WO2017073046A1 - 紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器 - Google Patents

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WO2017073046A1
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layer
type contact
type
ebl
band gap
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PCT/JP2016/004678
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French (fr)
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秀樹 平山
昌史 定
卓哉 美濃
憲路 野口
隆好 高野
阪井　淳
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国立研究開発法人理化学研究所
パナソニック株式会社
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    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier

Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet light-emitting diode and an electric device including the same. More specifically, the present invention relates to an ultraviolet light-emitting diode with improved carrier injection efficiency and an electric device including the same.
  • Blue light-emitting diodes are widely used as solid-state light-emitting elements using nitride semiconductors.
  • An ultraviolet light-emitting diode (UVLED) using a nitride semiconductor has been developed as a solid-state light-emitting element that emits ultraviolet light (ultraviolet light) having a shorter wavelength.
  • UVLED ultraviolet light-emitting diode
  • a typical deep ultraviolet LED configuration uses a sapphire substrate or an AlN single crystal substrate, and mainly contains aluminum (Al), gallium (Ga), and nitrogen (N), and also contains indium (In).
  • Al aluminum
  • Ga gallium
  • N nitrogen
  • In indium
  • the deep ultraviolet LED has been improved in output, and a deep ultraviolet LED operating with an ultraviolet output of about 10 mW has been put into practical use.
  • EQE external quantum efficiency
  • the external quantum efficiency is defined by dividing the number of photons emitted per unit time from the deep ultraviolet LED by the number of carriers per unit time forming a driving current. This external quantum efficiency is expressed by the product of three factors: internal quantum efficiency (IQE), carrier injection efficiency (Carrier Injection Efficiency: INJ), and light extraction efficiency (LEE).
  • IQE internal quantum efficiency
  • INJ Carrier Injection Efficiency
  • LEE light extraction efficiency
  • EBL Electrode Block Layer
  • MQB multi-quantum barrier
  • Patent Document 1 a p-type AlGaN layer having a composition with a high aluminum fraction that makes it difficult to increase the hole concentration and consequently the barrier height of the EBL is adopted, it is easy to ensure the function of the EBL.
  • the inventors of the present application have been searching for a method for overcoming the low carrier injection efficiency in UVLED. In the process, it was noticed that a phenomenon in which the expected operation was not realized even if the EBL was adopted including the MQB layer was often observed.
  • An object of the present invention is to provide a UVLED having an improved external quantum efficiency by providing an essential solution for increasing the carrier injection efficiency, thereby contributing to the enhancement of the performance of electrical equipment employing the UVLED. That is.
  • the inventors of the present application have investigated in detail the situation where the carrier injection efficiency does not become as expected when EBL such as an MQB layer or a single barrier layer is employed. As a result, the carrier injection efficiency strongly depends on the valence band offset determined relatively between the EBL and the p-type contact layer including the Al y Ga 1-y N layer (0 ⁇ y ⁇ 1). I found out. Then, the inventors of the present application investigate in detail how the action of EBL changes with respect to the aluminum fraction y of Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ 1) of the p-type contact layer. I thought it was necessary.
  • the inventors of the present application conducted a numerical simulation for obtaining a band lineup and a carrier current (charge current) of an LED employing AlGaN, and performed an Al y Ga 1-y N layer constituting a p-type contact layer in contact with the EBL.
  • the present invention was created based on the results obtained by causing the computer to perform various changes in the aluminum fraction y of (0 ⁇ y ⁇ 1).
  • an ultraviolet light-emitting diode includes an n-type conductive layer including an In x1 Al y1 Ga 1-x1-y1 N layer (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1), a light-emitting layer, , An electron block layer including an In x2 Al y2 Ga 1-x2-y2 N layer (0 ⁇ x2 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1), and an In x3 Al y3 Ga 1-x3-y3 N layer (0 ⁇ x3 ⁇ P-type contact layer including 1,0 ⁇ y3 ⁇ 1) in this order, when the band gap energy of the p-type contact layer is E contact and the band gap energy of the electron block layer is E EBL , contact ⁇ E EBL is satisfied.
  • An ultraviolet light-emitting diode includes an n-type conductive layer including an In x1 Al y1 Ga 1-x1-y1 N layer (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1), a light-emitting layer, , An electron block layer including an In x2 Al y2 Ga 1-x2-y2 N layer (0 ⁇ x2 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1), and an In x3 Al y3 Ga 1-x3-y3 N layer (0 ⁇ x3 ⁇ P-type contact layer including 1,0 ⁇ y3 ⁇ 1) in this order, and the maximum value of the valence band energy in the electron block layer and the value of the quasi-Fermi level of the hole
  • the barrier height for the hole determined by the energy difference is 300 meV or less.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a UVLED (also referred to as “UVLED element”) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a simulation result
  • FIG. 4B is a simulation result for
  • FIG. 4 is a graph of the barrier height dependence on holes to the aluminum fraction of a p-type contact layer as revealed by simulation for a UVLED of one embodiment of the present invention. It is a graph of the barrier height dependence with respect to the hole of the carrier injection efficiency in one Embodiment of this invention.
  • FIG. 9A is a graph showing the dependence of the valence band offset and the activation energy of Mg in the band lineup on the aluminum fraction y of the Al y Ga 1-y N layer in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a graph in which the sum of the valence band offset and the activation energy of Mg is superimposed on the aluminum fraction dependency of the barrier height for the holes shown in FIG. FIG.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a vacuum cleaner which is an example of the electric device according to the embodiment of the present invention.
  • UVLED element ultraviolet light emitting diode
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a UVLED element 100 in the present embodiment.
  • a buffer layer 120 made of a material such as an AlN crystal is epitaxially grown on one surface 104 of a sapphire substrate 110 that is typically a flat ⁇ -Al 2 O 3 single crystal.
  • the n-type conductive layer 132, the light emitting layer 134, and the electron block layer (EBL) 138 are formed by epitaxial growth so that they are laminated in this order.
  • the buffer layer 120, the n-type conductive layer 132, the light emitting layer 134, and the EBL 138 are arranged in this order from the one surface 104 of the sapphire substrate 110.
  • the n-type conductive layer 132 is in contact with the buffer layer 120.
  • the material of the n-type conductive layer 132, the light-emitting layer 134, and the EBL 138 is typically a composition doped with AlGaN or a trace amount of elements (Si for n-type, Mg for p-type, etc.).
  • An n-type electrode 140 is electrically connected to the n-type conductive layer 132.
  • N-type electrode 140 is disposed on the exposed portion of n-type conductive layer 132.
  • the p-type contact layer 150 is stacked on the EBL 138, and the p-type electrode 160 is disposed on the p-type contact layer 150.
  • the p-type electrode 160 is also used as a light reflector.
  • the p-type electrode 160 establishes electrical connection with the EBL 138 via the p-type contact layer 150 (electrically connected to the EBL 138).
  • ultraviolet rays are emitted from the light extraction surface 102 that is the other surface of the sapphire substrate 110.
  • V / III ratio means the raw material of group III element N (group V element gas with respect to the molar supply amount [ ⁇ mol / min] of group III element source gas (Al source gas, Ga source gas, In source gas, etc.) It is a ratio to the molar supply amount of gas [ ⁇ mol / min].
  • the n-type conductive layer 132 is an AlGaN layer doped with Si so as to be n-type conductive, that is, an AlGaN; Si layer.
  • the n-type conductive layer 132 is an n-type AlGaN layer.
  • a condition (“typical condition”) employed for calculation in a simulation described later is, for example, an Al 0.54 Ga 0.46 N; Si layer having a thickness of 100 nm.
  • the light emitting layer 134 is, for example, a multi-quantum well (MQW) stacked body, and has a periodic structure including three quantum wells (well layers) under typical conditions.
  • MQW multi-quantum well
  • the MQW stacked body further includes a spacer layer stacked on the well layer farthest from the n-type conductive layer 132. Under typical conditions, an Al 0.54 Ga 0.46 N layer having a thickness of 10 nm is employed as the spacer layer.
  • the MQW laminate of the light emitting layer 134 has such an internal structure.
  • the EBL 138 and the p-type contact layer 150 are an AlGaN layer doped with Mg so as to have p-type conductivity, that is, an AlGaN; Mg layer.
  • the EBL 138 and the p-type contact layer 150 are p-type AlGaN layers.
  • the EBL 138 is, for example, a single layer of AlGaN; Mg layer in which the aluminum fraction is increased so as to have a wide band gap.
  • the EBL 138 can optionally be configured with an MQB layer. Under typical conditions, EBL 138 is an Al 0.9 Ga 0.1 N layer with a thickness of 16 nm.
  • the p-type contact layer 150 is an Al y Ga 1-y N layer having a thickness of 100 nm under typical conditions.
  • the EBL 138 and the p-type contact layer 150 are changed by changing the aluminum fraction y of the p-type Al y Ga 1-y N layer constituting the p-type contact layer 150 in the range of 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the operation is verified by changing the band offset that is relatively determined between and.
  • the n-type conductive layer 132 is doped so that Si has an appropriate concentration. Under typical conditions, the Si doping concentration of the n-type conductive layer 132 is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • Mg is doped so as to have an appropriate concentration. The doping concentration of the p-type layer under typical conditions is 3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • All the AlGaN layers mean the AlGaN layers in the n-type conductive layer 132, the light emitting layer 134, the EBL 138, and the p-type contact layer 150, respectively.
  • two types of carriers that is, electrons and holes, are injected into the well layer of the light emitting layer 134.
  • 2A to 5B show simulation results for the UVLED 100 of the present embodiment.
  • 2A, 3A, 4A, and 5A are band diagrams with respect to the position in the thickness direction of the UVLED 100, showing the electron band profile, the electron quasi-Fermi level (E Fn ), and the hole quasi-Fermi level (E Fp ). ing.
  • the horizontal axis z is a coordinate in the thickness direction of the stacked body including the n-type conductive layer 132, the light emitting layer 134, the EBL 138, and the p-type contact layer 150. More specifically, the horizontal axis z is the buffer layer. This is the distance from the reference plane when the interface between 120 and the n-type conductive layer 132 is taken as the reference plane.
  • the EBL 138 and the p-type contact layer 150 occupy a range of 124 nm ⁇ z ⁇ 140 nm.
  • the p-type contact layer 150 occupies a range of 140 nm ⁇ z ⁇ 240 nm.
  • the numerical simulation conditions were such that the current density was fixed at 10 A / cm 2 and the Augers process was taken into account.
  • the band profile, the electron pseudo-Fermi level (E Fn ), and the hole pseudo-Fermi level (E Fp ) are determined by the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150. It fluctuated greatly due to differences.
  • the pseudo-Fermi level EFp of the hole in the p-type contact layer 150 rises with respect to the valence band edge (FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A).
  • the hole concentration of the p-type contact layer 150 varies from 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 (in the case of p-type GaN) to 3 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 (in the case of p-type AlN) according to the increase in the aluminum fraction y. It has decreased monotonously.
  • the carrier injection efficiency into the light emitting layer 134 does not change monotonously as the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 increases.
  • the UVLED has a low hole injection efficiency and hardly recombines electrons and holes. Therefore, in the UVLED, most of the electron current and the hole current pass through the light emitting layer 134 between the n-type electrode 140 and the p-type electrode 160. For this reason, UVLED has low carrier injection efficiency.
  • FIG. 6 is a graph summarizing the simulation results.
  • the horizontal axis represents the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150, and the vertical axis represents the carrier injection efficiency.
  • y EBL is the value (0.9) of the aluminum fraction y in EBL138 employed in the simulation.
  • y EBL more in EBL138 carrier injection efficiency decreases rapidly.
  • the p-type contact layer 150 made of AlGaN (in other words, the p-type contact layer 150 including the Al y Ga 1-y N layer) has the optimum aluminum fraction y from the viewpoint of hole injection efficiency. It clearly shows that it can have a value.
  • the parameter that determines the value of the hole injection efficiency is the barrier height for holes in EBL138.
  • the barrier height for a hole is defined as “the energy difference between the maximum value of the valence band energy in EBL138 and the value of the pseudo-Fermi level (E Fp ) of the hole”. Since the barrier height depends on the position of the EBL 138 in the thickness direction, a geometric average over the entire thickness of the EBL 138 is adopted.
  • FIG. 7 is a graph showing the dependence of the barrier height on the hole with respect to the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 found by the above simulation.
  • FIG. 7 shows the barrier height with respect to the holes for the p-type contact layer 150 having a different aluminum fraction y.
  • the curve in FIG. 8 is shown for reference. It is clear from FIG. 8 between the barrier height and the carrier injection efficiency for the holes that have been found to depend on the value of the aluminum fraction y as convex (FIG.
  • the hole height for holes is a suitable index for hole injection efficiency. That is, the barrier height is a variable explaining the value of the carrier injection efficiency through the hole injection efficiency. And in UVLED, if the barrier height with respect to a hole was 300 meV or less, it was confirmed in calculation that the high carrier injection efficiency exceeding 0.8 was realizable.
  • the cause of the dependence (FIG. 7) on the dependence of the barrier height against the hole on the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 will be described in detail.
  • the band offset of the valence band (hereinafter referred to as “valence band offset”) at the interface between the EBL 138 and the p-type contact layer 150 is ⁇ E v
  • the activation energy of Mg is E a
  • the sum thereof Is expressed as ⁇ E v + E a as a function of the aluminum fraction y in the p-type contact layer 150.
  • 9C is a schematic diagram showing the relationship between Delta] E v, E a and the valence band energy level (E v).
  • ⁇ E v + E a is the interface between the EBL 138 and the p-type contact layer 150. Will give a measure of the barrier height for the hole at.
  • the barrier height is an index of the hole injection efficiency, and it is important to adjust the barrier height for the hole in order to improve the hole injection efficiency.
  • the inventors of the present application focused on the conduction band slope in EBL138.
  • the inclination of the conduction band in the range of 124 nm ⁇ z ⁇ 140 nm is obtained when the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 is 0, 0.4, or 0.8. Is rising to the right (FIGS. 2A, 3A, 4A), while it is falling to the right when the aluminum fraction y is 1 (FIG. 5A).
  • the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 is 0.8, it is assumed that most carriers are recombined in the light emitting layer 134 (FIG. 4B).
  • the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 is 1.0, it is assumed that most carriers pass through the light emitting layer 134 without being recombined (FIG. 5B). This is because when the aluminum fraction y is smaller than 0.9, which is the aluminum fraction of EBL138, the EBL138 performs an electron blocking function and blocks the electrons from the light emitting layer 134 side, whereas the aluminum fraction If y is larger than 0.9, it means that EBL138 has passed electrons.
  • the lower right conduction band of EBL 138 serves to reduce the substantial EBL 138 thickness for electrons moving to the right in FIG. 5A.
  • the electron blocking function of EBL138 is rapidly damaged when the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 exceeds 0.8.
  • the magnitude relation between the band gap of the p-type contact layer 150 and the band gap of the EBL 138 determines the magnitude relation of the connection at the interface between the EBL 138 of the conduction band and the p-type contact layer 150, and the magnitude relation is EBL 138.
  • the effect of EBL138's action on electrons is determined through the conduction band slope at.
  • the action of EBL 138 with respect to electrons means an electronic block function in which EBL 138 blocks electrons.
  • the heterojunction between the EBL 138 and the p-type contact layer 150 determines the slope shape (band shape) of the conduction band and valence band of the EBL 138, and the slope shape of the conduction band of the EBL 138 The ability of electronic block function to block is determined.
  • E EBL and E contact are determined at respective positions of the EBL 138 and the p-type contact layer 150 in the thickness direction of the stacked body including the p-type contact layer 150 as in the example shown in FIG. 4A.
  • E EBL and E contact are energy differences between the conduction band and the valence band, they are almost constant in the same material range.
  • the UVLED if the aluminum concentration y of the p-type contact layer 150 increases and the hole concentration of the p-type contact layer 150 of the p-type layer is low, the electrons are responsible for electrical conduction, and the holes become the light-emitting layer 134. It becomes difficult to be injected into.
  • the valence band height values in the downward direction of the paper in FIGS. 3A and 4A, that is, the energy level of the valence band when viewed from the energy of the holes. Since it can be explained that it is large, it is consistent with the explanation of the hole injection efficiency.
  • E g InN , E g AlN , and E g GaN are band gap energies of InN, AlN, and GaN, and b Al—In , b Al—Ga , and b Ga—In are degrees of deviation from linear interpolation.
  • E g InN , E g AlN , and E g GaN , and b Al—In , b Al—Ga , and b Ga—In used in the above approximate expression can ideally simulate the real thing. While it should be a value, it is practical to adopt a value based on reliable literature. However, any of the above values will vary depending on the literature on which it is based. Furthermore, the band gap energy shows a dependency that decreases as the temperature rises (temperature rise). For example, in a typical document (Reference 1 [I. Vurgaftman and JR Meyer, “Band parameters for nitrogen-containing semiconductors”, J. Appl. Phys.
  • the value at 300K is adopted as the value of the band gap energy in the UVLED 100 of the embodiment unless otherwise specified. Furthermore, the simulation software (“SiLENSe”) used for the calculation adopts the above approximate expression using the following values.
  • the band gap energy is a value at a temperature of 300 K (room temperature). Further, the band gap energy employed in the above numerical simulation is a value at a temperature of 300 K unless otherwise specified. It should be noted that the matter specified by the magnitude relationship of the band gap energy and the numerical value itself in this application is not a matter that should be established only at 300 K. For example, the local temperature of the UVLED device 100 during operation of the UVLED device 100 If each item is satisfied, the expected operation can be expected.
  • the design properties of AlGaN described based on the aluminum fraction require a corresponding modification when the material contains In (in other words, the properties of InAlGaN are different from those of AlGaN).
  • the EBL 138 and the p-type contact layer 150 are characterized particularly focusing on the energy gap, such correction is unnecessary, and even if the indium fraction x in the above approximate expression is other than 0, the EBL 138 and the p-type
  • the description regarding the energy gap of the contact layer 150 is valid as it is. This is one reason why the inventors think that the band gap energy determines the carrier injection efficiency rather than the composition such as the aluminum fraction and the indium fraction.
  • band offset band edge energy difference
  • the UVLED device 100 When focusing on the band gap, a preferred embodiment of the UVLED device 100 can be provided, preferably by various additional relationships.
  • the band gap energy of the p-type contact layer 150 is E contact and the photon energy of light emitted from the light emitting layer 134 is E emission
  • the band gap energy of the p-type contact layer 150 is E emission ⁇ E
  • the p-type contact layer 150 is transparent to the light emitted from the light emitting layer 134. For this reason, light (ultraviolet rays) emitted from the light emitting layer 134 is not absorbed by the p-type contact layer 150, and the light emission efficiency of the UVLED element 100 is improved.
  • the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 is such that the band gap energy of the p-type contact layer 150 is 4.83 eV ⁇ E when the band gap energy of the p-type contact layer 150 is E contact.
  • a value satisfying contact ⁇ 5.45 eV is a preferred embodiment. If the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 is thus determined, the luminous efficiency is particularly improved.
  • the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 corresponds to 0.6 to 0.8 when the indium fraction is small.
  • E EBL ⁇ E contact is 0 ⁇ E EBL ⁇ E contact ⁇ 0.966 eV Embodiments that satisfy are preferred. If the UV LED element 100 has such a composition that the p-type contact layer 150 and the EBL 138 satisfy this condition, a good operation confirmed by simulation is realized. If the EBL 138 specifically corresponds to the above simulation in which the aluminum fraction is 0.9 and the aluminum fraction is 0.9, the aluminum fraction y of the p-type contact layer 150 corresponds to 0.6 to 0.8. To do.
  • E EBL ⁇ E contact 0.966 eV is that the aluminum fraction of EBL138 composed of a single barrier (AlGaN layer) is 0.9 and E EBL is 5.796 eV, p This is because the aluminum fraction of the mold contact layer 150 is 0.6 and the E contact is 4.830 eV.
  • the band gap energy of the n-type conductive layer 132 is 4.5 eV or more.
  • the light transmittance of the n-type conductive layer 132 is 80% or more for light having a wavelength of 300 nm.
  • the n-type conductive layer 132 becomes transparent for the light emitted from the light emitting layer 134, and the light extraction efficiency is improved.
  • the n-type conductive layer 132 that satisfies the condition that the band gap energy of the n-type conductive layer 132 is 4.5 eV or more can be obtained by setting the aluminum fraction to 0.5 or more when the indium fraction is small.
  • the band gap energy of the n-type conductive layer 132 is more preferably set to 6.2 eV or less.
  • the n-type conductive layer 132 can be formed of a material corresponding to an arbitrary aluminum fraction of 0.5 or more and 1 or less.
  • the n-type conductive layer 132 cannot be expected to have further transparency in the light region that is practically used as the deep ultraviolet region simply because it is formed of a material having a band gap energy exceeding 6.2 eV. . This is because the wavelength of light having a photon energy of 6.2 eV is the shortest wavelength in the deep ultraviolet region with respect to the wavelength of ultraviolet rays emitted from the light emitting layer using the AlGaN-based material.
  • Multi-Quantum Barrier (MQB) Layer Even when the EBL 138 is an MQB layer, the above description can be applied with a slight modification. At that time, in order to accurately apply the actual MQB layer, details of the MQB layer designed to increase the substantial barrier height against electrons are considered. In other words, design factors that affect the actual barrier height of the actual MQB layer include, for example, how much the MQB period is, whether it includes a plurality of MQB periods, the total thickness of the MQB layer, and the conduction band in the MQB layer. Depends on the slope and composition of each layer in the MQB layer.
  • the maximum band gap energy in the MQB layer is set to E MQB-max instead of the band gap energy E EBL, and the band gap energy of the p-type contact layer 150 is
  • E contact the maximum value of the band gap energy in the MQB layer is E contact ⁇ E MQB ⁇ max
  • the average band gap energy due to the band gap in each layer of the MQB layer is equal to or larger than the band gap energy (E contact ) of the p-type contact layer 150 instead of the maximum value of the band gap energy of the MQB layer. Furthermore, it is preferable because a strong electronic block function can be expected in the MQB layer.
  • Example 1 An ultraviolet light emitting module including the UVLED element 100 was manufactured. Hereinafter, an example of a method for manufacturing the ultraviolet light emitting module will be described.
  • a single crystal sapphire substrate ( ⁇ -Al 2 O 3 substrate) is prepared.
  • the sapphire substrate has a first surface and a second surface orthogonal to the thickness direction of the sapphire substrate.
  • the first surface of the sapphire substrate has an off angle from the (0001) plane of 0.20 °, for example.
  • the sapphire substrate is placed on a susceptor in a furnace (reaction furnace) of a metal organic vapor phase epitaxy apparatus (MOVPE apparatus). After that, while supplying hydrogen (H 2 gas) as a carrier gas into the furnace of the MOVPE apparatus, the temperature in the furnace is 1100 ° C. and the pressure in the furnace is 10 kPa. Formation started.
  • the nitride semiconductor thin film referred to here is an AlN underlayer (buffer layer 120) that becomes the underlayer of the n-type conductive layer 132.
  • the temperature in the furnace is the substrate temperature.
  • the substrate temperature is a temperature obtained by measuring the temperature of the susceptor holding the sapphire substrate in the furnace of the MOVPE apparatus using a thermocouple, but is not limited thereto.
  • the temperature and pressure in the furnace were kept constant at 1100 ° C. and 10 kPa, respectively.
  • TMA trimethylaluminum
  • NH 3 is pulsed as a group V raw material in the furnace.
  • a plurality of island-shaped AlN crystal nuclei were formed by supplying 100 sccm while being turned ON / OFF.
  • the height of the AlN crystal nucleus is about 20 nm.
  • TMA was continuously supplied into the furnace at a flow rate of 50 sccm, and NH 3 was intermittently supplied at a flow rate of 100 sccm to form a plurality of island-shaped AlN crystal nuclei having a height of about 20 nm.
  • TMA is continuously added as a group III material to 200 sccm in addition to the carrier gas.
  • the temperature in the furnace is lowered from 1300 ° C. to 1100 ° C. with only the carrier gas (H 2 gas) being supplied into the furnace, and TMA and TMG (III group raw materials) N-type conductive layer having an overall thickness of 1.5 ⁇ m by supplying 50 sccm and 20 sccm of trimethylgallium), 3 sccm of TESi (tetraethylsilane) as an n-type impurity dopant material, and 2 SLM of NH 3 as a group V material 132 was formed.
  • the temperature in the furnace is kept as it is, and TMA and TMG are supplied to the furnace as the group III raw materials at 50 sccm and 20 sccm, respectively, and NH 3 is supplied as the group V raw material at 2 SLM (standard liter per minute).
  • TMA and TMG are supplied to the furnace as the group III raw materials at 50 sccm and 20 sccm, respectively, and NH 3 is supplied as the group V raw material at 2 SLM (standard liter per minute).
  • a barrier layer having a thickness of about 10 nm was formed.
  • the Al composition (aluminum fraction) of the AlGaN layer constituting the barrier layer formed by this method was 0.60.
  • a quantum well (well layer) having a thickness of about 2 nm was formed in the furnace by supplying TMA and TMG as group III materials at 50 sccm and 30 sccm, respectively, and NH 3 as a group V material at 2 SLM.
  • the Al composition (aluminum fraction) of the AlGaN layer constituting the well layer formed by this method was about 0.45. Further, by alternately forming these barrier layers and well layers, a light emitting layer 134 having a multi-quantum well structure including four well layers was formed.
  • EBL electron block layer
  • MQB multiple quantum barrier
  • TMA and TMG as group III materials are supplied at 50 sccm and 20 sccm, respectively, Cp 2 Mg as 100 pcm as p-type impurity dopant material, and NH 3 as 2 group materials as 2 SLM are supplied into the furnace, resulting in a thickness of about 2 nm.
  • a second electron blocking layer was formed.
  • TMA and TMG as group III materials at 50 sccm and 3 sccm, Cp 2 Mg as 100 pcm as a p-type impurity dopant material, and NH 3 as a group V material at 2 SLM, respectively, a thickness of about 8 nm is supplied into the furnace.
  • a third electron blocking layer was formed.
  • TMA and TMG are supplied at 50 sccm and 20 sccm, respectively, as a group III material, Cp 2 Mg as 100 pcm as a p-type impurity dopant material, and NH 3 as a group V material as 2 SLM, and the thickness is about 10 nm.
  • a fourth electron blocking layer was formed.
  • an EBL 138 having an MQB structure in which the first to fourth electron block layers are stacked is formed.
  • the Al composition (aluminum fraction) of the AlGaN layer in the first, second, third, and fourth electron block layers constituting the EBL 138 having the MQB structure formed by this method is about 0.94, about 0.60, about 0.94, and about 0.60.
  • a p-type contact layer 150 was formed following the formation of EBL138 having an MQB structure. After the formation of EBL138, the furnace temperature is kept as it is, and TMA and TMG are supplied at 25 sccm and 3 sccm as group III materials, Cp 2 Mg as 100 pcm as p-type impurity dopant material, and NH 3 as 2 group materials as 2 SLM. As a result, the p-type contact layer 150 having a thickness of about 50 nm was formed.
  • the Al composition (aluminum fraction) of the AlGaN layer constituting the p-type contact layer 150 formed by this method was about 0.80.
  • the substrate temperature was lowered to room temperature while only the carrier gas (H 2 gas) was supplied into the furnace. Thereafter, the wafer in which the laminated body was laminated on the sapphire substrate (sapphire wafer) was taken out from the MOVPE apparatus, and heat treatment was performed at 800 ° C. for 20 minutes in an N 2 atmosphere with an annealing apparatus.
  • the stacked body is a nitride semiconductor thin film in which a buffer layer 120, an n-type conductive layer 132, a light emitting layer 134, an EBL 138, and a p-type contact layer 150 are stacked in this order.
  • n-type contact layer 150 After the heat treatment, a part of the p-type contact layer 150, the MQL structure EBL138, and the light emitting layer 134 were removed by photolithography and dry etching, and a part of the n-type conductive layer 132 was exposed.
  • an n-type electrode 140, a p-type electrode 160, and a pad electrode (not shown) were formed by a photolithography method and a lift-off method. The pad electrode is used for conduction and fixation of mounting described later.
  • the p-type electrode 160 was fabricated by sequentially forming a Ni thin film with a thickness of 2 nm and an Al thin film with a thickness of 200 nm on a part of the p-type contact layer 150.
  • As the pad electrode a Ti thin film with a thickness of 50 nm and an Au thin film with a thickness of 1000 nm were sequentially formed on each electrode (n-type electrode 140 and p-type electrode 160).
  • the wafer formed up to each pad electrode was divided so that the element shape of the UVLED 100 was a 400 ⁇ m square shape in a plan view (a square shape with each side having a length of 400 ⁇ m), thereby producing a plurality of UVLED elements 100.
  • one UVLED element 100 of the plurality of UVLED elements was flip-chip mounted on the submount, and an amorphous fluororesin was applied so as to cover the UVLED element 100.
  • heat treatment was performed at 100 ° C. for 1 hour, followed by 180 ° C. for 30 minutes, and the amorphous fluororesin was cured to produce an ultraviolet light emitting module including the UVLED element 100.
  • the highest light emitting characteristics were obtained in the deep ultraviolet region, with a wavelength of 276 nm, an optical output of 6.5 mW, and a luminous efficiency of 7.2%. Further, the luminous efficiency when DC 1 mA was passed through the ultraviolet light emitting module was 9.0%.
  • Example 2 After producing the UVLED element 100 by the same method as in Example 1, six elements were electrically connected in parallel on the submount and flip-chip mounted. Further, an amorphous fluororesin was applied so as to cover the entire six elements, and the amorphous fluororesin was cured under the same curing conditions as in Example 1 to produce an ultraviolet light emitting module for high output operation. When this ultraviolet light emitting module was supplied with DC 120 mA, light emission characteristics with a wavelength of 277 nm and an optical output of 40 mW were obtained.
  • the Mg concentration of the p-type contact layer 150 is 1.0 ⁇ 10 18 / cm 3 or more. If the Mg concentration is higher than this value, holes are efficiently injected into the light emitting layer 134 and the light emission efficiency is improved. Further, the Mg concentration of the p-type contact layer 150 is preferably 1.0 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or less. When the Mg concentration of the p-type contact layer exceeds about 10 20 cm ⁇ 3 , the crystallinity of the p-type contact layer 150 starts to deteriorate significantly, and the hole concentration tends to hardly increase.
  • the Mg concentration of the p-type contact layer is preferably 1.0 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or less because it is possible to improve the light emission efficiency while maintaining good crystallinity, and more preferably, It is preferably 1.0 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less. Accordingly, the UVLED element 100, it is also preferable hole concentration of the p-type contact layer 150 is 1.0 ⁇ 10 15 cm -3 or more. When the hole concentration exceeds this value, holes are efficiently injected and the light emission efficiency is improved. Further, since the hole concentration value that is difficult to increase is about 1.0 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3, it is also preferable to operate with a hole concentration less than this value.
  • the UVLED element 100 it is possible to improve the carrier injection efficiency by appropriately setting the energy gap structure of the p-type contact layer 150 and the EBL 138. Thereby, the UVLED element which raised external quantum efficiency is realizable.
  • the UVLED element 100 can be used as, for example, a component of an electric device. Since the electric device includes the UVLED element 100 as an ultraviolet ray emission source and the device main body, it is possible to contribute to the enhancement of the performance of the electric device employing the UVLED.
  • the vacuum cleaner 200 includes a vacuum cleaner main body (equipment main body) 201, a hose 202 connected to a suction port provided in the vacuum cleaner main body 201, a connection pipe 203 provided at the tip of the hose 202, and a connection pipe 203. And a suction tool 204 provided at the tip.
  • the suction tool 204 has an opening for sucking dust.
  • the suction tool 204 may include a brush.
  • the vacuum cleaner main body 201 includes a built-in electric blower for sucking air containing dust and a dust collecting container 206 for collecting dust.
  • the vacuum cleaner 200 includes two ultraviolet light emitting devices 220 in which a plurality of UVLED elements 100 are housed in one package 210.
  • One ultraviolet light emitting device 220 is built in the suction device 204, and the other ultraviolet light emitting device 220 is provided.
  • Built in the vacuum cleaner body 201 The ultraviolet light emitting device 220 built in the suction tool 204 is disposed so as to emit ultraviolet light to the opening of the suction tool 204. Thereby, the electric vacuum cleaner 200 can be cleaned while being sterilized.
  • the ultraviolet light emitting device 220 built in the cleaner main body 201 is disposed so as to emit ultraviolet rays into the dust collecting container 206. Thereby, the vacuum cleaner 200 can sterilize the dust collection container 206 and sterilize the air passing through the dust collection container 206.
  • the vacuum cleaner 200 may be configured to include only one of the two ultraviolet light emitting devices 220. Further, the number of ultraviolet light emitting devices 220 is not limited to two.
  • the electric device including the UVLED element 100 as an ultraviolet ray emission source and the device main body is not limited to the electric vacuum cleaner 200 but may be a refrigerator, for example.
  • the ultraviolet light-emitting diode (100) of the first aspect according to the present invention has an In x1 Al y1 Ga 1-x1-y1 N layer (0 ⁇ x1 ⁇ 1,0).
  • ⁇ and n-type conductive layer (132) comprising y1 ⁇ 1), the light-emitting layer and (134), In x2 Al y2 Ga 1-x2-y2 n layer (0 ⁇ x2 ⁇ 1,0 ⁇ y2 ⁇ 1)
  • An electron block layer (138) and a p-type contact layer (150) including an In x3 Al y3 Ga 1-x3-y3 N layer (0 ⁇ x3 ⁇ 1, 0 ⁇ y3 ⁇ 1) are provided in this order.
  • the band gap energy of the p-type contact layer (150) is E contact and the light emitted from the light emitting layer (134) is emitted.
  • E emission the photon energy is E emission , E emission ⁇ E contact is satisfied.
  • the aluminum fraction y3 of the p-type contact layer (150) is the band gap energy of the p-type contact layer (150) as E When contact is satisfied, the value satisfies 4.83 eV ⁇ E contact ⁇ 5.45 eV.
  • the band gap energy of the p-type contact layer (150) is E contact and the band gap energy of the electron blocking layer (138) is When E EBL is satisfied, 0 eV ⁇ E EBL ⁇ E contact ⁇ 0.966 eV is satisfied.
  • the electron block layer (138) is a multiple quantum barrier layer
  • the band gap energy of the p-type contact layer (150) is E
  • the maximum value of the band gap energy in the multiple quantum barrier layer is E MQB-max , E contact ⁇ E MQB-max is satisfied.
  • the Mg concentration of the p-type contact layer 150 is 1.0 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1.0 ⁇ 10 21 cm in the first aspect. -3 or less.
  • the hole concentration of the p-type contact layer 150 is 1.0 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 1.0 ⁇ 10 21 cm. -3 or less.
  • the band gap energy of the n-type conductive layer (132) is 4.5 eV or more and 6.2 eV or less.
  • An electric device (200) includes the ultraviolet light emitting diode (100) according to any one of the first to eighth aspects as an ultraviolet ray emission source.
  • An ultraviolet light emitting diode (100) includes an n-type conductive layer (132) including an In x1 Al y1 Ga 1-x1-y1 N layer (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1). ), A light-emitting layer (134), an electron blocking layer (138) including an In x2 Al y2 Ga 1-x2-y2 N layer (0 ⁇ x2 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1), and In x3 Al y3 Ga A p-type contact layer (150) including a 1-x3-y3 N layer (0 ⁇ x3 ⁇ 1, 0 ⁇ y3 ⁇ 1).
  • the barrier height for the hole determined by the energy difference between the maximum value of the valence band energy and the value of the pseudo-Fermi level of the hole in the electron blocking layer (138) is 300 meV or less.
  • the UVLED element of the present invention can be used for any electrical device that generates ultraviolet rays.
  • UVLED element ultraviolet LED element
  • SYMBOLS Light extraction surface
  • One surface of a sapphire substrate 110 Sapphire substrate 120 Buffer layer 132 N-type conductive layer 134 Light emitting layer 138 Electronic block layer (EBL) 140 n-type electrode 150 p-type contact layer 160 p-type electrode

Landscapes

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Abstract

本発明の課題は、紫外発光ダイオードのキャリア注入効率を高めることが可能な紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器を提供することである。本発明に係る紫外発光ダイオードであるＵＶＬＥＤ素子（１００）は、ｎ型導電層（１３２）、発光層（１３４）、電子ブロック層（１３８）、およびｐ型コンタクト層（１５０）をこの順に備えている。ｐ型コンタクト層（１５０）のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、電子ブロック層（１３８）のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、電子ブロック層（１３８）のバンドギャップエネルギーがＥｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＥＢＬを満たしている。電気機器は、ＵＶＬＥＤ素子（１００）を紫外線の放出源として備える。

Description

紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器
　本発明は紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器に関する。さらに詳細には、本発明はキャリアの注入効率を高めた紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器に関する。
　窒化物半導体を利用する固体発光素子として、青色発光ダイオードが広く実用に付されている。より短い波長をもつ紫外域の光（紫外線）を放射する固体発光素子として窒化物半導体を利用した紫外発光ダイオード（ＵＶＬＥＤ）も開発されている。紫外域のうち３５０ｎｍ以下の深紫外域の紫外線、特にＵＶ－Ｃの波長帯の一部となる２６０～２８０ｎｍ程度の波長域の紫外線では、殺菌、浄水から医療応用まで広汎な用途が見込まれ、ＵＶ－Ｃの波長帯の紫外線を放射するＬＥＤ（深紫外ＬＥＤ）の開発も進められている。典型的な深紫外ＬＥＤの構成は、サファイア基板もしくはＡｌＮ単結晶基板を利用しており、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および窒素（Ｎ）を主な組成としインジウム（Ｉｎ）も含むことがある窒化ガリウムアルミニウム系の半導体による積層構造体を備える。深紫外ＬＥＤでは出力の向上も図られており、１０ｍＷ程度の紫外線出力にて動作する深紫外ＬＥＤも実用化されている。
　深紫外ＬＥＤの技術課題の一つに発光効率の改良を挙げることができる。発光効率の指標の一つが、外部量子効率（External Quantum Efficiency：ＥＱＥ）である。外部量子効率は、深紫外ＬＥＤから外部に放出される単位時間当たりのフォトン数を、駆動電流をなす単位時間当たりのキャリア数で除算することにより定義される。この外部量子効率は、内部量子効率（Internal Quantum Efficiency：ＩＱＥ）、キャリア注入効率（Carrier Injection Efficiency：ＩＮＪ）、および光取出し効率（Light Extraction Efficiency：ＬＥＥ）の３つの因子の積により表現される。すなわち、外部量子効率、内部量子効率、キャリア注入効率および光取出し効率を、それぞれ、ηＥＱＥ、ηＩＱＥ、ηＩＮＪおよびηＬＥＥとすると、
　ηＥＱＥ＝ηＩＱＥ×ηＩＮＪ×ηＬＥＥ
の関係が成立する。
　これまでの開発の結果、深紫外ＬＥＤにおける上記３つの因子のうち、内部量子効率については飛躍的向上が達成され、光取出し効率についても進展してきた。そこで、キャリア注入効率を改善することが喫緊の課題となっている。特に、深紫外ＬＥＤの場合、発光の光子エネルギーを左右するバンドギャップを大きくし、かつ、発光層で発光する紫外線に対する、発光層以外の層の透過率を高めて光取出し効率を向上させるために、ｐ型層としてアルミニウム分率を高めたｐ型ＡｌＧａＮが採用される。しかし、このような深紫外ＬＥＤの場合にはキャリア注入効率が向上しにくくなるという問題が生じる。その一因は、ｐ型層においてＭｇアクセプターが高い活性化エネルギーを示し自己補償効果も強く現われてホール濃度を高めることが困難となるためである。
　ｐｎ接合のためにｐ型ＡｌＧａＮを採用した場合に上記問題を克服してキャリア注入効率を改善する一つの手法が、発光層とｐ型コンタクト層との間の位置にバンドギャップの広い組成の電子ブロック層（Electron Block Layer：ＥＢＬ）を導入する対策である。このＥＢＬの一形態としては多重量子障壁（Multi-Quantum Barrier：ＭＱＢ）層を採用する手法も知られている。特に、深紫外ＬＥＤでは、ＭＱＢ層を採用した場合には、電子の物質波の多重反射により実質的な障壁高さを高めることができる。これにより、深紫外ＬＥＤでは、ホール濃度を高めにくく結果としてＥＢＬの障壁高さも高めにくくなるようなアルミニウム分率が高い組成のｐ型ＡｌＧａＮ層を採用しても、ＥＢＬの機能を確保しやすくなる（特許文献１）。
国際公開第２０１１／１０４９６９号
　本願の発明者らは、ＵＶＬＥＤにおいてキャリア注入効率の低さを克服する手法をかねてから探索してきた。その過程において、ＭＱＢ層を含め、ＥＢＬを採用しても期待通りの動作が実現できない現象がしばしば観察されることに気づいた。
　本発明の目的は、キャリア注入効率を高めるために本質的な解決策を提供することにより、外部量子効率が改善されたＵＶＬＥＤを提供し、もってＵＶＬＥＤを採用する電気機器の高性能化に寄与することである。
　本願の発明者らは、ＭＱＢ層、単一バリア層等のＥＢＬを採用する場合において、キャリア注入効率が期待通りとならない状況を詳しく調査した。その結果、キャリア注入効率が、ＥＢＬとＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（０≦ｙ≦１）を含むｐ型コンタクト層との間で相対的に決定される価電子帯オフセットに対し強く依存していることを見出した。そして、本願の発明者らは、ｐ型コンタクト層のＡｌｙＧａ１－ｙＮ（０≦ｙ≦１）のアルミニウム分率ｙに対しＥＢＬの作用がどのように変化するかを詳細に調査する必要があると考えた。そこで、本願の発明者らは、ＡｌＧａＮを採用するＬＥＤのバンドラインナップおよびキャリアカレント（電荷流）を求める数値シミュレーションを、ＥＢＬに接する位置のｐ型コンタクト層を構成するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（０≦ｙ≦１）のアルミニウム分率ｙを種々変更しながらコンピュータに実施させ、その結果に基づいて本発明を創出した。
　すなわち、本発明の一態様に係る紫外発光ダイオードは、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１）を含むｎ型導電層と、発光層と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２＜１，０＜ｙ２≦１）を含む電子ブロック層と、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）を含むｐ型コンタクト層とをこの順に備え、前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、前記電子ブロック層のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＥＢＬを満たしている。
　また、本発明の一態様に係る紫外発光ダイオードは、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１）を含むｎ型導電層と、発光層と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２＜１，０＜ｙ２≦１）を含む電子ブロック層と、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）を含むｐ型コンタクト層とをこの順に備え、前記電子ブロック層における価電子帯のエネルギーの最大値とホールの擬フェルミ準位（quasi-Fermi level）の値とのエネルギー差により定められるホールに対するバリア高さが、３００ｍｅＶ以下である。
図１は、本発明の一実施形態におけるＵＶＬＥＤ（「ＵＶＬＥＤ素子」ともいう）の概略構成を示す概略断面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝０のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対するバンドダイヤグラムである。。図２Ｂは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝０のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対する電流密度分布を示すグラフである。 図３Ａは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝０．４のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対するバンドダイヤグラムである。図３Ｂは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝０．４のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対する電流密度分布を示すグラフである。 図４Ａは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝０．８のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対するバンドダイヤグラムである。図４Ｂは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝０．８のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対する電流密度分布を示すグラフである。 図５Ａは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝１．０のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対するバンドダイヤグラムである。図５Ｂは、本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果であり、アルミニウム分率ｙ＝１．０のｐ型ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層からなるｐ型コンタクト層を含む積層体について、厚み方向の位置に対する電流密度分布を示すグラフである。 本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーション結果をまとめたグラフである。 本発明の一実施形態のＵＶＬＥＤのためのシミュレーションによって判明したｐ型コンタクト層のアルミニウム分率に対する、ホールに対するバリア高さの依存性のグラフである。 本発明の一実施形態においてキャリア注入効率の、ホールに対するバリア高さ依存性のグラフである。 図９Ａは、本発明の一実施形態においてバンドラインナップにおける価電子帯オフセットおよびＭｇの活性化エネルギーの、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のアルミニウム分率ｙに対する依存性を示すグラフである。図９Ｂは、価電子帯オフセットとＭｇの活性化エネルギーとの和と、図７に示したホールに対するバリア高さのアルミニウム分率依存性と、を重ねて示すグラフである。図９Ｃは、価電子帯オフセットおよびＭｇの活性化エネルギーと価電子帯のエネルギー準位との関係を示す模式図である。 図１０は、本発明の一実施形態における電気機器の一例である電気掃除機の概略構成図である。
　以下、本発明に係る紫外発光ダイオード（以下、「ＵＶＬＥＤ素子」という）に関する実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また各図は各部の互いの縮尺を保って示されてはいない。
　１．ＵＶＬＥＤ素子の構成
　図１は本実施形態におけるＵＶＬＥＤ素子１００の概略構成を示す概略断面図である。ＵＶＬＥＤ素子１００では、典型的には概して平板状のα－Ａｌ２Ｏ３単結晶であるサファイア基板１１０の一方の面１０４にＡｌＮ結晶等の材質のバッファー層１２０がエピタキシャル成長されている。また、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｎ型導電層１３２、発光層１３４、および電子ブロック層（Electron Block Layer：ＥＢＬ）１３８がこの順に積層されるようにエピタキシャル成長により形成されている。ここにおいて、バッファー層１２０、ｎ型導電層１３２、発光層１３４およびＥＢＬ１３８は、サファイア基板１１０の一方の面１０４からこの順に並んでいる。ｎ型導電層１３２は、バッファー層１２０に接している。ｎ型導電層１３２、発光層１３４およびＥＢＬ１３８の材質は、典型的にはＡｌＧａＮまたはそれに微量の元素（ｎ型のためにはＳｉ、ｐ型のためにはＭｇ等）をドーピングした組成である。ｎ型導電層１３２にはｎ型電極１４０が電気的に接続されている。ｎ型電極１４０は、ｎ型導電層１３２の露出部位上に配置されている。これに対し、ＥＢＬ１３８にはｐ型コンタクト層１５０が積層され、ｐ型コンタクト層１５０上にｐ型電極１６０が配置されている。ｐ型電極１６０は、光反射器としても利用される。ｐ型電極１６０は、ｐ型コンタクト層１５０を介し、ＥＢＬ１３８との電気的接続を確立している（ＥＢＬ１３８と電気的に接続されている）。ＵＶＬＥＤ素子１００では、サファイア基板１１０の他方の面である光取出し面１０２から紫外線が放射される。
　バッファー層１２０、ｎ型導電層１３２、発光層１３４、ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０それぞれについて、例えば、有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）によりエピタキシャル成長させる場合、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。「Ｖ／III比」とは、III族元素の原料ガス（Ａｌの原料ガス、Ｇａの原料ガス、Ｉｎの原料ガス等）のモル供給量［μmol/min］に対するＶ族元素であるＮの原料ガスのモル供給量［μmol/min］との比である。
　ｎ型導電層１３２は、ｎ型導電性となるようＳｉがドーピングされたＡｌＧａＮ層、すなわちＡｌＧａＮ；Ｓｉ層である。言い換えれば、ｎ型導電層１３２は、ｎ型のＡｌＧａＮ層である。後述するシミュレーションで計算に採用する条件（「典型的条件」）では、例えば厚さ１００ｎｍのＡｌ０．５４Ｇａ０．４６Ｎ；Ｓｉ層である。発光層１３４は例えば多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）積層体であり、典型的条件では３つの量子井戸（井戸層）を含む周期構造を有する。より詳細には、各々が厚さ２ｎｍのＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎからなる３つの井戸層と、各々が厚さ４ｎｍのＡｌ０．５４Ｇａ０．４６Ｎからなる２つの障壁層とが交互に配置された構成を採用する。ＭＱＷ積層体は、ｎ型導電層１３２から最も離れた井戸層に積層されたスペーサー層を更に含んでいる。典型的条件では、スペーサー層として、厚さ１０ｎｍのＡｌ０．５４Ｇａ０．４６Ｎ層を採用する。発光層１３４のＭＱＷ積層体はこのような内部構造をもつ。
　ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０は、ｐ型導電性となるようＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層、すなわちＡｌＧａＮ；Ｍｇ層である。言い換えれば、ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０は、ｐ型のＡｌＧａＮ層である。ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０のうちＥＢＬ１３８は、例えば広いバンドギャップを持つようにアルミニウム分率が高められた単一層のＡｌＧａＮ；Ｍｇ層である。実施の際には、任意選択としてＥＢＬ１３８をＭＱＢ層により構成することもできる。典型的条件では、ＥＢＬ１３８は厚さ１６ｎｍのＡｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ層とする。ｐ型コンタクト層１５０は、典型的条件では厚さ１００ｎｍのＡｌｙＧａ１－ｙＮ層とする。後述するシミュレーションでは、ｐ型コンタクト層１５０を構成するｐ型のＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のアルミニウム分率ｙを０≦ｙ≦１の範囲で変化させることにより、ＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０との間で相対的に決定されるバンドオフセットを変化させて動作を検証する。
　ｎ型導電層１３２はＳｉが適切な濃度となるようにドーピングされている。典型的条件でのｎ型導電層１３２のＳｉのドーピング濃度は５×１０１８ｃｍ－３である。ｐ型層（ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０）ではＭｇが適切な濃度となるようにドーピングされている。典型的条件でのｐ型層のドーピング濃度は３×１０１９ｃｍ－３である。
　２．シミュレーション
　上述したＵＶＬＥＤ素子１００の構成を採用した場合のキャリア注入効率を予測するために計算機による数値シミュレーションを実施した。当該数値シミュレーションに際し、本願の発明者は、ＬＥＤ素子におけるバンド設計のためのソフトウエア（"SiLENSe"、STR Group, Inc. サンクトペテルブルク市、ロシア）を採用した。また、数値シミュレーションを実施する際の前提として、すべてのＡｌＧａＮ層がＡｌ０．５４Ｇａ０．４６Ｎと格子整合していると仮定し、さらに、ｎ型導電層１３２とｎ型電極１４０とのオーミックコンタクトおよびｐ型コンタクト層１５０とｐ型電極１６０とのオーミックコンタクトが実現していると仮定した。他の条件は上述した典型的条件に一致させた。すべてのＡｌＧａＮ層とは、ｎ型導電層１３２、発光層１３４、ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０それぞれにおけるＡｌＧａＮ層を意味する。ＵＶＬＥＤ素子１００では、発光層１３４の井戸層に、２種類のキャリア、すなわち、電子およびホールが注入される。
　図２Ａ～５Ｂは本実施形態のＵＶＬＥＤ１００のためのシミュレーション結果を示しており、ｐ型コンタクト層１５０を構成するｐ型のＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のアルミニウム分率ｙを、ｙ＝０（図２Ａ、２Ｂ）、ｙ＝０．４（図３Ａ、３Ｂ）、ｙ＝０．８（図４Ａ、４Ｂ）および、ｙ＝１．０（図５Ａ、５Ｂ）と変化させている。図２Ａ、３Ａ、４Ａ、および５ＡはＵＶＬＥＤ１００の厚み方向の位置に対するバンドダイヤグラムであり、電子のバンドプロファイル、電子の擬フェルミ準位（ＥＦｎ）およびホールの擬フェルミ準位（ＥＦｐ）を示している。図２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、および５Ｂは電流密度分布を示しており、より詳細には電子の電流密度分布およびホールの電流密度分布について示している。図２Ａ～５Ｂの横軸ｚは、ｎ型導電層１３２、発光層１３４、ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０を含む積層体厚み方向の座標であり、より詳細には、横軸ｚは、バッファー層１２０とｎ型導電層１３２との界面を基準面としたときの当該基準面からの距離である。ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０は、１２４ｎｍ≦ｚ≦１４０ｎｍの範囲を占めている。また、ｐ型コンタクト層１５０１４０ｎｍ≦ｚ≦２４０ｎｍの範囲を占めている。数値シミュレーションの条件は電流密度を１０Ａ／ｃｍ２に固定し、オージェ過程（Auges process）も考慮される計算とした。
　図２Ａ、３Ａ、４Ａおよび５Ｂに示すように、バンドプロファイル、電子の擬フェルミ準位（ＥＦｎ）およびホールの擬フェルミ準位（ＥＦｐ）は、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙの違いによって大きく変動した。ｐ型コンタクト層１５０では、アルミニウム分率ｙが増大すると、Ｍｇアクセプターの活性化エネルギーが増大する。これにより、ｐ型コンタクト層１５０におけるホールの擬フェルミ準位ＥＦｐは価電子帯端に対して上昇する（図２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａ）。その際、ｐ型コンタクト層１５０のホール濃度は、アルミニウム分率ｙの増大に応じ１×１０１８ｃｍ－３（ｐ型ＧａＮの場合）から３×１０１５ｃｍ－３（ｐ型ＡｌＮの場合）まで単調に減少している。
　これに対し、発光層１３４へのキャリア注入効率は、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙの増大に応じて単調に変化するわけではない。ｐ型コンタクト層１５０が図２Ａおよび図２Ｂのようにｐ型ＧａＮ（アルミニウム分率ｙ＝０）の場合、ＵＶＬＥＤでは、ホール注入効率が低く、電子とホールとが再結合することがほとんどない。よって、ＵＶＬＥＤでは、電子電流およびホール電流それぞれの殆どがｎ型電極１４０とｐ型電極１６０との間において発光層１３４を通り抜けてしまう。このため、ＵＶＬＥＤは、キャリア注入効率が低い。ＵＶＬＥＤでは、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが０から増えるにつれて、キャリア（電子およびホール）が再結合しやすくなり（言い換えれば、再結合の確率が高くなり）、キャリア注入効率が改善される（図３Ｂ）。そして、ＵＶＬＥＤでは、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙ＝０．８になると、発光層１３４へ注入されたほとんどすべてのキャリア（電子およびホール）が量子井戸にて再結合し、キャリア注入効率が１に近付く（図４Ｂ）。ところが、ＵＶＬＥＤでは、図５Ｂに示したとおり、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが過大になる（ここでは、ｙ＝１）と、急激にホール注入効率が低下し、キャリア注入効率も低下することとなる。
　図６は、上記シミュレーション結果をまとめたグラフである。横軸はｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙであり、縦軸はキャリア注入効率である。図６において、ｙＥＢＬはシミュレーションで採用したＥＢＬ１３８におけるアルミニウム分率ｙの値（０．９）である。上述したように、キャリア注入効率は、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙを０から増大させるとアルミニウム分率ｙの値に対し超線形的な増加を示し、ｙ＝０．８の位置で最大値をとる。そしてアルミニウム分率ｙがＥＢＬ１３８における値ｙＥＢＬ以上となる付近ではキャリア注入効率は急速に低下する。この結果は、ホールの注入効率の観点から見てＡｌＧａＮを材質とするｐ型コンタクト層１５０（言い換えれば、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層を含むｐ型コンタクト層１５０）がアルミニウム分率ｙの最適値を持ちうることを明確に示している。
　３．解析
　上記シミュレーション結果を解析することにより、本願の発明者らは、ホールの注入効率の値を決定するパラメータがＥＢＬ１３８におけるホールに対するバリア高さであると考えるに至った。ここにおいて、ホールに対するバリア高さとは、「ＥＢＬ１３８における価電子帯のエネルギーの最大値とホールの擬フェルミ準位（ＥＦｐ）の値とのエネルギー差」と定義される。当該バリア高さはＥＢＬ１３８の厚み方向の位置に依存していることから、ＥＢＬ１３８の厚み全域にわたる幾何平均を採用する。
　図７は上記シミュレーションによって判明したｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙに対する、ホールに対するバリア高さの依存性のグラフである。図７にはアルミニウム分率ｙが異なるｐ型コンタクト層１５０についてのホールに対するバリア高さが示されている。当該バリア高さは、アルミニウム分率ｙが増加するにつれて減少し、ｙ＝０．８のところで最小値を示す。この傾向は、図６に示したアルミニウム分率ｙ－キャリア注入効率との関連を示唆するといえる。そこで、図８に、キャリア注入効率をバリア高さの関数としてプロットした。図８中の曲線は目安のために示してある。アルミニウム分率ｙの値に対し上に凸（図６）また下に凸（図７）という依存性が見出されていたホールに対するバリア高さとキャリア注入効率との間には、図８により明らかなように、むしろ直接的ともいえる一意性が見出される。このことが示すのは、ホール注入効率にとってホールに対するバリア高さが好適な指標となることである。すなわち、当該バリア高さがホール注入効率を通じキャリア注入効率の値を説明する変数といえることである。そして、ＵＶＬＥＤでは、ホールに対するバリア高さが、３００ｍｅＶ以下であれば、計算上は０．８を超す高いキャリア注入効率を実現できることが確かめられた。
　次に、ホールに対するバリア高さがｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙに対して示す依存性（図７）の生成原因を詳述する。図９Ａには、ＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０との界面における価電子帯のバンドオフセット（以下、「価電子帯オフセット」という）をΔＥｖ、Ｍｇの活性化エネルギーをＥａ、そしてそれらの和をΔＥｖ＋Ｅａとして、ｐ型コンタクト層１５０におけるアルミニウム分率ｙの関数として示してある。図９Ｃは、ΔＥｖ、Ｅａと価電子帯のエネルギー準位（Ｅｖ）との関係を示す模式図である。ホールについての擬フェルミ準位は、バルク（bulk）でのホールの擬フェルミ準位に近似した極限ではＭｇアクセプターレベルに比例することから、ΔＥｖ＋ＥａがＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０の界面におけるホールに対するバリア高さの目安を与えるであろう。
　図９Ａから分かるように、アルミニウム分率ｙが０から１へ増大するにつれて、活性化エネルギー（Ｅａ）が１６０ｍｅＶから５００ｍｅＶへと増大することから、アルミニウム分率ｙの増大は、バリア高さを増大させ、かつホール濃度を減少させるように現実に作用していると推考される。しかし、価電子帯オフセット（ΔＥｖ）は、アルミニウム分率ｙの増大につれて活性化エネルギー（Ｅａ）の増大よりも急激に減少する。結果として、ΔＥｖ＋Ｅａはアルミニウム分率ｙの増大に対し減少することとなる。図９Ｂには、再度プロットしたバリア高さ（図７）と共にΔＥｖ＋Ｅａが実線で描かれている。図９ＢではΔＥｖ＋Ｅａの値がバンドベンディング（band bending）に合せ３２０ｍｅＶだけシフトされている。図９Ｂから分かるように、ΔＥｖ＋Ｅａの値の変化は、ホールに対するバリア高さの変化を見事に再現している。以上から、アルミニウム分率ｙの増大にともなうホールに対するバリア高さの減少が、ＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０の間の価電子帯オフセットの減少に起因していることが確かめられた。
　上述した説明から、アルミニウム分率ｙが０．８を超えた場合にホールに対するバリア高さが急増する現象はこれ（ＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０の間の価電子帯オフセットの減少）とは別の機構により生じているといえる。それでも依然として、図８に示したように当該バリア高さがホール注入効率の指標となることは確かめられており、ホール注入効率の改善のためにホールに対するバリア高さを調整することが重要である。
　４．バンドギャップ
　上述したようにＥＢＬ１３８のホールに対するバリア高さを減少させればキャリア注入効率が高まることが確認された（図８）。しかし、ホールに対するバリア高さは、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが０．８を超すと急増し、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙがＥＢＬ１３８のアルミニウム分率と一致する０．９を超え１となると最大となる（図７）。上述したようにアルミニウム分率ｙが０．８を超す組成でのバリア高さの増加は上述したＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０の間の価電子帯オフセットの減少とは別の機構で説明される。
　本願の発明者らは、ＥＢＬ１３８における伝導帯の傾斜に注目した。図２Ａ～図５Ａを順にみると分かるように、１２４ｎｍ≦ｚ≦１４０ｎｍの範囲における伝導帯の傾斜が、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが０、０．４、０．８の場合には右上がりである（図２Ａ、３Ａ、４Ａ）のに対し、アルミニウム分率ｙが１の場合には右下がりとなっている（図５Ａ）。ここにおいて、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが０．８の場合には、ほとんどのキャリアが発光層１３４において再結合していると推考される（図４Ｂ）。これに対し、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが１．０の場合には、ほとんどのキャリアが再結合せずに発光層１３４を通り抜けていると推考される（図５Ｂ）。これは、アルミニウム分率ｙがＥＢＬ１３８のアルミニウム分率である０．９より小さい場合にはＥＢＬ１３８が電子のブロック機能を果たして発光層１３４側からの電子を堰き止めているのに対し、アルミニウム分率ｙが０．９より大きくなるとＥＢＬ１３８が電子を通過させてしまっていることを意味する。ＥＢＬ１３８の右下がりの伝導帯は、図５Ａの右方向に移動する電子にとって、実質的なＥＢＬ１３８の厚みを減少させる役割を果たす。したがって、ＥＢＬ１３８の電子のブロック機能は、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙが０．８を超えると急速に毀損されている。このように、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップとＥＢＬ１３８のバンドギャップとの大小関係によって、伝導帯のＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０の界面での接続の大小関係が決まり、その大小関係が、ＥＢＬ１３８における伝導帯の傾斜を通じて電子に対するＥＢＬ１３８の作用の効力を決定している。ここにおいて、電子に対するＥＢＬ１３８の作用とは、ＥＢＬ１３８が電子をブロックする電子ブロック機能を意味する。要するに、ＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０とのヘテロ接合によって、ＥＢＬ１３８の伝導帯および価電子帯それぞれの傾斜の形状（バンドの形状）が決まり、ＥＢＬ１３８の伝導帯の傾斜の形状が、ＥＢＬ１３８の電子をブロックする電子ブロック機能の能力を決定している。
　具体的には、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップが、ＥＢＬ１３８のバンドギャップを超えると、ｎ型導電層１３２から発光層１３４へ注入された電子がＥＢＬ１３８を通ってリークすることにより、発光層１３４における電子とホールとの再結合のためのキャリア注入効率が急激に低下する。したがって、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ＥＢＬ１３８のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、ＥＢＬ１３８のバンドギャップエネルギーが
　Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＥＢＬ
を満たしていることにより、キャリア注入効率の低下を防ぎつつ（抑制しつつ）動作することができる。ただし、Ｅｃｏｎｔａｃｔは、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーである。ＥＥＢＬおよびＥｃｏｎｔａｃｔは、図４Ａに示した例のようにｐ型コンタクト層１５０を含む積層体の厚み方向におけるＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０それぞれの各位置で値が決まる。ここにおいて、ＥＥＢＬおよびＥｃｏｎｔａｃｔは、伝導帯と価電子帯のエネルギー差であるため、材質が同一の範囲では殆ど一定となる。さらに、ＵＶＬＥＤでは、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙの増大でｐ型層のｐ型コンタクト層１５０のホール濃度が低くなっていれば、電子が電気伝導を担ってしまいホールは発光層１３４へ注入されにくくなる。ＥＢＬ１３８のホールのバリア高さがＥＢＬ１３８で増大する上述した理由については、ＥＢＬ１３８の価電子帯が、伝導帯のｐ型コンタクト層１５０に対する界面での大小関係の影響を受けて、電子のエネルギーの大きさで見たときに、低エネルギーレベルへ押し下げられ、価電子帯高さ（図３Ａ、４Ａの紙面下方方向の値、つまり、ホールのエネルギーで見たときの価電子帯のエネルギー準位）が大きくなるためと説明できることから、ホール注入効率の説明とも矛盾しない。
　次に、数値シミュレーションにおけるＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーＥｇの与え方について説明する。数値シミュレーションでは、ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０の材質の組成式がＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮと表せる場合に、バンドギャップエネルギーＥｇ（ｘ，ｙ）を次の近似式により与える。
Ｅｇ（ｘ，ｙ）＝ｘ・Ｅｇ ＩｎＮ＋ｙ・Ｅｇ ＡｌＮ＋（１－ｘ－ｙ）・Ｅｇ ＧａＮ
　　　　　　　　－ｂＡｌ－Ｉｎ・ｘ・ｙ－ｂＡｌ－Ｇａ・（１－ｘ－ｙ）・ｙ
　　　　　　　　－ｂＧａ－Ｉｎ・ｘ・（１－ｘ－ｙ）
　ただし、Ｅｇ ＩｎＮ、Ｅｇ ＡｌＮ、およびＥｇ ＧａＮは、ＩｎＮ、ＡｌＮ、およびＧａＮのバンドギャップエネルギー、ｂＡｌ－Ｉｎ、ｂＡｌ－Ｇａ、およびｂＧａ－Ｉｎは線形補間からのずれの程度を決定するためのボーイングパラメータ（bowing parameter）、である。
　上記の近似式に使用されるＥｇ ＩｎＮ、Ｅｇ ＡｌＮ、およびＥｇ ＧａＮや、ｂＡｌ－Ｉｎ、ｂＡｌ－Ｇａ、およびｂＧａ－Ｉｎの各値は、理想的には実物を模擬できる値とするべきである一方、信頼できる文献に基づく値を採用することが実際的である。ただし、いずれの上記各値は基づく文献によっても異なる。さらに、バンドギャップエネルギーは、昇温（温度上昇）とともに減少する依存性を示す。例えば、ある代表的文献（文献１〔I. Vurgaftman and J.R. Meyer, "Band parameters for nitrogen-containing semiconductors", J. Appl. Phys. 94, 3675-3696, 2003〕）では、０Ｋおよび３００Ｋそれぞれの温度でのバンドギャップエネルギーに関して、
　Ｅｇ ＡｌＮ＝６．２５ｅＶ（０Ｋ），６．２１ｅＶ（３００Ｋ）
　Ｅｇ ＧａＮ＝３．５１ｅＶ（０Ｋ），３．４３ｅＶ（３００Ｋ）
　Ｅｇ ＩｎＮ＝０．７８ｅＶ（０Ｋ），０．７６ｅＶ（３００Ｋ）
との値が報告されている。また、ｂＡｌ－Ｉｎ、ｂＡｌ－Ｇａ、およびｂＧａ－Ｉｎの値も文献によって異なり、例えばｂＡｌ－Ｇａは文献１では０．７ｅＶが推奨され、別の文献２〔M. Androulidaki et al., "Energy gaps and bowing parameters of InAlGaN ternary and quaternary alloys", phys. stat. sol. (c) 3, No. 6, 1866-1869 ,2006〕では１．０ｅＶとされている。
　そこで、実施形態のＵＶＬＥＤ１００におけるバンドギャップエネルギーの値は特に明示しない限り、３００Ｋにおける値を採用することとする。さらに、計算に用いたシミュレーションソフトウエア（"SiLENSe"）では下記値を使用した上記近似式が採用される。
　Ｅｇ ＡｌＮ＝６．１５８ｅＶ
　Ｅｇ ＧａＮ＝３．４３８ｅＶ
　Ｅｇ ＩｎＮ＝０．６４２ｅＶ
　ｂＡｌ－Ｇａ＝１．０ｅＶ
　ｂＧａ－Ｉｎ＝１．２ｅＶ
　ｂＡｌ－Ｉｎ＝４．５ｅＶ
　上記の数値シミュレーションによる解析に当たりこれらの値をそのまま採用した。なお、ここでのバンドギャップエネルギーは温度３００Ｋ（室温）での値である。また、上記の数値シミュレーションにおいて採用したバンドギャップエネルギーは、特段説明の無い場合、温度３００Ｋでの値である。留意すべきは、本出願においてバンドギャップエネルギーの大小関係や数値自体により特定される事項が３００Ｋのみで成立するべき事項ではなく、例えば、ＵＶＬＥＤ素子１００における動作時のＵＶＬＥＤ素子１００の局所的な温度において各事項が満たされていれば、所期の動作が期待できる点である。
　アルミニウム分率に基づいて説明したＡｌＧａＮの設計上の性質は、その材質にＩｎを含む場合、相応の修正を要する（言い換えれば、ＩｎＡｌＧａＮの性質は、ＡｌＧａＮの性質とは相違する）。しかし、特にエネルギーギャップに着目してＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０を特徴付けした場合には、そのような修正は不要となり上記近似式でのインジウム分率ｘを０以外としても、ＥＢＬ１３８とｐ型コンタクト層１５０のエネルギーギャップに関する説明はそのまま成立する。このことは、アルミニウム分率やインジウム分率といった組成よりもバンドギャップエネルギーこそがキャリア注入効率を決定していると発明者らが考える理由の一つである。
　組成の異なる半導体層の接触界面を通過するキャリアの振舞いがバンドギャップエネルギーにより決定されるもう一つの理由は、その接触界面におけるバンド端のエネルギー差（バンドオフセット）も両側の材質のバンドギャップにより推定できるためである。ホールにとってバンドオフセットを与えるのは上述した価電子帯オフセット（ΔＥｖ）である。組成の異なる半導体層の接触界面では、この価電子帯オフセット（ΔＥｖ）の値と、電子にとってバンドオフセットを与える伝導帯オフセット（ΔＥｃ）の値との和により、接触界面両側のバンドギャップ同士の差（ΔＥｇ）が説明される。すなわち、
　ΔＥｃ＋ΔＥｖ＝ΔＥｇ
の関係が成り立つ。そして、価電子帯オフセット（ΔＥｖ）と伝導帯オフセット（ΔＥｃ）とでバンドギャップの差（ΔＥｇ）を分け合う比率は、経験則として、ＡｌＮ－ＧａＮの混晶組成の全域において不変としても差し支えない。上記の数値シミュレーションでも、ＡｌＮ－ＧａＮの混晶組成の全域について、
　ΔＥｖ＝０．２９ΔＥｇ
という関係を仮定することができる。つまり上記経験則に基づいて、接触界面両側の半導体層のバンドギャップエネルギーによりキャリアの振舞いが決定されるという関係が担保されている。
　バンドギャップに着目した場合、好ましくは種々の追加の関係によりＵＶＬＥＤ素子１００の好ましい実施形態を提供することができる。ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔ、発光層１３４にて発光する光の光子エネルギーをＥｅｍｉｓｓｉｏｎとするとき、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーがＥｅｍｉｓｓｉｏｎ＜Ｅｃｏｎｔａｃｔを満たしていると、ｐ型コンタクト層１５０が発光層１３４において発光される光に対し透明となる。このため、発光層１３４において発光した光（紫外線）がｐ型コンタクト層１５０で吸収されずＵＶＬＥＤ素子１００の発光効率が向上する。
　また、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙは、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとするとき、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーが４．８３ｅＶ≦Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦５．４５ｅＶを満たすような値とすると好ましい実施形態となる。ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙをこのように定めれば、発光効率が特に向上する。このようなｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙは、インジウム分率が小さい場合には０．６～０．８に相当する。
　また、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、ＥＢＬ１３８のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、ＥＥＢＬ－Ｅｃｏｎｔａｃｔが０≦ＥＥＢＬ－Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦０．９６６ｅＶを満たす実施形態は好ましいものとなる。ＵＶＬＥＤ素子１００は、ｐ型コンタクト層１５０およびＥＢＬ１３８がこの条件を満たすような組成であれば、シミュレーションにより確認された良好な動作が実現される。ＥＢＬ１３８が単一障壁でアルミニウム分率が０．９とした上記シミュレーションに具体的に対応させれば、このようなｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率ｙは、０．６～０．８に相当する。なお、この組成比の範囲でＥＥＢＬ－Ｅｃｏｎｔａｃｔ＝０．９６６ｅＶとなるのは、単一の障壁（ＡｌＧａＮ層）からなるＥＢＬ１３８のアルミニウム分率が０．９でＥＥＢＬが５．７９６ｅＶ、ｐ型コンタクト層１５０のアルミニウム分率が０．６でＥｃｏｎｔａｃｔが４．８３０ｅＶとなるためである。
　また好ましい実施形態では、ｎ型導電層１３２のバンドギャップエネルギーが４．５ｅＶ以上とされる。この場合、ｎ型導電層１３２の光透過率が波長３００ｎｍの光に対して８０％以上となる。これにより、ＵＶＬＥＤ素子１００は、発光層１３４において発光する光にとってｎ型導電層１３２が透明となり、光取出し効率が向上する。ｎ型導電層１３２のバンドギャップエネルギーが４．５ｅＶ以上という条件を満たすｎ型導電層１３２は、インジウム分率が小さい場合にはアルミニウム分率を０．５以上とすることにより得られる。また、ｎ型導電層１３２のバンドギャップエネルギーはさらに好ましくは６．２ｅＶ以下とされる。これにより、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｎ型導電層１３２を、０．５以上１以下の任意のアルミニウム分率に応じた材質によって形成できる。なお、ｎ型導電層１３２に関しては、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶを超えるような材質で形成されたからといって、深紫外域として実用される光の領域でのさらなる透過性が見込めるわけではない。これは、６．２ｅＶの光子エネルギーの光の波長はＡｌＧａＮ系材料を用いた発光層から放射される紫外線の波長に関して、深紫外域でも最も短い波長といえるためである。
　５．多重量子障壁（Multi-Quantum Barrier：ＭＱＢ）層
　ＥＢＬ１３８がＭＱＢ層である場合にも、上述した説明は僅かな修正で適用できる。その際、実際のＭＱＢ層を的確に適用するためには、電子に対して実質的なバリア高さが高くなるように設計されるＭＱＢ層の細部が考慮される。つまり、実際のＭＱＢ層の実質的なバリア高さに影響する設計の要素は、例えばＭＱＢ周期をどの程度にするか、ＭＱＢ周期を複数含むか、ＭＱＢ層全体の厚み、ＭＱＢ層における伝導帯の傾斜、およびＭＱＢ層における各層の組成に依存する。それでも、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ＥＢＬ１３８がＭＱＢ層である場合には、バンドギャップエネルギーＥＥＢＬに代えＭＱＢ層におけるバンドギャップエネルギーの最大値をＥＭＱＢ－ｍａｘとし、ｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとするとき、ＭＱＢ層におけるバンドギャップエネルギーの最大値が
　Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＭＱＢ－ｍａｘ
を満たすことにより、キャリア注入効率の低下を防ぎつつ（抑制しつつ）動作することができ、発光層１３４でのキャリア再結合が促進され発光効率が向上する。なお、ＭＱＢ層のバンドギャップエネルギーの最大値に代え、ＭＱＢ層の各層でのバンドギャップによる平均のバンドギャップエネルギーがｐ型コンタクト層１５０のバンドギャップエネルギー（Ｅｃｏｎｔａｃｔ）と等しいかより大きい場合には、さらにＭＱＢ層に、強い電子ブロックの機能が期待できるため好ましい。
　６．実施例
　以下、上記のシミュレーションにより獲得した知見を実際のＵＶＬＥＤ素子にて確認した実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明する。本実施例は、上記のシミュレーションにより獲得した知見を生かせる範囲で作製条件に変更を加えたＵＶＬＥＤ素子の動作を確認している。実際のＵＶＬＥＤ素子で上述したシミュレーションに対応した動作が得られることは別途確認している。このため、ここで示す実施例は、シミュレーションにおける計算の条件と必ずしも同一の条件にてＵＶＬＥＤ素子を作製したものではない。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の実施例に限定されるものではない。説明済みの図面および符号を引き続き使用する。
　６－１．実施例１
　ＵＶＬＥＤ素子１００を含む紫外線発光モジュールを製造した。以下、紫外線発光モジュールの製造方法の一例について説明する。
　まず、単結晶のサファイア基板（α－Ａｌ２Ｏ３基板）を準備する。ここにおいて、サファイア基板は、サファイア基板の厚み方向に直交する第１面および第２面を有する。サファイア基板の第１面は、例えば（０００１）面からのオフ角が０．２０°である。
　サファイア基板を準備した後、サファイア基板を有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）の炉（反応炉）内のサセプタ（susceptor）上に設置する。その後、ＭＯＶＰＥ装置の炉内にキャリアガスとして水素（Ｈ２ガス）を供給しながら、炉内の温度が１１００℃、かつ、炉内の圧力が１０ｋＰａになるのを待って、窒化物半導体薄膜の形成を開始した。ここでいう窒化物半導体薄膜は、ｎ型導電層１３２の下地となるＡｌＮ下地層（バッファー層１２０）である。また、炉内の温度は、基板温度である。基板温度は、ＭＯＶＰＥ装置の炉内においてサファイア基板を保持するサセプタの温度を熱電対により測定した温度であるが、これに限らない。窒化物半導体薄膜を成膜している間、炉内の温度および圧力はそれぞれ１１００℃および１０ｋＰａで一定に保った。炉内の状態（基板温度、圧力）が安定した後、炉内に、III族原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を連続的に５０ｓｃｃｍ（standard cc per minute）、Ｖ族原料としてＮＨ３をパルス状にＯＮ・ＯＦＦさせながら１００ｓｃｃｍ供給することにより、島状の複数のＡｌＮ結晶核を形成した。ＡｌＮ結晶核の高さは、約２０ｎｍである。要するに、炉内にＴＭＡを流量５０ｓｃｃｍで連続して供給し、かつ、ＮＨ３を流量１００ｓｃｃｍで間欠的に供給することにより、高さ約２０ｎｍの島状の複数のＡｌＮ結晶核を形成した。次に、炉内にキャリアガス（Ｈ２ガス）のみ供給した状態で基板温度を１３００℃まで昇温した後、炉内に上記のキャリアガスに加えて、III族原料としてＴＭＡを連続的に２００ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を連続的に４００ｓｃｃｍ供給する（ＴＭＡとＮＨ３とを同時供給する）ことにより、全体の厚さが約４μｍとなるＡｌＮ下地層を形成した。この方法で形成されるＡｌＮ下地層の（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（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）を別途測定すると、約３５０ａｒｃｓｅｃであった。
　ＡｌＮ下地層形成後、炉内にキャリアガス（Ｈ２ガス）のみを供給した状態で、炉内の温度を１３００℃から１１００℃まで降温し、反応炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）をそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび２０ｓｃｃｍ、ｎ型不純物ドーパント原料としてＴＥＳｉ（テトラエチルシラン）を３ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給することにより、全体の厚さが１．５μｍとなるｎ型導電層１３２を形成した。形成されたｎ型導電層１３２を構成するＡｌＧａＮ層；ＳｉのＡｌ組成（アルミニウム分率）は約０．６０であった。
　ｎ型導電層１３２の形成後、炉内の温度はそのままとして、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび２０ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ（standard liter per minute）供給することにより、厚さが約１０ｎｍとなる障壁層を形成した。この方法で形成される障壁層を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成（アルミニウム分率）は０．６０であった。次に、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび３０ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給することにより、厚さが約２ｎｍとなる量子井戸（井戸層）を形成した。この方法で形成される井戸層を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成（アルミニウム分率）は約０．４５であった。さらに、これらの障壁層と井戸層とを交互に形成することで、４層の井戸層を含む多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well Structure）をもつ発光層１３４を形成した。
　さらに、多重量子障壁（ＭＱＢ）層からなる電子ブロック層（ＥＢＬ）１３８を形成した。言い換えれば、ＭＱＢ構造を有するＥＢＬ１３８を形成した。より詳細には、下記の通りである。上記多重量子井戸構造の発光層１３４を形成した後、炉内の温度はそのままとして、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび３ｓｃｃｍ、ｐ型不純物ドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇ（ビズ（シクロペンタジエニル）マグネシウム）を１００ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給することにより、厚さが約１０ｎｍとなる第１の電子ブロック層を形成した。次に、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび２０ｓｃｃｍ、ｐ型不純物ドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇを１００ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給し、厚さが約２ｎｍとなる第２の電子ブロック層を形成した。同様に、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび３ｓｃｃｍ、ｐ型不純物ドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇを１００ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給することにより、厚さが約８ｎｍとなる第３の電子ブロック層を形成した。そして、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび２０ｓｃｃｍ、ｐ型不純物ドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇを１００ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給することにより、厚さが約１０ｎｍとなる第４の電子ブロック層を形成した。こうして第１～第４の電子ブロック層が積層されたＭＱＢ構造を有するＥＢＬ１３８を形成した。この方法で形成されるＭＱＢ構造を有するＥＢＬ１３８を構成する第１、第２、第３、および第４の電子ブロック層におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成（アルミニウム分率）は、それぞれ約０．９４、約０．６０、約０．９４、および約０．６０であった。
　ＭＱＢ構造を有するＥＢＬ１３８の形成に続けてｐ型コンタクト層１５０を形成した。ＥＢＬ１３８の形成後、炉内温度はそのままとし、炉内に、III族原料としてＴＭＡおよびＴＭＧをそれぞれ２５ｓｃｃｍおよび３ｓｃｃｍ、ｐ型不純物ドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇを１００ｓｃｃｍ、Ｖ族原料としてＮＨ３を２ＳＬＭ供給することにより、厚さが約５０ｎｍとなるｐ型コンタクト層１５０を形成した。この方法で形成されるｐ型コンタクト層１５０を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成（アルミニウム分率）は約０．８０であった。
　ｐ型コンタクト層１５０の形成後、炉内に、キャリアガス（Ｈ２ガス）のみを供給した状態で基板温度を室温まで降温した。その後、ＭＯＶＰＥ装置からサファイア基板（サファイアウェハ）に積層体が積層されたウェハを取り出し、アニール装置にて、Ｎ２雰囲気中にて８００℃で２０分間の熱処理を実施した。ここにおいて、積層体は、バッファー層１２０、ｎ型導電層１３２、発光層１３４、ＥＢＬ１３８およびｐ型コンタクト層１５０がこの順に積層された窒化物半導体薄膜である。
　熱処理後、フォトリソグラフィー法とドライエッチングにより、ｐ型コンタクト層１５０、ＭＱＢ構造のＥＢＬ１３８、発光層１３４の一部を除去し、ｎ型導電層１３２の一部を露出させた。次に、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法（lift-off method）により、ｎ型電極１４０、ｐ型電極１６０、およびパッド電極（図示しない）を形成した。なお、パッド電極は、後述する実装の導通および固定に使用される。ｎ型電極１４０については、露出させたｎ型導電層１３２上の一部に、膜厚１００ｎｍのＡｌ薄膜、膜厚２０ｎｍのＮｉ薄膜、膜厚１００ｎｍのＡｕ薄膜を順次形成後、Ｎ２雰囲気で７００℃、１分の熱処理を実施することで作製した。また、ｐ型電極１６０は、ｐ型コンタクト層１５０上の一部に、膜厚２ｎｍのＮｉ薄膜、膜厚２００ｎｍのＡｌ薄膜を順次形成することにより作製した。パッド電極は、各電極（ｎ型電極１４０およびｐ型電極１６０）上に膜厚５０ｎｍのＴｉ薄膜、膜厚１０００ｎｍのＡｕ薄膜を順次形成した。
　さらに、ＵＶＬＥＤ１００の素子形状が平面視で４００μｍ角状（各辺の長さが４００μｍの正方形状）になるように、各パッド電極まで形成したウェハを分断し、複数のＵＶＬＥＤ素子１００を作製した。その後、複数のＵＶＬＥＤ素子のうちの１つのＵＶＬＥＤ素子１００をサブマウント上にフリップチップ実装し、さらにＵＶＬＥＤ素子１００を覆うようにアモルファスフッ素樹脂を塗布した。室温で１時間放置後、１００℃、１時間、続いて、１８０℃、３０分の熱処理を実施し、アモルファスフッ素樹脂を硬化させることにより、ＵＶＬＥＤ素子１００を含む紫外線発光モジュールを作製した。
　この紫外線発光モジュールにＤＣ２０ｍＡを通電したところ、波長２７６ｎｍ、光出力６．５ｍＷ、発光効率７．２％と深紫外領域では最高レベルの発光特性を得た。また、この紫外線発光モジュールにＤＣ１ｍＡを通電したときの発光効率は９．０％であった。
　６－２．実施例２
　実施例１と同様の方法でＵＶＬＥＤ素子１００を作製した後、サブマウント上に６素子を電気的に並列接続してフリップチップ実装した。さらに当該６素子全体を覆うようにアモルファスフッ素樹脂を塗布し、実施例１と同様の硬化条件にてアモルファスフッ素樹脂を硬化させ、高出力動作用の紫外線発光モジュールを作製した。この紫外線発光モジュールにＤＣ１２０ｍＡを通電したところ、波長２７７ｎｍ、光出力４０ｍＷとなる発光特性を得た。
　７．さらに好ましい実施形態
　上述した本発明の実施形態は、種々の変形を伴う形態により実施することも好ましい。例えばｐ型コンタクト層１５０のＭｇ濃度が１．０×１０１８／ｃｍ３以上とすることも好ましい。当該Ｍｇ濃度をこの値以上とすれば、発光層１３４へ効率的にホールが注入され発光効率が向上する。また、ｐ型コンタクト層１５０のＭｇ濃度は、１．０×１０２１ｃｍ－３以下とすることも好ましい。ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が約１０２０ｃｍ－３を超えるあたりからは、ｐ型コンタクト層１５０の結晶性の劣化が顕著となりはじめ、さらにホール濃度も増加しにくくなる傾向が見られる。このため、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、１．０×１０２１ｃｍ－３以下の範囲で良好な結晶性を維持しつつ発光効率を向上させることが可能となって好ましく、さらに好ましくは、１．０×１０２０ｃｍ－３以下であるのが好ましい。これに応じ、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｐ型コンタクト層１５０のホール濃度が１．０×１０１５ｃｍ－３以上であることも好ましい。当該ホール濃度がこの値以上となると、効率的にホールが注入され発光効率が向上する。また、上述した増加しにくくなるホール濃度の値は、ホール濃度は、約１．０×１０２１ｃｍ－３であることから、この値以下のホール濃度により動作させることも好ましい。
　以上のように、ＵＶＬＥＤ素子１００では、ｐ型コンタクト層１５０とＥＢＬ１３８のエネルギーギャップ構造を適切に設定することにより、キャリア注入効率を向上させることが可能となる。これにより、外部量子効率を高めたＵＶＬＥＤ素子を実現することができる。
　ＵＶＬＥＤ素子１００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、紫外線の放出源としてのＵＶＬＥＤ素子１００と、機器本体と、を備えているので、ＵＶＬＥＤを採用する電気機器の高性能化に寄与することが可能となる。
　電気機器の一例としては、例えば、図９に示すような電気掃除機２００を挙げることができる。電気掃除機２００は、掃除機本体（機器本体）２０１と、掃除機本体２０１に設けた吸入口に接続されるホース２０２と、ホース２０２の先端に設けられた接続パイプ２０３と、接続パイプ２０３の先端に設けられた吸込具２０４と、を備える。吸込具２０４は、塵埃を吸引する開口部を有する。吸込具２０４は、ブラシを備えていてもよい。掃除機本体２０１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２０６が内蔵されている。電気掃除機２００は、複数のＵＶＬＥＤ素子１００を１つのパッケージ２１０に収納した２つの紫外線発光装置２２０を備え、一方の紫外線発光装置２２０が、吸込具２０４に内蔵され、他方の紫外線発光装置２２０が掃除機本体２０１に内蔵されている。吸込具２０４に内蔵された紫外線発光装置２２０は、吸込具２０４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２００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２０１に内蔵された紫外線発光装置２２０は、集塵容器２０６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２００は、集塵容器２０６の殺菌と、集塵容器２０６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２００は、２つの紫外線発光装置２２０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２２０の数は、２つに限定されない。
　また、紫外線の放出源としてのＵＶＬＥＤ素子１００と、機器本体と、を備える電気機器は、電気掃除機２００に限らず、例えば、冷蔵庫等でもよい。
　以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態のほかの組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。
　（本発明に係る態様）
　上述の実施形態および実施例から明らかなように、本発明に係る第１の態様の紫外発光ダイオード（１００）は、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１）を含むｎ型導電層（１３２）と、発光層（１３４）と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２＜１，０＜ｙ２≦１）を含む電子ブロック層（１３８）と、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）を含むｐ型コンタクト層（１５０）と、をこの順に備える。ｐ型コンタクト層（１５０）のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、電子ブロック層（１３８）のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＥＢＬを満たしている。
　本発明に係る第２の態様の紫外発光ダイオード（１００）では、第１の態様において、ｐ型コンタクト層（１５０）のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、発光層（１３４）にて発光する光の光子エネルギーをＥｅｍｉｓｓｉｏｎとするとき、Ｅｅｍｉｓｓｉｏｎ＜Ｅｃｏｎｔａｃｔを満たしている。
　本発明に係る第３の態様の紫外発光ダイオード（１００）では、第１の態様において、ｐ型コンタクト層（１５０）のアルミニウム分率ｙ３は、ｐ型コンタクト層（１５０）のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとするとき、４．８３ｅＶ≦Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦５．４５ｅＶを満たす値である。
　本発明に係る第４の態様の紫外発光ダイオード（１００）では、第１の態様において、ｐ型コンタクト層（１５０）のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、電子ブロック層（１３８）のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、０ｅＶ≦ＥＥＢＬ－Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦０．９６６ｅＶを満たす。
　本発明に係る第５の態様の紫外発光ダイオード（１００）では、第１の態様において、電子ブロック層（１３８）が多重量子障壁層であり、ｐ型コンタクト層（１５０）のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、多重量子障壁層におけるバンドギャップエネルギーの最大値をＥＭＱＢ－ｍａｘとするとき、Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＭＱＢ－ｍａｘを満たす。
　本発明に係る第６の態様の紫外発光ダイオード（１００）では、第１の態様において、ｐ型コンタクト層１５０のＭｇ濃度が１．０×１０１８ｃｍ－３以上、１．０×１０２１ｃｍ－３以下である。
　本発明に係る第７の態様の紫外発光ダイオード（１００）では、第１の態様において、ｐ型コンタクト層１５０のホール濃度が１．０×１０１５ｃｍ－３以上、１．０×１０２１ｃｍ－３以下である。
　本発明に係る第８の態様の紫外発光ダイオード（１００）は、第１の態様において、ｎ型導電層（１３２）のバンドギャップエネルギーが４．５ｅＶ以上、６．２ｅＶ以下である。
　本発明に係る第９の態様の電気機器（２００）は、第１～８のいずれか１つの態様に記載の紫外発光ダイオード（１００）を紫外線の放出源として備える。
　本発明に係る第１０の態様の紫外発光ダイオード（１００）は、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１）を含むｎ型導電層（１３２）と、発光層（１３４）と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２＜１，０＜ｙ２≦１）を含む電子ブロック層（１３８）と、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）を含むｐ型コンタクト層（１５０）と、をこの順に備える。電子ブロック層（１３８）における価電子帯のエネルギーの最大値とホールの擬フェルミ準位の値とのエネルギー差により定められるホールに対するバリア高さが、３００ｍｅＶ以下である。
　本発明のＵＶＬＥＤ素子は紫外線を生成する任意の電気機器に利用可能である。
　１００　ＵＶＬＥＤ素子（紫外ＬＥＤ素子）
　１０２　光取出し面
　１０４　サファイア基板の一方の面
　１１０　サファイア基板
　１２０　バッファー層
　１３２　ｎ型導電層
　１３４　発光層
　１３８　電子ブロック層（ＥＢＬ）
　１４０　ｎ型電極
　１５０　ｐ型コンタクト層
　１６０　ｐ型電極

Claims (10)

  1. 　Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１）を含むｎ型導電層と、
    　発光層と、
    　Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２＜１，０＜ｙ２≦１）を含む電子ブロック層と、
    　Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）を含むｐ型コンタクト層と、
    　をこの順に備え、
    　前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、前記電子ブロック層のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、前記電子ブロック層のバンドギャップエネルギーが
    　Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＥＢＬ
    を満たしている、紫外発光ダイオード。
  2. 　前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、前記発光層にて発光する光の光子エネルギーをＥｅｍｉｓｓｉｏｎとするとき、前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーが
    　Ｅｅｍｉｓｓｉｏｎ＜Ｅｃｏｎｔａｃｔ
    を満たしている、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  3. 　前記ｐ型コンタクト層のアルミニウム分率ｙ３は、前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとしたとき、前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーが
    　４．８３ｅＶ≦Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦５．４５ｅＶ
    　を満たす値である、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  4. 　前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、前記電子ブロック層のバンドギャップエネルギーをＥＥＢＬとするとき、ＥＥＢＬ－Ｅｃｏｎｔａｃｔが
    　０ｅＶ≦ＥＥＢＬ－Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦０．９６６ｅＶ
    　を満たす、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  5. 　前記電子ブロック層が多重量子障壁層であり、
    　前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをＥｃｏｎｔａｃｔとし、前記多重量子障壁層におけるバンドギャップエネルギーの最大値をＥＭＱＢ－ｍａｘとするとき、前記多重量子障壁層におけるバンドギャップエネルギーの最大値が
    　Ｅｃｏｎｔａｃｔ≦ＥＭＱＢ－ｍａｘ
    　を満たす、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  6. 　前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が１．０×１０１８ｃｍ－３以上、１．０×１０２１ｃｍ－３以下である、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  7. 　前記ｐ型コンタクト層のホール濃度が１．０×１０１５ｃｍ－３以上、１．０×１０２１ｃｍ－３以下である、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  8. 　前記ｎ型導電層のバンドギャップエネルギーが４．５ｅＶ以上、６．２ｅＶ以下である、請求項１に記載の紫外発光ダイオード。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の紫外発光ダイオードを紫外線の放出源として備える電気機器。
  10. 　Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１）を含むｎ型導電層と、
    　発光層と、
    　Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２＜１，０＜ｙ２≦１）を含む電子ブロック層と、
    　Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）を含むｐ型コンタクト層と、
    　をこの順に備え、
    　前記電子ブロック層における価電子帯のエネルギーの最大値とホールの擬フェルミ準位の値とのエネルギー差により定められるホールに対するバリア高さが、３００ｍｅＶ以下である紫外発光ダイオード。
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