特開 2024-179998 発光装置

(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】P2024179998

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/10 20100101AFI20241219BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

H01L33/10

H01L33/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099392

(22)【出願日】2023-06-16

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、環境省、革新的な省ＣＯ２型感染症対策技術等の実用化加速のための実証事業（高効率・長寿命深紫外ＬＥＤの技術開発と細菌・ウイルス不活化および脱炭素効果の実証）、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥野 浩司

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 義樹

(72)【発明者】

【氏名】大矢 昌輝

(72)【発明者】

【氏名】永田 賢吾

(72)【発明者】

【氏名】竹内 哲也

(72)【発明者】

【氏名】上山 智

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 素顕

(72)【発明者】

【氏名】石黒 永孝

(72)【発明者】

【氏名】岩月 梨恵

【テーマコード（参考）】

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F241AA03

5F241CA05

5F241CA13

5F241CA40

5F241CA60

5F241CB14

5F241CB15

(57)【要約】

【課題】軸上強度を向上させることができる発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置は、フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く発光素子よりも低い封止部と、封止部を接して覆い、屈折率が封止部よりも高いレンズと、を有する。発光素子の組成傾斜層の厚さは、活性層からｎ型層側に向かう光と、活性層からｎ型層とは反対側に向かったのちｐ側電極により反射されてｎ型層側に向かう光とが、干渉によって発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、
前記発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く前記発光素子よりも低い封止部と、
前記封止部を接して覆い、屈折率が前記封止部よりも高いレンズと、
を有し、
前記発光素子は、
ｎ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層の主面のうち前記封止部側とは反対側の面に位置し、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、井戸層と障壁層を有する量子井戸構造である活性層と、
前記活性層の主面のうち前記ｎ型層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記障壁層よりも高い電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の主面のうち前記活性層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記活性層から離れるにつれて減少している組成傾斜層と、
前記組成傾斜層の主面のうち前記電子ブロック層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層の主面のうち前記組成傾斜層側とは反対側の面に位置し、前記活性層からの紫外光を反射するｐ側電極と、
を有し、
前記組成傾斜層の厚さは、前記活性層から前記ｎ型層側に向かう光と、前記活性層から前記ｎ型層とは反対側に向かったのち前記ｐ側電極により反射されて前記ｎ型層側に向かう光とが、干渉によって前記発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定されている、発光装置。

【請求項2】

前記障壁層のうち最上層である層から前記ｐ型コンタクト層までの総膜厚をｄ１、前記組成傾斜層の厚さをｄ２として、ｄ１が、ｎ×ｄ１＝ｍ×λ（ここでｎは発光波長における前記電子ブロック層から前記ｐ型コンタクト層までの層の平均屈折率、λは発光波長）、ｍは０．５５以上０．９以下、を満たすように厚さｄ２が設定されている、請求項１に記載の発光装置。

【請求項3】

前記組成傾斜層は、前記電子ブロック層側から順に、第１組成傾斜層、第２組成傾斜層を積層させた構造であり、前記第１組成傾斜層はノンドープまたはｐ型不純物ドープであり、前記第２組成傾斜層はｐ型不純物ドープであって前記第１組成傾斜層よりもｐ型不純物濃度が高い、請求項１または請求項２に記載の発光装置。

【請求項4】

前記組成傾斜層の厚さは、前記第１組成傾斜層の厚さによって設定されている、請求項３に記載の発光装置。

【請求項5】

前記組成傾斜層の厚さｄ２に対する前記第１組成傾斜層の厚さの比は、０．４～０．７である、請求項３に記載の発光装置。

【請求項6】

前記封止部は、前記発光素子の上面に設けられ、側面には設けられていない、請求項１または請求項２に記載の発光装置。

【請求項7】

前記電子ブロック層は、前記活性層側から順に、第１電子ブロック層、第２電子ブロック層を積層させた構造であり、前記第２電子ブロック層のＡｌ組成は、前記第１電子ブロック層のＡｌ組成よりも低く、前記組成傾斜層のＡｌ組成の最大値よりも低い、請求項１または請求項２に記載の発光装置。

【請求項8】

フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、
前記発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く前記発光素子よりも低い封止部と、
前記封止部を接して覆い、屈折率が前記封止部よりも高いレンズと、
を有し、
前記発光素子は、
ｎ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層の主面のうち前記封止部側とは反対側の面に位置し、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、井戸層と障壁層を有する量子井戸構造である活性層と、
前記活性層の主面のうち前記ｎ型層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記障壁層よりも高い電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の主面のうち前記活性層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記活性層から離れるにつれて減少している組成傾斜層と、
前記組成傾斜層の主面のうち前記電子ブロック層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層の主面のうち前記組成傾斜層側とは反対側の面に位置し、前記活性層からの紫外光を反射するｐ側電極と、
を有した発光装置の製造方法であって、
前記組成傾斜層の厚さを、前記活性層から前記ｎ型層側に向かう光と、前記活性層から前記ｎ型層とは反対側に向かったのち前記ｐ側電極により反射されて前記ｎ型層側に向かう光とが、干渉によって前記発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定する、発光装置の製造方法。

【請求項9】

前記障壁層のうち最上層である層から前記ｐ型コンタクト層までの総膜厚をｄ１、前記組成傾斜層の厚さをｄ２、ｄ３＝ｄ１－ｄ２として、厚さｄ３を所定値に固定し、厚さｄ２を変更して、ｎ×ｄ１＝ｍ×λ（ここでｎは発光波長における前記電子ブロック層から前記ｐ型コンタクト層までの層の平均屈折率、λは発光波長）、ｍは０．５５以上０．９以下、を満たすように厚さｄ２を設定する、請求項８に記載の発光装置の製造方法。

【請求項10】

前記組成傾斜層は、前記電子ブロック層側から順に、第１組成傾斜層、第２組成傾斜層を積層させた構造であり、前記第１組成傾斜層はノンドープまたはｐ型不純物ドープであり、前記第２組成傾斜層はｐ型不純物ドープであって前記第１組成傾斜層よりもｐ型不純物濃度が高く、
前記組成傾斜層の厚さは、前記第２組成傾斜層の厚さを所定値に固定し、前記第１組成傾斜層の厚さを変更して設定する、請求項８または請求項９に記載の発光装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた固体発光素子の紫外線の波長は約２１０～４００ｎｍの範囲の波長帯に対応している。特にＵＶＣ（波長１００～２８０ｎｍ）は効率的に殺菌、除菌できることが知られており、発光波長がＵＶＣに対応する紫外光を放射するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの需要が高まっている。紫外ＬＥＤは、サファイア基板上にＡｌＮ層を形成し、ＡｌＮ層上にＡｌＧａＮからなるｎ型層、発光層、ｐ型層を積層した構成である。

【0003】

特許文献１には、発光素子における半導体層の厚さをｎ×ｄ＝ｍ×λ／２、ここでｎは半導体層の屈折率、ｄは半導体層の厚さ、λは発光波長、ｍは整数、とすることが記載されている。半導体層の厚さをこのように設定することで、素子内部での光の干渉による弱め合いを防止し、光取り出し効率を向上させることができることが記載されている。

【0004】

特許文献２には、電子ブロック層とｐ型コンタクト層の間に組成傾斜層を設けることが記載されている。組成傾斜層は、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮからなり、Ａｌ組成が電子ブロック層から離れるにしたがって減少するように構成され、電子ブロック層との界面においてはＡｌ組成が電子ブロック層と同一の層である。組成傾斜層を設けることで２次元ホールガスの発生を抑制し、カレントクラウディングの発生を抑制することが記載されている。

【0005】

また、特許文献３には、実装基板上に実装された紫外ＬＥＤをレンズで覆い、紫外ＬＥＤとレンズの隙間を液体のフッ化炭素化合物で埋めた発光装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４－１１９７５６号公報

【特許文献2】特開２０１９－１６９６４号公報

【特許文献3】特開２０２２－１０８６９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、特許文献１－３は発光素子から取り出される光の角度依存性（配光）に言及されていない。たとえば、発光素子の横方向（発光素子の主面に水平な方向）に取り出された光は、実際の製品において活用しにくい。そのため、素子内部構造で軸上強度（発光素子の主面に垂直な方向の光強度）を高めることが求められていた。また、特許文献１の方法では、半導体層の厚さによって直列抵抗が変化するため、駆動電圧も変化してしまう可能性があった。

【0008】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、駆動電圧上昇を抑制しつつ軸上強度を高めることができる発光装置を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、
フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、
前記発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く前記発光素子よりも低い封止部と、
前記封止部を接して覆い、屈折率が前記封止部よりも高いレンズと、
を有し、
前記発光素子は、
ｎ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層の主面のうち前記封止部側とは反対側の面に位置し、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、井戸層と障壁層を有する量子井戸構造である活性層と、
前記活性層の主面のうち前記ｎ型層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記障壁層よりも高い電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の主面のうち前記活性層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記活性層から離れるにつれて減少している組成傾斜層と、
前記組成傾斜層の主面のうち前記電子ブロック層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層の主面のうち前記組成傾斜層側とは反対側の面に位置し、前記活性層からの紫外光を反射するｐ側電極と、
を有し、
前記組成傾斜層の厚さは、前記活性層から前記ｎ型層側に向かう光と、前記活性層から前記ｎ型層とは反対側に向かったのち前記ｐ側電極により反射されて前記ｎ型層側に向かう光とが、干渉によって前記発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定されている、発光装置にある。

【0010】

本発明の他態様は、
フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、
前記発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く前記発光素子よりも低い封止部と、
前記封止部を接して覆い、屈折率が前記封止部よりも高いレンズと、
を有し、
前記発光素子は、
ｎ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層の主面のうち前記封止部側とは反対側の面に位置し、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、井戸層と障壁層を有する量子井戸構造である活性層と、
前記活性層の主面のうち前記ｎ型層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記障壁層よりも高い電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の主面のうち前記活性層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が前記活性層から離れるにつれて減少している組成傾斜層と、
前記組成傾斜層の主面のうち前記電子ブロック層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層の主面のうち前記組成傾斜層側とは反対側の面に位置し、前記活性層からの紫外光を反射するｐ側電極と、
を有した発光装置の製造方法であって、
前記組成傾斜層の厚さを、前記活性層から前記ｎ型層側に向かう光と、前記活性層から前記ｎ型層とは反対側に向かったのち前記ｐ側電極により反射されて前記ｎ型層側に向かう光とが、干渉によって前記発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定する、発光装置の製造方法にある。

【発明の効果】

【0011】

上記態様では、組成傾斜層の厚さによって紫外光の干渉を制御している。そのため、駆動電圧上昇を抑制しつつ軸上強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１における発光装置の構成を模式的に示した断面図であって、発光素子の主面に垂直な断面を示した図。

【図2】発光素子の構成を示した断面図であって、発光素子の主面に垂直な断面を示した図。

【図3】（ａ）は、活性層上に、その活性層側から順にＡｌＮ、サファイア、空気、レンズ（石英）が積層された構成のモデルにおいてその内部での光の経路を模式的に示した図、（ｂ）は、活性層上に、その活性層側から順にＡｌＮ、サファイア、フッ素オイル、レンズ（石英）が積層された構成のモデルにおいてその内部での光の経路を模式的に示した図。

【図4】（ａ）は、発光素子を単純化したモデルについての光出力の角度依存性を示したグラフ、（ｂ）は、発光素子を単純化したモデルについてのｐ型層の厚さ依存性を示したグラフ。

【図5】発光素子の光出力の計算結果と測定結果を示したグラフ。

【図6】発光素子をパッケージ化した発光装置について光出力を測定した結果を示したグラフ。

【図7】発光素子をパッケージ化した発光装置について軸上強度の増加率と放射角の幅の測定結果を示したグラフ。

【図8】発光素子について上面からの光出力と側面からの光出力を計算した結果を示したグラフ。

【図9】（ａ）は、電圧を印加していない場合における発光素子のバンド図およびキャリア濃度の厚さ方向分布を示した図、（ｂ）は、６Ｖを印加した場合における発光素子のバンド図およびキャリア濃度の厚さ方向分布を示した図。

【図10】サファイアの透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図11】ＡｌＮテンプレートの透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図12】基板からｐ型コンタクト層までの全体の透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図13】ノンドープＡｌＧａＮの透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図14】ＳｉドープＡｌＧａＮの透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図15】ＭｇドープＡｌＧａＮの透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図16】組成傾斜層の透過率、吸収率、および反射率を示したグラフ。

【図17】ｐ側電極の反射率を示したグラフ。

【図18】実施形態１の変形形態における発光装置の構成を模式的に示した断面図であって、発光素子の主面に垂直な断面を示した図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

発光装置は、フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く発光素子よりも低い封止部と、封止部を接して覆い、屈折率が封止部よりも高いレンズと、を有する。

【0014】

そして、発光素子は、ｎ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層と、ｎ型層の主面のうち封止部側とは反対側の面に位置し、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、井戸層と障壁層を有する量子井戸構造である活性層と、活性層の主面のうちｎ型層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が障壁層よりも高い電子ブロック層と、電子ブロック層の主面のうち活性層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が活性層から離れるにつれて減少している組成傾斜層と、組成傾斜層の主面のうち電子ブロック層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層と、ｐ型コンタクト層の主面のうち前記組成傾斜層側とは反対側の面に位置し、前記活性層からの紫外光を反射するｐ側電極と、を有する。

【0015】

さらに、組成傾斜層の厚さは、活性層からｎ型層側に向かう光と、活性層からｎ型層とは反対側に向かったのちｐ側電極により反射されてｎ型層側に向かう光とが、干渉によって発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定されている。

【0016】

上記発光装置において、障壁層のうち最上層である層からｐ型コンタクト層までの総膜厚をｄ１、組成傾斜層の厚さをｄ２として、ｄ１が、ｎ×ｄ１＝ｍ×λ（ここでｎは発光波長における電子ブロック層からｐ型コンタクト層までの層の平均屈折率、λは発光波長）、ｍは０．５５以上０．９以下、を満たすように厚さｄ２が設定されていてもよい。

【0017】

組成傾斜層は、電子ブロック層側から順に、第１組成傾斜層、第２組成傾斜層を積層させた構造であり、第１組成傾斜層はノンドープまたはｐ型不純物ドープであり、第２組成傾斜層はｐ型不純物ドープであって第１組成傾斜層よりもｐ型不純物濃度が高くてもよい。

【0018】

組成傾斜層の厚さは、第１組成傾斜層の厚さによって設定されていてもよい。

【0019】

組成傾斜層の厚さｄ２に対する第１組成傾斜層の厚さの比は、０．４～０．７であってもよい。

【0020】

封止部は、発光素子の上面に設けられ、側面には設けられていなくてもよい。

【0021】

電子ブロック層は、活性層側から順に、第１電子ブロック層、第２電子ブロック層を積層させた構造であり、第２電子ブロック層のＡｌ組成は、第１電子ブロック層のＡｌ組成よりも低く、組成傾斜層のＡｌ組成の最大値よりも低くてもよい。

【0022】

発光装置の製造方法は、フリップチップ型で紫外発光の発光素子と、発光素子の少なくとも上面を接して覆い、屈折率が空気よりも高く発光素子よりも低い封止部と、封止部を接して覆い、屈折率が封止部よりも高いレンズと、を有した発光装置の製造方法である。そして、発光素子は、ｎ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層と、ｎ型層の主面のうち封止部側とは反対側の面に位置し、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、井戸層と障壁層を有する量子井戸構造である活性層と、活性層の主面のうちｎ型層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が障壁層よりも高い電子ブロック層と、電子ブロック層の主面のうち活性層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなり、Ａｌ組成が活性層から離れるにつれて減少している組成傾斜層と、組成傾斜層の主面のうち電子ブロック層側とは反対側の面に位置し、ｐ型のＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層と、ｐ型コンタクト層の主面のうち組成傾斜層側とは反対側の面に位置し、活性層からの紫外光を反射するｐ側電極と、を有する。そして、組成傾斜層の厚さを、活性層からｎ型層側に向かう光と、活性層からｎ型層とは反対側に向かったのちｐ側電極により反射されてｎ型層側に向かう光とが、干渉によって発光素子の主面に垂直な方向において強め合うように設定する。

【0023】

障壁層のうち最上層である層からｐ型コンタクト層までの総膜厚をｄ１、組成傾斜層の厚さをｄ２、ｄ３＝ｄ１－ｄ２として、厚さｄ３を所定値に固定し、厚さｄ２を変更して、ｎ×ｄ１＝ｍ×λ（ここでｎは発光波長における電子ブロック層からｐ型コンタクト層までの層の平均屈折率、λは発光波長）、ｍは０．５５以上０．９以下、を満たすように厚さｄ２を設定してもよい。

【0024】

組成傾斜層は、電子ブロック層側から順に、第１組成傾斜層、第２組成傾斜層を積層させた構造であり、第１組成傾斜層はノンドープまたはｐ型不純物ドープであり、第２組成傾斜層はｐ型不純物ドープであって第１組成傾斜層よりもｐ型不純物濃度が高く、組成傾斜層の厚さは、第２組成傾斜層の厚さを所定値に固定し、第１組成傾斜層の厚さを変更して設定してもよい。

【0025】

（実施形態）
１．発光装置の構成
図１は、実施形態における発光装置の構成を示した断面図であり、軸上方向における断面を示した図である。図１のように、実施形態１における発光装置は、発光素子１と、封止部２と、レンズ３と、実装基板４を有している。

【0026】

発光素子１は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた発光素子である。発光波長はたとえば２２５～３００ｎｍである。発光素子１の詳しい構成は後述する。発光素子１はフリップチップ型であり、一方の面が光取り出し側、それとは反対側の面が電極側である。発光素子１は、実装基板４に実装されている。発光素子１の光取り出し面は、上面が主たる面となっており、上面からの光出力は側面からの光出力に比べて大きい。ここで発光素子１の上面は、発光素子１の下面とは反対側の面であり、下面は発光素子１の実装基板４側となる面、つまり電極形成側の面である。実装基板４は、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの放熱性の高いセラミック材料が好ましい。

【0027】

封止部２は、発光素子１の上面とレンズ３の間の隙間を埋めるように設けられ、発光素子１の上面およびレンズ３に接して設けられている。封止部２は、発光素子１の側面は覆っていない。また、封止部２は、発光素子１の上面の全面を覆っていることが好ましい。

【0028】

封止部２の屈折率は、空気の屈折率よりも高く、かつ発光素子１の屈折率よりも低い値に設定されている。ここで屈折率は発光波長における値である。以下、本明細書において特に断らない限り同様である。また、発光素子１の屈折率は、全体の平均屈折率とする。たとえば、封止部２の屈折率は１．２～１．６である。

【0029】

発光素子１の上面とレンズ３の間に隙間があり空気層が形成されている場合、発光素子１と空気の屈折率差が大きく、発光素子１の上面と空気層との界面での全反射の臨界角が小さかった。その結果、発光素子１から取り出すことができる紫外光の放射角が狭く、発光素子１からレンズ３に入射する光の割合が低かった。

【0030】

一方、発光素子１の上面とレンズ３の間に上記屈折率の封止部２を設けると、発光素子１と封止部２の屈折率差が小さくなるので、発光素子１の上面と封止部２の界面での全反射の臨界角が大きくなる。その結果、発光素子１から取り出すことができる紫外光の放射角が広くなり、発光素子１からレンズ３への光の入射効率を高めることができる。

【0031】

封止部２の材料は、発光素子１から放射される紫外光に対して透光性を有した材料であれば任意の材料でよく、液体でも固体でもよい。発光素子１から放射される紫外光に対して劣化しない材料であることが好ましい。たとえば有機ハロゲン化物、ＵＶＣ透過ガラスシリコーン樹脂などを用いることができる。液体の有機ハロゲン化物としては、シリコーンオイルを用いることができる。固体の有機ハロゲン化物としては、アモルファスフッ素樹脂、ＦＥＰ、ＰＦＡなどのフッ素樹脂を用いることができる。

【0032】

封止部２の材料として、特にフッ化炭素化合物が好ましい。フッ化炭素化合物はＣＦ結合を有するポリマーである。フッ化炭素化合物は常温常圧で液体のもの（フッ素オイル）であってもよいし、固体であってもよい。フッ化炭素化合物における炭素原子数は、フッ化炭素化合物におけるフッ素原子数の１．９倍以下であるとよい。フッ化炭素化合物は、たとえばパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などである。

【0033】

また、封止部２は、フッ素樹脂フィルムであってもよい。また、液体のフッ化炭素化合物をフッ素樹脂フィルムで覆って封止したものであってもよい。フッ素樹脂フィルムの材料は、たとえばＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＣＴＦＥなどである。

【0034】

また、封止部２の材料が液体である場合、フィラーを混合して粘性を調整してもよい。フィラーは、紫外光を吸収しない材料とするか、紫外光を吸収しないように粒径を調整する。フィラーの材料は、たとえばフッ素樹脂パウダーやシリカである。フィラーの屈折率は封止部２の屈折率と同程度が好ましく、たとえば１．２～１．６である。

【0035】

封止部２の厚さおよび屈折率は、発光素子１とレンズ３との間の反射を防止する反射防止膜として機能するような値としてもよい。たとえば、封止部２の屈折率をレンズ３の屈折率よりも高く、発光素子１の屈折率よりも低くし、かつ封止部２の厚さを発光波長の１／４とすればよい。これにより発光素子１からの光取り出し効率がより高まり、軸上強度をより高めることができる。

【0036】

レンズ３は、発光素子１の側面および封止部２を覆うようにして実装基板４上に設けられている。レンズ３と封止部２は接している。また、発光素子１の側面とレンズ３は接していてもよいし、発光素子１の側面とレンズ３の間に空気層が設けられていてもよい。空気層を設けることで、発光素子１の側面での全反射を増やし、発光素子１の上面からの光取り出しを向上させることができる。レンズ３と実装基板４は、図示しない接着剤によって接合されている。

【0037】

レンズ３の表面は球面状または放物面状である。このような形状のレンズ３によって、発光素子１の上面から放射される光は軸上方向に屈折されてレンズ３から放射される。そのため、軸上方向の光強度を高めることができる。

【0038】

レンズ３の材料は、発光素子１から放射される紫外光に対して透光性を有し、かつ紫外光により劣化しない材料であれば任意の材料でよい。たとえば、石英ガラス、ガラス、シリコーン、フッ素樹脂、サファイアといった透光セラミックなどである。また、レンズ３の屈折率は、封止部２の屈折率よりも大きければ任意である。たとえば、レンズ３の屈折率は１．４以上である。

【0039】

実施形態１の発光装置では、発光素子１の上面とレンズ３の間に封止部２を設けているため軸上強度を向上させることができる。特に、発光素子１の上面と封止部２の全反射を考慮して、発光装置の軸上強度が高くなるように発光素子１の構成を工夫している。以下、その発光素子１の構成を詳しく説明する。

【0040】

２．発光素子１の構成
図２は、発光素子１の構成を示した断面図であり、基板主面に垂直な方向での断面を示した図である。実施形態に係る発光素子は、図１に示すように、基板１０と、ｎ型層１１と、活性層１２と、電子ブロック層１３と、組成傾斜層１４と、ｐ型コンタクト層１５と、ｐ側電極１６と、ｎ側電極１７と、を有している。実施形態における発光素子はフリップチップ型であり、発光波長がＵＶＣ帯である。

【0041】

基板１０は、ｃ面を主面とするサファイアからなる基板である。サファイアの主面の面方位はａ面でもよい。また、ｍ軸方向に０．１～２度のオフ角を有していてもよい。この基板１０の裏面（ｎ型層１１とは反対側の面）が主たる光取り出し面となる。基板１０の裏面には反射防止膜を設け、光取り出し率の向上を図ってもよい。また、基板１０表面に凹凸を設けて光取り出し率の向上を図ってもよい。また、基板１０として、ＡｌＮ基板や、サファイア基板上にＡｌＮ層が形成されたＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい。

【0042】

基板１０の厚さは、たとえば１０００μｍ以下である。好ましくは５００μｍ以下である。基板１０側面からの光取り出しを抑制し、軸上強度の向上を図ることができる。

【0043】

なお、基板１０はＬＬＯ（レーザーリフトオフ）などの方法によって除去されていてもよい。

【0044】

ｎ型層１１は、基板１０上に位置している。ｎ型層１１は、ｎ－ＡｌＧａＮからなる。Ａｌ組成（ＩＩＩ族金属全体におけるＡｌのモル比）は、たとえば６０～９０％である。ｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉ濃度はたとえば１×１０^１８～５×１０^１９ｃｍ^－３である。ｎ型層１１の厚さは、たとえば０．５～５μｍである。また、ｎ型層１１のＣ濃度は１×１０^１５～１×１０^１９ｃｍ^－３である。ｎ型層１１は複数の層で構成されていてもよい。たとえば、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮを交互に積層させた超格子層としてもよい。また、基板１０とｎ型層１１の間にＡｌＮからなる下地層を設けてもよい。また、ｎ型不純物としてＳｉ以外を用いてもよい。

【0045】

また、ｎ型層１１のＡｌ組成は、基板１０側に向かって増加するように設定されていてもよい。屈折率分布によってｎ型層１１がレンズとして機能し、発光素子１の軸上強度をより高めることができる。

【0046】

活性層１２は、ｎ型層１１上に位置している。活性層１２は、ｎ型層１１側から順に障壁層、井戸層、障壁層が積層されたＳＱＷ構造である。活性層１２はＭＱＷ構造でもよい。その場合、繰り返し数はたとえば２～１０である。

【0047】

井戸層はＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成は所望の発光波長に応じて設定される。井戸層のＳｉ濃度は、たとえば１×１０^１８ｃｍ^－３以下であり、ノンドープでもよい。また、井戸層の厚さは、たとえば０．５～５ｎｍである。

【0048】

障壁層は、井戸層よりもＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成はたとえば５０～１００％である。障壁層のＳｉ濃度は、たとえば２×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、ノンドープでもよい。障壁層の厚さは、たとえば３～３０ｎｍである。障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＩｎＮでもよい。また、障壁層のうち電子ブロック層１３と接する層は、厚さ０．５～１０ｎｍとすることが好ましい。

【0049】

ｎ型層１１と活性層１２の間に、ホールブロック層を設けてもよい。ｐ側電極１６から注入したホールが活性層１２を超えてｎ型層１１側に拡散してしまうのを抑制することができる。ホールブロック層は、活性層１２の障壁層よりもＡｌ組成の高いＡｌＧａＮまたはＡｌＮである。

【0050】

電子ブロック層１３は、活性層１２上に位置している。電子ブロック層１３は、活性層１２側から順に、第１電子ブロック層１３Ａ、第２電子ブロック層１３Ｂが積層された２層構造である。電子ブロック層１３によって、ｎ側電極１７から注入した電子が活性層１２を超えて組成傾斜層１４側に拡散してしまうのを抑制している。

【0051】

なお、電子ブロック層１３は必ずしも２層構造とする必要はなく、第１電子ブロック層１３Ａのみであってもよい。

【0052】

第１電子ブロック層１３Ａは、活性層１２の障壁層よりもＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮもしくはＡｌＮからなり、Ａｌ組成はたとえば９０～１００％である。また、第１電子ブロック層１３Ａにはｐ型不純物がドープされていてもよいし、ノンドープでもよい。ｐ型不純物はたとえばＭｇである。Ｍｇドープの場合、Ｍｇ濃度は、たとえば３×１０^２０ｃｍ^－３以下である。また、第１電子ブロック層１３Ａの厚さは、たとえば１～１０ｎｍである。

【0053】

第２電子ブロック層１３Ｂは、第１電子ブロック層１３ＡよりもＡｌ組成が低いＡｌＧａＮからなり、Ａｌ組成はたとえば８０～９９％である。第２電子ブロック層１３Ｂを設けることにより、組成傾斜層１４とのＡｌ組成の差の調整を行っている。第１電子ブロック層１３ＡのＡｌＮのみでは抵抗が高くなってしまい、第１電子ブロック層１３Ａを薄くすると電子ブロックの性能が低下してしまう。そこで第２電子ブロック層１３Ｂを設けることで低抵抗化と電子ブロック機能の両立を図っている。また、第２電子ブロック層１３Ｂにはｐ型不純物がドープされていてもよいし、ノンドープでもよい。Ｍｇドープの場合、Ｍｇ濃度は、たとえば３×１０^２０ｃｍ^－３以下である。また、第２電子ブロック層１３Ｂの厚さは、たとえば１～１０ｎｍである。

【0054】

組成傾斜層１４は、第２電子ブロック層１３Ｂ上に位置している。組成傾斜層１４は、電子ブロック層１３側から順に、第１組成傾斜層１４Ａ、第２組成傾斜層１４Ｂが積層された２層構造である。

【0055】

組成傾斜層１４は、分極ドーピングと呼ばれる方法によってｐ型とした層である。すなわち、組成傾斜層１４は、Ａｌ組成が厚さ方向に変化している層であり、電子ブロック層１３から離れるにつれてＡｌ組成が減少するように設定されている。Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮはＭｇドープではホール濃度を高くすることが難しかったが、分極ドーピングによればホール濃度の向上を図ることができ、活性層１２へのホール注入効率を高めることができる。また、分極ドーピングではＭｇをドープしなくてもよいため、結晶性を向上させることができる。

【0056】

組成傾斜層１４のＡｌ組成を上記のように設定すると、組成傾斜層１４中には結晶の歪による分極が厚さ方向に連続的に発生する。この分極による固定電荷を打ち消すように組成傾斜層１４中にホールが発生する。発生したホールは組成傾斜層１４中に分布する。そのため、ホールは組成傾斜層１４中の電子ブロック層１３側から厚さ方向に広く分布し、全体としてｐ型となる。このｐ型の領域においてホール濃度は１×１０^１６～１×１０^２０ｃｍ^－３であり、電子ブロック層１３から離れるにつれてホール濃度は減少する。組成傾斜層１４のｐ型コンタクト層１５界面近傍でホールが少なくなるのは、ｐ型ヘテロ接合によりフェルミ準位が一致しようとしてバンドが曲がるためである。

【0057】

第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の最大値（電子ブロック層１３との界面におけるＡｌ組成）は、電子ブロック層１３のＡｌ組成よりも１～２０％低い値とすることが好ましい。歪による分極によってホール濃度をより高めることができる。たとえばＡｌ組成の最大値は６５～９５％である。

【0058】

また、第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の最小値（第２組成傾斜層１４Ｂとの界面におけるＡｌ組成）は、第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の最大値よりも３～３０％低い値とすることが好ましい。歪による分極によってホール濃度をより高めることができる。加えて、発光波長を吸収しないバンドエネルギーを有したＡｌ組成が好ましい。

【0059】

また、Ａｌ組成の減少率は、０．１～０．３％／ｎｍとすることが好ましい。このような範囲とすることで、組成傾斜層１４のホール濃度をより高めることができる。また、Ａｌ組成の減少率は一定、つまり直線的に変化していてもよいし、一定でなくてもよい。

【0060】

第１組成傾斜層１４Ａはノンドープである。ただしＭｇをドープしてもよい。ｐ型不純物によるホール濃度のさらなる向上が期待できる。この場合、Ｍｇ濃度はたとえば１×１０^２０ｃｍ^－３以下とする。一方で、第１組成傾斜層１４Ａの厚さの変化による直列抵抗の変化を抑制するという点では、Ｍｇ濃度はなるべく低いことが好ましく、ノンドープが好ましい。

【0061】

第２組成傾斜層１４Ｂは、第１組成傾斜層１４ＡよりもＭｇ濃度の高い層であり、それ以外は第１組成傾斜層１４Ａと同様にＡｌ組成が設定されている。つまり、Ａｌ組成が厚さ方向に変化しており、電子ブロック層１３から離れるにつれてＡｌ組成が減少するように設定された層である。第２組成傾斜層１４ＢにＭｇをドープすることでｐ型コンタクト層１５と良好に接続可能としている。

【0062】

第２組成傾斜層１４ＢのＡｌ組成の最大値（第１組成傾斜層１４Ａとの界面におけるＡｌ組成）は、第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の最小値との差が０～５％であり、第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の最小値と同じであることが好ましい。つまり、第１組成傾斜層１４Ａから第２組成傾斜層１４ＢにかけてＡｌ組成が連続していることが好ましい。

【0063】

また、第２組成傾斜層１４ＢのＡｌ組成の最小値（ｐ型コンタクト層１５との界面におけるＡｌ組成）は、第２組成傾斜層１４ＢのＡｌ組成の最大値よりも３～３０％低い値であることが好ましい。

【0064】

また、第２組成傾斜層１４ＢのＡｌ組成の減少率は、第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の減少率と同様の範囲である。第２組成傾斜層１４ＢのＡｌ組成の減少率は、第１組成傾斜層１４ＡのＡｌ組成の減少率と同じであってもよい。

【0065】

第２組成傾斜層１４ＢのＭｇ濃度は、第１組成傾斜層１４ＡのＭｇ濃度よりも高ければ任意であるが、３×１０^２０ｃｍ^－３以下であることが好ましい。直列抵抗を抑制するためである。

【0066】

なお、実施形態１では組成傾斜層１４のＡｌ組成は連続的に減少させているが、階段状に減少させてもよい。ただし、Ａｌ組成が一定となる領域はなるべく少ないことが好ましい。

【0067】

組成傾斜層１４の厚さは、活性層１２からｎ型層１１側に放射される紫外光と、活性層１２から電子ブロック層１３側に放射され、ｐ側電極１６によって反射されたのちｎ型層１１側に向かう紫外光とが、光の干渉によって軸上方向において強め合うような厚さに設定されている。その詳細については後述する。

【0068】

また、組成傾斜層１４における第１組成傾斜層１４Ａの厚さの割合は、０．４～０．７であることが好ましい。この範囲とすることにより、分極ドーピングによるホール濃度の向上を十分に図りつつ、組成傾斜層１４とｐ型コンタクト層１５とのコンタクトも良好とすることができる。より好ましくは０．４～０．６である。

【0069】

なお、組成傾斜層１４は必ずしも第１組成傾斜層１４Ａと第２組成傾斜層１４Ｂの２層構造とする必要はなく、第１組成傾斜層１４Ａのみとしてもよい。また、Ａｌ組成の変化率やＭｇ濃度などが異なる３層以上の構造としてもよい。

【0070】

電子ブロック層１３、組成傾斜層１４、ｐ型コンタクト層１５の総膜厚に対する組成傾斜層１４の厚さの割合は、５０％以上９０％以下が好ましい。この範囲であれば、ｐ型層としての機能を十分に高めることができる。

【0071】

ｐ型コンタクト層１５は、組成傾斜層１４上に位置している。ｐ型コンタクト層１５は、ｐ－ＧａＮからなる。組成傾斜層１４の最小Ａｌ組成よりもＡｌ組成の低いｐ－ＡｌＧａＮであってもよく、Ａｌ組成はたとえば５０％以下である。また、ｐ型コンタクト層１５はＡｌ組成やＭｇ濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。ただしコンタクト抵抗の低減のため、ｐ側電極１６と接する最上層はｐ－ＧａＮが好ましい。ＧａＮは活性層１２から放射される紫外光を吸収してしまうが、十分に薄くすることである程度紫外光を透過させることができる。そのため、外部量子効率の大きな低下を避けることができる。ｐ型コンタクト層１５のＭｇ濃度は、たとえば１×１０^２０～１×１０^２２ｃｍ^－３である。ｐ型コンタクト層１５の厚さは、たとえば１～５０ｎｍである。

【0072】

ｐ型コンタクト層１５表面の一部領域には、ｎ型層１１に達する深さの溝が設けられている。この溝は、ｎ型層１１を露出させてｎ側電極１７を設けるためのものである。

【0073】

ｐ側電極１６は、ｐ型コンタクト層１５上に設けられている。ｐ側電極１６は、活性層１２から放射される紫外光を基板１０側に反射させて光取り出し効率を高める反射電極である。ｐ側電極１６の材料は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｌ、ＩＴＯ／Ａｌなどである。ここでＡ／Ｂはｐ型コンタクト層１５側から順に、Ａ、Ｂの積層であることを意味する。また、ｐ側電極１６はＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極とＤＢＲ（誘電体多層膜）の組み合わせでもよい。透明電極を用いる場合、反射面は半導体結晶と電極の界面ではなく、透明電極と反射電極の界面となる。たとえばＩＴＯ／Ａｌの場合、ＩＴＯの膜厚も光干渉効果の膜厚として考慮する必要がある。しかしながら、現状、ＵＶＣ光に対して完全に透明な電極はないので、半導体結晶上に直接反射電極を形成することが最も好ましい。

【0074】

ｎ側電極１７は、溝の底面に露出するｎ型層１１上に設けられている。ｎ側電極１７の材料は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｌなどである。ここでＡ／Ｂはｎ型層１１側から順に、Ａ、Ｂの積層であることを意味する。

【0075】

次に、発光素子１における各層の厚さについて説明する。まず、次のように厚さｄ１～ｄ３を設定する。障壁層のうち最上層である層からｐ型コンタクト層１５までの総膜厚をｄ１とし、組成傾斜層１４の厚さをｄ２とし、ｄ１からｄ２を除いた厚さ（活性層１２の最上層の障壁層、電子ブロック層１３およびｐ型コンタクト層１５の厚さの合計）をｄ３（＝ｄ１－ｄ２）とする。

【0076】

このとき、ｄ１は、ｎ×ｄ１＝ｍ×λを満たすように設定されている。式において、ｎは障壁層のうち最上層である層からｐ型コンタクト層１５までの半導体層の平均屈折率、λは発光波長、ｍは０．５～０．９である。

【0077】

この式は、活性層１２からｎ型層１１側に放射される紫外光と、活性層１２から電子ブロック層１３側に放射され、ｐ側電極１６によって反射されたのちｎ型層１１側に向かう紫外光とが、光の干渉によって強め合う条件式である。また、この式では、発光素子１の上面と封止部２との界面での全反射を考慮し、活性層１２からの放射角が臨界角未満である紫外光が強め合うようにｍの範囲を設定している。したがって、この式を満たすように厚さｄ１を設定すれば、発光装置の軸上強度の向上を図ることができる。

【0078】

ここで、活性層１２の障壁層の厚さは、キャリアの閉じ込めという機能から必要な値が決まってくる。また、電子ブロック層１３の厚さは、電子をブロックするという機能から必要な値が決まってくる。また、ｐ型コンタクト層１５の厚さは、ｐ側電極１６と良好なコンタクトを取りつつ、紫外光の吸収はなるべく抑える必要があり、その結果として厚さが所定値に決まってくる。また、電子ブロック層１３やｐ型コンタクト層１５の厚さを変えると直列抵抗も変化してしまい、発光素子１の駆動電圧も変動してしまう。

【0079】

通常、ＭｇドープＡｌＧａＮのＭｇ活性化率は非常に低い。そのため、Ａｌ組成一定の膜の場合、膜の抵抗が非常に高いため膜厚に対する直列抵抗の影響が大きい。一方、組成傾斜層１４は、分極ドーピングによりｐ型化するという仕組み上、膜自体が非常に低抵抗になっている。そのため、厚さを変えても直列抵抗による駆動電圧の上昇への影響が小さい。

【0080】

そこで実施形態１では、厚さｄ１のうち組成傾斜層１４の厚さｄ２のみをパラメータとし、それ以外の厚さｄ３を固定値として、ｎ×ｄ２＝ｍ×λ－ｎ×ｄ３を満たすようにｄ２を設定している。このように組成傾斜層１４の厚さｄ２で紫外光の干渉を制御することで、発光素子１の駆動電圧上昇を抑制しつつ、発光装置の軸上強度を向上させることができる。

【0081】

組成傾斜層１４のうち、第１組成傾斜層１４Ａの厚さを変化させ、第２組成傾斜層１４Ｂの厚さは固定値として厚さｄ２を設定することが好ましい。第２組成傾斜層１４ＢはＭｇドープであり、厚さを変化させたときの直列抵抗の変化が第１組成傾斜層１４Ａよりも大きいためである。このとき、第２組成傾斜層１４Ｂの厚さは、１０～５０ｎｍの範囲の固定値とすることが好ましい。

【0082】

発光素子１における発光波長に対する各層の透過率、反射率は、以下を満たすように設定されていることが好ましい。透過率、反射率をこのように設定することで発光素子１内部での光の吸収を抑制することができ、光取り出し効率を向上させることができる。

【0083】

ＡｌＮテンプレートである基板１０の透過率は５０％以上が好ましい。基板１０からｐ型コンタクト層１５までの全体の透過率（基板側から入射）は４０％以上が好ましい。活性層１２の井戸層単体での透過率は３０％以上が好ましい。活性層１２の障壁層単体での透過率は５０％以上が好ましい。電子ブロック層１３単体での透過率は５０％以上が好ましい。組成傾斜層１４単体での透過率は５０％以上が好ましい。また、ｐ側電極１６の反射率は、３０％以上であることが好ましい。

【0084】

なお、透過率、反射率は材料、厚さ、結晶性などに依存し、結晶性は成長温度、成長圧力、Ｖ／ＩＩＩ比、成長速度などの成長条件に依存するので、それら各種条件によって透過率、反射率を設定する。また、透過率、反射率は発光波長における値であり、基板１０側から垂直入射の場合である。また、各層単体の透過率、反射率は、ＡｌＮテンプレートである基板１０上に評価対象の層を形成した試料での評価である。

【0085】

以上、発光素子１では、組成傾斜層１４の厚さｄ２で紫外光の干渉を制御しているので、発光素子１の直列抵抗の変化が少ない。その結果、発光素子１の駆動電圧上昇を抑制しつつ、発光装置の軸上強度を向上させることができる。

【0086】

３．実験結果
次に、実施形態１における発光装置に関する各種実験結果について説明する。

【0087】

実験１
実施形態における発光装置において、発光素子１からレンズ３に入射する紫外光について考察した。図３（ａ）、（ｂ）は、発光装置の簡単なモデルにおいてその内部での光の経路を模式的に示した図である。図３（ａ）では、活性層上に、その活性層側から順にＡｌＮ、サファイア、空気、レンズ（石英）が積層された構成である。また図３（ｂ）では、活性層上に、その活性層側から順にＡｌＮ、サファイア、フッ素オイル、レンズ（石英）が積層された構成である。各層の屈折率は、ＡｌＮが２．３、サファイアが１．８、空気が１、フッ素オイルが１．４、レンズが１．４９である。

【0088】

図３（ａ）の場合、活性層１２からの紫外光がサファイアと空気との界面で全反射しないためには、活性層１２からの紫外光の放射角が２５°未満である必要がある。

【0089】

一方、図３（ｂ）の場合、活性層１２からの紫外光がサファイアとフッ素オイルとの界面で全反射しないためには、活性層１２からの紫外光の放射角が３７°未満である必要がある。

【0090】

図３の結果から、発光素子１の基板１０裏面とレンズ３の間を封止部２で埋めることにより、取り出せる放射角の範囲を広げることができ、基板１０裏面からの光の取り出し効率を向上できることが分かった。また、発光装置の軸上強度を高めるためには、活性層１２から３７°未満の放射角で放射される紫外光が干渉により強め合うことが必要である。

【0091】

実験２
発光素子１を単純化したモデルを用いてその光出力を計算し、放射角３７°未満において干渉により光が強め合うための条件を考察した。

【0092】

図４（ａ）、（ｂ）は、光出力の計算結果を示したグラフである。モデルは、基板上に、その基板側から順にｎ型層、活性層、ｐ型層、反射電極を積層させた構造であり、異なる光学膜厚における光干渉による光強度の放射角依存性を計算した。光学膜厚は、ｐ型層を５０ｎｍから１１０ｎｍまで１０ｎｍ間隔で変化させた。発光波長は２７５ｎｍとした。図４（ａ）は各光学膜厚における光強度の角度依存性を示したグラフであり、図４（ｂ）はｐ型層（光学膜厚ｄ１）の厚さ依存性を示したグラフである。

【0093】

図４（ａ）から、放射角３７°未満において干渉により光が強め合うためには、ｐ型層の厚さを６０～１００ｎｍとする必要があることが分かった。

【0094】

実験３
組成傾斜層１４の厚さを種々の値に設定した発光素子１を作製し、その光出力を測定した。また、光出力を計算により求めた。発光素子１の層構成はｐ側電極１６側から基板１０側に向かって順に以下の通りである。第１組成傾斜層１４Ａと第２組成傾斜層１４Ｂの厚さの比は１：１とした。
ｐ側電極１６ Ｎｉ／Ａｕ Ｎｉの厚さ１０ｎｍ Ａｕの厚さ５０ｎｍ
ｐ型コンタクト層１５ ＭｇドープＧａＮ 厚さ１０ｎｍ
第２組成傾斜層１４Ｂ ＭｇドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成７５％から７２％
第１組成傾斜層１４Ａ ノンドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成７８％から７５％
第２電子ブロック層１３Ｂ ＭｇドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成９７％ 厚さ８．８ｎｍ
第１電子ブロック層１３Ａ ＭｇドープＡｌＮ 厚さ８ｎｍ
活性層１２の障壁層 ＳｉドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成６８％ 厚さ２．５ｎｍ
活性層１２の井戸層 ノンドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成４６％ 厚さ１．７ｎｍ
活性層１２の障壁層 ＳｉドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成６８％ 厚さ９．４ｎｍ
ホールブロック層 ノンドープＡｌＮ 厚さ０．５ｎｍ
ＳＬ層の井戸層 ノンドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成４６％ 厚さ０．５ｎｍ
ＳＬ層の障壁層 ＳｉドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成６８％ 厚さ５０ｎｍ
ｎ型層１１ ＳｉドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成７３％ 厚さ３５ｎｍ
ｎ型層１１ ＳｉドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成７３％ 厚さ１５０ｎｍ
ｎコンタクト層 ＳｉドープＡｌＧａＮ Ａｌ組成７３％ 厚さ１２００ｎｍ
再成長層 Ｇａ含むＡｌＮ Ａｌ組成９８％ 厚さ２００ｎｍ
ＡｌＮテンプレート ＧａドープＡｌＮ 厚さ２９００ｎｍ
サファイア 厚さ４３０μｍ

【0095】

図５は、作製した発光素子１（発光面積：約５５０００μｍ^２）の光出力の計算結果と３５０ｍＡ通電時における測定結果を示したグラフである。図５の横軸のｐ型層の厚さは、障壁層のうち最上層である層からｐ型コンタクト層１５までの全体の厚さである。図５のように、計算結果では組成傾斜層１４の厚さを変えることで周期的に光出力が変化することが分かり、干渉効果が生じることがわかる。また、測定結果からも、組成傾斜層１４の厚さを変えることで干渉によって光出力が変化することが確認できた。また、３５０ｍＡ通電時における駆動電圧ＶＦは、ｐ型層厚さの最も薄い４９ｎｍで６．１５Ｖ、最も厚い１０７ｎｍで６．３５Ｖであり、０．２Ｖの差であった。ｐ型層の厚膜化によるＶＦ上昇を十分に抑制できている。

【0096】

実験４
図６は、図５に示した発光素子１を実施形態のようにパッケージ化して発光装置とし、その発光装置の光出力を測定した結果を示したグラフである。図６中、Ｂａｒｅが発光素子１単体の場合、ＰＫＧが発光装置の場合である。横軸のｐ型層厚さは図５と同様である。図６のように、発光素子１の光出力が高まることで、パッケージ化した発光装置の光出力も高まることが分かる。

【0097】

実験５
図７は、図５に示した発光素子１を実施形態のようにパッケージ化して発光装置とした場合について、ＰＫＧ倍率と放射角の幅の測定結果を示したグラフである。ＰＫＧ倍率は、発光素子１のみとした場合の光出力に対する発光装置の光出力の比である。放射角の幅は、最大強度に対して強度が０．８倍となるときの放射角とする。横軸のｐ型層厚さは図５と同様である。

【0098】

図７のように、パッケージ化によって放射角の幅が狭いとき、軸上強度も高くなることが分かる。発光装置の軸上強度が高いとき、ＰＫＧ倍率も１．３～１．６のように高いことが分かる。したがって、放射角の幅は４０～８０°が好ましく、そのためには厚さｄ１は６０～１００ｎｍとするのがよいことがわかる。

【0099】

実験６
図８（ａ）は、実験３の発光素子１について、上面からの光出力と側面からの光出力を計算した結果を示したグラフである。また、図８（ｂ）は、発光素子１の模式図において上面（ｔｏｐ）横軸と側面（ｓｉｄｅ）をそれぞれ図示したものである。ｐ型層厚さは図５と同様である。図８（ａ）のように、発光素子１の上面から取り出される紫外光と、側面から取り出される紫外光とでは、干渉効果に違いがあることが分かる。また、ｐ型層の厚さが６０～１００ｎｍの範囲であれば、全体の光出力は上面からの光出力が支配的であることが分かる。

【0100】

実験７
発光素子１のバンド図およびキャリア濃度を計算した。図９（ａ）、（ｂ）は、発光素子１のバンド図およびキャリア濃度の厚さ方向分布を示した図である。図９（ａ）は発光素子１に電圧を印加していない場合であり、図９（ｂ）は６Ｖを印加した場合である。図９において、細い線はバンド図を示し、中程度の線は電子濃度の分布を示し、太い線はホール濃度の分布を示している。図９のように、組成傾斜層１４のうちｐ型コンタクト層１５近傍の領域を除いてホール濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３以上となっており、分極ドーピングによってｐ型となっていることが確認できた。

【0101】

実験８
発光素子１における各層および全体について透過率、反射率をそれぞれ測定し、吸収率を計算した。図１０～１７はその結果を示したグラフである。図１３～図１６については、ＡｌＮテンプレートである基板１０上にこれらの層を形成して評価した。図１７についてはサファイア基板上に形成して評価した。また、図１０～１６ではサファイア側から紫外光を垂直入射させて評価した。サンプルは入射面、透過面、反射面ともに鏡面であるが、わずかな散乱があるものと考えられる。したがって、実際の透過率、反射率は測定値よりも若干高いと推測される。よって、以下の値はおおよその膜の光学特性を示すものである。

【0102】

図１０は厚さ４３０μｍのサファイア、図１１は厚さ４３０μｍのサファイア上に厚さ３０００ｎｍのＧａドープＡｌＮを形成したＡｌＮテンプレートである基板についてのグラフである。図１０から、発光波長２７５ｎｍにおいてサファイアの透過率は約７０％であった。また、図１１から、発光波長２７５ｎｍにおいてＡｌＮテンプレートの透過率は約６７％であった。発光素子１からの光取り出し効率向上の点から、発光波長におけるサファイアの透過率は約６０％以上、ＡｌＮテンプレートの透過率は約５０％以上が好ましいと考えられるが、図１０、１１の結果からそれを満たすことが確認できた。膜の透過率は高いほどよい。結晶層の透過率はバンドエネルギー以外では結晶欠陥や不純物を減らすことで改善できる。

【0103】

図１２は基板１０からｐ型コンタクト層１５までの全体についてのグラフである。各層の構成は実験３で示したものである。図１２から、発光波長２７５ｎｍにおいて基板１０からｐ型コンタクト層１５までの全体の透過率は５０％であった。発光素子１からの光取り出し効率向上の点から、発光波長における基板１０からｐ型コンタクト層１５までの全体についての透過率は４０％以上が好ましいと考えられるが、図１２の結果からそれを満たすことが確認できた。膜厚の厚いＡｌＮテンプレートやＳｉドープのＡｌＧａＮ層の結晶品質を向上させることで、さらに高い透過率を期待できる。

【0104】

図１３は井戸層のノンドープＡｌＧａＮ（厚さ６８ｎｍ、Ａｌ組成４６％）、図１４は障壁層のＳｉドープＡｌＧａＮ（厚さ５２ｎｍ、Ａｌ組成６８％）、図１５は電子ブロック層のＭｇドープＡｌＧａＮ（厚さ７０ｎｍ、Ａｌ組成９７％）についてのグラフである。

【0105】

図１３から、発光波長２７５ｎｍにおいてノンドープＡｌＧａＮの透過率は４５％であった。このＡｌＧａＮ層は井戸層に相当する。実際の発光素子での井戸層の膜厚は１．７ｎｍであることから、発光層から放射された放射光の井戸層における自己吸収は低く、４５％よりも高い透過率であると考えられる。以上を鑑みて、厚さ６８ｎｍ、Ａｌ組成４６％のＡｌＧａＮ層の透過率は４５％以上が好ましい。

【0106】

図１４から、発光波長２７５ｎｍにおいてＳｉドープＡｌＧａＮの透過率は６０％であった。この層は障壁層に相当し、実際の発光素子における膜厚１０ｎｍよりも厚い。したがって、発光素子構造における障壁層の透過率は４０％よりも高く、透明性が高い。以上を鑑みて、厚さ５２ｎｍ、Ａｌ組成６８％のＡｌＧａＮ層の透過率は６０％以上が好ましい。

【0107】

図１５から、発光波長２７５ｎｍにおいてＭｇドープＡｌＧａＮの透過率は６０％であった。発光波長よりも高いバンドエネルギーを持つＡｌＧａＮ層では実際の発光素子の膜厚より厚くても十分な透過率を有する。発光素子１からの光取り出し効率向上の点から、発光波長における電子ブロック層１３の透過率は６０％以上が好ましいと考えられるが、図１５の結果からそれを満たすことが確認できた。

【0108】

図１６は組成傾斜層１４（厚さ１０７ｎｍ）についてのグラフである。組成傾斜層１４はＡｌ組成が７８％から７５％まで減少するノンドープＡｌＧａＮである第１組成傾斜層１４Ａと、Ａｌ組成が７５％から７３％まで減少するＭｇドープＡｌＧａＮである第２組成傾斜層１４Ｂである。

【0109】

図１６から、発光波長２７５ｎｍにおいて組成傾斜層１４の透過率は６０％であった。発光素子１からの光取り出し効率向上の点から、発光波長における組成傾斜層１４の透過率は５０％以上が好ましいと考えられるが、図１６の結果からそれを満たすことが確認できた。

【0110】

図１７はｐ側電極１６についてのグラフである。ｐ側電極１６はＮｉ／Ａｕであり、Ｎｉの厚さを１０ｎｍ、Ａｕの厚さを５０ｎｍとした。また、Ｎｉ側から垂直入射させて評価した。図１７から、発光波長２７５ｎｍにおいて反射率は３０％以上であった。発光素子１からの光取り出し効率向上の点から、発光波長におけるｐ側電極１６の反射率は３０％以上が好ましいと考えられるが、図１７の結果からそれを満たすことが確認できた。

【0111】

（変形形態）
実施形態では、封止部２は発光素子１の上面のみを覆っているが、図１８に示すように、発光素子１の上面に加えて側面を覆うようにしてもよい。発光素子１の側面に封止部２を設けることで、発光素子１の側面からの光取り出し効率を向上させることができる。側面から取り出した紫外光は、たとえば反射材で軸上方向に反射させることで活用を図ることができる。封止部２の材料が液体であって粘性が低い材料である場合、発光素子１の周囲に隔壁を設け、その隔壁で囲まれた領域に封止部２を充填するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0112】

１：発光素子
２：封止部
３：レンズ
４：実装基板
１０：基板
１１：ｎ型層
１２：活性層
１３：電子ブロック層
１３Ａ：第１電子ブロック層
１３Ｂ：第２電子ブロック層
１４：組成傾斜層
１４Ａ：第１組成傾斜層
１４Ｂ：第２組成傾斜層
１５：ｐ型コンタクト層
１６：ｐ側電極
１７：ｎ側電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】