(57)【要約】【課題】発光効率が高く、しかも性能ばらつきが小さい紫外線発光素子及び紫外線発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】紫外線発光素子１００は、基板１０と、基板１０の第１主面Ｓ１側に形成された発光層２２を含む半導体積層部２０と、半導体積層部２０に電力を供給するための第１電極部３１及び第２電極部３２と、基板の第１主面Ｓ１の反対側に位置する第２主面Ｓ２側の一部に形成された凹部１１と、この凹部１１に配置された光学部材４０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の第１主面側に形成された発光層を含む半導体積層部と、
前記半導体積層部に電力を供給するための第１電極部及び第２電極部と、
前記基板の前記第１主面の反対側に位置する第２主面側の一部に形成された凹部と、
前記凹部に配置された光学部材と、を備える紫外線発光素子。
【請求項２】
前記第１主面と前記第２主面との間に位置する側面の少なくとも一部が、前記光学部材で覆われている請求項１に記載の紫外線発光素子。
【請求項３】
前記第２主面側に配置されたレンズをさらに備え、
前記レンズの裏面の少なくとも一部が前記凹部に配置された前記光学部材と接触する請求項１または２に記載の紫外線発光素子。
【請求項４】
前記基板の屈折率は、１．７以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項５】
前記光学部材の屈折率は、前記基板の屈折率よりも低い請求項１〜４のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項６】
前記光学部材の紫外線透過率が、波長が２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の領域で８０％以上である請求項１〜５のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項７】
断面視したときに、前記凹部の幅は前記発光層の幅よりも広い請求項１〜６のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項８】
前記凹部の深さは１０ｎｍ以上５μｍ以下である請求項１〜７のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項９】
前記光学部材のうち前記凹部の内部に配置された部分の厚みが、前記凹部の深さと同じ大きさである請求項１〜８のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項１０】
発光波長が２３０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である請求項１〜９のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
【請求項１１】
基板と、前記基板の第１主面側に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部に電力を供給するための第１電極部及び第２電極部とを備える半導体ウエハの、前記第１主面の反対側に位置する第２主面の一部に、ドライエッチングで凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部に光学部材を注入する光学部材注入工程と、
注入した前記光学部材の厚みを平滑化する平滑化工程と、を備える紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光学部材注入工程では、
注入される前記光学部材の注入量は前記凹部の体積よりも多く、
前記平滑化工程では、
前記光学部材のうち前記凹部の内部に配置された部分の厚みが前記凹部の深さと同じ大きさとなるように該光学部材を平滑化し、かつ、前記基板の側面の少なくとも一部に前記光学部材を付着させる請求項１１に記載の紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記平滑化工程の後に、前記第２主面側にレンズを配置するレンズ配置工程を更に備える請求項１１または１２に記載の紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記凹部形成工程の後、かつ、前記光学部材注入工程前に、前記半導体ウエハを分割して複数の紫外線発光素子に個片化する個片化工程を更に備える請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記凹部形成工程の後、かつ、前記光学部材注入工程前に、前記第１電極部及び前記第２電極部を配線基板に接続する実装工程を更に備える請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の紫外線発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物基板を用いた半導体素子は、さまざまな電子機器に用いられており、演算処理装置や、発光素子や受光素子などの光学デバイス、及び各種センサなどに応用されている。これら窒化物半導体素子の特性を最大限に引き出すために、素子表面や裏面を加工する手法が広く用いられている。
半導体発光素子においては、窒化物基板の全反射を改善し、半導体発光素子からの光取り出し効率を向上させるために、窒化物基板の裏面を粗面加工することで、界面での光の透過率を向上させる技術がよく用いられている。例えば、特許文献１には、六方ピラミッドキャビティが設けられるように窒化物半導体層の成膜を行うことで、半導体層表面に凹凸構造を形成する手法が記載されている。
【０００３】
また、基板の裏面に屈折率が基板より小さい薄膜を形成させる手法も用いられている。例えば、特許文献２には、半導体発光素子の基板の裏面に、屈折率が１．８以上の薄膜を塗布することによって、光の抽出効率を高める手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７４２３号公報
【特許文献２】特開２０１０−５１０６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体発光素子に凹凸構造を形成して光出力を向上させる場合、その凹凸の間隔は発光波長以下、かつ規則的に配列する必要がある。しかしながら、紫外線発光素子が発する光の波長は３００ｎｍ以下と非常に短波長であるため、紫外線発光素子に適用される凹凸構造の形成は難易度が高い。
一方、基板の裏面に高屈折率の薄膜を形成する手法は簡単だが、薄膜の厚みを薄くかつ安定に制御する必要がある。特に紫外線発光素子の場合、多くの有機薄膜、或いは有機溶剤が含まれている無機薄膜が紫外光を吸収する。このため、上記の薄膜を可能な限り薄くすることにより、紫外光の吸収を抑えることが重要である。また、薄膜が薄いほど、光の干渉効果は膜厚のバラつきによって急激に変化する。それゆえ、基板の裏面に薄膜を形成する場合は、その膜厚を安定に制御できないと、半導体発光素子としての性能ばらつきが大きくなってしまう。
【０００６】
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、発光効率が高く、しかも性能ばらつきが小さい紫外線発光素子及び紫外線発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の紫外線発光素子及びその製造方法により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の一態様に係る紫外線発光素子は、基板と、前記基板の第１主面側に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部に電力を供給するための第１電極部及び第２電極部と、前記基板の前記第１主面の反対側に位置する第２主面側の一部に形成された凹部と、前記凹部に配置された光学部材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の一態様に係る紫外線発光素子の製造方法は、基板と、前記基板の第１主面側に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部に電力を供給するための第１電極部及び第２電極部とを備える半導体ウエハの、前記第１主面の反対側に位置する第２主面の一部に、ドライエッチングで凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部に光学部材を注入する光学部材注入工程と、注入した前記光学部材の厚みを平滑化する平滑化工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、発光効率が高く、しかも性能ばらつきが小さい紫外線発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る紫外線発光素子１００を示す断面模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る紫外線発光素子２００を示す断面模式図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る紫外線発光素子３００を示す断面模式図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る紫外線発光素子４００を示す断面模式図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る紫外線発光素子１００の製造方法（その１）を示す断面模式図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る紫外線発光素子１００の製造方法（その２）を示す断面模式図である。
【図７】本発明の第１、第２の比較形態に係る紫外線発光素子６００、７００を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）について説明する。
＜実施形態＞
（１）紫外線発光素子
本実施形態に係る紫外線発光素子は、基板と、前記基板の第１主面側に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部に電力を供給するための第１電極部及び第２電極部と、前記基板の第１主面の反対側に位置する（すなわち、第１主面と対向する）第２主面側の一部に形成された凹部と、前記凹部に配置された光学部材と、を備えることを特徴とする。
基板の第２主面側の一部に凹部を有し、この凹部に光学部材が配置されていることにより、発光効率の高い紫外線発光素子が実現される。
【００１２】
（２）紫外線発光素子の製造方法
本実施形態に係る紫外線発光素子の製造方法は、基板と、前記基板の第１主面側に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部に電力を供給するための第１電極部及び第２電極部とを備える半導体ウエハの、前記第１主面の反対側に位置する第２主面の一部に、ドライエッチングによりで凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部に光学部材を注入する光学部材注入工程と、注入した前記光学部材の厚みを平滑化する平滑化工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
半導体ウエハの第２主面の一部に、ドライエッチングで凹部を形成する凹部形成工程と、凹部に光学部材を注入する光学部材注入工程と、注入した光学部材の厚みを平滑化する平滑化工程とを備えることにより、性能ばらつきが小さく、信頼性が高い紫外線発光素子を製造することが可能になる。
以下、上述した本実施形態に係る紫外線発光素子及び紫外線発光素子の製造方法における各構成要件について説明する。以下に記載される各構成要件の特徴は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲でそれぞれ単独または組み合わせて適用可能である。
【００１４】
（３）基板
本実施形態において、基板は、第１主面側に発光層を含む半導体積層部を形成可能であり、かつ、第１主面の反対側に位置する第２主面側の一部に凹部を形成可能なものであれば特に制限されない。基板の一例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板やサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板が挙げられる。
【００１５】
（３．１）凹部形成方法
基板の第２主面に凹部を形成する方法は特に制限されないが、紫外線発光素子の薄型化の観点から、基板の一部を除去することで形成されるものであることが好ましい。例えば、基板の凹部を形成する領域以外を保護層で覆い、この保護層をマスクに基板をＲＩＥなどでドライエッチングする方法が挙げられる。また、同様に凹部を形成する領域以外を保護層で覆い、この保護層をマスクに基板をアルカリ性の薬液を用いてウェットエッチングする方法も挙げられる。
【００１６】
以下では、本実施形態の一例として、ウェットエッチングする場合の具体例を説明する。
まず、基板の第２主面上に保護層を形成する。保護層は、ウェットエッチングにおいて、基板の第２主面が受ける影響を低減できるものであればよく、例としてはＵＶテープなどのダイシングに用いられる粘着テープや、粘着性を有するフィルム、またはレジストなどが挙げられる。保護層は、気泡の巻き込みや、隙間などなく第２主面と密着していることが望ましく、かつアルカリ性の薬液により保護層または粘着層が劣化しない耐薬品性を有することが好ましい。
【００１７】
続いて、保護層が形成された状態の基板をアルカリ性の薬液にディップし、ウェットエッチングを行う。アルカリ性の薬液の種類は特に限定されないが、薬液の水素イオン濃度指数（ｐＨ）は、ｐＨ＞１２であることが好ましく、例として、水酸化ナトリウムや、水酸化カリウム、アンモニアを含む薬液であることが好ましい。
次に、保護層を除去する工程を行う。保護層を除去する方法は特に限定されないが、基板及び半導体積層部、電極部にダメージを与えない方法が好ましく、保護層を機械的に除去するほか、保護層を有機溶剤などの薬液などを用いて化学的に除去することが好ましい。保護層を除去した後、第２主面上を洗浄するために、有機溶剤、水溶液での洗浄、または、酸素プラズマ、スパッタリングなどによる表面洗浄を行うことが好ましい。
【００１８】
（３．２）基板の側面
紫外線発光素子の信頼性向上の観点から、基板の側面の少なくとも一部が光学部材で覆われていることが好ましい。基板の側面が光学部材で覆われていることにより、基板の側面から出射した紫外線が、基板の側面と光学部材との界面で多く反射する。このため、光学部材を介して基板を封止する封止樹脂の紫外線による劣化を抑制することが可能になり、紫外線発光素子の信頼性が向上する。さらに、光学部材と基板の側面との界面で反射された光の一部は基板の第２主面側から出射されるため、光出力が向上するという効果も奏する。また、この封止樹脂の劣化の抑制及び光出力の向上の観点から、基板の第１主面の少なくとも一部も光学部材で覆われている形態も好ましい。
【００１９】
基板の側面の少なくとも一部を光学部材で覆う方法は特に制限されないが、光学部材注入工程では、注入される光学部材の注入量を凹部の体積よりも多くすること、及び、平滑化工程では、光学部材のうち凹部の内部に配置された部分の厚みが凹部の深さと同じ大きさとなるように、光学部材を平滑化することで、基板の側面の少なくとも一部に光学部材を付着させる方法が製造効率の観点等から好ましい。
【００２０】
（３．３）基板の屈折率
光取り出し効率向上の観点から、基板の屈折率は１．７以上であることが好ましい。屈折率が１．７以上の基板材料としては、窒化アルミニウム基板やサファイア基板が挙げられる。
【００２１】
（３．４）凹部
また、光取り出し効率向上の観点から、例えば断面視したときに、基板の第２主面側の凹部の幅は発光層の幅より広いことが好ましい。ただし、発光層の幅と基板の幅との差が元々小さい場合は、凹部の幅を発光層の幅より極端に広くすると、基板の凹部以外の領域の幅が極端に小さくなってしまい、製造が難しくなるため留意する必要がある。
また、光取り出し効率向上の観点から、例えば断面視したときに、基板の第２主面側の凹部の深さは１０ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
（４）半導体積層部
本実施形態において、半導体積層部は、基板の第１主面側に形成された発光層を含むものである。殺菌用途等でのデバイス特性の観点から、中心発光波長（すなわち、発光層が発光する光の中心波長）が２３０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であることが好ましい。
発光効率向上の観点から、半導体積層部は、発光層を挟むように第１導電型の第１半導体層と第２導電側の第２半導体層とを有することが好ましい。紫外線を効率的に発光させる観点から、半導体積層部の各々の層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成されるものが好ましい。なお、「第１導電型」「第２導電型」とは、一方がｎ型導電型の場合は他方がｐ型導電型であることを意味する。すなわち、第１導電型がｎ型の場合は第２導電型がｐ型となり、第１導電型がｐ型の場合は第２導電型がｎ型となる。
【００２３】
（４．１）第１半導体層
第１半導体層は、例えば、不純物でドープされた窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）、または、不純物でドープされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）から構成されている。不純物としては、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が例示され、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が例示される。
【００２４】
例えば、第１半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成される複数の層を有し、これら複数の層の少なくとも一部は発光層の格子パラメータに近づくように擬似格子整合的に歪まされている。または、第１半導体層は、一層または複数の層のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）を有し、組成式のｘｙが厚みと共に変化する（すなわち、厚み方向に沿って線形的または段階的に変化する）組成であってもよい。
【００２５】
第１半導体層のうち、基板との界面を含む部位は、基板とほぼ同一の組成を有していることが好ましい。これにより、第１半導体層の２次元の成長が促進され、不都合なアイランド形成を回避することができる。また、そのようなアイランド形成を回避することにより、第１半導体層及び後続の成長層での不都合な弾性の歪み緩和が起こることを回避することができる。
【００２６】
（４．２）発光層
発光層は、例えば多重量子井戸（「ＭＱＷ」）層を含む。ＭＱＷ層は、複数の量子井戸を含み、その量子井戸のそれぞれは、例えばＩｎＡｌＧａＮ、または、ＡｌＧａＮから構成されている。一例を挙げると、ＭＱＷ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸を含み、その一方が他方の上に積層された構造を有する。ここで、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸のｘと、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸のｙは、互いに異なる値である。ｘとｙの差は、活性領域での電子及び正孔の良好な閉じ込めが得られるように十分に大きくなっていることが好ましい。これにより、放射性の再結合の、非放射性の再結合に対する比を高くすることができる。
【００２７】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸を含むＭＱＷ層において、ｘとｙの値を例示すると、ｘとｙとの差は約０．０５であり、ｘは約０．３５で、ｙは約０．４である。なお、ｘとｙの差が過度に大きい（例えば、約０．３より大きい）と、ＭＱＷ層の形成中に不都合なアイランド形成が起こってしまう。このため、ｘとｙの差は例えば０．３以下であることが好ましい。
【００２８】
また、ＭＱＷ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸の対を１周期として複数の周期を含んでいてよく、全体の厚み（すなわち、総厚）が約５０ｎｍ未満であってもよい。
また、発光層は任意の薄い電子ブロック（またはｎ型コンタクトがデバイスの上部に置かれている場合には正孔ブロック）層を有していてもよい。この電子ブロック層は、例えば、Ｍｇのような１つ以上の不純物でドーピングされたＡｌｘＧａ１−ｘＮから構成されていてもよい。電子ブロック層の厚みは、例えば約２０ｎｍである。
【００２９】
（４．３）第２半導体層
発光層上に形成される第２半導体層は、例えば、不純物でドープされたＩｎＡｌＧａＮ、または、不純物でドープされたＡｌＧａＮから構成されている。不純物としては、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が例示され、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が例示される。
【００３０】
第２半導体層はｎ型またはｐ型にドープされているが、第１半導体層とは反対の導電性を有している。例えば、第１半導体層はＳｉ等のｎ型不純物がドープされてｎ型の導電性を示している場合、第２半導体層はＭｇ等のｐ型不純物がドープされてｐ型の導電性を示している。第２半導体層の厚みは、例えば約５０ｎｍ〜約１００ｎｍである。
また、第２半導体層は、第２導電型にドープされた半導体材料を含むキャップ層を有していてもよい。第２半導体層がｐ型の導電性を示している場合、このキャップ層は、例えばＭｇでドープされたＧａＮを含み、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍの厚み、好ましくは約５０ｎｍの厚みを有する。
【００３１】
（５）電極部
第１電極部及び第２電極部は、発光層に電力を供給するための電極である。本実施形態において、第１電極部及び第２電極部のそれぞれの配置については特に制限されないが、半導体積層部がメサ型構造の場合、メサ頂部に第１電極部及び第２電極部の一方を配置し、メサ底部に第１電極部及び第２電極部の他方を配置する例が挙げられる。また、他には素子上面と下面とにそれぞれ第１電極部と第２電極部とを配置する例などがある。
【００３２】
一例を挙げると、第２電極部がメサ頂部の第２半導体層に電気的に接続し、第１電極部がメサ底部の第１半導体層に電気的に接続している。また、半導体積層部は絶縁層で部分的に覆われている。この図示しない絶縁層により、第２電極部（すなわち、メサ頂部の第２半導体層に電気的に接続する電極部）は発光層及びメサ底部の第１半導体層から電気的に絶縁されている。
【００３３】
第１電極部及び第２電極部はそれぞれ導電性の材料からなり、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）またはそれらの組み合わせなどで構成されている。一例を挙げると、ｐ型の半導体層に接続する第１電極部はＮｉ／Ａｕ合金で構成されており、ｎ型の半導体層に接続する第２電極部はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕスタックで構成されている。第１電極部及び第２電極部は、例えばスパッタリングまたは蒸着によって形成される。
【００３４】
また、第１電極部及び第２電極部は紫外線（ＵＶ：  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）反射器も含んでいてよい。ＵＶ反射器は、第１電極部及び第２電極部に向かって発光する光子を再度方向付けする（すなわち、光子が半導体積層部から逃げないようにする）こと及び、所望の発光面（例えば、底部表面）に向けて光子を再度方向付けることによって、デバイスの活性領域において生成される光子の抽出効率を改善するように設計される。
【００３５】
（６）光学部材
本実施形態において、光学部材は、基板の第２主面側の凹部に配置される。光取り出し効率を改善する観点から、光学部材の屈折率が基板の屈折率より小さいことが好ましい。光学部材の屈折率が前記基板の屈折率より小さいことにより、基板と光学部材との界面での光反射を低減させ、出力を向上させることができるという効果を奏する。
【００３６】
また、光学部材は、ＵＶＣ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｃ）に耐性があることと、紫外線透過率が波長２６０〜３００ｎｍの領域で８０％以上であること、の両特性を備えることが好ましい。さらに、光学部材とレンズとを組み合わせることもあるため、光学部材は接着性があってもよい。光学部材の材料として、シリコーン材料、エポキシ材料、金属酸化物ナノ粒子を含む薄膜などが挙げられるが、特に限定されない。光学部材に適用可能なシリコーン樹脂としては、ダウコーニング社のＪＣＲシリーズや、Ｓｃｈｏｔｔ社のＤｅｅｐ  ＵＶ２００などを用いることができる。また、金属酸化物ナノ粒子の材料として、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化スズ、酸化アンチモンが使用可能であるが、上記の材料に限定されるものではない。
【００３７】
また、製造ばらつき及び信頼性向上の観点から、光学部材の厚みは、凹部の深さと略一致することが好ましい。すなわち、光学部材のうち凹部の内部に配置される部分の厚みは、この凹部の深さと同じ大きさ、または、ほぼ同じ大きさであることが好ましい。光学部材の厚みと凹部の深さとを略一致させる方法の一例としては、凹部に、凹部の体積以上の光学部材を注入した後に、基板の第２主面側における凹部以外の表面にスキージを当て、基板平面方向にスキージを動かし、光学部材を平滑化する方法が挙げられる。
【００３８】
（７）レンズ
本実施形態では、基板の第２主面側にレンズが設けられ、該レンズの裏面の少なくとも一部が、光学部材のうち凹部の内部に配置された部分と接触することが好ましい。レンズの材料は石英やサファイアなどＵＶＣ領域に紫外線透過性があるものであれば構わないが、レンズを紫外線発光素子の第２主面に固定するために、レンズの幅は凹部の幅より広いことが好ましい。
本実施形態において、レンズを設ける方法は特に制限されないが、例えば、平滑化工程の後に、基板の第２主面側にレンズを配置する工程を更に備えることで実現可能である。この場合、前述のとおり、光学部材は接着性を有する材料であることが好ましい。
【００３９】
（８）個片化工程
本実施形態に係る紫外線発光素子の製造方法は、凹部形成工程の後、かつ、光学部材注入工程前に、紫外線発光素子を個片化する個片化工程を更に備えてもよい。
以下に個片化工程の具体例を説明する。
半導体ウエハ上に形成された複数の素子の間に配置されたスクライブラインに沿って、素子の個片化を行うことができる。ＬＳＩ半導体素子の個片化工程は、通常、ブレードダイシングで行われる。しかしながら、半導体ウエハとして窒化物基板を用いる場合、窒化物基板は非常に硬いため、ブレードダイシングでは窒化物基板を所望の幅で切断することが難しく、窒化物基板に欠けなどの不良も発生しやすいため、生産性が低いという課題がある。そこで、本実施形態では、基板の第１主面からレーザ光を照射することでスクライブラインに溝を形成し、その後、この溝に沿って基板を機械的に分断することが好ましい。レーザ光を用いた溝の形成手段は特には限定されないが、そのレーザ光の波長は３６５ｎｍ、または２６５ｎｍであることが好ましい。
【００４０】
次に、レーザでスクライブしたラインにアライメントを実施し、このラインに第１主面側から適切な力で金属ブレード等を押しあてることで基板の割断を行う。これにより、紫外線発光素子の個片化が可能である。個片化工程では１個の紫外線発光素子のみを個片化することだけでなく、複数の紫外線発光素子を含んだ状態で個片化する形態も含む。すなわち、複数の紫外線発光素子を含んだ状態で個片化することにより、複数の独立した発光層が平面方向にアレイ状に配置された紫外線発光素子を形成することができ、このような態様も本実施形態に含まれる。
【００４１】
（９）実装工程
また、本実施形態に係る紫外線発光素子の製造方法は、凹部形成工程の後、かつ、光学部材注入工程の前に、第１電極部及び第２電極部と配線基板とを接続する実装工程を更に備えてもよい。
実装工程は、紫外線発光素子が備える基板の第１主面側に形成された第１電極部及び第２電極部と、例えばサブマウントと呼ばれる接続基板上の電極部（バンプ部とも称される）とを電気的に接続する工程である。サブマウント基板の材料としては、熱放散性の高いセラミック基板やアルミナ基板や窒化アルミニウム基板が好適に用いられる。また接続にはフリップチップと呼ばれる手法が用いられ、サブマウント基板の電極部と紫外線発光素子の第１主面側に形成された第１電極部及び第２電極部とを適切な熱、超音波、加重で接合させる。サブマウント基板の電極部の材料は、熱放散性に優れ、かつ、第１電極部及び第２電極部との接合性に優れたものがよく、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金錫（ＡｕＳｎ）などの材料及びそれらの組み合わせからなる材料が好適に用いられる。
【００４２】
（１０）封止工程
本実施形態に係る紫外線発光素子の製造方法は、平滑化工程の後に、基板の第１主面側及び側面を封止する封止工程を更に備えていてもよい。封止部材には熱硬化性樹脂等が用いられる。前述のとおり、一般的に熱硬化性樹脂は紫外線による劣化が生じやすく製品寿命に影響を与えうるが、基板の側面の少なくとも一部が光学部材で覆われていれば、基板の側面から出射した紫外線が、この側面と光学部材との界面で多く反射する。このため、基板の側面から出射した紫外線による封止部材の劣化を抑制することが可能になる。
以下では、本実施形態の具体的な様態として、第１〜第５の実施形態を図面を用いてそれぞれ説明する。また、本実施形態と比較される、第１、第２の比較形態についても説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００４３】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る紫外線発光素子１００の構成例を示す断面模式図である。第１の実施形態に係る紫外線発光素子は、基板１０と、基板１０の第１主面Ｓ１側に形成された半導体積層部２０と、半導体積層部２０に電力を供給するための第１電極部３１及び第２電極部３２と、基板１０の第１主面Ｓ１の反対側に位置する第２主面Ｓ２側の一部に形成された凹部１１と、この凹部１１に配置された光学部材４０と、を備える。半導体積層部２０は、第１導電型の第１半導体層２１と、発光層２２と、第２導電型の第２半導体層２３とを有する。また、第１電極部３１が第１半導体層２１に電気的に接続し、第２電極部３２が第２半導体層２３に電気的に接続している。また、図１に示すように断面視したときに、凹部１１の幅１１ａは発光層２２の幅２２ａよりも広いことが好ましい。
【００４４】
第１の実施形態に係る紫外線発光素子１００は、基板１０の第２主面Ｓ２側の一部に凹部１１を有し、この凹部１１に光学部材４０が配置されている。これにより、後述の図７（ａ）に示す紫外線発光素子（第１の比較形態）と比較して、発光効率の高い紫外線発光素子が実現される。また、後述の図７（ｂ）に示す紫外線発光素子（第２の比較形態）と比較して、光学部材４０の厚さを凹部１１の深さで調整することができるので、光学部材４０を薄く、しかも膜厚のばらつきを抑えて製造することができる。したがって、製造ばらつきが小さく、所望の光学特性を示す紫外線発光素子が実現される。
【００４５】
＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態に係る紫外線発光素子２００の構成例を示す断面模式図である。図２に示すように、第２の実施形態に係る紫外線発光素子２００では、第１電極部３１と第２電極部３２とが、実装基板５０のバンプ電極部５１とそれぞれ接続されている。そして、実装基板５０と、基板１０の第１主面Ｓ１との間に位置する部位と、基板１０の側面Ｓ３とが封止樹脂６０で覆われている（すなわち、封止されている）。基板１０の第２主面Ｓ２と光学部材４０は、封止樹脂６０で覆われていない。これ以外の構成は、第１実施形態に係る紫外線発光素子１００と同一である。
【００４６】
＜第３の実施形態＞
図３は、第３の実施形態に係る紫外線発光素子３００の構成例を示す断面模式図である。図３に示すように、第３の実施形態に係る紫外線発光素子３００は、基板１０の側面Ｓ３が光学部材４０´で覆われており、その外側が封止樹脂６０で覆われている。これ以外の構成は、第２実施形態に係る紫外線発光素子３００と同一である。
【００４７】
基板１０の側面Ｓ３が光学部材４０´で覆われていることにより、基板１０の側面Ｓ３から出射した紫外線が側面Ｓ３と光学部材４０´との界面で多く反射する。このため、封止樹脂６０のうち、特に光学部材を４０´介して側面Ｓ３を封止する部分が紫外線により劣化することを抑制することが可能になり、紫外線発光素子の信頼性が向上する。さらに、光学部材４０´と側面Ｓ３との界面で反射した光の一部は基板１０の第２主面Ｓ２側から出射するため、紫外線発光素子の光出力が向上するという効果をも奏する。
【００４８】
＜第４の実施形態＞
図４は、第４の実施形態に係る紫外線発光素子４００の構成例を示す断面模式図である。図４に示すように、第４の実施形態に係る紫外線発光素子４００は、基板１０の第２主面Ｓ２側にレンズ７０が設けられており、このレンズ７０の裏面の一部が凹部１１に配置された光学部材４０と接触している。また、図４に示すように断面視したときに、レンズ７０の幅７０ａは凹部１１の幅１１ａよりも広いことが好ましい。これ以外の構成は、第１実施形態に係る紫外線発光素子１００と同一である。
【００４９】
レンズ７０を所望の形状にすることにより、発光層２２で生成した光を集光・拡散等させて所望の光学特性の紫外線発光素子を得ることが可能になる。第４の実施形態に係る紫外線発光素子４００においては、光学部材４０が接着性を有する材料であれば、レンズ７０を容易に搭載することが可能となる。
【００５０】
＜第５の実施形態＞
図５（ａ）〜図６（ｃ）は、第５の実施形態に係る紫外線発光素子の製造方法を示す断面模式図である。
図５（ａ）に示すように、まず、凹部形成工程では、基板１０と、基板１０の第１主面Ｓ１側に形成された半導体積層部２０と、半導体積層部２０に電気的に接続する第１電極部３１及び第２電極部３２とを備える基板１０を用意する。そして、この用意した基板１０の第２主面Ｓ２の一部に、保護層８０を形成する。ここで、基板１０は半導体ウエハである。保護層８０は、例えばフォトレジストからなるパターン（すなわち、レジストパターン）である。この保護層８０をマスクに、基板１０の第２主面Ｓ２側をドライエッチングまたはウェットエッチングする。これにより、図５（ｂ）に示すように、基板１０の第２主面Ｓ２側に凹部１１を形成する。
【００５１】
次に、図５（ｃ）に示すように、個片化工程では、基板１０を分割して複数の紫外線発光素子に個片化する。
次に、光学部材注入工程では、図６（ａ）に示すように、形成された凹部１１に光学部材４０を注入する。次に、平滑化工程では、注入された光学部材４の厚みを平滑化する。例えば、図６（ｂ）に示すように、基板１０の第２主面Ｓ２のうち凹部１１が形成されていない領域にスキージ９０を準備した後に、このスキージ９０を平面方向（すなわち、第２主面Ｓ２に平行な方向）に移動させることで光学部材４０の厚みを平滑化する。この例においては、光学部材４０は注入時には流動性を有し、所定の処理により硬化可能なものであることが好ましい。以上の工程を経て、図６（ｃ）に示すように、紫外線発光素子１００が完成する。
【００５２】
第５の実施形態によれば、平坦な基板の平面上に光学部材を延伸形成する場合（後述の第２の比較形態）と比較して、光学部材の厚みを所望の厚みに高精度に制御することが可能である。
また、第５の実施形態では、凹部１１の体積よりも注入された光学部材４０の体積（すなわち、注入量）の方を大きくしてもよい。これにより、光学部材４０の余剰分を基板１０の側面に流延させることができ、基板１０の側面も光学部材４０で覆われた形態（例えば、第３実施形態に係る紫外線発光素子３００）を形成することができる。また、凹部１１に注入される光学部材４０の体積をさらに大きくすることによって、基板１０の側面だけでなく、基板１０の第１主面側も光学部材４０で覆うことが可能となる。
【００５３】
＜第１の比較形態＞
図７（ａ）は、第１の比較形態に係る紫外線発光素子６００の構成例を示す断面模式図である。図７（ａ）に示すように、第１の比較形態に係る紫外線発光素子６００は、基板１１０と、基板１１０の第１主面Ｓ１０１側に形成された半導体積層部１２０と、半導体積層部１２０に電力を供給するための第１電極部１３１及び第２電極部１３２とを備える。半導体積層部１２０は、第１導電型の第１半導体層２１と、発光層２２と、第２導電型の第２半導体層２３とを有する。また、第１電極部３１が第１半導体層２１に電気的に接続し、第２電極部３２が第２半導体層２３に電気的に接続している。この紫外線発光素子６００は、基板１１０の第２主面Ｓ１０２側に凹部は形成されていない。
【００５４】
＜第２の比較形態＞
図７（ｂ）は、第２の比較形態に係る紫外線発光素子７００の構成例を示す断面模式図である。図７（ｂ）に示すように、第２の比較形態に係る紫外線発光素子７００は、基板１１０の第２主面Ｓ１０２側に配置された光学部材１４０を備える。すなわち、凹部が形成されていない平坦な第２主面Ｓ１０２上に、光学部材１４０が延伸形成されている。これ以外の構成は、第１の比較形態と同一である。
【００５５】
＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態は以下の効果を奏する。
（１）基板１０の第２主面Ｓ２側に凹部１１が形成されており、この凹部１１に光学部材４０が配置されている。これにより、光学部材４０がない場合（例えば、第１の比較形態）と比較して、基板１０の第２主面Ｓ２での光の反射を低減することができ、基板１０からの光取出し効率が向上する。このため、発光効率が高い紫外線発光素子を提供することができる。
【００５６】
（２）また、光学部材４０の厚さを凹部１１の深さに略一致させることが容易であり、光学部材４０の厚さを凹部１１の深さで調整することができる。これにより、光学部材４０の厚みのばらつきを低減することができるので、紫外線発光素子の性能ばらつきを小さくすることができる。例えば、光学部材４０の厚みのばらつきを低減することによって、光学部材４０における紫外線の吸収ばらつきや光の干渉効果のばらつきを低減することができる。これにより、紫外線発光素子の光出力のばらつきを小さくすることができる。
【００５７】
（３）また、基板１０の側面Ｓ３が光学部材４０´で覆われていることにより、この側面Ｓ３から出射した紫外線が側面Ｓ３と光学部材４０´との界面で多く反射する。このため、封止樹脂６０のうち、特に光学部材を４０´を介して側面Ｓ３を覆っている部分が紫外線により劣化することを抑制することができるので、紫外線発光素子の信頼性を向上させることができる。さらに、光学部材４０´と側面Ｓ３との界面で反射した光の一部は基板１０の第２主面Ｓ２側から出射するため、紫外線発光素子の光出力を向上させることができる。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明の実施例と、比較例とについてそれぞれ説明する。
［実施例１］
まず、厚さ２００μｍのＡｌＮ単結晶基板の第１主面上に、ＡｌＮ層を４μｍ、Ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を２μｍ、発光層としてのＡｌＧａＮ層、Ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、Ｐ型ＧａＮ層２００ｎｍを積層した。次に、この積層した膜を外部から電力を印加するためにメサ型構造に形成し、Ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層の表面の一部に第１電極部を形成し、Ｐ型ＧａＮ層の表面の一部に第２電極部を形成した。以上の工程を経て、紫外線発光素子パターンを有する半導体ウエハを用意した。
【００５９】
次に、この半導体ウエハのＡｌＮ単結晶基板の第２主面の一部にレジストからなる保護層を形成し、塩素ガスのプラズマによりドライエッチングを施し、深さ１μｍの凹部を形成した。
次に、形成された凹部に、この凹部の体積と略等しい量の光学材料としてシリコーン樹脂を注入し、このシリコーン樹脂が凹部を充填するように平滑化した。その後１５０℃、１時間の条件でシリコーン樹脂の硬化を実施し、シリコーン樹脂を硬化せしめて紫外線発光素子を得た。
【００６０】
次に、第１電極部及び第２電極部のパターンに対応したパターンのバンプ電極部を有する実装基板（サブマウント基板）上に得られた紫外線発光素子を実装し、実装基板と基板の第２主面に挟まれる領域をエポキシ樹脂で封止し、実装基板に実装された紫外線発光素子を得た。
得られた紫外線発光素子の断面を走査型電子顕微鏡で確認したところ、凹部に充填されたシリコーン樹脂の厚みは全領域にわたって１μｍであった。
【００６１】
［実施例２］
シリコーン樹脂の注入量を凹部の体積よりも多くした以外は実施例１と同様の方法で紫外線発光素子を得た。
得られた紫外線発光素子の断面を走査型電子顕微鏡で確認したところ、凹部に充填されたシリコーン樹脂の厚みは全領域にわたって１μｍであった。また、基板の側面もシリコーン樹脂で覆われていることも確認された。
【００６２】
［実施例３］
シリコーン樹脂を注入した後に、その上からＡｌＮ単結晶基板の第２主面上にレンズを設置した後に、シリコーン樹脂を硬化せしめた以外は、実施例１と同様の方法で紫外線発光素子を得た。
得られた紫外線発光素子の断面を走査型電子顕微鏡で確認したところ、凹部に充填されたシリコーン樹脂の厚みは全領域にわたって１μｍであった。すなわち、レンズの設置により、実施例１と同様に、シリコーン樹脂の厚みが均一化されたことが確認された。
【００６３】
［比較例１］
ドライエッチングによる凹部を形成しなかったことと、ＡｌＮ単結晶基板の第２主面上にシリコーン樹脂を配置し、シリコーン樹脂の厚みが最も薄くなるように該シリコーン樹脂を平滑化した以外は、実施例１と同様の方法で紫外線発光素子を得た。
得られた紫外線発光素子の断面を査型電子顕微鏡で確認したところ、シリコーン樹脂の厚みは１５μｍ〜５０μｍの範囲でばらついていることが確認された。
【００６４】
［比較例２］
ドライエッチングによる凹部の形成をしなかったことと、シリコーン樹脂の注入及び平滑化をしなかった以外は実施例１と同様の方法で紫外線発光素子を得た。
［実施例と比較例との比較］
実施例１、２、及び比較例１、２で得られた紫外線発光素子（各１０個）のそれぞれに１００ｍＡの定電流を印加し、積分球により、各素子の中心波長である２３０〜３２０ｎｍの波長の光強度を測定し、比較例２の紫外線発光素子の平均の光強度を１としたときの実施例１〜３、比較例１の平均の光強度を表１にまとめた。また、実施例２及び比較例１、２で得られた紫外線発光素子に、温度８５℃湿度８５％の条件下で３００ｍＡの定電流を５００時間印加し続け、連続通電試験を行った後に、各紫外線発光素子の断面を観察し、封止樹脂の劣化の有無を確認した結果も表１にまとめた。
【００６５】
【表１】
2016163015.tif 000003
【００６６】
実施例１では、比較例２と比較して光強度が１．２倍に向上した。ＡｌＮ単結晶基板の屈折率が高いため、外への入射角度が２５°以上の発光は全て反射されてしまうため、比較例２のような構造では内部の発光が外部に取り出すことが困難となる。これに対し、実施例１は、屈折率がＡｌＮ単結晶基板よりも小さく、１μｍと非常に薄くかつ厚みが均一なシリコーン樹脂（光学部材）を有するため、反射光が低減され光取出し効率が向上し、光強度が向上したものと考えられる。
【００６７】
実施例２では、比較例２と比較して光強度が１．３倍に向上した。また、実施例２では、通電試験後もシリコーン樹脂及び封止樹脂の劣化は確認されなかった。実施例２の紫外線発光素子では、屈折率の大きいＡｌＮ単結晶基板の側面が屈折率の小さいシリコーン樹脂で覆われることで、ＡｌＮ単結晶基板の側面とシリコーン樹脂との界面で紫外光が反射する。これにより、封止樹脂の劣化を防ぐとともに、反射した光がＡｌＮ単結晶基板の第２主面から外部に取り出されて光強度が向上したものと考えられる。
【００６８】
一方、比較例１では、比較例２と比較して光強度が０．６倍に低下した。これはシリコーン樹脂の厚みが１５μｍ〜５０μｍの厚い範囲でばらついていることで紫外光の透過性が低下したことに起因するものと考えられる。さらに、通電試験後の比較例１の紫外線発光素子の光強度は、通電試験前の比較例２の紫外線発光素子と比較して０．５倍となった。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、計測機器や殺菌機器等に用いられる紫外線発光素子及びその製造方法として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０  基板
１１  凹部
２０  半導体積層部
２１  第１半導体層
２２  発光層
２３  第２半導体層
３１  第１電極部
３２  第２電極部
４０  光学部材
５０  実装基板
５１  バンプ電極部
６０  封止樹脂
７０  レンズ
８０  保護層
１００、２００、３００、４００  紫外線発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2016163015.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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