JP2020107630A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＡｌＮ層の組成異常領域における紫外線の吸収を抑制する半導体発光素子を提供することである。【解決手段】 発光素子１００は、第１面１１０ａを有する基板１１０と、基板１１０の第１面１１０ａの上のＡｌＮ層１２０と、ＡｌＮ層１２０の上のｎ型半導体層１３０と発光層１４０とｐ型半導体層１５０と、ｎ型半導体層１３０と接触する複数のｎドット電極Ｎ１と、を有する。複数のｎドット電極Ｎ１は、離散して配置されている。基板１１０は、ＡｌＮ層１２０に覆われている第１の領域Ｒ１と、ＡｌＮ層１２０に覆われていない第２の領域Ｒ２と、を有する。基板１１０の第１面１１０ａの面積に対する第１の領域Ｒ１の面積の比が、１０％以上８０％以下である。【選択図】図１

Description

本明細書の技術分野は、紫外発光する半導体発光素子に関する。

紫外線は、フォトリソグラフィー等の加工、紫外可視近赤外分光法等の分析、殺菌などの生体分野に応用されている。そして、紫外線の光源として紫外発光する半導体発光素子が研究開発されてきている。

例えば、特許文献１には、種々のｎ電極のパターンが開示されている（特許文献１の図１参照）。特許文献１では、メサ構造の端部から一定の距離以上離れた位置にｐ電極を形成する技術が開示されている（特許文献１の段落［００１０］）。これにより、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ構造の端部の周辺に集中することを抑制できる旨が開示されている（特許文献１の段落［０００９］）。

国際公開２０１６／１４３５７４

紫外発光する半導体発光素子を製造する場合に、基板の上にＡｌＮ層を形成することがある。その場合に、低温で成膜する低温ＡｌＮ層と、高温で成膜する高温ＡｌＮ層と、を形成することがある。その場合には、低温ＡｌＮ層と高温ＡｌＮ層との間に、基板温度を上昇させながら成膜するＡｌＮ層を形成することが多い。

本発明者らは、基板温度を上昇させながら成膜したＡｌＮ層が組成異常領域を有し、その組成異常領域が紫外線を吸収していることを突き止めた。ＡｌＮ層で紫外線が吸収されると、当然、紫外発光半導体発光素子の光出力は低下する。

本明細書の技術が解決しようとする課題は、ＡｌＮ層の組成異常領域における紫外線の吸収を抑制する半導体発光素子を提供することである。

第１の態様における半導体発光素子は、第１面を有する基板と、基板の第１面の上のＡｌＮ層と、ＡｌＮ層の上のｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と接触する複数のｎドット電極と、を有する。複数のｎドット電極は、離散して配置されている。基板は、ＡｌＮ層に覆われている第１の領域と、ＡｌＮ層に覆われていない第２の領域と、を有する。基板の第１面の面積に対する第１の領域の面積の比が、１０％以上８０％以下である。

この半導体発光素子では、ＡｌＮ層中の組成異常領域が減少している。つまり、ＡｌＮ層の組成異常領域で吸収される紫外線量は従来より少ない。したがって、この半導体発光素子の光出力は、従来に比べて高い。

本明細書では、ＡｌＮ層の組成異常領域における紫外線の吸収を抑制する半導体発光素子が提供されている。

第１の実施形態の発光素子の概略構成図である。 第１の実施形態の発光素子におけるＡｌＮ層の周辺を拡大した拡大図である。 第１の実施形態の発光素子から基板とｎ型半導体層とｎドット電極とを抜き出して描いた平面図である。 第１の実施形態の発光素子における光の経路を説明するための図である。 基板の半導体層形成面の面積とＡｌＮ層の面積とが等しい発光素子における光の経路を説明するための図である。 第２の実施形態の発光素子における第１の領域と第２の領域とを示す平面図である。 第３の実施形態の発光素子における第１の領域と第２の領域とを示す平面図である。 第４の実施形態の発光素子における第１の領域と第２の領域とを示す平面図である。 第５の実施形態の発光素子における第１の領域と第２の領域とを示す平面図である。 ＡｌＮ層の周辺のＴＥＭ画像である。 基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比と光出力との関係を示すグラフである。 基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比と駆動電圧の上昇量との関係を示すグラフである。 基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比と発光効率との関係を示すグラフである。

以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図面における積層構造は実際の厚みを反映したものではない。また、異なる積層構造を用いてもよい。

（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
図１は、第１の実施形態の発光素子１００の概略構成図である。発光素子１００は、紫外発光する。紫外線の波長は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。発光素子１００は、基板側に光取り出し面ＬＥ１を有するフリップチップである。図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、ＡｌＮ層１２０と、ｎ型半導体層１３０と、発光層１４０と、ｐ型半導体層１５０と、透明電極１６０と、ｎドット電極Ｎ１と、ｎ配線電極Ｎ２と、ｎパッド電極Ｎ３と、ｐドット電極Ｐ１と、ｐ配線電極Ｐ２と、ｐパッド電極（図示せず）と、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１と、絶縁膜ＩＦ１と、絶縁膜ＩＦ２と、を有する。

基板１１０は、半導体層を支持する。基板１１０は、第１面１１０ａと光取り出し面ＬＥ１とを有する。第１面１１０ａは半導体層形成面である。光取り出し面ＬＥ１は、第１面１１０ａの反対側の面である。基板１１０は、例えば、サファイア基板である。また、その他にIII 族窒化物半導体を成膜することのできる成長基板であるとよい。基板１１０は、ＡｌＮと異なる異種基板である。

ＡｌＮ層１２０は、基板１１０の第１面１１０ａの上に形成された層である。ＡｌＮ層１２０は、第１面１１０ａに接触している。ＡｌＮ層１２０については後述する。

ｎ型半導体層１３０は、ＡｌＮ層１２０の上に形成されている。ｎ型半導体層１３０は、ＡｌＮ層１２０と発光層１４０との間に位置している。ｎ型半導体層１３０は、例えば、ｎ−ＡｌＧａＮ層である。ｎ型半導体層１３０は、ｎドット電極Ｎ１と接触している。そのためもちろん、ｎ型半導体層１３０は、ｎドット電極Ｎ１と導通している。

発光層１４０は、紫外発光する層である。発光層１４０は、ｎ型半導体層１３０とｐ型半導体層１５０との間に位置している。発光層１４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層と障壁層との繰り返し回数は、例えば、１以上５以下である。井戸層は例えばＡｌＧａＮ層である。障壁層は例えばＡｌＧａＮ層である。ただし、井戸層のＡｌ組成は、障壁層のＡｌ組成よりも低い。

ｐ型半導体層１５０は、発光層１４０と透明電極１６０との間に位置している。ｐ型半導体層１５０は、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮ層またはｐ−ＧａＮ層である。ｐ型半導体層１５０は、透明電極１６０を介してｐドット電極Ｐ１と導通している。

透明電極１６０は、ｐ型半導体層１５０の上に位置している。透明電極１６０は、電流を発光面内に拡散させるためのものである。透明電極１６０の材質は、例えば、ＩＺＯ、ＩＴＯである。またはこれ以外の導電性透明酸化物であってもよい。

ｎドット電極Ｎ１は、ｎ型半導体層１３０とｎパッド電極Ｎ３とを導通させるためのものである。ｎドット電極Ｎ１は、ｎ型半導体層１３０に接触している。複数のｎドット電極Ｎ１が、基板１１０の板面に対して離散して配置されている。複数のｎドット電極Ｎ１は、例えば、ハニカム状に配置されている。

ｎ配線電極Ｎ２は、ｎドット電極Ｎ１とｎパッド電極Ｎ３とを導通させるための配線である。ｎパッド電極Ｎ３は、素子外部の電源と電気的に接続するための電極である。

ｐドット電極Ｐ１は、ｐ型半導体層１５０とｐパッド電極とを導通させるためのものである。ｐドット電極Ｐ１は、透明電極１６０に接触している。ｐドット電極Ｐ１は、透明電極１６０を介してｐ型半導体層１５０と導通している。複数のｐドット電極Ｐ１が、基板１１０の板面に対して離散して配置されている。複数のｐドット電極Ｐ１は、例えば、ハニカム状に配置されている。

ｐ配線電極Ｐ２は、ｐドット電極Ｐ１とｐパッド電極とを導通させるための配線である。ｐパッド電極は、素子外部の電源と電気的に接続するための電極である。

分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１は、光取り出し面ＬＥ１から遠ざかる向きに基板１１０を透過する光を反射するための反射膜である。分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１は、半導体層を覆うとともに基板１１０の一部と接触している。分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１は、例えば、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ とを交互に積層したものである。もちろん、これら以外の材質であってもよい。

絶縁膜ＩＦ１は、ｐ配線電極Ｐ２等のｐ電極と、ｎ配線電極Ｎ２等のｎ電極と、を絶縁する。絶縁膜ＩＦ１の材質は、例えば、ＳｉＯ₂ である。もちろん、その他の材質であってもよい。

絶縁膜ＩＦ２は、ｎ配線電極Ｎ２等の電極を覆うとともにこれらの電極を保護する。絶縁膜ＩＦ２の材質は、例えば、ＳｉＯ₂ である。もちろん、その他の材質であってもよい。

２．ＡｌＮ層
２−１．ＡｌＮ層の構造
図２は、第１の実施形態の発光素子１００におけるＡｌＮ層１２０の周辺を拡大した拡大図である。図２に示すように、ＡｌＮ層１２０は、低温ＡｌＮ層１２１と、中間ＡｌＮ層１２２と、高温ＡｌＮ層１２３と、を有する。基板１１０の側から、低温ＡｌＮ層１２１、中間ＡｌＮ層１２２、高温ＡｌＮ層１２３が配置されている。

低温ＡｌＮ層１２１は、基板温度を比較的低温にして成膜したＡｌＮ層である。低温ＡｌＮ層１２１は、基板１１０と中間ＡｌＮ層１２２との間の位置にこれらに接して配置されている。低温ＡｌＮ層１２１を成膜する際の基板温度は、例えば、１０００℃以上１２００℃以下である。低温ＡｌＮ層１２１の膜厚は、例えば、０．１μｍ以上１μｍ以下である。これらの数値範囲は目安であり、上記以外の数値を用いてもよい。

中間ＡｌＮ層１２２は、基板温度を上昇させながら成膜したＡｌＮ層である。中間ＡｌＮ層１２２は、低温ＡｌＮ層１２１と高温ＡｌＮ層１２３との間の位置にこれらに接して配置されている。中間ＡｌＮ層１２２を成膜する際の基板温度は、低温ＡｌＮ層１２１の成膜温度から高温ＡｌＮ層１２３の成膜温度までの間である。中間ＡｌＮ層１２２の膜厚は、例えば、０．３μｍ以上３μｍ以下である。これらの数値範囲は目安であり、上記以外の数値を用いてもよい。

高温ＡｌＮ層１２３は、基板温度を比較的高温にして成膜したＡｌＮ層である。高温ＡｌＮ層１２３は、中間ＡｌＮ層１２２とｎ型半導体層１３０との間の位置にこれらに接して配置されている。高温ＡｌＮ層１２３を成膜する際の基板温度は、例えば、１２００℃以上１４００℃以下である。高温ＡｌＮ層１２３の膜厚は、例えば、０．５μｍ以上５μｍ以下である。これらの数値範囲は目安であり、上記以外の数値を用いてもよい。

図２に示すように、ＡｌＮ層１２０は側面にテーパＴ１を有する。テーパＴ１は、基板１１０から遠ざかるほどＡｌＮ層１２０の面積が狭くなる向きの面である。

２−２．組成異常領域
図２に示すように、中間ＡｌＮ層１２２には、組成異常領域ＣＡ１が存在する。組成異常領域ＣＡ１は、炭素原子または酸素原子の含有量が局所的に多い箇所である。組成異常領域ＣＡ１の透過型電子顕微鏡画像は、ボイドに似ている。

また、本発明者らは、組成異常領域ＣＡ１が紫外線を吸収しやすいことを発見した。

３．第１の領域および第２の領域
図３は、第１の実施形態の発光素子１００から基板１１０とｎ型半導体層１３０とｎドット電極Ｎ１とを抜き出して描いた平面図である。図３に示すように、ｎドット電極Ｎ１は、基板１１０の板面に対して離散して配置されている。ｎドット電極Ｎ１は、ハニカム状に配置されている。そして、発光層１４０等の半導体層は、ｎドット電極Ｎ１の端部から４５μｍ以下の範囲内にある。そのため、発光層１４０の外側面は、ｎドット電極Ｎ１の形状に応じて凹凸形状を有している。

図３に示すように、発光素子１００は、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、を有する。図３に示すように、第１の領域Ｒ１は、素子の中央付近に位置し、第２の領域Ｒ２が第１の領域Ｒ１の周囲を囲んでいる。

図１に示すように、第１の領域Ｒ１は、基板１１０の上にＡｌＮ層１２０が形成されている領域である。第２の領域Ｒ２は、基板１１０の上にＡｌＮ層１２０が形成されていない領域である。つまり、第１の領域Ｒ１では、基板１１０はＡｌＮ層１２０に覆われており、第２の領域Ｒ２では、基板１１０はＡｌＮ層１２０に覆われていない。

第１の領域Ｒ１では、基板１１０はＡｌＮ層１２０に接している。第２の領域Ｒ２では、基板１１０は分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１に接している。分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１は、第１の領域Ｒ１で半導体層を覆い、基板１１０の第２の領域Ｒ２に接触した状態で基板１１０の露出面を覆っている。

発光素子１００においては、基板１１０の第１面１１０ａの面積に対する第１の領域Ｒ１の面積の比が、１０％以上８０％以下である。

３−１．光出力
基板１１０の第１面１１０ａの面積に対する第１の領域Ｒ１の面積の比が、２０％以上７０％以下の場合に、光出力が従来の発光素子より２０％以上向上する。

３−２．駆動電圧
基板１１０の第１面１１０ａの面積に対する第１の領域Ｒ１の面積の比を小さくすると、駆動電圧が上昇する傾向がある。基板１１０の第１面１１０ａの面積に対する第１の領域Ｒ１の面積の比が３０％以上８０％以下の場合には、駆動電圧の上昇幅は３Ｖ以下である。

４．光の経路
４−１．第１の実施形態の発光素子
図４は、第１の実施形態の発光素子１００における光の経路を説明するための図である。図４には、発光層１４０から出た紫外線ＵＶ１ａが光取り出し面ＬＥ１で反射し、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１で再度反射して素子外部に取り出される場合が示されている。図４に示すように、紫外線ＵＶ１ａは、光取り出し面ＬＥ１で紫外線ＵＶ１ｂの向きに反射する。紫外線ＵＶ１ｂは、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１により紫外線ＵＶ１ｃの向きに反射する。

ここで、紫外線ＵＶ１ａはＡｌＮ層１２０を通過するが、紫外線ＵＶ１ｂおよび紫外線ＵＶ１ｃは、ＡｌＮ層１２０を通過しない。このように、発光層１４０からの光がＡｌＮ層１２０を通過することを抑制できる。つまり、組成異常領域ＣＡ１による光の吸収量は少ない。

４−２．基板の半導体層形成面の面積とＡｌＮ層の面積とが等しい発光素子
図５は、基板の半導体層形成面の面積とＡｌＮ層の面積とが等しい発光素子における光の経路を説明するための図である。図５には、発光層から出た紫外線ＵＶ２ａが光取り出し面で反射し、分布ブラッグ反射膜で再度反射して素子外部に取り出される場合が示されている。図５に示すように、紫外線ＵＶ２ａは、光取り出し面で紫外線ＵＶ２ｂの向きに反射する。紫外線ＵＶｂ２は、分布ブラッグ反射膜により紫外線ＵＶ２ｃの向きに反射する。

ここで、紫外線ＵＶ２ａ、紫外線ＵＶ２ｂ、紫外線ＵＶ２ｃのいずれも、ＡｌＮ層を通過する。そのため、組成異常領域による光の吸収は、第１の実施形態よりも多い。

５．従来の発光素子との差異点等
第１の実施形態の発光素子１００では、従来の発光素子よりも発光層の発光面積が小さい。その代わりに、発光素子１００の電流密度は、従来の発光素子よりも高い。電流抵抗値の影響はあるが、発光素子１００の電流値は従来の発光素子の電流値と大きく変わらない。

また、特許文献１（国際公開２０１６／１４３５７４）では、ｎ電極の形状を工夫している。しかし、ｎ電極はｎ型半導体層の上に形成されているため、発光層の周囲をｎ型半導体層が取り囲んでいる。つまり、ｎ型半導体層の下地層であるＡｌＮ層が発光層の周囲を取り囲んでいる。発光層の周囲を取り囲むＡｌＮ層は、組成異常領域で光を吸収してしまう。

また、異種基板上にＡｌＮ層を形成する場合には、低温ＡｌＮ層１２１、中間ＡｌＮ層１２２、高温ＡｌＮ層１２３を形成しないと、結晶性に優れた半導体層を成長させることが困難である。

６．第１の実施形態の効果
第１の実施形態の発光素子１００は、ＡｌＮ層１２０が存在する第１の領域Ｒ１と、ＡｌＮ層１２０が存在しない第２の領域Ｒ２と、を有する。このように第２の領域Ｒ２では、ＡｌＮ層１２０が存在しないため、組成異常領域ＣＡ１が従来の発光素子に比べて小さい。そのため、ＡｌＮ層１２０の組成異常領域ＣＡ１に吸収される紫外線量は少ない。したがって、第１の実施形態の発光素子１００の光出力は従来の発光素子の光出力に比べて十分に高い。

７．半導体発光素子の製造方法
７−１．ＡｌＮ層形成工程
基板１１０の第１面１１０ａの上にＡｌＮ層１２０を形成する。第１面１１０ａは、光取り出し面ＬＥ１の反対側の面である。基板温度を一定にしながら第１面１１０ａの上に低温ＡｌＮ層１２１を形成する。次に、基板温度を上昇させながら低温ＡｌＮ層１２１の上に中間ＡｌＮ層１２２を形成する。次に、基板温度を一定にしながら中間ＡｌＮ層１２２の上に高温ＡｌＮ層１２３を形成する。もちろん、高温ＡｌＮ層１２３の形成温度は低温ＡｌＮ層１２１の形成温度よりも高い。

７−２．半導体層形成工程
次に、ＡｌＮ層１２０の高温ＡｌＮ層１２３の上に半導体層を形成する。形成する順序は、ｎ型半導体層１３０、発光層１４０、ｐ型半導体層１５０の順である。

７−３．ＡｌＮ層除去工程
次に、半導体層およびＡｌＮ層１２０を除去する。Ｃｌ₂ 等の塩素系ガスを用いたドライエッチングにより第１の領域Ｒ１を残して第２の領域Ｒ２に相当する領域の半導体層およびＡｌＮ層１２０を除去する。この際に、ｎ型半導体層１３０を露出させるエッチングと、ＡｌＮ層１２０を除去するエッチングと、の２段階で実施する。なお、ハニカム状に配置されるｎドット電極Ｎ１の形成位置に合わせてｎ型半導体層１３０を露出させる。

７−４．透明電極形成工程
次に、ｐ型半導体層１５０の上に透明電極１６０を形成する。

７−５．反射層形成工程
次に、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１を形成する。その際に、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１が第１の領域Ｒ１で透明電極１６０および半導体層を覆い、第２の領域Ｒ２で基板１１０の第１面１１０ａを覆うようにする。

７−６．電極形成工程
次に、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１の一部を開口し、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１で覆われているｎ型半導体層１３０および透明電極１６０の一部を露出させる。そして、ｎドット電極Ｎ１およびｐドット電極Ｐ１を形成する。その後、適宜、絶縁膜ＩＦ１を形成しつつ、ｎ配線電極Ｎ２、ｐ配線電極Ｐ２を形成すればよい。その後、絶縁膜ＩＦ２を形成する。そして、ｎパッド電極Ｎ３、ｐパッド電極を形成する。

７−７．その他の工程
その他、熱処理工程を適宜実施すればよい。またその他の工程を実施してもよい。

８．変形例
８−１．反射膜
第１の実施形態の分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１の代わりに、金属の反射膜を用いてもよい。その場合であっても、金属の反射膜は、第１の領域Ｒ１で半導体層を覆い、第２の領域Ｒ２で基板１１０に接触している。この場合であっても、金属の反射膜は、光取り出し面ＬＥ１から遠ざかる紫外線を反射できる。

８−２．絶縁膜
絶縁膜ＩＦ１と絶縁膜ＩＦ２との少なくとも一方を分布ブラッグ反射膜にしてもよい。

８−３．ＡｌＮ層形成工程
第２の領域Ｒ２に予め絶縁膜を形成してもよい。その絶縁膜をマスクとして、第１の領域Ｒ１にＡｌＮ層１２０を形成してもよい。この場合には、ＡｌＮ層１２０を除去する工程は必要ない。また、マスクとして用いる絶縁膜を分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１における１層目にしてもよい。ここで１層目とは、基板１１０の直上の第１面１１０ａに接して形成される膜である。

８−４．透明電極形成工程
透明電極１５０を形成した後に、ＡｌＮ層１２０を除去してもよい。

８−５．ｐドット電極
ｐドット電極Ｐ１については、１つであってもよい場合がある。つまり、ｐドット電極Ｐ１は、離散して配置されていなくてもよい場合がある。透明電極１６０により、電流が比較的拡散するからである。

８−６．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の半導体発光素子は、第１の実施形態の半導体発光素子に対して第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の形成領域が異なっている。そのため、相違点について説明する。

１．第１の領域および第２の領域
図６は、第２の実施形態の発光素子２００における第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを示す平面図である。図６に示すように、発光素子２００は、４つの第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、を有する。第２の領域Ｒ２は、４つの第１の領域Ｒ１の周囲を囲んでいる。図６では、複数の第１の領域Ｒ１は、正方形に近い形状である。

２．変形例
第１の領域Ｒ１の数は、４個以外の複数個であってもよい。また、第１の領域Ｒ１の形状は正方形以外の多角形または円形であってもよい。または、その他の形状であってもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の半導体発光素子は、第１の実施形態の半導体発光素子に対して第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の形成領域が異なっている。そのため、相違点について説明する。

１．第１の領域および第２の領域
図７は、第３の実施形態の発光素子３００における第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを示す平面図である。図７に示すように、発光素子３００は、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを有する。第２の領域Ｒ２は、素子の中央付近に位置している。第１の領域Ｒ１が第２の領域Ｒ２の周囲を囲んでいる。第１の領域Ｒ１は、枠形状をしている。第２の領域Ｒ２は、枠形状の第１の領域Ｒ１の内側で正方形に近い形状をしている。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の半導体発光素子は、第１の実施形態の半導体発光素子に対して第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の形成領域が異なっている。そのため、相違点について説明する。

１．第１の領域および第２の領域
図８は、第４の実施形態の発光素子４００における第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを示す平面図である。図８に示すように、発光素子４００は、第１の領域Ｒ１と、４つの第２の領域Ｒ２と、を有する。第１の領域Ｒ１は、４つの第２の領域Ｒ２の周囲を囲んでいる。図８では、４つの第２の領域Ｒ２は、正方形に近い形状である。

２．変形例
第２の領域Ｒ２の数は、４個以外の複数個であってもよい。また、第２の領域Ｒ２の形状は正方形以外の多角形または円形であってもよい。または、その他の形状であってもよい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について説明する。第５の実施形態の半導体発光素子は、第１の実施形態の半導体発光素子に対して第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の形成領域が異なっている。そのため、相違点について説明する。

１．第１の領域および第２の領域
図９は、第５の実施形態の発光素子５００における第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを示す平面図である。図９に示すように、発光素子５００は、第１の領域Ｒ１と、内側の第２の領域Ｒ２ａと、外側の第２の領域Ｒ２ｂと、を有する。内側の第２の領域Ｒ２ａは、素子の中央付近に位置している。第１の領域Ｒ１は、内側の第２の領域Ｒ２ａの周囲を囲んでいる。外側の第２の領域Ｒ２ｂは、第１の領域Ｒ１の周囲を囲んでいる。つまり、第１の領域Ｒ１は、内側の第２の領域Ｒ２ａと外側の第２の領域Ｒ２ｂとに挟まれている。内側の第２の領域Ｒ２ａは、正方形に近い形状である。第１の領域Ｒ１は枠形状である。外側の第２の領域Ｒ２ｂは枠形状である。

２．変形例
内側の第２の領域Ｒ２ａの形状は、正方形に近い形状である。しかし、正方形以外の多角形または円形であってもよい。

（実験）
１．炭素濃度および酸素濃度
低温ＡｌＮ層１２１と、中間ＡｌＮ層１２２と、高温ＡｌＮ層１２３とで、炭素濃度および酸素濃度を測定した。そのためにＳＩＭＳを用いた。

結果を表１に示す。表１に示すように、中間ＡｌＮ層１２２における炭素濃度および酸素濃度が、高温ＡｌＮ層１２３における炭素濃度および酸素濃度よりも高い。

［表１］
炭素濃度（ｃｍ^-3） 酸素濃度（ｃｍ^-3）
高温ＡｌＮ層 １×１０¹⁶ １×１０¹⁷
中間ＡｌＮ層 ５×１０¹⁷ ５×１０¹⁸
低温ＡｌＮ層 １×１０¹⁷ １×１０¹⁸

上記のように、中間ＡｌＮ層１２２においては、炭素濃度および酸素濃度が高い組成異常領域が存在する。

図１０は、ＡｌＮ層の周辺のＴＥＭ画像である。中間ＡｌＮ層の領域内に組成異常領域が影またはボイドのように映っている。

２．ＡｌＮ層における光の吸収
サファイア基板の上にＡｌＮ層を形成し、ＡｌＮ層における光の吸収率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、ＡｌＮ層における波長２８０ｎｍの光の吸収率は２０％程度であった。ＡｌＮ層における波長２２０ｎｍの光の吸収率は３０％程度であった。このようにＡｌＮ層では紫外線の吸収が比較的強い。

［表２］
波長 吸収率
５００ｎｍ ５〜１０％
２８０ｎｍ ２０％
２２０ｎｍ ３０％

３．ＡｌＮ層の面積比と素子の特性
以下の実験においては、第１の実施形態における図３の発光素子１００を用いて、光出力、駆動電圧、発光効率を測定した。

３−１．光出力
図１１は、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比と光出力との関係を示すグラフである。図１１の横軸は、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比である。つまり、基板の半導体形成面の面積に対する第１の領域Ｒ１の面積の比である。ここで、基板の半導体形成面の面積は、第１の領域Ｒ１の面積と第２の領域Ｒ２の面積との和である。図１１の縦軸は、発光素子の光出力（ａ．ｕ．）である。

図１１に示すように、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が１０％以上８０％以下の場合に、光出力は従来よりも高い。また、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が２０％以上７０％以下の場合には、光出力は従来よりも２０％以上高い。基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が２５％の場合には、光出力は従来よりも３４％程度高い。

３−２．駆動電圧
図１２は、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比と駆動電圧の上昇量との関係を示すグラフである。図１２の横軸は、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比である。図１２の縦軸は、発光素子の駆動電圧の上昇量（Ｖ）である。

図１２に示すように、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が低いほど、駆動電圧は上昇する傾向にある。基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が３０％以上８０％以下の場合には、駆動電圧の上昇幅は３Ｖ以下である。基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が４０％以上８０％以下の場合には、駆動電圧の上昇幅は２Ｖ以下である。

３−３．発光効率
図１３は、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比と発光効率との関係を示すグラフである。図１１の横軸は、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比である。図１１の縦軸は、発光素子の発光効率（ａ．ｕ．）である。

図１３に示すように、基板の半導体形成面の面積に対するＡｌＮ層の面積の比が４０％以上８０％以下の場合に、発光効率は従来よりも高い。

４．実験のまとめ
基板の板面に対してＡｌＮ層を小さくすると、それにともなって発光層も小さくなる。しかし、光出力は十分に向上する。発光層に流れる電流密度が高いためである。一方、駆動電圧は上昇してしまう。工業的に紫外発光素子を応用する場合には、光出力の高い紫外発光素子が望まれており、特段、問題は生じない。

（付記）
第１の態様における半導体発光素子は、第１面を有する基板と、基板の第１面の上のＡｌＮ層と、ＡｌＮ層の上のｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と接触する複数のｎドット電極と、を有する。複数のｎドット電極は、離散して配置されている。基板は、ＡｌＮ層に覆われている第１の領域と、ＡｌＮ層に覆われていない第２の領域と、を有する。基板の第１面の面積に対する第１の領域の面積の比が、１０％以上８０％以下である。

第２の態様における半導体発光素子は、反射膜を有する。反射膜は、基板の第２の領域に接触している。

第３の態様における半導体発光素子においては、第２の領域は、第１の領域の周囲を囲んでいる。

第４の態様における半導体発光素子は、複数の第１の領域を有する。第２の領域は、複数の第１の領域の周囲を囲んでいる。

第５の態様における半導体発光素子においては、第１の領域は、第２の領域の周囲を囲んでいる。

第６の態様における半導体発光素子は、複数の第２の領域を有する。第１の領域は、複数の第２の領域の周囲を囲んでいる。

第７の態様における半導体発光素子は、内側の第２の領域と外側の第２の領域とを有する。第１の領域は、内側の第２の領域の周囲を囲んでいる。外側の第２の領域は、第１の領域の周囲を囲んでいる。

第８の態様における半導体発光素子においては、ＡｌＮ層は、基板から遠ざかるほど面積が狭くなる向きのテーパを有する。

１００…発光素子
１１０…基板
１１０ａ…第１面
１２０…ＡｌＮ層
１３０…ｎ型半導体層
１４０…発光層
１５０…ｐ型半導体層
１６０…透明電極
Ｐ１…ｐドット電極
Ｎ１…ｎドット電極
ＤＢＲ１…分布ブラッグ反射膜
ＬＥ１…光取り出し面
Ｒ１…第１の領域
Ｒ２…第２の領域

Claims (8)

1. 第１面を有する基板と、
   前記基板の前記第１面の上のＡｌＮ層と、
   前記ＡｌＮ層の上のｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層と接触する複数のｎドット電極と、
   を有し、
   前記複数のｎドット電極は、
   離散して配置されており、
   前記基板は、
   前記ＡｌＮ層に覆われている第１の領域と、
   前記ＡｌＮ層に覆われていない第２の領域と、
   を有し、
   前記基板の前記第１面の面積に対する前記第１の領域の面積の比が、
   １０％以上８０％以下であること
   を含む半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   反射膜を有し、
   前記反射膜は、
   前記基板の前記第２の領域に接触していること
   を含む半導体発光素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、
   前記第２の領域は、
   前記第１の領域の周囲を囲んでいること
   を含む半導体発光素子。
4. 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、
   複数の前記第１の領域を有し、
   前記第２の領域は、
   複数の前記第１の領域の周囲を囲んでいること
   を含む半導体発光素子。
5. 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、
   前記第１の領域は、
   前記第２の領域の周囲を囲んでいること
   を含む半導体発光素子。
6. 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、
   複数の前記第２の領域を有し、
   前記第１の領域は、
   複数の前記第２の領域の周囲を囲んでいること
   を含む半導体発光素子。
7. 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、
   内側の前記第２の領域と外側の前記第２の領域とを有し、
   前記第１の領域は、
   内側の前記第２の領域の周囲を囲み、
   外側の前記第２の領域は、
   前記第１の領域の周囲を囲んでいること
   を含む半導体発光素子。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の半導体発光素子において、
   前記ＡｌＮ層は、
   前記基板から遠ざかるほど面積が狭くなる向きのテーパを有すること
   を含む半導体発光素子。