JP2017117966A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも光取り出し効率の向上した半導体発光素子を提供する。【解決手段】 半導体発光素子は、基板と、基板の上層に形成された、第一半導体層と、活性層と、第二半導体層と、第一半導体層の面のうちの活性層とは反対側の面に形成された第一電極と、第二半導体層の面の活性層とは反対側の面に形成された第二電極を有する。第一電極は、電流供給線が連結される電流供給部を含む。半導体発光素子は、第一半導体層の面のうち、活性層とは反対側の面であって、電流供給部に対して基板の面に直交する方向に対向する領域に第一電流遮断層を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

近年、窒化物半導体を用いた発光素子の開発が進められている。この発光素子は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、これらｎ型半導体層及びｐ型半導体層に挟まれるように形成された活性層とを含んで構成される。ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に電位差が設けられることで両者間に電流が流れ、活性層内で電子と正孔が再結合して発光する。活性層内で生成されたこの光を有効に利用すべく、種々の研究開発が進められている。

例えば、下記特許文献１には、いわゆる「縦型構造」を有する発光素子が開示されている。縦型構造の素子とは、活性層に対して基板に直交する方向に電圧が印加されることで、活性層が発光する素子を指す。

図１０は、特許文献１に開示された半導体発光素子の断面図を模式的に示したものである。従来の半導体発光素子９０は、基板９１上に導電層９２、反射膜９３、絶縁層９４、反射電極９５、半導体層９９、及びｎ側電極１００を備えて構成される。半導体層９９は、ｐ型半導体層９６、活性層９７、及びｎ型半導体層９８が基板９１側から順に積層されて構成される。

絶縁層９４の下層には金属材料からなる反射膜９３が形成されているが、この反射膜９３はオーミック性を有さず電極としての機能を奏さない。一方、反射電極９５は金属材料からなり、ｐ型半導体層９６の間でオーミック接触が実現されることで電極（ｐ側電極）として機能している。

反射電極９５は、活性層９７で生成された光のうち、基板９１に向かう方向（図面下向き）に放射された光を反射させてｎ側半導体層９８側（図面上向き）に取り出すことで、光の取り出し効率を高める目的を兼ねている。反射膜９３も同様の目的で形成されており、反射電極９５が形成されていない箇所を通過して下向きに進行した光を反射させてｎ側半導体層９８側に進行方向を変えることで、光の取り出し効率が高められる。

特許第４２０７７８１号公報

しかし、活性層９７から下向きに放射された光が反射膜９３によって反射されて上向きに取り出されるに際し、この光は、反射膜９３で反射される前と反射した後の２回にわたって、絶縁層９４内を通過することになる。絶縁層９４は透明膜として構成されるものの、この絶縁層９４内を光が通過する際に数％の光が絶縁層９４によって吸収されてしまう。より詳細には、活性層９７から絶縁層９４を通過して反射膜９３に達するまでに３−４％程度の光が吸収され、更に反射膜９３で反射された光が絶縁層９４を通過してｎ型半導体層９８側の外部に取り出されるまでに更に３−４％の光が吸収される。

つまり、従来の構成では、活性層９７から放射された光のうち、下向きに放射された光を反射させて取り出し効率を高めてはいるものの、一部の光が絶縁層９４内に吸収されてしまっているため、取り出し効率を十分に高められているとはいえない。

本発明は、上記の課題に鑑み、従来よりも光取り出し効率の向上した半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体発光素子は、
基板と、
前記基板の上層に形成された、ｎ型又はｐ型の第一半導体層と、活性層と、前記第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層とを含む半導体層と、
前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に形成された第一電極と、
前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に形成された第二電極とを備え、
前記第一電極は、電流供給線が連結される電流供給部を含み、
前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面であって、前記電流供給部に対して前記基板の面に直交する方向に対向する領域に第一電流遮断層を備えたことを特徴とする。

電流供給部は、電流供給線が連結されることから、最も電流が集中しやすい領域である。このため、半導体発光素子に対して通電したとき、電流供給部から離れた位置に配置されている半導体層と比較して、電流供給部の近傍に配置されている半導体層に対して電流が流れやすい。この結果、活性層において、電流供給部の近傍と比較して、電流供給部から離れた箇所の発光が弱くなってしまう。

上記のように、第一半導体層と電流供給部の間の位置において、第一半導体層の面に第一電流遮断層を設けることで、電流供給部と、当該電流供給部に対して、基板の面に直交する方向に対向する位置に設けられた半導体層との間に電流を流れにくくする効果が得られる。これにより、電流供給部から離れた位置に対して電流が流れやすくなる。この結果、基板の面に平行な方向に関して、活性層を流れる電流が拡げられ、電流密度の分布を均一に近づける効果が得られる。

よって、上記の構成によれば、活性層の全域にわたって強い発光をさせることができるため、発光効率が向上する。

また、電流供給部を含む第一電極は、一般的にＡｕ等の金属で構成され、活性層からの光を透過しない性質を有する。このため、電流供給部と第一半導体層の間に第一電流遮断層を設けたとしても、そもそも電流供給部によって光が吸収されてしまうため、第一電流遮断層内における光の吸収を考慮する必要がない。つまり、光取り出し効率の低下をほとんど招くことなく、発光効率を高められる。この結果、トータルの光取り出し効率を向上させることができる。

前記第一電流遮断層は、前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面であって、前記電流供給部に対して前記基板の面に直交する方向に対向する全領域に形成されるものとしても構わない。

この構成によれば、電流供給部の近傍に電流を集中させない作用を更に高めることができる。

前記第一電極は、前記基板の面に直交する方向から見て、前記半導体層の外縁に沿って前記半導体層を取り囲む枠状部を有しており、
前記電流供給部は、前記枠状部の一部を構成し、
前記第一電流遮断層は、前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面であって、前記枠状部に対して前記基板の面に直交する方向に対向する領域に形成されているものとしても構わない。

電流供給部は、電流供給線を連結させる領域であるため、ある程度の専有面積を必要とする。このため、通常は、光の取り出しの妨げとならないよう、発光素子の外縁部に設けられる。上記のように、第一電極が枠状部を有し、電流供給部がこの枠状部の一部を構成する場合、枠状部は、電流供給部に対して電気的に近い。つまり、枠状部は、電流供給部に次いで電流が集中しやすい領域であるといえる。

上記の構成のように、この枠状部に対して基板の面に直交する方向に対向する領域にも第一電流遮断層を設けることで、枠状部の近傍に配置された半導体層に電流が集中的に流れるのが緩和され、半導体層を流れる電流を、基板の面に平行な方向に拡げる効果を更に高めることができる。

前記第一電流遮断層は、絶縁材料で構成されるものとしても構わない。一例として、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ｚｒ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁材料で構成することができる。

また、前記第一電流遮断層は、前記第一半導体層との間でショットキー接触を示す金属材料で構成しても構わない。

前記第二電極の面のうち、前記第一電極に対して前記基板の面に直交する方向に対向する領域に第二電流遮断層を備えるものとしても構わない。より具体的な一例として、前記第二電流遮断層が、前記第二電極の面のうち、前記第二半導体層とは反対側の面に形成されているものとしても構わない。

このような構成によれば、半導体層を流れる電流を、基板の面に平行な方向に拡げる効果を更に高めることができる。例えば、第二電流遮断層を第二半導体層との間でショットキー接触を示し、且つ、活性層から放射された光に対する反射率の高い金属材料で構成した場合には、第二電流遮断層による光吸収が抑制される。

また、前記第二電流遮断層は、前記第二電極の面のうち、前記第二半導体層とは反対側の面に形成されているものとしても構わない。この場合、第二電極を、活性層から放射された光に対する反射率の高い金属材料で構成しておけば、第二電流遮断層内を光が通過することがほとんど生じないため、第二電流遮断層による光吸収をほとんど考慮する必要がない。

本発明によれば、従来よりも光取り出し効率の高い半導体発光素子が実現される。

半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。 半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 図１から、第一電流遮断層の上層に設けられた第一電極を除去して図示したものである。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 半導体発光素子の製造方法を模式的に示す工程断面図の一部である。 実施例２の発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 実施例２の発光素子において、図１から、第一電流遮断層の上層に設けられた第一電極を除去して図示したものである。 比較例の発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 比較例の発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 実施例１，実施例２，及び比較例の各発光素子に対して通電したときに、半導体層内を流れる電流密度の分布を示すシミュレーション結果を示す図である。 半導体発光素子の別実施形態の構成を模式的に示す図面である。 従来の半導体発光素子の構成を模式的に示す図面である。

本発明の半導体発光素子につき、図面を参照して説明する。なお、各図において、図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。また、以下において、「ＡｌＧａＮ」という記述は、Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０＜ｍ＜１）という記述と同義であり、ＡｌとＧａの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、ＡｌとＧａの組成比が１：１である場合に限定する趣旨ではない。「ＩｎＧａＮ」という記述についても同様である。

［構成］
図１〜図３は、本発明の半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１は光取り出し方向から見たときの平面図に対応する。図２は、図１内におけるＸ１−Ｘ１線で切断したときの断面図に対応する。図３は、図１内におけるＸ２−Ｘ２線で切断したときの断面図に対応する。以下では、図１に示される平面をＸ−Ｙ平面とし、このＸ−Ｙ平面に直交する方向をＺ方向と規定する。

図２及び図３に示すように、半導体発光素子１は、基板３、半導体層５、第一電極１５、第二電極１３、及び第一電流遮断層３０を含んで構成される。以下では、半導体発光素子１を単に「発光素子１」と適宜略記する。

（基板３）
基板３は、例えばＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。

（半導体層５）
本実施形態では、半導体層５は、基板３に近い側からｐ型半導体層１１、活性層９及びｎ型半導体層７が順に積層されて形成されている。本実施形態では、ｎ型半導体層７が「第一半導体層」に対応し、ｐ型半導体層１１が「第二半導体層」に対応する。

ｐ型半導体層１１は、例えばＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、又はＣなどのｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層で構成される。窒化物半導体層としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を利用することができる。

活性層９は、例えばＩｎＧａＮで構成される発光層及びｎ型ＡｌＧａＮで構成される障壁層が周期的に繰り返されてなる半導体層で形成される。これらの層はアンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。活性層９は、少なくともエネルギーバンドギャップの異なる２種類の材料からなる層が積層されて構成されていればよい。活性層９の構成材料は、生成したい光の波長に応じて適宜選択される。

ｎ型半導体層７は、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、又はＴｅなどのｎ型不純物がドープされた窒化物半導体層で構成される。この窒化物半導体層としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を利用することができる。なお、ｎ型半導体層７は、ｐ型半導体層１１と異なる組成の材料で構成されているものとしても構わない。

（第一電極１５）
第一電極１５は、第一半導体層７の面のうち、活性層９とは反対側の面に形成されている。本実施形態では、第一電極１５はｎ側の電極を構成する。

図１に示すように、第一電極１５は、一部の箇所において、電流供給線１６が連結される電流供給部１５ａを含んで構成される。電流供給部１５ａは、第一電極１５の他の領域と比較して幅広の領域を示す。電流供給線１６は、例えばＡｕ、Ｃｕなどで構成されている。電流供給線１６は、電流供給部１５ａが連結されている端部とは反対側の端部は、例えばパッケージ基板の給電パターンなどに接続されている。

図１に示すように、本実施形態の発光素子１が備える第一電極１５は、半導体層５（第一半導体層７）の上面において、半導体層５の外縁を取り囲むように、枠形状を示している（枠状部）。図１の例では、電流供給部１５ａが、この枠状部の一部を構成している。

なお、図１に示す発光素子１では、枠状部の内側の２箇所で、枠状部からＸ方向に離間した位置に、Ｙ方向に延伸した２本の第一電極１５を有している。しかし、枠状部の内側において、第一電極１５の延伸する本数は２本に限られるものではなく、１本でもよいし、３本以上であっても構わない。図１に示した第一電極１５の形状はあくまで一例であり、設計に応じて任意に変更可能である。

（第一電流遮断層３０）
図２に示すように、本実施形態の発光素子１では、電流供給部１５ａと第一半導体層７の間に挟まれた位置において、第一半導体層７の上面に第一電流遮断層３０を有する。第一電流遮断層３０は、ＳｉＯ_2、ＳｉＮ、Ｚｒ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁材料で構成されている。

更に、本実施形態では、図１におけるＸ２−Ｘ２線断面図に対応する図３に示すように、第一電極１５のうち、半導体層５の外縁を取り囲む枠状部を構成している領域の直下においても、第一電流遮断層３０が設けられている。図４は、説明のための図面であり、図１から、第一電流遮断層３０の上層に設けられた第一電極１５を除去して図示したものである。なお、図４では、理解のために、第一電流遮断層３０に対して右上がり斜線のハッチングを付している。

図４に示すように、第一電流遮断層３０は、第一電極１５のうち、枠状部を構成する領域の箇所に設けられている。一方、第一電流遮断層３０は、枠状部よりも内側に設けられた第一電極１５の直下には設けられていない。

（第二電極１３）
第二電極１３は、ｐ型半導体層１１に接触して形成されており、ｐ型半導体層１１との間でオーミック接触が形成されている。本実施形態では、第二電極１３はｐ側電極を構成する。

本実施形態において、第二電極１３は、活性層９から射出される光に対して高い反射率（例えば８０％以上であり、より好ましくは９０％以上）を示す導電性の材料で構成される。より具体的には、例えばＡｇ、Ａｌ、又はＲｈを含む材料で構成される。

第一電極１５と第二電極１３の間に電圧を印加することで、活性層９内を電流が流れ、活性層９が発光する。

第二電極１３は、上述したように、活性層９で生成される光に対して高い反射率を示す材料で構成される。発光素子１は、活性層９から放射された光をｎ型半導体層７側に取り出すことが想定されている。第二電極１３は、活性層９から基板３側に向けて放射された光をｎ型半導体層７側に向けて反射させることで、光取り出し効率を高める機能を果たしている。

（第二電流遮断層２４）
本実施形態の発光素子１は、第二電極１３の面のうち、第二半導体層１１とは反対側の面の一部に、第二電流遮断層２４を設けている。この第二電流遮断層２４は、第一電極１５に対して、基板３の面に直交する方向に対向する領域に設けられている。第二電流遮断層２４は、例えばＳｉＯ_2、ＳｉＮ、Ｚｒ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁材料で構成されている。

（導電層２０）
導電層２０は、基板３の上層に形成されている。本実施形態では、導電層２０は、保護層２３、接合層２１、接合層１９及び保護層１７の多層構造で構成されている。

接合層１９及び接合層２１は、例えばＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ、Ｓｎなどで構成される。後述するように、これらの接合層１９と接合層２１は、基板３上に形成された接合層２１と、別の基板（後述する成長基板２５）上に形成された接合層１９を対向させた後に、両者を貼り合わせることで形成されたものである。これらの接合層１９及び接合層２１は、単一の層として一体化されているものとしても構わない。

保護層１７は、例えばＮｉ／Ｔｉ／Ｐｔの多層構造で構成される。このうち、Ｔｉ／Ｐｔ層は、接合層（１９，２１）を構成する材料が第二電極１３側に拡散して、第二電極１３の反射率が低下することを抑制する目的で設けられている。また、Ｎｉ層は、Ｔｉ／Ｐｔ層に含まれる材料、特にＴｉが第二電極１３側に拡散し、第二電極１３の反射率が低下することを抑制する目的で設けられている。ただし、保護層１７は、少なくとも接合層（１９，２１）を構成する材料が拡散するのを抑制する機能を有する材料で構成されていればよい。

保護層２３は、例えば保護層１７と同一の材料で構成され、接合層（１９，２１）を構成する材料が基板３側に拡散するのを抑制する目的で設けられている。ただし、保護層２３は必ずしも備えられていなくても構わない。

発光素子１によれば、従来よりも光取り出し効率が向上する点については、発光素子１の製造方法の説明を行った後に説明される。

［製造方法］
次に、発光素子１の製造方法の一例につき、図５Ａ〜図５Ｊに模式的に示す工程断面図を参照して説明する。なお、以下で説明する製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例である。

（ステップＳ１）
図５Ａに示すように、成長基板２５を準備する。成長基板２５としては、一例としてＣ面を有するサファイア基板を用いることができる。

準備工程として、成長基板２５のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的な一例としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内に成長基板２５を配置し、処理炉内に流量が例えば１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

（ステップＳ２）
図５Ｂに示すように、成長基板２５の上層に、下地層２７、ｎ型半導体層７、活性層９、及びｐ型半導体層１１を順に形成する。このステップＳ２は、例えば以下の手順で行われる。

まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、成長基板２５の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなるバッファ層を形成する。これらのバッファ層により下地層２７が形成される。

次に、下地層２７の上層にｎ型半導体層７を形成する。ｎ型半導体層７の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。

まず、引き続き炉内温度を１１５０℃とした状態で、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０１３μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に６０分間供給する。これにより、例えばＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎの組成を有し、厚みが２μｍのｎ型半導体層７が下地層２７の上層に形成される。

なお、この後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給することにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層の上層に、厚みが５ｎｍ程度のｎ型ＧａＮよりなる保護層を有してなるｎ型半導体層７を実現してもよい。

上記の説明では、ｎ型半導体層７に含まれるｎ型不純物をＳｉとする場合について説明したが、ｎ型不純物としては、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ又はＴｅ等を用いることができる。

次に、ｎ型半導体層７の上層に活性層９を形成する。活性層９の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。

まずＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる発光層、及び厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層が１５周期積層されてなる活性層９が、ｎ型半導体層７の上層に形成される。

次に、活性層９の上層にｐ型半導体層１１を形成する。ｐ型半導体層１１の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。

具体的には、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０２５℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及びｐ型不純物をドープするための流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、活性層３３の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を４μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ_0.13Ｇａ_0.87Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型半導体層１１が形成される。

なお、この工程の後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、ＣＰ₂Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍ程度で、ｐ型不純物濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³程度のｐ型ＧａＮ層を有してなるｐ型半導体層１１を実現してもよい。

（ステップＳ３）
ステップＳ２で得られたウェハに対して活性化処理を行う。具体的な一例としては、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。

（ステップＳ４）
次に、図５Ｃに示すように、ｐ型半導体層１１の上面の所定箇所に第二電極１３を形成する。ここでは、ｐ型半導体層１１の形成領域よりも内側において、ｐ型半導体層１１のほぼ全域に第二電極１３を形成する場合を示している。

第二電極１３は、一例として、スパッタ装置にてｐ型半導体層１１の上面に膜厚０．７ｎｍのＮｉ及び膜厚１５０ｎｍのＡｇを成膜した後、ＲＴＡ装置を用いてドライエア雰囲気中で４００℃、２分間のコンタクトアニールを行うことで形成される。なお、ここでは、第二電極１３の材料としてＮｉとＡｇの合金を採用しているが、ＡｌやＲｈによって第二電極１３を形成することもできる。

（ステップＳ５）
次に、図５Ｃに示すように、第二電極１３の上層の所定箇所に第二電流遮断層２４を形成する。特に、後の工程で電流供給部１５ａを形成する領域の下方に位置する箇所に第二電流遮断層２４を形成する。本実施形態では、図５Ｃに示すように、第二電流遮断層２４の一部が第二電極１３の側面を覆うように構成されている。

より具体的には、第二電流遮断層２４の非形成領域に係る第二電極１３の上層をマスクしておき、例えばＳｉＯ_２をスパッタリング法によって膜厚２００ｎｍ程度成膜する。なお、成膜する材料は絶縁性材料であればよく、例えばＳｉＮ、Ｚｒ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃でも構わない。

（ステップＳ６）
図５Ｄに示すように、第一電極１３及び第二電流遮断層２４の上面を覆うように、全面に保護層１７を形成する。その後、保護層１７の上面に接合層１９を形成する。具体的な方法の一例は以下のとおりである。

まず、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）を用いて、膜厚１００ｎｍのＴｉと膜厚２００ｎｍのＰｔを３周期成膜することで保護層１７を形成する。更にその後、保護層１７の上面（Ｐｔ表面）に、膜厚１０ｎｍのＴｉを蒸着させた後、Ａｕ８０％Ｓｎ２０％で構成されるＡｕ−Ｓｎハンダを膜厚３μｍ蒸着させることで接合層１９を形成する。

（ステップＳ７）
成長基板２５とは別に準備された基板３の上面に、ステップＳ６と同様の方法で、保護層２３及び接合層２１を形成する（図５Ｅ参照）。基板３としては、上述したようにＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏ等の導電性基板、又はＳｉ等の半導体基板を利用することができる。なお、保護層２３については形成しないものとしても構わない。

（ステップＳ８）
図５Ｆに示すように、成長基板２５の上層に形成された接合層１９と、基板３の上層に形成された接合層２１を貼り合わせることで、成長基板２５と基板３の貼り合わせを行う。具体的な一例としては、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、貼り合わせ処理が行われる。

この工程により、接合層１９及び接合層２１が溶融して接合されることで、基板３と成長基板２５が表裏面に貼り合わされた構造が形成される。つまり、接合層１９と接合層２１は、本ステップ以後においては一体化されているものとして構わない。そして、本ステップＳ８の実行前の段階で保護層２３及び保護層１７が形成されていることで、接合層（１９，２１）の構成材料の拡散が抑制されている。

（ステップＳ９）
図５Ｇに示すように、成長基板２５を剥離する。より具体的には、成長基板２５側からレーザ光を照射する。ここで、照射するレーザ光を、成長基板２５の構成材料（本実施形態ではサファイア）を透過し、下地層２７の構成材料（本実施形態ではＧａＮ）によって吸収されるような波長の光とする。これにより、下地層２７でレーザ光が吸収されるため、成長基板２５と下地層２７の界面が高温化してＧａＮが分解され、成長基板２５が剥離される。

その後、ウェハ上に残存している金属Ｇａを塩酸等を用いて除去した後、ＧａＮ（下地層２７）をＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって除去し、ｎ型半導体層７を露出させる。なお、本ステップＳ９において下地層２７が除去されて、ｐ型半導体層１１、活性層９、及びｎ型半導体層７が、基板３側からこの順に積層されてなる半導体層５が残存する（図５Ｈ参照）。

（ステップＳ１０）
次に、図５Ｉに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて第二電流遮断層２４の上面が露出するまで半導体層５をエッチングする。なお、図５Ｉでは、半導体層５の側面が鉛直方向に対して傾斜を有するように図示しているが、これは一例であって、このような形状に限定する趣旨ではない。

（ステップＳ１１）
次に、図５Ｊに示すように、ｎ型半導体層７の上面の所定の領域、より詳細には、次のステップで形成される第一電極１５のうち、電流供給部１５ａを構成する部分の直下の領域の少なくとも一部を含む領域に、第一電流遮断層３０を形成する。より具体的には、第一電流遮断層３０の非形成領域に係るｎ型半導体層７の上層をマスクしておき、例えばＳｉＯ_２をスパッタリング法によって膜厚２００ｎｍ程度成膜する。なお、成膜する材料は絶縁性材料であればよく、例えばＳｉＮ、Ｚｒ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃でも構わない。

なお、図４を参照して説明したような構造にする場合には、本ステップＳ１１において、ｎ型半導体層７の外縁を取り囲むように第一電流遮断層３０を形成するものとして構わない。

（ステップＳ１２）
ｎ型半導体層７の上面の一部、及び第一電流遮断層３０の上面に、第一電極１５を形成する。このとき、第一電極１５のうち、幅広の領域を有する電流供給部１５ａは、前のステップＳ１１で形成された第一電流遮断層３０の上層に設けられる。また、電流供給部１５ａ以外の第一電極１５は、第二電流遮断層１３に対して、基板３の面に直交する方向に対向する領域に形成される。

具体的な方法の一例としては、第一電極１５を形成する予定の領域以外をレジスト等でマスクした状態で、膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕを蒸着する。その後、マスクを剥離して、窒素雰囲気中で２５０℃、１分間程度のアニール処理を行う。
。

（ステップＳ１３）
各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、基板３の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。その後、電流供給部１５ａに対して電流供給線１６を連結させる。以上の工程を経て、図１〜図３に示す発光素子１が製造される。

なお、ステップＳ１０の後、必要に応じて、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いてｎ型半導体層７の上面をウェットエッチングし、微細な凹凸を形成するものとしても構わない。これにより、光取り出し効率が更に向上する。

［作用］
以下、発光素子１によれば従来よりも光取り出し効率が向上すると考えられる点につき、実施例及び比較例を参照して説明する。なお、各実施例及び比較例は、共に、光取り出し方向から見たときの図は、図１と同様であるとした。

（実施例１）
上述した図１〜図４に図示した発光素子１を実施例１とした。

（実施例２）
実施例２の発光素子につき、図１に示すＸ１−Ｘ１線で切断したときの模式的な断面図を図６Ａに示す。なお、図１に示すＸ２−Ｘ２線で切断したときの模式的な断面図は図３と共通である。

すなわち、実施例２の発光素子は、電流供給部１５の直下のうち、一部の領域にのみ第一電流遮断層３０が設けられた構成である。図６Ｂは、図４にならって、実施例２の発光素子において、図１から、第一電流遮断層３０の上層に設けられた第一電極１５を除去して図示したものである。

（比較例）
比較例の発光素子は、実施例１及び実施例２と比較して、第一電流遮断層３０を設けない構成としたものである。比較例の素子を、図１のＸ１−Ｘ１線で切断したときの模式的な断面図を図７Ａに示し、図１のＸ２−Ｘ２線で切断したときの模式的な断面図を図７Ｂに示す。

（検証）
実施例１，２及び比較例の各発光素子に対し、第一電極１５と第二電極１３の間に電圧を印加して、半導体層５内を流れる電流の分布をシミュレーションにより解析した。この結果を、図８に示す。なお、図８において、解析結果の欄では、電流密度が高い領域ほど白っぽく表示され、電流密度が低い領域ほど黒っぽく表示されている。

図８によれば、比較例の発光素子は、電流供給部１５ａの近傍において特に電流が集中していることが見て取れる。実施例２の発光素子は、比較例の発光素子と比べると電流供給部１５ａの近傍における電流の集中が緩和されている。実施例１の発光素子は、実施例２の発光素子よりも更に電流供給部１５ａの近傍における電流の集中が緩和されている。

半導体層５を流れる電流密度の分散値についてみると、比較例の発光素子が３３．５であるのに対し、実施例２の発光素子は３０．５であり、実施例１の発光素子は２７．２であった。この結果からも、比較例の発光素子と比べて、実施例２の発光素子は電流を基板３の面に平行な方向に拡げる効果が実現できており、実施例１の発光素子は、更にその効果を実現できていることが分かる。

電流供給部１５ａは、電流供給線１６が連結されることから、最も電流が集中しやすい領域である。このため、発光素子に対して通電したとき、電流供給部１５ａから離れた位置に配置されている半導体層５と比較して、電流供給部１５ａの近傍に配置されている半導体層５に対して電流が流れやすい。比較例の発光素子において、電流供給部１５ａの近傍に電流が集中している結果が、このことを示している。このような状態になると、活性層９において、電流供給部１５ａの近傍と比較して、電流供給部１５ａから離れた箇所の発光が弱くなってしまう。

これに対し、実施例１及び実施例２の発光素子では、上述したように、ｎ型半導体層７と電流供給部１５ａの間の位置において、ｎ型半導体層７の面に第一電流遮断層３０を設けている。これにより、電流供給部１５ａと、当該電流供給部１５ａに対して、基板３の面に直交する方向に対向する位置に設けられた半導体層５との間に電流を流れにくくする効果が得られる。この結果、電流供給部１５ａから離れた位置に配置されている半導体層５に対して電流が流れやすくなる。このことは、比較例１の発光素子と比べて、実施例２及び実施例１の各発光素子が、電流密度の分布が均一化されていることに現れている。

特に、実施例１の発光素子においては、電流供給部１５ａの直下の領域全てに第一電流遮断層３０を設けているため、電流供給部１５ａの近傍に電流が流れにくくなる効果がより奏される。このことは、実施例２の発光素子と比べて、実施例１の発光素子が、電流密度の分布が更に均一化されていることに現れている。

よって、上記のような第一電流遮断層３０を設けることで、活性層９を流れる電流を基板３の面に平行な方向に拡げる効果が高められるため、活性層９内の全域に流れる電流密度が均一化され、活性層９内の全域にわたって強い発光が実現できる。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉 上述した実施形態では、第一電流遮断層３０を絶縁材料で構成するものとした。しかし、ｎ型半導体層７との間でショットキー接触が実現できるような金属材料で構成しても構わない。この構成によっても、電流供給部１５ａの近傍に配置された半導体層５に対して電流が集中するのを緩和する効果が実現できる。

〈２〉 上述した実施形態では、第一電極１５のうち、半導体層５の外縁を枠状に取り囲むように形成された部分（枠状部）の直下の位置において、第一電流遮断層３０が設けられるものとして説明した。しかし、ｎ型半導体層７の上面であって、電流供給部１５ａに対して、基板３の面に直交する方向に対向する領域の少なくとも一部に、第一電流遮断層３０が設けられていればよい。ただし、活性層９を流れる電流を拡げる効果をより高める観点からは、上述した実施形態のように、枠状部の直下の位置にも第一電流遮断層３０を設けるのが好ましい。

〈３〉 上述した実施形態では、基板３の面に直交する方向に関して、第一電極１５と対向する位置に第二電流遮断層２４を設ける構成とした。しかし、第一電流遮断層３０が存在することで、電流を基板３の面に平行な方向に拡げる効果がある程度実現されるため、必ずしも第二電流遮断層２４を設けなくても構わない。ただし、第二電流遮断層２４を設けることで、更に活性層９を流れる電流を基板３の面に平行な方向に拡げる効果が高められる。

〈４〉 上述した実施形態では、第二電極１３の面のうち、ｐ型半導体層１１とは反対側の面に第二電流遮断層２４を設けた構成とした。しかし、図９に示すように、ｐ型半導体層１１と第二電極１３の間に第二電流遮断層２４を設けても構わない。この場合には、第二電流遮断層２４を、ｐ型半導体層１１との間でショットキー接触が実現され、且つ、活性層９から放射される光に対する反射率が高い金属材料で構成するのが好ましい。これにより、第二電流遮断層２４内を光が通過することによる光取り出し効率の低下という問題は生じない。なお、図９に示すように、この構成においても、ステップＳ１０のエッチング工程において、エッチングストッパーとして機能させるための絶縁層２４ａを設けるのが好ましい。

〈５〉 上記の実施形態では、半導体層５を構成する層のうち、基板３に近い側をｐ型半導体層１１、基板３から遠い側をｎ型半導体層７として説明したが、これらの導電型を反転させても構わない。

〈６〉 上記の実施形態では、発光素子１が保護層１７を備えているものとして説明したが、保護層１７を必ずしも備えなければならないものではない。ただし、保護層１７を備えることで、第一電極１３及び電流遮断層１４の反射率が低下されるのを抑制することができるため、高い光取り出し効率を持続的に実現させるためには保護層１７を備えるのが好ましい。

〈７〉 上記の実施形態では、半導体発光素子１が備える半導体層５が、窒化物半導体で構成される場合について説明したが、ＧａＡｓ系半導体など、窒化物以外の半導体で構成されていても構わない。

１ ： 半導体発光素子
３ ： 基板
５ ： 半導体層
７ ： ｎ型半導体層
９ ： 活性層
１１ ： ｐ型半導体層
１３ ： 第二電極
１５ ： 第一電極
１５ａ ： 電流供給部
１６ ： 電流供給線
１７ ： 保護層
１９ ： 接合層
２０ ： 導電層
２１ ： 接合層
２３ ： 保護層
２４ ： 第二電流遮断層
２４ａ ： 絶縁層
２５ ： 成長基板
２７ ： 下地層
３０ ： 第一電流遮断層
９０ ： 従来の半導体発光素子
９１ ： 基板
９２ ： 導電層
９３ ： 反射膜
９４ ： 絶縁層
９５ ： 反射電極
９６ ： ｐ型半導体層
９７ ： 活性層
９８ ： ｎ型半導体層
９９ ： 半導体層
１００ ： ｎ側電極

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の上層に形成された、ｎ型又はｐ型の第一半導体層と、活性層と、前記第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層とを含む半導体層と、
   前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に形成された第一電極と、
   前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に形成された第二電極とを備え、
   前記第一電極は、電流供給線が連結される電流供給部を含み、
   前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面であって、前記電流供給部に対して前記基板の面に直交する方向に対向する領域に第一電流遮断層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第一電流遮断層は、前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面であって、前記電流供給部に対して前記基板の面に直交する方向に対向する全領域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素子。
3. 前記第一電極は、前記基板の面に直交する方向から見て、前記半導体層の外縁に沿って前記半導体層を取り囲む枠状部を有しており、
   前記電流供給部は、前記枠状部の一部を構成し、
   前記第一電流遮断層は、前記第一半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面であって、前記枠状部に対して前記基板の面に直交する方向に対向する領域に形成さ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. 前記第一電流遮断層は、絶縁材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第二電極の面のうち、前記第一電極に対して前記基板の面に直交する方向に対向する領域に第二電流遮断層を備えた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素子。
6. 前記第二電流遮断層が、前記第二電極の面のうち、前記第二半導体層とは反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。

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