JP2016171141A - 窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率と耐湿性の双方が優れた窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物発光素子は、窒化物半導体基板１０と、窒化物半導体基板１０上で、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第１導電型の窒化物半導体層２１と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層２２と、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第２導電型の窒化物半導体層２３とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部２０と、メサ型の半導体積層構造部２０の表面および側面を覆う第１の保護膜３１と、第１の保護膜３１を覆う第２の保護膜３２と、を備える。第１の保護膜３１の屈折率は１．４６以下である。第２の保護膜３２の屈折率は１．４６を超える。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法に関する。

近年、窒化物半導体を用いた、青色光の発光が可能な発光素子が開発され、種々の用途に使用されている。窒化物半導体を用いた発光波長の短い発光素子では、用いる基板の導電性が極めて低いため発光波長の長い発光素子で汎用される縦型構造を用いることができない。そのため、横型の構造が広く使用されている。
横型構造では、２つの導電層のうち１つの導電型の半導体層しか基板の表面に露出していない。このため、もう一方の導電型の半導体層を露出させるために、基板の表面にメサ型構造を作成する。一般的に、縦型構造の発光素子の最表面は酸化シリコン等の保護膜で覆われ、周囲の環境から保護されている。

メサ型構造を有する発光素子の保護膜としては、酸化シリコンまたは窒化シリコンを単層で用いることが一般的に知られている（特許文献１、２参照）。これらの保護膜は、空気中の水や酸素、汚染、傷からメサ型構造を化学的物理的に保護し、さらに絶縁耐圧性も有する。従来の窒化物発光素子において、保護膜は、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置等を用いて形成され、開口部分は保護膜をエッチングして除去することにより形成される。

特開平１１−１５０３０１号公報 特開平１０−１８９５６２号公報

上述の通り、窒化物発光素子の保護膜としては、酸化シリコン、窒化シリコン等の材料を単層で用いる技術が知られていた。特に、横型構造の発光素子の場合、メサ型構造を作成することにより露出した半導体層の表面は化学的に非常に不安定で、空気中の水や酸素と反応しやすく、酸化膜の形成や素子特性の信頼性の低下を引き起こしやすい。このため、横型構造を有する発光素子では、保護膜の保護機能は、縦型構造のものよりも高い効果が求められる。

しかし、保護膜として酸化シリコン又は窒化シリコンを用いる何れの場合においても、十分な耐湿性と、十分な発光効率の双方を満足した窒化物発光素子は知られていないのが実情である。例えば酸化シリコンを絶縁保護膜として使用した場合は、他の材質の保護膜を使用した場合と比較して耐湿性が低いという課題がある。また、窒化シリコンを絶縁保護膜として使用した場合は、光吸収による発光効率の低減や、応力による発光波長シフトが発生しやすいという課題がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発光効率と耐湿性の双方が優れた窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す各態様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窒化物発光素子によれば、窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上で、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第２導電型の窒化物半導体層とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部と、前記メサ型の半導体積層構造部の表面および側面を覆う第１の保護膜と、前記第１の保護膜を覆う第２の保護膜と、を備え、前記第１の保護膜の屈折率は１．４６以下であり、前記第２の保護膜の屈折率は１．４６を超えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る窒化物発光素子の製造方法は、窒化物半導体基板上に、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第２導電型の窒化物半導体層とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部を形成する工程と、前記メサ型の半導体積層構造部の表面および側面に第１の保護膜を形成する工程と、前記第１の保護膜に熱処理を加える工程と、前記第１の保護膜上に第２の保護膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、発光効率と耐湿性の双方が優れた窒化物発光素子を提供することが可能になる。

本実施形態に係る窒化物発光素子の構成例を示す断面模式図である。 本実施形態に係る窒化物発光素子の製造方法を示す断面模式図である。

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。
＜本実施形態＞
（１）全体構成
本実施形態に係る窒化物発光素子は、窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上で、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方（すなわち、Ａｌおよび／またはＧａ）を含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、Ａｌおよび／またはＧａを含む第２導電型の窒化物半導体層とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部と、前記メサ型の半導体積層構造部の表面および側面を覆う第１の保護膜と、前記第１の保護膜を覆う第２の保護膜と、を備え、前記第１の保護膜の屈折率は１．４６以下であり、前記第２の保護膜の屈折率は１．４６を超えることを特徴とする。本実施形態は、上記の構成を有することにより、発光効率の低減防止と高耐湿性を兼ね備えた窒化物発光素子を実現できる。半導体発光層に簡易に電力を供給できる観点から、第１導電型の窒化物半導体層と第２導電型の窒化物半導体層のそれぞれに電極部が形成されていることが好ましい。

また、本実施形態に係る窒化物発光素子の製造方法は、窒化物半導体基板上に、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第２導電型の窒化物半導体層とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部を形成する工程と、前記メサ型の半導体積層構造部の表面および側面に第１の保護膜を形成する工程と、前記第１の保護膜に熱処理を加える工程と、前記第１の保護膜上に第２の保護膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

（２）窒化物半導体基板
本実施形態において、窒化物半導体基板は、その表面にメサ型の半導体積層構造部を形成できるものであれば特に制限されない。本実施形態に係る窒化物発光素子においては、半導体積層構造部として、Ａｌおよび／またはＧａを含む第１導電型の窒化物半導体層、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層、Ａｌおよび／またはＧａを含む第２導電型の窒化物半導体層、を形成するため、窒化物半導体基板は例えばＧａＮ単結晶またはＡｌＮ単結晶からなる基板であることが好ましい。特に窒化物発光層としてＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層を低欠陥密度で形成する観点から、窒化物半導体基板はＡｌＮ単結晶からなる基板であることがより好ましい。なお、窒化物半導体基板としては、サファイア等のベース上にＧａＮ層やＡｌＮ層等の窒化物半導体が形成された窒化物半導体基板も含まれる
また、窒化物半導体基板は、光取り出し向上の観点から、半導体積層構造部が形成される面の反対側に位置する面（すなわち、対向する面）側が加工されたものであってもよいし、光学調整層を更に備えていてもよい。

（３）メサ型の半導体積層構造部
本実施形態において、メサ型の半導体積層構造部はＡｌおよび／またはＧａを含む第１導電型の窒化物半導体層、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層、Ａｌおよび／またはＧａを含む第２導電型の窒化物半導体層、を有するものであれば特に制限されない。すなわち、上記層の他にバッファ層やバリア層、コンタクト層等の他の機能を発現させるための層をさらに備えていてもよい。

本実施形態において、「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導電型の窒化物半導体層がｎ型の場合は、第２導電型の窒化物半導体層がｐ型となる。生産性と発光効率の観点から、第１導電型の窒化物半導体層がｎ型であることが好ましい。
「メサ型」とは、基板平面に対して凸部となる部位を有することを意味する。すなわち、この凸部は、凸部の頂部表面（頂面）と、凸部の側面とで囲まれる構造となる。凸部の側面の基板平面に対する傾斜角は特に制限されないが、該側面における保護膜の被覆率の観点から順テーパー（すなわち、断面視したときに、凸部の底部表面（底面）から頂面に向けて該凸部の幅が徐々に狭くなる形）であることが好ましい。

メサ型の半導体積層構造部を形成する方法は特に制限されないが、例えば、以下の方法による。まず、窒化物半導体基板上にＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の公知の製膜装置を用いて、Ａｌおよび／またはＧａを含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、Ａｌおよび／またはＧａを含む第２導電型の窒化物半導体層とをこの順で積層して（さらに、これら各層の層間や層上にバッファ層やバリア層、コンタクト層等の他の機能を発現させるための層を形成してもよい）半導体積層構造膜を形成する。

次に、半導体積層構造膜上にフォトリソグラフィー法でマスクパターンを形成する。そして、半導体積層構造膜のうち、マスクパターンから露出している領域（すなわち、所望の領域）をドライエッチングやウェットエッチングすることにより、メサ型の半導体積層構造部を形成することが可能である。
（３−１）第１導電型の窒化物半導体層
Ａｌおよび／またはＧａを含む第１導電型の窒化物半導体層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが挙げられる。紫外領域の発光素子では、発光層であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成を変えることで発光波長を調整できる。この際、発光効率の観点から第１導電型の窒化物半導体層としては、発光層よりも高いＡｌ組成を有するＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）であることが好ましい。ｎ型ドーパントとしてはＳｉやＧｅ等が挙げられるがこの限りではない。

第１導電型の窒化物半導体層の膜厚は特に制限されないが、膜厚が小さすぎると（すなわち、薄すぎると）発光素子の抵抗が大きくなり発熱量が大きくなるという課題がある。一方、膜厚が大きすぎると（すなわち、厚すぎると）、用いる基板と第１導電型の窒化物半導体層との格子定数差に起因した転位と呼ばれる欠陥が発生し、発光効率が低下する。以上、素子の発熱と発光効率の観点から、第１導電型の窒化物半導体層の膜厚は０．２μｍ以上２μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．３μｍ以上１μｍ以下である。

（３−２）窒化物発光層
ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層としては、ＡｌＧａＮが挙げられる。窒化物発光層は一層からなっても複数の発光層からなっても構わないが、発光効率の観点から、複数の発光層からなることが好ましい。窒化物発光層が複数の発光層からなる場合は、発光層間にはバリア層と呼ばれる層を挿入することが好ましい。窒化物発光層のＡｌとＧａの比率は発光波長に応じて任意に選択できる。また、バリア層のＡｌ組成比は、発光層のＡｌ組成比より高いことが好ましい。さらに発光層、バリア層はＳｉ、Ｇｅ、Ｍｇなどの元素がドープされていても構わない。

窒化物発光層の膜厚は特に制限されないが、特に複数の発光層を用いる場合には、膜厚が小さすぎると発光層からキャリアがしみ出し、発光効率が低下する。一方、厚みが大きすぎると発光層でのキャリア濃度が低下して発光効率が低下する。さらに、極性を持つ基板を用いた場合には、ピエゾ効果により発光効率が低下するという課題がある。以上、発光効率の観点から、窒化物発光層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以上８ｎｍ以下であることがより好ましい。バリア層の膜厚についても特に限定されないが、小さすぎるとキャリアのしみ出し、大きすぎるとピエゾ効果による発光効率低下が低下してしまう。発光効率の観点から、バリア層の膜厚は２ｎｍ以上１２ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以上１０ｎｍ以下がより好ましい。

（３−３）第２導電型の窒化物半導体層
Ａｌおよび／またはＧａを含む第２導電型の窒化物半導体層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが挙げられる。ｐ型ドープの容易性の観点から、第２導電型の窒化物半導体層はＧａＮであることが好ましい。また、発光した光の取り出し効率の観点からは、第２導電型の窒化物半導体層は、発光層のＡｌ組成より高いＡｌ組成を有するＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０ ＜ ｚ ≦ １）であることが好ましい。ｐ型ドーパントとしてはＭｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｂｅ等が挙げられる。
第２導電型の窒化物半導体層の膜厚は特に制限されないが、光取り出し効率および発光層へのホール注入量の観点から５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより好ましい。

（４）第１の保護膜
本実施形態において、第１の保護膜は、メサ型の半導体積層構造部の側面の少なくとも一部および頂面の一部を覆うものであればよい。耐湿性の向上の観点から、その屈折率は１．４６以下である。耐湿性向上の観点から、第１の保護膜は酸化シリコンであることが好ましい。第１の保護膜を形成する方法は特に制限されないが、例えばプラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、真空蒸着装置等により形成することが可能である。また、第１の保護膜の屈折率を１．４６以下にする方法は特に制限されないが、第１の保護膜を形成した後、熱処理を加えることで屈折率が１．４６以下の保護膜を得ることが可能である。第１の保護膜の膜厚は、生産性やデバイスへの応力の観点から１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることがより好ましい。

（５）第２の保護膜
本実施形態において、第２の保護膜は、第１の保護膜を覆うものであればよい。発光効率低減抑制の観点から、その屈折率は１．４６を超えるものである。耐湿性向上の観点から、第２の保護膜は酸化シリコンであることが好ましい。第２の保護膜を形成する方法は特に制限されないが、例えばプラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、真空蒸着装置により形成することが可能である。第２の保護膜の屈折率を１．４６を超えるものにする方法は特に制限されないが、第２の保護膜を形成した後に熱処理を加えないことで屈折率が１．４６を超える保護膜を得ることが可能である。
第２の保護膜の膜厚は、エッチング時のレジストとの選択比やデバイスへの応力の観点から１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることがより好ましい。

（６）電極部
本実施形態に係る窒化物発光素子は、第１導電型の窒化物半導体層および第２導電型の窒化物半導体層に電気的に接続される電極部を備えていてもよい。発光効率を向上させる観点から、メサ型の半導体積層構造部のうち第１の保護膜に覆われていない領域に電極部が形成されていることが好ましい。電極部が該領域に形成されていることにより、第２の保護膜を形成する際に加わり得る半導体積層構造部へのダメージがより低減され、発光効率が向上するものと推察される。

電極部は単層でもよいが、多層であってもよい。電極部が多層の場合、窒化物半導体層との良好なオーミック接合を取るための第１の電極部と、配線のための第２の電極部からなっていることが好ましい。また、第１導電型の窒化物半導体層上に形成される第１の電極部の材料と、第２導電型の窒化物半導体層上に形成される第１の電極部の材料とが同一であってもよいし、異なっていてもよい。以下、図面を参酌しながら本実施形態の具体例を説明する。

＜本実施形態の具体例＞
（１）構成例
図１は本実施形態に係る窒化物発光素子の構成例を示す断面模式図である。図１に示すように、この窒化物発光素子は、窒化物半導体基板１０と、窒化物半導体基板１０上に形成された半導体積層構造部２０と、半導体積層構造部２０の表面および側面を覆う第１の保護膜３１および第２の保護膜３２と、半導体積層構造部２０に電気的に接続する第１の電極部４１および第２の電極部４２とを備える。

また、半導体積層構造部２０は、例えば、第１導電型の窒化物半導体層２１と、第１導電型の窒化物半導体層２１上に形成された窒化物発光層２２と、窒化物発光層２２上に形成された第２導電型の窒化物半導体層２３とを有する。第１導電型の窒化物半導体層２１はＡｌおよび／またはＧａを含む。窒化物発光層２２はＡｌおよびＧａを含む。第２導電型の窒化物半導体層２３はＡｌおよび／またはＧａを含む。

図１に示すように、メサ型の半導体積層構造部２０は、窒化物半導体基板１０の表面（基板平面）に対して凸部となるように形成されている。この凸部の頂面２０ａと、凸部の底面２０ｃとの間に、凸部の側面２０ｂが位置する。この側面２０ｂは基板平面に対して順テーパーの傾きを有する。また、頂面２０ａの一部と、側面２０ｂの全ておよび底面２０ｃの一部が、第１の保護膜３１で覆われている。また、第１の保護膜３１は第２の保護膜３２で覆われている。メサ型の半導体積層構造部２０の頂部で第１の保護膜３１で覆われていない領域と、半導体積層構造部２０の底部で第１の保護膜３１で覆われていない領域とに、第１の電極部４１および第２の電極部４２がそれぞれ形成されている。

（２）製造方法
次に、図１に示した窒化物発光素子を例に、本実施形態に係る窒化物発光素子の製造方法の一例について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る窒化物発光素子の製造方法を示す断面模式図である。図２（ａ）において、まず、窒化物半導体基板１０上に、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の公知の製膜装置を用いて第１導電型の窒化物半導体層２１、窒化物発光層２２、第２導電型の窒化物半導体層２３を積層して、半導体積層構造膜を形成する。次に、フォトリソグラフィー法でマスクパターンを半導体積層構造膜上に形成する。そして、マスクパターンで部分的に覆われた半導体積層構造膜をドライエッチングやウェットエッチング等でエッチングする。これにより、第２導電型の窒化物半導体層２３、窒化物発光層２２、窒化物半導体層２１を有する、メサ型の半導体積層構造部２０を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、真空蒸着装置等の製膜装置により、窒化物半導体基板１０の全面を覆うように第１の保護膜材料を形成する。次に、形成された第１の保護膜材料に熱処理を加える。この熱処理工程は、第１の保護膜の屈折率を１．４６以下に合わせ込む工程である。
この熱処理工程は、第１の保護膜材料の屈折率が直ちに（すなわち、後述の開口部３１ａ、３１ｂを形成する前に）１．４６以下となるように熱処理を行う工程であってもよいし、第１の保護膜３１の屈折率が最終的に（すなわち、窒化物発光素子が完成した時点で）１．４６以下となるように熱処理を行う工程であってもよい。少なくとも窒化物発光素子が完成した時点で第１の保護膜３１の屈折率が１．４６以下となるように、熱処理の条件（熱処理時間、熱処理温度等）を設定すればよい。

次に、フォトリソグラフィー法でマスクパターンを第１の保護膜材料上に形成する。そして、マスクパターンで部分的に覆われた第１の保護膜材料をドライエッチングやウェットエッチング等でエッチングして開口部を形成する。これにより、図２（ｂ）に示すように、メサ型の半導体積層構造部２０の頂面２０ａ上に開口部３１ａを有するとともに、その底面２０ｃ上に開口部３１ｂを有する第１の保護膜３１を形成する。

その後、第１の電極部材料を窒化物半導体基板１０の全面に蒸着し、マスクパターンをリフトオフする。これにより、図２（ｃ）に示すように、メサ型の半導体積層構造部２０の頂面２０ａ上および底面２０ｃ上にのみ第１の電極部４１を形成する。
なお、ここでは、メサ構造の半導体積層構造部２０の頂面２０ａ上および底面２０ｃ上に第１の電極部４１を同時に形成する方法を説明した。しかしながら、本実施形態では、良好なオーミック接続となる電極部を形成するために、頂部と底部にそれぞれ別々に開口部を形成し、それぞれ異なる材料の第１の電極部材料を蒸着・リフトオフして、第１の電極部４１を形成してもよい。プラズマＣＶＤ装置を用いる場合は、緻密性の高い膜を形成する観点から、第１の保護膜３１は基板温度が２００℃以上３００℃以下の温度で形成されることが好ましい。

次に、プラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、真空蒸着装置等の製膜装置を用いて、窒化物半導体基板１０の全面を覆うように第２の保護膜材料を形成する。そして、フォトリソグラフィー法でマスクパターンを第２の保護膜材料上に形成する。次に、マスクパターンで部分的に覆われた第２の保護膜材料をドライエッチングやウェットエッチング等でエッチングして開口部を形成する。これにより、図２（ｄ）に示すように、メサ型の半導体積層構造部２０の頂部であって第１の電極部４１が形成された領域上に開口部３２ａを有するとともに、この半導体積層構造部２０の底部であって第１の電極部４１が形成された領域上に開口部３２ｂを有する第２の保護膜３２を形成する。

その後、第２の電極部材料を窒化物半導体基板１０の全面に蒸着し、マスクパターンをリフトオフする。これにより、第１の電極部４１上に第２の電極部４２を形成して、図１に示した窒化物発光素子を得ることができる。
ここでは、開口部３２ａ、３２ｂを形成するためのマスクパターンを用いて第２の電極部４２を形成する方法を説明した。しかしながら、本実施形態では、形成する電極部の構造制御精度向上の観点から、開口部３２ａ、３２ｂを形成するためのマスクパターンを第２の電極部材料を形成する前に除去し、第２の電極部４２を形成するためのマスクパターンを別途形成した後で、第２の電極部材料を窒化物半導体基板１０の全面に蒸着し、その後、マスクパターンをリフトオフすることにより、第２の電極部４２を形成してもよい。プラズマＣＶＤ装置を用いる場合は、緻密性の高い膜を形成する観点から第２の保護膜３２は基板温度が２００℃以上３００℃以下の温度で形成されることが好ましい。

ここで、発光効率向上の観点から、第１の保護膜材料をエッチングする工程はウェットエッチングであることが好ましい。これは、ドライエッチングでは第１の保護膜をエッチングする際に、第１の保護膜下部の半導体積層構造部２０にダメージが加わり、コンタクト抵抗が上昇し、発光効率の低下につながるためである。また、発光効率向上の観点から、第２の保護膜材料は酸化シリコンであることが好ましい。

さらに、エッチング容易性の観点からエッチング工程はドライエッチングであることが好ましい。上記のように、ドライエッチングを用いると半導体積層構造部２０にダメージが加わり発光効率が低下する傾向にあるが、本実施形態では、第２の保護膜材料をエッチングする際に、半導体積層構造部２０は第１の保護膜３１および第１の電極部４１でほぼ覆われている。このため、ドライエッチングを適用しても半導体積層構造部２０へのダメージが低減され、発光効率の低下が生じにくい為好適に使用できる。
本実施形態では、頂面２０ａおよび底面２０ｃが本発明の「メサ型の半導体積層構造部の表面」に対応し、側面２０ｂが本発明の「（メサ型の半導体積層構造部の）側面」に対応している。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態に係る窒化物発光素子よれば、後述する実施例で確認したように、発光効率と耐湿性の双方が優れた窒化物発光素子を提供することが可能である。また、本実施形態に係る窒化物発光素子の製造方法によれば、発光効率と耐湿性の双方が優れた窒化物発光素子を、高い生産性で製造することが可能である。

以下、本発明の窒化物発光素子を実施例に基づきながらより詳細に説明する。
（１）実施例
ＡｌＮから成る窒化物半導体基板１０上にＳｉがドープされたＡｌ組成比０．７のＡｌＧａＮから成るｎ型の窒化物半導体層２１を５００ｎｍ、ＡｌＧａＮから成る窒化物発光層２２を４０ｎｍ、ＭｇがドープされたＧａＮから成るｐ型の窒化物半導体層２３を２００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ装置でこの順に積層して、半導体積層構造膜を形成した。次に、フォトリソグラフィー法でマスクパターンを形成し、ドライエッチングやウェットエッチングにより、半導体積層構造膜をエッチングして、図１に示したようなメサ型の半導体積層構造部２０を形成した。

そして、プラズマＣＶＤ法により、基板温度２７５℃にて、窒化物半導体基板１０の全面（以下、基板全面）を覆うように厚さ２３０ｎｍの酸化シリコンを形成した。この後、基板温度８５０℃にて、第１の保護膜に熱処理を加え、屈折率が１．４５の酸化シリコン（第１の保護膜３１）を得た。次に、フォトリソグラフィー法で所望のマスクパターンを形成し、ｎ型窒化物半導体層（メサ型の半導体積層構造部２０の底部）上の酸化シリコンの一部をウェットエッチング処理により除去することでｎ型窒化物半導体層の一部に開口部を設けた。さらに、基板全面にｎ型電極材料としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを蒸着し、マスクパターンをリフトオフすることにより、ｎ型窒化物半導体層の開口部内にｎ型電極（第１の電極部４１）を形成した。

さらに、フォトリソグラフィー法で所望のマスクパターンを形成し、ｐ型窒化物半導体層（メサ型の半導体積層構造部２０の頂部、すなわち、凸部の頂部）上の酸化シリコンの一部をウェットエッチング処理により除去することで、ｐ型窒化物半導体層の一部に開口部を設けた。さらに、ｐ型電極材料としてＮｉＡｕを蒸着し、マスクパターンをリフトオフすることにより、ｐ型窒化物半導体層の開口部内にｐ型電極（第１の電極部４１）を形成した。

次に、プラズマＣＶＤ法により、基板温度２７５℃にて、基板全面を覆うように厚さ２３０ｎｍの酸化シリコン（第２の保護膜３２）を形成した。第２の保護膜３２としての酸化シリコンの屈折率は１．４７であった。フォトリソグラフィー法で所望のマスクパターンを形成した。そして、ｎ型電極とｐ型電極上の窒化シリコンをドライエッチング処理してｎ型電極とｐ型電極の一部が露出した開口部を設けた。さらに、フォトリソグラフィー法でｎ型電極とｐ型電極の一部が露出した開口部よりも少し大きな領域（すなわち、平面視で、縦方向及び横方向の各サイズが少し大きな領域）が開口部となるマスクパターンを形成し、第２の電極部材料としてＡｕを蒸着し、マスクパターンをリフトオフすることにより、ｎ型電極とｐ型電極上にＡｕからなる第２の電極部４２をそれぞれ形成した。

上述した素子構造において、第１の保護膜３１を酸化シリコン、第２の保護膜３２を酸化シリコンとした２層構造の保護膜を形成したことにより、窒化物発光素子全体の周囲は酸化シリコンで保護する構造となっている。
このようにして得られた窒化物発光素子の発光効率をオーシャンオプティックス社製の照度プローブ「ＣＣ−３」および分光器「ＵＳＢ２０００＋」を用い、印加電流を１００ｍＡで測定したところ、発光効率は０．７５％であった。また、この窒化物発光素子の耐湿性を評価するために、ＰＣＴ（プレッシャークッカー試験；１２１℃、２気圧、１００時間）を行い、ＰＣＴ前後の発光強度を測定した結果、ＰＣＴ試験前後でほとんど変化しなかった。

（２）比較例１
実施例における、酸化シリコン（第１の保護膜）の熱処理を加えず、第１の保護膜および第２の保護膜ともに屈折率が１．４７の酸化シリコンを形成した以外は実施例と同様の方法で窒化物発光素子を得た。なお、第１の保護膜の酸化シリコンに熱処理を加えず、その上に熱処理を加えない第２の保護膜としての酸化シリコンを製膜した場合、第１の保護膜の屈折率は１．４６を超えるものとなることが事前に確認されている。このようにして得られた窒化物発光素子の発光効率を実施例と同様の方法で測定したところ、発光効率は０．７５％であった。また、この窒化物発光素子の耐湿性を評価するために、ＰＣＴ試験（１２１℃、２気圧、１００時間）を行い、ＰＣＴ試験前後の発光強度を測定した結果、ＰＣＴ試験後は発光が確認されなかった。

（３）比較例２
第２の保護膜を形成後に、第１の保護膜に対して施した熱処理と同様の熱処理を加え、第１の保護膜および第２の保護膜ともに屈折率が１．４５の酸化シリコンを形成した以外は実施例と同様の方法で窒化物発光素子を得た。このようにして得られた窒化物発光素子の発光効率を実施例と同様の方法で測定したところ、発光効率は０．２５％と実施例に比べ低くなった。窒化物発光素子のフォワード電圧を確認したところ、実施例に比べて高くなっていることがわかった。より詳細に解析した結果、ｐ型電極のコンタクト抵抗が上昇し、発光効率が低下したものと考えられる。

（４）実施例と比較例１、２との比較
表１に実施例および比較例１、２の、各保護膜の構造と測定結果をまとめた。

保護膜として、屈折率が１．４６以下の第１の保護膜と、屈折率が１．４６を超える第２の保護膜を用いた実施例の窒化物発光素子は、発光効率および耐湿性の両方が高いことが理解される。一方、第１の保護膜として屈折率が１．４６以下の酸化シリコンを使用しなかった比較例１の窒化物発光素子は耐湿性が低く、保護膜に屈折率が１．４６以下の酸化シリコンのみを使用した比較例２の窒化物発光素子は、発光効率が十分ではないことが理解される。

（５）考察
この結果について以下に考察する。
実施例で得られた窒化物発光素子は、第１の保護膜は屈折率が１．４６以下の酸化シリコン、第２の保護膜は屈折率が１．４６を超える酸化シリコンの積層構造となっている。第１の保護膜および第１の電極部を形成する際にはエッチング工程が必須となるが、その際に第１の保護膜が酸化シリコンであることによりウェットエッチングを適用した。ウェットエッチングは半導体積層構造部に与えるダメージがドライエッチングと比較して格段に小さい為、この第１の保護膜を形成する工程においては半導体積層構造部には大きなダメージが加わっていないものと考えられる。また、第１の保護膜は成膜後の熱処理から半年が経過しても膜厚と屈折率がほぼ変化しておらず、ほとんど吸湿していないと考えられる。

このことから、実施例で得られた窒化物発光素子は、高い耐湿性が得られているものと考えられる。そして、第２の保護膜は屈折率が１．４６を超える酸化シリコンであり、この第２の保護膜および第２の電極部が素子全体を覆う構造となり、耐湿性が優れた窒化物発光素子が得られているものと考えられる。
なお、第２の保護膜を形成する際のエッチング工程には半導体積層構造部へのダメージの大きくなるドライエッチングを採用したが、第２の保護膜を形成する際には半導体積層構造部は第１の保護膜および第１の電極部で略覆われている（つまり、第２の電極部材料を除去する領域では、第２の電極部材料下に、第１の保護膜および第１の電極部の少なくとも一方が配置されている。）。このため、ドライエッチングによるエネルギーが半導体積層構造部には及ばず、発光効率の低減を抑制できたものと推察される。

一方、比較例１で得られた窒化物発光素子では、保護膜は屈折率が１．４６を超える２層の酸化シリコンからなる。このため、エッチングによるダメージが少なく、ゆえに発光効率の低減は生じていないものの、耐湿性が低くなっている。
また、比較例２で得られた窒化物発光素子では、保護膜は屈折率が１．４６以下の２層の酸化シリコンからなり、実施例と同等の耐湿性を発揮しているものの発光効率が低減している。これは屈折率１．４６以下の酸化シリコンのエッチング速度は、屈折率が１．４６を超える酸化シリコンのエッチング速度と比べて３５％遅く、酸化シリコンが残留しやすい（すなわち、エッチング不足が生じやすい）ことに起因していると考えられる。比較例２において、保護膜の屈折率以外は実施例と同様の構造の窒化物発光素子を得るためには、実施例よりも長い時間のエッチングが必要とり、結果として第１の電極部にダメージが生じたものと推察される。

本発明は、窒化物発光素子に適用するものであり、特に深紫外ＬＥＤに適用して極めて好適である。

１０ 窒化物半導体基板
２０ 半導体積層構造部
２０ａ 頂面
２０ｂ 側面
２０ｃ 底面
２１ 窒化物半導体層
２２ 窒化物発光層
２３ 窒化物半導体層
３１ 第１の保護膜
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ 開口部
３２ 第２の保護膜
４１ 第１の電極部
４２ 第２の電極部

Claims (11)

1. 窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板上で、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第２導電型の窒化物半導体層とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部と、
   前記メサ型の半導体積層構造部の表面および側面を覆う第１の保護膜と、
   前記第１の保護膜を覆う第２の保護膜と、を備え、
   前記第１の保護膜の屈折率は１．４６以下であり、
   前記第２の保護膜の屈折率は１．４６を超える窒化物発光素子。
2. 前記第１の保護膜と第２の保護膜はそれぞれ酸化シリコンである請求項１に記載の窒化物発光素子。
3. 前記第１の保護膜の膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である請求項１または請求項２に記載の窒化物発光素子。
4. 前記第２の保護膜の膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の窒化物発光素子。
5. 前記窒化物半導体基板はＡｌＮ単結晶である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の窒化物発光素子。
6. 前記メサ型の半導体積層構造部のうちの前記第１の保護膜に覆われていない領域に形成された電極部、をさらに備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の窒化物発光素子。
7. 窒化物半導体基板上に、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第１導電型の窒化物半導体層と、ＡｌおよびＧａを含む窒化物発光層と、ＡｌおよびＧａの少なくとも一方を含む第２導電型の窒化物半導体層とがこの順で積層されたメサ型の半導体積層構造部を形成する工程と、
   前記メサ型の半導体積層構造部の表面および側面に第１の保護膜を形成する工程と、
   前記第１の保護膜に熱処理を加える工程と、
   前記１の保護膜上に第２の保護膜を形成する工程と、を備える窒化物発光素子の製造方法。
8. 前記第１の保護膜に熱処理を加える工程は、
   前記第１の保護膜に熱処理を加えて該第１の保護膜の屈折率を１．４６以下に合わせ込む工程である請求項７に記載の窒化物発光素子の製造方法。
9. 前記第２の保護膜を形成する工程は、
   前記第１の保護膜上に屈折率が１．４６を超える第２の保護膜を形成する工程である請求項７または請求項８に記載の窒化物発光素子の製造方法。
10. 前記第１の保護膜と前記第２の保護膜はそれぞれ酸化シリコンである請求項７から請求項９の何れか一項に記載の窒化物発光素子の製造方法。
11. 前記窒化物半導体基板はＡｌＮ単結晶である請求項７から請求項１０の何れか一項に記載の窒化物発光素子の製造方法。

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