JP6711588B2 - 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光装置に関する。

窒化物半導体発光素子は、発光層の組成を制御することにより深紫外から赤外まで発光波長を制御することができ、かつ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。
窒化物半導体発光素子の形態としては、基板の一方の面上に窒化物半導体薄膜を成長させ、窒化物半導体薄膜上に電極を配置し、素子発光を基板の他方の面側から取り出す構造、あるいは基板の一方の面側から取り出す構造が一般的である。どちらの場合でも、基板の一方の面（または、他方の面）と垂直に交わる方向から光を取り出すが、光を取り出す側（以下、光取り出し側）の反対側にも光は放射される。このため、窒化物半導体発光素子の発光効率を高めるためには、反対側への発光を光取り出し側に反射させる必要がある。

例えば、特許文献１では、窒化物半導体薄膜上に、素子に電流を流すためのコンタクト電極を部分的に配置し、窒化物半導体薄膜が露出している領域およびコンタクト電極上に金属反射層を形成することで、素子発光を基板側へ反射し出力を向上させる構造と手法が記されている。また、特許文献２では、Ｐ型コンタクト層をドット状に配置し、Ｐ型コンタクト層の開口部に反射層を配置することで、素子発光を基板側へ反射し出力を向上させる構造と手法が記されている。

米国特許出願公開第２０１４／０２６４２６３号明細書 特開２０１４−５７０３３号公報

特許文献１、２で記載されているように、金属反射層を窒化物半導体薄膜と接触させると、窒化物半導体薄膜内の欠陥に金属が拡散し、電流のリークを引き起こし発光出力が低下するおそれがある。ここで、窒化物半導体薄膜内の欠陥への金属の拡散を防止するために、窒化物半導体薄膜と金属反射層との間に絶縁層を挿入することで、電流のリークを抑制する手法が考えられる。
しかしながら、この手法では、窒化物半導体薄膜と金属反射層との間の絶縁層が、窒化物半導体薄膜から発光された光を吸収してしまうため、金属反射層と窒化物半導体薄膜（以下、窒化物半導体層と称する）とが直接接触している場合と比較して、窒化物半導体発光素子の発光出力が低下してしまう。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、発光効率が高い窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、発明者らは鋭意検討を行い、以下の態様により、発光効率が高い窒化物半導体発光素子を実現することができるということを見出した。
すなわち、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に設けられた、発光層を有する窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた絶縁層と、前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられたコンタクト電極と、前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた反射層と、を備え、前記窒化物半導体層の一方の面は、第１の領域と、第１の領域から離れた第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域とを含み、前記絶縁層は、前記コンタクト電極及び前記反射層よりも電気抵抗が高く、かつ、前記第１の領域と接し、前記コンタクト電極は、前記第２の領域と接し、前記反射層は、前記発光層からの発光のピーク波長における反射率が前記コンタクト電極及び前記絶縁層よりも高く、かつ、前記第３の領域で前記窒化物半導体層と接する。
本発明の一態様に係る窒化物半導体発光装置は、上記の窒化物半導体発光素子を用いて得られる。

本発明の一態様によれば、発光効率が高い窒化物半導体発光素子を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す図である。 ｂ／（ａ＋ｂ）に対する電力変換効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本実施形態は、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。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜窒化物半導体発光素子＞
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に設けられた、発光層を有する窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた絶縁層と、前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられたコンタクト電極と、前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた反射層と、を備え、前記窒化物半導体層の一方の面は、第１の領域と、第１の領域から離れた第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域とを含み、前記絶縁層は、前記コンタクト電極及び前記反射層よりも電気抵抗が高く、かつ、前記第１の領域と接し、前記コンタクト電極は、前記第２の領域と接し、前記反射層は、前記発光層からの発光のピーク波長における反射率が前記コンタクト電極及び前記絶縁層よりも高く、かつ、前記第３の領域で前記窒化物半導体層と接する。

窒化物半導体発光素子には、コンタクト電極を介して集中的に電流が流れる。そのため一般的には、コンタクト電極直下での発光強度が最も強く、窒化物半導体発光素子が発光する光（以下、素子発光と称する）はコンタクト電極に最も強く照射され、コンタクト電極から遠ざかるほど素子発光の照射強度が低減していく。したがって、光取り出し側から発光を取り出す場合には、この光取り出し側の反対側に反射層を設け、素子発光の光を反射層で反射させることで、窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。例えば、光取り出し側の反対側（以下、反射側と称する）に位置するコンタクト電極の周囲に反射層を配置する場合が最も発光効率が高くなる。

しかし、ここで発光効率を高めるために、反射層の配置面積を大きくすると、窒化物半導体発光素子での電流のリークが大きくなる、ということを本発明者は新たに見出した。これは、反射層を構成する材料が窒化物半導体層内の欠陥を介して内部に拡散し、発光層まで到達することで電流がリークすることによるものと考えられる。
そこで、反射層のさらに周囲に絶縁層を配置し、反射層の面積を制限することで、電流がリークする現象を抑制することができる、ということを本発明者は見出した。これは、リークの発生率は、欠陥密度と反射層の被覆面積をパラメータとした指数関数で表現することができ、反射層の面積を小さくするとリークの発生率が指数関数的に減少することによるものと考えられる。

一方、リークの発生率をさらに減少させるために、コンタクト電極の周囲を全て絶縁層で覆い、絶縁層の上部に反射層を設けるような構造も考えられる。この場合、リークの発生率は低減するが、素子発光の光の一部は絶縁層によって吸収されてしまうため、反射層による反射効果が十分に活かされない。
つまり、コンタクト電極の周囲の一部分のみに反射層を設け、その周囲を絶縁層で被覆することで、発光効率が高く、且つ、信頼性に優れた窒化物半導体発光素子を実現することができる。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子として、例えば、図１〜図５に示す形態の窒化物半導体発光素子が挙げられる。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す平面図と、第１〜第３の領域４１〜４３を示す平面図と、図１（ａ）に示す平面図をＡ−Ａ’線で切断した断面図である。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、基板１と、基板１の一方の面１ａ上に設けられた、発光層を有する窒化物半導体層２と、窒化物半導体層２の一方の面（すなわち、基板１と接する側の反対側の面）２ａ上に設けられた絶縁層３３と、窒化物半導体層２の一方の面２ａ上に設けられたコンタクト電極３１と、窒化物半導体層２の一方の面２ａ上に設けられた反射層３２と、を備える。窒化物半導体層２の一方の面２ａは、第１の領域４３と、第１の領域４３から離れた第２の領域４１と、第１の領域４３と第２の領域４１との間に位置する第３の領域４２とを含む。

絶縁層３３は、コンタクト電極３１及び反射層３２よりも電気抵抗が高く、かつ、第１の領域４３と接している。コンタクト電極３１は、第２の領域４１と接している。反射層３２は、発光層からの発光のピーク波長における反射率がコンタクト電極３１及び絶縁層３３よりも高く、かつ、第３の領域４２で窒化物半導体層２と接している。窒化物半導体層２の一方の面２ａ側が反射側であり、基板１の他方の面１ｂ側が光取り出し側である。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、外部から電圧を印加して電流を流し、発光が得られる機能を有する。窒化物半導体発光素子は、ＬＥＤでも、レーザーダイオードでもよい。発光層に電力を供給するために、必要に応じて、基板１の他方の面（すなわち、裏面）１ｂ側や窒化物半導体層２上にコンタクト電極３１とは異なる電極をさらに備えていてもよい。
また、本実施形態における窒化物半導体発光素子の他の形態としては、図２や図３に示す形態の窒化物半導体発光素子も挙げられる。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す平面図と、第１〜第３の領域４１〜４３を示す平面図と、図２（ａ）に示す平面図をＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す平面図と、第１〜第３の領域４１〜４３を示す平面図と、図３（ａ）に示す平面図をＣ−Ｃ’線で切断した断面図である。図２、図３に示す窒化物半導体素子は、図１に示した窒化物半導体発光素子と比べて、反射層３２と絶縁層３３の構造が異なっている。
具体的には、図２においては、絶縁層３３の少なくとも一部分が反射層３２で覆われている。素子発光の一部が絶縁層３３を透過する場合、絶縁層３３の上部に設けられた反射層３２により素子発光が反射されるため、光取り出し側への光強度を高めることができる。したがって、図１に示した構造よりも図２に示した構造の方が、発光効率をさらに高めることができる。

また図３においては、さらにコンタクト電極３１の少なくとも一部にも反射層３２が被覆されている。素子発光の一部がコンタクト電極３１を透過する場合（特にコンタクト電極の膜厚が薄い場合）、コンタクト電極３１の上部に設けられた反射層３２により素子発光が反射されるため、光取り出し側への光強度を高めることができる。したがって、図２に示した構造よりも図３に示した構造の方が、発光効率がさらに高くなる。なお、反射層３２が絶縁体の場合には、図３に示すようにコンタクト電極の上部の一部にのみ反射層３２を被覆しないことで、コンタクト電極と配線との電気的接続を確保することができる。
このように、絶縁層３３及びコンタクト電極３１の少なくとも一方の少なくとも一部分が、反射層３２で覆われていることにより、光取り出し側への光強度を高めることができ、発光効率をさらに高めることができる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す平面図と、第１〜第３の領域４１〜４３を示す平面図と、図４（ａ）に示す平面図をＤ−Ｄ’線で切断した断面図である。
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、窒化物半導体層２は発光層２０を有する。第４実施形態では、この発光層２０からの発光のピーク波長をλとし、窒化物半導体層２のコンタクト電極３１と接する部分のピーク波長λにおける屈折率をｎ１とし、絶縁層のピーク波長λにおける屈折率をｎ２とし、発光層２０からコンタクト電極３１までの最短距離をｔとし、反射層３２と窒化物半導体層２との界面におけるコンタクト電極３１と絶縁層３３との間の距離をＬとしたときに、以下の（１）式を満たす。
ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）＜ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｔ）＜９０°…（１）

この（１）式を満たすことにより、発光効率がさらに高い窒化物半導体発光素子を実現することができる。これは、コンタクト電極３１の直下の発光層２０で発光した光であって、反射側へ放出される光のうち、全反射が起こる臨界角であるθｃより低角で放射された光は反射層３２に入射するため、反射層３２で反射される光の割合が高くなり、高い発光効率が実現されるからである。
なお、本実施形態において、屈折率とは、絶対屈折率（すなわち、真空に対する媒質の屈折率）を意味する。また、ａｒｃｓｉｎはｓｉｎの逆関数ｓｉｎ^−１を意味し、ａｒｃｔａｎはｔａｎの逆関数ｔａｎ^−１を意味する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成例を示す平面図と、第１〜第３の領域４１〜４３を示す平面図と、図５（ａ）に示す平面図をＥ−Ｅ’線で切断した断面図である。図５（ａ）〜（ｃ）に示す第５実施形態では、図４（ａ）〜（ｃ）に示した第４実施形態と比べて、コンタクト電極３１と絶縁層３３との間の距離Ｌが短い。
なお、第５実施形態において、以下の（２）式を満たす場合は、（１）式を満たす場合と比べて、発光効率が低下することが予想される。
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｔ）≦ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）＝θｃ …（２）

これは、反射側へ放出される光のうち、全反射が起こる臨界角であるθｃより低角で放射された光は、部分的に絶縁層３３に入射するため、その一部は絶縁層３３で吸収されてしまうからである。それゆえ、発光効率が低くなることが予想される。
また、本実施形態において、コンタクト電極３１の窒化物半導体層２と接する部分の面積をａとし、反射層３２の窒化物半導体層２と接する部分の面積と、絶縁層３３の窒化物半導体層２と接する部分の面積との和をｂとしたときに、以下の（３）式を満たす場合、発光効率がさらに高くなる。
０．６＜ｂ／（ａ＋ｂ）＜０．９５…（３）

図６に、ｂ／（ａ＋ｂ）に対する電力変換効率をシミュレーション（ＳＴＲ社製のＬＥＤ チップ内の電流、及び温度分布計算専用シミュレーションソフトウェア“ＳｐｅＣＬＥＤ”を使用）した結果を示す。図６の横軸はｂ／（ａ＋ｂ）を示し、縦軸は電力変換効率［％］を示す。図６に示すように、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．６から０．９５の領域で、電力変換効率はピークを持つことが分かる。これは、ｂ／（ａ＋ｂ）が大きくなるほど反射層３２の面積が大きくなるため発光効率が高くなるが、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．８５より大きくなると電流がコンタクト電極３１の直下に局所的に非常に集中し、電流ドループと呼ばれる発光効率の低下が起こるためと予想される。電流ドループの原因としては、発光層２０での発熱や、量子井戸内での再結合確率の低下などが挙げられる。上記理由により、電力変換効率は、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．６から０．９５の領域で、ピークを持つ。

次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の各構成部について、より具体的に説明する。
＜基板＞
本実施形態の窒化物半導体発光素子における基板は、基板上に窒化物半導体を形成することが可能なものであれば特に制限されない。基板として、具体的にはサファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶基板等が挙げられるが、基板の上層側に形成する窒化物半導体との格子定数差が小さく、欠陥の発生の少ない窒化物半導体層を成長できるＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等の窒化物半導体基板が望ましい。また、基板には不純物が混入していてもよい。基板の作製方法としては、昇華法やＨＶＰＥ法等の気層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。
基板と窒化物半導体層との界面での反射を抑制する観点から、基板は窒化物半導体層との屈折率差が小さいＡｌＮであることが好ましい。

＜窒化物半導体層＞
本実施形態の窒化物半導体発光素子における窒化物半導体層は、基板と接する面とは反対の面において、絶縁層と接する第１の領域と、コンタクト電極と接する第２の領域と、反射層と接する第３の領域を有する。第３の領域は、第１の領域と第２の領域との間の領域である。また、窒化物半導体層は、基板と接する面とは反対の面において、上述の第１、第２及び第３の領域以外に、他の層と接する領域や、いずれの層とも接しない領域を有してもよい。

窒化物半導体層の具体的な構成については、電流を印加した際に発光する機能を有していれば特に制限されない。窒化物半導体層は窒化物半導体からなる層であれば特に制限はされないが、高い発光効率を実現する観点からＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの単結晶および混晶であることが望ましい。窒化物半導体層は、Ｎの他にＰ、Ａｓ、Ｓｂといった他のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉといった不純物が混入していてもよい。
本実施形態の窒化物半導体層は、素子発光する発光層を有している必要がある。発光層は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。

窒化物半導体層の成長法としては、例えばＭＯＶＰＥ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、これに限定するものではない。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。
また、本実施形態の窒化物半導体発光素子における窒化物半導体層は、コンタクト電極、反射層及び絶縁層とそれぞれ接するｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ（０≦ｘ＜１）層と、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層の直下に配置されて該ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層と接するｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１―ｙＮ（０≦ｘ＜ｙ＜１）層と、を有し、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層の厚みが１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってもよい。「ｐ−」は、導電型がｐ型であることを意味する。本構造を窒化物半導体層が有することで、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１―ｙＮ層との界面に圧縮応力による２次元ホールガスが発生する。この２次元ホールガスを電流拡散層として活用することで、発光層内部において反射層直下での発光強度を強めることができる。

２次元ホールガスの発生には、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層が臨界膜厚を越えない設計であることが最も効果的である。ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層にはｐ−ＧａＮ層が用いられてもよい。この場合、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１―ｙＮ層の格子定数差が大きくなり、臨界膜厚は小さくなる。このような素子でも２次元ホールガスを効果的に発生させるため、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層の厚みは１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であることが好ましい。ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層の厚みが２０ｎｍを超える場合には、臨界膜厚を越え、ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層にクラックが入り、歩留まりが低下することが予想される。

＜絶縁層＞
本実施形態の窒化物半導体発光素子における絶縁層は、窒化物半導体層上の第１の領域と接し、かつ、コンタクト電極及び反射層よりも電気抵抗が高い。絶縁層は、その上層に導電性材料を被覆した場合に、窒化物半導体層内の欠陥に導電性材料が拡散し、窒化物半導体発光素子が電流のリークを引き起こすことを抑制する目的で配置される。また、絶縁層は、窒化物半導体層の表面を覆うことで静電気、水、物理的な衝撃などから窒化物半導体発光素子を保護する効果がある。絶縁層の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物または窒化物などが挙げられるが、この限りではない。絶縁層は、形成プロセスが簡便であることから、特に、ＳｉＯ_２またはＳｉＮであることが好ましい。
また本実施形態の窒化物半導体発光素子における絶縁層は、絶縁層及びコンタクト電極の少なくとも一方の少なくとも一部分が、反射層で覆われていてもよい。発光層からの素子発光の一部が絶縁層を透過する場合に、絶縁層を覆う反射層により素子発光が反射されるため、発光効率がさらに高くなる。

＜コンタクト電極＞
本実施形態の窒化物半導体発光素子におけるコンタクト電極は、窒化物半導体層上の第２の領域と接する。
コンタクト電極の定義としては、コンタクト電極を介して窒化物半導体素子に電流を流すことができる機能を有していることである。コンタクト電極の材料としては、窒化物半導体素子に電子を注入する目的であれば、一般的な窒化物半導体発光素子のＮ型電極に対応する材料を使用することが可能であり、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。また窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入することが目的であれば、一般的な窒化物半導体発光素子のＰ型電極に対応する材料を使用することが可能であり、例えばＮｉ、Ａｕ、 Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。コンタクト電極は、窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕもしくはこれらの合金、またはＩＴＯが好ましい。ここで、コンタクト電極が複数の材料による層構造や合金である場合には、それらを本発明における「コンタクト電極」として定義する。

本実施形態の窒化物半導体発光素子におけるコンタクト電極は、絶縁層及び反射層よりも窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さくてもよい。これにより、コンタクト電極を介しての電流注入の効率が高まり、発光効率がさらに高い窒化物半導体発光素子が実現される。「コンタクト抵抗」の測定方法としては、基板上にｐ型ＧａＮを２００ｎｍ成膜し、その上にコンタクト電極の候補材料を配置し、コンタクト電極と半導体との間の抵抗を測定する方法が挙げられる。この方法により、コンタクト抵抗を確認することができる。コンタクト電極の候補材料の配置は特に制限されないが、例えばＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．２、ｐｐ９１−９４．に記載されているＴＬＭ法を用いることができる。

＜反射層＞
本実施形態の窒化物半導体発光素子における反射層は、コンタクト電極及び絶縁層よりも発光層からの発光のピーク波長における反射率が高く、かつ、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域で窒化物半導体層と接する。
反射層としては発光を反射する観点から、特定の波長に高い反射率を有するＡｇ、Ｒｈ、 Ａｌ等の金属や、誘電体多層膜を用いた反射膜、フッ素樹脂等が望ましい。反射層としては、深紫外から赤外まで高い反射率を有するＡｌまたはＡｇが好ましい。

反射層の定義としては、コンタクト電極よりも反射率が高く、絶縁層とは異なる材料である。反射率の確認法としては、反射層の材料を、発光層からの発光のピーク波長に対して透明となる透明材料上に形成し、反射率測定機器で透明材料側から素子発光のピーク波長となる光を入射、反射させた際に得られる垂直反射率のことを指す。例えば、コンタクト電極としてＮｉＡｕを用い、反射層としてＡｌを用い、発光のピーク波長が２６５ｎｍの窒化物半導体発光素子を用いた場合の「反射層」の確認手法としては、波長２６５ｎｍの光を透過するサファイア基板上にＮｉＡｕ積層電極を形成し、サファイア側から光を入射させた場合の垂直反射率よりも、サファイア基板上に同じ膜厚でＡｌを形成し、サファイア側から光を入射させた場合の垂直反射率の方が高ければ、この場合、Ａｌは反射層であると確認できる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態によれば、平面視で、コンタクト電極の周囲に反射層が配置されている。これにより、素子発光のうち、反射側に向けて放射された光を反射層で反射させて、光取り出し側から出射させることができる。したがって、発光効率が高い窒化物半導体発光素子を実現することができる。
また、反射層のさらに周囲（すなわち、コンタクト電極から見て、反射層よりもさらに外側）に絶縁層が配置されている。これにより、反射層の面積を制限することができ、窒化物半導体層内に欠陥がある場合でも、この欠陥に反射層を構成する材料が拡散して電流がリークすることを抑制することができる。この電流リークを抑制する効果は、反射層を構成する材料として、窒化物半導体層への拡散が大きい金属を用いた場合に特に顕著となる。電流リークを抑制することで、窒化物半導体発光素子の信頼性を高めることができる。

＜窒化物半導体発光装置＞
また本実施形態の窒化物半導体発光素子を用いて窒化物半導体発光装置を作製してもよい。本実施形態の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体発光素子から放射される紫外線を用いて、殺菌、計測、樹脂硬化、治療、半導体加工などを行う、種々の窒化物半導体発光装置に用いることが可能である。
窒化物半導体発光装置の一例としては、殺菌装置、計測装置、樹脂硬化装置等が挙げられる。
殺菌装置の一例としては、冷蔵庫、空気洗浄器、加湿器、除湿器、便器などの装置内に窒化物半導体発光素子を組み込むことで、雑菌が繁殖しやすい場所の殺菌を行うことができる。

また殺菌装置の別の例としては、ウォーターサーバーや浄水器、給水器、排水処理装置、透析用水殺菌モジュールなどの装置内に窒化物半導体発光素子を組み込むことで、水などの流体内に含まれる雑菌を殺菌することができる。
また殺菌装置の別の例としては、掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機などの装置内に窒化物半導体発光素子を組み込むことで、床や布などの表面及び内部に含まれる雑菌を殺菌することができる。
また殺菌装置の別の例としては、室内殺菌灯に窒化物半導体発光素子を組み込むことで、空気中の細菌の殺菌を行うことができる。

＜実施例１＞
ＡｌＮ基板上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、ＡｌＧａＮ電子ブロック層、Ａｌ組成が多重量子井戸からｐ−ＧａＮ層に向かって８５％から２０％へ連続的に変化するＡｌＧａＮ組成傾斜層を成膜した。その上にｐ型ＧａＮ層を１０ｎｍ成膜した。発光層からｐ型ＧａＮの最表面までの距離は６０ｎｍであった。この薄膜の一部をＮ型ＡｌＧａＮが露出するように塩素系ガスでドライエッチングした。得られた素子上にＳｉＯ_２を２００ｎｍ成膜した。さらに、Ｎ型ＡｌＧａＮ上にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの合金からなるＮ型電極を、ｐ−ＧａＮ層上の一部にＮｉ、Ａｕの合金からなるコンタクト電極を、ＳｉＯ_２をエッチング除去した後にそれぞれ配置した。次に、ｐ−ＧａＮ上のコンタクト電極の周囲を５μｍ露出させるようにＳｉＯ_２をエッチング除去し、ＳｉＯ_２、露出したｐ−ＧａＮ、コンタクト電極を覆うようにＡｌを蒸着した。得られた窒化物半導体発光素子に電流を流したところ、１００ｍＡの電流において、ピーク波長２７５ｎｍで出力３．２ｍＷの発光が得られた。

＜実施例２＞
ＡｌＮ基板上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、ＡｌＧａＮ電子ブロック層、Ａｌ組成が多重量子井戸からｐ−ＧａＮ層に向かって８５％から０％へ連続的に変化するＡｌＧａＮ組成傾斜層を成膜した。その上にｐ型ＧａＮ層を１０ｎｍ成膜した。この薄膜の一部をＮ型ＡｌＧａＮが露出するように塩素系ガスでドライエッチングした。得られた素子上にＳｉＯ_２を２００ｎｍ成膜し、さらにＮ型ＡｌＧａＮ上にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの合金からなるＮ型電極を、ｐ−ＧａＮ層上の一部にＮｉ、Ａｕの合金からなるコンタクト電極を、ＳｉＯ_２をエッチング除去した後にそれぞれ配置した。次に、ｐ−ＧａＮ上のコンタクト電極の周囲を５μｍ露出させるようにＳｉＯ_２をエッチング除去し、ＳｉＯ_２、露出したｐ−ＧａＮ、コンタクト電極を覆うようにＡｌを蒸着した。得られた窒化物半導体発光素子に電流を流したところ、１００ｍＡの電流において、ピーク波長２７５ｎｍで出力２．０ｍＷの発光が得られた。

＜実施例３＞
ＡｌＮ基板上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、ＡｌＧａＮ電子ブロック層、Ａｌ組成が多重量子井戸からｐ−ＧａＮ層に向かって８５％から２０％へ連続的に変化するＡｌＧａＮ組成傾斜層を成膜した。その上にｐ型ＧａＮ層を１０ｎｍ成膜した。発光層からｐ型ＧａＮの最表面までの距離は６０ｎｍであった。この薄膜の一部をＮ型ＡｌＧａＮが露出するように塩素系ガスでドライエッチングした。得られた素子上にＳｉＯ_２を２００ｎｍ成膜し、さらにＮ型ＡｌＧａＮ上にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの合金からなるＮ型電極を、ｐ−ＧａＮ層上の一部にＮｉ、Ａｕの合金からなるコンタクト電極を、ＳｉＯ_２をエッチング除去した後にそれぞれ配置した。次に、ＳｉＯ_２、コンタクト電極を覆うようにＡｌを蒸着た。得られた窒化物半導体発光素子に電流を流したところ、１００ｍＡの電流において、ピーク波長２７５ｎｍで出力１．９ｍＷの発光が得られた。

＜実施例４＞
ＡｌＮ基板上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、ＡｌＧａＮ電子ブロック層、Ａｌ組成が多重量子井戸からｐ−ＧａＮ層に向かって８５％から２０％へ連続的に変化するＡｌＧａＮ組成傾斜層を成膜した。その上にｐ型ＧａＮ層を５０ｎｍ成膜した。この薄膜の一部をＮ型ＡｌＧａＮが露出するように塩素系ガスでドライエッチングした。得られた素子上にＳｉＯ_２を２００ｎｍ成膜し、さらにＮ型ＡｌＧａＮ上にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの合金からなるＮ型電極を、ｐ−ＧａＮ層上の一部にＮｉ、Ａｕの合金からなるコンタクト電極を、ＳｉＯ_２をエッチング除去した後にそれぞれ配置した。次に、ｐ−ＧａＮ上のコンタクト電極の周囲を５μｍ露出させるようにＳｉＯ_２をエッチング除去し、ＳｉＯ_２、露出したｐ−ＧａＮ、コンタクト電極を覆うようにＡｌを蒸着した。得られた窒化物半導体発光素子に電流を流したところ、１００ｍＡの電流において、ピーク波長２７５ｎｍで出力２．０ｍＷの発光が得られた。

＜比較例＞
ＡｌＮ基板上にＮ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成膜し、Ａｌ組成が多重量子井戸からｐ−ＧａＮ層に向かって８５％から２０％へ連続的に変化するＡｌＧａＮ組成傾斜層を形成した。その上層にｐ型ＧａＮ層を１０ｎｍ成膜した。この薄膜の一部をＮ型ＡｌＧａＮが露出するように塩素系ガスでドライエッチングした。Ｎ型ＡｌＧａＮ上にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの合金からなるＮ型電極を配置し、ｐ−ＧａＮ層上の一部にＮｉ、Ａｕの合金からなるコンタクト電極を配置した。その後、ｐ−ＧａＮの一部、コンタクト電極を覆うようにＡｌを蒸着した。得られた窒化物半導体発光素子に電流を流したところ、１００ｍＡの電流において、ピーク波長２７５ｎｍで出力０．５ｍＷの発光が得られた。

＜比較の結果＞
以上から、実施例１〜５は、比較例よりも発光効率が高いことを確認した。
＜本発明の技術的思想＞
本発明の技術的思想は、以上に記載した実施形態や実施例に特定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の技術的思想に含まれる。

１ 基板
２ 窒化物半導体層
２０ 発光層
３１ コンタクト電極
３２ 反射層
３３ 絶縁層
４１ 第２の領域
４２ 第３の領域
４３ 第１の領域

Claims (11)

1. 紫外線を発光する窒化物半導体発光素子であって、
   基板と、
   前記基板上に設けられた、発光層を有する窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた絶縁層と、
   前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられたコンタクト電極と、
   前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた反射層と、を備え、
   前記窒化物半導体層の一方の面は、第１の領域と、第１の領域から離れた第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域とを含み、
   前記絶縁層は、前記コンタクト電極及び前記反射層よりも電気抵抗が高く、かつ、前記第１の領域と接し、
   前記コンタクト電極は、前記第２の領域と接し、
   前記反射層は、前記発光層からの発光のピーク波長における反射率が前記コンタクト電極及び前記絶縁層よりも高く、かつ、前記第３の領域で前記窒化物半導体層と接し、
   前記発光層からの発光のピーク波長をλとし、
   前記窒化物半導体層の前記コンタクト電極と接する部分の前記ピーク波長λにおける屈折率をｎ１とし、
   前記絶縁層の前記ピーク波長λにおける屈折率をｎ２とし、
   前記発光層から前記コンタクト電極までの最短距離をｔとし、
   前記反射層と前記窒化物半導体層との界面における前記コンタクト電極と前記絶縁層との間の距離をＬとしたときに、
   ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）＜ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｔ）＜９０°
   を満たす窒化物半導体発光素子。
2. 紫外線を発光する窒化物半導体発光素子であって、
   基板と、
   前記基板上に設けられた、発光層を有する窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた絶縁層と、
   前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられたコンタクト電極と、
   前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた反射層と、を備え、
   前記窒化物半導体層の一方の面は、第１の領域と、第１の領域から離れた第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域とを含み、
   前記絶縁層は、前記コンタクト電極及び前記反射層よりも電気抵抗が高く、かつ、前記第１の領域と接し、
   前記コンタクト電極は、前記第２の領域と接し、
   前記反射層は、前記発光層からの発光のピーク波長における反射率が前記コンタクト電極及び前記絶縁層よりも高く、かつ、前記第３の領域で前記窒化物半導体層と接し、
   前記コンタクト電極の前記窒化物半導体層と接する部分の面積をａとし、
   前記反射層の前記窒化物半導体層と接する部分の面積と、前記絶縁層の前記窒化物半導体層と接する部分の面積との和をｂとしたときに、
   ０．６＜ｂ／（ａ＋ｂ）＜０．９５を満たす窒化物半導体発光素子。
3. 前記発光層からの発光のピーク波長をλとし、
   前記窒化物半導体層の前記コンタクト電極と接する部分の前記ピーク波長λにおける屈折率をｎ１とし、
   前記絶縁層の前記ピーク波長λにおける屈折率をｎ２とし、
   前記発光層から前記コンタクト電極までの最短距離をｔとし、
   前記反射層と前記窒化物半導体層との界面における前記コンタクト電極と前記絶縁層との間の距離をＬとしたときに、
   ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）＜ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｔ）＜９０°
   を満たす請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記絶縁層及び前記コンタクト電極の少なくとも一方の少なくとも一部分が、前記反射層で覆われている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記コンタクト電極は、前記絶縁層及び前記反射層よりも前記窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が小さい請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記窒化物半導体層は、
   前記コンタクト電極、前記反射層及び前記絶縁層とそれぞれ接するｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１-ＸＮ（０≦ｘ＜１）層と、
   前記ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１-ＸＮ層の直下に配置されて該ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１-ＸＮ層と接するｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１-ｙＮ（０≦ｘ＜ｙ＜１）層と、を有し、
   前記ｐ−Ａｌ_ＸＧａ_１-ＸＮ層の厚みが１ｎｍ以上２０ｎｍ未満である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記コンタクト電極は、Ｎｉ、Ａｕもしくはこれらの合金、またはＩＴＯを含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記反射層は、ＡｌまたはＡｇを含む請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記絶縁層は、ＳｉＯ_２またはＳｉＮである請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記基板がＡｌＮである請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子を用いて得られる窒化物半導体発光装置。

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