JP2007165596A - 窒化物系半導体発光素子及び窒化物系半導体発光素子の製造方法、ランプ - Google Patents

窒化物系半導体発光素子及び窒化物系半導体発光素子の製造方法、ランプ Download PDF

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Abstract

【課題】光取り出し効率に優れ、かつ、電流拡散性能の優れた窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】ｎ型半導体層２、発光層３、ｐ型半導体層４、透光性導電酸化膜層１１が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、前記透光性導電酸化膜層１１が、光取り出し層として機能する第１層７と、前記第１層７の前記ｐ型半導体層４側に配置され、電流拡散層として機能する第２層６とを少なくとも有する窒化物系半導体発光素子１２とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子及びその製造方法、窒化物系半導体発光素子を用いたランプに関し、特に光取り出し効率に優れた窒化物系半導体発光素子に関する。
近年、短波長光発光素子用の半導体材料として窒化物系半導体であるＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶をはじめとして、種々の酸化物基板やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板とし、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
一般的なＧａＮ系化合物半導体発光素子では、基板としてサファイア単結晶基板を用いた場合、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層がこの順で積層された構造となっている。サファイア単結晶は絶縁体であるので、サファイア単結晶基板を用いた発光素子では、一般的に、ｐ型半導体層上に形成された正極とｎ型半導体層上に形成された負極とが同一面上に存在する構造とされる。正極と負極とが同一面上に存在する構造としては、正極に透明電極を使用してｐ型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式、正極にＡｇなどの高反射膜を使用してサファイア単結晶基板側から光を取り出すフリップチップ方式の２種類がある。
また、従来、ｐ型半導体上に透明電極を設ける場合、Ｎｉ／Ａｕなどの金属透明電極が使用されていた。しかし、近年、透明電極としてＩＴＯなどの透光性導電酸化膜が産業レベルで実用化され用いられるようになってきている。Ｎｉ／Ａｕなどの金属透明電極をＩＴＯなどの透光性導電酸化膜に置き代えることにより、透明電極による発光波長の吸収を低減させることができ、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
ところで、発光素子の出力を向上させるための指標として外部量子効率が用いられている。外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率とを掛け合わせたものとして表される。そして、外部量子効率が高ければ出力の高い発光素子と言える。なお、内部量子効率とは、発光素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換されるエネルギーの割合のことである。一方、光取り出し効率とは、半導体結晶内部で発生した光のうち、外部に取り出すことができる光の割合のことである。
光取り出し効率を向上させる方法としては、主として２通りの方法がある。一つは光取り出し面に形成される電極、保護膜などによる発光波長の吸収を低減させる方法である。もう一つは化合物半導体、電極、保護膜など屈折率が異なる材料同士の界面で発生する反射損失を低減させる方法である。
屈折率が異なる材料同士の界面で発生する反射損失を低減させる方法としては、光取り出し面に凹凸加工を施す技術がある。凹凸加工を施す方法としては、化合物半導体材料そのものに凹凸加工を施す方法があげられる（特許文献１参照）。
特許第２８３６６８７号公報
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、半導体材料そのものに凹凸加工を施すため、凹凸加工により半導体層に負荷がかかり、凹凸加工によるダメージが半導体層に残ってしまう。そのため、特許文献１に記載された技術では、内部量子効率が低くなり、光取り出し効率を向上させることができたとしても、発光強度を増加させることができなかった。
また、透明電極として設けられた透光性導電酸化膜に凹凸加工を施すことによっても、光取り出し効率を向上させることができる。この場合、透光性導電酸化膜が、電流拡散層としての本来の役割に加えて、光取り出し層としての役割も担うことになる。しかしながら、透光性導電酸化膜に凹凸加工を施す場合、凹凸形状の制御が難しく、必要以上にエッチングしてしまい電流拡散性能が劣化してしまう場合があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述した問題点を解決し、光取り出し効率に優れ、かつ、電流拡散性能の優れた窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は以下の発明を提供する。
（１）ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、前記透光性導電酸化膜層が、光取り出し層として機能する第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、電流拡散層として機能する第２層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
（２）ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、前記透光性導電酸化膜層が、粒状結晶からなる第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、柱状結晶からなる第２層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
（３）ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、前記透光性導電酸化膜層が、真空蒸着することにより形成された第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、スパッタすることにより形成された第２層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
（４）前記第１層の前記第２層と反対側の面が凹凸形状とされていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
（５）前記凹凸形状が前記第１層をエッチングすることによって形成されたものであり、前記第１層は、前記第１層をエッチングする場合のエッチング速度が前記第２層よりも速い材料からなることを特徴とする（４）に記載の窒化物系半導体発光素子。
（６）前記凹凸形状が、無秩序に形成された凹部と凸部とからなることを特徴とする（４）または（５）に記載の窒化物系半導体発光素子。
（７）前記凹凸形状を構成する凹部と凸部との高低差が３５ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする（４）〜（６）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
（８）前記第２層がＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種類の材料で形成されていることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
（９）前記第２層の膜厚が３５ｎｍ〜２μｍであることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
（１０）前記第１層がＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種類の材料で形成されていることを特徴とする（１）〜（９）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
（１１）前記第１層の膜厚が３５ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
（１２）ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置され、前記透光性導電酸化膜層が、第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置された第２層とを少なくとも有する窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、前記ｐ型半導体層上に、電流拡散層として機能する前記第２層を形成する工程と、前記第２層上に、光取り出し層として機能する前記第１層を形成する工程とを備えることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
（１３）前記第１層をウェットエッチングすることにより、前記第１層の表面を凹凸形状とする工程を備え、前記ウェットエッチングに用いるエッチング溶液が、シュウ酸、塩化鉄、塩酸の混合液であることを特徴とする（１２）に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
（１４）前記第２層をスパッタすることにより形成することを特徴とする（１２）または（１３）に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
（１５）前記第２層を３００〜８００℃の雰囲気で真空蒸着することにより形成することを特徴とする（１２）または（１３）に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
（１６）前記第２層を真空蒸着することにより形成した後、３００〜８００℃で熱処理することを特徴とする（１２）または（１３）に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
（１７）前記第１層を真空蒸着することにより形成することを特徴とする（１２）〜（１６）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
（１８）（１）〜（１１）のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子を用いたことを特徴とするランプ。
本発明の窒化物系半導体発光素子は、透光性導電酸化膜層が、光取り出し層として機能する第１層と、第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、電流拡散層として機能する第２層とを少なくとも有するものであるので、光取り出し効率を向上させるために第１層の第２層と反対側の面を凹凸形状としたとしても、透光性導電酸化膜層の電流拡散性能に支障を来たすことがない。よって、優れた光取り出し効率を有し、かつ、優れた電流拡散性能を有する窒化物系半導体発光素子が得られる。
また、本発明の窒化物系半導体発光素子の製造方法によれば、優れた光取り出し効率を有し、かつ、優れた電流拡散性能を有する窒化物系半導体発光素子を形成できる。
また、本発明のランプは、本発明の窒化物系半導体発光素子を用いたものであるので、優れた発光特性を持つものとなる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照にして説明する。ただし、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではなく、例えばこれら実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせても良い。
図１は、本発明の窒化物系半導体発光素子の一例を模式的に示した断面図である。図１において、符号１２は窒化物系半導体発光素子を示し、符号１は基板を示し、符号２はｎ型半導体層を示し、符号３は発光層を示し、符号４はｐ型半導体層を示し、符号５は負極を示し、符号８は正極を示し、符号１１は透光性導電酸化膜層を示している。本発明の窒化物系半導体発光素子１２においては、図１に示すように、透光性導電酸化膜層１１は、電流拡散層（特許請求の範囲における「第２層」）６と光取り出し層（特許請求の範囲における「第１層」）７の２層から構成されている。
電流拡散層６は、電流拡散層６として機能する透光性導電酸化膜からなるものであり、ｐ型半導体層４の直上、あるいはｐ型半導体層４の上に金属層などを介して形成される。電流拡散層６とｐ型半導体層４との間に金属層を挟んだ場合には、発光素子の駆動電圧（Ｖｆ）を低減させることができるが、透過率が減少して出力を低下させてしまう。したがって、発光素子の用途などに応じて駆動電圧（Ｖｆ）と出力のバランスを取り、電流拡散層６とｐ型半導体層４との間に金属層などを挟むかどうか適宜判断される。ここでの金属層としては、ＮｉやＮｉ酸化物、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ、Ｏｓなどからなるものを用いることが好ましい。
電流拡散層６は、電流拡散層６としての役割を果たすことができればよく、いかなる方法で形成されたものであってもよい。電流拡散層６は、例えば、以下の２通りの方法で形成されることが好ましい。一つはスッパタ法によって成膜する方法である。もう一つは真空蒸着法により成膜する方法である。
スパッタ法は、スパッタ時のスパッタ粒子のエネルギーが大きいために緻密で結晶性の高い膜を得ることができる。電流拡散層６は、透光性導電酸化物の結晶性が高いほど、エッチングされ難くエッチング時に侵食されにくいものとなり、エッチングによって電流拡散特性が劣化しないものとなる。
真空蒸着法は、蒸着時の粒子のエネルギーが大きくないため、得られた透光性導電酸化物からなる膜はアモルファス状態か結晶性が低い膜となる。しかし、蒸着中に３００℃〜８００℃で成膜するか、成膜後に３００℃〜８００℃で熱処理することにより、緻密で結晶性の高い膜を得ることができる。上記の熱処理の温度が３００℃未満である場合、結晶化を向上させる効果が小さく、８００℃を越える場合、窒化物系半導体素子にダメージを与えてしまう。
電流拡散層６を構成する透光性導電酸化物は、いずれの結晶状態も取りうるが、柱状結晶である方が、エッチングされ難く好ましい。
電流拡散層６に用いられる材料としては、透光性、導電性を持つ酸化物であればいかなる材料であってよいが、好ましくはＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種類の材料が用いられる。
電流拡散層６の膜厚は、薄すぎると電流拡散特性が落ちてしまい好ましくない。また、電流拡散層６の膜厚が厚すぎると透過率が悪くなって出力が低下してしまう。よって、電流拡散層６の膜厚は、３５ｎｍ〜２０００ｎｍとされ、好ましくは５０ｎｍ〜１０００ｎｍとされ、さらに好ましくは、１００ｎｍ〜５００ｎｍとされる。
光取り出し層７は、光取り出し層７として機能する透光性導電酸化物からなり、電流拡散層６の上に形成される。なお、光取り出し層７は、電流拡散層６の直上に形成されてもよいし、光取り出し層７と電流拡散層６との間に金属層などを挟んでも構わない。発光素子の駆動電圧（Ｖｆ）を低減させるために、光取り出し層７と電流拡散層６との間に金属層などを成膜してもよいが、発光素子の透過率が低下して出力が低減するリスクがあるので、用途に応じたバランスによって決定する必要がある。光取り出し層７と電流拡散層６との間に金属層を配置する場合、金属層の材料として、ＮｉやＮｉ酸化物、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ、Ｏｓなどを用いることが好ましい。
光取り出し層７の上面は、光取り出し効率を向上させるために凹凸形状とされている。凹凸形状を形成する方法としては、ウエットエッチング、ドライエッチングなど従来公知のエッチング方法がいずれも適用可能であるが、透光性導電酸化物の結晶状態によりエッチング速度が大きく変化するウエットエッチングを用いることが好ましい。なお、マスクを用いて規則的に凹凸形状を形成することも可能であるし、エッチングだけで無秩序（ランダム）に凹凸形状を形成することも可能である。
ウエットエッチングを行なう場合、エッチング液として、シュウ酸、塩化鉄と塩酸の混合液、リン酸、硝酸、塩酸、ＨＩ、ＨＢｒなどを用いることができるが、シュウ酸、塩化鉄と塩酸の混合液を用いることがより好ましい。
光取り出し層７は、光取り出し層７をエッチングする際のエッチング速度が電流拡散層６よりも速いものである。光取り出し層７はいずれの結晶状態も取りうるが、粒状結晶である方が、エッチングされやすいので好ましい。
光取り出し層７の形成方法としては、光取り出し層７をエッチングする際のエッチング速度が電流拡散層６よりも速い光取り出し層７が形成される方法を用いることが望ましい。具体的には、例えば、光取り出し層７の形成方法としては、真空蒸着法を用いることが、アモルファス状または結晶性の低い膜を得ることが出来るので好ましい。
光取り出し層７に用いられる材料としては、透光性、導電性を持つ酸化物であればいずれも用いることができるが、好ましくはＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種類の材料が用いられる。
光取り出し層７の膜厚は、薄すぎると光取り出し層７の上面に形成される凹凸形状を構成する凹部と凸部との高低差が小さくなってしまい十分な光取り出し効率が得られない。また、光取り出し層７の膜厚が厚すぎると、透過率が悪くなって出力が低下してしまう。この特性を満足させるエッチング後の光取り出し層７の膜厚は３５ｎｍ〜２０００ｎｍであり、好ましくは５０ｎｍ〜１μｍであり、さらに好ましくは、１００ｎｍ〜５００ｎｍである。なお、光取り出し層７の膜厚は、光取り出し層７の電流拡散層６側の面（下面）から凸部の頂部までの高さと定義する。
また、光取り出し層７の凹凸形状を構成する凹部と凸部との高低差は３５ｎｍ〜２０００ｎｍであり、好ましくは５０ｎｍ〜１μｍであり、さらに好ましくは、１００ｎｍ〜５００ｎｍである。なお、凹部と凸部との高低差は、凹部の底部から凸部の頂部までの高さと定義する。凹部と凸部との高低差が小さいと、十分な光取り出し効率が得られない。凹部と凸部との高低差を大きくすると、光取り出し層７の膜厚が厚くなり、透過率が悪くなって出力が低下してしまう。
基板１としては、サファイア単結晶（Ａｌ2Ｏ3；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ2などのホウ化物単結晶などの基板材料が周知である。本発明においても、これら周知の基板材料を含めて、如何なる基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの中でもサファイア単結晶およびＳｉＣ単結晶が好ましい。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
基板１上には、通常、バッファ層を介して、窒化物系半導体からなるｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４が積層される。使用する基板１やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層が不要である場合がある。
窒化物系半導体としては、例えば一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化物系半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化物系半導体を含めて一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化物系半導体を何ら制限なく用いることができる。
窒化物系半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
窒化物系半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、など窒化物系半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ4）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ2Ｈ5）4Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を用いる。
ｎ型半導体層２は、通常、下地層、ｎコンタクト層およびｎクラッド層から構成される。ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。下地層はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。その膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌXＧａ1―XＮ層が得られやすい。
下地層にはｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０17／ｃｍ3）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃が好ましく、さらに好ましくは１０００〜１２００℃の範囲に調整する。この成長温度範囲内で成長させれば結晶性の良いものが得られる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は１５〜４０ｋＰａに調整する。
ｎコンタクト層としては、下地層と同様にＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎコンタクト層にはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。成長温度は下地層と同様である。
ｎコンタクト層を構成する窒化物系半導体は、下地層と同一組成であることが好ましく、ｎコンタクト層と下地層との合計の膜厚を１〜２０μｍ、好ましくは２〜１５μｍ、さらに好ましくは３〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。ｎコンタクト層と下地層との合計の膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
ｎコンタクト層と発光層３との間には、ｎクラッド層を設けることが好ましい。ｎコンタクト層の表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできるからである。ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ｎクラッド層をＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０17〜１×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
ｎ型半導体層２の上に積層される発光層３としては、窒化物系半導体、好ましくはＧａ1-sＩｎsＮ（０＜ｓ＜０．４）の窒化物系半導体からなる発光層が本発明では通常用いられる。発光層３の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が挙げられ、例えば好ましくは１〜１０ｎｍであり、より好ましくは２〜６ｎｍである。発光層３の膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。
また、発光層３は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他に、上記Ｇａ1-sＩｎsＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。
ＡｌcＧａ1-cＮ障璧層の成長温度は７００℃以上とすることが好ましく、さらに好ましくは８００〜１１００℃で成長させると結晶性が良好になるため好ましい。ＧａＩｎＮ井戸層は６００〜９００℃、好ましくは７００〜９００℃で成長させる。すなわちＭＱＷの結晶性を良好にするためには層間で成長温度を変化させることが好ましい。
ｐ型半導体層４は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。
ｐクラッド層としては、発光層３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
ｐコンタクト層は、少なくともＡｌeＧａ1-eＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化物系半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型不純物（ドーパント）を１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度で、好ましくは５×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
ｎ型半導体層２には負極５をこの技術分野でよく知られた慣用の手段で設ける。負極５としては、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
正極８であるボンディングパッドは、Ａｕ，Ａｌ，ＮｉおよびＣｕ等の材料を用いた各種構造が公知であり、これら公知の材料を何ら制限なく用いることが出来る。
図４は、本発明のランプの一例を模式的に示した断面図である。図４に示すランプ３０は、図１に示す本発明のフェイスアップ型の窒化物系半導体素子１２が砲弾型に実装されたものである。図４において、符号３４、３４はフレームを示し、符号３１、３２はワイヤーを示し、符号３３はモールドを示している。
図４に示すランプ３０は、図１に示す本発明の窒化物系半導体発光素子１２を用い、従来公知の方法により製造することができる。具体的には、例えば、２本のフレーム３４、３４の一方に窒化物系半導体素子１２を樹脂などで接着し、窒化物系半導体素子１２の正極８、負極５を金からなるワイヤー３１、３２でそれぞれフレーム３４、３４に接合した後、透明な樹脂からなるモールド３３で窒化物系半導体発光素子１２の周辺をモールドすることにより砲弾型の図４に示すランプ３０を作成することができる。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
（実験例１）
以下に示す方法により、図２および図３に示す発光素子を得た。図２は、本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図であり、図３は、図２に示した発光素子の平面を示した模式図である。
まず、複数の発光素子の基板となるサファイアからなる基板１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮからなるバッファ層９を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層２０を積層した。
窒化ガリウム系化合物半導体層２０としては、ＭＯＣＶＤ法により、図２に示すように、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層１０、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層および厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層２、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層３、および厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層と厚さ０．１８μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層がこの順序で積層されたｐ型半導体層４からなるものを形成した。
得られた図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体層２０において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０17ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０19ｃｍ-3であった。
そして、窒化ガリウム系化合物半導体層２０の積層された基板１に、正極８および負極５を次の手順で形成した。
初めに、反応性イオンエッチング法によって負極５を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層を露出させた。次に、フォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の正極８を形成する領域にのみ、表１に示す組成、膜厚の電流拡散層６を、表１に示す成膜方法で形成した。そして、得られた電流拡散層６の結晶状態を調べた。その結果を表１に示す。
Figure 2007165596
なお、表１において「ＩＴＯ」とは、Ｉｎ２Ｏ３：９０質量％、ＳｎＯ２：１０質量％のものを意味し、「ＡＺＯ」とは、ＺｎＯ：９５質量％、Ａｌ２Ｏ３：５質量％のものを意味し、「ＩＺＯ」とは、Ｉｎ２Ｏ３：９０質量％、ＺｎＯ：１０質量％のものを意味し、「ＧＺＯ」とは、ＺｎＯ：９５質量％、ＧｅＯ２：５質量％のものを意味する。
また、電流拡散層６の上に、表１に示す組成、膜厚（成膜時）の光取り出し層７を、表１に示す成膜方法で形成した。そして、得られた光取り出し層７の結晶状態を調べた。その結果を表１に示す。
その後、光取り出し層７の表面を、シュウ酸（３Ｍ）を用いて５０℃で１０分間エッチングすることにより、凹凸形状を形成し、表１に示す膜厚（エッチング後膜厚）、凹部と凸部との高低差とした。ここで形成された凹凸形状は、凸部の平均直径０．３μｍ、凸部の平均高さ０．３μｍ、凹部と凸部との間の距離の平均値０．８μｍの無秩序（ランダム）な凹凸形状であった。
なお、凹部と凸部との高低差は、測定装置としてＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ。ＤｅｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社（米国）製）を用いて、以下に示す測定条件で測定した。
測定条件
スキャン幅：１０μｍ
スキャンレート：１Ｈｚ
測定回数：２５６
モード：タッピングモード
その後、通常リフトオフと呼ばれる手順に則って処理して、光取り出し層７の表面上の一部に、Ａｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、ボンディングパッドを形成して正極８とした。
次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に以下の手順により負極５を形成した。すなわち、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の全面にレジストを一様に塗布した後、リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極５を形成する部分からレジストを除去し、真空蒸着法で半導体側から順に１００ｎｍのＴｉ、２００ｎｍのＡｕよりなる負極５を形成した。その後レジストを除去した。
このようにして正極８および負極５の形成された基板１の裏面を研削・研磨することにより基板１の板厚を８０μｍまで薄くし、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れて押し割り、３５０μｍ角のチップ（発光素子）に切断した。
そして、得られたチップに、プローブ針による通電を行い、電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をした。また、得られたチップをＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流２０ｍＡにおける発光出力を計測した。その結果を、表１に示す。
また。得られたチップの発光面の発光分布を調べた。その結果、正極８上の全面で発光しているのが確認できた。
（実験例２〜実験例１９）
窒化ガリウム系化合物半導体層２０の積層された実験例１と同様の基板１に、正極８および負極５を次の手順で形成した。
すなわち、実験例１と同様にして、負極５を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層を露出させ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の正極８を形成する領域にのみ、表１に示す組成、膜厚の電流拡散層６を、表１に示す成膜方法で形成した。その後、電流拡散層６の上に、表１に示す組成、膜厚（成膜時）の光取り出し層７を、表１に示す成膜方法で形成した。
その後、光取り出し層７の表面を、実験例１と同様のエッチング液を用いて５０℃で実験例１と同じ時間エッチングすることにより、実験例１と同様の平均直径の凸部、平均高さの凸部、凹部と凸部との間の距離の凹凸形状を形成して、表１に示す膜厚（エッチング後膜厚）凹部と凸部との高低差とした。その後、実験例１と同様にして、ボンディングパッドを形成して正極８とした。
次に、実験例１と同様にして負極５を形成し、実験例１と同様にして、基板を切断して３５０μｍ角のチップにした。
その後、実験例１と同様にして得られたチップの順方向電圧（Ｖｆ）の測定および発光出力の計測を行なった。
その結果を、表１に示す。
表１より、電流拡散層６をスパッタにより成膜し、光取り出し層７を蒸着により成膜した実験例１〜１２においては、１１ｍＶ以上の高い出力が得られ、かつ、３．６以下の十分に低いＶｆとなる優れた窒化物発光素子が得られた。その結果、実験例１〜１２においては、エッチングにより光取り出し層７の表面に凹凸形状を形成しても、電流拡散層６に対するダメージはほとんどなかったことが確認できた。
一方、電流拡散層６と光取り出し層７の両方ともスパッタで成膜した実験例１４では、シュウ酸（３Ｍ）を用いたエッチングによってほとんどエッチングされなかった。その結果、Ｖｆは低いが、出力が低いものとなり、電流拡散層６は電流拡散層として機能しているが、光取り出し層７は光取り出し層として十分に機能していないことがわかった。
また、電流拡散層６と光取り出し層７の両方とも蒸着で成膜した実験例１５では、エッチングによって、多くの電流拡散層６が除去されたために、Ｖｆ，出力ともに良好な結果が得られなかった。よって、電流拡散層６は電流拡散層として十分に機能していないし、光取り出し層７も光取り出し層として十分に機能していないことがわかった。
また、実験例１〜実験例１２に示すように、光取り出し層７の材料が、ＩＴＯ、ＡＺＯ，ＩＺＯ、ＧＺＯのいずれであっても、高い出力が得られることが確認できた。
また、実験例１３に示すように、電流拡散層６を蒸着によって成膜した後に５００℃、１０分の熱処理を行なった場合でも、電流拡散層６をスパッタで形成した実験例１〜実験例１２と同様、高い出力が得られることが確認できた。
また、電流拡散層６の膜厚が５０ｎｍ〜１０００ｎｍである実験例１〜実験例１３では、膜厚が３０ｎｍと薄い実験例１６と比較して、Ｖｆが低くなった。
また、電流拡散層６の膜厚が５０ｎｍ〜１０００ｎｍである実験例１〜実験例１３では、膜厚が、２５００ｎｍと厚い実験例１７と比較して、出力が高くなった。
また、実験例１〜実験例１３では、光取り出し層７のエッチング後の膜厚が１０ｎｍと薄い実験例１８と比較して、出力が高くなった。
また、実験例１〜実験例１３では、光取り出し層７のエッチング後の膜厚が２４００ｎｍと厚い実験例１９と比較して、透過率が高く出力が高かった。
図１は、本発明の窒化物系半導体発光素子の一例を模式的に示した断面図である。 図２は、本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。 図３は、図２に示した発光素子の平面を示した模式図である。 図４は、本発明のランプの一例を模式的に示した断面図である。
符号の説明
１ 基板
２ ｎ型半導体層
３ 発光層
４ ｐ型半導体層
５ 負極
６ 電流拡散層（第２層）
７ 光取り出し層（第１層）
８ 正極
９ バッファ層
１０ 下地層
１２ 窒化物系半導体発光素子
１１ 透光性導電酸化膜層
２０ 窒化ガリウム系化合物半導体層
３０ ランプ

Claims (18)

  1. ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、
    前記透光性導電酸化膜層が、光取り出し層として機能する第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、電流拡散層として機能する第２層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  2. ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、
    前記透光性導電酸化膜層が、粒状結晶からなる第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、柱状結晶からなる第２層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  3. ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置された窒化物系半導体発光素子であって、
    前記透光性導電酸化膜層が、真空蒸着することにより形成された第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置され、スパッタすることにより形成された第２層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  4. 前記第１層の前記第２層と反対側の面が凹凸形状とされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 前記凹凸形状が前記第１層をエッチングすることによって形成されたものであり、
    前記第１層は、前記第１層をエッチングする場合のエッチング速度が前記第２層よりも速い材料からなることを特徴とする請求項４に記載の窒化物系半導体発光素子。
  6. 前記凹凸形状が、無秩序に形成された凹部と凸部とからなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  7. 前記凹凸形状を構成する凹部と凸部との高低差が３５ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. 前記第２層がＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種類の材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  9. 前記第２層の膜厚が３５ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  10. 前記第１層がＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種類の材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  11. 前記第１層の膜厚が３５ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  12. ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、透光性導電酸化膜層が順に配置され、前記透光性導電酸化膜層が、第１層と、前記第１層の前記ｐ型半導体層側に配置された第２層とを少なくとも有する窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、
    前記ｐ型半導体層上に、電流拡散層として機能する前記第２層を形成する工程と、
    前記第２層上に、光取り出し層として機能する前記第１層を形成する工程とを備えることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
  13. 前記第１層をウェットエッチングすることにより、前記第１層の表面を凹凸形状とする工程を備え、前記ウェットエッチングに用いるエッチング溶液が、シュウ酸、塩化鉄、塩酸の混合液であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
  14. 前記第２層をスパッタすることにより形成することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
  15. 前記第２層を３００〜８００℃の雰囲気で真空蒸着することにより形成することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
  16. 前記第２層を真空蒸着することにより形成した後、３００〜８００℃で熱処理することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
  17. 前記第１層を真空蒸着することにより形成することを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
  18. 請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子を用いたことを特徴とするランプ。

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