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(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】P2024167927
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】ＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 33/36 20100101AFI20241128BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20241128BHJP
H01S 5/11 20210101ALI20241128BHJP
H01S 5/323 20060101ALI20241128BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20241128BHJP
【ＦＩ】
H01L33/36
H01L33/32
H01S5/11
H01S5/323 610
H01L21/28 301B
H01L21/28 301R
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023084241
(22)【出願日】2023-05-23
(71)【出願人】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100159628
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 雅比呂
(74)【代理人】
【識別番号】100147728
【弁理士】
【氏名又は名称】高野 信司
(72)【発明者】
【氏名】藤原 崇子
(72)【発明者】
【氏名】江本 渓
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼島 啓次郎
【テーマコード（参考）】
4M104
5F173
5F241
【Ｆターム（参考）】
4M104AA04
4M104BB07
4M104BB09
4M104BB14
4M104BB15
4M104CC01
4M104DD35
4M104DD79
4M104DD81
4M104FF17
4M104GG04
4M104HH05
4M104HH15
4M104HH20
5F173AB52
5F173AB90
5F173AH22
5F173AK21
5F173AP05
5F173AP09
5F173AP71
5F173AQ05
5F173AR63
5F173AR92
5F241AA21
5F241AA43
5F241CA05
5F241CA12
5F241CA40
5F241CA65
5F241CA66
5F241CA92
5F241CA93
5F241CA98
(57)【要約】 （修正有）
【課題】安定で優れたコンタクト特性、電気的特性を有し、かつ信頼性の高いＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】（ａ）ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を含むエピウエハを形成し、（ｂ）エピウエハのｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、（ｃ）エピウエハの前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、（ｄ）ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行う。ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、コンタクト電極層のＧａ濃度は拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい。
【選択図】図３
【解決手段】（ａ）ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を含むエピウエハを形成し、（ｂ）エピウエハのｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、（ｃ）エピウエハの前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、（ｄ）ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行う。ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、コンタクト電極層のＧａ濃度は拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
（ａ）ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を含むエピウエハを形成し、
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記エピウエハの前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｄ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記エピウエハの前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｄ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項2】
（ａ）ＧａＮ系半導体からなり、裏面が窒素（Ｎ）極性面である半導体基板上に、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を成長してエピウエハを形成し、
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記半導体基板の前記裏面を研磨し、
（ｄ）前記半導体基板の研磨面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｅ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記半導体基板の前記裏面を研磨し、
（ｄ）前記半導体基板の研磨面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｅ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項3】
前記レーザ処理は、前記エピウエハのスクライビング及び溝形成のうち少なくとも１つを含む処理である請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項4】
前記拡散防止層は、白金（ＰＴ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）及びイリジウム（Ｉｒ）のうち少なくとも１つを含む請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項5】
前記レーザ処理のレーザ照射領域は、前記ＧａＮ系半導体発光素子の発光領域の同軸であるように配置されている請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項6】
前記レーザ処理のレーザ照射領域は、前記ｎ電極に対応した形状を有する請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項7】
ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極と、
前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に形成されたｎ電極と、を有し、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で前記窒素（Ｎ）極性面上に形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きいＧａＮ系半導体発光素子。
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極と、
前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に形成されたｎ電極と、を有し、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で前記窒素（Ｎ）極性面上に形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きいＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項8】
前記拡散防止層は、白金（ＰＴ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）及びイリジウム（Ｉｒ）のうち少なくとも１つを含む請求項７に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項9】
前記コンタクト電極層はチタン（Ｔｉ）を含み、前記接続金属層は金（Ａｕ）を含む請求項７又は８に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項10】
前記ＧａＮ系半導体発光素子はフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）である請求項７又は８に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法、特にＧａＮ系半導体発光素子の電極に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子の研究開発が活発に行われている。また、このような発光素子は、産業において広く用いられ、高出力化、高信頼化の要求が一層高まっている。
【0003】
例えば、特許文献１には、オーミック接触性、密着性や耐熱性に優れた裏面電極で、長寿命で信頼性の高い窒化物半導体素子を得ることについて開示されている。また、レーザスクライブ装置によって分割溝を形成することが開示されている。
【0004】
また、特許文献２には、レーザスクライブによって形成された溝内壁に被膜が形成されること、またデブリを除去することで共振器端面の汚染を防止し、信頼性を向上することについて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１０－１７７４４５号公報
【特許文献2】特開２０１８－１９５７４９号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】IEEE Photonics Technology Letters,vol.23,No.23,1784-1786(2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、電極部のレーザ処理によって電極金属が変質するという問題が発生し、素子の信頼性を損ねることが分かった。
【0008】
本願発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、安定で優れたコンタクト特性、電気的特性を有し、かつ信頼性の高いＧａＮ系半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の１実施態様によるＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、
（ａ）ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を含むエピウエハを形成し、
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記エピウエハの前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｄ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、製造方法である。
（ａ）ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を含むエピウエハを形成し、
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記エピウエハの前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｄ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、製造方法である。
【0010】
本発明の他の実施態様によるＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、
（ａ）ＧａＮ系半導体からなり、裏面が窒素（Ｎ）極性面である半導体基板上に、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を成長してエピウエハを形成し、
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記半導体基板の前記裏面を研磨し、
（ｄ）前記半導体基板の研磨面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｅ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、製造方法である。
（ａ）ＧａＮ系半導体からなり、裏面が窒素（Ｎ）極性面である半導体基板上に、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層を成長してエピウエハを形成し、
（ｂ）前記エピウエハの前記ｐ型半導体層上に、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極を形成し、
（ｃ）前記半導体基板の前記裏面を研磨し、
（ｄ）前記半導体基板の研磨面上に、前記複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極を形成し、
（ｅ）前記ｎ電極の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してレーザ処理を行い、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きい、製造方法である。
【0011】
本発明の１実施態様によるＧａＮ系半導体発光素子は、
ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極と、
前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に形成されたｎ電極と、を有し、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で前記窒素（Ｎ）極性面上に形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きいＧａＮ系半導体発光素子である。
ＧａＮ系半導体のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる発光半導体構造層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極と、
前記ｎ型半導体層の窒素（Ｎ）極性面上に形成されたｎ電極と、を有し、
前記ｎ電極は、コンタクト電極層、拡散防止層及び接続金属層がこの順で前記窒素（Ｎ）極性面上に形成され、前記コンタクト電極層のＧａ濃度は前記拡散防止層のＧａ濃度よりも大きいＧａＮ系半導体発光素子である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体からなる発光素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図2】第１の実施形態の発光素子のｎ電極の詳細な構成を模式的に示す断面図である。
【図3】第１の実施形態の発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図4】第１の実施形態のｎ電極のレーザ処理による変化を示すｎ電極の表面（上面）の観察像である。
【図5】比較例の場合を示し、ｎ電極がＴｉ層及びＡｕ層の２層からなる比較例の場合のｎ電極のレーザ処理による変化を示す表面観察像である。
【図6】比較例のｎ電極の表面に現れた変質領域（i）－（iii）及び領域（iv）を拡大して示す表面観察像である。
【図7A】拡散防止層を有しない比較例のｎ電極の縁部にレーザ処理を行った場合を模式的示す発光素子の断面図である。
【図7B】比較例のｎ電極の変質の進展を模式的に示す断面図である。
【図7C】拡散防止層を有するｎ電極における変質の進展を模式的に示す断面図である。
【図8A】Ｇａ－Ｔｉの相図である。
【図8B】Ｇａ－Ａｕの相図である。
【図8C】Ｇａ－Ｐｔの相図である。
【図9】拡散防止層に適した金属の諸特性を示す表である。
【図10A】第２の実施形態のＧａＮ系半導体からなるＰＣＳＥＬ素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図10B】第２の実施形態のＰＣＳＥＬ素子の下面（光出射面）を模式的に示す平面図である。
【図11A】ＰＣＳＥＬ素子のｎ電極を示す平面図であり、ｎ電極のレーザ処理の一例を示す図である。
【図11B】ＰＣＳＥＬ素子のｎ電極のレーザ処理の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
【0014】
［第１の実施形態］
１．窒化物半導体発光素子の構造
図１は、本発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体からなる発光素子１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、発光素子１０は、基板１１及びｎクラッド層１２からなるｎ型半導体層１３、活性層１５及びｐクラッド層（ｐ型半導体層）１７がこの順に形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成されている。
１．窒化物半導体発光素子の構造
図１は、本発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体からなる発光素子１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、発光素子１０は、基板１１及びｎクラッド層１２からなるｎ型半導体層１３、活性層１５及びｐクラッド層（ｐ型半導体層）１７がこの順に形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成されている。
【0015】
また、基板１１の裏面上（基板１１のｎクラッド層１２とは反対側の面）にはｎ電極２１が設けられ、ｐクラッド層１７にはｐ電極２２が設けられている。ｎ電極２１及びｐ電極２２間に電圧を印加することにより発光素子１０は発光する。
【0016】
本実施形態においては、ｐ電極２２は光反射面として機能し、活性層１５（発光層）からの放射光は基板１１の裏面、すなわちｎ電極２１が設けられた面から取り出される。しかしながら、活性層１５からの放射光がｐクラッド層１７の表面から取り出されるように構成されていてもよい。
【0017】
また、ｐ電極２２はコンタクト電極層と、コンタクト電極層上に形成されたパッド金属層から構成されている（図示しない）。また、コンタクト電極層とパッド金属層間に光反射層が設けられていてもよい。
【0018】
以下に、各半導体層についてより詳細に説明する。
【0019】
基板１１はｎ型ＧａＮ系半導体であり、例えばｎ－ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる。ｎクラッド層１２及びｐクラッド層１７は、例えばＧａＮ、ＧａＡｌＮ等のＧａＮ系半導体からなる。
【0020】
活性層１５は、例えば量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層として形成されている。より詳細には、活性層１５は、複数の量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）層を有する。
【0021】
なお、基板１１の裏面、すなわちｎ電極２１が設けられた面は、Ｎ（窒素）原子が最表面に配列した（０００－１）面、つまり、「－ｃ」面（又はＮ極性面）である。－ｃ面は、酸化等に対して耐性があるので光取り出し面として適している。また、基板１１の裏面は、（０００－１）面に対してさらにアルカリ処理等により（１１０－１）面を最表面とすることで、電気的特性を向上させることができる。
【0022】
また、ｎクラッド層１２は、単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、異なる結晶組成の半導体層から構成されていてもよい。例えば、ｎクラッド層１２は、ＧａＡｌＮ層を含んでいてもよい。また、全ての層がｎドープ層（ｎ層）である必要はなく、アンドープ層（ｉ層）を含んでいてもよい。
【0023】
ｐクラッド層１７もｎクラッド層１２と同様に、単一層ではなく複数の層から構成されていてもよい。また、ｐクラッド層１７上には、ｐ電極２２とのオーミック接触性を高めるためのｐ半導体層（ｐコンタクト層）が設けられていてもよい。
【0024】
また、発光素子１０は、共振器構造を有する半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）として構成されていてもよい。
【0025】
図２は、発光素子１０のｎ電極２１の詳細な構成を模式的に示す断面図である。図２に示すように、ｎ電極２１は、基板１１上に設けられたコンタクト電極層２１Ａと、コンタクト電極層２１Ａ上に設けられた拡散防止層（相変化抑制層）２１Ｂと、拡散防止層２１Ｂに設けられた接続金属層（パッド金属層）２１Ｃとからなる。
【0026】
より具体的には、コンタクト電極層２１Ａはチタン（Ｔｉ）であるが、これに限定されない。コンタクト電極層２１Ａには、ｎ型窒化物半導体とオーミックコンタクトがとれる金属を用いることができる。
【0027】
拡散防止層２１Ｂには、例えば、白金（Ｐｔ）が用いられるが、これに限定されない。例えば、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、セリウム（Ｃｅ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）などを用いることができる。
【0028】
接続金属層２１Ｃには、例えば金（Ａｕ）が用いられるが、これに限定されない。接続金属層２１Ｃは、ボンディングワイヤ又は実装基板（図示しない）等との接続のためのパッド電極として機能する。接続金属層２１Ｃには、ワイヤボンディング又は接合に適した金属を用いることができる。
【0029】
なお、接続金属層２１Ｃと拡散防止層２１Ｂとの間に導電層、例えば、密着性の高い金属からなる金属層が設けられていてもよい。
【0030】
２．窒化物半導体発光素子の製造方法
図３は、第１の実施形態の発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。なお、以下に説明する各工程においてＳｎはステップｎを意味する。
（Ｓ１）発光半導体構造層の結晶成長
結晶成長方法として有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法を用い、ＧａＮ半導体であり、成長基板である基板１１上に、順次、ＧａＮ系半導体からなるｎクラッド層１２、活性層１５及びｐクラッド層１７を成長した。なお、基板１１の裏面はＮ極性面であり、結晶成長面はＧａ極性面であった。
図３は、第１の実施形態の発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。なお、以下に説明する各工程においてＳｎはステップｎを意味する。
（Ｓ１）発光半導体構造層の結晶成長
結晶成長方法として有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法を用い、ＧａＮ半導体であり、成長基板である基板１１上に、順次、ＧａＮ系半導体からなるｎクラッド層１２、活性層１５及びｐクラッド層１７を成長した。なお、基板１１の裏面はＮ極性面であり、結晶成長面はＧａ極性面であった。
【0031】
これにより、ｎクラッド層１２、活性層１５及びｐクラッド層１７からなる発光半導体構造層（ＬＥＤ構造層）を有するエピウエハが形成された。
【0032】
すなわち、後述するように、当該エピウエハに複数の半導体発光素子に対応する電極を形成し、分割することで複数の半導体発光素子に個片化することができる。
【0033】
なお、結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法に限らず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の結晶成長方法を用いることができる。
【0034】
（Ｓ２）ｐ電極の形成
次に、複数の半導体発光素子に対応するｐ電極２２を形成した。より具体的には、まず、パラジウム（Ｐｄ）膜及び金（Ａｕ）膜を電子ビーム蒸着法によりこの順に成膜した。続いて、成膜した電極金属膜をフォトリソグラフィを用いてパターニングし、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極２２を形成した。
次に、複数の半導体発光素子に対応するｐ電極２２を形成した。より具体的には、まず、パラジウム（Ｐｄ）膜及び金（Ａｕ）膜を電子ビーム蒸着法によりこの順に成膜した。続いて、成膜した電極金属膜をフォトリソグラフィを用いてパターニングし、複数の半導体発光素子の各々に対応するｐ電極２２を形成した。
【0035】
（Ｓ３）ＧａＮ基板の裏面研磨
次に、ＧａＮからなる基板１１の裏面（Ｎ極性面）を研削、次いで化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって研削によるダメージ層を除去しつつ所定の厚さ（約２００μｍ）まで薄くした。ダメージ層は半導体発光素子からの発光に対する吸収層であるため、除去することが好ましいが、必須の工程ではない。研磨した後、洗浄を行った。
次に、ＧａＮからなる基板１１の裏面（Ｎ極性面）を研削、次いで化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって研削によるダメージ層を除去しつつ所定の厚さ（約２００μｍ）まで薄くした。ダメージ層は半導体発光素子からの発光に対する吸収層であるため、除去することが好ましいが、必須の工程ではない。研磨した後、洗浄を行った。
【0036】
（Ｓ４）ｎ電極の形成
次に、基板１１の研磨面上に、フォトリソグラフィを用いてパターニングし、半導体発光素子の各々に対応するｎ電極２１を形成した。より具体的には、電子ビーム蒸着法を用い、コンタクト電極層２１ＡとしてＴｉ（厚さ：５ｎｍ）、拡散防止層（相変化抑制層）２１ＢとしてＰｔ（厚さ：１００ｎｍ）、接続金属層２１ＣとしてＡｕ（厚さ：５００ｎｍ）をこの順で形成した。
次に、基板１１の研磨面上に、フォトリソグラフィを用いてパターニングし、半導体発光素子の各々に対応するｎ電極２１を形成した。より具体的には、電子ビーム蒸着法を用い、コンタクト電極層２１ＡとしてＴｉ（厚さ：５ｎｍ）、拡散防止層（相変化抑制層）２１ＢとしてＰｔ（厚さ：１００ｎｍ）、接続金属層２１ＣとしてＡｕ（厚さ：５００ｎｍ）をこの順で形成した。
【0037】
続いて、成膜したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層をリフトオフすることで複数の半導体発光素子の各々に対応するｎ電極２１を形成した。
【0038】
（Ｓ５）レーザ処理
次に、波長が３５５ｎｍ（１０６４ｎｍの第三次高調波）の紫外線（ＵＶ）レーザを用いてｎ電極２１のレーザ処理を行った。尚、紫外線レーザの波長は、ＧａＮの吸収波長帯の波長である３６５ｎｍより短波長であればよい。
次に、波長が３５５ｎｍ（１０６４ｎｍの第三次高調波）の紫外線（ＵＶ）レーザを用いてｎ電極２１のレーザ処理を行った。尚、紫外線レーザの波長は、ＧａＮの吸収波長帯の波長である３６５ｎｍより短波長であればよい。
【0039】
より詳細には、スクライブ線に沿って紫外線レーザを掃引し、ｎ電極２１の縁部に沿ってｎ電極２１の一部に紫外線レーザを照射した。
【0040】
ここで、紫外線レーザのパワーは３１５ｍＷ，周波数は１００ｋＨｚ、掃引速度は５ｍｍ／ｓｅｃ、パルス幅は４０ｎｓ、スポット径は１ｕｍΦ、エネルギー密度は３２Ｊ／ｃｍ２であった。エネルギー密度１～５０Ｊ／ｃｍ２が好ましく、より好ましくは１０～３５Ｊ／ｃｍ２である。
【0041】
なお、本実施形態においては、素子分離（個片化）のためのレーザスクライブを兼ねて紫外線レーザを照射した場合を例に説明した。しかし、レーザスクライブに限らず、溝形成を兼ねて紫外線レーザを照射してもよい。また、所望のレーザの形状になるよう、ｎ電極２１側から紫外線レーザを照射して、オーミック特性を制御することができる。
【0042】
あるいは、かかるプロセスとは別個に、ｎ電極２１の少なくとも一部に紫外線レーザを照射してもよい。例えば、ｎ電極２１の周縁部の全体又は一部、ｎ電極２１内の対称位置にある複数の領域、出光面から離れた領域、又はワイヤボンディング及び接合領域から離れた領域など、ｎ電極２１の形状、大きさ等に応じて、紫外線レーザを照射すればよい。
【0043】
以上のように、ｎ電極２１の少なくとも一部に紫外線レーザを照射することによって、コンタクト特性、電気的特性及び安定性（信頼性）に優れたｎ電極２１を得ることができる。
【0044】
３．レーザ処理の評価
図４は、本実施形態のｎ電極２１のレーザ処理による変化を示すｎ電極２１の表面（上面）の観察像である。また、図５は、ｎ電極がコンタクト電極層（Ｔｉ）及び接続金属層（Ａｕ）の２層からなる比較例の場合のｎ電極のレーザ処理による変化を示す表面観察像である。なお、Ｔｉ層及びＡｕ層の厚さは本実施形態のｎ電極２１と同一である。
図４は、本実施形態のｎ電極２１のレーザ処理による変化を示すｎ電極２１の表面（上面）の観察像である。また、図５は、ｎ電極がコンタクト電極層（Ｔｉ）及び接続金属層（Ａｕ）の２層からなる比較例の場合のｎ電極のレーザ処理による変化を示す表面観察像である。なお、Ｔｉ層及びＡｕ層の厚さは本実施形態のｎ電極２１と同一である。
【0045】
まず、図５を参照し、比較例のｎ電極の変化について説明する。(ａ) レーザ処理前においては、パターニングされたｎ電極（Ｔｉ／Ａｕ）の外側にｎ－ＧａＮが表出し、ｎ電極の表面には清浄なＡｕ表面が観察されているのがわかる。
【0046】
次に、上記したのと同一のレーザ処理（上記、ステップＳ５を参照）を行った（図５、(ｂ) レーザ処理直後）。より詳細には、矩形状のｎ電極の縁部の近傍に沿って紫外線レーザを掃引し（図中、矢印方向）、ｎ電極２１の一部に紫外線レーザを照射した。
【0047】
さらに、レーザ処理後に、２５０℃で１時間の熱処理を行い、Ｎ２雰囲気下で４日放置した後では（図５、(ｃ)）、Ａｕ層の表面に明確な変質領域（i）及び（ii）が観察された。変質領域（i）及び（ii）は紫外線レーザが照射された領域から拡がり、その幅は約８０μｍであった。
【0048】
続いて、Ｎ２雰囲気下でさらに３日放置した後では（図５、(ｄ)）、変質領域（i）及び（ii）の幅は約２０μｍ拡がり、その幅は約１００μｍであった。
【0049】
続いて、３００℃で１時間の加熱を行った後では（図５、(ｅ)）、変質領域（i）及び（ii）に加え、Ａｕ層表面に変質領域（iii）が現れ、変質領域（i）－（iii）の全体の幅は約２００μｍであった。
【0050】
次に、図４を参照し、本実施形態のｎ電極２１の変化について説明する。ｎ電極２１に比較例と同様のレーザ処理を行った場合、レーザ処理後に、２５０℃で１時間の熱処理を行い、Ｎ２雰囲気下で４日放置した後では（図４、(ｃ)）、変質領域（i）が観察されたものの、その幅は約２７μｍであり、比較例のｎ電極に比べて僅かであった。
【0051】
また、Ｎ２雰囲気下でさらに８日放置した後では（図４、(ｄ)）、変質領域（i）の幅は約３２μｍであり、変質領域（i）の拡がりは極く僅かであった。
【0052】
図６は、比較例のｎ電極の表面に現れた変質領域（i）－（iii）及び領域（iv）を拡大して示す表面観察像である。変質領域（i）－（iii）がどのように変質しているかを調べるために断面ＳＥＭ－ＥＤＸ分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）を行った。
【0053】
その結果、変質領域（i）の表面層にはほとんどＡｕ原子が存在しないことがわかった。また、変質領域（ii）はＧａ－Ａｕ混合層であり、変質領域（iii）はＧａリッチ
層であることがわかった。領域（iv）の表面層はＡｕ層であり、変質していないことが確認された。
層であることがわかった。領域（iv）の表面層はＡｕ層であり、変質していないことが確認された。
【0054】
以上の知見に基づき、ｎ電極の変質は以下のように進展すると考えられた。図７Ａは、拡散防止層を有しない比較例のｎ電極の縁部の近傍にレーザ処理を行った場合を模式的示す発光素子の断面図である。すなわち、Ｔｉ／Ａｕ層からなるｎ電極がｎ型半導体層１３（ｎ－ＧａＮ）のＮ極性面上に形成されている。
【0055】
図７Ｂは、比較例のｎ電極の変質の進展を模式的に示す断面図である。まず、（i)レーザ照射された領域でｎ－ＧａＮからＧａが遊離し始める。時間が経過するにつれ、（ii）次第に、遊離したＧａとＡｕ層のＡｕが相溶し始める。ＴｉもＧａと相溶し易いため、Ａｕ層までＧａが到達し易い。そして、（iii）さらに時間が経過するにつれ、Ａｕ層内でのＧａとＡｕの相溶が拡がっていき、Ａｕ層表面の変質領域も拡大する。
【0056】
図７Ｃは、本実施形態の拡散防止層２１Ｂを有するｎ電極２１における変質の進展を模式的に示す断面図である。ｎ電極２１の縁部にレーザ処理を行った場合、まず、（i)レーザ照射された領域でｎ－ＧａＮからＧａが遊離し始める。しかし、（ii）時間が経過しても、ＧａとＡｕ層との間に拡散防止層２１Ｂが存在するため、ＧａとＡｕの相溶は進展しにくく、相変化は起こりにくい。したがって、コンタクト電極層２１Ａに含まれるＧａの濃度は、拡散防止層２１Ｂに含まれるＧａの濃度よりも大きい。
【0057】
ＧａＮ系半導体のＮ極性面では、Ｔｉ－Ｎ相の形成が良好なオーミック接触性（コンタクト特性）を得る上で重要である。レーザ処理によってＴｉ－Ｎ相の形成を促進することで良好なオーミック接触性が得られる。一方、ＧａＮから遊離したＧａの拡散及びＡｕとの相溶は拡散防止層２１Ｂによって効果的に抑制される。
したがって、拡散防止層２１Ｂを設けることによって、良好なオーミック接触性を有するとともに、Ａｕの変質（Ａｕとの相溶）が抑制された電極を形成することができる。
したがって、拡散防止層２１Ｂを設けることによって、良好なオーミック接触性を有するとともに、Ａｕの変質（Ａｕとの相溶）が抑制された電極を形成することができる。
【0058】
４．相変化
ＧａＮなどのIII族窒化物半導体のＮ極性面側にＵＶレーザを照射すると結晶から窒素抜けが起こり、III族金属が主成分のデブリが発生する。
ＧａＮなどのIII族窒化物半導体のＮ極性面側にＵＶレーザを照射すると結晶から窒素抜けが起こり、III族金属が主成分のデブリが発生する。
【0059】
図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、それぞれＧａ－Ｔｉの相図（https://sites.google.com/site/catcalcphase/metal/ga/ga-ti），Ｇａ－Ａｕの相図（https://sites.google.com/site/catcalcphase/metal/ga/ga-au）及びＧａ－Ｐｔの相図（https://sites.google.com/site/catcalcphase/metal/ga/ga-pt）を示している。
【0060】
Ｇａは１００℃以下の比較的低温で多くの金属と相変化を起こす。比較例であるＴｉ／Ａｕの場合、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、Ｔｉ及びＡｕは常温に近い領域で相変化が起こる（図中、破線で囲んだ領域）。そのため、拡散防止層を用いない場合には、図５に示したように、ＧａとＴｉとの相溶、及び、ＧａとＡｕとの相溶が発生する。
【0061】
レーザ処理をした部分に発生したＧａがＴｉやＡｕと相溶し、常温付近でもその反応は徐々に進行するが、加熱処理をすることで反応が加速度的に進行する。Ｇａとの相溶が起こることで最表面がＧａ－Ａｕ合金となる。このため、ワイヤボンディング時において、Ａｕワイヤ等の接続不良が発生しやすくなる。
【0062】
一方、本実施形態のｎ電極２１のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕでは、図８Ｃに示すように、ＰｔがＧａと相変化する温度が常温より高いため相変化の進行が遅い。図４に示したように、加熱処理による初期の相変化はみられるもののその後の保管での変化が非常に遅くなることがわかる。
【0063】
５．拡散防止層に適した金属
図９は、拡散防止層に適した金属の諸特性を示す表である。図９に示すように、白金（Ｐｔ）が最も汎用的な金属であるが、電気特性、熱的特性及び機械特性の点において、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）及びイリジウム（Ｉｒ）が特に優れている。すなわち、これらの金属は、低抵抗であり、耐熱性が高く、かつ変形しにくいという点において、より優れた特性を有する。
図９は、拡散防止層に適した金属の諸特性を示す表である。図９に示すように、白金（Ｐｔ）が最も汎用的な金属であるが、電気特性、熱的特性及び機械特性の点において、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）及びイリジウム（Ｉｒ）が特に優れている。すなわち、これらの金属は、低抵抗であり、耐熱性が高く、かつ変形しにくいという点において、より優れた特性を有する。
【0064】
また、この中でも、ルテニウム（Ｒｕ）及びイリジウム（Ｉｒ）が好ましく、さらに、イリジウム（Ｉｒ）は金属間化合物を生成し難く、最も好ましい。特に、融解熱が高い方が、紫外線レーザが照射されることによって発生する熱による、金属の特性の劣化を抑制することができる点において好ましい。
【0065】
以上、詳細に説明したように、拡散防止層を有するｎ電極を用いることによって、安定で優れたコンタクト特性、電気的特性を有し、かつ信頼性の高いＧａＮ系半導体発光素子を提供することができる。
【0066】
［第２の実施形態］
図１０Ａは、本発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体からなる発光素子５０の構造の一例を模式的に示す断面図である。より詳細には、第２の実施形態の発光素子５０はレーザダイオード、より具体的には、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic Crystal Surface Emitting Laser）として構成されている。以下において、第２の実施形態の発光素子をＰＣＳＥＬ素子５０と称して説明する。
図１０Ａは、本発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体からなる発光素子５０の構造の一例を模式的に示す断面図である。より詳細には、第２の実施形態の発光素子５０はレーザダイオード、より具体的には、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic Crystal Surface Emitting Laser）として構成されている。以下において、第２の実施形態の発光素子をＰＣＳＥＬ素子５０と称して説明する。
【0067】
図１０Ａに示すように、ＰＣＳＥＬ素子５０において、半導体構造層５１が透光性の基板であるＧａＮ基板５２上に形成されている。また、半導体構造層５１は、ＧａＮ系半導体からなる。
【0068】
より詳細には、ＧａＮ基板５２のＧａ極性面上に複数の半導体層からなる半導体構造層５１、すなわちｎ－クラッド層５３、ｎ側ガイド層５４、光分布調整層６３、活性層５５、ｐ側ガイド層５６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）５７、ｐ－クラッド層５８、ｐ－コンタクト層５９がこの順で形成されている。
【0069】
ｎ側ガイド層５４は、下ガイド層５４Ａ、フォトニック結晶層（ＰＣ層）である空孔層５４Ｐ及び埋込層５４Ｂからなる。
【0070】
ｐ側ガイド層５６は、アンドープＩｎＧａＮ層であるｐ側ガイド層(1)５６Ａと、その上に形成されたアンドープＧａＮ層であるｐ側ガイド層(2)５６Ｂとからなる。
【0071】
なお、本明細書において、「ｎ側」、「ｐ側」は、必ずしもｎ型、ｐ型を有することを意味するものではない。例えば、ｎ側ガイド層は活性層よりもｎ側に設けられたガイド層を意味し、アンドープ層（又はｉ層）であってもよい。
【0072】
また、ｎ－クラッド層５３は単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、全ての層がｎ層（ｎドープ層）である必要はなく、アンドープ層（ｉ層）を含んでいてもよい。ｐ側ガイド層５６、ｐ－クラッド層５８についても同様である。また、上記した全ての半導体層を設ける必要はなく、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及びこれらの層に挟まれた活性層（発光層）を有する構成であればよい。
【0073】
また、ＧａＮ基板５２の裏面、すなわちＧａＮ基板５２のＮ極性面上にはｎ電極（カソード）６１が形成され、ｐ－コンタクト層５９上（上面）にはｐ電極（アノード）６２が形成されている。半導体構造層５１の側面及びＧａＮ基板５２の上部の側面は、ＳｉＯ2などの絶縁膜６５で被覆されている。また、ｐ電極６２の上面の縁部を覆うように、ｐ電極６２の側面及びｐコンタクト層５９の表面には絶縁膜６５が被覆されている。また、ｐ電極６２（反射層）の表面は反射面として機能し、ＧａＮ基板５２の裏面上には反射防止膜６７が設けられている。
【0074】
活性層１５の放射光は空孔層（ＰＣ層）５４Ｐによって回折される。空孔層５４Ｐによって回折され、空孔層５４Ｐから直接放出された光（直接回折光Ｌｄ）と、空孔層１４Ｐの回折によって放出され、ｐ電極６２によって反射された光（反射回折光Ｌｒ）とがＧａＮ基板５２の裏面（出射面）５２Ｒの光出射領域６０Ｌから外部に出射される。
【0075】
図１０Ｂは、ＰＣＳＥＬ素子５０の下面（光出射面）を模式的に示す平面図である。図示するように、円環形状のｎ電極６１が、空孔層５４Ｐに対して垂直方向から見たときに空孔形成領域５４Ｒに重ならないように空孔形成領域５４Ｒの外側に環状の電極として設けられている。また、ｐ電極６２は円形状を有し、円環形状のｎ電極６１は、ｎ電極６１の中心軸がｐ電極６２の中心軸ＣＸと一致するように設けられている。すなわち、環状のｎ電極６１は、ＰＣＳＥＬ素子５０の発光領域と同軸であるように設けられている。
また、ｎ電極６１の内側の領域が光出射領域６０Ｌである。また、ｎ電極６１に電気的に接続され、外部からの給電用のワイヤを接続するボンディングパッド６１Ｂを備えている。
また、ｎ電極６１の内側の領域が光出射領域６０Ｌである。また、ｎ電極６１に電気的に接続され、外部からの給電用のワイヤを接続するボンディングパッド６１Ｂを備えている。
【0076】
図１０Ｃは、図１０Ａに示すＰＣＳＥＬ素子５０のｎ電極６１の部分Ｗを拡大して示す部分拡大断面図である。図示するように、ｎ電極６１は、ＧａＮ基板５２のＮ極性面上に設けられたコンタクト電極層６１Ａと、コンタクト電極層６１Ａ上に設けられた拡散防止層（相変化抑制層）６１Ｂと、拡散防止層２１Ｂに設けられた接続金属層６１Ｃとからなる。
【0077】
図１１Ａは、ＰＣＳＥＬ素子５０のｎ電極６１を示す平面図であり、ｎ電極６１のレーザ処理の一例を示す図である。
【0078】
図示するように、紫外線レーザをｎ電極６１の一部に照射してレーザ処理を行うことができる。より詳細には、ｎ電極６１は円環形状を有し、レーザ処理はｎ電極６１に対応した形状（相似形状）を有するようになされていることが好ましい。すなわち、当該円環形状に沿った円周上にレーザが照射され、照射領域ＵＲが形成されている。
【0079】
当該円周上の例えば４つの円弧に沿ってレーザ照射された場合を示しているが、当該４つの照射領域ＵＲの配置の中心軸がＰＣＳＥＬ素子５０の発光領域（ｐ電極６２）の中心軸ＣＸと一致するように照射領域ＵＲが配置されていることが電流注入の均一化の点で好ましい。
【0080】
また、複数の照射領域ＵＲが中心軸ＣＸに関して回転対称位置に設けられていることが好ましい。さらに、複数の照射領域ＵＲの長さ（この場合、円弧長さ）は同一であることが好ましい。
【0081】
また、照射領域ＵＲはボンディングパッド６１Ｂを避けた位置に設けられていることが好ましい。
【0082】
図１１Ｂは、ＰＣＳＥＬ素子５０のｎ電極６１のレーザ処理の他の一例を示す図である。図示するように、ｎ電極６１は矩形形状を有していてもよい。この場合、照射領域ＵＲは矩形形状（同一形状）を有していることが好ましい。
【0083】
また、照射領域ＵＲは閉じた矩形環状に設けられていてもよく、あるいは、当該矩形の一部に設けられていてもよい。照射領域ＵＲが複数設けられる場合、当該複数の照射領域ＵＲの配置の中心軸がＰＣＳＥＬ素子５０の発光領域の中心軸ＣＸと一致することが好ましい。
【0084】
なお、ｎ電極６１の外周形状と内周形状が異なる場合には、照射領域ＵＲはｎ電極６１の内周形状と同一の形状を有していることが好ましい。例えば、ｎ電極６１が円形の内周形状を有する場合、照射領域ＵＲは当該内周と同心の円周上又は円弧上に設けられていることが電流拡散の均一化の点で好ましい。
【0085】
以上、詳細に説明したように、ＧａＮ系半導体発光素子において、拡散防止層を有するｎ電極を用いることによって、安定で優れたコンタクト特性、電気的特性を有し、かつ信頼性の高いＧａＮ系半導体発光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【0086】
１０：発光素子
１１：基板
１２：ｎクラッド層
１３：ｎ型半導体層
１５：活性層
１７：ｐ型半導体層
２１：ｎ電極
２１Ａ：コンタクト電極層
２１Ｂ：拡散防止層
２１Ｃ：接続金属層
２２：ｐ電極
５０：発光素子（ＰＣＳＥＬ素子）
５１：半導体構造層
５２：ＧａＮ基板
５４Ｐ：空孔層
６１：ｎ電極
６２：ｐ電極
ＵＲ：照射領域
１１：基板
１２：ｎクラッド層
１３：ｎ型半導体層
１５：活性層
１７：ｐ型半導体層
２１：ｎ電極
２１Ａ：コンタクト電極層
２１Ｂ：拡散防止層
２１Ｃ：接続金属層
２２：ｐ電極
５０：発光素子（ＰＣＳＥＬ素子）
５１：半導体構造層
５２：ＧａＮ基板
５４Ｐ：空孔層
６１：ｎ電極
６２：ｐ電極
ＵＲ：照射領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】