JP2011187872A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられた発光層３０と、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられ、第１半導体層１０よりも不純物濃度が低く、第１半導体層１０の一部を露出させる開口部を有する第３半導体層１５と、開口部１８を介して第１半導体層１０に接する第１電極４０と、を備え、第３半導体層１５は、第１半導体層１０とは反対の側の面に設けられ、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第３半導体層１５における波長よりも大きい凹凸１７ｐを有する粗面部１７をさらに有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【選択図】図１
【解決手段】第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられた発光層３０と、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられ、第１半導体層１０よりも不純物濃度が低く、第１半導体層１０の一部を露出させる開口部を有する第３半導体層１５と、開口部１８を介して第１半導体層１０に接する第１電極４０と、を備え、第３半導体層１５は、第１半導体層１０とは反対の側の面に設けられ、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第３半導体層１５における波長よりも大きい凹凸１７ｐを有する粗面部１７をさらに有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの半導体発光素子の発光効率（外部量子効率）を向上させるためには、内部量子効率および光取り出し効率を改善することが必要ある。
例えば、非特許文献１には、光取り出し効率を改善するためにｎ形ＧａＮ層の表面に凹凸を設ける構成が提案されている。この技術を用いても、半導体発光素子の効率の向上には改良の余地がある。
T. Fujii, Y.Gao, R.Sharma, E,L.Hu, S. P. DenBaars, and S.Nakamura, Applied Physics Letters vol.84 No.6, pp.855-857 (2004)
本発明は、高効率の半導体発光素子を提供する。
本発明の一態様によれば、第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、前記第１半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、前記第１半導体層よりも不純物濃度が低く、前記第１半導体層の一部を露出させる開口部を有する第３半導体層と、前記開口部を介して前記第１半導体層に接する第１電極と、を備え、前記第３半導体層は、前記第１半導体層とは反対側の面に設けられ、前記発光層から放射される発光光のピーク波長の前記第３半導体層における波長よりも大きい凹凸を有する粗面部をさらに有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
本発明によれば、高効率の半導体発光素子が実現される。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図１（ｂ）は、半導体発光素子１００の構成を例示する模式的斜視図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）中に示したＩｂ−Ｉｂ線断面図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図１（ｂ）は、半導体発光素子１００の構成を例示する模式的斜視図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）中に示したＩｂ−Ｉｂ線断面図である。
図１（ａ）に表したように、半導体発光素子１００は、第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、発光層３０と、第３半導体層１５と、第１電極４０と、を備える。
発光層３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。
第３半導体層１５は、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられる。第３半導体層１５における不純物濃度は、第１半導体層１０における不純物濃度よりも低い。
第３半導体層１５は、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられる。第３半導体層１５における不純物濃度は、第１半導体層１０における不純物濃度よりも低い。
第３半導体層１５は、開口部１８と、粗面部１７と、を有する。開口部１８は、第１半導体層１０の一部を露出させる。開口部１８は、第３半導体層１５の第１半導体層１０とは反対側の第１主面１５ａから、第１半導体層１０に到る。粗面部１７は、第１主面１５ａに設けられ、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第３半導体層１５における波長よりも大きい凹凸１７ｐを有する。
第１電極４０は、開口部１８を介して第１半導体層１０に接する。
第１電極４０は、開口部１８を介して第１半導体層１０に接する。
例えば、半導体発光素子１００においては、導電性基板６０の上に、積層構造体９０が設けられている。積層構造体９０は、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、第３半導体層１５と、を含む。第２半導体層２０は、第３半導体層１５よりも導電性基板６０の側に設けられ、第２半導体層２０と第３半導体層１５との間に発光層３０が設けられ、発光層３０と第３半導体層１５との間に第１半導体層１０が設けられる。
例えば、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、第３半導体層１５とは、窒化物半導体を含んでいる。第１導電型は例えばｎ形であり、第２導電型は例えばｐ形である。この場合には、第１半導体層１０はｎ形半導体層であり、第２半導体層２０はｐ形半導体層である。ただし、本実施形態はこれに限らず、第１導電型がｐ形であり、第２導電型がｎ形でも良い。以下では、第１導電型がｎ形であり、第２導電型がｐ形である場合として説明する。
第３半導体層１５は、第１半導体層１０よりも不純物濃度が低い。例えば、第３半導体層１５は、ノンドープ半導体層である。例えば、第３半導体層１５における不純物濃度は、検出限界よりも低い。また、第３半導体層１５は、第１半導体層１０よりも低い濃度で不純物を含んでも良い。
図１（ａ）に表したように、第３半導体層１５の第１半導体層１０とは反対側の第１主面１５ａには、第３半導体層１５の主面１５ａから第１半導体層１０に連通する開口部１８が形成されている。そして、本具体例では、第１電極４０は、開口部１８を介して第１半導体層１０に接しつつ、第３半導体層１５の主面１５ａ上に設けられている。
さらに、第３半導体層１５の主面１５ａ側には、粗面部１７が設けられている。本具体例では、粗面部１７は、主面１５ａの側において、第１電極４０に並設されている。粗面部１７には、凹凸１７ｐが設けられている。この凹凸１７ｐにより、発光層３０から放出され、第３半導体層１５を通過して、積層構造体９０の外部に向かって伝播する発光光の、第３半導体層１５外界との間の界面における反射が抑制される。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）に表したように、粗面部１７に設けられる凹凸１７ｐは、複数の突起を有する。突起は、第３半導体層１５の表面が加工されて形成される。
図２（ａ）に表したように、粗面部１７に設けられる凹凸１７ｐは、複数の突起を有する。突起は、第３半導体層１５の表面が加工されて形成される。
突起の、第１半導体層１０から第２半導体層２０が設けられる積層方向に対して垂直な方向に沿った最大幅ΔＷは、発光層３０から放出される発光光の第３半導体層１５中のピーク波長よりも広く設定される。
これにより、第３半導体層１５と外界との界面における発光光の反射の低減の効果がより高くなる。ここで、ピーク波長とは、発光層３０から放出される発光光のうち、最も強度の高い光の波長である。ピーク波長は、発光光のスペクトル分布のピーク値に対応する波長である。ノイズレベルではない極大値が２つ以上あるスペクトルの場合、そのどちらのピーク値の波長を選んでも良い。
図２（ｂ）に表したように、例えば、窒化物半導体を用いた第３半導体層１５において、積層方向（第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向）から見たときの突起の平面形状が略六角形となるときは、最大幅ΔＷは、六角形の対角する頂点間の幅となる。
図１（ａ）に表した第２半導体層２０の発光層３０とは反対側の第２の主面２０ａには、第２半導体層２０に電気的に接続された第２電極５０が設けられている。また、本具体例では、第２電極５０と導電性基板６０との間に接着用金属層５５が設けられ、さらに、接着用金属層５５と導電性基板６０との間に接合金属層６５が設けられている。なお、接合金属層６５には、例えばＡｕＳｎ合金などが用いられる。本具体例では、第１電極４０がｎ側電極であり、第２電極５０がｐ側電極となる。
半導体発光素子１００の作製方法の一例について簡単に説明する。
例えば、図示しない基板上に、第３半導体層１５、第１半導体層１０、発光層３０、および第２半導体層２０を、第３半導体層１５、第１半導体層１０、発光層３０、および第２半導体層２０の順に結晶成長させて積層構造体９０を形成する。続いて、第２半導体層２０の上面である第２主面２０ａに、第２電極５０を形成し、その上に接着用金属層５５を形成する。
例えば、図示しない基板上に、第３半導体層１５、第１半導体層１０、発光層３０、および第２半導体層２０を、第３半導体層１５、第１半導体層１０、発光層３０、および第２半導体層２０の順に結晶成長させて積層構造体９０を形成する。続いて、第２半導体層２０の上面である第２主面２０ａに、第２電極５０を形成し、その上に接着用金属層５５を形成する。
次に、例えば、導電性基板６０に設けた接合金属層６５と、第２半導体層２０の接着用金属層５５と、を互いに対向させ、接合金属層６５と接着用金属層５５とを貼り合わせることにより、積層構造体９０と導電性基板６０とを接合する。さらに、例えば、後述するレーザリフトオフなどの方法を用いて、図示しない基板を積層構造体９０から分離させる。
続いて、積層構造体９０の第３半導体層１５の第１主面１５ａに、第１電極４０と粗面部１７とを形成する。例えば、第１主面１５ａの一部にエッチングなどの加工を施して所定の凹凸１７ｐを形成し、粗面部１７を形成する。なお、粗面部１７を形成する他の方法として、例えば、図示しない基板を分離した後に残る凹凸面を粗面部１７として用いることもできる。
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、図３（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１００における特性を例示しており、第３（ｂ）は、粗面部１７を設けない第１比較例の半導体発光素子１１０の特性を例示し、図３（ｃ）は、第１半導体層１０の表面に粗面部１７が設けられた第２比較例の半導体発光素子１２０の特性を例示している。
すなわち、図３（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１００における特性を例示しており、第３（ｂ）は、粗面部１７を設けない第１比較例の半導体発光素子１１０の特性を例示し、図３（ｃ）は、第１半導体層１０の表面に粗面部１７が設けられた第２比較例の半導体発光素子１２０の特性を例示している。
半導体発光素子１１０および１２０と、半導体発光素子１００とは、導電性基板６０上に第１半導体層１０、発光層３０および第２半導体層２０を含む積層構造体９０および９０ｂが、それぞれ設けられている点で共通する。
半導体発光素子１１０は、第３半導体層１５を有しない点、および光取り出し面である第１半導体層１０の表面に粗面部１７が設けられていない点において、半導体発光素子１００とは異なる。
半導体発光素子１２０は、第３半導体層１５を有しない点、および粗面部１７が設けられている場所が第１半導体層１０の表面である点において、半導体発光素子１００とは異なる。
図３（ａ）〜（ｃ）において、各半導体発光素子は、導電性基板６０から第２の電極５０を介して第１電極４０に電流を流すことにより、発光層３０から発光光を放出する。発光層３０から出射した発光光のうちの一部の光Ｌ１の一部は、光Ｌ２として外界に取り出される。また、第２電極５０は反射電極として機能し、発光層３０から放出されて第２電極５０の方向に伝播する光Ｌ３は、第２電極５０と第２半導体層２０の界面において反射し、光Ｌ４として外界へ放出される。
図３（ｂ）に示す第１比較例の半導体発光素子１１０では、第１半導体層１０の屈折率と、外界（積層構造体９０ｂの外部）の屈折率と、の差で定まる臨界角よりも大きな入射角で第１半導体層１０から外界へ向かう光は、第１半導体層１０と外界との界面において全反射される。結果として、半導体発光素子１１０から外界へ放出される光の強度は、半導体発光素子１００および１２０よりも低くなる。
図３（ｃ）に示す第２比較例の半導体発光素子１２０では、第１半導体層１０の表面に粗面部１７が設けられている。これにより、第１半導体層１０と外界との界面を通過して外界へ取り出される光の実質的な入射角は、半導体発光素子１１０よりも大きくなる。その結果、半導体発光素子１２０においては、外界へ放出される光の強度は、半導体発光素子１１０よりも高くなる。
しかしながら、半導体発光素子１２０においては、発光波長よりもサイズが大きい凹凸１７ｐを第１半導体層１０に形成するために、第１半導体層１０の厚さが厚く設定される。そして、第１電極４０と第１半導体層１０との間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成するために、第１半導体層１０のキャリア濃度（例えば不純物濃度）は高く設定される。このため、第１半導体層１０における光吸収が増加し、光取り出し効率の低下をもたらす。このため、第２比較例の半導体発光素子１２０においては、粗面部１７を形成しているにもかかわらず、粗面部１７を形成している場所が第１半導体層１０であるために、やはり光が損失され、光の取り出し効率の向上の程度は不十分である。
さらに、半導体発光素子１２０においては、ｎ形不純物が高濃度にドープされた第１半導体層１０の表面に粗面部１７を設けるため、凹凸加工の際に、粗面部１７に表面荒れや不純物析出が生じ、その結果として、光取り出し効率を低下させる要因となる場合がある。
一方、図３（ａ）に例示した本実施形態に係る半導体発光素子１００では、第３半導体層１５に粗面部１７が設けられている。第３半導体層１５の不純物濃度は、第１半導体層１０に比べて低く、第３半導体層１５における光の内部吸収は小さい。したがって、第３半導体層１５と外界との界面で反射される発光光の減衰を、第２比較例の半導体発光素子１２０よりも小さく抑えることができる。これにより、半導体発光素子１００においては、外界へ放出される光Ｌ２及び光Ｌ４の強度を、第２比較例の半導体発光素子１２０よりも高くすることができる。
さらに、半導体発光素子１００では、不純物濃度の低い第３半導体層１５の表面に凹凸１７ｐ形成するため、凹凸１７ｐの表面荒れや不純物析出が生じることが少ない点においても有利である。
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１００によれば、高効率の半導体発光素子が得られる。
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１００によれば、高効率の半導体発光素子が得られる。
次に、本実施形態に係る半導体発光素子１００の製造方法の例を説明する。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図４（ａ）に表したように、半導体発光素子１００は、サファイア基板５の上に形成された窒化物半導体から構成される。すなわち、例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板の上に、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層７ａ(炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３）を３ｎｍ〜２０ｎｍ、高純度第２ＡｌＮバッファ層７ｂ(炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３)を２μｍ、ノンドープＧａＮバッファ層を２μｍ、Ｓｉドープｎ形ＧａＮコンタクト層(Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３)を２μｍ、Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層（Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ−３）を０．０２μｍ、Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎバリア層（Ｓｉ濃度１．１〜１．５×１０１９ｃｍ−３）とＧａＩｎＮ発光層（波長３７５〜３９５ｎｍ）とが交互に３周期積層されてなる多重量子井戸構造の発光層３０を０．０７５μｍ、多重量子井戸の最終Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎバリア層（Ｓｉ濃度１．１〜１．５×１０１９ｃｍ−３）を０．０１μｍ、Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層（Ｓｉ濃度０．８〜１．０×１０１９ｃｍ−３）を０．０１μｍ、ノンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペーサ層を０．０２μｍ、Ｍｇドープｐ形Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎクラッド層(Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３)を０．０２μｍ、Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層(Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３)を０．１μｍ、高濃度Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層(Ｍｇ濃度５〜９×１０１９ｃｍ−３)を０．０２μｍの厚みで、それぞれ順次積層した構造を採用することができる。
なお、上記のノンドープＧａＮバッファ層が第３半導体層１５として用いられる。Ｓｉドープｎ形ＧａＮコンタクト層、及び、Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層の少なくともいずれかが第１半導体層１０に含まれる。Ｍｇドープｐ形Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎクラッド層、Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層、及び、高濃度Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層の少なくともいずれかが第２半導体層２０に含まれる。
高濃度Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層のＭｇ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上１×１０２１ｍ−３未満と高めに設定することで、ｐ側電極とのオーミック性を向上させることができる。ただし、半導体発光ダイオードの場合、半導体レーザダイオードとは異なり、コンタクト層と発光層との距離が近いため、Ｍｇ拡散による特性の劣化が懸念される。そこで、ｐ側電極と高濃度Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層の接触面積が広く、動作時の電流密度が低いことを利用して、電気特性を大きく損ねることなく高濃度Ｍｇドープｐ形ＧａＮコンタクト層におけるＭｇ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３未満に抑えることで、Ｍｇの拡散を防ぐことができ、発光特性を改善させることができる。
高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層７ａは、基板との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度第２ＡｌＮバッファ層７ｂにより、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープＧａＮバッファ層の結晶欠陥が低減されるが、そのためには、高純度第２ＡｌＮバッファ層７ｂの膜厚は、１μｍよりも厚いことが好ましい。また、歪みによる反り防止のためには、高純度第２ＡｌＮバッファ層７ｂの厚みが４μｍ以下であることが望ましい。高純度第２ＡｌＮバッファ層７ｂはＡｌＮに限定されず、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ(０．８≦ｘ≦１）でも良く、これにより、ウェハの反りを補償することができる。
ノンドープＧａＮバッファ層は、高純度第２ＡｌＮバッファ層７ｂ上で３次元島状成長をすることにより結晶欠陥低減の役割を果たす。成長表面が平坦化するには、ノンドープＧａＮバッファ層の平均膜厚は２μｍ以上とされることが望ましい。再現性と反り低減の観点からノンドープＧａＮバッファ層の総膜厚は、２〜１０μｍが適切である。
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長ＡｌＮバッファ層と比較して結晶欠陥を約１／１０に低減することができる。この技術によって、ｎ形ＧａＮコンタクト層への高濃度Ｓｉドーピングや、紫外帯域発光でありながらも高効率な半導体発光素子を作ることができる。また、ノンドープＧａＮバッファ層における結晶欠陥を低減することにより、ノンドープＧａＮバッファ層での光の吸収も抑制できる。
次に、積層構造体への電極形成および積層構造体の導電性基板への接合について説明する。
まず、ｐ側電極を形成するため、真空蒸着装置を用いて、例えば、Ａｇを２００ｎｍ、Ｐｔを２ｎｍの膜厚で連続形成する。リフトオフ後に酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎでシンター処理を行う。そして、ｐ側電極上に接着用金属層５５として、例えば、Ｎｉ／Ａｕを１０００ｎｍの膜厚で形成する。
まず、ｐ側電極を形成するため、真空蒸着装置を用いて、例えば、Ａｇを２００ｎｍ、Ｐｔを２ｎｍの膜厚で連続形成する。リフトオフ後に酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎでシンター処理を行う。そして、ｐ側電極上に接着用金属層５５として、例えば、Ｎｉ／Ａｕを１０００ｎｍの膜厚で形成する。
次に、Ｇｅからなる導電性基板上に形成した膜厚３μｍのＡｕＳｎ半田と、積層構造体上に形成した接着用金属層５５を対向させて設置し、ＡｕＳｎの共晶点以上の温度、例えば３００℃に加熱することで、導電性基板とサファイア基板とを接着する。
そして、サファイア基板側から、例えばＹＶＯ４の固体レーザの三倍高調波（３５５ｎｍ）または四倍高調波（２６６ｎｍ）のレーザ光を照射する。レーザ光は、ＧａＮバッファ層（例えば、上記のノンドープＧａＮバッファ層）のＧａＮの禁制帯幅に基づく禁制帯幅波長よりも短い波長を有する。すなわち、レーザ光は、ＧａＮの禁制帯幅よりも高いエネルギーを有する。
このレーザ光は、ＧａＮバッファ層（ノンドープＧａＮバッファ層）のうち、単結晶ＡｌＮバッファ層（この例では第２ＡｌＮバッファ層）の側の領域において効率的に吸収される。これにより、ＧａＮバッファ層のうち単結晶ＡｌＮバッファ層の側のＧａＮは、発熱により分解する。そして、塩酸処理などによって、分解されたＧａＮを除去し、サファイア基板を積層構造体から剥離して分離する。
次に、露出した積層構造体への電極および粗面部１７（凹凸１７ｐ）の形成について説明する。
サファイア基板が剥離された導電性基板上のノンドープＧａＮバッファ層（第３半導体層１５）の一部を除去し、ｎ形コンタクト層（例えば上記のＳｉドープｎ形ＧａＮコンタクト層、すなわち、第１半導体層１０）を露出させる。このとき、ｎ側電極の段切れを防ぐために、テーパ形状に加工するほうが好ましい。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いることで、５０°のテーパ形状を持つ窪みを形成することができる。
サファイア基板が剥離された導電性基板上のノンドープＧａＮバッファ層（第３半導体層１５）の一部を除去し、ｎ形コンタクト層（例えば上記のＳｉドープｎ形ＧａＮコンタクト層、すなわち、第１半導体層１０）を露出させる。このとき、ｎ側電極の段切れを防ぐために、テーパ形状に加工するほうが好ましい。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いることで、５０°のテーパ形状を持つ窪みを形成することができる。
さらに、露出させたｎ形コンタクト層全体とノンドープＧａＮバッファ層の一部を覆うように、リフトオフ法などで、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を例えば５００ｎｍの厚さで形成し、パターニングして、ｎ側電極を形成する。その後、ｎ側電極が形成されていないノンドープＧａＮバッファ層の表面を、ＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して凹凸１７ｐを形成する。これにより、粗面部１７が形成される。ＫＯＨ溶液によるエッチング条件は、例えば１ｍｏｌ／Ｌの溶液を８０℃に加熱して、２０ｍｉｎのエッチングとする。
次いで、劈開またはダイヤモンドブレード等により、導電性基板を切断し、個別の素子とし、半導体発光素子が作製される。
本実施形態に係る半導体発光素子１００は、少なくとも、ｎ形の半導体層と、ｐ形の半導体層と、それらに挟まれた発光層と、を含む半導体層を含む。半導体層の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）等の窒化ガリウム系化合物半導体が用いられる。これらの半導体層の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長法等の公知の技術を用いることができる。
導電性基板には、導電性のある任意の材料を用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体基板、Ｃｕ、ＣｕＷなどの金属板などを用いることができる。また、基板全体で導電性を有する必要はなく、樹脂の中に金属配線が設けられている板などでもよい。
ｐ側電極は、少なくとも銀またはその合金を含む。例えば、銀以外の金属単層膜の可視光帯域に対する反射効率は、４００ｎｍ以下の紫外域では波長が短くなるほど低下する傾向にあるが、銀は、３７０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外帯域の光に対しても高い反射効率特性を有する。そのため、紫外発光の半導体発光素子で、且つｐ側電極が銀合金の場合は、ｐ側電極のうちの半導体界面側の部分は、銀の成分比が高いほうが望ましい。ｐ側電極の膜厚は、光に対する反射効率を確保するため、１００ｎｍ以上であることが好ましい。
ｐ側電極上には、半田がｐ側電極へ拡散または反応するのを防ぐ目的で、銀と反応しない、または銀に積極的に拡散しない、ｐ側電極と電気的に接触している拡散防止層を設けてもよい。
拡散防止層の材料としては、高融点金属、例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）などの単層膜または積層膜が挙げられる。
さらに好ましくは、多少拡散しても問題がないように仕事関数が高く、ｐ形ＧａＮコンタクト層とオーミック性が得られやすい金属として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）が挙げられる。
拡散防止層の膜厚は、単層膜の場合は膜状態を保てる５ｎｍから２００ｎｍの範囲であることが好ましい。積層膜の場合は、特に限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍから１００００ｎｍの間で選ぶことができる。
サファイア基板上の積層構造体とＧｅなどの導電性基板を接着させる時やレーザ光でＧａＮを分解してサファイア基板を剥離する時は、導電性基板とサファイアまたはＧａＮとの熱膨張係数差、局所的に加熱されることによる熱、ＧａＮが分解することにより発生する生成物、などにより、結晶に結晶欠陥やダメージが入り易い。結晶欠陥やダメージが入ると、そこからｐ側電極のＡｇが拡散し、結晶内部でのリークや結晶欠陥の加速度的な増加を招く。
本実施形態において、単結晶ＡｌＮバッファ層を用いることで高品質な半導体層を形成することができるため、結晶に対するダメージが大幅に軽減される。また、ＧａＮをレーザ光で分解する際、ＧａＮのすぐそばにある高熱伝導特性を示すＡｌＮバッファ層に熱が拡散するため、局所的な加熱による熱ダメージを受けにくい。
ｎ形コンタクト層上に形成されるｎ側電極の大きさは、大きくなるほどｎ形コンタクト層に対するコンタクト抵抗が下がり、動作電圧が低減する。逆に、小さくなるほど発光した光がｎ側電極に塞がれて外に出ない又は吸収される割合が減るため、光取り出し効率が向上する。また、ｎ側電極の一部はワイヤボンディング用の電極としても使用するため、ある程度の、例えば直径８０μｍから１２０μｍの、広い面積が必要となる。これらの効果を考慮して、露出されたｎ形コンタクト層の面積と形状、ｎ側電極の面積と形状は自由に決めることができる。
ｎ形コンタクト層の膜厚は、薄くなるほど電流の横広がりが制限されて、電流の不均一注入による不均一発光や動作電圧の増加を招き、厚くなるほど長時間成長によるコスト増加を招く。ただし、一般的にＳｉドープしたｎ形ＧａＮコンタクト層はシート抵抗が低いため、薄くすることによる電流の不均一注入への影響は限定的である。
また、結晶品質を上げるためのｎ形コンタクト層の膜厚には最適値があり、バッファ層の成長条件やｎ形コンタクト層の不純物濃度などによって変化する。また、ｎ形コンタクト層の薄膜化により、基板の反りを低減することができ、歩留り改善が可能となる。これらを考慮して、ｎ形コンタクト層の膜厚は自由に決めることができる。
粗面部１７の凹凸１７ｐの形成方法は、ウェットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。ＫＯＨ溶液などによるアルカリエッチングでは、ＧａＮ結晶の面方位、主に｛１０−１−１｝に沿って異方性エッチングされ、その結果として略六角錐の構造が形成される。また、エッチング温度や時間、ｐＨ（別の物質を添加することで調整する）、濃度、ＵＶ光またはＵＶレーザ照射の有無などで、エッチングレート、六角錐の大きさや密度は大きく変化する。
エッチング量（エッチング前の表面から、エッチング後にできた凹凸１７ｐの最も深い所までの深さ）が大きいほど、凹凸１７ｐは大きく、且つ密に形成される。ＧａＮをドライエッチングで加工する場合、Ｎ面は、Ｇａ面とは異なり、結晶方位や転移の影響を受け易く、異方性エッチングされ易い。ｃ面サファイア基板上に成長させたＧａＮの表面は、通常Ｇａ面であり、サファイア基板を除去することで露出したＧａＮの表面はＮ面となっているため、ドライエッチングによる異方性エッチングによって大きさが発光波長以上の凹凸１７ｐを形成することは容易である。
また、マスクを用いたドライエッチングにより凹凸１７ｐを形成してもよい。この場合には、工程数が増加することでコストは増えるが、設計どおりの凹凸１７ｐを形成できるため、光取り出し効率を高め易い。
入射した発光光の角度を変えて外界に有効に取り出すために、凹凸１７ｐの大きさは積層構造体内における発光波長以上であることが好ましい。凹凸１７ｐが発光波長よりも小さいと、凹凸１７ｐに入射した発光光は凹凸界面で散乱や回折等の波動光学で説明される挙動を示すため、本来透過していた発光光も一部取り出されなくなる。また、凹凸１７ｐが発光波長よりも十分小さいと、凹凸１７ｐは連続的に屈折率が変化する層として見なされるため、凹凸のない平坦な面と同様になり、光取り出し効率は改善されない。
本実施形態に基づいて作製した発光波長３９０ｎｍの半導体発光素子（積層構造体内の発光波長は約１５５ｎｍ）を用いた実験結果では、凹凸１７ｐの大きさが大きくなるほど光出力が増加する傾向を示し、凹凸１７ｐの大きさが２μｍ程度まで緩やかに増加する傾向を示したことから、凹凸１７ｐの大きさは、好ましくは積層構造体内の発光波長の２倍以上、さらに好ましくは１０倍以上であるほうがよい。
本実施形態において、ｎ側電極をマスクとしてＫＯＨ溶液による凹凸加工を施す場合には、ＴｉのようにＫＯＨ溶液にエッチングされ易い層を保護する必要がある。例えば、Ｔｉ／ＰｔまでＥ−ｇｕｎ蒸着法で形成した後、Ａｕを抵抗加熱蒸着法で形成することにより、第１層であるＴｉを保護している。抵抗加熱蒸着法で形成したＡｕは、Ｅ−ｇｕｎ蒸着法で形成した他の金属層よりも等方的に蒸着されるため、リフトオフ法レジストのオーバーハング構造の内側まで回りこませることができ、Ｔｉ／Ｐｔ全体をＡｕで覆うことができる。 別の方法として、ＫＯＨ溶液に耐性のある金属膜をマスクとして用いることもでき、ｎ形コンタクト層とオーミック性が良好であればそのまま使用して、オーミック性に課題があれば凹凸加工後に除去して、別途ｎ側電極を形成してもよい。
ｎ側電極の材料は特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌを第１層とすることで、ｎ形コンタクト層と良好なオーミック特性および低コンタクト特性を得られつつ、反射電極にもなるため、光取り出し効率やｎ側電極の設計自由度が向上する。Ａｌは耐環境性が低いため、例えばＳｉをわずかに入れたＡｌ合金を採用することで、信頼性や密着性を向上させることができる。
ｎ側電極のワイヤボンディングを形成する領域は、ボンディング特性を向上させるため、ｎ側電極表面にメッキ法でＡｕを厚く、例えば１０μｍ、形成することもできる。
(比較例)
図３（ｃ）に示した第２比較例の半導体発光素子１２０は、以下のようにして作製される。すなわち、サファイア基板が除去された導電性基板上のノンドープＧａＮバッファ層をドライエッチングにて除去し、ｎ形コンタクト層を露出させる。露出させたｎ形コンタクト層の一部を覆うように、リフトオフ法などで、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を例えば５００ｎｍの厚さで形成し、パターニングして、ｎ側電極を形成する。その後、ｎ側電極が形成されていないノンドープＧａＮバッファ層の表面を、ＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して凹凸を形成する。
図３（ｃ）に示した第２比較例の半導体発光素子１２０は、以下のようにして作製される。すなわち、サファイア基板が除去された導電性基板上のノンドープＧａＮバッファ層をドライエッチングにて除去し、ｎ形コンタクト層を露出させる。露出させたｎ形コンタクト層の一部を覆うように、リフトオフ法などで、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を例えば５００ｎｍの厚さで形成し、パターニングして、ｎ側電極を形成する。その後、ｎ側電極が形成されていないノンドープＧａＮバッファ層の表面を、ＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して凹凸を形成する。
この比較例では、ｎ形コンタクト層に凹凸加工を施すため、大きく密な凹凸を得るには厚いｎ形コンタクト層が必要となり、長時間成長によるコスト増加や内部吸収増加による光取り出し効率低下が懸念される。特に、紫外光の場合はＧａＮの膜厚増加による内部吸収増加が顕著となる。
また、反射電極（ｐ側電極）として銀を使用したり、接合材料として半田を使用したりするため、ｎ側電極を高温シンターすることが難しく、良好なオーミック特性を得るために高濃度に不純物ドープしたｎ形コンタクト層が必要となる。高濃度ドープＧａＮ層は不純物の影響でノンドープＧａＮバッファ層と比較して内部吸収が大きく、多重反射を繰り返す凹凸ではその影響が顕著である。また、高濃度ドープｎ形コンタクト層は加工によって表面荒れや不純物析出が起きやすく、光取り出し効率を損ねる要因となる。
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１００では、ノンドープＧａＮバッファ層に凹凸加工を施すため、ｎ形コンタクト層の膜厚は必要以上に厚い必要はなく、凹凸１７ｐの表面荒れや不純物析出も抑えることができる。また、本具体例では、ｎ側電極は窪んだ形状をしているため、ワイヤボンディングを打つ際にガイドとして機能することで、位置決め精度を上げることができ、タスク時間短縮によるコスト低減が可能である。また、ｎ形コンタクト層の薄膜化によりコスト低減、結晶品質の最適化、基板反り低減による歩留り改善が可能となる。
なお、本実施形態に係る半導体発光素子１００において、凹凸の部分にｎ側電極を形成する場合は、ｎ側電極がｎ形コンタクト層に接触する面積は、平面視した場合、比較例と比較して小さくなるが、窪んだ領域にｎ側電極を形成するため、実効的な表面積は平面視した面積よりも大きくなる。また、コンタクト抵抗が低いため、電気特性への影響は限定的である。
このように、半導体発光素子１００においては、不純物の少ないノンドープＧａＮバッファ層に凹凸１７ｐを形成し、高濃度ドープｎ形コンタクト層にｎ側電極を形成する。これにより、高効率の半導体発光素子が実現できる。
そして、光取り出し効率の向上をノンドープＧａＮバッファ層に分担させ、電気特性の向上を高濃度ドープｎ形コンタクト層で分担させるという役割分担によって、光取り出し効率と電気特性を高度に両立させつつ、コストが低減できる。
図５は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５に表したように、示す半導体発光素子１０１では、半導体発光素子１００に比べて第３半導体層１５が薄い。この場合も薄い第３半導体層１５に複数の突起（凹凸１７ｐ）が設けられている。例えば、凹凸１７ｐの底部が第１半導体層１０に近接しており、例えば凹凸１７ｐの底部は第１半導体層１０に接しても良い。このような半導体発光素子１０１においても、高効率が実現できる。
図５に表したように、示す半導体発光素子１０１では、半導体発光素子１００に比べて第３半導体層１５が薄い。この場合も薄い第３半導体層１５に複数の突起（凹凸１７ｐ）が設けられている。例えば、凹凸１７ｐの底部が第１半導体層１０に近接しており、例えば凹凸１７ｐの底部は第１半導体層１０に接しても良い。このような半導体発光素子１０１においても、高効率が実現できる。
図６（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。
これらの図では、粗面部１７及び第１電極４０の構成が半導体発光素子１００とは異なっている。
これらの図では、粗面部１７及び第１電極４０の構成が半導体発光素子１００とは異なっている。
図６（ａ）に表したように、半導体発光素子１１１においては、第１電極４０は、開口部１８の底部の第１半導体層１０の表面、および、開口部１８の内壁を覆う。第１電極４０の上面は、第３半導体層１５の上面と実質的に一致している。
図６（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１２においては、第１電極４０は、開口部１８の内部に埋め込まれている。そして、第１電極４０の上面は、第１半導体層１０の上面と第３半導体層１５の上面との間に位置している。
図６（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１３においては、第１電極４０は、開口部１８の内部の第１半導体層１０に埋め込まれている。すなわち、第１電極４０の上面の高さは、第１半導体層１０の上面の高さに実質的に一致している。
図６（ｄ）及び図６（ｅ）に表したように、半導体発光素子１１４及び半導体発光素子１１５においては、第３半導体層１５の主面１５ａの全面に凹凸１７ｐが設けられおり、開口部１８の内側に第１電極４０が設けられている。半導体発光素子１１４においては、第１電極４０の上面は、第３半導体層１５の第１主面１５ａに実質的に一致している。半導体発光素子１１５においては、第１電極４０の上面は、第３半導体層１５の第１主面１５ａよりも下方に位置している。
図７は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、半導体発光素子２００は、積層構造体９０の側面に設けられた誘電体膜３２をさらに備える。半導体発光素子２００においては、例えば、第２電極５０をパターニングし、サファイア基板を除去した後に、積層構造体９０に素子分離溝３５が形成され、積層構造体９０の側面に誘電体膜３２が形成される。
図７に表したように、半導体発光素子２００は、積層構造体９０の側面に設けられた誘電体膜３２をさらに備える。半導体発光素子２００においては、例えば、第２電極５０をパターニングし、サファイア基板を除去した後に、積層構造体９０に素子分離溝３５が形成され、積層構造体９０の側面に誘電体膜３２が形成される。
半導体発光素子２００の製造方法の例について説明する。
まず、積層構造体９０を形成した後に、ｐ側電極を形成する際、この後形成する素子分離溝幅よりも狭くなるように、リフトオフ法にてｐ側電極をパターニングする。リフトオフ後に酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎでシンター処理を行う。そして、ｐ側電極上を含むｐ形ＧａＮ層側の主面全体に接着用金属層５５として、例えば、Ｎｉ／Ａｕを１０００ｎｍの膜厚で形成する。
まず、積層構造体９０を形成した後に、ｐ側電極を形成する際、この後形成する素子分離溝幅よりも狭くなるように、リフトオフ法にてｐ側電極をパターニングする。リフトオフ後に酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎでシンター処理を行う。そして、ｐ側電極上を含むｐ形ＧａＮ層側の主面全体に接着用金属層５５として、例えば、Ｎｉ／Ａｕを１０００ｎｍの膜厚で形成する。
続いて、Ｇｅからなる導電性基板上に形成した膜厚３μｍのＡｕＳｎ半田と、積層構造体上に形成した接着用金属層５５を対向させて設置し、ＡｕＳｎの共晶点以上の温度、例えば３００℃に加熱することで、導電性基板とサファイア基板を接着する。
そして、サファイア基板側から、例えばＹＶＯ４の固体レーザの四倍高調波（２６６ｎｍ）のレーザ光を照射して、ＧａＮバッファ層のうち単結晶ＡｌＮバッファ層の側のＧａＮを発熱により分解する。そして、塩酸処理などによって、分解されたＧａＮを除去し、サファイア基板を積層構造体から剥離して分離する。
サファイア基板を除去した後、ノンドープＧａＮバッファ層の一部を除去し、ｎ形コンタクト層を露出させる。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いる。そして、積層構造体を素子ごとに分離するように、レジストマスクによるドライエッチングで積層構造体の一部を完全に除去し、素子分離溝を形成する。その際、この後形成するＳｉＯ２の段切れを防止するため、素子分離溝はテーパ形状であることが好ましい。その後、積層構造体側の主面全体に、例えばスパッタ装置にて、誘電体膜３２となるＳｉＯ２を４００ｎｍの膜厚で形成する。
次に、露出させたｎ形コンタクト層全体とノンドープＧａＮバッファ層の一部を覆っているＳｉＯ２が開口するようにリフトオフ用のレジストを形成して、フッ化アンモン処理によってその領域のＳｉＯ２を取り除く。ＳｉＯ２が取り除かれた領域に、リフトオフ法で、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を例えば５００ｎｍの厚さで形成し、パターニングして、ｎ側電極を形成する。その後、ｎ側電極が形成されていないノンドープＧａＮバッファ層を覆っているＳｉＯ２の一部が開口するようにレジストを形成し、フッ化アンモンでＳｉＯ２を取り除き、ノンドープＧａＮバッファ層を露出させる。露出したノンドープＧａＮバッファ層の表面を、ＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して、凹凸１７ｐを形成する。
これにより、図７に例示した半導体発光素子２００が作製される。
これにより、図７に例示した半導体発光素子２００が作製される。
ｐ側電極に用いているＡｇは、ドライエッチングやアルカリエッチングで変質または劣化するため、発光光に対する反射特性やｐ形ＧａＮ層に対する電気特性が劣化する。本実施形態のようにｐ側電極をｐ形ＧａＮ層と接着用金属層５５で囲い込むことで、ｐ側電極の劣化を抑えることができる。その結果、ｐ側電極が形成されている領域だけ接着用金属層５５は盛り上がるが、導電性基板上の半田と接着させる際は、半田が変形することで、ｐ側電極が形成されていない領域も含めて接着させることができる。
このように、ＳｉＯ２を形成することで、発光層の脇をパッシベートすることができ、電気特性を改善することができる。
(第２の実施形態)
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
すなわち、図８（ａ）は、半導体発光素子４００の構造を例示する模式的断面図であり、図８（ｂ）は、半導体発光素子４００の特性を示す模式図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
すなわち、図８（ａ）は、半導体発光素子４００の構造を例示する模式的断面図であり、図８（ｂ）は、半導体発光素子４００の特性を示す模式図である。
図８（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子４００では、第３半導体層１５の開口部１８の側壁に側壁粗面部１７ａがさらに設けられ、第１半導体層１０の開口部１８に対応する面に、第１半導体層粗面部１７ｂがさらに設けられている。側壁粗面部１７ａは、側壁凹凸１７ｑを有し、第１半導体層粗面部１７ｂは、第１半導体層凹凸１７ｒを有する。側壁凹凸１７ｑの大きさ（幅）は、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第３半導体層１５における波長よりも大きい。第１半導体層凹凸１７ｒの大きさ（幅）は）、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第１半導体層１０における波長よりも大きい。
さらに、少なくとも第１電極４０の第１半導体層１０に接する界面側の第１電極４０に、ＡｌまたはＡｌ合金が含まれている。これにより、第１電極４０も第２電極５０と同じように反射電極として機能することができる。
一方、第２半導体層２０は、低電気特性部２２を有する。低電気特性部２２においては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう積層方向に沿ってみたときに、第２半導体層が、第１電極４０と重なる領域を含む領域に設けられ、第２半導体層２０が第１電極４０と重ならない領域よりも、前記第２半導体層と前記第２電極との間におけるコンタクト抵抗が高い、および、オーミック特性が低い、の少なくともいずれかである。
図８（ｂ）に例示したように、半導体発光素子４００の第２電極５０から第１電極４０へ向けて電流を流した場合、低電気特性部２２の電気特性が低い（コンタクト抵抗が高い、及び、オーミック特性が低い、の少なくともいずれかである）ため、電流は、粗面部１７と対向する領域から発光層３０に注入される。これにより、粗面部１７に対向する発光領域ＥＲ１およびＥＲ２から主に発光光が放出されるようになる。一方、第１電極４０と低電気特性部２２との間の領域においては、発光は相対的に抑制される。
すなわち、半導体発光素子４００では、低電気特性部２２を設けることにより、発光層３０に注入される電流経路を、粗面部１７に対向する発光領域ＥＲ１、ＥＲ２に移動させることができる。これにより、発光領域ＥＲ１、ＥＲ２が主たる発光領域となり、粗面部１７から効率良く積層構造体９０の外へ発光光を取り出すことができる。
さらに、開口部１８の底部の第１半導体層１０に第１半導体層凹凸１７ｒを設け、開口部１８の側面に対応する第３半導体層１５に側壁凹凸１７ｑを設け、且つ、第１電極４０を反射電極とすることにより、光Ｌ５を光Ｌ６として外界へ光取り出し効率を向上させることができる。
半導体発光素子４００の製造方法の例について説明する。
まず、ｐ側電極を形成する前に、ｎ側電極を形成する領域の直下の領域（必要に応じてその周辺、すなわち、例えばｎ側電極直下から２０μｍ程度離れた領域を含んでも良い）の、ｐ形ＧａＮ層を露出させるレジストマスクを形成し、その状態で第２半導体層２０に例えばＯ２アッシャー処理を行う。その後は第１の実施形態と同様に、ｐ側電極形成からサファイア基板除去までを行う。
まず、ｐ側電極を形成する前に、ｎ側電極を形成する領域の直下の領域（必要に応じてその周辺、すなわち、例えばｎ側電極直下から２０μｍ程度離れた領域を含んでも良い）の、ｐ形ＧａＮ層を露出させるレジストマスクを形成し、その状態で第２半導体層２０に例えばＯ２アッシャー処理を行う。その後は第１の実施形態と同様に、ｐ側電極形成からサファイア基板除去までを行う。
サファイア基板を除去した後、ノンドープＧａＮバッファ層の一部を除去し、ｎ形コンタクト層を露出させる。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いる。次に、露出したｎ形コンタクト層の表面とノンドープＧａＮバッファ層の表面を、ＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して凹凸を形成する。そして、露出したｎ形コンタクト層全体とノンドープＧａＮバッファ層の一部を覆うように、リフトオフ法などで、例えばＡｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜を例えば７００ｎｍの厚さで形成し、パターニングしてｎ側電極を形成する。
Ｏ２アッシャー処理を行ったｐ形ＧａＮ層表面は、オーミック性およびコンタクト抵抗が大きく劣化しているため、ほとんど電流が流れない。そのため、ｎ側電極直下およびその周辺の発光層は発光しなくなる。第１実施形態のような構造では、電流を増やしていくと、ｎ側電極直下の発光層に電流が集中し始め、不均一注入による動作電圧増加、ｎ側電極で発光光が吸収されることによる光取り出し効率の低下、電流密度増加による発光効率の低下が起きる。本実施形態によれば、電流集中を防ぐことができる。Ｏ２アッシャー処理の他に、ドライエッチングやウェットエッチングでｐ形ＧａＮ層表面を薄く削る処理でもよい。プラズマ雰囲気に曝すだけでもよい。
さらに、ｎ側電極を反射電極とすることで、発光光がｎ側電極で吸収されなくなり、光取り出し効率が向上する。本実施形態ではｎ側電極直下に電流が流れないようにしているが、ｎ側電極直下およびその周辺も発光する構造の場合、特に効果的であり、ｎ側電極の設計自由度が大きくなる。
ｎ側電極を反射電極としつつ、ｎ側電極直下にも凹凸加工を施すことで、発光光の光取り出し部に対する入射角度を変える機会を増やすことができるため、光取り出し効率が向上する。例えば、本実施形態のようにｎ側電極直下およびその周辺で発光しない場合、ｎ側電極直下の凹凸に入射してくる光の多くが外に取り出されずに反射してきた発光光になるため、より効果が高い。
Ａｌは密着性に課題のある金属だが、凹凸を形成することで、密着性を改善することができる。さらに、ｎ形コンタクト層の一部を除去した窪みの中にｎ側電極を形成する場合、実効的なｎ側電極の表面積が大きくなるため、ｎ側電極を反射電極とした際の効果が高い。また、積層構造体内に反射構造を有する窪みのある構造となっていることから、外に取り出されずに積層構造体内を伝播する発光光の反射角度を変え易く、光取り出し効率を高め易い。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
すなわち、図９（ａ）は、半導体発光素子４５０の構成を例示する模式的断面図であり、図９（ｂ）は、半導体発光素子４５０の特性を例示する模式図である。
すなわち、図９（ａ）は、半導体発光素子４５０の構成を例示する模式的断面図であり、図９（ｂ）は、半導体発光素子４５０の特性を例示する模式図である。
図９（ａ）に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子４５０では、開口部１８に対応する第１半導体層１０に設けられる第１半導体層粗面部１７ｂの第１半導体層凹凸１７ｒの大きさが、粗面部１７の凹凸１７ｐの大きさよりも小さい。粗面部１７の凹凸１７ｐは、発光光のピーク波長よりも大きく、第１半導体層凹凸１７の大きさは、例えば、発光光のピーク波長と同程度か、それよりも小さい。
図９（ｂ）に表したように、発光層３０のうち粗面部１７に対向する発光領域ＥＲ１及びＥＲ２から放出され、第１電極４０に向かって伝播する光Ｌ５は、第１電極４０と第１半導体層１０との間の界面で反射される。第１半導体層凹凸１７ｒの大きさが、波長程度に小さいため、光Ｌ５は、散乱や回折等の効果によって拡散反射され、比較的等方的に反射される。これにより、第１電極４０と第１半導体層１０との間の界面で反射された光Ｌ７は、積層構造体９０の中を等方的に伝搬する。したがって、光取り出し効率を向上させることができる。
次に、半導体発光素子４５０の製造方法の例について、半導体発光素子４００とは異なる部分を説明する。
まず、ノンドープＧａＮバッファ層の一部を除去し、ｎ形コンタクト層を露出させた後、主面全体を、結晶方位による異方性エッチングがされ易い条件でドライエッチングを行う。例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いた、ミリングライクなエッチングモードを抑えた塩素を用いたエッチングが使用できる。この場合、ノンドープＧａＮバッファ層とｎ形コンタクト層のエッチングレートは異なり、例えば２対１である。このエッチングレート差を利用して、ノンドープＧａＮバッファ層には発光波長以上の凹凸１７ｐ、ｎ形コンタクト層には発光波長以下の凹凸（第１半導体層凹凸１７ｒ）を同時に形成する。
ｎ側電極直下のｎ形コンタクト層領域では、散乱や回折等による拡散反射が起きて、比較的等方的な反射特性を示す。これにより、ｎ側電極直下の凹凸（第１半導体層凹凸１７ｒ及び側壁凹凸１７ｑ）に入射した発光光の光取り出し部に対する入射角度を変える機会を増やすことができるため、光取り出し効率が向上する。
本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、上記の半導体装置を製造する方法である。
すなわち、本製造方法は、第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられた発光層３０と、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられ、第１半導体層１０よりも不純物濃度が低い第３半導体層１５を含む積層構造体９０を有する半導体発光素子の製造方法である。
すなわち、本製造方法は、第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられた発光層３０と、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられ、第１半導体層１０よりも不純物濃度が低い第３半導体層１５を含む積層構造体９０を有する半導体発光素子の製造方法である。
この製造方法においては、まず、サファイア基板５上に、ＡｌＮを含むバッファ層を介して、第３半導体層１５、第１半導体層１０、発光層３０、および、第２半導体層２０を、第３半導体層１５、第１半導体層１０、発光層３０、および、第２半導体層２０の順で形成して積層構造体９０を形成する。
そして、積層構造体９０を導電性基板に接合した後、バッファ層と第３半導体層１５との間でサファイア基板を積層構造体９０と分離する。
さらに、サファイア基板５を分離した後に露出する第３半導体層１５の表面に、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第３半導体層１５における波長よりも大きい凹凸１７ｐを形成する。
さらに、サファイア基板５を分離した後に露出する第３半導体層１５の表面に、発光層３０から放射される発光光のピーク波長の第３半導体層１５における波長よりも大きい凹凸１７ｐを形成する。
上記の凹凸１７ｐの形成は、ＫＯＨ溶液を用いて第３半導体層１５をウェットエッチングする工程を含むことができる。
サファイア基板５を分離した後に露出する第３半導体層１５の上記表面は、ＧａＮ結晶のＮ面であり、上記の凹凸１７ｐの形成は、第３半導体層１５を異方性ドライエッチングする工程を含むことができる。
図１０は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子を用いた半導体発光装置の構成を例示する模式的断面図である。
本具体例では、第１の実施形態に係る半導体発光素子１００が用いられているが、半導体発光装置には上記の実施形態に係る任意の半導体発光素子を用いることができる。
半導体発光装置５００は、半導体発光素子１００と、蛍光体と、を組み合わせた白色ＬＥＤである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置５００は、半導体発光素子１００と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備える。
図１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光装置５００では、セラミック等からなる容器７２の内面に反射膜７３が設けられており、反射膜７３は容器７２の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜７３は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器７２の底部に設けられた反射膜７３の上に、半導体発光素子１００がサブマウント７４を介して設置されている。
本具体例では、第１の実施形態に係る半導体発光素子１００が用いられているが、半導体発光装置には上記の実施形態に係る任意の半導体発光素子を用いることができる。
半導体発光装置５００は、半導体発光素子１００と、蛍光体と、を組み合わせた白色ＬＥＤである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置５００は、半導体発光素子１００と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備える。
図１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光装置５００では、セラミック等からなる容器７２の内面に反射膜７３が設けられており、反射膜７３は容器７２の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜７３は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器７２の底部に設けられた反射膜７３の上に、半導体発光素子１００がサブマウント７４を介して設置されている。
半導体発光素子１００は、第１電極４０が設けられた主面１５ａ側を上に向け、例えば、低温半田を用いて、サブマウント７４に導電性基板６０の裏面が固定されている。これら半導体発光素子１００、サブマウント７４及び反射膜７３の固定には、接着剤による接着を用いることも可能である。
サブマウント７４の半導体発光素子側の表面には、半導体発光素子１００の導電性基板６０がマウントされる電極が形成されており、容器７２側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤ７６により接続されている。一方、第１電極４０もボンディングワイヤ７６により、容器７２側に設けられた図示しない電極に接続されている。これらの接続は、内側面の反射膜７３と、底面の反射膜７３と、の間の部分において行われている。
また、半導体発光素子１００やボンディングワイヤ７６を覆うように赤色蛍光体を含む第１蛍光体層８１が設けられており、この第１蛍光体層８１の上には青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む第２蛍光体層８２が形成されている。この蛍光体層の上にはシリコン樹脂からなる蓋部７７が設けられている。
第１蛍光体層８１は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。
赤色蛍光体としては、例えばＹ２Ｏ３、ＹＶＯ４、Ｙ２（Ｐ,Ｖ）Ｏ４等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ３＋）を付活物質として含ませる。すなわち、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ３＋、ＹＶＯ４：Ｅｕ３＋等を赤色蛍光体として用いることができる。Ｅｕ３＋の濃度は、モル濃度で１％〜１０％とすることができる。
赤色蛍光体としては、例えばＹ２Ｏ３、ＹＶＯ４、Ｙ２（Ｐ,Ｖ）Ｏ４等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ３＋）を付活物質として含ませる。すなわち、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ３＋、ＹＶＯ４：Ｅｕ３＋等を赤色蛍光体として用いることができる。Ｅｕ３＋の濃度は、モル濃度で１％〜１０％とすることができる。
赤色蛍光体の母材としては、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４の他に、ＬａＯＳやＹ２（Ｐ, Ｖ）Ｏ４等を用いることができる。また、Ｅｕ３＋の他にＭｎ４＋等を利用することもできる。特に、ＹＶＯ４母体に、３価のＥｕと共に少量のＢｉを添加することにより、３８０ｎｍの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
また、第２蛍光体層８２は、樹脂、並びに、この樹脂中に分散された青色、緑色及び黄色の少なくともいずれかの蛍光体、を含む。例えば、青色蛍光体と緑色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良く、また、青色蛍光体と黄色蛍光体とを組み合わせた蛍光体を用いても良く、青色蛍光体、緑色蛍光体及び黄色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良い。
青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋やＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ２＋等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋を用いることができる。この場合、ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ２＋等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋を用いることができる。この場合、ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ２＋等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばＹ３Ａｌ５：Ｃｅ３＋等を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。特に、３価のＴｂは、視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。特に、３価のＴｂは、視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
本実施形態に係る半導体発光装置５００によれば、半導体発光素子１００から発生した３８０ｎｍの紫外光は、半導体発光素子１００の上方および側方に放出され、反射膜７３における反射をも利用することにより、各蛍光体層に含まれる上記蛍光体を効率良く励起することができる。例えば、第１蛍光体層８１に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体は、６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換され、赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、第２蛍光体層８２に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。さらに、これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
半導体発光装置５００によれば、高効率の半導体発光装置が得られる。
また、第２蛍光体層８２に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。さらに、これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
半導体発光装置５００によれば、高効率の半導体発光装置が得られる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ，ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。さらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体層、電極、基板などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
５・・・サファイア基板、 ７ａ・・・第１ＡｌＮバッファ層、 ７ｂ・・・第２ＡｌＮバッファ層、 １０・・・第１半導体層、 １５・・・第３半導体層、 １５ａ・・・第１主面、 １７・・・粗面部、 １７ａ・・・側壁粗面部、 １７ｂ・・・第１半導体層粗面部、 １７ｐ・・・凹凸、 １７ｑ・・・側壁凹凸、 １７ｒ・・・第１半導体層凹凸、 １８・・・開口部、 ２０・・・第２半導体層、 ２０ａ・・・第２主面、 ２２・・・低電気特性部、 ３０・・・発光層、 ３２・・・誘電体膜、 ３５・・・素子分離溝、 ４０・・・第１電極、 ５０・・・第２電極、 ５５・・・接着用金属層、 ６０・・・導電性基板、 ６５・・・接合金属層、 ７２・・・容器、 ７３・・・反射膜、 ７４・・・サブマウント、 ７６・・・ボンディングワイヤ、 ７７・・・蓋部、 ８１・・・蛍光体層、 ８２・・・蛍光体層、 ９０・・・積層構造体、 ９０ｂ・・・積層構造体、 １００、１０１、１１０〜１１５、１２０、２００、４００、４５０・・・半導体発光素子、 ５００・・・半導体発光装置、 ＥＲ１、ＥＲ２・・・発光領域、 Ｌ１〜Ｌ７・・・発光光、 ΔＷ・・・凹凸の最大幅
Claims (15)
- 第１導電型の第１半導体層と、
第２導電型の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第１半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、前記第１半導体層よりも不純物濃度が低く、前記第１半導体層の一部を露出させる開口部を有する第３半導体層と、
前記開口部を介して前記第１半導体層に接する第１電極と、
を備え、
前記第３半導体層は、前記第１半導体層とは反対側の面に設けられ、前記発光層から放射される発光光のピーク波長の前記第３半導体層における波長よりも大きい凹凸を有する粗面部をさらに有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記粗面部は、複数の突起を有し、前記複数の突起の少なくともいずれかの前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう積層方向に対して垂直な方向に沿った最大の幅は、前記発光層から放出される前記発光光の前記ピーク波長の前記第３半導体層における前記波長よりも広いことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記最大の前記幅は、前記第３半導体層中における前記波長の２倍よりも広いことを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
- 前記第２半導体層の前記発光層とは反対側の第２主面に設けられた第２電極をさらに備え、
前記第２半導体層は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう積層方向に沿ってみたときに前記第２半導体層が前記第１電極と重なる領域を含む領域に設けられ、前記第２半導体層が前記第１電極と重ならない領域よりも、前記第２半導体層と前記第２電極との間におけるコンタクト抵抗が高い、および、オーミック特性が低い、の少なくともいずれかである低電気特性部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記第２半導体層の前記発光層とは反対側の第２主面に設けられた第２電極をさらに備え、
前記第２電極は、前記発光層から放出された光を前記第２電極から前記第３半導体層の方向に向かって反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記第２半導体層の前記発光層とは反対側の第２主面に設けられ、Ａｇを含む第２電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１電極は、ＡｌまたはＡｌ合金を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１電極は、Ｓｉをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
- 前記第１半導体層は、前記１半導体層の前記第１電極に接する領域に設けられ、前記発光光のピーク波長の前記第１半導体層における波長よりも大きい第１半導体層凹凸を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１半導体層は、前記１半導体層の前記第１電極に接する領域に設けられ、前記粗面部の前記凹凸よりも小さい第１半導体層凹凸を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記開口部は、前記第１半導体層から前記第３半導体層に向かう方向に沿って拡開することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第２半導体層の前記発光層とは反対の側に設けられ、前記第２半導体層と電気的に接続された導電性基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層の側面に設けられた誘電体膜をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１導電型はｎ形であり、前記第２導電型はｐ形であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から放出される光の空気中のピーク波長は、３７０ナノメートル以上４００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
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