JP2012124314A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、発光層と、透光層と、半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光層は、活性層を含む。前記透光層は、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する。前記半導体層は、前記発光層と前記透光層との間において前記透光層に接する。前記半導体層は、前記透光層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記活性層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、面内方向の引っ張り応力を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

化合物半導体は、高周波素子で代表される高速電子デバイス、発光・受光素子で代表される光デバイスなどのさまざまな分野で利用されている。例えば、窒化物半導体を応用した発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が実用化されている。半導体発光素子において発光効率の向上と光取り出し効率の向上が望まれている。

特開２００８−１８２１１０号公報

本発明の実施形態は、発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、発光層と、透光層と、半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光層は、活性層を含む。前記透光層は、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する。前記半導体層は、前記発光層と前記透光層との間において前記透光層に接する。前記半導体層は、前記透光層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記活性層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、面内方向の引っ張り応力を有する。

第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、参考例の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。

以下に、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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の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に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、発光層３０と、透光層４０と、第１半導体層１０（半導体層）と、を備える。

発光層３０は、活性層を含む。活性層は、例えば井戸層である。発光層３０の構成の例については後述する。

透光層４０は、発光層３０から放出される光に対して透光性を有する。
第１半導体層１０は、発光層３０と透光層４０との間において透光層４０に接する。

半導体発光素子１１０は、第２半導体層２０をさらに備える。発光層３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に配置される。

第１半導体層１０は、第１導電形を有する。第２半導体層２０は、第２導電形を有する。すなわち、第２半導体層２０は、第１半導体層１０の導電形とは異なる導電形を有する。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である場合について説明する。ただし、実施形態はこれに限らず、第１導電形と第２導電形とは、互いに入れ替えることができる。

このように、半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０と第２半導体層２０と発光層３０とを含む積層構造体１０ｓが設けられる。積層構造体１０ｓは、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとを有する。第２主面１０ｂは、第１主面１０ａとは反対側の面である。第１主面１０ａと発光層３０との間に第２半導体層２０が配置される。第２主面１０ｂと発光層３０との間に第１半導体層１０が配置される。積層構造体１０ｓの第２主面１０ｂの側に透光層４０が設けられている。後述するように、透光層４０は、光取り出し層（光取り出し窓）または保護層としての機能を有することができる。

半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０に電気的に接続された第１電極７０と、第２半導体層２０に電気的に接続された第２電極８０と、をさらに備える。本具体例では、第１半導体層１０の第１主面１０ａの側の一部が露出している。露出した第１半導体層１０に接して第１電極７０が設けられている。第１電極７０及び第２電極８０の少なくともいずれかには、金属が用いられる。また、第１電極７０及び第２電極８０の少なくともいずれかには、透明導電材料が用いられる。透明導電材料としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの金属酸化物が用いられる。

半導体発光素子１１０において、第１電極７０と第２電極８０との間に電圧が印加され、発光層３０から光が放出される。半導体発光素子１１０においては、図１に表したように、発光層３０から放出された光は、透光層４０を通過して半導体発光素子１１０の外部に出射する。すなわち、半導体発光素子１１０からの出射光３０Ｌは、第２主面１０ｂの側から出射する。透光層４０は、半導体発光素子１１０の光取り出し部となる。

ここで、第１半導体層１０から発光層３０に向かう方向をＺ軸方向（第１方向）とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直でＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

以下、発光層３０の構成の例について説明する。
図２は、第１の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２に表したように、発光層３０は、複数の障壁層ＢＬと、複数の障壁層ＢＬの間に設けられた活性層ＷＬと、を含む。

この例では、活性層ＷＬが複数設けられている。具体的には、活性層ＷＬの数が３である。ただし、実施形態はこれに限らない。活性層ＷＬの数は任意である。本具体例においては、発光層３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。

複数の活性層ＷＬは、第１活性層ＷＬ１〜第ｎ活性層ＷＬｎを含む。ここで、「ｎ」は２以上の整数である。例えば、第（ｉ＋１）活性層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ活性層ＷＬｉと第２半導体層２０との間に設けられる。ここで、「ｉ」は１以上の整数である。

複数の障壁層ＢＬは、第１障壁層ＢＬ１〜第ｎ障壁層ＢＬｎを含む。例えば、第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２半導体層２０との間に設けられる。

第ｉ活性層ＷＬｉは、第ｉ障壁層ＢＬｉと第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）との間に設けられるものとする。さらに、複数の障壁層ＢＬは、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）を有している。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、例えばｐ側障壁層ＢＬＰである。

このように、発光層３０は、活性層ＷＬを複数含む。複数の活性層ＷＬは、第１半導体層１０から発光層３０に向かうＺ軸方向に沿って積層されている。発光層３０は、複数の障壁層ＢＬをさらに含む。複数の障壁層ＢＬは、複数の活性層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。複数の障壁層ＢＬのそれぞれの間に複数の活性層ＷＬのそれぞれが配置される。

なお、本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に別の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。

図３は、第１の実施形態に係る別の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は、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１における発光層３０の構成を例示している。半導体発光素子１１１における発光層３０以外の構成は、半導体発光素子１１０の構成と同様なので説明を省略する。

図３に表したように、半導体発光素子１１１においては、発光層３０は、２つの障壁層ＢＬと１つの活性層ＷＬとを含む。このように、半導体発光素子１１１における発光層３０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。

このように、発光層３０は、活性層ＷＬの他に複数の障壁層ＢＬをさらに含む。複数の障壁層ＢＬは、活性層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。そして、活性層ＷＬは、複数の障壁層ＢＬの間に設けられる。

このように、実施形態においては、ＭＱＷ構造またはＳＱＷ構造が採用される。

以下では、ＭＱＷ構造を有する半導体発光素子１１０に関して説明する。ただし、以下の説明は、ＳＱＷ構造を有する半導体発光素子１１１にも適用される。

第１半導体層１０、第２半導体層２０及び発光層３０には、窒化物半導体が用いられる。すなわち、第１半導体層１０、第２半導体層２０及び発光層３０は、窒化物半導体を含む。

活性層ＷＬはＩｎＧａＮを含み、障壁層ＢＬはＧａＮを含むことができる。活性層ＷＬには、例えば、Ｉｎ組成比が１５％のＩｎＧａＮ層が用いられる。これにより、障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーは、活性層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きくなる。

障壁層ＢＬにはＩｎがドープされなくても良い。すなわち、障壁層ＢＬはＩｎを実質的に含まない。活性層ＷＬのIII族元素中におけるＩｎの組成比は、障壁層ＢＬのIII族元素中におけるＩｎの組成比よりも高い。すなわち、障壁層ＢＬがＩｎを含む場合においても、障壁層ＢＬのＩｎの組成比は、活性層ＷＬのＩｎの組成比よりも低い。
活性層ＷＬの厚さは、例えば３ｎｍである。障壁層ＢＬの厚さは、例えば１０ｎｍである。

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０は、透光層４０の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する。さらに、第１半導体層１０は、活性層ＷＬの格子定数よりも小さい格子定数を有する。さらに、第１半導体層１０は、面内方向の引っ張り応力を有する。
これにより、発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子が提供される。

例えば、第１半導体層１０は、ＧａＮ層である。ＧａＮの熱膨張係数は、約５．５×１０^−６Ｋ^−１である。このとき、透光層４０には、約５．５×１０^−６Ｋ^−１よりも小さい熱膨張係数を有する材料が用いられる。

透光層４０は、例えば酸化珪素を含む。さらに具体的には、透光層４０は、二酸化珪素を含む。例えば、透光層は、二酸化珪素を主成分として含むことができる。ただし、実施形態はこれに限らず、透光層４０には、例えば屈折率や熱膨張係数を制御するために、任意の元素が添加されても良い。添加される元素は、例えばＡｌ、Ｚｒ及びＴｉの少なくともいずれかとすることができる。

例えば二酸化珪素の熱膨張係数は、約０．５×１０^−６Ｋ^−１である。従って、第１半導体層１０としてＧａＮ層を用い、透光層４０として二酸化珪素を用いると、第１半導体層１０の熱膨張係数は、透光層４０の熱膨張係数よりも大きくなる。
透光層４０には、例えば、厚さが５００ｎｍの酸化珪素膜が用いられる。

さらに、発光層３０から放出される光の波長（例えばピーク波長）は、例えば４１０ナノメートル（ｎｍ）以上５５０ｎｍ以下である。透光層４０が、酸化珪素を含む場合、透光層４０は、この波長の光に対して透光性を有する。

また、既に説明しように、活性層ＷＬはＩｎＧａＮを含む。活性層ＷＬにＩｎＧａＮ層を用い、第１半導体層１０にＧａＮ層を用いると、第１半導体層１０の格子定数は、活性層ＷＬの格子定数よりも小さくなる。

このように異なる格子定数を有する結晶層を積層した場合には、両者が格子を整合させるために、格子定数の大きな結晶層に圧縮応力が印加されるか、あるいは格子定数の大きな結晶層に引張り応力が印加される。このとき外部からの要因により格子定数の小さな結晶層に圧縮応力が加えられると、格子定数の大きな結晶層にはより大きな圧縮応力が加えられ、適正なひずみバランスは得られなくなる。

一方、外部からの要因により格子定数の小さな結晶層に引張り応力が加えられると、格子定数が大きな結晶に印加されている圧縮応力は一部緩和されるため、より適正なひずみバランスが達成される。

後述するように、第１半導体層１０は、透光層４０の上に形成される。この形成（またはその後の処理など）において、第１半導体層１０及び透光層４０の積層体は、高温で処理される。本実施形態においては、第１半導体層１０の熱膨張係数が透光層４０の熱膨張係数よりも大きいため、高温での熱処理後に低温（例えば室温）にした時に、第１半導体層１０には、面内方向の引っ張り応力が印加される。

この面内方向の引っ張り応力は、第１半導体層１０から発光層３０に向かうＺ軸方向に交差する方向に沿う成分を有する。この面内方向の引っ張り応力は、Ｚ軸方向に対して垂直な面内（Ｘ−Ｙ平面内）の成分を有する。さらに具体的には、この面内方向の引っ張り応力は、Ｘ−Ｙ面内の応力である。この面内方向の引っ張り応力は、例えば、第１半導体層１０の（０００１）面に対して平行な応力である。

なお、第１半導体層１０が面内方向の引っ張り応力を有するとき、第１半導体層１０は、厚さ方向の圧縮応力を有する。すなわち、第１半導体層１０には、Ｚ軸方向に沿った圧縮応力を有する。

半導体発光素子１１０においては、熱プロセス後の熱収縮により第１半導体層１０へ印加される圧縮応力が抑制できる。すなわち、引っ張り応力を有する第１半導体層１０と第１半導体層１０よりも大きい格子定数を有する活性層ＷＬとを組み合わせることで、適正な歪みバランスを実現する。これにより高い発光特性を得ることができる。

さらに、第１半導体層１０に引っ張り応力を与える基となる透光層４０が、発光層３０から放出される光に対して透光性を有する。これにより、高い光取り出し効率を得ることができる。
このように、半導体発光素子１１０によれば、発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子が提供される。

本実施形態において透光層４０は、非晶質（例えば酸化珪素など）であることが望ましい。透光層４０が結晶層である場合には、透光層４０と第１半導体層１０との間の格子不整合に起因して、第１半導体層１０に面内方向の圧縮応力が加わることがある。これに対し、透光層４０が非晶質である場合には、透光層４０と第１半導体層１０との間の格子不整合に起因して発生する圧縮応力が発生しない。これにより、適正な歪みバランスがより実現し易い。

以下、半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、第１の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４（ａ）に表したように、本製造方法においては、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造を有する基板５１が用いられる。本具体例では、基板５１は、基体５０と、シリコン層６０と、絶縁層４０ｆと、を有する。絶縁層４０ｆは、基体５０とシリコン層６０との間に設けられている。絶縁層４０ｆが、透光層４０となる。ただし、実施形態はこれに限らない。例えば、基体５０が省略され、基板５１は、絶縁層４０ｆと、絶縁層４０ｆの上に設けられたシリコン層６０と、を有していても良い。

基体５０には、例えばシリコン結晶基板が用いられる。本具体例では、基体５０の結晶の面方位は、（１１１）面である。但し、実施形態はこれに限らない。基体５０には、例えば多結晶層を用いても良い。また、基体５０が結晶層である場合において、その結晶層の面方位は任意である。基体５０の厚さは、例えば６５０マイクロメートル（μｍ）である。ただし、実施形態において、基体５０の厚さは任意である。

絶縁層４０ｆには、例えばＳｉＯ_２が用いられる。絶縁層４０ｆの厚さは、例えば２００ｎｍである。

シリコン層６０の厚さは、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。さらに具体的には、シリコン層６０の厚さは、例えば約１０ｎｍである。シリコン層６０の結晶面方位は、例えば（１１１）面である。

なお、基板５１において、シリコン層６０の厚さが所望の厚さよりも厚い場合には、例えば、シリコン層６０の表面部分を熱酸化し、シリコン層６０のうちのシリコン結晶部分の厚さを薄くし、熱酸化した層を除去することで、シリコン層６０の厚さを所望の厚さ（例えば約１０ｎｍ）にすることができる。なお、熱酸化した層の除去には、例えば、弗酸処理を用いることができる。

基板５１に、例えば希弗酸処理を施す。この処理により、シリコン層６０の表面に、水素で終端された表面構造を付与することができる。これにより、シリコン層６０の表面は、はっ水性の表面となる。この希弗酸処理には、例えば、濃度１％程度の希弗酸溶液を用いることができる。処理時間は、例えば約１分程度である。

なお、シリコン層６０の表面部分の熱酸化した層を除去するための上記の弗酸処理を実施することにより、水素で終端された表面構造を付与するための上記の希弗酸処理を省略することもできる。

図４（ｂ）に表したように、シリコン層６０の上に、第１半導体層１０となる半導体結晶１０ｐを形成する。この半導体結晶１０ｐの形成は、薄膜結晶成長（エピタキシャル成長）である。本具体例では、この半導体結晶１０ｐは、ＧａＮ層である。

このＧａＮ層の形成においては、例えば、以下が行われる。
基板５１を例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属を用いた気相成長法）装置に導入し、基板５１の温度を例えば５００℃に上げる。この温度で、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)及びＮＨ_３（アンモニア）を原料として、第１のＧａＮ層を形成する。第１のＧａＮ層の厚さは、例えば２０ｎｍである。

基板５１の温度を例えば１０８０℃に上げる。この温度で、ＴＭＧ及びＮＨ_３を原料として、第２のＧａＮ層を形成する。第２のＧａＮ層の厚さは、例えば２μｍである。第１のＧａＮ層及び第２のＧａＮ層が、第１半導体層１０となる半導体結晶１０ｐに対応する。

この昇温過程（上記の例では５００℃から１０８０℃への昇温）、及び、高温（上記の例では１０８０℃）での第２のＧａＮ層の形成において、シリコン層６０の厚さが減少する。すなわち、シリコン層６０に含まれるシリコン原子が、半導体結晶１０ｐに取り込まれる。シリコン層６０が薄いため、シリコン層６０に含まれる実質的に全てのシリコン原子が、半導体結晶１０ｐに取り込まれる。

このため、図４（ｃ）に表したように、シリコン層６０が消失する。これにより、第１半導体層１０が形成される。この第１半導体層１０は、シリコンを含む。そして、絶縁層４０ｆが透光層４０となる。

そして、第１半導体層１０の上に発光層３０を形成する。さらに、発光層３０の上に、第２半導体層２０を形成する。これにより、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０を含む積層構造体１０ｓが形成される。

積層構造体１０ｓを処理装置から取り出し、以下のデバイスプロセスを実施する。
例えば、積層構造体１０ｓと基体５０とを分離し、基体５０を除去する。具体的には、例えば、第２半導体層２０の表面に保護膜を形成する。そして、基体５０を研磨または化学的なエッチングにより除去する。そして、保護膜を除去する。

さらに、例えば、第２半導体層２０の一部、発光層３０の一部、及び、第１半導体層１０の一部を加工して、第１半導体層１０の一部を露出させる。そして、露出した第１半導体層１０の上に第１電極７０を形成する。第２半導体層２０の上に第２電極８０を形成する。
これにより、半導体発光素子１１０が作製される。なお、上記の基体５０の除去は、技術的に可能な任意の工程で実施できる。

このようにして作製された半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０に面内方向の引っ張り応力が加えられている。発光層３０及び第２半導体層２０を含む半導体層のエピタキシャル成長は、高温で行われる。この高温のエピタキシャル成長終了後に、基板５１の温度を室温に戻す際にも、透光層４０（絶縁層４０ｆ）のＳｉＯ_２層の熱膨張係数が、第１半導体層１０（半導体結晶１０ｐ）の熱膨張係数よりも小さいため、透光層４０の熱収縮は小さい。このため、第１半導体層１０には圧縮応力（面内方向の圧縮応力）が印加されない。

第１電極７０及び第２電極８０の形成の際に、これらの電極と半導体層との接触抵抗を下げるために高温プロセスが用いられる。半導体発光素子１１０においては、電極形成のための高温プロセスを経た後でも、熱膨張と収縮との繰り返しによる第１半導体層１０への圧縮応力（面内方向の圧縮応力）が抑制される。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、参考例の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５（ａ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、サファイアの基板６１の上に第１半導体層１０が形成されている。サファイア結晶基板上にＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長する場合、ＧａＮ結晶格子が整合するサファイア結晶の格子長は、対象となるＧａＮ結晶格子長よりも短い。さらに、サファイアの熱膨張係数は、ＧａＮ結晶の熱膨張係数よりも大きい。すなわち、第１参考例においては、第１半導体層１０の熱膨張係数は、下地の基板６１の熱膨張係数よりも小さい。

このような格子定数の差異と熱膨張係数の差異とにより、第１参考例においては、サファイアの基板６１の上にＧａＮの第１半導体層１０を含む積層構造体１０ｓを高温で形成した後に、室温まで温度を下げた際に、第１半導体層１０には、大きな圧縮応力（面内方向の圧縮応力）が印加されている。

そして、このような面内方向の圧縮応力を有する第１半導体層１０の上に、第１半導体層１０（例えばＧａＮ層）の格子定数よりも大きい格子定数を有する活性層ＷＬ（例えばＩｎＧｓＮ層）を含む発光層３０が設けられている。このため、この構成においては、第１半導体層１０及び発光層３０を含む半導体結晶層において、歪みが適正化されない。例えば、活性層ＷＬに過度な圧縮応力が加わる。このため、例えば発光層３０における結晶品質が低下し、発光効率が低下する。

なお、サファイアの基板６１と第１半導体層１０との間に、格子調整層を設ける構成がある。すなわち、格子調整層により第１半導体層１０に加わる面内方向の圧縮応力を調整し、これにより、活性層ＷＬに印加される圧縮応力を緩和することが試みられる。しかしながら、半導体結晶層の歪みの格子調整層による適正化には限界がある。従って、格子調整層を用いる構成においても、発光効率の向上に限界がある。

なお、例えば、サファイアの基板６１の上に第１半導体層１０を含む積層構造体１０ｓを形成した後に基板６１を除去する構成がある。さらに、基板６１を除去した後に、第１半導体層１０にＳｉＯ_２層（例えば保護層）を設ける構成がある。このように、サファイアの基板６１を除去した場合においても、第１半導体層１０には面内方向の圧縮応力が残存している。従って、基板６１を除去し、第１半導体層１０にＳｉＯ_２層を設ける構成においても、第１半導体層１０には面内方向の圧縮応力が残存する。このように、サファイアの基板６１の上に第１半導体層１０を形成する構成においては、応力の適正化は困難である。すなわち、第１参考例及びその延長上においては、発光効率が低い。

図５（ｂ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、シリコン結晶の基板６２の上に第１半導体層１０が形成されている。シリコン（１１１）面上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長する場合、対応するシリコンの格子長は、ＧａＮのａ軸長さよりも長い。さらに、シリコン結晶の熱膨張係数は、ＧａＮ結晶の熱膨張係数よりも小さい。従って、シリコン結晶の基板６２の上に形成された第１半導体層１０には、面内方向の引っ張り応力が残存する。従って、第２参考例の構成においては、活性層ＷＬに加わる歪みが適正化される可能性がある。

しかしながら、第２参考例においては、基板６２に用いられているシリコン結晶は、発光層３０から放出する光を吸収する。すなわち、基板６２は、発光層３０から放出する光に対して透光性を有していない。このため、基板裏面からの光取出しは困難である。また、基板表面側から光を取り出す場合も、裏面側に向かった光が吸収されているため高い光取り出し効率を得ることが困難である。

なお、半導体発光素子１１９ｂの構成において、基板６２と第１半導体層１０との間にＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いた反射層を設ける構成も考えられる。しかしながら、この構成においては、良好な反射特性と、第１半導体層１０に対する適切な熱膨張係数の関係と、を両立することが難しいため、高い発光効率と同時に高い光取り出し効率を得ることが困難である。

図５（ｃ）に表したように、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、第２半導体層２０の表面（下面）に金属層６３が設けられ、金属層６３の下面にシリコン板６２が設けられ、シリコン板６２の下面に第２電極８０が設けられている。この構成は、例えば、図示しない基板の上に、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０を形成した後に、第２半導体層２０の表面に、金属層６３及び第２電極８０を有するシリコン板６２を設けたものである。そして、基板が除去され、第１半導体層１０の上に第１電極７０が設けられている。この構成においては、発光層３０から放出された光は、金属層６３で反射し、第２主面１０ｂの側から出射する。一般に、金属層６３の熱膨張係数は、第２半導体層２０のＧａＮの膨張係数よりも大きい。このため、金属層６３を第２半導体層２０の上に形成する熱プロセス後に金属層６３が大きく収縮する。このため、第２半導体層２０には面内方向に圧縮応力が印加される。従って、第３参考例においても、高い発光効率と同時に高い光取り出し効率を得ることが困難である。

これに対し、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、熱プロセス後の熱収縮により第１半導体層１０へ印加される圧縮応力が抑制される。すなわち、適正な歪みバランスが実現される。これにより高い発光特性を得ることができる。さらに、第１半導体層１０に引っ張り応力を与える基となる基板として透光層４を用いることで、高い光取り出し効率を得ることができる。このように、半導体発光素子１１０によれば、発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子が提供される。

さらに、非晶質の透光層４０を用いることで、透光層４０と第１半導体層１０との間の格子不整合に起因して発生する圧縮応力が発生しない、これにより、適正な歪みバランスがより実現し易くなる。

実施形態においては、このように、第１半導体層１０に面内方向の引っ張り応力を付与しているため、例えば格子調整層を省略することができる。格子調整層を省略しても、良好な活性層ＷＬが得られる。これにより、発光効率が高まり、高い発光強度が得られる。 このように、実施形態においては、発光層３０は、第１半導体層１０と接して設けられることができる。

上記のように、実施形態においては、第１半導体層１０は、例えば、透光層４０（絶縁層４０ｆ）の上のシリコン層６０の上に第１半導体層１０（半導体結晶１０ｐ）を形成することで得られる。そして、シリコン層６０は、第１半導体層１０の形成後に実質的に消失する。もしシリコン層６０が残存していた場合は、シリコン層６０が発光層３０から放出する光を吸収するため、光取り出し効率が低下する。

例えば、発光層３０から放出される光の波長（ピーク波長）が、４４０ｎｍである場合には、シリコン層６０の光の吸収係数は、１．２６×１０^４ｃｍ^−１である。このため、シリコン層６０の厚さが、１０ｎｍのときは、光の吸収率は１パーセント（％）以上になる。実施形態においては、シリコン層６０が実質的には存在せず、第１半導体層１０は、透光層４０に実質的に接する。

図６は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、実施形態に係る半導体発光素子１１０及び第１参考例の半導体発光素子１１９ａのラマン分光測定結果を例示している。同図においては、ＧａＮに対応するラマンスペクトル（Ｅ２）が表されている。図５の横軸は、ラマンシフトＲＳ（波数、ｃｍ^−１）である。縦軸は、ラマン散乱の強度Ｉｒ（任意目盛り）である。

図６に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、強度ＩｒがピークとなるラマンシフトＲＳは、５６６．５ｃｍ^−１である。第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、強度ＩｒがピークとなるラマンシフトＲＳは、５７０ｃｍ^−１である。応力が印加されていないときのＧａＮのラマンシフトＲＳは、５６８ｃｍ^−１である。従って、図６の結果から、半導体発光素子１１０においては、ＧａＮ層（第１半導体層１０）に、面内方向に引っ張り応力が印加されていることが分かる。また、半導体発光素子１１９ａにおいては、ＧａＮ層（第１半導体層１０）に、面内方向に圧縮応力が印加されていることが分かる。

このように、第１半導体層１０に印加されている応力は、例えばラマン分光分析によって判定できる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０及び第１参考例の半導体発光素子１１９ａの発光特性の測定結果をそれぞれ例示している。半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１１９ａは、ＭＱＷ構造を有する半導体発光素子である。この発光特性は、光励起の発光測定法（ＰＬ法）により測定された。横軸は、波長λ（ｎｍ）である。縦軸は、ＰＬ発光強度ＰＬＩ（任意目盛り）である。

図７（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０におけるピーク波長は、約４４０ｎｍである。なお、４４０ｎｍの波長の光に対して、透光層４０は透光性を有する。
図７（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１９ａにおけるピーク波長も、約４４０ｎｍである。
図７（ａ）及び図７（ｂ）から分かるように、半導体発光素子１１０のＰＬ発光強度ＰＬＩの最大値は、半導体発光素子１１９ａのＰＬ発光強度ＰＬＩの最大値よりも大きい。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１１及び第４参考例の半導体発光素子１１９ｄの発光特性の測定結果をそれぞれ例示している。半導体発光素子１１１及び半導体発光素子１１９ｄは、ＳＱＷ構造を有する半導体発光素子である。半導体発光素子１１９ｄにおける発光層３０以外の構成は、図５（ａ）に例示した半導体発光素子１１９ａと同様である。すなわち、半導体発光素子１１９ｄにおいては、サファイアの基板６１の上に第１半導体層１０が形成され、その上にＳＱＷ構造の発光層３０が形成された。

図８（ａ）に表したように、半導体発光素子１１１におけるピーク波長は、約５１０ｎｍである。なお、５１０ｎｍの波長の光に対して、透光層４０は透光性を有する。
図８（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１９ｄにおけるピーク波長は、約４９０ｎｍである。

図８（ａ）及び図８（ｂ）から分かるように、半導体発光素子１１１のＰＬ発光強度ＰＬＩの最大値は、半導体発光素子１１９ｄのＰＬ発光強度ＰＬＩの最大値よりも大きい。

このように、ＭＱＷ構造においてもＳＱＷ構造においても、実施形態においては、高いＰＬ発光強度が得られる。

なお、ＳＱＷ構造を有する半導体発光素子１１１も、図６に例示した半導体発光素子１１０と同様のラマンスペクトル特性（ラマンシフトＲＳ）を有する。

一般に、半導体層にｎ形不純物（例えばシリコン）をドーピングすることでｎ形半導体層が得られ、半導体層にｐ形不純物（例えばマグネシウム）をドーピングすることでｐ形不純物が得られる。例えば、ｎ形半導体層（例えば第１半導体層１０に相当）となるＧａＮ層の形成の際（例えば１０８０℃でのＧａＮ層の形成の際）に、シリコン原子を約１０^１８ｃｍ^−３でドーピングすることで、ｎ形半導体層が得られる。

図４（ｃ）に関して既に説明したように、実施形態においては、第１半導体層１０は、透光層４０（絶縁層４０ｆ）の上のシリコン層６０の上に第１半導体層１０（半導体結晶１０ｐ）を形成することで得られる。このとき、シリコン層６０からシリコン原子が半導体結晶１０ｐ（第１半導体層１０）に導入される。このため、通常行われるドーピングを省略することができる。

すなわち、シリコン層６０の上に、第１半導体層１０（半導体結晶１０ｐ）を形成する際に、第１半導体層１０中のＧａ原子とシリコン層６０とが反応し、シリコン原子が第１半導体層１０中に拡散する。従って、第１半導体層１０の形成の際にシリコン原料を用いなくても、第１半導体層１０の透光層４０の側の部分（成長層の下部）には、シリコン原子が導入される。

例えば、第１半導体層１０の透光層４０の側の部分（例えば約５００ｎｍの厚さ）には、１０^１８ｃｍ^−３以上１０^２０ｃｍ^−３以下の程度で、シリコン原子が含まれる。

このように、半導体発光素子１１０の製造においては、例えば、シリコン層６０からシリコン原子が半導体結晶１０ｐ（第１半導体層１０）に導入される。このため、半導体結晶１０ｐには、シリコン原子の濃度分布が形成され易い。例えば、図４（ｃ）に表したように、第１半導体層１０は、透光層４０に近い第１部分１１と、第１部分１１と発光層３０との間に設けられた第２部分１２と、を含むことができる。そして、第１部分１１におけるシリコンの濃度は、第２部分１２におけるシリコンの濃度よりも高い。

なお、半導体発光素子１１０の製造において、例えば、基板としてシリコン結晶基板を用いると、大量のシリコン原子が窒化ガリウム中全域に拡散する。このため、成長層の下部ではシリコンと窒化ガリウムの混晶に近い形態となり、望ましくない。

これに対し、上記の製造方法においては、極薄のシリコン層６０を用いるため、第１半導体層１０中に導入されるシリコン原子の量が制御し易い。

本実施形態は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に関して説明した半導体発光素子の製造方法を含むことができる。この製造方法は、活性層ＷＬを含む発光層３０と、発光層３０から放出される光に対して透光性を有する透光層４０と、発光層３０と透光層４０との間において透光層４０に接し、透光層４０の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、活性層ＷＬの格子定数よりも小さい格子定数を有し、面内方向の引っ張り応力を有する第１半導体層１０（半導体層）と、を含む半導体発光素子の製造方法である。

この製造方法は、透光層４０となる透光膜（例えば絶縁層４０ｆ）の上に設けられたシリコン層６０の上に第１半導体層１０（例えば半導体結晶１０ｐ）を形成し、第１半導体層１０の形成の後にシリコン層６０を消失させる。
これにより、第１半導体層１０は透光膜（透光層４０）に接する。

本製造方法において、このシリコン層６０の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが望ましい。シリコン層６０の厚さが２ｎｍよりも薄いと、均一な第１半導体層１０が得られ難くなる。シリコン層６０の厚さが２０ｎｍよりも厚いと、シリコン層６０が消失し難くなる。このため、光が吸収され、光取り出し効率が低下し易い。

シリコン層６０の上記の消失は、シリコン層６０の温度を上昇させることで、シリコン層６０に含まれるシリコンを第１半導体層１０中に導入することを含む。これにより、実質的にシリコン層６０が消失する。

また、本実施形態においては、第１半導体層１０は、シリコン層６０から導入されたシリコン原子を含む。

上記の製造方法で製造された半導体発光素子においては、第１半導体層１０は、透光層４０となる透光膜（例えば絶縁層４０ｆ）の上に設けられたシリコン層６０の上に形成され、第１半導体層１０の形成の後にシリコン層６０を消失することで第１半導体層１０は上記の透光膜に接する。このシリコン層６０の消失は、シリコン層６０の温度を上昇させることを含む。さらに、上記の製造方法で製造された半導体発光素子においては、第１半導体層１０は、シリコン層６０から導入されたシリコン原子を含んでいる。

なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）に関して説明した製造方法では、半導体層の形成方法（結晶成長の方法）として、有機金属を用いた気相成長（ＭＯＣＶＤ）法に関して説明したが、実施形態はこれに限らない。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ: Molecular Beam Epitaxy）法及びＨＶＰＥ(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法などの任意の方法を用いることができる。

（第２の実施の形態）
図９は、第２の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９に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１２０は、発光層３０、透光層４０及び第１半導体層１０に加え、反射層４５をさらに備える。なお、この場合も第２半導体層２０、第１電極７０及び第２電極８１が設けられている。発光層３０、透光層４０及び第１半導体層１０の構成については、半導体発光素子１１０と同様なので説明を省略する。

反射層４５は、発光層３０から放出される光を反射する。透光層４０は、第１半導体層１０と反射層４５との間に配置されている。反射層４５には、例えば金属が用いられる。

第２電極８１は、発光層３０から放出された光に透光性を有している。

図８に例示したように、半導体発光素子１２０においては、発光層３０から放出された光は、第１半導体層１０から発光層３０に向かう方向で、半導体発光素子１２０の外部に出射する。すなわち、半導体発光素子１２０からの出射光３０Ｌは、第１主面１０ａの側から出射する。出射光３０Ｌは、第２電極８１を通過して半導体発光素子１２０の外部に出射する。半導体発光素子１２０においては、発光層３０から出射した光の少なくとも一部は、透光層４０を通過し、反射層４５で反射して、半導体発光素子１２０の外部に出射する。

半導体発光素子１２０は、例えば、透光層４０の上に積層構造体１０ｓを形成した後に、透光層４０の積層構造体１０ｓとは反対側の面に反射層４５を形成することで作製される。

例えば、第１半導体層１０に反射層４５（例えば金属膜）を熱プロセスにより直接積層する参考例においては、降温時に熱膨張係数の差によって第１半導体層１０に圧縮応力が加わる。このため、発光効率が低い。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１２０においては、反射層４５と第１半導体層１０との間に、ＳｉＯ_２層等の透光層４０が設けられる。第１半導体層１０に接する層として、第１半導体層１０よりも小さい熱膨張係数を有する透光層４０を用いることで、第１半導体層１０に与える圧縮応力を抑制することが可能である。半導体発光素子１２０においても、発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子が得られる。

このように、実施形態においては、総合的に歪バランスを適正化する。すなわち、半導体層の保護層、及び、光取り出し層の少なくともいずれかのために用いられる層（透光層４０）の材料が適正に選択され、適正な歪バランスを有する構造が提供される。

実施形態によれば、発光効率が高く光取り出し効率が高い半導体発光素子が提供される。

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、本発明の実施形態は、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半導体層、発光層、活性層、障壁層、透光層、反射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。

１０…第１半導体層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｐ…半導体結晶、 １０ｓ…積層構造体、 １１…第１部分、 １２…第２部分、 ２０…第２半導体層、 ３０…発光層、 ３０Ｌ…出射光、 ４０…透光層、 ４０ｆ…絶縁層、 ４５…反射層、 ５０…基体、 ５１…基板、 ６０…シリコン層、 ６１…基板、 ６２…シリコン板、 ６３…金属層、 ７０…第１電極、 ８０、８１…第２電極、 １１０、１１１、１１９ａ〜１１９ｄ、１２０…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬｉ…第１〜第ｉ障壁層、 ＢＬＰ…ｐ側障壁層、 Ｉｒ…強度、 ＰＬＩ…ＰＬ発光強度、 ＲＳ…ラマンシフト、 ＷＬ…活性層、 ＷＬ１〜ＷＬｉ…第１〜第ｉ活性層

本発明の実施形態によれば、発光層と、透光層と、半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光層は、活性層を含む。前記透光層は、前記発光層から放出される光に対して透光性を有し、酸化珪素、または、任意の元素が添加された酸化珪素からなり非晶質である。前記半導体層は、前記発光層と前記透光層との間において前記透光層に接する。前記半導体層は、前記透光層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記活性層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、面内方向の引っ張り応力を有する。

本発明の実施形態によれば、発光層と、透光層と、ＧａＮ層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記透光層は、酸化珪素、または、任意の元素が添加された酸化珪素からなり非晶質である。前記ＧａＮ層は、前記透光層の上に形成され前記透光層に接する。前記発光層は、前記ＧａＮ層の上に形成され活性層を含む。前記透光層は、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する。前記ＧａＮ層は、前記透光層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記活性層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、面内方向の引っ張り応力を有し、５６８ｃｍ ^−１ よりも小さいラマンシフトを有する。

Claims (6)

1. 活性層を含む発光層と、
   前記発光層から放出される光に対して透光性を有する透光層と、
   前記発光層と前記透光層との間において前記透光層に接し、前記透光層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記活性層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、面内方向の引っ張り応力を有する半導体層と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記透光層は、非晶質であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記透光層は、酸化珪素を含む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。
4. 前記活性層は、ＩｎＧａＮを含み、
   前記半導体層は、ＧａＮを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記光は、前記透光層を通過して前記半導体発光素子の外部に出射する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。
6. 前記光を反射する反射層をさらに備え、
   前記透光層は、前記半導体層と前記反射層との間に配置されている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。

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