(57)【要約】【課題】  光取り出し効率を改善し、フリップチップ実装した際にアンダーフィル剤の劣化を抑制することができる紫外発光素子を提供する。【解決手段】該基板上に、ｎ型III族窒化物半導体層、発光層、ｐ型III族窒化物半導体層とを有する積層半導体層を備え、該ｐ型III族窒化物半導体層上に透光性正電極が形成され、ｎ型III族窒化物半導体層上に負電極が形成されてなる、発光波長が３００ｎｍ以下の紫外発光素子において、該透光性正電極の上面露出部と該負電極の上面露出部を除いた、正・負電極が形成された側の積層半導体層の側面を含む表面に透光性絶縁層を有し、かつ該透光性絶縁層上、及び該透光性正電極の上面露出部上に金属反射層を有する紫外発光素子。【選択図】  図２
2014096539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板、及び
該透光性基板上に形成されたｎ型III族窒化物半導体層と、該ｎ型III族窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型III族窒化物半導体層とを有する積層半導体層を備え、
該ｐ型III族窒化物半導体層上に透光性正電極が形成され、
該ｎ型III族窒化物半導体層、発光層、及びｐ型III族窒化物半導体層の一部を除去して露出させたｎ型III族窒化物半導体層上に負電極が形成されてなる、発光波長が３００ｎｍ以下の紫外発光素子において、
該負電極を形成した面から該透光性正電極が形成された側の積層半導体層の表面であって、該透光性正電極の上面露出部と該負電極の上面露出部を除いた積層半導体層の表面に透光性絶縁層を有し、かつ該透光性絶縁層上、及び該透光性正電極の上面露出部上に金属反射層を有することを特徴とする紫外発光素子。
【請求項２】
波長２６５ｎｍの光に対する前記透光性絶縁層の屈折率が、波長２６５ｎｍの光に対する前記ｎ型III族窒化物半導体層の屈折率よりも低く、
波長２６５ｎｍの光に対する前記透光性絶縁層の透過率が７０％以上であり、
波長２６５ｎｍの光に対する前記透光性正電極の透過率が６０％以上であり、
波長２６５ｎｍの光に対する前記金属反射層の反射率が７０％以上であり、
波長２６５ｎｍの光に対する前記ｐ型III窒化物半導体層の透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項３】
前記透光性絶縁層が、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のフッ化物、二酸化ケイ素、及び酸化アルミニウムから選ばれる材料よりなることを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項４】
前記透光性正電極が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＰｄから選ばれる金属よりなる層、または前記金属の酸化物よりなる層を有し、
該透光性正電極の膜厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
実装用基材、および請求項１に記載の紫外発光素子を備え、実装用基材の上面に該紫外発光素子がフリップチップ実装され、実装用基材と紫外発光素子との間の空隙に樹脂を充填してなることを特徴とする発光構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップ実装して用いるのに適した新規な紫外発光素子と、及びフリップチップ実装された該紫外発光素子を含む新規な発光構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体からなる発光素子は、可視領域から深紫外領域の光を放出することができ、照明、検査測定、紫外線硬化、殺菌、など様々な応用がなされている。これら発光素子を有する発光構造体には、高出力かつ高信頼性が強く望まれ、素子の大型化（または高集積化）と大きな投入電力（発熱）に対する耐性の確保とが必要である。
【０００３】
ＬＥＤの高出力化（または高集積化）、高効率化のために有効な構造として、フリップチップ構造がある。この構造では、透光性基板上に所定の半導体層を成長させ、基板と反対側に電流注入用の正電極、負電極を形成し、基板側を光取出し面として使用する。フリップチップ構造のＬＥＤでは、発光部からの光が遮られることなく透光性基板から出射されるので、高い光取出し効率を実現できる。また、ＬＥＤチップ背面から実装用基材側に熱を伝えやすく、配線長を短く出来るので、高出力化および高集積化に最適である。
【０００４】
これらの観点からフリップチップ実装は一般に広く用いられており、より高い光取出し効率（光出力）を実現するため、様々な検討がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
特許文献１には、具体的には次の発光素子が提案されている。その構造は、透光性支持基板の上に、ｎ型III族窒化物半導体層、発光層、ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に形成してなる積層半導体層を有する。そして、負電極と正電極とが透光性支持基板に対して積層半導体層側に形成される。さらに、積層半導体層の最上層であるｐ型III族窒化物半導体層上に、IＴＯ（酸化インジウム錫）からなる透光性正電極、およびこの透光性正電極上に形成されたＡｇ（銀）、Ａｌ、Ｒｈ（ロジウム）などからなる金属反射層を有するものである。この発光素子は、光を支持基板側から取り出すフリップチップ型の発光構造体として使用される。
【０００６】
このような発光素子（発光構造体）によれば、発光層から放出され正電極方向に向かう光の一部は、IＴＯからなる透光性正電極を透過し金属反射層により反射され、透光性支持基板側から取り出されるので、光出力が向上する。
【０００７】
また、特許文献２には、具体的には次の発光素子が提案されている。その構造は、透光性の支持基板上に、ｎ型III族窒化物半導体層、発光層、ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に形成してなる積層半導体層を有する。そして、負電極と正電極とが透光性基板に対して積層半導体層側に形成される。さらに、正電極および負電極表面の上面露出部を除き半導体層表面を被覆した保護膜を有するものである。この発光素子において、保護膜は、絶縁性被膜からなる第１層と、第１層上の金属反射層と、金属層上の絶縁性被膜からなる第２層の、少なくとも３層構造からなる。この発光素子も、光を支持基板側から取り出すフリップチップ型の構造体として使用される。
【０００８】
このような発光素子（発光構造体）によれば、発光層から放出され、積層半導体層の側面に向かう光の一部が保護膜の第一層を透過し、金属反射層により反射され、透光性支持基板側から取り出されるので、光出力が向上する。
【０００９】
以上のような構造の発光素子が種々提案されているが、近年、窒化アルミニウムガリウム（以下、ＡｌＧａＮ）系半導体材料を用いた、紫外光を放出する半導体発光素子（紫外発光素子）が盛んに開発されている。これらの紫外発光素子は、発光波長が３００ｎｍ以下であり、水銀ランプに代わる低消費電力で長寿命の紫外光源として注目を集めており、やはり、高出力で信頼性の高い発光素子・装置が求められている。
【００１０】
そして、この紫外発光素子は、上記理由に加え、以下の点からフリップチップ型の構造とすることが有利であると考えられる。ＡｌＧａＮ系発光素子では、ｐ型III族半導体層と正電極層のコンタクト性を良好にするために、ｐ型コンタクト層としてｐ型窒化ガリウム（以下、ＧａＮ）層を用いる。ＧａＮはバンドギャップエネルギーが３．４ｅＶであり、光の波長３６５ｎｍに吸収端を持つ材料である。従って、紫外光をほぼ吸収する。そのため、紫外発光素子において、光の進行経路にＧａＮ層が存在すると、吸収により発光出力が低下する。このような理由から、紫外発光素子では正電極、負電極を一方向に配置し、支持基板側から光を取り出すフリップチップ構造が有利となると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１７９３４７号公報
【特許文献２】特開２００４−０８００５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そのため、本発明者等は、紫外発光素子を用いて、特許文献１、２に記載の発光構造体を作製したところ、以下の点で改善の余地があることが分かった。
【００１３】
特許文献１に記載に記載された発光素子を紫外発光素子にしたところ、金属反射層はｐ型III族窒化物半導体層の一部表面しか覆っておらず、金属反射層で覆われていない積層半導体層の側面に向かう光（紫外光）の一部は、そのまま外部へと放出される。フリップチップ型の発光素子では、実装後に補強のために実装用基材と発光素子間の空隙に樹脂からなるアンダーフィル剤を充填する。そのため、特許文献１に記載の構造では、積層半導体層の側面に向かう紫外光の一部はそのまま外部へと放出されて、アンダーフィル剤に吸収されるため、光取り出しに寄与しない。それだけでなく、前記アンダーフィル剤が紫外光を吸収することにより、前記アンダーフィル剤が劣化する問題が生じた。
【００１４】
また、特許文献２に記載の構造は、積層半導体層表面を保護膜で覆っている構造であるが、正電極の上面露出部は保護膜で覆われていない。さらに、該特許文献２には、正電極として白金を用いることしか記載されていない。この発光構造を紫外発光素子に適用した場合、正電極の膜厚を７００ｎｍとしているため電極を光が透過しない点、上面露出部が保護膜で覆われていないという点、正電極として紫外光に対する反射率が低い白金を用いているという点等から、発光層から放出され正電極に向かう光の多くは正電極に吸収され光取出しに寄与しないという問題があった。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、発光層から放出され、光取り出し方向とは逆の方向である正電極側に向かう光（紫外光）を効率的に反射させる構造を備えた、光取り出し効率の改善された高発光出力の発光素子を提供することにある。さらに、フリップチップ実装後、実装用基材との空隙に樹脂製のアンダーフィル剤を充填した場合においても、樹脂に紫外光が吸収されず、かつ樹脂の劣化を抑制することができる、高信頼性の発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。その結果、紫外発光素子を以下の構造とすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
すなわち、第一の本発明は、透光性基板、及び
該透光性基板上に形成されたｎ型III族窒化物半導体層と、該ｎ型III族窒化物半導体層層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型III族窒化物半導体層とを有する積層半導体層を備え、
該ｐ型III族窒化物半導体層上に透光性正電極が形成され、
該ｎ型III族窒化物半導体層、発光層、及びｐ型III族窒化物半導体層の一部を除去して露出させたｎ型III族窒化物半導体層上に負電極が形成されてなる、発光波長が３００ｎｍ以下の紫外発光素子において、
該負電極を形成した面から該正電極が形成された側の積層半導体層の表面であって、該透光性正電極の上面露出部と該負電極の上面露出部を除いた積層半導体層の表面に透光性絶縁層を有し、かつ該透光性絶縁層上、及び該透光性正電極の上面露出部上に金属反射層を有するとする紫外発光素子である。
【００１８】
また、第二の本発明は、実装用基材、および前記紫外発光素子を備え、実装用基材の上面に該紫外発光素子がフリップチップ実装され、実装用基材と紫外発光素子との間の空隙に樹脂を充填してなる発光構造体である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の紫外発光素子は、正電極の上面露出部だけに金属反射層が形成されるのではなく、負電極が形成された面から正電極側の積層半導体層の表面であって、正電極、及び負電極の上面露出部を除く全ての領域において透光性絶縁層が形成され、前記透光性絶縁層上に金属反射層が形成される。このような構造により発光層から放出された、透光性正電極方向に向かう紫外光は、金属反射層により内部に反射し、基板側から取り出す事が可能となり、公知の技術よりも光取出し効率を高めることが可能となる。
【００２０】
また、透光性絶縁層の屈折率を調整することにより、前記積層半導体層から透光性絶縁層に向かう紫外光の一部は前記積層半導体層、および透光性絶縁層界面で全反射するため、基板側へ向かう紫外光が増大する。このように、正電極、負電極側を金属反射層、透光性絶縁層で覆うことで、光の外部への漏れを抑制することができ、高発光出力が得られる。また、前記構造では、紫外光が電極側の外部に漏れることがないため、フリップチップ実装後に基材とチップとの間に樹脂製のアンダーフィル剤を充填しても、該アンダーフィル剤の劣化を防止できる。その結果、紫外発光素子を備えた発光構造体の放熱性、機械的強度を向上させることが可能となり、長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例１における形態の発光構造体を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施例１における形態の発光素子を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施例中の基準発光素子を示す縦断面図である。
【図４】本発明の比較例１における形態の発光素子を示す縦断面図である。
【図５】本発明の比較例２における形態の発光素子を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する発光素子は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。特に、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。さらに、以下に記載されている各実施の形態についても同様に、特に排除する記載が無い限りは各構成等を適宜組み合わせて適用できる。
【００２３】
本発明の発光素子は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を放出するものである。本発明は、発光波長が３００ｎｍ以下の紫外発光素子であるため、優れた効果を発揮する。つまり、紫外光は樹脂のような有機高分子材料を変質・劣化させるが、本発明の発光構造体によれば、光の取出し効率を改善しながら、かつ、アンダーフィル剤の主な成分である樹脂に紫外光があたることを防止でき、その劣化を抑制できる。そのため、本発明は、発光波長が３００ｎｍ以下である発光素子に好適に適用できる。なお、発光波長の下限値は、特に制限されるものではないが、１００ｎｍであり、特に、窒化ガリウムアルミニウム系の材料を使用する場合には２００ｎｍである。
【００２４】
なお、本発明において、紫外発光素子を形成する各層、膜、および透光性正電極の屈折率、透過率、および反射率は、波長２６５ｎｍを基準とした。これはＤＮＡが波長２６５ｎｍ付近で極大吸収を持ち、この波長が殺菌に最も適しており、産業上の利用価値が高いという理由からである。以下、単に、屈折率、透過率、および反射率とした場合には、波長２６５ｎｍの光に対する値を指すものとする。
【００２５】
次に、本発明の紫外発光素子の各層、膜について説明する。
【００２６】
＜透光性基板＞
本発明で使用する基板としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長でき、紫外光を透過する基板であれば特に限定されるものではない。例えば、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）などが挙げられるが、中でもｃ面を主面とするＡｌＮ単結晶基板を用いることが望ましい。
【００２７】
また、該透光性基板は、波長２６５ｎｍの光を透過する透光性の基板である。そのため、波長２６５ｎｍの光に対する透光性基板の透過率は、高ければ高いほど好ましいが、５０％以上であることが好ましく、さらに、６０％以上であることが好ましい。なお該透光性基板の透過率の上限は、１００％であることが最も好ましいが、工業的な生産を考慮すると８０％が上限である。なお、該透光性基板の透光性は、材質、基板の厚み、結晶性、不純物含有量によって調整することができる。
【００２８】
また、この透光性基板の厚みは、特に制限されるものではないが、透光性基板の厚みは、３０〜１５０μｍであり、好適には５０〜１００μｍである。透光性基板の厚みが３０〜１５０μｍであることにより、透過率化向上し、かつ生産性を向上できる。なお、この透光性基板の厚みは、積層半導体層を成長させる前の厚みが前記範囲を満足してもよい。また、紫外発光素子を製造した後、最後に研磨することにより、前記範囲の厚みを満足するようにしてもよい。この透光性基板は、図２における透光性基板１である。以下、図２を使って説明する。
【００２９】
＜積層半導体層＞
積層半導体層（図２における積層半導体７）は、III族窒化物半導体からなるものであり、図２に示すように透光性基板１上に形成され、ｎ型III族窒化物半導体層２、発光層３、ならびに、ｐ型III族窒化物半導体層６（ｐ型クラッド層４、およびｐ型コンタクト層５からなる層）がこの順で積層されてなるものである。各層について説明する。
【００３０】
＜ｎ型III族窒化物半導体層＞
ｎ型III族窒化物半導体層２は、ＡｌｘIｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０．０５＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．９５、０≦ｚ＜０．９５を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される半導体層であり、ｎ型不純物を含むことが好ましい。
【００３１】
不純物としては特に限定されるものではないが、ＳI、Ｇｅ、Ｓｎなどが挙げられ、好ましくはＳI、Ｇｅが挙げられる。ｎ型不純物の濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３以上１．０×１０２０／ｃｍ３以下、結晶性、コンタクト特性の両観点から、好ましくは、１．０×１０１８／ｃｍ３以上１．０×１０１９ｃｍ３以下である。このようなｎ型III族窒化物半導体層２は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。
【００３２】
ｎ型III族窒化物半導体層２の屈折率は、特に制限されるものではないが、下記に詳述する透光性絶縁層Ｉｎｓの屈折率よりも高いことが好ましい。ｎ型III族窒化物半導体層２の屈折率と透光性絶縁層Ｉｎｓの屈折率との差は、特に制限されるものではないが、０．５〜２．０とすることが好ましい。なお、該屈折率の絶対値は、特に制限されるものではないが、１．５〜３．０である。この屈折率は、ｎ型III族窒化物半導体層２の組成等により調整すればよい。
【００３３】
また、ｎ型III族窒化物半導体層２の膜厚は１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である。結晶性、ｎ型III族窒化物半導体層２の導電性の両観点から、好ましくは５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
【００３４】
なお、図２には図示していないが、基板１とこのｎ型III族窒化物半導体層２との間には、ＡｌＮ、またはｎ型III族窒化物半導体層２を形成するIII族窒化物と同組成のバッファ層を有していてもよい。
【００３５】
＜発光層＞
発光層３は、多重量子井戸構造を有している。ＡｌｘIｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０．０５＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．９５、０≦ｚ＜０．９５を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘIｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０．０５＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．９５、０≦ｚ＜０．９５を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される障壁層の積層構造からなる。
【００３６】
井戸層の膜厚は１ｎｍ以上であり、好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は１００ｎｍ。
【００３７】
障壁層の膜厚は１ｎｍ以上であり、好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は１μｍである。発光層は、多重量子井戸構造であっても単一量子井戸構造であってもよい。
このような発光層３は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。
【００３８】
＜ｐ型III族窒化物半導体層＞
ｐ型III族窒化物半導体層６は、ｐ型クラッド層４、ｐ型コンタクト層５から構成される。
【００３９】
ｐ型クラッド層４は、ＡｌｘIｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０．０５＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．９５、０≦ｚ＜０．９５を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される。
【００４０】
ｐ型クラッド層４の不純物としては、Ｍｇが好適に挙げられる。Ｍｇのドーピング濃度は１．０×１０１７ｃｍ−３以上、好ましく１．０×１０１７ｃｍ−３以上である。ｐ型クラッド層４の膜厚は、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００４１】
ｐ型コンタクト層５は、ＡｌｘIｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される。ｐ型コンタクト層５の不純物としては、ｐ型クラッド層４と同様Ｍｇが好適に挙げられる。Ｍｇのドーピング濃度は１．０×１０１７ｃｍ−３以上。ｐ型コンタクト層５の膜厚は、紫外光の透過性とｐ型のコンタクト特性の観点から１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
【００４２】
ｐ型コンタクト層５の組成はコンタクト特性の観点からいえば、ＧａＮとする事が望ましく、以下ｐ型コンタクト層５をＧａＮ層とした場合について説明する。ＧａＮ層は、波長３６５ｎｍに吸収端を持つため、ＧａＮ層の膜厚が大きいとき、波長２６５ｎｍの光をほとんど透過しない。膜厚と透過率の関係は、Ｔを透過率、αを吸収係数（ｃｍ−３）、ｔを膜厚（ｃｍ）としたとき、Ｔ＝ｅｘｐ（−αｔ）で表され、薄膜ほど高透過率が得られる。ＧａＮでは、２６５ｎｍにおいてα＝１．８×１０５（ｃｍ−１）である。しかしながら、ＧａＮ層の膜厚が小さすぎると十分に電流が拡がらず、発光素子の電気特性が悪化してしまう虞がある。
【００４３】
ｐ型III族窒化物半導体層６は、光取出し効率を向上させるためには、波長２６５ｎｍの光に対する前記ｐ型III族窒化物半導体層６の透過率が５０％以上となることが好ましい。より好ましくは、透過率が６０％以上である。なお、透過率の上限は特に制限されるものではないが、生産の安定性を考慮すると、９５％である。
【００４４】
ｐ型III族窒化物半導体層６としての透過率は、殆どがｐ−ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層５）によって決定される。そのため、ｐ−ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層５）の厚みは、１ｎｍ以上３９ｎｍ以下であることが好ましく、さらに１ｎｍ以上２９ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
このようなｐ型III族窒化物半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。
【００４６】
＜負電極＞
負電極Ｐ１は、ｎ型III族窒化物半導体層２の露出面に形成される。前記ｎ型III族窒化物半導体層２の露出面はエッチング等の手段で形成される。エッチングの手法としては、好適には反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング等のドライエッチングが挙げられる。前記ｎ型III族半導体層２の露出面を形成後、エッチングのダメージを除去するため、酸またはアルカリの溶液で表面処理を施すことが好ましい。その後、前記ｎ型III族窒化物半導体層２の露出面にオーミック性を有する負電極を形成する。
【００４７】
電極のパターンニングは、リフトオフ法を用いて実施することができる。リフトオフ法は、電極を形成する面にフォトレジストを塗布した後、フォトマスクを備えたＵＶ露光機で紫外線を照射し、その後、現像液に浸漬させて感光したフォトレジストを溶解させて所望のパターンを形成し、パターニングされたフォトレジスト上に電極金属を堆積させ、剥離液でフォトレジストを溶解し、電極金属のパターンを形成するパターニング手法である。その他のパターンニング手法として、以下の手法が挙げられる。電極形成面に電極金属膜を形成し、フォトレジストを塗布後、露光、現像工程を経てフォトレジストをパターニングする。その後、フォトレジストをマスクとしてドライエッチング、またはウェットエッチングで電極金属をパターニングし、剥離液でフォトレジストを溶解する。リフトオフ法は、前記パターニング手法と比較して工程が簡略であるため好適に用いられる。
【００４８】
負電極金属を堆積する手法は、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられるが、電極金属中の不純物を排除するため真空蒸着が好ましい。負電極に用いられる材料は、様々挙げられるが公知の材料から選択することができる。たとえば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｉ、及びＰｔ、Ａｕなどを用いる事ができる。中でも、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕを使用することが好ましい。これら負電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む層を有する単層、又は多層構造であってもよく、オーミック性および反射率の観点から好ましい組み合わせは、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕである。
【００４９】
厚みは、特に制限されるものではないが、生産の安定性を考えると２ｎｍ以上が好ましく、上限は２ｕｍである。負電極金属を堆積後、ｎ型半導体層とのコンタクト性向上のため、３００℃〜１１００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施すことが好ましい。熱処理の温度、時間については、負電極の金属種、膜厚に応じて適宜最適な条件で実施すればよい。
【００５０】
＜透光性正電極＞
透光性正電極Ｐ２ａは、ｐ型コンタクト層５上に形成される。この正電極Ｐ２ａは、波長２６５ｎｍの光に対して透過性がなくてはならない。具体的には、２６５ｎｍの光に対して透過率６０％以上、好適には７０％以上である。特に制限されるものではないが、上限は１００％であることが好ましく、工業的には９０％以上であることが好ましい。
【００５１】
正電極Ｐ２ａのパターニングは、負電極Ｐ１のパターニング同様、リフトオフ法を用いることが好ましい。正電極に用いられる金属材料は、様々挙げられるが公知の材料から選択することができる。たとえば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＰｄ等を用いる事が出来る。また、透光性正電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む層を有する単層、又は多層構造であってもよい、好ましい組み合わせは、Ｎｉ／Ａｕである。
【００５２】
正電極Ｐ２ａは透光性を有さなければならないため、膜厚は小さいほど好ましい。具体的には１０ｎｍ以下、さらに好適には５ｎｍ以下であり、下限は０．５ｎｍである。
【００５３】
正電極Ｐ２ａの金属を堆積する方法は、負電極Ｐ１の形成と同様、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられるが、電極金属中の不純物を排除するため真空蒸着が好ましい。正電極金属を堆積後、ｐ型コンタクト層５とのコンタクト性向上のため、２００℃〜８００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施すことが好ましい。熱処理の温度、時間については、正電極Ｐ２ａの金属種、膜厚に応じて適宜好適な条件で実施すればよい。
【００５４】
＜透光性絶縁層＞
図２に示すように、  透光性絶縁層Iｎｓは、負電極Ｐ１を形成した面から透光性正電極Ｐ２ａが形成された側の積層半導体層７の表面であって、透光性正電極Ｐ２ａの上面露出部と負電極Ｐ１の上面露出部を除いた積層半導体層７の表面に、少なくとも形成される。つまり、図２に示した通り、ｎ型半導体層２の上面、ｐ型コンタクト層５の上面、ｐ型半導体層６の側面、発光層３の側面、負電極Ｐ１を形成した面から透光性正電極Ｐ２ａが形成された側のｎ型半導体層２の側面に、透光性絶縁層Iｎｓは少なくとも形成される（ただし、透光性正電極Ｐ２ａの上面露出部と負電極Ｐ１の上面露出部は除く）。そのため、図示はしていないが、透光性絶縁層は、ｎ型III族窒化物半導体層の透光性基板側の側面、および／または透光性基板の側面に形成されてもよい。
【００５５】
透光性絶縁層Ｉｎｓは、波長２６５ｎｍの光を透過する必要があるが、その透過率は、７０％以上であることが好ましい。透過率の上限値は１００％である。この透過率は、透光性絶縁層Ｉｎｓの材質、厚みで調整できる。
【００５６】
透光性絶縁層Ｉｎｓのパターニングは、負電極Ｐ１、透光性正電極Ｐ２ａのパターニングと同様、リフトオフ法で実施することが好ましい。
【００５７】
透光性絶縁層Ｉｎｓの材料は、紫外光（波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍ）に対して透光性を有する材料であれば、特に制限されるものではない。具体的には、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のフッ化物、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、及び酸化アルミニウムが挙げられる。その中でも、紫外域における屈折率が小さいという理由から、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のフッ化物を使用することが好ましく、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）を使用することが特に好ましい。
【００５８】
前記透光性絶縁層Ｉｎｓを堆積する方法は、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられるが、堆積する材料に応じて適宜好適な方法を用いるとよい。
【００５９】
前記透光性絶縁層Ｉｎｓの膜厚は、３０ｎｍ〜５００ｎｍであり、好適には５０ｎｍ〜２００ｎｍである。膜厚が３０〜５００ｎｍであることにより、段差部分でのカバレッジの悪化を防ぎ、紫外光の透過率を高くすることができる。
【００６０】
透光性絶縁層Ｉｎｓの屈折率は、前記ｎ型III族窒化物半導体層２の屈折率よりも低くなることが好ましい。透光性絶縁層Ｉｎｓの屈折率がｎ型III族窒化物半導体層２の屈折率よりも低くなることにより、ｎ型III族窒化物半導体層２から透光性絶縁層Iｎｓに向かう光の全反射が起こり得る。この屈折率の差は、前記の通り、０．５〜２．０であることが好ましい。なお、透光性絶縁Ｉｎｓ膜の屈折率の絶対値は、特に制限されるものではないが、１．７以下であることが好ましく、特に、１．５以下であることが好ましい。この屈折率は、透光性絶縁層Ｉｎｓの材質により調整できる。
【００６１】
＜金属反射層＞
金属反射層Ｒは、図２に示すように負電極の上面露出部を除く、透光性絶縁層Ｉｎｓの表面を全て覆うように配置する。ただし、負電極Ｐ１の上面露出部に接触しないように配置する必要がある。
【００６２】
この金属反射層Ｒは、透光性正電極Ｐ２ａのボンディング電極を兼ねている。金属反射層Ｒのパターニングは、負電極Ｐ１、透光性正電極Ｐ２ａ、透光性絶縁層Iｎｓのパターニングと同様、リフトオフ法で実施することが好ましい。
【００６３】
金属反射層には、紫外光の反射率が高い材料を用いることが望ましく、Ａｌ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃｒ等が挙げられ、中でも紫外光波長域で最も反射率が高いＡｌを用いることがより好ましい。また、密着性を高めるためにＴIやＶなどの活性金属を一層目に用いて多層膜としてもよい。
【００６４】
金属反射層Ｒの堆積方法は、負電極Ｐ１、透光性正電極Ｐ２ａ、透光性絶縁層Iｎｓと同様に真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法などが挙げられるが、堆積する材料に応じて適宜好適な方法を用いるとよい。
【００６５】
前記金属反射層Ｒの膜厚は、１００〜５００ｎｍであり、好適には２００ｎｍ〜４００ｎｍである。金属反射層Ｒの膜厚が１００〜５００ｎｍであることにより、光の透過を防止して反射率を高めることができ、かつ生産性を改善することができる。
【００６６】
金属反射層Ｒの反射率は、波長２６５ｎｍの光の波長に対する反射率が７０％以上であることが好ましい。反射率の上限値は、特に制限されるものではないが、１００％であり、特に工業的な生産を考慮すると９５％である。
【００６７】
＜発光素子の加工について＞
前記の構成の紫外発光素子を製造した後、基板１の下面を研削または研磨することにより、基板１の厚みを薄くして透過率を向上させることもできる。その後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断など、公知の素子分離方法を適宜用いて、素子分離を行う。
【００６８】
以上のような方法により製造された発光素子は、実装用基材にフリップチップ実装することにより使用する。次に実装用基材について説明する。
【００６９】
＜実装用基材＞
実装用基材Ｍは図１に示すように紫外発光素子の電極を有する面と対向して配置される。紫外発光素子の透光性正電極Ｐ２ａ及び負電極Ｐ１は、それぞれ実装用基材Ｍの正電極Ｅ１と負電極Ｅ２と、電気的に独立したはんだＢを介して電気的に接続される。実装用基材Ｍは、放熱の観点から、ＡｌＮ、ＳｉＣ、等の高熱伝導性材料からなるものが好ましい。
【００７０】
実装用基材Ｍと紫外発光素子の接合には、各種アライナーを用いる事が出来、一般的なリフロープロセスが適している。紫外発光素子には、はんだとの親和性の高いＡｕを最表面としたオーバーコート層を設ける事が好ましい。
【００７１】
＜アンダーフィル剤＞
アンダーフィル剤Ｕは、図１に示すように紫外発光素子と実装用基板Ｍとの空隙に充填される。一般的にはエポキシ樹脂とフィラーからなるものが用いられる。エポキシ樹脂の代替として、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等からなるものを用いてもよい。充填には、毛細管現象を利用するサイドフィル法が適している。滴下にはディスペンサーおよびニードル、またはマイクロピペット等を適宜用いるとよい。滴下量はチップサイズにより異なるが、アンダーフィル剤Ｕが紫外発光素子の側面を被覆した場合、アンダーフィル剤Ｕの紫外光吸収によって、光出力の低下が予想されるため、紫外発光素子と実装用基材Ｍの空隙を充填するに最低限必要な量とすることが望ましい。ボイドの発生や不充填領域の形成を防止するため、硬化前における粘度が小さいものが好ましく、具体的には１０Ｐａ・ｓ以下、好適には５Ｐａ・ｓ以下である。実装用基材Ｍ、紫外発光素子、およびアンダーフィル剤Ｕの熱膨張率差によって生じる応力による剥離を防ぐため、低熱膨張のものが好ましく、線膨張係数３０ｐｐｍ／℃以下（ガラス転移温度以下において）のものが好適である。一般にガラス転移温度以上では線膨張係数が増大することから、ガラス転移温度が高いものが好ましい。弾性率については１０ＧＰａ以下のものが一般的であるが、低いものほど適している。また発光素子から実装用基材Ｍへの熱移動を促進するため、高熱伝導率を有するものが好ましく、ＡｌＮ、ＭｇＯ、アルミナ、シリカ等の絶縁性フィラーを含有しているものが好適である。
【００７２】
次に、より具体的な実施態様について説明する。先ず、本発明の効果を明らかにするため、参考となる参考発光構造体を以下のように作製した。
【００７３】
（参考発光構造体（I））
金属反射層Ｒを有さない図５に示す参考発光素子（I）（ｐ−ＧａＮ層膜厚（ｐ型コンタクト層膜厚）２３ｎｍ、透過率６６．１％：（ｐ型III族半導体層の透過率））を作製した。また、この参考発光素子（I）は、正電極ＰとしてＮｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／５０ｎｍ）層を形成し、負電極としてＴｉ／Ａｌ／Ａｕ（２０ｎｍ／２００ｎｍ／５ｎｍ）層を形成したものである。また、参考発光素子（I）のｎ型半導体窒化物層は、屈折率が２．４であった。この参考発光素子（I）を実装用基材に接合し、樹脂（アンダーフィル剤）の充填を行わなかった場合の参考発光構造体（I）を作製した。この参考発光構造体（I）の光出力を積分球により測定した。以下、この参考発光構造体（I）の光出力の値が基準となるように、該光出力の値を１．０００とした。この参考発光構造体（I）は、アンダーフィル剤を使用していないため、実用的なものではない。
【００７４】
（参考発光構造体（II））
次に、参考発光構造体（I）の作製において、アンダーフィル剤を充填した以外は、同様の操作を行い参考発光構造体（II）の作製を行った。このアンダーフィル剤としては、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂及びビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂とを含む樹脂成分、二酸化ケイ素及びカーボンブラック等のフィラー成分（約５０質量％）、並びに微量の添加剤を含むものを使用した（このアンダーフィル剤の粘度は１０Ｐａ・ｓ、ガラス転移点は１３５℃であった。）。アンダーフィル剤を充填した参考発光構造体（II）では、光出力は０．４００（相対値：参考発光構造体（I）の光出力に対する相対値）となった。
【００７５】
（参考光構造体（II）の検証）
参考発光構造体（II）の光出力は、参考発光構造体（I）の光出力の４０％に減少した。光出力が減少したのは、紫外光発光素子の側面を覆ったアンダーフィル剤が光を吸収したためである。このことから、発光層から放出された光のうち、負電極を形成した面から正電極が形成された側の積層半導体層の表面を通過する光の割合が６０％であることを示している。また、参考発光構造体（II）において、正電極（Ｎｉ／Ａｕ：２０ｎｍ／５０ｎｍ）の反射率は４３．４％（Ｎｉの反射率（４３．４％）を使用）、透過率は０％であり、ｐ−ＧａＮ層（２３ｎｍ）の透過率は６６．１％であることから、発光層から透光性基板側に向かい光取出し面（下面）を通過する光が測定された光出力に占める割合が８４％（相対値は０．４０×８４％＝０．３３６）であると見積ることができる。この８４％は以下のように算出した値である。先ず、発光層から透光性基板側に向かう光出力をｔとすると、発光層から正電極側に向かい、反射して透光性基板側から取り出される光出力はｔ×０．６６１×０．４３４×０．６６１で表すことができる。そして、参考発光構造体（II）の光出力は０．４０であることから、
０．４００＝ｔ＋ｔ×０．６６１×０．４３４×０．６６１    と考えることができる。この式からｔを求めると０．３４となり、０．３３６／０．４００＝８４％を求めることができる。一方、発光層から正電極側に向かい、反射により透光性基板側から取り出される光が測定された光出力に占める割合は１６％（相対値は０．４００×１６％＝０．０６４）であると見積もることができる。
【００７６】
ただし、上記算出においては、ｐ−ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）以外の積層半導体層における光吸収は小さいため無視し、各層間における反射は考慮していない。
【００７７】
（比較発光構造体（I）の検証）
図４に示すような、正電極の上面露出部、負電極の上面露出部を除く積層半導体表面に、透光性絶縁層Ｉｎｓ（ＳｉＯ２：４００μｍ、透過率９０％、屈折率１．５０）および金属反射層Ｒ（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ：１ｎｍ／２５０ｎｍ／５ｎｍ、反射率７７．５％）を形成した比較発光素子（I）からなる比較発光構造体（I）の検証を行った。この比較発光素子（I）は、図４に示す箇所に透光性絶縁層と金属反射層が形成されている以外は参考発光素子（I）と同一のものである。この比較発光素子構造体（I）は、比較発光素子（I）を参考発光構造体（II）と同じ実装用基材に接合し、同じアンダーフィル剤を充填したものである。
【００７８】
参考発光構造体（I）、（II）の測定結果から、発光層から放出された光の６０％（相対値０．６）が半導体と透光性絶縁層の界面を通過する。透光性絶縁層Iｎｓの透過率および金属反射層Ｒの反射率から、半導体側から透光性絶縁層に入射した光のうち６２．８％（９０％×７７．５％×９０％＝６２．８％）が半導体内に再入射する。再入射した光が全て取出されるとすれば、比較発光構造体（I）は、参考発光構造体（II）の相対値よりも０．３７７（０．６×６２．８％＝０．３７７）の光出力の増加が見込まれ、比較発光構造体（I）の光出力は０．７７７（相対値  ０．４００＋０．３７７）と見積もることができる。
【００７９】
比較発光構造体（I）において、正電極としてＰｔ（反射率３９．６％）を用いた場合でもＮｉ（反射率４３．４％）との反射率の差異が小さいことから光出力はかわらないと考えられる。
【００８０】
（比較発光構造体（II）の検証）
図５に示すような、正電極を透光性正電極Ｐ２ａ（Ｎｉ／Ａｕ：２ｎｍ／２ｎｍ、透過率８５．１％）とし、透光性正電極上のみに金属反射層Ｒ（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ：１ｎｍ／２５０ｎｍ／５ｎｍ、反射率７７．５％）を形成した比較発光素子（II）からなる比較発光構造体（II）の検証を行った。この比較発光素子（II）は、前記透光性正電極Ｐ２ａおよび該透光性正電極上のみに金属反射層Ｒを設けた以外は参考発光素子（I）と同一のものである。この比較発光素子構造体（II）は、比較発光素子（II）を参考発光構造体（II）と同じ実装用基材に接合し、同じアンダーフィル剤を充填したものである。
【００８１】
参考発光構造体（II）の正電極の反射率は４３．４％であるのに対して、透光性正電極Ｐ２ａと金属反射層Ｒを積層した構造の反射率は５６．０％である（８５．１％×７７．５％×８５．１％＝５６．０％：ただし、簡略化のため、透光性正電極Ｐ２ａでの反射は考慮していない。）。よって、発光層から放出される光のうち、正電極側に放出され正電極で反射されて光取出し側に放出される光は、参考発光構造体（II）の相対値０．０６４から０．０８３（０．０６４×５６．０％／４３．４％＝０．０８３）に増加する。これにより比較発光構造体（II）の光出力を０．４１９（相対値  ０．３３６＋０．０８３）と見積もることができる。
【００８２】
（実施発光構造体（I）の検証）
図２に示すような、透光性正電極Ｐ２ａ、透光絶縁層Iｎｓ、及び金属反射層Ｒを有する実施発光素子（I）を使用した実施発光構造体（I）の検証を行った。この実施発光素子（I）は、透光性正電極Ｐ２ａ（Ｎｉ／Ａｕ：２ｎｍ／２ｎｍ、透過率８５．１％）を使用し、透光性絶縁層Iｎｓ（ＳｉＯ２：４００μｍ、透過率９０％、屈折率１．５０）金属反射層Ｒ（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ：１ｎｍ／２５０ｎｍ／５ｎｍ、反射率７７．５％）を図２のように設けた以外は参考発光素子（I）と同一のものである。この実施光素子構造体（I）は、実施発光素子（I）を参考発光構造体（II）と同じ実装用基材に接合し、同じアンダーフィル剤を充填したものである。
【００８３】
比較発光構造体（I）と同様に、透光性絶縁層Iｎｓおよび金属反射層Ｒにより、半導体側から透光性絶縁層に入射した光のうち６２．８％（相対値０．３７７）が半導体内に再入射し、基板側から取出される。また、比較発光構造体（II）と同様に、発光層から放出される光のうち、正電極側に放出され正電極で反射されて光取出し側に放出される光は、参考発光構造体（II）の相対値０．０６４から０．０８３（０．０６４×５６．０％／４３．４％＝０．０８３）に増加する。また発光層から透光性基板側に向かい光取出し面（下面）を通過する光は参考発光構造体（I）および（II）と変わらず、相対値０．３３６のままであると考えられる。
【００８４】
よって、実施発光構造体（I）の光出力を０．７９６（０．３７７＋０．０８３＋０．３３６＝０．７９６）と見積もる事が出来る。
【００８５】
実施発光構造体（I）は、側面にのみ透光性絶縁層/金属反射層を設けた発光構造体（比較発光構造体（I））、および透光性正電極上のみに反射金属層を有する発光構造体（比較発光構造体（II））と比較し、出力が向上する。そして、発光素子が紫外光を放出する場合に、実施発光構造体（I）の構造を用いれば、アンダーフィル剤の紫外光への露出を防ぐ事が出来、劣化を抑制する事が出来る。
【００８６】
なお、透光性絶縁層を有さずに、金属反射層を設けた場合には、正電極と負電極間での短絡が生じるという理由から、発光素子として使用できない。
【００８７】
（実施発光構造体（II）の検証）
実施発光構造体（I）において、透光性絶縁層Ｉｎｓとしてフッ化カルシウム（ＣａＦ：膜厚４００ｎｍ、屈折率１．４６、透過率９２％）に変更した以外は実施発光構造体（I）と同様の構造を有する実施発光構造体（II）の検証を行った。ＣａＦを用いた場合、実施発光構造体（I）で用いたＳｉＯ２と比較して２６５ｎｍの光に対する屈折率が小さいため、ＳｉＯ２を用いる実施発光構造体（I）の構造よりも半導体層と透光性絶縁層との界面での反射率が大きくなり、実施発光構造体（I）よりも光出力が大きくなる。全反射が起きる最小の入射角である臨界角の大きさは屈折率によって定まり、スネルの法則によると、光が媒質（Ａ）から媒質（Ｂ）に入射するとき、臨界角はａｒｃｓｉｎ（媒質（Ａ）の屈折率／媒質（Ｂ）の屈折率）で与えられる。具体的にはｎ型窒化物半導体層（例えば、ＡｌＧａＮ層）からＳｉＯ２絶縁層に入射する光の臨界角は３８．７度であるのに対して、ｎ型窒化物半導体層からＣａＦ絶縁層に入射する光の臨界角は３７．５度である。透光性絶縁層にＣａＦを用いる方が臨界角は小さくなり、その結果、半導体層と透光性絶縁層界面での反射率が高くなる。
【００８８】
（実施発光構造体（III）の検証）
実施発光構造体（I）において、透光性絶縁層Ｉｎｓとしてフッ化マグネシウム（ＣａＦ：膜厚４００ｎｍ、屈折率１．４１、透過率９２％）に変更した以外は実施発光構造体（I）と同様の構造を有する実施発光構造体（II）の検証を行った。ｎ型窒化物半導体層からＭｇＦ絶縁層に入射する光の臨界角は３６．０度であり、実施発光構造体（I）、実施発光構造体（II）の場合と比較して小さく、ｎ型窒化物半導体層と絶縁層界面での反射率が高くなることから、実施発光構造体（I）、実施発光構造体（II）よりも光出力が高くなる。
【００８９】
以上の検証結果を表１にまとめた。
【００９０】
【表１】
2014096539.tif 000003
【符号の説明】
【００９１】
１    透光性基板
２    ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層
３    発光層
４    ｐ型クラッド層
５    ｐ型コンタクト層
６    ｐ型III族窒化物半導体層
７    積層半導体層
Ｐ２ａ  透光性正電極
Iｎｓ  透光性絶縁層
Ｒ   金属反射層
Ｐ１  負電極
Ｐ２  正電極
Ｍ    実装用基材
Ｅ１  実装用基材側負電極
Ｅ２  実装用基材側正電極
Ｕ    アンダーフィル剤
Ｂ    はんだ
【図１】
2014096539.tif 000004
【図２】
2014096539.tif 000005
【図３】
2014096539.tif 000006
【図４】
2014096539.tif 000007
【図５】
2014096539.tif 000008