(57)【要約】【課題】光取り出し効率の高い紫外線発光装置を提供する。【解決手段】紫外線発光装置１００は、窒化物半導体層２２が形成された基板２１を有する紫外線発光素子２０と保持部１０とを備え、保持部１０は窒化物半導体層２２側が載置される底面１１と紫外線発光素子２０の外側面を囲む側面１２とを含む。側面１２のうち底面に近い側に設けられる第１の側面１２ａは、底面１１に垂直な面又は紫外線発光素子２０側とは逆側に傾斜した面であり、底面から遠い側に設けられる第２の側面は、第１の側面１２ａよりも大きく紫外線発光素子２０側とは逆側に傾斜した面である。紫外線発光素子２０の側面からの光を第２の側面１２ｂで保持部１０の外部に向けて反射することで光取り出し効率を向上させ、第１の側面１２ａを第２の側面１２ｂよりも垂直に近い面とすることで、実装スペースを確保し大型化を抑制することができる。【選択図】図１
2017130588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に窒化物半導体層が形成された基板を有する紫外線発光素子と、
前記紫外線発光素子を保持する保持部と、を備え、
前記保持部は、前記窒化物半導体層側が載置される底面と前記紫外線発光素子の外側面を囲む側面とを有し、
当該側面は、前記底面に近い側に設けられる第１の側面と前記底面から遠い側に設けられる第２の側面とを含み、
前記第１の側面は前記底面に垂直な面又は前記紫外線発光素子側とは逆側に傾斜した面であり、
前記第２の側面は前記第１の側面よりも大きく前記紫外線発光素子側とは逆側に傾斜した面である紫外線発光装置。
【請求項２】
前記第２の側面は、前記紫外線発光素子の側面から出力される光を前記保持部外に反射する角度で前記紫外線発光素子とは逆側に傾斜している請求項１に記載の紫外線発光装置。
【請求項３】
前記第１の側面の前記底面に対する傾斜角度である第１の角度θ１と、前記第２の側面の前記底面に対する傾斜角度である第２の角度θ２とは、０°＜θ１−θ２≦４５°、０°＜θ１≦９０°及び０°＜θ２を満たす請求項１又は請求項２に記載の紫外線発光装置。
【請求項４】
前記窒化物半導体層は発光層を有し、
前記底面から前記発光層までの高さＡと、
前記底面から前記第１の側面と前記第２の側面との接合部までの高さＢとが、Ａ＜Ｂ≦Ａ＋１ｍｍを満たす請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の紫外線発光装置。
【請求項５】
前記紫外線発光素子と前記保持部の前記側面との間の最短距離が、０．１ｍｍ以上である請求項１から請求項４の何れか一項に記載の紫外線発光装置。
【請求項６】
前記第２の側面の前記第１の側面とは逆側の端部の、前記底面からの高さと、前記紫外線発光素子の前記基板側の端部の、前記底面からの高さとの差は１ｍｍ以内である請求項１から請求項５の何れか一項に記載の紫外線発光装置。
【請求項７】
前記基板の絶対屈折率は１．７以上である請求項１から請求項６の何れか一項に記載の紫外線発光装置。
【請求項８】
波長２６５ｎｍの光に対する前記基板の吸収係数が３０ｃｍ−１以下である請求項１から請求項７の何れか一項に記載の紫外線発光装置。
【請求項９】
前記紫外線発光素子は波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の帯域に含まれる紫外線を発する請求項１から請求項８の何れか一項に記載の紫外線発光装置。
【請求項１０】
前記基板がサファイアである請求項１から請求項９の何れか一項に記載の紫外線発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は紫外線発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物を用いた半導体素子は、さまざまな電子機器に用いられており、演算処理装置、発光素子や受光素子等の光学装置、及び各種センサ等に応用されている。特に、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成した紫外線発光素子は、従来の水銀ランプに比べ、小型化が可能であり、さらに有害な水銀を使用しない等の特長を有するため、次世代の殺菌装置として注目されている。
紫外線発光素子における現在の課題の一つは出力の向上である。窒化物半導体素子の出力を高めるために、素子表面や裏面を加工する手法が広く用いられている。例えば、特許文献１には、六方ピラミッドキャビティが設けられるように窒化物半導体層の成膜を行うことで、半導体層表面に凹凸構造を形成する手法が記載されている。また、基板の裏面に屈折率が基板より小さい薄膜を形成させる手法もよく用いられている。例えば、特許文献２には、半導体発光素子の基板の裏面に屈折率が１．８以上の薄膜を塗布することによって、光の抽出効率を高める手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７７４２３号公報
【特許文献２】特開２０１０−５１０６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した通り、紫外線発光素子の出力を高める種々の方法が提案されている。しかし、紫外線発光素子の側面から放射される光を効率良く取り出す方法については、これまで十分に検討されていないのが現状である。
そこで、本発明は上記未解決の課題に着目してなされたものであり、紫外線発光素子の側面から放射される光を効率良く取り出すことの可能な紫外線発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係る紫外線発光装置は、一方の面に窒化物半導体層が形成された基板を有する紫外線発光素子と、前記紫外線発光素子を保持する保持部と、を備え、前記保持部は、前記窒化物半導体層側が載置される底面と前記紫外線発光素子の外側面を囲む側面とを有し、当該側面は、前記底面に近い側に設けられる第１の側面と前記底面から遠い側に設けられる第２の側面とを含み、前記第１の側面は前記底面に垂直な面又は前記紫外線発光素子側とは逆側に傾斜した面であり、前記第２の側面は前記第１の側面よりも大きく前記紫外線発光素子側とは逆側に傾斜した面であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、発光効率が高く、且つ、小型化が可能な紫外線発光装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置の構成を示す断面模式図である。
【図２】紫外線発光素子の一例を示す断面模式図である。
【図３】比較例としての紫外線発光装置の一例を示す断面模式図である。
【図４】比較例としての紫外線発光装置の一例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための一実施形態について説明する。本実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【０００９】
＜紫外線発光装置＞
本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置は、一方の面に窒化物半導体層が形成された基板を有する紫外線発光素子と、紫外線発光素子を保持する保持部と、を備え、保持部は、窒化物半導体層側が載置される底面と紫外線発光素子の外側面を囲む側面とを有し、この側面は、底面に近い側に設けられる第１の側面と底面から遠い側に設けられる第２の側面とを含み、第１の側面は底面に垂直な面又は紫外線発光素子側とは逆側に傾斜した面であり、第２の側面は第１の側面よりも大きく紫外線発光素子側とは逆側に傾斜した面である。
【００１０】
例えば、第２の側面を、紫外線発光素子の側面から出力される光を保持部外に反射する角度で紫外線発光素子側とは逆側に傾斜している面とすることで、その分、光取り出し効率を向上させることができる。このとき、第１の側面を、底面に対して垂直な面、又は第２の側面に比較して底面に対する傾斜角度が大きくより垂直に近い傾斜角度を有する面とすることで、紫外線発光素子が載置される底面のスペース、つまり紫外線発光素子の実装スペースを十分確保することができ、紫外線発光装置の大型化を伴うことなく光取り出し効率の向上を図ることができる。
【００１１】
第１の側面の底面に対する傾斜角度である第１の角度θ１と、第２の側面の底面に対する傾斜角度である第２の角度θ２とは、０°＜θ１−θ２≦４５°、０°＜θ１≦９０°及び０°＜θ２を満たすように配置すればよい。
また本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置において、窒化物半導体層は発光層を有し、底面から発光層までの高さＡと、底面から第１の側面と第２の側面との接合部までの高さＢとが、Ａ＜Ｂ≦Ａ＋１ｍｍを満たすことが好ましい。ここで発光層までの高さとは、発光層の中心部分の高さを意味する。
【００１２】
紫外線発光素子と第１の側面及び第２の側面とが、Ａ＜Ｂ≦Ａ＋１ｍｍを満たす配置関係となっていることで、発光層の側面から放射された光の多くが第２の側面で反射され紫外線発光装置の外部に取り出される。したがって光取り出し効率をさらに高める事が可能となる。
また本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置は、紫外線発光素子と保持部の側面との間の最短距離が、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。この最短距離が０．１ｍｍよりも小さい場合には、紫外線発光素子の実装の際に位置ずれによる不良の発生の可能性が大きくなる。
【００１３】
また本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置は、第２の側面の第１の側面とは逆側の端部の、底面からの高さと、紫外線発光素子の基板側の端部の、底面からの高さとの差は１ｍｍ以内であることが好ましい。第２の側面の第１の側面とは逆側の端部の底面からの高さが、紫外線発光素子の基板側の端部の底面からの高さよりも１ｍｍ以上低い場合には、紫外線発光素子の側面を樹脂等で封止する際に、樹脂が保持部の外部に流れ出てしまい、紫外線発光素子の側面全体を封止できないという問題が生じる可能性がある。また第２の側面の第１の側面とは逆側の端部の高さが、紫外線発光素子の基板側の端部の高さよりも１ｍｍ以上高い場合には、基板の窒化物半導体層が形成された面とは逆側の面から斜めに放射された光が保持部の側面によって反射されてしまうため、本来取り出したい方向の光が減少してしまう。
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置における各構成要件について説明する。以下に記載される各構成要件の特徴は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲でそれぞれ単独または組み合わせて適用可能である。
【００１５】
＜保持部＞
本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置において、保持部は、紫外線発光素子を収容可能な凹部を有し上端が開放されている。凹部は底面及び側面を有し、側面は、底面から立ち上がって延びる第１の側面と、第１の側面から延びる第２の側面とを備える。第１の側面は、底面を含む面に対する傾斜角度、すなわち、第１の側面と底面を含む面とがなす、凹部側とは逆側の角度が第１の角度θ１である。第２の側面は、底面を含む面に対する傾斜角度、すなわち、第２の側面と底面を含む面とがなす、凹部側とは逆側の角度が第２の角度θ２である。第１の角度θ１と第２の角度θ２とは、０°＜θ１−θ２≦４５°、０°＜θ１≦９０°、０°＜θ２の関係を満足する。ここで「底面」とは、保持部内部の紫外線発光素子が配置される面、つまり凹部の底面を意味する。また第１の側面と第２の側面の間に、他の傾斜角度を有する側面をさらに有してもよい。
【００１６】
保持部はその内部に紫外線発光素子を収納出来る空間（キャビティ構造）、つまり凹部を有しており、凹部は底面及び側面を備える。また保持部は、その上部にリッドつまり、保持部の開口部を覆う蓋を配置可能な形態をしていてもよい。具体的には保持部の上部が平坦な面を有している形態が挙げられるが特にこれには限定されない。リッドによる吸収及び反射による光のロスを低減するため、反射防止膜付きのリッドを使用することが好ましい。リッドは波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の領域の光に対して、透過率が９５％以上であることが好ましい。リッドの接着方法に関して、接着樹脂、半田、或は合金接合を用いることが可能である。
【００１７】
保持部と紫外線発光素子とは半田等を用いてフリップチップ手法で実装可能である。保持部の材料としては、樹脂パッケージやセラミックパッケージや金属材料が一例として挙げられるが、特にこれらには限定されない。その他、樹脂パッケージと金属部材との組み合わせや、セラミック材料と金属材料との組み合わせ等も使用可能である。保持部の側面は、紫外線発光素子から放射された光を反射するための反射板を有する形態も好ましい。反射板の材料の一例としてはアルミが挙げられる。また保持部の底面等には外部接続用等の電極部が形成されていてもよい。
【００１８】
紫外線発光素子を保持部に実装する方法の一例としては、後述する紫外線発光素子が備える基板の第１主面側に形成された第１電極部及び第２電極部と、保持部上の電極部（バンプ部とも称される）とを電気的に接続する方法が挙げられる。また実装にはフリップチップ手法を用いることが可能であり、保持部上の電極部と紫外線発光素子の第１電極部及び第２電極部とを適切な熱、超音波、加重で接合させることが可能である。保持部の電極部の材料は、熱放散性に優れ、かつ、第１電極部及び第２電極部との接合性に優れたものがよく、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金錫（ＡｕＳｎ）等の材料及びそれらの組み合わせからなる材料が好適に用いられる。
【００１９】
＜紫外線発光素子＞
本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置において、紫外線発光素子は、第１主面及び第２主面を有する基板と、第１主面上に形成された窒化物半導体層と、を有し、前述の保持部の底面上に、底面と第１主面とが対向するように設置される。
基板は、第１主面及び第２主面を有し、第１主面側に窒化物半導体層を形成可能なものであれば特に制限されない。ここで「主面」とは必ずしも平坦な面であることを意味せず、例えばその表面に凹凸形状を有しているものであってもよく、傾斜している面であってもよい。基板として、具体的にはサファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、或いはこれらの混晶基板等が挙げられる。また、基板には不純物が混入していてもよい。基板の作製方法としては、昇華法やＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法:Hydride Vapor Phase Epitaxy）等の気層成長法や液相成長法等の一般的な基板成長法を適用することができる。
【００２０】
光取り出し効率向上の観点から、基板の絶対屈折率は１．７以上であることが好ましい。また同様に光取り出し効率向上の観点から、波長２６５ｎｍの光に対する吸収係数が３０ｃｍ−１以下であることが好ましい。このような基板材料としては、ＡｌＮやサファイアが挙げられるが特にこれらには限定されない。
窒化物半導体層は、基板の第１主面側に形成される。窒化物半導体層を形成する材料は特に限定されないが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮやこれらの混晶等が一例として挙げられる。
また窒化物半導体層は発光層を有していてもよい。殺菌用途等でのデバイス特性の観点から、中心発光波長（すなわち、発光層が発光する光の中心波長）が２３０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
発光効率向上の観点から、半導体積層部は、発光層を挟むように第１導電型の第１の窒化物半導体層と第２導電側の第２の窒化物半導体層とを有することが好ましい。紫外線を効率的に発光させる観点から、窒化物半導体層の各々の層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成されるものが好ましい。なお、「第１導電型」「第２導電型」とは、一方がｎ型導電型の場合は他方がｐ型導電型であることを意味する。すなわち、第１導電型がｎ型の場合は第２導電型がｐ型となり、第１導電型がｐ型の場合は第２導電型がｎ型となる。
【００２２】
第１の窒化物半導体層は、例えば、不純物でドープされた窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）、又は、不純物でドープされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）から構成されている。不純物としては、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が例示され、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が例示される。
例えば、第１の窒化物半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成される複数の層を有し、これら複数の層の少なくとも一部は発光層の格子パラメータに近づくように擬似格子整合的に歪まされている。又は、第１の窒化物半導体層は、一層又は複数の層のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）を有し、組成式のｘ、ｙが厚みと共に変化する（すなわち、厚み方向に沿って線形的または段階的に変化する）組成であってもよい。
【００２３】
第１の窒化物半導体層は基板上に形成され、第１の窒化物半導体層のうち、基板との界面を含む部位は、基板とほぼ同一の組成を有していることが好ましい。これにより、第１の窒化物半導体層の２次元の成長が促進され、不都合なアイランド形成を回避することができる。また、そのようなアイランド形成を回避することにより、第１の窒化物半導体層及び後続の成長層での不都合な弾性の歪み緩和が起こることを回避することができる。
発光層は、例えば多重量子井戸（以下、「ＭＱＷ」ともいう。）層を含む。ＭＱＷ層は、複数の量子井戸を含み、その量子井戸のそれぞれは、例えばＩｎＡｌＧａＮ、又は、ＡｌＧａＮから構成されている。一例を挙げると、ＭＱＷ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸を含み、その一方が他方の上に積層された構造を有する。ここで、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸のｘと、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸のｙは、互いに異なる値である。ｘとｙの差は、活性領域での電子及び正孔の良好な閉じ込めが得られるように十分に大きくなっていることが好ましい。これにより、放射性の再結合の、非放射性の再結合に対する比を高くすることができる。
【００２４】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸を含むＭＱＷ層において、ｘとｙの値を例示すると、ｘとｙとの差は約０．０５であり、ｘは約０．３５で、ｙは約０．４である。なお、ｘとｙの差が過度に大きい（例えば、約０．３より大きい）と、ＭＱＷ層の形成中に不都合なアイランド形成が起こってしまう。このため、ｘとｙの差は例えば０．３以下であることが好ましい。
また、ＭＱＷ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸の対を１周期として複数の周期を含んでいてよく、全体の厚み（すなわち、総厚）が約５０ｎｍ未満であってもよい。
【００２５】
また、発光層は任意の薄い電子ブロック（またはｎ型コンタクトがデバイスの上部に置かれている場合には正孔ブロック）層を有していてもよい。この電子ブロック層は、例えば、Ｍｇのような１つ以上の不純物でドーピングされたＡｌｘＧａ１−ｘＮから構成されていてもよい。電子ブロック層の厚みは、例えば約２０ｎｍである。
発光層上に形成される第２半導体層は、例えば、不純物でドープされたＩｎＡｌＧａＮ、又は、不純物でドープされたＡｌＧａＮから構成されている。不純物としては、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が例示され、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が例示される。
【００２６】
第２の窒化物半導体層はｎ型又はｐ型にドープされているが、第１の窒化物半導体層とは反対の導電性を有している。例えば、第１の窒化物半導体層がＳｉ等のｎ型不純物がドープされてｎ型の導電性を示している場合、第２の窒化物半導体層はＭｇ等のｐ型不純物がドープされてｐ型の導電性を示す。第２の窒化物半導体層の厚みは、例えば約５０ｎｍ以上約１００ｎｍ以下である。
また、第２の窒化物半導体層は、第２導電型にドープされた半導体材料を含むキャップ層を有していてもよい。
【００２７】
第２の窒化物半導体層がｐ型の導電性を示している場合、このキャップ層は、例えばＭｇでドープされたＧａＮを含み、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚み、好ましくは約５０ｎｍの厚みを有する。
窒化物半導体層は、第１電極部及び第２電極部を有してもよい。第１電極部及び第２電極部は、発光層に電力を供給するための電極である。第１電極部及び第２電極部のそれぞれの配置については特に制限されないが、窒化物半導体層がメサ型構造の場合、メサ頂部に第１電極部及び第２電極部の一方を配置し、メサ底部に第１電極部及び第２電極部の他方を配置する例が挙げられる。また、他には素子上面と下面とにそれぞれ第１電極部と第２電極部とを配置する例などがある。
【００２８】
一例を挙げると、第２電極部がメサ頂部の第２の窒化物半導体層に電気的に接続され、第１電極部がメサ底部の第１の窒化物半導体層に電気的に接続されている。また、窒化物半導体層は絶縁層で部分的に覆われている。この図示しない絶縁層により、第２電極部（すなわち、メサ頂部の第２の窒化物半導体層に電気的に接続する電極部）は発光層及びメサ底部の第１の窒化物半導体層から電気的に絶縁されている。
第１電極部及び第２電極部はそれぞれ導電性の材料からなり、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）又はそれらの組み合わせ等で構成されている。一例を挙げると、ｐ型の半導体層に接続する第１電極部はＮｉ／Ａｕ合金で構成されており、ｎ型の半導体層に接続する第２電極部はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕスタックで構成されている。第１電極部及び第２電極部は、例えばスパッタリング又は蒸着によって形成される。
【００２９】
また、第１電極部及び第２電極部は紫外線（ＵＶ：  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）反射器も含んでいてよい。ＵＶ反射器は、第１電極部及び第２電極部に向かって発光する光子を再度方向付けする（すなわち、光子が半導体積層部から逃げないようにする）こと及び、所望の発光面（例えば、底部表面）に向けて光子を再度方向付けることによって、デバイスの活性領域において生成される光子の抽出効率を改善するように設計される。
また紫外線発光素子は、殺菌等のアプリケーション、つまり殺菌等の処理を行う素子として用いるためには、波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の帯域に含まれる紫外線を発することが好ましい。
【００３０】
次に、本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置の具体的な様態を、図を用いて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３１】
＜本発明の一実施形態＞
図１は本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置１００の構成例を示す断面模式図である。
紫外線発光装置１００は、保持部１０と、基板２１及び窒化物半導体層２２を有する紫外線発光素子２０とを備える。基板２１は第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２を有し、第１主面Ｓ１側に窒化物半導体層２２が形成されている。保持部１０は凹部１０ａを備え、紫外線発光素子２０は保持部１０の凹部１０ａに収容され、凹部１０ａの底面１１上に、金スタンドバンプ３０を介して、基板２１の第１主面Ｓ１と凹部１０ａの底面１１とが向かい合うように配置される。
保持部１０の凹部１０ａの側面１２は、底面１１から延び、底面１１の延長面に対して第１の角度θ１を有する第１の側面１２ａと、第１の側面１２ａから延び、底面１１の延長面に対して第２の角度θ２を有する第２の側面１２ｂと、を有している。ここでは一例としてθ１＝９０°の場合を示している。
【００３２】
図２は紫外線発光装置１００に含まれる紫外線発光素子２０の構成例の一例を示す断面模式図である。紫外線発光素子は、基板２１と、窒化物半導体層２２とを有する。基板２１は第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２を有し、第１主面Ｓ１上に窒化物半導体層２２が形成されている。また窒化物半導体層２２はメサ型構造を有し、第１の窒化物半導体層２２ａと発光層２２ｂと第２の窒化物半導体層２２ｃとがこの順に積層され、メサ型構造の底部をなす第１の窒化物半導体層２２ａに第１電極部２２ｄが形成され、メサ型構造の頂部をなす第２の窒化物半導体層２２ｃに第２電極部２２ｅが形成されている。なお、この形態は本発明で用いた紫外線発光素子２０の一例を示したものであり、この形態のみに限定されるものではない。
【００３３】
このように、本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置１００によれば、凹部１０ａの側面１２を、底面１１に対して垂直に立ち上がる第１の側面１２ａと底面１１に対して紫外線発光素子２０側とは逆側に傾斜した第２の側面１２ｂとで形成している。そのため、紫外線発光素子２０の側面からの発光を第２の側面１２ｂで反射させて、紫外線発光装置１００の外部に取り出すことができる。
したがって、例えば図３に示す紫外線発光装置２００（第１の比較例）のように、凹部１０ａの側面１２が底面から垂直に延びる紫外線発光装置と比較して、発光出力のより高い紫外線発光装置１００が実現されることがわかる。なお、図３に示す紫外線発光装置２００は、側面１２の形状が異なること以外は、本発明の一実施形態における紫外線発光装置１００と同一である。
【００３４】
また、紫外線発光素子の側面から放射される光を効率良く取り出す方法として、一例として、紫外線発光素子が実装される保持部（パッケージ）の内側側面に反射用の斜面を形成し、側面から放射された光を斜面で反射させることで外部に取り出す方法が挙げられる。しかし、斜面を形成することで、紫外線発光素子を実装する部分の面積が狭くなり、実装に制限がかかる。またこの問題を避けるために紫外線発光素子の実装面積を大きくすると、装置全体が大型化するという問題が発生する。
【００３５】
本発明の一実施形態における紫外線発光装置１００では、紫外線発光素子２０の側面からの発光が当たりづらい第１の側面１２ａは垂直（θ１＝９０°）に形成している。そのため、図４に示す紫外線発光装置３００（第２の比較例）のように、凹部１０ａの側面１２が底面１１から一定の傾き（９０°）で立ち上がる場合と比較して、凹部１０ａの底面１１の面積をより広く確保することが可能となる。そのため、保持部１０の小型化を図ることができる。なお、図４に示す紫外線発光装置３００は、側面１２の形状が異なること以外は、本発明の一実施形態における紫外線発光装置１００と同一である。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明の一実施形態における紫外線発光装置を、実施例及び比較例を挙げてより具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する各実施例に限定されるものではない。
【００３７】
〔実施例１〕
まず、厚さ４５０μｍのＡｌＮ単結晶基板（２１）の第１主面（Ｓ１）上に、ＡｌＮ層を４μｍと、第１の窒化物半導体層２２ａとしてのＮ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を２μｍと、発光層２２ｂとしてのＡｌＧａＮ層と、さらに、第２の窒化物半導体層２２ｃとしてのＰ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とＰ型ＧａＮ層との積層体２００ｎｍと、を積層した。次に、この積層した膜を外部から電力を印加するためにメサ型構造に形成し、Ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層（第１の窒化物半導体層２２ａ）の表面の一部に第１電極部２２ｄを形成し、Ｐ型ＧａＮ層の表面の一部に第２電極部２２ｅを形成した。以上の工程を経て、紫外線発光素子パターンを有する半導体ウエハを用意した。
【００３８】
次に、凹部１０ａを有し、その底面１１上に第１電極部２２ｄ及び第２電極部２２ｅのパターンに対応したバンプ電極部（金スタンドバンプ３０）を有する保持部１０を用意した。保持部１０はセラミックからなり、複数の層を焼結することで形成した。保持部１０の凹部１０ａの側面１２は、底面１１から立ち上がる第１の側面１２ａと、第１の側面１２ａから延びる傾きの異なる第２の側面１２ｂとから構成した。
保持部１０の凹部１０ａの底面１１上に、基板２１の第１主面Ｓ１と保持部１０の底面１１とが向かい合うように紫外線発光素子２０を実装し、保持部１０の開口部をリッドで封止し、図１に示す紫外線発光装置１００を得た。
【００３９】
得られた紫外線発光装置１００の断面を走査型電子顕微鏡で確認したところ、第１の側面１２ａの底面１１に対する傾斜角度である第１の角度θ１は９０°であり、第２の側面１２ｂの底面１１に対する傾斜角度である第２の角度θ２は４５°であった。また、紫外線発光素子２０の端面から、第１の側面１２ａと底面１１との接合部までの最短距離、つまり、紫外線発光装置１００を基板２１の第２主面Ｓ２側から見たときの、紫外線発光素子２０から、第１の側面１２ａと底面１１との接合部までの間の最短距離Ｌ１は０.３ｍｍであった。また、凹部１０ａの底面１１から紫外線発光素子２０の発光層までの高さＬ２は０．０５ｍｍ、底面１１から、第１の側面１２ａと第２の側面１２ｂの接合部までの高さＬ３は０．２ｍｍであった。
【００４０】
［比較例１］
第２の角度が９０°であること、つまり、側面１２を底面１１に垂直な一つの面から形成すること以外は、実施例１と同様の方法により図３に示す紫外線発光装置２００を得た。
【００４１】
［比較例２］
第１の角度が４５°であること、つまり、側面１２を、底面１１に対する傾斜角度、つまり、凹部１０ａ側とは逆側の角度が４５°となる一つの面から形成すること以外は、実施例１と同様の方法により図４に示す紫外線発光装置３００を得た。
【００４２】
［実施例と比較例との比較］
実施例１に示す方法で作成した紫外線発光素子２０を、実施例１、比較例１及び比較例２で示す保持部１０に実装し、紫外線発光装置１００、２００、３００をそれぞれ５０個ずつ作製した。
各紫外線発光装置１００、２００、３００毎に、作製した紫外線発光装置を観察したところ、以下の結果を得た。
すなわち、比較例２における紫外線発光装置３００は、図４に示すように、底面１１の実装面積が他の紫外線発光装置１００、２００に比較して狭いため、実装良品収率が低下し、５０個中良品は３６個しか得られなかった。それに対し、実施例１及び比較例１は１００％の実装良品収率を得られた。
【００４３】
また、実施例１、比較例１及び比較例２で得られた紫外線発光装置１００〜３００のそれぞれに１００ｍＡの定電流を印加し、積分球により、各紫外線発光素子２０の中心波長である２３０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の波長の光強度を測定し、実施例１、比較例１、比較例２の紫外線発光装置１００〜３００それぞれについて、平均の光強度を比較した。比較例１の紫外線発光装置２００の平均の光強度を１とした場合、実施例１及び比較例２では、光強度が１．３倍に向上したことが確認された。以上の結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
2017130588.tif 000003
【００４５】
表１から、本発明の一実施形態に係る紫外線発光装置１００では、光取り出し効率が高いこと、また、実装の良品収率が高くすなわち小型化が可能となることが確認できた。ここで比較例２において、保持部１０の凹部１０ａの底面１１の面積を大きくすることで良品率は改善されると思われるが、この際には紫外線発光装置３００全体が大型化するという問題が新たに発生してしまう。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、計測機器や殺菌機器等に用いられる紫外線発光装置として用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  保持部
１０ａ  凹部
１１  底面
１２  側面
１２ａ  第１の側面
１２ｂ  第２の側面
２０  紫外線発光素子
２１  基板
２２  窒化物半導体層
２２ａ  第１の窒化物半導体層
２２ｂ  発光層
２２ｃ  第２の窒化物半導体層
２２ｄ  第１電極部
２２ｅ  第２電極部
３０  金スタンドバンプ
Ｓ１  第１主面
Ｓ２  第２主面
【図１】
2017130588.tif 000004
【図２】
2017130588.tif 000005
【図３】
2017130588.tif 000006
【図４】
2017130588.tif 000007