(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023157333
(43)【公開日】2023-10-26
(54)【発明の名称】紫外線発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/32 20100101AFI20231019BHJP
H01L 33/22 20100101ALI20231019BHJP
H01L 33/16 20100101ALI20231019BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20231019BHJP
【ＦＩ】
H01L33/32
H01L33/22
H01L33/16
H01S5/343 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022067182
(22)【出願日】2022-04-14
(71)【出願人】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(72)【発明者】
【氏名】小林 敬嗣
【テーマコード（参考）】
5F173
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F173AF07
5F173AF13
5F173AG13
5F173AG17
5F173AH22
5F173AP05
5F173AR23
5F241AA03
5F241CA05
5F241CA13
5F241CA40
5F241CA65
5F241CB36
(57)【要約】
【課題】電力変換効率ＷＰＥを向上させることが可能な紫外線発光素子を提供する。
【解決手段】紫外線発光素子は、基板と、第１主面と、前記第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する基板と、前記基板の前記第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と、前記電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有する。前記多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有する。前記量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と前記多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
【選択図】図１
【解決手段】紫外線発光素子は、基板と、第１主面と、前記第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する基板と、前記基板の前記第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と、前記電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有する。前記多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有する。前記量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と前記多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１主面と、前記第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する基板と、
前記基板の前記第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有し、
前記多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有し、
前記量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と前記多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす紫外線発光素子。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
前記基板の前記第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有し、
前記多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有し、
前記量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と前記多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす紫外線発光素子。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
【請求項2】
前記第１導電型半導体層と前記多重量子井戸構造との間に、ＡｌａＧａ１－ａＮ層（ａは前記第１導電型半導体層側から前記多重量子井戸構造側にかけて０．８７以上０．９２以下の範囲で連続的または段階的に増加する）層を更に備える、請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項3】
前記多重量子井戸構造と前記第２導電型半導体層との間に、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層（ｃは前記多重量子井戸構造側から前記第２導電型半導体層側にかけて０．１５以上０．９５以下の範囲で連続的または段階的に減少する）層を更に備える請求項１または２に記載の紫外線発光素子。
【請求項4】
前記膜厚ＴＷ［ｎｍ］は、前記多重量子井戸構造に含まれる全ての前記量子井戸層の膜厚の平均値である、請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項5】
前記障壁層の膜厚が、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項6】
波長が２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の光を放出する、請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項7】
前記基板の前記第２主面上に凸部、または凹部を備える請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項8】
前記凸部は、側面が（１０―１―１）面から構成される角錐型を含む請求項７に記載の紫外線発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の紫外線発光素子としては、例えば特許文献１、２に開示されているように、多重量子井戸構造を備えたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第６７２７１８５号公報
【特許文献2】特許第６３９１２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の課題は、電力変換効率ＷＰＥ（Ｗａｌｌ Ｐｌｕｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させることが可能な紫外線発光素子を提供することである。
【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素子は、第１主面と、前記第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する基板と、前記基板の前記第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と、前記電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有する。前記多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有する。前記量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と前記多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
【0006】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、電力変換効率ＷＰＥを向上させることが可能な紫外線発光素子を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0010】
＜実施形態の紫外線発光素子＞
本発明の実施形態の紫外線発光素子は、第１主面と、第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する基板と、基板の第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有する。多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有する。量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
本発明の実施形態の紫外線発光素子は、第１主面と、第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する基板と、基板の第１主面上に配置された第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上に配置された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に配置された電子ブロック層と電子ブロック層上に配置された第２導電型半導体層と、を有する。多重量子井戸構造は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）で構成される量子井戸層とＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｙ＞ｘ）で構成される障壁層とがＮ周期繰り返し積層した構造を有する。量子井戸層の膜厚ＴＷ［ｎｍ］と多重量子井戸構造の周期数Ｎとが、以下の式（ａ）から（ｃ）をすべて満たす。
ＴＷ × Ｎ ＜ ５０・・・（ａ）
Ｎ ＜ ８・・・（ｂ）
ＴＷ ＞ ４・・・（ｃ）
【0011】
一般に、多重量子井戸構造の繰り返し構造のうちバンドギャップが小さい方の層は量子井戸層（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ層）または単に井戸層と称され、バンドギャップが大きい方は障壁層と称される。
実施形態の紫外線発光素子は、上記の構造を採用することにより、電力変換効率（ＷＰＥ）を向上させることができる。
実施形態の紫外線発光素子は、上記の構造を採用することにより、電力変換効率（ＷＰＥ）を向上させることができる。
【0012】
ＷＰＥについて詳しく説明する。
ＷＰＥは、以下の式（１）で示される。
ＷＰＥ＝Ｐｏｕｔ／（Ｉｏｐ×Ｖ）…（１）
式（１）において、Ｐｏｕｔは紫外線発光素子の出力（ｍＷ）であり、Ｉｏｐは紫外線発光素子に流れる電流（ｍＡ）であり、Ｖは紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）である。
式（１）からわかるように、出力（ｍＷ）を大きくし、駆動電圧（Ｖ）を小さくすることで、紫外線発光素子の電力変換効率（ＷＰＥ）を高めることができる。
ＷＰＥは、以下の式（１）で示される。
ＷＰＥ＝Ｐｏｕｔ／（Ｉｏｐ×Ｖ）…（１）
式（１）において、Ｐｏｕｔは紫外線発光素子の出力（ｍＷ）であり、Ｉｏｐは紫外線発光素子に流れる電流（ｍＡ）であり、Ｖは紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）である。
式（１）からわかるように、出力（ｍＷ）を大きくし、駆動電圧（Ｖ）を小さくすることで、紫外線発光素子の電力変換効率（ＷＰＥ）を高めることができる。
【0013】
また、紫外線発光素子の外部量子効率ηＥＱＥは、以下の式（２）で示される。
ηＥＱＥ＝ηｉｎｊ×ηｒａｄ×ηｅｘｔｒ…（２）
式（２）において、ηｉｎｊはキャリア注入効率、ηｒｅｄは内部量子効率、ηｅｘｔｒ光取り出し効率である。式（２）からわかるように、キャリア注入効率等を高めることで、ηＥＱＥを高めることができる。
ηＥＱＥ＝ηｉｎｊ×ηｒａｄ×ηｅｘｔｒ…（２）
式（２）において、ηｉｎｊはキャリア注入効率、ηｒｅｄは内部量子効率、ηｅｘｔｒ光取り出し効率である。式（２）からわかるように、キャリア注入効率等を高めることで、ηＥＱＥを高めることができる。
【0014】
ここで、Ｐｏｕｔ≒ηＥＱＥである。実施形態の紫外線発光素子は、上記の構造を採用することにより、内部量子効率の低下を抑制した状態で、低い駆動電圧と高いキャリア注入効率とを両立させる。具体的には、式（ａ）の規定により内部量子効率の低下が抑制される。式（ｂ）の規定により低い駆動電圧が実現される。式（ｃ）の規定により高いキャリア注入効率が実現される。これにより、実施形態の紫外線発光素子は、電力変換効率（ＷＰＥ）を向上させることが可能となる。
【0015】
キャリア注入効率とは、例えば、量子井戸層内に注入された電流量と、紫外線発光素子内部に流れる電流の比で定義される。一般的に、キャリア注入効率を向上させるためには、量子井戸層ＡｌｘＧａ１－ｘＮと障壁層ＡｌｙＧａ１－ｙＮに対して、ｙ＋０．３＞ｘとなることが強く望まれる。しかし、量子井戸層にＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．７≦ｘ＜１）を用いた場合、物性上の観点からｙ＋０．３＞ｘを実現することは不可能であり、キャリア注入効率向上のためには別の方法が必要となる。
【0016】
なお、内部量子効率とは、例えば、紫外線発光素子の結晶内部で発生する単位時間あたりの光量子数と、紫外線発光素子に流れる電流（すなわち、紫外線発光素子を流れる単位時間あたりの電子数）との比で定義される。この比は、例えば百分率（％）で示される。
光取り出し効率とは、例えば、紫外線発光素子の結晶内部で発生した光と、紫外線発光素子の外部に取り出される光の量との比で定義される。この比は、例えば例えば百分率（％）で示される。
外部量子効率とは、例えば、紫外線発光素子の外部に放出される単位時間あたりの光量子数と、紫外線発光素子に流れる電流（すなわち、紫外線発光素子を流れる単位時間あたりの電子数）との比で定義される。この比は、例えば百分率（％）で示される。
光取り出し効率とは、例えば、紫外線発光素子の結晶内部で発生した光と、紫外線発光素子の外部に取り出される光の量との比で定義される。この比は、例えば例えば百分率（％）で示される。
外部量子効率とは、例えば、紫外線発光素子の外部に放出される単位時間あたりの光量子数と、紫外線発光素子に流れる電流（すなわち、紫外線発光素子を流れる単位時間あたりの電子数）との比で定義される。この比は、例えば百分率（％）で示される。
【0017】
また、多重量子井戸構造は、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）と障壁層となるＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ｙ＞ｘ）の繰り返し構造であることによって中心発光波長は２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下となり、波長の短い紫外線を高い外部量子効率で発光することが可能となる。
障壁層となるＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ｙ＞ｘ）の膜厚は特に制限されないが、内部量子効率の観点から２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい場合がある。
障壁層となるＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ｙ＞ｘ）の膜厚は特に制限されないが、内部量子効率の観点から２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい場合がある。
【0018】
＜基板＞
実施形態の紫外線発光素子の基板は、第１主面と、第１主面の反対側に位置する第２主面とを有し、第１主面上に第１導電型半導体層を配置することが可能なものであれば特に制限されない。具体的には、基板として、窒化アルミニウム基板、サファイア基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。基板上に結晶性の高い半導体層を配置する観点から、基板は窒化アルミニウム基板であることが好ましく、単結晶窒化アルミニウム基板であることがより好ましい場合がある。ここで、実施形態の紫外線発光素子の説明において、「Ａの上にＢを配置する」とは、Ａの表面上に直接Ｂを配置する形態と、Ａの表面から別の物質を介して間接的にＢを配置する形態の両方を意味する。例えば、基板の表面から別の物質（一例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層）を介して間接的に第１導電型半導体層が配置されていてもよい。
実施形態の紫外線発光素子の基板は、第１主面と、第１主面の反対側に位置する第２主面とを有し、第１主面上に第１導電型半導体層を配置することが可能なものであれば特に制限されない。具体的には、基板として、窒化アルミニウム基板、サファイア基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。基板上に結晶性の高い半導体層を配置する観点から、基板は窒化アルミニウム基板であることが好ましく、単結晶窒化アルミニウム基板であることがより好ましい場合がある。ここで、実施形態の紫外線発光素子の説明において、「Ａの上にＢを配置する」とは、Ａの表面上に直接Ｂを配置する形態と、Ａの表面から別の物質を介して間接的にＢを配置する形態の両方を意味する。例えば、基板の表面から別の物質（一例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層）を介して間接的に第１導電型半導体層が配置されていてもよい。
【0019】
＜第１導電型半導体層＞
実施形態の紫外線発光素子の第１導電型半導体層は、その上に多重量子井戸構造を配置することが可能なものであれば特に制限されない。第１導電型半導体層の具体的な膜組成の一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶が挙げられる。
ここで第１導電型半導体層および第２導電型半導体層とは、それぞれ異なる導電型を示す半導体層であることを意味する。すなわち、一方がｎ型導電性を示す場合、他方がｐ型導電性を示すものであることを意味する。ｎ型導電性を示す半導体層を得る方法は特に制限されないが、例えばＳｉをｎ型ドーパントとして用いたｎ－ＡｌＧａＮが挙げられる。同様に、ｐ型導電性を示す半導体層を得る方法も特に制限されないが、例えばＭｇをｐ型ドーパントとして用いたｐ－ＡｌＧａＮが挙げられる。特に制限されないが、結晶性や表面平坦性の観点から、第１導電型半導体層がｎ型半導体層であることが好ましい場合がある。
実施形態の紫外線発光素子の第１導電型半導体層は、その上に多重量子井戸構造を配置することが可能なものであれば特に制限されない。第１導電型半導体層の具体的な膜組成の一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶が挙げられる。
ここで第１導電型半導体層および第２導電型半導体層とは、それぞれ異なる導電型を示す半導体層であることを意味する。すなわち、一方がｎ型導電性を示す場合、他方がｐ型導電性を示すものであることを意味する。ｎ型導電性を示す半導体層を得る方法は特に制限されないが、例えばＳｉをｎ型ドーパントとして用いたｎ－ＡｌＧａＮが挙げられる。同様に、ｐ型導電性を示す半導体層を得る方法も特に制限されないが、例えばＭｇをｐ型ドーパントとして用いたｐ－ＡｌＧａＮが挙げられる。特に制限されないが、結晶性や表面平坦性の観点から、第１導電型半導体層がｎ型半導体層であることが好ましい場合がある。
【0020】
第１導電型半導体層の材料は特に制限されないが、一例としてはＡｌＧａＮ、ＧａＮなどが挙げられる。結晶性の高い多重量子井戸構造を配置する観点から、第１導電型半導体層はｎ－ＡｌＧａＮであることが好ましい場合がある。第１導電型半導体層としてｎ－ＡｌＧａＮを採用する場合、電気伝導性や第１導電型半導体層における光吸収の観点からＡｌ組成が０．７０以上１．０以下であることがより好ましい場合がある。Ａｌ組成とは、Ａｌ原子とＧａ原子の合計に対するＡｌ原子の割合を意味する。
第１導電型半導体層の厚さは特に制限されないが、駆動電圧あるいは結晶性の観点から３００ｎｍ以上１．５μｍ以下が好ましい場合がある。
第１導電型半導体層の厚さは特に制限されないが、駆動電圧あるいは結晶性の観点から３００ｎｍ以上１．５μｍ以下が好ましい場合がある。
【0021】
＜第２導電型半導体層＞
実施形態の紫外線発光素子の第２導電型半導体層は、多重量子井戸構造上に配置されるものであれば特に制限されない。第２導電型半導体層の具体的な膜組成の一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶が挙げられる。電気伝導や接触抵抗の観点から、第２導電型半導体層はｐ－ＡｌＧａＮであることが好ましい場合がある。
第２導電型半導体層の厚さは特に制限されないが、高い光出力を実現するという観点から、５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに１５ｎｍ以上９０ｎｍ以下がより好ましい。
実施形態の紫外線発光素子の第２導電型半導体層は、多重量子井戸構造上に配置されるものであれば特に制限されない。第２導電型半導体層の具体的な膜組成の一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶が挙げられる。電気伝導や接触抵抗の観点から、第２導電型半導体層はｐ－ＡｌＧａＮであることが好ましい場合がある。
第２導電型半導体層の厚さは特に制限されないが、高い光出力を実現するという観点から、５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに１５ｎｍ以上９０ｎｍ以下がより好ましい。
【0022】
＜電子ブロック層＞
実施形態の紫外線発光素子は、電子をブロックして多重量子井戸構造に電子をより注入させるという観点から、多重量子井戸構造と第２導電型半導体層との間に、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ｂ＞ｘ）を更に備えてもよい。ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ｂ＞ｘ）は電子ブロック層とも呼ばれる。
実施形態の紫外線発光素子は、電子をブロックして多重量子井戸構造に電子をより注入させるという観点から、多重量子井戸構造と第２導電型半導体層との間に、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ｂ＞ｘ）を更に備えてもよい。ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ｂ＞ｘ）は電子ブロック層とも呼ばれる。
【0023】
＜グレーデッド層＞
実施形態の紫外線発光素子は、界面でのポテンシャル不連続性を低減し、第１導電型半導体層から多重量子井戸構造への電子あるいは正孔の注入効率を向上させるという観点から、第１導電型半導体層と多重量子井戸構造との間に、ＡｌａＧａ１－ａＮ層（ａは第１導電型半導体層側から多重量子井戸構造側にかけて０．８７以上０．９２以下の範囲で連続的または段階的に増加する）を更に備えてもよい。Ａｌ組成が連続的または段階的に変化する層はグレーデッド層とも称される。
実施形態の紫外線発光素子は、界面でのポテンシャル不連続性を低減し、第１導電型半導体層から多重量子井戸構造への電子あるいは正孔の注入効率を向上させるという観点から、第１導電型半導体層と多重量子井戸構造との間に、ＡｌａＧａ１－ａＮ層（ａは第１導電型半導体層側から多重量子井戸構造側にかけて０．８７以上０．９２以下の範囲で連続的または段階的に増加する）を更に備えてもよい。Ａｌ組成が連続的または段階的に変化する層はグレーデッド層とも称される。
【0024】
なお、実施形態において、ＡｌａＧａ１－ａＮ層のａは０．８７未満や０．９２を超過する範囲を含むことを妨げるものではない。例えば、ＡｌａＧａ１－ａＮ層のａは、０以上１以下であり、第１導電型半導体層側から多重量子井戸構造側にかけて連続的または段階的に増加するものであってもよい。このような場合も、ＡｌａＧａ１－ａＮ層のａは０．８７以上０．９２以下の範囲で連続的または段階的に増加する構成を含むため、実施形態のＡｌａＧａ１－ａＮ層に含まれる。
グレーデッド層の膜厚は１．０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましく、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。
さらに、グレーデッド層にはＣ、Ｈ、Ｓｉ、Ｍｇなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。
グレーデッド層の膜厚は１．０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましく、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。
さらに、グレーデッド層にはＣ、Ｈ、Ｓｉ、Ｍｇなどの不純物が含まれていてもよく、不純物の種類はこれらに限定されない。
【0025】
また、実施形態の紫外線発光素子は、第２導電型半導体層から多重量子井戸構造への電子あるいは正孔の注入効率を向上させるという観点から、多重量子井戸構造と第２導電型半導体層との間に、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層（ｃは多重量子井戸構造側から第２導電型半導体層側にかけて０．１５以上０．９５以下の範囲で連続的または段階的に減少する）層を更に備えていてもよい。このとき、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層のｃは０．１５未満や０．９５を超過する範囲を含むことを妨げるものではない。例えば、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層のｃは、０以上１以下であり、多重量子井戸構造側から第２導電型半導体層側にかけて連続的または段階的に減少するものであってもよい。このような場合も、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層のｃは０．１５以上０．９５以下において連続的または段階的に減少する構成を含むため、実施形態のＡｌｃＧａ１－ｃＮ層に含まれる。
【0026】
＜凹凸部＞
また、実施形態の紫外線発光素子は光取り出し効率を向上させるという観点から、基板の第２主面上に凸部、または凹部を備えても良い。凹凸部は、図３に示すように基板１０に第２主面１０ｂ上に直接設けられても良い。また、凹凸部は、基板１０の第２主面１０ｂ上に設けられた異なる材料の層の表面に設けられても良い。すなわち、凹凸部は基板１０の第２主面１０ｂ上に、直接又は間接的に設けられていれば良い。
凸部は、円錐、角錐、半球型、長方形、錐台など多様な凸形状・密度により設けられて良い。基板１０がＡｌＮ単結晶である際に、安定した結晶面により物理的耐性、化学的耐性の高い凸形状を実現する観点から、凸部は側面が（１０―１－１）面からなる角錐型を含むことが好ましい。凸部の大きさは特に制限されないが、高さ０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
また、実施形態の紫外線発光素子は光取り出し効率を向上させるという観点から、基板の第２主面上に凸部、または凹部を備えても良い。凹凸部は、図３に示すように基板１０に第２主面１０ｂ上に直接設けられても良い。また、凹凸部は、基板１０の第２主面１０ｂ上に設けられた異なる材料の層の表面に設けられても良い。すなわち、凹凸部は基板１０の第２主面１０ｂ上に、直接又は間接的に設けられていれば良い。
凸部は、円錐、角錐、半球型、長方形、錐台など多様な凸形状・密度により設けられて良い。基板１０がＡｌＮ単結晶である際に、安定した結晶面により物理的耐性、化学的耐性の高い凸形状を実現する観点から、凸部は側面が（１０―１－１）面からなる角錐型を含むことが好ましい。凸部の大きさは特に制限されないが、高さ０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
【0027】
凹部は、円錐、角錐、半球型、長方形、錐台など多様な凹形状・密度により設けられて良い。基板１０がＡｌＮ単結晶である際に、安定した結晶面により物理的耐性、化学的耐性の高い凹形状を実現する観点から、凹部は側面が（１０―１－１）面からなる角錐型を含むことが好ましい。凹部の大きさは特に制限されないが、深さ０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
なお、本発明で凸部あるいは凹部を設ける場合は、凸部のみで構成されていてもよく、凹部のみで構成されていてもよく、凸部と凹部が混在していても良い。また、凸部は凸部形状の異なる複数の凸部が混在していても良い。また、凹部は凹部形状の異なる複数の凹部が混在していても良い。
なお、本発明で凸部あるいは凹部を設ける場合は、凸部のみで構成されていてもよく、凹部のみで構成されていてもよく、凸部と凹部が混在していても良い。また、凸部は凸部形状の異なる複数の凸部が混在していても良い。また、凹部は凹部形状の異なる複数の凹部が混在していても良い。
【0028】
＜電極＞
実施形態の紫外線発光素子は、多重量子井戸構造に電子および正孔を効率的に注入するために電極を備えていてもよい。電極は特に制限されないが、第１導電型半導体層と電気的に接続される第１電極と、第２導電型半導体層と電気的に接続される第２電極であってもよい。電極は物理的に接触する層とオーミック接続となることが好ましい。
第１電極、あるいは第２電極にはＡｌ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｔａなどの金属あるいはこれらの混晶が挙げられる。
実施形態の紫外線発光素子は、多重量子井戸構造に電子および正孔を効率的に注入するために電極を備えていてもよい。電極は特に制限されないが、第１導電型半導体層と電気的に接続される第１電極と、第２導電型半導体層と電気的に接続される第２電極であってもよい。電極は物理的に接触する層とオーミック接続となることが好ましい。
第１電極、あるいは第２電極にはＡｌ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｔａなどの金属あるいはこれらの混晶が挙げられる。
【0029】
＜発光波長＞
実施形態の紫外線発光素子は、波長が２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の光を放出するものであることが好ましく、中心発光波長が２２０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の光を放出するものであることがより好ましい。例えば多重量子井戸構造における量子井戸層のＡｌ組成を０．７以上１未満にすることで、発光波長を２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下にすることができる。
実施形態の紫外線発光素子は、波長が２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の光を放出するものであることが好ましく、中心発光波長が２２０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の光を放出するものであることがより好ましい。例えば多重量子井戸構造における量子井戸層のＡｌ組成を０．７以上１未満にすることで、発光波長を２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下にすることができる。
【0030】
＜絶縁層＞
実施形態に係る紫外線発光素子は、信頼性の観点から表面の少なくとも一部が絶縁層で覆われていてもよい。絶縁層の材料としては特に制限されないが、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどが挙げられる。
実施形態に係る紫外線発光素子は、信頼性の観点から表面の少なくとも一部が絶縁層で覆われていてもよい。絶縁層の材料としては特に制限されないが、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどが挙げられる。
【0031】
＜測定方法＞
（膜厚測定）
実施形態の紫外線発光素子の各層の膜厚は、基板の第１主面に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、ＴＥＭ測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、ＴＥＭを用いて、窒化物半導体素子の基板の第１主面に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、窒化物半導体素子の基板の第１主面に対して垂直な断面を示すＴＥＭ画像内の、基板の第１主面に対して平行な方向において２μｍ以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、組成の異なる二層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、幅２００ｎｍの連続する観察領域で観察する。この２００ｎｍ幅の観察領域内に含まれる各層の厚さの平均値を、上記２μｍ以上の観察幅から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層の膜厚を得る。
（膜厚測定）
実施形態の紫外線発光素子の各層の膜厚は、基板の第１主面に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、ＴＥＭ測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、ＴＥＭを用いて、窒化物半導体素子の基板の第１主面に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、窒化物半導体素子の基板の第１主面に対して垂直な断面を示すＴＥＭ画像内の、基板の第１主面に対して平行な方向において２μｍ以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、組成の異なる二層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、幅２００ｎｍの連続する観察領域で観察する。この２００ｎｍ幅の観察領域内に含まれる各層の厚さの平均値を、上記２μｍ以上の観察幅から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層の膜厚を得る。
【0032】
（組成測定）
実施形態の紫外線発光素子の各層の組成の測定法として、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法による逆格子マッピング測定（ＲＳＭ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ Ｓｐａｃｅ Ｍａｐｐｉｎｇ）が挙げられる。具体的には、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、Ａｌ組成が得られる。上記回折面としては、例えば（１０－１５）面や（２０－２４）面が挙げられる。
実施形態の紫外線発光素子の各層の組成の測定法として、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法による逆格子マッピング測定（ＲＳＭ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ Ｓｐａｃｅ Ｍａｐｐｉｎｇ）が挙げられる。具体的には、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、Ａｌ組成が得られる。上記回折面としては、例えば（１０－１５）面や（２０－２４）面が挙げられる。
【0033】
また、量子井戸層やグレーデッド層などのＸＲＤで十分な反射強度が得られない層については、Ｘ線光電分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ－Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定することができる。
【0034】
ＥＥＬＳでは、電子線が試料を透過する際に失うエネルギーを測定することで、試料の組成を分析する。具体的には、例えば、ＴＥＭ観察等で使用する薄片化試料において、透過電子線の強度のエネルギー損失スペクトルを測定・解析する。そして、エネルギー損失量２０ｅＶ付近に現れるピークのピーク位置が、各層の組成に応じて変化することを利用し、ピーク位置から組成を求めることができる。
上述のＴＥＭ観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層のＡｌ組成を得る。
ＥＤＸでは、上述のＴＥＭ観察等で使用する薄片化試料において電子線によって発生する特性Ｘ線を測定・解析する。上述のＴＥＭ観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層のＡｌ組成を得る。
上述のＴＥＭ観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層のＡｌ組成を得る。
ＥＤＸでは、上述のＴＥＭ観察等で使用する薄片化試料において電子線によって発生する特性Ｘ線を測定・解析する。上述のＴＥＭ観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅２００ｎｍにおけるＡｌ組成の平均値を、２μｍ以上の観察領域から任意に抽出した５箇所から算出することで、各層のＡｌ組成を得る。
【0035】
ＸＰＳでは、イオンビームを用いたスパッタエッチングを行いながらＸＰＳ測定を行うことで、深さ方向の評価が可能である。イオンビームには一般的にＡｒ＋が用いられるが、ＸＰＳ装置に搭載されたエッチング用イオン銃で照射できるイオンであれば、例えばＡｒクラスターイオンなどの他のイオン種でもよい。Ａｌ、Ｇａ、ＮのＸＰＳピーク強度を測定・解析して各層のＡｌ組成の深さ方向分布を得る。スパッタエッチングの代わりに、基板の第１主面に対して垂直な断面が拡大されて露出されるようにレーザダイオードを斜め研磨して、露出断面をＸＰＳで測ってもよい。
【0036】
ＸＰＳだけでなくオージェ電子分光法（ＡＥＳ：Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いても各層の組成を測定できる。この場合、スパッタエッチングあるいは斜め研磨により露出させた断面においてオージェ電子分光法による測定を行うことで、組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面に対するＳＥＭ－ＥＤＸ測定によっても、各層の組成を測定できる。実施形態の紫外線発光素子の多重量子井戸構造の繰り返し周期の数は、量子井戸層の数で定義され、上記と同様にＴＥＭ観察により測定することが可能である。
【0037】
（発光波長測定）
実施形態の紫外線発光素子の発光波長は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定により測定することが可能である。以下、ＰＬ測定の詳細について説明する。
ＰＬ測定では、量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを持つレーザ光を、試料表面から４５度程度傾いた角度で照射する。その際に、レンズを用いて試料へ照射するスポット径を小さくしてもよいし、フィルタを用いてレーザ光の強度を変えてもよい。照射されたレーザ光によって、試料の量子井戸層では電子が伝導体に励起され、電子正孔対を生成する。その後、励起された電子は基底状態に戻り、正孔との再結合の過程でバンドギャップに応じた波長の光を発生させる。発生させた光はサンプル直上から取得する。取得した光は回折格子を通すことで光を波長ごとに分解して、試料の発光波長を測定できる。
実施形態の紫外線発光素子の発光波長は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定により測定することが可能である。以下、ＰＬ測定の詳細について説明する。
ＰＬ測定では、量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを持つレーザ光を、試料表面から４５度程度傾いた角度で照射する。その際に、レンズを用いて試料へ照射するスポット径を小さくしてもよいし、フィルタを用いてレーザ光の強度を変えてもよい。照射されたレーザ光によって、試料の量子井戸層では電子が伝導体に励起され、電子正孔対を生成する。その後、励起された電子は基底状態に戻り、正孔との再結合の過程でバンドギャップに応じた波長の光を発生させる。発生させた光はサンプル直上から取得する。取得した光は回折格子を通すことで光を波長ごとに分解して、試料の発光波長を測定できる。
【0038】
＜具体例＞
次に、図面を参照して実施形態の具体例を示す。なお、以下の説明で参照する図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚さや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
次に、図面を参照して実施形態の具体例を示す。なお、以下の説明で参照する図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚さや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0039】
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本開示の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。
また、以下に示す具体例はあくまで一例であり、実施形態は以下に示す具体例に限定されるものではない。
また、以下に示す具体例はあくまで一例であり、実施形態は以下に示す具体例に限定されるものではない。
【0040】
（具体例１）
図１は、実施形態の具体例１に係る紫外線発光素子１を示す断面図である。図１に示すように、紫外線発光素子１は、第１主面１０ａと、第１主面１０ａの反対側に位置する第２主面１０ｂとを有する基板１０と、基板１０の第１主面１０ａ上に配置された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１１と、ＡｌＮ層１１上に配置された第１導電型半導体層１２と、第１導電型半導体層１２上に配置されたＡｌａＧａ１－ａＮ層１３と、ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３上に配置された多重量子井戸構造１４と、多重量子井戸構造１４上に配置されたＡｌｂＧａ１－ｂＮ層１５と、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層１５上に配置されたＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６と、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６上に配置された第２導電型半導体層１７と、を備える。
図１は、実施形態の具体例１に係る紫外線発光素子１を示す断面図である。図１に示すように、紫外線発光素子１は、第１主面１０ａと、第１主面１０ａの反対側に位置する第２主面１０ｂとを有する基板１０と、基板１０の第１主面１０ａ上に配置された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１１と、ＡｌＮ層１１上に配置された第１導電型半導体層１２と、第１導電型半導体層１２上に配置されたＡｌａＧａ１－ａＮ層１３と、ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３上に配置された多重量子井戸構造１４と、多重量子井戸構造１４上に配置されたＡｌｂＧａ１－ｂＮ層１５と、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層１５上に配置されたＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６と、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６上に配置された第２導電型半導体層１７と、を備える。
【0041】
第１導電型半導体層１２は、例えばｎ型半導体層である。第２導電型半導体層１７は、例えばｐ型半導体層である。
ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３は、正孔ブロッキング層である。ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３は、第１導電型半導体層１２と多重量子井戸構造１４との間に配置されている。ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３において、Ａｌ組成を示すａは、第１導電型半導体層１２側から多重量子井戸構造１４側にかけて０．８７以上０．９２以下の範囲で連続的または段階的に増加する。
ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３は、正孔ブロッキング層である。ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３は、第１導電型半導体層１２と多重量子井戸構造１４との間に配置されている。ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３において、Ａｌ組成を示すａは、第１導電型半導体層１２側から多重量子井戸構造１４側にかけて０．８７以上０．９２以下の範囲で連続的または段階的に増加する。
【0042】
ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層１５は、電子ブロック層である。ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層１５において、Ａｌ組成を示すｂは、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１（後述の図２参照）のＡｌ組成比を示すｘよりも大きい（ｂ＞ｘ）。
ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６は、組成傾斜層である。ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６は、多重量子井戸構造１４と第２導電型半導体層１７との間に配置されている。ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６において、Ａｌ組成を示すｃは、多重量子井戸構造１４側から第２導電型半導体層１７側にかけて０．１５以上０．９５以下の範囲で連続的または段階的に減少する。
ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６は、組成傾斜層である。ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６は、多重量子井戸構造１４と第２導電型半導体層１７との間に配置されている。ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６において、Ａｌ組成を示すｃは、多重量子井戸構造１４側から第２導電型半導体層１７側にかけて０．１５以上０．９５以下の範囲で連続的または段階的に減少する。
【0043】
図２は、実施形態の具体例１に係る多重量子井戸構造１４を示す断面図である。図２に示すように、多重量子井戸構造１４は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１とＡｌｙＧａ１－ｙＮ層２２がＮ周期（Ｎは、１以上、８未満の整数）繰り返し積層した構造を有する。ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１において、ｘの範囲は０．７以上１未満である（０．７≦ｘ＜１）。ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層２２において、ｙは、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１のＡｌ組成であるｘよりも大きい値である（ｙ＞ｘ）。１つの積層単位２０－１と１つのＡｌｙＧａ１－ｙＮ層２２とで構成される１つの積層単位２０が、Ｎ層積層した構造を有する。
【0044】
例えば、複数の積層単位２０－１、２０－２…、２０－（Ｎ－１）、２０－Ｎの各々において、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の厚さＴＷは、４ｎｍよりも大きく、好ましくは５ｎｍ以上である。ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１とＡｌｙＧａ１－ｙＮ層２２の繰り返しの周期の開始と終了は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１としてもよい。
なお、膜厚ＴＷ［ｎｍ］は、多量子井戸構造１４に含まれる全てのＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚の平均値であってもよい。例えば、積層単位２０－１（１層目）に含まれるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚ＴＷが１０ｎｍであり、積層単位２０－５（５層目）に含まれるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚ＴＷが５ｎｍであっても、多量子井戸構造１４に含まれる全てのＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚の平均値が４ｎｍよりも大きい場合は、実施形態の範囲に含まれる。
なお、膜厚ＴＷ［ｎｍ］は、多量子井戸構造１４に含まれる全てのＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚の平均値であってもよい。例えば、積層単位２０－１（１層目）に含まれるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚ＴＷが１０ｎｍであり、積層単位２０－５（５層目）に含まれるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚ＴＷが５ｎｍであっても、多量子井戸構造１４に含まれる全てのＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の膜厚の平均値が４ｎｍよりも大きい場合は、実施形態の範囲に含まれる。
【0045】
また、多重量子井戸構造１４において、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１とＡｌｙＧａ１－ｙＮ層２２の繰り返しの周期数Ｎと、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２１の厚さＴＷの積（ＴＷ×Ｎ）は、５０未満である。
紫外線発光素子１が放出する光の波長は、例えば、２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であってもよい。
なお、図１に示した紫外線発光素子１の変形例として、ＡｌＮ層１１、ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６のうちの少なくとも１つ以上を省いた構成が挙げられる。紫外線発光素子１の変形例が放出する光の波長は、例えば、２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下である。
紫外線発光素子１が放出する光の波長は、例えば、２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であってもよい。
なお、図１に示した紫外線発光素子１の変形例として、ＡｌＮ層１１、ＡｌａＧａ１－ａＮ層１３、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層１６のうちの少なくとも１つ以上を省いた構成が挙げられる。紫外線発光素子１の変形例が放出する光の波長は、例えば、２２０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下である。
【0046】
（具体例２）
図３は、実施形態の具体例２に係る紫外線発光素子１Ａを示す断面図である。図３に示すように、紫外線発光素子１Ａにおいて、第１導電型半導体層１２の第１領域上にはＡｌａＧａ１－ａＮ層１３が配置され、第１導電型半導体層１２の第２領域上には第１電極５０が配置されている。第１電極５０は、第１導電型半導体層１２に接触していることが好ましい。また、第２導電型半導体層１７上には第２電極６０が配置されている。第２電極６０は、第２導電型半導体層１７に接触していることが好ましい。
図３は、実施形態の具体例２に係る紫外線発光素子１Ａを示す断面図である。図３に示すように、紫外線発光素子１Ａにおいて、第１導電型半導体層１２の第１領域上にはＡｌａＧａ１－ａＮ層１３が配置され、第１導電型半導体層１２の第２領域上には第１電極５０が配置されている。第１電極５０は、第１導電型半導体層１２に接触していることが好ましい。また、第２導電型半導体層１７上には第２電極６０が配置されている。第２電極６０は、第２導電型半導体層１７に接触していることが好ましい。
【0047】
図３に示すように、実施形態の具体例２に係る紫外線発光素子１Ａでは、基板１０の第２主面１０ｂ側に第１凸部７０及び第２凸部８０が設けられている。第１凸部７０及び第２凸部８０は、第２主面１０ｂに直接設けられても良いし、異なる材質の層の表面に設けられても良い。すなわち、第１凸部７０及び第２凸部８０は、基板１０の第２主面１０ｂに、直接又は間接的に設けられていれば良い。第１凸部７０は第２凸部８０よりも高さが低い限りにおいて高低多様な高さで設けられても良い。
【0048】
第１凸部７０は円錐、角錐、半球形、長方形など多様な凸形状・密度により設けられてよい。基板１０がＡｌＮ単結晶である際に、安定した結晶面により物理的耐性、化学的耐性の高い凸形状を実現する観点から、第１凸部７０は側面が（１０－１－１）面からなる角錐形を含むことが好ましい。
第１凸部７０の大きさは特に制限されないが、高さが０．０１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。第１凸部７０の大きさは、倍率２００００倍の電子線走査顕微鏡（ＳＥＭ）で第１凸部７０の表面を観察したときの画像から測定することが可能である。
第１凸部７０の大きさは特に制限されないが、高さが０．０１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。第１凸部７０の大きさは、倍率２００００倍の電子線走査顕微鏡（ＳＥＭ）で第１凸部７０の表面を観察したときの画像から測定することが可能である。
【0049】
第２凸部８０は、基板１０の第２主面１０ｂに３箇所以上設けられる。第２凸部８０の数は少なくとも３箇所であれば特に制限されず、紫外光の発光を著しく妨げない範囲でその大きさや個数を決めることができる。第２凸部８０の裏面１０ｂから頂部までの高さは、第１凸部７０の裏面１０ｂから頂部までの高さよりも高い。第２凸部８０の頂部は、組み立て安定性の観点から基板１０の第２主面１０ｂに略平行であることが好ましい。また、第２凸部８０の頂部は、組み立ての際の頂部破壊を防ぐために少なくとも５μｍ２以上の面積を有する平面であることが好ましく、９μｍ２以上であることがより好ましく、２０μｍ２以上であることがより更に好ましい。
【0050】
また、全ての第２凸部８０が一直線上に存在する場合、組み立ての際に素子自体の傾きを助長し、組み立て不良を誘発する可能性がある。したがって、紫外光発光素子１Ａでは、組み立て安定性の観点から、全ての第２凸部８０が（裏面１０ｂの法線方向からの平面視で）一線上に存在しないことが好ましい。換言すると、２つの第２凸部８０同士を結ぶ直線上から外れた位置に、少なくとも１つの第２凸部８０が存在することが好ましい。
【0051】
紫外線発光素子１Ａでは、第１凸部７０が本発明の「凸部」の一例となる。また、隣り合う一方の第１凸部７０と他方の第１凸部７０との間に存在する凹部７５が、本発明の「凹部」の一例となる。紫外線発光素子１Ａでは、第１凸部７０と凹部７５（すなわち、凹凸部）が設けられていることによって、多重量子井戸構造１４から生成された紫外光が、基板１０の裏面１０ｂと外部（例えば、空気）との界面で全反射することを抑制することができる。これにより、紫外線発光素子１Ａの内部から外部へ紫外光が伝播し易くなるため、光取り出し効率を向上させることができる。
【0052】
また、基板１０の裏面１０ｂに第２凸部８０が存在することによって、基板１０の裏面１０ｂ側を例えばサブマウント（図示せず）に接合する際に、裏面１０ｂに設けられている第１凸部７０がサブマウントに接触することを防ぐことができる。これにより、第１凸部７０がサブマントに接触して破壊されることを防ぐことができる。また、第２主面１０ｂに略平行な平面を頂部に有する第２凸部８０が存在することによって、紫外線発光素子１Ａをサブマントに安定に、容易に組み立てることが可能となる場合がある。
【0053】
なお、図３に示す紫外線発光素子１Ａにおいて、第２凸部８０は必須の構成ではない。紫外線発光素子１Ａにおいて、第２凸部８０が設けられていない構成も実施形態の具体例に含まれる。
また、紫外線発光素子１Ａにおいて、第１凸部７０は必須の構成ではない。紫外線発光素子１Ａにおいて、第１凸部７０が設けられていない構成も実施形態の具体例に含まれる。
また、紫外線発光素子１Ａにおいて、凹部７５は必須の構成ではない。紫外線発光素子１Ａにおいて、凹部７５が設けられていない構成も実施形態の具体例に含まれる。
また、紫外線発光素子１Ａにおいて、第１凸部７０は必須の構成ではない。紫外線発光素子１Ａにおいて、第１凸部７０が設けられていない構成も実施形態の具体例に含まれる。
また、紫外線発光素子１Ａにおいて、凹部７５は必須の構成ではない。紫外線発光素子１Ａにおいて、凹部７５が設けられていない構成も実施形態の具体例に含まれる。
【実施例0054】
次に、実施形態の紫外線発光素子をより具体的に説明するために、実施例１、２を示す。また、上述の式（ａ）から（ｃ）の根拠を示す。
【0055】
（実施例１）
厚さが５５０μｍの（０００１）面ＡｌＮ単結晶基板を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてアニール処理を行った。アニール処理は、１３００℃の環境下において、ＮＨ３雰囲気中での５分間のアニールおよびＨ２雰囲気中での５分間のアニールを１セットとして、２セットの処理を行った。
次に、ＡｌＮ単結晶基板上に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層を形成した。ＡｌＮ層は、１２００℃の環境下において５００ｎｍの厚さで形成した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）が用いられた。
厚さが５５０μｍの（０００１）面ＡｌＮ単結晶基板を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてアニール処理を行った。アニール処理は、１３００℃の環境下において、ＮＨ３雰囲気中での５分間のアニールおよびＨ２雰囲気中での５分間のアニールを１セットとして、２セットの処理を行った。
次に、ＡｌＮ単結晶基板上に、ホモエピタキシャル層であるＡｌＮ層を形成した。ＡｌＮ層は、１２００℃の環境下において５００ｎｍの厚さで形成した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）が用いられた。
【0056】
上述したように形成したＡｌＮ層上に、第１導電型半導体層を形成した。第１導電型半導体層は、Ｓｉをドーパント不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成８７％）とした。第１導電型半導体層は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、３５０ｎｍの厚さで形成した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）を用いた。また、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）を用いた。
【0057】
続いて、第１導電型半導体層上にグレーデッド層（正孔ブロッキング層）を形成した。グレーデッド層（正孔ブロッキング層）は、Ａｌ組成を８７％から９２％に連続的に変化させた。第１導電型半導体層と同様に、グレーデッド層（正孔ブロッキング層）は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、５ｎｍの厚さで形成した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）を用いた。
【0058】
続いて、グレーデッド層（正孔ブロッキング層）上に５回の繰り返し周期をもつ量子井戸層ＡｌｘＧａ１－ｘＮと障壁層ＡｌｙＧａ１－ｙＮを形成した。量子井戸層の厚さは５ｎｍ、Ａｌ組成は８５％とした。障壁層の厚さは６ｎｍ、Ａｌ組成は９２％とした。第１導電型半導体層と同様に、量子井戸層ＡｌｘＧａ１－ｘＮと障壁層ＡｌｙＧａ１－ｙＮの形成条件は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた。また、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）を用いた。なお、繰り返し周期の始めと終わりは量子井戸層である。
【0059】
続いて、繰り返し周期をもつ量子井戸層上に電子ブロック層を形成した。電子ブロック層は、ドーパントを含まないＡｌＧａＮ層とした。電子ブロック層は、Ａｌ組成が９５％であり、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定し、１０ｎｍの厚さで形成した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた。
続いて、電子ブロック層上に第２導電型半導体層を形成した。第２導電型半導体層は、基板から遠ざかる方向にＡｌ組成が分布をもち、Ａｌ＝０．８５から０．２５まで変化する３０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ層である。第１導電型半導体層と同様に、第２導電型半導体層の形成条件は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた。
続いて、電子ブロック層上に第２導電型半導体層を形成した。第２導電型半導体層は、基板から遠ざかる方向にＡｌ組成が分布をもち、Ａｌ＝０．８５から０．２５まで変化する３０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ層である。第１導電型半導体層と同様に、第２導電型半導体層の形成条件は、１０８０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定した。また、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。また、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた。
【0060】
続いて、第２導電型半導体層上にｐ型の導電性を有する窒化物半導体層（ｐコンタクト層）を形成した。ｐコンタクト層は、１０ｎｍの厚さを有し、ＧａＮ層（すなわちＡｌ：０％）とした。ｐコンタクト層の形成条件は、９５０℃の温度で、真空度を５０ｍｂａｒに設定した。また、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いた。
このようにして得られた５回の繰り返し周期を持つ量子井戸層を有する発光素子に対して、電流注入による発光強度の測定を行った。発光素子に１００ｍＡの電流を注入したところ、発光強度は５５０μＷであった。高い光出力かつ高い外部量子効率の素子を得た。
このようにして得られた５回の繰り返し周期を持つ量子井戸層を有する発光素子に対して、電流注入による発光強度の測定を行った。発光素子に１００ｍＡの電流を注入したところ、発光強度は５５０μＷであった。高い光出力かつ高い外部量子効率の素子を得た。
【0061】
（実施例２）
ＳＴＲＪａｐａｎ株式会社製のデバイスシミュレーションソフト「ＳｉＬＥＮＳｅ」を用いてシミュレーションを行った。ＳｉＬＥＮＳｅでは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯなどのウルツ構造やＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰなどの閃亜鉛構造のＬＥＤ構造のバンド構造について計算を行うことができる。入力として、膜厚、混晶組成、不純物ドーピング密度などの膜構造やバンドギャップエネルギー、電子移動度、自発分極などの物性パラメータを変えてシミュレーションを行うことができる。以下、本実施例のシミュレーション条件について説明する。
ＳＴＲＪａｐａｎ株式会社製のデバイスシミュレーションソフト「ＳｉＬＥＮＳｅ」を用いてシミュレーションを行った。ＳｉＬＥＮＳｅでは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯなどのウルツ構造やＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰなどの閃亜鉛構造のＬＥＤ構造のバンド構造について計算を行うことができる。入力として、膜厚、混晶組成、不純物ドーピング密度などの膜構造やバンドギャップエネルギー、電子移動度、自発分極などの物性パラメータを変えてシミュレーションを行うことができる。以下、本実施例のシミュレーション条件について説明する。
【0062】
すべての層が下地ＡｌＮ層の格子定数に一致した完全ひずみ系を仮定した。ＡｌＮ上に１×１０１９ｃｍ－３のｎ型ドーパントを含むＡｌ組成８７％のｎ型ＡｌＧａＮ層を置いた。ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚みは５００ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ上に膜厚ＴＷ［ｎｍ］である量子井戸層Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎと膜厚６ｎｍであるバリア層Ａｌ０．９２５Ｇａ０．０７５ＮをＮ周期繰り返し配置した。繰り返し周期をＮ＝５としてシミュレーションを行った。なお、繰り返し周期の開始と終了は量子井戸層とした。
【0063】
繰り返し周期の多重量子井戸上に、膜厚１１ｎｍの電子ブロック層ＡｌＮを配置した。さらに、電子ブロック層上にｐ型グレーデッド層ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（Ａｌ組成を０．８５から０．２５まで連続的に変化させた）を配置した。膜厚は３０ｎｍであり、ｐ型ドーパントを１×１０１９ｃｍ－３を含む。計算結果（例えば、後述の図６）については、電流密度４０Ａ／ｃｍ２の時の結果を示す。
【0064】
次に、上述の式（ａ）から式（ｃ）の根拠を説明する。
＜式（ａ）の根拠＞
図４は、Ｍａｔｔｈｅｗｓの式を用いて、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層のＡｌ組成と臨界膜厚との関係を計算した結果を示すグラフである。図４の横軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層のＡｌ組成を示し、縦軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の臨界膜厚を示す。本発明者は、Ｍａｔｔｈｅｗｓの式を用いて、ＡｌＮ層上に成膜されるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の臨界膜厚を計算した。
＜式（ａ）の根拠＞
図４は、Ｍａｔｔｈｅｗｓの式を用いて、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層のＡｌ組成と臨界膜厚との関係を計算した結果を示すグラフである。図４の横軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層のＡｌ組成を示し、縦軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の臨界膜厚を示す。本発明者は、Ｍａｔｔｈｅｗｓの式を用いて、ＡｌＮ層上に成膜されるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の臨界膜厚を計算した。
【0065】
ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層を臨界膜厚以上の膜厚で成膜すると、下地と成長層との格子定数の違いにより格子緩和が生じ、内部量子効率ηｒａｄ（上述の式（２）参照）が大幅に低下してしまう。例えば図４に示すように、ＡｌＮ層上に成膜されるＡｌ組成が８５％であるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（すなわち、Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層）の臨界膜厚は約５０ｎｍと算出される。ＡｌＮ層上のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層の膜厚が５０ｎｍ以上になると、Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層に格子緩和が生じ、内部量子効率ηｒａｄが大幅に低下する。
【0066】
本発明者はこの点に着目して、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の総膜厚を５０ｎｍ未満に規定した。この規定が式（ａ）である。式（ａ）を満たすことで、内部量子効率ηｒａｄの低下を抑制することが可能となる。
すなわち、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の総膜厚をＴＷｔｏｔａｌとし、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚をＴＷ（ｎｍ）とし、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の繰り返し周期をＮとすると、ＴＷｔｏｔａｌ ＝ ＴＷ × Ｎ が成り立つ。本発明者は、内部量子効率ηｒａｄの低下を抑制するために、ＴＷｔｏｔａｌ＜５０ｎｍとすることで、上記の式（ａ）を得た。
すなわち、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の総膜厚をＴＷｔｏｔａｌとし、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚をＴＷ（ｎｍ）とし、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の繰り返し周期をＮとすると、ＴＷｔｏｔａｌ ＝ ＴＷ × Ｎ が成り立つ。本発明者は、内部量子効率ηｒａｄの低下を抑制するために、ＴＷｔｏｔａｌ＜５０ｎｍとすることで、上記の式（ａ）を得た。
【0067】
＜式（ｂ）の根拠＞
図５は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の繰り返しの周期数Ｎと紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。図５の横軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の繰り返しの周期を示し、縦軸は紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）を示す。なお、縦軸の駆動電圧（Ｖ）は、１つのウェハ面内に形成した複数の紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）の平均値である。
上述の式（１）で示したように、電力変換効率（ＷＰＥ）を向上させるためには、駆動電圧Ｖは低い方が好ましい。本発明者は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）を量子井戸層とし、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ｙ＞ｘ）を障壁層とする実際の紫外線発光素子（以下、実デバイスともいう）を複数用意し、周期数Ｎが異なる実デバイスごとに駆動電圧（Ｖ）を測定した。
図５は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の繰り返しの周期数Ｎと紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。図５の横軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層の繰り返しの周期を示し、縦軸は紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）を示す。なお、縦軸の駆動電圧（Ｖ）は、１つのウェハ面内に形成した複数の紫外線発光素子の駆動電圧（Ｖ）の平均値である。
上述の式（１）で示したように、電力変換効率（ＷＰＥ）を向上させるためには、駆動電圧Ｖは低い方が好ましい。本発明者は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）を量子井戸層とし、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ｙ＞ｘ）を障壁層とする実際の紫外線発光素子（以下、実デバイスともいう）を複数用意し、周期数Ｎが異なる実デバイスごとに駆動電圧（Ｖ）を測定した。
【0068】
図５に示すように、実デバイスに１００ｍＡを印加すると、周期数Ｎが３である実デバイスの駆動電圧と、周期数Ｎが２０である実デバイスの駆動電圧との間には、約１Ｖの電位差が確認された。この結果から、１００ｍＡ印加時に、量子井戸層１層当たりにかかる電圧は０．０６Ｖであることがわかった。同様に、実デバイスに５００ｍＡを印加すると、周期数Ｎが３である実デバイスの駆動電圧と、周期数Ｎが２０である実デバイスの駆動電圧との間には、約５Ｖの電位差が確認された。この結果から、５００ｍＡ印加時に、量子井戸層１層当たりにかかる電圧は０．３Ｖであることがわかった。なお、図５に示す１００ｍＡは、電流密度に換算すると、概ね４０Ａ／ｃｍ２になる。
【0069】
実デバイスでは、量子井戸層のほかにも、第１導電型半導体層に接続する第１電極（例えば、Ｎ電極）や、第２導電型半導体層に接続する第２電極（例えば、Ｐ電極）など、量子井戸層以外の部分にも電圧がかかる。例えば、量子井戸層以外の部分に７．５Ｖから８Ｖ程度かかる。量子井戸層以外の部分に７．８Ｖかかるとすると、周期数Ｎが８以上の実デバイスでは、５００ｍＡ印加時に駆動電圧が１０Ｖを越える。
本発明者はこの点に着目して、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の周期数Ｎを８未満に規定した。この規定が式（ｂ）である。式（ｂ）を満たすことで、駆動電圧Ｖを低く抑えることが可能となる。
本発明者はこの点に着目して、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の周期数Ｎを８未満に規定した。この規定が式（ｂ）である。式（ｂ）を満たすことで、駆動電圧Ｖを低く抑えることが可能となる。
【0070】
＜式（ｃ）の根拠＞
図６は、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷと、キャリア注入効率ηｉｎｊとの関係を示すグラフである。本発明者は、薄膜シミュレーションでキャリア注入効率ηｉｎｊを計算した。本計算結果は、電流密度４０Ａ／ｃｍ２の時の結果を示す。図６に示すように、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の膜厚を５ｎｍ以上にすると、キャリア注入効率ηｉｎｊが１０％を超える。
本発明者はこの点に着目して、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷを４ｎｍよりも大きく、好ましくは５ｎｍ以上に規定した。この規定が式（ｃ）である。式（ｃ）を満たすことで、キャリア注入効率ηｉｎｊを向上させることが可能となる。
図６は、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷと、キャリア注入効率ηｉｎｊとの関係を示すグラフである。本発明者は、薄膜シミュレーションでキャリア注入効率ηｉｎｊを計算した。本計算結果は、電流密度４０Ａ／ｃｍ２の時の結果を示す。図６に示すように、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の膜厚を５ｎｍ以上にすると、キャリア注入効率ηｉｎｊが１０％を超える。
本発明者はこの点に着目して、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷを４ｎｍよりも大きく、好ましくは５ｎｍ以上に規定した。この規定が式（ｃ）である。式（ｃ）を満たすことで、キャリア注入効率ηｉｎｊを向上させることが可能となる。
【0071】
＜式（ａ）から（ｃ）を全て満たす範囲＞
図７は、式（ａ）から（ｃ）を全て満たす範囲を示すグラフである。図７の横軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の繰り返し周期数Ｎを示し、縦軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷ（ｎｍ）を示す。図７に示すように、グラフ中の曲線ａよりも下の領域が、式（ａ）を満たす範囲であり、格子緩和の発生が抑制され、内部量子効率ηｒａｄの低下が抑制される範囲である。グラフ中の直線ｂよりも左側の領域が、式（ｂ）を満たす範囲であり、駆動電圧Ｖを低く抑えられる範囲である。グラフ中の直線ｃよりも上側の領域が、キャリア注入効率ηｉｎｊを向上する領域である。
図７は、式（ａ）から（ｃ）を全て満たす範囲を示すグラフである。図７の横軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の繰り返し周期数Ｎを示し、縦軸はＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷ（ｎｍ）を示す。図７に示すように、グラフ中の曲線ａよりも下の領域が、式（ａ）を満たす範囲であり、格子緩和の発生が抑制され、内部量子効率ηｒａｄの低下が抑制される範囲である。グラフ中の直線ｂよりも左側の領域が、式（ｂ）を満たす範囲であり、駆動電圧Ｖを低く抑えられる範囲である。グラフ中の直線ｃよりも上側の領域が、キャリア注入効率ηｉｎｊを向上する領域である。
【0072】
すなわち、図７のグラフにおいて、曲線ａと直線ｂ及び直線ｃで囲まれる領域内が、式（ａ）から（ｃ）を全て満たす領域である。本発明の実施形態、各実施例及び各具体例では、量子井戸層となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（０．７≦ｘ＜１）の１層当たりの膜厚ＴＷと、周期数Ｎとが、式（ａ）から（ｃ）を全て満たすことによって、内部量子効率の低下を抑制した状態で、低い駆動電圧と高いキャリア注入効率とを両立させることができ、電力変換効率（ＷＰＥ）を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【0073】
１、１Ａ 紫外線発光素子
１０ 基板
１０ａ 第１主面
１０ｂ 第２主面
１１ ＡｌＮ層
１２ 第１導電型半導体層
１３ ＡｌａＧａ１－ａＮ層
１４ 多重量子井戸構造
１５ ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層
１６ ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層
１７ 第２導電型半導体層
２０、２０－１、２０－２、２０－（ｎ－１）、２０－ｎ 積層単位
２１ ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層
２２ ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層
５０ 第１電極
６０ 第２電極
７０ 第１凸部
７５ 凹部
８０ 第２凸部
１０ 基板
１０ａ 第１主面
１０ｂ 第２主面
１１ ＡｌＮ層
１２ 第１導電型半導体層
１３ ＡｌａＧａ１－ａＮ層
１４ 多重量子井戸構造
１５ ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層
１６ ＡｌｃＧａ１－ｃＮ層
１７ 第２導電型半導体層
２０、２０－１、２０－２、２０－（ｎ－１）、２０－ｎ 積層単位
２１ ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層
２２ ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層
５０ 第１電極
６０ 第２電極
７０ 第１凸部
７５ 凹部
８０ 第２凸部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】