JP2017139298A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命特性が向上した半導体発光素子を実現する。【解決手段】半導体発光素子は、基板３と、半導体層５と、第一電極１５と、第二電極１３とを有する。半導体層は、ｎ型又はｐ側の第一半導体層１１と、活性層９と、第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層７と、第三半導体層２８とを有する。第一電極は、半導体層の面のうち、基板に対して遠い側の面に接触して形成され、第二電極は、半導体層の面のうち、基板に対して近い側の面に接触して形成されている。第三半導体層は、第一半導体層よりも不純物濃度が低く、第一電極と接触する箇所を含む領域に形成されており、基板の面に直交する方向から見て、第一電極よりも外側の位置において凹凸部２８ａを有する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法、及び半導体発光素子に関する。

従来、ＧａＮ等の窒化物半導体層からなる半導体発光素子が知られている。このような半導体発光素子では、半導体層とこれを封止する媒体との屈折率差が大きいと素子内で全反射が発生しやすくなり、光取り出し効率が低下する。そのため、光取り出し効率を高めるべく、光取り出し面となる半導体層の表面に複数の凹凸形状を構成した半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−６２４９３号公報

本発明は、このように半導体層の表面に凹凸形状を有する半導体発光素子の寿命特性を向上させ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側の第一半導体層と、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、第三半導体層とを含む半導体層と、
前記半導体層の面のうち、前記基板に対して遠い側の面に接触して形成された第一電極と、
前記半導体層の面のうち、前記基板に対して近い側の面に接触して形成された第二電極とを有し、
前記第三半導体層は、前記第一電極と接触する箇所を含む領域に形成されており、前記基板の面に直交する方向から見たときに前記第一電極よりも外側の位置に凹凸部を有し、前記第一半導体層よりも不純物濃度が低いことを特徴とする。

半導体層の表面に凹凸部を有する構成においては、この凹凸部の近傍に電流が流れると、当該領域に電界が集中しやすくなる。よって、長時間にわたって連続して電流を流し続けると、電界集中に伴って当該領域の温度が上昇する。

上記の構成によれば、第一電極と接触する領域に形成された第三半導体層は、第一半導体層よりも不純物濃度が低い。このため、第一電極と第二電極との間を流れる電流の経路は、第三半導体層内においては、基板の面に直交する方向の成分が優位となる。この結果、凹凸部が形成されている領域の近傍には電流が流れにくくなるため、特定の箇所に電界が集中するのが緩和され、寿命特性が向上する。

前記第三半導体層は、前記半導体層の最上層に形成されているものとしても構わない。なお、この前記第三半導体層は、単層で構成されていても構わないし、多層で構成されていても構わない。

前記第三半導体層は、前記第一電極と接触する箇所において平坦部を有し、前記凹凸部が前記平坦部の外側に形成されているものとしても構わない。

前記第一電極は、前記基板の面に直交する方向から見て、所定の方向に延伸して形成されており、
前記基板の面に直交する方向から見たときに、前記第一電極の外側に位置する前記平坦部の幅は、前記第一電極の幅の１／２以下であるものとしても構わない。

上記の構成によれば、凹凸部の形成領域を広く確保できるため、光取り出し効率を高めながらも、寿命特性の向上を図ることができる。

前記第三半導体層の厚みが、前記第一電極の端部と前記凹凸部の端部との間の距離よりも短いものとしても構わない。

上記の構成によれば、第一電極と接触して形成される第三半導体層は、第一半導体層よりも不純物濃度が低いものの、その厚みが極めて薄い。このため、動作電圧をほとんど上昇させることなく、寿命特性を向上させることができる。

一例として、
前記第一半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であり、
前記第三半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であるものとしても構わない。

前記第三半導体層は、アンドープ層とすることができる。

前記半導体層は、窒化物半導体からなり、前記第三半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるものとしても構わない。このとき、前記活性層から放射される光の主たる発光波長が４１０ｎｍ以下であるものとしても構わない。

前記半導体発光素子は、前記基板の面に直交する方向に関して、前記第一電極と対向する位置において、前記第二電極に接触して形成された電流遮断層を有するものとしても構わない。

この電流遮断層は、第二電極よりも比抵抗の大きい材料で構成されることができる。また、別の例として、電流遮断層は、第二半導体層との間の接触抵抗が、第二電極よりも大きい材料で構成されることができる。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、
成長基板を準備する工程（ａ）と、
前記成長基板の上層に、第三半導体層と、前記第三半導体層よりも不純物濃度の高い第一半導体層と、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を成長する工程（ｂ）と、
前記第二半導体層の上層に第二電極を形成する工程（ｃ）と、
前記第二電極の上層に、前記成長基板とは別の基板を貼り合わせる工程（ｄ）と、
前記成長基板を剥離する工程（ｅ）と、
前記第三半導体層を露出し、当該露出された前記第三半導体層の表面の所定領域に凹凸部を形成する工程（ｆ）と、
前記第三半導体層の表面のうち、前記凹凸部が形成されていない平坦部の上面に第一電極を形成する工程（ｇ）とを有することを特徴とする。

この構成によれば、凹凸部を有する従来の素子と比較して、寿命特性の向上した半導体発光素子が製造される。

前記工程（ｇ）の終了後において、前記第一電極の外側に位置する前記平坦部の幅は、前記第一電極の幅の１／２以下であるものとしても構わない。

前記工程（ｇ）の終了後において、前記第三半導体層の厚みが、前記第一電極の端部と前記凹凸部の端部との間の距離よりも短いものとしても構わない。

一例として、
前記第一半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であり、
前記第三半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であるものとしても構わない。

前記第三半導体層はアンドープ層としても構わない。

前記半導体層は、窒化物半導体からなり、
前記第三半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるものとしても構わない。

上記製造方法は、前記工程（ｂ）と前記工程（ｄ）の間に、電流遮断層を形成する工程（ｈ）を有し、
前記工程（ｇ）は、前記基板の面に直交する方向に関し、前記電流遮断層に対向する位置に前記第一電極を形成する工程であるものとしても構わない。

本発明によれば、寿命特性が向上した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。 図１Ｂの一部拡大図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造方法における一工程を模式的に示す断面図である。 参考例の半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 実施例と参考例の各発光素子の電流−光出力特性を示すグラフである。 実施例と参考例の各発光素子の電流−電圧特性を示すグラフである。 実施例と参考例の各発光素子の連続点灯試験を行ったときの結果を示す表である。 参考例の発光素子内を流れる電流の経路を模式的に示す図面である。 実施例の発光素子内を流れる電流の経路を模式的に示す図面である。 半導体発光素子の別の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子の別の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

本発明の半導体発光素子及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。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。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って、これらの数値に限定されるものではない。

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」等の記述についても同様である。

［構造］
図１Ａ〜図１Ｂ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１Ａは光取り出し方向から見たときの平面図に対応する。図１Ｂは、図１Ａ内におけるＸ１−Ｘ１線で切断したときの断面図に対応する。以下では、光取り出し面を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。

本実施形態の半導体発光素子１は、図１Ｂに示すように、基板３、基板３の上層に形成された半導体層５と、第一電極１５と、第二電極１３と、電流遮断層２４とを備える。以下では、半導体発光素子１を単に「発光素子１」と適宜略記することがある。

（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、ｎ型半導体層７、及び第三半導体層２８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構成される。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。本実施形態の発光素子１は、活性層９における主たる発光波長を４１０ｎｍ以下とすることができる。例えば、主たる発光波長が３６５ｎｍの場合、活性層９は、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95ＮとＡｌ_0.09Ｇａ_0.91Ｎとが繰り返し積層されて構成される。

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のｎ型不純物濃度は、例えば３×１０¹⁹／ｃｍ³程度に設定される。ｎ型半導体層７のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であるのが好ましく、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であるのがより好ましく、３×１０¹⁹／ｃｍ³以上であるのが更により好ましい。

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。

本実施形態では、第三半導体層２８は、アンドープの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、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等を利用することができる。なお、第三半導体層２８は、不純物濃度がｎ型半導体層７よりも低ければよく、ｎ型半導体層７の不純物濃度よりも１桁以上低いのがより好ましく、アンドープ層で構成されるのが更により好ましい。なお、本明細書において、「アンドープ」とは、完全に不純物がドープされていないものはもちろんのこと、微量に不純物がドープされている状態を含む。すなわち、本明細書において、「アンドープの層」とは、不純物濃度が検出限界以下を示す半導体層、又は、不純物濃度が検出限界以上であり１×１０¹⁷／ｃｍ³以下を示す半導体層を指す。

この第三半導体層２８は、上記の材料で構成された単一層からなるものとしても構わないし、上記の材料で構成された複数層が積層されてなるものとしても構わない。

図１Ｂに示すように、第三半導体層２８は、表面に凹凸加工が施された凹凸部２８ａと、平坦な表面で構成された平坦部２８ｂとを有する。

（第一電極１５）
第一電極１５は、半導体層５の面のうち、基板３に対して遠い側の面に接触して形成されている。より詳細には、第一電極１５は、第三半導体層２８の面に接触して形成されており、特に、第三半導体層２８のうちの、平坦部２８ｂを構成する領域に形成されている。

本実施形態では、第一電極１５はｎ側の電極を構成する。第一電極１５は、例えば、Ｎｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの多層構造の他、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｃｒ／Ａｕ／Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ等で構成することができる。

図１Ａに示すように、第一電極１５は、Ｚ方向（基板３の面に直交する方向）に見たときに枠形状を示す。より詳細には、第一電極１５の外縁部は、半導体層５の外縁部に沿って枠形状を有して構成されている。なお、図１Ａに示す発光素子１は、枠形状を示す第一電極１５の外縁部の内側の２箇所で、外縁部から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、枠形状を示す領域の内側において、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１Ａ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。

図１Ｂに示すように、第一電極１５は、第三半導体層２８の平坦部２８ｂの上面に形成されている。上述したように、本実施形態では、第一電極１５は所定の方向に延伸して形成されている。第三半導体層２８の平坦部２８ｂも、同方向に延伸して形成されている。

図１Ｃは、図１Ｂの一部拡大図である。本実施形態では、図１Ｃに示すように、第三半導体層２８が備える凹凸部２８ａは、平坦部２８ｂの外側に位置している。第三半導体層２８は、Ｚ方向（基板３の面に直交する方向）から見たときに、第一電極１５の外側に平坦部２８ｂの一部分が位置するように構成されている。一例として、第一電極１５の幅をＤ、第一電極１５の外側に位置する平坦部２８ｂの幅をｄとすると、ｄ≦Ｄ／２とすることができる。このとき、第一電極１５の端部の近傍に位置する領域にまで、第三半導体層２８の凹凸部２８ａが形成される。つまり、凹凸部２８ａの形成領域が拡げられるため、高い光取り出し効率が確保される。なお、このように第一電極１５の端部近傍にまで凹凸部２８ａを形成しても、凹凸部２８ａにおける電界集中が緩和できる点については、後述される。

なお、第三半導体層２８の厚みｃが、上述した第一電極１５の外側に位置する平坦部２８ｂの幅ｄよりも短くなるように、第三半導体層２８を構成するものとしても構わない。第三半導体層２８は、ｎ型半導体層７と比較して不純物濃度が低いため、第三半導体層２８の厚みをあまりに厚くし過ぎると、必要以上に動作電圧の上昇を招いてしまう。第三半導体層２８の厚みをある程度薄くすることで、動作電圧の上昇を実質的に招くことなく、寿命特性の向上が図られる。なお、第三半導体層２８の膜厚としては、５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とするのが好ましく、１００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下とするのがより好ましく、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下とするのが更により好ましい。

なお、ここで「第一電極１５の幅」とあるのは、図１Ａを参照して説明したように、基板３に平行な平面（ＸＹ平面）上において、第一電極１５の延伸方向（ここではＹ方向）に直交する方向（ここではＸ方向）に係る長さを指す。「平坦部２８ｂの幅」についても同様である。

第一電極１５は、一部の箇所において、電流供給線１４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１４は、例えばＡｕ、Ｃｕなどで構成されている。電流供給線１４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。

（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。

第一電極１５と第二電極１３との間に電圧が印加されることで、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、活性層９から放射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のが好ましい。より具体的には、第二電極１３は、例えばＡｇ、Ａｌ、又はＲｈを含む材料で構成される。上述したように、図１Ａに示す発光素子１は、活性層９から放射された光を第三半導体層２８側に取り出すことが想定されている。第二電極１３が高い反射率を示す材料で構成されることで、活性層９から基板３側に向けて放射された光が第三半導体層２８側に向けて反射されるため、光取り出し効率が高められる。

（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、ＴｉＷ／Ｐｔ等の多層構造で構成されており、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。ただし、発光素子１が保護層１７を備えるか否かは任意である。

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、発光素子１が保護層２３を備えるか否かは任意である。

（電流遮断層２４）
本実施形態の発光素子１は、Ｚ方向に関して第一電極１５と対向する位置であって、第二電極１３に接触するように形成された、電流遮断層２４を備える。電流遮断層２４は、例えばＳｉＯ_2、ＳｉＮ、Ｚｒ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などで構成される。電流遮断層２４は、活性層９を流れる電流を、ＸＹ平面に平行な方向に拡げる役割を果たしている。

［製造方法］
以下、半導体発光素子１の製造方法につき、図２Ａ〜図２Ｉを参照して説明する。

（ステップＳ１）
まず、図２Ａ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、処理炉内に所定の流量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Ｓ１が工程（ａ）に対応する。

（ステップＳ２）
図２Ｂに示すように、成長基板２５の上層に、下地層２７、第三半導体層２８、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の上層に第三半導体層２８を形成する。第三半導体層２８の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。

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のアンモニアを処理炉内に１５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５００ｎｍ、ｎ型不純物濃度が３×１０¹⁶／ｃｍ³の第三半導体層２８が下地層２７の上層に形成される。

次に、第三半導体層２８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。

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、ｎ型不純物濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³のｎ型半導体層７が第三半導体層２８の上層に形成される。なお、ｎ型半導体層７をＧａＮ又はＡｌＧａＮで構成する場合、Ａｌの組成比は、０％以上１５％以下であるのが好ましく、２％以上１１％以下であるのがより好ましく、５％以上９％以下であるのが更により好ましい。

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。

なお、活性層９から放射される光の波長を４１０ｎｍ以下とする場合には、発光層を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成比を１０％以下とするのが好ましい。この場合、障壁層を構成するＧａＮ又はＡｌＧａＮのＡｌ組成比を、０％以上１５％以下とするのが好ましく、２％以上１３％以下とするのがより好ましく、５％以上１０％以下とするのが更により好ましい。

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、これらの正孔供給層のｐ型不純物濃度は、例えば３×１０¹⁹／ｃｍ³程度に設定される。

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。

上記の説明では、ｐ型半導体層１１に含まれるｐ型不純物をＭｇとする場合について説明したが、ｐ型不純物としては、Ｍｇ以外に、Ｂｅ、Ｚｎ、又はＣ等を用いることもできる。

ステップＳ２が工程（ｂ）に対応する。

（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）
図２Ｃに示すように、ｐ型半導体層１１の所定の領域の上面に電流遮断層２４を形成する。電流遮断層２４は、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ｚｒ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、又はＡｌ₂Ｏ₃等をスパッタリング法等によって成膜することで形成される。なお、本ステップＳ４において、電流遮断層２４は、後のステップＳ１３で第一電極１５を形成する予定の領域に対して、Ｚ方向に対向する位置に形成される。

本ステップＳ４が工程（ｈ）に対応する。

（ステップＳ５）
図２Ｃに示すように、ｐ型半導体層１１の所定の領域の上面に第二電極１３を形成する。ここでは、第二電極１３を電流遮断層２４の上面にも形成しているが、第二電極１３の形状は任意に選択される。第二電極１３は、例えば、スパッタリング装置にてＮｉ／Ａｇを成膜した後、ＲＴＡ装置を用いてドライエア雰囲気中でコンタクトアニールを行うことで形成される。ここでは、一例として、第二電極１３の材料としてＮｉとＡｇの合金を挙げたが、Ａｌ、Ｒｈ、ＡｇとＰｄとＣｕの合金等を用いることもできる。上述したように、第二電極１３の材料としては、活性層９から放射される光に対する反射率の高い材料を用いるのが好ましい。

本ステップＳ５が工程（ｃ）に対応する。

（ステップＳ６）
次に、図２Ｃに示すように、第二電極１３の上面に保護層１７を形成し、保護層１７の上面に接合層１９を形成する。

保護層１７は、例えば、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）を用いて、膜厚８０ｎｍのＮｉ、膜厚１００ｎｍのＴｉ、及び膜厚２００ｎｍのＰｔを成膜することで形成される。なお、保護層１７の材料としては、Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ以外にも、ＴｉＷ／Ｐｔ等を用いることができる。

その後、保護層１７の上面に、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が形成される。なお、接合層１９としては、Ａｕ−Ｓｎハンダの他、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ、Ｓｎ等を利用することができる。

（ステップＳ７）
図２Ｄに示すように、成長基板２５とは別に準備された基板３の上面に、保護層２３及び接合層２１を形成する。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。保護層２３は、保護層１７と同様に形成することができ、接合層２１は、接合層１９と同様に形成することができる。保護層２３を設けるか否かは任意である。

（ステップＳ８）
図２Ｅ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。

本ステップＳ８が、工程（ｄ）に対応する。

（ステップＳ９）
図２Ｆ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。

本ステップＳ９が、工程（ｅ）に対応する。

（ステップＳ１０）
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、第三半導体層２８を露出させる（図２Ｇ参照）。

なお、第三半導体層２８をＧａＮで構成する場合には、下地層２７の一部を第三半導体層２８としても構わない。すなわち、本ステップにおいて、ＧａＮをドライエッチングする際に、一部のＧａＮ層を残存させたままとし、この残存ＧａＮ層を第三半導体層２８としても構わない。

（ステップＳ１１）
図２Ｈ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、素子分離領域に形成された電流遮断層２４の上面が露出するまで半導体層５をエッチングする。このとき、電流遮断層２４がエッチングストッパー層として機能する。なお、図２Ｈ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Ｓ１２）
図２Ｉに示すように、第三半導体層２８の所定の領域に凹凸部２８ａを形成する。具体的な方法の一例としては、平坦部２８ｂを形成したい領域をマスクした状態で、第三半導体層２８をＫＯＨ等の所定のアルカリ溶液に浸漬させる。これにより、マスクされていない領域内の第三半導体層２８がウェットエッチングされ、凹凸部２８ａが形成される。

本ステップＳ１０及びＳ１２が工程（ｆ）に対応する。なお、ステップＳ１２をステップＳ１１より前に実行しても構わない。

（ステップＳ１３）
図１Ｂに示すように、第三半導体層２８の上面のうち、平坦部２８ｂの上面に第一電極１５を形成する。例えば、電子線蒸着装置によって例えばＮｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕからなる導電性材料を、例えば膜厚３μｍ程度蒸着させる。

本ステップＳ１３を経て形成される第一電極１５は、図１Ａを参照して上述したように、外縁部が枠形状を示す。また、本実施形態では、特に、第一電極１５は、Ｚ方向（基板３の面に直交する方向）に関し、電流遮断層２４と対向する位置に配置される。

本ステップＳ１３が工程（ｇ）に対応する。

（後の工程）
ウェハをチップ単位に分割する。具体的な一例としては、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する。

その後、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し、電流供給部１５ａに対して電流供給線１４を連結させる。例えば、５０ｇの荷重で、Φ１００μｍの電流供給部１５ａにＡｕからなる電流供給線１４を連結させることで、ワイヤボンディングを行う。これにより、発光素子１が形成される。

［検証］
以下、実施例及び参考例を参照して説明する。

（実施例）
上述したステップＳ１〜Ｓ１３を経て製造された発光素子１を実施例の素子とした。

（参考例）
図３に示す発光素子５０を参考例の素子とした。図１Ｂに示す実施例の素子と比較して、第三半導体層２８を備えない点が異なっている。すなわち、参考例の発光素子５０は、第一半導体層７の上面に凹凸部７ａと平坦部７ｂとを有し、この平坦部７ｂの上面に第一電極１５が形成されている。

図４Ａは、実施例の発光素子１と参考例の発光素子５０のそれぞれの電流−光出力特性を示すグラフであり、横軸は注入電流量を示し、縦軸は光出力を示している。また、図４Ｂは、実施例の発光素子１と参考例の発光素子５０のそれぞれの電流−電圧特性を示すグラフであり、横軸は電流量を示し、縦軸は印加電圧を示している。

図４Ａ及び図４Ｂの両グラフより、実施例の発光素子１と参考例の発光素子５０との間で、光取り出し効率にほとんど差がないことが示される。特に、実施例の発光素子１では、第一電極１５と接触して形成される第三半導体層２８は、第一半導体層７よりも不純物濃度を低くして構成されているが、比較例の発光素子５０と同程度の動作電圧が実現されている。これは、図１Ａに模式的に示したように、第一電極１５の形成領域が、発光素子１の全体の領域に比べて極めて微小であるため、第一電極１５と半導体層５との接触抵抗が上昇しても、ほとんど動作電圧の上昇に寄与しないことがその理由として考えられる。

図４Ｃは、実施例の発光素子１と参考例の発光素子５０のそれぞれに対して、アルミ基板上にパッケージを実装し、２５℃〜３５℃のアルミ板に密着させた状態で連続点灯試験を行ったときの結果である。

実施例の発光素子１においては、１０００時間連続点灯後に不点灯になった割合（故障率）は０．１％に留まった。これに対し、参考例１の発光素子５０の故障率は０．２％であり、実施例と比べて高い故障率を示している。連続点灯時間を５０００時間、１００００時間と伸ばした場合には、実施例の発光素子の故障率が、参考例の発光素子の故障率よりも著しく低いことが示されている。

なお、不点灯になった発光素子の断面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）で観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析（Energy dispersive X-ray spectrometry：ＥＤＳ）の手法を用いて分析を行うと、素子の多くにおいて、第一電極１５の近傍箇所に、第二電極１３の構成材料であるＡｇ成分が検出された。更に、不点灯になった発光素子のうちの一部は、第二電極１３の外縁部（端部）と第一電極１５の外縁部（端部）との間で、半導体層５にクラックが発現していることが確認された

本発明者は、上記の現象の原因として、第一電極１５の外縁部の近傍と、第二電極１３の外縁部の近傍とに電界が集中したことで、これらの領域が局所的に加熱されたことによるものであると推察した。これらの領域が局所的に加熱されて温度が上昇した結果、第二電極１３の構成材料が第一電極１５側へと拡散する現象（マイグレーション）を引き起こしたことが、参考例の発光素子の故障率が実施例の発光素子の故障率よりも高くなっている原因の一つであると推察される。マイグレーションは温度が高いほど進展しやすいため、加熱によって温度が上昇したことで、第二電極１３の構成材料が拡散しやすい環境下になっていたものと考えられる。

図５Ａは、参考例の発光素子５０に流れる電流経路Ｉ１を模式的に示した図面である。また、図５Ｂは、実施例の発光素子１に流れる電流経路Ｉ２を模式的に示した図面である。

参考例の発光素子５０では、Ｚ方向に関して、第一電極１５に対向して電流遮断層２４が設けられているため、第一電極１５から供給される電流は、Ｚ方向よりも基板３の面（ＸＹ平面）に平行な方向に流れやすくなる。このため、第一電極１５の近傍に配置されているｎ型半導体層７の凹凸部７ａの形成領域２９の近傍を電流が流れる。凹凸部７ａは、尖った部分を有しているため、かかる領域の近傍を流れる電流経路Ｉ１が形成されると、電界が局所的に集中しやすい。この結果、当該領域の温度が局所的に上昇する。

実施例の発光素子１の場合、第一電極１５に接触して、第三半導体層２８が形成されている。この第三半導体層２８は、ｎ型半導体層７よりも不純物濃度が低い半導体層で構成されており、ｎ型半導体層７よりもシート抵抗が高い。この結果、第一電極１５から注入された電流は、比抵抗の小さいｎ型半導体層７に対して最短距離で向かうように流れる。つまり、実施例の発光素子１では、第一電極１５からｎ型半導体層７までの間は、ほぼＺ方向に沿った電流経路Ｉ２が形成される。そして、ｎ型半導体層７内においては、参考例の発光素子５０と同様に、ＸＹ平面に沿った方向に電流が流れる。

つまり、実施例の発光素子１によれば、第一電極１５に対してＺ方向に離間した位置において、電流経路Ｉ２はＸＹ平面に沿った方向の成分が優位になる。つまり、Ｚ方向に関して、電流経路Ｉ２と凹凸部２８ａとの離間を確保することができる。この結果、参考例の発光素子５０と比べて、電界が局所的に集中するのを緩和させることができ、寿命特性が向上する。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉図６Ａに示す発光素子１のように、第二電極１３の面のうち、ｐ型半導体層１１とは反対側の面に接触して電流遮断層２４が形成されていても構わない。この場合においても、電流遮断層２４と第一電極１５とがＺ方向に対向する位置関係にあるため、活性層９内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発揮される。

また、図６Ｂに示す発光素子１のように、絶縁層からなる電流遮断層２４とは別に、金属材料からなる電流遮断層２４ａを備える構成としても構わない。この電流遮断層２４ａは、Ｚ方向に関して第一電極１５に対向する位置に形成されている。電流遮断層２４ａは、例えば、第二電極１３と同一の材料で構成され、ｐ型半導体層１１との間でショットキー接触が形成されているものとすることができる。この場合においても、電流遮断層２４ａとｐ型半導体層１１との接触抵抗は、第二電極１３とｐ型半導体層１１との接触抵抗よりも高いため、活性層９内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発揮される。

図６Ｂに示す発光素子１を製造するに際しては、ステップＳ５とステップＳ６の間に、電流遮断層２４ａを形成する工程を実行すればよい。

〈２〉 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。

〈３〉 上記の実施形態では、発光素子１が電流遮断層２４（又は２４ａ）を備えているものとして説明したが、電流遮断層２４（又は２４ａ）を必ずしも備えなければならないものではない。ただし、活性層９を流れる電流をＸＹ平面に平行な方向に拡げて発光効率を高める観点からは、電流遮断層２４（又は２４ａ）を備えるのが好ましい。

〈４〉 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とし、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。

１ ： 半導体発光素子
３ ： 基板
５ ： 半導体層
７ ： ｎ型半導体層
７ａ ： ｎ型半導体層の凹凸部
７ｂ ： ｎ型半導体層の平坦部
９ ： 活性層
１１ ： ｐ型半導体層
１３ ： 第二電極
１４ ： 電流供給線
１５ ： 第一電極
１５ａ ： 電流供給部
１７ ： 保護層
１９ ： 接合層
２０ ： 導電層
２１ ： 接合層
２３ ： 保護層
２４ ： 電流遮断層
２５ ： 成長基板
２７ ： 下地層
２８ ： 第三半導体層
２８ａ ： 第三半導体層の凹凸部
２８ｂ ： 第三半導体層の平坦部
５０ ： 参考例の発光素子

Claims (17)

1. 基板と、
   前記基板の上層に形成された、ｎ型又はｐ側の第一半導体層と、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、第三半導体層とを含む半導体層と、
   前記半導体層の面のうち、前記基板に対して遠い側の面に接触して形成された第一電極と、
   前記半導体層の面のうち、前記基板に対して近い側の面に接触して形成された第二電極とを有し、
   前記第三半導体層は、前記第一電極と接触する箇所を含む領域に形成されており、前記基板の面に直交する方向から見たときに前記第一電極よりも外側の位置に凹凸部を有し、前記第一半導体層よりも不純物濃度が低いことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第三半導体層は、前記半導体層の最上層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. 前記第三半導体層は、前記第一電極と接触する箇所において平坦部を有し、前記凹凸部が前記平坦部の外側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. 前記第一電極は、前記基板の面に直交する方向から見て、所定の方向に延伸して形成されており、
   前記基板の面に直交する方向から見たときに、前記第一電極の外側に位置する前記平坦部の幅は、前記第一電極の幅の１／２以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第三半導体層の厚みが、前記第一電極の端部と前記凹凸部の端部との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体発光素子。
6. 前記第一半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であり、
   前記第三半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記第三半導体層は、アンドープ層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記半導体層は、窒化物半導体からなり、
   前記第三半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記活性層から放射される光の主たる発光波長が４１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記基板の面に直交する方向に関して、前記第一電極と対向する位置において、前記第二電極に接触して形成された電流遮断層を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
11. 成長基板を準備する工程（ａ）と、
    前記成長基板の上層に、第三半導体層と、前記第三半導体層よりも不純物濃度の高い第一半導体層と、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を成長する工程（ｂ）と、
    前記第二半導体層の上層に第二電極を形成する工程（ｃ）と、
    前記第二電極の上層に、前記成長基板とは別の基板を貼り合わせる工程（ｄ）と、
    前記成長基板を剥離する工程（ｅ）と、
    前記第三半導体層を露出し、当該露出された前記第三半導体層の表面の所定領域に凹凸部を形成する工程（ｆ）と、
    前記第三半導体層の表面のうち、前記凹凸部が形成されていない平坦部の上面に第一電極を形成する工程（ｇ）とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
12. 前記工程（ｇ）の終了後において、前記第一電極の外側に位置する前記平坦部の幅は、前記第一電極の幅の１／２以下であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法。
13. 前記工程（ｇ）の終了後において、前記第三半導体層の厚みが、前記第一電極の端部と前記凹凸部の端部との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体発光素子の製造方法。
14. 前記第一半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であり、
    前記第三半導体層の不純物濃度が、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
15. 前記第三半導体層はアンドープ層であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
16. 前記半導体層は、窒化物半導体からなり、
    前記第三半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
17. 前記工程（ｂ）と前記工程（ｄ）の間に、電流遮断層を形成する工程（ｈ）を有し、
    前記工程（ｇ）は、前記基板の面に直交する方向に関し、前記電流遮断層に対向する位置に前記第一電極を形成する工程であることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
    

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