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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-14
(45)【発行日】2024-03-25
(54)【発明の名称】紫外線発光素子及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 33/10 20100101AFI20240315BHJP
H01L 33/20 20100101ALI20240315BHJP
H01L 33/22 20100101ALI20240315BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20240315BHJP
H01L 33/40 20100101ALI20240315BHJP
【ＦＩ】
H01L33/10
H01L33/20
H01L33/22
H01L33/32
H01L33/40
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2023183569
(22)【出願日】2023-10-25
【審査請求日】2023-10-25
(31)【優先権主張番号】P 2022173806
(32)【優先日】2022-10-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】506334182
【氏名又は名称】ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】100167623
【弁理士】
【氏名又は名称】塚中 哲雄
(74)【代理人】
【識別番号】100179903
【弁理士】
【氏名又は名称】福井 敏夫
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 康弘
【審査官】右田 昌士
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１５／１１１１３４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００１３４３５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１７１９９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１１－５１２０３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２４７４１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２１－５１７２６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０２１２５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１７１６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－００６６６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１０８８８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２８７２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０１１２７３７９（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光取り出し面となる主面を有する透明基板と、前記透明基板上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上の量子井戸型発光層と、
前記量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、
前記ｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、
前記透明基板の側面は粗面であって、算術平均高さＳａの平均値が２μｍ以上であり、
前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、
前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記量子井戸型発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式（１）
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ・・・（１）
であって前記自然数ｋの値が１であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。
【請求項2】
前記出射角θが２３．６°以上３６．８°以下であり、ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度が２４°以上３７°以下である請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項3】
前記ｐ側半導体層は、前記量子井戸型発光層上のｐ型電子ブロック層と、
前記ｐ型電子ブロック層上のｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層と、を有し、
前記ｎ型半導体層、前記ｐ型電子ブロック層、前記ｐ型クラッド層の各層は、水平方向における組成が均一である、請求項１又は２に記載の紫外線発光素子。
【請求項4】
前記ｐ型クラッド層の厚さを前記ｐ型電子ブロック層の厚さで除した値が０．４以上である請求項３に記載の紫外線発光素子。
【請求項5】
光取り出し面となる透明基板の主面と反対側の面上にＡｌＮ層を形成する工程と、
前記ＡｌＮ層の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体層の上に量子井戸型発光層を形成する量子井戸型発光層形成工程と、
前記量子井戸型発光層の直上にｐ側半導体層を形成するｐ側半導体層形成工程と、
前記ｐ側半導体層の直上に反射電極を形成する反射電極形成工程と、
前記透明基板を個片化する個片化工程と、
を含む紫外線発光素子の製造方法であって、
前記個片化工程では前記透明基板の側面を、算術平均高さＳａの平均値が２μｍ以上の粗面にしており、
前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）が、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記量子井戸型発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式（１）
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ・・・（１）
であって前記自然数ｋの値が１であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるように前記ｐ側半導体層を形成する、紫外線発光素子の製造方法。
【請求項6】
前記ｐ側半導体層形成工程は、前記量子井戸型発光層の上にｐ型電子ブロック層を形成するｐ型電子ブロック層形成工程と、
前記ｐ型電子ブロック層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、
前記ｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
を含む、請求項５に記載の紫外線発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、紫外線発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を主な構成とする発光素子は、紫外線である２５０ｎｍ～３６０ｎｍ程度の光を発することが可能である。ＵＶＣ（～２８０ｎｍ）やＵＶＢ（２８０ｎｍ～３２０ｎｍ）の発光中心波長を有する紫外線発光素子は、殺菌等に用いられることがあるため、これら波長域の紫外線発光素子の開発は特に盛んである。ＵＶＡ（３２０ｎｍ～）の紫外線発光素子は、樹脂硬化や医療用、分析用として用いられる場合がある。
【0003】
特許文献１には、２４０ｎｍ～３２０ｎｍの深紫外光を発する紫外線発光素子が記載されている。この紫外線発光素子では、電子ブロック層は１ｎｍ～１０ｎｍ、ｐ型クラッド層は１０ｎｍ～１００ｎｍ、ｐ型コンタクト層は５００ｎｍを超える厚さが好ましいとされている。そして、ｐ型コンタクト層を厚くすることでｐ型コンタクト層の平坦性を向上できることが記載されている。
【0004】
特許文献２には、窒化物半導体紫外線発光素子が記載されている。この紫外線発光素子では、活性層の表面は、井戸層の厚さ以上の平均粗さを持つくらいに粗い方が出力向上すると記載されている。また、半導体層の厚みに関し、電子ブロック層は１５ｎｍ～３０ｎｍ、ｐ型クラッド層は５００ｎｍ～６００ｎｍ、ｐ型コンタクト層は１００ｎｍ～３００ｎｍであることが例示されている。
【0005】
特許文献３には、配光角をより狭くすることが可能な紫外線発光素子を提供することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許第６８１４９０２号公報
【文献】国際公開第２０１７／０１３７２９号
【文献】特開２０１５－１１９１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来、発光素子は軸上出力が高いことが好ましいとされ、特許文献３に記載のように、配光角をより狭くすることが望ましいと考えられていた。しかしながら、レンズ付きＳＭＤなどを使用する装置によっては、発光素子の軸上以外の方向への発光も有効に利用できる場合があるため、発光素子は全方向の発光出力が大きければよい。
【0008】
本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、大きな発光出力を得られる紫外線発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者等は、上述の課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる本発明を完成させた。
【0010】
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１） 光取り出し面となる主面を有する透明基板と、
前記透明基板上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上の量子井戸型発光層と、
前記量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、
前記ｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、
前記透明基板の側面は粗面であり、
前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、
前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記量子井戸型発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式（１）
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ・・・（１）
であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。
（１） 光取り出し面となる主面を有する透明基板と、
前記透明基板上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上の量子井戸型発光層と、
前記量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、
前記ｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、
前記透明基板の側面は粗面であり、
前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、
前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記量子井戸型発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式（１）
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ・・・（１）
であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。
【0011】
（２） 前記自然数ｋの値が１で、
前記出射角θが２３．６°以上３６．８°以下であり、
ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度が２４°以上３７°以下である（１）に記載の紫外線発光素子。
前記出射角θが２３．６°以上３６．８°以下であり、
ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度が２４°以上３７°以下である（１）に記載の紫外線発光素子。
【0012】
（３） 前記ｐ側半導体層は、
前記量子井戸型発光層上のｐ型電子ブロック層と、
前記ｐ型電子ブロック層上のｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層と、を有し、
前記ｎ型半導体層、前記ｐ型電子ブロック層、前記ｐ型クラッド層の各層は、水平方向における組成が均一である、（１）又は（２）に記載の紫外線発光素子。
前記量子井戸型発光層上のｐ型電子ブロック層と、
前記ｐ型電子ブロック層上のｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層と、を有し、
前記ｎ型半導体層、前記ｐ型電子ブロック層、前記ｐ型クラッド層の各層は、水平方向における組成が均一である、（１）又は（２）に記載の紫外線発光素子。
【0013】
（４）前記ｐ型クラッド層の厚さを前記ｐ型電子ブロック層の厚さで除した値が０．４以上である（１）又は（２）に記載の紫外線発光素子。
【0014】
（５） 光取り出し面となる透明基板の主面と反対側の面上に
ＡｌＮ層を形成する工程と、
前記ＡｌＮ層の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体層の上に量子井戸型発光層を形成する量子井戸型発光層形成工程と、
前記量子井戸型発光層の直上にｐ側半導体層を形成するｐ側半導体層形成工程と、
前記ｐ側半導体層の直上に反射電極を形成する反射電極形成工程と、
前記透明基板を個片化する個片化工程と、
を含む紫外線発光素子の製造方法であって、
前記個片化工程では前記透明基板の側面を粗面にしており、
前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）が、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式（１）
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ・・・（１）
であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記主面から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるように前記ｐ側半導体層を形成する、紫外線発光素子の製造方法。
ＡｌＮ層を形成する工程と、
前記ＡｌＮ層の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体層の上に量子井戸型発光層を形成する量子井戸型発光層形成工程と、
前記量子井戸型発光層の直上にｐ側半導体層を形成するｐ側半導体層形成工程と、
前記ｐ側半導体層の直上に反射電極を形成する反射電極形成工程と、
前記透明基板を個片化する個片化工程と、
を含む紫外線発光素子の製造方法であって、
前記個片化工程では前記透明基板の側面を粗面にしており、
前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）が、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、下記式（１）
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ・・・（１）
であり、かつ、
前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記主面から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるように前記ｐ側半導体層を形成する、紫外線発光素子の製造方法。
【0015】
（６）前記ｐ側半導体層形成工程は、
前記量子井戸型発光層の上にｐ型電子ブロック層を形成するｐ型電子ブロック層形成工程と、
前記ｐ型電子ブロック層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、
前記ｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、を含む、（５）に記載の紫外線発光素子の製造方法。
前記量子井戸型発光層の上にｐ型電子ブロック層を形成するｐ型電子ブロック層形成工程と、
前記ｐ型電子ブロック層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、
前記ｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、を含む、（５）に記載の紫外線発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、大きな発光出力を得られる紫外線発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】量子井戸型発光層から出た光の光路を示す概略図である。
【図2】ファーフィールド測定の概略図である。
【図3】本発明における紫外線発光素子の概略図である。
【図4】実施例１の紫外線発光素子におけるサファイア基板の側面の形状解析レーザ顕微鏡での撮影像である。
【図5】実施例のファーフィールド測定によって得られた配光パターンである。
【図6】比較例のファーフィールド測定によって得られた配光パターンである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明の説明に先立ち、本明細書における図面における各層の厚さについて説明する。各層間の厚さの比率は、説明の便宜のため、図面上で見やすく変更して表示したものに過ぎず、実際の厚さの比率とは異なる。
【0019】
＜層の厚さ＞
本明細書において、紫外線発光素子の各層の厚さは、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）を用いて撮影した像に基づいて計測する。すなわち、各層の厚さは、紫外線発光素子の断面を撮影した像における各層厚さの平均値を用いる。なお、透明基板の厚さは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により計測した値を用いる。
本明細書において、紫外線発光素子の各層の厚さは、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）を用いて撮影した像に基づいて計測する。すなわち、各層の厚さは、紫外線発光素子の断面を撮影した像における各層厚さの平均値を用いる。なお、透明基板の厚さは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により計測した値を用いる。
【0020】
＜Ａｌ組成比の測定＞
本明細書における「ＡｌＧａＮ」は、Ａｌ組成比をαとするとＡｌαＧａ１－αＮであることを意味する。本発明におけるＡｌＧａＮのＡｌ組成比αの値は、層断面に対するＴＥＭ－ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）測定の結果から特定する。Ａｌ組成比αは、規定がなければ０以上１以下の範囲内である。
本明細書における「ＡｌＧａＮ」は、Ａｌ組成比をαとするとＡｌαＧａ１－αＮであることを意味する。本発明におけるＡｌＧａＮのＡｌ組成比αの値は、層断面に対するＴＥＭ－ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）測定の結果から特定する。Ａｌ組成比αは、規定がなければ０以上１以下の範囲内である。
【0021】
また、本明細書において「ＧａＮ」「ＡｌＮ」と表記する場合は、それぞれＧａ及びＡｌの組成比が１．０であることを意味する。なお、「ＧａＮ」「ＡｌＮ」「ＡｌＧａＮ」は、インジウムを含め、組成式に記載されていない他のIII族元素の組成比が０．０４以下（モル分率で４％以下）の微量含まれていてもよい。
【0022】
＜ドーパント濃度の測定＞
本明細書におけるドーパント濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により測定した値を用いる。なお、アンドープとはＭＯＣＶＤ成長時にＭｇやＳｉ等の特定のドーパントの原料ガスを意図的には供給しないことをいい、製造過程におけるＣ、Ｈ、Ｏのような不可避的な不純物が含まれていても良い。また、本明細書におけるｉ型とは、アンドープであって、キャリア密度が４×１０１６ｃｍ－３以下であることをいう。
本明細書におけるドーパント濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により測定した値を用いる。なお、アンドープとはＭＯＣＶＤ成長時にＭｇやＳｉ等の特定のドーパントの原料ガスを意図的には供給しないことをいい、製造過程におけるＣ、Ｈ、Ｏのような不可避的な不純物が含まれていても良い。また、本明細書におけるｉ型とは、アンドープであって、キャリア密度が４×１０１６ｃｍ－３以下であることをいう。
【0023】
（紫外線発光素子）
以下、本発明に係る紫外線発光素子（以下、発光素子と記載することがある）の詳細について説明する。本発明における紫外線発光素子は、光取り出し面を有する透明基板（以下、基板と記載することがある）と、この透明基板上のＡｌＮ層と、このＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上の量子井戸型発光層（以下、発光層と記載することがある）と、この量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、このｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える。ｐ側半導体層は、量子井戸型発光層上のｐ型電子ブロック層と、ｐ型電子ブロック層上のｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層と、を有してもよい。そして、このｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、量子井戸型発光層からｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、出射角θが、透明基板の主面と側面が平坦面であるとした（平坦面であると仮定した）場合に透明基板から空気に対して光取り出しされない角度（すなわち、透明基板と空気の界面で全反射を起こす角度）となる範囲内である。
以下、本発明に係る紫外線発光素子（以下、発光素子と記載することがある）の詳細について説明する。本発明における紫外線発光素子は、光取り出し面を有する透明基板（以下、基板と記載することがある）と、この透明基板上のＡｌＮ層と、このＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上の量子井戸型発光層（以下、発光層と記載することがある）と、この量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、このｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える。ｐ側半導体層は、量子井戸型発光層上のｐ型電子ブロック層と、ｐ型電子ブロック層上のｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層と、を有してもよい。そして、このｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、量子井戸型発光層からｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、出射角θが、透明基板の主面と側面が平坦面であるとした（平坦面であると仮定した）場合に透明基板から空気に対して光取り出しされない角度（すなわち、透明基板と空気の界面で全反射を起こす角度）となる範囲内である。
【0024】
ｐ側半導体層は、量子井戸型発光層上のｐ型電子ブロック層と、このｐ型電子ブロック層上のｐ型クラッド層と、このｐ型クラッド層上のｐ型コンタクト層を少なくとも有し、さらに他の構成を有してもよく、ｐ型不純物の拡散抑制などを目的とした、アンドープの層（例えば後述のｉ型ガイド層）やｎ型ドーパント（たとえばＳｉ）をドープされた層（Ｓｉだけがドープされた層やＳｉとｐ型ドーパント（たとえばＭｇ）の両方がドープされた層）を含んでいて良いものとする。すなわち、量子井戸型発光層と反射電極との間に挟まれるすべての半導体層を総称してｐ側半導体層（p-side layers）と呼称する。なお、透明基板と量子井戸型発光層との間には、ｎ型半導体層の他にもアンドープの層を含んでいてもよい。
【0025】
まず、図１を用いて本発明に係る紫外線発光素子の開発の経緯について説明する。図１は、本発明に係る紫外線発光素子１００における量子井戸型発光層４から出た光の経路を説明するための具体的態様を含む断面模式図である。この紫外線発光素子１００は、上方から順に、透明基板１と、ＡｌＮ層１１と、ｎ型半導体層３と、量子井戸型発光層４と、ｐ型電子ブロック層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層８を含むｐ側半導体層１０と、反射電極９１を順に有する。紫外線発光素子１００は、透明基板１を光取り出し側とする。紫外線発光素子１００においては、透明基板１の厚さが厚い方が側面を含めた光取り出し面積が増加するため、従来、透明基板１は厚い方が好ましいとされていた。また、ｐ側半導体層１０やｎ型半導体層３の厚さも厚い方が好ましいとされてきた。図１に量子井戸型発光層４から出た光の概略的な光路を図示する。量子井戸型発光層４から出た光は、透明基板１を通して直接外部に取り出される光路と、反射電極９１により反射された後、透明基板１を通して外部に取り出される光路がある。
【0026】
さて、透明基板１の主面と側面が平坦面である場合を考える。図１には、量子井戸型発光層４からｐ側半導体層１０内に対して出射角θ１にて出射された光路１が、反射電極９１により反射された後、透明基板１の主面において臨界角（例えばサファイアから空気に出るときの臨界角）で入射した場合を示している。この場合、出射角θ１より小さく垂直に近い角度で出射された光は透明基板１の主面から外部に光取り出しされ、出射角θ１より大きい角度で出射された光は臨界角より大きい角度で主面に到達するので主面で全反射して主面から光取り出しされない。すなわち、出射角がθ１以上の光は、透明基板１の主面での光取り出しがされない。
【0027】
また、図１には、量子井戸型発光層４からｐ側半導体層１０内に対して出射角θ２にて出射された光路２が、反射電極９１により反射された後、透明基板１の側面において臨界角（例えばサファイアから空気に出るときの臨界角）で入射した場合を示している。この場合、出射角θ２より小さい角度で出射された光は、透明基板１の側面での角度が臨界角より大きくなるため側面から外部に光取り出しされず、出射角θ２より大きい角度で出射された光は側面から光取り出しされる。すなわち、出射角がθ２以下の光は、透明基板１の側面で光取り出しされない。
【0028】
すなわち、主面と側面が平坦面であって透明基板１と外部との界面において臨界角による全反射が生じる場合、出射角がθ１以上θ２以下の間では透明基板１からの光取り出しが困難となる。なお、０°＜θ１＜θ２＜９０°である。透明基板１がサファイアであり、サファイアから空気に出るときの臨界角は、例えば波長３４０ｎｍにおけるサファイアの屈折率を１．８とすれば、３３．７５°と計算される。
【0029】
ここで、透明基板１やｎ型半導体層３の厚さを変化させても配光角ごとの光強度分布（配光パターンともいう）はほとんど変化しないものの、ｐ側半導体層１０の厚さを変化させると、配光パターンが大きく変わることに本発明者らは着目し、その変化について詳しく検討した。すると、量子井戸型発光層４から出射されてｐ側半導体層１０内を通る光が反射電極９１により（固定端）反射されて量子井戸型発光層４に戻ってくるまでの光路長ｄ（ｎｍ）が、発光中心波長λ（ｎｍ）、ｐ側半導体層１０の屈折率ｎ、自然数ｋとして、式（１）となるときに、ｐ側半導体層１０内における多重反射で共振することが知られている。
ｄ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ ・・・（１）
ここで、光路長ｄ（ｎｍ）は、ｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）と、発光層４からｐ側半導体層１０内に向かう光の出射角θを用いて、式（２）で表される。
ｄ＝２Ｌ／cosθ ・・・（２）
これらの式（１）と（２）より、以下の式（３）が導出される。
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ ・・・（３）
ｄ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ ・・・（１）
ここで、光路長ｄ（ｎｍ）は、ｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）と、発光層４からｐ側半導体層１０内に向かう光の出射角θを用いて、式（２）で表される。
ｄ＝２Ｌ／cosθ ・・・（２）
これらの式（１）と（２）より、以下の式（３）が導出される。
２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎ ・・・（３）
【0030】
ここで、波長３４０ｎｍにおけるＡｌＧａＮの代表的な屈折率としてｐ側半導体層１０の屈折率ｎを２．５、発光中心波長λ＝３４０nmとし、ｋ＝１であるとき、式（３）は、以下の式（４）で表される。
２Ｌ／cosθ＝２０４ｎｍ ・・式（４）
この値となるｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）と、発光層からｐ側半導体層１０内に向かう光の出射角θの組み合わせ範囲で共振が生じるはずである。
２Ｌ／cosθ＝２０４ｎｍ ・・式（４）
この値となるｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）と、発光層からｐ側半導体層１０内に向かう光の出射角θの組み合わせ範囲で共振が生じるはずである。
【0031】
図１において、屈折率が２．５のＡｌＧａＮから、屈折率が２．３のＡｌＮを経由して、屈折率が１．８のサファイアと屈折率が１の空気の界面から光が取り出されるときの臨界角となるとした場合、光路１の量子井戸型発光層４からの出射角度θ１は、θ１＝２３．６°と算出され、光路２の量子井戸型発光層４からの出射角度θ２は、θ２＝３６．８°と算出される。
【0032】
上記の式（４）にこれらの角度を代入すると、
θ１＝２３．６°のとき、ｄ＝２０４ｎｍとなるＬ１＝９３．５ｎｍ
θ２＝３６．８°のとき、ｄ＝２０４ｎｍとなるＬ２＝８１．７ｎｍ
となる。つまり、主面と側面が平坦面である場合は、ｐ側半導体層１０のＬが９３．５ｎｍより厚ければ、θ１より小さい角度で共振が生じて主面からの光取り出しにおいて強い発光出力が生じるはずである。
θ１＝２３．６°のとき、ｄ＝２０４ｎｍとなるＬ１＝９３．５ｎｍ
θ２＝３６．８°のとき、ｄ＝２０４ｎｍとなるＬ２＝８１．７ｎｍ
となる。つまり、主面と側面が平坦面である場合は、ｐ側半導体層１０のＬが９３．５ｎｍより厚ければ、θ１より小さい角度で共振が生じて主面からの光取り出しにおいて強い発光出力が生じるはずである。
【0033】
しかしながら、実際のｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）に対して、得られた発光出力と、配光パターンを鑑みると、ｐ側半導体層１０のＬが８１．７ｎｍ～９３．５ｎｍである場合は、ｐ側半導体層１０のＬが８１．７ｎｍ未満や９３．５ｎｍ超である場合に比べて、発光出力は大きかった。すなわち、ｐ側半導体層１０内における多重反射で共振する光は、図１において、理論的には光の取り出しが出来ない出射角度θ範囲において共振が生じる場合に発光出力が大きくなる結果を生じていた。このような結果は、既知の垂直（膜厚）方向の干渉効果を利用して光出力を高めるとする確立された理論とは異なる結果である。
【0034】
そこで、実施形態の発光素子を観察したところ、透明基板１の主面は、主面を直上から観察したときに主面と反対側が見える程度に平坦であるが、透明基板１の側面は、側面を横から観察したときに、他方の側面が見えない程度に粗面である。側面の粗面は、透明基板１を個片化する際に生じたものである。側面が粗面であるとすると、図１の光路２では、透明基板１の側面から外部に向かう光は乱反射して外部にとりだされる。粗面は、算術平均高さ（Ｓａ）の平均値が２μｍ以上であることが好ましい。Ｓａは、例えば形状解析レーザ顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製 ＶＫ－３０００）を用いて透明基板１の側面の面粗さ測定を行い、ＩＳＯ２５１７８－２：２０１２に従う算術平均高さ（Ｓａ）を測定して求めることができる。透明基板１の側面はＭ面でもＡ面でもよく、測定範囲は透明基板１の厚さに応じて設定すればよく、例えば３００μｍ×３００μｍとすることができ、例えば４点の測定の平均値を算出すればよい。
【0035】
そのため、ｐ側半導体層１０の厚さがＬ２以上Ｌ１以下の場合に、発光出力が高くなる理由は、ｐ側半導体層１０がこの厚さの範囲において、量子井戸型発光層４からの出射光の出射角度がθ１以上θ２以下の範囲、すなわち、主面と側面が平坦面であるならばサファイア基板から外部へ取り出されることが無い光が、ｐ側半導体層１０内において多重反射で共振し、粗な側面に到達して光が取り出された結果、発光出力が高くなっているのではないかと考えられる。
【0036】
このように、透明基板１の粗面である側面から取り出される光成分が多くなる方が、紫外線発光素子１００の全出力は大きくなると考えられる。そして、後述するように、発光出力の配光パターンは軸上方向から離れた位置にピークを有し、発光出力は軸上方向において相対的に出力の小さい特徴的な形状となる。逆に言えば、透明基板１の主表面と側面の光強度の関係が後述するような平均ピーク角度を有する配光パターンを有する紫外線発光素子とすれば、発光出力を向上させることができる。
【0037】
＜ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度＞
ここで、図２のファーフィールド測定の概略図を参照しつつ、ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度について説明する。まず、ファーフィールド測定では、暗室内で、発光素子１００の基板成長方向に沿った垂直軸の延長線上に配置された受光素子２００の位置を配光角０°とする。そして、発光素子１００に対して受光素子２００の位置をマイナス９０°から０°の位置を経由した後、プラス９０°の位置まで公転させながら、それぞれの角度で受光素子２００が受けた発光強度を測定、図示することで配光パターンを得る。このとき、受光素子２００の受光部は直径３．９ｍｍとし、発光素子１００と受光素子２００との間隔は１００ｍｍとし、発光素子１００はフリップチップ方式で球状Ａｕバンプを用いてＡｌＮ製サブマウントに実装した状態で測定することができる。
ここで、図２のファーフィールド測定の概略図を参照しつつ、ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度について説明する。まず、ファーフィールド測定では、暗室内で、発光素子１００の基板成長方向に沿った垂直軸の延長線上に配置された受光素子２００の位置を配光角０°とする。そして、発光素子１００に対して受光素子２００の位置をマイナス９０°から０°の位置を経由した後、プラス９０°の位置まで公転させながら、それぞれの角度で受光素子２００が受けた発光強度を測定、図示することで配光パターンを得る。このとき、受光素子２００の受光部は直径３．９ｍｍとし、発光素子１００と受光素子２００との間隔は１００ｍｍとし、発光素子１００はフリップチップ方式で球状Ａｕバンプを用いてＡｌＮ製サブマウントに実装した状態で測定することができる。
【0038】
ファーフィールド測定により得られる発光素子１００の配光パターンにおいて、マイナス側とプラス側のそれぞれにおいて、最も発光強度が大きい角度を、ピーク角度と称する。
【0039】
そして、上面視で四角形である発光素子１００の中心における基板成長方向に沿った垂直軸（ｚ軸）を中心として発光素子１００の主表面（ｘｙ面）を方位０°から４５°ずつ３回回転させて合計４回の測定により４方位の配光パターンを得る（そのうち２回は四角形の発光素子１００の主表面の辺とファーフィールド測定時の受光素子２００の回転軸とが水平になるようにする）。そして、４方位の各配光パターンにおいて、マイナス側とプラス側のそれぞれにおいて最も発光強度の高かった角度を求めた合計８個のピーク角度の平均値を、平均ピーク角度とする。
【0040】
本発明では、ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度を２４°以上３７°以下とすることで、大幅に発光出力を向上させることができる。平均ピーク角度は２７°以上３６°以下とすることがより好ましく、３０°以上３５°以下とすることがさらに好ましい。上述のとおり、透明基板１の粗な側面から取り出される光成分が多くなるためである。
【0041】
＜組成均一性＞
また、本発明において、ｎ型半導体層３、ｐ型電子ブロック層６、ｐ型クラッド層７は、水平方向における組成が均一であることが好ましい。組成の分析は、断面の厚さ中央付近において、水平方向（透明基板表面と水平の方向）の２μｍ以上３μｍ以下の長さの範囲においてＥＤＳによる連続組成分析により行う。ここで「水平方向における組成が均一である」とは、この分析範囲のＡｌ組成比において計算されるバンドギャップの最大値と最小値の差を最大値で除した値（（最大値－最小値）／最大値であり、以下、「水平方向の組成揺らぎの割合」という）が４．８％以下であることをいう。水平方向における組成が均一である方が、上述する光の共振は起こりやすいと考えられる。
また、本発明において、ｎ型半導体層３、ｐ型電子ブロック層６、ｐ型クラッド層７は、水平方向における組成が均一であることが好ましい。組成の分析は、断面の厚さ中央付近において、水平方向（透明基板表面と水平の方向）の２μｍ以上３μｍ以下の長さの範囲においてＥＤＳによる連続組成分析により行う。ここで「水平方向における組成が均一である」とは、この分析範囲のＡｌ組成比において計算されるバンドギャップの最大値と最小値の差を最大値で除した値（（最大値－最小値）／最大値であり、以下、「水平方向の組成揺らぎの割合」という）が４．８％以下であることをいう。水平方向における組成が均一である方が、上述する光の共振は起こりやすいと考えられる。
【0042】
次に、図３を参照して、本発明に係る紫外線発光素子１００及びその製造方法を、具体的態様を交えて説明する。図３は、本発明に従う紫外線発光素子の製造方法により製造された紫外線発光素子の一例である。なお、各半導体層のエピタキシャル成長の方法としては、ＭＯＣＶＤ法を採用しうる。各層のエピタキシャル成長にあたっては、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）、及びアンモニアガス（ＮＨ３ガス）からなる原料ガスを用いることが好ましい。成長温度としては、Ａｌ組成比にもよるが、１０００℃以上１４００℃以下が好ましい。また、チャンバ内の成長圧力は、例えば１０Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒとすることができる。なお、成長温度及び成長圧力に応じて最適なIII族元素に対するＶ族元素のモル比（Ｖ/III比）が存在するため、原料ガスの流量を適宜設定することが好ましい。
【0043】
（紫外線発光素子の製造方法）
引き続き図３を参照する。紫外線発光素子１００の製造方法は、光取り出し面となる透明基板１の主面と反対側の面上にＡｌＮ層１１を形成する工程と、ＡｌＮ層１１の上にｎ型半導体層３を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層３の上に量子井戸型発光層４を形成する量子井戸型発光層形成工程と、量子井戸型発光層４の直上にｐ側半導体層１０を形成するｐ側半導体層形成工程と、ｐ側半導体層１０の直上に反射電極９１を形成する反射電極形成工程と、透明基板１を個片化する個片化工程と、を少なくとも含む。また、ｐ側半導体層形成工程は、量子井戸型発光層４の上にｐ型電子ブロック層６を形成するｐ型電子ブロック層形成工程と、ｐ型電子ブロック層６の上にｐ型クラッド層7を形成するｐ型クラッド層形成工程と、ｐ型クラッド層７の上にｐ型コンタクト層８を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、を含むことが好ましい。そして、ｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）が、量子井戸型発光層４による発光中心波長λ（ｎｍ）、ｐ側半導体層１０の屈折率ｎ、自然数ｋ、量子井戸型発光層４からｐ側半導体層１０内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、出射角θが、透明基板１の主面と側面が平坦面であるとした場合に主面から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるようにｐ側半導体層１０を形成する。なお、本発明においては、透明基板１上にＡｌＮ層１１を形成することが好ましい。また、紫外線発光素子１００の製造方法は、透明基板１と、ｎ型半導体層３との間にバッファ層２を形成することが好ましく、バッファ層２は基板から順に第一バッファ層２１及び第二バッファ層２２を有することも好ましい。さらに、発光層４の上にi型ガイド層５を形成することも好ましい。以下、各工程における構成を順次説明する。
引き続き図３を参照する。紫外線発光素子１００の製造方法は、光取り出し面となる透明基板１の主面と反対側の面上にＡｌＮ層１１を形成する工程と、ＡｌＮ層１１の上にｎ型半導体層３を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層３の上に量子井戸型発光層４を形成する量子井戸型発光層形成工程と、量子井戸型発光層４の直上にｐ側半導体層１０を形成するｐ側半導体層形成工程と、ｐ側半導体層１０の直上に反射電極９１を形成する反射電極形成工程と、透明基板１を個片化する個片化工程と、を少なくとも含む。また、ｐ側半導体層形成工程は、量子井戸型発光層４の上にｐ型電子ブロック層６を形成するｐ型電子ブロック層形成工程と、ｐ型電子ブロック層６の上にｐ型クラッド層7を形成するｐ型クラッド層形成工程と、ｐ型クラッド層７の上にｐ型コンタクト層８を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、を含むことが好ましい。そして、ｐ側半導体層１０の厚さＬ（ｎｍ）が、量子井戸型発光層４による発光中心波長λ（ｎｍ）、ｐ側半導体層１０の屈折率ｎ、自然数ｋ、量子井戸型発光層４からｐ側半導体層１０内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、出射角θが、透明基板１の主面と側面が平坦面であるとした場合に主面から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内になるようにｐ側半導体層１０を形成する。なお、本発明においては、透明基板１上にＡｌＮ層１１を形成することが好ましい。また、紫外線発光素子１００の製造方法は、透明基板１と、ｎ型半導体層３との間にバッファ層２を形成することが好ましく、バッファ層２は基板から順に第一バッファ層２１及び第二バッファ層２２を有することも好ましい。さらに、発光層４の上にi型ガイド層５を形成することも好ましい。以下、各工程における構成を順次説明する。
【0044】
＜透明基板＞
まず、透明基板１を用意する。透明基板１は、発光中心波長に対して透明であり、光取り出し面を有し、III族窒化物をエピタキシャル成長することが可能な公知の基板を用いることができる。例えば、サファイア基板、ＡｌＮバルク基板、またはＡｌＧａＮ基板を使用できる。ここで、透明基板１は、反射電極９１側とは反対側の主表面及び側面を光取り出し面とする。本発明では、透明基板１がサファイア基板である場合を例示して以下説明する。
まず、透明基板１を用意する。透明基板１は、発光中心波長に対して透明であり、光取り出し面を有し、III族窒化物をエピタキシャル成長することが可能な公知の基板を用いることができる。例えば、サファイア基板、ＡｌＮバルク基板、またはＡｌＧａＮ基板を使用できる。ここで、透明基板１は、反射電極９１側とは反対側の主表面及び側面を光取り出し面とする。本発明では、透明基板１がサファイア基板である場合を例示して以下説明する。
【0045】
透明基板１としてサファイア基板を用いる場合は、図３に示すように、透明基板１上にＡｌＮ層１１を形成し、そのＡｌＮ層１１を高温で熱処理することによってＡｌＮ層１１の（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅を４００秒以下まで低転位化したＡｌＮテンプレート基板を使用することがより好ましい。以下では、透明基板１上にＡｌＮ層１１が形成されたものをＡｌＮテンプレート基板と称する。
【0046】
＜バッファ層＞
また、ＡｌＮテンプレート基板上にはバッファ層２を形成することが好ましい。バッファ層２は、透明基板１上のＡｌＮ層１１とｎ型半導体層３との間に位置し、透明基板１及びＡｌＮ層１１とｎ型半導体層３との間の格子定数差を緩和する層である。バッファ層２はＡｌ組成比が一定の単一のＡｌＧａＮ層、Ａｌ組成比の異なる複数のＡｌＧａＮ層を積層させた層、又は、Ａｌ組成比傾斜層により構成されることが好ましい。また、バッファ層２は、アンドープとすることが好ましい。バッファ層２の厚さは、例えば５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。
また、ＡｌＮテンプレート基板上にはバッファ層２を形成することが好ましい。バッファ層２は、透明基板１上のＡｌＮ層１１とｎ型半導体層３との間に位置し、透明基板１及びＡｌＮ層１１とｎ型半導体層３との間の格子定数差を緩和する層である。バッファ層２はＡｌ組成比が一定の単一のＡｌＧａＮ層、Ａｌ組成比の異なる複数のＡｌＧａＮ層を積層させた層、又は、Ａｌ組成比傾斜層により構成されることが好ましい。また、バッファ層２は、アンドープとすることが好ましい。バッファ層２の厚さは、例えば５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【0047】
バッファ層２は、それぞれＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮ層である第一バッファ層２１と第二バッファ層２２とを積層させた層であっても良い。
【0048】
＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層３は、Ａｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１－ｘＮにＳｉなどのｎ型ドーパントを含有してｎ型半導体として機能する層である。ｎ型ドーパントの濃度は１×１０１８ｃｍ－３から５×１０１９ｃｍ－３程度であることが好ましい。ｎ型半導体層形成工程の一例では、ｎ型半導体層３はＡｌＮテンプレート基板上にバッファ層２を形成した後に、バッファ層２における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
ｎ型半導体層３は、Ａｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１－ｘＮにＳｉなどのｎ型ドーパントを含有してｎ型半導体として機能する層である。ｎ型ドーパントの濃度は１×１０１８ｃｍ－３から５×１０１９ｃｍ－３程度であることが好ましい。ｎ型半導体層形成工程の一例では、ｎ型半導体層３はＡｌＮテンプレート基板上にバッファ層２を形成した後に、バッファ層２における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
【0049】
ｎ型半導体層３のＡｌ組成比ｘは０．２０以上０．３５以下であることが好ましい。Ａｌ組成比ｘは、後述の井戸層４１のＡｌ組成比ｗより大きく、ｗ＜ｘの関係を満たす。
【0050】
ｎ型半導体層３の層の厚さは、キャリアを供給するのに十分な厚さであればよく、例えば３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【0051】
後述するように、露出したｎ型半導体層３上の一部には、ｎ側電極９２が形成される。変形例としては、ｎ型半導体層３とｎ側電極９２との間に、Ａｌ組成比がｎ型半導体層３よりも低い、Ａｌ組成比が０以上０．２０以下のＡｌＧａＮ層を有していても良い。
【0052】
ｎ型半導体層３上には、ｎ型半導体層３と同じＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮに、Ｓｉなどのｎ型ドーパントを含有してｎ型半導体として機能する層であって、ｎ型半導体層３よりも薄いｎ型ガイド層３１を形成してもよい。
【0053】
＜量子井戸型発光層＞
量子井戸型発光層４は、複数の井戸層４１と複数の障壁層４２（バリア層）とを有し、これらが交互に積層された層である。量子井戸型発光層４としては、例えばＡｌＧａＮからなる層を含む層が挙げられる。すなわち、量子井戸型発光層４は、発光中心波長に応じたＡｌ組成比を有する井戸層４１と、井戸層４１を挟む障壁層４２とを有し、井戸層４１と障壁層４２の組み合わせを１ペア以上繰り返す構成とすることができる。量子井戸型発光層４の両面は障壁層４２である。量子井戸型発光層形成工程の一例では、量子井戸型発光層４は、ｎ型半導体層３を形成した後に、ｎ型半導体層３における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
量子井戸型発光層４は、複数の井戸層４１と複数の障壁層４２（バリア層）とを有し、これらが交互に積層された層である。量子井戸型発光層４としては、例えばＡｌＧａＮからなる層を含む層が挙げられる。すなわち、量子井戸型発光層４は、発光中心波長に応じたＡｌ組成比を有する井戸層４１と、井戸層４１を挟む障壁層４２とを有し、井戸層４１と障壁層４２の組み合わせを１ペア以上繰り返す構成とすることができる。量子井戸型発光層４の両面は障壁層４２である。量子井戸型発光層形成工程の一例では、量子井戸型発光層４は、ｎ型半導体層３を形成した後に、ｎ型半導体層３における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
【0054】
本発明の井戸層４１としては、例えばＡｌ組成比ｗを有するＡｌｗＧａ１－ｗＮからなる層が挙げられる。Ａｌ組成比ｗは、例えば、発光中心波長を３００ｎｍ超えとする場合、ｗ≦０．３５とすることが好ましい。例えば、発光中心波長を３２０ｎｍ超えとする場合、ｗ≦０．３０とすることが好ましい。また、発光中心波長を３３１ｎｍ以上とする場合はｗ≦０．１５とすることが好ましい。また、発光中心波長を３４９ｎｍ以下とする場合は０．０７≦ｗとすることが好ましい。井戸層４１の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることが好ましい。井戸層４１はアンドープであることが好ましい。
【0055】
また、障壁層４２としては、例えばＡｌ組成比ｂを有するＡｌｂＧａ１－ｂＮからなる層が挙げられる。障壁層４２のＡｌ組成比ｂは、上記井戸層４１のＡｌ組成比ｗに対して、ｗ＋０．０５≦ｂ≦ｗ＋０．３０の範囲内とすることが好ましい。障壁層４２の厚さは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。障壁層４２は、アンドープまたはＳｉなどのｎ型ドーパントを入れたｎ型であって良い。
【0056】
本発明の紫外線発光素子１００の発光中心波長は２５０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下とすることが可能であり、３００ｎｍ超え３５０ｎｍ未満とすることが好ましく、３３１ｎｍ以上３４９ｎｍ以下とすることがより好ましい。ここで、本発明の各発光中心波長を適用した場合の本発明における式（１）において求められるｐ側半導体層１０の厚さＬの計算値の例を表１に示す。ＡｌＧａＮの代表的な屈折率としてｐ側半導体層１０の屈折率ｎを２．５、ｋ＝１としたときの（共振が生じる）光路長ｄを用い、上記の図１における光路１と光路２の場合を、厚さの上限と下限としたものである。
【0057】
【表1】
【0058】
＜ｉ型ガイド層＞
ｉ型ガイド層５は、障壁層４２のＡｌ組成比ｂよりも高いＡｌ組成比を有し、厚さが０．７ｎｍ以上１．３ｎｍ以下のi型層である。ｉ型ガイド層５のＡｌ組成比は、後述するｐ型電子ブロック層６のＡｌ組成比ｙよりも高いことが好ましく、最も好ましくはＡｌＮである。発光層形成工程の一例では、ｉ型ガイド層５は、発光層４を形成した後に、発光層４における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
ｉ型ガイド層５は、障壁層４２のＡｌ組成比ｂよりも高いＡｌ組成比を有し、厚さが０．７ｎｍ以上１．３ｎｍ以下のi型層である。ｉ型ガイド層５のＡｌ組成比は、後述するｐ型電子ブロック層６のＡｌ組成比ｙよりも高いことが好ましく、最も好ましくはＡｌＮである。発光層形成工程の一例では、ｉ型ガイド層５は、発光層４を形成した後に、発光層４における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
【0059】
ｉ型ガイド層５の製造方法は２種類存在する。一つの方法は、上記の厚さとＡｌ組成を有するｉ型ガイド層５を直接形成する方法である。もう一つの方法は、上記の厚さ以上の厚さを有するＡｌＧａＮ層を形成した後に、キャリアガスを窒素から水素に変える方法である。ここで、キャリアガスを窒素から水素に変える過程で、窒素分圧の減少から当該ＡｌＧａＮ層のＧａが揮発してＡｌ組成が上昇して結果として上記の厚さとＡｌ組成を有するｉ型ガイド層５とすることができる。本発明では、いずれの方法も採用しうる。
【0060】
＜ｐ型電子ブロック層＞
ｐ型電子ブロック層６としては、例えばＡｌ組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１－ｙＮからなるｐ型半導体として機能する層が挙げられる。ｐ型電子ブロック層６にドープされるｐ型ドーパント（ｐ型不純物）は、例えばＭｇである。ｐ型ドーパントの濃度は１×１０１８ｃｍ－３から５×１０１９ｃｍ－３程度であってよい。ｐ型電子ブロック層６は、ｉ型ガイド層５を形成した後に、ｉ型ガイド層５における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成することができる。
ｐ型電子ブロック層６としては、例えばＡｌ組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１－ｙＮからなるｐ型半導体として機能する層が挙げられる。ｐ型電子ブロック層６にドープされるｐ型ドーパント（ｐ型不純物）は、例えばＭｇである。ｐ型ドーパントの濃度は１×１０１８ｃｍ－３から５×１０１９ｃｍ－３程度であってよい。ｐ型電子ブロック層６は、ｉ型ガイド層５を形成した後に、ｉ型ガイド層５における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成することができる。
【0061】
ｐ型電子ブロック層６をＡｌｙＧａ１－ｙＮとしたとき、Ａｌ組成比ｙは、０．３５以上０．４５以下であることが好ましく、厚さが１１ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることが好ましい。このようなＡｌ組成比ｙ及び厚さを有することにより、ｐ型電子ブロック層６は、その表面粗さの悪化を抑制しつつ、電子ブロック層としての役割を果たして発光出力の向上を実現することができる。発光出力の向上には後述のｐ型クラッド層７より薄いことがさらに好ましい。
【0062】
Ａｌ組成比ｙが０．４５を超える場合や、ｐ型電子ブロック層６の厚さが７０ｎｍを超える場合では、ｐ型電子ブロック層６及びｐ型コンタクト層８の表面粗さ、特に最大表面粗さが大幅に増加する恐れがある。Ａｌ組成比ｙが０．３５未満の場合やｐ型電子ブロック層６の厚さが１０ｎｍ以下又は７０ｎｍ超の場合は、紫外線発光素子１００の信頼性や発光出力が低下する恐れがある。
【0063】
ｐ型電子ブロック層６は、単一層で構成されても、複数層で構成されても良い。ｐ型電子ブロック層６が複数層で構成される場合は、Ａｌ組成比の異なる層や、ドーパント濃度が異なる層、Ｓｉがドープされている層、ＳｉとＭｇがコドープされている層を有していてもよい。
【0064】
＜ｐ型クラッド層＞
ｐ型クラッド層７としては、例えばＡｌ組成比ｚを有するＡｌｚＧａ１－ｚＮからなるｐ型半導体として機能する層が挙げられる。ｐ型クラッド層７をＡｌｚＧａ１－ｚＮとしたとき、Ａｌ組成比ｚは０．１７以上０．２７以下であることが好ましい。ｐ型クラッド層７にドープされるｐ型ドーパントは、例えばＭｇである。ｐ型ドーパントの濃度は１×１０１８ｃｍ－３から５×１０１９ｃｍ－３程度であってよい。ｐ型クラッド層形成工程の一例では、ｐ型クラッド層７は、ｐ型電子ブロック層６を形成した後に、ｐ型電子ブロック層６における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
ｐ型クラッド層７としては、例えばＡｌ組成比ｚを有するＡｌｚＧａ１－ｚＮからなるｐ型半導体として機能する層が挙げられる。ｐ型クラッド層７をＡｌｚＧａ１－ｚＮとしたとき、Ａｌ組成比ｚは０．１７以上０．２７以下であることが好ましい。ｐ型クラッド層７にドープされるｐ型ドーパントは、例えばＭｇである。ｐ型ドーパントの濃度は１×１０１８ｃｍ－３から５×１０１９ｃｍ－３程度であってよい。ｐ型クラッド層形成工程の一例では、ｐ型クラッド層７は、ｐ型電子ブロック層６を形成した後に、ｐ型電子ブロック層６における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
【0065】
ｐ型クラッド層７のＡｌ組成比ｚはｐ型電子ブロック層６のＡｌ組成比ｙ未満（ｚ＜ｙ）であることが好ましい。ｐ型クラッド層７のＡｌ組成比ｚはｐ型電子ブロック層６のＡｌ組成比ｙの０．４８倍以上０．６倍以下とすることが好ましい。また、Ａｌ組成比ｚは、ｎ型半導体層３のＡｌ組成比ｘ以下（ｚ≦ｘ）であることも好ましい。Ａｌ組成比ｚは、前述の井戸層４１のＡｌ組成比ｗより大きい（ｗ＜ｚ）。
【0066】
ｐ型クラッド層７の厚さは、前述の式（１）を満たすようにｐ側半導体層１０内の他の層（例えばｐ型電子ブロック層６、ｉ型ガイド層５及びｐ型コンタクト層８）の厚さに応じて設定する。
【0067】
ｐ型クラッド層７は、単一層で構成されても、複数層で構成されても、組成傾斜層で構成されても良い。クラッド層７が複数層で構成される場合は、Ａｌ組成比の異なる層や、ドーパント濃度が異なる層、Ｓｉがドープされている層、ＳｉとＭｇがコドープされている層を有していてもよい。組成傾斜層で構成される場合は、電子ブロック層からｐ型コンタクト層８に向かって、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比を漸減させても良い。漸減のさせ方は公知の方法で良く、膜厚に対して一定の割合であっても、変化させても良い。
【0068】
ｐ型クラッド層７の厚さをｐ型電子ブロック層６の厚さで除した値（以下、層厚比と記載する場合がある）は０．４以上であることが好ましい。発光出力の向上には０．５以上であることがより好ましく、１．０以上がさらに好ましい。層厚比の上限は８．０とすることができる。層厚比が０．４未満となると、ｐ型クラッド層７の表面平坦性が悪化する傾向がある。
【0069】
＜ｐ型コンタクト層＞
ｐ型コンタクト層８は、Ａｌ組成比ｃを有するＡｌｃＧａ１－ｃＮからなるｐ型半導体として機能する層であり、Ａｌ組成比ｃが０．１５以下であることが好ましく、最も好ましくはＧａＮである。ｐ型コンタクト層８にドープされるｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇが挙げられる。ｐ型ドーパントの濃度は１×１０１９ｃｍ－３から５×１０２１ｃｍ－３程度であってよい。ｐ型コンタクト層形成工程の一例では、ｐ型コンタクト層８は、ｐ型クラッド層７を形成した後に、ｐ型クラッド層７における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
ｐ型コンタクト層８は、Ａｌ組成比ｃを有するＡｌｃＧａ１－ｃＮからなるｐ型半導体として機能する層であり、Ａｌ組成比ｃが０．１５以下であることが好ましく、最も好ましくはＧａＮである。ｐ型コンタクト層８にドープされるｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇが挙げられる。ｐ型ドーパントの濃度は１×１０１９ｃｍ－３から５×１０２１ｃｍ－３程度であってよい。ｐ型コンタクト層形成工程の一例では、ｐ型コンタクト層８は、ｐ型クラッド層７を形成した後に、ｐ型クラッド層７における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面側に形成される。
【0070】
ｐ型コンタクト層８の厚さは、１５ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型コンタクト層８の厚さは、より好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。ｐ型電子ブロック層６とｐ型クラッド層７とを上述のものとすることで、ｐ型コンタクト層８をこのように薄い層としても、ｐ型コンタクト層８の表面を平坦なものとすることができる。
【0071】
ｐ型コンタクト層８は、単一層で構成されても、複数層で構成されても良い。ｐ型コンタクト層８が複数層で構成される場合は、Ａｌ組成比の異なる層や、ドーパント濃度が異なる層、Ｓｉがドープされている層、ＳｉとＭｇがコドープされている層を有していてもよい。
【0072】
このように形成される、量子井戸型発光層４と反射電極９１との間のｐ側半導体層１０の合計厚さは、発光中心波長が３４０ｎｍである場合、８５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。ファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度を上述の範囲とするにあたって、ｐ側半導体層１０に向かう光が反射電極９１により透明基板１側に戻ってくるときの光の発光素子１００の側面からの光取り出しに、ｐ側半導体層１０の合計厚さが影響すると考えられるのは既述のとおりである。
【0073】
ｐ型コンタクト層８のｐ側の反射電極９１を形成する側の最表面には、ｐ型ドーパントの濃度が１×１０２０ｃｍ－３～５×１０２１ｃｍ－３程度である、ｐ型ドーパント濃度の高い領域を有していることも好ましい。
【0074】
＜反射電極＞
反射電極９１としては、ｐ型コンタクト層８に用いることが可能な公知の電極を選択すればよい。反射電極９１は、発光中心波長の反射率が５０％以上ある反射電極であることが好ましい。反射電極９１としては、例えば、第一の金属（Ｎｉ）と第二の金属（Ａｕ、Ｒｈ）の組み合わせや、導電性の金属窒化物を用いることができる。反射電極９１を反射電極とする場合は、反射電極９１にＲｈを含有させることが好ましい。反射電極形成工程の一例では、ｐ型コンタクト層８上（ｐ型コンタクト層８における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面上）の反射電極９１を形成する。
反射電極９１としては、ｐ型コンタクト層８に用いることが可能な公知の電極を選択すればよい。反射電極９１は、発光中心波長の反射率が５０％以上ある反射電極であることが好ましい。反射電極９１としては、例えば、第一の金属（Ｎｉ）と第二の金属（Ａｕ、Ｒｈ）の組み合わせや、導電性の金属窒化物を用いることができる。反射電極９１を反射電極とする場合は、反射電極９１にＲｈを含有させることが好ましい。反射電極形成工程の一例では、ｐ型コンタクト層８上（ｐ型コンタクト層８における、ＡｌＮテンプレート基板に対向する側の面とは反対側の面上）の反射電極９１を形成する。
【0075】
＜ｎ型電極＞
発光素子１００をフリップチップ型の発光素子とする場合、図３に示すように、ｎ型半導体層３よりも上にあるｎ型ガイド層３１及び発光層４からｐ型コンタクト層８までの一部をドライエッチング法により除去して、ｎ型半導体層３の一部を露出させ、露出したｎ型半導体層３上（本発明では、発光層４と同じ側の面上）の一部にｎ側電極９２を形成してもよい。なお、変形例として、ｎ型半導体層３の一部を露出させた後に、露出させたｎ型半導体層３上に、Ａｌ組成比がｎ型半導体層３よりも低く、そのＡｌ組成比が０以上０．２０以下のＡｌＧａＮからなり、ｎ型ドーパントをドープした層を形成し、その上にｎ側電極９２を形成しても良い。
発光素子１００をフリップチップ型の発光素子とする場合、図３に示すように、ｎ型半導体層３よりも上にあるｎ型ガイド層３１及び発光層４からｐ型コンタクト層８までの一部をドライエッチング法により除去して、ｎ型半導体層３の一部を露出させ、露出したｎ型半導体層３上（本発明では、発光層４と同じ側の面上）の一部にｎ側電極９２を形成してもよい。なお、変形例として、ｎ型半導体層３の一部を露出させた後に、露出させたｎ型半導体層３上に、Ａｌ組成比がｎ型半導体層３よりも低く、そのＡｌ組成比が０以上０．２０以下のＡｌＧａＮからなり、ｎ型ドーパントをドープした層を形成し、その上にｎ側電極９２を形成しても良い。
【0076】
ｎ側電極９２としては、ｐ型コンタクト層８に用いることが可能な公知の電極を選択すればよい。ｎ側電極９２としては、例えば、第一の金属（Ｔｉ）と第二の金属（Ａｌ、Ｒｈ）の組み合わせや、導電性の金属酸化物を用いることができる。
【0077】
このようして製造された図３に示す紫外線発光素子１００は、光取り出し面を有する透明基板１上に、ＡｌＮ層１１、バッファ層２、Ａｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１－ｘＮからなるｎ型半導体層３、ｎ型ガイド層３１、量子井戸型発光層４、ｉ型ガイド層５、Ａｌ組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１－ｙＮからなるｐ型電子ブロック層６、Ａｌ組成比ｚを有するＡｌｚＧａ１－ｚＮからなるｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層８をこの順に備えている。
【0078】
そして、発光素子１００は、上記構成のほかに、ｐ型コンタクト層８における、ｐ型クラッド層７に対向する側の面とは反対側の面上に反射電極９１（ｐ側電極ともいう）を備え、ｎ型半導体層３における、発光層４を形成した面とは別領域上に、ｎ側電極９２を備えていてもよい。
【0079】
これまで、発光素子１００の詳細について説明したが、側面が粗になるように個片化するのであればウエハから個片化する工程には任意の方法を適用することが出来る。ウエハから個々の発光素子１００のチップに個片化するに際しては、分離予定位置における基板上の各層は、ドライエッチング等を用いて除去することが好ましい。その際、各層の側面にメサ（傾斜部）が生じても良い。発光素子１００のチップサイズは１辺が２００μｍから２０００μｍの正方形、長方形や六角形とすることができる。基板の個片化においては、レーザースクライバまたはレーザーダイシングを使用することが好ましく、レーザー照射時に切断予定ラインに沿う方向と深さ方向においてレーザーの焦点位置を少しずつずらして多くの変質部を形成し、応力を加えて割ることで、切断面に露出する変質部による粗な側面を形成することが好ましい。基板は主面に対して垂直に切断されることが好ましい。個片化の前に研削等によって基板の厚さを調整しても良い。上述のとおり、個片化工程において透明基板１の側面は、側面を横から観察したときに、他方の側面が見えない程度に粗面化される。透明基板１の主面は、上面視したときに上記の電極等が透明基板１を通して観察される程度に平坦面である。
【0080】
発光素子１００の他の実施形態としては、垂直型の素子としても良い。光取り出し面を有する透明基板１として導電性の基板をエピタキシャル成長用基板として使用する方法により、垂直型の素子とすることが出来る。
【0081】
なお、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【実施例】
【0082】
以下、実施例により本発明に係る発光素子１００を説明する。
【0083】
（実施例1）
サファイア基板（直径２インチ、厚さ４３０μｍ、面方位（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．５°）を用意して、成長温度を１２００℃とするＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上にウエハ中心部の膜厚６００ｎｍのＡｌＮ層を成長させた。その後、熱処理炉により窒素ガス雰囲気で１６５０℃で４時間加熱して、ＡｌＮテンプレート基板を得た。
サファイア基板（直径２インチ、厚さ４３０μｍ、面方位（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．５°）を用意して、成長温度を１２００℃とするＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上にウエハ中心部の膜厚６００ｎｍのＡｌＮ層を成長させた。その後、熱処理炉により窒素ガス雰囲気で１６５０℃で４時間加熱して、ＡｌＮテンプレート基板を得た。
【0084】
ＡｌＮテンプレート基板のＡｌＮ層のＸ線回折装置（Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ ＡＵＴＯＷＡＦＳ；Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製、ＣｕＫα１線）による（１０－１２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅は２８８秒であり、３００秒以下であった。
【0085】
ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて、ウエハの中心部に対して５μｍ×５μｍの矩形状の範囲における、ＡｌＮテンプレート基板の表面粗さを測定したところ、平均表面粗さ（Ｒa）は０．２３ｎｍであり、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は３ｎｍであった。
【0086】
ＡｌＮテンプレート基板を得た後、ＭＯＣＶＤ法により、上記ＡｌＮテンプレート基板上に、アンドープのＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎからなる厚さ３０ｎｍの第一バッファ層を形成し、次に、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる厚さ１０００ｎｍの第二バッファ層を形成した。
【0087】
続いて、Ｓｉドープした厚さ２４００ｎｍのｎ型半導体層を、上記第二バッファ層上に形成した。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型半導体層のＳｉ濃度は１．０×１０１９ａｔｏｍs／ｃｍ３であった。
【0088】
ｎ型半導体層では、水平方向の組成揺らぎの割合が２．７％であり、組成が均一であった。
【0089】
続いて、成長温度を１２００℃から１１００℃に変更した後、ｎ型半導体層上に、ＳｉドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる厚さ２５ｎｍのｎ型ガイド層を形成した。次いで、ＳｉドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる厚さ１２ｎｍの障壁層と、アンドープのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる厚さ２．４ｎｍの井戸層との形成を３回繰り返して量子井戸構造の発光層を形成した。
【0090】
その後、発光層上（３回目の井戸層上）に、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる厚さ３ｎｍのｉ型ガイド層を形成した。その後、Ｖ族原料ガスの供給は継続したままIII族原料ガスの供給を停止し、キャリアガスとしての窒素ガスを停止してキャリアガスを水素ガスへ変更し、水素ガスの供給開始から１分後にIII族原料ガスの供給を開始して、ＭｇドープのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎからなる厚さ２２ｎｍのｐ型電子ブロック層を形成した。引き続き、ＭｇドープのＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎからなる厚さ６４ｎｍのｐ型クラッド層を形成し、次いでＭｇドープのＧａＮからなる厚さ４ｎｍのｐ型コンタクト層（ｐ型ＧａＮコンタクト層）を形成した。上記のキャリアガスの変更に伴い、ｉ型ガイド層は、Ｇａ成分が揮発して分解し、Ａｌ組成比がおよそ１である厚さ１．０ｎｍのｉ型ガイド層に変質していた。また、ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は８６ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含めた発光層よりも上方のｐ側半導体層の合計厚さＬは９１ｎｍであった。
【0091】
ＳＩＭＳ分析の結果、ｐ型電子ブロック層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、それぞれ、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、５．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．０×１０２０atoms／ｃｍ３であった。ｐ型電子ブロック層及びｐ型クラッド層は、水平方向の組成揺らぎの割合がいずれも４．２％であり、組成が均一であった。
【0092】
実施例１の各層のＡｌ組成比、ドーパントの種類、及び厚さを表２に示す。表２に記載の厚さの測定値については、ＴＥＭによる測定結果に基づく。各層のＡｌ組成比は、各層断面に対するＴＥＭ－ＥＤＳ測定により特定している。
【0093】
【表2】
【0094】
更に、ｐ型コンタクト層上にマスクを形成し、ドライエッチングによるメサエッチングを行って、ｎ型半導体層の一部を露出させた。その後、ｐ型コンタクト層上のマスクを除去した。
【0095】
次いで、ｐ型コンタクト層上に厚さ７ｎｍのＮｉ層及び厚さ５０ｎｍのＲｈ層を形成して、ｐ側電極としての反射電極とした。
【0096】
また、上記のｎ型半導体層の露出した一部上に、ｎ型電極として厚さ２０ｎｍのＴｉ層及び厚さ１５０ｎｍのＡｌ層を形成し、ｎ型電極とした。
【0097】
ｐ側電極及びｎ型電極の積層にはスパッタ法を用いた。ｐ側電極及びｎ型電極の電極パターンの形成にはレジストを用いたリフトオフ法を使用した。
【0098】
更に赤外線ランプアニール加熱装置を用いて５５０℃で１０分間のコンタクトアニールを行った後、レーザースクライバを用いてチップサイズ１０００μｍ×１０００μｍの矩形状の個々の素子に分離して実施例１にかかる紫外線発光素子を作製した。レーザースクライバでは、切断予定ラインに沿う方向と深さ方向にレーザーの焦点位置を少しずつずらして１１本の点線状に変質部を形成しており、分離後のサファイア基板の側面は粗であった。サファイア基板の側面は主表面に対して垂直であり、素子分離後のサファイア基板の厚さは４３０μｍであった。
【0099】
分離後のサファイア基板の側面について、形状解析レーザ顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製 ＶＫ－Ｘ３０００）を用いて表面の面粗さ測定を行い、その平均値を求めた。測定条件については、
・計測範囲３００μｍ×３００μｍ（側面の中心に計測範囲の中心に合わせて計測）
・レンズ倍率１０倍
・画素数１０２４×７６８
とし、具体的な面粗さ測定装置の入力パラメータとしては以下のとおりとした。
・Ｓｘｐ ： ｐ＝２．５％
・Ｖｖｖ ： ｐ＝８０．０％
・Ｖｖｃ ： ｐ＝１０．０％，ｑ＝８０．０％
・Ｖｍｐ ： ｐ＝１０．０％
・Ｖｍｃ ： ｐ＝１０．０％，ｑ＝８０．０％
そして、ＩＳＯ２５１７８－２：２０１２に従って、算術平均高さ（Ｓａ）を求めた。４つのサンプルを用いてレーザースクライバで切断された側面に対して測定を行い、計４点のＳａの平均値は３．５μｍであった。図４に分離後のサファイア基板の側面の、上記形状解析レーザ顕微鏡での撮影像を示す。
・計測範囲３００μｍ×３００μｍ（側面の中心に計測範囲の中心に合わせて計測）
・レンズ倍率１０倍
・画素数１０２４×７６８
とし、具体的な面粗さ測定装置の入力パラメータとしては以下のとおりとした。
・Ｓｘｐ ： ｐ＝２．５％
・Ｖｖｖ ： ｐ＝８０．０％
・Ｖｖｃ ： ｐ＝１０．０％，ｑ＝８０．０％
・Ｖｍｐ ： ｐ＝１０．０％
・Ｖｍｃ ： ｐ＝１０．０％，ｑ＝８０．０％
そして、ＩＳＯ２５１７８－２：２０１２に従って、算術平均高さ（Ｓａ）を求めた。４つのサンプルを用いてレーザースクライバで切断された側面に対して測定を行い、計４点のＳａの平均値は３．５μｍであった。図４に分離後のサファイア基板の側面の、上記形状解析レーザ顕微鏡での撮影像を示す。
【0100】
（実施例２）
実施例２では、ｐ型ブロック層の厚さを５４ｎｍとし、ｐ型クラッド層の厚さを２９ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は８３ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含めたｐ側半導体層の合計厚さ（L）は８８ｎｍであった。
実施例２では、ｐ型ブロック層の厚さを５４ｎｍとし、ｐ型クラッド層の厚さを２９ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は８３ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含めたｐ側半導体層の合計厚さ（L）は８８ｎｍであった。
【0101】
（実施例３）
実施例３では、ｐ型ブロック層の厚さを３８ｎｍとし、ｐ型クラッド層の厚さを４１ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は７９ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含めたｐ側半導体層の合計厚さ（L）は８４ｎｍであった。
実施例３では、ｐ型ブロック層の厚さを３８ｎｍとし、ｐ型クラッド層の厚さを４１ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は７９ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含めたｐ側半導体層の合計厚さ（L）は８４ｎｍであった。
【0102】
（比較例1）
比較例１では、ｐ型ブロック層の厚さを１１ｎｍ、ｐ型クラッド層の厚さを５３ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は６４ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含むｐ側半導体層の合計厚さ（L）は６９ｎｍであった。
比較例１では、ｐ型ブロック層の厚さを１１ｎｍ、ｐ型クラッド層の厚さを５３ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は６４ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含むｐ側半導体層の合計厚さ（L）は６９ｎｍであった。
【0103】
（比較例２）
比較例２では、ｐ型ブロック層の厚さを７０ｎｍ、ｐ型クラッド層の厚さを２９ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は９９ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含むｐ側半導体層の合計厚さ（Ｌ）は１０４ｎｍであった。
比較例２では、ｐ型ブロック層の厚さを７０ｎｍ、ｐ型クラッド層の厚さを２９ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は９９ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含むｐ側半導体層の合計厚さ（Ｌ）は１０４ｎｍであった。
【0104】
（比較例３）
比較例３では、ｐ型ブロック層の厚さを２２ｎｍ、ｐ型クラッド層の厚さを４１ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は６３ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含むｐ側半導体層の合計厚さ（Ｌ）は６８ｎｍであった。
比較例３では、ｐ型ブロック層の厚さを２２ｎｍ、ｐ型クラッド層の厚さを４１ｎｍにした以外は、実施例１と同様の条件で発光素子を作製した。ｐ型ブロック層とｐ型クラッド層を合わせた合計膜厚は６３ｎｍであった。ｉ型ガイド層及びｐ型コンタクト層を含むｐ側半導体層の合計厚さ（Ｌ）は６８ｎｍであった。
【0105】
（発光出力の評価）
実施例、比較例のそれぞれの発光素子は、フリップチップ方式で球状Ａｕバンプを用いてＡｌＮ製サブマウント（サイズ２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）に実装した。更にＡｌＮ製サブマウントにＡｌ製ヒートシンクを接続した状態で、定電流電源装置を用いて３５０ｍＡの通電を行い、その際の順方向電圧（Ｖｆ）を測定すると共に光取り出し面を有するサファイア基板側を積分球の中心に向けるように積分球内に挿入して全光束の発光出力（Ｐｏ）の測定を行った。
実施例、比較例のそれぞれの発光素子は、フリップチップ方式で球状Ａｕバンプを用いてＡｌＮ製サブマウント（サイズ２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）に実装した。更にＡｌＮ製サブマウントにＡｌ製ヒートシンクを接続した状態で、定電流電源装置を用いて３５０ｍＡの通電を行い、その際の順方向電圧（Ｖｆ）を測定すると共に光取り出し面を有するサファイア基板側を積分球の中心に向けるように積分球内に挿入して全光束の発光出力（Ｐｏ）の測定を行った。
【0106】
発光出力（Ｐｏ）について、実施例、比較例及び従来例のそれぞれのウエハの中心部分から５個の発光素子をサンプリングして測定する抜き取り測定を併せて行い、その平均値を算出した。この３５０ｍＡでの発光出力の平均値を表３に示す。
【0107】
（ピーク角度）
ファーフィールド測定手法の詳細は、図２を参照して前述したとおりである。ファーフィールド測定により得られた配光パターンのピーク角度と平均ピーク角度の値を表３に示す。また、実施例及び比較例で得られた発光素子のファーフィールド測定により得られた配光パターンを図５及び図６に示す。このとき、測定一回目のピーク角度をピーク角度１とし、ピーク角度１はさらに０°から９０°の範囲におけるプラス側ピーク角度と、０°から－９０°の範囲におけるマイナス側ピーク角度を含むものとする。同様にして測定２回目から測定４回目までのピーク角度２からピーク角度４を表３に示す。なお、４回の各配光パターンの測定において、ピーク角度がそれぞれ異なるのは、発光素子の電極形状が上記４回の回転に対して非対称であるためである。
ファーフィールド測定手法の詳細は、図２を参照して前述したとおりである。ファーフィールド測定により得られた配光パターンのピーク角度と平均ピーク角度の値を表３に示す。また、実施例及び比較例で得られた発光素子のファーフィールド測定により得られた配光パターンを図５及び図６に示す。このとき、測定一回目のピーク角度をピーク角度１とし、ピーク角度１はさらに０°から９０°の範囲におけるプラス側ピーク角度と、０°から－９０°の範囲におけるマイナス側ピーク角度を含むものとする。同様にして測定２回目から測定４回目までのピーク角度２からピーク角度４を表３に示す。なお、４回の各配光パターンの測定において、ピーク角度がそれぞれ異なるのは、発光素子の電極形状が上記４回の回転に対して非対称であるためである。
【0108】
【表3】
【0109】
なお、実施例及び比較例に係る発光素子に対し、それぞれの発光中心波長λを分光器により測定したところ、いずれの発光素子の発光中心波長も３４０ｎｍ±５ｎｍの範囲内であった。
【0110】
また、実施例に係る発光素子はいずれも、比較例に係る発光素子に比べて発光出力の平均値が高い。すなわち、量子井戸型発光層と反射電極との間のｐ側半導体層の合計厚さ（Ｌ）が、量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、量子井戸型発光層からｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、出射角θが、透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である発光素子は、そうでない場合の発光素子と比べて発光出力が高くなることが確認された。また、実施例に係る発光素子のファーフィールド測定による配光パターンの平均ピーク角度は２４°以上３７°以下であり、出射角θが、透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲と概ね一致していた。このように、本発明によれば、大きな発光出力を得られる紫外線発光素子を提供することができるのである。
【0111】
以上のようにして、大きな発光出力を得られる紫外線発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【0112】
本発明は、紫外線発光素子及びその製造方法に適用できる。
【符号の説明】
【0113】
１ ：透明基板
１０ ：ｐ側半導体層
１１ ：ＡｌＮ層
１００ ：紫外線発光素子
２ ：バッファ層
２１ ：第一バッファ層
２２ ：第二バッファ層
３ ：ｎ型半導体層
３１ ：ｎ型ガイド層
４ ：量子井戸型発光層
４１ ：井戸層
４２ ：障壁層
５ ：ｉ型ガイド層
６ ：ｐ型電子ブロック層
７ ：ｐ型クラッド層
８ ：ｐ型コンタクト層
９１ ：反射電極
９２ ：ｎ側電極
２００ ：受光素子
１０ ：ｐ側半導体層
１１ ：ＡｌＮ層
１００ ：紫外線発光素子
２ ：バッファ層
２１ ：第一バッファ層
２２ ：第二バッファ層
３ ：ｎ型半導体層
３１ ：ｎ型ガイド層
４ ：量子井戸型発光層
４１ ：井戸層
４２ ：障壁層
５ ：ｉ型ガイド層
６ ：ｐ型電子ブロック層
７ ：ｐ型クラッド層
８ ：ｐ型コンタクト層
９１ ：反射電極
９２ ：ｎ側電極
２００ ：受光素子
【要約】
【課題】大きな発光出力を得られる紫外線発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 光取り出し面となる主面を有する透明基板と、前記透明基板上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上の量子井戸型発光層と、前記量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、前記ｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、前記透明基板の側面は粗面であり、前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記量子井戸型発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。
【選択図】図１
【解決手段】 光取り出し面となる主面を有する透明基板と、前記透明基板上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上の量子井戸型発光層と、前記量子井戸型発光層直上のｐ側半導体層と、前記ｐ側半導体層直上の反射電極と、を備える紫外線発光素子であって、前記透明基板の側面は粗面であり、前記ｐ側半導体層の厚さＬ（ｎｍ）は、前記量子井戸型発光層による発光中心波長λ（ｎｍ）、前記ｐ側半導体層の屈折率ｎ、自然数ｋ、前記量子井戸型発光層から前記ｐ側半導体層内に向かう光の出射角θに対して、２Ｌ／cosθ＝λ（２ｋ＋１）／２ｎであり、かつ、前記出射角θが、前記透明基板の主面と側面が平坦面であるとした場合に前記透明基板から空気に対して光取り出しされない角度となる範囲内である、紫外線発光素子。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】