JP2015043468A - 紫外半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】厚み方向の一面側からの光取り出し効率の向上を図れる紫外半導体発光素子を提供する。
【解決手段】紫外半導体発光素子は、基板１の一表面側にｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に発光層４が形成され、発光層４の表面側にｐ形窒化物半導体層５が形成されている。基板１は、発光層４から放射される紫外光に対して透明な単結晶基板である。紫外半導体発光素子は、ｎ形窒化物半導体層３に接触するｎ電極６と、ｐ形窒化物半導体層５に接触するｐ電極７とを有し、ｐ形窒化物半導体層５が、発光層４よりもバンドギャップが小さくｐ電極７との接触がオーミック接触となるｐ形コンタクト層５ｂを備えている。紫外半導体発光素子は、ｐ形窒化物半導体層５における発光層４とは反対側の表面に、ｐ電極７の形成領域を避けて凹部８が形成され、凹部８の内底面８ａに、発光層４から放射される紫外光を反射する反射膜９が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光層の材料として窒化物半導体材料を用いた紫外半導体発光素子に関するものである。

紫外光の波長域で発光する紫外半導体発光素子は、衛生、医療、工業、照明、精密機械などの様々な分野への応用が期待されている。

しかしながら、発光層の材料として窒化物半導体材料を用いた一般的な紫外半導体発光素子は、青色光を発光する窒化物半導体発光素子に比べて、発光効率および光出力が小さく、広く産業化されていないのが現状である。

ここにおいて、紫外半導体発光素子の発光効率が低い原因としては、貫通転位密度が高く、非発光再結合が支配的となり、内部量子効率が低いことや、ｐ形窒化物半導体層の性能が不十分である、などの理由も挙げられるが、発光した紫外光の外部への光取り出し効率が低いことが大きな原因となっている。例えば、発光層の材料をＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ≧０．４）とし、ｐ形窒化物半導体層に、ｐ電極とのオーミック接触を得るためのｐ形コンタクト層としてホール濃度を比較的高くすることが可能なｐ形ＧａＮ層を設けた紫外半導体発光素子（非特許文献１参照）では、ｐ形ＧａＮ層が、３６０ｎｍ以下の紫外光を吸収してしまうので、ｐ形ＧａＮ層に入射した紫外光が吸収され、外部へ取り出されないこととなり、外部への光取り出し効率が低下してしまう。

これに対して、基板の一表面側にｎ形窒化物半導体層とＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．４≦ｘ≦１．０）層からなる発光層とｐ形窒化物半導体層との積層構造を有し、ｐ形窒化物半導体層を、発光層よりもＡｌリッチなＡｌ_ｙ2Ｇａ_1-ｙ2Ｎ（ｘ＜ｙ2≦１．０）層からなるｐ形クラッド層と当該ｐ形クラッド層上のＡｌ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ（０≦ｚ2＜ｙ2）層からなるｐ形コンタクト層とで構成した紫外光半導体発光素子において、ｐ形コンタクト層に溝部を形成し、ｐ形コンタクト層の溝部から紫外光を取り出すことができるようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

M. ASIF KHAN,et al,「III-Nitride UV Devices」，Jpn. J. Appl. Rhys.,Vol.44, No.10, 2005, p.7191-7206

特開２００８−１７１９４１号公報

ところで、上記特許文献１に記載された紫外半導体発光素子では、基板としてサファイア基板やＳｉＣ基板などを用いているので、厚み方向の両面側から紫外光が取り出されることとなる。言い換えれば、この紫外半導体発光素子では、基板の他表面側と、ｐ形コンタクト層に形成した溝部に対応する部位の表面側とから紫外光が取り出されることになる。したがって、この紫外半導体発光素子では、全体として、より多くの紫外光が取り出される。

しかしながら、紫外半導体発光素子を実用する場合には、厚み方向の一面側からのみ紫外光が取り出される構造が望ましい。これは、紫外半導体発光素子は、内部量子効率が低く、注入した電力のほとんどが熱となるため、フリップチップ実装して用いる場合が多いからである。ここにおいて、上記特許文献１に開示された紫外半導体発光素子をパッケージなどに実装して用いる場合、ｐ形コンタクト層に形成した溝部に対応する部位の表面側から取り出された紫外光がパッケージに吸収されたり、パッケージとｐ電極との間での多重反射により減衰したりしてしまうからである。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、厚み方向の一面側からの光取り出し効率の向上を図れる紫外半導体発光素子を提供することにある。

本発明の紫外半導体発光素子は、ｎ形窒化物半導体層とｐ形窒化物半導体層との間に発光層を有するとともに、前記ｎ形窒化物半導体層に接触するｎ電極と、前記ｐ形窒化物半導体層に接触するｐ電極とを有し、前記ｐ形窒化物半導体層が、前記発光層よりもバンドギャップが小さく前記ｐ電極との接触がオーミック接触となるｐ形コンタクト層を少なくとも備えた紫外半導体発光素子であって、基板を備え、前記基板の一表面側に前記ｎ形窒化物半導体層が形成され、前記ｎ形窒化物半導体層の表面側に前記発光層が形成され、前記発光層の表面側に前記ｐ形窒化物半導体層が形成されており、前記基板は、前記発光層から放射される紫外光に対して透明な単結晶基板であり、前記ｐ形窒化物半導体層における前記発光層とは反対側の表面に、前記ｐ電極の形成領域を避けて凹部が形成され、前記凹部の内底面に、前記発光層から放射される紫外光を反射する反射膜が形成されてなることを特徴とする。

この紫外半導体発光素子において、前記ｐ形窒化物半導体層は、前記凹部が複数形成されてなることが好ましい。

この紫外半導体発光素子において、前記ｐ形窒化物半導体層は、前記ｐ電極側から順に、前記ｐ形コンタクト層、前記ｐ形コンタクト層よりもバンドギャップが大きなｐ形クラッド層、を有することが好ましい。

この紫外半導体発光素子において、前記凹部の深さ寸法を、前記ｐ形コンタクト層の厚さ寸法よりも大きく設定してあることが好ましい。

この紫外半導体発光素子において、前記凹部の深さ寸法を、前記ｐ形コンタクト層の厚さが１０ｎｍとなる深さ寸法から、前記ｐ形窒化物半導体層の厚さ寸法の範囲で設定してあることが好ましい。

この紫外半導体発光素子において、前記反射膜は、前記ｐ電極上まで延設されてなることが好ましい。

この紫外半導体発光素子において、前記単結晶基板は、サファイア基板もしくはIII族窒化物単結晶基板であることが好ましい。

本発明の紫外半導体発光素子では、厚み方向の一面側からの光取り出し効率の向上を図れる。

実施形態１の紫外半導体発光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 実施形態２の紫外半導体発光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｃ）は概略下面図である。 実施形態３の紫外半導体発光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の紫外半導体発光素子について図１を参照しながら説明する。

本実施形態の紫外半導体発光素子は、紫外発光ダイオードであり、基板１の一表面側にバッファ層２を介してｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に発光層４が形成され、発光層４の表面側にｐ形窒化物半導体層５が形成されている。

また、紫外半導体発光素子は、基板１の上記一表面側において、角型のメサ構造を有し、ｎ電極（カソード電極）６とｐ電極（アノード電極）７とが基板１の上記一表面側で横方向に並んでいる。すなわち、紫外半導体発光素子は、ｎ形窒化物半導体層３における発光層４側において露出させた表面３ａに、ｎ電極６が形成され、ｐ形窒化物半導体層５の表面側（ｐ形窒化物半導体層５における発光層４側とは反対側）にｐ電極７が形成されている。

メサ構造は、基板１の上記一表面側にバッファ層２とｎ形窒化物半導体層３と発光層４とｐ形窒化物半導体層５との積層膜をＭＯＶＰＥ法などにより成膜した後で、ｎ形窒化物半導体層３の一部が露出するように上記積層膜をパターニングすることで形成されている。しかして、ｎ形窒化物半導体層３においてｎ電極６を形成する表面３ａは、上記積層膜の所定領域をｐ形窒化物半導体層５の表面側からｎ形窒化物半導体層３の途中までエッチングすることにより露出させている。

また、紫外半導体発光素子は、ｐ形窒化物半導体層５における発光層４とは反対側の表面に、ｐ電極７の形成領域を避けて凹部８が形成され、凹部８の内底面８ａに、発光層４から放射される紫外光を反射する反射膜９が形成されている。

上述の基板１としては、上記一表面が（０００１）面、つまり、ｃ面のサファイア基板を用いている。基板１は、サファイア基板に限らず、発光層４から放射される紫外光に対して透明な単結晶基板であればよく、例えば、スピネル基板、炭化シリコン基板、酸化亜鉛基板、酸化マグネシウム基板、硼化ジルコニウム基板、III族窒化物系半導体結晶基板などでもよい。

バッファ層２は、ｎ形窒化物半導体層３の貫通転位を低減するとともにｎ形窒化物半導体層３の残留歪みを低減するために設けたものであり、ＡｌＮ層により構成してある。バッファ層２は、ＡｌＮ層に限らず、Ａｌを構成元素として含む窒化物半導体層であればよく、例えば、ＡｌＧａＮ層やＡｌＩｎＮ層などにより構成してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３は、発光層４へ電子を注入するためのであり、膜厚や組成は特に限定するものではないが、例えば、バッファ層２上に形成されたＳｉドープのｎ形Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ｎ層により構成すればよい。ｎ形窒化物半導体層３は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、バッファ層２上のＳｉドープのｎ形Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層と、当該ｎ形Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層上のＳｉドープのｎ形Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ｎ層とで構成してもよい。

発光層４は、量子井戸構造を有し、障壁層と井戸層とを交互に積層してある。例えば、発光層４は、障壁層を膜厚が８ｎｍのＡｌ_0.55Ｇａ_0.45Ｎ層により構成し、井戸層を膜厚が２ｎｍのＡｌ_0.40Ｇａ_0.60Ｎ層により構成すればよい。なお、障壁層および井戸層の各組成は限定するものではなく、例えば、２５０ｎｍ〜３００ｎｍの波長域における所望の発光波長（発光ピーク波長）に応じて適宜設定すればよい。また、発光層４における井戸層の数は特に限定するものではなく、発光層４は、井戸層を複数備えた多重量子井戸構造に限らず、井戸層を１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、障壁層および井戸層の各膜厚も特に限定するものではない。また、発光層４を単層構造として、当該発光層４と当該発光層４の厚み方向の両側の層（ｎ形窒化物半導体層３、ｐ形窒化物半導体層５）とでダブルへテロ構造が形成されるようにしてもよい。

ｐ形窒化物半導体層５は、発光層４へホールを注入するためのものであり、膜厚や組成は特に限定するものではないが、例えば、発光層４上に形成されたｐ形クラッド層５ａと、このｐ形クラッド層５ａ上に形成されたｐ形コンタクト層５ｂとで構成すればよい。ｐ形クラッド層５ａは、発光層４上に形成されたＭｇドープのｐ形ＡｌＧａＮ層からなる第１のｐ形半導体層と、第１のｐ形半導体層上に形成されたＭｇドープのｐ形ＡｌＧａＮ層からなる第２のｐ形半導体層とで構成してある。また、ｐ形コンタクト層５ｂは、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮ層により構成してある。ここで、第１のｐ形半導体層および第２のｐ形半導体層の各組成は、第１のｐ形半導体層のバンドギャップエネルギが第２のｐ形半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、第２のｐ形半導体層の組成は、当該第２のｐ形半導体層のバンドギャップエネルギが、発光層における障壁層のバンドギャップと同じになるように設定してある。また、ｐ形窒化物半導体層５は、第１のｐ形半導体層の膜厚を１５ｎｍ、第２のｐ形半導体層の膜厚を５０ｎｍ、ｐ形コンタクト層５ｂの膜厚を１５ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。また、ｐ形窒化物半導体層５で採用する窒化物半導体も特に限定するものではなく、ｐ形クラッド層５ａには、例えば、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＡｌＮを用いてもよい。また、ｐ形コンタクト層５ｂには、ＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮだけではなく、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮを用いてもよい。

ｐ形窒化物半導体層５は、少なくともｐ形コンタクト層５ｂがあればよいが、ｐ形窒化物半導体層５は、ｐ電極７側から順に、ｐ形コンタクト層５ｂ、当該ｐ形コンタクト層５ｂよりもバンドギャップが大きなｐ形クラッド層５ａを有する積層構造が好ましい。このような積層構造により、当該ｐ形窒化物半導体層５とｐ電極７との接触抵抗を低減できて優れた電気的接触（良好なオーミック接触）を得ることが可能となる。また、この積層構造により、ｐ形窒化物半導体層５と発光層４とのバンドギャップおよび格子定数それぞれの違いを緩和することが可能となる。なお、ｐ形窒化物半導体層５は、上述の積層構造に限らず、ｐ形クラッド層５ａと発光層４との間に、ｐ形クラッド層５ａとは別のｐ形半導体層を備えていてもよい。また、ｐ形クラッド層５ａは、２層構造に限らず、単層構造でもよいし、２層構造以外の多層構造でもよい。

ｎ電極６は、ｎ形窒化物半導体層３に電気的に接触するものであり、接触抵抗が小さくオーミック接触が可能であれば、材料や膜厚、積層構造などは特に限定するものではない。なお、ｎ電極６は、例えば、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜と、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜との積層膜により構成すればよい。また、ｎ電極６の面内方向の導電性を向上させるために、ｎ電極６上に第１のパッド電極を設けてもよい。なお、紫外半導体発光素子は、基板１の外周形状が矩形状であり、基板１の上記一表面側の全面に形成されたｎ形窒化物半導体層３の４隅部のうちの１箇所において、ｎ形窒化物半導体層３の上記表面３ａを露出させてあり、ｎ電極６の平面視形状を矩形状としてある。

ｐ電極７は、ｐ形窒化物半導体層５のｐ形コンタクト層５ｂに電気的に接触するものであり、接触抵抗が小さくオーミック接触が可能であれば、材料や膜厚、積層構造などは特に限定するものではない。なお、ｐ電極７は、例えば、膜厚が２０ｎｍのＮｉ膜と、膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜との積層膜により構成すればよい。また、ｐ電極７の面内方向の導電性を向上させるために、ｐ電極７上に第２のパッド電極を設けてもよい。第２のパッド電極を設ければ、ｐ電極７に流れる電流をｐ電極７の面内で均一に拡散させやすくなり、ｐ電極７での電流密度の面内均一性を高めることができ、発光効率の向上を図れる。

以上説明した本実施形態の紫外半導体発光素子では、ｐ形コンタクト層５ｂを備えたｐ形窒化物半導体層５における発光層４とは反対側の表面に、ｐ電極７の形成領域を避けて凹部８が形成され、凹部８の内底面８ａに、発光層４から放射される紫外光を反射する反射膜９が形成されているので、発光層４から放射された紫外光のうちｐ形コンタクト層５ｂにおいて吸収される光量を低減できるとともに、この紫外半導体発光素子の厚み方向の一面側（ここでは、基板１の他表面側）からの光取り出し効率の向上を図れる。

ところで、本実施形態の紫外半導体発光素子は、ｐ形窒化物半導体層５に、凹部８が複数形成されており、各凹部８それぞれの内底面８ａに反射膜９が形成されている。ここにおいて、紫外半導体発光素子は、ｐ電極７をメッシュ状の形状として、ｐ形窒化物半導体層５においてｐ電極７の複数の矩形状の開口部（網目の部分）７ｂそれぞれに対応する領域に開口部７ｂよりも開口サイズが小さな凹部８を形成してある。この凹部８は、矩形状に開口されている。そして、凹部８の内底面８ａに当該内底面８ａよりも平面サイズの小さな矩形状の反射膜９を形成してある。この紫外半導体発光素子では、凹部８を複数形成し、各凹部８それぞれの内底面８ａに反射膜９を形成することにより、光取り出し効率を向上させるための反射膜９の配置設計の自由度が高くなる。

図１に示した紫外半導体発光素子は、平面視形状が正方形状であり、１つの対角線の一端側に、ｎ電極６が配置され、当該対角線の他端側に、ｐ電極７において開口部７ｂを設けていない矩形状の部位７ａを配置してある。しかして、本実施形態の紫外半導体発光素子では、このようなｐ電極７の形状およびｎ電極６の配置により、ｐ形窒化物半導体層５に流れる電流の面内均一性を高めることが可能となり、反射膜９による紫外光の反射効果と相俟って、光取り出し効率の向上を図れる。

図１に示した例では、凹部８の深さ寸法を、ｐ形コンタクト層５ｂの厚さ寸法よりも大きく設定してあり、凹部８の内底面８ａが、ｐ形クラッド層５ａの露出表面により構成してある。ここにおいて、凹部８は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術（例えば、ドライエッチング技術）を利用して形成してある。

凹部８の深さ寸法は、ｐ形コンタクト層５ｂの厚さが１０ｎｍとなる深さ寸法（ｐ形コンタクト層５ｂの厚さ−１０ｎｍ）から、発光層４におけるｐ形窒化物半導体層５側の表面が露出する深さ寸法（ｐ形窒化物半導体層５の厚さ寸法）の範囲で設定すればよい。ここにおいて、反射膜９直下のｐ形コンタクト層５ｂの厚さは、１０ｎｍ以下（０を含む）であることが好ましく、１０μｍ以下とすることにより、ｐ形コンタクト層５ｂでの紫外光の吸収を抑制することが可能となり、光取り出し効率を向上させる効果が高くなる。例えば、発光層４の発光波長を２８０ｎｍとして、ｐ形コンタクト層５ｂを膜厚が１０ｎｍのｐ形ＧａＮ層により構成した場合、ｐ形クラッド層５ａからｐ形コンタクト層５ｂに入射した光がｐ形コンタクト層５ｂを透過して反射膜９で反射され戻ってきたとすると、ｐ形コンタクト層５ｂのみで約３０％の紫外光が吸収される。したがって、反射膜９の直下のｐ形コンタクト層５ｂの厚さが１０ｎｍを超えると、反射膜９の反射率を高くしても、光取り出し効率を向上させる効果が小さくなってしまう。逆に言えば、反射膜９の直下のｐ形コンタクト層５ｂの厚さを１０ｎｍ以下にすれば、ｐ形コンタクト層５ｂにおける反射膜９直下の部位での光吸収を抑制することができ、光取り出し効率を向上させる効果が高くなる。また、電気的接触性の観点からはｐ形コンタクト層５ｂは厚いほうが良いので、光吸収および電気的接触性の両方の許容限界として、反射膜９の直下のｐ形コンタクト層５ｂの厚さの上限を１０ｎｍとした。なお、反射膜９直下にはｐ形コンタクト層５ｂが全く存在しないようにしてもよいが、ｐ形コンタクト層５ｂにおける反射膜９直下の部位の厚さが１０ｎｍ以下であれば、ｐ形コンタクト層５ｂの面積が低減することによる接触抵抗の増大を抑制しつつ、反射膜９による反射効果を得ることが可能となる。

反射膜９は、発光層４から放射される紫外光に対する反射率が６０％以上であることが好ましく、６０％よりも小さい場合に比べて、光取り出し効率を向上させる効果を大きくすることが可能となる。言い換えれば、反射率が６０％よりも小さくなると、光取り出し効率を向上させる効果が小さくなってしまう。

発光層４の発光波長が２５０ｎｍ〜３００ｎｍの波長域にある場合、反射膜９の材料は、Ａｌ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｍｏ、あるいはそれらの合金の群から選択することが好ましい。反射膜９の材料を、この群から選択した材料とすることにより、発光層４から放射される紫外光に対する反射膜９の反射率を６０％よりも高くすることができ、紫外光の吸収や透過を抑制することが可能となる。例えば、２６５ｎｍの紫外光に対する反射率についてみれば、Ａｌは９２．５％、Ｓｉは７２．２％、Ｒｈは６７．９％、Ｍｏは６６．７％である。

以下、図１に示した紫外半導体発光素子の具体的な製造方法について説明する。

まず、サファイア基板からなる基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入する。続いて、反応炉内の圧力を所定の成長圧力（例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒ）に保ちながら基板温度を所定温度（例えば、１２５０℃）まで上昇させてから、所定時間（例えば、１０分間）の加熱を行うことにより基板１の上記一表面を清浄化する。その後、基板温度を上記所定温度と同じ成長温度（ここでは、１２５０℃）に保持した状態で、アルミニウムの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア（ＮＨ_３）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定してから、ＴＭＡｌとＮＨ_３とを同時に反応炉内へ供給開始して単結晶のＡｌＮ層からなるバッファ層２を成長させる。なお、バッファ層２としては、単結晶のＡｌＮ層に限らず、単結晶のＡｌＧａＮ層を採用してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３の成長条件としては、成長温度を１２００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素の原料としてＮＨ_３、ｎ形導電性を付与する不純物であるシリコンの原料としてテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、窒素の原料としてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）を用いてもよい。

発光層４の成長条件としては、成長温度をｎ形窒化物半導体層３と同じ１２００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３を用いている。ここで、発光層４の障壁層の成長条件については、ＴＥＳｉを供給しないことを除けば、ｎ形窒化物半導体層３の成長条件と同じに設定している。また、発光層４の井戸層の成長条件については、所望の組成が得られるように、III族原料におけるＴＭＡｌのモル比（〔ＴＭＡｌ〕／｛〔ＴＭＡｌ〕＋〔ＴＭＧａ〕｝）を障壁層の成長条件よりも小さく設定している。なお、本実施形態では、障壁層に不純物をドーピングしていないが、これに限らず、障壁層の結晶品質が劣化しない程度の不純物濃度でシリコンなどのｎ形不純物をドーピングしてもよい。

ｐ形窒化物半導体層５のうちｐ形クラッド層５ａの第１のｐ形半導体層および第２のｐ形半導体層の成長条件としては、成長温度を１０５０℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、ｐ形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。また、ｐ形窒化物半導体層５のうちｐ形コンタクト層５ｂの成長条件は、基本的に第２のｐ形半導体層の成長条件と同じであり、ＴＭＡｌの供給を停止している点が相違する。ここにおいて、第１のｐ形半導体層、第２のｐ形半導体層、ｐ形コンタクト層５ｂのいずれの成長時もＣｐ₂Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）とし、第１のｐ形半導体層、第２のｐ形半導体層、ｐ形コンタクト層５ｂそれぞれの組成に応じてIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させる。

上述の各成長条件で、基板１の上記一表面側へ、バッファ層２、ｎ形窒化物半導体層３、発光層４、ｐ形窒化物半導体層５を順次成長させる結晶成長工程が終了した後で、バッファ層２、ｎ形窒化物半導体層３、発光層４、ｐ形窒化物半導体層５の積層構造を有する基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉から取り出す。

その後、ｎ電極６、ｐ電極７、凹部８、反射膜９などを形成する。

具体的には、まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、バッファ層２とｎ形窒化物半導体層３と発光層４とｐ形窒化物半導体層５との積層膜においてメサ構造の上面に対応する領域上にレジスト層（以下、第１のレジスト層と称する）を形成する。続いて、当該第１のレジスト層をマスクとして、反応性イオンエッチングによりｐ形窒化物半導体層５の表面側からｎ形窒化物半導体層３の途中までエッチングすることによって、メサ構造を形成する。なお、メサ構造の面積および形状は特に限定するものではない。

上述のメサ構造を形成した後、第１のレジスト層を除去してから、フォトリソグラフィ技術を利用して、ｐ形窒化物半導体層５における凹部８の形成予定領域に対応する部位が開口されたレジスト層（以下、第２のレジスト層と称する）を形成する。続いて、当該第２のレジスト層をマスクとして、反応性イオンエッチングによりｐ形窒化物半導体層５の表面側から所定深さまでエッチングすることによって、凹部８を形成する。

その後、第２のレジスト層を除去してから、ｎ形窒化物半導体層３およびｐ形窒化物半導体層５それぞれの表面の自然酸化膜を、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウェットエッチングにより除去する。なお、自然酸化膜を除去するための薬液は、特にＢＨＦに限定するものではなく、自然酸化膜を除去可能な他の薬液（酸類）を用いてもよい。

上述の自然酸化膜を除去した後、フォトリソグラフィ技術を利用して、基板１の上記一表面側におけるｎ電極６の形成予定領域のみ（つまり、ｎ形窒化物半導体層３の表面３ａの一部）が露出するようにパターニングされた第３のレジスト層を形成する。その後、電子ビーム蒸着法によってｎ電極６を成膜し、リフトオフを行うことにより第３のレジスト層および当該第３のレジスト層上の不要膜を除去する。その後、ｎ電極６とｎ形窒化物半導体層３との接触がオーミック接触となるように、Ｎ_２ガス雰囲気中でＲＴＡ処理（急速熱アニール処理）を行う。なお、ｎ電極６は、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜と、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜との積層膜とし、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を９００℃、アニール時間を１分とすればよい。

次に、フォトリソグラフィ技術を利用して、基板１の上記一表面側におけるｐ電極７の形成予定領域のみ（つまり、ｐ形窒化物半導体層５の表面の一部）が露出するようにパターニングされた第４のレジスト層を形成する。その後、電子ビーム蒸着法によってｐ電極７を成膜し、リフトオフを行うことにより第４のレジスト層および当該第４のレジスト層上の不要膜を除去する。その後、ｐ電極７とｐ形窒化物半導体層５のｐ形コンタクト層５ｂとの接触がオーミック接触となるように、Ｎ_２ガス雰囲気中でＲＴＡ処理（急速熱アニール処理）を行う。なお、ｐ電極７は、膜厚が２０ｎｍのＮｉ膜と、膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜との積層膜とし、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を５００℃、アニール時間を１０分とすればよい。

次に、フォトリソグラフィ技術を利用して、基板１の上記一表面側における反射膜９の形成予定領域のみ（つまり、ｐ形窒化物半導体層５の凹部８の内底面８ａの一部）が露出するようにパターニングされた第５のレジスト層を形成する。その後、電子ビーム蒸着法によって反射膜９を成膜し、リフトオフを行うことにより第５のレジスト層および当該第５のレジスト層上の不要膜を除去することにより、図１の構成の紫外半導体発光素子が得られる。なお、反射膜９は、膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜とした。また、反射膜９を形成した後に、反射膜９とｐ形窒化物半導体層５との密着性を向上させるために、当該反射膜９の反射特性を低下させないような条件で熱処理を行ってもよい。

上述の紫外半導体発光素子の製造にあたっては、反射膜９の形成が終了するまでの全工程をウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の紫外半導体発光素子に分割すればよい。

また、上記実施形態では、紫外半導体発光素子を、ＭＯＶＰＥ法を利用して製造する方法について例示したが、結晶成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを採用してもよい。また、メサ構造を形成する工程と凹部８を形成する工程との順序は逆でもよい。また、ｎ電極６を形成する工程、ｐ電極７を形成する工程、反射膜９を形成する工程の順序については、それぞれの工程の熱処理の温度の高低などに応じて適宜変更してもよい。また、ｎ電極６とｐ電極７との積層構造および材料を同じにできる場合には、ｎ電極６を形成する工程とｐ電極７を形成する工程とを同時に行うようにしてもよい。

凹部８やｎ電極６、ｐ電極７の配置や形状は、特に限定するものではなく、電流経路や光取り出し面などの都合に応じて適宜設計すればよい。ただし、上述のような窒化物半導体（III族窒化物半導体）を利用した紫外半導体発光素子の場合、ｐ形窒化物半導体層５における正孔の有効質量が大きいため、ほぼ、発光層４におけるｐ電極７の投影領域でしか発光しない。そのため、ｐ電極７の面積を大きくとり、且つ、ｐ電極７とｎ電極６との電流経路を短くして、さらに、光取り出し効率が高くなるように配置設計する必要がある。

（実施形態２）
本実施形態の紫外半導体発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、実施形態１ではメサ構造を設けていたのに対し、図２に示すように、実施形態１において説明した基板１（図１参照）がなく、ｎ形窒化物半導体層３における発光層４側とは反対側の表面に、ｎ電極６を形成してある点などが相違する。すなわち、本実施形態の紫外半導体発光素子は、いわゆる縦型注入構造となっている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の紫外半導体発光素子では、ｎ形窒化物半導体層３における発光層４側とは反対側の表面からなる一面側からの光取り出し効率を向上させるために、ｐ電極７だけでなく、ｎ電極６もメッシュ状の形状としてあり、ｎ電極６とｐ電極７との大部分が、発光層４の厚み方向において対向する（重なる）ようにしてある。したがって、ｎ電極６は、ｐ電極７の複数の開口部７ｂそれぞれに１対１で対応する複数の開口部６ｂが形成されている。また、本実施形態の紫外半導体発光素子では、実施形態１にて説明した対角線の一端側に、ｎ電極６において開口部６ｂを設けていない矩形状の部位６ａを配置してある。しかして、本実施形態の紫外半導体発光素子では、このようなｐ電極７、ｎ電極６の形状および配置により、ｐ形窒化物半導体層５に流れる電流の面内均一性を高めることが可能となり、反射膜９による紫外光の反射効果と相俟って、光取り出し効率の向上を図れる。なお、ｎ電極６については、発光層４から放射される紫外光に対して透明な電極であれば、ｎ形窒化物半導体層３における発光層４側とは反対側の表面の全面に形成してもよい。

本実施形態の紫外半導体発光素子の製造にあたっては、まず、実施形態１で説明した製造方法と同様に、ＭＯＶＰＥ法などの結晶成長方法により、基板１（図１参照）の上記一表面側にバッファ層２、ｎ形窒化物半導体層３、発光層４、ｐ形窒化物半導体層５を順次形成する。その後、ｐ電極７、凹部８、反射膜９などを形成する。そして、基板１をレーザリフトオフ法などにより剥離する。続いて、バッファ層２などをドライエッチング技術により除去することでｎ形窒化物半導体層３における発光層４側とは反対側の表面を露出させる。その後、ｎ電極６を形成する。

以上説明した本実施形態の紫外半導体発光素子においても、実施形態１と同様、ｐ形コンタクト層５ｂを備えたｐ形窒化物半導体層５における発光層４とは反対側の表面に、ｐ電極７の形成領域を避けて凹部８が形成され、凹部８の内底面８ａに、発光層４から放射される紫外光を反射する反射膜９が形成されているので、発光層４から放射された紫外光のうちｐ形コンタクト層５ｂにおいて吸収される光量を低減できるとともに、この紫外半導体発光素子の厚み方向の一面側（ここでは、ｎ形窒化物半導体層３における発光層４側とは反対の表面側）からの光取り出し効率の向上を図れる。

また、本実施形態の紫外半導体発光素子では、紫外半導体発光素子全体の抵抗が小さくなるのに加え、発光層４の面積を大きくでき、光取り出し効率の向上を図れる。

ただし、本実施形態の紫外半導体発光素子において、製造時に基板１としてｎ形窒化物半導体層３と同じ導電形を有する導電性の単結晶基板（例えば、ｎ形の炭化シリコン基板など）を用いるようにし、基板１を除去せずに、基板１の上記他表面側にｎ電極６を形成するようにしてもよい。

（実施形態３）
本実施形態の紫外半導体発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、反射膜９がｐ電極７上にまで延設されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

また、本実施形態では、ｐ電極７がストライプ状に形成されるとともに、ｐ形窒化物半導体層５に対して複数の凹部８がストライプ状に形成されており、全てのｐ電極７が反射膜９により電気的に接続されている点が相違する。

本実施形態の紫外半導体発光素子における反射膜９は、ｐ形窒化物半導体層５における凹部８の内底面８ａおよび内側面、ｐ形窒化物半導体層５の表面において凹部８および反射膜９が形成されていない領域、ｐ電極７の表面を覆うように形成されている。しかして、本実施形態の紫外半導体発光素子では、反射膜９により全てのｐ電極７を電気的に接続することができるとともに、反射膜９に、各ｐ電極７を保護する保護層としての機能を持たせることができる。ここにおいて、本実施形態では、凹部８を、内底面８ａから離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ状の形状としてあるので、反射膜９の断線を抑制することができる。なお、凹部８の開口形状や配置は実施形態１と同様でもよい。

本実施形態の紫外半導体発光素子の製造方法は、基本的には実施形態１と同じであり、ｐ電極７を形成する際のレジスト層のパターンが相違するだけである。このレジスト層は、ｎ形窒化物半導体層３の表面３ａおよびｎ電極６のみを覆うパターンとする。

なお、実施形態２の紫外半導体発光素子の構造において、本実施形態と同様に、反射膜９をｐ電極７上にまで延設してもよい。また、ｐ電極７の構成要素として反射膜９と同じ材料を含む構成要素が有る場合には、当該構成要素と反射膜９とを同時に形成してもよい。なお、ｎ形窒化物半導体層３の表面３ａにおいてｎ電極６が形成されていない部位およびｎ電極６上に、紫外光を反射する反射膜を設けてもよい。

１ 基板
３ ｎ形窒化物半導体層
４ 発光層
５ ｐ形窒化物半導体層
５ａ ｐ形クラッド層
５ｂ ｐ形コンタクト層
６ ｎ電極
７ ｐ電極
８ 凹部
８ａ 内底面
９ 反射膜

Claims (7)

1. ｎ形窒化物半導体層とｐ形窒化物半導体層との間に発光層を有するとともに、前記ｎ形窒化物半導体層に接触するｎ電極と、前記ｐ形窒化物半導体層に接触するｐ電極とを有し、前記ｐ形窒化物半導体層が、前記発光層よりもバンドギャップが小さく前記ｐ電極との接触がオーミック接触となるｐ形コンタクト層を少なくとも備えた紫外半導体発光素子であって、
   基板を備え、
   前記基板の一表面側に前記ｎ形窒化物半導体層が形成され、前記ｎ形窒化物半導体層の表面側に前記発光層が形成され、前記発光層の表面側に前記ｐ形窒化物半導体層が形成されており、
   前記基板は、前記発光層から放射される紫外光に対して透明な単結晶基板であり、
   前記ｐ形窒化物半導体層における前記発光層とは反対側の表面に、前記ｐ電極の形成領域を避けて凹部が形成され、前記凹部の内底面に、前記発光層から放射される紫外光を反射する反射膜が形成されてなることを特徴とする紫外半導体発光素子。
2. 前記ｐ形窒化物半導体層は、前記凹部が複数形成されてなることを特徴とする請求項１記載の紫外半導体発光素子。
3. 前記ｐ形窒化物半導体層は、前記ｐ電極側から順に、前記ｐ形コンタクト層、前記ｐ形コンタクト層よりもバンドギャップが大きなｐ形クラッド層、を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の紫外半導体発光素子。
4. 前記凹部の深さ寸法を、前記ｐ形コンタクト層の厚さ寸法よりも大きく設定してあることを特徴とする請求項３記載の紫外半導体発光素子。
5. 前記凹部の深さ寸法を、前記ｐ形コンタクト層の厚さが１０ｎｍとなる深さ寸法から、前記ｐ形窒化物半導体層の厚さ寸法の範囲で設定してあることを特徴とする請求項３記載の紫外半導体発光素子。
6. 前記反射膜は、前記ｐ電極上まで延設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の紫外半導体発光素子。
7. 前記単結晶基板は、サファイア基板もしくはIII族窒化物単結晶基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の紫外半導体発光素子。

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