JP2011054598A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】照明装置などに適した、電力量を増加させても輝度が低下しない半導体素子の提供。
【解決手段】開口部を含む金属電極を備えた半導体発光素子。金属電極の大きさが１ｍｍ２以上の大型半導体発光素子であり、金属電極が平均直径が１０ｎｍ以上２μｍ以下の、層を貫通する開口部を有している。この半導体素子の金属電極層は、ブロックコポリマーの自己組織化やナノインプリント技術により製造することができる。
【選択図】図１
【解決手段】開口部を含む金属電極を備えた半導体発光素子。金属電極の大きさが１ｍｍ２以上の大型半導体発光素子であり、金属電極が平均直径が１０ｎｍ以上２μｍ以下の、層を貫通する開口部を有している。この半導体素子の金属電極層は、ブロックコポリマーの自己組織化やナノインプリント技術により製造することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、開口部を含む金属電極を具備した半導体発光素子に関わり、特に半導体発光素子の輝度特性の改善を図った半導体発光素子に関するものである。
昨今、画像表示装置や照明装置に半導体発光素子を用いることが検討されている。このような半導体発光素子は、基本的に半導体層の両面に電極が設けられ、電極間に電流を流すことによって発光させるものである。一般的な半導体発光素子は、半導体層の表面にオーミック接触したパッド電極を具備している。このパッド電極に電流を流すことによって、そのパッド電極の周辺部から発光が認められる。ここで、照明装置などでは比較的大きな発光素子が望まれるが、発光部分を大きくするためには、パッド電極を大きくしても効果は小さい。このため、パッド電極から半導体層表面に沿って伸びた細線電極を追加して、発光部分の面積を広くする工夫がなされている。しかしながら、細線電極を多くすれば電極構造が複雑になるという問題点もある。
一方、照明装置に用いることを意図した場合、半導体発光素子の発光強度を上げるためのもう一つの方法として、素子に流す電流を多くすることも考えられる。しかし、従来のパッド電極を具備した半導体発光素子の電流に対する輝度の特性は、ある電流値でピークを持ち、それ以上半導体発光素子に電流を流しても輝度は低下するというものである。輝度が低下する大きな原因は、半導体発光素子内部に多くの電流を流したことにより熱が発生し、十分に放熱できないことである。そのため、従来の半導体発光素子の高輝度化を実現するためには半導体発光素子の冷却を十分に行う必要があった。このような問題を解決する方法として半導体発光素子直下に放熱性のよい基板を設けることも考えられているが、現状では発熱部分と基板との距離があるためか、十分な効果を得ることができていない。
なお、半導体発光素子に用いることができる電極として、開口部を具備した金属電極が検討されている（特許文献１）。しかしながら、この特許文献において検討の対象とされているのは、液晶表示装置などにおける小型の発光素子であって、照明装置などに用いる大型の発光素子についての検討はなされておらず、上記したような発熱や輝度低下の問題点についても検討されていない。
なお、半導体発光素子に用いることができる電極として、開口部を具備した金属電極が検討されている（特許文献１）。しかしながら、この特許文献において検討の対象とされているのは、液晶表示装置などにおける小型の発光素子であって、照明装置などに用いる大型の発光素子についての検討はなされておらず、上記したような発熱や輝度低下の問題点についても検討されていない。
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) pp. L 1431-L 1433
本発明は、照明装置に用いるような大型の半導体発光素子において、多くの電流を流した場合であっても輝度の低下がなく、かつ輝度の高い半導体発光素子を提供するものである。
本発明による半導体発光素子は、結晶基板の一方の面に電極層を具備し、反対側の光取り出し面に化合物半導体層と、前記化合物半導体層上に積層された金属電極層とを具備してなるものであって、
前記金属電極層の面積が１ｍｍ２以上であり、
前記金属電極層が貫通する複数の開口部を有しており、
前記開口部の平均開口部直径が１０ｎｍ以上２μｍ以下であり、
前記金属電極層の金属部位の任意の２点間は切れ目無く連続しており、
前記金属電極層の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある
ことを特徴とするものである。
前記金属電極層の面積が１ｍｍ２以上であり、
前記金属電極層が貫通する複数の開口部を有しており、
前記開口部の平均開口部直径が１０ｎｍ以上２μｍ以下であり、
前記金属電極層の金属部位の任意の２点間は切れ目無く連続しており、
前記金属電極層の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある
ことを特徴とするものである。
また、本発明による一実施態様である、前記の半導体素子の製造方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするもの。
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするもの。
また、本発明による別の一実施態様である、前記の半導体素子の製造方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
本発明による半導体発光素子は、発光表面全面に金属電極を施すことにより半導体発光素子内部から発生する熱をその金属電極を介して十分に放熱することが可能となり、多くの電流を半導体発光素子に流しても輝度は低下することなく、電流増加とともに輝度は維持されるか上昇するものである。また、金属電極を発光表面全面に形成することにより、半導体発光素子自体の直列抵抗を下げ、順方向電圧を低下させることが可能となる。そのことから半導体発光素子内部で発生する熱も少なくなり、半導体発光素子の高輝度化に有利となる。すなわち、本発明によれば、半導体発光素子により多くの電流を流しても輝度が低下しない半導体発光素子が提供される。このような発光素子は、照明装置に用いた場合に高い輝度を達成できるという特徴を有する。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明による半導体発光素子は、光取り出し面側に形成されている金属電極層の構造に大きな特徴を有している。まず、本発明による半導体発光素子は比較的大型の素子であり、それに用いられている金属電極層の面積は１ｍｍ２以上である。本発明においては、金属電極層は化合物半導体層全体を被覆するように設けることができる。このため、半導体発光素子の大きさは金属電極層の大きさと同じにすることができる。したがって、半導体発光素子（チップ）の大きさも１ｍｍ２以上とすることができる。従来の画像表示装置などに用いられている半導体発光素子の大きさは、一般的に０．１ｍｍ２以下であり、特に従来のパッド電極を用いた場合にはそれ以上の大きさの発光素子を作成することは困難であった。さらに、本発明による放熱性改良効果は、半導体素子が大きいほど大きくなるため、金属電極層の面積は１ｍｍ２以上であることが必要である。
本発明における金属電極層の材料となる金属は、十分な導電性および熱伝導性を有しているものであれば特に限定されず、一般的に電極として用いられる任意の金属を用いることができる。しかし、コストや取り扱い性の観点から、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、およびＲｈからなる群から選択される少なくとも一つの金属から構成される金属または合金からなるものであることが好ましい。
本発明による半導体素子は前記した通り、比較的大型の金属電極層を具備している。この金属電極層は、その層を貫通する複数の開口部を有している。本発明における金属電極層は前記した通り、比較的大きな金属電極層による高い放熱性により、半導体発光素子の温度上昇を抑制しているが、金属電極層に設けられた開口部のサイズを調整することによっても温度上昇を抑制している。すなわち半導体発光素子の順方向の電圧を低下させることによって直列抵抗を低下させ、発熱自体を減少させることができる。このような効果を実現するためには、開口部を有する金属電極層から化合物半導体層に対して全面に均一に電流を流す必要がある。化合物半導体層に均一に電流を流すためには開口部の大きさ、開口部の中心間隔はある程度限定される。シミュレーション等の計算による検討を行うと、電流が流れる範囲は、電流を流す半導体層のドーピング濃度等にも依存するが、金属電極層端からおおよそ２μｍまでの範囲である。すなわち、開口部の直径がそれ以上であると電流が流れない範囲が生じて、直列抵抗を下げることが出来ず順方向電圧を下げることが出来ない。実際に、間隔が５μｍ以上であるメッシュ構造を有する金属電極を具備した半導体発光素子においては特に、順方向電圧が低下したという報告は無い（非特許文献１参照）。そのため、平均開口部直径の上限は２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下である。一方、下限に関しては抵抗値の観点からは特に制約は無いが、作製の容易性の観点から１０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上である。
なお、本発明における金属薄膜層の金属部位の任意の２点間は切れ目無く連続していることが必要である。これは前記した通り、抵抗値を低く保つという観点から重要である。また、発光素子として化合物半導体層全体から発光を得るためにも、金属部位が連続していることは重要である。このように金属電極層の抵抗値の観点からは、金属電極層のシート抵抗が１０Ω／□以下であることが好ましく、５Ω／□以下であることがより好ましい。面抵抗が小さいほど発熱が小さく、本発明の効果がより顕著となる。
また、一般的に半導体層上に金属電極を形成させるためには、半導体層上に金属層を形成させ、その後、金属層と半導体層との界面に熱処理によりドーパントをドーピングしてオーミック接触を形成させるのが一般的である。例えば、一般的な赤色発光素子の場合の電極形性方法は、ＧａＡｓ、ＧａＰ等の化合物半導体層へＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ（ドーパント、ｐ層の場合）の積層構造を形成した後、熱処理を行うことにより金属−半導体層界面へＺｎのドーピングを行い、オーミック接触を実現している。本発明においても、同様にして金属層を形成させ、さらに後述する方法によって開口部を形成させることによって金属電極層を形成させることができる。ここで金属電極層の厚さが薄すぎるとドーパントの量が少なくなりドーピングが不十分となり、その結果十分なオーミック接触が実現できず、抵抗値が上昇してしまう。実験により調べた結果、十分なオーミック接触を実現するためには、金属電極層の厚さは１０ｎｍ以上であることが必要であり、３０ｎｍ以上であることが好ましいことがわかった。一方、金属電極層の厚さの上限は、抵抗値の観点からは特に制限は無いが、加工の容易さ、精度を考慮すると約２００ｎｍが上限であり、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
このような本発明による金属電極層は、半導体発光素子の光取り出し面側に形成されているため、化合物半導体層から放射される光は、金属電極層を経由して外部に放射される。このため、より高い輝度を達成するために、金属電極層の光透過率は高いことが好ましく、具体的には１０％以上であることが好ましい。このとき光透過率は、いうまでもなく化合物半導体層から放射される光の波長に対応する光透過率である。
金属電極層の光透過率を大きくする一つの方法は、金属電極層全体の面積に対する、開口部の総面積の割合、すなわち開口率を高くすることである。しかし、膜面抵抗を低く保つためには開口率は高すぎることは不利である。このため、開口率は、５０〜７０％であることが好ましく、４０〜５０％であることがより好ましい。
また、本発明に用いられる開口部を有する金属電極層は、開口部のサイズや配置される位置を調整することで、開口率以上の光透過率を実現することも可能である。このような技術は、例えば特許文献１に記載されている。すなわち金属電極層における開口部に阻害されない連続した金属部位の直線距離が、化合物半導体層から発生する光の波長の１／３以下である部位が、全面積の９０％以上であり、平均開口部直径が１０ｎｍ以上、化合物半導体層から発生する光の波長の３分の１以下の範囲にあることで、光透過率が高い金属電極層を達成できるので好ましい。
本発明の一実施形態にかかる方法により製造される、半導体発光素子の構造を表わす断面図は図１に示す通りである。
図１に示された半導体発光素子１００は、例えばｎ型のＧａＡｓからなる基板１０１を具備する。この基板上に、例えばｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層、ＩｎＧａＰ活性層、およびｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層などを含むヘテロ構造部１０２が形成され、その上に例えばｐ型のＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層１０３が形成されている。なお、これらの化合物半導体層の構成はこれに限定されるものではなく、必要に応じて任意の構成とすることができる。電流拡散層上面全てに開口部を有するｐ側Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎの金属電極層が形成されている。そして、開口部を有する金属電極層と電流拡散層の間にはオーミックコンタクトを取るためのＧａＡｓコンタクト層１０４が薄く形成されている。特に電流拡散層が多元素からなる層である場合、例えばＩｎＧａＡｌＰ、ＡｌＧａＡｓのような３元以上の元素からなる層である場合、このようなコンタクト層が無いと、その上に形成される金属電極層１０５が十分にオーミック接触しにくくなる。ここで、コンタクト層の材料として用いられる材料は、コンタクト層の両側に隣接する半導体層を形成する半導体や金属電極層を形成する金属の種類により異なるが、一般的にはＧａＡｓ、またはＧａＰなどが好ましい。そして、この金属電極層は、この層を貫通する複数の開口部１０７を有している。図１に示された金属電極層は、開口部の大きさおよび配置がランダムなものが示されているが、これに限定されるものではない。必要に応じて開口部の大きさが揃っていてもよいし、また開口部が規則的に配置されていてもよい。基板の裏面側には、例えばＡｕからなるｎ側対向電極１０６が形成されている。そして活性層における発光は、電流拡散層１０３全面から取り出されるようになっている。
このような半導体発光素子は任意の方法により製造することができる。特に、本発明による半導体発光素子は金属電極層に大きな特徴を有するので、製造方法も金属電極層の形成工程に特徴がある。一方で化合物半導体層や対向電極等の形成方法は従来知られている任意の方法を組み合わせて用いることができる。
本発明による半導体発光素子の製造方法には、例えば以下の（Ａ）〜（Ｄ）の方法が挙げられる。
（Ａ）ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法
本発明による半導体発光素子の製造方法のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
（Ａ）ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法
本発明による半導体発光素子の製造方法のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
この方法をもう少し詳細に説明すると以下の通りである。まず、結晶基板上に化合物半導体層を形成させる。次いで、結晶基板の化合物半導体層が形成された面と反対側の面に、例えばＡｕ／Ｚｎなどの金属を真空蒸着により製膜して対向電極層を形成させる。これらの結晶基板、化合物半導体層および対向電極については、従来知られている任意の材用および形成方法を用いることができる。例えば、図１において説明した材料と同様のものを用いてもよい。
次いで、化合物半導体層上にＡｕ／Ｚｎなどの金属を蒸着させて金属薄膜を形成させる。さらに金属薄膜の上に、レジスト組成物を塗布および加熱してレジスト層を形成させる。
次いで、化合物半導体層上にＡｕ／Ｚｎなどの金属を蒸着させて金属薄膜を形成させる。さらに金属薄膜の上に、レジスト組成物を塗布および加熱してレジスト層を形成させる。
その後、この上に必要に応じて有機ポリマー層を塗布し、熱硬化させる。最終的に、この有機ポリマー層部でのリフトオフにより金属薄膜加工用のマスク形成を行う。そのため、有機ポリマー層の膜厚がマスク高を決定し、有機ポリマー層の膜厚は５０〜４００ｎｍが好ましい。
次に、有機ポリマー膜の上に、ブロックコポリマーを含む組成物を回転塗布してブロックコポリマー層を形成させる。さらに、ホットプレート上でベークし溶媒を蒸発させ、相分離化させるために加熱処理を行う加熱処理は例えば１５０〜２５０℃で行うことが好ましい。使用することのできるブロックコポリマーは、例えばポリスチレン(以下、ＰＳという)ブロックとポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭＭＡという）ブロックを有するものであり、ＰＳマトリクス中にドット状のＰＭＭＡが形成される。
ＰＳ及びＰＭＭＡは適当なガス種を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に対するエッチング速度が大きく異なる。そのため、ＲＩＥにより相分離したＰＭＭＡドット部分を選択的に除去して空洞部を形成させることにより、ＰＳのメッシュパターンが得られる。
通常、ブロックコポリマーを構成する典型的なポリマーは、硬い基板のエッチングに耐えられうるほどの耐性を持っていなため、本実施態様では無機物質を使ったパターントランスファー法を採用した。まず、塗布法または物理気相成長法により空洞部に無機物質を埋める。その後、ＲＩＥにより一部のＰＳのメッシュパターンを除去することにより、無機物質のドットパターンを得ることが出来る。
次に、ＲＩＥにより、形成した無機物質のドットパターンを下地となる有機ポリマー層に転写することで、円柱状の有機ポリマー層を形成させる。さらに、リフトオフ法により、有機ポリマー層の円柱パターンを反転させてメッシュパターンのマスクを形成させる。この際用いる材料としては、有機ポリマーとエッチング選択性が大きい無機物質が好ましい。
最後に、イオンミリングまたはＲＩＥによって、メッシュパターンの無機物質マスクを下地の金属薄膜に転写することにより、化合物半導体層にオーミック接触した開口部を有する金属電極層が形成される。以上の方法により、本発明による半導体発光素子が形成される。
（Ｂ）ナノインプリントを利用する方法
本発明による半導体発光素子の製造方法の別のひとつは、ナノインプリントを利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
本発明による半導体発光素子の製造方法の別のひとつは、ナノインプリントを利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
この方法をもう少し詳細に説明すると以下の通りである。まず、結晶基板上に化合物半導体層を形成させる。 次いで反対側の面に対向電極層を形成させる。これらは前記した方法と同様の方法で形成させることができる。
次いで、化合物半導体層上に、ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ等を真空蒸着により製膜して、金属薄膜を形成させる。
次いで、化合物半導体層上に、ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ等を真空蒸着により製膜して、金属薄膜を形成させる。
次にレジスト組成物を金属薄膜上に塗布し、加熱により熱硬化反応させ、レジスト層を形成させる。
このレジスト層に、鋳型であるスタンパーを用いて本発明において特定された開口構造に対応した微細凹凸パターンを転写する。
スタンパーは、例えば石英上に電子線リソグラフィーにて所望の構造を形成させることにより製造することができる、そのほか、本発明による半導体発光素子の製造方法では、スタンパーの材料及びスタンパーの微細凹凸構造形成手法は限定されない。例えば、スタンパーを前述したブロックコポリマーの自己組織化や、後述する微粒子マスクを用いた方法により形成することも可能である。
前記レジスト層に前記スタンパーを、必要に応じて加熱しながら押し付け、放冷後、離型することでレジスト層にスタンパーの逆パターンを転写させる。これにより、柱状突起を有する開口レジストパターンが形成される。
なお、本発明は、熱ナノインプリントに限定されるものではなく、光インプリントやソフトインプリントなど、種々のインプリント技術を用いて同様のパターンを形成しても汎発明が提供する半導体発光素子の機能を損なうものではない。
このレジストパターンマスクとして、金属薄膜のエッチングを行って金属薄膜に開口部を形成させ、さらに、レジストパターンマスクを除去することにより、本発明による半導体発光素子を得ることができる。
（Ｃ）微粒子のマスクを利用する方法
本発明による半導体発光素子の製造方法のさらに別のひとつは、シリカ等の微粒子の単分子層をマスクとして利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
前記金属薄膜層の少なくとも一部にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成させる工程と、
前記レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成させる工程と、
前記単粒子層をエッチングマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンの開口部に無機物質を充填して逆パターンマスクを形成させる工程と、
前記逆パターンマスクをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
本発明による半導体発光素子の製造方法のさらに別のひとつは、シリカ等の微粒子の単分子層をマスクとして利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
前記金属薄膜層の少なくとも一部にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成させる工程と、
前記レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成させる工程と、
前記単粒子層をエッチングマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンの開口部に無機物質を充填して逆パターンマスクを形成させる工程と、
前記逆パターンマスクをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
この方法をもう少し詳細に説明すると以下の通りである。まず、結晶基板上に化合物半導体層を形成させる。 次いで反対側の面に対向電極層を形成させる。これらは前記した方法と同様の方法で形成させることができる。
次いで、化合物半導体層上に、ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ等を真空蒸着により製膜して、金属薄膜を形成させる。
次に、金属薄膜上にレジスト組成物を塗布し、レジスト層を形成させる。引き続き、このレジスト層の表面を反応性リアクティブエッチング（ＲＩＥ）処理して、レジスト層の表面を親水化させることができる。この処理により、以後の分散液塗布時の濡れ性を改善させることができる。
次に、例えば粒子径が２００ｎｍであるシリカ微粒子を含む分散液を、前記レジスト層が形成された基板上に塗布し、必要に応じてアニール処理および冷却することにより、シリカ粒子の単分子層が形成される。用いられる微粒子の大きさは目的とする開口部のデザインに応じて、任意の粒子径および分布を有するものを用いることができる。
次に、シリカ微粒子単粒子膜に対して、エッチングを行う。このプロセスでシリカ微粒子がエッチングされ半径が小さくなることで、隣接していた粒子間に隙間が生じていく。エッチング条件は下地のレジスト層はほとんどエッチングされることがないものを選択する。そのようにエッチングの速度差があることで、シリカ微粒子のみをエッチングして粒子の間に隙間を形成させることができる。
次に、残ったシリカ微粒子をエッチングマスクに用いて、下地の熱硬化性レジストをエッチングする。この結果、初期にシリカ微粒子があった部位に、アスペクト比の高い柱状のレジストパターンが得られる。
次に、スピンオングラス（以下、ＳＯＧという）の溶液を、前記柱状レジストパターン上に塗布し、加熱する。これによりレジストパターンの間の隙間にＳＯＧが充填される。
次に、柱状レジストパターン上のＳＯＧおよびシリカ微粒子をエッチングにより除去し、柱状レジストパターンとその隙間にＳＯＧ５０９が充填された構造を形成させる。
次に、残った柱状の熱硬化性レジストをエッチングにより除去して、前記柱状レジストパターンを反転した構造のＳＯＧマスクを金属薄膜上に作製する。
次に、金属薄膜を前記ＳＯＧマスクを介してエッチングして、開口部を有する金属電極層を形成させる。
さらに、ＳＯＧマスクを除去することにより、本発明の一実施態様である半導体発光素子を得ることができる。
（Ｄ）電子線描画を利用する方法
開口部を有する金属電極層を形成させる方法のもうひとつは、電子線描画による方法である。この方法を利用した本発明による半導体素子の製造方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
金属薄膜上に電子線用レジストを塗布してレジスト膜を形成させる工程と、
前記レジスト膜に電子線により形成させようとする開口部の形状に対応したパターンを描画し、現像してレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むものである。
開口部を有する金属電極層を形成させる方法のもうひとつは、電子線描画による方法である。この方法を利用した本発明による半導体素子の製造方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
金属薄膜上に電子線用レジストを塗布してレジスト膜を形成させる工程と、
前記レジスト膜に電子線により形成させようとする開口部の形状に対応したパターンを描画し、現像してレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。結晶基板上に任意の方法で形成された化合物半導体層上にＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ（３％）の金属薄膜を蒸着法により形成する。引き続き、電流拡散層とオーミック接触を取るため、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行うことが好ましい。アニール後、良好なオーミック性が達成される。そのＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ膜上へ電子線用レジストを３００ｎｍの厚さで形成させる。そして、電子線描画装置によりレジストへ描画を行い、現像を行ってパターンを形成させる。その後、イオンミリング装置によりＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ膜をエッチングして、開口部を形成させる。さらに、この金属電極層の一部にボンディング用の丸電極を形成させ。このような方法により、開口部を有する電極を備えた半導体発光素子が得られる。
本発明を、実施例を用いて詳細に説明すると以下の通りである。従来の金属丸電極が形成された半導体発光素子と、本発明による、開口部を有する金属電極を有する半導体発光素子の特性の評価を行った。
（実施例１）
前記した方法に準じて半導体発光素子を作製した。実施例１においては開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の特性を調べるため、従来の３００μｍ角の半導体発光素子にて評価した。
前記した方法に準じて半導体発光素子を作製した。実施例１においては開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の特性を調べるため、従来の３００μｍ角の半導体発光素子にて評価した。
図２（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層、ＩｎＧａＰ活性層、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層などを含むヘテロ構造部１０２を形成させた。その上にｐ型のＩｎＧａＡｌＰの４元元素を含む電流拡散層１０３をエピタキシャル成長させた。電流拡散層の上にオーミック接触をとるためにｐ型のＧａＡｓコンタクト層１０４（０．１μｍ）を形成させた。基板の裏面側にはｎ側対向電極１０６を形成させた。この半導体発光素子の発光波長は６３５ｎｍであった。
次いで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）からなる金属薄膜１０５Ａを蒸着法により形成した。その後、ｐ型ＧａＡｓ層と十分にオーミック接触させるため、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
次いで、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層１０５Ａの上に電子線用レジスト（フジフィルム株式会社製：商品名ＦＥＰ−３０１）の層を３００ｎｍの厚さで形成させた。そして、パターンジェネレーターを装備した５０ｋＶの加速電圧を持つ電子線露光装置で開口径１００ｎｍ、２００ｎｍの間隔を有するホールパターン２０１を形成させた（図２（ｂ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で９０秒間、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層１０５Ａのエッチングを行って開口部を有する金属電極層１０５を形成させた。エッチング後、レジストを除去するため、酸素アッシングを行った（図２（ｃ））。最後にパッド電極２０２を形成させて半導体発光素子を完成させた（図２（ｄ））。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ丸電極のみを形成した半導体発光素子（比較例１）を形成した。それぞれを３００μｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。その結果は図３に示す通りであった。図３は電圧−電流特性である。開口を有する金属電極を形成することにより、同じ電流値に対して電圧値が低下していることが分かる。また、図４に電流に対する輝度の特性を示す。輝度に関しては、電流が数十ｍＡと大きくない場合は開口を有する金属電極のよりもただの丸電極を形成したもののほうが明るい。しかし、電流を多く流していくとただの丸電極の方は輝度が大きく低下していったが、開口を有する金属電極の方は電流を多く流しても輝度は低下することは無く維持され、１００ｍＡの電流値の場合の輝度は開口を有する金属電極の方の輝度が大きかった。これは金属電極全面にあることで放熱性が向上したことによるものである。
以上のことから、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子は１ｍｍ角のような大きなチップ構造、すなわち金属電極層の面積が１ｍｍ２以上の場合に、大電流を流した場合に有利であることが確認された。本発明による効果が表れる電流の大きさは金属電極層の面積に依存するが、一般に１００ｍＡ以上の電流を流すと本発明の効果を得ることができる。
（実施例２）
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。実施例１と同様にして開口を有する金属電極層を形成した。
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。実施例１と同様にして開口を有する金属電極層を形成した。
ｐ型ＧａＡｓ層にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）を蒸着法により形成し、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
次いで、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層へ実施例１と同様にして電子線用レジストを形成してパターンジェネレーターで開口径１００ｎｍ、２００ｎｍの間隔を有するホールパターンを形成させた。
次いで、イオンミリング装置を用いて、実施例１と同様にしてＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ層のエッチングを行って、開口部を有する金属電極層を形成させた。エッチング後、酸素アッシングしてレジストを除去した。最後にパッド電極を形成させて半導体発光素子を完成させた。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例２）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．２Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．２倍輝度が大きかった。
よって、大チップの半導体発光素子において、本発明による、開口部を有する金属電極を含む半導体発光素子の有効性が示された。
（実施例３）
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）からなる金属薄膜１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った（図５（ａ））。
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）からなる金属薄膜１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った（図５（ａ））。
次いで、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層へｉ線用レジスト（東京応化株式会社製：商品名ＴＨＭＲ−ｉＰ３６５０）の塗膜を１μｍの厚さで形成させた。ｉ線用のステッパー露光装置で開口径５００ｎｍ、１μｍの間隔を有するホールパターンを形成させた（図５（ｂ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、実施例１と同様にしてＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ層のエッチングを行って開口部を有する金属電極層１０５を形成させた。エッチング後、ｉ線用レジストを酸素アッシングしてレジストを除去した（図５（ｃ））。最後にパッド電極を形成して半導体発光素子を完成させた（図５（ｄ））。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成させた（比較例３）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．１５Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．１５倍輝度が大きかった。
（実施例４）
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）からなる金属薄膜を蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）からなる金属薄膜を蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
次いで、実施例３と同様にしてＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ層へｉ線用レジストの塗膜を１μｍの厚さで形成させた。ｉ線用のステッパー露光装置で開口径１．５μｍ、２μｍの間隔を有するホールパターンを形成させた。
次いで、イオンミリング装置を用いて、実施例１と同様にしてＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ層のエッチングを行い開口部を有する金属電極層を形成させた。エッチング後、ｉ線用レジストを酸素アッシングしてレジストを除去した。最後にパッド電極を形成して半導体発光素子を完成させた。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例４）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．１Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．１倍輝度が大きかった。
開口部直径の大きさ、および間隔が大きくなると、電流の広がりが少なからず悪くなることにより特性の向上率が低下する傾向にあることがわかった。
（実施例５）
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（３０ｎｍ）１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
次に、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層１０５Ａへレジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：１に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートを行ったのち、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱して溶媒を蒸発させた。次いでレジストを窒素雰囲気下において２５０℃でアニール行い熱硬化させた。レジスト層６０１Ａの膜厚は３００ｎｍであった。
次いで、乳酸エチル中に、直径２００ｎｍのシリカ粒子を分散させた。シリカ粒子の濃度は８重量％に調整した。その分散液に体積比率でシリカ：アクリルモノマー＝１：３の比率になるようにアクリルモノマーを加えて分散液を作成した。アクリルモノマーはＥｔｈｏｘｙｌａｔｅｄ （６） ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｌｐｒｏｐａｎｅ ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ（以下、Ｅ６ＴＰＴＡという）を用いた。その分散液を上記のレジスト付きシリコン基板へ滴下し、２０００ｒｐｍ、６０秒間の条件でスピンコートした。スピンコート後、溶媒を完全に除去するため、１１０℃で６０秒間ベークした。その後、窒素雰囲気下において１５０℃で１時間硬化アニールを行った。アニール後、規則配列したシリカ粒子６０２Ａの単分子層が形成された（図６（ａ））。
次いで、配列されたシリカ粒子層をリアクティブエッチング（ＲＩＥ）装置によって、ＣＦ４流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで２分間エッチングしシリカ粒子の粒径を１５０ｎｍに縮小化させた（図６（ｂ））。縮小化されたシリカ粒子６０２Ａの間には隙間が生じていた。
次いで、そのシリカ粒子層をマスクとして、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで５分間レジスト層をエッチングして、レジストピラーパターン６０１を形成させた（図６（ｃ））。
次に、有機ＳＯＧ組成物（ＯＣＤ−Ｔ７ Ｔ−１４０００（商品名）、東京応化工業株式会社製）をレジストピラーパターン付き基板へ滴下し、２０００ｒｐｍ、６０秒間の条件でスピンコートした。スピンコート後、溶媒を完全に除去するため、１１０℃で６０秒間ベークした。その後、窒素雰囲気下において２５０℃で１時間硬化アニールを行った。硬化後、レジストピラーパターンは完全にＳＯＧ層６０３Ａによって埋め込まれ、また表面は平坦化された（図６（ｄ））。
次いで、ＳＯＧによって平坦化された基板をＣＦ４流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで１０分間エッチバックした。エッチバック後、レジストピラーパターンの頂部が露出された（図６（ｅ））。
次いで、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで３分間エッチングし、レジストピラー６０１を完全に除去した。除去後、ＳＯＧのホールパターン６０３が形成された（図６（ｆ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で９０秒間、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層１０５Ａのエッチングを行っって開口部を有する金属電極層１０５を形成させた。エッチング後、基板を５％のフッ酸溶液に浸漬してＳＯＧを除去した（図６（ｇ））。最後にパッド電極２０２を形成させて半導体発光素子を完成させた（図６（ｈ））。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例５）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．２Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．３倍輝度が大きかった。
（実施例６）
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（１０ｎｍ）１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（１０ｎｍ）１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
次に、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層１０５Ａへレジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：３に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートを行ったのち、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱して溶媒を蒸発させた。次いでレジストを窒素雰囲気下において２５０℃でアニール行い熱硬化させた。得られたレジスト層７０１Ａの膜厚は１００ｎｍであった。
次に、形成したレジスト上へ有機ＳＯＧ組成物（ＯＣＤ−Ｔ７ Ｔ−５５００（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：５に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、６０秒間の条件でスピンコートした。スピンコート後、溶媒を完全に除去するため、１１０℃で６０秒間ベークした。その後、窒素雰囲気下において２５０℃で１時間硬化アニールを行った。ＳＯＧ層７０２Ａの膜厚は３０ｎｍであった（図７（ａ））。
次に、分子量１６０，０００のポリスチレン（以下、ＰＳという）ブロックと、分子量４５，０００のポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭＭＡという）ブロックを有するブロックコポリマーを溶剤に溶かした液をスピンコート法で３０００ｒｐｍで塗布した。さらに、１１０℃、９０秒の条件下でプリベークして溶剤を除去して７０ｎｍの膜厚のブロックコポリマー膜７０３Ａを得た（図７（ｂ））。その膜を窒素雰囲気中で２１０℃、４時間の条件でアニールを行い、ＰＳとＰＭＭＡの相分離を行い、大きさ４０ｎｍ、６０ｎｍ間隔のＰＭＭＡのドットパターン７０３を形成させた（図７（ｃ））。
次いで、相分離したブロックコポリマー付き基板を、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗの条件で１０秒間ＲＩＥすることにより、相分離したブロックコポリマー膜をエッチングした。このとき、ＰＳとＰＭＭＡのエッチング速度差により、ＰＭＭＡが選択的にエッチングされ、ＰＳのホールパターンが形成された。
次いで、ＰＳホールパターンをマスクにしてＲＩＥ装置によって、ＣＦ４流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで１分間ＳＯＧをエッチングした。
次いで、ＳＯＧホールパターンをマスクにしてＲＩＥ装置によって、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗの条件で６０秒間ＲＩＥすることによりレジストホールマスクを形成させた（図７（ｄ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で１００秒間、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層のエッチングを行って、開口部を有する金属電極層１０５を形成させた。エッチング後、レジストを除去するため、酸素アッシングを行った（図７（ｅ））。最後にパッド電極２０２を形成して半導体発光素子を完成させた（図７（ｆ））。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例６）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．２Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．３５倍輝度が大きかった。
（実施例７）
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（４０ｎｍ）１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
実施例１と同様のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰ／ｐ−ＩｎＡｌＰ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ｐ−ＧａＡｓの半導体発光素子を用意した。ｐ型ＧａＡｓ層１０４にＡｕ（１０ｎｍ）／Ａｕ−Ｚｎ（３％）（４０ｎｍ）１０５Ａを蒸着法により形成させ、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行った。
次いで、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層上へレジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：２に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートを行ったのち、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱して溶媒を蒸発させた。得られたレジスト層８０１Ａの膜厚は１５０ｎｍであった（図８（ａ））。次いで、大きさ２００ｎｍ、３００ｎｍの間隔、高さ１５０ｎｍの高さを持つ凸形状が形成された石英のモールド（スタンパー）８０２（形状は９ｃｍ２内に形成されている）を用意し、レジスト付き基板を１２０℃に加熱した状態で石英のモールドの凸形状がある方をレジスト層８０１Ａに１０ＭＰａの圧力で押し付けてインプリントを行った（図８（ｂ））。インプリント後、基板を室温まで冷却し石英モールドをリリースした。インプリント後、レジスト上へ大きさ２００ｎｍ、３００ｎｍの間隔、深さ１００ｎｍの凹形状のパターン８０１Ｂが形成された（図８（ｃ））。
次いで、凹パターンが形成されたレジストパターン８０１Ｂを、Ｏ２：３０ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー１００Ｗの条件で３０秒間エッチングを行った。Ｏ２ＲＩＥ後、レジスト層の底だしが行われＡｕ／Ａｕ−Ｚｎ膜１０５Ａが露出した（図８（ｄ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で９０秒間、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ層１０５Ａのエッチングを行って開口部を有する近ぞｋ重電極層を形成させた。エッチング後、レジストを除去するため、酸素アッシングを行った（図８（ｅ））。最後にパッド電極２０２を形成させて半導体発光素子を完成させた（図８（ｆ））。
比較のため、ｐ型ＧａＡｓ層へ細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例７）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．２Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．３倍輝度が大きかった。
（実施例８）
図９（ａ）に示すように、サファイア基板９０１上にＧａＮバッファー層９０２を形成した上にｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層９０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層９０４、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ：Ｍｇ層９０５、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層９０６をエピタキシャル成長させた。この半導体発光素子の発光波長は４５０ｎｍであった。ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）９０７Ａを蒸着法により形成し、急速高温アニールによりオーミックコンタクトを形成させた。
図９（ａ）に示すように、サファイア基板９０１上にＧａＮバッファー層９０２を形成した上にｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層９０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層９０４、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ：Ｍｇ層９０５、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層９０６をエピタキシャル成長させた。この半導体発光素子の発光波長は４５０ｎｍであった。ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）９０７Ａを蒸着法により形成し、急速高温アニールによりオーミックコンタクトを形成させた。
次いで、Ｎｉ／Ａｕ層９０７Ａへ実施例１と同様にして電子線用レジスト膜を形成させてパターンジェネレーターで開口径１００ｎｍ、２００ｎｍの間隔を有するホールパターン９０８を形成させた（図９（ｂ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で１２０秒間、Ｎｉ／Ａｕ層のエッチングを行って、開口部を有する金属電極層９０７を形成させた。エッチング後、レジストを除去するため、酸素アッシングを行った（図９（ｃ））。
次いで、ｎ−ＧａＮとの電極を取るため、パターニングを行ってｎ−ＧａＮ層を露出させた（図９（ｄ））。最後に、ｎ型電極９０９とｐ型電極のためのパッド電極９０８を形成して半導体発光素子を完成させた（図９（ｅ））。
次いで、ｎ−ＧａＮとの電極を取るため、パターニングを行ってｎ−ＧａＮ層を露出させた（図９（ｄ））。最後に、ｎ型電極９０９とｐ型電極のためのパッド電極９０８を形成して半導体発光素子を完成させた（図９（ｅ））。
比較のため、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）の細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例８）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．２５Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．２５倍輝度が大きかった。
ＧａＮ系の化合物半導体を用いた場合にも、本発明による半導体発光素子は優れた性能を有することが確認された。
ＧａＮ系の化合物半導体を用いた場合にも、本発明による半導体発光素子は優れた性能を有することが確認された。
（実施例９）
実施例８と同様のサファイア基板９０１、ＧａＮバッファー層９０２、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層９０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ層９０４、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ：Ｍｇ層９０５、およびｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層９０６から構成される半導体発光素子を用意した。ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）９０７Ａを蒸着法により形成し、急速高温アニールによりオーミックコンタクトを形成させた。
実施例８と同様のサファイア基板９０１、ＧａＮバッファー層９０２、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層９０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ層９０４、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ：Ｍｇ層９０５、およびｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層９０６から構成される半導体発光素子を用意した。ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）９０７Ａを蒸着法により形成し、急速高温アニールによりオーミックコンタクトを形成させた。
次いで、Ｎｉ／Ａｕ層上へレジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：２に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートを行ったのち、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱して溶媒を蒸発させてレジスト膜１００１Ａを形成させた。レジスト膜１００１Ａの膜厚は１５０ｎｍであった（図１０（ａ））。次いで、大きさ２００ｎｍ、３００ｎｍの間隔、高さ１５０ｎｍの高さを持つ凸形状が形成された石英のモールド１００２（形状は９ｃｍ２内に形成されている）を用意し、レジスト付き基板を１２０℃に加熱した状態で石英のモールドの凸形状がある方をレジストに１０ＭＰａの圧力で押し付けてインプリントを行った。インプリント後、基板を室温まで冷却し石英モールド１００２をリリースした。インプリント後、レジスト上へ大きさ２００ｎｍ、３００ｎｍの間隔、深さ１００ｎｍの凹形状パターン１００１Ｂが形成された（図１０（ｂ））。
次いで、凹パターンが形成されたレジストパターンを、Ｏ２：３０ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー１００Ｗの条件で３０秒間エッチングを行った。Ｏ２ＲＩＥ後、レジストの底だしが行われＮｉ／Ａｕ層が露出し、レジストパターン１００１が形成された（図１０（ｃ））。
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で１２０秒間、レジストパターン１００１を介してＮｉ／Ａｕ層のエッチングを行って、開口部を有する金属電極層９０７を形成させた。エッチング後、レジストを除去するため、酸素アッシングを行った（図１０（ｄ））。
次いで、ｎ−ＧａＮとの電極を取るため、パターニングを行ってｎ−ＧａＮ層を露出させた（図１０（ｅ））。最後に、ｎ型電極９０９とｐ型電極のためのパッド電極９０８を形成して半導体発光素子を完成させた（図１０（ｆ））。
比較のため、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）の細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子を形成した（比較例１０）。それぞれを１ｍｍ角の半導体発光素子にダイシングを行い、ベアチップにて半導体発光素子の特性を比較した。それぞれの半導体発光素子の電流値が１Ａの場合の順方向電圧値を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも順方向電圧が０．２Ｖ低かった。また、それぞれの半導体発光素子の電流値が５００ｍＡの場合の輝度を比較すると、開口を有する金属電極を含む半導体発光素子の方が細線付きの丸電極を形成した半導体発光素子よりも１．２倍輝度が大きかった。
１００ 半導体発光素子
１０１ 結晶基板
１０２ ヘテロ構造部
１０３ 電流拡散層
１０４ コンタクト層
１０５ 金属電極層
１０６ 対向電極
１０７ 開口部
２０２ パッド電極
６０２Ａ シリカ粒子
６０３Ａ ＳＯＧ膜
７０３Ａ ブロックコポリマー層
８０２ 石英モールド
１０１ 結晶基板
１０２ ヘテロ構造部
１０３ 電流拡散層
１０４ コンタクト層
１０５ 金属電極層
１０６ 対向電極
１０７ 開口部
２０２ パッド電極
６０２Ａ シリカ粒子
６０３Ａ ＳＯＧ膜
７０３Ａ ブロックコポリマー層
８０２ 石英モールド
Claims (8)
- 結晶基板の一方の面に電極層を具備し、反対側の光取り出し面に化合物半導体層と、前記化合物半導体層上に積層された金属電極層とを具備してなる半導体発光素子であって、
前記金属電極層の面積が１ｍｍ２以上であり、
前記金属電極層が貫通する複数の開口部を有しており、
前記開口部の平均開口部直径が１０ｎｍ以上２μｍ以下であり、
前記金属電極層の金属部位の任意の２点間は切れ目無く連続しており、
前記金属電極層の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記金属電極層と、前記化合物半導体層とがオーミック接触をしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層のシート抵抗が１０Ω／□以下である、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、およびＲｈからなる群から選択される少なくとも一つの金属から構成される金属または合金からなるものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層の、前記化合物半導体層の発光波長における光透過率が１０％以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子を具備してなることを特徴とする照明装置。
- 結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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