特開 2024-2365 紫外半導体発光素子

(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】P2024002365

(43)【公開日】2024-01-11

(54)【発明の名称】紫外半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/02 20100101AFI20231228BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

H01L33/02

H01L33/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022101510

(22)【出願日】2022-06-24

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木下 亨

(72)【発明者】

【氏名】小川 昭雄

(72)【発明者】

【氏名】加納 裕之

【テーマコード（参考）】

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F241AA14

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA48

5F241CA58

5F241CA65

5F241CB11

5F241FF16

(57)【要約】

【課題】
駆動して深紫外光を出射しているか否かを使用者が容易に確認可能な紫外半導体発光素子を提供することを目的としている。
【解決手段】
本発明による紫外半導体発光素子は、単結晶ＡｌＮ基板と、前記単結晶ＡｌＮ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層と、を有し、前記単結晶ＡｌＮ基板中のＣ濃度は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単結晶ＡｌＮ基板と、
前記単結晶ＡｌＮ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層と、を有し、
前記単結晶ＡｌＮ基板中のＣ濃度は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である紫外半導体発光素子。

【請求項2】

前記単結晶ＡｌＮ基板は、前記活性層の前記発光ピーク波長の光に対する吸収係数が１５ｃｍ^－１以上である請求項１に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項3】

前記単結晶ＡｌＮ基板中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計が前記Ｃ濃度よりも高い、請求項１に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項4】

前記単結晶ＡｌＮ基板は、平面視において、前記活性層の前記発光ピーク波長に対する吸収係数をαとし、前記単結晶ＡｌＮ基板の厚みをｘとしたとき、次式（１）で表される内部透過率τが３０％以上７０％以下である領域を有する請求項１に記載の紫外半導体発光素子。

【数1】

【請求項5】

前記単結晶ＡｌＮ基板は、平面視において、前記内部透過率τが４０％以上６０％以下である領域を有する請求項４に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項6】

前記領域は前記単結晶ＡｌＮ基板の上面の外縁に沿っている請求項４または５に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項7】

単結晶ＡｌＮ基板と、
前記単結晶ＡｌＮ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層と、を有し、
発光スペクトルにおいて、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲における発光ピークが５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の範囲にある紫外半導体発光素子。

【請求項8】

駆動時における波長５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の光の出力が０．１５μＷ以上である請求項７に記載の紫外半導体発光素子。

【請求項9】

前記単結晶ＡｌＮ基板は、前記活性層からの出射光の一部を吸収し、前記出射光の吸収に応じて５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の波長範囲の光を発する請求項７に記載の紫外半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体発光素子、特に、紫外光を放出可能な紫外半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、深紫外線領域に発光ピーク波長を有する半導体発光素子が、空気や水の殺菌効果を有する光源として注目されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、ＡｌＮ基板上にＡｌＧａＮ系半導体層が形成された深紫外領域の光半導体素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１１０１６８号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Applied Physics Letters 104, 202106 (2014)

【非特許文献2】Semiconductor Science and Technology 35 (2020) 125006

【非特許文献3】Applied Physics Letters 100, 191914 (2012)

【非特許文献4】Applied Physics Express 5 (2012) 125501

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述のような光半導体素子を用いた装置を使用する場合、当該光半導体素子から出射される深紫外光が人体に影響を与え得る故、当該光半導体素子の駆動中は人体への暴露を避けるように当該装置の作業員等に促す必要がある。そのため、当該光半導体素子が駆動して深紫外光を発している場合には一見して認識できることが理想的である。

【0007】

しかしながら、深紫外光は肉眼では見えないため、当該光半導体素子を目視しても当該光半導体素子が駆動か否かすなわち深紫外光を発しているか否かを確認することが困難であった。

【0008】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、駆動して深紫外光を出射しているか否かを使用者が容易に確認可能な紫外半導体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】

【0009】

本発明による紫外半導体発光素子は、単結晶ＡｌＮ基板と、前記単結晶ＡｌＮ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層と、を有し、前記単結晶ＡｌＮ基板中のＣ濃度は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。

【0010】

また、本発明による紫外半導体発光素子は、単結晶ＡｌＮ基板と、前記単結晶ＡｌＮ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層と、を有し、発光スペクトルにおいて、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲における発光ピークが５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の範囲にある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１に係る発光装置の上面図である。

【図2】図１の発光装置の断面図である。

【図3】実施例１に係る発光装置の波長２６５ｎｍの光出力を示す図である。

【図4】実施例１に係る発光装置の波長６００ｎｍの光出力を示す図である。

【図5】実施例１に係る発光装置の駆動電流ごとの発光スペクトルを示す図である。

【図6】実施例１に係る発光装置の駆動電流ごとの発光スペクトルを示す図である。

【図7】実施例２に係る発光装置の上面図である。

【図8】実施例２に係る発光装置の断面図である。

【図9】実施例３に係る発光装置の上面図である。

【図10】実施例３の変形例に係る発光装置の上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

【実施例0013】

添付図面を参照しつつ、本発明の実施例１に係る発光装置１０の構成について説明する。

【0014】

図１は、発光装置１０の上面図である。発光装置１０は、上面形状が矩形のサブマウント基板１５及び当該サブマウント基板１５上に配された上面形状が矩形の基板１３を含む紫外半導体発光素子１１を含んで構成されている。発光装置１０において、基板１３の矩形の上面１３Ｓが光出射面となっている。

【0015】

図２は、発光装置１０を図１中の２－２線に沿って切断した断面図である。サブマウント基板１５は、上述のように上面形状が矩形の平板状の基板である。サブマウント基板１５は、ＡｌＮセラミック基板等の絶縁性の基板である。なお、サブマウント基板１５は、他の材料からなる基板、例えばアルミナ等の材料からなる基板であってもよい。

【0016】

サブマウント基板１５の上面には、互いに離隔した金属電極であるｐ配線電極１６及びｎ配線電極１７が形成されている。サブマウント基板１５の下面には、互いに離隔した金属電極であるｐ裏面電極１８及びｎ裏面電極１９が形成されている。ｐ裏面電極１８及びｎ裏面電極１９は、例えば貫通ビアを介して、ｐ配線電極１６及びｎ配線電極１７に夫々電気的に接続されている。

【0017】

紫外半導体発光素子１１は、基板１３と、基板１３の下面に形成された活性層を含む複数の窒化物系半導体層からなる半導体積層体２０とを含んで構成されている。当該活性層の発光ピーク波長は、深紫外領域の波長の光であり、具体的には、２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の波長の光である。

【0018】

基板１３は、上述のように矩形の上面形状を有している平板状の基板である。基板１３は、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）及びＯ（酸素）を不純物として含む単結晶ＡｌＮ基板である。上述のように、基板１３の上面１３Ｓが発光装置１０の光出射面となっている。また、基板１３は、２５０ｎｍから２８０ｎｍの波長の紫外光が入射するとその一部を吸収し、当該吸収に応じて可視光を発する光物性を有している。

【0019】

半導体積層体２０は、基板１３の下面を覆うように形成されている複数の半導体層を含む積層構造体である。半導体積層体２０は、基板１３上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）によって順にエピタキシャル成長されたｎ型クラッド層２１、活性層２３、及びｐ型半導体層２５を含む。

【0020】

ｎ型クラッド層２１は、基板１３の下面を覆うように形成され、ｎ型の不純物がドープされて導電性を有するＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層２１には、ｎ型不純物として、例えば、Ｓｉがドープされている。

【0021】

ｎ型クラッド層２１は、メサ形状を有している。具体的には、ｎ型クラッド層２１は下面の外縁に沿った１の領域（図中右側部分）が窪んでおり、当該１の領域以外の他の領域が台地部分となっている。

【0022】

なお、基板１３とｎ型クラッド層２１との間に基板１３と格子整合したＡｌＮバッファ層を設けてもよい。

【0023】

活性層２３は、ｎ型クラッド層２１の下面のメサ形状の台地部分に形成されている。活性層２３は、互いに組成比が異なるＡｌＧａＮ層である障壁層と井戸層とによって構成される量子井戸構造を有している。活性層２３の発光ピーク波長は２５０～２８０ｎｍの範囲内にある。

【0024】

活性層２３の構造は、発光ピーク波長が２５０～２８０ｎｍとなるように構成されていれば特に制限はない。例えば、井戸層のＡｌ組成や膜厚、障壁層のＡｌ組成等を適切に設定することで、発光ピーク波長を２５０～２８０ｎｍとすることができる。なお、井戸層や障壁層は、Ｓｉがドープされたｎ型層としてもよい。

【0025】

また、量子井戸の層数についても特に限定されるものではなく、複数の井戸層が形成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造であってもよく、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）であってもよい。例えば、井戸層の数は、１～５の範囲で適宜決定することが好ましい。

【0026】

ｐ型半導体層２５は、電子ブロック層２７、ｐ型クラッド層２９、及びコンタクト層３１がこの順に活性層２３上に積層されて構成されている。

【0027】

電子ブロック層２７は、活性層２３上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）を含むＡｌＮ層である。電子ブロック層２７は、活性層２３に注入された電子がｐ型クラッド層２９へオーバーフローすることを抑制するための電子ブロック層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）として機能する。

【0028】

電子ブロック層２７について、ｐ型ドーパントを含まないようにしてもよい。また、紫外半導体発光素子１１において、電子ブロック層２７を設けない構成にしてもよい。

【0029】

ｐ型クラッド層２９は、電子ブロック層２７上に形成され、ｐ型ドーパントとしてＭｇがドーピングされたＡｌＧａＮ層である。

【0030】

コンタクト層３１は、ｐ型クラッド層２９上に形成され、ｐ型ドーパントとしてＭｇがドーピングされたＧａＮ層である。コンタクト層３１は、コンタクト層３１上に設けられる電極との接触抵抗を下げる目的で設けられている。

【0031】

なお、電子ブロック層２７、ｐ型クラッド層２９、及びコンタクト層３１のｐ型のドーパント材料としては、Ｍｇの他にＺｎ（亜鉛），Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃ（炭素）等を用いることができる。

【0032】

ｎ電極３３は、ｎ型クラッド層２１の露出している表面２１Ｅ上に設けられた金属の電極である。ｎ電極３３は、ｎ型クラッド層２１に電気的に接続されている。また、ｎ電極３３は、導電性の接合部材３５を介してサブマウント基板１５上のｎ配線電極１７に電気的に接続されている。

【0033】

ｐ電極３７は、コンタクト層３１上に設けられた金属電極である。ｐ電極３７は、コンタクト層３１に電気的に接続されている。また、ｐ電極３７は、導電性の接合部材３９を介してサブマウント基板１５上のｐ配線電極１６に電気的に接続されている。

【0034】

以上のように、紫外半導体発光素子１１は、サブマウント基板１５上にフリップチップ実装されている。なお、紫外半導体発光素子１１は、メサ形状を有する場合について説明したが、これに限られず、ｎ型クラッド層２１と、ｎ配線電極１７とは、半導体積層体２０に設けられてｎ型クラッド層２１に達する貫通孔を介して電気的に接続されていてもよい。

【0035】

上記のような構成により、ｐ裏面電極１８及びｎ裏面電極１９を介して発光装置１０に電流が注入されると、紫外半導体発光素子１１の活性層２３から、２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下を発光ピーク波長とする深紫外光が放出される。また、基板１３の上面１３Ｓからは、当該深紫外光と共に基板１３における当該深紫外光の吸収によって生じた可視光が放出される。

【0036】

［基板１３の好ましい光物性］
続いて、基板１３の光物性及び発光装置１０に対して好ましい光物性をもたらす基板１３の構成について詳細に説明する。上述したように、基板１３は、活性層２３からの出射光の一部を吸収して当該出射光よりも長波長の光を発するという光物性を有する。

【0037】

具体的には、基板１３は、活性層２３から放出された波長約２６５ｎｍにピークを持つ２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の波長の光（以下、単に深紫外光とも称する）の一部を吸収し、基板１３に含まれる不純物による吸収発光過程によって、波長約６００ｎｍにピークを持つ５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の波長の光（以下、単に赤色光とも称する）を発する。

【0038】

発光装置１０においては、駆動中において、紫外半導体発光素子１１が発光していることがユーザに視認しやすいように、オレンジ色から赤色に見えかつ視認可能な可視光が光出射面１３Ｓから出射されるのが好ましい。オレンジ色から赤色という色は、視認しやすい色であることに加えて、一般に警告や禁止を示す意味を持つ場合も多く、紫外半導体発光素子１１が発光していることについてユーザに注意喚起を促すことができる点においても、紫外半導体発光素子１１の発光色として好ましい。

【0039】

このオレンジ色から赤色に見える赤色光の出射を達成するために、発光装置１０においては、光出射面１３Ｓからの出射光の発光スペクトルが、４５０－８００ｎｍの可視光の波長範囲で５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の範囲にピークを有することが好ましい。また、当該出射される赤色光を視認可能となすために、当該赤色光が所定以上の光出力（例えば、０．１５μＷ以上）であることが好ましい。

【0040】

発光装置として、深紫外光による殺菌等の主目的を達成する十分な深紫外光の発光強度を得ながら、上記したような目視で認識可能な赤色光を発するようにするためには、基板１３は、十分な赤色発光が得られる程度に深紫外光を吸収しつつ、深紫外光の吸収を最小限に留める必要がある。以下に、発光装置１０における基板１３において可視光が発せられるメカニズムおよびそれを踏まえた基板１３の好ましい構成について説明する。

【0041】

［可視光が発せられるメカニズムについて］
上述のように、基板１３においては、不純物由来の紫外光の吸収とそれによる可視光の発光が生ずる。この基板１３中の不純物による紫外光の光吸収及び波長約６００ｎｍの光を含む可視光の発光メカニズムについて検討する。

【0042】

単結晶ＡｌＮは、結晶中に含まれる不純物種や不純物濃度によって様々な光吸収、発光パターンをとり得ることが知られている。本実施例の紫外半導体発光素子１１の発光波長である２５０～２８０ｎｍ付近の光を吸収して発光をもたらす欠陥構造及び置換構造の吸収エネルギー（ｅＶ）及び発光エネルギー（ｅＶ）の例を表１に示す。

【0043】

【表1】

表１中、「Ｃ_Ｎ」は、ＡｌＮ結晶の窒素サイトがＣによって置換された点欠陥を示す。また、表１中の「Ｓｉ_Ａｌ」は、ＡｌＮ結晶のＡｌサイトのＳｉ置換を示し、「Ｏ_Ｎ」は、窒素サイトのＯ置換を示す。「Ｖ_Ｎ」は、ＡｌＮ結晶の窒素サイトから窒素が脱離した窒素欠陥を示す。

【0044】

窒素サイトがＣに置換された「Ｃ_Ｎ」は、波長約２６５ｎｍに相当する４．７ｅＶの光の吸収を示し、３．９ｅＶ（≒３２０ｎｍ）及び２．８ｅＶ（≒４４０ｎｍ）の発光を示すことが報告されている（非特許文献１））。

【0045】

「Ｃ_Ｎ」と「Ｓｉ_Ａｌ」とのコンプレックス（複合体）である「Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌ」は、５．５ｅＶの光の吸収を示し、４．３ｅＶの発光を示す。この「Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌ」は、ＡｌＮ結晶中のＳｉ濃度がＣ濃度よりも大きい場合に形成される（非特許文献１）。

【0046】

また、ドナー性の欠陥である「Ｏ_Ｎ」と、これに隣接するアクセプタとしての「Ｃ_Ｎ」との間のドナー・アクセプタ間遷移によって、４．７ｅＶ（≒２６５ｎｍ）の吸収及び２．１９ｅＶ（≒５７０ｎｍ）の発光が起こることが報告されている（非特許文献２）。

【0047】

また、ドナー性の欠陥である「Ｖ_Ｎ」と、これに隣接するアクセプタとしての「Ｃ_Ｎ」との間のドナー・アクセプタ間遷移によって、４．７ｅＶ（≒２６５ｎｍ）の吸収及び１．９ｅＶ（≒６５０ｎｍ）の発光が起こることが報告されている（非特許文献２）。

【0048】

以上のことから、本発明における波長２６５ｎｍ（４．７ｅＶ）の吸収は、基板１３中の「Ｃ_Ｎ」が主要因であると推測される。また、本発明における６００ｎｍ（＝２．０７ｅＶ）の赤色発光は、「Ｏ_Ｎ」、「Ｖ_Ｎ」等のドナー性の欠陥とアクセプタとしての「Ｃ_Ｎ」との間のドナー・アクセプタ間遷移によるものと推測される。

【0049】

［基板１３の好ましい構成］
上記メカニズムを踏まえて、基板１３の好ましい構成について以下に説明する。

【0050】

［吸収係数］
基板１３は、活性層２３の発光ピーク波長の深紫外光に対する吸収係数を１５ｃｍ^－１以上とするのが好ましい。深紫外光の吸収は、上述のようにＣ_Ｎが主要因であると考えられる。

【0051】

吸収係数が１５ｃｍ^－１以下である場合、例えば基板１３の厚みを大きくしたとしても、目視で認識可能な程度に十分な赤色発光が得られ難い。これは、基板１３中のＣ_Ｎ濃度が低いことにより、上記したような隣接する「Ｃ_Ｎ」と「Ｏ_Ｎ」や隣接する「Ｃ_Ｎ」と「Ｖ_Ｎ」との間のドナー・アクセプタ間遷移による吸収発光過程が起こり難いためと考えられる。

【0052】

なお、例えば、従来のＡｌＮ基板においては、活性層から放射される紫外光に対する基板の吸収により、外部へ取り出せる紫外光の総量が減少し、それによって発光効率が低下することを防止する観点から、例えば、ＡｌＮ基板の吸収係数としては２０ｃｍ^－１以下が好ましく、さらに好ましくは１０ｃｍ^－１以下とされ、吸収係数を低くする努力がなされてきた。

【0053】

それに対して、本実施例においては、深紫外光の吸収によって赤色光を発生させるために十分な吸収量を確保するために、活性層２３の発光ピーク波長の光に対する吸収係数を１５ｃｍ^－１以上としている。

【0054】

吸収係数が１５ｃｍ^－１以上であれば、基板１３の厚みを適切に設定することによって、目視で認識可能な程度に十分な赤色発光が得られる。本実施例において、基板１３に含まれる不純物濃度を所定値以上とすることで、吸収係数を１５ｃｍ^－１以上に制御している。

【0055】

［内部透過率］
基板１３による深紫外光の吸収量は、吸収係数が１５ｃｍ^－１以上である場合、基板１３の吸収係数に加えて、基板１３の厚みによって変化する。基板１３による深紫外光の吸収量と、光出射面１３Ｓから外部へ取り出せる深紫外光の総量とのバランスについては、基板１３の内部透過率によって見積もることができる。基板１３の発光ピーク波長の光に対する吸収係数をαとし、基板１３の厚みをｘとしたとき、内部透過率τは、次式で表される。

【0056】

【数1】

十分な発光強度の深紫外光及び目視で容易に認識可能な程度の十分な発光強度の赤色光を光出射面１３Ｓから取り出す観点から、上記の内部透過率は、３０％以上７０％以下であることが好ましい。

【0057】

内部透過率が３０％未満である場合、波長２６５ｎｍの光の吸収量が増大することで、高い出力の波長約６００ｎｍの光が得られる反面、波長２６５ｎｍの光強度の低下量も増えるため、深紫外光及び赤色光の発光効率の観点から好ましくない。

【0058】

内部透過率が７０％を超える場合は、基板１３による波長２６５ｎｍの光の吸収量が小さいことにより波長２６５ｎｍの発光強度は大きい。しかし、波長２６５ｎｍの光の吸収量が小さいことにより十分な約６００ｎｍの光の発光強度が得られないため、赤色光を取り出す観点から好ましくない。

【0059】

以上の点を考慮すると、基板１３による活性層２３の発光ピーク波長の光についての内部透過率は、３０％以上７０％以下であることが好ましく、４０％以上６０％以下であることがより好ましい。

【0060】

［単結晶ＡｌＮ基板の吸収係数と厚みの関係］
さらに、基板１３の製造上の観点から、基板１３の２６５ｎｍの光に対する吸収係数は５０ｃｍ^－１以下であることが好ましい。吸収係数が５０ｃｍ^－１を越えると、基板の厚みの変動によって２６５ｎｍの光の吸収量の変動が大きくなる。この場合、製造上の基板１３の厚みのばらつきによって、素子の特性が変動することになる。よって、基板１３の厚みのばらつきを抑制するためには、基板１３の厚みの公差を小さくする必要がある。このように、吸収係数が５０ｃｍ^－１を越えると製造上の加工精度に対する要求が厳しくなることを考慮すると、基板１３の吸収係数を５０ｃｍ^－１以下とすることが好ましい。

【0061】

同様の理由により、基板１３の厚みは１５０μｍ以上とすることが好ましい。基板１３の厚みが１５０μｍ未満である場合、波長２６５ｎｍの光の十分な吸収量を得るためには、基板１３の吸収係数を高くする必要があり、上述のように基板１３の厚みの公差が小さくなる。

【0062】

なお、従来の単結晶ＡｌＮ基板において、発光素子の成長基板として十分な強度が得られる厚みとしては９０～１００μｍであるところ、本実施例においては、波長２６５ｎｍの吸収係数との関係により、１５０μｍ以上とすることが好ましい。

【0063】

また、基板１３の厚みは、５００μｍを越えると製造コストが高くなること等の製造上の観点から、５００μｍ以下とすることが好ましい。

【0064】

以上より、製造上の観点も考慮すると、基板１３は、吸収係数が１５ｃｍ^－１以上５０ｃｍ^－１以下であり、厚みが１５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。

【0065】

［単結晶ＡｌＮ基板中の不純物濃度制御］
本発明における基板１３中の不純物濃度制御について説明する。上述のように、基板１３は、不純物として、Ｃ、Ｓｉ、Ｏを含む。当該不純物は、基板１３の成長時に導入される不純物であり、意図的に濃度を制御して導入されたものである。なお、基板１３中のＣ濃度、Ｓｉ濃度及びＯ濃度は、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry；ＳＩＭＳ）によって測定可能である。

【0066】

本発明の発光装置１０では、上述のように基板１３中の不純物のうち、主としてＣに起因する吸収発光過程を利用して、活性層２３からの波長２６５ｎｍの光を吸収させ、波長約６００ｎｍの赤色光を発生させている。また、上述した通り、波長２６５ｎｍ（４．７ｅＶ）の吸収は、基板１３中のＡｌＮ結晶の窒素サイトがＣによって置換された「Ｃ_Ｎ」が主要因であると推測されている。従って、本発明において赤色光を発生させるためには、基板１３中のＣ_Ｎ濃度の制御が重要である。

【0067】

ＡｌＮ結晶中に取り込まれるＣは、優先的に窒素サイトを置換することが知られている（非特許文献３）。従って、基本的には、ＡｌＮ結晶中のＣ濃度をＣ_Ｎ濃度とみなすことができる（Ｃ_Ｎ濃度≒Ｃ濃度）。

【0068】

ただし、表１に示したように、基板１３中のＳｉ濃度がＣ濃度よりも高い場合には、Ｃ_ＮとＳｉ_ＡｌとのコンプレックスであるＣ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌが形成されることによってＣ_Ｎ濃度が減少するので、Ｃ濃度をＣ_Ｎ濃度とみなすことができない。以下、Ｓｉ濃度がＣ濃度以下である場合及びＳｉ濃度がＣ濃度よりも高い場合についてそれぞれ説明する。

【0069】

まず、基板１３中のＳｉ濃度がＣ濃度以下である場合（Ｓi濃度≦Ｃ濃度）は、Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌは殆ど形成されないか又は無視できる程度であると考えられる。従って、Ｃ濃度をＣ_Ｎ濃度とみなすことができ、Ｃ濃度を制御することによってＣ_Ｎ濃度を制御できる。

【0070】

また、ＡｌＮ結晶の２６５ｎｍ（４．７ｅＶ）の光に対する吸収係数αは、ＡｌＮ結晶中のＣ_Ｎの濃度によって決まることが知られている（非特許文献３）。従って、基板１３において適切な吸収発光を起こして深紫外光とともに赤色光を得るためのＣ_Ｎの濃度を、吸収係数αに基づいて見積もることができる。

【0071】

単結晶ＡｌＮ基板中のＣ濃度と、当該単結晶ＡｌＮ基板の４．７ｅＶ（≒２６５ｎｍ）の光に対する吸収係数αとの関係が非特許文献３及び非特許文献４に開示されている。

【0072】

上記したように１５ｃｍ^－１未満では基板１３の厚みにかかわらず赤色光が得られ難く、本発明において、基板１３の吸収係数αを１５ｃｍ^－１以上とすることが必要である。上記のＣ濃度と吸収係数αとの関係によれば、波長２６５ｎｍの光の吸収係数１５ｃｍ^－１に相当するＣ濃度は、３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３と見積もることができる。

【0073】

本発明の発光装置１０において、基板１３中のＣ濃度を３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上に制御することによって、基板１３による波長２６５ｎｍの光に対する吸収係数αを１５ｃｍ^－１以上となるように制御している。

【0074】

また、上記のＣ濃度と吸収係数αとの関係によれば、基板の厚み公差を考慮した吸収係数αの上限値である５０ｃｍ^－１に相当するＣ濃度は３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３と見積もることができる。よって、Ｃ濃度をＣ_Ｎ濃度とみなすことができる場合、吸収係数αを１５ｃｍ^－１以上５０ｃｍ^－１とするための好ましいＣ濃度の範囲は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

【0075】

続いて、Ｃ濃度よりもＳｉ濃度の方が高い場合（Ｓi濃度＞Ｃ濃度）について説明する。上述したように、Ｓｉ濃度がＣ濃度よりも大きい場合、Ｃ_ＮとＳｉ_ＡｌとのコンプレックスであるＣ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌが形成される。Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌは、５．５ｅＶの吸収を示し、２６５ｎｍ（４．７ｅＶ）の光を吸収しない。また、Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌは、４．３ｅＶの発光を示し、波長６００ｎｍ（＝２．０７ｅＶ）の赤色光を放出しない。

【0076】

この場合、Ｃ_Ｎ濃度≒Ｃ濃度とみなすことができず、Ｃ_Ｎ濃度は、Ｃ濃度からＣ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌの濃度を差し引いた濃度、すなわち、「Ｃ_Ｎ濃度≒Ｃ濃度－（Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌ濃度）」となる。従って、同じＣ濃度でもＳｉ濃度がＣ濃度以下の場合と比較して２６５ｎｍの光に対する吸収係数αは小さくなる。従って、基板１３中のＣ濃度は、Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌの形成に使われる分だけ高く設定する必要がある。

【0077】

実際に、Ｓｉ濃度がＣ濃度よりも高く、吸収係数αが２０ｃｍ^－１、Ｃ濃度が６×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３Ｓｉ濃度が２．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のサンプルを用いて、Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌ濃度を算出すると、約５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となった。なお、Ｃ_Ｎ濃度の算出には、α＝５．６７２Ｅ^－１２Ｘ^{０．６９７８}（ＸはＣ_Ｎ濃度）の関係式を用いた。

【0078】

上記算出結果より、Ｓｉ濃度がＣ濃度よりも高い場合に、吸収係数αを１５ｃｍ^－１以上５０ｃｍ^－１とするためのＣ濃度は、５．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下と見積もることができる。

【0079】

また、Ｓｉ濃度がＣ濃度よりも低い場合に加えてＳｉ濃度がＣ濃度よりも高い場合も考慮すると、本願発明において波長２６５ｎｍの光に対する基板１３の吸収係数を１５ｃｍ^－１以上５０ｃｍ^－１とするための好ましいＣ濃度の範囲を３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下と見積もることができる。

【0080】

さらに、本願の発明者らは、基板１３中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計が、基板１３中のＣ濃度よりも高く（Ｓｉ濃度＋Ｏ濃度＞Ｃ濃度）なるように制御すると、主目的の深紫外光の発光強度が十分に得られ、かつ、目視可能な赤色光を出射させることができることを見出した。

【0081】

これは、Ｓｉ濃度とＯ濃度との合計を、基板１３中のＣ濃度よりも高くした場合、Ｃ_Ｎ－Ｓｉ_Ａｌが形成されることでＣ_Ｎに起因する波長２６５ｎｍの光の吸収が抑制され、透過率が下がり過ぎることが抑制されるためと考えられる。

【0082】

なお、当該不純物は、基板１３の製造時に自然に混入する不純物であってもよい。その場合、所望の濃度の不純物を含む基板を基板１３として選択すればよい。

【0083】

図３乃至図６を参照しつつ、本実施例のサンプルＡ及びサンプルＢについて発光特性を比較して説明する。

【0084】

サンプルＡは、本実施例の発光装置１０において、基板１３の吸収係数を２０ｃｍ^－１とし、基板１３の厚みを４００μｍとしたものである。サンプルＢは、基板１３の厚みが１００μｍである点においてのみサンプルＡと異なり、その他の点についてはサンプルＡと同様に構成されている。

【0085】

従って、サンプルＡ及びサンプルＢにおいて、基板１３の吸収係数はいずれも２０ｃｍ^－１である。また、サンプルＡ及びサンプルＢにおける基板１３中の不純物濃度は、Ｃ濃度が６×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３, Ｓｉ濃度が２．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３, Ｏ濃度が４．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。よって、サンプルＡ及びサンプルＢは、基板１３中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計が、Ｃ濃度より大きくなるように制御されている（（Ｓｉ＋Ｏ）／Ｃ＝１．１７）。サンプルＡ及びサンプルＢの各々の光出射面１３Ｓ上に光検出器を設置して、駆動電流を５ｍＡから７０ｍＡまで変化させた際の光出力及び発光スペクトルを測定した。

【0086】

図３は、サンプルＡ及びサンプルＢについて駆動電流に対する波長２６５ｎｍの光出力を示す図である。図３に示すように、サンプルＡ及びサンプルＢのいずれも、駆動電流が上昇すると波長２６５ｎｍの光出力が上昇している。また、同じ駆動電流でサンプルＢよりもサンプルＡの方が光出力の値が小さい。

【0087】

これは、サンプルＡは、サンプルＢよりも基板１３の厚みが大きく、内部透過率が低い分、波長２６５ｎｍの光の吸収量が大きいからである。具体的には、波長２６５ｎｍの光に対して、サンプルＡの内部透過率は約４５％であり、サンプルＢの内部透過率は約８２％である。

【0088】

なお、発光装置１０を実際に使用する際には、４００ｍＡ程度の本実験よりも大きい駆動電流で駆動する。その場合、サンプルＡの発光装置を用いても、殺菌等の用途に対して十分な、例えば３０ｍＷ以上の光出力が得られる。

【0089】

図４は、サンプルＡ及びサンプルＢについて駆動電流に対する波長６００ｎｍの光出力を示す図である。図４において、目視可能な光出力のレベルである０．１５μＷのラインを破線で示している。

【0090】

図４に示すように、駆動電流３０ｍＡまでは、サンプルＡ及びサンプルＢのいずれも、駆動電流が上昇すると波長６００ｎｍの光出力が上昇している。また、サンプルＡ及びサンプルＢのいずれも、駆動電流が３０ｍＡ以上で目視可能な光出力のレベルである０．１５μＷを越えている。

【0091】

駆動電流が３０ｍＡを越えると、サンプルＡは駆動電流の上昇とともに波長６００ｎｍの光出力が上昇している。これに対して、サンプルＢは、３０ｍＡを越えると駆動電流が上昇しても波長６００ｎｍの光出力の上昇幅が小さくなり、駆動電流が５０ｍＡを越えると、波長６００ｎｍの光出力は上昇しなくなっている。サンプルＢでは、３０ｍＡを越えると波長２６５ｎｍの光の吸収サイトが不足し、波長６００ｎｍの光出力は飽和傾向にあると考えられる。

【0092】

図５は、サンプルＡについて駆動電流を５ｍＡから７０ｍＡまで変化させた際の駆動電流ごとの波長４００ｎｍから８００ｎｍの間の発光スペクトルを示す図である。図５に示すように、サンプルＡの発光スペクトルでは、いずれの駆動電流においても、波長約６００ｎｍの発光強度が最大となっている。言い換えれば、サンプルＡの発光スペクトルにおいて、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲における発光ピークが５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の範囲内にある。

【0093】

このように、可視光領域のうち波長約６００ｎｍの発光強度が最大となっている場合、目視においてオレンジ色から赤色の光が認識され得る。

【0094】

また、当該約６００ｎｍの発光ピークの位置は、駆動電流が変わっても、約６００ｎｍの位置から変動していない。従って、サンプルＡについて、上記したような実用的な駆動電流である４００ｍＡ程度まで駆動電流を高くしても、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲における発光ピークが５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の範囲内にあるという傾向は維持されると考えられる。

【0095】

従って、サンプルＡを４００ｍＡ程度の駆動電流で駆動させると、サンプルＡの光出射面１３Ｓからは、深紫外光とともにオレンジ色から赤色の可視光が出射され、当該可視光によって、一見して駆動していることが容易に認識され得る。

【0096】

図６は、サンプルＢについて駆動電流を５ｍＡから７０ｍＡまで変化させた際の駆動電流ごとの波長４００ｎｍから８００ｎｍの間の発光スペクトルを示す図である。図６に示すように、サンプルＢの発光スペクトルにおいて、駆動電流３０ｍＡまでは波長約６００ｎｍの発光強度が最大となっている。また、図４に示したように、駆動電流が３０ｍＡ以上で目視可能な光出力のレベルである０．１５μＷを越えている。従って、少なくとも駆動電流３０ｍＡの条件下においては、サンプルＢの駆動によって赤色光が認識され得るといえる。

【0097】

しかし、図６において、５０ｍＡ及び７０ｍＡのスペクトルでは、５０ｍＡから７０ｍＡ駆動電流が上昇しても波長６００ｎｍの強度は上昇せず、波長４５０ｎｍ以上６００ｎｍ未満の光、すなわち可視光領域の光のうち６００ｎｍよりも短波長の発光強度が上昇している。これは、ｐ型ＧａＮ層であるコンタクト層３１からの発光によるものと考えられる。

【0098】

このような場合、目視において認識され得る発光色は、波長約６００ｎｍの光と波長４５０ｎｍ以上６００ｎｍ未満の光との混色により、オレンジ色から赤色ではなく、青白色から白色（以下、単に青白光とも称する）になる傾向がある。

【0099】

例えば、サンプルＢについて、実用的な駆動電流である４００ｍＡ程度まで駆動電流を高くした場合、波長約６００ｎｍの発光強度はこれ以上上昇せず、波長４５０ｎｍ以上６００ｎｍ未満の発光強度が高い傾向が維持されると考えられる。

【0100】

従って、サンプルＢを４００ｍＡ程度の駆動電流で駆動させると、サンプルＢの光出射面１３Ｓからは、深紫外光とともに青白光が出射され得る。サンプルＢは、当該可視光が出射されることにより、サンプルＢの駆動が認識され得るものの、青白光は赤色光と比較して認識されにくい傾向あり、赤色光を出射するサンプルＡの方がより好ましいといえる。

【0101】

なお、本実施例においては、サンプルＢにおいて上記のようなｐ型ＧａＮ層であるコンタクト層３１に起因する青白光を示す発光スペクトルが観察された。当該青白光の発光強度は、ｐＧａＮコンタクト層の品質や膜厚によって異なり、視認が困難な程度である場合もある。

【0102】

なお、サンプルＡで顕著であったように、本発明において、発光装置１０の発光スペクトルが４５０－８００ｎｍの領域において約６００ｎｍのピークを有する。この波長６００ｎｍは、上記したようにＣ_Ｎを主要因とする吸収発光過程によるものであり、基本的には変動しない。ただし、このピーク波長は、励起密度（電流密度）の上昇によって短波長化する場合や、温度が高くなると長波長化する場合がある。これらのことを考慮しても、基板１３中のＣ不純物の吸収発光過程による４５０－８００ｎｍの領域におけるピーク波長は、６００ｎｍ±５ｎｍ以内になると考えられ、大きく見積もっても６００ｎｍ±１０ｎｍ以内に収まるといえる。

【0103】

［単結晶ＡｌＮ基板の製法］
基板１３は、例えば物理気相輸送（ＰＶＴ）法によって製造することができる。ＰＶＴ法において、多結晶ＡｌＮ等のＡｌＮ原料を加熱し昇華させて、原料の入っているるつぼに対向して配置された種基板上に結晶成長させる。

【0104】

例えば、初期の不純物量が少ないＡｌＮ原料を用いることで成長する単結晶ＡｌＮ基板中の不純物濃度を低減することができる。

【0105】

また、結晶成長の際の原料の温度等の温度条件及びリアクタ内の圧力条件を制御することにより、気相中の不純物量が変化するため、それに伴って不純物のＡｌＮ単結晶への取り込み量を制御することができる。例えば、温度を下げると不純物濃度は減少する傾向がみられる。

【0106】

また、ＡｌＮ原料とともにＳｉ片、炭素片等の不純物の原料を添加し、その添加量に加えて上記の温度条件や、圧力条件を制御することにより、単結晶ＡｌＮ基板中の不純物濃度を増減させることができる。

【0107】

なお、基板１３は、ＰＶＴ法に限られず、例えば、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法，分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、又はＭＯＣＶＤ法によって成長することもでき、これらの方法を組み合わせて成長することもできる。

【0108】

なお、ＭＢＥ又はＭＯＣＶＤについては成長時間が長いこと、ＨＶＰＥ法による場合はコストが高くなること等を考慮すると、ＰＶＴ法によって基板１３を成長することが好ましい。

【0109】

以上、詳細に説明したように、本実施例の発光装置１０は、紫外半導体発光素子１１がサブマウント基板上に実装されて構成されている。紫外半導体発光素子１１は、単結晶ＡｌＮ基板と、ｎ型クラッド層と、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である活性層と、ｐ型クラッド層と、を有し、単結晶ＡｌＮ基板中のＣ濃度は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。

【0110】

言い換えれば、紫外半導体発光素子１１は、発光スペクトルにおいて、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲における発光ピークが５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の範囲にある。

【0111】

上記のような構成により、単結晶ＡｌＮ基板は、活性層の発光ピーク波長の光である深紫外光の一部を吸収し、当該深紫外光の吸収に応じて５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の波長範囲の光を発する。発光装置１０の光出射面からは、深紫外光とともに５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の波長範囲の光が出射される。５９０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下の波長範囲の光は、目視において、オレンジ色から赤色の光として容易に認識され得る。このような、視認され易くかつ一般に警告や禁止の意味を持つ赤色発光によって、発光装置１０の使用者は、紫外半導体発光素子１１が駆動していることを一見して認識することができ、当該作業者の安全性を向上することができる。

【0112】

従って、本実施例によれば、駆動して深紫外光を出射しているか否かを使用者が容易に確認可能な紫外半導体発光素子を提供することができる。

【実施例0113】

図７は、実施例２に係る発光装置５０の上面図である。図７に示すように、発光装置５０は、紫外半導体発光素子５１を含んで構成されている。紫外半導体発光素子５１は、単結晶ＡｌＮ基板である基板５３を有している点において実施例１の構成と異なり、その他の点においては実施例１の紫外半導体発光素子１１と同様に構成されている。

【0114】

基板５３は、上面視において領域５３Ａと領域５３Ｂの２つの領域を有している。基板５３は、領域５３Ａにおいて領域５３Ｂよりも厚みが大きくなっている。基板５３は、その他の点においては実施例１の基板１３と同様に構成されている。

【0115】

図７中、基板５３の下面側において活性層２３が形成されている領域を破線で示している。図７に示すように、基板５３の厚みが大きい領域５３Ａは、活性層２３が形成されている領域に重なっている。

【0116】

図８は、発光装置５０を図７中の８－８線に沿って切断した断面図である。図８に示すように、基板５３は、領域５３Ａにおいて領域５３Ｂよりも厚みが大きい。

【0117】

具体的には、例えば、基板５３の吸収係数はいずれの領域においても２０ｃｍ^－１である。基板５３の領域５３Ａは、厚みが実施例１のサンプルＡと同様に４００μｍであり、波長２６５ｎｍの光に対する内部透過率は約４５％である。また、基板５３の領域５３Ｂは、厚みが実施例１のサンプルＢと同様に１００μｍであり、波長２６５ｎｍの光に対する内部透過率は約８２％である。

【0118】

言い換えれば、基板５３は、平面視において、活性層２３の発光ピーク波長の光に対する内部透過率が３０％以上７０％以下である領域を有している。発光装置５０の駆動により、基板５３の領域５３Ａからは、赤色光が取り出される。領域５３Ｂからは、深紫外光の高い出力が得られ、赤色光は出射されない。例えば、実施例１のサンプルＢの場合と同様に、領域５３Ｂからは、青白色から白色の可視光が出射され得る。

【0119】

このように、本実施例においては基板５３の２６５ｎｍの光に対する吸収係数を１５ｃｍ^－１以上とした上で、領域によって厚みを変化させた。このようにすることで、基板５３の厚みが小さく内部透過率が高い領域においては、基板５３による波長２６５ｎｍの光の吸収を抑制して深紫外光の高い光出力を確保しつつ、厚みが大きく内部透過率が小さい領域においては、容易に視認され得る波長約６００ｎｍの赤色光を出射させることができる。

【0120】

なお、実施例２において、基板５３の一部の領域の厚みを大きくすればよく、いずれの領域の厚みを大きくするかについては任意である。例えば、上記のように、上面視において基板５３の端の方の領域を厚みの大きい領域５３Ａとすることで、領域５３Ａによって深紫外光の出射の妨げになることを避けることができる。

【0121】

また、図７及び図８に示したように、上面視において活性層２３が形成されている領域と重なる領域に、領域５３Ａを設けることが好ましい。このようにすることで、活性層２３からの出射光を確実に領域５３Ａに入射させ、確実に赤色光を出射させることができる。

【0122】

なお、本実施例の基板５３は、例えば、半導体積層体２０の形成後、半導体積層体２０をレジスト等により保護した上で、単結晶ＡｌＮ基板のウェットエッチング等の方法によって領域５３Ｂを形成することによって形成することができる。

【0123】

なお、本実施例において、基板５３の一部の領域の基板の厚みを変化させる代わりに、基板５３の一部の領域の不純物濃度を変化させ、それによって当該一部の領域から赤色光を出射するようにしてもよい。