WO2015151471A1 - 紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器 - Google Patents

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ultraviolet light
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algan layer
light emitting
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卓哉 美濃
隆好 高野
憲路 野口
椿　健治
阪井　淳
秀樹 平山
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パナソニック株式会社
独立行政法人理化学研究所
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Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet light emitting element that radiates ultraviolet rays and an electric device using the same.
  • This gallium nitride compound semiconductor laser diode can prevent the diffusion of Mg from the Mg - doped p-type Al Y Ga 1-Y N layer by absorbing it in the undoped Al X Ga 1-X N layer.
  • the stoichiometry of X and Y is 0 ⁇ X ⁇ Y ⁇ 1.
  • the present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide an ultraviolet light emitting element capable of improving the light emission efficiency and an electric device using the same.
  • the ultraviolet light emitting device of the present invention includes a sapphire substrate, an n-type AlGaN layer, a light emitting layer, a cap layer, an electron barrier layer, and a p-type contact layer made of a p-type GaN layer.
  • the light emitting layer has a multiple quantum well structure.
  • the multiple quantum well structure includes a plurality of barrier layers each composed of a first AlGaN layer and a plurality of well layers each composed of a second AlGaN layer.
  • the electron barrier layer includes a first p-type AlGaN layer having an Al composition ratio larger than that of the barrier layer, an Al composition ratio larger than that of the plurality of well layers, and is higher than that of the first p-type AlGaN layer.
  • a second p-type AlGaN layer having a small Al composition ratio The first p-type AlGaN layer and the second p-type AlGaN layer contain Mg.
  • the cap layer is interposed between a well layer closest to the first p-type AlGaN layer among the plurality of well layers in the multiple quantum well structure and the first p-type AlGaN layer.
  • the cap layer is a third AlGaN layer having a larger Al composition ratio than the plurality of well layers and a smaller Al composition ratio than the first p-type AlGaN layer.
  • the cap layer has a thickness of 1 nm to 7 nm.
  • An electrical device of the present invention includes the ultraviolet light emitting element and a device body.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the ultraviolet light-emitting device of the embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the cap layer and the relative luminous efficiency.
  • FIG. 3 is a cross-sectional transmission (electron / microscope / image) of the ultraviolet light-emitting device of the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a modified example of the ultraviolet light emitting element of the embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the first layer (the first p-type AlGaN layer closest to the cap layer) and the relative luminous efficiency.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thickness of the first layer and the relative lifetime.
  • Drawing 7 is a schematic structure figure of a vacuum cleaner which is an example of an electric equipment of an embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a refrigerator that is another example of the electrical apparatus of the embodiment.
  • the ultraviolet light emitting element 10 includes a sapphire substrate 1, an n-type AlGaN layer 3, a light emitting layer 4, a cap layer 5, an electron barrier layer 6, and a p-type contact layer 7 made of a p-type GaN layer.
  • the light emitting layer 4 has a multiple quantum well structure.
  • the multiple quantum well structure includes a plurality of barrier layers 41 each composed of a first AlGaN layer, and a plurality of well layers 42 each composed of a second AlGaN layer.
  • the electron barrier layer 6 includes a first p-type AlGaN layer 61 and a second p-type AlGaN layer 62.
  • the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62 contain Mg.
  • the cap layer 5 is interposed between the well layer 42 closest to the first p-type AlGaN layer 61 among the plurality of well layers 42 in the multiple quantum well structure and the first p-type AlGaN layer 61.
  • the cap layer 5 is a third AlGaN layer having a larger Al composition ratio than the second AlGaN layer and a smaller Al composition ratio than the first p-type AlGaN layer 61.
  • the thickness of the cap layer 5 is 1 nm or more and 7 nm or less. Therefore, the ultraviolet light emitting element 10 can improve the light emission efficiency.
  • the composition ratio is a value obtained by composition analysis by EDX method (EnergyEnDispersive X-ray Spectroscopy).
  • EDX method EulegyEnDispersive X-ray Spectroscopy
  • the composition ratio is not limited to the EDX method, and may be a value obtained by composition analysis by Auger Electron Spectroscopy, for example.
  • the ultraviolet light emitting element 10 has a mesa structure 11.
  • the mesa structure 11 is a part of the multilayer structure 20 including the n-type AlGaN layer 3, the light emitting layer 4, the cap layer 5, the electron barrier layer 6, and the p-type contact layer 7. It is formed by etching from the 20a side to the middle of the n-type AlGaN layer 3.
  • the multilayer structure 20 including the n-type AlGaN layer 3, the light-emitting layer 4, the cap layer 5, the electron barrier layer 6, and the p-type contact layer 7 includes the n-type AlGaN layer 3, the light-emitting layer 4, and the cap layer from the sapphire substrate 1 side. 5, the electron barrier layer 6 and the p-type contact layer 7 are arranged in this order.
  • the surface 7 a of the p-type contact layer 7, the surface 20 a of the multilayer structure 20, and the upper surface 11 a of the mesa structure 11 are configured by the same surface.
  • the first electrode 8 is formed on the surface 3 a of the n-type AlGaN layer 3, and the second electrode 9 is formed on the surface 7 a of the p-type contact layer 7.
  • the first electrode 8 is electrically connected to the n-type AlGaN layer 3.
  • the second electrode 9 is electrically connected to the p-type contact layer 7.
  • the first electrode 8 constitutes a negative electrode (also referred to as “n electrode”).
  • the second electrode 9 forms a positive electrode (also referred to as “p electrode”).
  • an insulating film is formed across a part of the upper surface 11 a of the mesa structure 11, a side surface 11 b of the mesa structure 11, and a part of the surface 3 a of the n-type AlGaN layer 3.
  • the material of the insulating film for example, SiO 2 can be employed.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can be, for example, an ultraviolet light emitting diode having an emission peak wavelength in the ultraviolet wavelength region of 210 nm to 360 nm. Thereby, the ultraviolet light emitting element 10 can be used in fields such as high-efficiency white illumination, sterilization, medical treatment, and uses for treating environmental pollutants at high speed.
  • the emission peak wavelength of the well layer 42 in the light emitting layer 4 is preferably in the ultraviolet wavelength region of 260 nm to 285 nm.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can emit ultraviolet light in the 260 nm to 285 nm band that is easily absorbed by DNA of viruses and bacteria, and can be sterilized efficiently.
  • the chip size of the ultraviolet light emitting element 10 is set to 400 ⁇ m ⁇ (400 ⁇ m ⁇ 400 ⁇ m), but is not limited thereto.
  • the chip size can be appropriately set within a range of, for example, about 200 ⁇ m ⁇ (200 ⁇ m ⁇ 200 ⁇ m) to 1 mm ⁇ (1 mm ⁇ 1 mm).
  • the planar shape of the ultraviolet light emitting element 10 is not limited to a square shape, and may be, for example, a rectangular shape. When the planar shape of the ultraviolet light emitting element 10 is rectangular, the chip size of the ultraviolet light emitting element 10 can be set to, for example, 500 ⁇ m ⁇ 240 ⁇ m.
  • the multilayer structure 20 including the n-type AlGaN layer 3, the light emitting layer 4, the cap layer 5, the electron barrier layer 6, and the p-type contact layer 7 can be formed by an epitaxial growth method.
  • a metal-organic vapor-phase (MOVPE) method is preferably employed, and a reduced pressure MOVPE method is more preferably employed.
  • MOVPE metal-organic vapor-phase
  • the epitaxial growth method is not limited to the MOVPE method, and for example, a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like may be employed.
  • the first surface 1a is preferably a (0001) plane, that is, a c-plane.
  • the sapphire substrate 1 preferably has an off angle from the (0001) plane of 0 to 0.3 °.
  • the first surface 1a of the sapphire substrate 1 is not limited to the c-plane, and for example, an m-plane, a-plane, R-plane, or the like can be adopted.
  • the second surface 1 b of the sapphire substrate 1 constitutes a light extraction surface from which ultraviolet rays are emitted.
  • the ultraviolet light emitting element 10 preferably includes a buffer layer 2 interposed between the sapphire substrate 1 and the n-type AlGaN layer 3.
  • the n-type AlGaN layer 3 is preferably formed on the first surface a side of the sapphire substrate 1 via the buffer layer 2.
  • the multilayer structure 20 includes the buffer layer 2.
  • the buffer layer 2 can be composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the buffer layer 2 is a layer provided for the purpose of reducing threading dislocations.
  • the buffer layer 2 is a half of an X-ray rocking curve (XRC) by an ⁇ -scan of X-ray diffraction with respect to the (10-12) plane of the Al x Ga 1-x N layer (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the value width is preferably 400 arcsec or less.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can have a dislocation density of 3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 2 or less, and can improve luminous efficiency.
  • the dislocation density is the number of threading dislocations per unit area, and is a value obtained from a cross-sectional TEM image.
  • the band gap energy of the buffer layer 2 is preferably larger than the band gap energy of the plurality of well layers 42. Thereby, the ultraviolet light emitting element 10 can suppress the ultraviolet rays radiated from the light emitting layer 4 from being absorbed by the buffer layer 2 and can improve the light extraction efficiency.
  • the buffer layer 2 is more preferably an AlN layer. Thereby, in the ultraviolet light emitting element 10, the buffer layer 2 is composed of an AlN layer having the largest band gap energy among the Al x Ga 1-x N layers (0 ⁇ x ⁇ 1). It is possible to further suppress the emitted ultraviolet light from being absorbed by the buffer layer 2.
  • the thickness of the buffer layer 2 is preferably 3 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less.
  • the thickness of the buffer layer 2 can be set to 4 ⁇ m, for example.
  • the ultraviolet light emitting element 10 preferably has a gap (see the cross-sectional TEM image in FIG. 3) inside the buffer layer 2.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can improve the crystallinity of the buffer layer 2 and the crystallinity of the light emitting layer 4 and the like due to the presence of voids inside the buffer layer 2. Thereby, the ultraviolet light emitting element 10 can improve the luminous efficiency.
  • the voids inside the buffer layer 2 reduce the threading dislocations by eliminating or bending the threading dislocations extending from the interface between the sapphire substrate 1 and the buffer layer 2 when the buffer layer 2 is formed. It is assumed that it has a function of reducing threading dislocations.
  • the voids in the buffer layer 2 reduce the tensile stress generated in the buffer layer 2 due to the difference in thermal expansion coefficient between sapphire and AlGaN when the buffer layer 2 is formed, thereby reducing the buffer layer 2. 2 is considered to have a function of suppressing the generation of cracks in the layer 2 and the warpage of the buffer layer 2.
  • the void exists in the range from the interface between the sapphire substrate 1 and the buffer layer 2 to 2 ⁇ m in the thickness direction of the buffer layer 2.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can improve the flatness of the surface of the buffer layer 2.
  • the buffer layer 2 is an AlN layer
  • the difference in lattice constant between AlN and sapphire is as large as 10% or more. Therefore, when the buffer layer 2 is grown, Grows in three dimensions.
  • the ultraviolet light emitting element 10 when the buffer layer 2 is grown, if the growth thickness exceeds 2 ⁇ m, adjacent AlN crystals are connected to each other, the surface becomes flat, and a void is formed inside. Is done.
  • the n-type AlGaN layer 3 is a layer for transporting electrons to the light emitting layer 4.
  • the composition ratio of the n-type AlGaN layer 3 is preferably set so that ultraviolet rays emitted from the light emitting layer 4 can be efficiently emitted.
  • the Al composition ratio of the n-type AlGaN layer 3 is equal to the Al composition ratio of the barrier layer 41.
  • the Al composition ratio of the n-type AlGaN layer 3 is not limited to the same as the Al composition ratio of the barrier layer 41 but may be different.
  • the Al composition ratio of the n-type AlGaN layer 3 is 0.50 or more and 0.70 or less.
  • the 260 nm to 285 nm ultraviolet rays emitted from the light emitting layer 4 are absorbed by the n-type AlGaN layer 3 and the light extraction efficiency is improved. It will decline.
  • the composition ratio of Al in the n-type AlGaN layer 3 is larger than 0.70, the ultraviolet light emitting element 10 has a large composition difference from the light emitting layer 4 designed to emit ultraviolet light of 260 nm to 285 nm. Defects are likely to occur in the light emitting layer 4.
  • the donor impurity of the n-type AlGaN layer 3 is Si, and the Si doping concentration of the n-type AlGaN layer 3 is preferably 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • the Si doping concentration of the n-type AlGaN layer 3 is less than 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , the ultraviolet light emitting element 10 cannot form an ohmic contact between the first electrode 8 and the n-type AlGaN layer 3, or has an ohmic property. Will fall.
  • the Si doping concentration of the n-type AlGaN layer 3 is higher than 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , the crystallinity of the n-type AlGaN layer 3 is lowered.
  • the doping concentration of Si in the n-type AlGaN layer 3 can be measured by, for example, SIMS analysis (secondary ion mass spectroscopy analysis).
  • the thickness of the n-type AlGaN layer 3 is preferably 1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less.
  • the thickness of the n-type AlGaN layer 3 is less than 1 ⁇ m, the current path in the n-type AlGaN layer 3 becomes narrow and the driving voltage becomes high.
  • the thickness of the n-type AlGaN layer 3 is larger than 3 ⁇ m, cracks may occur due to accumulation of strain in the n-type AlGaN layer 3.
  • the n-type AlGaN layer 3 is not limited to a single layer structure, and may be a stacked structure of a plurality of n-type AlGaN layers having different Al composition ratios, for example.
  • the light emitting layer 4 emits light by recombination of two types of carriers (electrons and holes) injected into the well layer 42.
  • the light emitting layer 4 can set the light emission peak wavelength to an arbitrary light emission peak wavelength in the range of 210 nm to 360 nm by changing the Al composition ratio of the second AlGaN layer constituting the well layer 42. is there.
  • the light emitting layer 4 includes a well layer 42 configured to emit ultraviolet light having an emission peak wavelength in the range of 210 nm to 360 nm.
  • the Al composition ratio of the second AlGaN layer may be set to 0.50.
  • the thickness of the barrier layer 41 is set to 10 nm and the thickness of the well layer 42 is set to 2 nm.
  • the thickness is not limited to these.
  • the thickness of the barrier layer 41 is preferably 2 nm or more and 20 nm or less.
  • the ultraviolet light-emitting element 10 is presumed that when the thickness of the barrier layer 41 is less than 2 nm, the effect of confining carriers in the well layer 42 is reduced, and carriers are likely to leak from the well layer 42 and the light emission efficiency is reduced. Is done. Further, in the ultraviolet light emitting element 10, there is a concern that carriers are not injected into the well layer 42 when the thickness of the barrier layer 41 is larger than 20 nm.
  • the barrier layer 41 is preferably doped with Si, and the concentration of Si is preferably 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can relieve the distortion generated by the piezo electric field due to the lattice mismatch, and the light emission efficiency can be improved.
  • the Si concentration of the barrier layer 41 is less than 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3, the effect of reducing the strain generated by the piezoelectric field is reduced.
  • the Si concentration of the barrier layer 41 when the Si concentration of the barrier layer 41 is higher than 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , the crystallinity of the barrier layer 41 tends to decrease.
  • the Si concentration of the barrier layer 41 can be measured, for example, by SIMS analysis.
  • the thickness of the plurality of well layers 42 is preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less.
  • the ultraviolet light emitting element 10 tends to decrease the light emission efficiency when the thickness of the well layer 42 is less than 0.5 nm. This is presumably because when the thickness of the well layer 42 is less than 0.5 nm, the carrier confinement effect of the light emitting layer 4 is reduced. Moreover, the ultraviolet light emitting element 10 has a tendency that the light emission efficiency is lowered when the thickness of the well layer 42 is larger than 3 nm.
  • the electron barrier layer 6 suppresses that electrons that have not been recombined with holes in the light emitting layer 4 out of electrons injected into the light emitting layer 4 leak (overflow) to the p-type contact layer 7 side.
  • Layer. the electron barrier layer 6 is configured to function as an electron blocking layer that blocks electrons from the light emitting layer 4 side.
  • the Al composition ratio of the first p-type AlGaN layer 61 is set so that the band gap energy of the first p-type AlGaN layer 61 is higher than the band gap energy of the barrier layer 41.
  • the ultraviolet light emitting element 10 has a band gap energy of the first p-type AlGaN layer 61 of 6.1 eV, an Al composition ratio of 0.95, and a band gap energy of the second p-type AlGaN layer 62 of 5.0 eV.
  • the Al composition ratio is 0.60, it is not limited to these values.
  • the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62 contain Mg. Accordingly, the acceptor impurity of the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62 is Mg.
  • the thickness of the first p-type AlGaN layer 61 can be set to 20 nm, for example.
  • the thickness of the first p-type AlGaN layer 61 is not particularly limited, but if the thickness is too thin, the effect of suppressing overflow decreases, and if the thickness is too thick, the resistance of the ultraviolet light emitting element 10 increases. turn into.
  • the thickness of the first p-type AlGaN layer 61 can be set in the range of 7 nm to 24 nm, for example.
  • the second p-type AlGaN layer 62 is configured to function also as a layer for transporting holes to the light emitting layer 4.
  • the composition ratio of the second p-type AlGaN layer 62 is preferably set so that absorption of ultraviolet rays emitted from the light emitting layer 4 can be suppressed.
  • the Al composition ratio of the well layer 42 is 0.45 and the Al composition ratio of the barrier layer 41 is 0.60
  • the Al composition ratio of the second p-type AlGaN layer 62 is, for example, 0.6. be able to.
  • the second p-type AlGaN layer 62 can be composed of a p-type Al 0.60 Ga 0.40 N layer.
  • the Al composition ratio of the second p-type AlGaN layer 62 is not limited to being the same as the Al composition ratio of the barrier layer 41 and may be different.
  • the hole concentration of the second p-type AlGaN layer 62 is not particularly limited, and a higher concentration is preferable in the hole concentration range in which the film quality of the second p-type AlGaN layer 62 does not deteriorate.
  • the thickness of the second p-type AlGaN layer 62 can be set to 20 nm, for example.
  • the thickness of the second p-type AlGaN layer 62 is not particularly limited. However, in the ultraviolet light emitting element 10, it is difficult to make the hole concentration of the second p-type AlGaN layer 62 equal to or higher than the electron concentration of the n-type AlGaN layer 3, and the thickness of the second p-type AlGaN layer 62 is thick. If it is too large, the resistance of the ultraviolet light emitting element 10 becomes too large. For this reason, the thickness of the second p-type AlGaN layer 62 is preferably 200 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
  • the cap layer 5 is a diffusion preventing layer for suppressing impurities in the electron barrier layer 6 from diffusing into the light emitting layer 4.
  • the impurities in the electron barrier layer 6 include acceptor impurities in the electron barrier layer 6.
  • the acceptor impurity of the electron barrier layer 6 is an acceptor impurity of the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62, and more specifically, Mg.
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer constituting the cap layer 5 is set to 0.60.
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer is not limited to 0.60, but may be larger than the Al composition ratio of the well layer 42 and smaller than the Al composition ratio of the first p-type AlGaN layer 61.
  • the thickness of the cap layer 5 can be set to 5 nm, for example.
  • the p-type contact layer 7 is a layer for obtaining good ohmic contact with the second electrode 9.
  • the thickness of the p-type contact layer 7 is set to 400 nm, but is not limited thereto, and is preferably 10 nm or more and 500 nm or less.
  • the in-plane uniformity of the thickness of the p-type contact layer 7 tends to decrease or the in-plane variation of the electrical characteristics tends to increase. is there.
  • the thickness of the p-type contact layer 7 is larger than 500 nm, there is a tendency that cracks are likely to occur due to accumulation of strain.
  • the acceptor impurity of the p-type contact layer 7 is Mg, and the Mg doping concentration of the p-type contact layer 7 is preferably 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less.
  • the ultraviolet light emitting element 10 has a tendency that the light emission efficiency decreases when the Mg doping concentration of the p-type contact layer 7 is less than 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . This is presumably because the hole injection property of the p-type contact layer 7 is lowered.
  • the Mg doping concentration of the p-type contact layer 7 when the Mg doping concentration of the p-type contact layer 7 is less than 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , ohmic contact between the second electrode 9 and the p-type contact layer 7 cannot be obtained, Contact resistance tends to increase. Further, in the ultraviolet light emitting element 10, when the Mg doping concentration of the p-type contact layer 7 is higher than 5 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , the crystallinity of the p-type contact layer 7 tends to decrease.
  • the ultraviolet light emitting element 10 preferably includes a first pad electrode on the first electrode 8.
  • the first pad electrode can be formed of a laminated film of a Ti film and an Au film.
  • the first pad electrode is electrically connected to the first electrode 8.
  • the first pad electrode is preferably formed so as to cover the first electrode 8.
  • the ultraviolet light emitting element 10 preferably includes a second pad electrode on the second electrode 9.
  • the second pad electrode can be formed of a laminated film of a Ti film and an Au film.
  • the second pad electrode is electrically connected to the second electrode 9.
  • the second pad electrode is preferably formed so as to cover the second electrode 9.
  • the ultraviolet light emitting element 10 can be mounted on a mounting substrate, for example. “Mounting” is a concept including arranging the ultraviolet light emitting elements 10 and mechanically connecting them, and electrically connecting them.
  • the mounting substrate includes a support formed in a plate shape, and a wiring portion supported by the support and electrically connected to the ultraviolet light emitting element 10.
  • the wiring portion may include a first conductor portion to which the first pad electrode is electrically connected and a second conductor portion to which the second pad electrode is electrically connected.
  • the ultraviolet light emitting device joins the first pad electrode and the first conductor portion of the ultraviolet light emitting element 10 via the first bump, and connects the second pad electrode and the second conductor portion of the ultraviolet light emitting element 10 to each other.
  • the ultraviolet light emitting device may have a configuration in which one ultraviolet light emitting element 10 is mounted on one mounting substrate, or may have a configuration in which a plurality of ultraviolet light emitting elements 10 are mounted on one mounting substrate.
  • the support has a function of supporting the wiring part.
  • the support preferably has a function as a heat sink for efficiently transmitting the heat generated in the ultraviolet light emitting element 10 to the outside.
  • the ultraviolet light emitting device preferably includes a glass lid disposed to cover the ultraviolet light emitting element 10 in addition to the mounting substrate and the ultraviolet light emitting element 10.
  • the lid transmits ultraviolet rays emitted from the ultraviolet light emitting element 10.
  • the lid may have a flat plate shape, a lens shape, or a part of the lens shape.
  • the lid may have a dome shape.
  • the ultraviolet light emitting device may include a frame body disposed so as to surround the ultraviolet light emitting element 10 between the mounting substrate and the lid, and the frame body is emitted from the ultraviolet light emitting element 10 to the side. It may also serve as a reflector that reflects light toward the lid.
  • the mounting substrate may be constituted by an interposer, and the interposer may be bonded to a metal base printed wiring board or the like.
  • a sapphire wafer as a base for the sapphire substrate 1 of each of the plurality of ultraviolet light emitting elements 10 is prepared.
  • the sapphire wafer is pretreated, and then the sapphire wafer is introduced into an epitaxial growth apparatus. Laminate by the method.
  • the first surface of the sapphire wafer is a surface corresponding to the first surface 1 a of the sapphire substrate 1.
  • TMAl trimethylaluminum
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 is preferably employed as the N source gas.
  • TESi tetraethylsilane
  • Cp 2 Mg biscyclopentadienyl magnesium
  • H 2 gas is preferably used as the carrier gas of each source gas.
  • Each source gas is not particularly limited.
  • triethylgallium (TEGa) may be used as a Ga source gas
  • a hydrazine derivative may be used as a N source gas
  • monosilane (SiH 4 ) may be used as a Si source gas.
  • the growth condition of the multilayer structure 20 is that the buffer layer 2, the n-type AlGaN layer 3, the barrier layer 41, the well layer 42, the cap layer 5, the first p-type AlGaN layer 61, the second p-type AlGaN layer 62, and the p-type.
  • the substrate temperature means the temperature of the sapphire wafer.
  • the MOVPE apparatus is employed as the epitaxial growth apparatus, for example, the temperature of the susceptor that supports the sapphire wafer can be substituted for the substrate temperature.
  • the sapphire wafer on which the multilayer structure 20 is laminated is taken out from the epitaxial growth apparatus.
  • a structure including at least the sapphire wafer and the multilayer structure 20 is referred to as a wafer.
  • the wafer taken out from the epitaxial growth apparatus is introduced into the annealing apparatus, and the p-type impurities of the first p-type AlGaN layer 61, the second p-type AlGaN layer 62, and the p-type contact layer 7 are respectively obtained.
  • Annealing is performed to activate.
  • an annealing apparatus for performing annealing for example, a lamp annealing apparatus, an electric furnace annealing apparatus, or the like can be employed.
  • a p-type impurity means an acceptor impurity and is Mg.
  • the mesa structure 11 is formed using a photolithographic technique and an etching technique after taking out the wafer from the annealing apparatus.
  • an insulating film is formed.
  • the insulating film can be formed using a thin film formation technique such as a CVD (chemical vapor deposition) method, a photolithography technique, and an etching technique.
  • the first electrode 8 is formed after the above-described insulating film is formed.
  • a first resist layer patterned so as to expose only a region where the first electrode 8 is to be formed is exposed on the surface of the wafer.
  • a first laminated film in which an Au layer having a thickness of 100 nm is laminated is formed by vapor deposition.
  • the annealing process is a process for making the contact between the first electrode 8 and the n-type AlGaN layer 3 ohmic contact.
  • the laminated structure and each thickness of the first laminated film are examples and are not particularly limited.
  • the annealing treatment is preferably RTA (Rapid Thermal Annealing) in an N 2 gas atmosphere.
  • the conditions for the RTA treatment may be, for example, an annealing temperature of 700 ° C.
  • the annealing temperature is preferably a temperature at which Al diffusion easily occurs, and a temperature of 650 ° C. or higher and lower than 750 ° C. is more preferable.
  • the annealing time may be set in the range of about 30 seconds to 3 minutes, for example.
  • the second electrode 9 is formed after the first electrode 8 is formed.
  • a second resist layer patterned so as to expose only a region where the second electrode 9 is to be formed is exposed on the surface of the wafer.
  • a second laminated film of a Ni layer having a thickness of 20 nm and an Au layer having a thickness of 150 nm is formed by electron beam evaporation, and lift-off is performed, whereby the second resist layer and the second resist are formed.
  • the unnecessary film on the layer (the portion formed on the second resist layer in the second laminated film) is removed.
  • RTA treatment is performed in an N 2 gas atmosphere so that the contact between the second electrode 9 and the p-type contact layer 7 becomes an ohmic contact.
  • the laminated structure and each thickness of the second laminated film are examples, and are not particularly limited.
  • the RTA treatment conditions may be, for example, an annealing temperature of 500 ° C. and an annealing time of 15 minutes, but these values are merely examples and are not particularly limited.
  • the first pad electrode and the second pad electrode are formed by a lift-off method using, for example, a photolithography technique and a thin film formation technique.
  • a wafer on which a plurality of ultraviolet light emitting elements 10 are formed can be obtained.
  • a plurality of ultraviolet light emitting elements 10 can be obtained from one wafer by cutting the wafer with a dicing saw or the like.
  • the manufacturing method of the ultraviolet light emitting element 10 can improve the manufacturing yield.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the cap layer 5 and the relative luminous efficiency.
  • the relative luminous efficiency means the relative luminous efficiency when the thickness of the cap layer 5 is 0, that is, when the luminous efficiency of the comparative example not including the cap layer 5 is 1.
  • the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting element 10 is a value calculated from a value obtained by measuring ultraviolet rays emitted from the ultraviolet light emitting element 10 with an integrating sphere when a 20 mA direct current is passed through the ultraviolet light emitting element 10 and an emission peak wavelength. . It is the value computed similarly about the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting element of a comparative example.
  • the inventors of the present application have found that the luminous efficiency can be improved as compared with the comparative example by setting the thickness of the cap layer 5 within a range of 1 nm to 7 nm.
  • the cap layer 5 has a thickness of 1 nm or more and 7 nm or less, it is possible to improve the light emission efficiency.
  • the inventors of the present application confirmed that the diffusion of Mg from the electron barrier layer 6 to the light-emitting layer 4 in the ultraviolet light-emitting element 10 is suppressed from the measurement result of the depth profile of the Mg concentration by SIMS. .
  • the diffusion of Mg from the electron barrier layer 6 to the light emitting layer 4 is suppressed by setting the thickness of the cap layer 5 to 1 nm to 7 nm and the electron barrier layer 6 to the light emitting layer 4. It is considered that the inhibition of hole injection into the light can be suppressed, and the luminous efficiency can be improved.
  • the third AlGaN layer constituting the cap layer 5 is preferably an undoped AlGaN layer.
  • Undoped means that a specific impurity is not intentionally added. That is, the cap layer 5 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O that are inevitably mixed when the cap layer 5 is grown.
  • concentration of each impurity in the undoped AlGaN layer for example, as a result of SIMS analysis, Mg is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , H is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , Si is 2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , C Was 7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 and O was 7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the ultraviolet light emitting element 10 employs an undoped AlGaN layer as the third AlGaN layer, Si doped AlGaN doped with Si at a concentration higher than 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as the third AlGaN layer. Compared to the case where a layer is used, it is possible to extend the life. This point was confirmed by conducting an energization test by passing a direct current of 50 mA through the ultraviolet light-emitting element 10 and measuring a change in light emission intensity over time.
  • the third AlGaN layer is a Si-doped AlGaN layer
  • the ultraviolet light emitting element 10 includes Si in the cap layer 5 and Mg diffused from the electron barrier layer 6 side to the cap layer 5 as donors in the cap layer 5. -It is assumed that the cause is that it is likely to contribute to donor-acceptor pair emission.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an ultraviolet light emitting element 10b which is a modification of the ultraviolet light emitting element 10.
  • the ultraviolet light emitting element 10 b is different from the ultraviolet light emitting element 10 in the configurations of the light emitting layer 4 and the electron barrier layer 6.
  • symbol is attached
  • the light emitting layer 4 in the ultraviolet light emitting element 10b has four barrier layers 41 and four well layers 42.
  • the electron barrier layer 6 in the ultraviolet light-emitting element 10 b has first p-type AlGaN layers 61 and second p-type AlGaN layers 62 alternately arranged in the thickness direction of the light-emitting layer 4. Thereby, the ultraviolet light emitting element 10b can improve the luminous efficiency. This is presumably because it is possible to improve the electron blocking function of the electron barrier layer 6 and to improve the efficiency of electron injection into the light emitting layer 4.
  • the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62 are alternately arranged in the thickness direction of the light emitting layer 4” means that at least one p-type AlGaN layer 61 and at least one p-type AlGaN layer 61 are arranged.
  • the electron barrier layer 6 preferably includes at least two of the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62.
  • the ultraviolet light emitting element 10 b includes an electron barrier layer 6, a multiple electron barrier layer in which a first p-type AlGaN layer 61 and a second p-type AlGaN layer 62 are alternately arranged in the thickness direction of the light-emitting layer 4. By doing so, it becomes possible to further improve the light emission efficiency.
  • the number of the first p-type AlGaN layers 61 and the second p-type AlGaN layers in the electron barrier layer 6 is two, but the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 6 are two.
  • the number of each type AlGaN layer is not particularly limited.
  • the number of the first p-type AlGaN layers 61 and the number of the second p-type AlGaN layers are the same, but they may be different.
  • the electron barrier layer 6 includes two first p-type AlGaN layers 61 and two second p-type AlGaN layers 62, and the total thickness of the two first p-type AlGaN layers 61 is 7 nm or more and 24 nm. It is preferable that: Thereby, the ultraviolet light emitting element 10b can improve the luminous efficiency.
  • Table 1 below shows the luminous efficiency when various combinations of thicknesses of the first p-type AlGaN layer 61 and the second p-type AlGaN layer 62 in the electron barrier layer 6 are changed. .
  • the first p-type AlGaN layer 61 closest to the cap layer 5 is the “first layer”
  • the second p-type AlGaN layer 62 closest to the cap layer 5 is the “second layer”
  • the cap The first p-type AlGaN layer 61 that is the third closest to the layer 5 is the “third layer”
  • the second p-type AlGaN layer 62 that is the fourth closest to the cap layer 5 is the “fourth layer”. It is described.
  • Table 1 the average of the two first p-type AlGaN layers 61 in the stacked structure of the first p-type AlGaN layer 61, the second p-type AlGaN layer 62, and the first p-type AlGaN layer 61 is shown.
  • a value obtained by dividing the thickness by the thickness of the second p-type AlGaN layer 62 is described as a “thickness ratio”.
  • the relative luminous efficiency obtained with reference to the luminous efficiency when the thickness of the second layer is 0 is described as “relative luminous efficiency”.
  • the relative life obtained on the basis of the life when the thickness of the second layer is 0 is described as “relative life”.
  • “lifetime” refers to the time until the light output decreases from the initial value to 70% of the initial value when a high temperature energization test (acceleration test) is performed at a temperature of 120 ° C. and an energization current of 20 mA. It was time.
  • the light output is a value measured using an integrating sphere and a spectroscope.
  • the electron barrier layer 6 has a stacked structure of a first p-type AlGaN layer 61, a second p-type AlGaN layer 62, and a first p-type AlGaN layer 61, and the two first p-type AlGaN layers 61.
  • a value obtained by dividing the average thickness by the thickness of the second p-type AlGaN layer 62 (“thickness ratio” in Table 1) is preferably larger than 1.75 and smaller than 14.
  • the ultraviolet light emitting element 10b can improve the luminous efficiency. This is presumed that the quantum mechanical effect can suppress the overflow of electrons having high energy higher than the barrier height of the barrier layer 41 and improve the light emission efficiency.
  • the thickness ratio is 1.75 or less, it is considered that the quantum mechanical effect is difficult to obtain, and the effect of suppressing the overflow of electrons is reduced. Further, when the thickness ratio is larger than 14, it is considered that the quantum mechanical effect is difficult to obtain, and further, the hole injection property is also lowered.
  • FIG. 5 is a graph summarizing the relationship between the thickness of the first layer (the first p-type AlGaN layer 61 closest to the cap layer 5) and the relative luminous efficiency based on the results in Table 1.
  • FIG. 6 is a graph summarizing the relationship between the thickness of the first layer and the relative lifetime based on the results shown in Table 1.
  • the electron barrier layer 6 has a stacked structure of the first p-type AlGaN layer 61, the second p-type AlGaN layer 62, and the first p-type AlGaN layer 61, and the first barrier layer 6 is closest to the cap layer 5.
  • the thickness of the p-type AlGaN layer 61 is preferably larger than the thickness of the other first p-type AlGaN layer 61 and not less than 7 nm and not more than 12 nm. Thereby, the ultraviolet light emitting element 10b can improve the light emission efficiency and improve the reliability.
  • the thickness of the first p-type AlGaN layer 61 closest to the cap layer 5 is preferably 6 nm or more, and more preferably 7 nm or more. preferable.
  • the ultraviolet light emitting element 10b even when the thickness of the first p-type AlGaN layer 61 closest to the cap layer 5 is 6 nm, the light emission efficiency can be improved and the reliability can be improved. There is also. Further, in the ultraviolet light emitting element 10b, even when the thickness of the first p-type AlGaN layer 61 closest to the cap layer 5 is 13 nm, the light emission efficiency can be improved and the reliability can be improved. There is also.
  • the ultraviolet light emitting elements 10 and 10b are not limited to ultraviolet light emitting diodes, but may be ultraviolet laser diodes.
  • the ultraviolet light emitting elements 10 and 10b can be used, for example, as components of electric equipment. Since the electric device includes the ultraviolet light emitting element 10 or 10b and the device main body, it is possible to improve the light emission efficiency.
  • the vacuum cleaner 100 includes a vacuum cleaner main body (equipment main body) 101, a hose 102 connected to an inlet provided in the vacuum cleaner main body 101, a connection pipe 103 provided at the tip of the hose 102, and a connection pipe 103.
  • a suction tool 104 provided at the tip.
  • the suction tool 104 has an opening for sucking dust.
  • the suction tool 104 may include a brush.
  • the vacuum cleaner main body 101 includes an electric blower for sucking air containing dust and a dust collecting container 106 for collecting dust.
  • the vacuum cleaner 100 includes two ultraviolet light emitting devices 120 in which a plurality of ultraviolet light emitting elements 10 are housed in one package 110, and one ultraviolet light emitting device 120 is built in the suction tool 104, and the other ultraviolet light emitting device 120. Is built in the vacuum cleaner main body 101.
  • the ultraviolet light emitting device 120 built in the suction tool 104 is disposed so as to emit ultraviolet light to the opening of the suction tool 104. Thereby, the vacuum cleaner 100 can perform cleaning while sterilizing.
  • the ultraviolet light emitting device 120 built in the vacuum cleaner main body 101 is arranged so as to emit ultraviolet rays into the dust collecting container 106. Thereby, the vacuum cleaner 100 can perform sterilization of the dust collection container 106 and sterilization of air passing through the dust collection container 106.
  • the vacuum cleaner 100 may be configured to include only one of the two ultraviolet light emitting devices 120. Further, the number of ultraviolet light emitting devices 120 is not limited to two.
  • a refrigerator 200 as shown in FIG. 8 can be cited.
  • the refrigerator 200 includes a refrigerator main body 201, a cooler 202, three doors 203, 204, and 205 that open and close three openings of the refrigerator main body 201, and a vegetable storage container 210 stored in the refrigerator main body 201.
  • the refrigerator 200 includes a plurality of ultraviolet light emitting devices 120 that house a plurality of ultraviolet light emitting elements 10 in one package 110.
  • the plurality of ultraviolet light emitting devices 120 are arranged to radiate ultraviolet rays into the vegetable storage container 210.
  • the refrigerator 200 can suppress the growth of mold and fungi adhering to the vegetables. If the refrigerator 200 is arranged so that the ultraviolet light emitting device 120 can radiate ultraviolet rays to an appropriate space in the refrigerator main body 201, it is possible to suppress the growth of mold and fungi attached to food.

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Abstract

　発光効率の向上を図ることが可能な紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器を提供する。紫外線発光素子（１０）は、サファイア基板（１）、ｎ型ＡｌＧａＮ層（３）、発光層（４）、キャップ層（５）、電子障壁層（６）およびｐ型コンタクト層（７）を備える。発光層（４）の多重量子井戸構造は、第１のＡｌＧａＮ層からなる障壁層（４１）と、第２のＡｌＧａＮ層からなる井戸層（４２）と、を備える。電子障壁層（６）は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（６１）と、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層（６２）と、を備える。キャップ層（５）は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（６１）に最も近い井戸層（４２）と、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（６１）と、の間に介在する。キャップ層（５）は、井戸層（４２）よりもＡｌの組成比が大きく且つ第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（６１）よりもＡｌの組成比が小さな、第３のＡｌＧａＮ層である。キャップ層（５）の厚さは、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である。

Description

紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器
　本発明は、紫外線を放射する紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器に関するものである。
　この種の紫外線発光素子としては、例えば、サファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードが知られている（日本国特許出願公開番号６－２８３８２５）。
　この窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードは、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層からのＭｇの拡散をアンドープＡｌXＧａ1-XＮ層にて吸収して防止できる。なお、Ｘ、Ｙの化学量論は、０≦Ｘ≦Ｙ≦１である。
　紫外線発光素子の分野においては、発光効率の向上が望まれている。
　本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光効率の向上を図ることが可能な紫外線発光素子及びそれを用いた電気機器を提供することにある。
　本発明の紫外線発光素子は、サファイア基板と、ｎ型ＡｌＧａＮ層と、発光層と、キャップ層と、電子障壁層と、ｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層と、を備える。前記発光層は、多重量子井戸構造を有する。前記多重量子井戸構造は、各々が第１のＡｌＧａＮ層からなる複数の障壁層と、各々が第２のＡｌＧａＮ層からなる複数の井戸層と、を備える。前記電子障壁層は、前記障壁層よりもＡｌの組成比が大きい第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記複数の井戸層よりもＡｌの組成比が大きく且つ前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比の小さい第２のｐ型ＡｌＧａＮ層と、を備える。前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ｍｇを含有させてある。前記キャップ層は、前記多重量子井戸構造における前記複数の井戸層のうち前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層に最も近い井戸層と、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と、の間に介在する。前記キャップ層は、前記複数の井戸層よりもＡｌの組成比が大きく且つ前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が小さい第３のＡｌＧａＮ層である。前記キャップ層の厚さは、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である。
　本発明の電気機器は、前記紫外線発光素子と、機器本体と、を備える。
図１は、実施形態の紫外線発光素子の概略断面図である。 図２は、キャップ層の厚さと相対発光効率との関係を示すグラフである。 図３は、実施形態の紫外線発光素子の断面ＴＥＭ像（cross-sectional transmission electron microscope image）である。 図４は、実施形態の紫外線発光素子の変形例の概略断面図である。 図５は、第１層（キャップ層に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層）の厚さと相対発光効率との関係を示すグラフである。 図６は、第１層の厚さと相対寿命との関係を示すグラフである。 図７は、実施形態の電気機器の一例である電気掃除機の概略構成図である。 図８は、実施形態の電気機器の他の例である冷蔵庫の概略構成図である。
　以下では、本実施形態の紫外線発光素子１０について、図１～３に基づいて説明する。
　紫外線発光素子１０は、サファイア基板１と、ｎ型ＡｌＧａＮ層３と、発光層４と、キャップ層５と、電子障壁層６と、ｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層７と、を備える。発光層４は、多重量子井戸構造を有する。多重量子井戸構造は、各々が第１のＡｌＧａＮ層からなる複数の障壁層４１と、各々が第２のＡｌＧａＮ層からなる複数の井戸層４２と、を備える。電子障壁層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２と、を備える。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、Ｍｇを含有させてある。キャップ層５は、多重量子井戸構造における複数の井戸層４２のうち第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１に最も近い井戸層４２と、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と、の間に介在する。キャップ層５は、第２のＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が大きく且つ第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１よりもＡｌの組成比が小さな、第３のＡｌＧａＮ層である。キャップ層５の厚さは、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である。よって、紫外線発光素子１０においては、発光効率の向上を図ることが可能になる。本明細書において、組成比は、ＥＤＸ法（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）による組成分析で求めた値である。組成比の相対的な大小関係を議論する上では、組成比は、ＥＤＸ法に限らず、例えば、オージェ電子分光法（Auger Electron Spectroscopy）による組成分析で求めた値でもよい。
　紫外線発光素子１０は、メサ構造（mesa structure）１１を有している。メサ構造１１は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３と、発光層４と、キャップ層５と、電子障壁層６と、ｐ型コンタクト層７と、を備える多層構造２０の一部を、多層構造２０の表面２０ａ側からｎ型ＡｌＧａＮ層３の途中までエッチングすることで形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層３と発光層４とキャップ層５と電子障壁層６とｐ型コンタクト層７とを備える多層構造２０は、サファイア基板１側から、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、発光層４、キャップ層５、電子障壁層６、ｐ型コンタクト層７の順に並んでいる。紫外線発光素子１０は、ｐ型コンタクト層７の表面７ａと、多層構造２０の表面２０ａと、メサ構造１１の上面１１ａとが、同一の表面により構成される。紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の表面３ａ上に、第１電極８が形成され、ｐ型コンタクト層７の表面７ａ上に、第２電極９が形成されている。第１電極８は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３に電気的に接続されている。第２電極９は、ｐ型コンタクト層７に電気的に接続されている。紫外線発光素子１０は、第１電極８が、負電極（「ｎ電極」とも呼ばれる。）を構成している。また、紫外線発光素子１０は、第２電極９が、正電極（「ｐ電極」とも呼ばれる。）を構成している。
　紫外線発光素子１０は、メサ構造１１の上面１１ａの一部とメサ構造１１の側面１１ｂとｎ型ＡｌＧａＮ層３の表面３ａの一部とに跨って絶縁膜が形成されているのが好ましい。絶縁膜の材料としては、例えば、ＳｉＯ２等を採用することができる。
　紫外線発光素子１０の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。
　紫外線発光素子１０は、例えば、２１０ｎｍ～３６０ｎｍの紫外波長域に発光ピーク波長を有する紫外線発光ダイオードとすることができる。これにより、紫外線発光素子１０は、例えば、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で、利用することができる。紫外線発光素子１０は、殺菌の分野で利用する場合、発光層４における井戸層４２の発光ピーク波長が２６０ｎｍ～２８５ｎｍの紫外波長域にあるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、ウイルスや細菌のＤＮＡに吸収されやすい２６０ｎｍ～２８５ｎｍ帯の紫外線を放射させることができ、効率良く殺菌することが可能となる。
　紫外線発光素子１０のチップサイズは、４００μｍ□（４００μｍ×４００μｍ）に設定してあるが、これに限らない。チップサイズは、例えば、２００μｍ□（２００μｍ×２００μｍ）～１ｍｍ□（１ｍｍ×１ｍｍ）程度の範囲で適宜設定することができる。また、紫外線発光素子１０の平面形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。紫外線発光素子１０の平面形状が、長方形状の場合、紫外線発光素子１０のチップサイズは、例えば、５００μｍ×２４０μｍとすることができる。
　ｎ型ＡｌＧａＮ層３と、発光層４と、キャップ層５と、電子障壁層６と、ｐ型コンタクト層７と、を備える多層構造２０は、エピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法は、例えば、有機金属気相成長（metal organic vapor phase epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法を採用するのが好ましく、減圧ＭＯＶＰＥ法を採用するのが、より好ましい。エピタキシャル成長法は、ＭＯＶＰＥ法に限らず、例えば、ハイドライド気相成長（hydride vapor phase epitaxy：ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）法等を採用してもよい。
　サファイア基板１は、例えば、第１面１ａが（０００１）面、つまり、ｃ面であるのが好ましい。また、サファイア基板１は、（０００１）面からのオフ角が、０～０．３°のものが好ましい。サファイア基板１の第１面１ａは、ｃ面に限らず、例えば、ｍ面、ａ面、Ｒ面等を採用することもできる。紫外線発光素子１０は、サファイア基板１の第２面１ｂが紫外線を出射させる光取り出し面を構成している。
　紫外線発光素子１０は、サファイア基板１とｎ型ＡｌＧａＮ層３との間に介在するバッファ層２を備えているのが好ましい。要するに、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３が、サファイア基板１の第１面ａ側に、バッファ層２を介して形成されているのが好ましい。紫外線発光素子１０がバッファ層２を備えている場合、多層構造２０は、このバッファ層２を含む。
　バッファ層２は、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ≦１）により構成することができる。バッファ層２は、貫通転位を減少させることを目的として設けた層である。バッファ層２は、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ≦１）の（１０－１２）面に対するＸ線回折のωスキャンによるＸ線ロッキングカーブ（X-Ray Rocking Curve：ＸＲＣ）の半値幅が４００arcsec以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、転位密度を３×１０19ｃｍ-2以下とすることが可能となり、発光効率の向上を図ることが可能となる。転位密度は、単位面積当たりの貫通転位の数であり、断面ＴＥＭ像図から求めた値である。
　紫外線発光素子１０は、バッファ層２のバンドギャップエネルギが複数の井戸層４２のバンドギャップエネルギよりも大きいのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、発光層４から放射された紫外線がバッファ層２で吸収されるのを抑制することが可能となり、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。紫外線発光素子１０は、バッファ層２がＡｌＮ層であるのがより好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、バッファ層２が、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ≦１）のうち最もバンドギャップエネルギの大きなＡｌＮ層により構成されているので、発光層４から放射された紫外線がバッファ層２で吸収されるのをより抑制することが可能となる。
　バッファ層２は、厚さが薄すぎると貫通転位の減少が不十分となりやすく、表面の平坦性がｎ型ＡｌＧａＮ層の下地層として不十分となりやすい。また、バッファ層２は、厚さが厚すぎると格子不整合に起因したクラックの発生や、バッファ層２の剥れや、複数個の紫外線発光素子１０を形成するウェハの反りが大きくなり過ぎる要因になる懸念がある。よって、バッファ層２の厚さは、３μｍ以上６μｍ以下であるのが好ましい。バッファ層２の厚さは、例えば、４μｍに設定することができる。
　紫外線発光素子１０は、バッファ層２の内部に空隙（図３の断面ＴＥＭ像を参照）が存在するのが好ましい。紫外線発光素子１０は、バッファ層２の内部に空隙が存在することにより、バッファ層２の結晶性を向上させることが可能となり、発光層４等の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、紫外線発光素子１０は、発光効率の向上を図ることが可能となる。バッファ層２の内部の空隙は、バッファ層２を形成するときに、サファイア基板１とバッファ層２との界面から延びる貫通転位を消滅させたり屈曲させることで、貫通転位を低減させ、バッファ層２の貫通転位を低減させる機能を有すると推考される。また、バッファ層２の内部の空隙は、バッファ層２を形成するときに、サファイアとＡｌＧａＮとの熱膨張係数差などに起因してバッファ層２に発生する引張応力を緩和することで、バッファ層２へのクラックの発生やバッファ層２の反りを抑制する機能を有すると推考される。
　空隙は、バッファ層２の厚さ方向においてサファイア基板１とバッファ層２との界面から２μｍまでの範囲に存在するのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、バッファ層２の表面の平坦性を向上させることが可能となる。紫外線発光素子１０は、例えば、バッファ層２がＡｌＮ層の場合、ＡｌＮとサファイアとの格子定数差が１０％以上と大きいため、バッファ層２を成長させるときに、バッファ層２が、成長初期に３次元的に成長する。そして、紫外線発光素子１０は、バッファ層２を成長させるときに、その成長厚さが２μｍを超えると隣り合うＡｌＮの結晶同士が繋がって表面が平坦になり、内部に空隙が形成されると推考される。
　ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、発光層４へ電子を輸送するための層である。ｎ型ＡｌＧａＮ層３の組成比は、発光層４で発光する紫外線を効率良く放出できるように設定するのが好ましい。例えば、井戸層４２のＡｌの組成比が０．４５、障壁層４１のＡｌの組成比が０．６の場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比は、障壁層４１のＡｌの組成比と同じ０．６とすることができる。ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比は、障壁層４１のＡｌの組成比と同じである場合に限らず、異なっていてもよい。
　ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比が０．５０以上０．７０以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比が０．５０未満の場合、発光層４から放射される２６０ｎｍ～２８５ｎｍの紫外線がｎ型ＡｌＧａＮ層３で吸収され、光取り出し効率が低下してしまう。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌの組成比が０．７０よりも大きい場合、２６０ｎｍ～２８５ｎｍの紫外線を放射するように設計された発光層４との組成差が大きくなり、発光層４に欠陥が生じやすくなる。
　ｎ型ＡｌＧａＮ層３のドナー不純物がＳｉであり、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉのドーピング濃度が５×１０18ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉのドーピング濃度が５×１０18ｃｍ-3未満の場合、第１電極８とｎ型ＡｌＧａＮ層３とのオーミック接触が形成できなくなったり、オーミック性が低下してしまう。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉのドーピング濃度が５×１０19ｃｍ-3よりも高い場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の結晶性が低下してしまう。ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＳｉのドーピング濃度は、例えば、ＳＩＭＳ分析（secondary ion mass spectroscopy analysis）により測定することができる。
　ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さは、１μｍ以上３μｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さが１μｍ未満の場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３における電流経路が狭くなり、駆動電圧が高くなってしまう。また、紫外線発光素子１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さが３μｍよりも大きい場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層３での歪の蓄積により、クラックが発生してしまうことがある。
　なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層３は、単層構造に限らず、例えば、互いにＡｌの組成比の異なる複数のｎ型ＡｌＧａＮ層の積層構造でもよい。
　発光層４は、井戸層４２に注入された２種類のキャリア（電子、正孔）の再結合により光を放射するものである。
　発光層４は、井戸層４２を構成する第２のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比を変化させることにより、発光ピーク波長を、２１０ｎｍ～３６０ｎｍの範囲で任意の発光ピーク波長に設定することが可能である。要するに、発光層４は、発光ピーク波長が２１０ｎｍ～３６０ｎｍの範囲にある紫外線を放射するように構成された井戸層４２を備える。例えば、所望の発光ピーク波長が２６５ｎｍ付近である場合には、第２のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比を０．５０に設定すればよい。
　紫外線発光素子１０では、一例として、障壁層４１の厚さを１０ｎｍに設定し、井戸層４２の厚さを２ｎｍに設定してあるが、これらの厚さに限定するものではない。
　障壁層４１の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、障壁層４１の厚さが２ｎｍ未満の場合、井戸層４２へのキャリアの閉じ込め効果が低下し、キャリアが井戸層４２から漏れやすくなって発光効率が低下してしまうと推考される。また、紫外線発光素子１０は、障壁層４１の厚さが２０ｎｍよりも大きい場合、井戸層４２へキャリアが注入されなくなる懸念がある。
　障壁層４１は、Ｓｉがドーピングされており、Ｓｉの濃度が、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０は、格子不整合に起因するピエゾ電界により発生する歪を緩和することが可能となり、発光効率の向上を図ることが可能となる。紫外線発光素子１０は、障壁層４１のＳｉの濃度が、５×１０17ｃｍ-3未満の場合、ピエゾ電界により発生する歪を緩和する効果が低下してしまう。また、紫外線発光素子１０は、障壁層４１のＳｉの濃度が、５×１０18ｃｍ-3よりも高くなると、障壁層４１の結晶性が低下する傾向にある。障壁層４１のＳｉの濃度は、例えば、ＳＩＭＳ分析により測定することができる。
　複数の井戸層４２の厚さは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、井戸層４２の厚さが０．５ｎｍ未満の場合、発光効率が低下してしまう傾向にある。これは、井戸層４２の厚さが０．５ｎｍ未満の場合、発光層４のキャリアの閉じ込め効果が低下するためであると推考される。また、紫外線発光素子１０は、井戸層４２の厚さが３ｎｍよりも大きい場合、発光効率が低下してしまう傾向にある。これは、井戸層４２の厚さが３ｎｍよりも大きい場合、発光層４のキャリアの閉じ込め効果が低下し、井戸層４２に注入されたキャリアの電子と正孔とが再結合する前に、井戸層４２から漏れやすくなるためであると推考される。
　電子障壁層６は、発光層４へ注入された電子のうち、発光層４中で正孔と再結合されなかった電子が、ｐ型コンタクト層７側へ漏れる（オーバーフローする）のを抑制するための層である。要するに、電子障壁層６は、発光層４側からの電子をブロックする電子ブロック層として機能するように構成されている。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１のＡｌの組成比は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１のバンドギャップエネルギが、障壁層４１のバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定してある。紫外線発光素子１０は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１のバンドギャップエネルギを６．１ｅＶ、Ａｌの組成比を０．９５とし、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のバンドギャップエネルギを５．０ｅＶ、Ａｌの組成比を０．６０としてあるが、これらの数値に限定するものではない。
　上述のように、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、Ｍｇを含有させてある。よって、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、アクセプタ不純物がＭｇである。
　第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さは、例えば、２０ｎｍに設定することができる。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さは、特に限定するものではないが、厚さが薄すぎるとオーバーフローを抑制する効果が減少し、厚さが厚すぎると紫外線発光素子１０の抵抗が大きくなってしまう。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さについては、例えば、７ｎｍ～２４ｎｍの範囲で設定することができる。
　第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、発光層４へ正孔を輸送するための層としても機能するように構成されている。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の組成比は、発光層４で発光する紫外線の吸収を抑制できるように設定するのが好ましい。井戸層４２のＡｌの組成比が０．４５、障壁層４１のＡｌの組成比が０．６０の場合、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のＡｌの組成比は、例えば、０．６とすることができる。すなわち、井戸層４２を構成する第２のＡｌＧａＮ層がＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎ層からなる場合、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２は、ｐ型Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ｎ層により構成することができる。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のＡｌの組成比は、障壁層４１のＡｌの組成比と同じである場合に限らず、異なっていてもよい。
　第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の正孔濃度は、特に限定するものではなく、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の膜質が劣化しない正孔濃度の範囲において、より高い濃度のほうが好ましい。
　第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さは、例えば、２０ｎｍに設定することができる。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、紫外線発光素子１０は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の正孔濃度をｎ型ＡｌＧａＮ層３の電子濃度以上とするのが難しく、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さが、厚すぎると、紫外線発光素子１０の抵抗が大きくなりすぎる。このため、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さは、２００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が、より好ましい。
　キャップ層５は、電子障壁層６中の不純物が発光層４へ拡散するのを抑制するための拡散防止層である。電子障壁層６中の不純物としては、電子障壁層６のアクセプタ不純物が挙げられる。電子障壁層６のアクセプタ不純物とは、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２のアクセプタ不純物であり、より具体的には、Ｍｇである。
　紫外線発光素子１０は、キャップ層５を構成する第３のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比を、０．６０に設定してある。第３のＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、０．６０に限らず、井戸層４２のＡｌの組成比よりも大きく且つ第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１のＡｌの組成比よりも小さければよい。キャップ層５の厚さについては、例えば、５ｎｍに設定することができる。
　ｐ型コンタクト層７は、第２電極９との良好なオーミック接触（ohmic contact）を得るための層である。
　ｐ型コンタクト層７の厚さは、４００ｎｍに設定してあるが、これに限らず、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｐ型コンタクト層７の厚さが１０ｎｍ未満の場合、ｐ型コンタクト層７の厚さの面内均一性が低下したり、電気的特性の面内ばらつきが大きくなる傾向にある。また、紫外線発光素子１０は、ｐ型コンタクト層７の厚さが５００ｎｍよりも大きくなると、歪の蓄積によりクラックが発生する可能性が高くなる傾向にある。
　ｐ型コンタクト層７のアクセプタ不純物がＭｇであり、ｐ型コンタクト層７のＭｇのドーピング濃度が１×１０20ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-３以下であるのが好ましい。紫外線発光素子１０は、ｐ型コンタクト層７のＭｇのドーピング濃度が１×１０20ｃｍ-3未満の場合、発光効率が低下する傾向にある。これは、ｐ型コンタクト層７の正孔の注入性が低下するためであると推考される。また、紫外線発光素子１０は、ｐ型コンタクト層７のＭｇのドーピング濃度が１×１０20ｃｍ-3未満の場合、第２電極９とｐ型コンタクト層７とのオーミック接触が得られなくなったり、接触抵抗が高くなる傾向にある。また、紫外線発光素子１０は、ｐ型コンタクト層７のＭｇのドーピング濃度が５×１０20ｃｍ-3よりも高い場合、ｐ型コンタクト層７の結晶性が低下する傾向にある。
　紫外線発光素子１０は、第１電極８上に、第１パッド電極を備えているのが好ましい。第１パッド電極は、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成することができる。第１パッド電極は、第１電極８に電気的に接続される。第１パッド電極は、第１電極８を覆うように形成されているのが好ましい。
　また、紫外線発光素子１０は、第２電極９上に、第２パッド電極を備えているのが好ましい。第２パッド電極は、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成することができる。第２パッド電極は、第２電極９に電気的に接続される。第２パッド電極は、第２電極９を覆うように形成されているのが好ましい。
　紫外線発光素子１０は、例えば、実装基板に実装することができる。「実装する」とは、紫外線発光素子１０を配置して機械的に接続することと、電気的に接続すること、を含む概念である。実装基板は、板状に形成された支持体と、支持体に支持され紫外線発光素子１０が電気的に接続される配線部と、を備える。配線部は、例えば、第１パッド電極が電気的に接続される第１導体部と、第２パッド電極が電気的に接続される第２導体部と、を備えた構成とすることができる。紫外線発光装置は、例えば、紫外線発光素子１０の第１パッド電極と第１導体部とを、第１バンプを介して接合し、紫外線発光素子１０の第２パッド電極と第２導体部とを、第２バンプを介して接合することで、実装基板に実装することができる。第１バンプ及び第２バンプとしては、例えば、金バンプを採用することができる。紫外線発光装置は、１つの実装基板に対して１つの紫外線発光素子１０を実装した構成としてもよいし、１つの実装基板に対して複数の紫外線発光素子１０を実装した構成としてもよい。
　支持体は、配線部を支持する機能を備えている。支持体は、紫外線発光素子１０で発生する熱を効率良く外部に伝えるためのヒートシンク（heat sink）としての機能を備えているのが好ましい。
　紫外線発光装置は、実装基板及び紫外線発光素子１０以外に、紫外線発光素子１０を覆うように配置されるガラス製の蓋体を備えるのが好ましい。蓋体は、紫外線発光素子１０から放射される紫外線を透過させる。蓋体は、平板状の形状としてもよいし、レンズ形状としてもよいし、一部をレンズ形状としてもよい。また、蓋体は、ドーム状の形状としてもよい。紫外線発光装置は、実装基板と蓋体との間に、紫外線発光素子１０を囲むように配置される枠体を備えていてもよく、枠体が、紫外線発光素子１０から側方に放射された光を蓋体側へ反射するリフレクタを兼ねてもよい。
　また、紫外線発光装置は、実装基板をインターポーザにより構成し、インターポーザを金属ベースプリント配線板等に接合するようにしてもよい。
　以下では、紫外線発光素子１０の製造方法について簡単に説明する。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、まず、複数の紫外線発光素子１０それぞれのサファイア基板１の元になるサファイアウェハを準備する。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、サファイアウェハを準備した後、サファイアウェハの前処理を行ってから、サファイアウェハをエピタキシャル成長装置に導入し、その後、サファイアウェハの第１面上に多層構造２０をエピタキシャル成長法により積層する。サファイアウェハの第１面は、サファイア基板１の第１面１ａに相当する表面である。エピタキシャル成長装置として減圧ＭＯＶＰＥ装置を採用する場合、Ａｌの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を採用するのが好ましい。また、Ｇａの原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を採用するのが好ましい。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ3を採用するのが好ましい。ｎ型導電性を付与する不純物であるＳｉの原料ガスとしては、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を採用するのが好ましい。ｐ型導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、Ｈ2ガスを採用するのが好ましい。各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、Ｇａの原料ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｎの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Ｓｉの原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）を用いてもよい。多層構造２０の成長条件は、バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、障壁層４１、井戸層４２、キャップ層５、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２及びｐ型コンタクト層７それぞれについて、基板温度、Ｖ／III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。基板温度とは、サファイアウェハの温度を意味する。エピタキシャル成長装置としてＭＯＶＰＥ装置を採用する場合、基板温度は、例えば、サファイアウェハを支持するサセプタの温度を代用することができる。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、サファイアウェハの第１面上に多層構造２０を積層した後、多層構造２０が積層されているサファイアウェハをエピタキシャル成長装置から取り出す。以下では、少なくともサファイアウェハと多層構造２０とを備えた構造体を、ウェハと称する。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、エピタキシャル成長装置から取り出したウェハをアニール装置に導入し、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２及びｐ型コンタクト層７それぞれのｐ型不純物を活性化するためのアニールを行う。アニールを行うためのアニール装置としては、例えば、ランプアニール装置、電気炉アニール装置等を採用することができる。ｐ型不純物は、アクセプタ不純物を意味し、Ｍｇである。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、アニール装置からウェハを取り出した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用してメサ構造１１を形成する。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、メサ構造１１を形成した後、絶縁膜を形成する。絶縁膜は、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成することができる。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、上述の絶縁膜を形成した後、第１電極８を形成する。第１電極８を形成するには、まず、ウェハの表面に、第１電極８の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第１レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さが１００ｎｍの第１のＡｌ層、厚さが２０ｎｍの第１のＮｉ層、厚さが１００ｎｍの第２のＡｌ層、厚さが２０ｎｍの第２のＮｉ層及び厚さが１００ｎｍのＡｕ層を積層した第１積層膜を蒸着法により形成する。第１積層膜を形成した後には、リフトオフを行うことにより、第１レジスト層及び第１レジスト層上の不要膜（第１積層膜のうち第１レジスト層上に形成されている部分）を除去することで第１積層膜をパターニングする。その後には、アニール処理を行う。アニール処理は、第１電極８とｎ型ＡｌＧａＮ層３との接触をオーミック接触とするための処理である。第１積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定するものではない。アニール処理は、Ｎ2ガス雰囲気中でのＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）が好ましい。ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を７００℃、アニール時間を１分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。アニール温度は、Ａｌの拡散が起こりやすい温度が好ましく、６５０℃以上７５０℃未満の温度が、より好ましい。アニール時間は、例えば、３０秒～３分程度の範囲で設定すればよい。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、第１電極８を形成した後に、第２電極９を形成する。第２電極９を形成するためには、まず、ウェハの表面に、第２電極９の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第２レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さが２０ｎｍのＮｉ層と厚さが１５０ｎｍのＡｕ層との第２積層膜を電子ビーム蒸着法により形成し、リフトオフを行うことにより、第２レジスト層及び第２レジスト層上の不要膜（第２積層膜のうち第２レジスト層上に形成されている部分）を除去する。その後には、第２電極９とｐ型コンタクト層７との接触がオーミック接触となるように、Ｎ2ガス雰囲気中でＲＴＡ処理を行う。第２積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定するものではない。また、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を５００℃、アニール時間を１５分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。
　第１パッド電極及び第２パッド電極は、例えば、フォトリソグラフィ技術および薄膜形成技術を利用してリフトオフ法により形成する。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、紫外線発光素子１０が複数形成されたウェハを得ることができる。
　紫外線発光素子１０の製造方法では、ウェハをダイシングソー（dicing saw）などによって切断することで、１枚のウェハから複数の紫外線発光素子１０を得ることができる。紫外線発光素子１０の製造方法では、ウェハを切断する前に、サファイアウェハの厚さをサファイア基板１の所望の厚さとするようにサファイアウェハを第２面側から研磨することが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０の製造方法は、製造歩留りの向上を図ることが可能となる。
　ところで、本願発明者らは、キャップ層５の厚さに着目し、キャップ層５の厚さを種々変えた紫外線発光素子１０を作製して、各紫外線発光素子１０それぞれの発光効率を測定した。図２は、キャップ層５の厚さと相対発光効率との関係を示すグラフである。相対発光効率は、キャップ層５の厚さが０、つまり、キャップ層５を備えていない比較例の発光効率を１とした場合の相対的な発光効率を意味する。紫外線発光素子１０の発光効率は、紫外線発光素子１０に２０ｍＡの直流電流を流したときの紫外線発光素子１０から放射される紫外線を積分球で測定した値と発光ピーク波長とから算出した値である。比較例の紫外線発光素子の発光効率についても同様にして算出した値である。
　図２から、本願発明者らは、キャップ層５の厚さを１ｎｍ～７ｎｍの範囲で設定することにより、比較例に比べて発光効率を向上させることが可能になるという知見を得た。
　本実施形態の紫外線発光素子１０は、キャップ層５の厚さが、１ｎｍ以上７ｎｍ以下であるので、発光効率の向上を図ることが可能となる。本願発明者らは、ＳＩＭＳによる、Ｍｇの濃度の、深さプロファイルの測定結果から、紫外線発光素子１０における、電子障壁層６から発光層４へのＭｇの拡散が抑制されていることを確認した。紫外線発光素子１０は、キャップ層５の厚さを、１ｎｍ以上７ｎｍ以下とすることにより、電子障壁層６から発光層４へのＭｇの拡散が抑制され、且つ、電子障壁層６から発光層４への正孔の注入が阻害されるのを抑制することが可能となり、発光効率の向上を図れるものと推考される。
　ところで、キャップ層５を構成する第３のＡｌＧａＮ層は、アンドープのＡｌＧａＮ層であるのが好ましい。アンドープとは、特定の不純物を意図的に添加していないことを意味する。つまり、キャップ層５は、キャップ層５を成長させる際に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。アンドープのＡｌＧａＮ層の各不純物の濃度に関しては、例えば、ＳＩＭＳ分析の結果、Ｍｇが１×１０17ｃｍ-3、Ｈが１×１０18ｃｍ-3、Ｓｉが２×１０17ｃｍ-3、Ｃが７×１０16ｃｍ-3、Ｏが７×１０16ｃｍ-3であったが、これらの数値に限定するものではない。アンドープのＡｌＧａＮ層の各不純物の濃度は、Ｍｇが５×１０17ｃｍ-3以下、Ｈが２×１０18ｃｍ-3以下、Ｓｉが５×１０17ｃｍ-3以下、Ｃが３×１０17ｃｍ-3以下、Ｏが３×１０17ｃｍ-3以下であるのが好ましい。
　紫外線発光素子１０は、第３のＡｌＧａＮ層として、アンドープのＡｌＧａＮ層を採用した場合、第３のＡｌＧａＮ層として、Ｓｉが５×１０17ｃｍ-3よりも高濃度にドーピングされたＳｉドープのＡｌＧａＮ層を採用した場合に比べて、長寿命化を図ることが可能となる。この点については、紫外線発光素子１０に５０ｍＡの直流電流を流して通電試験を実施し、発光強度の経時変化を測定することにより確認された。紫外線発光素子１０は、第３のＡｌＧａＮ層がＳｉドープのＡｌＧａＮ層の場合、キャップ層５のＳｉと、電子障壁層６側からキャップ層５に拡散してきたＭｇと、が、キャップ層５におけるドナー－アクセプタ対発光（donor-acceptor pair emission）に寄与しやすくなることが原因であると推考される。
　図４は、紫外線発光素子１０の変形例の紫外線発光素子１０ｂの概略断面図を示している。紫外線発光素子１０ｂは、発光層４及び電子障壁層６それぞれの構成が、紫外線発光素子１０と相違する。なお、紫外線発光素子１０ｂについては、紫外線発光素子１０と同様の構成要素に同一の符号を付して説明を適宜省略する。
　紫外線発光素子１０ｂにおける発光層４は、障壁層４１及び井戸層４２それぞれの数を４つずつとしてある。
　紫外線発光素子１０ｂにおける電子障壁層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが、発光層４の厚さ方向において交互に並んでいる。これにより、紫外線発光素子１０ｂは、発光効率の向上を図ることが可能となる。これは、電子障壁層６の、電子をブロックする機能を向上させることが可能となり、発光層４への電子の注入効率の向上を図れるためであると推考される。「第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが、発光層４の厚さ方向において交互に並んでいる」とは、少なくとも１つのｐ型ＡｌＧａＮ層６１と少なくとも１つの第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とを有することを意味し、例えば、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２と第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６２との３つだけが並んだ構成も含む概念である。
　電子障壁層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２それぞれを少なくとも２つ、備えるのが好ましい。紫外線発光素子１０ｂは、電子障壁層６を、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２とが、発光層４の厚さ方向において交互に並んでいる多重電子障壁層とすることによって、発光効率を、より向上させることが可能となる。紫外線発光素子１０ｂは、電子障壁層６における第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の数を２つずつとしてあるが、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層それぞれの数を特に限定するものではない。紫外線発光素子１０ｂは、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の数と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の数とを同じとしてあるが、異なっていてもよい。
　電子障壁層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２が２つずつであり、２つの第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さの合計が、７ｎｍ以上２４ｎｍ以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０ｂは、発光効率の向上を図ることが可能となる。下記の表１には、電子障壁層６における第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の各厚さの組み合わせを種々変化させた場合の、発光効率を記載してある。表１では、キャップ層５に１番近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１を「第１層」、キャップ層５に２番目に近い第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２を「第２層」、キャップ層５に３番目に近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１を「第３層」、キャップ層５に４番目に近い第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２を「第４層」としてそれぞれの厚さを記載してある。また、表１では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２と第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１との積層構造における２つの第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の平均の厚さを第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さで除した値を「厚さ比」として記載してある。また、表１では、第２層の厚さが０の場合の発光効率を基準として求めた相対的な発光効率を「相対発光効率」として記載してある。また、表１では、第２層の厚さが０の場合の寿命を基準として求めた相対的な寿命を「相対寿命」として記載してある。ここで、「寿命」は、温度を１２０℃、通電電流を２０ｍＡとした高温通電試験（加速試験）を行ったときに、光出力が初期値から初期値の７０％の値に低下するまでの時間とした。光出力は、積分球及び分光器を利用して測定した値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　電子障壁層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２と第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１との積層構造を有し、２つの第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の平均の厚さを第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２の厚さで除した値（表１における「厚さ比」）が、１．７５より大きく１４より小さいのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０ｂは、発光効率の向上を図ることが可能となる。これは、量子力学的な効果により、障壁層４１の障壁高さ以上の高いエネルギを持つ電子のオーバーフローを抑制し、発光効率を向上させることができるものと推考される。厚さ比が１．７５以下の場合には、量子力学的な効果が得られにくく、電子のオーバーフローを抑制する効果が低下するものと推考される。また、厚さ比が１４よりも大きい場合には、量子力学的な効果が得られにくく、更には正孔の注入性も低下するものと推考される。
　図５は、表１の結果から、第１層（キャップ層５に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１）の厚さと相対発光効率との関係をまとめたグラフである。また、図６は、表１の結果から、第１層の厚さと相対寿命との関係をまとめたグラフである。
　また、電子障壁層６は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層６２と第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１との積層構造を有し、キャップ層５に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さが、他の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さよりも大きく、かつ、７ｎｍ以上１２ｎｍ以下であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子１０ｂは、発光効率の向上を図り、かつ、信頼性の向上を図ることが可能となる。
　図６において第１層の厚さが６ｎｍ未満の場合に相対寿命が比較的大きく低下しているのは、キャップ層５に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１が、発光層４からオーバーフローした電子によりダメージを受けて欠陥を生じやすいためであると推考される。よって、紫外線発光素子１０ｂは、信頼性を向上させる観点から、キャップ層５に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さが、６ｎｍ以上であるのが好ましく、７ｎｍ以上であるのがより好ましい。
　なお、紫外線発光素子１０ｂでは、キャップ層５に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さが６ｎｍでも、発光効率の向上を図り、かつ、信頼性の向上を図ることが可能となる場合もある。また、紫外線発光素子１０ｂでは、キャップ層５に最も近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層６１の厚さが１３ｎｍでも、発光効率の向上を図り、かつ、信頼性の向上を図ることが可能となる場合もある。
　紫外線発光素子１０及び１０ｂは、紫外線発光ダイオードに限らず、紫外線レーザダイオードでもよい。
　紫外線発光素子１０及び１０ｂは、例えば、電気機器の構成要素として用いることができる。該電気機器は、紫外線発光素子１０又は１０ｂと、機器本体と、を備えているので、発光効率の向上を図ることが可能となる。
　電気機器の一例としては、例えば、図７に示すような電気掃除機１００を挙げることができる。電気掃除機１００は、掃除機本体（機器本体）１０１と、掃除機本体１０１に設けた吸入口に接続されるホース１０２と、ホース１０２の先端に設けられた接続パイプ１０３と、接続パイプ１０３の先端に設けられた吸込具１０４と、を備える。吸込具１０４は、塵埃を吸引する開口部を有する。吸込具１０４は、ブラシを備えていてもよい。掃除機本体１０１には、塵埃を含む空気を吸引するための電動送風機、塵埃を集塵する集塵容器１０６が内蔵されている。電気掃除機１００は、複数の紫外線発光素子１０を１つのパッケージ１１０に収納した２つの紫外線発光装置１２０を備え、一方の紫外線発光装置１２０が、吸込具１０４に内蔵され、他方の紫外線発光装置１２０が掃除機本体１０１に内蔵されている。吸込具１０４に内蔵された紫外線発光装置１２０は、吸込具１０４の開口部へ紫外線を放射するように配置されている。これにより、電気掃除機１００は、殺菌しながら掃除を行うことが可能となる。掃除機本体１０１に内蔵された紫外線発光装置１２０は、集塵容器１０６内へ紫外線を放射するように配置されている。これにより、電気掃除機１００は、集塵容器１０６の殺菌と、集塵容器１０６内を通る空気の殺菌と、を行うことが可能となる。電気掃除機１００は、２つの紫外線発光装置１２０のうちの一方のみを備えた構成でもよい。また、紫外線発光装置１２０の数は、２つに限定されない。
　また、電気機器の他の例としては、例えば、図８に示すような冷蔵庫２００を挙げることができる。冷蔵庫２００は、冷蔵庫本体２０１と、冷却器２０２と、冷蔵庫本体２０１の３つの開口部を開閉する３つの扉２０３、２０４、２０５と、冷蔵庫本体２０１内に収納された野菜収納容器２１０と、を備える。冷蔵庫２００は、複数の紫外線発光素子１０を１つのパッケージ１１０に収納した複数の紫外線発光装置１２０を備える。複数の紫外線発光装置１２０は、野菜収納容器２１０内へ紫外線を放射するように配置されている。これにより、冷蔵庫２００は、野菜に付着するカビや菌の増殖を抑制することが可能となる。冷蔵庫２００は、紫外線発光装置１２０が冷蔵庫本体２０１内の適宜の空間へ紫外線を放射できるように配置されていれば、食品に付着するカビや菌の増殖を抑制することが可能となる。
　上述の実施形態等において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態等に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

Claims (23)

  1. 　サファイア基板と、ｎ型ＡｌＧａＮ層と、発光層と、キャップ層と、電子障壁層と、ｐ型ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層と、を備え、
    　前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、
    　前記多重量子井戸構造は、各々が第１のＡｌＧａＮ層からなる複数の障壁層と、各々が第２のＡｌＧａＮ層からなる複数の井戸層と、を備え、
    　前記電子障壁層は、前記障壁層よりもＡｌの組成比が大きい第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記複数の井戸層よりもＡｌの組成比が大きく且つ前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比の小さい第２のｐ型ＡｌＧａＮ層と、を備え、
    　前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ｍｇを含有させてあり、
    　前記キャップ層は、前記多重量子井戸構造における前記複数の井戸層のうち前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層に最も近い井戸層と、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と、の間に介在し、
    　前記キャップ層は、前記複数の井戸層よりもＡｌの組成比が大きく且つ前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成比が小さい第３のＡｌＧａＮ層であり、
    　前記キャップ層の厚さは、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である、
    　ことを特徴とする紫外線発光素子。
  2. 　前記第３のＡｌＧａＮ層は、アンドープのＡｌＧａＮ層である、
    　ことを特徴とする請求項１記載の紫外線発光素子。
  3. 　前記電子障壁層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とが、前記発光層の厚さ方向において交互に並んでいる、
    　ことを特徴とする請求項１又は２記載の紫外線発光素子。
  4. 　前記電子障壁層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層それぞれを少なくとも２つ、備える、
    　ことを特徴とする請求項３記載の紫外線発光素子。
  5. 　前記電子障壁層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層及び前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層が２つずつであり、２つの前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さの合計が、７ｎｍ以上２４ｎｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項４記載の紫外線発光素子。
  6. 　前記電子障壁層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層と前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層との積層構造を有し、２つの前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の平均の厚さを前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さで除した値が、１．７５より大きく１４より小さい、
    　ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  7. 　前記電子障壁層は、前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と前記第２のｐ型ＡｌＧａＮ層と前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層との積層構造を有し、前記キャップ層に最も近い前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さが、他の前記第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さよりも大きく、かつ、７ｎｍ以上１２ｎｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  8. 　前記ｎ型ＡｌＧａＮ層と前記発光層と前記キャップ層と前記電子障壁層と前記ｐ型コンタクト層とを備える多層構造は、前記サファイア基板側から、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層、前記発光層、前記キャップ層、前記電子障壁層、前記ｐ型コンタクト層の順に並んでおり、
    　前記サファイア基板と前記ｎ型ＡｌＧａＮ層との間に介在するバッファ層を備え、前記バッファ層は、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ≦１）により構成され、前記ＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ≦１）の（１０－１２）面に対するＸ線回折のωスキャンによるＸ線ロッキングカーブの半値幅が４００arcsec以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  9. 　前記バッファ層のバンドギャップエネルギが前記複数の井戸層のバンドギャップエネルギよりも大きい、
    　ことを特徴とする請求項８記載の紫外線発光素子。
  10. 　前記バッファ層は、ＡｌＮ層である、
    　ことを特徴とする請求項８又は９記載の紫外線発光素子。
  11. 　前記バッファ層の厚さは、３μｍ以上６μｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  12. 　前記バッファ層の内部に空隙が存在する、
    　ことを特徴とする請求項１１記載の紫外線発光素子。
  13. 　前記空隙は、前記バッファ層の厚さ方向において前記サファイア基板と前記バッファ層との界面から２μｍまでの範囲に存在する、
    　ことを特徴とする請求項１２記載の紫外線発光素子。
  14. 　前記ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比が０．５０以上０．７０以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  15. 　前記ｎ型ＡｌＧａＮ層のドナー不純物がＳｉであり、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層のＳｉのドーピング濃度が５×１０18ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下である、
    　ことを特徴とする請求項１４記載の紫外線発光素子。
  16. 　前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは、１μｍ以上３μｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項１４又は１５記載の紫外線発光素子。
  17. 　前記障壁層の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  18. 　前記障壁層は、Ｓｉがドーピングされており、Ｓｉの濃度が、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下である、
    　ことを特徴とする請求項１７記載の紫外線発光素子。
  19. 　前記複数の井戸層の厚さは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  20. 　前記ｐ型コンタクト層の厚さは、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  21. 　前記ｐ型コンタクト層のアクセプタ不純物がＭｇであり、前記ｐ型コンタクト層のＭｇのドーピング濃度が１×１０20ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-３以下である、
    　ことを特徴とする請求項２０記載の紫外線発光素子。
  22. 　前記複数の井戸層の発光ピーク波長が２６０ｎｍ～２８５ｎｍの紫外波長域にある、
    　ことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  23. 　請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の紫外線発光素子と、機器本体と、を備える、
    　ことを特徴とする電気機器。
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