JP2007242669A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光装置の光取り出し面に設ける凹凸形状を均一に且つ低抵抗に形成でき、外部量子効率を向上できるようにする。
【解決手段】半導体発光装置は、第１主面及び該第１主面と対向する第２主面を有する窒化物半導体からなる活性層３と、該活性層３の第１主面上に上部が凹凸状に形成された凸部４ａを有し、活性層３からの発光光を取り出すｎ型半導体層４と、活性層３の第２主面上に形成されたｐ型半導体層２とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に、窒化物系半導体を用いた半導体発光装置及びその製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系半導体を用いることにより、これまで高い発光強度を得ることが困難であった紫外域から青色さらには緑色の波長帯を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）装置及び半導体レーザ装置等の半導体発光装置が実用化されつつある。ＬＥＤ装置は蛍光灯と比べて長寿命であるため、特に、窒化物系化合物半導体からなるＬＥＤ装置は照明用光源として期待されている。

以下、従来の窒化物系半導体からなるＬＥＤ装置の一例について説明する。図７は第１の従来例に係る窒化物系半導体からなるＬＥＤ装置を示している。

図７に示すように、第１の従来例に係るＬＥＤ装置は、主面の面方位が（０００１）面であるサファイア基板１０１の主面上に、ｎ型ＧａＮ層１０２、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる活性層１０３及びｐ型ＧａＮ層１０４がエピタキシャル成長により順次積層されて構成されている。なお、主面の面方位が（０００１）面であるサファイア基板１０１上には、他の面方位を持つ基板よりも高品質のＧａＮ層を得られることが広く知られている。

ｐ型ＧａＮ層１０４及び活性層１０３の一部はエッチングにより除去されて、ｎ型ＧａＮ層１０２を露出する切り欠き状の開口部１０８が設けられ、該開口部１０８からの露出領域の上にはｎ側電極１０６が形成されている。

ｐ型ＧａＮ層１０４の上には、ｐ側透明電極１０５が設けられ、該ｐ側透明電極１０５上の一部にｐ側ボンディング電極１０７が形成されている。

次に、第１の従来例に係るＬＥＤ装置の動作を説明する。

まず、動作電流としてｐ側ボンディング電極１０７から注入された正孔は、ｐ側透明電極１０５によりｐ型ＧａＮ層１０４に拡げられた後、ｐ型ＧａＮ層１０４から活性層１０３に注入される。一方、ｎ側電極１０６から注入された電子は、ｎ型ＧａＮ層１０２を通じて活性層１０３に注入される。活性層１０３において注入された正孔と電子とが再結合することにより発光光が生じ、生じた発光光はｐ側透明電極１０５を通して該ＬＥＤ装置の外部に放出される。

ところで、このような第１の従来例に係るＬＥＤ装置は光取り出し効率が低いという問題がある。光取り出し効率とは、活性層１０３で発生した光のうち、ＬＥＤ装置から空気中に放出される割合である。光取り出し効率が低い原因は、半導体の屈折率が空気よりも大きいため、活性層１０３で生じた光の一部が半導体と空気の界面で全反射されてＬＥＤの内部に閉じ込められるからである。例えば、ＧａＮの屈折率は波長が４５０ｎｍで約２．４５であるため、全反射が生じる臨界屈折角は約２３°と小さい。

すなわち、半導体と空気との界面における法線に対して、この臨界屈折角よりも大きい角度で活性層１０３から放射された光は、半導体と空気との界面で全反射されるため、結局、活性層１０３から放出される光のうちの約４％しかＬＥＤ装置の外部へ取り出すことができない。従って、外部量子効率（ＬＥＤ装置に投入した電流のうち、該ＬＥＤ装置から光として取り出せる効率）が低く、蛍光灯と比べて電力変換効率（投入した電力のうち、外部へ取り出せる光出力としての効率）が低いという問題がある。

この問題に対する解決策として、特許文献１に記載されているように、光取り出し面に２次元周期構造を有する凹凸部を形成して、該凹凸部による光の回折効果を利用する技術が提案されている。図８は下記の特許文献１の図１に開示されている第２の従来例に係るＬＥＤ装置を示している。

図８に示すように、２次元周期構造を有する凹凸部が光取り出し面であるｐ型ＧａＮ層１０４に形成されており、該ｐ型ＧａＮ層１０４の上には、凹凸部を含めその表面を透明電極１０５が覆っている。第２の従来例においては、ｐ側透明電極１０５の平面部分と空気との界面に対して臨界屈折角よりも大きい放射角度で活性層１０３から発せられた光が、２次元周期構造の凹凸部分によって全反射とならない角度に回折される。このため、ＬＥＤ装置の外部に放出される光の割合が高くなって、光取り出し効率が向上する。

また、第２の従来例においては、特許文献１の図１１に示されているように、活性層１０３から凹凸部分までの距離がＬＥＤ内部における光の波長の５倍以下である場合に、光取り出し効率が向上すると記載されている。加えて、この場合に、活性層１０３と凹凸部分とが近接するため、凹凸部の高低差をそれほど大きくしなくても回折作用による光取り出し効率が向上すると共に、加工が容易となる旨が記載されている。
特開２００５−００５６７９号公報

しかしながら、前記第２の従来例に係るＬＥＤ装置は、活性層１０３と凹凸部との距離を近接させるには、凹凸部を形成するｐ型ＧａＮ層１０４の厚さを小さくする必要がある。例えば、発光波長が４５０ｎｍの場合には、ＬＥＤ内部での光の波長は、ＧａＮの屈折率を２．５とすると１８０ｎｍとなるため、ｐ型ＧａＮ層１０４の厚さは１８０ｎｍの５倍以下、すなわち０．９μｍ以下が好ましい。ところが、ｐ型ＧａＮ層１０４の厚さを小さくすると、ｐ型ＧａＮ層１０４の断面積が小さくなって、表面抵抗（半導体層の面方向の抵抗）が増大するため、半導体層の面方向へは電流が拡がりにくくなる。

従って、ｐ型ＧａＮ層１０４の表面抵抗を低減するには、ｐ型ＧａＮ層１０４に高濃度の不純物をドーピングしなければならない。そこで、例えばｐ型ＧａＮのドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）を高濃度にドープしてｐ型ＧａＮ層１０４を形成すると、その上部を凹凸状に加工する際に表面荒れが発生する。このｐ型ＧａＮ層１０４に生じる表面荒れにより、２次元周期構造を持つ凹凸部による回折効果が低下するという問題がある。なお、ｐ型ＧａＮ層１０４を凹凸状に加工する際の表面荒れは、Ｍｇを高濃度にドープしてｐ型ＧａＮ層１０４を形成すると、形成したｐ型ＧａＮ層１０４の一部に極性反転が発生し、凹凸加工時のエッチング速度がばらつくことにより生じる。また、極性反転とは、以下のようにして生じる。すなわち、主面の面方位が（０００１）面、いわゆるＣ面であるサファイア基板１０１の主面上に成長するＧａＮ層は、（０００１）面の法線方向である晶帯軸の［０００１］方向に成長する。この（０００１）面を持つＧａＮ結晶は、結晶の対称性から、Ｇａ原子で終端される場合（終端面がガリウム（Ｇａ）面であるという。）と、Ｎ原子で終端される場合（終端面が窒素（Ｎ）面であるという。）との２つの極性がある。Ｇａ面及びＮ面のうちの一方の原子で終端されるべき半導体層の一部が他方の原子で終端されてしまうことを極性反転という。

本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体発光装置の光取り出し面に設ける凹凸部を均一に且つ低抵抗に形成でき、外部量子効率を向上できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光装置の光取り出し面に設ける凹凸部をｎ型半導体層に形成する構成とする。

具体的に、本発明に係る半導体発光装置は、第１主面及び該第１主面と対向する第２主面を有する窒化物半導体からなる活性層と、該活性層の第１主面上に上部が凹凸状に形成された凹凸部を有し、活性層からの発光光を取り出すｎ型窒化物半導体層と、活性層の第２主面上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを備えていることを特徴とする。

本発明の半導体発光装置によると、光取り出し面であるｎ型窒化物半導体層の上部に凹凸部が形成されているため、形成された凹凸部により、ｎ型窒化物半導体層における活性層の主面と平行な面との界面に対して臨界屈折角よりも大きい放射角度で活性層から発せられた発光光が全反射とならない角度に回折される。このため、装置の外部に放出される発光光の割合が高くなるので、光取り出し効率が向上する。その上、ｎ型窒化物半導体層に用いられるドーパントは一般にはシリコン（Ｓｉ）であり、ｎ型窒化物半導体層の表面抵抗を低減するためにＳｉを高濃度にドープしたとしても、該ｎ型窒化物半導体層には極性反転が生じることがない。このため、ｎ型窒化物半導体層の上部を凹凸状に加工しても表面荒れは生じず、従って、均一な凹凸形状を有し且つ低抵抗なｎ型窒化物半導体層からなる光取り出し面を形成できる。

本発明の半導体発光装置において、凹凸部はｎ型窒化物半導体層の上部に周期的に形成されていることが好ましい。

本発明の半導体発光装置において、ｎ型窒化物半導体層における凹凸部の複数の凸部の頂面はほぼ同一平面をなすことが好ましい。

このようにすると、凹凸部の凹凸形状が均一となるため、凹凸部による無効な散乱がなくなるので、回折効果の特性が向上する。

また、本発明の半導体発光装置において、ｎ型窒化物半導体層における凹凸部の複数の凹部の底面はほぼ同一平面をなすことが好ましい。

このようにしても、凹凸部の凹凸形状が均一となるため、凹凸部による無効な散乱がなくなるので、回折効果の特性が向上する。

本発明の半導体発光装置は、ｎ型窒化物半導体層の上に凹凸部を覆うように形成され、発光光を透過する透明電極層をさらに備えていることが好ましい。

このようにすると、光取り出し面の全体に電流が拡がるため、発光効率をさらに向上することができる。

この場合に、透明電極層は、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）からなることが好ましい。

このようにすると、可視光を透過することができる。

また、この場合に、透明電極層は金属からなることが好ましい。一般に、ｎ型窒化物半導体と金属との間にはトンネル電流が流れやすいため、金属を薄膜化することにより、透明電極層を形成することができる。

また、本発明の半導体発光装置は、透明電極層を備える場合に、該透明電極層における凹凸部の高低差は、ｎ型半導体層における凹凸部の高低差の０．８倍以上且つ１．２倍以下であることが好ましい。

一般に、凹凸部を覆うように透明電極層を形成すると、凹凸部の高低差が変化するため、凹凸部による光の回折効果が低下する。後述するように、透明電極層における凹凸部の高低差は、ｎ型半導体層における凹凸部の高低差の０．８倍以上且つ１．２倍以下であれば、透明電極層の有無による特性差をなくすことができるため、凹凸部による光の取り出し効率の向上を見込むことができる。

また、本発明の半導体発光装置において、活性層の第１主面及び第２主面の面方位は、（０００１）面であることが好ましい。

本発明に係る第１の半導体発光装置の製造方法は、第１の基板の上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体からなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成することにより、半導体積層体を形成する工程（ａ）と、第１の基板を半導体積層体から除去する工程（ｂ）と、第１の基板が除去された半導体積層体から露出するｎ型窒化物半導体層の上部に選択的に凹凸部を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。

第１の半導体発光装置の製造方法によると、成長用基板である第１の基板の上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体からなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成した後、第１の基板を除去することにより露出したｎ型窒化物半導体層の上に凹凸部を形成するため、均一な凹凸形状を有し且つ低抵抗なｎ型窒化物半導体層からなる光取り出し面を形成することができる。また、一般に、基板上にｐ型窒化物半導体層、活性層及びｎ型窒化物半導体層の順に半導体積層体を形成すると、通常用いられる窒化物半導体のｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）又は亜鉛（Ｚｎ）は固相拡散しやすい。しかしながら、本発明においては、第１の基板の上にｎ型窒化物半導体層から成長させるため、窒化物半導体の成長中のｐ型ドーパントの固相拡散を抑制することができるので、良好な動作特性を得ることができる。

第１の半導体発光装置の製造方法は、工程（ｃ）において、凹凸部は、ｎ型窒化物半導体層の上部に周期的に形成することが好ましい。

第１の半導体発光装置の製造方法は、工程（ａ）と工程（ｂ）との間に、ｐ型窒化物半導体層の上に第２の基板を貼り合わせる工程（ｄ）をさらに備えていることが好ましい。

第１の半導体発光装置の製造方法は、工程（ａ）において、活性層をその主面の面方位が（０００１）面となるように成長させることが好ましい。

本発明に係る第２の半導体発光装置の製造方法は、第１の基板の上部に選択的に凹凸部を形成する工程（ａ）と、凹凸部が形成された基板の上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体からなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成することにより、半導体積層体を形成する工程（ｂ）と、ｐ型窒化物半導体層の上に第２の基板を貼り合わせる工程（ｃ）と、第１の基板を半導体積層体から除去することにより、凹凸部が形成されたｎ型窒化物半導体層を露出する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする。

第２の半導体発光装置の製造方法は、成長用の第１の基板の上部に凹凸部を形成しており、形成された凹凸部の上にｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体からなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成し、その後、第１の基板を除去する。従って、第１の基板の除去によって露出したｎ型窒化物半導体層の主面に凹凸部が第１の基板により転写されており、本発明の第１の半導体発光装置の製造方法と同様の効果を得ることができる。

第２の半導体発光装置の製造方法は、工程（ａ）において、凹凸部は基板の上部に周期的に形成することが好ましい。

第１又は第２の半導体発光装置の製造方法は、半導体積層体を形成する工程において、活性層をその主面の面方位が（０００１）面となるように成長することが好ましい。

第１又は第２の半導体発光装置の製造方法は、凹凸部を露出したｎ型窒化物半導体層の上に、活性層からの発光光を透過する透明電極層を凹凸部を覆うように形成する工程（ｅ）をさらに備えていることが好ましい。

本発明に係る半導体発光装置及びその製造方法によると、半導体積層体の上部に凹凸形状が均一で且つ低抵抗な光取り出し面を形成できると共に、高い外部量子効率を得ることができる。

（一実施形態）
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置を示している。図１に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる保持基板１の上には、厚さが２μｍのｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｐ型半導体層２と、厚さが３ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる量子井戸層及び厚さが５ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなるバリア層により構成されたノンドープの活性層３と、厚さが４００ｎｍのｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型半導体層４とが順次積層された半導体積層体１０が形成されている。

ここで、ｐ型半導体層２には、濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされており、ｎ型半導体層４には、濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。

なお、本願明細書において、ノンドープとは、意図的なドーピングを行なっていない半導体をいう。また、ｐ型半導体層２の厚さは充分に厚く、上述したＭｇの濃度でも電気抵抗には問題はない。また、この程度のＭｇのドープ量ではｐ型半導体層２には極性反転は生じない。

ｎ型半導体層４の上部には、複数の凸部４ａが行列状に形成されて、２次元周期構造を持つ凹凸部が形成されている。凸部４ａの周期、すなわちｎ型半導体層４の主面内で隣り合う凸部４ａ又は凹部同士の中心の間隔は１μｍであって、凸部４ａの高さは２００ｎｍである。

ｎ型半導体層４及び活性層３の一角部はエッチングにより除去されて、ｐ型半導体層２を露出する開口部８が設けられている。ｐ型半導体層２における開口部８からの露出領域上にはｐ側電極６が形成されている。

ｎ型半導体層４の上には、ｎ側透明電極層５が各凸部４ａを覆うように設けられ、該ｎ側透明電極層５上で且つｐ側電極６の対角に位置する角部には、ｎ側ボンディング電極７が形成されている。

以下、前記のように構成された半導体発光装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。

図２（ａ）〜図２（ｄ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。

まず、図２（ａ）に示すように、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vaper Deposition）法により、主面の面方位が（１１１）面であるシリコン（Ｓｉ）からなる成長用基板９の主面上に、厚さが８０ｎｍでノンドープの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層（図示せず）、厚さが４００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層４、ＩｎＧａＮからなる活性層３及び厚さが２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層２を順次結晶成長することにことにより、半導体積層体１０を形成する。なお、主面の面方位が（１１１）面のＳｉ上には、結晶成長する主面の面方位が（０００１）面、いわゆるＣ面となる窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が成長することが知られている。

また、結晶成長方法には、ＭＯＣＶＤ法に限られず、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、ウェハボンディング法により、半導体積層体１０における成長用基板９と反対側の面上、すなわちｐ型半導体層２の上に保持基板１を貼り付ける。具体的には、ｐ型半導体層２と保持基板１との間に例えば金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）とを含む共晶はんだ材を挟むと共に、３５０℃以上に加熱しながら半導体積層体１０に保持基板１を押圧する。ここで、保持基板１には、シリコン（Ｓｉ）又はより放熱性に優れた銅タングステン（ＣｕＷ）等を用いることができる。

次に、半導体積層体１０から成長用基板９をフッ酸（ＨＦ）及び硝酸（ＨＮＯ₃ ）の混合溶液（フッ硝酸）を用いたウェットエッチングにより除去する。その後、成長用基板９を除去した後に表面に現われるバッファ層を熱リン酸により除去して、図２（ｃ）に示すように、ｎ型半導体層４における活性層３と反対側の面を露出する。なお、成長用基板９と保持基板１とが共にＳｉからなる場合には、保持基板１がエッチングされないように、例えば樹脂からなりエッチング耐性を有する材料によって保持基板１の露出部分をマスクした状態で、成長用基板９の除去を行なえばよい。

続いて、図２（ｄ）のように、半導体積層体１０のｎ型半導体層４の上面に、２次元周期構造を持つ凸部４ａを形成する。具体的には、ｎ型半導体層４の主面上にレジスト膜（図示せず）を形成した後、形成したレジスト膜を干渉露光法、電子ビーム露光法又はステッパ（step-and-repeat photolithographic system with demagnification）等によってパターニングする。続いて、パターニングされたレジスト膜をマスクとして、塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法によるドライエッチング技術により凸部４ａを形成する。このときのエッチング条件は、例えば、Ｃｌ₂ ガスの流量を３０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態［０℃、１ａｔｍ］）とし、圧力を１Ｐａとし、アンテナ側電力を１００Ｗとし、バイアス側電力を１０Ｗとしている。

（製造方法の一変形例）
以下、半導体積層体１０におけるｎ型半導体層４の凸部４ａの製造方法の一変形例について図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照しながら説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、主面の面方位が（１１１）面であるＳｉからなる成長用基板９の主面上に、２次元周期構造を持つ凹部９ａを形成する。この凹部９ａは、成長用基板９の上にレジスト膜（図示せず）を形成し、その後、形成したレジスト膜を干渉露光法、電子ビーム露光法又はステッパによってパターニングする。続いて、パターニングされたレジスト膜をマスクとしてエッチングを行なうことにより形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により、凹部９ａを有する成長用基板９の主面上に、厚さが８０ｎｍでノンドープのＡｌＮからなるバッファ層（図示せず）、厚さが４００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層４、ＩｎＧａＮからなる活性層３及び厚さが２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層２を順次結晶成長することにことにより、半導体積層体１０を形成する。

このとき、成長用基板９の主面の面方位が（１１１）面であることにより、ｎ型半導体層４の上面の面方位は（０００１）面となる。

次に、図３（ｃ）に示すように、ウェハボンディング法を用いて、半導体積層体１０のｐ型半導体層２の上に、Ｓｉ又はＣｕＷからなる保持基板１を貼り合わせる。

次に、半導体積層体１０から成長用基板９をフッ硝酸を用いたウェットエッチングにより除去する。その後、成長用基板９を除去した後に表面に現われるバッファ層を熱リン酸により除去して、図３（ｄ）に示すように、ｎ型半導体層４の主面に転写された凸部４ａを露出する。

以下、ｎ側透明電極層５、ｐ側電極６及びｎ側ボンディング電極７を形成する工程を説明する。

図２（ｄ）又は図３（ｄ）に示したようにｎ型半導体層４における活性層３と反対側の面に複数の凸部４ａを設けた後は、図１に示すｎ側透明電極層５、ｐ側電極６及びｎ側ボンディング電極７を形成する。

まず、スパッタ法又は化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法により、複数の凸部４ａが形成されたｎ型半導体層４の上に、例えば厚さが１００ｎｍのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなり、活性層３からの発光光に対して透明な金属酸化膜からなるｎ側透明電極層５を各凸部４ａを覆うように堆積する。なお、ｎ側透明電極層５には、ＩＴＯのような導電性を持つ金属酸化膜に限られず、発光光の波長に対して透過率が高ければ、電導性が高く且つコンタクト抵抗が小さい金属薄膜を用いることができる。この場合、透過率を確保するために、金属薄膜の膜厚は５０ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、金属からなるｎ側透明電極層５として、厚さが１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）とその上に形成された厚さが４０ｎｍの金（Ａｕ）との積層膜を用いることができる。

次に、例えばリソグラフィ法により、ｎ側透明電極層５の上に開口部を有するレジストマスク（図示せず）を形成し、その後、ｐ型半導体層２が露出するまでｎ側透明電極層５、ｎ型半導体層４及び活性層３の一部を除去して、ｐ型半導体層２を露出する開口部８を形成する。ｎ側透明電極層５は塩酸（ＨＣｌ）によるウェットエッチングにより、また、ｎ型半導体層４はＣｌ₂ ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングにより、それぞれ除去することができる。

次に、真空蒸着法又はスパッタ法により、ｐ側半導体層２の開口部８からの露出部分の上に、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）を含む積層膜又は合金からなるｐ側電極６を選択的に形成する。

次に、ｎ型半導体層４における凸部４ａが形成されていない領域上に、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）を含む積層膜又は合金からなるｎ側ボンディング電極７を選択的に形成する。

図４（ａ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光装置のｎ型半導体層４における凹凸部の表面の表面粗さの度数分布を示し、図４（ｂ）は比較用であって、従来例に係る半導体発光装置のｐ型半導体層における凹凸部の表面の表面粗さの度数分布を示している。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、符号Ａは凹凸状部分の凸部の頂面における表面粗さを表わし、符号Ｂは凹凸状部分の凹部の底面における表面粗さを表わしている。ここで、表面荒さの観測は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）を用いて行なっている。

図４（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置においては、凸部の頂面及び凹部の底面のいずれにおいても、その表面粗さはほぼ４０ｎｍ以下に分布しており、凹凸形状が均一に精度良く形成されていることが分かる。

これに対し、図４（ｂ）に示すように、従来のｐ型半導体層の上部に形成された凹部及び凸部の表面粗さは２００ｎｍまでの広い範囲に分布しており、凹凸形状が不均一であることが分かる。

図５に本発明の一実施形態に係る半導体発光装置と従来例に係る半導体発光装置のそれぞれの光取り出し効率を示す。ここで、グラフの横軸は凹凸の周期を表わし、縦軸は凹凸部を設けない場合で規格化した光取り出し効率を表わす。図５に示すように、ｎ型半導体層に凹凸部を形成する本発明の方が従来例よりも光取り出し効率が高く、光出力特性が向上していることが分かる。

本実施形態に係る半導体発光装置においては、ＧａＮからなるｎ型半導体層に添加されるドーパントは一般にシリコン（Ｓｉ）であり、ｎ型半導体層の表面抵抗を低減するためにＳｉを高濃度にドープしてもｎ型半導体層に極性反転が生じることがない。これにより、ｎ型半導体層の上部に凹凸を形成しても表面荒れが生じないため、均一な凹凸部を有し且つ低抵抗なｎ型半導体層からなる光取り出し面を形成することができる。その結果、高い光取り出し効率を得ることができる。

以下、ｎ型透明電極層５における最適な設計条件を、理論計算を用いて説明する。一般に、凹凸部を形成したＧａＮ層の上に、スパッタ法又はＣＶＤ法等により透明電極層を形成すると、成膜条件によっては凹凸部の高低差が変化する場合がある。

図６は本発明の一実施形態に係る発光波長が４５０ｎｍの半導体発光装置における凹凸部の高低差と光取り出し効率との関係を理論計算した結果を示している。グラフの縦軸はｎ型透明電極層を形成する前の凹凸部の高低差で規格化した光取り出し効率を示す。グラフの横軸はｎ型透明電極層を形成した後の凹凸部の高低差Ｂを、ｎ型透明電極層を形成する前の凹凸部の高低差Ａで除した値を示す。

図６からは、０．８Ａ≦Ｂ≦１．２Ａの範囲において光取り出し効率の値が１．０程度となり、従って、０．８Ａ≦Ｂ≦１．２Ａの範囲において光取り出し効率が最適化されていることが分かる。すなわち、この範囲において、透明電極の有無による特性差が実質的になくなるため、凹凸部による光取り出し効率の向上を見込むことができる。

これに対し、光取り出し効率が最適化されないＢ＜０．８Ａの範囲では、凹凸部における高低差の減少により、凹凸部による回折効果が減少してしまうため、光取り出し効率が低下する。また、Ｂ＞１．２Ａの範囲では、凹凸部における高低差が大きくなり過ぎ、すなわち凸部の断面形状において幅よりも高さが大きくなって縦長となるため、縦長となった凸部における抵抗値が大きくなるので、光取り出し効率が低下する。

本発明に係る半導体発光装置及びその製造方法は、半導体積層体の上部に凹凸形状が均一で且つ低抵抗な光取り出し面を形成できると共に高い外部量子効率を得ることができ、特に窒化物系半導体を用いた半導体発光装置及びその製造方法等に有用である。

本発明の一実施形態に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示し、半導体発光装置の半導体積層体を形成する工程順の断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の一変形例を示し、半導体発光装置の半導体積層体を形成する工程順の断面図である。 （ａ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光装置におけるｎ型半導体層の凹凸部の凹部及び凸部の表面粗さの度数分布を示すグラフであり、（ｂ）は従来例に係る半導体発光装置におけるｐ型半導体層の凹凸部の凹部及び凸部の表面粗さの度数分布を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る半導体発光装置における光取り出し効率を従来例と比較したグラフである。 本発明の一実施形態に係る半導体発光装置における光取り出し効率を透明電極層の形成による凹凸部の高低差の変化と光取り出し効率との関係を理論計算した結果を示すグラフである。 第１の従来例に係る窒化物半導体からなるＬＥＤ装置を示す斜視図である。 第２の従来例に係る窒化物半導体からなるＬＥＤ装置を示す斜視図である。

符号の説明

１ 保持基板（第２の基板）
２ ｐ型半導体層
３ 活性層
４ ｎ型半導体層
４ａ 凸部
５ ｎ側透明電極層
６ ｐ側電極
７ ｎ側ボンディング電極
８ 開口部
９ 成長用基板（第１の基板）
９ａ 凹部
１０ 半導体積層体

Claims (18)

1. 第１主面及び該第１主面と対向する第２主面を有する窒化物半導体からなる活性層と、
   前記活性層の第１主面上に上部が凹凸状に形成された凹凸部を有し、前記活性層からの発光光を取り出すｎ型窒化物半導体層と、
   前記活性層の第２主面上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを備えていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記凹凸部は、前記ｎ型窒化物半導体層の上部に周期的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記ｎ型窒化物半導体層における前記凹凸部の複数の凸部の頂面は、ほぼ同一平面をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記ｎ型窒化物半導体層における前記凹凸部の複数の凹部の底面は、ほぼ同一平面をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
5. 前記ｎ型窒化物半導体層の上に前記凹凸部を覆うように形成され、前記発光光を透過する透明電極層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
6. 前記透明電極層は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
7. 前記透明電極層は金属からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
8. 前記透明電極層における凹凸部の高低差は、前記ｎ型半導体層における前記凹凸部の高低差の０．８倍以上且つ１．２倍以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
9. 前記活性層の第１主面及び第２主面の面方位は、（０００１）面であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
10. 第１の基板の上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体からなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成することにより、半導体積層体を形成する工程（ａ）と、
    前記第１の基板を前記半導体積層体から除去する工程（ｂ）と、
    前記第１の基板が除去された半導体積層体から露出する前記ｎ型窒化物半導体層の上部に選択的に凹凸部を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
11. 前記工程（ｃ）において、前記凹凸部は、前記ｎ型窒化物半導体層の上部に周期的に形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光装置の製造方法。
12. 前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、前記ｐ型窒化物半導体層の上に第２の基板を貼り合わせる工程（ｄ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体発光装置の製造方法。
13. 前記工程（ａ）において、前記活性層はその主面の面方位が（０００１）面となるように成長することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光装置の製造方法。
14. 前記工程（ｃ）よりも後に、前記ｎ型窒化物半導体層の上に、前記活性層からの発光光を透過する透明電極層を前記凹凸部を覆うように形成する工程（ｅ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光装置の製造方法。
15. 第１の基板の上部に選択的に凹凸部を形成する工程（ａ）と、
    前記凹凸部が形成された前記基板の上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体からなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成することにより、半導体積層体を形成する工程（ｂ）と、
    前記ｐ型窒化物半導体層の上に第２の基板を貼り合わせる工程（ｃ）と、
    前記第１の基板を前記半導体積層体から除去することにより、凹凸部が形成された前記ｎ型窒化物半導体層を露出する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
16. 前記工程（ａ）において、前記凹凸部は、前記基板の上部に周期的に形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光装置の製造方法。
17. 前記工程（ｂ）において、前記活性層はその主面の面方位が（０００１）面となるように成長することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の半導体発光装置の製造方法。
18. 前記工程（ｄ）よりも後に、前記ｎ型窒化物半導体層の上に、前記活性層からの発光光を透過する透明電極層を前記凹凸部を覆うように形成する工程（ｅ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の半導体発光装置の製造方法。
    

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