JP2017028032A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 メサ構造を有する半導体素子において、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中するのを抑制することにより、発光効率の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】 ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子であって、前記ｎ型層上にｎ電極、前記ｐ型層上に、第一金属層、導電層、および第二金属層がこの順に積層されているｐ電極を有し、前記導電層の比抵抗が、前記第一金属層の比抵抗よりも高いIII族窒化物半導体素子。
【選択図】 図９Ａ

Description

本発明は、紫外線の発光ピーク波長を有するIII族窒化物半導体発光素子に関する。特に、発光素子のメサ構造端部における電流集中に起因する素子の発光効率の低下を抑制する技術に関する。また、本発明は該発光素子構成を含むウエハに関する。

図８Ａ、図８ＢにIII族窒化物半導体発光素子４１の典型的模式構造を示す。図８Ａは、素子の上面図であり、図８Ｂは図８ＡのＡ−Ａ線断面図である。III族窒化物半導体発光素子４１としては、基板１１の一表面側にｎ型層１２、活性層１３およびｐ型層１４を含む積層体（以下、「積層半導体層」と記載することがある）が形成され、その積層半導体層の一部にメサ構造１５を形成したものが知られている。メサ構造１５は、基板１１の一表面側にｎ型層１２、活性層１３およびｐ型層１４を含む積層半導体層を形成した後に、エッチング等により積層構造の一部を除去し、ｎ型層１２の一部を露出させて形成される。活性層１３およびｐ型層１４を含む台地状の部分（メサとも呼ばれる）を残存させることによりメサ構造１５が形成される（特許文献１参照）。露出したｎ型層１２の表面にはｎ電極１６が形成され、ｐ型層１４の表面にはｐ電極１７が形成される。

メサ構造１５を有するIII族窒化物半導体発光素子４１において、ｐ型層上のｐ電極１７およびｎ型層上のｎ電極１６に動作電圧を印加すると、電流はｐ電極とｎ電極との間で抵抗の低い経路（通常は最短経路）を流れようとするため、電流はｎ電極およびｐ電極に近接するメサ構造１５の端部（以下、「メサ端」と記載することがある）付近の領域に集中して流れる。この結果、電流が活性層１３に均一に流れずに発光ムラが生じて、発光効率が低下する。

特許文献２には、ｐ型層もしくはｐ電極よりも高抵抗の高抵抗層が、ｐ型層の表面においてｎ電極に近い側でｐ型層側の形状に沿った形状に形成された紫外半導体発光素子が開示されている。特許文献２のように、メサ端に近いｐ型層上に高抵抗層を形成すると、メサ端付近の領域に電流が集中するのを抑制できる。

特許文献３には、ｐ電極とｎ電極との間にトレンチが形成された半導体発光素子が開示されている。トレンチを形成することにより、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流経路の長さのバラツキを減少させ、特定の部分に電流が集中するのを抑制する。しかし、電流経路の長さのバラツキを十分に小さくするには、トレンチの深さを大きくする必要がある。

近年のデバイス設計の多様化により、様々な形状、構成の発光素子が提案され、メサ構造、電極形状のデザインも多様化している。そのため、上記のような高抵抗層の形成、トレンチの形成などの技術は、発光素子の製造における工程数の増加を招き、製造がより煩雑になるため、多様化したメサ構造、電極形状に迅速に対応することが困難になっている。

そして、特に、発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍである深紫外の発光素子では、ｎ型層のＡｌ組成が高いためｎ型層の比抵抗が増大して、電流がメサ端付近の領域に集中して流れやすくなり、発光効率の低下を招きやすい。そのため、電流集中に起因する発光効率の低下を抑制できる発光素子の開発が望まれていた。

特開２０１４−９６５３９号公報 特開２０１４−９６４６０号公報 特開２００７−１３４７００号公報

本発明は、メサ構造を有する半導体素子において、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中するのを抑制することにより、発光効率の低下を抑制する技術を提供することを目的としている。

本発明者は、ｐ電極の構造を調整することにより、上記課題が解決できるのではないかと考え、鋭意検討した。そして、III族窒化物半導体素子が第一金属層、導電層、および第二金属層をこの順に積層してなるｐ電極（以下、「ｐ型電極構造３０」と記載することがある）を有し、前記導電層の比抵抗を前記第一金属層の比抵抗よりも高くすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、第１の発明は、ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子であって、前記ｎ型層上にｎ電極、前記ｐ型層上に、第一金属層、導電層、および第二金属層がこの順に積層されているｐ電極を有し、前記導電層の比抵抗が、前記第一金属層の比抵抗よりも高いIII族窒化物半導体素子である。

第２の発明は、第１の発明において、前記導電層の厚みが０．０５μｍ以上２０μｍ以下であって、前記導電層の比抵抗が０．１×１０^−４〜１．０×１０^−２ΩｃｍであるIII族窒化物半導体素子である。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第一金属層が、前記ｐ型層にオーミック接触する層であり、単一のあるいは２種以上の金属により構成される、III族窒化物半導体素子である。

第４の発明は、第１〜３の発明において、前記III族窒化物半導体素子の上面視におけるメサ端と前記第二金属層の外周との距離が、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上であるIII族窒化物半導体素子である。

第５の発明は、第１〜３の発明において、前記III族窒化物半導体素子の上面視におけるメサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離が、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上であるIII族窒化物半導体素子である。

第６の発明は、第１〜３の発明において、前記III族窒化物半導体素子の上面視におけるメサ端と前記第二金属層の外周との距離が、２０μｍ以上であるIII族窒化物半導体素子である。

第７の発明は、第１〜３の発明において、前記III族窒化物半導体素子の上面視におけるメサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離が、２０μｍ以上であるIII族窒化物半導体素子である。

第８の発明は、第１〜７の発明において、発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍのIII族窒化物半導体発光素子である。発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍのIII族窒化物半導体発光素子は、ｎ型層のＡｌ組成が高いためｎ型層の比抵抗が増大して、メサ端への電流集中が生じやすく、発光効率の低下を招きやすい。そのため、本発明の構成が適している。

第９の発明は、ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子の構成を含むウエハであって、前記III族窒化物半導体素子の構成が前記第１〜７の発明の構成であるウエハである。

第１０の発明は、ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体発光素子の構成を含むウエハであって、前記III族窒化物半導体発光素子の構成が前記第８の発明の構成であるウエハである。

本発明では、III族窒化物半導体素子が、ｐ型層上に第一金属層、導電層、および第二金属層をこの順に積層してなるｐ電極を有しており、前記導電層の比抵抗を、前記第一金属層の比抵抗よりも高くすることにより、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中するのを抑制する。その結果、電流が活性層に均一に流れやすくなって発光ムラが抑制され、発光効率の低下が抑制されたIII族窒化物半導体発光素子が得られる。

また、本発明では、ｐ電極を構成するｐ型電極構造３０において前記第一金属層および前記導電層はメサ部の積層面の全面に形成され、前記第二金属層の形成については、III族窒化物半導体素子を上面視から見た場合に、メサ端と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることができる。メサ端と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることで、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中するのをさらに抑制することができ、発光効率の低下を抑制することができる。

また、本発明では、全てのメサ端において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることができる。全てのメサ端において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることにより、電流集中をより一層抑制することができる。

さらに、本発明において、メサ端の一部と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることができる。全てのメサ端において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすると、第二金属層の面積が小さくなって、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流の抵抗値が増大し、動作電圧が増大することがある。メサ端の一部と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることで、第二金属層を広く形成することができ、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流の抵抗値が増大するのを抑制し、動作電圧の増大を抑制できる。

動作電圧の増大をより一層抑制する観点から、本発明において、メサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることができる。メサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離を所定値以上とすることで、動作電圧の増大を抑制し、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端近傍に集中するのを抑制できる。その結果、発光効率の低下がより抑制されて、品質不良の発生を低減することができる。

特に、２００〜３５０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外発光素子では、３５０ｎｍを超える発光ピーク波長の発光素子、例えば、可視光領域の発光素子と比べて、ｎ型層のＡｌ組成が高いためｎ型層の比抵抗が増大して、電流がメサ端付近の領域に集中しやすく、発光効率の低下を招きやすい。そのため、２００〜３５０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外発光素子の構成として、本発明の構成が適している。

本発明のIII族窒化物半導体素子の断面図を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 上面視から見たIII族窒化物半導体素子の例を示す。 定義円を用いた「メサ端の突部」の判定方法手法を示す。 様々なメサ端の形状を示す。 第二金属層制限領域を決定する手法を示す。 第二金属層制限領域を決定する手法を示す。 素子のメサ端と第二金属層との位置関係を示す。 メサ端と第二金属層との位置関係の例を示す。 メサ端と第二金属層との位置関係の例を示す。 上面視から見た典型的III族窒化物半導体発光素子の例を示す。 典型的III族窒化物半導体発光素子の断面図を示す。 実施例１〜３における上面視から見たIII族窒化物半導体発光素子を示す。 実施例４における上面視から見たIII族窒化物半導体発光素子を示す。

以下、本発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する半導体素子は、本発明の技術思想を具体化した一例であって、本発明を限定しない。たとえば、以下に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子が放出する光の発光領域は、特に制限されるものではない。本発明によれば、発光領域に関係なく、メサ構造における局所的な電流集中による発光効率の低下を抑制することができる。好ましくは、本発明は、可視光領域、又は紫外領域に発光ピーク波長を有するIII族窒化物半導体発光素子に適用される。より好ましくは、本発明は、発光ピーク波長２００〜３５０ｎｍの紫外線を放出するIII族窒化物半導体発光素子に適用される。以下、発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍのIII族窒化物半導体発光素子を中心に説明する。

本発明のIII族窒化物半導体素子４０は、図１に示すように、基板１１と、ｎ型層１２、活性層１３およびｐ型層１４を含むメサ構造１５（積層半導体層）と、ｎ電極１６と、ｐ電極１７とを含む。ｐ電極１７を構成するｐ型電極構造３０は、第一金属層１８、導電層１９および第二金属層２０からなる。以下に、これらについて非限定的な例を説明する。

なお、「メサ端」とは、メサ構造１５の輪郭であり、メサ構造の上面視における端部であって、ｐ型層１４の外周（すなわち輪郭）として示される。メサ構造は、積層半導体層をほぼ垂直にエッチングして形成されるが、完全に垂直である必要はなく、メサ構造上部から下部にかけて、テーパ状に形成されていてもよい。メサ構造上部の面積がメサ構造下部の面積よりも小さい場合には、テーパ部は上面視により観察される。メサ構造上部の面積がメサ構造下部の面積よりも大きい場合には、テーパ部はオーバーハング状に形成されるため、上面視では観察が難しくなる。

以下の説明では、メサ端とは、上面視におけるメサ構造１５の端部であり、メサ構造の最上層に位置するｐ型層１４の外周（すなわち輪郭）と定義し、テーパ部は含めない。

また、屈折率、透過率および反射率は、波長２６５ｎｍの光を基準とした。これは、ＤＮＡが波長２６５ｎｍ付近で極大吸収を持つことから波長２６５ｎｍの光は殺菌に最も適しており、産業上の利用価値が高いと考えられるからである。以下、単に、屈折率、透過率、および反射率とした場合には、波長２６５ｎｍの光に対する値である。

＜基板＞
基板１１は、III族窒化物半導体結晶を表面にエピタキシャル成長でき、紫外線を透過する基板であれば特に限定されるものではない。基板１１に用いられる材料としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）などが挙げられる。中でもｃ面を主面とするＡｌＮ単結晶基板が好ましい。

基板１１の波長２６５ｎｍの光に対する透過率は、高ければ高いほど良く、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは６０％以上である。基板１１の透過率の上限は、好ましくは１００％であるが、工業的な生産を考慮すると上限は８０％である。基板の透過率は、材質、基板の厚み、結晶性、不純物含有量によって調整できる。

基板１１の厚みは、特に制限されるものではないが、好ましくは３０〜１５００μｍであり、より好ましくは５０〜１０００μｍである。基板１１の厚みを上記範囲とすることにより、透過率が向上し、かつ生産性が向上する。基板１１の厚みは、III族窒化物半導体素子の製造後に上記範囲を満たせばよく、基板上に後述する積層半導体層および電極を積層後に該基板の下面を研削または研磨することにより、基板の厚みが上記範囲となるようにしてもよい。

＜積層半導体層＞
積層半導体層（図１におけるメサ構造１５を含む素子の主要部）は、図１に示すように基板１１上に形成され、ｎ型層１２、活性層１３ならびにｐ型層１４（ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層からなる層）がこの順で積層されている。各層について以下に非限定的例を説明する。

＜ｎ型層＞
ｎ型層１２は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成されるIII族窒化物半導体であり、好ましくは不純物を含む。

不純物としては、特に限定されるものではないが、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどが挙げられる。中でもＳｉ、Ｇｅが好ましい。不純物の濃度は１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上５．０×１０^２０ｃｍ^−３以下、好ましくは１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上５．０×１０^１９ｃｍ^−３以下である。不純物の濃度を上記範囲とすることで、ｎ型層の結晶性およびコンタクト特性が向上する。このようなｎ型層は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。

ｎ型層の屈折率は、特に制限されるものではないが、１．５〜３．０である。屈折率は、ｎ型層の組成等により調整すればよい。

ｎ型層の厚みは、１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、好ましくは５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。ｎ型層の厚みを上記範囲とすることで、ｎ型層の結晶性および導電性が向上する。

なお、図１には図示していないが、III族窒化物半導体素子４０は、基板１１とｎ型層１２との間に、ＡｌＮ、または上記ｎ型層と同じ、または類似した組成のIII族窒化物半導体を含むバッファ層を有していてもよい。

＜活性層＞
活性層１３は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成される井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成される障壁層との積層構造からなる。活性層は、多重量子井戸構造であっても単一量子井戸構造であってもよい。

井戸層の厚みは１ｎｍ以上、好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は１００ｎｍである。障壁層の厚みは１ｎｍ以上、好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は１μｍである。このような活性層は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。

＜ｐ型層＞
ｐ型層１４は、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層で構成される。ｐ型クラッド層は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成されるIII族窒化物半導体であり、好ましくは不純物を含む。

ｐ型クラッド層の不純物は、好ましくはＭｇである。ｐ型クラッド層における不純物の濃度は１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上５．０×１０^２０ｃｍ^−３以下、好ましくは１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上５．０×１０^２０ｃｍ^−３以下である。ｐ型クラッド層の厚みは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。

ｐ型コンタクト層は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０≦ｘ＜１．０、０≦ｙ≦０．１、０＜ｚ≦１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成されるIII族窒化物半導体である。好ましくは、ｐ型コンタクト層はＧａＮで構成される。ｐ型コンタクト層をＧａＮで構成すると、すなわち、ｐ−ＧａＮ層とすると、ｐ型コンタクト層のコンタクト特性を向上させることができる。また、ｐ型コンタクト層は、好ましくは不純物を含む。

ｐ型コンタクト層の不純物は、ｐ型クラッド層と同様に、好ましくはＭｇである。ｐ型コンタクト層における不純物の濃度は１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上５．０×１０^２０ｃｍ^−３以下、好ましくは１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上２．０×１０^２０ｃｍ^−３以下である。ｐ型コンタクト層の厚みは、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。ｐ型コンタクト層の厚みを上記範囲とすることで、ｐ型層のコンタクト特性が向上する。

＜ｎ電極＞
ｎ電極１６は、ｎ型層１２の露出面に形成される。ｎ型層の露出面はエッチング等の手段により形成される。ｎ型層の露出面形成により、積層半導体層は台地状に残り、メサ構造１５が形成される。ｎ型層上のｎ電極はメサ構造の低地部に、メサ構造の下端に沿って形成されるが、メサ構造の底部からやや距離をあけ、メサ構造１５とｎ電極１６との間にｎ型層１２が露出した構造であってもよい。

III族窒化物半導体素子４０の上面視において、ｎ電極１６は、メサ端に沿ってｐ電極１７の全部を取り囲むように形成されてもよく、ｎ電極がｐ電極の一部を取り囲むように形成されてもよい。または、ｐ電極がｎ電極を取り囲むように形成されてもよい。

エッチングの手法としては、例えば反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング等のドライエッチングが挙げられる。ｎ型層１２の露出面形成後、エッチングのダメージを除去するため、好ましくは、露出面を酸またはアルカリの溶液で表面処理する。その後、ｎ型層の露出面にオーミック性を有するｎ電極１６を形成する。

ｎ電極のパターニングは、リフトオフ法を用いて実施することができる。リフトオフ法では、電極を形成する面にフォトレジストを塗布して、フォトマスクを備えたＵＶ露光機で紫外線を照射し、現像液に浸漬させて感光したフォトレジストを溶解させて所望のパターンを形成した後、パターニングされたフォトレジスト上に電極金属を堆積させ、剥離液でフォトレジストを溶解して電極金属のパターンを形成する。また、その他のパターニング手法として、電極形成面に電極金属膜を形成し、フォトレジストを塗布後、露光、現像工程を経てフォトレジストをパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチング、またはウェットエッチングで電極金属をパターニングし、剥離液でフォトレジストを溶解する方法もある。リフトオフ法は、比較的工程が簡略であるため好ましい。

ｎ電極金属を堆積する手法としては、例えば、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられる。特に、電極金属中の不純物を排除できるため真空蒸着が好ましい。ｎ電極に用いられる材料は、公知の材料から選択することができる。例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｉ、ＰｔおよびＡｕなどが挙げられる。中でも、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、ＮｉおよびＡｕが好ましい。特に、Ｔｉ、ＡｌおよびＡｕの組み合わせは、オーミック性および反射率を向上できるため好ましい。ｎ電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む単層、または多層構造であってもよい。

ｎ電極の厚みは、特に制限されるものではないが、生産の安定性を考えると好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は２μｍである。

図２に種々示すように、ｎ電極のパターンは特に限定はされず、メサ端に沿ってメサ構造１５の全部を取り囲むように形成されてもよく（図２Ａ〜図２Ｆ）、ｎ電極がメサ構造１５の一部を取り囲むように形成されてもよい（図２Ｇ）。また、ｎ電極がｐ電極を取り囲むように形成されてもよく（図２Ａ〜ＥおよびＧ）、その逆にｐ電極がｎ電極を取り囲むように形成されてもよい（図２Ｆ）。

図２Ｆに示すように、ｎ電極が線状部分を有する場合、ｎ電極の幅は特に限定はされないが、通常は５〜１００μｍ程度であり、好ましくは１０〜５０μｍである。ｎ電極の幅は、一様でなくてもよい。たとえば、幅の狭い部分と幅の広い部分とが混在してもよい。この場合、ｎ電極の平均幅が上記の範囲にあればよい。

ｎ型層とのコンタクト性を向上させるため、好ましくは、ｎ電極金属を堆積後、３００℃〜１１００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施す。熱処理の温度、時間については、ｎ電極の金属種、層厚みに応じて適宜最適な条件を選択できる。

＜ｐ電極＞
本発明のｐ電極１７は、ｐ型電極構造３０からなる。ｐ型電極構造３０では、第一金属層１８、導電層１９、第二金属層２０がこの順に積層されている。本発明者の検討によれば、III族窒化物半導体素子のｐ電極１７が、第一金属層１８、導電層１９、および第二金属層２０をこの順に積層してなるｐ型電極構造３０を有することにより、電流集中を抑制し、発光効率の低下を抑制できることを見出した。

メサ構造を有するIII族窒化物半導体素子において、接触抵抗の低いｐ電極を用いる場合、ｐ電極およびｎ電極に動作電圧を印加すると、電流はｐ電極とｎ電極との間で抵抗の低い経路（通常は最短経路）を流れようとするため、電流はｎ電極およびｐ電極に近接するメサ端付近の領域に集中する。

本発明のｐ型電極構造３０からなるｐ電極１７を有するIII族窒化物半導体素子では、動作電圧を印加すると、電流はｐ電極を構成するｐ型電極構造において、第二金属層２０と第一金属層１８との間で抵抗の低い経路を流れようとする。第二金属層２０の直下にある導電層１９は、導電層の直下にある第一金属層１８よりも比抵抗が高いため、電流は導電層内を最短経路で導通し第一金属層１８に流れる傾向が強くなる。すなわち、比抵抗の高い導電層１９が第二金属層２０と第一金属層１８との間に介在することより電流がメサ端付近の領域に集中することが抑制され、その結果、電流は局所的に集中することなく積層半導体層中を流れることができる。

また、第一金属層１８は直下にあるｐ型層１４とオーミック接触するように形成されているため、動作電圧が過度に増大することもない。

さらに、本発明では、導電層１９の比抵抗を高くすることにより、導電層１９の比抵抗の値がｎ型層１２の比抵抗の値と近くなる。その結果、ｎ型層１２における拡散長Ｌ_ｓの値が大きくなって、ｎ型層内での電子の拡散距離が増大し、ｎ型層におけるメサ端付近への電流集中が抑制される。すなわち、比抵抗の高い導電層１９により、電流は局所的に集中することなく活性層１３に流れ、発光効率の低下が抑制される。

したがって、本発明によれば、上記ｐ型電極構造３０において電流が局所的に集中することを抑制できる。その結果、ｐ型電極構造３０からなるｐ電極１７とｎ電極１６との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中することも抑制され、発光効率の低下を抑制できる。

このようなｐ型電極構造３０を形成する第一金属層１８、導電層１９および第二金属層２０を以下に説明する。

＜第一金属層＞
第一金属層１８は、ｐ型層１４にオーミック接触するように形成される。

第一金属層１８に用いられる金属材料は、好ましくはＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｇであり、さらに好ましくはＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄである。これらの中から、下記に詳述する導電層１９を構成する材料よりも比抵抗の低い材料を選択すればよい。第一金属層では、これらの金属を単一で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、第一金属層１８は、これらの金属の合金または酸化物を含む単層、または多層構造であってもよい。

第一金属層１８の比抵抗は、好ましくは１×１０^−６〜２×１０^−５Ωｃｍであり、さらに好ましくは１×１０^−６〜１×１０^−５Ωｃｍである。第一金属層１８の比抵抗は、後述する導電層１９の比抵抗よりも低い。

第一金属層１８の厚みは、生産性の観点から好ましくは１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

第一金属層１８のパターニングは、ｎ電極のパターニング同様、リフトオフ法を用いて実施することが好ましい。第一金属層１８の形状、大きさはメサ構造１５とほぼ相似である。第一金属層１８はメサ構造１５よりもやや小さな相似形に形成されてもよい。好ましくは、第一金属層１８はｐ型層の積層面の全面に形成される。

第一金属層１８を堆積する方法としては、ｎ電極の形成方法と同様に、例えば真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられる。特に、電極金属中の不純物を排除できるため真空蒸着が好ましい。ｐ型層１４とのコンタクト性向上のため、好ましくは、金属を堆積後、２００℃〜８００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施す。熱処理の温度、時間については、第一金属層の金属種、厚みに応じて適宜最適な条件を選択できる。

＜導電層＞
導電層１９は、第一金属層上に形成される。

導電層１９に用いられる材料は、好ましくはＺｎＯ、ＺｎＯにＡｌをドープしたもの（以下、単にＡＺＯとする）、ＳｎＯ_２にＳｂをドープしたもの（以下、単にＡＴＯとする）、ＺｎＯにＧｅをドープしたもの（以下、単にＧＺＯとする）、Ｚｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯ、ＳｎＯ_２、ＲｕＯ_２、ＰｄＯ、Ｂｉ_２Ｒｕ_２Ｏ_７、Ｂｉ_２Ｉｒ_２Ｏ_７、ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）等の酸化物導電体、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｔｉであり、さらに好ましくはＺｎＯ、ＡＺＯ、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＧＺＯ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｔｉである。

導電層１９の比抵抗は、好ましくは０．１×１０^−４〜１．０×１０^−２Ωｃｍであり、さらに好ましくは０．５×１０^−４〜１．０×１０^−２Ωｃｍである。導電層１９の比抵抗は、第一金属層１８の比抵抗よりも高い。

本発明では、導電層内を流れる電流がメサ端付近の領域に集中するのを抑制し、さらに動作電圧が過度に増大するのを抑制する効果をより顕著に発揮するためには、導電層１９の比抵抗は第一金属層１８の比抵抗の２〜１０００倍とすることが好ましく、４〜１０００倍とすることがより好ましく、４〜５００倍とすることがさらに好ましく、４〜１００倍とすることが特に好ましい。

導電層１９の厚みは、好ましくは０．０５μｍ以上２０μｍ以下であり、さらに好ましくは０．０５μｍ以上１０μｍ以下である。導電層の厚みが大きすぎると、動作電圧が増大するおそれがある。導電層の厚みが小さすぎると、導電層内で電流が十分に拡がり難くなって、電流がメサ端付近の領域に集中するのを効果的に抑制できないおそれがある。

導電層１９の形状、大きさはメサ構造１５とほぼ相似である。導電層１９はメサ構造１５よりもやや小さな相似形に形成されてもよい。好ましくは、導電層１９は、第一金属層の積層面の全面に形成される。導電層は真空蒸着、スパッタリング法、ＭＢＥ法などにより形成される。

＜第二金属層＞
第二金属層２０は、導電層上に形成される。

第二金属層２０に用いられる金属材料は、好ましくはＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗであり、さらに好ましくはＴｉ、Ｎｉ 、Ｐｔ、Ａｕである。第二金属層２０では、これらの金属を単一で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、第二金属層２０は、これらの金属の合金または酸化物を含む単層、または多層構造であってもよい。

第二金属層２０の比抵抗は、特に制限されるものではない。通常、金属の比抵抗は、前記導電層に使用される材料の比抵抗と比べて小さい。中でも、優れた効果を発揮するためには、第二金属層２０の比抵抗は１．０×１０^−６Ωｃｍ以上５．０×１０^−５Ωｃｍ以下であることが好ましく、２．０×１０^−６Ωｃｍ以上５．０×１０^−５Ωｃｍ以下であることがより好ましい。

第二金属層２０の厚みは、好ましくは０．０５μｍ以上１０μｍ以下であり、さらに好ましくは０．１０μｍ以上７μｍ以下である。第二金属層の厚みが大きすぎると、第二金属層の内部に生じる応力が大きくなって、第二金属層が剥がれ易くなるおそれがある。第二金属層の厚みが小さすぎると、放熱性が低下し、また、半導体素子として使用する際に半田が拡散し易くなるおそれがある。

第二金属層２０のパターニングは、ｎ電極のパターニング同様、リフトオフ法を用いて実施することが好ましい。また、第二金属層２０を堆積する方法としては、ｎ電極の形成方法と同様に、例えば真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられる。特に、電極金属中の不純物を排除できるため真空蒸着が好ましい。

第二金属層２０の形状、大きさはメサ構造１５と相似であっても良いし、メサ構造と全く異なる形状、大きさであっても良い。本発明の好ましい実施形態では、ｐ型電極構造３０のうち、第二金属層２０の形成位置を、メサ構造１５の形状と関連する所定の指針に基づいて設定することができる。これにより、メサ端への電流集中をさらに抑制することができる。

第二金属層２０の形状は特に限定はされないが、メサ構造１５よりもやや小さな相似形に形成することができる。この場合、第二金属層２０の形状は、図２Ａに示したメサ構造１５とほぼ相似形となる矩形状、図２Ｂ、Ｃに示したように十字状、図２Ｄ〜図２Ｇに示したように櫛状であってもよい。第二金属層の幅は特に限定はされないが、図２Ｂ〜図２Ｇに示したメサ構造１５に類似した形状では、通常は５〜１００μｍ程度であり、好ましくは１０〜５０μｍである。第二金属層の幅は、一様でなくてもよい。たとえば、幅の狭い部分と幅の広い部分とが混在してもよい。この場合、第二金属層の平均幅が上記の範囲にあればよい。

＜第二金属層の形成パターン＞
図８に示したように、従来のIII族窒化物半導体発光素子４１では、ｐ電極１７は、台地状のメサ構造１５の上部に位置するｐ型層１４上に、メサ構造１５とほぼ相似形に形成される。ｎ電極１６はメサ構造１５から見て下方の低地部に形成されている。ｎ電極１６とｐ電極１７との導通は、抵抗の低い経路が優先されるため、電流はｎ電極とｐ電極との最短距離にあるメサ構造１５の端部付近の領域に集中しやすい。

本発明のIII族窒化物半導体素子４０は、メサ端における電流集中を抑制するため、第一金属層１８、導電層１９および第二金属層２０をこの順に積層してなるｐ電極１７を有する。さらに、本発明の好ましい実施形態では、第一金属層１８および導電層１９はメサ部の積層面の全面に形成され、第二金属層２０の形成については、メサ端における電流集中を抑制するため、メサ端と第二金属層２０との間に一定以上の距離を設けることができる。

すなわち、本発明の好ましい実施形態において、III族窒化物半導体素子を上面視から見た場合に、メサ端と第二金属層２０の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることができる。メサ端と第二金属層２０の外周との距離とは、上面視において、任意に選択したメサ端から第二金属層２０の輪郭に到達する最短経路の長さである。メサ端と前記第二金属層の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることにより、メサ端近傍での電流集中をさらに抑制することができ、電流が活性層に均一に流れやすくなって発光ムラが抑制され、発光効率の低下を抑制することができる。

本発明の好ましい実施形態において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離は、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることが好ましく、より好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．２倍以下、さらに好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．０倍以下である。

また、本発明の好ましい実施形態において、全てのメサ端におけるメサ端と第二金属層２０の外周との距離が拡散長Ｌ_ｓの１／３以上であってもよい。全てのメサ端において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることにより、メサ端近傍での電流集中をより一層抑制することができ、電流が活性層に均一に流れやすくなって発光ムラが抑制され、発光効率の低下を抑制することができる。

本発明の好ましい実施形態において、全てのメサ端におけるメサ端と前記第二金属層の外周との距離は、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることが好ましく、より好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．２倍以下、さらに好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．０倍以下である。

さらに、本発明の好ましい実施形態において、メサ端の一部と前記第二金属層の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることができる。全てのメサ端においてメサ端と前記第二金属層の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすると、第二金属層の面積が小さくなって、ｐ電極１７とｎ電極１６との間に流れる電流の抵抗値が増大し、動作電圧が増大するおそれがある。メサ端の一部と前記第二金属層の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることで、第二金属層を広く形成することができ、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流の抵抗値が増大するのを抑制し、動作電圧の増大を抑制できる。

本発明の好ましい実施形態において、メサ端の一部と前記第二金属層の外周との距離は、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることが好ましく、より好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．２倍以下、さらに好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．０倍以下である。

そして、電流集中を抑制し、動作電圧の増大をより一層抑制する観点から、本発明の好ましい実施形態では、メサ端の一部、特に、電流集中が起りやすい部分において、メサ端と第二金属層２０の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることができる。

電流集中が起こりやすい部分とは、上面視において、ｐ電極１７がｎ電極の形成領域に突出している部分を指す。この部分では、ｐ電極１７がｎ電極１６に囲繞されているため、電流が集中しやすい。その結果、その部分はより強く発光するが、負荷も大きく劣化が生じやすい。また、電流が集中する部分では強く発光する一方で、その他の部分では発光が弱まるため、発光ムラが生じて発光効率が低下しやすい。したがって、ｐ電極を構成するｐ型電極構造のうち第二金属層２０を、メサ構造１５上にメサ構造とほぼ相似形状に形成する場合には、少なくとも、メサ構造１５がｎ電極の形成領域に突出している部分、すなわち後に詳述するメサ端の突部において、メサ端と第二金属層２０との距離を所定値以上とすれば、第二金属層２０から流れる電流をメサ構造端部に集中することなく直下の導電層に流すことができる。

したがって、第一金属層１８、導電層１９、および第二金属層２０がこの順に積層されているｐ電極１７を有する本発明のIII族窒化物半導体素子において、少なくとも、メサ構造１５がｎ電極の形成領域に突出している部分、すなわちメサ端の突部と第二金属層２０との距離を所定値以上とすることにより、動作電圧の増大をより一層抑制するとともに、積層半導体層におけるメサ構造端部への電流集中が抑制される。

よって、本発明の好ましい実施形態において、メサ端の少なくとも突部と第二金属層２０の外周との距離は、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることが好ましく、より好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．２倍以下、さらに好ましくは拡散長Ｌ_ｓの１／３以上、拡散長Ｌ_ｓの１．０倍以下である。一方、電流集中が起り難い部分では、メサ端と第二金属層２０の外周とが近接し、上面視において、第二金属層の外周とｎ電極とが拡散長Ｌ_ｓの１／３未満の距離で近接していてもよい。

なお、拡散長Ｌ_ｓは、以下の式で定義される。
Ｌ_ｓ＝｛（ρ_ｃ＋ρ_ｐｔ_ｐ）ｔ_ｎ／ρ_ｎ｝^１／２

ここで、ρ_ｃ：ｐ電極/ｐ型層間の接触抵抗、ρ_ｐ：ｐ型層の比抵抗、ρ_ｎ：ｎ型層の比抵抗、ｔ_ｐ：ｐ型層の厚み、ｔ_ｎ：ｎ型層の厚みである。

（接触抵抗の測定方法）
接触抵抗はＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｌｅｎｇｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ）法により測定する。まず、半導体素子の製造方法と同様の方法により、ｐ−ＧａＮ層の表面にドーナツ状の第二金属層不形成領域を有するｐ電極パターンを形成する（電極間距離：５、１０、２０、４０、６０、８０、１００μｍ）。得られた電極パターンを用いて、各電極間距離における抵抗値を測定し、電極間距離と抵抗値との関係からｐ電極/ｐ型層間の接触抵抗を算出する。

（比抵抗の測定方法）
半導体素子の製造方法と同様の方法を用いて、７ｍｍ角のｐ−ＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層およびｎ−ＡｌＧａＮ層の表面四隅に直径１．５ｍｍの円形のｐ型電極構造を有するｐ電極およびｎ電極をそれぞれ４つ形成する。得られたサンプルについてホール効果測定を行うことで、ｐ型層（ｐ−ＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層）およびｎ型層（ｎ−ＡｌＧａＮ層）の比抵抗を算出する。

半導体素子に通電すると、電子はｎ型層からｐ電極へと移動する。拡散長Ｌ_ｓとは、電子がｐ電極へ移動するのを考慮し、メサ端に近い側のｎ電極の端からメサ端へ向かって、大部分の電子がｎ型層内で拡散できる距離を指す。

拡散長Ｌ_ｓは、電極の幅に依存しないため、素子が小型化し、電極が細線化した場合であっても、電流集中を抑制するためのデバイス設計の指針となる。

上述のとおり、本発明の好ましい実施形態では、III族窒化物半導体素子が、第一金属層１８、導電層１９、および第二金属層２０をこの順に積層してなるｐ電極１７を有し、さらにメサ端と第二金属層２０の外周との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上とすることができるが、本発明の現時点での技術においては、メサ端と第二金属層２０の外周との距離を２０μｍ以上とすれば十分である。

したがって、本発明の好ましい実施形態では、電流集中をさらに抑制する観点から、メサ端と第二金属層２０の外周との距離は２０μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは２０〜８０μｍ、さらに好ましくは２０〜４０μｍである。電流集中をより一層抑制する観点から、全てのメサ端において、メサ端と第二金属層２０の外周との距離は２０μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは２０〜８０μｍ、さらに好ましくは２０〜４０μｍである。また、動作電圧の増大を抑制する観点から、メサ端の一部と第二金属層２０の外周との距離は２０μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは２０〜８０μｍ、さらに好ましくは２０〜４０μｍである。そして、電流集中を抑制し動作電圧の増大をより一層抑制する観点から、メサ端の少なくとも突部と第二金属層２０の外周との距離は２０μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは２０〜８０μｍ、さらに好ましくは２０〜４０μｍである。この距離は現行（２０１５年）の素子設計における十分値である。しかしながら、素子がさらに小型化し、電極が細線化した場合には、メサ端と第二金属層２０の外周との距離を２０μｍ以上にできないことがある。このような場合には、拡散長Ｌ_ｓを目安として、メサ端と第二金属層２０の外周との距離を設定すればよい。

換言すれば、本発明の好ましい実施形態では、III族窒化物半導体素子が第一金属層１８、導電層１９、および第二金属層２０をこの順に積層してなるｐ電極１７を有し、さらにメサ端と第二金属層２０との間には、前記第二金属層の形成が制限された第二金属層制限領域を設けることができる。すなわち、本発明の好ましい実施形態では、メサ構造の端部近傍に拡散長Ｌ_ｓの１／３以上の幅、または２０μｍ以上の幅の第二金属層制限領域を存在させることができる。

上記第二金属層制限領域は、全てのメサ端の近傍に設けることができる。上記第二金属層制限領域を全てのメサ端の近傍に設けることにより、電流集中をより一層抑制することができ、電流が活性層に均一に流れやすくなって発光ムラが抑制され、発光効率の低下を抑制することができる。

また、上記第二金属層制限領域は、メサ端の一部の近傍に設けることができる。上記第二金属層制限領域を全てのメサ端の近傍に設けると、第二金属層の面積が小さくなって、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流の抵抗が高くなり、動作電圧が高くなることがある。上記第二金属層制限領域をメサ端の一部の近傍に設けることで、第二金属層を広く形成することができ、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流の抵抗値が増大するのを抑制し、動作電圧の増大を抑制できる。

さらに、電流集中を抑制し、動作電圧の増大をより一層抑制する観点から、上記第二金属層制限領域は、メサ端の少なくとも突部近傍に設けることができる。すなわち、本発明の好ましい実施形態では、メサ端の少なくとも突部において、メサ端と第二金属層２０との間に拡散長Ｌ_ｓの１／３以上の幅または２０μｍ以上の幅の第二金属層制限領域を設けることにより、動作電圧の増大を抑制でき、さらに、この領域には電流が流れにくいため、この領域付近における電流集中を抑制できる。

ここで、「メサ端の突部」とは、上面視において、メサ構造１５の輪郭がｎ電極の形成領域に突出している部分を指す。この部分に第二金属層が形成されると、周囲を囲繞するｎ電極からの電子が当該部分に形成された第二金属層に集中して、第二金属層直下の活性層部分が強い光を放出する一方、その他の部分で放出される光は弱く、発光ムラが生じ易い。加えて、当該部分の第二金属層直下の積層半導体層は劣化し易くなる。

メサ構造１５の輪郭は、素子設計における電極パターンに応じて様々である。したがって、「メサ端の突部」を一義的に定義することは困難である。そこで、図２に素子の上面視におけるメサ構造１５の輪郭と、ｎ電極の形成パターンについての非制限的な例を示し、電流が集中しやすい「メサ端の突部」を破線の円により表示した。なお、図２の上面視ではｎ電極１２とメサ構造１５とが接しているが、図１に示すように断面ではメサ構造１５の端部とｎ電極との間には、メサ構造のテーパ部や、露出したｎ型層が存在していてもよい。また、「メサ端の突部」から所定距離を離れて第二金属層が形成されるIII族窒化物半導体素子においては、所定距離未満の領域には第二金属層の形成が制限された、第二金属層制限領域が設けられる。

図２Ａは、上面視において長方形のメサ構造１５が形成された素子構造を示す。この構造では、長方形の各頂点がｎ電極の形成領域に突出しており、この部分に第二金属層２０を形成すると、第二金属層直下のメサ部に電流が集中しやすい。
図２Ｂは、十字状のメサ構造１５を示す。この構造でも十字の各頂点がｎ電極の形成領域に突出している。
図２Ｃは、十字状の端部に丸みを帯びた形状のメサ構造１５を示す。この構造でも十字の端部はｎ電極の形成領域に突出している。
図２Ｄは、櫛状のメサ構造１５を示す。この構造でも櫛の各先端や、矩形の頂点はｎ電極の形成領域に突出している。
図２Ｅは、図２Ｄの変形例であり、櫛の背からも櫛歯状に電極が延在する構造を示す。
図２Ｆは、ｎ電極が線状部分を有し、さらに、ｎ電極を形成する櫛の背からも電極が延在する構造を示す。
図２Ｇは、櫛状のメサ構造を囲繞する櫛状のｎ電極が形成された状態を示す。

これら図示した構成では、第二金属層である櫛の各先端や、矩形の頂点はｎ電極の形成領域に突出している。本発明に係るIII族窒化物半導体素子では、これら図示した構成、および類似の構成を有するメサ構造の形成パターンにおいて、「メサ端の突部」を示す円の中心から所定距離未満の領域に第二金属層が存在しないように形成されてもよい。

また、「メサ端の突部」とは、III族窒化物半導体素子を上面視から見て、周囲にｎ電極が過剰に存在しているメサ部分と定義することもできる。したがって、メサ端の「ある点」が「メサ端の突部」に該当するか否かを判定するために、当該「ある点」の周囲に存在するｎ電極の面積を考慮してもよい。具体的には、判定対象の「ある点」を中心として、所定半径の円（以下では「定義円」と呼ぶことがある）を描き、円の内部に存在するｎ電極の面積が大きいほど、当該「ある点」はｎ電極に囲繞されている度合が高いと判定される。また、逆に、判定対象の「ある点」を中心として、所定半径の円を描き、円の内部に存在するメサ部（ｐ電極を含む）の面積が小さいほど、当該「ある点」はｎ電極に囲繞されている度合が高いともいえる。

これらの知見から、メサ端の「ある点」が「メサ端の突部」に該当するか否かを判定するために、図３に示すように、メサ端上の「ある点」を中心とする、所定の円内におけるメサ部（ｐ電極およびｐ型層を含む）、ｎ電極の面積を用いた、以下の評価パラメータが提案される。
評価パラメータ＝（ｎ電極面積／メサ構造面積）×１００（％）

上記の評価パラメータが大きいほど、当該「ある点」はｎ電極により囲繞されている割合が高く、「メサ端の突部」に位置すると判定される。

定義円の半径は、円と他のメサ端とが接しない程度であればよい。しかし、円が小さすぎると、メサ端とｎ電極との間のテーパ部や露出しているｎ型層の面積が過大に評価されるため、ある程度以上の大きさの円である必要がある。すなわち、メサ端における定義円が小さすぎると、定義円内において、メサ部のテーパ部の面積、露出したｎ型層の面積が過大に評価され、メサ部（ｐ電極を含む）およびｎ電極の合計面積が相対的に低下し、適切な評価ができなくなる。

したがって、メサ端上の任意の点（判定対象の点）を中心点として、徐々に大きくなる半径ｒ_ｎの円を描く。円の半径が小さな場合には、テーパ部の面積やｎ電極の面積の相対比は大きいが、円が大きくなるに従いこれらの相対比は小さくなり、メサ部（ｐ電極を含む）およびｎ電極の面積を適正に評価できるようになる。したがって、円内におけるメサ部（ｐ電極を含む）およびｎ電極の合計面積が円の全面積に対し、８０％となる円の半径を「定義円」の半径とすることが好ましい。なお、定義円が他のメサ端と接しないかぎり、定義円の半径を大きくしてもよい。

図３に参照して、定義円を用いた「メサ端の突部」の判定法を説明する。メサ端上のある点を中心にして定義円を描いた場合、定義円内には、メサ部（ｐ電極）、ｎ型層、ｎ電極の領域が存在し、上面視においてメサ構造のテーパ部が観察されることもある。この円において、メサ部の面積、電極の面積、円の全面積から、上記の評価パラメータを算出する。図３において、ｐ電極を省略した。本発明の好ましい実施形態では、ｐ電極１７を構成するｐ型電極構造３０のうち、第一金属層１８および導電層１９をメサ部と同形状に形成し、第二金属層２０をメサ部と同形状であるか、これよりも小さく形成することができる。

図４には、様々な輪郭のメサ端、ｎ電極の上面視を模式的に示した。なお、図４では、電極間に露出したｎ型層およびテーパ部の面積は小さいため、図示を省略した。また、ｐ電極を構成するｐ型電極構造のうち、第一金属層および導電層はメサ部と同形状に形成され、第二金属層はメサ部よりもやや小さな相似形状に形成されるとする。すなわち、ｐ電極の面積はメサ部の面積に算入されるため、図示を省略した。

状態Ａで示すように、鋭角なメサ端がｎ電極の形成領域に突出している場合、定義円内のメサ部の面積は小さく、ｎ電極の面積は大きい。すなわち、評価パラメータは大きくなり、この部分のｐ電極、および活性層には電流集中が起りやすい。

状態Ｂで示すように、メサ端が直角の場合も、定義円内のメサ部の面積は、ｎ電極の面積よりも小さい。すなわち、評価パラメータは状態Ａよりは小さいが、なおｎ電極の面積が過大であり、この部分のｐ電極、および活性層には電流集中が起りやすい。

状態Ｃで示すように、メサ構造が細い場合も、定義円内のメサ部の面積は、ｎ電極の面積よりも小さい。すなわち、ｎ電極の面積が過大であり、この部分のｐ電極、および活性層には電流集中が起りやすい。

状態Ｄで示すように、メサ構造がｎ電極側に凸状の円弧を描く場合も、定義円内のメサ部の面積は、ｎ電極の面積よりも小さい。すなわち、ｎ電極の面積が過大であり、この部分のｐ電極、および活性層には電流集中が起りやすい。

状態Ｅで示すように、メサ構造の輪郭が直線の場合、定義円内のメサ部の面積は、ｎ電極の面積とほぼ等しい。すなわち、評価パラメータはほぼ１００％である。この部分のｐ電極、および活性層には電流集中は起こり難い。

状態Ｆで示すように、ｎ電極をメサ構造が囲繞する場合、定義円内のメサ部の面積は、ｎ電極の面積よりも大きくなる。すなわち評価パラメータは１００％未満である。この部分のｐ電極、および活性層には状態Ｅよりもさらに電流集中は起こり難い。

状態Ｇで示すように、ｎ電極形成領域がメサ構造側に凸状の円弧を描く場合も、定義円内のメサ構造の面積は、ｎ電極の面積よりも大きくなる。すなわち、評価パラメータは１００％未満である。この部分のｐ電極、および活性層には電流集中は起こり難い。

以上から明らかなように、本発明の好ましい実施形態において、メサ端の少なくとも突部に第二金属層制限領域を設ける場合には、定義円内においてメサ部の面積に対しｎ電極の面積が過大な状態Ａ〜Ｄのようなメサ端の近傍を第二金属層制限領域とする。すなわち評価パラメータが大きなメサ端の近傍を第二金属層制限領域とする。

したがって、本発明において、メサ端の少なくとも突部に第二金属層制限領域を設ける場合の好ましい実施形態は以下のとおりである。
メサ端上の任意の点を中心点として、定義円を描く。定義円内の各部の面積により計算される評価パラメータが１００％を超える場合には、当該定義円の中心は「メサ端の突部」に位置すると判定される。メサ端の突部に位置すると判定された場合、当該円の中心と、第二金属層２０の外周との距離が拡散長Ｌ_ｓの１／３以上（絶対距離としては２０μｍ以上）となる範囲に第二金属層２０を設ける。換言すると、円の中心から拡散長Ｌ_ｓの１／３未満（絶対距離としては２０μｍ未満）の範囲は、第二金属層制限領域とする。

上記について、図５を参照して、さらに具体的に説明する。なお、図５でも、電極間に露出したｎ型層およびテーパ部の面積は小さいため、図示を省略した。図５ＡのＸ点（矩形の頂点）における定義円では、評価パラメータはほぼ３００％となる。したがって、矩形の頂点であるＸ点から拡散長Ｌ_ｓの１／３未満（絶対距離としては２０μｍ未満）の範囲には第二金属層を形成しない。また図５ＡのＹ点（頂点Ｘから定義円の半径の距離にあるメサ端部）における定義円では、評価パラメータはほぼ１００％となる。したがって、Ｙ点から半径が拡散長Ｌ_ｓの１／３の長さ（絶対距離としては２０μｍ）の円上が、第二金属層形成の限界点となる。ここで、定義円の半径を拡散長Ｌ_ｓの１／３以上の長さとした場合には、図５Ｂに示すように、メサ部の輪郭と破線で囲繞される領域が第二金属層制限領域となる。また、Ｘ点、Ｙ点からの距離を２０μｍ以上として第二金属層制限領域とすることもできる。

なお、本発明の好ましい実施形態では、上記第二金属層制限領域のすべてにおいて、第二金属層が形成されていないことが好ましいが、第二金属層制限領域の一部において、第二金属層が形成されていても、本発明の目的を阻害しない限り許容される。特にメサ端からの距離が離れている部分には第二金属層を形成してもよい。具体的には、上記第二金属層制限領域のうち、第二金属層の形成が制限される面積は、好ましくは９０％以上、より好ましくは９８％以上、さらに好ましくは９９％以上である。

上記では、評価パラメータの下限を１００％としたが、これらの下限値は積層半導体層（メサ構造部）の材質や、素子の動作環境、素子への要求に応じて適宜に設定することができる。

たとえば、許容される評価パラメータの下限値を低くし、第二金属層制限領域を広くすることができる。この場合、評価パラメータは８０％以上であってもよく、６０％以上であってもよい。こうすることにより、素子の材質が劣化を受けやすく、動作環境が厳しい場合にも、メサ部への電流集中を確実に抑制できる。ただし、この場合には、第二金属層とｎ電極との平均距離が長くなるため、素子の動作電圧が上昇することがある。

したがって、動作電圧の上昇をより抑制したい場合には、評価パラメータの下限値を高くして、第二金属層制限領域を狭くしてもよい。この場合、評価パラメータは１２０％以上であってもよく、１４０％以上であってもよい。

なお、適切な定義円の設定が難しい場合には、現行品については２０μｍを定義円の半径の目安とすれば良い。また今後の電極の細線化が進むにつれて、定義円の半径を小さくすれば、適切な評価は可能である。なお、この場合にも、円が他のメサ端と接することの無いようにする。

本発明の好ましい実施態様では、ｐ電極を構成するｐ型電極構造における第一金属層および導電層はメサ部全面に形成され、第二金属層の形成については「メサ端の突部」から所定範囲内に第二金属層制限領域を設ける。第二金属層制限領域以外のメサ部（以下、「第二金属層許容領域」とよぶことがある）に第二金属層を形成することはできるが、すべての第二金属層許容領域に第二金属層を形成する必要はない。第二金属層は、第二金属層許容領域の少なくとも一部に導通しうるように形成されていればよい。メサ端の突部近傍に形成される第二金属層の外周形状は、矩形状でもよく、図６に示すような円弧状、楕円弧状、放物線状などの形状でもよい。

また、第二金属層形成の技術上の問題から、メサ端と第二金属層端部とが一致するように第二金属層を形成することは困難であるため、第二金属層端部とメサ端との間に、拡散長Ｌ_ｓの１／３未満あるいは２０μｍ未満の幅での余白部を設けても良い。なお、図６には幅５μｍの余白部を形成した例を示した。

さらに、本発明の好ましい実施形態では、評価パラメータが規定値以上となる「メサ端の突部」から所定の範囲内には第二金属層を設けないとしてもよいとしたが、上記したようにメサ部の突出の度合を示す評価パラメータは、メサ端の形状によって連続的に変化する。したがって、メサ部の突出の度合によって、メサ端から第二金属層への距離を設定することもできる。図５Ａにおいて、Ｘ点は評価パラメータ値が高い（メサ部が高度に突出している）ため、この周辺（たとえば２０μｍ以内）に第二金属層を形成することを禁止してもよい。しかし、Ｙ点の評価パラメータは低く、電流集中も起こり難いため、Ｙ点と第二金属層との距離を拡散長Ｌ_ｓの１／３未満あるいは２０μｍ未満としてもよい。

すなわち、ｎ電極形成領域への突出の度合が高いメサ端では、第二金属層とメサ端との距離をより十分にとり、突出度合の低いメサ端では、第二金属層とメサ端との距離をより短めに設定することもできる。たとえば、メサ端上の任意の点で、評価パラメータを決定し、その結果に基づいて「突出の度合」を評価し、当該メサ端からの第二金属層制限領域の幅を設定してもよい。

つまり、評価パラメータの高いメサ端では、より第二金属層制限領域を広くし、評価パラメータの低いメサ端では、第二金属層制限領域を上記の定義よりも狭くすることができる。このため、評価パラメータの絶対値や二乗した値を用いて第二金属層制限領域を定義することも有効と考えられる。

図７Ａのようにメサ端が矩形状の端部の場合には、長手方向について、矩形の頂点から第二金属層までの距離は長く、矩形の短手方向の中点からは第二金属層までの距離が短くなるように第二金属層を設けることができる。第二金属層との距離は、長手方向について、頂点からは長く、中点からは短く、距離は連続的に変化し、中点に近づくほど、距離の変化は緩やかになる。長手方向では、最終的にはメサ端と第二金属層端部が一致してもよい。

図７Ｂのようにメサ端が円弧、楕円弧状の場合、短手方向について、円弧（楕円弧）の頂点から第二金属層までの距離は長い。長手方向に沿って、メサ端の円弧（楕円弧）が直線状に代わるにつれて、メサ端から第二金属層までの距離が短くなるように第二金属層を設けることができる。第二金属層との距離は、メサ端の円弧の頂点からは長く、円弧の両端からは短く、距離は連続的に変化し、両端に近づくほど、距離の変化は緩やかになる。長手方向において、最終的にはメサ端と第二金属層端部が一致してもよい。

＜半導体素子の製造＞
上記III族窒化物半導体素子の構成を含むウエハを製造した後、透光性基板の下面を研削または研磨することにより、透光性基板の厚みを薄くして透過率を向上させることもできる。その後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断など、公知の半導体素子分離方法を適宜用いて、半導体素子を製造する。

なお、上記説明においては、第一金属層、導電層、および第二金属層がこの順に積層されているｐ電極において、第二金属層の形状のみを調整した場合の例を示したが、当然のことながら、性能をより向上させるためには、本発明の半導体素子に従来技術を組み合わせることもできる。

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、これらの例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示した断面構造を有する積層半導体層を形成した。
まず、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｃ面ＡｌＮ基板（一辺７ｍｍ角、厚み５００μｍ）上に、Ｓｉを１．０×１０^１９ [ｃｍ^−３]ドープしたＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ層（厚み１μｍ）をｎ型半導体層として形成した。このｎ型層上に、量子井戸構造を有する活性層（井戸層：厚み２ｎｍ、障壁層：厚み７ｎｍ）を形成した。この時、井戸層および障壁層の組成はそれぞれＡｌ_０．５Ｇａ_０．５ＮおよびＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎとし、障壁層には１．０×１０^１８ [ｃｍ^−３]のＳｉをドープした。活性層は、井戸層３層と障壁層４層の積層構造から成る。

次に、この活性層上に、電子ブロック層として、Ｍｇを５×１０^１９ [ｃｍ^−３]ドープしたＡｌＮ層（厚み１５ｎｍ）を形成した。その後、電子ブロック層上に、ｐ型クラッド層として、Ｍｇを５×１０^１９ [ｃｍ^−３]ドープしたＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎ層（厚み５０ｎｍ）を形成した。最後に、ｐ型クラッド層上に、ｐ型コンタクト層として、Ｍｇを２×１０^１９ [ｃｍ^−３]ドープしたＧａＮ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。

次に、得られた半導体ウエハをＮ_２中において、９００℃で２０分間の熱処理を行った。その後、ｐ型コンタクト層の表面にフォトリソグラフィーおよび真空蒸着により所定のメタルマスクパターンを形成した後、パターンの形成されていないｐ型コンタクト層表面をｎ型層が露出するまでドライエッチングする事で、図１Ｃに示す端部が丸みを帯びた十字状のメサ構造を形成した。

次に、フォトリソグラフィーによりｐ型コンタクト層上にレジストパターンを形成した後、レジストパターンが形成されていないエッチングされたｎ型層表面に真空蒸着によって、Ｔｉ（厚み２０ｎｍ）/Ａｌ（厚み２００ｎｍ）/Ａｕ（厚み５ｎｍ）層を形成し、レジスト剥離後、Ｎ_２中において８１０℃で１分間熱処理することでｎ電極を形成した。

同様に、ｐ型コンタクト層上に、第一金属層として、Ｎｉ（厚み２０ｎｍ）/Ａｕ（厚み５０ｎｍ）層を形成し、酸素雰囲気下、５５０℃で３分間焼成することで第一金属層を形成した。

さらに第一金属層上に、導電層としてＴｉ層（厚み５００ｎｍ）を形成し、導電層であるＴｉ層上に、さらに第二金属層としてＴｉ（厚み２０ｎｍ）／Ｎｉ（厚み４００ｎｍ）／Ａｕ（厚み１３５ｎｍ）積層した。図９Ａに示すように、全てのメサ端において、メサ端と第二金属層の外周との距離が４０μｍとなるようにした。

得られた半導体ウエハを７５０μｍ角に切り出して、III族窒化物半導体発光素子とした。このとき導電層であるＴｉ層の比抵抗の値は０．５×１０^−４Ωｃｍであり、第一金属層の比抵抗の値は１．０×１０^−５Ωｃｍであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は１５０ｍＡ通電時において、２６５ｎｍであった。

（実施例２）
実施例１における導電層をＴｉ層からＩＴＯ層に代えた以外は、実施例１と同様の操作を行い、III族窒化物半導体発光素子を作製した。このとき導電層であるＩＴＯ層の比抵抗の値は４．０×１０^−４Ωｃｍであり、第一金属層の比抵抗の値は１．０×１０^−５Ωｃｍであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は１５０ｍＡ通電時において、２６５ｎｍであった。

（実施例３）
実施例１における導電層をＴｉ層からＡＺＯ層に代えた以外は、実施例１と同様の操作を行い、III族窒化物半導体発光素子を作製した。このとき導電層であるＡＺＯ層の比抵抗の値は２．３×１０^−４Ωｃｍであり、第一金属層の比抵抗の値は１．０×１０^−５Ωｃｍであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は１５０ｍＡ通電時において、２６５ｎｍであった。

（実施例４）
実施例３において、図９Ｂに示すように、メサ端が突出した部分のみにおいて、メサ端と第二金属層との外周との距離を４０μｍとし、その他の部分においては、メサ端と第二金属層との外周との距離を２０μｍ未満とした以外は、実施例１と同様の操作を行い、III族窒化物半導体発光素子を作製した。ＡＺＯ層の比抵抗の値は２．３×１０^−４Ωｃｍであり、第一金属層の比抵抗の値は１．０×１０^−５Ωｃｍであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は１５０ｍＡ通電時において、２６５ｎｍであった。

（比較例１）
実施例１において、導電層を設けず、第一金属層上に直接、第二金属層を形成した以外は、実施例１と同様の方法でIII族窒化物半導体発光素子を作製した。得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電するとメサ端付近で強く発光したが、その他の部分では発光が弱く、発光ムラがあった。

（III族窒化物半導体発光素子の光出力測定評価）
以上の実施例１〜４、および比較例１で得られたIII族窒化物半導体発光素子の光出力の評価を積分球にて行った。光出力測定評価は、全て１５０ｍＡ通電にて行った。その結果を表１にまとめた。なお、表１には、比較例１で作製したIII族窒化物半導体発光素子の発光効率を１とし、それに対してその他の半導体発光素子の発光効率が何倍となったかの比率（実施例１〜３の素子の発光効率／比較例１の発光効率）を示した。

１１…基板
１２…ｎ型層
１３…活性層
１４…ｐ型層
１５…メサ構造
１６…ｎ電極
１７…ｐ電極
１８…第一金属層
１９…導電層
２０…第二金属層
３０…ｐ型電極構造
４０…本発明のIII族窒化物半導体（発光）素子
４１…典型的なIII族窒化物半導体（発光）素子

Claims (10)

1. ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子であって、
   前記ｎ型層上にｎ電極、
   前記ｐ型層上に、第一金属層、導電層、および第二金属層がこの順に積層されているｐ電極を有し、
   前記導電層の比抵抗が、前記第一金属層の比抵抗よりも高いIII族窒化物半導体素子。
2. 前記導電層の厚みが０．０５μｍ以上２０μｍ以下であって、
   前記導電層の比抵抗が０．１×１０^−４〜１．０×１０^−２Ωｃｍである請求項１に記載のIII族窒化物半導体素子。
3. 前記第一金属層が、前記ｐ型層にオーミック接触する層であり、
   単一のあるいは２種以上の金属により構成される請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体素子。
4. 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離が、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上である請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
5. 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離が、拡散長Ｌ_ｓの１／３以上である請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
6. 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離が、２０μｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
7. 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離が、２０μｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
8. 発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍである請求項１〜７の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
9. ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子の構成を含むウエハであって、
   前記III族窒化物半導体素子の構成が請求項１〜７のいずれかに記載の構成であるウエハ。
10. ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体発光素子の構成を含むウエハであって、
    前記III族窒化物半導体発光素子の構成が請求項８に記載の構成であるウエハ。

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