特許 5988568 半導体発光素子およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5988568

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月7日

(54)【発明の名称】半導体発光素子およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/36 20100101AFI20160825BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20160825BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/36

   H01L33/32

【請求項の数】2

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2011-249141(P2011-249141)

(22)【出願日】2011年11月14日

(65)【公開番号】特開2013-105917(P2013-105917A)

(43)【公開日】2013年5月30日

【審査請求日】2014年9月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】506334182

【氏名又は名称】ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100165696

【弁理士】

【氏名又は名称】川原 敬祐

(72)【発明者】

【氏名】豊田 達憲

【審査官】 井上 博之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１７１９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３８８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２３５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４４４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６５５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２１２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２５８２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１００４７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００ − ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、第２伝導型の半導体層と、発光層と、前記第２伝導型とは異なる第１伝導型の半導体層とをこの順に含む半導体積層体を形成する工程と、
前記第１伝導型半導体層上に、コンタクト層とオーミック電極層とが積層してなるコンタクト部を形成する工程と、
前記コンタクト部上の一部にマスクを形成する工程と、
該マスクが形成されず露出した前記コンタクト部の部分をエッチングにより除去して、前記第１伝導型半導体層が露出する複数の島状の開口部を前記コンタクト部に形成する工程と、
前記オーミック電極層に接し、前記第１伝導型半導体層と電気的に接続する第１電極を形成する工程と、
前記第２伝導型半導体層に電気的に接続する第２電極を形成する工程と、
を有し、
前記コンタクト層のバンドギャップが、前記発光層のバンドギャップよりも狭く、
前記半導体積層体がＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記コンタクト層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜０．５）であり、
前記マスク形成工程が、酸素雰囲気下のアルミニウム蒸着により、前記コンタクト部上にアルミニウム酸化膜を形成する工程と、該アルミニウム酸化膜を部分的にエッチングする工程と、を含み、
前記複数の島状の開口部の形成は、素子上面から見た場合に、前記複数の島状の開口部が、ランダム形状を有し、不規則に点在するように行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

【請求項2】

前記発光層は紫外光を発する、請求項１に記載の半導体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、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、順方向電圧をさほど上昇させることなく、発光出力を向上させることが可能な半導体発光素子およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、殺菌、浄水、医療、照明、高密度光記録などの分野で用いることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）として、紫外光領域で発光するＬＥＤ、特に発光波長が３５０ｎｍ以下の紫外ＬＥＤ、さらには発光波長が３００ｎｍ以下の深紫外ＬＥＤが注目されている。

【0003】

ここで、このような紫外光を発するＬＥＤとしては、素子材料としてＩＩＩ族窒化物半導体であるＡｌＧａＮ系薄膜、ダイヤモンド薄膜等を用いて素子構造を形成したものが知られている。すなわち、発光層と、この発光層を挟んで形成されるｐ型半導体層およびｎ型半導体層とからなる半導体積層体と、ｐ型半導体層側のｐ側電極およびｎ型半導体層側のｎ側電極とを有する半導体発光素子である。

【0004】

このような半導体発光素子として、特許文献１には、ｐ型コンタクト層の表面に凹凸を設け、凹凸を含むほぼ全面にＩＴＯ膜の正電極を形成することにより、ｐ型コンタクト層と正電極との密着性を高めるとともに接触面積を増加させ、動作電圧を低減させた半導体発光素子が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−２５９９７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

半導体発光素子の特性としては、例えば発光出力や順方向電圧が挙げられ、これらの特性をバランスよく向上させることが重要である。

【0007】

半導体発光素子では、例えばｐ型半導体層に直接ｐ側電極を形成すると、両者の接触抵抗が高く、良好なオーミック接触を得ることができない。そのため、ｐ型半導体層とｐ側電極との間に、ｐ側電極との接触抵抗が小さく、かつ、低抵抗であるｐ型コンタクト層を設けるのが通常である。紫外光領域や青色領域の波長の光を発するＬＥＤの例としてＩＩＩ族窒化物半導体であるＡｌＧａＮ系薄膜を半導体積層体とした場合、ＡｌＧａＮ薄膜はＡｌ組成比が高くなるほどｐ型伝導は高抵抗となる。このように現状では、実用的な高Ａｌ組成のｐ型コンタクト層が得られ難いため、順方向電圧を低くするためには、ｐ型コンタクト層としてＡｌ組成比の小さいＡｌＧａＮ層またはＡｌを含まないＧａＮ層を使用せざるを得ない。

【0008】

しかし、本発明者らが高Ａｌ組成でバンドギャップが広い発光層を有する発光素子を開発するにあたり、発光層のＡｌＧａＮ層よりもｐ型コンタクト層が低Ａｌ組成であるほど、ｐ型コンタクト層のバンドギャップが小さくなることから、発光層が発光した光をｐ型コンタクト層が吸収しやすくなることが判明した。そのため、ｐ型半導体層の全面にＧａＮのようなｐ型コンタクト層を設けた場合、ｐ型半導体層とｐ側電極とのオーミック接触を良好にして低い順方向電圧を得ることはできるものの、ｐ型コンタクト層が光を吸収する結果、高い発光出力を得ることができないことがわかった。このため、発光層の低い順方向電圧と高い発光出力とを両立させて発光効率を向上させることが非常に困難であるという問題があった。

【0009】

さらに、ｐ型コンタクト層に対して良好なオーミック接触を形成できるオーミック電極層、例えばＮｉ／Ａｕなどの金属電極およびＩＴＯなどの電極は、紫外光に対する透過率が低く、やはり紫外光を吸収する。これらの電極は青色などの可視光に対してはある程度高い透過率を有しているため、特許文献１のように青色を発する発光素子では全面電極として使用できる。しかしながら、紫外光を発する半導体発光素子に対してこれらのオーミック電極層を可視光発光素子と同じ形態で用いることについての知見はなく、本発明者らの検討によると、紫外光を発する半導体発光素子では紫外光が吸収される結果、発光出力が非常に下がることが判明した。

【0010】

このような問題はｎ型半導体層とｎ側電極との間にもあてはまる。

【0011】

そこで本発明は、上記課題に鑑み、コンタクト層およびオーミック電極層からなるコンタクト部における光吸収の抑制と、電極と半導体層との良好なオーミック接触との両立を図り、順方向電圧をさほど上昇させることなく発光出力を向上させることが可能な半導体発光素子およびそ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】

【0018】

上記課題に鑑み、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）基板上に、第２伝導型の半導体層と、発光層と、前記第２伝導型とは異なる第１伝導型の半導体層とをこの順に含む半導体積層体を形成する工程と、
前記第１伝導型半導体層上に、コンタクト層とオーミック電極層とが積層してなるコンタクト部を形成する工程と、
前記コンタクト部上の一部にマスクを形成する工程と、
該マスクが形成されず露出した前記コンタクト部の部分をエッチングにより除去して、前記第１伝導型半導体層が露出する複数の島状の開口部を前記コンタクト部に形成する工程と、
前記オーミック電極層に接し、前記第１伝導型半導体層と電気的に接続する第１電極を形成する工程と、
前記第２伝導型半導体層に電気的に接続する第２電極を形成する工程と、
を有し、
前記コンタクト層のバンドギャップが、前記発光層のバンドギャップよりも狭く、
前記半導体積層体がＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記コンタクト層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜０．５）であり、
前記マスク形成工程が、酸素雰囲気下のアルミニウム蒸着により、前記コンタクト部上にアルミニウム酸化膜を形成する工程と、該アルミニウム酸化膜を部分的にエッチングする工程と、を含み、
前記複数の島状の開口部の形成は、素子上面から見た場合に、前記複数の島状の開口部が、ランダム形状を有し、不規則に点在するように行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

【0021】

（２）前記発光層は紫外光を発する、上記（１）に記載の半導体発光素子の製造方法。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、半導体発光素子のコンタクト層とオーミック電極層とが積層してなるコンタクト部に開口部を設けたことにより、コンタクト部における光吸収の抑制と、電極と半導体層との良好なオーミック接触との両立を図ることができる。その結果、順方向電圧をさほど上昇させることなく発光出力を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明に従う、半導体発光素子１００を示す模式断面図である。

【図2】図１に示した半導体発光素子１００の模式上面図である。

【図3】（Ａ）〜（Ｈ）は、本発明に従う、半導体発光素子１００の製造方法の一例を示す模式断面図である。

【図4】フィリップチップ型の実装を行った半導体発光素子１００を示す模式断面図である。

【図5】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ実施例１および実施例２におけるコンタクト部の上面のＳＥＭ画像である。

【図6】図５（Ａ）の拡大ＳＥＭ画像である。

【図7】実施例３におけるコンタクト部のＳＥＭ画像である。

【図8】実施例４におけるコンタクト部の拡大ＳＥＭ画像である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、発光素子の模式断面図においては、説明の便宜上、各層を基板に対して実状とは異なる比率で誇張して示す。なお、図１は図２のＩ−Ｉ断面である。

【0025】

本発明の一実施形態である半導体発光素子１００は、図１に示すとおり、基板１０１上に、バッファ層１０２と、半導体積層体１０６と、コンタクト層１０７とオーミック電極層１０８とが積層してなるコンタクト部１０９と、をこの順に有している。

【0026】

半導体積層体１０６は、第１伝導型の半導体層としてのｐ型半導体層１０５と、発光層１０４と、第１伝導型とは異なる第２伝導型の半導体層としてのｎ型半導体層１０３とからなる。本実施形態では、バッファ層１０２側からｎ型半導体層１０３、発光層１０４、ｐ型半導体層１０５の順に形成される。

【0027】

第１電極としてのｐ型電極１１３は、図１および図２に示すように、コンタクト部１０９、より厳密にはオーミック電極層１０８の一部上に位置し、オーミック電極層１０８に接し、コンタクト部１０９を介してｐ型半導体層１０５と電気的に接続されている。第２電極としてのｎ側電極１１２は、半導体積層体１０６のｎ型半導体層１０３側に形成される。ｎ側電極１１２は、ｎ型半導体層１０３と電気的に接続されている。図１では、その一例として、半導体発光素子１００の一部の領域においてコンタクト部１０９および半導体積層体１０６の一部を除去して、ｎ型半導体層１０３の表面を露出させ、露出したｎ型半導体層１０３上にｎ型電極１１２を設ける、典型的な「ラテラル（lateral）型」発光素子を模式的に示す。

【0028】

基板１０１としては、半導体積層体１０６のエピタキシャル成長の温度に耐性のある基板を用いるのが好ましく、例えばサファイア基板や、ＡｌＮ単結晶層をサファイアなどの基板上に形成したＡｌＮテンプレートが使用できる。

【0029】

バッファ層１０２は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法などの既知の手法を用いて基板１０１上にエピタキシャル成長させる。例えば、厚さ２０〜１５００ｎｍ、好ましくは５００〜１５００ｎｍ、より好ましくは８００〜１０００ｎｍのＡｌＮ層や複数のＡｌＧａＮ層による積層体を用いることができる。バッファ層１０２は、基板１０１とｎ型半導体層１０３との歪緩衝層として機能する。また、バッファ層１０２は組成傾斜層や超格子歪緩衝層を含むこともできる。

【0030】

ｎ型半導体層１０３およびｐ型半導体層１０５は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ材料（０＜ｘ≦１）を、ＭＯＣＶＤ法など既知の手法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成することができる。なお、所望の発光波長での吸収が問題にならないのであれば、ＩＩＩ族元素として、Ｂ、Ｉｎが含まれていても良く、Ｖ族元素として、Ａｓが含まれていても良い。ｐ型不純物としては、Ｂｅ、Ｍｇ、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅが例示できる。

【0031】

発光層１０４は、例えばＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの多重量子井戸構造を挙げることができる。これは、ＭＯＣＶＤ法などにより成長させて形成することができる。発光層１０４は、発光中心波長が３８０ｎｍ以下の紫外光や、４９５ｎｍ以下の可視光（青色、紫色）などを発することが可能な、比較的広いバンドギャップを有する材料とすることができる。紫外光を発する発光層１０４の場合、例えばＧａＮ（ｘ＝０）層を通過する際に吸収が起こり、発光中心波長に対する透過率が５０％以下となる、発光中心波長が３８０ｎｍ以下の紫外光を発する発光層とすることができ、ＧａＮ層をほぼ透過しない発光中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する発光層とすることができ、さらには、発光中心波長が３５０ｎｍ以下の紫外光を発する発光層とすることができる。なお、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの多重量子井戸構造の場合、発光波長は主に井戸層のＡｌ組成比で制御することができる。

【0032】

各層の厚みは、例えばｎ型半導体層１０３は１０００〜５０００ｎｍ、発光層１０４は１０〜１００ｎｍ、ｐ型半導体層１０５は５０〜３００ｎｍとすることができる。

【0033】

ここで、コンタクト部１０９について説明する。

【0034】

まず、ｐ型のコンタクト層１０７をｐ型半導体層１０５上にエピタキシャル成長させる。コンタクト層１０７は、低抵抗なｐ型伝導が得られ、ｐ側電極１１３との接触抵抗がｐ型半導体層１０５よりも低い層である。さらに、コンタクト層はｐ型半導体層１０５と格子整合がよく、ｐ型半導体層１０５上にエピタキシャル成長可能な格子定数を有することが好ましい。

【0035】

コンタクト層１０７のバンドギャップは、発光層１０４のバンドギャップよりも狭い場合に、本発明の効果が非常に大きい。この場合、発光層１０４から発した光のコンタクト層１０７による吸収の問題が顕著に生じるためである。

【0036】

半導体積層体１０６が例えばＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合、コンタクト層１０７のＡｌ組成は、発光層よりもバンドギャップが狭くなる組成、または、発光層からの発光中心波長に対する透過率が５０％未満となる組成である場合に本発明の効果が非常に大きい。コンタクト層１０７のＡｌ組成は、組成式をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとした場合、発光波長にもよるが、例えば０≦ｘ＜０．５とすることが好ましく、０≦ｘ≦０．０５がより好ましい。この場合コンタクト層１０７は、Ａｌ含有量が少ない、または、Ａｌを含まないため、ｐ型半導体層１０５との格子整合が良く、また、ｐ側電極１１３との接触抵抗がｐ型半導体層１０５よりも十分に低いからである。すなわち、ｘ＜０．５とすれば、キャリア密度が大幅に減少することがなく好ましく、ｘ≦０．０５とすれば、ＧａＮと同様に低いコンタクト抵抗を得ることが容易であるためより好ましい。なお、発光中心波長が３５０ｎｍ以下の紫外光を発する発光層の場合、コンタクト層をｘ＝０．０５とした場合であっても、コンタクト層による光の吸収が大きい。なお、コンタクト層はＩｎなど他の同族元素を少量含んでいてもよい。

【0037】

次に、ｐ側のオーミック電極層１０８を、ｐ型コンタクト層１０７上に形成する。オーミック電極層１０８は、ｐ型コンタクト層１０７とのオーミック接触を形成するのに適した、接触抵抗の低い層とする。例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、ＩＴＯ、Ｐｔ等の金属とＡｕ、Ｒｈなどの金属との組み合わせによるオーミック電極層が好ましい。また、ｐ側オーミック電極層１０８は、ｐ側電極１１３と金属接合ができることが必要である。

【0038】

コンタクト部１０９を構成するコンタクト層１０７およびオーミック電極層１０８は、いずれも発光層１０４で発生する光を吸収するものである。なお、コンタクト部１０９は該光の一部を吸収し一部を透過または反射させてもよいが、発光中心波長に対し５０％以上吸収する場合に本発明の効果が得られやすい。

【0039】

ここで、本発明の特徴的構成は、図１および図２に示すように、コンタクト部１０９が、ｐ型半導体層１０５が露出する島状の開口部１１１を有することである。ｐ型半導体層１０５上の開口部１１１では、発光層１０４で発生した光が、コンタクト部１０９を構成するコンタクト層１０７およびオーミック電極層１０８に吸収されることがない。そのため、開口部１１１から光を外部に有効に取り出すことができる。一方で、ｐ型半導体層１０５上のコンタクト部１０９を形成した領域では、ｐ型半導体層１０５とｐ側電極１１３とは、オーミック電極層１０８およびコンタクト層１０７を介して良好なオーミック接触を得ることが出来る。このように本発明では、コンタクト部１０９に開口部１１１を設けたことにより、コンタクト部による光吸収の抑制と、電極と半導体層との良好なオーミック接触との両立を図ることができる。その結果、順方向電圧をさほど上昇させることなく、発光出力を向上させることが可能となる。

【0040】

また、本発明ではコンタクト部１０９の中に島状の、すなわち孤立した開口部１１１が存在する構成なので、孤立したコンタクト部を形成せず、図２に示すように、コンタクト部１０９の全体がｐ側電極１１３と電気的に接続されている状態を実現しうる。よって、ｐ側電極１１３の直下の半導体積層体のみならず、コンタクト部１０９の位置する領域およびその近傍の下方の半導体積層体にも十分に電流を流すことができる。これが発光効率の向上につながる。

【0041】

ｐ側電極１１３の位置は、ｐ側電極１１３がコンタクト部１０９のオーミック電極層１０８の一部と接触していれば、特に図２には限定されない。

【0042】

本発明は、本実施形態のように、第１伝導型半導体層すなわち開口部から露出する半導体層がｐ型半導体層であると効果的である。ｐ型半導体層１０５は、ｎ型半導体層に比べて層内を電流が広がりにくいため、コンタクト部１０９をｐ側電極１１３直下のみならず、ｐ型半導体層１０５上のなるべく広い範囲に延在させることが好ましいためである。つまり、ｐ型半導体層１０５上の全面にコンタクト部１０９を形成し、その一部を開口部１１１とすることにより、より広い範囲で発光を得つつ、発光効率をより高めることが可能となる。

【0043】

また、開口部から露出する半導体層がｐ型半導体層である場合、図２に示すように、複数の開口部１１１がｐ型半導体層１０５上に分散している、すなわち、素子上面から見たときに、開口部１１１がその面全体に分散して分布していることが好ましい。その結果、コンタクト部１０９もｐ型半導体層１０５上全体に敷設することになり、ｐ側電極１１３から供給される電流を、ｐ型半導体層１０５の全体に供給できるからである。

【0044】

素子上面から見たコンタクト部１０９中の開口部１１１の配置パターンは特に限定されず、図２の模式図に例示するような規則的なパターンで形成してもよいし、図５のようなランダムなパターンで形成してもよい。

【0045】

素子上面から見た開口部の形状は特に限定されないが、図５のように不均一である、すなわち、複数の開口部の形状は規則性が無く不揃いであることが好ましい。ｐ型半導体層１０５の一部の側面が開口部１１１の側面としてコンタクト部１０９下に存在するため、開口部１１１が不均一な形状であれば、上面からみたｐ型半導体層１０５の露出面積が同じ（開口率が同じ）であっても開口部の側面の面積を含めたｐ型半導体層１０５の合計露出面積が大きくなることから開口部１１１からの光取り出し効率が向上する。

【0046】

ここで、良好なオーミック接触と高い光取り出し効率との両立を十分に得る観点から、ｐ型半導体層１０５上のコンタクト部１０９を設けた面積をＳ１とし、開口部１１１の総和の面積をＳ２としたとき、開口率（Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２））は０．０５〜０．６５の範囲であることが好ましく、０．２〜０．４の範囲がさらに好ましい。開口率が０．０５以上であれば、開口部による光取り出し向上の効果が確実に得られ、開口部の割合が０．６５以下であれば、コンタクト部１１１が不連続となる箇所が発生しにくく、十分なオーミック接触を得ることができるからである。

【0047】

ｎ側電極１１２としては、ｎ型半導体１０３との接触抵抗が低いという理由から、例えば真空蒸着法によりＴｉ含有膜およびＡｌ含有膜を順次蒸着させたＴｉ／Ａｌ電極を用いることができる。ｐ側電極１１３としては、ｐ型半導体層１０５との接触抵抗が低いという理由から、例えば真空蒸着法によりＮｉ含有膜およびＡｕ含有膜を順次蒸着させたＮｉ／Ａｕ電極、およびＮｉ／Ｐｔ電極を用いることができる。

【0048】

これまで、本発明における第１伝導型をｐ型、第２伝導型をｎ型として、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１００を説明したが、本発明はこれに限定されず、第１伝導型をｎ型、第２伝導型をｐ型としても良いことは勿論である。この場合、オーミック電極層１０８の材料としては、ｎ型半導体層であるｎ−ＡｌＧａＮと比較的良好なオーミック接触を形成するＴｉ／Ａｌ、Ｍｏ／Ａｌ、などの金属とすることが好ましい。

【0049】

次に、半導体発光素子１００の製造方法の一例を、図３を用いて説明する。まず、図３（Ａ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、基板１０１上にバッファ層１０２を形成する。次に、図３（Ｂ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層１０２上に第２伝導型であるｎ型の半導体層１０３、発光層１０４、および第２伝導型とは異なる第１伝導型であるｐ型の半導体層１０５、ｐ型のコンタクト層１０７を順にエピタキシャル成長させて、半導体積層体１０６およびｐ型のコンタクト層１０７を形成する。次に、図３（Ｃ）に示すように、ｐ型のコンタクト層１０７上にｐ側のオーミック電極層１０８を順に積層し、コンタクト部１０９を形成する。ｐ側オーミック電極層は、スパッタ法、真空蒸着法などにより製膜することができる。ｐ側オーミック電極層形成後、アニール工程を行うことが好ましい。

【0050】

次に、図３（Ｄ）および（Ｅ）に示すように、コンタクト部１０９上の一部、厳密にはオーミック電極層１０８上の一部にマスク１１０を形成する。まず、マスク材料の層を全面に形成し（図３（Ｄ））、その後、この層をパターニングする（図３（Ｅ））。これは、次工程でコンタクト層１０７およびオーミック電極層１０８を部分的にエッチングする際、マスク１１０の下部のエッチングを防ぐためである。このマスク１１０の形状により、コンタクト部１０９および開口部１１１の形状が決まる。そのため、マスク１１０は上面視で、矩形または円形などの所定またはランダム形状の開口部が不規則または規則的に点在する形状となるように形成する。

【0051】

マスク１１０のパターン形成方法は特に限定されず、マスク材料の層をオーミック電極１０８上の全面に形成し、フォトリソグラフ法を用いてそのマスク材料の層上にレジストパターンを形成して、露出したマスク材料層部分のみエッチングすることにより、フォトマスクと同じパターンを有するマスクを形成することができる。

【0052】

このようなフォトマスクを用いる一般的手法では、任意のフォトマスクを用いることで所望のパターンのマスク１１０が得られるという利点がある。しかし、開口部は微細であるほど、露出したｐ型半導体層１０５上で電気が流れ易いため好ましいところ、設計上の制限からフォトマスクパターン幅を１〜２μｍ以下にして微細な開口形状を形成することは困難であり、また、工程が煩雑である。

【0053】

本発明者らは、フォトリソグラフ法を用いない効果的なマスク形成工程を開発した。このマスク形成工程は、酸素雰囲気下の金属蒸着により、コンタクト部１０９の全面上に金属酸化膜１１０を形成する工程と、この金属酸化膜１１０を部分的にエッチングする工程と、を有する。このマスク形成工程に用いる金属としては、後のエッチング用のマスクとして用いることができ、さらにフォトマスクを用いることなく不均一な複数の開口部を形成できるものであればどのような金属を用いてもよいが、例えばアルミニウムが好ましい。本発明者らは、酸素雰囲気下のアルミニウム蒸着により形成したアルミニウム酸化膜は、フォトマスクを用いることなく、単にウェットエッチング環境下にさらすのみで、部分的にエッチングされ、寸法および形状が不均一な複数の微細な形状の開口部がオーミック電極層１０８上に分散したパターンのマスク１１０（図３（Ｅ））を形成できることを見出した。微細な開口部とは例えば幅が２μｍ以下の開口部である。

【0054】

特定の条件の酸素雰囲気下のアルミニウム蒸着により形成したアルミニウム酸化膜は、面内の酸素濃度が不均一であり、ドライエッチング用のマスクとして利用できる酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）以外に、部分的にアルミニウムまたは酸化数の異なるアルミニウム酸化物が形成されると考えられる。このことに起因して、面内でのエッチング性の相違が発生するためであると考えられる。この方法で作製したマスクを用いて形成すると、不規則で微細かつ不均一な形状の開口部を適度に分散して形成することができる。なお、第１電極をコンタクト部１０９上の一部に形成する場合において、開口部を適度に分散して形成するとは、コンタクト部１０９がｐ型半導体層１０５上全体で電気的な連続性を維持できる程度に開口させることである。電流の広がりを維持し開口による順方向電圧の上昇を抑制するためである。第１電極をコンタクト部１０９上全面に形成する場合においては、このコンタクト部１０９の電気的な連続性は好ましい形態であるが必須ではない。また、アルミニウム酸化膜の形成条件やエッチング条件によって開口率を制御できるうえ、フォトマスクを用いる方法に比べて工程が簡易であるという利点があるためより好ましい。

【0055】

アルミニウム酸化膜の蒸着条件は上記のような開口部が形成できる条件であれば特に限定されないが、例えば以下のようなものとすればよい。酸素の流量は５〜１５ｓｃｃｍ程度、ＥＢ蒸着装置の内部圧力は５．０×１０^−３〜５．０×１０^−２Ｐａ程度とする。成膜速度は０.５〜２．０Å／秒で、５００〜５０００Å程度の厚みで形成すればよい。

【0056】

アルミニウム酸化膜のエッチング条件は特に限定されないが、例えば６３ＢＨＦに３〜１０分程度浸漬させればよい。また、アルミニウム酸化膜に寸法および形状が不均一な複数の開口部が形成される。この開口部を拡大するべく、引き続きドライエッチングを行ってもよい。このとき、圧力は１．０〜４．０Ｐａ程度、エッチングガスはＣＦ_４／Ｏ_２として、流量はそれぞれ１０〜２５ｓｃｃｍ／２〜５ｓｃｃｍ程度、エッチング時間は０．５〜３．０分程度とすればよい。

【0057】

マスク１１０の形成後、図３（Ｆ）に示すように、マスク１１０が形成されず露出したコンタクト部１０９の部分をエッチングにより選択的に除去して、ｐ型半導体層１０５が露出する島状の開口部１１１を形成する。この選択エッチングの方法としては、例えば塩素系ガスやＡｒガスを用いたドライエッチング法を用いることができ、コンタクト層１０７およびオーミック電極層１０８の材料により適宜選択すればよい。

【0058】

図３（Ｆ）に示すように、ｐ型半導体層１０５が例えば１０〜２００ｎｍ程度削れるまでエッチングすることが好ましい。これにより、コンタクト層１０７を確実にエッチング除去することができる。また、開口部１１１におけるｐ型半導体層１０５の側面には複雑な凹凸形状が形成されるため、コンタクト部１０９下のｐ型半導体層１０５に侵入した光はｐ型半導体層１０５からなる開口部１１１の側面のこの凹凸によってスムーズに出射する。このため、この側面で反射することによりコンタクト層に吸収される光は少なく、発光出力が向上する。

【0059】

その後、エッチングによりマスク１１０を除去する（図３（Ｇ））。マスクは、例えばフッ化水素を用いたウェットエッチングで除去することができる。

【0060】

その後、図３（Ｈ）に示すように、オーミック電極層１０８の一部上に、ｐ型半導体層１０５と電気的に接続する第１電極１１３を形成し、さらに、ｎ型半導体層１０３に電気的に接続する第２電極１１２を形成する。ｎ側電極１１２は、例えばドライエッチングまたはウェットエッチングなどにより、半導体積層体１０６の一部を除去して、ｎ型半導体層１０３の表面を露出させ、露出したｎ型半導体層１０３上に、スパッタ法または真空蒸着法などにより形成することができる。ｐ側電極１１３は、同じくスパッタ法または真空蒸着法などにより、コンタクト部１０９上およびｐ型半導体層１０５上の一部に、直接形成することができる。

【0061】

以上、ラテラル型の半導体発光素子１００の製造方法を説明したが、本発明は、フィリップチップ型、および、垂直（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）型の半導体発光素子に適用することもできる。以下に、その製造方法の一例を示す。

【0062】

フィリップチップ型とする場合の製造方法は、開口部１１１を有するコンタクト部１０９を形成する工程までは、実施形態１の製造方法として図３（Ｇ）までに示した工程と同様であり、その後、ｐ側電極１１３は、スパッタ法または真空蒸着法などにより、コンタクト部１０９および開口部１１１のｐ型半導体層上の全面に直接形成する。このとき、ｐ側電極１１３には反射率の高い金属を用いることが好ましく、例えばＭｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｗが挙げられる。ｎ側電極１１２は、例えばドライエッチングまたはウェットエッチングなどにより、半導体積層体１０６の一部を除去して、ｎ型半導体層１０３の表面を露出させ、露出したｎ型半導体層１０３上に、スパッタ法または真空蒸着法などにより形成することができる。そして、実装する際には、図４のようにバンプ１１４を用いる。本実施形態でも、開口部に到達した光はコンタクト部１０９に吸収されることなくｐ側電極１１３に反射されるため、発光効率を向上させることができる。

【0063】

垂直型とする場合は、バッファ層にリフトオフ可能な材料を用いる以外は、開口部１１１を有するコンタクト部１０９を形成する工程（図３（Ｇ））までは、実施形態１の製造方法として図３で示した工程と同様であり、その後、コンタクト部１０９上に順次、ｐ側電極、接着金属層、サポート基板を形成する。

【0064】

ｐ側電極は、スパッタ法または真空蒸着法などにより、コンタクト部および開口部のｐ型半導体層上の全面に直接形成する。このとき、ｐ側電極には反射率の高い金属を用いることが好ましく、紫外光に対しては例えばＭｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｗが挙げられる。

【0065】

接着金属層は、接合によりサポート基板と接続する場合は、Ａｕ含有材料とするのが好ましく、より好ましくはＡｕまたはＡｕＳｎとする。めっき法によりサポート基板を形成する場合はＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属やＮｉ，Ｃｕのいずれかを含む材料を用いるのが好ましい。また、ケミカルリフトオフ法により基板を剥離する際に使用するエッチング液に対して耐性を持つ金属を選択することが望ましい。接着金属層からのＡｕの拡散を止めるバリア層として、接着金属層とｐ側電極との間に、Ｐｔ含有材料からなるバリア層をさらに形成してもよい。

【0066】

サポート基板は、放熱性の良い材料からなるものとすることができ、例えば導電性Ｓｉ基板やＭｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕおよびこれらの合金を材料とする基板を用いるのが好ましい。上記のようにめっき法により直接形成してもよいが、その場合は、その後のケミカルリフトオフのエッチング液に対する耐性を有する材料を選択することが好ましい。

【0067】

続いて、バッファ層をエッチングなどにより除去し、半導体積層体から基板を剥離する。そして、この剥離により露出したｎ型半導体層上にｎ側電極を形成する。このようにして、垂直型の半導体発光素子を製造することができる。なお、垂直型の場合、このようにバッファ層を除去する必要があるため、バッファ層は、ケミカルリフトオフが可能な金属材料である、クロム(Ｃｒ）、スカンジウム(Ｓｃ)、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム(Ｚｒ)などか、または、これらの金属窒化物で作製することが好ましい。

【0068】

上述したところはいずれも代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

【実施例】

【0069】

（実施例１）
サファイア基板(０００１)面上にＡｌＮエピタキシャル層を有するＡｌＮテンプレートの上に、ＭＯＣＶＤ法により、初期層としてＡｌＮ層を積層後、超格子歪緩衝層としてＡｌＮ／ＧａＮ超格子層、ｉ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型窒化物半導体層としてＡｌＧａＮ（コンタクト層、クラッド層のＡｌ組成：０．２３）、発光波長が３４０ｎｍの発光層としてＩｎＡｌＧａＮ量子井戸型構造（井戸層のＡｌ組成：０．１５）、ｐ型窒化物半導体層としてＡｌＧａＮ（ブロック層のＡｌ組成：０．４７、ガイド層とクラッド層のＡｌ組成：０．２２、クラッド層の厚さ：１６０ｎｍ）、を順次エピタキシャル成長させ、半導体積層体を形成した。さらに、最上層のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層上にｐ型コンタクト層としてＧａＮ（厚み：５０ｎｍ）をエピタキシャル成長させた。なお、上記の超格子歪緩衝層は第１の層をＧａＮとし、ＡｌＮ層（厚さ９ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に２０組積層した超格子層Ｉと、ＡｌＮ層（厚さ２．７ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に３０組積層した超格子層ＩＩと、ＡｌＮ層（厚さ０．９ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に５０組積層した超格子層ＩＩＩとを順次積層した構造とし、ＧａＮ層（第１の層）には、Ｍｇを添加した。

【0070】

ｐ型コンタクト層上に、ｐ側オーミック電極層（Ｎｉ：厚さ１０ｎｍおよびＡｕ：厚さ２０ｎｍ）をスパッタ法により形成した。その後、５５０℃による熱処理を行った。

【0071】

その後、ＥＢ蒸着機にて真空引き後に酸素ガスを導入しながらＡｌを蒸着することにより、ｐ側オーミック電極膜上にマスク材としてアルミニウム酸化膜（厚さ２００ｎｍ）を成膜した。このとき、酸素ガスは１０ｓｃｃｍ、１×１０^−２Ｐａとし、１Å／ｓｅｃにて成膜した。その後、ＢＨＦに１０分間浸漬したところ、アルミニウム酸化膜が部分的にエッチングされ、ｐ側オーミック電極層が部分的に露出した島状の穴を有するマスクが形成された。その後、１Ｐａの圧力で、流量が２０ｓｃｃｍの塩素ガスによる３分間のドライエッチングによりマスクに覆われていない部分のｐ側オーミック電極層を除去し、さらに、４Ｐａの圧力で、流量が２２．５ｓｃｃｍの塩素ガスと７．５ｓｃｃｍの４塩化ケイ素ガスとの混合ガスに１．５分間曝露することによりマスクに覆われていない部分のｐ型コンタクト層を除去した。後処理として、１Ｐａの圧力で、流量が２０ｓｃｃｍのアルゴンガスに３．５分曝露した。４５％フッ化水素酸（ＨＦ）に１５秒間浸漬して、アルミニウム酸化膜のマスクを完全に除去した。マスク除去後の表面のＳＥＭ写真（倍率１万倍）を図５（Ａ）に示す。このように、複数の島状の開口部を有するコンタクト部が形成された。素子上面から見た複数の開口部の形状は不均一な形状であった。また、この表面の拡大写真（倍率５万倍）を図６に示す。このように、ｐ型半導体層を有する開口部の側部と底部には凹凸が見られた。開口率は、ＳＥＭ写真の面積比から計算したところ、３０．３％であった。

【0072】

ドライエッチング法によりｎ型窒化物半導体層の表面を一部露出させ、ｎ側電極（Ｔｉ／Ａｌ）をｎ型窒化物半導体層上に形成し、５５０℃でアニール後、ｐ側電極（Ｔｉ／Ａｕ）を、上記開口部を有するコンタクト部上に形成し、本発明にかかる半導体発光素子を作製した。

【0073】

（実施例２）
ｐ側オーミック電極層が部分的に露出した島状の穴を有するマスクを形成した後に、４Ｐａの圧力で、流量が２１ｓｃｃｍの４フッ化メタンガスと４ｓｃｃｍの酸素ガスとの混合ガスに２．５分間曝露する工程を追加したこと以外は、実施例１と同様の方法で、半導体発光素子を作製した。マスク除去後の表面のＳＥＭ写真（倍率１万倍）を図５（Ｂ）に示す。素子上面から見た複数の開口部の形状は不均一な形状であった。このように、上記処理によってマスクの穴が拡張し、開口率は、ＳＥＭ写真の面積比から計算したところ、３８．３％であった。また、ｐ型半導体層を有する開口部を観察したところ、実施例１にみられたような凹凸が見られた。

【0074】

（実施例３）
実施例１の手順においてｐ側オーミック電極層形成後の熱処理を行った後、ｐ側オーミック電極膜上にマスク材としてアルミニウム酸化膜の代わりにＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜を成膜し、ＳｉＯ_２膜上にフォトリソグラフ法により直径５μｍ、中心間間隔１０μｍの開口部を複数有するフォトレジストのパターンを形成した。その後、レジストパターンをマスクとしてドライエッチング法によりＳｉＯ_２膜のエッチングを行い、レジストを除去した。こうして形成したＳｉＯ_２膜パターンを複数の島状の開口を有するマスクとして使用し、実施例１と同様のドライエッチング法によりｐ側オーミック電極およびｐ−コンタクト層をエッチングし、その後、ＢＨＦに浸漬してＳｉＯ_２マスクを除去した。マスク除去後の表面のＳＥＭ写真（倍率５千倍）を図７に示す。その後、実施例１と同様にして半導体発光素子を作成した。その結果、コンタクト部には、フォトマスクのパターンと対応した形状の開口部が形成され、すなわち、直径５μｍの開口部が１０μｍピッチで均一に形成された。開口率は、フォトマスク設計上は１９％であり、ＳＥＭ写真の面積比から計算したところ、２０％であった。

【0075】

（実施例４）
ｐ側オーミック電極膜上にマスク材としてアルミニウム酸化膜（厚さ２００ｎｍ）を成膜した後のマスク材のＢＨＦへの浸漬時間を１０分から６分に変えた以外は、実施例１と同様に行った。コンタクト部の拡大写真（倍率５万倍）を図８に示す。開口部の形状は不均一な形状であった。開口率は、ＳＥＭ写真の面積比から計算したところ、２０％であった。なお、素子上面から見た複数の開口部の形状は実施例１と同様であり、実施例３とは開口部の形状が異なるが開口率は等しかった。

【0076】

（実施例５）
アルミニウム酸化膜のマスクを完全に除去した後に、開口部およびコンタクト部の全面を覆うように、スパッタ法により反射電極（Ｒｕ、厚さ５０ｎｍ）を形成し、ｐ側電極（Ｔｉ／Ａｕ）を、上記の反射電極上に形成した以外は、実施例１と同様に行った。

【0077】

（実施例６）
発光層として、発光波長が４６５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸型構造を用いた以外は、実施例２と同様に半導体発光素子を形成した。

【0078】

（比較例１〜６）
マスク形成およびドライエッチングによるコンタクト部の開口部の形成をしない以外は、それぞれ実施例１〜６と同様に半導体発光素子を形成した。

【0079】

（評価方法）
得られた発光素子に定電流電圧電源を用いて２０ｍＡ、５０ｍＡまたは１００ｍＡの電流を流したときの発光出力Ｐｏおよび順方向電圧Ｖｆを測定した。表１中、実施例１〜６のＰｏ比は、それぞれ比較例１〜６におけるＰｏ値を１とした場合の相対値である。表１中実施例１〜６のΔＶｆは、それぞれの試験例におけるＶｆの実測値からそれぞれ比較例１〜６におけるＶｆの実測値を差し引いた値である。ΔＶｆは、小さいほどコンタクト面積減少の影響が小さく優れた特性であることを示す。Ｐｏについては、相対値が大きいほど発光出力向上効果が大きく優れた特性であることを示す。なお、Ｐｏは、反射電極を形成した実施例５は反射によりサファイア基板側から取り出された光について測定し、それ以外は開口部を有するｐ型窒化物半導体層側から取り出された光について測定した。

【0080】

【表1】

【0081】

（評価結果）
実施例１〜５は比較例１〜５に対し、Ｐｏについては概ね１．３倍から２倍以上となり、Ｖｆについては僅かな上昇しかなかった。よって、順方向電圧をさほど上昇させることなく、発光出力を大幅に向上させることができた。また、開口率が大きいほど出力向上効果が大きくなる傾向を示した。

【0082】

さらに、開口率の等しい実施例３と実施例４とを比較すると、実施例３よりも実施例４のＰｏは高いことが判明した。フォトリソグラフ法では、フォトマスクパターン幅の設計上の制限から１〜２μｍ以下の微細な開口部を形成することは容易ではなかったため、実施例３では各々の開口部が大きく、実施例４のような各々が幅２μｍ以下の微細かつ複雑な形状であって不均一な開口形状の集まりではないということも要因として考えられる。また、実施例４よりも実施例３のΔＶｆは高いことが判明した。これは、実施例３における各々の開口部の中心部は、コンタクト部から遠いために電気が流れにくく、Ｖｆが上昇しやすいことが要因として考えられる。さらには、ＳＥＭ写真から、実施例３の開口部底面は比較的平坦であるが、実施例４の開口部底面は実施例３に比べると凹凸を有することが分かった。不均一な開口形状であるので開口面内のエッチング速度も不均一となり、開口部のｐ型窒化物半導体層の表面が凹凸となったことも発光出力の向上に寄与していると推察される。

【0083】

また、青色発光ダイオードでの実施例６は、比較例６に対してＰｏについて１４％程度の向上効果が得られた。ただし、実施例１〜５のほうがより効果が得られた。これは、紫外発光ダイオードの実施例２と比較して波長が長く、コンタクト層による光の吸収が少ない素子であるためと考えられる。よって、本発明の効果は、コンタクト層のバンドギャップが発光層のバンドギャップよりも狭い発光素子、特に紫外光を発する発光素子に対して非常に有効な効果を有することが判明した。

【0084】

実施例５における反射電極を形成した場合であっても、Ｐｏについて３０％程度の向上効果が得られており、本発明の効果を有することが確認された。なお、測定条件の違いもあるため、実施例１に対して割合が小さかったことの理由は判明していない。理由の一つとしては、反射電極の反射率は１００％ではなく、実質の反射率が低かったことが挙げられる。

【0085】

なお、リフトオフ層としてＳｃＮを用い、ｐ側電極として紫外光の反射率の高いＲｕを全面に形成し、接続金属としてＡｕＳｎを用いて導電性Ｓｉ基板に接合した垂直型の半導体発光素子を形成した場合でも、類似の効果を得ることができた。

【産業上の利用可能性】

【0086】

本発明によれば、半導体発光素子のコンタクト層とオーミック電極層とが積層してなるコンタクト部に開口部を設けたことにより、コンタクト部における光吸収の抑制と、電極と半導体層との良好なオーミック接触との両立を図ることができる。その結果、順方向電圧をさほど上昇させることなく発光出力を向上させることが可能となる。

【符号の説明】

【0087】

１００ 半導体発光素子
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ ｎ型半導体層（第２伝導型半導体層）
１０４ 発光層
１０５ ｐ型半導体層（第１伝導型半導体層）
１０６ 半導体積層体
１０７ コンタクト層
１０８ オーミック電極層
１０９ コンタクト部
１１０ マスク
１１１ 開口部
１１２ ｎ側電極（第２電極）
１１３ ｐ側電極（第１電極）
１１４ バンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】