WO2019021684A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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哲彦 稲津
シリル ペルノ
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日機装株式会社
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    • H01L33/50—Wavelength conversion elements

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device.
  • a light emitting element for deep ultraviolet light has an aluminum gallium nitride (AlGaN) -based n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer sequentially stacked on an aluminum nitride layer (AlN).
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • AlN aluminum nitride layer
  • an n-type cladding layer having an AlN mole fraction exceeding 50% is used (see, for example, Patent Document 1).
  • UV treatment is used as a treatment for certain skin disorders.
  • main equipment used for ultraviolet treatment there are UVA wave irradiation apparatus, UVB wave irradiation apparatus, narrow band UVB (NB-UVB) irradiation apparatus, etc., and each uses a fluorescent lamp as a light source.
  • ultraviolet light of 308 nm has attracted attention as a highly effective ultraviolet light, and an excimer discharge lamp (so-called excimer light) of xenon chloride (XeCl) is used as a light source capable of outputting a wavelength of 308 nm (for example, Patent Document 2) reference).
  • ultraviolet light treatment it is considered preferable to use ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or more, and it is known that ultraviolet light of about 308 to 311 nm is particularly effective for treatment.
  • ultraviolet light it is preferable that the ultraviolet rays having a wavelength of less than 300 nm, which are considered to have a large adverse effect due to the irradiation, are not irradiated to the treatment object.
  • the present invention has been made in view of these problems, and an exemplary object thereof is to provide a semiconductor light emitting device capable of outputting ultraviolet light of a wavelength suitable for ultraviolet treatment.
  • a semiconductor light emitting device includes an n-type cladding layer of n-type aluminum gallium nitride (AlGaN) based semiconductor material provided on a substrate and an n-type cladding layer provided at a wavelength of 300 nm to 360 nm.
  • the n-type cladding layer is configured such that the transmittance of deep ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less is 10% or less.
  • the n-type cladding layer it is possible to attenuate, by the n-type cladding layer, components of the output light which are not suitable for radiation treatment with a wavelength of less than 300 nm, while outputting deep ultraviolet light with a wavelength of 300 nm or more.
  • ultraviolet light suitable for ultraviolet treatment without separately providing a wavelength filter for cutting ultraviolet light having a wavelength of less than 300 nm.
  • the n-type cladding layer may be configured such that the transmittance of the peak wavelength of deep ultraviolet light emitted by the active layer is 70% or more.
  • the active layer may have a quantum well structure including one or more well layers of the AlGaN-based semiconductor material, and one or more barrier layers of the AlGaN-based semiconductor material having a higher AlN mole fraction than the well layers.
  • the difference between the AlN mole fraction of the n-type cladding layer and the AlN mole fraction of the well layer may be 10% or less.
  • the AlN mole fraction of the well layer may be 30% or less, and the AlN mole fraction of the n-type cladding layer may be 40% or less.
  • the peak wavelength of deep ultraviolet light emitted by the active layer may be 305 nm or more and 315 nm or less.
  • a base layer of AlN provided on the substrate, and a buffer layer of AlGaN-based semiconductor material provided between the base layer and the n-type cladding layer and having an AlN mole fraction of 40% or more and less than 60% may be further provided.
  • a semiconductor light emitting device capable of outputting ultraviolet light of a wavelength suitable for ultraviolet treatment can be provided.
  • FIG. 1 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to an embodiment. It is a figure which shows typically the energy band of a semiconductor light-emitting device. It is a graph which shows the light absorption characteristic of AlGaN system semiconductor material. It is a graph which shows typically the wavelength characteristic of the light output of a semiconductor light-emitting device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor light emitting device 10 according to the embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 10 is an LED (Light Emitting Diode) chip configured to emit “deep ultraviolet light” whose center wavelength ⁇ is about 360 nm or less.
  • the semiconductor light emitting device 10 is made of an aluminum gallium nitride (AlGaN) based semiconductor material having a band gap of about 3.4 eV or more.
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • the semiconductor light emitting device 10 is configured to emit deep ultraviolet light having a peak wavelength of 305 nm or more and 315 nm or less, and outputs ultraviolet light in a wavelength band suitable for ultraviolet treatment.
  • ultraviolet light having a wavelength of 311 nm ⁇ 2 nm which is said to be narrow band UVB, or ultraviolet light having a wavelength of 308 nm to 311 nm, which is attracting attention as a highly therapeutic ultraviolet light, is output.
  • the semiconductor light emitting device 10 is configured such that the ultraviolet light intensity of the wavelength band not suitable for ultraviolet treatment with a wavelength of less than 300 nm is reduced.
  • AlGaN-based semiconductor material refers to a semiconductor material mainly containing aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN), and a semiconductor containing another material such as indium nitride (InN) It shall contain materials. Therefore, the “AlGaN-based semiconductor material” referred to in the present specification has, for example, a composition of In 1 -x-y Al x Ga y N (0 ⁇ x + y ⁇ 1, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1). It can be expressed as AlN, GaN, AlGaN, indium aluminum nitride (InAlN), indium gallium nitride (InGaN), indium aluminum gallium nitride (InAlGaN).
  • GaN based semiconductor materials in order to distinguish the material which does not contain AlN substantially among “AlGaN based semiconductor materials", it may be called “GaN based semiconductor materials”.
  • the “GaN-based semiconductor material” mainly includes GaN and InGaN, and also includes materials containing a small amount of AlN.
  • AlN-based semiconductor material may be used to distinguish among the “AlGaN-based semiconductor materials”, materials that do not substantially contain GaN.
  • AlN-based semiconductor material mainly includes AlN and InAlN, and also includes materials containing a small amount of GaN.
  • the semiconductor light emitting device 10 includes a substrate 20, a base layer 21, a buffer layer 22, an n-type cladding layer 24, an active layer 26, an electron block layer 28, a p-type cladding layer 30, and an n-side electrode 32. , P-side electrode 34.
  • the substrate 20 is a substrate having transparency with respect to deep ultraviolet light emitted from the semiconductor light emitting element 10, and is, for example, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate.
  • the substrate 20 has a first major surface 20 a and a second major surface 20 b opposite to the first major surface 20 a.
  • the first major surface 20 a is a major surface serving as a crystal growth surface for growing each layer above the base layer 21.
  • the second major surface 20 b is one major surface serving as a light extraction surface for extracting the deep ultraviolet light emitted by the active layer 26 to the outside.
  • the substrate 20 may be an aluminum nitride (AlN) substrate.
  • the base layer 21 is formed on the first major surface 20 a of the substrate 20.
  • the base layer 21 is a base layer (template layer) for forming each layer above the buffer layer 22.
  • the base layer 21 is, for example, an undoped AlN layer, specifically, a high temperature grown AlN (HT-AlN; High Temperature AlN) layer.
  • HT-AlN high temperature grown AlN
  • the base layer 21 may be an AlGaN layer having a high AlN composition (for example, 80% or more).
  • the base layer 21 may not be provided.
  • the buffer layer 22 is an AlGaN-based semiconductor material layer formed on the base layer 21.
  • the buffer layer 22 may be an undoped AlGaN layer or an n-type AlGaN layer doped with silicon (Si) as an n-type impurity.
  • the buffer layer 22 preferably has an AlN mole fraction of 40% or more and less than 60%, and preferably about 45% to 55%.
  • the thickness of the buffer layer 22 is about 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m, for example, about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the buffer layer 22 may not be provided.
  • the n-type cladding layer 24 is formed on the buffer layer 22.
  • the n-type cladding layer 24 is an n-type AlGaN-based semiconductor material layer.
  • the n-type cladding layer 24 has a composition ratio and thickness such that the transmittance of the peak wavelength of deep ultraviolet light emitted by the active layer 26 is 70% or more, and the transmittance of ultraviolet light of 300 nm or less is 10% or less Is selected.
  • the n-type cladding layer 24 is configured to have an AlN mole fraction of 30% or more and 40% or less, for example, 34% or more and 38% or less.
  • the thickness of the n-type cladding layer 24 is about 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m, for example, about 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the AlN mole fraction of the n-type cladding layer 24 is configured to be lower than that of the buffer layer 22. Conversely, the AlN molar fraction of the buffer layer 22 is configured to be higher than that of the n-type cladding layer 24.
  • the difference between the AlN compositions of the buffer layer 22 and the n-type cladding layer 24 be as small as possible.
  • the difference between the AlN mole fractions of the buffer layer 22 and the n-type cladding layer 24 is preferably 5% or more and 25% or less, and for example, preferably 10% or more and 20% or less.
  • the active layer 26 is made of an AlGaN-based semiconductor material, and is sandwiched between the n-type cladding layer 24 and the electron block layer 28 to form a double hetero junction structure.
  • the active layer 26 has a single-layer or multi-layer quantum well structure, and includes, for example, a laminate of a barrier layer formed of an undoped AlGaN-based semiconductor material and a well layer formed of an undoped AlGaN-based semiconductor material Be done.
  • the active layer 26 is configured to have a band gap of 3.4 eV or more in order to output deep ultraviolet light having a wavelength of 355 nm or less, and for example, an AlN composition to emit deep ultraviolet light having a peak wavelength of 305 nm to 315 nm. A ratio is selected.
  • the AlN composition ratio of the well layer is 25% to 35%, and the AlN composition ratio of the barrier layer is 45% to 55%. Further, the AlN composition ratio of the well layer is configured such that the difference with the AlN composition ratio of the n-type cladding layer 24 is 10% or less.
  • the electron blocking layer 28 is formed on the active layer 26.
  • the electron block layer 28 is an undoped or p-type AlGaN-based semiconductor material layer, and is formed, for example, so that the mole fraction of AlN is 40% or more, preferably 50% or more.
  • the electron blocking layer 28 may be formed such that the mole fraction of AlN is 80% or more, and may be formed of an AlN-based semiconductor material substantially free of GaN.
  • the electron blocking layer has a thickness of about 0.1 nm to 10 nm, for example, a thickness of about 1 nm to 5 nm.
  • the p-type cladding layer 30 is a p-type semiconductor layer formed on the electron block layer 28.
  • the p-type cladding layer 30 is a p-type AlGaN-based semiconductor material layer, and is, for example, an AlGaN layer doped with magnesium (Mg) as a p-type impurity.
  • the p-type cladding layer 30 has a thickness of about 300 nm to 700 nm, for example, a thickness of about 400 nm to 600 nm.
  • the p-type cladding layer 30 may be formed of a p-type GaN-based semiconductor material substantially free of AlN.
  • the n-side electrode 32 is formed on a partial region of the n-type cladding layer 24.
  • the n-side electrode 32 is formed of a multilayer film in which titanium (Ti) / aluminum (Al) / Ti / gold (Au) is sequentially stacked on the n-type cladding layer 24.
  • the n-side electrode 32 may be provided on the buffer layer 22 exposed by removing a partial region of the n-type cladding layer 24.
  • the p-side electrode 34 is formed on the p-type cladding layer 30.
  • the p-side electrode 34 is formed of a multilayer film of nickel (Ni) / gold (Au) sequentially stacked on the p-type cladding layer 30.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the energy band of the semiconductor light emitting device 10, and in particular, the base level of the conduction band in the vicinity of the active layer 26 is schematically shown.
  • three barrier layers 36a, 36b and 36c (collectively referred to as barrier layer 36) and three well layers 38a, 38b and 38c (collectively referred to as well layers 38) are alternately arranged.
  • the case where the active layer 26 is comprised by the laminated multiple quantum well structure is shown.
  • the active layer 26 is not limited to the three-layer quantum well structure, but may be a single-layer quantum well structure, or may be a two-layer or four or more-layer quantum well structure.
  • the ground level E 0 of the well layer 38 is the lowest, and the ground level E 2 of the n-type cladding layer 24 is higher than the ground level E 0 of the well layer 38.
  • the ground level E 1 of the buffer layer 22 is higher than the ground level E 2 of the n-type cladding layer 24.
  • the ground level of the barrier layer 36 is higher than the ground level E 2 of the n-type cladding layer 24 and substantially the same as the ground level E 1 of the buffer layer 22.
  • the ground level of the barrier layer 36 may be higher or lower than the ground level E 1 of the buffer layer 22.
  • FIG. 3 is a graph showing the light absorption characteristics of the AlGaN-based semiconductor material, and shows the light absorption characteristics when the AlN mole fraction is 0%, 27%, 34%, 38%, and 100%.
  • the original data of this graph is shown in JFMuth et. Al., MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research Res. 4S1, G5.2 (1999), corresponding to wavelengths of 300 nm and 310 nm for the graph referred to The dashed line which shows the energy position to be added is added.
  • the band gap energy increases as the AlN mole fraction of AlGaN increases, and the curve of the light absorption characteristic moves to the high energy side (right side of the paper).
  • the absorption coefficient for a wavelength of 300 nm is about 10 ⁇ m ⁇ 1 and the absorption coefficient for a wavelength of 310 nm is about 1.5 ⁇ m ⁇ 1 .
  • the transmittance for a wavelength of 310 nm can be 70% or more while the transmittance for a wavelength of 300 nm is 10% or less.
  • the absorption coefficient for a wavelength of 300 nm is about 0.7 ⁇ m ⁇ 1 and the absorption coefficient for a wavelength of 310 nm is about 0.1 ⁇ m ⁇ 1 .
  • the transmittance for a wavelength of 310 nm can be 70% or more while the transmittance for a wavelength of 300 nm is 10% or less.
  • the transmittance for a wavelength of 300 nm can be 70% or more while the transmittance for a wavelength of 300 nm is 10% or less.
  • the AlN composition ratio and thickness of the n-type cladding layer 24 are such that the transmittance of the desired peak wavelength is 70% or more and the transmittance of 300 nm wavelength is 10% or less. Can be adjusted appropriately.
  • FIG. 4 is a graph schematically showing the wavelength characteristic of the light output of the semiconductor light emitting device 10.
  • the solid line in the graph indicates the case where the n-type cladding layer 24 having the above-described configuration is provided.
  • the broken line in the graph shows the case where the AlN composition ratio is made higher than the above-mentioned n-type cladding layer 24 so that the output of the active layer 26 is not substantially absorbed by the n-type cladding layer.
  • the component with a wavelength of less than 300 nm which is largely affected by the irradiation of human beings and animals, can be cut by the n-type cladding layer 24 to provide highly safe ultraviolet light suitable for ultraviolet treatment.
  • the above-described embodiment shows the case where the peak wavelength of the active layer 26 is in the range of 305 nm to 315 nm.
  • it may be constituted so that ultraviolet light with a wavelength of 320 nm or more may be outputted, and it may be constituted so that it may become suitable for offer of 320 nm-400 nm long wavelength ultraviolet rays (UVA wave).
  • UVA wave ultraviolet rays
  • SYMBOLS 10 Semiconductor light emitting element, 20 ... Substrate, 21 ... Base layer, 22 ... Buffer layer, 24 ... n-type cladding layer, 26 ... Active layer, 36 ... Barrier layer, 38 ... Well layer.
  • a semiconductor light emitting device capable of outputting ultraviolet light of a wavelength suitable for ultraviolet treatment can be provided.

Abstract

半導体発光素子１０は、基板２０上に設けられるｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層２４と、ｎ型クラッド層２４上に設けられ、波長３００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成されるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層２６と、活性層２６上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。ｎ型クラッド層２４は、波長３００ｎｍ以下の深紫外光の透過率が１０％以下となるように構成される。

Description

半導体発光素子
　本発明は、半導体発光素子に関する。
　近年、深紫外光を出力する半導体発光素子の開発が進められている。深紫外光用の発光素子は、窒化アルミニウム層（ＡｌＮ）上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する。例えば、３００ｎｍ以下の発光波長を実現するため、ＡｌＮモル分率が５０％を超えるｎ型クラッド層が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
　特定の皮膚疾患に対する治療方法として紫外線治療が用いられる。紫外線治療に用いる主な機器として、ＵＶＡ波照射装置、ＵＶＢ波照射装置、ナローバンドＵＶＢ（ＮＢ－ＵＶＢ）照射装置などがあり、それぞれ蛍光ランプを光源として使用している。近年では、治療効果が高い紫外線として３０８ｎｍの紫外線が注目されており、３０８ｎｍの波長が出力可能な光源としてキセノンクロライド（ＸｅＣｌ）のエキシマ放電ランプ（いわゆるエキシマライト）が用いられる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７－２２７４９４号公報 特開２００８－７３１４８号公報
　紫外線治療では、波長３００ｎｍ以上の紫外線を用いることが好ましいとされ、特に３０８～３１１ｎｍ付近の紫外線が治療に有効であることが知られている。一方で、照射による悪影響が大きいとされる波長３００ｎｍ未満の紫外線は、治療対象に照射されないことが好ましい。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、紫外線治療に適した波長の紫外光を出力可能な半導体発光素子を提供することにある。
　本発明のある態様の半導体発光素子は、基板上に設けられるｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられ、波長３００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成されるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。ｎ型クラッド層は、波長３００ｎｍ以下の深紫外光の透過率が１０％以下となるように構成される。
　この態様によると、紫外線治療に適した波長３００ｎｍ以上の深紫外光を出力しつつ、出力光のうち波長３００ｎｍ未満の照射治療に適さない成分をｎ型クラッド層により減衰させることができる。これにより、波長３００ｎｍ未満の紫外光をカットするための波長フィルタを別途設けなくても紫外線治療に適した紫外光を提供できる。
　ｎ型クラッド層は、活性層が発する深紫外光のピーク波長の透過率が７０％以上となるように構成されてもよい。
　活性層は、ＡｌＧａＮ系半導体材料の一以上の井戸層と、井戸層よりＡｌＮモル分率が高いＡｌＧａＮ系半導体材料の一以上のバリア層とを含む量子井戸構造を有してもよい。ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率と井戸層のＡｌＮモル分率の差が１０％以下であってもよい。
　井戸層のＡｌＮモル分率が３０％以下であり、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が４０％以下であってもよい。
　活性層が発する深紫外光のピーク波長は、３０５ｎｍ以上３１５ｎｍ以下であってもよい。
　基板上に設けられるＡｌＮのベース層と、ベース層とｎ型クラッド層の間に設けられ、ＡｌＮモル分率が４０％以上６０％未満のＡｌＧａＮ系半導体材料のバッファ層とをさらに備えてもよい。
　本発明によれば、紫外線治療に適した波長の紫外光を出力可能な半導体発光素子を提供できる。
実施の形態に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子のエネルギーバンドを模式的に示す図である。 ＡｌＧａＮ系半導体材料の光吸収特性を示すグラフである。 半導体発光素子の光出力の波長特性を模式的に示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
　図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、半導体発光素子１０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。
　本実施の形態に係る半導体発光素子１０は、ピーク波長が３０５ｎｍ以上３１５ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成され、紫外線治療に適した波長帯域の紫外光を出力する。特に、ナローバンドＵＶＢと言われる波長３１１ｎｍ±２ｎｍの紫外線や、治療効果が高い紫外線として注目されている波長３０８ｎｍ～３１１ｎｍの紫外線が出力される。その一方で、半導体発光素子１０は、波長３００ｎｍ未満の紫外線治療に適さない波長帯域の紫外光強度が小さくなるように構成される。
　本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１－ｘ－ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。
　また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。
　半導体発光素子１０は、基板２０と、ベース層２１と、バッファ層２２と、ｎ型クラッド層２４と、活性層２６と、電子ブロック層２８と、ｐ型クラッド層３０と、ｎ側電極３２と、ｐ側電極３４とを備える。
　基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する基板であり、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａの反対側の第２主面２０ｂを有する。第１主面２０ａは、ベース層２１より上の各層を成長させるための結晶成長面となる一主面である。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取出面となる一主面である。変形例において、基板２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板であってもよい。
　ベース層２１は、基板２０の第１主面２０ａの上に形成される。ベース層２１は、バッファ層２２より上の各層を形成するための下地層（テンプレート層）である。ベース層２１は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ－ＡｌＮ；High Temperature AlN）層である。なお、基板２０がＡｌＮ基板である場合、ベース層２１を高ＡｌＮ組成（例えば、８０％以上）のＡｌＧａＮ層としてもよい。基板２０がＡｌＮ基板である場合、ベース層２１を設けなくてもよい。
　バッファ層２２は、ベース層２１上に形成されるＡｌＧａＮ系半導体材料層である。バッファ層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層であってもよいし、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるｎ型ＡｌＧａＮ層であってもよい。バッファ層２２は、ＡｌＮモル分率が４０％以上６０％未満であることが好ましく、４５％～５５％程度であることが好ましい。バッファ層２２の厚さは、０．１μｍ～３μｍ程度であり、例えば、１μｍ～２μｍ程度である。なお、バッファ層２２が設けられなくてもよい。
　ｎ型クラッド層２４は、バッファ層２２の上に形成される。ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層である。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光のピーク波長の透過率が７０％以上となる一方、３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が１０％以下となるように組成比および厚さが選択される。ｎ型クラッド層２４は、ＡｌＮモル分率が３０％以上４０％以下となるように構成され、例えば、３４％以上３８％以下となるように構成される。ｎ型クラッド層２４の厚さは、０．１μｍ～５μｍ程度であり、例えば、０．５μｍ～３μｍ程度である。
　バッファ層２２およびｎ型クラッド層２４を比較すると、バッファ層２２よりもｎ型クラッド層２４のＡｌＮモル分率が低くなるよう構成される。逆に言えば、ｎ型クラッド層２４よりもバッファ層２２のＡｌＮモル分率が高くなるよう構成される。バッファ層２２のＡｌＮモル分率を高めることにより、ＡｌＮまたは高ＡｌＮ組成のＡｌＧａＮで構成されるベース層２１とバッファ層２２の間の格子定数差を緩和できる。
　ｎ型クラッド層２４の結晶品質を高めるためには、バッファ層２２とｎ型クラッド層２４のＡｌＮ組成の違いができるだけ小さい方が好ましい。バッファ層２２とｎ型クラッド層２４のＡｌＮモル分率の差は、５％以上２５％以下であることが好ましく、例えば、１０％以上２０％以下であることが好ましい。
　活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で構成され、ｎ型クラッド層２４と電子ブロック層２８の間に挟まれてダブルへテロ接合構造を形成する。活性層２６は、単層または多層の量子井戸構造を有し、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成されるバリア層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層の積層体で構成される。活性層２６は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、ピーク波長が３０５ｎｍ以上３１５ｎｍ以下の深紫外光を発するようにＡｌＮ組成比が選択される。例えば、井戸層のＡｌＮ組成比が２５％以上３５％以下であり、バリア層のＡｌＮ組成比が４５％以上５５％以下となるように構成される。また、井戸層のＡｌＮ組成比は、ｎ型クラッド層２４のＡｌＮ組成比との差が１０％以下となるように構成される。
　電子ブロック層２８は、活性層２６の上に形成される。電子ブロック層２８は、アンドープまたはｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層は、０．１ｎｍ～１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、１ｎｍ～５ｎｍ程度の厚さを有する。
　ｐ型クラッド層３０は、電子ブロック層２８の上に形成されるｐ型半導体層である。ｐ型クラッド層３０は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層３０は、３００ｎｍ～７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ～６００ｎｍ程度の厚さを有する。ｐ型クラッド層３０は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。
　ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の一部領域上に形成される。ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の一部領域を除去することにより露出するバッファ層２２の上に設けられてもよい。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に形成される。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。
　図２は、半導体発光素子１０のエネルギーバンドを模式的に示す図であり、特に活性層２６付近の伝導帯の基底準位を模式的に示す。図２は、３層のバリア層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ（総称してバリア層３６ともいう）と、３層の井戸層３８ａ，３８ｂ，３８ｃ（総称して井戸層３８ともいう）とを交互に積層させた多重量子井戸構造で活性層２６が構成される場合を示す。活性層２６は、３層の量子井戸構造に限られず、単層の量子井戸構造であってもよいし、２層または４層以上の量子井戸構造であってもよい。
　図示されるように、井戸層３８の基底準位Ｅ０が最も低く、ｎ型クラッド層２４の基底準位Ｅ２は、井戸層３８の基底準位Ｅ０よりも高い。バッファ層２２の基底準位Ｅ１は、ｎ型クラッド層２４の基底準位Ｅ２よりも高い。バリア層３６の基底準位は、ｎ型クラッド層２４の基底準位Ｅ２よりも高く、バッファ層２２の基底準位Ｅ１と同程度である。バリア層３６の基底準位は、バッファ層２２の基底準位Ｅ１よりも高くてもよいし、低くてもよい。
　図３は、ＡｌＧａＮ系半導体材料の光吸収特性を示すグラフであり、ＡｌＮモル分率を０％、２７％、３４％、３８％、１００％とした場合の光吸収特性を示す。このグラフの元データは、J.F.Muth et.al., MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research Res. 4S1,G5.2 (1999)に示されており、引用元のグラフに対して波長３００ｎｍおよび３１０ｎｍに対応するエネルギー位置を示す破線を追加している。図示されるように、ＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率を大きくするとバンドギャップエネルギーが高くなり、光吸収特性の曲線が高エネルギー側（紙面の右側）に移動することが分かる。また、ＡｌＮモル分率を３４％～３８％程度にすると、波長３００ｎｍおよび３１０ｎｍのそれぞれに対する吸収係数αの差を大きくできることが分かる。なお、ｎ型クラッド層２４の透過率Ｔは、グラフに示される吸収係数α、および、ｎ型クラッド層２４の厚さｔから、Ｔ＝ｅｘｐ（－αｔ）の式を用いて求めることができる。
　例えば、ＡｌＮモル分率を３４％とした場合、波長３００ｎｍに対する吸収係数は約１０μｍ－１であり、波長３１０ｎｍに対する吸収係数は約１．５μｍ－１である。この場合、厚みを０．２４μｍ程度にすれば、波長３００ｎｍに対する透過率を１０％以下にしつつ、波長３１０ｎｍに対する透過率を７０％以上にできる。また、ＡｌＮモル分率を３８％とした場合、波長３００ｎｍに対する吸収係数は約０．７μｍ－１であり、波長３１０ｎｍに対する吸収係数は約０．１μｍ－１である。この場合、厚みを３．３μｍ程度にすれば、波長３００ｎｍに対する透過率を１０％以下にしつつ、波長３１０ｎｍに対する透過率を７０％以上にできる。また、ＡｌＮモル分率を３６％程度にすれば、厚みを１～３μｍ程度にすることにより、波長３００ｎｍに対する透過率を１０％以下にしつつ、波長３１０ｎｍに対する透過率を７０％以上にできる。このようにして、ｎ型クラッド層２４のＡｌＮモル分率および厚みを適切に設定することにより、波長３１０ｎｍ付近の紫外光を７０％以上透過させつつ、波長３００ｎｍ以下の紫外光の透過率を１０％以下にできる。なお、ピーク波長が３１０ｎｍではない場合には、所望のピーク波長の透過率が７０％以上となり、波長３００ｎｍの透過率が１０％以下となるように、ｎ型クラッド層２４のＡｌＮ組成比および厚さを適宜調整すればよい。
　図４は、半導体発光素子１０の光出力の波長特性を模式的に示すグラフである。グラフの実線は、上述の構成のｎ型クラッド層２４を設けた場合を示す。一方、グラフの破線は、上述のｎ型クラッド層２４よりもＡｌＮ組成比を高くして活性層２６の出力がｎ型クラッド層により実質的に吸収されないようにした場合を示す。図示されるように、実施の形態によれば、半導体発光素子１０のピーク波長（例えば３１０ｎｍ）の光出力の顕著な低下を防ぎつつ、波長３００ｎｍ未満の光出力を大幅に小さくできる。これにより、人体や動物等への照射の影響が大きい波長３００ｎｍ未満の成分をｎ型クラッド層２４でカットし、紫外線治療に適した安全性の高い紫外光を提供できる。
　以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
　上述の実施の形態では、活性層２６のピーク波長が３０５ｎｍ～３１５ｎｍの範囲とする場合について示した。変形例においては、波長３２０ｎｍ以上の紫外光が出力されるように構成されてもよく、３２０ｎｍ～４００ｎｍの長波長紫外線（ＵＶＡ波）の提供に適切となるように構成されてもよい。この場合、３２０ｎｍ～３６０ｎｍの波長を出力するＡｌＧａＮ系の発光素子と、３６０ｎｍ～４００ｎｍの波長を出力するＧａＮ系の発光素子とを組み合わせることにより、ＵＶＡ波の照射に適した照射装置が構成されてもよい。
　１０…半導体発光素子、２０…基板、２１…ベース層、２２…バッファ層、２４…ｎ型クラッド層、２６…活性層、３６…バリア層、３８…井戸層。
　本発明によれば、紫外線治療に適した波長の紫外光を出力可能な半導体発光素子を提供できる。

Claims (10)

  1. 　基板上に設けられるｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層と、
    　前記ｎ型クラッド層上に設けられ、波長３００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成されるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、
    　前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備え、
    　前記ｎ型クラッド層は、波長３００ｎｍ以下の深紫外光の透過率が１０％以下となるように構成されることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 　前記ｎ型クラッド層は、前記活性層が発する深紫外光のピーク波長の透過率が７０％以上となるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 　前記活性層は、ＡｌＧａＮ系半導体材料の一以上の井戸層と、前記井戸層よりＡｌＮモル分率が高いＡｌＧａＮ系半導体材料の一以上のバリア層とを含む量子井戸構造を有し、
    　前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率と前記井戸層のＡｌＮモル分率の差が１０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
  4. 　前記井戸層のＡｌＮモル分率が３５％以下であり、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が４０％以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
  5. 　前記井戸層のＡｌＮモル分率が２５％以上３５％以下であり、前記バリア層のＡｌＮ組成比が４５％以上５５％以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
  6. 　前記活性層が発する深紫外光のピーク波長は、３０５ｎｍ以上３１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  7. 　前記ｎ型クラッド層は、波長３１０ｎｍの紫外光の透過率が７０％以上となるよう構成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
  8. 　前記ｎ型クラッド層は、ＡｌＮ組成比が３４％以上３８％以下のＡｌＧａＮ系半導体材料であることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体発光素子。
  9. 　前記ｎ型クラッド層の厚さは、０．２４μｍ以上３．３μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
  10. 　前記基板上に設けられるＡｌＮのベース層と、前記ベース層と前記ｎ型クラッド層の間に設けられ、ＡｌＮモル分率が４０％以上６０％未満のＡｌＧａＮ系半導体材料のバッファ層とをさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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