JP5235866B2 - 金属電極の形成方法、半導体発光素子の製造方法及び窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、金属電極の形成方法及び半導体発光素子の製造方法に係り、さらに詳しくは、半導体層と外部配線との接続のために半導体層上に形成される金属電極の形成方法に関する。

半導体発光素子は、第１型半導体と第２型半導体（例えば、Ｎ型及びＰ型の半導体）との接合によるものであり、第２型及び第１型の半導体の両端に電圧を加えると、半導体のバンドギャップに相当するエネルギーを光の形で放出する一種の光電子素子である。すなわち、ｐ−ｎ接合に順方向に電圧を印加すると、第１型半導体の電子及び第２型半導体の正孔は、それぞれ第１型の方、第２型の方に注入されて少数キャリアとして拡散される。これらの少数キャリアは、拡散過程において多数キャリアと再結合し、結合する電子と正孔との間のエネルギー差に相当する光を放出する。

この種の半導体発光素子、すなわち、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）は、紫外線はもとより、可視光線を発光することができる。この種の半導体発光素子を用いて白色を実現する方法は、大きく３種類に分けられる。

第一に、光の３元色である赤色、緑色、青色を発する３つのＬＥＤを組み合わせて白色を実現する。この方法は、一つの白色光源を作るのに３つのＬＥＤを用いなければならず、それぞれのＬＥＤを制御する技術が必要となる。第二に、青色ＬＥＤを光源として用い、青色光の一部を黄色蛍光体に波長変換させて白色を実現する。この方法は、発光効率には優れている。しかしながら、ＣＲＩ（ｃｏｌｏｒ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘ）が低く、電流密度に応じてＣＲＩが変わってしまう。このため、太陽光に近い白色光が得難いという不都合がある。最後に、紫外線発光ＬＥＤを光源として用い、紫外線光を三元色蛍光体に波長変換させて白色を作る。この方法は、高電流下における使用が可能であり、色感に優れていることから、最近では最も盛んに研究がなされている。

近年、この種の白色のＬＥＤを照明用の光源として用いる研究が盛んになされている。これは、半導体発光素子が、長寿命、小型・軽量化が可能であり、光の指向性が強く、低電圧駆動が可能であり、しかも、予熱時間と複雑な駆動回路が不要であり、衝撃及び振動に強いためである。これにより、種々の高品位の照明システムが実現可能であり、今後１０年以内には、白熱灯、蛍光灯、水銀灯などの既存の光源に代えうることが期待されている。

しかしながら、この種の白色ＬＥＤを、既存の水銀灯や蛍光灯に代えうる光源として用いるためには、熱的安定性に優れている必要があるだけではなく、低い消費電力で高出力の光を放出することができなければならない。

上述したように、前記半導体発光素子の場合、接合された第１型半導体層と第２型半導体層とに電源を印加して、その接合領域における電子と正孔との結合を引き起こして発光をする。このため、前記第１型半導体層及び第２型半導体層に電源を印加するため、前記第１型半導体層と第２型半導体層上には、金属性の第１型及び第２型電極を形成していた。

しかしながら、この種の金属性の第１型電極及び第２型電極は、光を外部に放出することができず、吸収してしまうため、電極による半導体発光素子の光出力が低下してしまうという問題が発生していた。

このため、第２型及び第１型電極のうち一方の電極に反射金属層を形成し、反射金属層に照射される光を反射させて外部に放出して、半導体発光素子の光出力を高めようとしている。

しかしながら、現在、反射金属層を半導体層の表面に形成する場合、半導体層との界面特性が悪く、接触抵抗が大きくなるという問題があり、熱的安定性が低く、高温熱処理時に集塊現象の発生や界面ボイドの形成などの不都合があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、層反転現象を用いて半導体層と反射金属層を含む電極間の界面特性を高め、優れた熱的安定性を確保することができ、しかも、高い反射度を満たしうる金属電極の形成方法及び半導体発光素子の製造方法を提供するところにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、半導体層が形成された基板を準備するステップと、前記半導体層上に接合金属層及び反射金属層を形成するステップと、熱処理工程を行うことにより、前記接合金属層と前記反射金属層とを層反転させて、金属電極を形成するステップとを含む金属電極の形成方法を提供する。

前記接合金属層として、前記反射金属層よりも低密度の金属を用いることが好ましい。前記接合金属層として、安定した酸化物を形成可能な金属を用いることが好適である。前記接合金属層として、融点が低く、且つ、拡散度が高い金属を用いることが好ましい。

ここで、前記接合金属層として、Ｃｕ及びＩｎのうち少なくとも１種を用いることが可能である。そして、前記反射金属層として、Ａｇを用いることが可能である。

前記熱処理工程は、３５０〜６００℃の温度下で、１０〜１０００秒間行われることが好適である。このとき、前記熱処理工程は、酸素雰囲気、大気雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及びアルゴンと酸素との混合雰囲気のうちいずれかの雰囲気下で行われることが好適である。

また、本発明による基板上に第１型半導体層、活性層及び第２型半導体層を形成するステップと、前記第２型半導体層上に接合金属層及び反射金属層を形成するステップと、熱処理工程を行うことにより、前記接合金属層と前記反射金属層とを層反転させて、第２型電極を形成するステップと、前記第２型電極上に金属支持層を付着するステップと、前記基板を除去するステップと、前記第１型半導体層上に第１型電極を形成するステップとを含む半導体発光素子の製造方法を提供する。

前記接合金属層として、安定した酸化物を形成可能な金属を用いることが好ましい。前記接合金属層として、前記反射金属層よりも低密度の金属を用いることが好適である。前記接合金属層として、融点が低く、且つ、拡散度の高い金属を用いることが好ましい。

前記接合金属層として、Ｃｕ及びＩｎのうち少なくとも１種を用いることが可能である。

前記反射金属層として、Ａｇを用いることが可能である。
前記熱処理工程は、酸素雰囲気、大気雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及びアルゴンと酸素との混合雰囲気のうちいずれかの雰囲気下で行われることが好ましい。そして、前記熱処理工程は、３５０〜６００℃の温度下で１０〜１０００秒間行うことが好ましい。

前記基板上に前記第１型半導体層、前記活性層及び前記第２型半導体層を形成するステップを実施後、前記第２型半導体層、前記活性層及び前記第１型半導体層の一部を除去して各セル毎に分離するステップをさらに含むことが好ましい。

前記基板上に前記第１型半導体層、前記活性層及び前記第２型半導体層を形成するステップを実施後、少なくとも前記活性層及び前記第１型半導体層の側面を保護する保護膜を形成するステップをさらに含むことが好適である。

前記保護膜上に反射防止膜を形成するステップをさらに含むことが好ましい。ここで、前記第２型電極を形成するステップを実施後、前記保護膜と前記第２型電極とを取り囲む金属保護膜を形成するステップをさらに含むことが可能である。このとき、保護膜は、前記第２型半導体層、前記活性層及び前記第１型半導体層の側面に設けられることが可能である。

また、本発明による窒化物系の化合物半導体発光素子において、第２型窒化物系の化合物半導体層と、光反射特性及びオーミック特性を有し、前記第２型窒化物系の化合物半導体層上に形成される電極とを含み、前記電極は、熱処理を通じた層反転により前記第２型窒化物系の化合物半導体層と接触する反射金属層を含む窒化物系の化合物半導体発光素子を提供する。

前記反射金属層の頂部には、少なくとも一部に酸素を含有している反転金属層が設けられていることが好適である。前記反射金属層として、Ａｇを用いることが可能である。前記反転金属層として、Ｃｕ及びＩｎのうち少なくとも１種を用いることが可能である。

前記第２型窒化物系化合物半導体層に積層されている活性層と第１型窒化物系化合物半導体層とをさらに備え、前記活性層及び前記第１型窒化物系化合物半導体層の側面に設けられている保護膜をさらに備えることが好ましい。

前記保護膜上に設けられる反射防止膜をさらに備えることが好適である。前記保護膜と前記電極とを取り囲む金属保護膜をさらに備えることが好ましい。ここで、前記保護膜が前記第２型窒化物系化合物半導体層の側面に延設されてもよく、前記第２型窒化物系化合物半導体層の側面及び上側面の一部の領域に延設されてもよい。

前記第２型窒化物系化合物半導体層に積層されている活性層と第１型窒化物系化合物半導体層をさらに備え、前記第１型窒化物系化合物半導体層、前記活性層及び前記第２型窒化物系化合物半導体層の側面に設けられている反射防止膜をさらに備えることが好ましい。前記保護膜は、前記第２型窒化物系化合物半導体層、前記活性層及び前記第１型窒化物系化合物半導体層の側面に設けられることが可能である。

前記電極上に設けられる金属支持層をさらに備えることが好ましい。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかし、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではなく、異なる形での実現が可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全なものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明の範囲を完全に知らせるために提供される。図中、同じ符号は同じ要素を示す。

図１〜図３は、本発明の第１の実施形態による金属電極の形成方法を説明するための断面概念図である。
図１を参照すると、所定の半導体層１００の形成された下部構造物１０を準備した後、表面処理を施す。

このとき、半導体層１００として、Ｓｉ膜、Ｇｅ膜、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＩｎＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＩｎＧａＮ膜及びこれらを含む積層膜のうち少なくとも１種の膜を用いることができる。好ましくは、この実施形態において、ＧａＮ膜を用いることが好適である。反射金属層として、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｇ及びこれらの合金金属のうち少なくとも１種を用いることができる。

上記の半導体層１００は、常圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ）、高圧化学気相蒸着（ＨＰＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）、活性プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、スパッタリング、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、分子線成長法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）、パルスレーザー蒸着法（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＬＤ）、水素化物気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ）及び単原子層蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）のうち少なくとも一つの方法により形成される。

上記の方法のうち一つの蒸着方法により半導体層１００を形成し、半導体層１００の表面処理を施す。表面処理は、王水（ＨＣｌ：ＨＮＯ_３＝３：１）水溶液に半導体層１００を１〜３０分間浸漬した後、脱イオン水で洗浄し、窒素で乾燥する。また、半導体層１００を塩酸（ＨＣｌ）と脱イオン水とを混合した溶液に１０秒〜１００秒間浸漬して表面処理を施してもよい。

図２を参照すると、半導体層１００上に接合金属層１１０及び反射金属層１２０を形成する。
接合金属層１１０として、Ｃｕ及びＩｎのうち少なくとも１種を用いて形成することが好ましい。反射金属層１２０として、Ａｇを用いることが好ましい。この実施形態において、反射金属層１２０としてＡｇを用いる。このとき、接合金属層１１０は（１〜５００ｎｍ）１０〜５０００Åの厚さに形成し、反射金属層１２０は（１０〜５０００ｎｍ）１００〜５００００Åの厚さに形成することが好ましい。この実施形態において、接合金属層１１０を（５〜１００ｎｍ）５０〜１０００Åの厚さに形成し、反射金属層１２０を（５０〜５００ｎｍ）５００〜５０００Åの厚さに形成する。

接合金属層１００と反射金属層１２０のそれぞれは、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、スパッタリング、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、分子線成長法、パルスレーザー蒸着法、水素化物気相成長法及び単原子層蒸着法のうち少なくとも一つの方法により形成される。この実施形態において、電子ビーム蒸着法により、接合金属層１１０と反射金属層１２０とを順次に形成する。

図３を参照すると、接合金属層１１０と反射金属層１２０が形成された半導体層１００を酸素雰囲気下で熱処理して、半導体層１００上に、反射金属層１２０と反転金属層１３０とが順次に形成された金属電極を形成する。

上記の金属電極は層反転現象を用いたものであり、接合金属層１１０と反射金属層１２０とが順次に積層された二重層構造に対して酸素雰囲気下で熱処理を施すと、反射金属層１２０と反転金属層１３０とが順次に積層された構造に層反転が起こる。すなわち、熱処理により反射金属層１２０が半導体層１００の界面（すなわち、接合金属層１１０の下側面）に移動し、接合金属層１１０が反射金属層１２０の上側面に移動する。このように層反転が起こると、半導体層１００と反射金属層１２０との間の界面の全体に亘って金属化反応が均一に発生して両者間の接着力が高くなる。

上述したように、半導体層１００としてＧａＮを用い、反射金属層１２０としてＡｇを用いると、層反転によりＧａＮ膜とＡｇ膜との間の界面の全体に亘って金属化反応が均一に起こり、Ａｇ膜とＧａＮ膜との間の高い接着力が得られる。また、ＧａＮの表面にＡｇが一様に分布されるため、Ａｇの反射度を１００％そのまま得ることができ、接触抵抗を低くできる。

そして、層反転を通じて反射金属層１２０上に形成される反転金属層１３０は、後続する熱処理工程時に反射金属層１２０の外部拡散を防いで電極の熱的安定性を高めることができる。すなわち、上記の反転金属層１３０は、ＧａとＮの半導体層１００の構成元素とＡｇ薄膜の外部拡散を防ぐ。

上述したような層反転を得るための熱処理工程は、酸素雰囲気下、３５０〜６００℃の温度下で１０〜１０００秒間行うことが好ましい。熱処理工程は、真空雰囲気または大気圧雰囲気下で行ってもよい。また、酸素雰囲気の代わりに、大気雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及びアルゴンと酸素との混合雰囲気下で行ってもよい。このとき、熱処理工程の雰囲気に応じて、反転金属層１３０は、金属酸化物または金属窒化物などになりうる。例えば、酸素雰囲気下で熱処理を行うと、接合金属層１１０が酸素と反応して金属酸化物となる。

より具体的に、接合金属層１１０と反射金属層１２０が形成された半導体層１００を、炉またはＲＴＡ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などの熱処理装備に搬入する。

次いで、熱処理装備の内部を真空または大気圧雰囲気に維持した状態で、熱処理装備の内部に酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス及びこれらの混合ガスのうち１種のガスを流入する。次いで、熱処理装備の内部温度を３５０〜６００℃に昇温させた後、１０〜１０００秒間維持する。熱処理装備としてＲＴＡを用いる場合、昇温速度は、１０℃／秒〜２００℃／秒であることが好ましい。次いで、熱処理装備に流れ込むガスを遮断し、その温度が降温した後、半導体層１００は、熱処理装備の外部に搬出される。上記の熱処理時３５０よりもその温度が低い場合には層反転されず、６００℃よりも高い場合には両金属層が混合したり、反射金属層１２０が外部に拡散したりするという不都合が発生する。また、熱処理時間は温度に左右されるが、その時間が１０秒よりも短い場合には層反転が正常になされない。なお、１０００秒よりも大きな場合には下部半導体層１００に損傷を与えることがある。

このような熱処理工程を施し、半導体層１００上の金属層の層反転がなされることにより、半導体層１００上には、反射金属層１２０と反転金属層１３０が順次に積層された金属電極が形成される。これにより、半導体層１００と金属電極との間の界面特性が向上して低い接触抵抗と高い反射度、そして優れた熱的安定性を有する金属電極を形成することができる。

また、上述したような層反転のため、接合金属層１１０には、反射金属層１２０よりも低密度の金属を用いることが好ましい。すなわち、接合金属層１１０の密度が反射金属層１２０よりも低い場合には熱処理時に接合金属層１１０の金属が上方に移動し、反射金属層１２０が下方に移動して、両金属間の層反転が容易になる。

そして、接合金属層１１０には、安定した酸化物を形成可能な金属を用いることが好ましい。すなわち、接合金属層１１０が上方に移動して反転金属層１３０となる場合、酸素雰囲気の熱処理工程時に安定した酸化物を形成すると、下部の反射金属層１２０へのさらなる酸素の流入が抑えられる。また、酸化物の形成により金属移動の牽引力が増大して、接合金属層１１０の上方への移動を促すことが可能になる。

そして、接合金属層１１０には、融点が低く、且つ、拡散度が高い金属を用いることが好ましい。すなわち、融点が低い金属であるほど、熱処理時に層反転のための原子の移動が活発になる。また、金属原子の拡散度が大きくなるほど、短い熱処理時間内に層反転現象が完了可能である。

以下、上述した層反転現象を用いたこの実施形態の金属電極の特性を実験した実験例の結果を踏まえて、実施形態の金属電極について説明する。
以下の実験例において、半導体層、すなわち、ＧａＮ層上にＣｕ層またはＩｎ層を形成した後、Ａｇ層を形成し、次いで、酸素雰囲気と４５０℃の温度下において約２分間熱処理して反射金属層Ａｇと反転金属層ＣｕまたはＩｎ^＋Ｏを有する金属電極を形成した。そして、実験例の比較のための比較例として、ＧａＮ層上に、Ｎｉ層とＡｕ層とが積層された金属電極を形成した。このように本発明による実験例と比較例の実験結果を説明すると、下記の通りである。

図４は、この実験例による金属電極の熱処理前後の二次イオン−質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ−ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＳＩＭＳ）による深さ方向の分析結果を示すグラフである。

図４Ａは、二次イオン−質量分析法を用いて熱処理する前の金属電極の深さ方向の分析結果であり、図４Ｂは、酸素雰囲気下で４５０℃の温度において約２分間熱処理した後の金属電極の深さ方向の分析結果である。

結果から明らかなように、熱処理後にＡｇ層とＣｕ層の位置が互いに変わる現象、すなわち、層反転が起こり、ＣｕＯｘ／Ａｇ／ＧａＮの電極構造が形成されていることが分かる。すなわち、図４Ａから明らかなように、熱処理前にはＡｇ／Ｃｕ／ＧａＮ構造に形成されていたが、図４Ｂから明らかなように、熱処理後にはＣｕが表面に移動し、Ａｇが深さ方向に移動している。また、ＣｕとＯの深さ分布が同じであるということはＣｕＯｘの形成を意味する。Ｇａの外部拡散が極めて大きいということは、酸素雰囲気下での熱処理後、ＧａＮと金属との間の界面に、ガリウム空孔がなお一層多く生成可能であることを意味する。ガリウム空孔は、ホールを生成するアクセプターの役割を果たすので、酸素雰囲気下での熱処理後に接触抵抗が大幅に下がることがあった。

図５は、本発明の実験例と比較例による金属電極の電流電圧特性を示すグラフである。
図５のグラフ中、Ａ及びＢ線は本発明の実験例による金属電極の電圧電流特性線であり、Ａ線は層反転されたＣｕ／Ａｇ構造の金属電極であり、Ｂ線は層反転されたＩｎ／Ａｇ構造の金属電極の電圧電流特性線である。Ｃ線は比較例によるＮｉ／Ａｕ構造の金属電極の電流−電圧特性を示す線である。グラフのＡ及びＢ線とＣ線を比較してみると、実験例、すなわち、層反転を通じて設けられた金属電極の電流−電圧特性の方がさらに優れていることが分かる。そして、接触抵抗を計算した結果、２×１０^−５Ωcm²ときわめて低い値となる。

図６は、本発明の実験例と比較例による金属電極の光反射率特性を示すグラフである。
図６のＡ線は、この実験例による層反転されたＣｕ／Ａｇ構造の金属電極の反射率を示す線であり、Ｂ線は、この実験例による層反転されたＩｎ／Ａｇ構造の金属電極の反射率を示す線であり、そしてＣ線は、比較例によるＮｉ／Ａｕ構造の金属電極の反射率を示す線である。

比較例のＮｉ／Ａｕ構造の金属電極は、４６０ｎｍ波長において２７％の低い反射度を示しているのに対し、実験例の層反転されたＣｕ／Ａｇ、Ｉｎ／Ａｇ構造の金属電極は、９２％と極めて高い反射度を示している。ここで、この実験例の層反転された金属電極は、反射度がＡｇ鏡の反射度である９５％に極めて近づいていることが分かる。

図７は、Ａｇ単層構造の金属電極の表面形状とこの実験例による層反転された金属電極の表面形状を示す走査顕微鏡写真である。
図７Ａは、Ａｇ電極の表面形状を示す走査顕微鏡写真であり、集塊により極めて荒い表面形状を示している。これに対し、図７Ｂは、この実験例による層反転されたＣｕ／Ａｇ構造の金属電極の表面形状を示す走査顕微鏡写真であり、極めて滑らかな表面形状を示している。これは、層反転されたＣｕ／Ａｇ構造の金属電極の場合、表面に形成されたＣｕＯｘは、熱処理時にＡｇ層に酸素があまりにも大量に流れ込むことを防いで、Ａｇの集塊を抑えていることが分かる。

以下、金属電極が形成された半導体発光素子について説明する。
半導体発光素子の場合、金属電極の形成位置に応じて、水平構造の半導体発光素子と、垂直構造の半導体発光素子とに大別される。ここで、水平構造の半導体発光素子は光が出射する面の方に第１型金属電極と第２型金属電極の両方が設けられている。これに対し、垂直構造の半導体発光素子では、光が出射する面上に第１型金属電極が設けられ、その反対面に第２型金属電極が設けられる。

垂直構造の半導体発光素子の場合、光が出射する面の反対面の全域に第２型金属電極を形成することから、第２型透明電極を形成しなくてもよくなる。これにより、光吸収がなく、電流拡散抵抗が相対的に均一な電流拡散分布が得られ、低い動作電圧と大きい光出力が得られる。また、熱伝導性の良い金属基板を通じて円滑な熱放出が可能になり、相対的に長寿命の高出力作動が可能になる。

この種の垂直構造の半導体発光素子の第２型金属電極として上述した層反転現象を用いて作製された金属電極を用いて、第２型金属電極に向かって放出される光をいずれも反射させることによりさらに優れた光出力が得られる。

以下、この種の垂直構造の半導体発光素子について説明する。後述する説明のうち、上述した実施形態と重複する説明は省く。
図８は、本発明の第２の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の断面図である。

図８を参照すると、この実施形態による垂直構造の半導体発光素子は、第２型半導体層２３０と、第２型半導体層２３０上に形成された活性層２２０と、活性層２２０上に設けられた第１型半導体層２１０とを含む。半導体発光素子は、第１型半導体層２１０の上部に形成された第１型電極２５０と、第２型半導体層２３０の下部の全面に形成された第２型電極２４０とをさらに含む。

ここで、上記の第１型半導体層２１０と第２型半導体層２３０のそれぞれは第１型不純物及び第２型不純物が注入された半導体性の物質であり、Ｓｉ膜、Ｇｅ膜、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＩｎＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＩｎＧａＮ膜及びこれらを含む膜のうち少なくとも１種の膜を用いることができる。好ましくは、第１型半導体層２１０としてＮ型半導体層を用い、第２型半導体層２３０としてＰ型半導体層を用いる。活性層２２０として、Ｓｉ膜、Ｇｅ膜、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＩｎＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＩｎＧａＮ膜及びこれらを含む膜のうち少なくとも１種の膜を用いることができる。活性層２２０は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造に作製可能である。

この実施形態においては、上記の第１型半導体層２１０として、第１型不純物が注入された窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を用いることが好ましい。第２型半導体層２３０としても、同様に、第２型不純物が注入された窒化ガリウム膜（ＧａＮ）を用いることが好ましい。

また、上記の第１型半導体層２１０及び第２型半導体層２３０は多層膜から形成してもよい。上記において、第１型の不純物としてＳｉを用い、第２型の不純物としてＩｎＧａＡｌＰを用いる場合にはＺｎを用い、窒化物系のときにはＭｇを用いる。

そして、活性層２２０として、量子井戸層とバリア層が繰り返し形成された多層膜を用いる。上記のバリア層と井戸層には、２元化合物であるＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなどを用いることができ、３元化合物Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）などを用いることができ、４元化合物Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いることができ、２元から４元化合物のうち少なくとも２つを含む構造に形成することもできる。

第１型半導体層２１０上に形成される第１型電極２５０として、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ及びこれらを含む合金のうち少なくとも１種の金属を用いることができる。もちろん、第１型電極２５０として、複数層の金属膜を用いてもよい。

第２型半導体層２３０の下部の全面に形成される第２型電極２４０は、層反転された反射金属層１２０と反転金属層１３０を含む。すなわち、上述した実施形態において説明した層反転現象を用いて作製された反射金属層１２０と反転金属層１３０を用いることが好ましい。

これにより、第２型半導体層２３０と反射金属層１２０との間の接着力が向上し、これら両者間の界面を平坦化させて反射金属層１２０の光反射効率を極大化することができる。また、反転金属層１３０が反転されて反射金属層１２０を保護することから、反射金属層１２０が劣化を防止することが可能になる。

以下、上述した構造のこの実施形態の垂直構造の半導体発光素子の製造工程を説明する。
母体基板（図示せず）上に、第１型半導体層２１０、活性層２２０及び第２型半導体層２３０を順次に形成する。このとき、母体基板と第１型半導体層２１０との間にバッファ層（図示せず）を形成してもよい。母体基板として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＡｌＮ及びＧａＮのうち少なくとも１種の基板を用いることができる。所定のマスクを用いたパターニング工程により、第２型半導体層２３０、活性層２２０及び第１型半導体層２１０をパターニングして、各セル毎にこれを分離する。

この後、第２型半導体層２３０上に接合金属層と反射金属層を蒸着する。次いで、層反転熱処理工程により両金属層を層反転させて、第２型半導体層２３０上に、反射金属層１２０と反転金属層１３０が順次に積層された第２型電極２４０を形成する。

第２型電極２４０上に導電性補助基板（図示せず）を付着した後、構造物を回転させる。レーザーリフトオフなどの工程を行い、第１型半導体層２１０の上側の母体基板を除去する。母体基板の除去された第１型半導体層２１０上に第１型電極２５０を形成して、垂直構造の半導体発光素子を製造する。

このとき、補助基板をセル毎に分離することもでき、これらを直列／並列に接続して、単一の素子として用いてもよい。
また、本発明は上述した構造に限定されるものではなく、垂直構造の半導体発光素子の側面を保護するための保護膜と反射防止膜をさらに含んでいてもよい。以下、この種の本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子について説明する。後述する説明のうち上述した実施形態と重複する説明は省略する。

図９は、本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の断面図であり、図１０は、第３の実施形態の第１の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図であり、図１１は、第３の実施形態の第２の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図である。

図９を参照すると、この実施形態による半導体発光素子は、順次に積層された第２型半導体層２３０、活性層２２０及び第１型半導体層２１０と、第１型半導体層２１０上部に形成された第１型電極２５０と、第２型半導体層２３０上に設けられて、反転された反射金属層１２０及び反転金属層１３０を備える第２型電極２４０とを含む。また、半導体発光素子は、積層物の少なくとも側面を保護する保護膜２７０と、積層物の側面と上部の少なくとも一部に設けられた反射防止膜２８０とをさらに備える。そして、図示の如く、第２型電極２４０下部には、単一の導電性支持層２６０が設けられる。

ここで、保護膜２７０は、第２型半導体層２３０、活性層２２０及び第１型半導体層２１０を保護するための絶縁性膜であり、酸化膜系の絶縁膜及び窒化膜系の絶縁膜を用いることが好ましい。この実施形態においては、ＳｉＯ_２膜を用いることが好適である。保護膜２７０は、第２型半導体層２３０、活性層２２０及び第１型半導体層２１０の側面領域に形成されることが好ましい。保護膜２７０は、図９に示すように、第２型半導体層２３０の下側の一部に延設されてもよい。

反射防止膜２８０は、活性層２２０から発せられた光が外部に放出される場合、素子の界面領域において光が素子の内側に反射される現象を防止する。このため、反射防止膜２８０は、露出された第１型半導体層２１０の上部面と保護層２７０に覆われた積層物の側面に形成されてもよい。ここで、保護膜２７０及び反射防止膜２８０のうち少なくとも一方は省いてもよい。

以下、上述した構造の半導体発光素子の製造方法を簡略に説明する。
母体基板（図示せず）上に第１型半導体層２１０、活性層２２０及び第２型半導体層２３０を順次に形成した後、マスクを用いたパターニング工程を行う。すなわち、第２型半導体層２３０、活性層２２０及び第１型半導体層２１０をエッチングして、各セル毎に分離する。全体の構造上にその段差に沿って保護膜２７０を形成した後、第２型半導体層上２３０の保護膜２７０を除去する。これにより、セルそれぞれの第１型半導体層２１０、活性層２２０及び第２型半導体層２３０の側面に保護膜２７０が形成される。次いで、第２型半導体層２３０の上部の全面に、接合金属層１１０と反射金属層１２０を形成する。この後、構造物を酸素雰囲気下で熱処理して、反射金属層１２０と反転金属層１３０とが順次に形成された第２型電極２４０を形成する。次いで、第２型電極２４０上に導電性支持層２６０を付着する。次いで、レーザーリフト工程により第１型半導体層２１０の下側の母体基板を除去する。そして、全体の構造上にその段差に沿って反射防止膜２８０を形成した後、反射防止膜２８０の一部をエッチングして第１型半導体層２１０の一部を露出する。次いで、露出された第１型半導体層２１０上に第１型電極２５０を形成する。次いで、導電性支持層２６０を各セル毎に分離して、単一の半導体発光素子を作製する。

また、この実施形態による半導体発光素子は、図１０の第１の変形例のように、導電性支持層２６０を両層の金属から作製してもよい。すなわち、図１０に示すように、導電性支持層２６０は、第１の金属支持層２６１と第２の支持層２６２を備える。もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の金属層から支持層２６１、２６２を作製してもよい。上記の導電性支持層２６０として、少なくとも１層以上の膜から形成されるが、Ａｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、そして、伝導性のセラミック膜、そして不純物ドープされた半導体膜のうち少なくとも１種の膜を用いることができる。ここで、伝導性セラミック膜として、ＮｂドープのＳｒＴｉＯ_３、ＡｌドープのＺｎＯ、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）を用いることができる。不純物ドープの半導体膜として、ＢドープのＳｉ、ＡｓドープのＳｉ、不純物ドープのダイアモンドを用いることができる。第１の金属支持層２６１は、上述した金属（Ａｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ）のうち少なくとも一つの膜を用いることができる。

また、この実施形態による半導体発光素子は、図１１の第２の変形例のように、積層物の側面と第２型半導体層２３０の下部の複数の領域を露出する保護膜２７０と、露出された第２型半導体層２３０上に設けられた反射金属層１２０と反転金属層１３０を含む第２型電極２４０と、第２型電極２４０と導電性支持層２６０との間に設けられた反射膜２７１と、をさらに含む。このようにこの変形例において、反射膜２７１を介して、第２型半導体層２３０の下部に照射された光が上側面に反射されうる。

また、本発明は上述した構造に限定されるものではなく、垂直構造の半導体発光素子の発光効率を高めるための金属保護膜層をさらに含んでもよい。以下、このような本発明の第４の実施形態による垂直構造の半導体発光素子について説明する。後述する説明のうち上述した実施形態と重複する説明は省く。

図１２は、本発明の第４の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の断面図である。図１３は、第４の実施形態の第１の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図であり、図１４は、第４の実施形態の第２の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図である。

図１２を参照すると、この実施形態による半導体発光素子は、順次に積層された第２型半導体層３３０、活性層３２０及び第１型半導体層３１０と、第１型半導体層３１０の上部に形成された第１型電極３５０と、反転された反射金属層１２０及び反転金属層１３０と、を含み、第２型半導体層３３０の下部に形成された第２型電極３４０と、積層物の側面を絶縁する絶縁性保護膜３６０と、積層物の下部と側面を取り囲む金属保護膜３７０とを含む。

保護膜３６０は、金属保護膜３７０による活性層３２０及び第１型半導体層３１０と第２型半導体層３３０とが導通される現象を防ぐための膜である。このため、保護膜３６０は、積層物の少なくとも第１型半導体層３１０と活性層３２０の側面に設けられて、これらと第２型半導体層３３０との間を絶縁することが好ましい。絶縁膜として、酸化膜系の絶縁膜及び窒化膜系の絶縁膜を用いることが好ましい。

金属保護膜３７０には、第１の金属支持層２６１と第２の支持層２６２の材質と同じ材質を用いる。このように、この実施形態において、金属保護膜３７０を形成して外部の衝撃から素子を保護することができ、チップ分離を容易に行うことができ、サファイア基板の代わりに、金属基板を用いて素子動作時に発生する熱放出を容易に行うことができる。

以下、上述したようなこの実施形態による垂直構造の半導体発光素子の製造方法を説明する。
母体基板（図示せず）上に第１型半導体層３１０、活性層３２０及び第２型半導体層３３０を順次に形成した後、マスクを用いたパターニング工程を行う。すなわち、第２型半導体層３３０、活性層３２０及び第１型半導体層３１０をエッチングして、各セル毎に分離する。全体の構造上に保護膜３６０を形成した後、第２型半導体層３３０上の保護膜３６０を除去する。第２型半導体層３３０の全面に反射金属層１２０と反転金属層１３０を含む第２型電極３４０を形成する。この後、全体の構造上に金属保護膜３７０を形成した後、母体基板を除去する。第１型半導体層３１０上に第１型電極３５０を形成し、金属保護膜３７０を各セル毎に分離して単一の半導体発光素子を作製する。

本発明は上述した説明に限定されるものではなく、図１３に示す第１の変形例のように、第１型半導体層３１０上に反射防止膜３８０をさらに形成してもよい。すなわち、母体基板を除去した後、第１型半導体層３１０上に反射防止膜３８０を形成し、その一部を除去して第１型半導体層３１０を露出させた後、露出された第１型半導体層３１０上に第１型電極３５０を形成することが好ましい。そして、図１４に示す第２の変形例のように、積層物の下部の金属保護膜３７０の下側に金属支持層３９０をさらに形成してもよい。このような金属支持層３９０を形成して、各セル間を分離する工程における素子の損傷を防ぐことができる。

また、本発明は上述した説明に限定されるものではなく、露出された第２型半導体層２３０、３３０の周りに、上記の反射金属層１２０と反転金属層１３０を含む第２型電極２４０を形成してもよい。

上述したように、本発明による実施形態において、第２型電極２４０として熱処理により反転された反射金属層１２０と反転金属層１３０を含み、第２型半導体層２３０、３３０の表面に接する反射金属層１２０の集塊を防止して滑らかな電極表面が得られる。これにより、第２型電極（２４０）と第２型半導体層（２３０）との間の接着力を高めることができ、また、反射金属層１２０の反射能を高めて発光素子の光出力を高めることができる。そして、低い接触抵抗を有する第２型電極２４０を形成することができる。

図１５は、本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の第２型電極構造による電気発光スペクトルを示すグラフである。
図１５のＡは、第３の実施形態による第２型電極２３０として層反転されたＣｕ／Ａｇを用いた青色半導体発光素子の相対的な光の強度を示すグラフであり、Ｂは、第３の実施形態による第２型電極２３０として層反転されたＩｎ／Ａｇを用いた青色半導体発光素子の相対的な光の強度を示すグラフであり、Ｃは、本発明の比較例による第２型電極としてＮｉ／Ａｕを用いた青色半導体発光素子の相対的な光の強度を示すグラフである。

グラフを参照すると、第２型電極として反転されたＣｕ／ＡｇまたはＩｎ／Ａｇを用いる場合には、比較例のＮｉ／Ａｕを用いる場合に比べて光の強度が２．５〜３倍程度に大幅に増大されることが分かる。そして、この実施形態による垂直構造の半導体発光素子の場合、２０ｍＡ印加電流における素子の作動電圧が３．１Ｖときわめて低い値を有していた。実験によるグラフにおいては接合金属層としてＣｕまたはＩｎを用いていたが、上述した実施形態の金属を用いても実験によるグラフに類似する値が得られ、反射金属層としてＡｇを用いていたが、他の金属を用いても実験によるグラフに類似する結果が得られる。

このように層反転現象を用いた第２型電極をオーミック電極として用いる場合、垂直構造の半導体発光素子の特性を高めることができる。

以上述べたように、本発明は、層反転現象を用いて半導体層と反射金属層を含む電極との間の界面特性を高めることができる。
また、層反転を通じて反射金属層が半導体層上に均一に分布して高い反射度が得られる。

さらに、層反転を通じて反射金属層の外部拡散を防止して電極の熱的安定性を増大させることができる。
さらにまた、酸素雰囲気における熱処理を通じてホールを生成するアクセプターを増大させて接触抵抗を下げることができる。

本発明の第１の実施形態による金属電極の形成方法を説明するための模式断面図。 本発明の第１の実施形態による金属電極の形成方法を説明するための模式断面図。 本発明の第１の実施形態による金属電極の形成方法を説明するための模式断面図。 この実験例による金属電極の熱処理前後の二次イオン−質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ−ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＳＩＭＳ）による深さ方向の分析結果を示すグラフ。 本発明の実験例と比較例による金属電極の電流電圧特性を示すグラフ。 本発明の実験例と比較例による金属電極の光反射率特性を示すグラフ。 Ａｇ単層構造の金属電極の表面形状とこの実験例による層反転された金属電極の表面形状を示す走査顕微鏡写真。 本発明の第２の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 第３の実施形態の第１の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 第３の実施形態の第２の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 本発明の第４の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 第４の実施形態の第１の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 第４の実施形態の第２の変形例による垂直構造の半導体発光素子の断面図。 本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子の第２型電極構造による電気発光スペクトルを示すグラフ。

Claims (15)

1. 基板上に第１型半導体層、活性層及び第２型半導体層を形成するステップと、
   前記第２型半導体層上に、接合金属層を形成し、前記接合金属層上に反射金属層を形成するステップと、
   熱処理工程を行うことにより、前記接合金属層と前記反射金属層とを層反転させて、第２型電極を形成するステップと、
   前記基板を除去するステップと、
   前記第１型半導体層上に第１型電極を形成するステップと
   を含む半導体発光素子の製造方法であって、
   前記接合金属層として、前記反射金属層よりも低密度のＣｕ及びＩｎのうち少なくとも１種を用い、
   前記反射金属層としてＡｇを用い、
   前記第１型半導体層側を光の出射面とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記熱処理工程は、酸素雰囲気、大気雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及びアルゴンと酸素との混合雰囲気のうち一つの雰囲気下で行われる請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記熱処理工程は、３５０〜６００℃の温度下において１０〜１０００秒間行われる請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記基板上に前記第１型半導体層、前記活性層及び前記第２型半導体層を形成するステップを実施後、
   前記第２型半導体層、前記活性層及び前記第１型半導体層の一部を除去して各セル毎に分離するステップをさらに含む請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記基板上に前記第１型半導体層、前記活性層及び前記第２型半導体層を形成するステップを実施後、
   少なくとも前記活性層及び前記第１型半導体層の側面を保護する保護膜を形成するステップをさらに含む請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記保護膜上に反射防止膜を形成するステップをさらに含む半導体発光素子の請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記第２型電極を形成するステップを実施後、
   前記保護膜と前記第２型電極とを取り囲む金属保護膜を形成するステップをさらに含む請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記保護膜は、前記第２型半導体層、前記活性層及び前記第１型半導体層の側面に設けられている請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 窒化物系化合物半導体発光素子において、
   第２型窒化物系化合物半導体層と、
   前記第２型半導体層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に設けられた第１型半導体層と、
   前記第１型半導体層上に形成される第１型電極と、
   光反射特性及びオーミック特性を有し、前記第２型窒化物系化合物半導体層の下面に形成される第２型電極とを備え、
   前記第２型電極は、反射金属層と接合金属層とを、前記接合金属層上に反射金属層が形成されるように積層し、前記反射金属層及び前記接合金属層を熱処理を通じて層反転することにより、前記第２型窒化物系化合物半導体層と接触する反射金属層を備え、
   前記接合金属層として、Ｃｕ及びＩｎのうち少なくとも１種を用い、
   前記反射金属層としてＡｇを用い、
   前記第１型半導体層側を光の出射面とすることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
10. 前記反射金属層の頂部には、少なくとも一部に酸素を含有している反転金属層が設けられている請求項９に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
11. 前記活性層及び前記第１型窒化物系化合物半導体層の少なくとも側面に設けられている保護膜をさらに備える請求項９に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
12. 前記保護膜上に設けられる反射防止膜をさらに備える請求項１１に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
13. 前記保護膜と前記電極とを取り囲む金属保護膜をさらに備える請求項１１に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
14. 前記保護膜は、前記第２型窒化物系化合物半導体層、前記活性層及び前記第１型窒化物系化合物半導体層の側面に設けられる請求項１１に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
15. 前記電極上に設けられる金属支持層をさらに備える請求項９に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。

Images