(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】P2023180922
(43)【公開日】2023-12-21
(54)【発明の名称】紫外線発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/10 20100101AFI20231214BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20231214BHJP
【ＦＩ】
H01L33/10
H01L33/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022094606
(22)【出願日】2022-06-10
(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】佐藤 恒輔
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA11
5F241CA05
5F241CA13
5F241CA40
5F241CA65
5F241CB11
5F241CB15
5F241FF16
(57)【要約】
【課題】発光を有効活用し、各種成分をより高精度に検出することの可能な紫外線発光素子を提供する。
【解決手段】基板２と、基板２の上にある反射層４と、反射層４の上にある発光層３と、を備え、基板２側から光を取り出す紫外線発光素子１であって、反射層４は、発光層３から放射される光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長又は短波長の光のうちの少なくとも一部を反射する。反射層４で反射された長波長又は短波長の光を発光層３が吸収し発光層３は、吸収した短波長も用いてピーク波長を含む光を放射する。
【選択図】図１
【解決手段】基板２と、基板２の上にある反射層４と、反射層４の上にある発光層３と、を備え、基板２側から光を取り出す紫外線発光素子１であって、反射層４は、発光層３から放射される光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長又は短波長の光のうちの少なくとも一部を反射する。反射層４で反射された長波長又は短波長の光を発光層３が吸収し発光層３は、吸収した短波長も用いてピーク波長を含む光を放射する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
当該基板の上にある反射層と、
当該反射層の上にある発光層と、を備え、
前記基板側から光を取り出す紫外線発光素子であって、
前記反射層は、前記発光層から放射される光のピーク波長の光を透過し、前記ピーク波長よりも長波長の光のうちの少なくとも一部を反射する
紫外線発光素子。
当該基板の上にある反射層と、
当該反射層の上にある発光層と、を備え、
前記基板側から光を取り出す紫外線発光素子であって、
前記反射層は、前記発光層から放射される光のピーク波長の光を透過し、前記ピーク波長よりも長波長の光のうちの少なくとも一部を反射する
紫外線発光素子。
【請求項2】
当該紫外線発光素子から放射された光の発光スペクトルにおいて、
前記ピーク波長以上の波長の範囲の発光出力の積分値が、前記ピーク波長未満の波長の範囲の発光出力の積分値よりも小さい
請求項１に記載の紫外線発光素子。
前記ピーク波長以上の波長の範囲の発光出力の積分値が、前記ピーク波長未満の波長の範囲の発光出力の積分値よりも小さい
請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項3】
前記発光層は、前記反射層で反射された光を吸収し、該吸収した光も用いて前記ピーク波長を含む光を放射する
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項4】
前記反射層はＡｌｘＧａ１－ｘＮ／ＡｌｙＧａ１－ｙＮ（ｘ＜ｙ）からなり、前記発光層はＡｌｚＧａ１－ｚＮ（ｚ＜ｘ)からなる請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項5】
前記反射層は、前記ピーク波長の光よりも短波長の光の少なくとも一部も反射し、
前記発光層は、前記反射層で反射された前記短波長の光も吸収する請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
前記発光層は、前記反射層で反射された前記短波長の光も吸収する請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項6】
前記発光層は、前記短波長の光を吸収し、前記反射層を少なくとも部分的に透過する蛍光を発する請求項５に記載の紫外線発光素子。
【請求項7】
波長２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下のピーク発光波長を有する
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項8】
前記発光層が放射する光の半値幅が１０ｎｍ以上である
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項9】
前記基板から取り出される光の半値幅が、１０ｎｍ未満である
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項10】
前記基板の光を取り出す面に、凸構造及び凹構造のうちの少なくともいずれか一方の構造を有する
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
請求項１または請求項２に記載の紫外線発光素子。
【請求項11】
前記凸構造は、六角錐又は六角錐台形状である
請求項１０に記載の紫外線発光素子。
請求項１０に記載の紫外線発光素子。
【請求項12】
基板と、
前記基板の上にある発光層と、を備え、
前記基板側からピーク波長が２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の光を取り出す紫外線発光素子であって、
前記基板側から取り出された光の発光スペクトルにおいて、前記ピーク波長よりも長波長の範囲の前記発光スペクトルの積分値が、前記ピーク波長以下の範囲の前記発光スペクトルの積分値よりも小さい
紫外線発光素子。
前記基板の上にある発光層と、を備え、
前記基板側からピーク波長が２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の光を取り出す紫外線発光素子であって、
前記基板側から取り出された光の発光スペクトルにおいて、前記ピーク波長よりも長波長の範囲の前記発光スペクトルの積分値が、前記ピーク波長以下の範囲の前記発光スペクトルの積分値よりも小さい
紫外線発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
紫外線発光素子は波長に応じて様々な用途に用いられ、例えば、硝酸や亜硝酸、および硝酸イオンや亜硝酸イオン、また、塩素イオンの計測機器の光源として用いられている（例えば、特許文献１参照）。これらの検出を選択的にかつ高精度に検出するには、用いる紫外線光源のうち、検出に最も有効な波長の発光を選択的に高出力化し、有効では無い波長の発光を低出力化することが求められる。有効な波長の発光を選択的に高出力化する技術として、紫外線光源として紫外線ＬＥＤ（発光ダイオード）を用い、発光のピーク強度を高めるために反射層をダイオードのｎ型およびｐ型クラッド層に配置することで、フォトンリサイクリングにより光を増幅する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０００－１２１５５６号公報
【特許文献2】特開２００２－３３５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献２に記載の構造では、有効では無い波長の発光を低出力化することが出来ない。さらにフォトンリサイクリングの観点から考えると、発光のピーク波長からずれた波長での発光のフォトンリサイクリングが不十分であり、光の有効活用という点から改善の余地がある。
上述した課題を解決するために、本開示は発光を有効活用し、且つ、硝酸や亜硝酸、および硝酸イオンや亜硝酸イオン、また、塩素イオン等といった各種成分をより高精度に検出することの可能な紫外線発光素子を提供することを目的としている。
上述した課題を解決するために、本開示は発光を有効活用し、且つ、硝酸や亜硝酸、および硝酸イオンや亜硝酸イオン、また、塩素イオン等といった各種成分をより高精度に検出することの可能な紫外線発光素子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】
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子は、基板と、当該基板の上にある反射層と、当該反射層の上にある発光層と、を備え、前記基板側から光を取り出す紫外線発光素子であって、前記反射層は、前記発光層から放射される光のピーク波長の光を透過し、前記ピーク波長よりも長波長の光のうちの少なくとも一部を反射することを特徴としている。
【0006】
また、本発明の他の実施形態に係る紫外線発光素子は、基板と、前記基板の上にある発光層と、を備え、前記基板側からピーク波長が２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の光を取り出す紫外線発光素子であって、前記基板側から取り出された光の発光スペクトルにおいて、前記ピーク波長よりも長波長の範囲の前記発光スペクトルの積分値が、前記ピーク波長以下の範囲の前記発光スペクトルの積分値よりも小さいことを特徴としている。
【発明の効果】
【0007】
本発明の一態様によれば、発光を有効活用し、且つ各種成分を高精度に検出することの可能な紫外線発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図2】反射層の垂直入射における波長に対する透過率の一例を示すグラフである。
【図3】反射層の量子井戸構造の周期を変化させた場合の、波長に対する透過率の一例を示すグラフである。
【図4】反射層の量子井戸構造の膜厚ｔを変化させた場合の、垂直入射の透過率の計算結果の一例を示すグラフである。
【図5】反射層の有無における、フォトンリサイクリングによるピーク波長の発光出力の向上が無いと仮定した場合の発光スペクトルを比較した一例である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又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、厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置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、様々な変更を加えることができる。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】
以下、本開示の実施形態に係る紫外線発光素子（ＬＥＤ）１について、図１を参照して説明する。
図１は、本開示の実施形態に係る紫外線発光素子１の一構成例を模式的に示す断面図である。
紫外線発光素子１は、基板２と、基板２の一方の面である第１主面２a上に配置された発光層３と、基板２と発光層３との間に配置された反射層４とを有し、基板２の第１主面２ａとは逆側の第２主面２ｂが光取り出し面となっている。反射層４は発光層３からの発光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を反射する。発光層３は反射層４で反射された長波長の発光を吸収する。
図１は、本開示の実施形態に係る紫外線発光素子１の一構成例を模式的に示す断面図である。
紫外線発光素子１は、基板２と、基板２の一方の面である第１主面２a上に配置された発光層３と、基板２と発光層３との間に配置された反射層４とを有し、基板２の第１主面２ａとは逆側の第２主面２ｂが光取り出し面となっている。反射層４は発光層３からの発光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を反射する。発光層３は反射層４で反射された長波長の発光を吸収する。
【0011】
さらに紫外線発光素子１は、発光層３を上下から挟む第１導電型半導体層６と、第１導電型半導体層６とは極性の異なる第２導電型半導体層７とを含む。さらに紫外線発光素子１は、第１導電型半導体層６に接する第１導電型電極８と、第２導電型半導体層７に接する第２導電型電極９とを含む。紫外線発光素子１は、樹脂等で封止された形態や、サブマウント基板に実装された形態なども含む。
【0012】
以下、各層について詳細に説明する。
＜基板２＞
基板２は、第１主面２ａ上に発光層３を含む積層薄膜１０を配置可能に形成されていればよく、形状は特に制限されない。発光層３は、基板２の、発光層３とは反対側の第２主面２ｂの方向に光を放射する。
紫外線域の発光材料であるＡｌＧａＮ積層薄膜を発光層３として配置する観点から、基板２はサファイア基板又は窒化アルミニウム基板であることが好ましい。窒化アルミニウム基板は単結晶の窒化アルミニウム基板であることが好ましい。
＜基板２＞
基板２は、第１主面２ａ上に発光層３を含む積層薄膜１０を配置可能に形成されていればよく、形状は特に制限されない。発光層３は、基板２の、発光層３とは反対側の第２主面２ｂの方向に光を放射する。
紫外線域の発光材料であるＡｌＧａＮ積層薄膜を発光層３として配置する観点から、基板２はサファイア基板又は窒化アルミニウム基板であることが好ましい。窒化アルミニウム基板は単結晶の窒化アルミニウム基板であることが好ましい。
【0013】
基板２の第１主面２ａ以外が外界に露出している場合、基板２がサファイア基板であると、紫外線発光素子１の発熱により基板２が外界の水等と反応して基板２の表面に水酸化膜が形成される場合がある。また、基板２が窒化アルミニウム基板であると、紫外線発光素子１の発熱により基板２が外界の酸素と反応して酸化膜が形成される場合がある。これらの膜（水酸化膜又は酸化膜）は、発光スペクトルの中心波長を含む光を減衰させたり、反射させたりして、所望の波長の光の発光効率を低減、すなわち出力を低下させてしまう。
【0014】
また、これらの膜は、形成時に外界の二酸化炭素若しくは基板２中に不純物として混入している炭素、又は紫外線発光素子（ＬＥＤ）１のパッケージで使用されている樹脂由来の炭素を含むことがある。これにより、各膜のバンドギャップエネルギーが発光エネルギーよりも大きいとしても、不純物由来の吸収が起こり、光の減衰が起こる。また、基板２の表面に、基板２とは屈折率の異なる層が形成されると、基板２との界面で反射が起こる。特に、例えば窒化アルミニウム基板と酸化アルミニウム層のように、基板２よりも低屈折率の材料からなる層が形成されると、より強い反射が起こり外界に光が取り出せなくなる。これらを防止する観点から、基板２の表面、つまり基板２の第１主面２ａ及び第２主面２ｂの露出している部分に保護膜を配置しても良い。保護膜の材料としては二酸化ケイ素や窒化ケイ素を用いても良く、これに限らない。
【0015】
基板２の転位密度は、１０７ｃｍ－２未満であることが好ましく、特に１０５ｃｍ－２未満であればより好ましい。積層薄膜１０の転位密度低減の観点から、基板２の第１主面２ａ側の二乗平均平方根（ＲＭＳ：Root Mean Square）高さ（二乗平均平方根高さＲｑ）は、１０μｍ×１０μｍの面積に対して約１ｎｍ未満であることが好ましい。また、積層薄膜１０の表面を平坦かつ均一に形成するために、基板２の第２主面２ｂ側の二乗平均平方根（ＲＭＳ）高さ（二乗平均平方根高さＲｑ）は、１０μｍ×１０μｍの面積に対して約１０ｎｍ未満であることが好ましい。
【0016】
＜積層薄膜１０＞
積層薄膜１０は、発光層３を含み、基板２の第１主面２ａ上に配置されていれば特に制限されない。
積層薄膜１０は、発光効率向上の観点から、発光層３を挟むように第１導電型半導体層６と第２導電型半導体層７とを更に備えることが好ましい場合がある。ここで、「第１導電型」及び「第２導電型」は、互いに異なる導電性を示す半導体であることを意味し、一方がｎ型導電性の場合、他方はｐ型導電性となる。一般的には発光層３と基板２との間がｎ型半導体層となるように形成されるが、本実施形態はこれに制限されない。
積層薄膜１０は、発光層３を含み、基板２の第１主面２ａ上に配置されていれば特に制限されない。
積層薄膜１０は、発光効率向上の観点から、発光層３を挟むように第１導電型半導体層６と第２導電型半導体層７とを更に備えることが好ましい場合がある。ここで、「第１導電型」及び「第２導電型」は、互いに異なる導電性を示す半導体であることを意味し、一方がｎ型導電性の場合、他方はｐ型導電性となる。一般的には発光層３と基板２との間がｎ型半導体層となるように形成されるが、本実施形態はこれに制限されない。
【0017】
積層薄膜１０には、発光層３と基板２との間に反射層４を含む。反射層４は発光層３から放射される発光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を反射する。発光層３は反射層４で反射された長波長の発光を吸収する。これにより、発光層３から放射される発光のうち、ピーク波長よりも長波長の発光がフォトンリサイクリングにより発光層３において再利用されて、発光のピーク波長の光を高出力化できると同時に、ピーク波長よりも長波長の発光を低出力化させることが出来る。
【0018】
第１導電型半導体層６、発光層３及び第２導電型半導体層７以外の層としては、例えば、発光層３と、第１導電型半導体層６及び第２導電型半導体層７の少なくとも一方との間に、電子又は正孔をブロックする層が備えられていてもよい。
また、積層薄膜１０の結晶性向上の観点から、積層薄膜１０の基板２と接する側の面にバッファ層を更に備えることが好ましい場合がある。
また、発光層３に効率的に電力を供給する観点から、第１導電型半導体層６と接する第１導電型電極８と、第２導電型半導体層７と接する第２導電型電極９とを備えていても良い。
また、積層薄膜１０の結晶性向上の観点から、積層薄膜１０の基板２と接する側の面にバッファ層を更に備えることが好ましい場合がある。
また、発光層３に効率的に電力を供給する観点から、第１導電型半導体層６と接する第１導電型電極８と、第２導電型半導体層７と接する第２導電型電極９とを備えていても良い。
【0019】
また、積層薄膜１０は、一部に発光層３を含んだ凸形状部を有するメサ構造であってもよい。
積層薄膜１０は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法により形成することが可能である。メサ構造を有する積層薄膜１０は、上述したＭＯＣＶＤ法等により、積層薄膜１０と同一構成の薄膜層を形成した後に、所望の領域をエッチングすることで形成することができる。
積層薄膜１０は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法により形成することが可能である。メサ構造を有する積層薄膜１０は、上述したＭＯＣＶＤ法等により、積層薄膜１０と同一構成の薄膜層を形成した後に、所望の領域をエッチングすることで形成することができる。
【0020】
（発光層３）
発光層３は、発光層３に電力が印加された時に発光層３のバンドギャップに応じた光を発する。本実施形態の紫外線発光素子１における発光層３は、発光スペクトルのピーク波長が紫外線域であれば特に制限されないが、好ましくはピーク波長が硝酸等を検出する光源として有効な２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の範囲内であり、より好ましくはピーク波長が硝酸等を高精度に検出する光源として有効な波長２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の範囲内であり、さらに好ましくはピーク波長が硝酸等を高精度に検出する光源として有効な２２５ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の範囲内である。ここで、発光スペクトルが複数のピークを有する場合、発光強度が最も大きいピークの波長が光の中心波長として定義される。
発光層３は、発光層３に電力が印加された時に発光層３のバンドギャップに応じた光を発する。本実施形態の紫外線発光素子１における発光層３は、発光スペクトルのピーク波長が紫外線域であれば特に制限されないが、好ましくはピーク波長が硝酸等を検出する光源として有効な２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の範囲内であり、より好ましくはピーク波長が硝酸等を高精度に検出する光源として有効な波長２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の範囲内であり、さらに好ましくはピーク波長が硝酸等を高精度に検出する光源として有効な２２５ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の範囲内である。ここで、発光スペクトルが複数のピークを有する場合、発光強度が最も大きいピークの波長が光の中心波長として定義される。
【0021】
発光層３の具体的構造の一例としては、量子井戸構造が挙げられる。発光層３の構造として、例えば、組成比が異なる（バンドギャップが異なる）ＡｌＧａＮ層を積層した量子井戸構造が採用可能である。より好ましくは組成比が異なる（バンドギャップが異なる）ＡｌＧａＮ層を多層積層した多重量子井戸が発光層３の構造として採用可能である。より具体的な構造としては、組成がＡｌ０．８７Ｇａ０．１３Ｎの井戸層（厚さ１ｎｍ）３層と、組成がＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎの障壁層（厚さ５ｎｍ）２層を交互に積層した３重量子井戸構造が挙げられる。
【0022】
発光層３は、反射層４で反射された、発光のピーク波長の光よりも長波長の光を吸収し、キャリア分離と再結合を行うことで再度ピーク波長を含む発光を行う。この観点から、発光層３の材料としては、高いフォトンリサイクリング効率を有するＡｌＧａＮが好ましい。なお、実際の紫外線発光素子（ＬＥＤ）は量子井戸のＡｌＧａＮ材料のバンドギャップよりも小さい、長波長側の光を放射することが多々ある。その理由は、発光層３内の不純物や欠陥によることもあり、あるいは量子井戸では無い層（例えば第１あるいは第２導電型半導体層６、７）からの発光が得られることがあるからである。紫外線発光素子（ＬＥＤ）の中でも波長が２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の比較的短波長域で発光する紫外線発光素子（ＬＥＤ）においては、特にこの量子井戸層では無い層からの発光（特に、長波長側の発光）が顕著に観測されるため、本実施形態におけるフォトンリサイクリングの効果が極めて高い。この長波長側の発光を吸収して電荷分離して生成したキャリア（電子と正孔）は、電圧が印加されている紫外線発光素子（ＬＥＤ）ではキャリア輸送されて、発光層３でキャリア再結合し、吸収した光の波長よりも短い波長の光を放射する。
【0023】
また、量子井戸層のＡｌＧａＮは上記理由を一つの理由として、あるいはバンド端近傍の波長域では吸収率の裾を有するために、バンドギャップよりも小さなエネルギーの光を吸収することが多々ある。そのため、発光層３は、反射層４で反射されたピーク波長よりも長波長側の発光を吸収することが出来る。
【0024】
また、上記実施形態では、反射層４が長波長の光を反射する構成としているが、長波長の光だけでなく、反射層４が、さらに短波長の光も反射する構成であってもよい。つまり、発光層３は、反射層４で反射された、発光のピーク波長の光よりも長波長の光だけでなく、発光のピーク波長の光よりも短波長の発光も吸収し、キャリア分離と再結合を行うことで再度ピーク波長を含む発光を行っても良い。発光のピーク波長の光よりも短波長の発光も吸収し、キャリア分離と再結合とを行う観点から、高いフォトンリサイクリング効率を有するＡｌＧａＮが反射層４の材料として好ましい。
【0025】
なお、実際の紫外線発光素子（ＬＥＤ）は量子井戸のＡｌＧａＮ材料のバンドギャップよりも大きい、短波長側の光を放射することが多々ある。ピーク波長よりも短波長の発光も再利用することで、本発明におけるフォトンリサイクリングの効果が極めて高くなる。
また、反射層４が短波長の光を反射する構成の場合、発光層３は反射層４で反射された短波長の光を吸収して、反射層４を少なくとも部分的に透過する蛍光を発する蛍光体を有していても良い。この場合、発光層３に適切なピーク波長の発光を発するために、種々不純物を添加する手法が効果的である。
また、反射層４が短波長の光を反射する構成の場合、発光層３は反射層４で反射された短波長の光を吸収して、反射層４を少なくとも部分的に透過する蛍光を発する蛍光体を有していても良い。この場合、発光層３に適切なピーク波長の発光を発するために、種々不純物を添加する手法が効果的である。
【0026】
また、短波長の発光を吸収して、反射層４を少なくとも部分的に透過する蛍光を発する蛍光体を発光層３以外の箇所に有していても良い。具体的には、蛍光体を、基板２や、第１あるいは第２導電型半導体層６、７に有していても良い。この場合、蛍光体は層状であっても、分散体であっても良い。蛍光体が基板２に含まれる場合、短波長の発光は基板２で吸収されて、発光層３からのピーク波長を含む発光へと変換される。変換された光はそのまま外部へ放射されてフォトンリサイクリングには寄与しないが、フォトンリサイクリングの効果が働きピーク波長が急峻となった発光をより急峻にして外部へ取り出す効果がある。
フォトンリサイクリングの効果は、特に発光層３から、発光の半値幅が１０ｎｍ以上となる光を発する場合に効果が高い。これは、半値幅が広い紫外線発光素子（ＬＥＤ）では、ピーク波長より長波長側、あるいは短波長側の相対発光出力がメインピークよりも高くなるため、フォトンリサイクリングによる高出力化が有効になるからである。
フォトンリサイクリングの効果は、特に発光層３から、発光の半値幅が１０ｎｍ以上となる光を発する場合に効果が高い。これは、半値幅が広い紫外線発光素子（ＬＥＤ）では、ピーク波長より長波長側、あるいは短波長側の相対発光出力がメインピークよりも高くなるため、フォトンリサイクリングによる高出力化が有効になるからである。
【0027】
（第１導電型半導体層６）
第１導電型半導体層６の材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、またこれらの組み合わせ（多層）であっても良い。基板２が窒化アルミニウム基板の場合、格子定数の差が小さいＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が０．８以上のＡｌＧａＮが第１導電型半導体層６として好ましい場合がある。
図１に示すように、第１導電型半導体層６は、第１導電型半導体層６の一部が除去されることにより形成された第１積層領域６ａと、第１導電型半導体層６の第１積層領域６ａを除く領域に位置してメサ構造を構成する第２積層領域６ｂとを有している。
第１導電型半導体層６の材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、またこれらの組み合わせ（多層）であっても良い。基板２が窒化アルミニウム基板の場合、格子定数の差が小さいＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が０．８以上のＡｌＧａＮが第１導電型半導体層６として好ましい場合がある。
図１に示すように、第１導電型半導体層６は、第１導電型半導体層６の一部が除去されることにより形成された第１積層領域６ａと、第１導電型半導体層６の第１積層領域６ａを除く領域に位置してメサ構造を構成する第２積層領域６ｂとを有している。
【0028】
第１導電型半導体層６を構成する第１導電型半導体がｎ型半導体である場合、第１導電型半導体層６として、例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第１導電型半導体層として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
第１導電型半導体層６を構成する第１導電型半導体層がｐ型半導体である場合、第１導電型半導体層として例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第１導電型半導体層として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｐ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。２３０ｎｍ未満のピーク波長を有する光を発光する発光層３の活性層に効率良くキャリアを輸送する観点から、第１導電型半導体層としてＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が０．８以上のＡｌＧａＮを用いることが好ましい。
第１導電型半導体層６を構成する第１導電型半導体層がｐ型半導体である場合、第１導電型半導体層として例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第１導電型半導体層として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｐ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。２３０ｎｍ未満のピーク波長を有する光を発光する発光層３の活性層に効率良くキャリアを輸送する観点から、第１導電型半導体層としてＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が０．８以上のＡｌＧａＮを用いることが好ましい。
【0029】
（第２導電型半導体層７）
第２導電型半導体層７の材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、これらの組み合わせ（多層）であっても良い。
第２導電型半導体層７を構成する第２導電型半導体層がｎ型半導体である場合、第２導電型半導体層として例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第２導電型半導体層として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
第２導電型半導体層７の材料としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、これらの組み合わせ（多層）であっても良い。
第２導電型半導体層７を構成する第２導電型半導体層がｎ型半導体である場合、第２導電型半導体層として例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、第２導電型半導体層として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
【0030】
第２導電型半導体層７を構成する第２導電型半導体層がｐ型半導体である場合、第２導電型半導体層として例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。第２導電型半導体層がｐ型半導体である場合、第２導電型電極９とのコンタクト抵抗を下げる観点から、第２導電型半導体層７はＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が基板２から離れる方向に連続的又は段階的に小さくなるＡｌＧａＮ傾斜組成を有していても良い。また、発光効率を低減させる電子やホールの動きを抑制する観点から、第２導電型半導体層７の発光層３側にバンドギャップの大きいバリア層を有していても良い。また、第２導電型電極９との接触抵抗を低減する観点から、第２導電型半導体層７の第２導電型電極９側に不純物が多量にドーピングされたコンタクト層（不図示）を有していても良い。
【0031】
＜第１導電型電極８、第２導電型電極９＞
第１、第２導電型電極８、９は、接触する第１、第２導電型半導体層６、７とオーミック接続となる材料で形成されることが好ましい。
ｎ型半導体層（例えば、第１導電型半導体層６）と接する電極（例えば、第１導電型電極８）を構成する材料としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ若しくはその合金、又はＩＴＯ等が挙げられ、アルミニウムとニッケルとを含む材料がコンタクト抵抗低減の観点からより好ましい。
第１、第２導電型電極８、９は、接触する第１、第２導電型半導体層６、７とオーミック接続となる材料で形成されることが好ましい。
ｎ型半導体層（例えば、第１導電型半導体層６）と接する電極（例えば、第１導電型電極８）を構成する材料としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ若しくはその合金、又はＩＴＯ等が挙げられ、アルミニウムとニッケルとを含む材料がコンタクト抵抗低減の観点からより好ましい。
【0032】
ｐ型半導体層（例えば、第２導電型半導体層７）と接する電極（例えば、第２導電型電極９）を構成する材料としては、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ及びその合金、又はＩＴＯ等が挙げられる。ｐ型半導体層が窒化物半導体層の場合、窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯが好ましい。
第１導電型電極８及び第２導電型電極９は接続のために、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ等の金属層を連続して形成しても良く、導電性の高いＡｕが用いられることが望ましい場合がある。また、密着性向上のため、積層薄膜１０との界面にＴｉをさらに含んでいても良い。
第１導電型電極８及び第２導電型電極９は接続のために、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ等の金属層を連続して形成しても良く、導電性の高いＡｕが用いられることが望ましい場合がある。また、密着性向上のため、積層薄膜１０との界面にＴｉをさらに含んでいても良い。
【0033】
＜反射層４＞
本実施形態に係る紫外線発光素子１は、基板２と発光層３との間に反射層４が備えられている。前述のように、反射層４は発光層３から放射される発光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を反射する。
反射層４としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、またこれらの組み合わせ（多層）であっても良い。基板２が窒化アルミニウム基板の場合、格子定数の差が小さいＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が０．８以上のＡｌＧａＮが反射層として好ましい場合がある。これは同時に、上層に形成する第１導電型半導体層６としてのＡｌＧａＮ積層膜に対しても格子整合しやすく、高品質な薄膜成長を実現できるために好ましい。
本実施形態に係る紫外線発光素子１は、基板２と発光層３との間に反射層４が備えられている。前述のように、反射層４は発光層３から放射される発光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を反射する。
反射層４としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶及び混晶が挙げられ、またこれらの組み合わせ（多層）であっても良い。基板２が窒化アルミニウム基板の場合、格子定数の差が小さいＡｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）比率が０．８以上のＡｌＧａＮが反射層として好ましい場合がある。これは同時に、上層に形成する第１導電型半導体層６としてのＡｌＧａＮ積層膜に対しても格子整合しやすく、高品質な薄膜成長を実現できるために好ましい。
【0034】
反射層４は、メサ内、すなわち、平面視で発光層３を含む凸形状部と重なる領域にのみ配置されていてもよく、メサ外、すなわち、平面視で凸形状部と重なる領域だけでなく凸形状部と重ならない領域にまで配置されていても良い。
反射層４は導電性を有していても、有していなくても良い。反射層４が導電性を有する場合、反射層４がｎ型半導体層で構成される場合は、例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、反射層４として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
反射層４がｐ型半導体層で構成される場合、反射層４として、例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、反射層４として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｐ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
反射層４は導電性を有していても、有していなくても良い。反射層４が導電性を有する場合、反射層４がｎ型半導体層で構成される場合は、例えばＳｉが１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、反射層４として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｎ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
反射層４がｐ型半導体層で構成される場合、反射層４として、例えばＭｇが３×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされたＡｌＧａＮを用いることができる。また、反射層４として、極性を有する混晶半導体の混晶組成比率を連続的に変化させる分極ドーピング法によりｐ型化したＡｌＧａＮを用いても良い。
【0035】
本実施形態に係る紫外線発光素子１は、反射層４が発光層３から放射される発光のピーク波長の光を透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を反射し、発光層３は反射された長波長の発光を吸収することを特徴としている。この観点から、反射層４はＡｌｘＧａ１－ｘＮとＡｌｙＧａ１－ｙＮの周期的な積層膜であることが好ましい（ｘ＜ｙ）。この場合、発光のピーク波長の光を透過させる観点から、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ及びＡｌｙＧａ１－ｙＮは、発光層３のＡｌｚＧａ１－ｚＮの組成に対して、ｚ＜ｘ＜ｙであることが好ましい。
例えば、組成比率Ｚ＝０．８５のときの、ピーク波長を２２５ｎｍと想定した際の反射層４の構成としては、ＡｌＮ（厚さ２５ｎｍ）／ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（厚さ２５ｎｍ)からなる積層構造が１００周期相当積層された積層膜が挙げられる。
例えば、組成比率Ｚ＝０．８５のときの、ピーク波長を２２５ｎｍと想定した際の反射層４の構成としては、ＡｌＮ（厚さ２５ｎｍ）／ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（厚さ２５ｎｍ)からなる積層構造が１００周期相当積層された積層膜が挙げられる。
【0036】
図２に、光学薄膜設計シミュレーションソフト（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｖｉｅｗ ｖｅｒｓｉｏｎ３.２.５ ナリー・ソフトウェア製）を用いた際の、ＡｌＮ（厚さ２５ｎｍ）／ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（厚さ２５ｎｍ)からなる積層構造が１００周期相当積層された積層膜からなる反射層の垂直入射における透過率のグラフを示す。図２において、横軸は発光波長、縦軸は透過率であり、組成比率が０．８５、０．９、０．９５の場合の透過率を示す。なお、設計においては、反射層のＡｌｘＧａ１－ｘＮ側から光を放射し、周囲の環境はＡｌＮであるという仮定の下で計算を行った。ＡｌｘＧａ１－ｘＮの屈折率は、表１～表３の値を用いた。表１～表３は、ＡｌＧａＮからなる膜における、Ａｌ／ＩＩＩ組成比率が、０．８５、０．９、０．９５、１である場合の、光の波長λ（ｎｍ）に応じた屈折率を示す。
【0037】
【表1】
【0038】
【表2】
【0039】
【表3】
【0040】
図２に示すように、反射層は、ピーク波長２２５ｎｍの光を８５％以上透過し、ピーク波長よりも長波長の発光を５％以下反射させることが出来ていることを確認した。具体的には、例えば、Ａｌ／ＩＩＩ組成比率ｘがｘ＝０．９５では、波長２３１ｎｍ以上２３２ｎｍ以下で、ピーク波長よりも長波長の発光の透過率が５％以下となり、同様にｘ＝０．９では波長２３２ｎｍ以上２３６ｎｍ以下で透過率が５％以下となり、ｘ＝０．８５では波長２３３ｎｍ以上２４０ｎｍ以下で透過率が５％以下となることを確認した。つまり、この反射層がピーク波長よりも長波長域の発光を反射し、フォトンリサイクリングを行うのに適していることを確認した。また、この結果から、ピーク波長よりも長波長の発光を効率よく遮断するにはｚ＜ｘ＜ｙであることが好ましく、より好ましくはｚ＜ｘ＜ｙかつｘ＜０.９５であり、より好ましくはｚ＜ｘ＜ｙかつｘ＜０．９であることを確認した。
【0041】
さらに、反射層の量子井戸構造ＡｌＮ(２５ｎｍ）／Ａｌ０.８５Ｇａ０.１５Ｎ（２５ｎｍ)の周期を、５周期、及び１０～８０周期まで１０周期毎に変えた際の、波長に対する透過率を図３に示す。図３において、横軸は発光波長、縦軸は透過率である。ピーク波長２３０ｎｍよりも長波長の２３３ｎｍから２４０ｎｍ程度の範囲内で、いずれの周期である場合も透過率が小さく且つ、周期が長いときほど、透過率は小さくなっている。図３から、ピーク波長より長波長の発光を効率よく反射させてフォトンリサイクリングの効果を高める観点から、量子井戸構造の周期数は、ピーク波長よりも長波長となる２３３ｎｍから２４０ｎｍ程度の範囲内で透過率が５０％程度よりも小さくなる、１０周期以上であることが好ましく、２０周期以上がより好ましく、３０周期以上がより好ましく、４０周期以上がより好ましい。さらに、厚膜化させることで成長中にクラックが入ることを抑制するために、反射層の全膜厚は３μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がより好ましく、その条件を満たす周期数を選択することが好ましい。
さらに、反射層の量子井戸構造ＡｌＮ（２５ｎｍ)／Ａｌ０.８５Ｇａ０.１５Ｎ（ｔｎｍ）の膜厚ｔを２０ｎｍから３０ｎｍまで１ｎｍ毎に変化させた場合の垂直入射の透過率の計算結果を図４に示す。図４において、横軸は発光波長、縦軸は透過率である。
さらに、反射層の量子井戸構造ＡｌＮ（２５ｎｍ)／Ａｌ０.８５Ｇａ０.１５Ｎ（ｔｎｍ）の膜厚ｔを２０ｎｍから３０ｎｍまで１ｎｍ毎に変化させた場合の垂直入射の透過率の計算結果を図４に示す。図４において、横軸は発光波長、縦軸は透過率である。
【0042】
ピーク波長２２５ｎｍの発光に対して、ピーク波長よりも長波長の発光を効果的に反射させる観点から、この設計下においては、膜厚ｔが２３ｎｍ以上が好ましい。膜厚ｔが２３ｎｍ以上であると、ピーク波長２２５ｎｍの発光を８５％以上透過させることが出来、かつ２２５ｎｍよりも長波長の発光を反射させることが出来ている。具体的には、ｔ＝２３ｎｍでは波長２２８ｎｍ以上２３４ｎｍ以下で、ｔ＝２４ｎｍでは波長２３０ｎｍ以上２３７ｎｍ以下で、ｔ＝２６ｎｍでは波長２３６ｎｍ以上２４２ｎｍ以下で、ｔ＝２７ｎｍでは波長２３９ｎｍ以上２４５ｎｍ以下で、ｔ＝２８ｎｍでは波長２４２ｎｍ以上２４８ｎｍ以下で、ｔ＝２９ｎｍでは波長２４５ｎｍ以上２５１ｎｍ以下で、ｔ＝３０ｎｍでは波長２４９ｎｍ以上２５３ｎｍ以下で、光の透過率が５％以下となり、反射させることが出来ている。反射層の量子井戸構造の膜厚ｔが大きくなるとピーク波長と反射させる波長との差が大きくなるため、ピーク波長をより急峻にするためには、ピーク波長と反射させる波長の差が５ｎｍより小さいことが好ましく、そのため上記の場合膜厚ｔは２４ｎｍ以下が好ましい。つまり、より好ましい範囲は膜厚ｔが２３ｎｍ以上２４ｎｍ以下である。ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（図４の場合ｘ＝０．８５）の屈折率ｎ（波長２２５ｎｍの時、ｘ＝０．８５ではｎ＝２．７）とした場合、ピーク波長の発光を透過させつつ長波長域の発光を反射させる観点から、膜厚ｔは（ピーク波長）÷（４ｎ－１ｎｍ）から（ピーク波長）÷（４ｎ－１．５ｎｍ）であることが好ましい。この場合、発光ピーク波長２２５ｎｍでｘ＝０．８５ではｎ＝２．７で（ピーク波長）÷（４ｎ－１）は２３ｎｍ、（ピーク波長）÷（４ｎ－１．５ｎｍ）は２４ｎｍとなり、上記好ましい範囲に収まる。
【0043】
なお、上記実施形態では、反射層４の材料としてＡｌＧａＮを用いたが、他の材料を用いても構わない。反射層４の材料として、例えば、Ｇａの酸化物やＡｌの酸化物、ＢＮやＩｎＮ、あるいはこれら成分とＡｌＮやＧａＮとの混晶が挙げられる。
反射層４から発光されたピーク波長の光を効率的に透過する観点から、反射層４は、発光層３から発光された光の中心波長に対して±１ｎｍの波長の光を透過する材料で形成されていることが好ましい。具体的には上述するＡｌＧａＮとＡｌＧａＮとの積層構造が挙げられる。この際、下記（１）式で表されるＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギーＥに対応する波長λが、該発光層３からの中心波長よりも短ければ、上記透過する材料となり得る。
λ＝１２４０／Ｅ ……（１）
反射層４から発光されたピーク波長の光を効率的に透過する観点から、反射層４は、発光層３から発光された光の中心波長に対して±１ｎｍの波長の光を透過する材料で形成されていることが好ましい。具体的には上述するＡｌＧａＮとＡｌＧａＮとの積層構造が挙げられる。この際、下記（１）式で表されるＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギーＥに対応する波長λが、該発光層３からの中心波長よりも短ければ、上記透過する材料となり得る。
λ＝１２４０／Ｅ ……（１）
【0044】
また、目的に応じて、中心波長に対して±５ｎｍの波長の光を透過することが好ましい場合もある。ここで「Ｘｎｍの波長の光を透過する」とは、波長Ｘｎｍに対する光の反射率が３０％以下であることを意味する。また、反射層は、用途等に応じて、ピーク波長よりも長波長の発光を一部反射し、一部以外は透過しても良い。この場合、反射とは光の反射率が７０％以上を意味し、透過とは光の反射率が３０％以下を言う。フォトンリサイクリングを行う観点から、本発明の反射層において、発光層のピーク波長の光における透過率は反射層における透過率より高い必要がある。また、発光層のピーク波長より長波長の光の反射層における反射率は、ピーク波長における反射率より高い必要がある。
【0045】
紫外線発光素子１の発光を効率よくフォトンリサイクリングする観点から、反射層４における、ピーク波長より長波長の発光を反射する波長幅は５ｎｍより大きいことが好ましく、１０ｎｍより大きいことが好ましく、３０ｎｍより大きいことが好ましい。反射層４において反射する光の波長は、ピーク波長との差が２０ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以下であることがより好ましい。
反射層４は発光層３からのピーク波長の発光を透過し、ピーク波長よりも短波長の発光を反射しても良い。この場合、図２～図４に示す例のように、膜厚やＡｌＧａＮの組成を調節する事で実現出来る。
反射層４は発光層３からのピーク波長の発光を透過し、ピーク波長よりも短波長の発光を反射しても良い。この場合、図２～図４に示す例のように、膜厚やＡｌＧａＮの組成を調節する事で実現出来る。
【0046】
本実施形態に係る紫外線発光素子１は基板２の、光を取り出す取り出し面（第２主面２ｂ）に凸部あるいは凹部形状の構造を有していても良い。凸部は、円錐、角錐、半球形、錐台など多様な凸形状・密度により設けられてよい。基板２がＡｌＮ基板で形成される際に、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、凸部の側面が（１０－１－１）面からなる角錐形を含むことが好ましい。この観点から、六方晶の結晶構造の安定面を反映した、六角錐あるいは六角錐台形状がさらに好ましい。この凸部が複数個あってもよく、その場合一つの形状で形成されていても複数の形状が混在していても良い。凹部は円錐、角錐、半球形、錐台など多様な凸形状・密度により設けられてよい。
【0047】
また、基板２がＡｌＮ基板で形成される際に、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、凹部の側面が（１０－１－１）面からなる角錐形を含むことが好ましい。この観点から、六方晶の結晶構造の安定面を反映した、六角錐あるいは六角錐台形状がさらに好ましい。この凹部が複数個あってもよく、その場合一つの形状で形成されていても複数の形状が混在していても良い。凸部及び凹部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。凸部および凹部の大きさは、倍率２００００倍の電子線走査顕微鏡（ＳＥＭ）で凸部あるいは凹部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。
【0048】
本実施形態に係る紫外線発光素子１において基板２の裏面に凹凸構造を有することにより、本発明のピーク波長の光の強度をより高めることが出来る。本構造を有することによりピーク波長よりも長波長の波長領域および短波長の波長領域の発光強度も高める可能性もあるが、上記反射層４により十分にこれら長波長の波長領域および短波長の波長領域の発光強度を十分低減できていれば、実用上問題となることは無い。つまり、本基板裏面に凹凸構造を有する素子は、上記反射層４を有する素子と組み合わせることによる効果が大きい。
【0049】
本実施形態に係る紫外線発光素子（ＬＥＤ）１は、以下のような効果を有する。本実施形態における紫外線発光素子１は、ピーク波長の発光強度を高めることが出来、かつピーク波長より長波長側、あるいは長波長と短波長の両方の発光出力を低出力化させることが出来る。つまり、ピーク波長を高出力化してよりシャープな発光スペクトルを実現することが出来る。本実施形態に係る紫外線発光素子１は、計測器用途での使用において高精度、高感度化することが出来る。
特に、発光層３からの発光の半値幅が１０ｎｍ以上となる場合、半値幅が広い紫外線発光素子（ＬＥＤ）では、ピーク波長より長波長側、あるいは短波長側の相対発光出力がメインピークよりも高くなるため、フォトンリサイクリングによる高出力化が有効となると共に、紫外線発光素子１から取り出される光の半値幅を１０ｎｍ未満に制限することが期待でき、高精度及び高感度化をより一層図ることができる。
特に、発光層３からの発光の半値幅が１０ｎｍ以上となる場合、半値幅が広い紫外線発光素子（ＬＥＤ）では、ピーク波長より長波長側、あるいは短波長側の相対発光出力がメインピークよりも高くなるため、フォトンリサイクリングによる高出力化が有効となると共に、紫外線発光素子１から取り出される光の半値幅を１０ｎｍ未満に制限することが期待でき、高精度及び高感度化をより一層図ることができる。
【0050】
図５は、本実施形態に係る紫外線発光素子１において反射層４を用いた場合（ＤＢＲ有り）と、反射層４が無い場合（ＤＢＲ無し）の、フォトンリサイクリングによるピーク波長の発光出力の向上が無いと仮定した場合での発光スペクトルの比較を示したものである。
反射層が無い場合の紫外線発光素子は以下の手順で作製した。
すなわち、単結晶窒化アルミニウム基板上に以下の１）～４）の薄膜を有機気相成長法で順次成長させた。
１）：Ｓｉを不純物としてドープした厚さ５５０ ｎｍのＮ－Ａｌ０.９Ｇａ０.１Ｎ
２）：２０周期の厚さ３ｎｍの、Ａｌ０.８Ｇａ０.２Ｎの量子井戸層と厚さ８ｎｍの障壁層
３）厚さ１１ｎｍのＡｌＮ層
４）厚さ５０ｎｍのｐ－ＡｌＧａＮ層
反射層が無い場合の紫外線発光素子は以下の手順で作製した。
すなわち、単結晶窒化アルミニウム基板上に以下の１）～４）の薄膜を有機気相成長法で順次成長させた。
１）：Ｓｉを不純物としてドープした厚さ５５０ ｎｍのＮ－Ａｌ０.９Ｇａ０.１Ｎ
２）：２０周期の厚さ３ｎｍの、Ａｌ０.８Ｇａ０.２Ｎの量子井戸層と厚さ８ｎｍの障壁層
３）厚さ１１ｎｍのＡｌＮ層
４）厚さ５０ｎｍのｐ－ＡｌＧａＮ層
【0051】
その後、ｎ型半導体を露出させるメサ加工を施した後にｎ型電極及びｐ型電極を配置し、パッケージ化する。
このパッケージ化された積層体、すなわち発光ダイオードに７００ｍＡの電流を印加する。以上により、図５に示す反射層を持たない紫外線発光素子（発光ダイオード）による発光スペクトルを得る。
反射層を持たない紫外線発光素子について、積分強度を比較すると、ピーク波長２２９ｎｍ未満の発光出力の積分強度は１４.２ｍＷ、ピーク波長２２９ｎｍ以上の発光出力の積分強度は２４.２ｍＷである。つまり、２２９ｎｍ未満の発光出力の積分強度と２２９ｎｍ以上の発光出力の積分強度の比率は１対１.７０となっている。この場合の発光の半値幅は８.８ｎｍである。
このパッケージ化された積層体、すなわち発光ダイオードに７００ｍＡの電流を印加する。以上により、図５に示す反射層を持たない紫外線発光素子（発光ダイオード）による発光スペクトルを得る。
反射層を持たない紫外線発光素子について、積分強度を比較すると、ピーク波長２２９ｎｍ未満の発光出力の積分強度は１４.２ｍＷ、ピーク波長２２９ｎｍ以上の発光出力の積分強度は２４.２ｍＷである。つまり、２２９ｎｍ未満の発光出力の積分強度と２２９ｎｍ以上の発光出力の積分強度の比率は１対１.７０となっている。この場合の発光の半値幅は８.８ｎｍである。
【0052】
基板２としての単結晶窒化アルミニウム基板と第１導電型半導体層６としてのｎ－Ａｌ０.９Ｇａ０.１Ｎとの間に８０周期のＡｌＮ（２５ｎｍ）／Ａｌ０.８５Ｇａ０.１５Ｎ（２５ｎｍ）を配置した発光ダイオードの発光スペクトルの計算予測値を図５中の反射層ありの場合のスペクトルで示す。このスペクトルは、反射層無しの発光スペクトルに、前記ＡｌＮ（２５ｎｍ）／Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ（２５ｎｍ）の反射率の計算値を掛けた値となっている。なお、実際にはフォトンリサイクリングの効果が働きピーク波長の発光強度がより高くなるが、本計算ではフォトンリサイクリングの効果を考慮していない。
【0053】
この結果から、ピーク発光の波長がシャープになっていることが分かる。積分強度を比較すると、ピーク波長２２９ｎｍ未満の発光出力の積分強度は１２．２ｍＷ、２２９ｎｍ以上の発光出力の積分強度は８．３ｍＷである。つまり、２２９ｎｍ未満の発光出力の積分強度と２２９ｎｍ以上の発光出力の積分強度の比率は１対０.６８となっている。つまり、ＡｌＮ（２５ｎｍ）／Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ（２５ｎｍ）層を配置することで長波長側のブロードな迷光を抑制できていることが分かる。この場合の発光の半値幅は６.２ｎｍである。
【0054】
以上、本開示を実施の形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【0055】
１ 紫外線発光素子
２ 基板
３ 発光層
４ 反射層
６ 第１導電型半導体層
７ 第２導電型半導体層
８ 第１導電型電極
９ 第２導電型電極
１０ 積層薄膜
２ 基板
３ 発光層
４ 反射層
６ 第１導電型半導体層
７ 第２導電型半導体層
８ 第１導電型電極
９ 第２導電型電極
１０ 積層薄膜
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】