特開 2024-101429 発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101429

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20240722BHJP

【ＦＩ】

H01L33/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005400

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】面家 英樹

(72)【発明者】

【氏名】松井 慎一

(72)【発明者】

【氏名】牧野 浩明

(72)【発明者】

【氏名】水谷 浩一

【テーマコード（参考）】

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F241AA03

5F241AA33

5F241AA43

5F241CA04

5F241CA05

5F241CA13

5F241CA22

5F241CA40

5F241CA65

5F241CA72

5F241CA73

5F241CA74

5F241CA75

5F241CA83

5F241CA92

5F241CB11

5F241FF16

(57)【要約】

【課題】紫外発光に適した保護膜を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子を提供する。
【解決手段】発光波長２００～２８０ｎｍのＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子であり、ｐ層１４上に接して設けられ、Ｒｕ層を有するｐ電極１５と、孔２３の底面に露出するｎ層１１上に設けられたｎ電極１６と、素子上面全体を覆い、ＳｉＯ_２からなる第１保護膜１８Ａと、ＳｉＮからなる第２保護膜１８Ｂと、を順に積層させた構造である保護膜１８と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光波長が２００～２８０ｎｍのＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子において、
基板と、
前記基板上にｎ層、発光層、ｐ層の順に積層された半導体層と、
前記ｐ層表面の所定の領域に設けられ、前記ｎ層に達する深さの孔と、
前記ｐ層上に接して設けられ、Ｒｕ層、Ｒｈ層、Ｎｉ層、またはＩＴＯ層のいずれかを有するｐ電極と、
前記孔の底面に露出する前記ｎ層上に設けられたｎ電極と、
素子上面全体を覆い、ＳｉＯ_２からなる第１保護膜と、ＳｉＮからなる第２保護膜とを順に積層させた構造である保護膜と、
を有する発光素子。

【請求項2】

前記第１保護膜と前記第２保護膜との間に、ＡｌまたはＡｌを主とする合金からなる反射膜を有する、請求項１に記載の発光素子。

【請求項3】

前記孔は、複数形成され、前記孔の配列パターンは正方格子状、三角格子状、またはハニカム状であり、前記ｎ電極は、各前記孔の底面に形成されている、請求項１または請求項２に記載の発光素子。

【請求項4】

前記第２保護膜の厚さは３２０ｎｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の発光素子。

【請求項5】

前記第１保護膜の厚さに対する前記第２保護膜の厚さの比は、０．５～２である請求項１または請求項２に記載の発光素子。

【請求項6】

前記ｎ電極は、前記ｎ層上に接して位置し、ＡｌＮ_ｘまたは前記ｎ層よりもＡｌ組成の高いＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ_ｘからなり、厚さが１ｎｍ以上３ｎｍ以下である層と、その層上に接して位置し、Ａｌを主としＶを含む金属からなり、厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である層と、を有する請求項１または請求項２に記載の発光素子。

【請求項7】

水の殺菌用または高湿度環境での空気殺菌用である請求項１または請求項２に記載の発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、紫外線ＬＥＤを水や空気などの殺菌、消毒に使用することが注目されており、紫外線ＬＥＤの高効率化に向けた研究、開発が盛んに行われている。

【0003】

従来の青色発光や近紫外発光のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子では、ｐ電極が接するｐコンタクト層としてｐ－ＧａＮを用い、コンタクト抵抗を低減していた。一方、発光波長がＵＶＣ（波長２００～２８０ｎｍ）のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子では、ｐコンタクト層としてｐ－ＡｌＧａＮを用いることが検討されている。これは、ｐ－ＧａＮでは紫外線を吸収してしまい、光取り出し効率を十分に向上できないためである。

【0004】

また、従来の青色発光や近紫外発光のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子では、ｐコンタクト層上に形成する反射電極として、ＩＴＯとＤＢＲ反射膜が用いられていた。しかし、ＵＶＣのＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子では、ＩＴＯとＤＢＲ反射膜では紫外線を十分に反射できずロスが大きかった。そこでＲｈ、Ｒｕ、Ａｌなどの紫外反射率の高い材料を用いることが検討されている。

【0005】

ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子の保護膜には、一般にＳｉＯ_２が用いられている。また、特許文献１－３には、保護膜としてＳｉＮ／ＳｉＯ_２を用いることが記載されている。ここで「／」は積層であることを示し、Ａ／ＢはＡ、Ｂの順に積層した構造であることを示す。以下、材料の説明において同様である。

【0006】

また、特許文献４には、ＡｌＧａＮは水分に弱いことが記載されていて、パッシベーション膜のピンホールやクラックから水分が浸入してＡｌＧａＮ層表面に到達し、水によってＡｌＧａＮ中のＡｌＮが分解され、さらにＡｌが酸化されてＡｌ_２Ｏ_３が生成されることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１－２３３７８３号公報

【特許文献2】特開２００１－１６０６５０号公報

【特許文献3】特開２００６－４１４０３号公報

【特許文献4】特許第６３３１２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＵＶＣの発光素子を水の殺菌に用いる場合、発光素子の耐湿性が重要となる。しかし、ｐコンタクト層としてｐ－ＡｌＧａＮ、ｐ電極としてＲｈやＲｕ、またはＡｌを用いたＵＶＣの発光素子において、保護膜としてＳｉＯ_２を用いた場合、湿度試験で電気特性不良が発生し、品質を確保できないことが分かった。これは、特許文献４のようにＡｌＧａＮが水分に弱いこと、Ａｌがエレクトロマイグレーションを起こすこと、Ｒｕは酸素と反応してガスが発生しやすいこと、などに起因すると考えられる。

【0009】

また、ＵＶＣの発光素子は現状では発光効率が低く、発熱が大きいため、青色発光に比べて寿命が短かった。そのため、放熱性の高い保護膜が求められていた。

【0010】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ＵＶＣに適した保護膜を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、
発光波長が２００～２８０ｎｍのＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子において、
基板と、
基板上にｎ層、発光層、ｐ層の順に積層された半導体層と、
前記ｐ層表面の所定の領域に設けられ、前記ｎ層に達する深さの孔と、
前記ｐ層上に接して設けられ、Ｒｕ層、Ｒｈ層、Ｎｉ層、またはＩＴＯ層のいずれかを有するｐ電極と、
前記孔の底面に露出する前記ｎ層上に設けられたｎ電極と、
素子上面全体を覆い、ＳｉＯ_２からなる第１保護膜と、ＳｉＮからなる第２保護膜とを順に積層させた構造である保護膜と、
を有する発光素子にある。

【発明の効果】

【0012】

上記発光素子では、保護膜としてＳｉＯ_２、ＳｉＮを順に積層させた構造としている。ＳｉＮはＳｉＯ_２よりも緻密で欠陥が少ないため、保護膜の防湿性を向上させることができる。また、ＳｉＮはＳｉＯ_２よりも熱伝導率が高く、保護膜の放熱性を向上させることができる。また、ＳｉＮはＳｉＯ_２に比べて絶縁性が高いので、保護膜の絶縁性を向上させることができる。また、ＳｉＯ_２とＳｉＮの積層とすることで膜応力を打ち消す方向に作用させることができ、膜応力を緩和させることができる。

【0013】

以上のごとく、上記態様によれば、ＵＶＣに適した保護膜を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態1における発光素子の構成を示した図であって、基板に垂直な断面図。

【図2】電極の平面パターンを示した図。

【図3】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図4】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図5】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図6】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図7】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図8】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図9】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。

【図10】各試料のウェットエッチングレートを示したグラフ。

【図11】各試料の膜応力を示したグラフ。

【図12】Ａｇナノペースト塗布後の基板表面を撮影した写真。

【図13】各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフ。

【図14】Ａｇナノペーストを塗布した各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフ。

【図15】Ａｇ膜を成膜した各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフ。

【図16】Ｔｉ膜を成膜した各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0015】

発光素子は、発光波長が２００～２８０ｎｍのＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる。また、基板と、基板上にｎ層、発光層、ｐ層の順に積層された半導体層と、前記ｐ層表面の所定の領域に設けられ、前記ｎ層に達する深さの孔と、前記ｐ層上に接して設けられ、Ｒｕ層、Ｒｈ層、Ｎｉ層、またはＩＴＯ層のいずれかを有するｐ電極と、前記孔の底面に露出する前記ｎ層上に設けられたｎ電極と、素子上面全体を覆い、ＳｉＯ_２からなる第１保護膜と、ＳｉＮからなる第２保護膜と、を順に積層させた構造である保護膜と、を有する。

【0016】

前記第１保護膜と前記第２保護膜との間に、Ａｌからなる反射膜を有していてもよい。

【0017】

前記孔は、複数形成され、前記孔の配列パターンは格子状であり、前記ｎ電極は、各前記孔の底面に形成されていてもよい。

【0018】

前記第２保護膜の厚さは３２０ｎｍ以上であってもよい。また、前記第１保護膜の厚さに対する前記第２保護膜の厚さの比は、０．５～２であってもよい。

【0019】

前記ｎ電極は、前記ｎ層上に接して位置し、ＡｌＮ_ｘまたは前記ｎ層よりもＡｌ組成の高いＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ_ｘからなり、厚さが１ｎｍ以上３ｎｍ以下である層と、その層上に接して位置し、Ａｌを主としＶを含む金属からなり、厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である層と、を有していてもよい。

【0020】

発光素子は水の殺菌用または高湿度環境での空気殺菌用であってもよい。

【0021】

（実施形態）
図１は、実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板に垂直な断面図である。また、図２は、実施形態における発光素子の電極について平面パターンを示した図である。実施形態における発光素子は、フリップチップ型の紫外発光素子であり、発光波長はＵＶＣ、たとえば２００～２８０ｎｍである。

【0022】

１．発光素子の構成
図１に示すように、実施形態における発光素子は、基板１０、ｎ層１１、発光層１２、電子ブロック層１３、ｐ層１４、ｐ電極１５、ｎ電極１６、ｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂ、保護膜１８、反射膜１９、ｐパッド電極２０、ｎパッド電極２１、反射防止膜２２を有している。以下、各構成について説明する。

【0023】

基板１０は、ｃ面を主面とするサファイアからなる基板である。サファイア以外にも、発光波長に対して透過率が高く、III族窒化物半導体を成長させることができる材料であれば任意の材料を用いてよい。

【0024】

基板１０の裏面（ｎ層１１側とは反対側の面であり、光取り出し側）には、反射防止膜２２が設けられている。反射防止膜２２を設けることにより、基板１０裏面で紫外線が反射して素子側に戻ってしまうことを抑制し、光取り出しを向上させている。反射防止膜２２は、たとえば厚さが発光波長の１／４のＳｉＯ_２である。

【0025】

ｎ層１１は、基板１０上にバッファ層（図示しない）を介して位置している。ｎ層１１は、ｎ―ＡｌＧａＮからなる。ｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉ濃度が５×１０^１８～５×１０^１９／ｃｍ^３である。ｎ層１１は複数の層で構成されていてもよい。

【0026】

発光層１２は、ｎ層１１上に位置している。発光層１２は、井戸層と障壁層が交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し数はたとえば２～５である。井戸層はＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成は所望の発光波長に応じて設定される。障壁層は、井戸層よりもＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮである。井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＩｎＮでもよい。また、発光層１２はＳＱＷ構造でもよい。

【0027】

電子ブロック層１３は、発光層１２上に位置している。電子ブロック層１３は、発光層１２の障壁層よりもＡｌ組成比の高いｐ－ＡｌＧａＮからなる。電子ブロック層１３によって、ｎ電極１６から注入した電子が発光層１２を超えてｐ層１４側に拡散してしまうのを抑制している。

【0028】

ｐ層１４は、電子ブロック層１３上に位置している。ｐ層１４は、ｐ－ＡｌＧａＮからなる。実施形態における発光素子は、ｎ層１１からｐ層１４まですべての半導体層がＡｌＧａＮであり、これによって半導体層による紫外線の吸収を抑制している。ｐ層１４のＡｌ組成はたとえば５～８０％である。ｐ型不純物はＭｇである。Ｍｇ濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以上である。ｐ層１４はＡｌ組成やＭｇ濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。その場合、ｐ電極１５と接する層がＡｌ組成５～８０％のｐ－ＡｌＧａＮであればよい。また、ｐ層１４は、ＡｌＧａＮに限らず、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体であればよく、ＡｌＧａＩｎＮでもよい。

【0029】

ｐ層１４表面の一部領域には、ｎ層１１に達する深さの孔２３が形成されている。孔２３はドット状であり、複数の孔２３が格子状に配列されて設けられている（図２参照）。孔２３の底面にはｎ層１１が露出している。ｎ層１１を露出させるための孔２３をドット状の配列パターンとすることで、面内の発光の均一さを確保しつつ、孔２３による発光面積（ｐ層１４の面積）の減少をなるべく少なくし、光出力の向上を図っている。

【0030】

各孔２３の平面パターンは、たとえば円である。他に、正六角形などの多角形でもよい。正六角形の場合は孔２３の側面をｍ面とするのがよい。孔２３の配列パターンは、たとえば正方格子状、三角格子状、ハニカム状のパターンである。

【0031】

ｐ電極１５は、ｐ層１４上に設けられている。ｐ電極１５は、ｐ層１４表面のうち、孔２３の設けられていない領域とｐ層１４の端辺近傍を除いて設けられており（図２参照）、これにより発光面積を広く取っている。ｐ電極１５は、発光層１２から放射される紫外線を基板１０側に反射させて光取り出し効率を高める反射電極である。ｐ電極１５の材料は、ｐ層１４に対して低コンタクトであってＵＶＣの反射率の高い材料であり、たとえばＲｈ、Ｒｕである。また、ＮｉやＩＴＯと反射層の積層でもよい。

【0032】

素子上面の面積（孔２３とｐ層１４の面積の合計）に対するｐ電極１５の面積の割合は、７０％以上とする。孔２３およびｐ電極１５の平面パターンはこれを満たすように設定する。たとえば、孔２３の直径や配列数、配列間隔を調整する。Ｒｕからなるｐ電極１５の面積を広く取ることにより、ｐ電極１５による紫外線の反射を増やし、光取り出し効率を向上させることができる。より好ましくは８０％以上である。

【0033】

ｎ電極１６は、各孔２３の底面に露出するｎ層１１上に設けられている。そのため、ｎ電極１６もドット状に配列されたパターンである（図２参照）。ｎ電極１６の材料は、Ｖ／Ａｌ／Ｔｉを熱処理した構造体である。他にもＴｉ／Ａｌ／Ｔｉなどを用いることができる。Ｖ／Ａｌ／Ｔｉを熱処理した構造体は、具体的には、ＡｌＮ_ｘからなる層と、Ａｌを主としＶとＴｉを含む金属からなる層と、Ｔｉからなる層と、を順に積層させた構造である。

【0034】

ＡｌＮ_ｘからなる層は、厚さ１～３ｎｍである。ｘは、たとえば０．４～０．７である。またｘは、厚さ方向にｎ層１１から離れるにつれて減少していてもよい。この場合はｘの厚さ方向の平均が０．４～０．７である。また、ｎ層１１側からのＧａの拡散がある場合もあり、その場合には、ｎ層１１よりもＡｌ組成比が高いＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ_ｘ（０．４≦ｘ≦０．７）である。ｎ層１１のＡｌ組成比がａであれば、ａ＜ｙ≦１である。ｙはたとえば０．７以上である。またこの場合も、ｘは厚さ方向にｎ層１１から離れるにつれて減少していてもよく、ｙは厚さ方向にｎ層１１から離れるにつれて増加していてもよい。

【0035】

Ａｌを主としＶとＴｉを含む金属からなる層は、厚さ５０～５００ｎｍである。Ａｌ、Ｖ、Ｔｉの比率は、たとえばＡｌが５０～８５ｍｏｌ％、Ｖが５～２０ｍｏｌ％、Ｔｉが１０～３０ｍｏｌ％である。

【0036】

上記構造のｎ電極１６では、ｎ層１１に対するコンタクト抵抗が低減されている。たとえば、ｎ層１１に対するｎ電極１６のコンタクト抵抗率は４×１０^―４Ω・ｃｍ^２以下である。その理由は、第１に、ＡｌＮ_ｘからなる層がｎ層１１に対する良好なコンタクト層として機能しているためと考えられる。また、第２に、ｎ層１１表面に窒素空孔が生じ、ｎ型化するためコンタクト抵抗が低下していると考えられる。

【0037】

Ｔｉからなる層は、アロイ時にｎ電極１６中のＡｌが蒸発してしまうのを抑制するカバーとして設けるものである。Ｔｉ以外にもＴｉＮ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどを用いることができる。

【0038】

保護膜１８は、素子上面全体を覆うように設けられている。すなわち、ｐ電極１５およびｎ電極の側面と表面、半導体層の表面と側面、素子分離溝２６の側面、孔２３の内部、に連続して設けられている。

【0039】

保護膜１８は、ＳｉＯ_２からなる第１保護膜１８Ａと、ＳｉＮからなる第２保護膜１８Ｂとが順に積層された構造である。保護膜１８をこのような２層構造とすることで、以下のような利点があり、ＵＶＣの発光素子に適している。

【0040】

第１に、保護膜１８の防湿性を向上させることができる。防湿性が向上する理由は次の通りである。スパッタや蒸着によって製膜したＳｉＯ_２にはピンホールなどの欠陥が存在する。この欠陥を通って水分が浸入し保護膜１８の下部に到達するため、保護膜１８をＳｉＯ_２の単層とした場合は防湿性が低い。

【0041】

一方、ＳｉＮはＳｉＯ_２よりも緻密で欠陥が少ない。そこで、ＳｉＯ_２からなる第１保護膜１８Ａ上にＳｉＮからなる第２保護膜１８Ｂを設けることで、第１保護膜１８Ａと第２保護膜１８Ｂの界面で欠陥を不連続とし、第１保護膜１８Ａ中の欠陥が第２保護膜１８Ｂに引き継がれないようにしている。そのため、第１保護膜１８Ａから第２保護膜１８Ｂまで連続する欠陥が少なくなり、水分が保護膜１８中の欠陥を通ってその保護膜１８の下部に侵入することが防止されている。発光素子を構成するＡｌＧａＮは水分に弱いが、防湿性の高い保護膜１８によって適切に保護することができる。

【0042】

第２に、保護膜１８の放熱性を向上させることができる。ＳｉＯ_２の熱伝導率は１．４Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＳｉＮの熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋであるから、ＳｉＮはＳｉＯ_２に比べて熱伝導率が高い。そのため、保護膜１８をＳｉＯ_２の単層とする場合よりも熱伝導率を向上させることができる。ＵＶＣの発光素子は現状では発光効率が低く、発熱が大きいが、保護膜１８によって効率的に素子外部へ放熱することができる。またその結果、素子の寿命を改善することができる。

【0043】

第３に、保護膜１８の膜応力を緩和することができる。ＳｉＯ_２には面内方向に圧縮応力が発生し、ＳｉＮには面内に引張応力が発生するため、ＳｉＯ_２とＳｉＮの積層とすることで膜応力を打ち消す方向に作用させることができる。その結果、保護膜１８の剥がれや割れを抑制でき、信頼性の向上を図ることができる。

【0044】

第４に、保護膜１８の絶縁性を高めることができる。ＳｉＮはＳｉＯ_２に比べて絶縁抵抗値が高い。そのため、ＳｉＯ_２とＳｉＮの積層とすることで、ＳｉＯ_２の単層とする場合よりも絶縁性を向上させることができる。同じ厚さで比較すれば、ＳｉＮはＳｉＯ_２のおよそ２倍の耐圧である。また、ＳｉＮの厚さを２倍にすると耐圧もおよそ２倍とすることができる。

【0045】

第１保護膜１８Ａと第２保護膜１８Ｂの厚さは、面内方向における応力がなるべく打ち消すようにすることが好ましい。たとえば、第１保護膜１８Ａの応力と第２保護膜１８Ｂの応力との和が、第１保護膜１８Ａの応力に対して－５０～５０％となるようにする。第１保護膜１８Ａ、第２保護膜１８Ｂの膜応力は、厚さ、成膜方法、成膜条件などによるため、それに応じて第１保護膜１８Ａと第２保護膜１８Ｂの厚さを設定する。第１保護膜１８Ａの厚さに対する第２保護膜１８Ｂの厚さの比は、たとえば０．５～２である。また、絶縁性の点から第２保護膜１８Ｂは３２０ｎｍ以上とすることが好ましく、６４０ｎｍ以上とすることがより好ましい。第２保護膜１８Ｂの厚さの上限は特にないが、成膜時間などを考慮して２μｍ以下が好ましい。また、第１保護膜１８Ａの厚さは、絶縁性確保と成膜時間などを考慮すると、３２０～２０００ｎｍとすることが好ましい。

【0046】

ＳｉＮは、成膜条件によってＳｉとＮの組成比を変化させることで屈折率を変化させることができる。たとえば、屈折率を１．２～１．３の間で変化させることができる。発光素子は封止材料によって封止され、第２保護膜１８Ｂは封止材料と接するが、封止材料の屈折率に応じて第２保護膜１８Ｂの屈折率を調整し、封止材料と第１保護膜１８Ａとの間での屈折率のマッチングを取ることで光取り出しを向上させることができる。

【0047】

ｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂは、第１保護膜１８Ａと第２保護膜１８Ｂの間にそれぞれ設けられている。なお、図２ではｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂの図示は省略している。ｐｎ電極１７Ａは、第１保護膜１８Ａに設けられた孔を介してｐ電極１５と接続されている。また、ｐｎ電極１７Ｂは、第１保護膜１８Ａに設けられた孔を介してドット状の各ｎ電極１６と接続されている。ｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂの材料は、たとえばＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌである。

【0048】

第１保護膜１８Ａと第２保護膜１８Ｂの間であってｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂとは離間した領域に、Ａｌからなる反射膜を設けてもよい。反射膜によって基板１０側に光を反射させ、光取り出し効率の向上を図ることができる。また、保護膜１８の放熱性を向上させることができる。反射膜を保護膜１８の中に埋め込んでいるのはマイグレーション防止のためである。

【0049】

反射膜の材料はＡｌに限らず、発光波長における反射率の高い任意の材料でよい。Ａｌを主とする合金でもよい。また、反射膜は、第１保護膜１８Ａと第２保護膜１８Ｂの間ではなく、第１保護膜１８Ａ中や第２保護膜１８Ｂ中に反射膜を設けてもよい。反射膜を複数設ける場合、平面パターンを変えてもよい。

【0050】

なお、実施形態では保護膜１８は第１保護膜１８Ａ、第２保護膜１８Ｂの２層であるが、第２保護膜１８Ｂ上にさらに層を設けてもよい。

【0051】

ｐパッド電極２０およびｎパッド電極２１は、保護膜１８上に離間して設けられている。ｐパッド電極２０は、第２保護膜１８Ｂに開けられた孔を介してｐｎ電極１７Ａと接続されている。また、ｎパッド電極２１は、第２保護膜１８Ｂに開けられた孔を介してｐｎ電極１７Ｂと接続されている。ｐパッド電極２０およびｎパッド電極２１の材料は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／ＡｕＳｎである。

【0052】

以上、実施形態における発光素子では、保護膜１８をＳｉＯ_２からなる第１保護膜１８ＡとＳｉＮからなる第２保護膜１８Ｂの積層構造としており、これにより耐湿性、放熱性、絶縁性を向上させることができ、保護膜１８の膜応力も緩和することができる。

【0053】

実施形態における発光素子は、発光波長がＵＶＣであり、半導体層（ｎ層１１、発光層１２、電子ブロック層１３、ｐ層１４）での紫外線の吸収を防ぐため半導体層のすべてがＡｌＧａＮで構成されていて、最上層であるｐ層１４もＡｌＧａＮである。ＡｌＧａＮは水分に弱いため、素子外部からの水分がＡｌＧａＮ（特に最上層のｐ層１４）に触れないように保護する必要があるが、耐湿性の高い保護膜１８によってＡｌＧａＮを適切に保護することができる。

【0054】

実施形態における発光素子は、上記のように耐湿性に優れているため、水の殺菌用や高湿度環境での空気殺菌用として好適である。

【0055】

２．発光素子の製造工程
実施形態における発光素子の製造工程について、図を参照に説明する。

【0056】

まず、サファイアからなる基板１０を用意する。そして、基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ層１１、発光層１２、電子ブロック層１３、ｐ層１４を順に形成する（図３参照）。

【0057】

次に、ｐ層１４の所定領域をドライエッチングし、ｎ層１１に達する深さの孔２３を複数形成する（図４参照）。

【0058】

次に、ｐ層１４上にスパッタや蒸着によってｐ電極１５を形成する（図５参照）。次に、孔２３の底面に露出するｎ層１１上にスパッタや蒸着によってＶ層、Ａｌ層、Ｔｉ層を順に積層してｎ電極１６を形成する（図６参照）。ｐ電極１５よりも先にｎ電極１６を形成してもよいが、なるべくｐ層１４表面が清浄な状態でｐ電極１５を形成したいため、実施形態ではｐ電極１５を先に形成している。

【0059】

次に、温度５００～６５０℃、１～１０分間の熱処理を行う。雰囲気は、たとえば窒素などの不活性ガス雰囲気である。熱処理は減圧下で行うことが好ましく、たとえば１×１０^２～１×１０^４Ｐａである。熱処理温度は好ましくは５５０～６５０℃である。

【0060】

この熱処理は、ｐ層１４のＭｇ活性化処理とｐ電極１５およびｎ電極１６の低コンタクト抵抗化とを兼ねている。

【0061】

実施形態では、ｎ電極１６としてＶ／Ａｌ／Ｔｉを用いることで熱処理温度を低減し、ｐ層１４のＭｇ活性化処理とｐ電極１５およびｎ電極１６のコンタクト抵抗の低減とを共通化して同時に行うことで熱処理回数を減らしている。熱処理温度の低温化と熱処理回数減少の結果、発光素子の電気特性の劣化を抑制できる。

【0062】

ここで、ｎ電極１６は、上記熱処理によって次のような構造に変化する。ｎ電極１６であるＶ／Ａｌ／ＴｉのうちＶはＡｌ中に拡散していき、ｎ層１１やＴｉには拡散しない。この拡散の結果、Ｖ層は消失する。また、Ｖ／Ａｌ／Ｔｉ中のＡｌは、ｎ層１１中のＮと反応し、ｎ層１１とＡｌ層の界面にはＡｌＮ_ｘが形成される。Ｖは、ＡｌとＮの反応を促進する触媒のような作用をしていると考えられる。この熱処理の結果、ｎ電極１６の構造は、ＡｌＮ_ｘからなる層と、Ａｌを主としＶとＴｉを含む金属からなる層と、Ｔｉからなる層との３層構造に変化する。

【0063】

ｎ電極１６がこのような構造に変化することにより、ｎ層１１に対するｎ電極１６のコンタクト抵抗が低減する。その理由はすでに述べたとおりである。すなわち、第１に、ＡｌＮ_ｘからなる層がｎ層１１に対して良好なコンタクト層として機能していると考えられること、第２に、ＡｌＮ_ｘの形成によりｎ層１１に窒素空孔が生じたことでｎ層１１のｎ型化がより促進したと考えられることである。

【0064】

次に、素子分離溝２６を形成する。素子分離溝２６は基板１０が露出する深さである。次に、素子上面全体を覆うＳｉＯ_２からなる第１保護膜１８Ａを形成する（図７参照）。第１保護膜１８Ａの成膜は蒸着やスパッタである。膜の緻密性からスパッタが好ましい。

【0065】

次に、第１保護膜１８Ａの所定領域に孔を形成し、さらに第１保護膜１８Ａ上の所定領域にｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂを形成して、孔を介してｐｎ電極１７Ａとｐ電極１５、ｐｎ電極１７Ｂとｎ電極１６とを接続する（図８参照）。ｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂの成膜は蒸着やスパッタ、パターニングはリフトオフである。

【0066】

次に、第１保護膜１８Ａ上およびｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂ上に第２保護膜１８Ｂを形成する。第２保護膜１８Ｂの成膜は蒸着やスパッタである。膜の緻密性からスパッタが好ましい。これにより第１保護膜１８Ａ、第２保護膜１８Ｂを順に積層させた保護膜１８を形成する（図９参照）。なお、素子分離溝２６の底面には保護膜１８を形成せず、素子ごとに保護膜１８が分離していることが好ましい。素子ごとに分割する際、保護膜１８に力が加わったり、保護膜１８の応力に変動が生じたりしないようにするためである。

【0067】

次に、保護膜１８の所定領域をドライエッチングしてｐｎ電極１７Ａ、１７Ｂに達する孔を形成する。そして、保護膜１８上にｐパッド電極２０、ｎパッド電極２１をそれぞれ形成し、ｐパッド電極２０は孔を介してｐｎ電極１７Ａと接続し、ｎパッド電極２１は孔を介してｐｎ電極１７Ｂと接続するようにする。ｐパッド電極２０、ｎパッド電極２１のパターンは図２に示す通りである。ｐパッド電極２０、ｎパッド電極２１の成膜は蒸着やスパッタ、パターニングはリフトオフである。次に、基板１０の裏面に反射防止膜２２を形成する。次に基板１０を個々の素子に分割する。以上によって図１に示す実施形態における発光素子が製造される。

【0068】

３．実験結果
実施形態に係る各種実験結果について説明する。

【0069】

（実験１）
ＳｉＯ_２、ＳｉＮをそれぞれ製膜したＳｉ基板を用意し、ＳｉＯ_２、ＳｉＮのウェットエッチングレートを比較した。ＳｉＯ_２はＣＶＤ、スパッタ、熱酸化の３種類の方法で成膜した（それぞれ試料Ｂ１～Ｂ３とする）。また、ＳｉＮはＣＶＤで成膜し、出力を１００Ｗ、１３０Ｗ、１６０Ｗと変えた（試料Ａ１～Ａ３）。また、ＳｉＮをＣＶＤで成膜し、出力１６０Ｗでアンモニアを供給せずに形成した（試料Ａ４）。ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜の厚さは３２０ｎｍとした。

【0070】

図１０は、各試料のウェットエッチングレートを示したグラフである。ウェットエッチングレートの値は、ＳｉＯ_２を熱酸化により形成した試料Ｂ３を１とする相対値とした。図１０のように、ＳｉＮはＳｉＯ_２に比べてウェットエッチングレートが低く、緻密な膜であることが分かった。この結果、ＳｉＮはＳｉＯ_２に比べて耐湿性が高いことが分かった。

【0071】

（実験２）
ＳｉＯ_２膜を形成した試料Ｂ１、Ｂ２およびＳｉＮ膜を形成した試料Ａ１～Ａ４について、膜応力を測定した。図１２は、各試料の膜応力を示したグラフである。図１１のように、ＳｉＯ_２膜には圧縮応力が生じ、ＳｉＮ膜には試料Ａ３を除いて引張応力が生じていた。したがって、ＳｉＯ_２とＳｉＮの積層とすることで応力を打ち消すようにすることができ、応力を緩和させることができることがわかった。

【0072】

（実験３）
ＳｉＮ、ＳｉＯ_２をそれぞれ成膜したＳｉ基板を用意し、Ａｇマイクロペーストを塗布した。そして塗布したＡｇナノペーストに微小な力を加え、Ａｇナノペーストの密着性を調べた。

【0073】

図１２は、Ａｇナノペースト塗布後の基板表面を撮影した写真である。図１２のように、ＳｉＯ_２膜上にＡｇマイクロペーストを塗布した場合は、Ａｇマイクロペーストは剥がれずしっかりと密着していた。ＳｉＯ_２膜中のクラックやピンホールからＡｇマイクロペーストがＳｉＯ_２膜中に浸透し、それがアンカーとなって密着していると考えられる。一方、ＳｉＮ膜上にＡｇマイクロペーストを塗布した場合は、Ａｇマイクロペーストはほとんど密着しておらず、微力で剥がれ落ちた。ＳｉＮにクラックやピンホールが少ないため、ＳｉＮ膜中にＡｇマイクロペーストが浸透しないためと考えられる。この結果、ＳｉＮはＳｉＯ_２に比べて耐湿性、耐溶剤性が高いことが分かった。

【0074】

（実験４）
ＳｉＯ_２をスパッタで成膜した試料Ｂ２、ＳｉＮをＣＶＤで製膜した試料Ａ１、Ａ３～Ａ５を用意し、ＳｉＯ_２またはＳｉＮの表面とＳｉ基板裏面との間に電圧を印加して絶縁抵抗を測定した。試料Ａ５は、Ｓｉ基板上にＣＶＤでＳｉＮを成膜し、出力は１６０Ｗ、厚さは６４０ｎｍとしたものである。

【0075】

図１３は、各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフである。絶縁抵抗値が下がり始める時の印加電圧が耐圧である。図１３のように、試料Ｂ１の耐圧は１２５Ｖであるのに対し、試料Ａ１、Ａ３、Ａ４の耐圧は２５０Ｖであった。この結果、同じ厚さで比較すると、ＳｉＮはスパッタで製膜したＳｉＯ_２に比べて約２倍の耐圧であることが分かった。また、試料Ａ５の耐圧は５００Ｖであった。この結果、ＳｉＮの厚さを２倍にすると耐圧も約２倍となることが分かった。

【0076】

（実験５）
実験４と同様の試料Ｂ２、Ａ１、Ａ３～Ａ５を用意し、それぞれの試料のＳｉＯ_２膜上またはＳｉＮ膜上にＡｇナノペーストを塗布し、ＡｇナノペーストとＳｉ基板裏面の間に電圧を印加して絶縁抵抗を測定した。同様にして、ＳｉＯ_２膜またはＳｉＮ膜上にＡｇ膜、Ｔｉ膜をスパッタで形成した場合も絶縁抵抗を測定した。

【0077】

図１４は、Ａｇナノペーストを塗布した各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフである。図１４のように、印加電圧３００～４００Ｖ付近において、試料Ａ３～Ａ５は試料Ｂ１に比べて絶縁抵抗が高かった。

【0078】

図１５は、Ａｇ膜を成膜した各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフである。図１５のように、印加電圧３００～４００Ｖ付近において、試料Ａ１、Ａ３～Ａ５は試料Ｂ２に比べて絶縁抵抗が高かった。また、試料Ａ５はＡ１、Ａ３、Ａ４よりも絶縁抵抗が高く、ＳｉＮが厚くなるほど絶縁抵抗が高くなることが分かった。

【0079】

図１６は、Ｔｉ膜を成膜した各試料について印加電圧と絶縁抵抗値の関係を示したグラフである。図１６のように、図１６と同様の傾向であることが分かった。つまり、印加電圧３００～４００Ｖ付近において、試料Ａ１、Ａ３～Ａ５は試料Ｂ２に比べて絶縁抵抗が高かった。また、試料Ａ５はＡ１、Ａ３、Ａ４よりも絶縁抵抗が高く、ＳｉＮが厚くなるほど絶縁抵抗が高くなることが分かった。

【0080】

図１４～１６から、ＣＶＤで製膜したＳｉＮはスパッタで製膜したＳｉＯ_２に比べて絶縁抵抗が高く、ＳｉＮが厚いほど絶縁抵抗が高くなることが分かった。図１４～１６の結果、ＳｉＮを厚くすることが電流リークの防止の観点から好ましいことが分かり、ＳｉＮの厚さは好ましくは３２０ｎｍ以上、より好ましくは６４０ｎｍ以上であることが分かった。

【符号の説明】

【0081】

１０：基板
１１：ｎ層
１２：発光層
１３：電子ブロック層
１４：ｐ層
１５：ｐ電極
１６：ｎ電極
１７Ａ、１７Ｂ：ｐｎ電極
１８：保護膜
１８Ａ：第１保護膜
１８Ｂ：第２保護膜
１９：反射膜
２０：ｐパッド電極
２１：ｎパッド電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】