JP2019029607A - 紫外線発光素子及び紫外線照射モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を向上させることが可能な紫外線発光素子を提供する。【解決手段】この発明の紫外線発光素子１は、基板２と、基板２の主面２１上に形成された窒化物半導体を含む下地層３と、下地層３上に形成され、導電性を有する窒化物半導体を含む第一クラッド層４と、第一クラッド層４上に形成され、窒化物半導体を含む発光層５と、発光層５上に形成され、第一クラッド層４とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含む第二クラッド層６と、を備える。下地層３の第一クラッド層４との界面３４でのステップ高さは１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、第一クラッド層４の発光層５との界面４５でのステップ高さは０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線発光素子及び紫外線照射モジュールに関する。

紫外線発光素子は、発光層の組成を制御することにより発光波長を制御することができるとともに、寿命が長く信頼性が高い。そのため、照明や計測器用光源、殺菌光源など様々な用途で利用されている。一般的な紫外線発光素子は、発光層をｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体で挟んだＰＩＮ構造を、基板上に有する。
発光素子の発光出力を高めるためは、発光効率を向上させる事が重要である。例えば、特許文献１には、活性層（発光層）とｐ型窒化物半導体層との間に量子障壁層を形成し、各層のバンドギャップエネルギーを調整する事で、発光効率を向上させる技術が開示されている。

特開２０１０−１１４４０３号公報

しかし、紫外線発光素子には、さらなる発光効率の向上が求められている。
本発明の課題は、発光効率をさらに向上させることが可能な紫外線発光素子を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である紫外線発光素子は、下記の構成要件(1)〜(3)を有する。
(1)基板と、基板の主面上に形成され、窒化物半導体を含む下地層と、下地層上に形成され、導電性を有する窒化物半導体を含む第一クラッド層と、第一クラッド層上に形成され、窒化物半導体を含む発光層と、発光層上に形成され、第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含む第二クラッド層と、を備えている。
(2)下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
(3)第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

本発明によれば、発光効率をさらに向上させることが可能な紫外線発光素子を提供することができる。

本発明の実施形態の紫外線発光素子を示す断面図である。

〔一態様の紫外線発光素子〕
上述のように、本発明の一態様である紫外線発光素子は、上記構成要件(1)〜(3)を有するものである。
つまり、一態様の紫外線発光素子は、ＰＩＮ構造を有する窒化物半導体素子であって、基板と第一クラッド層との間に下地層を有する。また、一態様の紫外線発光素子においては、下地層と第一クラッド層との界面および第一クラッド層と発光層との界面に、基板の主面に対して略平行な面が階段状に連なる部分が存在する。ここでは、この基板の主面に対して略平行な面を「テラス面」と定義し、隣り合うテラス面を繋ぐ面を「ステップ面」と定義し、隣り合うテラス面の高さの差を「ステップ高さ」と定義する。

そして、この紫外線発光素子では、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さ（以下、「下地層のステップ高さ」とも称する。）を１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることで、基板との格子定数の差などに起因して発生した欠陥転位が、第一クラッド層から発光層に到達することを低減できる。これにより、発光層の結晶性を向上させ、紫外線発光素子の発光効率を向上させることが可能となる。

より詳細には、下地層のステップ高さを１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下にすることで、第一クラッド層に線欠陥及び面欠陥を集中させている。これにより、第一クラッド層上に形成される発光層の線欠陥及び面欠陥を低減する事が可能となる。また、下地層のステップ高さを１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下にすることで、転位密度をテラス面の端に集中させている。

また、この紫外線発光素子では、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さを０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下にすることで、第一クラッド層上に、例えば、主面に対して水平方向に断裂することのない連続した量子井戸構造の発光層が形成できる。これにより、紫外線発光素子の発光強度を向上させることが可能となる。
一態様の紫外線発光素子は、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さが３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さが１．２ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であることが好ましい。

＜界面状態の確認方法＞
下地層の第一クラッド層との界面および第一クラッド層の発光層との界面がステップ面及びテラス面を有することは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、高分解能ＴＥＭ（ＨＲＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を観察することで確認できる。
また、「基板の主面」とは、基板が有する面のうちの主要な面であって、下地層が形成される面を意味する。基板の主面は平坦な面であってもよく、凹凸を有する面であってもよい。基板の主面が凹凸を有する面である場合には、その代表的な平面を「基板の主面」と見做す。

＜ステップ高さの測定方法＞
下地層の第一クラッド層との界面および第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは、以下の方法で調べることができる。
先ず、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を示すＴＥＭ画像内の２μｍ以上を観察幅とする。そして、この観察幅の範囲で、下地層の第一クラッド層との界面及び第一クラッド層の発光層との界面を、幅２００ｎｍの連続する観察領域で観察する。この幅２００ｎｍ幅の観察領域内に含まれる複数のテラス面に着目し、隣り合うテラス面の高さの差の総和を、ステップ面の数で除算することで、この観察領域のステップ高さを得る。

例えば、ある断面において観察領域内にテラス面が３つ存在する場合、１つ目のテラス面と２つ目のテラス面との高さの差Ｓ１と、２つ目のテラス面と３つ目のテラス面との高さの差Ｓ２を測定し、これらの測定値を式「（Ｓ１＋Ｓ２）／２」に代入して算出した値を、この観察領域におけるステップ高さとする。
この過程を、紫外線発光素子の基板の主面に垂直な五つの断面で行い、五つの観察領域で得られたステップ高さの平均値を算出する。得られた平均値を、ステップ高さとして採用する。

＜ステップ密度＞
一態様の紫外線発光素子は、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度が１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下であることが好ましい。これにより、転位密度をテラス面の端に集中させて発光強度を向上させることが可能となる。下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度は１．５ステップ／μｍ以上１．８ステップ／μｍ以下であることがより好ましい。

ステップ密度とは、界面において、平面視でステップ面を示す線に垂直な方向の単位寸法（１μｍ）あたりのステップ面の数である。
ステップ密度は以下の方法で調べることができる。
先ず、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、紫外線発光素子の基板の主面に垂直であって平面視でステップ面を示す線に垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、この断面を示すＴＥＭ画像内の５μｍ以上を観察幅とする。そして、この観察幅の範囲に存在するステップ面を示す線の数を数え、この数を観察幅の寸法で除算する。例えば、５μｍの観察幅にステップ面を示す線が二つ存在する（つまり、テラス面が三つ存在する）場合には、この観察幅でのステップ密度は２÷５＝０．４ステップ／μｍとなる。

この過程を、紫外線発光素子の基板の主面に垂直でステップ面に垂直な五つの断面について行い、五つの観察幅で得られたステップ密度の平均値を算出する。得られた平均値をステップ密度として採用する。

＜各層の形成方法＞
一態様の紫外線発光素子を構成する各層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜することができるが、これに限定されない。例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを用いて成膜してもよい。

下地層の第一のクラッド層との界面でのステップ高さは、下地層成長時の基板表面の温度、Ｖ／III比、成長レート及び真空度を調整することで制御可能である。一例としては、基板表面の温度を１２００〜１３００℃、Ｖ／III比を３０〜５０、成長レートを０．３８〜０．５μｍ／ｈｒ、真空度を３０〜５０ｈＰａの間で調整する方法が挙げられる。この際、下地層の成長前に基板を１０５０℃以上の水素分雰囲気下でアニール処理することが好ましい。

また、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは、発光層成長時の下地層表面の温度、Ｖ／III比、成長レート及び真空度を調整することで制御可能である。一例としては、下地層表面の温度を１０５０〜１１００℃、Ｖ／III比を３００〜３０００、成長レートを１．２〜３μｍ／ｈｒ、真空度を３０〜５０ｈＰａの間で調整する方法が挙げられる。

上述の方法で用いる基板の一例としては、サファイア基板やＡｌＮ基板が挙げられる。また、下地層の材料としてはＡｌＮが一例として挙げられ、第一クラッド層および発光層の材料としてはＡｌＧａＮが一例として挙げられる。
なお、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さを０．３ｎｍ未満とするには、原理的には使用する基板のオフ角を０°に制御する必要があるが、この制御は非常に困難であり実際の製造上現実的ではない。つまり、本発明の一態様の紫外線発光素子によれば、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さを、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下という実際の製造上十分適用可能な範囲としつつ、高い発光強度を得ることができる。

＜基板＞
一態様の紫外線発光素子を構成する基板の具体例としては、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶などからなる基板が挙げられる。
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体をバルクとする単結晶基板や、基材上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層が形成された基板（テンプレート基板）を用いると、基板の上側に形成する窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。

また、汎用性が高いという観点からは、サファイア基板を用いることが好ましい。
基板には、不純物が混入していてもよい。
基板の裏面は平坦な面であっても凹凸状の面であってもよい。基板の裏面は、基板とは異なる材質の物質を、例えば薄膜状やドット状に有していてもよい。基板の作製方法としては、昇華法やＨＶＰＥ法等の気相成長法や液相成長法などの一般的な基板成長法が適用できる。

また、基板の側面からの発光を増加させる観点からは、基板の厚さが１００μｍ以上８００μｍ以下であることが好ましい。
また、基板の側面には凸部または凹部が形成されていてもよい。この凸部の定義は、基板側面の最も面積の大きい面を基準面とし、この基準面から突出する部分であり、凹部の定義は、この基準面から凹んでいる部分である。

基板の側面の凸部位置および凹部位置では、基板の側面と外部（例えば空気）との屈折率差が小さくなるため、凸部または凹部を設けることで界面の透過率を向上させることができる。また、基板の側面に凸部または凹部を設けることにより、光の入射角と透過率の関係を変化させ、光取り出し効率を向上させることができる。
凸部の基準面からの突出高さは１μｍ以上であることが好ましい。凹部の深さ（基準面から底面までの距離）は１μｍ以上が好ましい。

凸部および凹部の形状は特に制限されず、針状であっても、円錐台であっても、角錐であってもよい。
基板の側面に存在する凸部または凹部の数は一つでも複数でもよいが、光取り出し効率を向上させる観点から複数である方が好ましく、複数の凸部または凹部が基板側面に均等に分散していることがより好ましい。凸部または凹部は、基板の側面のうち少なくとも一つの側面に形成されていればよいが、光取り出し効率を向上させる観点から、基板の全側面に形成されていることが好ましい。

＜下地層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する下地層は、窒化物半導体を含み、基板の主面上に形成されている。
下地層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。下地層に含まれる窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。下地層を形成する窒化物半導体の導電性は特に限定されない。

下地層と第一クラッド層は、窒化物半導体の組成が変化する境目を基準として区別することが可能である。組成が変化する境目は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）やＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で調べることができるだけでなく、断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察で像のコントラストから判別することもできる。他の層同士の区別にも同様の方法を用いる事が可能である。

＜第一クラッド層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する第一クラッド層は、導電性を有する窒化物半導体層を含み、下地層上に形成されている。
第一クラッド層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、ＡｌＮ，ＧａＮおよびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。第一クラッド層を形成する窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。

また、第一クラッド層と第二クラッド層は、互いに異なる導電性を有する窒化物半導体で形成された層である。ｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れ、発光層への影響が低いという観点から、第一クラッド層の導電性がｎ型で、第二クラッド層の導電性がｐ型である事が好ましい。
また、紫外線発光素子の発光波長を深紫外領域の波長（２８０ｎｍ以下）としたい場合には、第一クラッド層を形成する材料はＡｌＧａＮであることが好ましい。第一クラッド層がＡｌＧａＮで形成されることで、深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層として形成する際に、その結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。

さらに、第一クラッド層は、厚さ方向で組成が変化する組成傾斜層であってもよい。例えば、第一クラッド層を形成する材料がＡｌＧａＮの場合、第一クラッド層は、発光層に向かってＡｌの組成比が傾斜的に増加または減少するＡｌＧａＮ層であってもよい。

＜発光層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する発光層は、窒化物半導体を含み、第一クラッド層上に形成されている。
発光層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点からＡｌＮ，ＧａＮ，およびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。発光層には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。また、量子井戸構造でも単層構造でもよいが、高い発光効率を実現する観点から、少なくとも１つの井戸構造を有していることが望ましい。

また、紫外線発光素子の発光波長を深紫外領域の波長（２８０ｎｍ以下）としたい場合には、発光層をなす窒化物半導体はＡｌＧａＮであることが好ましい。また、発光効率を高める観点から、発光層は、ＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＮからなる電子バリア層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有することが好ましい。

＜第二クラッド層＞
一態様の紫外線発光素子を構成する第二クラッド層は、第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含み、発光層上に形成されている。
第二クラッド層を形成する窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮのいずれか、またはこれらの混晶であることが望ましい。
第二クラッド層を形成する窒化物半導体には、Ｎの他に、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が混入していてもよい。ｎ型半導体の方がｐ型半導体より結晶性に優れ、発光層への影響が低いという観点から、第一クラッド層の導電性がｎ型で、第二クラッド層の導電性がｐ型である事が好ましい。

＜電極＞
一態様の紫外線発光素子は、さらに電極（ｎ型電極またはｐ型電極、あるいは両方）を備えていてもよい。
ｎ型電極としては、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｚｒなどの金属、あるいはこれらの混晶、あるいはＩＴＯやＧａ_２Ｏ_３などの導電性酸化物等を用いることができる。また、ｎ型電極は、第一クラッド層及び第二クラッド層のうち、導電性がｎ型の層とコンタクトするように形成される事が好ましい。

ｐ型電極としては、Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕなどの金属、あるいはこれらの混晶、あるいはＩＴＯやＧａ₂Ｏ₃などの導電性酸化物等を用いることができる。また、ｐ型電極は、第一クラッド層及び第二クラッド層のうち、導電性がｐ型の層とコンタクトするように形成される事が好ましい。
電極の形成方法としては、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着、スパッタなどが挙げられるが、この限りでは無い。電極は単層でも、積層であってもよく、また層形成後に酸素や窒素、空気雰囲気などで熱処理を行ってもよい。

〔紫外線照射モジュール〕
本発明の紫外線照射モジュールは、本発明の紫外線発光素子を備えている。
本発明の紫外線発光素子は、各種の装置に適用可能である。
本発明の紫外線発光素子は、紫外線ランプが用いられている既存のすべての装置に適用・置換可能である。特に、波長２８０ｎｍ以下の深紫外線を用いている装置に適用可能である。

本発明の紫外線発光素子は、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。本発明の紫外線発光素子は、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・ＦＰＤ・ＰＣＢ・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。

液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。

気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。
固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。

〔実施形態〕
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する。）について説明する。この実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。
図１に示すように、この実施形態の紫外線発光素子１は、基板２、下地層３、第一クラッド層４、発光層５、および第二クラッド層６を備えている。

基板２はサファイア基板である。下地層３は、基板の主面２１上に形成された層であって、ＡｌＮ（窒化物半導体）で形成されている。第一クラッド層４は、下地層３上に形成された層であって、ｎ型ＡｌＧａＮ（導電性を有する窒化物半導体）で形成されている。発光層５は、第一クラッド層４上に形成された層であって、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの多重量子井戸構造を有する（窒化物半導体を含む）。第二クラッド層６は、発光層５上に形成された層であって、ｐ型ＧａＮ（第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体層）で形成されている。

下地層３の第一クラッド層４との界面３４でのステップ高さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。第一クラッド層４の発光層５との界面４５でのステップ高さは、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。下地層３の第一クラッド層４との界面３４でのステップ密度は１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下である。
この実施形態の紫外線発光素子によれば、上述の構成を有することにより、高い発光効率を実現できる。また、汎用性が高いサファイア基板を用いているため、製造コストが低減できる。

以下に示す実施例１〜９および比較例１〜３の紫外線発光素子を作製した。
実施例１〜９および比較例１〜３の紫外線発光素子は、上記実施形態の紫外線発光素子１の発光層５と第二クラッド層６との間に電子ブロック層を有し、第一クラッド層４の一部が露出し、この露出面にｎ型電極が形成され、第二クラッド層７上にｐ型電極が形成されたものである。

［実施例１］
先ず、厚さが４５０μｍの平板状で、オフ角が０．２°のｃ面サファイア基板を１０５０℃以上の水素分雰囲気下でアニール処理した。次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用い、先ず、このサファイア基板の平板面（主面）上に、厚さ２０００ｎｍのＡｌＮ層（下地層）を形成した。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を用いた。成膜条件は、基板表面温度を１２００℃、Ｖ／IIIを５０、真空度を５０ｈＰａ、成長レートを０．５０μｍ／ｈｒに設定した。

次に、このＡｌＮ層上に、第一クラッド層として、Ｓｉを不純物として用いたｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ＝６０％）を、厚さ２０００ｎｍで形成した。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を、Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₃）を用いた。成膜条件は、基板表面温度を１１００℃、真空度を５０ｈＰａ、Ｖ／III比を５００、成長レートを２．１μｍ／ｈｒに設定した。

次に、このｎ型ＡｌＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮ（量子井戸層）とＡｌＮ（電子バリア層）とからなる多重量子井戸構造の発光層を成膜した。具体的には、ＡｌＧａＮ（Ａｌ＝５２％）を厚さ１．５ｎｍで、ＡｌＮを厚さ６ｎｍで、交互に三層積層させた。各原料は上記と同じものを用いた。成膜条件は、Ｖ／III比を４０００、真空度を５０ｈＰａ、量子井戸層の成長レートを０．２３μｍ／ｈｒ、電子バリア層の成長レートを０．１８μｍ／ｈｒに設定した。

次に、この発光層の上に、ＡｌＧａＮ（Ａｌ＝８５％）からなる電子ブロック層を厚さ１０ｎｍで形成した。各原料は上記と同じものを用いた。成膜条件は、基板表面温度を１０８０℃、真空度を５０ｈＰａ、Ｖ／III比を３０００、成長レートを１μｍ／ｈｒに設定した。
次に、この電子ブロック層の上に、第二クラッド層として、Ｍｇを不純物として用いたｐ型ＧａＮ層を、厚さ２００ｎｍで成膜した。Ｍｇ原料としてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いた。これ以外の原料は上記と同じものを用いた。成膜条件は、基板表面温度を１０４０℃、真空度を１００ｈＰａ、Ｖ／III比を４０００、成長レートを１．２μｍ／ｈｒに設定した。

このようにして、サファイア基板に複数の窒化物半導体層が積層された物体（分割により複数の紫外線発光素子とされる物体）を得た。この物体をドライエッチングすることで、ｎ型ＡｌＧａＮ層の一部を露出させ、露出したｎ型ＡｌＧａＮ層上に、Ｔｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ａｕを含む合金電極（ｎ型電極に相当）を形成した。また、ｐ型ＧａＮ層上には、Ｎｉ，Ａｕを含む合金電極（ｐ型電極に相当）を形成した。

次に、サファイア基板の裏面（主面と反対側の平板面）を、厚さが２００μｍになるように研削した後に、ダイシングにより、基板の平板面に垂直な複数の面で切断した。これにより、紫外線発光素子の小片を複数得た。
得られた紫外線発光素子を電圧７．５Ｖ、電流１００ｍＡで駆動させたところ、ピーク波長２６５ｎｍの発光が確認され、その発光強度は１．５ｍＷであった。

この紫外線発光素子の基板の主面に垂直な断面を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察したところ、ＡｌＮ層（下地層）とｎ型ＡｌＧａＮ層（第一クラッド層）との界面には、明瞭なマクロステップ（ステップ面とテラス面が連続的に形成された構造）が確認された。
また、前述の＜ステップ高さの測定方法＞および＜ステップ密度＞に記載された方法でステップ高さとステップ密度を調べたところ、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ高さは１５．１ｎｍ、第一クラッド層の発光層との界面でのステップ高さは０．５ｎｍ、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度は１．２ステップ／μｍであった。

この実施例１の紫外線発光素子の各層の形成条件および基板のオフ角を、以下の実施例２〜９および比較例１〜３の条件とともに下記の表１に示す。また、発光強度およびステップ高さとステップ密度の測定結果を、以下の実施例２〜９および比較例１〜３の結果とともに下記の表２に示す。

［実施例２〜９および比較例１〜３］
紫外線発光素子の各層の形成条件および基板のオフ角を表１に示すものとした以外は実施例１と同じ方法で、実施例２〜９および比較例１〜３の各紫外線受光素子を作製した。また、得られた各紫外線受光素子の発光強度およびステップ高さとステップ密度を、実施例１と同じ方法で測定した。その結果を表２に示す。

ここで、下地層の第一クラッド層との界面でのステップ密度が１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下であることを、構成(4)とする。
表２において、各例の構成のうち構成要件(2)(3)と構成(4)を満たしていない構成に下線を施した。つまり、実施例１〜７は構成要件(1)〜(3)と構成(4)を有する紫外線発光素子であり、実施例８，９は構成要件(1)〜(3)を有するが構成(4)を有さない紫外線発光素子である。また、比較例１は構成要件(1)(3)と構成(4)を有するが構成要件(2)を有さない紫外線発光素子であり、比較例２は構成要件(1)と構成(4)を有するが構成要件(2)(3)を有さない紫外線発光素子であり、比較例３は構成要件(1)を有するが構成要件(2)(3)と構成(4)を有さない紫外線発光素子である。

このように、構成要件(1)〜(3)を有する実施例１〜９の紫外線発光素子は、構成要件(2)(3)のいずれか一つ以上を有さない比較例１〜３の紫外線発光素子と比較して、発光効率が高くなることで高い発光強度が得られている。
また、構成要件(1)〜(3)と構成(4)を有する実施例１〜７の紫外線発光素子は、構成(4)を有さない実施例８，９の紫外線発光素子よりも高い発光強度が得られている。

１ 紫外線発光素子
２ 基板
３ 下地層
４ 第一クラッド層
５ 発光層
６ 第二クラッド層
２１ 基板の主面
３４ 下地層の第一クラッド層との界面
４５ 第一クラッド層の発光層との界面

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の主面上に形成され、窒化物半導体を含む下地層と、
   前記下地層上に形成され、導電性を有する窒化物半導体を含む第一クラッド層と、
   前記第一クラッド層上に形成され、窒化物半導体を含む発光層と、
   前記発光層上に形成され、前記第一クラッド層とは異なる導電性を有する窒化物半導体を含む第二クラッド層と、
   を備え、
   前記下地層の前記第一クラッド層との界面でのステップ高さは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、
   前記第一クラッド層の前記発光層との界面でのステップ高さは、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下である紫外線発光素子。
2. 前記下地層はＡｌＮを含む請求項１記載の紫外線発光素子。
3. 前記下地層の前記第一クラッド層との界面でのステップ密度が１．０ステップ／μｍ以上２．０ステップ／μｍ以下である請求項１または２記載の紫外線発光素子。
4. 前記第一クラッド層、前記発光層、および前記第二クラッド層は、ＡｌおよびＧａの少なくとも一つを含む窒化物半導体層である請求項１〜３のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
5. 前記基板はサファイア基板である請求項１〜４の何れか一項に記載の紫外線発光素子。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の紫外線発光素子を備える紫外線照射モジュール。

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