JP5211121B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子の製造方法に関する。

ＧａＮ系半導体を用いた青色や紫色の発光ダイオードなどの半導体発光素子において、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電膜を介して発光光を取り出す構成がある。光取り出し効率を向上させるためには、透明導電膜の上下界面における反射を低減することが重要である。オーミックコンタクトなどの良好な電気的特性と、高い光取り出し効率の実現が望まれている。

特開２００５−２１７３３１号公報

本発明の実施形態は、電気的な特性が良好で光取り出し効率を向上した半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明の別の実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法が提供される。前記製造方法においては、発光部の上に設けられた半導体層の上に気相成長法により下層ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を形成し、前記下層ＩＴＯ膜を、酸素を含む雰囲気中で熱処理し、前記下層ＩＴＯ膜の上に酸素を含む雰囲気での気相成長法により上層ＩＴＯ膜を形成する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る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２（ａ）〜図２（ｃ）は、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３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、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５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子に関する特性を例示するグラフ図である。 図６（ａ）〜図６（ｌ）は、実施形態に係る半導体発光素子に関する特性を例示するグラフ図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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。

（実施の形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る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１（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１導電形の第１半導体層１０と、第２導電形の第２半導体層２０と、発光部３０と、第１透明導電層５１と、第２透明導電層５２と、を備える。

発光部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１透明導電層５１は、第２半導体層２０の発光部３０とは反対の側に設けられる。第１透明導電層５１は、発光部３０から放出される発光光に対して透過性を有する。第１透明導電層５１は、酸素を含む。

第２透明導電層５２は、第２半導体層２０と第１透明導電層５１との間に設けられる。第２透明導電層５２は、発光光に対して透過性を有する。第２透明導電層５２の発光光に対する屈折率は、第１透明導電層５１の発光光に対する屈折率よりも高い。第２透明導電層５２は、第１透明導電層５１に含まれる酸素の濃度よりも高い濃度で酸素を含む。

第２透明導電層５２における酸素空孔の密度は、第１透明導電層５１における酸素空孔の密度よりも低い。

本具体例では、第２透明導電層５２は、第１透明導電層５１と接する。第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２は、透明電極５０に含まれる。

発光部３０は、例えば、紫外、紫、青及び緑の少なくともいずれかの光を放出する。すなわち、発光部３０から放出される発光光の波長（主波長）は、３６０ナノメートル（ｎｍ）以上５８０ｎｍ以下である。

例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。ただし、実施形態はこれに限らず、第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である場合として説明する。

ここで、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向（第１方向）とする。

第１半導体層１０、第２半導体層２０、及び、発光部３０は、例えば、窒化物半導体を含む。

図１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０の発光部３０とは反対の側に設けられた基板５と、基板５と第１半導体層１０との間に設けられたバッファ層６と、をさらに備えている。基板５には、例えばサファイアからなる基板が用いられる。基板５の主面は、（０００１）面、すなわち、Ｃ面とされる。基板５の主面は、（０００１）面に対して例えば５度以下の角度で傾斜していても良い。バッファ層６には、例えばＡｌ_ｘ０Ｇａ_１−ｘ０Ｎ（０≦ｘ０≦１）層が用いられる。

第１半導体層１０は、第１ｎ側層１１と、第２ｎ側層１２と、を含む。第２ｎ側層１２は、第１ｎ側層１１と発光部３０との間に設けられる。第１ｎ側層１１は、ｎ形コンタクト層として機能する。第２ｎ側層１２は、ｎ形ガイド層として機能する。第１ｎ側層１１には、例えば高濃度でｎ形の不純物（例えばシリコンなど）が添加されたＧａＮ層などが用いられる。第２ｎ側層２２には、例えば第１ｎ側層２１よりも低濃度でｎ形の不純物が添加されたＧａＮ層などが用いられる。

第２半導体層２０は、第１ｐ側層２１と、第２ｐ側層２２と、を含む。第１ｐ側層２１は、第２ｐ側層２２と発光部３０との間に設けられる。第１ｐ側層２１は、例えば電子オーバーフロー防止層（抑制層）として機能する。第２ｐ側層２２は、ｐ形コンタクト層として機能する。第１ｐ側層２１には、例えば、ｐ形の不純物（例えばマグネシウム）が添加されたＡｌＧａＮ層などが用いられる。第２ｐ側層２２には、ｐ形不純物が高濃度で添加されたＧａＮ層などが用いられる。

半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０（具体的には、ｎ形コンタクト層である第１ｎ側層１１）に電気的に接続された第１電極７０と、第２半導体層２０（具体的には、ｐ形コンタクト層である第２ｐ側層２２）に電気的に接続された第２電極８０と、をさらに備える。第２電極８０は、第２半導体層２０（具体的にはｐ側コンタクト層である第２ｐ側層２２）の上に設けられる透明電極５０（具体的には第１透明導電層５１）の上に設けられる。

第１電極７０には、例えば、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜及びＡｕ膜の積層膜が用いられる。第２電極８０には、例えば、Ｎｉ膜及びＡｕ膜の積層膜が用いられる。

第１電極７０と第２電極８０との間に印加される電圧により、第１半導体層１０、第２半導体層２０及び透明電極５０を介して発光部３０に電流が供給され、発光部３０から光（発光光）が放出される。

積層構造体１０ｓは、第１半導体層１０、第２半導体層２０及び発光部３０を含む。本具体例では、積層構造体１０ｓの第２半導体層２０の側の第１主面１０ａにおいて、第１半導体層１０の一部と、発光部３０と、第２半導体層２０と、の一部が除去され、第１主面１０ａの側において第１半導体層１０が露出している。露出した第１半導体層１０に接して第１電極７０が設けられ、第２半導体層２０に接する透明電極５０に接して第２電極８０が設けられている。積層構造体１０ｓの第１主面１０ａとは反対の側の第２主面１０ｂに基板５及びバッファ層６が設けられている。

図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１は、第２透明導電層５２の第１透明導電層５１とは反対の側に設けられた絶縁層６０をさらに備えている。絶縁層６０は、発光光に対して透過性を有する。絶縁層６０には、例えばシリコン酸化膜が用いられる。実施形態は、これに限らず、絶縁層６０には、発光部３０から放出される発光に対して透過性を有する任意の絶縁材料を用いることができる。

絶縁層６０は、第１透明導電層５１の第２電極８０と接する部分を除いて設けられる。これにより、第１透明導電層５１と第２電極８０との電気的な導通が確保される。絶縁層６０は、例えば、第１透明導電層５１、第２透明導電層５２、第２半導体層２０及び発光部３０の側面を覆う。さらに、絶縁層６０は、第１半導体層１０の側面上、及び、第１半導体層１０の第１主面１０ａの側の面上に設けられている。絶縁層６０は、積層構造体１０ｓのパッシベーション膜として機能する。絶縁層６０は、第１半導体層１０の第１電極７０と接する部分を除いて設けられる。これにより、第１半導体層１０と第１電極７０との電気的な導通が確保される。
絶縁層６０は必要に応じて設けられ省略しても良い。

発光部３０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構造を有する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、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。
すなわち、これらの図は、発光部３０の構成の例を示す模式図である。

図２（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０ａにおいては、発光部３０は、ＳＱＷ構造を有している。すなわち、発光部３０は、第１障壁層ＢＬ１と、ｐ側障壁層ＢＬｐと、第１障壁層ＢＬ１とｐ側障壁層ＢＬｐとの間に設けられた第１井戸層ＷＬ１と、を含む。

なお、本願明細書において、「積層」とは、直接重ねられる場合の他、他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。すなわち、後述するように、第１障壁層ＢＬ１と第１井戸層ＷＬ１との間、及び、第１井戸層ＷＬ１とｐ側障壁層ＢＬｐとの間に別の層が設けられても良い。

図２（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０ｂにおいては、発光部３０は、ＭＱＷ構造を有している。すなわち、発光部３０は、Ｚ軸方向に沿って積層された複数の障壁層（第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４、及び、ｐ側障壁層ＢＬｐ）と、複数の障壁層どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層（第１〜第４井戸層ＷＬ１〜ＷＬ４）と、を含む。本具体例では、井戸層が４層設けられているが、井戸層の数は任意である。

このように、発光部３０は、２以上の整数Ｎにおいて、第（Ｎ−１）井戸層ＷＬの第（Ｎ−１）障壁層とは反対の側に設けられた第Ｎ障壁層と、第Ｎ障壁層の第（Ｎ−１）井戸層とは反対の側に設けられた第Ｎ井戸層と、をさらに含む。

図２（ｃ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０ｃにおいては、発光部３０は、障壁層と井戸層との間のそれぞれに設けられた中間層をさらに含む。すなわち、発光部３０は、第（Ｎ−１）障壁層と第（Ｎ−１）井戸層との間に設けられた第１中間層ＩＬ１と、第（Ｎ−１）井戸層と第Ｎ障壁層との間に設けられた第２中間層ＩＬ２と、をさらに含む。さらに、第２中間層ＩＬ２は、第Ｎ井戸層とｐ側障壁層ＢＬｐとの間に設けられる。なお、第１中間層ＩＬ１と第２中間層ＩＬ２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。また、第１中間層ＩＬ１を設け、第２中間層ＩＬ２を省略しても良い。また、第２中間層ＩＬ２を設け、第１中間層ＩＬ１を省略しても良い。

障壁層（例えば第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４、第Ｎ障壁層）には、例えば、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、ｘ１＋ｙ１≦１）を用いることができる。障壁層には、例えばＩｎ_０．０２Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６５Ｎを用いることができる。障壁層の厚さは、例えば１２．５ｎｍとすることができる。

ｐ側障壁層ＢＬｐには、例えば、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２≦１）を用いることができる。ｐ側障壁層ＢＬｐには、例えばＩｎ_０．０２Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６５Ｎを用いることができる。障壁層の厚さは、例えば１２．５ｎｍとすることができる。

井戸層（例えば、第１井戸層ＷＬ１〜ＷＬ４、第Ｎ井戸層）には、例えば、Ｉｎ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｎ（０＜ｘ３≦１、０≦ｙ３＜１、ｘ３＋ｙ３≦１）を用いることができる。井戸層には、例えばＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを用いることができる。井戸層の厚さは、例えば２．５ｎｍとすることができる。

井戸層に含まれるＩｎの組成比（III族元素中におけるＩｎの原子数の割合）は、障壁層（第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４、第Ｎ障壁層、及び、ｐ側障壁層ＢＬｐ）に含まれるＩｎの組成比（III族元素中におけるＩｎの原子数の割合）よりも高い。これにより、障壁層におけるバンドギャップエネルギーが井戸層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きくできる。

第１中間層ＩＬ１には、例えば、Ｉｎ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ｎ（０≦ｘ４＜１）を用いることができる。第１中間層ＩＬ１には、例えばＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを用いることができる。第１中間層ＩＬ１の厚さは、例えば０．５ｎｍとすることができる。

第２中間層ＩＬ２には、例えば、Ｉｎ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ｎ（０≦ｘ５＜１）を用いることができる。第２中間層ＩＬ２には、例えばＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを用いることができる。第２中間層ＩＬ２の厚さは、例えば０．５ｎｍとすることができる。

なお、井戸層に含まれるＩｎの組成比（III族元素中におけるＩｎの原子数の割合）は、第１中間層ＩＬ１及び第２中間層ＩＬ２に含まれるＩｎの組成比（III族元素中におけるＩｎの原子数の割合）よりも高い。これにより、第１中間層ＩＬ１及び第２中間層ＩＬ２におけるバンドギャップエネルギーが井戸層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きくできる。

なお、第１中間層ＩＬ１は、障壁層の一部と見なすこともできる。また、第２中間層ＩＬ２は、障壁層の一部とみなすこともできる。すなわち、井戸層と積層される障壁層は、組成の異なる複数の層を含んでも良い。

なお、図２（ａ）に例示したＳＱＷ構造において、第１中間層ＩＬ１と第２中間層ＩＬ２とを設けても良い。この場合には、第１中間層ＩＬ１は、第１障壁層ＢＬ１と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられ、第２中間層ＩＬ２は、第１井戸層ＷＬ１とｐ側障壁層ＢＬｐとの間に設けられる。

上記は、発光部３０の構成の例であり、実施形態はこれに限らず、障壁層、ｐ側障壁層ＢＬｐ、井戸層、第１中間層ＩＬ１及び第２中間層ＩＬ２に用いられる材料及び厚さは種々の変形が可能である。なお、上記のように、障壁層、ｐ側障壁層ＢＬｐ、井戸層、第１中間層ＩＬ１及び第２中間層ＩＬ２は、窒化物半導体を含む。

以下、透明電極５０の構成及び特性について半導体発光素子１１０を例にとって説明する。
図１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０においては、第２半導体層２０の上に設けられる透明電極５０が、第１透明導電層５１と、第１透明導電層５１と積層された第２透明導電層５２と、を含む。なお、第１透明導電層５１と第２透明導電層５２との間に他の透明導電層が設けられても良い。以下では、第２透明導電層５２が、第１透明導電層５１と接する場合として説明する。

第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選ばれた少なくとも１つ（１種）の元素を含む酸化物を含む。第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２には、例えばＩＴＯが用いられる。第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２には、例えばＩｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_３の少なくともいずれかを用いても良い。

第１透明導電層５１の屈折率は、例えば１．８以上２．０未満である。第２透明導電層５２の屈折率は、例えば２．０以上２．２以下である。

第１透明導電層５１の厚さは、例えば５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下とされる。第２透明導電層５２の厚さは、例えば５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下とされる。

後述するように、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２は、気相成長法により形成されることができる。例えば、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２は、スパッタ法により形成される。

第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２は、多結晶状態を有することができる。第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２は、粒径が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の粒子（グレイン）を含むことができる。粒子の粒径は、例えば透過電子顕微鏡像などに基づいて求められ、複数の粒子のうちで粒径が大きいものの粒径が、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされ、１００ｎｍ未満の粒径の粒子が存在していても良い。粒子が細長い形状をしている場合には、粒径は、長い方向の長さとされる。

なお、第２半導体層２０の屈折率は、例えば、第２半導体層２０にＧａＮ層が用いられた場合には、２．４３である。すなわち、第２透明導電層５２の屈折率は、第２半導体層２０の発光光に対する屈折率よりも低く設定される。これにより、発光部３０から放出された発光光は第２半導体層２０を通過して、第２透明導電層５２及び第１透明導電層５１に効率良く入射することができる。

上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、発光部３０に近い側に高屈折率で高酸素濃度の第２透明導電層５２が設けられ、第２電極８０の側に低屈折率で低酸素濃度の第１透明導電層５１が設けられる。これにより、発光部３０から第２透明導電層５２及び第１透明導電層５１を介して、第２電極８０の側に向けて出射する発光光が、第２透明導電層５２及び第１透明導電層５１で損失されることが抑制できる。そして、第２透明導電層５２の酸素濃度を高く設定することで、第２半導体層２０（例えばＧａＮ層）と第２透明導電層５２とのコンタクト抵抗を低減できる。このように、半導体発光素子１１０においては、良好な電気的な特性と、高い光取り出し効率と、を同時に実現できる。すなわち、本実施形態によれば、駆動電圧が低く、かつ効率が高い、紫外、紫、青及び緑の少なくともいずれかの光を放出するＬＥＤを提供することができる。

なお、透明電極（ＩＴＯ膜）における光の損失を抑制する試みとして、斜め蒸着法を用いて透明電極の屈折率を厚み方向に沿って変化させる構成（第１参考例）が知られている。第１参考例では、斜め蒸着法により成膜された多孔質のＩＴＯ膜が用いられる。蒸着角度の変化によりＩＴＯ膜の多孔質度を変化させ、多孔質度が高いと屈折率が低くなることが利用される。すなわち、第１参考例においては、多孔質度による密度の変化に基づいて屈折率が変化する。この方法によっても透明電極５０の第２半導体層２０の側の屈折率を、第２電極８０の側の屈折率よりも高くでき、これにより、光の損失が低減できるものとされている。しかしながら、第１参考例の構成においては、ＧａＮとのコンタクト特性に関しては考慮されていない。すなわち、斜め蒸着法で成膜されたＩＴＯ膜の密度は低く、ＧａＮとのコンタクト抵抗が高い。さらに、ＩＴＯ膜が多孔質であるため、粒界での光散乱が大きく、光取り出し効率の向上が不十分である。さらに、多孔質のＩＴＯ膜はシート抵抗が高いため、発光の均一性が低い。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、透明電極５０において、屈折率と酸素濃度との両方を制御することで、光の損失を抑制すると同時にコンタクト抵抗を低減できる。そして、多孔質のＩＴＯ膜を用いないので、粒界での光散乱が抑制でき光取り出し効率を十分に向上できる。また、多孔質のＩＴＯ膜を用いないのでシート抵抗も低く、透明電極５０は電流を拡散させる機能を果たし、発光の強さを面内で均一にできる。これにより、本実施形態をFace Up型の発光ダイオードに応用した場合に、特に均一な発光が得られるという優れた特性を発揮できる。

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、酸素濃度の差異、すなわち、酸素空孔の差異による密度の変化に基づいて屈折率が変化する。そして、酸素濃度が低い第１透明導電層５１において、低い屈折率が得られ、酸素濃度が高い第２透明導電層５２において、高い屈折率と共にＧａＮ層との良好なコンタクト特性が得られる特性が利用される。

ＧａＮ層と透明電極５０とのコンタクト抵抗は、透明電極５０に含まれる酸素濃度が所定の値のときに最も低くなると考えられる。酸素濃度がその所定の値よりも高いと（高酸素濃度領域の場合）、透明電極５０におけるキャリア密度が低下することによってコンタクト抵抗が上昇すると考えられる。逆に、酸素濃度がその所定の値よりも低いと（低酸素濃度領域の場合）、透明電極５０における結晶性が低下することによってコンタクト抵抗が上昇すると考えられる。

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、例えば、第２透明導電層５２における酸素濃度を上記の所定の値の近傍に設定することで、ＧａＮ層との低いコンタクト抵抗と、高い屈折率と、を得る。そして、第１透明導電層５１における酸素濃度を第２透明導電層５２における酸素濃度よりも低くすることで、低い屈折率を得て、光の取り出し効率を向上させる。このとき、第１透明導電層５１においては、結晶性が低下し、ＧａＮ層とのコンタクト抵抗が高い状態になるが、第１透明導電層５１は、ＧａＮ層と接しないため問題ない。

なお、透明電極５０における酸素濃度を上記の所定の値よりも高い高酸素濃度領域に設定することも考えられる（第２参考例）。この場合において、光取り出し効率を重視すると、透明電極５０のうちの第２電極８０に近い側の部分の酸素濃度を低くして低屈折率を得て、透明電極５０のうちの第２半導体層２０に近い側の部分の酸素濃度を高くして高屈折率を得ることになる。しかし、この構成においては、高酸素濃度領域のなかで低いコンタクト抵抗が得られる低酸素濃度は、透明電極５０のうちの第２電極８０に近い側の部分に対応し、透明電極５０のうちの第２半導体層２０に近い側の部分では、コンタクト抵抗が高くなる。このため、低コンタクト抵抗と高光取り出し効率を同時に達成することは困難である。

もし、第２参考例の構成において、低いコンタクト抵抗と高い光取り出し効率を同時に得ようとした場合においては、例えば、第２半導体層２０の上に第１透明導電膜を島状に設け、その第１透明導電膜を覆いつつ第２半導体層２０にも接するように、第１透明導電膜とは屈折率及びコンタクト抵抗が異なる第２透明導電膜を設ける構成が考えられる。しかしながら、この場合には構成が複雑となり、コンタクト面積が減少し、やはりコンタクト抵抗の低減と光取り出し効率の向上は不十分である。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第２透明導電層５２における酸素濃度をコンタクト抵抗が低くなる値（例えば上記の所定の値の近傍の値）に設定することで低コンタクト抵抗と高屈折率とを得つつ、第１透明導電層５１における酸素濃度を第２透明導電層５２よりも低くすることで低い屈折率を得るため、上記のような複雑な構成を必要としない。これにより、良好な電気的な特性と、高い光取り出し効率と、を同時に実現できる。

なお、図１（ｂ）に例示した半導体発光素子１１１のように、絶縁層６０が設けられる場合において、第１透明導電層５１の屈折率は、絶縁層６０の発光光に対する屈折率よりも高く設定されることができる。これにより、第１透明導電層５１中を進行する発光光を効率良く絶縁層６０に入射させ、光取り出し効率がさらに向上する。本具体例では、絶縁層６０としてシリコン酸化膜が用いられており、このとき、絶縁層６０の屈折率は例えば１．４６である。

このように、第２透明導電層５２の発光光に対する屈折率は第２半導体層２０の発光光の屈折率よりも低く、第１透明導電層５１の発光光に対する屈折率は第２透明導電層５２の発光光の屈折率よりも低く、絶縁層６０の発光光に対する屈折率は第１透明導電層５１の発光光の屈折率よりも低く設定される。これにより、光取り出し効率が向上する。

例えば、第２半導体層２０としてＧａＮ層を用い、第２透明導電層５２として高酸素濃度で屈折率が２．１４で厚さが５０ｎｍのＩＴＯ層を用い、第１透明導電層５１として低酸素濃度で屈折率が１．９７で厚さが１５０ｎｍのＩＴＯ層を用い、絶縁層６０として屈折率が１．４６のシリコン酸化膜を用いた実施形態に係る構成においては、この積層膜における反射率は２．９％である。

一方、第２半導体層２０としてＧａＮ層を用い、屈折率が一定の透明電極として屈折率が２．１４で厚さが２００ｎｍのＩＴＯ層を用い、絶縁層６０として屈折率が１．４６のシリコン酸化膜を用いた第３参考例においては、この積層膜における反射率は６．５％と高い。すなわち、第３参考例においては、光取り出し効率が低い。

これに対し、上記のように、実施形態に係る構成においては、反射率を第３参考例の約２分の１に低減でき、透過率を向上できる。

なお、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における酸素濃度の測定には、例えば、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）などの手法を用いることができる。また、酸素空孔密度の測定には、例えば、陽電子消滅法（ＰＡＳ：Positron Annihilation Spectroscopy）を用いることができる。ただし、実施形態はこれに限らず、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における酸素濃度及び酸素空孔密度の測定には、任意の手法を用いることができる。

第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における屈折率の測定には、例えば、分光エリプソメトリー（ＳＥ：Spectroscopic Ellipsometry）などの手法を用いることができる。

上記のような第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２の製造方法の例について説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
すなわち、これらの図は、製造方法の異なる例を示している。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、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３（ａ）及び図４（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子（例えば半導体発光素子１１０）の製造方法においては、発光部３０の上に設けられた半導体層（例えば第２半導体層２０）の上に気相成長法により下層透明導電膜５２ｆを形成する（ステップＳ１１０）。下層透明導電膜５２ｆは、第２透明導電層５２となる膜である。

下層透明導電膜５２ｆの形成は、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれか）を含む雰囲気でのスパッタ法による成膜を含むことができる。例えば、下層透明導電膜５２ｆは、アルゴンを含む雰囲気中でのスパッタにより形成される。なお、このスパッタのときの温度は、例えば室温である。下層透明導電膜５２ｆの形成においては、酸素を実質的に含まない雰囲気でのスパッタ法が用いられる。

図３（ａ）に表したように、下層透明導電膜５２ｆを、酸素を含む雰囲気中で熱処理する（ステップＳ１２０）。例えば、下層透明導電膜５２ｆに、酸素中（空気中でも良い）で、例えば４００℃以上８００℃以下の熱処理（第１シンター処理）が施される。この熱処理の時間は、例えば１分以上５分以下である。
これにより、下層透明導電膜５２ｆに酸素を導入しつつ、多結晶化する。これにより、酸素濃度が高く、酸素空孔の密度が低く、高屈折率を有する第２透明導電層５２が形成される。

図３（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、下層透明導電膜５２ｆの上に酸素を含む雰囲気での気相成長法により上層透明導電膜５１ｆを形成する（ステップＳ１３０）。上層透明導電膜５１ｆは、第１透明導電層５１となる膜である。

上層透明導電膜５１ｆの形成は、酸素の他に希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれか）をさらに含む雰囲気でのスパッタ法による成膜を含むことができる。例えば、上層透明導電膜５１ｆは、アルゴンと酸素とを含む雰囲気中でのスパッタにより形成される。なお、このスパッタのときの温度は、例えば室温である。上層透明導電膜５１ｆの形成においては、下層透明導電膜５２ｆの形成の際の雰囲気に含まれる酸素よりも高い濃度で酸素を含む雰囲気が用いられる。
これにより、酸素濃度が低く、酸素空孔の密度が高く、低屈折率を有する第１透明導電層５１が形成される。

さらに、図３（ｂ）に表したように、上層透明導電膜の形成（ステップＳ１３０）の後に、還元雰囲気中で熱処理をさらに施す（ステップＳ１４０）。例えば、上層透明導電膜５１ｆに対して、窒素中で例えば４００℃以上の熱処理（第２シンター処理）が施される。この熱処理の時間は、例えば３０秒以上３０分以下である。なお、実施形態はこれに限らず、還元雰囲気中での熱処理は、窒素及び希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれか）の少なくともいずれかの雰囲気中での熱処理を含むことができる。

これにより、上層透明導電膜５１ｆが多結晶化される。なお、このとき、上層透明導電膜５１ｆには酸素が導入されない。これにより、酸素濃度が低く、酸素空孔の密度が高く、低屈折率を有する第１透明導電層５１が形成される。

上記のステップＳ１１０において、酸素を実質的に含まない雰囲気でのスパッタにより下層透明導電膜５２ｆを形成し、その後のステップＳ１２０において、酸素中での熱処理を施し下層透明導電膜５２ｆに酸素を導入することで、膜の構造に悪影響を与えないで、酸素を高い濃度で導入できる。そして、ステップＳ１３０で、酸素を含む雰囲気でのスパッタにより上層透明導電膜５１ｆを形成し、その後のステップＳ１４０において、還元雰囲気中での熱処理を施し過剰な酸素を除去しつつ多結晶化することで、良好な多結晶構造の第１透明導電層５１が得られる。

このようにして得られた第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２を含む透明電極５０のシート抵抗は、約５Ω／square（５Ω／□）であった。一方、第１参考例に関して説明した斜め蒸着法による透明電極におけるシート抵抗は約１４Ω／squareとなる。本実施形態によれば、第１参考例のシート抵抗の約３分の１のシート抵抗が得られる。

上記の方法で得られた第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２においては、グレインの粒径が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下となる。グレインが１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下と大きくすることで、粒界における光散乱が抑制される。

すなわち、下層透明導電膜５２ｆ及び上層透明導電膜５１ｆの形成にスパッタ法を用いることで、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２におけるグレインの粒径を大きくすることができ、より望ましい。

なお、上記で説明した第１参考例においては、斜め蒸着法によるＩＴＯ膜が用いられるが、この場合には、ＩＴＯ膜のグレインの粒径は５０ｎｍ以下と小さい。このため、粒界での光散乱が大きく、効率が低い。

なお、本実施形態において、グレインの粒径による光散乱の増大が実質的に問題とならない場合には、下層透明導電膜５２ｆ及び上層透明導電膜５１ｆの形成には、蒸着法を用いても良い。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子に関する特性を例示するグラフ図である。
すなわち、これらの図は、異なる処理を行ったときの第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２のシート抵抗Ｒｓの測定結果を例示している。

図５（ａ）に例示した試料２１１は、下層透明導電膜５２ｆを形成し、酸素を含む雰囲気での熱処理（第１シンター処理）が終了した後の第２透明導電層５２である。そして、試料２１２は、試料２１１を窒素中においてアニールした後の試料である。

図５（ｂ）に例示した試料２２１は、上層透明導電膜５１ｆを形成し、還元雰囲気中での熱処理（第２シンター処理）を行って得られる第１透明導電層５１である。そして、試料２２２は、試料２１１を窒素中においてアニールした後の試料である。

図５（ａ）に表したように、酸素を含む雰囲気での熱処理（第１シンター処理）が終了した後の第２透明導電層５２である試料２１１のシート抵抗Ｒｓは約２３Ω／squareであるのに対し、その後、窒素中においてアニールした後の試料２１２においては、シート抵抗Ｒｓが約１５Ω／squareにまで低下した。第２透明導電層５２中の酸素が、窒素中での熱処理によって離脱し、酸素空孔が形成され、その結果、シート抵抗Ｒｓが低下したものと考えられる。

図５（ｂ）に表したように、第１透明導電層５１を形成した試料２２１においては、シート抵抗Ｒｓは約８．５Ω／squareである。そして、試料２２１を窒素中においてアニールした後の試料２２２においては、シート抵抗Ｒｓは約８．２Ω／squareであり、試料２２１と殆ど変わらなかった。低酸素濃度の第１透明導電層５１は、酸素濃度が低く離脱し易い酸素が少ないために、窒素中でのアニールによっても酸素の離脱の程度が小さく、酸素離脱の影響が小さいと考えられる。したがって、高酸素濃度の第２透明導電層５２の上に第１透明導電層５１が設ければ、窒素中においてアニールを施しても、第２透明導電層５２からの酸素の離脱が抑制されるものと考えられる。

このように、第２半導体層２０の側に高酸素濃度の第２透明導電層５２を設け、第２透明導電層５２の上に低酸素濃度の第１透明導電層５１を設けることで、第２透明導電層５２及び第１透明導電層５１における酸素濃度の変動でき、安定した特性が得られる。

なお、酸素を含む雰囲気での熱処理（ステップＳ１２０）よりも後で、上層透明導電膜５１ｆの形成（ステップＳ１３０）よりも前に、還元雰囲気中で熱処理をさらに施しても良い。還元雰囲気中で熱処理は、例えば、窒素及び希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれか）の少なくともいずれかの雰囲気中での熱処理を含むことができる。
これにより、下層透明導電膜５２ｆに導入された過剰な酸素が除去され、下層透明導電膜５２ｆの特性が安定する。すなわち、安定した特性を有する第２透明導電層５２が得られる。ただし、このときの熱処理は、比較的弱い条件が採用される。これにより下層透明導電膜５２ｆから酸素が過度に離脱することが抑制できる。

図６（ａ）〜図６（ｌ）は、実施形態に係る半導体発光素子に関する特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、半導体発光素子１２１の特性を例示し、図６（ｄ）〜図６（ｆ）は、半導体発光素子１２２の特性を例示し、図６（ｇ）〜図６（ｉ）は、半導体発光素子１２３の特性を例示し、図６（ｊ）〜図６（ｌ）は、半導体発光素子１２４の特性を例示している。図６（ａ）、図６（ｄ）、図６（ｇ）及び図６（ｊ）は、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における屈折率ｎを例示している。図６（ｂ）、図６（ｅ）、図６（ｈ）及び図６（ｋ）は、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における酸素濃度Ｏｃを例示している。図６（ｃ）、図６（ｆ）、図６（ｉ）及び図６（ｌ）は、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における酸素空孔密度Ｏｖを例示している。これらの図において、横軸は、Ｚ軸方向に沿った位置であり、位置Ｚａは、第２半導体層２０と第２透明導電層５２との間の界面に相当する位置である、位置Ｚｂは、第１透明導電層５１と第２電極８０との間の界面に相当する位置である。

図６（ａ）に表したように、半導体発光素子１２１においては、第１透明導電層５１における屈折率ｎは第１屈折率ｎ１であり、第２透明導電層５２における屈折率ｎは、第１屈折率ｎ１よりも高い第２屈折率ｎ２である。
図６（ｂ）に表したように、第１透明導電層５１における酸素濃度Ｏｃは第１酸素濃度Ｃ１であり、第２透明導電層５２における酸素濃度Ｏｃは、第１酸素濃度Ｃ１よりも高い第２酸素濃度Ｃ２である。
図６（ｃ）に表したように、第１透明導電層５１における酸素空孔密度Ｏｖは第１酸素空孔密度Ｖ１であり、第２透明導電層５２における酸素空孔密度Ｏｖは、第１酸素空孔密度Ｖ１よりも低い第２酸素空孔密度Ｖ２である。

このように、半導体発光素子１２１においては、第１透明導電層５１における屈折率ｎ、酸素濃度Ｏｃ及び酸素空孔密度Ｏｖは実質的に一定であり、第２透明導電層５２における屈折率ｎ、酸素濃度Ｏｃ及び酸素空孔密度Ｏｖは実質的に一定である。

図６（ｄ）に表したように、半導体発光素子１２２においては、第１透明導電層５１における屈折率ｎは変化しており、第２透明導電層５２における屈折率ｎも変化している。 図６（ｅ）に表したように、第１透明導電層５１における酸素濃度Ｏｃは変化しており、第２透明導電層５２における酸素濃度Ｏｃも変化している。
図６（ｆ）に表したように、第１透明導電層５１における酸素空孔密度Ｏｖは変化しており、第２透明導電層５２における酸素空孔密度Ｏｖも変化している。
このように、半導体発光素子１２２においては、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における屈折率ｎ、酸素濃度Ｏｃ及び酸素空孔密度Ｏｖは変化している。

第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２の少なくともいずれかにおける屈折率ｎは、厚さ方向に沿って変化することができる。第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２の少なくともいずれかにおける酸素濃度Ｏｃは、厚さ方向に沿って変化することができる。第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２の少なくともいずれかにおける酸素空孔密度Ｏｖは、厚さ方向に沿って変化することができる。

図６（ｇ）に表したように、半導体発光素子１２３においては、第１透明導電層５１と第２透明導電層５２との間に第３透明導電層５３が設けられている。第３透明導電層５３における屈折率ｎは、第１屈折率ｎ１と第２屈折率ｎ２との間の値である。
図６（ｈ）に表したように、第３透明導電層５３における酸素濃度Ｏｃは、第１酸素濃度Ｃ１と第２酸素濃度Ｃ２との間の値である。
図６（ｉ）に表したように、第３透明導電層５３における酸素空孔密度Ｏｖは、第１酸素空孔密度Ｖ１と第２酸素空孔密度Ｖ２との間の値である。

このように、半導体発光素子１２３においては、第１透明導電層５１と第２透明導電層５２との間の特性を有する第３透明導電層５３がさらに設けられている。なお、第１透明導電層５１と第２透明導電層５２との間に複数の透明導電層がさらに設けられても良い。本具体例では、第１透明導電層５１、第２透明導電層５２及び第３透明導電層５３における屈折率ｎ、酸素濃度Ｏｃ及び酸素空孔密度Ｏｖは実質的に一定であるが、これらの値はそれぞれの層において変化しても良い。

図６（ｊ）に表したように、半導体発光素子１２４においては、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における屈折率ｎは実質的に一定であり、第３透明導電層５３における屈折率ｎは変化している。
図６（ｋ）に表したように、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における酸素濃度Ｏｃは実質的に一定であり、第３透明導電層５３における酸素濃度Ｏｃは変化している。
図６（ｌ）に表したように、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２における酸素空孔密度Ｏｖは実質的に一定であり、第３透明導電層５３における酸素空孔密度Ｏｖは変化している。

なお、第１透明導電層５１と第２透明導電層５２との間の境界は、明確な場合と、不明確な場合とがある。第１透明導電層５１と第３透明導電層５３との間の境界は、明確な場合と、不明確な場合とがある。第２透明導電層５２と第３透明導電層５３との間の境界は、明確な場合と、不明確な場合とがある。
このように、第１透明導電層５１及び第２透明導電層５２を含む透明電極５０の構成は種々の変形が可能である。

実施形態によれば、電気的な特性が良好で光取り出し効率を向上した半導体発光素子及びその製造方法が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（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。またさらに、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、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素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。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

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基板、バッファ層、半導体層、発光部、井戸層、障壁層、中間層、透明導電層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、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。

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及びその製造方法を基にして、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及びその製造方法も、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。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５…基板、 ６…バッファ層、 １０…第１半導体層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層構造体、 １１…第１ｎ側層、 １２…第２ｎ側層、 ２０…第２半導体層、 ２１…第１ｐ側層、 ２２…第２ｐ側層、 ３０…発光部、 ５０…透明電極、 ５１…第１透明導電層、 ５１ｆ…上層透明導電膜、 ５２…第２透明導電層、 ５２ｆ…下層透明導電膜、 ５３…第３透明導電層、 ６０…絶縁層、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 １１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１１、１２１〜１２４…半導体発光素子、 ２１１、２１２、２２１、２２２…試料、 ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、 ＢＬｐ…ｐ側障壁層、 Ｃ１、Ｃ２…第１及び第２酸素濃度、 ＩＬ１…第１中間層、 ＩＬ２…第２中間層、 Ｏｃ…酸素濃度、 Ｏｖ…酸素空孔密度、 Ｒｓ…シート抵抗、 Ｖ１、Ｖ２…第１及び第２酸素空孔密度、 ＷＬ１〜ＷＬ４…第１〜第４井戸層、 ｎ…屈折率、 ｎ１、ｎ２…第１及び第２屈折率

Claims (6)

1. 発光部の上に設けられた半導体層の上に気相成長法により下層ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を形成し、
   前記下層ＩＴＯ膜を、酸素を含む雰囲気中で熱処理し、
   前記下層ＩＴＯ膜の上に酸素を含む雰囲気での気相成長法により上層ＩＴＯ膜を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記下層ＩＴＯ膜の形成は希ガスを含む雰囲気でのスパッタ法による成膜を含み、前記上層ＩＴＯ膜の形成は、酸素の他に希ガスをさらに含む雰囲気でのスパッタ法による成膜を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記上層ＩＴＯ膜の形成の後に、還元雰囲気中で熱処理をさらに施すことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記還元雰囲気中での前記熱処理は、窒素及び希ガスの少なくともいずれかの雰囲気中での熱処理を含むことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記酸素を含む雰囲気中での前記熱処理よりも後で、前記上層ＩＴＯ膜の形成よりも前に、還元雰囲気中で熱処理をさらに施す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の製造方法。
6. 前記下層ＩＴＯ膜の形成は酸素を含まない雰囲気でのスパッタ法による成膜を含み、前記上層ＩＴＯ膜の形成は、酸素含む雰囲気でのスパッタ法による成膜を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。

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