特許 6573076 紫外線発光素子

(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】6573076

(24)【登録日】2019年8月23日

(45)【発行日】2019年9月11日

(54)【発明の名称】紫外線発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20190902BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/32

【請求項の数】8

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-16987(P2016-16987)

(22)【出願日】2016年2月1日

(65)【公開番号】特開2017-139252(P2017-139252A)

(43)【公開日】2017年8月10日

【審査請求日】2019年1月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100087767

【弁理士】

【氏名又は名称】西川 惠清

(74)【代理人】

【識別番号】100155756

【弁理士】

【氏名又は名称】坂口 武

(74)【代理人】

【識別番号】100161883

【弁理士】

【氏名又は名称】北出 英敏

(74)【代理人】

【識別番号】100167830

【弁理士】

【氏名又は名称】仲石 晴樹

(72)【発明者】

【氏名】高野 隆好

(72)【発明者】

【氏名】美濃 卓哉

(72)【発明者】

【氏名】阪井 淳

(72)【発明者】

【氏名】野口 憲路

(72)【発明者】

【氏名】平山 秀樹

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／１５１４７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−５５２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８７５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−６５２４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型ＡｌＧａＮ層、発光層、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の順に並んでいる積層体と、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ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、
前記第２の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、
前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、
前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく、
前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ｍｇを含有しており、
前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＭｇの最大濃度が高く、
前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さ方向において、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含む、
ことを特徴とする紫外線発光素子。

【請求項2】

前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の前記厚さ方向の途中においてＭｇの濃度が極大となる、
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】

前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の前記厚さ方向に沿ったＭｇの濃度プロファイルでは、Ｍｇの濃度の極大値が３×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高く６×１０²⁰ｃｍ^-3よりも低い、
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】

前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の前記正電極側の領域である最表層領域のＭｇの濃度は、前記極大値よりも高い、
ことを特徴とする請求項３記載の紫外線発光素子。

【請求項5】

前記最表層領域の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項４記載の紫外線発光素子。

【請求項6】

前記濃度プロファイルでは、前記最表層領域のＭｇの濃度の最大値が６×１０²⁰ｃｍ^-3以上８×１０²⁰ｃｍ^-３以下である、
ことを特徴とする請求項５記載の紫外線発光素子。

【請求項7】

前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の前記厚さ方向においてＭｇの濃度が高くなるにつれて大きくなる、
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、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２の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７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、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】

ｐ型ＡｌＧａＮ層を電極とのコンタクト層とする紫外線発光素子においては、長寿命化が望まれている。

【0007】

本発明の目的は、長寿命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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の順に並んでいる積層体と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ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、前記第２の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。前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きい。前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きい。前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ｍｇを含有している。前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＭｇの最大濃度が高い。前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さ方向において、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含む。

【発明の効果】

【0009】

本発明の紫外線発光素子は、長寿命化を図ることが可能と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、本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子の厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルの模式的な説明図である。

【図3】図３は、一実施例に係る紫外線発光素子の厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルである。

【図4】図４は、本発明の一実施形態の変形例１に係る紫外線発光素子の厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルの模式的な説明図である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態の変形例２に係る紫外線発光素子の厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルの模式的な説明図である。

【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、２，４及び５は、模式的な図であり、図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。また、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、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

【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及び２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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２の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、第２の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】

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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２の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は、基板１とｎ型ＡｌＧａＮ層３との間に介在するバッファ層（buffer layer）２を備えるのが好ましい。紫外線発光素子１０では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５が、電子ブロック層（electron blocking layer）を構成している。電子ブロック層は、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。

【0015】

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。

【0016】

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、これらの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、Ｓｉがドーピングされており、Ｓｉを含有している。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、Ｍｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。

【0017】

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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２の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、第２の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。

【0018】

紫外線発光素子１０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及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａを含む。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、第２の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第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６が、ｐ型コンタクト層を兼ねている。

【0019】

紫外線発光素子１０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の部位３ａａの一部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、ＳｉＯ_２等である。

【0020】

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。

【0021】

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法による組成分析で求めた値に限らない。例えば、組成比は、Ｘ線回折測定から得られる格子定数を基に、ベガード則（Vegard’s law）を用いて求めた大凡の値でもよい。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。

【0022】

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。

【0023】

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は、井戸層４１を構成する第１のＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比を０．４５としてある。つまり、第１のＡｌＧａＮ層は、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ層である。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。

【0024】

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°〜０．５°であるのが好ましく、０．０５°〜０．４°であるのがより好ましく、０．１°〜０．３°であるのが更に好ましい。紫外線発光素子１０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。

【0025】

基板１の一表面１ａ上に設けられている積層体２０は、バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６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されている。

【0026】

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。

【0027】

バッファ層２は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２の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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２の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。

【0028】

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。バッファ層２は、ＡｌＮ層により構成されているのが好ましい。

【0029】

紫外線発光素子１０では、バッファ層２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、５×１０⁹ｃｍ^-3以下であるのが好ましい。また、紫外線発光素子１０では、バッファ層２が厚すぎると、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、バッファ層２の厚さは、例えば、０．５μｍ以上６μｍ以下であるのが好ましい。なお、基板１は、サファイア基板の場合、所謂ＰＳＳ（patterned sapphire substrate）でもよい。基板１がＰＳＳの場合、バッファ層２の厚さは、例えば、４μｍ以上１５μｍ以下であるのが好ましい。

【0030】

紫外線発光素子１０は、バッファ層２を第１のバッファ層とし、第１のバッファ層とｎ型ＡｌＧａＮ層３との間に介在する第２のバッファ層を更に備えていてもよい。第２のバッファ層は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３よりもＡｌの組成比が大きく第１のバッファ層との格子定数差の小さなＡｌＧａＮ層であるのが好ましい。より詳細には、第２のバッファ層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０．８５≦ｘ＜１）により構成されているのが好ましい。第２のバッファ層の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましい。

【0031】

紫外線発光素子１０では、バッファ層２のバンドギャップエネルギが、発光層４の複数の井戸層４１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。

【0032】

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、ｎ型ＡｌＧａＮ層３において紫外線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。

【0033】

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り、しかも、ｎ型ＡｌＧａＮ層３と負電極８との接触抵抗が増大して駆動電圧が上昇する弊害も生じやすくなる。

【0034】

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。

【0035】

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ったり、基板１の反り量が増大する弊害が生じたりすることがある。

【0036】

なお、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。

【0037】

積層体２０の厚さ方向においてｎ型ＡｌＧａＮ層３と第２の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。

【0038】

発光層４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。

【0039】

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、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ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、Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ層である。

【0040】

複数の井戸層４１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、井戸層４１と障壁層４２との格子不整合から生じるピエゾ電界（piezoelectric field）により、電子と正孔が井戸層４１の両端（第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６側とｎ型ＡｌＧａＮ層３側）に分離してしまうため、再結合確率が低下してしまうためであると推考される。

【0041】

障壁層４２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、井戸層４１への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。

【0042】

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。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。

【0043】

発光層４と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６との間に介在している第１のｐ型ＡｌＧａＮ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電子ブロック層を構成している。言い換えれば、第１のｐ型ＡｌＧａＮ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、第２の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。

【0044】

第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５は、その成長時にＭｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６よりもＡｌの組成比が大きいのが好ましい。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５のＡｌの組成比は、一例として、０．９０としてあるが、この数値に限定されない。

【0045】

第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５の厚さについては、第１のｐ型ＡｌＧａＮ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。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇの最大濃度は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの最大濃度よりも低い。これにより、紫外線発光素子１０では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５の結晶性を向上させることが可能となる。

【0046】

第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５（電子ブロック層）は、単層構造に限らない。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５（電子ブロック層）は、例えば、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６よりもＡｌの組成比が大きい第３のｐ型ＡｌＧａＮ層と、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が小さくかつ第２のＡｌＧａＮ層（障壁層４２）よりもＡｌの組成比の大きな第４のｐ型ＡｌＧａＮ層とが交互に積層された積層構造でもよい。一例として、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５は、発光層４側から順に、厚さ７ｎｍのｐ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ｎ層（第３のｐ型ＡｌＧａＮ層）、厚さ２ｎｍのｐ型Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ層（第４のｐ型ＡｌＧａＮ層）、厚さ７ｎｍのｐ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ｎ層（第３のｐ型ＡｌＧａＮ層）が積層された積層構造である。

【0047】

第２の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。第２の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。

【0048】

第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、その成長時にＭｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＡｌの組成比は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６において紫外線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。ここで、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）よりもＡｌの組成比が大きく、かつ、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５よりもＡｌの組成比が小さい。井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）のＡｌの組成比が０．４５、障壁層４２（第２のＡｌＧａＮ層）のＡｌの組成比が０．６０の場合、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＡｌの組成比は、例えば、０．６０であるのが好ましい。すなわち、井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）がＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ層からなる場合、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、ｐ型Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ層であるのが好ましい一例である。

【0049】

第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さは、紫外線発光素子１０の駆動電圧を低減する観点から、３００ｎｍ以下が好ましく、２００ｎｍ以下がより好ましい。また、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さは、電気的特性の面内ばらつきを小さくする観点から、２０ｎｍ以上であるのが好ましく、３０ｎｍ以上であるのがより好ましい。

【0050】

紫外線発光素子１０の厚さ方向における第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの最大濃度は、同厚さ方向における第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５（電子ブロック層）のＭｇの最大濃度よりも高い。見方を変えれば、紫外線発光素子１０では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇの最大濃度は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの最大濃度よりも低い。これにより、紫外線発光素子１０は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５から発光層４へのＭｇの拡散を抑制することが可能となり、発光層４に欠陥が生じるのを抑制することが可能となる。

【0051】

第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、図２に示すように、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含んでいる。図２は、紫外線発光素子１０の厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルの模式的な説明図であり、ＳＩＭＳにより測定されるＭｇの濃度の深さプロファイルに対応している。ここで、図２では、横軸をＭｇの濃度とし、縦軸を発光層４からの距離（紫外線発光素子１０の厚さ方向における発光層４からの距離）としてあるので、発光層４からの距離が最も長い点を基準として見れば、Ｍｇの濃度の深さプロファイルと対応している。紫外線発光素子１０では、図２に示すように、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向の途中においてＭｇの濃度が極大となっている。Ｍｇの濃度の極大値は、１×１０²⁰ｃｍ^-3以上６×１０²⁰ｃｍ^-３未満であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの濃度の極大値が１×１０²⁰ｃｍ^-3未満の場合、発光効率が低下する傾向にある。これは、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の正孔の注入性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、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層７のＭｇの濃度の極大値が１×１０²⁰ｃｍ^-3未満の場合、正電極９と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６とのオーミック接触が得られなくなったり、接触抵抗が高くなる傾向にある。また、紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの濃度の極大値が６×１０²⁰ｃｍ^-3以上の場合、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性が低下する傾向にある。

【0052】

第２の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、Ｍｇの濃度の極大値が３×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高く６×１０²⁰ｃｍ^-3よりも低いのが好ましい。図２では、Ｍｇの濃度の極大値とＭｇの最大濃度とが同じである。

【0053】

本願発明者らは、紫外線発光素子１０を開発する際に、紫外線発光素子１０と同様の構成を有する参考例の紫外線発光素子を評価用サンプルとして複数作製し、高温通電試験（加速試験）を行った。参考例の紫外線発光素子の基本構成は、本実施形態の紫外線発光素子１０と同様であり、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層の厚さ方向におけるＭｇの濃度を一定として、Ｍｇの濃度を１×１０²⁰ｃｍ^-3としてある点が相違する。高温通電試験では、温度を１００℃、通電電流を３０ｍＡとした。また、高温通電試験では、参考例の紫外線発光素子からの光出力を、積分球及び分光器を利用して測定した。そして、本願発明者らは、通電しても数時間で光出力が急激に低下してしまう評価用サンプルが多いという知見を得た。

【0054】

これに対して、紫外線発光素子１０における第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向において、Ｍｇの濃度が一定ではなく、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含んでいる。よって、紫外線発光素子１０では、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の導電性の向上を図りながらも、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。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６に関し、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が漸増しているが、これに限らず、例えば、段階的に増加していてもよい。

【0055】

負電極８は、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とｎ型ＡｌＧａＮ層３との接触は、オーミック接触であるのが好ましい。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。

【0056】

正電極９は、第２の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と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６との接触は、オーミック接触であるのが好ましい。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）を第２の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、Ｎｉ層及びＡｕ層の厚さは、それぞれ、２０ｎｍ、１５０ｎｍである。

【0057】

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、Ｔｉ膜と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。

【0058】

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、Ｔｉ膜と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。

【0059】

紫外線発光素子１０は、ＵＶ−Ｃの波長域に限らず、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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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、Ｎ₂ガス、Ｈ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガス等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、バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、障壁層４２（第２のＡｌＧａＮ層）、井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６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。「Ｖ／III比」とは、III族元素の原料ガス（Ａｌの原料ガス、Ｇａの原料ガス、Ｉｎの原料ガス）の合計のモル供給量［μmol/min］に対するＶ族元素であるＮの原料ガスのモル供給量［μmol/min］との比である。「成長圧力」とは、各原料ガス及び各キャリアガスをＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に供給している状態における反応炉内の圧力である。

【0063】

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。

【0064】

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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６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。

【0065】

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。

【0066】

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、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。

【0067】

紫外線発光素子１０の製造方法では、上述の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層の積層構造を有する第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、特に限定するものではない。

【0068】

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層との積層構造を有する第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と第２の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、特に限定するものではない。

【0069】

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およ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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

以下、一実施例の紫外線発光素子１０について説明する。

【0073】

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。

【0074】

バッファ層２は、厚さ４μｍのＡｌＮ層である。

【0075】

ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ層である。

【0076】

発光層４における井戸層４１（第１のＡｌＧａＮ層）は、厚さ２ｎｍのＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ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Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ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。

【0077】

第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５（電子ブロック層）は、発光層４側から順に、厚さ７ｎｍのｐ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ｎ層、厚さ２ｎｍのｐ型Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ層、厚さ７ｎｍのｐ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ｎ層が積層された３層構造である。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、厚さ方向におけるＭｇの濃度の最大値が２×１０²⁰ｃｍ^-3である。

【0078】

第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、厚さ５０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎ層である。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、厚さ方向におけるＭｇの濃度の最大値が５×１０²⁰ｃｍ^-3である。

【0079】

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。

【0080】

バッファ層２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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

第１のｐ型ＡｌＧａＮ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。

【0084】

第２の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。

【0085】

図３は、一実施例の紫外線発光素子１０の厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルである。より詳細には、図３は、一実施例の紫外線発光素子１０に関し、ＳＩＭＳにより測定した第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａから深さ方向へのＭｇの濃度プロファイルの測定結果である。なお、図３は、横軸を第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の表面６ａからの深さとし、左側の縦軸をＭｇの濃度とし、右側の縦軸を二次イオン強度としてあり、標準試料により定量規格化処理を行った後のＭｇの濃度プロファイルと、Ａｌ及びＮそれぞれの二次イオン強度の深さプロファイルと、を示したグラフである。濃度の単位の表記において、「atoms／ｃｍ³」と「ｃｍ^-3」とは同じ意味である。

【0086】

本願発明者らは、ＳＩＭＳによる、Ｍｇの濃度の、深さプロファイルの測定結果から、紫外線発光素子１０における、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５から発光層４へのＭｇの拡散が抑制されていることを確認した。紫外線発光素子１０は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇの最大濃度を第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の最大濃度よりも低くすることにより、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５から発光層４へのＭｇの拡散が抑制され、発光層４に欠陥が生じるのを抑制することが可能となる。これにより、紫外線発光素子１０では、長寿命化を図れる、と推考される。

【0087】

下記の表１に、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向におけるＭｇの最大濃度と、紫外線発光素子１０の特性（光出力、駆動電圧及び光出力維持率）との関係を示す。

【0088】

【表1】

【0089】

表１において、「光出力」は、紫外線発光素子１０に２０ｍＡの定電流を通電したときの紫外線発光素子１０の光出力であり、積分球及び分光器を利用して測定した値である。また、表１において、「駆動電圧」は、紫外線発光素子１０に２０ｍＡの定電流を５ｍｓｅｃだけ流したときの順方向電圧降下（Ｖｆ）である。また、表１において、「光出力維持率」は、紫外線発光素子１０に高温通電試験を行ったときの光出力の初期値に対する２４時間通電後の光出力の割合である。高温通電試験では、温度を１００℃、通電電流を３０ｍＡとした。また、高温通電試験では、紫外線発光素子１０からの光出力を、積分球及び分光器を利用して測定した。紫外線発光素子１０では、光出力維持率が高いほど、長寿命であると推考される。「寿命」は、例えば、温度を１００℃、電流を３０ｍＡとした高温通電試験（加速試験）を行ったときに、光出力が初期値から初期値の７０％の値に低下するまでの時間として定義できる。

【0090】

表１から分かるように、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向におけるＭｇの最大濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3の場合、１５個のサンプルの光出力の平均値、駆動電圧の平均値が、それぞれ、約３．８ｍＷ、約２１．０Ｖであった。これに対して、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向におけるＭｇの最大濃度が５×１０²⁰ｃｍ^-3の場合、９個のサンプルの光出力の平均値、駆動電圧の平均値が、それぞれ、約３．３ｍＷ、約１７．１Ｖであった。よって、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向におけるＭｇの最大濃度を５×１０²⁰ｃｍ^-3とすることにより、Ｍｇの最大濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3の場合と比べて、駆動電圧を低減できることが分かる。また、紫外線発光素子１０の長寿命化を図る観点から、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向におけるＭｇの最大濃度を３×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高く、かつ、６×１０²⁰ｃｍ^-3よりも低くするのが望ましいことが分かる。ここで、紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの最大濃度が５×１０²⁰ｃｍ^-3よりも低い場合、駆動電圧が高く寿命が低下していると推考される。また、紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＭｇの最大濃度が５×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高い場合、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性が低下し寿命が低下していると推考される。

【0091】

本実施形態の紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の順に並んでいる積層体２０と、ｎ型ＡｌＧａＮ３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、第２の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（井戸層４１）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。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５は、第１のＡｌＧａＮ層（井戸層４１）よりもＡｌの組成比が大きい。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第１のＡｌＧａＮ層（井戸層４１）よりもＡｌの組成比が大きい。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、Ｍｇを含有している。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５よりもＭｇの最大濃度が高い。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含む。よって、紫外線発光素子１０は、長寿命化を図ることが可能になる。紫外線発光素子１０では、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５よりもＭｇの最大濃度が高く、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含むので、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６と正電極９との接触抵抗の低減を図れる。また、紫外線発光素子１０は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６よりもＭｇの最大濃度が低いので、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５から発光層４へのＭｇの拡散を抑制することが可能となる。これらにより、紫外線発光素子１０は、長寿命化を図ることが可能となると推考される。

【0092】

紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向の途中においてＭｇの濃度が極大となるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、長寿命化を図ることが可能となる。ここで、紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向の途中においてＭｇの濃度が極大となることにより、図４に示す変形例１の紫外線発光素子１０ａのようにＭｇの濃度を第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５との界面から表面６ａまで連続的に増大させてある場合と比べて、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性が向上し、寿命が長くなると推考される。図４は、実施形態の変形例１に係る紫外線発光素子１０ａの厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルの模式的な説明図である。本変形例の紫外線発光素子１０ａの構成は実施形態の紫外線発光素子１０と同じであり、Ｍｇの濃度プロファイルのみ相違する。すなわち、本変形例の紫外線発光素子１０ａにおいても、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５からの距離が長くなるにつれてＭｇの濃度が増加する領域を含む。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性については、例えば、断面ＴＥＭ像（cross-sectional transmission electron microscope image）等により評価することが可能である。

【0093】

紫外線発光素子１０において、第２の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、Ｍｇの濃度の極大値が３×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高く６×１０²⁰ｃｍ^-3よりも低いのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、より長寿命化を図ることが可能となる。

【0094】

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、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層５及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６は、一表面１ａからこの順に並んでいる。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。

【0095】

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。

【0096】

図５は、実施形態の変形例２に係る紫外線発光素子１０ｂの厚さ方向におけるＭｇの濃度プロファイルの模式的な説明図である。本変形例の紫外線発光素子１０ｂの構成は実施形態の紫外線発光素子１０と同じであり、Ｍｇの濃度プロファイルのみ相違する。すなわち、紫外線発光素子１０ｂでは、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の正電極９側の領域である最表層領域６０のＭｇの濃度は、極大値よりも高くてもよい。これにより、本変形例の紫外線発光素子１０ｂは、実施形態の紫外線発光素子１０及び変形例１の紫外線発光素子１０ａと比べて、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６と正電極９との接触抵抗をより小さくすることが可能となる。

【0097】

本変形例の紫外線発光素子１０ｂにおいて、最表層領域６０の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ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、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の結晶性の低下を抑制しつつ、光出力の高出力化を図ることが可能となる。

【0098】

本変形例の紫外線発光素子１０ｂにおいて、濃度プロファイルでは、最表層領域６０のＭｇの濃度の最大値が６×１０²⁰ｃｍ^-3以上８×１０²⁰ｃｍ^-３以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０ｂは、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６と正電極９との接触抵抗をより小さくすることが可能となる。

【0099】

紫外線発光素子１０、１０ａ及び１０ｂにおいて、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６のＡｌの組成比は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６の厚さ方向においてＭｇの濃度が高くなるにつれて大きくなっていてもよい。これにより、紫外線発光素子１０、１０ａ及び１０ｂは、発光層４で発光した紫外線が第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６中のＭｇに起因したエネルギー準位で吸収されるの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。

【0100】

紫外線発光素子１０、１０ａ及び１０ｂ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。

【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
５ 第１のｐ型ＡｌＧａＮ層
６ 第２のｐ型ＡｌＧａＮ層
６ａ 表面
６０ 最表層領域
８ 負電極
９ 正電極
１０、１０ａ、１０ｂ 紫外線発光素子
２０ 積層体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】