々は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きな第２のＡｌＧａＮ層により構成され、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とが交互に並んでいる積層構造を有し、
前記複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、かつＭｇを含有しており、
前記複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、かつ前記複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々よりも高い濃度でＭｇを含有している、
ことを特徴とする紫外線発光素子。
【請求項２】
前記複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々は、前記複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々よりも薄い、
ことを特徴とする請求項１記載の紫外線発光素子。
【請求項３】
前記複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々の厚さは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の紫外線発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さ方向に沿ったＭｇの濃度プロファイルでは、前記複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々のＭｇの濃度の最大値が８×１０19ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さ方向に沿ったＭｇの濃度プロファイルでは、前記複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々のＭｇの濃度の最大値が３×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層において前記正電極に接している最表層は、前記複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層のうち前記発光層から最も離れた第２のｐ型ＡｌＧａＮ層である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項７】
前記発光層は、ＵＶ−Ｃの紫外波長域又はＵＶ−Ｂの紫外波長域の紫外線を放射するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項８】
前記積層体を支持する基板を備え、
前記積層体は、前記基板の一表面上に設けられ、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層、前記発光層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記一表面からこの順に並んでいる、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に紫外線発光素子に関し、より詳細には紫外線を放射する紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外線発光素子においてＡｌ組成比を０．５以上としたｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１には、Ａｌ組成比を０．５以上としたｐ型ＡｌＧａＮ層として、アクセプタ不純物原子が５×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされたｐ型ＡｌＧａＮ層が記載されている。
【０００４】
また、特許文献１には、上述のｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることにより、３００ｎｍ以下の深紫外領域で発光する発光ダイオード及びレーザダイオードを製造することも可能となる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００８／１１７７５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ａｌ組成比の高いｐ型ＡｌＧａＮ層を必要とする紫外線発光素子の分野においては、光出力の高出力化が望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、光出力の高出力化を図ることが可能な紫外線発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る一態様の紫外線発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＮ層、発光層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の順に並んでいる積層体と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の前記発光層側の表面において前記発光層で覆われていない部位に直接設けられている負電極と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の表面上に直接設けられている正電極と、を備える。前記発光層は、複数の障壁層と複数の井戸層とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有する。前記複数の井戸層の各々は、第１のＡｌＧａＮ層により構成されている。前記複数の障壁層の各々は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きな第２のＡｌＧａＮ層により構成されている。前記ｎ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きい。前記ｐ型ＡｌＧａＮ層は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とが交互に並んでいる積層構造を有する。前記複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、かつＭｇを含有している。前記複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、かつ前記複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の各々よりも高い濃度でＭｇを含有している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の紫外線発光素子は、光出力の高出力化を図ることが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子の概略断面図である。
【図２】図２は、単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層を有する紫外線発光素子のＭｇの濃度と光出力比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
下記の実施形態において説明する図１は、模式的な図であり、図１中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
【００１２】
（実施形態）
以下では、本実施形態の紫外線発光素子１０について、図１に基づいて説明する。
【００１３】
紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４及びｐ型ＡｌＧａＮ層６の順に並んでいる積層体２０を備える。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の発光層４側の表面３ａにおいて発光層４で覆われていない部位３ａａに直接設けられている負電極８と、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａ上に直接設けられている正電極９と、を備える。
【００１４】
発光層４は、複数の障壁層４２と複数の井戸層４１とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層４１の各々は、第１のＡｌＧａＮ層により構成されている。複数の障壁層４２の各々は、第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きな第２のＡｌＧａＮ層により構成されている。第１のＡｌＧａＮ層及び第２のＡｌＧａＮ層は、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第１のＡｌＧａＮ層及び第２のＡｌＧａＮ層は、それぞれの成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。本明細書において、不純物（Ｍｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ）の濃度は、ＳＩＭＳ（secondary ion mass spectroscopy）によって測定した値である。アンドープのＡｌＧａＮ層の不純物の濃度に関しては、Ｍｇの濃度が１×１０17ｃｍ-3、Ｈの濃度が１×１０18ｃｍ-3、Ｓｉの濃度が２×１０17ｃｍ-3、Ｃの濃度が７×１０16ｃｍ-3、Ｏの濃度が７×１０16ｃｍ-3であったが、これら不純物の濃度が上記数値に限定されない。アンドープのＡｌＧａＮ層の不純物の濃度に関しては、Ｍｇの濃度が５×１０17ｃｍ-3以下、Ｈの濃度が２×１０18ｃｍ-3以下、Ｓｉの濃度が５×１０17ｃｍ-3以下、Ｃの濃度が３×１０17ｃｍ-3以下、Ｏの濃度が３×１０17ｃｍ-3以下であるのが好ましい。これに対して、ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、その成長時にＳｉがドーピングされており、Ｓｉを含有している。ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、それぞれの成長時にＭｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。
【００１５】
紫外線発光素子１０は、積層体２０を支持する基板１を更に備える。積層体２０は、基板１の一表面１ａ上に設けられている。ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４及びｐ型ＡｌＧａＮ層６は、基板１の一表面１ａからこの順に並んでいる。紫外線発光素子１０では、積層体２０が、基板１とｎ型ＡｌＧａＮ層３との間に介在するバッファ層２を備えるのが好ましい。また、紫外線発光素子１０は、発光層４とｐ型ＡｌＧａＮ層６との間に電子ブロック層５を備えるのが好ましい。電子ブロック層５は、積層体２０の厚さ方向において発光層４側からの電子をブロックするための層である。
【００１６】
紫外線発光素子１０は、メサ構造（mesa structure）１１を有している。メサ構造１１は、バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、電子ブロック層５及びｐ型ＡｌＧａＮ層６を含む積層体２０の一部を、積層体２０の表面２０ａ側からｎ型ＡｌＧａＮ層３の途中までエッチングすることで形成されている。紫外線発光素子１０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａと、積層体２０の表面２０ａと、メサ構造１１の上面１１ａとが、同一の表面により構成される。
【００１７】
紫外線発光素子１０では、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の発光層４側の表面３ａにおいて発光層４に覆われていない部位３ａａ上に、負電極８が直接設けられ、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａ上に、正電極９が直接設けられている。要するに、紫外線発光素子１０では、この紫外線発光素子１０の厚さ方向の一面側に負電極８及び正電極９が配置されている。ここで、「紫外線発光素子１０の厚さ方向の一面」とは、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の発光層４側の表面３ａにおいて発光層４に覆われていない部位３ａａ及びｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａを含む。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の表面３ａにおいて発光層４に覆われている部位と覆われていない部位３ａａとの間には段差がある。負電極８は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３に電気的に接続されている。要するに、紫外線発光素子１０では、発光層４へ電子を輸送するためのｎ型ＡｌＧａＮ層３がｎ型コンタクト層を兼ねている。正電極９は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６に電気的に接続されている。要するに、紫外線発光素子１０では、発光層４へ正孔を輸送するためのｐ型ＡｌＧａＮ層６がｐ型コンタクト層を兼ねている。
【００１８】
紫外線発光素子１０では、メサ構造１１の上面１１ａの一部とメサ構造１１の側面１１ｂとｎ型ＡｌＧａＮ層３の表面３ａにおいて発光層４に覆われていない部位３ａａとに跨って電気絶縁膜（図示せず）が形成されているのが好ましい。電気絶縁膜の材料は、例えば、ＳｉＯ２等である。
【００１９】
紫外線発光素子１０の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。
【００２０】
本明細書において、組成比は、ＥＤＸ法（energy dispersive X-ray spectroscopy）による組成分析で求めた値である。組成比の相対的な大小関係を議論する上では、組成比は、ＥＤＸ法に限らず、例えば、オージェ電子分光法（auger electron spectroscopy）による組成分析で求めた値でもよい。また、本明細書において、Ｍｇの濃度の深さプロファイルは、ＳＩＭＳによって測定した深さプロファイルである。
【００２１】
紫外線発光素子１０は、直方体状のＬＥＤチップ（light emitting diode chip）である。ＬＥＤチップは、ＬＥＤダイ（light emitting diode die）とも呼ばれる。ここで、紫外線発光素子１０の平面視形状は、例えば、正方形状である。「紫外線発光素子１０の平面視形状」とは、紫外線発光素子１０の厚さ方向の一の方向から見た紫外線発光素子１０の外周形状である。紫外線発光素子１０の平面視でのチップサイズ（chip size）は、例えば、４００μｍ□（４００μｍ×４００μｍ）である。紫外線発光素子１０のチップサイズは、４００μｍ□（４００μｍ×４００μｍ）に限らず、例えば、２００μｍ□（２００μｍ×２００μｍ）〜１ｍｍ□（１ｍｍ×１ｍｍ）程度の範囲で適宜設定することができる。また、紫外線発光素子１０の平面視形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。
【００２２】
紫外線発光素子１０は、ＵＶ−Ｃの波長域の紫外線を放射するように発光層４の井戸層４１を構成してある。「ＵＶ−Ｃの波長域」とは、例えば国際照明委員会（ＣＩＥ）における紫外線の波長による分類によれば、１００ｎｍ〜２８０ｎｍである。ここで、紫外線発光素子１０では、井戸層４１を構成する第１のＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比が０．４５である。これにより、紫外線発光素子１０の発光ピーク波長は、２７５ｎｍである。ここでいう「発光ピーク波長」は、室温（２７℃）での主発光ピーク波長である。また、「紫外線発光素子１０の発光ピーク波長」は、発光層４から放射されて紫外線発光素子１０から出射される紫外線の発光ピーク波長である。
【００２３】
紫外線発光素子１０において積層体２０を支持している基板１は、サファイア基板である。基板１の一表面１ａ（以下、「第１面１ａ」ともいう）は、（０００１）面、つまり、ｃ面であるのが好ましい。また、基板１の第１面１ａは、（０００１）面からのオフ角が、０°〜０．４°であるのが好ましく、０．１°〜０．３１°であるのがより好ましく、０．２１°〜０．３１°であるのが更に好ましい。ここにおいて、「オフ角」とは、（０００１）面に対する第１面１ａの傾斜角である。したがって、オフ角が０°であれば、第１面１ａは、（０００１）面である。紫外線発光素子１０では、基板１において第１面１ａとは反対の第２面１ｂが、紫外線を出射させる光取り出し面を構成している。基板１の厚さは、例えば、１００μｍ〜５００μｍ程度であるのが好ましい。基板１の第１面１ａは、ｃ面に限らず、例えば、ｍ面、ａ面、Ｒ面等でもよい。
【００２４】
基板１の一表面１ａ上に設けられている積層体２０では、バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、電子ブロック層５及びｐ型ＡｌＧａＮ層６が、この順に並んでいる。積層体２０は、エピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法は、例えば、ＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy）法を採用するのが好ましい。エピタキシャル成長法は、ＭＯＶＰＥ法に限らず、例えば、ＨＶＰＥ（hydride vapor phase epitaxy）法、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法等を採用してもよい。
【００２５】
紫外線発光素子１０は、基板１とｎ型ＡｌＧａＮ層３との間に介在するバッファ層２を備えるのが好ましい。要するに、紫外線発光素子１０では、ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、基板１の一表面１ａ上に、バッファ層２を介して形成されているのが好ましい。
【００２６】
バッファ層２は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、電子ブロック層５及びｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の向上を目的として設けた層である。紫外線発光素子１０は、バッファ層２を備えることにより、転位密度を低減することが可能となり、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、電子ブロック層５及びｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の向上を図ることが可能となる。よって、紫外線発光素子１０は、発光効率の向上を図ることが可能となる。
【００２７】
バッファ層２は、基板１の一表面１ａ上に直接形成されている第１のバッファ層２１と、第１のバッファ層２１上に直接形成されている第２のバッファ層２２と、を含む。第１のバッファ層２１は、例えば、ＡｌＮ層により構成されているのが好ましい。第２のバッファ層２２は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３よりもＡｌの組成比が大きくｎ型ＡｌＧａＮ層３よりも第１のバッファ層２１との格子定数差の小さなＡｌＧａＮ層により構成されている。より詳細には、第２のバッファ層２２は、Ａｌの組成比が０．９０のＡｌＧａＮ層（つまり、Ａｌ0.90Ｇａ0.10Ｎ層）により構成されている。
【００２８】
紫外線発光素子１０では、第１のバッファ層２１が薄すぎると、貫通転位の減少が不十分となりやすい。バッファ層２の転位密度は、１×１０9ｃｍ-3以下であるのが好ましい。また、紫外線発光素子１０では、第１のバッファ層２１が厚すぎると、第１のバッファ層２１と基板１との格子不整合に起因したクラックの発生や、基板１からのバッファ層２の剥れや、複数個の紫外線発光素子１０を形成するウェハの反りが大きくなり過ぎる要因になる懸念がある。よって、第１のバッファ層２１の厚さは、例えば、３μｍ以上６μｍ以下であるのが好ましい。第２のバッファ層２２の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０では、バッファ層２が第１のバッファ層２１のみにより構成されていてもよい。
【００２９】
紫外線発光素子１０では、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層２２それぞれのバンドギャップエネルギが、発光層４における複数の井戸層４１の各々のバンドギャップエネルギよりも大きい。これにより、紫外線発光素子１０では、発光層４から放射された紫外線がバッファ層２で吸収されるのを抑制することが可能となり、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
【００３０】
紫外線発光素子１０において、ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、発光層４へ電子を輸送するための層である。ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比は、発光層４で発光する紫外線のｎ型ＡｌＧａＮ層３での吸収が抑制されるように設定されているのが好ましい。例えば、井戸層４１のＡｌの組成比が０．４５、障壁層４２のＡｌの組成比が０．６０の場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比は、障壁層４２のＡｌの組成比と同じ０．６０である。ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比は、障壁層４２のＡｌの組成比と同じである場合に限らず、異なっていてもよい。
【００３１】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比は、例えば、発光層４における井戸層４１のＡｌの組成比が０．４５の場合、０．５０以上０．７０以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比が０．５０未満の場合、発光層４から放射される紫外線がｎ型ＡｌＧａＮ層３で吸収されやすくなり、光取り出し効率が低下してしまうと推考される。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比が０．７０よりも大きい場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３と発光層４との格子定数差が大きくなり、発光層４に欠陥が生じやすくなる。
【００３２】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、Ｓｉを含有している。ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、負電極８との良好なオーミック接触（ohmic contact）を実現するためのｎ型コンタクト層を兼ねている。ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉの濃度は、５×１０18ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉの濃度が５×１０18ｃｍ-3未満の場合、負電極８とｎ型ＡｌＧａＮ層３とのオーミック接触を形成できなかったり、オーミック性が低下してしまう。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉの濃度が５×１０19ｃｍ-3よりも高い場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の結晶性が低下してしまう。
【００３３】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さは、例えば、１μｍ以上３μｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、上述のメサ構造１１を有し、紫外線発光素子１０の厚さ方向の一面側に負電極８及び正電極９が配置されているので、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さが１μｍ未満の場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３における電流経路が狭くなり、駆動電圧が高くなってしまう。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さが３μｍよりも大きい場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３での歪の蓄積により、クラックが発生してしまうことがある。
【００３４】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、単層構造に限らず、例えば、互いにＡｌの組成比の異なる複数のｎ型ＡｌＧａＮ層の積層構造でもよい。
【００３５】
積層体２０の厚さ方向においてｎ型ＡｌＧａＮ層３とｐ型ＡｌＧａＮ層６との間にある発光層４は、井戸層４１に注入された２種類のキャリア（電子、正孔）の再結合により光（紫外線）を放射する層である。
【００３６】
発光層４では、積層体２０の厚さ方向において、複数の障壁層４２と複数の井戸層４１とが交互に並んでいる。これにより、発光層４は、多重量子井戸構造を有している。紫外線発光素子１０における発光層４は、井戸層４１及び障壁層４２それぞれの数を４つずつとしてある。
【００３７】
発光層４は、井戸層４１を構成する第１のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比を変えることにより、発光ピーク波長を、２１０ｎｍ〜３６０ｎｍの範囲で任意の発光ピーク波長に設定することが可能である。発光層４は、ＵＶ−Ｃの波長域の紫外線を放射する井戸層４１を備える。井戸層４１は、紫外線発光素子１０の発光ピーク波長が例えば２７５ｎｍとなるように、第１のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比を０．４５としてある。すなわち、第１のＡｌＧａＮ層は、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎ層である。これに対して、障壁層４２を構成する第２のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、０．６０としてある。すなわち、第２のＡｌＧａＮ層は、Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ｎ層である。
【００３８】
複数の井戸層４１の各々の厚さは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、井戸層４１の厚さが０．５ｎｍ未満の場合、発光効率が低下してしまう傾向にある。これは、井戸層４１の厚さが０．５ｎｍ未満の場合、発光層４のキャリアの閉じ込め効果が低下するためであると推考される。また、紫外線発光素子１０は、井戸層４１の厚さが３ｎｍよりも大きい場合、発光効率が低下してしまう傾向にある。これは、井戸層４１の厚さが３ｎｍよりも大きい場合、発光層４のキャリアの閉じ込め効果が低下し、井戸層４１に注入されたキャリアの電子と正孔とが再結合する前に、井戸層４１から漏れやすくなるためであると推考される。
【００３９】
複数の障壁層４２の各々の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、障壁層４２の厚さが２ｎｍ未満の場合、障壁層４２によってキャリアが井戸層４１に閉じ込められるというキャリアの閉じ込め効果が低下し、キャリアが井戸層４１から漏れやすくなって発光効率が低下してしまうと推考される。また、紫外線発光素子１０は、障壁層４２の厚さが２０ｎｍよりも大きい場合、井戸層４１へキャリアが注入されなくなる懸念がある。
【００４０】
障壁層４２を構成する第２のＡｌＧａＮ層は、アンドープのＡｌＧａＮ層であるが、これに限らず、Ｓｉを含有していてもよい（ＳｉドープのＡｌＧａＮ層でもよい）。この場合、Ｓｉの濃度は、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、格子不整合に起因するピエゾ電界により発生する歪を緩和することが可能となり、発光効率の向上を図ることが可能となる。紫外線発光素子１０は、障壁層４２のＳｉの濃度が、５×１０17ｃｍ-3未満の場合、ピエゾ電界により発生する歪を緩和する効果が低下してしまう。また、紫外線発光素子１０は、障壁層４２のＳｉの濃度が、５×１０18ｃｍ-3よりも高くなると、障壁層４２の結晶性が低下する傾向にある。
【００４１】
発光層４とｐ型ＡｌＧａＮ層６との間に設けられる電子ブロック層５は、発光層４側からの電子をブロックする機能を有する。言い換えれば、電子ブロック層５は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３から発光層４へ注入された電子のうち、発光層４中で正孔と再結合されなかった電子が、ｐ型ＡｌＧａＮ層６へ漏れる（オーバーフローする）のを抑制するための層である。電子ブロック層５は、発光層４とｐ型ＡｌＧａＮ層６において最も発光層４に近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１（６１０）との間に介在している。
【００４２】
電子ブロック層５は、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層により構成されている。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれよりもＡｌの組成比が大きく、かつ、Ｍｇを含有している。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、一例として、０．９０であるが、この数値に限定されない。
【００４３】
電子ブロック層５の厚さについては、電子ブロック層５のＡｌの組成比、Ｍｇの濃度等によって適した厚さが変わるので一概には言えないが、１ｎｍ〜５０ｎｍであるのが好ましく、５ｎｍ〜２５ｎｍであるのがより好ましい。電子ブロック層５のＭｇの濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれのＭｇの濃度よりも低いのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０では、電子ブロック層５の結晶性を向上させることが可能となる。
【００４４】
ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、発光層４へ正孔を輸送するための層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、正電極９との良好なオーミック接触を実現するためのｐ型コンタクト層を兼ねている。
【００４５】
ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、積層体２０の厚さ方向において、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、それぞれの成長時にＭｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。紫外線発光素子１０におけるｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれの数を５つずつとしてある。
【００４６】
複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のＡｌの組成比は、発光層４で発光する紫外線の複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々での吸収を抑制できるように設定されているのが好ましい。したがって、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々のＡｌの組成比は、複数の井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）の各々よりもＡｌの組成比が大きいのが好ましく、複数の障壁層４２（第２のＡｌＧａＮ層）の各々よりもＡｌの組成比が大きいのがより好ましい。複数の井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）の各々のＡｌの組成比が０．４５、複数の障壁層４２（第２のＡｌＧａＮ層）の各々のＡｌの組成比が０．６０の場合、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々のＡｌの組成比は、例えば、０．６５であるのが好ましい。すなわち、複数の井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）の各々がＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎ層からなる場合、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、互いにＭｇの濃度の異なるｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層であるのが好ましい一例である。
【００４７】
複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、電子ブロック層５（第３のｐ型ＡｌＧａＮ層）よりも高い濃度でＭｇを含有している。
【００４８】
複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々よりも高い濃度でＭｇを含有している。
【００４９】
ところで、本願発明者らは、ｐ型コンタクト層を兼ねるｐ型ＡｌＧａＮ層６を備えた紫外線発光素子１０を開発する際に、紫外線発光素子１０と基本構造が略同じ参考例１〜７の紫外線発光素子を作製した。そして、本願発明者らは、参考例１〜７の紫外線発光素子それぞれについて、２０ｍＡの直流電流を流したときの光出力〔Ｗ〕の測定を行った。参考例１〜７の紫外線発光素子は、実施形態の紫外線発光素子１０における多層構造を有するｐ型ＡｌＧａＮ層６の代わりに、単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層を採用している点のみで実施形態の紫外線発光素子１０と相違する。単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは、６０ｎｍである。参考例１〜７の紫外線発光素子は、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＭｇの濃度が互いに異なる。より詳細には、参考例１、２、３、４、５、６及び７の紫外線発光素子におけるｐ型ＡｌＧａＮ層のＭｇの濃度は、それぞれ、５×１０19ｃｍ-3、８×１０19ｃｍ-3、１×１０20ｃｍ-3、１．５×１０20ｃｍ-3、２×１０20ｃｍ-3、３×１０20ｃｍ-3及び５×１０20ｃｍ-3である。光出力は、積分球及び分光器を利用して測定した値である。図２は、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＭｇの濃度と光出力比との関係を示すグラフである。「光出力比」は、Ｍｇの濃度を１０×１０19ｃｍ-3（つまり、１×１０20ｃｍ-3）とした参考例３の紫外線発光素子の光出力を基準値とした相対的な値である。図２から、本願発明者らは、ｐ型コンタクト層を単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層により構成した紫外線発光素子では、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＭｇの濃度を８×１０19ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下とすることにより、Ｍｇの濃度を５×１０19ｃｍ-3以上とした場合に比べて光出力の向上を図れるという知見を得た。また、図２から、本願発明者らは、ｐ型コンタクト層を単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層により構成した紫外線発光素子では、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＭｇの濃度を８×１０19ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下とすることにより、Ｍｇの濃度を１×１０20ｃｍ-3とした場合からの光出力の低下を抑制することが可能になるになるという知見を得た。
【００５０】
また、本願発明者らは、単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層において電子ブロック層から離れるにつれてＭｇの濃度を段階的に高くした評価用のサンプルを作製し、断面ＴＥＭ像（cross-sectional transmission electron microscope image）を観察した。その結果、本願発明者らは、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＭｇの濃度の最大値が２×１０20ｃｍ-3よりも高い評価用のサンプルでは、柱状構造の結晶の集合体となることを断面ＴＥＭ像により確認した。評価用サンプルにおける単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは、６０ｎｍである。
【００５１】
そして、本願発明者らは、図２及び断面ＴＥＭ像の観察結果から、単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層においてＭｇの濃度の最大値が２×１０20ｃｍ-3よりも高い紫外線発光素子では、単層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層の結晶性が低下し、紫外線発光素子の光出力が低下してしまうと推考した。
【００５２】
これに対して、紫外線発光素子１０では、コンタクト層を兼ねるｐ型ＡｌＧａＮ層６が、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが交互に並んでいる積層構造を有する。そして、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々よりも高い濃度でＭｇを含有している。よって、紫外線発光素子１０では、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々のＭｇの濃度の高濃度化によるｐ型ＡｌＧａＮ層６の導電性の向上を図りながらも、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の低下を抑制し、光出力の高出力化を図ることが可能となる。
【００５３】
ここで、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるのが好ましい。複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々の厚さは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０では、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々のＭｇの濃度を８×１０19ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下とし、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々のＭｇの濃度を３×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下としても、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の低下を抑制することが可能になり、光出力の高出力化を図ることが可能となる。０．５ｎｍは、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の格子定数に対応する値である。
【００５４】
紫外線発光素子１０の駆動電圧を低減する観点から、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さは、２００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下がより好ましい。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の電気的特性の面内ばらつきを小さくする観点から、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さは、３０ｎｍ以上であるのが好ましく、５０ｎｍ以上であるのがより好ましい。
【００５５】
複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１のＭｇの濃度は、同じであるが、互いに異なっていてもよい。また、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さは、同じであるが、互いに異なっていてもよい。
【００５６】
複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のＭｇの濃度は、同じであるが、互いに異なっていてもよい。また、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さは、同じであるが、互いに異なっていてもよい。
【００５７】
紫外線発光素子１０では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の数と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の数とが同じとしてあるが、異なっていてもよい。
【００５８】
負電極８は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３とオーミック接触を得るために、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の表面３ａにおいて発光層４に覆われていない部位３ａａ上に形成されているコンタクト用電極である。負電極８は、一例として、第１のＴｉ層とＡｌ層と第２のＴｉ層とＡｕ層との積層膜（以下、「第１積層膜」ともいう）をｎ型ＡｌＧａＮ層３の部位３ａａ上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。一例として、第１積層膜における、第１のＴｉ層、Ａｌ層、第２のＴｉ層及びＡｕ層の厚さは、それぞれ、２０ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍ及び１００ｎｍである。
【００５９】
正電極９は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６とオーミック接触を得るために、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａ上に形成されているコンタクト用電極である。正電極９は、一例として、Ｎｉ層とＡｕ層との積層膜（以下、「第２積層膜」ともいう）をｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａ上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。一例として、第２積層膜における、Ｎｉ層及びＡｕ層の厚さは、それぞれ、２０ｎｍ、１５０ｎｍである。
【００６０】
紫外線発光素子１０は、負電極８上に、第１パッド電極を備えているのが好ましい。第１パッド電極は、外部接続用電極である。第１パッド電極は、例えば、負電極８上のＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上のＡｕ膜との積層膜である。第１パッド電極は、負電極８に電気的に接続される。第１パッド電極は、負電極８を覆っているのが好ましい。
【００６１】
また、紫外線発光素子１０は、正電極９上に、第２パッド電極を備えているのが好ましい。第２パッド電極は、外部接続用電極である。第２パッド電極は、例えば、正電極９上のＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上のＡｕ膜との積層膜である。第２パッド電極は、正電極９に電気的に接続される。第２パッド電極は、正電極９を覆っているのが好ましい。
【００６２】
紫外線発光素子１０は、ＵＶ−Ｃの波長域の紫外線を放射するように構成される場合に限らず、例えば、ＵＶ−Ｂの波長域の紫外線を放射するように構成されていてもよい。「ＵＶ−Ｂの波長域」とは、例えば国際照明委員会における紫外線の波長による分類によれば、２８０ｎｍ〜３１５ｎｍである。
【００６３】
以下では、紫外線発光素子１０の製造方法について簡単に説明する。
【００６４】
紫外線発光素子１０の製造方法では、まず、複数の紫外線発光素子１０それぞれの基板１の元になるウェハ（サファイアウェハ）を準備する。
【００６５】
紫外線発光素子１０の製造方法では、ウェハを準備した後、ウェハの前処理を行ってから、ウェハをエピタキシャル成長装置に導入し、その後、ウェハの第１面上に積層体２０をエピタキシャル成長法により積層する。ウェハの第１面は、基板１の第１面１ａに相当する表面である。エピタキシャル成長装置としてＭＯＶＰＥ装置を採用する場合、Ａｌの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を採用するのが好ましい。また、Ｇａの原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を採用するのが好ましい。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ3を採用するのが好ましい。ｎ型導電性を付与する不純物であるＳｉの原料ガスとしては、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を採用するのが好ましい。ｐ型導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、Ｈ2ガスを採用するのが好ましい。各原料ガスは、特に限定されず、例えば、Ｇａの原料ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｎの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Ｓｉの原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）を採用してもよい。積層体２０の成長条件は、第１のバッファ層２１、第２のバッファ層２２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、障壁層４２（第２のＡｌＧａＮ層）、井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）、電子ブロック層５（第３のｐ型ＡｌＧａＮ層）、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれについて、基板温度、Ｖ／III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。「基板温度」とは、ウェハの温度を意味する。エピタキシャル成長装置としてＭＯＶＰＥ装置を採用する場合、「基板温度」は、例えば、ウェハを支持するサセプタ（susceptor）の温度を代用することができる。例えば、基板温度は、熱電対により測定したサセプタの温度を代用することができる。
【００６６】
紫外線発光素子１０の製造方法では、ウェハの第１面上に積層体２０を積層した後、積層体２０が積層されているウェハをエピタキシャル成長装置から取り出す。以下では、少なくともウェハと積層体２０とを備えた構造体を、エピタキシャルウェハと称する。
【００６７】
紫外線発光素子１０の製造方法では、エピタキシャル成長装置から取り出したエピタキシャルウェハをアニール装置に導入し、電子ブロック層５、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれのｐ型不純物を活性化するためのアニールを行う。アニールを行うためのアニール装置としては、例えば、ランプアニール装置、電気炉アニール装置等を採用することができる。ｐ型不純物は、アクセプタ不純物を意味し、Ｍｇである。
【００６８】
紫外線発光素子１０の製造方法では、アニール装置からエピタキシャルウェハを取り出した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用してメサ構造１１を形成する。
【００６９】
紫外線発光素子１０の製造方法では、メサ構造１１を形成した後、上述の電気絶縁膜を形成する。電気絶縁膜は、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成することができる。
【００７０】
紫外線発光素子１０の製造方法では、電気絶縁膜を形成した後、負電極８を形成する。負電極８を形成するには、まず、エピタキシャルウェハの表面に、負電極８の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第１レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さ２０ｎｍの第１のＴｉ層、厚さ５０ｎｍのＡｌ層、厚さ２０ｎｍの第２のＴｉ層及び厚さ１００ｎｍのＡｕ層がこの順に積層された第１積層膜を蒸着法により形成する。第１積層膜を形成した後には、リフトオフを行うことにより、第１レジスト層及び第１レジスト層上の不要膜（第１積層膜のうち第１レジスト層上に形成されている部分）を除去することで第１積層膜をパターニングする。その後には、アニール処理を行う。アニール処理は、負電極８とｎ型ＡｌＧａＮ層３との接触をオーミック接触とするための処理である。第１積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定されない。アニール処理は、Ｎ2ガス雰囲気中でのＲＴＡ（rapid thermal annealing）が好ましい。ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を７００℃、アニール時間を１分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定されない。
【００７１】
紫外線発光素子１０の製造方法では、負電極８を形成した後に、正電極９を形成する。正電極９を形成するためには、まず、エピタキシャルウェハの表面に、正電極９の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第２レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さ２０ｎｍのＮｉ層と厚さ１５０ｎｍのＡｕ層との第２積層膜を電子ビーム蒸着法により形成し、リフトオフを行うことにより、第２レジスト層及び第２レジスト層上の不要膜（第２積層膜のうち第２レジスト層上に形成されている部分）を除去する。その後には、正電極９とｐ型ＡｌＧａＮ層６との接触がオーミック接触となるように、Ｎ2ガス雰囲気中でＲＴＡ処理を行う。第２積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定されない。また、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を５００℃、アニール時間を１５分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定されない。
【００７２】
第１パッド電極及び第２パッド電極は、例えば、フォトリソグラフィ技術及び薄膜形成技術を利用してリフトオフ法により形成する。
【００７３】
紫外線発光素子１０の製造方法では、紫外線発光素子１０が複数形成されたエピタキシャルウェハを得ることができる。
【００７４】
紫外線発光素子１０の製造方法では、エピタキシャルウェハをダイシングソー（dicingsaw）などによって切断することで、１枚のエピタキシャルウェハから複数の紫外線発光素子１０を得ることができる。紫外線発光素子１０の製造方法では、エピタキシャルウェハを切断する前に、ウェハの厚さを基板１の所望の厚さとするようにウェハを第１面とは反対の第２面側から研磨することが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０の製造方法は、製造歩留りの向上を図ることが可能となる。
【００７５】
以下、一実施例の紫外線発光素子１０について説明する。
【００７６】
一実施例の紫外線発光素子１０における基板１は、サファイア基板である。基板１の一表面１ａは、（０００１）面である。
【００７７】
第１のバッファ層２１は、厚さ４μｍのＡｌＮ層である。第２のバッファ層２２は、厚さ５０ｎｍのＡｌ0.90Ｇａ0.10Ｎ層である。
【００７８】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ｎ層である。
【００７９】
発光層４における井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）は、厚さ２ｎｍのＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎ層である。発光層４における障壁層４２（第２のＡｌＧａＮ層）は、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.60Ｇａ0.40Ｎ層である。発光層４は、井戸層４１及び障壁層４２それぞれの数が４つである。
【００８０】
電子ブロック層５（第３のｐ型ＡｌＧａＮ層）は、厚さ１０ｎｍのｐ型Ａｌ0.90Ｇａ0.10Ｎ層である。
【００８１】
ｐ型ＡｌＧａＮ層６における第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１は、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇの濃度１×１０20ｃｍ-3のｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層６における第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、厚さ２ｎｍ、Ｍｇの濃度５×１０20ｃｍ-3のｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれの数が５つである。
【００８２】
一実施例の紫外線発光素子１０の製造方法では、ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内において積層体２０をエピタキシャル成長させた。
【００８３】
第１のバッファ層２１を成長するときの原料ガスとしてはＴＭＡｌ及びＮＨ3を採用し、基板温度を１３００℃とした。第２のバッファ層２２を成長するときの原料ガスとしてはＴＭＡｌ、ＴＭＧａ及びＮＨ3を採用し、基板温度を１１００℃とした。
【００８４】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３を成長するときの原料ガスとしてはＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＮＨ3を及びＴＥＳｉを採用し、基板温度を１１００℃とした。
【００８５】
発光層４を成長するときの原料ガスとしてはＴＭＡｌ、ＴＭＧａ及びＮＨ3を採用し、基板温度を１１００℃とした。
【００８６】
電子ブロック層５を成長するときの原料ガスとしてはＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＮＨ3及びＣｐ2Ｍｇを採用し、基板温度を１１００℃とした。
【００８７】
ｐ型ＡｌＧａＮ層６を成長するときの原料ガスとしてはＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＮＨ3及びＣｐ2Ｍｇを採用し、基板温度を１１００℃とした。
【００８８】
一実施例の紫外線発光素子１０では、２０ｍＡの直流電流を流したときに、発光ピーク波長が２７５ｎｍ、光出力が４．０ｍＷであった。
【００８９】
比較例１の紫外線発光素子では、一実施例の紫外線発光素子１０と基本構成を同様とし、多層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層６の代わりに、厚さ６０ｎｍ、Ｍｇの濃度１×１０20ｃｍ-3のｐ型ＡｌＧａＮ層を採用した。比較例１の紫外線発光素子では、２０ｍＡの直流電流を流したときに、発光ピーク波長が２７５ｎｍ、光出力が２．５ｍＷであった。
【００９０】
比較例２の紫外線発光素子では、一実施例の紫外線発光素子１０と基本構成を同様とし、多層構造のｐ型ＡｌＧａＮ層６の代わりに、厚さ６０ｎｍ、Ｍｇの濃度５×１０20ｃｍ-3のｐ型ＡｌＧａＮ層を採用した。比較例２の紫外線発光素子では、２０ｍＡの直流電流を流したときに、発光ピーク波長が２７５ｎｍ、光出力が１．３５ｍＷであった。
【００９１】
以上説明した本実施形態の紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４及びｐ型ＡｌＧａＮ層６の順に並んでいる積層体２０と、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の発光層４側の表面３ａにおいて発光層４で覆われていない部位３ａａに直接設けられている負電極８と、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａ上に直接設けられている正電極９と、を備える。発光層４は、複数の障壁層４２と複数の井戸層４１とが交互に並んでいる多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層４１の各々は、第１のＡｌＧａＮ層により構成されている。複数の障壁層４２の各々は、第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きな第２のＡｌＧａＮ層により構成されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、第１のＡｌＧａＮ層（井戸層４１）よりもＡｌの組成比が大きい。ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが交互に並んでいる積層構造を有する。複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々は、第１のＡｌＧａＮ層（井戸層４１）よりもＡｌの組成比が大きく、かつＭｇを含有している。複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々は、第１のＡｌＧａＮ層（井戸層４１）よりもＡｌの組成比が大きく、かつ複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々よりも高い濃度でＭｇを含有している。よって、紫外線発光素子１０は、光出力の高出力化を図ることが可能になる。
【００９２】
紫外線発光素子１０では、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々は、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々よりも薄いのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々のＭｇの濃度を高くしつつｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の低下を抑制することが可能となり、光出力の高出力化を図ることが可能となる。
【００９３】
紫外線発光素子１０では、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々の厚さは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々の厚さが５ｎｍ以下であることにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の低下を抑制することが可能となる。
【００９４】
紫外線発光素子１０では、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向に沿ったＭｇの濃度プロファイルでは、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々のＭｇの濃度の最大値が８×１０19ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下であるのが好ましい。ここにおいて、Ｍｇの濃度プロファイルは、ＳＩＭＳによる深さプロファイルの測定結果である。紫外線発光素子１０では、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々のＭｇの濃度の最大値が８×１０19ｃｍ-3以上であることにより、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々の導電性を向上させることが可能となる。一方、紫外線発光素子１０では、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々のＭｇの濃度の最大値が２×１０20ｃｍ-3よりも高くなると、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々が単結晶でなくなって柱状構造の結晶の集合体となり、結晶性が低下してしまう。本願発明者は、ｐ型ＡｌＧａＮ層においてＭｇの濃度を段階的に変化させた評価用のサンプルを作製し、Ｍｇの濃度の最大値が２×１０20ｃｍ-3よりも高くなると、柱状構造の結晶の集合体となることを断面ＴＥＭ像により確認している。これに対して、紫外線発光素子１０では、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々のＭｇの濃度の最大値が２×１０20ｃｍ-3以下であることにより、複数の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の各々の結晶性の低下を抑制することが可能となる。
【００９５】
紫外線発光素子１０において、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向に沿ったＭｇの濃度プロファイルでは、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各々のＭｇの濃度の最大値が３×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６の導電性が向上し、光出力の高出力化を図ることが可能となる。
【００９６】
紫外線発光素子１０では、ｐ型ＡｌＧａＮ層６において正電極９に接している最表層６００は、複数の第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のうち発光層４から最も離れた第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２０であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層６と正電極９とのオーミック接触によるオーミック抵抗をより小さくすることが可能となる。
【００９７】
紫外線発光素子１０では、発光層４は、ＵＶ−Ｃの紫外波長域又はＵＶ−Ｂの紫外波長域の紫外線を放射するように構成されているのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、例えば、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で、利用することができる。紫外線発光素子１０は、殺菌の分野で利用する場合、発光層４における井戸層４１の発光ピーク波長が２６０ｎｍ〜２８５ｎｍの紫外波長域にあるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、ウイルスや細菌のＤＮＡに吸収されやすい２６０ｎｍ〜２８５ｎｍ帯の紫外線を放射させることができ、効率良く殺菌することが可能となる。
【００９８】
紫外線発光素子１０は、積層体２０を支持する基板１を備えるのが好ましい。積層体２０は、基板１の一表面１ａ上に設けられている。ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４及びｐ型ＡｌＧａＮ層６は、基板１の一表面１ａからこの順に並んでいるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０では、積層体２０の反りを抑制することが可能となる。基板１は、単結晶基板であり、サファイア基板であるのが好ましい。単結晶基板は、サファイア基板に限らず、例えば、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板等でもよい。これにより、紫外線発光素子１０は、発光層４から放射された紫外線を基板１の第２面１ｂから出射させることが可能となる。
【００９９】
紫外線発光素子１０は、紫外線を放射するＬＥＤチップに限らず、例えば、紫外線を放射するＬＤチップ（laser diode chip）でもよい。
【０１００】
上述の実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、本発明をそれに限定するものではない。また、本発明の構成は、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  基板
１ａ  一表面
３  ｎ型ＡｌＧａＮ層
３ａ  表面
３ａａ  部位
４  発光層
４１  井戸層
４２  障壁層
６  ｐ型ＡｌＧａＮ層
６ａ  表面
６１  第１のｐ型ＡｌＧａＮ層
６２  第２のｐ型ＡｌＧａＮ層
６００  最表層
６２０  発光層から最も離れた第２のｐ型ＡｌＧａＮ層
８  負電極
９  正電極
１０  紫外線発光素子
２０  積層体
【図１】
2017139447.tif 000003
【図２】
2017139447.tif 000004