特許 6553541 深紫外発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6553541

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】深紫外発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/24 20100101AFI20190722BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/24

   H01L33/32

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-95537(P2016-95537)

(22)【出願日】2016年5月11日

(65)【公開番号】特開2017-204568(P2017-204568A)

(43)【公開日】2017年11月16日

【審査請求日】2018年11月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】酒井 遥人

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 紀隆

(72)【発明者】

【氏名】稲津 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】ペルノ シリル

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−２１６３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４７５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／００８７９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−３０８１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／２４

Ｈ０１Ｌ ３３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光取出面と、
前記光取出面上に設けられるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に設けられるｎ側電極と、
前記ｎ型半導体層上の前記ｎ側電極が設けられる領域とは異なる領域に設けられ、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の活性層と、
前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、
前記活性層の側面を被覆し、前記活性層が発する深紫外光に対して透明な保護層と、を備え、
前記活性層が発する深紫外光は、前記光取出面から外部へ出力され、
前記活性層の側面は、前記ｎ型半導体層と前記活性層の界面に対して傾斜し、その傾斜角が１５度以上５０度以下であり、
前記ｎ型半導体層の側面は、前記ｎ型半導体層と前記ｎ側電極の界面から前記光取出面までの範囲において、前記ｎ型半導体層と前記活性層の界面に対して垂直であることを特徴とする深紫外発光素子。

【請求項2】

前記光取出面を有するサファイア基板を備え、
前記ｎ型半導体層、前記活性層および前記ｐ型半導体層はＡｌＧａＮ系の半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。

【請求項3】

前記保護層は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、または、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の深紫外発光素子。

【請求項4】

前記活性層の側面の傾斜角θａは、前記活性層の屈折率ｎ_１を用いて、次式の関係を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の深紫外発光素子。

【数1】

【請求項5】

前記活性層の側面の傾斜角は、２０度以上４０度以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項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】

近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。このような深紫外光用の発光素子は、基板上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを有する。

【0003】

深紫外発光素子では、例えば、ｐ型クラッド層上の第１領域にｐ電極が形成され、第１領域と異なる第２領域において活性層およびｐ型クラッド層を除去してｎ型クラッド層が露出され、第２領域のｎ型クラッド層上にｎ電極が形成される。活性層が発する深紫外光は、基板の光取出面から出力される（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５５９４５３０号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Applied Physics Letters 84,5264 (2004)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＡｌＧａＮを用いる深紫外発光素子では、ＡｌＮ組成比によりＡｌＧａＮ結晶の光学特性が変化し、その特有の偏光特性に起因して光取出効率が低下するという課題が指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。特に、活性層のＡｌＮ組成比を高めてより短波長の深紫外光が出力可能な構成とした場合、活性層の界面に沿った方向に伝搬する光成分が増加し、活性層の界面と交差する方向に伝搬して基板の光取出面から外部に取り出し可能な光量が低下してしまう。

【0007】

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、深紫外発光素子の光取出効率を高める技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の深紫外発光素子は、光取出面と、光取出面上に設けられるｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に設けられ、バンドギャップが３．４ｅＶ以上の活性層と、活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。活性層が発する深紫外光は、光取出面から外部へ出力される。活性層の側面は、ｎ型半導体層と活性層の界面に対して傾斜し、その傾斜角が１５度以上５０度以下である。

【0009】

この態様によると、活性層の側面を傾斜させることで、活性層の界面に沿った方向に伝搬する深紫外光を活性層の側面で反射させ、活性層の界面と交差する方向に伝搬方向を変化させることができる。特に、側面の傾斜角を１５度以上５０度以下とすることにより、活性層の側面で反射された深紫外光の伝搬方向を光取出面から外部へ出力可能な方向に変化させることができる。これにより、光取出面から出力される深紫外光の光量を増やし、光取出効率を高めることができる。

【0010】

光取出面を有するサファイア基板を備え、ｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層はＡｌＧａＮ系の半導体層であってもよい。

【0011】

活性層の側面を被覆し、活性層が発する深紫外光に対して透明な保護層をさらに備えてもよい。

【0012】

活性層の側面の傾斜角θａは、活性層の屈折率ｎ_１を用いて、次式の関係を満たしてもよい。

【数1】

【0013】

活性層の側面の傾斜角は、２０度以上４０度以下であってもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、深紫外発光素子の光取出効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施の形態に係る深紫外発光素子の構成を概略的に示す断面図である。

【図2】深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。

【図3】深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。

【図4】深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。

【図5】深紫外発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。

【図6】比較例に係る深紫外発光素子のシミュレーション結果を示す図である。

【図7】実施例に係る深紫外発光素子のシミュレーション結果を示す図である。

【図8】側面の傾斜角と光取出面からの光出力量の関係を示すグラフである。

【図9】実施の形態に係る深紫外発光素子が奏する効果を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。

【0017】

図１は、実施の形態に係る深紫外発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。深紫外発光素子１０は、基板１２、第１ベース層１４、第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２、ｐ型クラッド層２４、ｐ側電極２６、ｎ側電極２８、保護層３０を備える。深紫外発光素子１０は、中心波長が約３５５ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成される半導体発光素子である。このような波長の深紫外光を出力するため、活性層２０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長が約３１０ｎｍ以下の深紫外光を発する場合について示す。

【0018】

本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。

【0019】

また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。

【0020】

基板１２は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。基板１２は、結晶成長面１２ａと、光取出面１２ｂとを有する。結晶成長面１２ａは、例えば、サファイア基板の（０００１）面であり、結晶成長面１２ａの上に第１ベース層１４および第２ベース層１６が積層される。第１ベース層１４は、ＡｌＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ）層である。第２ベース層１６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ−ＡｌＧａＮ）層である。

【0021】

基板１２、第１ベース層１４および第２ベース層１６は、ｎ型クラッド層１８から上の層を形成するための下地層（テンプレート）として機能する。またこれらの層は、活性層２０が発する深紫外光を外部に取り出すための光取出基板として機能し、活性層２０が発する深紫外光を透過する。したがって、活性層２０が発する深紫外光は基板１２の光取出面１２ｂから外部に出力される。光取出面１２ｂは、平坦面ではなく、サブミクロンないしサブミリ程度の微小な凹凸構造が形成されたテクスチャ面であってもよい。光取出面１２ｂにテクスチャ構造を形成することにより、光取出面１２ｂにおける反射ないし全反射を抑制して光取出効率を高めることができる。

【0022】

ｎ型クラッド層１８は、第２ベース層１６の上に設けられるｎ型半導体層である。ｎ型クラッド層１８は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層１８は、活性層２０が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層１８は、活性層２０が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層１８は、１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２００ｎｍ程度の厚さを有する。

【0023】

ｎ型クラッド層１８の第１領域Ｗ１の上にはｎ側電極２８が形成される。ｎ型クラッド層１８の第１領域Ｗ１とは異なる領域（第２領域Ｗ２および第３領域Ｗ３）の上には活性層２０が形成される。

【0024】

ｎ側電極２８は、ｎ型クラッド層１８の上に設けられ、第１領域Ｗ１に形成される。ｎ側電極２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、第１のＴｉ層が２０ｎｍ程度であり、Ａｌ層が１００ｎｍ程度であり、第２のＴｉ層が５０ｎｍ程度であり、Ａｕ層が１００ｎｍ程度である。

【0025】

なお、ｎ型クラッド層１８とｎ側電極２８の接触抵抗を下げるために、ｎ型クラッド層１８とｎ側電極２８の間にｎ型コンタクト層が設けられてもよい。ｎ型コンタクト層は、ｎ型クラッド層１８よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択されるｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料またはＧａＮ系半導体材料で構成されてもよい。ｎ型コンタクト層は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下であることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が１０％以下であることがより望ましい。

【0026】

活性層２０は、ｎ型クラッド層１８の上に設けられる。活性層２０は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ｎ型クラッド層１８と電子ブロック層２２に挟まれてダブルヘテロ接合構造を構成する。活性層２０は、単層もしくは多層の量子井戸構造を構成してもよい。このような量子井戸構造は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成されるバリア層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層とを積層させることにより形成できる。活性層２０は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、波長３１０ｎｍ以下の深紫外光を出力できるように組成比が選択される。

【0027】

電子ブロック層２２は、活性層２０の上に設けられるｐ型半導体層である。電子ブロック層２２は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。電子ブロック層２２は、活性層２０、ｐ型クラッド層２４よりもＡｌＮのモル分率が高くなるように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２２は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層２２は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。

【0028】

ｐ型クラッド層２４は、電子ブロック層２２の上に設けられるｐ型半導体層である。ｐ型クラッド層２４は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、例えば、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層２４は、活性層２０よりもＡｌＮのモル分率が高く、電子ブロック層２２よりもＡｌＮのモル分率が低くなるように組成比が選択される。ｐ型クラッド層２４は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。

【0029】

ｐ側電極２６は、ｐ型クラッド層２４の上に設けられ、第２領域Ｗ２に形成される。ｐ側電極２６は、ｐ型クラッド層２４との間でオーミック接触が実現できる材料で形成され、例えば、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造により形成される。各金属層の厚さは、例えば、Ｎｉ層が６０ｎｍ程度であり、Ａｕ層が５０ｎｍ程度である。

【0030】

なお、ｐ型クラッド層２４とｐ側電極２６の接触抵抗を下げるために、ｐ型クラッド層２４とｐ側電極２６の間にｐ型コンタクト層が設けられてもよい。ｐ型コンタクト層は、ｐ型クラッド層２４よりもＡｌ含有率が低くなるように組成比が選択されるｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料またはＧａＮ系半導体材料で構成されてもよい。ｐ型コンタクト層は、ＡｌＮのモル分率が２０％以下であることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が１０％以下であることがより望ましい。

【0031】

活性層２０、電子ブロック層２２およびｐ型クラッド層２４は、側面３２（メサ面）が傾斜するように構成されている。この傾斜した側面３２は、ｎ側電極２８が形成される第１領域Ｗ１とｐ側電極２６が形成される第２領域Ｗ２の間の第３領域Ｗ３に位置する。側面３２は、ｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９に対して傾斜角θａを有するように形成される。側面３２を傾斜させることにより、活性層２０（例えば点Ｓ）が発する深紫外光Ｌを側面３２で反射させ、基板１２の光取出面１２ｂに向かうようにする。

【0032】

側面３２の傾斜角θａは、１５度以上５０度以下となるように構成され、好ましくは２０度以上４０度以下となるように構成される。側面３２の傾斜角θａをこのような角度範囲に設定することにより、光取出面１２ｂから出力される深紫外光の光量を増やし、光取出効率を高めることができる。このような角度範囲が好ましい理由については、別途後述する。

【0033】

側面３２は、保護層３０により被覆される。保護層３０は、活性層２０が発する深紫外光に対して透明な絶縁材料で構成される。保護層３０として、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを用いることができる。保護層３０は、深紫外光に対する屈折率が低い材料で構成されることが好ましく、上記材料の中ではＳｉＯ_２（屈折率１．４）が好ましい。保護層３０の屈折率を低くし、活性層２０との屈折率差を大きくすることで、側面３２にて全反射が生じる角度範囲を大きくして側面３２での深紫外光の反射率を高めることができる。また、保護層３０に透明材料を用いることで、保護層３０が深紫外光を吸収することによる損失を低減できる。

【0034】

つづいて、図２〜図５を参照しながら深紫外発光素子１０の製造方法について述べる。まず、図２に示すように、基板１２の上に第１ベース層１４、第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２、ｐ型クラッド層２４を順に積層させる。ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される第２ベース層１６、ｎ型クラッド層１８、活性層２０、電子ブロック層２２およびｐ型クラッド層２４は、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

【0035】

次に、図３に示すように、ｐ型クラッド層２４の上にマスク層４０を形成する。マスク層４０は、ｐ型クラッド層２４の第２領域Ｗ２および第３領域Ｗ３の上に形成される。マスク層４０は、第３領域Ｗ３において所定の傾斜角θｂを有するように形成される。マスク層の傾斜角θｂは、レジストを露光してマスクパターンを形成した後のレジストのポストベーク温度を制御することにより調整できる。例えば、レジストのポストベーク温度を低くすることでマスク層４０の傾斜角θｂを大きくでき、レジストのポストベーク温度を高くすることでマスク層４０の傾斜角θｂを小さくできる。使用するレジストの材料にもよるが、例えば、ポストベーク温度を１００℃〜２００℃の間で調整することにより、マスク層４０の傾斜角θｂを７０度〜２０度の間で調整できる。

【0036】

つづいて、図４に示すように、マスク層４０の上から活性層２０、電子ブロック層２２およびｐ型クラッド層２４をエッチングする。図４では、エッチング前の構造を破線で示し、エッチング後の構造を実線で示している。マスク層４０および各半導体層は、反応性イオンエッチングやプラズマ等を用いてドライエッチングされ、マスク層４０の傾斜角θｂに対応した傾斜角θａを有する側面３２が形成される。このドライエッチング工程は、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａが露出するまで行われる。ｎ型クラッド層１８の上面１８ａは、ｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９と同じ高さとなるように形成されてもよいし、界面１９よりも低い位置となるように形成されてもよい。後者の場合、ｎ型クラッド層１８の一部がこのエッチング工程により除去されてもよい。

【0037】

側面３２の傾斜角θａは、マスク層４０の傾斜角θｂ、マスク層４０および半導体層のエッチング速度により決定される。例えば、各半導体層よりもマスク層４０のエッチング速度が相対的に大きい場合、側面３２の傾斜角θａはマスク層４０の傾斜角θｂよりも小さくなる。その結果、マスク層４０の傾斜角θｂを２０度〜７０度の範囲で調整することにより、側面３２の傾斜角θａが１５度〜５０度の範囲内で調整することができる。なお、傾斜角θａが１５度未満となるような均一な側面３２を形成することは製造上難しく、均一な傾斜角θａを有する側面３２を形成するためには、傾斜角θａを１５度以上とする必要があり、２０度以上とすることが好ましい。

【0038】

次に、ｐ型クラッド層２４の上に残るマスク層４０を除去した後、図５に示すように、保護層３０が形成される。保護層３０は、少なくとも、活性層２０、電子ブロック層２２およびｐ型クラッド層２４の側面３２を被覆するように設けられる。保護層３０は、側面３２にて深紫外光を好適に反射ないし全反射できる程度に厚く形成されることが好ましく、例えば、２０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さとすることができる。

【0039】

保護層３０は、第１領域Ｗ１および第３領域Ｗ３に設けたマスクの上から形成することにより、側面３２の上に選択的に形成してもよい。その他、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａ、側面３２、ｐ型クラッド層２４の上面２４ａの全面を被覆するように保護層を形成した後に、第１領域Ｗ１および第３領域Ｗ３に対応する部分を除去してもよい。後者の場合、例えば、プラズマ等を用いたドライエッチングにより保護層の一部を除去してもよいし、フッ化水素酸（ＨＦ）等を用いたウェットエッチングにより保護層の一部を除去してもよい。

【0040】

つづいて、第１領域Ｗ１に露出するｎ型クラッド層１８の上面１８ａの上にｎ側電極２８が形成され、第２領域Ｗ２に露出するｐ型クラッド層２４の上面２４ａの上にｐ側電極２６が形成される。なお、ｎ型クラッド層１８の上面１８ａにｎ型コンタクト層を形成し、ｎ型コンタクト層の上にｎ側電極２８を形成してもよい。同様に、ｐ型クラッド層２４の上面２４ａの上にｐ型コンタクト層を形成し、ｐ型コンタクト層の上にｐ側電極２６を形成してもよい。以上の工程により、図１に示す深紫外発光素子１０ができあがる。

【0041】

つづいて、本実施の形態に係る深紫外発光素子１０が奏する効果について説明する。
図６は、比較例に係る深紫外発光素子のシミュレーション結果を示す図であり、側面３２の傾斜角θａが７０度の場合の光線追跡の結果を示す。図示されるように、側面３２に向かう光線の多くが保護層３０の外面３０ａから外に漏れ出しており、側面３２に反射された後にｎ型クラッド層１８に向かう光線の割合が極めて小さいことが分かる。このように、側面３２の傾斜角θａが大きい場合には、側面３２に向かう深紫外光を基板１２の光取出面１２ｂから取り出すことができない。

【0042】

図７は、実施例に係る深紫外発光素子のシミュレーション結果を示す図であり、側面３２の傾斜角θａが３０度の場合の光線追跡の結果を示す。図示されるように、側面３２に向かう光線の一部は保護層３０の外面３０ａから外に漏れ出すものの、側面３２に向かう光線の多くは側面３２または保護層３０の外面３０ａにおいて反射され、ｎ型クラッド層１８に向かっている。また、ｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９に入射する光線の入射角が小さいため、基板１２の光取出面１２ｂにて全反射されることなく外部に取り出すことができる。このように、側面３２の傾斜角θａを小さくすることによって、側面３２に向かう深紫外光の一部を基板１２の光取出面１２ｂから取り出すことができる。

【0043】

図８は、側面３２の傾斜角θａと光取出面１２ｂの光出力量の関係を示すグラフである。このグラフは、上述の深紫外発光素子１０の構造を模したモデルに対して光線追跡によるシミュレーションを実行し、光取出面１２ｂからの光出力量を計算して求めた。計算モデルとして、４００μｍ厚のサファイア基板（屈折率１．８３）、２μｍ厚のＡｌＮベース層（屈折率２．１）、２μｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮ層（屈折率２．３）、５００ｎｍ厚の活性層（屈折率２．５６）を積層させ、活性層の上にｐ型半導体層を模した全吸収体を境界層として配置した。活性層の側面を傾斜させ、傾斜面の上に酸化シリコン層（屈折率１．４）を配置した。活性層の側面の傾斜角θａを２０度〜９０度の範囲で変化させ、サファイア基板から出力される光出力量を求めた。グラフの縦軸は、傾斜角θａ＝７０度のときの光出力量を１とした相対値である。

【0044】

図示されるように、傾斜角θａが６０度〜９０度の範囲では、光出力量が相対的に低い一方で、傾斜角θａが２０度〜５０度の範囲では、光出力量が５％〜８％程度増加していることが分かる。このシミュレーション結果より、活性層２０の側面３２の傾斜角θａを５０度以下とすることにより、光取出効率を高めることができることが分かる。

【0045】

図９は、実施の形態に係る深紫外発光素子１０が奏する効果を模式的に示す図であり、活性層２０から生じる深紫外光が伝搬する様子を模式的に示す。以下、本図を用いながら、傾斜角θａが５０度以下となる場合に光取出効率が高められる理由について考察する。

【0046】

活性層２０の任意の地点Ｓで生じる深紫外光は、主にｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９または活性層２０と電子ブロック層２２の界面に向かう。ｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９に入射する深紫外光の一部は、基板１２の光取出面１２ｂに向かって伝搬し、光取出面１２ｂから外部へ出力される。また、界面１９に入射する深紫外光の別の一部は、界面１９で反射して活性層２０の内部を伝搬し、側面３２に向かう。

【0047】

このとき、活性層２０で生じる深紫外光がどの方向に伝搬されるかは、主に波源Ｓでの出射方向と深紫外発光素子１０を構成する各層の屈折率により決まる。ｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９に入射する深紫外光の入射角をθ_１とし、活性層２０の屈折率をｎ_１とすると、θ_１＜ｓｉｎ^−１（１／ｎ_１）＝θ_Ｃ１の関係を満たす深紫外光であれば、光取出面１２ｂから深紫外発光素子１０の外部に出力される。このときの臨界角θ_Ｃ１（以下、第１臨界角θ_Ｃ１ともいう）は、活性層２０がＡｌＧａＮ系半導体材料であり、屈折率ｎ_１＝２．４〜２．６程度であれば、第１臨界角θ_Ｃ１＝２２〜２５度程度である。この第１臨界角θ_Ｃ１よりも入射角θ_１が小さければ、光取出面１２ｂにおいて全反射が生じずに深紫外光が光取出面１２ｂから外に出力される。

【0048】

ｎ型クラッド層１８と活性層２０の界面１９では全反射が生じるため、所定範囲の入射角θ_１を有する深紫外光は、界面１９からｎ型クラッド層１８に出力されない。ＡｌＧａＮ系半導体材料の屈折率は、ＡｌＮ組成比が高い（つまり、バンドギャップが高い）ほど屈折率が低くなる傾向にあり、ＡｌＮ組成比が相対的に低い活性層２０の屈折率ｎ_１よりもＡｌＮ組成比が相対的に高いｎ型クラッド層１８の屈折率ｎ_２の方が低い。例えば、ＡｌＮ組成比が４０％以上のｎ型クラッド層１８であれば、その屈折率ｎ_２＝２．２〜２．３程度である。この値を用いれば、界面１９における臨界角θ_Ｃ２（以下、第２臨界角θ_Ｃ２ともいう）は、θ_Ｃ２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＝５８〜７３度程度となる。

【0049】

以上より、界面１９に入射する深紫外光の入射角θ_１が第１臨界角θ_Ｃ１よりも小さい場合、光線Ｌ_０で示されるように、光取出面１２ｂから外に深紫外光が出力される。一方、界面１９に入射する深紫外光の入射角θ_１が第２臨界角θ_Ｃ２より大きい場合には界面１９にて全反射し、光線Ｌ_１で示されるようにして側面３２に向かう。このとき、側面３２に入射する深紫外光の入射角θ_２は、界面１９での入射角（または反射角）θ_１と側面３２の傾斜角θａを用いて、幾何学的にθ_２＝｜θ_１−θａ｜と表すことができる。

【0050】

側面３２にて反射される深紫外光は、側面３２の傾斜角θａに応じて向きを変え、光線Ｌ_２で示されるように界面１９に入射角θ_３で再入射する。また、光線Ｌ_４で示されるように、側面３２にて反射されずに保護層３０を透過し、保護層３０の外面３０ａで反射される深紫外光も同じ入射角θ_３で界面１９に再入射する。このときの再入射角θ_３は、界面１９での最初の入射角（または反射角）θ_１と側面３２の傾斜角θａを用いて、幾何学的にθ_３＝｜θ_１−２θａ｜と表すことができる。

【0051】

このとき、界面１９への再入射角θ_３が上述の第１臨界角θ_Ｃ１よりも小さい場合、光線Ｌ_３で示すように、光取出面１２ｂから外に深紫外光が出力される。つまり、｜θ_１−２θａ｜＜θ_Ｃ１の条件（以下、光取出条件ともいう）を満たす最初の入射角θ_１が存在するような傾斜角θａであれば、活性層２０の側面３２に向かう深紫外光を光取出面１２ｂから外部に取り出すことができるようになる。このような傾斜角θａの条件は、以下の式（１）により表すことができる。

【数2】

【0052】

上記式（１）の右辺を屈折率ｎ_１＝２．４〜２．６として計算すれば、５６〜５８度程度となる。したがって、この上限角よりも傾斜角θａを小さくすれば、上述の光取出条件を満たす深紫外光を生じさせることができ、さらに、傾斜角θａをより小さくすることで、光取出条件を満たすこととなる入射角θ_１の角度範囲を広げることができる。以上の考察より、側面３２の傾斜角θａは、５０度以下とすることが好ましく、４０度以下とすることがより好ましいと言える。例えば、傾斜角θａ＝４０度の場合、入射角θ_１が６３度以上となる深紫外光、つまり、界面１９にて全反射される深紫外光の大部分を第１臨界角θ_Ｃ１よりも小さい再入射角θ_３で界面１９に入射させることができる。

【0053】

活性層２０にて生じる深紫外光の出力方向は、活性層２０のＡｌＮ組成比により異なる。特に短波長の深紫外光（３１０ｎｍ以下）を出力するために活性層２０のＡｌＮ組成比を高めると、界面１９に垂直な方向の光成分が減少し、界面１９に沿った方向の光成分が増加する傾向にある。本実施の形態によれば、側面３２の傾斜角θａを適切に設定することで、界面１９により反射ないし全反射されてしまうために光取出面１２ｂに向かうことのできない深紫外光の向きを適切に変化させることができる。したがって、本実施の形態によれば、特に短波長の深紫外光を出力する深紫外発光素子１０において、光取出面１２ｂからの光取出効率を高めることができる。

【0054】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

【符号の説明】

【0055】

１０…深紫外発光素子、１２…基板、１２ｂ…光取出面、１８…ｎ型クラッド層、１９…界面、２０…活性層、２２…電子ブロック層、２４…ｐ型クラッド層、２６…ｐ側電極、２８…ｎ側電極、３０…保護層、３２…側面、Ｗ１…第１領域、Ｗ２…第２領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】