JP2007324411A - 半導体発光素子及びその製造方法、並びに半導体発光素子を用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光を外部へ効率良く取り出すことのできる高効率な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】 基板１と、基板１上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層４と、発光層４上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体層７と、ｐ型半導体層７上にパターン状に設けられ高濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体コンタクト層８と、ｐ型半導体コンタクト層８上のｐ側電極１１と、ｐ側電極１１との間に電圧が印加されることにより発光層４に通電を行うｎ側電極１２とを具備する。ｐ型半導体コンタクト層８が存在しない領域を通じて光を取り出す構成とすることにより、光取り出し効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法、並びに半導体発光素子を用いた照明装置に係わり、特に窒化ガリウム系半導体を用いた半導体発光素子及びその製造方法、並びに半導体発光素子を用いた照明装置に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はワイドバンドギャップを有する半導体であり、その特徴を活かし、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）や青紫色レーザダイオード（ＬＤ）などが研究・開発されている。

一般的に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のｐ型不純物としてはＭｇが用いられる。このＭｇはそのアクセプタ準位が深いため、ｐ型コンタクト層には約１０^２０ｃｍ^−３のＭｇがドープされる。一方、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のｎ型不純物としてはＳｉが用いられる。ｎ型コンタクト層には約１０^１８ｃｍ^−３のＳｉがドープされる。

ＬＥＤでは電流注入によって活性層で発生した光は等方的に広がる。等方的に広がる光を外部に効率良く取り出して、発光効率を高めることが重要である。例えば、ＬＥＤの発光効率を高めるためにｎ側層に凹凸をつけることが提案されている（非特許文献１参照）。
D. Morita他、「Watt-Class High-Output-Power 365 nm Ultraviolet Light-Emitting Diodes」、Japanese Journal of Applied Physics、2004年9月、第４３巻、第９Ａ号、ｐｐ．５９４５−５９５０．

上述したように、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光素子において、発光層で発生した光を外部に効率良く取り出して、発光効率を高めることが重要である。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光素子における発光層で発生した光を外部へ効率良く取り出すことのできる高効率な半導体発光素子及びその製造方法、並びに半導体発光素子を用いた照明装置を提供するものである。

上述した課題を解決するために、本発明は、基板と、この基板上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、この発光層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体層と、このｐ型半導体層上にパターン状に設けられ前記ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体コンタクト層と、このｐ型半導体コンタクト層上に設けられたｐ側電極と、このｐ側電極との間に電圧が印加されることにより前記発光層に通電を行うｎ側電極とを具備することを特徴とする半導体発光素子を提供する。

また、本発明は、基板と、この基板上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、この発光層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の表面に選択的に設けられ前記ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体コンタクト層と、このｐ型半導体コンタクト層上に設けられたｐ側電極と、このｐ側電極との間に電圧が印加されることにより前記発光層に通電を行うｎ側電極とを具備することを特徴とする半導体発光素子を提供する。

また、本発明は、基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層を形成する工程と、このｎ型半導体層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を形成する工程と、この発光層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１のｐ型半導体層を形成する工程と、この第１のｐ型半導体層上に当該第１のｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を形成する工程と、この第２のｐ型半導体層上にｐ側電極膜を形成する工程と、このｐ側電極膜上にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパターンを用いて前記ｐ側電極膜の上面から第１のｐ型半導体層に至るまでパターン状にエッチングを行い、前記第２のｐ型半導体層からｐ型半導体コンタクト層を、前記ｐ側電極膜からｐ側電極を形成する工程と、ｎ側電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。

また、本発明は、基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層を形成する工程と、このｎ型半導体層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を形成する工程と、この発光層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１のｐ型半導体層を形成する工程と、この第１のｐ型半導体層上にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパターンを用いて前記第１のｐ型半導体層をエッチングして当該第１のｐ型半導体層に凹部を形成する工程と、この凹部の底面に選択的に前記第１のｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を形成する工程と、この第２のｐ型半導体層上及び前記マスクパターン上にｐ側電極膜を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記第２のｐ型半導体層上に選択的にｐ側電極を形成する工程と、ｎ側電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。

また、本発明は、基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層を形成する工程と、このｎ型半導体層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を形成する工程と、この発光層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１のｐ型半導体層を形成する工程と、この第１のｐ型半導体層上にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパターンを用いて当該マスクパターンから露呈する第１のｐ型半導体層の上面に選択的に、前記第１のｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を形成する工程と、この第２のｐ型半導体層上及び前記マスクパターン上にｐ側電極膜を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記第２のｐ型半導体層上に選択的にｐ側電極を形成する工程と、ｎ側電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光素子における発光層で発生した光を外部へ効率良く取り出すことのできる高効率な半導体発光素子及びその製造方法、並びに半導体発光素子を用いた照明装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の断面図であり、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子、より具体的には発光ダイオードの断面構造を示している。なお、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）を意味し、典型的にはＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮから選ばれる半導体である。

図１の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１上に形成されるｎ型ＧａＮ層２と、その上に形成されるｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層３と、その上に形成される異なる組成のＩｎＧａＮ層を積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の活性層４と、その上に形成されるｐ型ＩｎＧａＮからなるｐ型第１ガイド層５と、その上に形成されるｐ型ＧａＡｌＮ層（電子オーバーフロー防止層）６と、その上に形成されるｐ型ＧａＮからなるｐ型第２ガイド層７と、その上に形成されるｐ型ＧａＮコンタクト層８とを備えている。１１はｐ側電極、１２はｎ側電極を示している。

図１に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層８及びｐ側電極１１はそれぞれ所定のパターン形状を有し、これらのパターン形状は互いに同一となっている。図８は、ｐ型ＧａＮコンタクト層８及びｐ側電極１１のパターン形状の例を示す平面図である。図８（ａ）のように複数のストライプ状のパターンが互いに平行に並びそれらの両端部において互いに連結されるパターン形状８１であっても良いし、図８（ｂ）のように格子状のパターン形状８２であっても良いし、図８（ｃ）のように開口部が千鳥状に配置されたパターン形状８３であっても良い。

従来より、ｐ型ＧａＮコンタクト層８にドープされるＭｇはそのアクセプタ準位が深いため、ｐ型ＧａＮコンタクト層８には高濃度のＭｇ（約１０^２０ｃｍ^−３）がドープされている。これだけ高濃度のＭｇがドーピングされた場合、ドーピング濃度が高すぎるため、Ｍｇはさらに深い準位を形成し、約４３０ｎｍ以下の短い波長成分（約２．９ｅＶ以上のエネルギー成分）の光は吸収されてしまう。例えば紫外〜青色の波長領域の光を発生するＬＥＤの場合、電流注入によって活性層で発生した光は等方的に広がるため、ｐ型ＧａＮコンタクト層で光が吸収され、半導体発光素子の高効率化を妨げてしまう問題があることを本発明者は見出した。

本実施形態の半導体発光素子によれば、２次元平面内においてｐ側電極１１及びｐ型ＧａＮコンタクト層８が存在する領域と除去された領域とが交互に存在しており、ｐ型ＧａＮコンタクト層８を無くした領域を存在させる構造が実現されている。このため、ｐ型ＧａＮコンタクト層８を無くした領域においては、活性層で発生した光がｐ型ＧａＮコンタクト層８に吸収されることを防止することができ、ｐ側電極１１及びｐ型ＧａＮコンタクト層８が除去された領域を通じて光が外部に取り出されるので、高効率な半導体発光素子を実現することが可能となる。

かかる効果は、ｐ型ＧａＮコンタクト層８に含まれるＭｇが５×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度で含まれている場合に特に顕著になる。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層８より下層の他のｐ型半導体層（ｐ型第１ガイド層５、ｐ型ＧａＡｌＮ層６、ｐ型第２ガイド層７）に含まれるＭｇについては、かかる層における光の吸収を抑制するために、そのＭｇ濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３未満とすることが望ましい。

図２は、本実施形態の発光ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ層２を膜厚２μｍ程度で結晶成長する。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。この他、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により結晶成長を行っても良い。ｎ型不純物には、ＳｉやＧｅなど種々の元素を用いることが可能であるが、本実施形態ではＳｉを用いるものとする。Ｓｉのドーピング量としては２×１０^１８ｃｍ^−３程度にすれば良い。

次に、ｎ型ＧａＮ層２の上に、ｎ型不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされた、膜厚０．１μｍ程度のＧａＮからなるｎ型ガイド層３を結晶成長させる。あるいは、ｎ型ガイド層３として、膜厚０．１μｍ程度でｎ型不純物が５×１０^１７ｃｍ^−３程度ドープされたＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いても良い。ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ガイド層３を成長させる際の成長温度はいずれも１０００〜１１００℃である。

次に、ｎ型ガイド層３の上に、膜厚３．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる量子井戸層と、この量子井戸をはさんでその両側に膜厚７ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎからなるバリア層を交互に積層した多重量子井戸構造の活性層４を形成する。この場合の成長温度は７００〜８００℃である。室温におけるフォトルミネッセンスの波長を４３０ｎｍに設計した。

次に、活性層４の上に、Ｉｎ_{０．００５}Ｇａ_{０．９９５}Ｎからなるｐ型第１ガイド層５を成長させる。膜厚は９０ｎｍ程度であれば良い。ｐ型不純物としては、ＭｇやＺｎなど種々の元素を用いることが可能であるが、本実施形態ではＭｇを用いるものとする。Ｍｇのドーピング量としては１×１０^１８ｃｍ^−３程度であれば良い。

次にｐ型第１ガイド層５の上に、ｐ型不純物がドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ_０．８Ａｌ_０．２Ｎを電子オーバーフロー防止層６として成長させる。Ｍｇのドーピング量としては４×１０^１８ｃｍ^−３程度であれば良い。

次に、電子オーバーフロー防止層６の上に、Ｍｇが１×１０^１９ｃｍ^−３程度ドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型第２ガイド層７を成長する。膜厚は５０ｎｍ程度あれば良い。

次に、ｐ型第２ガイド層７の上に、Ｍｇが１×１０^２０ｃｍ^−３程度ドープされた、膜厚６０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層８を成長する。電子オーバーフロー防止層６と、ｐ型第２ガイド層７、ｐ型コンタクト層８の成長温度は１０００〜１１００℃である。

結晶成長を行ったウェハに対して、以下のデバイスプロセスを行うことにより、最終的に発光ダイオードが作製される。

図２（ａ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層８の上には、例えばパラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｐ側電極１１が形成される。例えば、Ｐｄは膜厚０．０５μｍ、Ｐｔは膜厚０．０５μｍ、Ａｕは膜厚０．０５μｍである。

次に、ｐ側電極１１上に図示しないレジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、レジストのパターニングを行う。さらに、図２（ｂ）に示すように、パターニングされたレジスト（図示せず。）を用いてｐ側電極１１をパターニングする。必要に応じてレジストは除去する。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）装置にウェハを導入し、パターニングされたｐ側電極１１をマスクとしてドライエッチングを行う。

ここで、エッチング深さ（溝の深さ）としては、ｐ型ＧａＮコンタクト層８の厚さである例えば６０ｎｍ以上、好ましくはｐ型第２ガイド層７の途中までの厚さである例えば６１ｎｍ以上１１０ｎｍ未満、であれば良い。エッチング角度としては垂直、すなわち９０度であっても良いが、光取り出し効率をさらに高めるためにテーパー角度をつけても良い。テーパー角度は封止する材料の屈折率によって異なってくる。後工程において、空気で封止する場合０〜２０度、すなわちテーパー角度７０〜９０度をつけても構わない。樹脂で封止する場合０〜４０度、すなわちテーパー角度５０〜９０度をつけても構わない。テーパー角度の制御は、ＲＩＥにおけるエッチング速度を調整することにより実現される。また、２次元平面内における寸法としては図８（ａ）のように２μｍのラインアンドスペースとした。これに限定されることなく図８（ｂ）、（ｃ）のように穴形状（矩形等の多角形状や円形状等）でドットパターンを彫りぬいても構わない。また、寸法もこれに限定されることなく、電子線リソグラフィーなどによれば、サブマイクロメーターオーダーの加工も可能である。

その後、ＲＩＥ装置からウェハを取り出し、レジストを取り除いた後、ｎ型ＧａＮ基板１側から研磨を行い、ウェハ厚を１００μｍ程度までに薄くする。その後、図２（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（研磨面）にｎ側電極１２を形成する。ｎ側電極１２としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなる。膜厚としては、例えば、膜厚０．０５μｍ程度のＴｉ膜、膜厚０．０５μｍ程度のＰｔ膜、および膜厚１．０μｍ程度のＡｕ膜である。

本実施形態で作製した青色ＬＥＤと、比較例としての青色ＬＥＤ（ｐ型第２ガイド層及びｐ型コンタクト層が２次元平面内で全てにわたりほぼ均一な厚さで存在するＬＥＤ）の特性を比較した。比較例のＬＥＤの場合に２０ｍＡにおける光出力が１５ｍＷであるのに対して、本実施形態のＬＥＤの同条件における光出力は２２ｍＷまでに達した。これは、ｐ型コンタクト層８における光の吸収が少なくなったためと考えられる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の断面図であり、半導体発光素子、より具体的には発光ダイオードの断面構造を示している。図１と同一部分には同一の符号を付して示す。本実施形態に係る発光ダイオードが、第１の実施形態に係る発光ダイオードと異なる点は、電子オーバーフロー防止層６上のｐ型第２ガイド層３７に溝が形成されており、この溝の内部にｐ型ＧａＮコンタクト層３８及びｐ側電極４１が積層して埋め込まれていることである。ｐ型ＧａＮコンタクト層３８及びｐ側電極４１のパターン形状の例は図８の例と同様である。また、ｐ型半導体層の濃度範囲は、第１の実施形態において対応する層の濃度範囲と同様である。

図４は、本実施形態の発光ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様の成長方法により、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ガイド層３、活性層４、ｐ型第１ガイド層５、電子オーバーフロー防止層６をこの順に結晶成長する。

次に、電子オーバーフロー防止層６の上に、Ｍｇが１×１０^１９ｃｍ^−３程度ドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型第２ガイド層３７を成長する。膜厚は１５０ｎｍ程度あれば良い。

成長後の試料を取り出し、ＳｉＯ_２膜４０をｐ型第２ガイド層３７の上に堆積させる（図４（ｂ））。膜厚は５０〜１００ｎｍ程度あれば良い。ＳｉＯ_２膜４０上に図示しないレジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、レジストのパターニングを行う。さらに、図４（ｂ）に示すように、パターニングされたレジスト（図示せず。）を用いてＳｉＯ_２膜４０をパターニングする。必要に応じてレジストは除去する。その後、ＲＩＥ装置に、ウェハを導入し、パターニングされたＳｉＯ_２膜４０をマスクとしてドライエッチングを行う。なおここで、エッチングのマスク材料としてＳｉＯ_２を用いたが、ＳｉＯ_２に限らずＺｒＯ_２などの酸化物からなる絶縁膜、Ｓｉ_３Ｎ_４などの窒化物からなる絶縁膜や、またＡｕなどの金属を使用することも可能である。

ここでエッチング深さとしては、ｐ型第２ガイド層３７の途中までの厚さである例えば１ｎｍ以上１５０ｎｍ未満、であれば良い。エッチング角度としては垂直、すなわち９０度であっても良いが、光取り出し効率をさらに高めるためにテーパー角度をつけても良い。後工程において、空気で封止する場合０〜２０度、すなわちテーパー角度７０〜９０度をつけても構わない。樹脂で封止する場合０〜４０度、すなわちテーパー角度５０〜９０度をつけても構わない。テーパー角度の制御は、ＲＩＥにおけるエッチング速度を調整することにより実現される。また、２次元平面内における寸法としては図８（ａ）のように２μｍのラインアンドスペースとした。これに限定されることなく図８（ｂ）、（ｃ）のように格子状或いは網目状のパターンを彫りぬいても構わない。また、寸法もこれに限定されることなく、電子線リソグラフィーなどによれば、サブマイクロメーターオーダーの加工も可能である。

その後、ＲＩＥ装置からウェハを取り出し、ＳｉＯ_２膜４０を残してレジストのみを取り除いた後、ＭＯＣＶＤ装置に導入し、図４（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２膜４０をマスクとした選択成長による再成長を行う。温度を１０００〜１１００℃まで上昇させ、ｐ型ＧａＮコンタクト層３８を成長させる。ｐ型コンタクト層３８にはＭｇが１×１０^２０ｃｍ^−３程度ドープされていれば良い。また、膜厚は６０ｎｍ程度あれば良い。

その後、ウェハをＭＯＣＶＤ装置より取り出し、図４（ｄ）に示すように、ｐ型コンタクト層３８の上を含むウェハ全面にｐ側電極４１を形成する。ｐ側電極４１は、例えばパラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなる。例えば、Ｐｄは膜厚０．０２μｍ程度、Ｐｔは膜厚０．０２μｍ程度、Ａｕは膜厚０．０１μｍ程度である。その後、ウェットエッチングによりＳｉＯ_２膜をエッチングする。この際、ＳｉＯ_２膜４０上に形成されているｐ側電極４１の部分も取り除かれる。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１側から研磨を行い、ウェハ厚を１００μｍ程度までに薄くする。その後、第１の実施形態と同様に、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｎ側電極１２を形成する。

本実施形態で作製した青色ＬＥＤと、比較例としての青色ＬＥＤ（ｐ型第２ガイド層及びｐ型コンタクト層が２次元平面内で全てにわたりほぼ均一な厚さで存在するＬＥＤ）の特性を比較した。比較例のＬＥＤの場合に２０ｍＡにおける光出力が１５ｍＷであるのに対して、本実施形態のＬＥＤの同条件における光出力は２０ｍＷまでに達した。これは、第１の実施形態と同様に、ｐ型コンタクト層３８における光の吸収が少なくなったためと考えられる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の断面図であり、半導体発光素子、より具体的には発光ダイオードの断面構造を示している。図１と同一部分には同一の符号を付して示す。本実施形態に係る発光ダイオードが、第１の実施形態に係る発光ダイオードと異なる点は、電子オーバーフロー防止層６上のｐ型第２ガイド層５７の表面に選択的にｐ型コンタクト層５８が形成されており、このｐ型コンタクト層５８に対応してその表面にｐ側電極６１が形成されていることである。ｐ型コンタクト層５８及びｐ側電極６１のパターン形状の例は図８の例と同様である。また、ｐ型半導体層の濃度範囲は、第１の実施形態において対応する層の濃度範囲と同様である。

図６は、本実施形態の発光ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様の成長方法により、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ガイド層３、活性層４、ｐ型第１ガイド層５、電子オーバーフロー防止層６をこの順に結晶成長する。

次に、電子オーバーフロー防止層６の上に、Ｍｇが１×１０^１９ｃｍ^−３程度ドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型第２ガイド層５７を成長する。膜厚は１００ｎｍ程度あれば良い。

成長後の試料を取り出し、ｐ型第２ガイド層５７の上にレジスト６０を塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、レジスト６０のパターニングを行う（図６（ａ））。その後、図６（ａ）に示すように、パターニングされたレジスト６０をマスクとしてイオン注入装置によりＭｇを濃度１×１０^２０ｃｍ^−３程度打ち込む。打ち込む深さとしては、ｐ型第２ガイド層５７の途中までの厚さである例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ未満、であれば良い。このようにして、ウェハ面内にｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５８が形成される。また、２次元平面内における寸法としては図８（ａ）のように２μｍのラインアンドスペースとした。これに限定されることなく図８（ｂ）、（ｃ）のように格子状或いは網目状のパターンでＭｇを打ち込んでも構わない。また、寸法もこれに限定されることなく、電子線リソグラフィーなどによれば、サブマイクロメーターオーダーも可能である。

その後、イオン注入装置からウェハを取り出し、ｐ型コンタクト層５８の上を含むウェハ全面にｐ側電極６１を形成する。ｐ側電極６１は、例えばパラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなる。例えば、Ｐｄは膜厚０．０５μｍ、Ｐｔは膜厚０．０５μｍ、Ａｕは膜厚０．０５μｍである。その後、図６（ｃ）に示すように、リフトオフプロセスにより、レジスト６０とその上に形成されたｐ側電極６１の部分を除去する。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１側から研磨を行い、ウェハ厚を１００μｍ程度までに薄くする。その後、第１の実施形態と同様に、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｎ側電極１２を形成する。

本実施形態で作製した青色ＬＥＤと、比較例としての青色ＬＥＤ（ｐ型第２ガイド層及びｐ型コンタクト層が２次元平面内で全てにわたりほぼ均一な厚さで存在するＬＥＤ）の特性を比較した。請求項を満たす本実施例で作製した青色ＬＥＤと、請求項を満たさない通常のＬＥＤの特性を比較した。比較例のＬＥＤの場合に２０ｍＡにおける光出力が１５ｍＷであるのに対して、本実施形態のＬＥＤの同条件における光出力は２０ｍＷまでに達した。これは、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、ｐ型コンタクト層５８における光の吸収が少なくなったためと考えられる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の断面図であり、第１の実施形態の半導体発光素子、より具体的には発光ダイオード（ＬＥＤ）の上に蛍光体層を設け、白色光を発する白色ＬＥＤを構成した例を示すものである。図７において図１と同一部分には同一の符号を付して示す。

図７に示すように、プラスチック製のカップ７０の底面にはパッド電極７１とパッド電極７２が設けられており、パッド電極７１上には図１の発光ダイオードが搭載されている。パッド電極７１は発光ダイオードのｎ側電極１２に対して直接又は導電性の接着剤等を間に介して電気的に接続されている。一方、パッド電極７２はｐ側電極１１に対してボンディングワイヤー７３によって電気的に接続されている。

また、発光ダイオードやボンディングワイヤー７３を覆うように蛍光体層７５が塗布形成されている。この蛍光体層７５には、赤色の蛍光体、緑色の蛍光体がフッ素系ポリマーに分散した層からなっている。赤色の蛍光体としてはＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ（：の後の元素は付活元素を示す。以下同じ。）等が、緑色の蛍光体としてはInGaNやＢａＭｇＡｌ_２７Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ等が用いられる。半導体発光素子から発光される光によりこれらの色の蛍光体が励起されて発光を生じ、半導体発光素子による発光及び各色の蛍光体による発光が重ね合わされることにより白色光を得ることができる。なお、緑色の蛍光体の代わりに或いはこれと併せて黄色の蛍光体を用いることも可能であり、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ等が用いられる。また、黄色の蛍光体を用いる場合は、必要に応じて赤色の蛍光体を省略することもできる。

カップ７０の側面にはＡｇからなる反射膜７４が設けられている。また、カップ７０の上面には光透過窓としての蓋部７６が設けられている。半導体発光素子による発光及び各色の蛍光体による発光は、その一部が光透過窓７６を介して外部に取り出され、他の一部が反射膜７４に向かって放出され反射膜７４において反射されて外部に取り出されることになる。

本実施形態の白色発光の発光装置によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる他、優れた演色性を備え発光効率の高い発光装置を得ることができ、従来の蛍光灯に代わる新規な照明システムを提供することが可能である。

本実施形態では第１の実施形態に係る半導体発光素子を用いて白色ＬＥＤを構成したが、第２、第３の実施形態に係る半導体発光素子を用いて白色ＬＥＤを構成しても良い。

（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の断面図であり、第１の実施形態の半導体発光素子、より具体的には発光ダイオード（ＬＥＤ）の上に蛍光体層を設け、白色光を発する白色ＬＥＤを構成した例を示すものである。第４の実施形態における図７の構成と異なる点は、発光ダイオードの上下を反対にしてカップ７０内に搭載した点である。なお、図９において図７と同一部分には同一の符号を付して示す。

図９に示すように、発光ダイオードはその上下が逆さまの状態でカップ７０内に搭載されているので、発光ダイオードのｐ側電極１１はパッド電極７１に対して直接又は導電性の接着剤等を間に介して電気的に接続され、一方、ｎ側電極１２はパッド電極７２に対してボンディングワイヤー７３によって電気的に接続されている。

本実施形態による白色ＬＥＤでは、活性層４からｐ型ＧａＮコンタクト層８及びｐ側電極１１に向けて（図９の上から下への方向に）放射されるので、その光はカップ７０の外部に直接取り出されるわけではない。しかしながら、当該光はパッド電極７１において反射され、その反射光の中には発光ダイオードのチップ側面を介して外部に取り出される成分も存在する。かかる理由から、本実施形態の白色ＬＥＤにおいても、第１の実施形態と同様にｐ側電極１１及びｐ型ＧａＮコンタクト層８が除去された領域を通じて反射光が外部に取り出されるので、高効率な半導体発光素子を実現することが可能となる。

また、本実施形態による白色ＬＥＤでは、ｐ側電極１１はパッド電極７１に対して直接又は導電性の接着剤等を間に介して電気的に接続されているので、ｐ型ＧａＮコンタクト層８及びｐ側電極１１のパターン形状は第１の実施形態における例に限られず、独立した島状のパターンが複数並んで設けられたものを用いた場合にも容易に電気的接続を行うことが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、上記実施形態では、室温におけるフォトルミネッセンスの波長が４３０ｎｍである発光ダイオードを用いたが、これに限らず、広く青色から紫外にわたる波長の光（例えば、約４３０ｎｍ以下の波長の光）を発する半導体発光素子を用いることができる。第４の実施形態において紫外領域の波長の光を発する半導体発光素子を用いる場合には、第４の実施形態で用いた蛍光体の他に青色の蛍光体を用いる。青色の蛍光体としてはInGaNや（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ等が用いられる。

また、ｐ側電極の材料としては、パラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜以外に、パラジウム−白金−ニッケル−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ｎｉ／Ａｕ）の複合膜等を用いることができる。

また、基板として窒化ガリウムからなる基板を用いたが、シリコンカーバイドやサファイア等からなる基板を用いることも可能である。シリコンカーバイドからなる基板を用いる場合は、基板の導電型をｎ型としてこの基板にｎ側電極を形成することができる。することができる。また、サファイアからなる基板を用いる場合は、サファイア基板上に形成した窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層にｎ側電極を形成することができる。

その他、本発明は上記実施形態や実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態や実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態や実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態や実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図。 図１の半導体発光素子の製造工程を示す工程断面図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図。 図３の半導体発光素子の製造工程を示す工程断面図。 本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図。 図５の半導体発光素子の製造工程を示す工程断面図。 本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図。 ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ側電極のパターン形状の例を示す平面図。 本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図。

符号の説明

１…ｎ型ＧａＮ基板
２…ｎ型ＧａＮ層
３…ｎ型ガイド層
４…発光層
５…ｐ型第１ガイド層
６…電子オーバーフロー防止層
７、３７、５７…ｐ型第２ガイド層
８、３８、５８…ｐ型コンタクト層
１１、４１、６１…ｐ側電極
１２…ｎ側電極
４０…ＳｉＯ_２膜
６０…レジスト
８１、８２、８３…ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ側電極のパターン形状

Claims (15)

1. 基板と、この基板上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、この発光層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体層と、このｐ型半導体層上にパターン状に設けられ前記ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体コンタクト層と、このｐ型半導体コンタクト層上に設けられたｐ側電極と、このｐ側電極との間に電圧が印加されることにより前記発光層に通電を行うｎ側電極とを具備することを特徴とする半導体発光素子。
2. 基板と、この基板上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、この発光層上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の表面に選択的に設けられ前記ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体コンタクト層と、このｐ型半導体コンタクト層上に設けられたｐ側電極と、このｐ側電極との間に電圧が印加されることにより前記発光層に通電を行うｎ側電極とを具備することを特徴とする半導体発光素子。
3. 前記ｐ型半導体層の上面に凹凸が設けられ、当該ｐ型半導体層の凸部上面に前記ｐ型半導体コンタクト層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ｐ型半導体層の上面に凹凸が設けられ、当該ｐ型半導体層の凹部底面に前記ｐ型半導体コンタクト層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
5. 前記ｐ型半導体層の上面は平面状であり、当該ｐ型半導体層の上面の一部に前記ｐ型半導体コンタクト層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
6. 前記ｐ型半導体コンタクト層は、ストライプ状、格子状、或いは網目状のパターンで形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 前記ｐ型半導体コンタクト層に含まれるｐ型不純物はＭｇであり、当該ｐ型半導体コンタクト層にはＭｇが５×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度で含まれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子。
8. 前記ｐ型半導体層に含まれるｐ型不純物はＭｇであり、当該ｐ型半導体層にはＭｇが５×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３未満の濃度で含まれていることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記基板は窒化ガリウム、シリコンカーバイド、又はサファイアからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子。
10. 前記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮから選ばれる半導体であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体発光素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体発光素子と、この半導体発光素子から発せられる光の波長を変換する波長変換部材とを具備することを特徴とする照明装置。
12. 基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層を形成する工程と、このｎ型半導体層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を形成する工程と、この発光層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１のｐ型半導体層を形成する工程と、この第１のｐ型半導体層上に当該第１のｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を形成する工程と、この第２のｐ型半導体層上にｐ側電極膜を形成する工程と、このｐ側電極膜上にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパターンを用いて前記ｐ側電極膜の上面から第１のｐ型半導体層に至るまでパターン状にエッチングを行い、前記第２のｐ型半導体層からｐ型半導体コンタクト層を、前記ｐ側電極膜からｐ側電極を形成する工程と、ｎ側電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
13. 基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層を形成する工程と、このｎ型半導体層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を形成する工程と、この発光層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１のｐ型半導体層を形成する工程と、この第１のｐ型半導体層上にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパターンを用いて前記第１のｐ型半導体層をエッチングして当該第１のｐ型半導体層に凹部を形成する工程と、この凹部の底面に選択的に前記第１のｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を形成する工程と、この第２のｐ型半導体層上及び前記マスクパターン上にｐ側電極膜を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記第２のｐ型半導体層上に選択的にｐ側電極を形成する工程と、ｎ側電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
14. 基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層を形成する工程と、このｎ型半導体層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を形成する工程と、この発光層上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１のｐ型半導体層を形成する工程と、この第１のｐ型半導体層上にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパターンを用いて当該マスクパターンから露呈する第１のｐ型半導体層の上面に選択的に、前記第１のｐ型半導体層のｐ型不純物濃度より高い濃度のｐ型不純物を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を形成する工程と、この第２のｐ型半導体層上及び前記マスクパターン上にｐ側電極膜を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記第２のｐ型半導体層上に選択的にｐ側電極を形成する工程と、ｎ側電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
15. 前記第２のｐ型半導体層を選択的な気相成長法又はｐ型不純物のイオン注入法により形成することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体発光素子の製造方法。

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