JP2019207944A - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体発光素子の信頼性および出力特性を向上させる。【解決手段】半導体発光素子１０は、基板２０上に設けられるｎ型半導体層２４と、ｎ型半導体層２４上の第１領域Ｗ１に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層２６と、活性層２６上に設けられるｐ型半導体層３０と、ｐ型半導体層３０上に設けられ、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される第１保護層３６と、第１保護層３６上と、ｎ型半導体層２４上の第１領域Ｗ１とは異なる第２領域Ｗ２と、活性層２６の側面とを被覆するように設けられ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層３８と、ｐ型半導体層３０上に接して設けられるｐ側電極３４と、ｎ型半導体層２４上に接して設けられるｎ側電極３２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
深紫外光用の発光素子は、基板上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する。エッチングにより露出させたｎ型クラッド層の一部領域上にｎ側電極が形成され、ｐ型クラッド層上にはｐ側電極が形成される。ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の露出した表面上には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の保護絶縁膜が設けられる（例えば、特許文献１参照）。
特許第５９８５７８２号公報
酸化シリコン（ＳｉＯ２）は、耐湿性に乏しい材料であるため、保護機能を適切に持たせるためには厚みを大きくする必要がある。一方、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、耐湿性に優れるものの、難エッチング材料であるため、保護層を除去して電極用の開口を形成する工程において半導体層にダメージを与えるおそれがある。その結果、素子の出力特性が低下するおそれがある。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、半導体発光素子の信頼性および出力特性を向上させることにある。
本発明のある態様の半導体発光素子は、基板上に設けられるｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上の第１領域に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、活性層上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｐ型半導体層と、ｐ型半導体層上に設けられ、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される第１保護層と、第１保護層上と、ｎ型半導体層上の第１領域とは異なる第２領域と、活性層の側面とを被覆するように設けられ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層と、ｐ型半導体層上の第１保護層および第２保護層を貫通するｐ側開口にてｐ型半導体層上に接して設けられるｐ側電極と、ｎ型半導体層上の第２領域の第２保護層を貫通するｎ側開口にてｎ型半導体層上に接して設けられるｎ側電極と、を備える。
この態様によると、ｐ型半導体層上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される低屈折率の第１保護層を設けることで、ｐ型半導体層と第１保護層の界面にてより多くの紫外光を全反射させることができる。これにより、より多くの紫外光を全反射させて光取出面を有する基板に向かわせることができ、外部量子効率を高めることができる。また、活性層の側面を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層で被覆することで、耐湿性を向上させることができる。
第２保護層は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の側面をさらに被覆するように設けられてもよい。
第２保護層の厚みは、５０ｎｍ以下であってもよい。
ｎ側電極およびｐ側電極のそれぞれの一部は、第２保護層上に設けられてもよい。
本発明の別の態様は、半導体発光素子の製造方法である。この方法は、基板上に、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型半導体層、ｎ型半導体層上のＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層、活性層上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｐ型半導体層、ｐ型半導体層上の酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される第１保護層を順に積層する工程と、ｎ型半導体層の一部が露出するように第１保護層、ｐ型半導体層、活性層およびｎ型半導体層の一部を除去する工程と、第１保護層上と、ｎ型半導体層の露出領域上と、活性層の側面とを被覆するように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層を形成する工程と、第１保護層上の第２保護層を部分的に除去して第１保護層が露出するｐ側開口を形成し、ｎ型半導体層上の第２保護層を部分的に除去してｎ型半導体層が露出するｎ側開口を形成する工程と、ｎ側開口にてｎ型半導体層上に接するｎ側電極を形成する工程と、ｐ側開口にて第１保護層を除去してｐ型半導体層を露出させる工程と、ｐ側開口にてｐ型半導体層上に接するｐ側電極を形成する工程と、を備える。
この態様によると、ｐ型半導体層上を第１保護層を保護しながら、難エッチング材料である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層を除去してｎ側開口およびｐ側開口を形成できる。その結果、ｐ型半導体層上のｐ側電極が接する部分へのエッチングによるダメージを抑制し、ｐ側電極のコンタクト抵抗の悪化を防ぐことができる。また、活性層の側面を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層で被覆することで、耐湿性を向上させることができる。
ｐ側開口およびｎ側開口を形成する工程は、ドライエッチングにより第２保護層を除去してもよい。ｐ型半導体層を露出させる工程は、ウェットエッチングにより第１保護層を除去してもよい。
第２保護層は、原子層堆積法により形成されてもよい。
本発明によれば、半導体発光素子の信頼性および出力特性を向上できる。
実施の形態に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す図である。 比較例に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 変形例に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、半導体発光素子１０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。
本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。
また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。
半導体発光素子１０は、基板２０と、バッファ層２２と、ｎ型クラッド層２４と、活性層２６と、電子ブロック層２８と、ｐ型クラッド層３０と、ｎ側電極３２と、ｐ側電極３４と、第１保護層３６と、第２保護層３８とを備える。
基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する基板であり、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａの反対側の第２主面２０ｂを有する。第１主面２０ａは、バッファ層２２より上の各層を成長させるための結晶成長面となる一主面である。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取出面となる一主面である。変形例において、基板２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板であってもよいし、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板であってもよい。
バッファ層２２は、基板２０の第１主面２０ａの上に形成される。バッファ層２２は、ｎ型クラッド層２４より上の各層を形成するための下地層（テンプレート層）である。バッファ層２２は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ；High Temperature AlN）層である。バッファ層２２は、ＡｌＮ層上に形成されるアンドープのＡｌＧａＮ層を含んでもよい。変形例において、基板２０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、バッファ層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層のみで構成されてもよい。つまり、バッファ層２２は、アンドープのＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方を含む。
ｎ型クラッド層２４は、バッファ層２２の上に形成されるｎ型半導体層である。ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が２５％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように形成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように形成されることがより望ましい。ｎ型クラッド層２４は、１μｍ〜３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有する。
ｎ型クラッド層２４は、不純物であるシリコン（Ｓｉ）の濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上３×１０１９／ｃｍ３以下となるように形成されることが好ましく、７×１０１８／ｃｍ３以上２×１０１９／ｃｍ３以下となるように形成されることが好ましい。ある実施例において、ｎ型クラッド層２４のＳｉ濃度は、１×１０１９／ｃｍ３前後であり、８×１０１８／ｃｍ３以上１．５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲である。
活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で構成され、ｎ型クラッド層２４と電子ブロック層２８の間に挟まれてダブルへテロ接合構造を形成する。活性層２６は、単層または多層の量子井戸構造を有してもよく、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成されるバリア層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層の積層体で構成されてもよい。活性層２６は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、波長３１０ｎｍ以下の深紫外光を出力できるようにＡｌＮ組成比が選択される。活性層２６は、ｎ型クラッド層２４の第１上面２４ａに形成され、第１上面２４ａの隣の第２上面２４ｂには形成されない。活性層２６は、ｎ型クラッド層２４の全面に形成されず、ｎ型クラッド層２４の一部領域（第１領域Ｗ１）にのみ形成される。
電子ブロック層２８は、活性層２６の上に形成される。電子ブロック層２８は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。電子ブロック層２８は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であってもよい。
ｐ型クラッド層３０は、電子ブロック層２８の上に形成されるｐ型半導体層である。ｐ型クラッド層３０は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層３０は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。ｐ型クラッド層３０は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。
第１保護層３６は、ｐ型クラッド層３０の上に設けられる。第１保護層３６は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される。第１保護層３６は、ｐ型クラッド層３０に比べて活性層２６から出力される深紫外光に対する屈折率が低い材料で構成される。ｐ型クラッド層３０を構成するＡｌＧａＮ系半導体材料の屈折率は組成比によるが２．１〜２．５６程度である。一方、第１保護層３６を構成するＳｉＯ２の屈折率は１．４程度であり、ＳｉＯＮの屈折率は１．４〜２．１程度である。低屈折率の第１保護層３６を設けることで、ｐ型クラッド層３０と第１保護層３６の界面で活性層２６からの紫外光のより多くを全反射させ、光取出面である基板２０の第２主面２０ｂに向かわせることができる。特に、ＳｉＯ２はｐ型クラッド層３０との屈折率差が大きいため、反射特性をより高めることができる。第１保護層３６の厚みは、５０ｎｍ以上であり、例えば、１００ｎｍ以上とすることができる。
第１保護層３６には、ｐ側電極３４を形成するための第１ｐ側開口４８が設けられる。第１ｐ側開口４８は、ｐ型クラッド層３０上に設けられ、第１保護層３６を貫通してｐ型クラッド層３０を露出させるように形成される。
第２保護層３８は、第１保護層３６の上と、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂの上と、ｎ型クラッド層２４、活性層２６および電子ブロック層２８の側面とを被覆するように設けられる。第２保護層３８は、図示されるように、バッファ層２２の側面や基板２０の側面の一部を被覆してもよい。第２保護層３８は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される。第２保護層３８を構成する酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、第１保護層３６を構成する酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）に比べて耐湿性に優れる。そのため、素子構造の上面および側面の全体を第２保護層３８で被覆することで、耐湿性に優れた保護機能を提供できる。第２保護層３８の厚みは、５０ｎｍ以下とすることができ、例えば、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることができる。
第２保護層３８には、ｎ側電極３２を形成するためのｎ側開口４０が設けられる。ｎ側開口４０は、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂ上に設けられ、第２保護層３８を貫通してｎ型クラッド層２４を露出させるように形成される。第２保護層３８には、ｐ側電極３４を形成するための第２ｐ側開口４２が設けられる。第２ｐ側開口４２は、ｐ型クラッド層３０上または第１保護層３６上に設けられ、第２保護層３８を貫通して第１保護層３６またはｐ型クラッド層３０を露出させるように形成される。
ｎ側電極３２は、ｎ側開口４０に設けられ、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂに接するように形成される。ｎ側電極３２は、Ｔｉ／Ａｌ系の電極であり、ｎ型クラッド層２４上に接して設けられるＴｉ層と、Ｔｉ層上に接して設けられるＡｌ層とを少なくとも有する。Ｔｉ層の厚みは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、Ａｌ層の厚みは２０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４からの紫外光を反射させて基板２０の第２主面２０ｂに向かわせる反射電極としても機能する。
ｎ側電極３２の一部は、第２領域Ｗ２の第２保護層３８上にも形成される。ｎ側電極３２をｎ側開口４０内のみならず、第２保護層３８の上にも形成することで、反射電極の形成領域を広くし、より多くの紫外光を光取出面である基板２０の第２主面２０ｂに向けて反射させることができる。また、ｎ側開口４０の全体を被覆するようにｎ側電極３２を形成することで、第２保護層３８との組み合わせによる封止機能を高めることができる。
ｐ側電極３４は、第１ｐ側開口４８および第２ｐ側開口４２に設けられ、ｐ型クラッド層３０上に接するように形成される。ｐ側電極３４は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ；Indium Tin Oxide）などの導電性酸化物で構成される。ｐ側電極３４は、金属電極であってもよく、例えば、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造により形成されてもよい。
ｐ側電極３４の一部は、第１領域Ｗ１の第１保護層３６上や第２保護層３８にも形成される。第１ｐ側開口４８および第２ｐ側開口４２の全体を被覆するようにｐ側電極３４を形成することで、第２保護層３８との組み合わせによる封止機能を高めることができる。
つづいて、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図２〜図８は、半導体発光素子１０の製造工程を概略的に示す図である。図２において、まず、基板２０の第１主面２０ａの上にバッファ層２２、ｎ型クラッド層２４、活性層２６、電子ブロック層２８、ｐ型クラッド層３０、第１保護層３６が順に形成される。
基板２０は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板であり、ＡｌＧａＮ系半導体材料を形成するための成長基板である。例えば、サファイア基板の（０００１）面上にバッファ層２２が形成される。バッファ層２２は、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ）層と、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ−ＡｌＧａＮ）層とを含む。ｎ型クラッド層２４、活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０は、ＡｌＧａＮ系半導体材料、ＡｌＮ系半導体材料またはＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。第１保護層３６は、ＳｉＯ２またはＳｉＯＮで構成され、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの周知の技術を用いて形成できる。第１保護層３６の厚みは、５０ｎｍ以上であり、例えば１００ｎｍ以上である。
次に、図３に示すように、第１保護層３６の上にマスク１２が形成され、マスク１２が形成されていない露出領域１３の第１保護層３６、ｐ型クラッド層３０、電子ブロック層２８、活性層２６およびｎ型クラッド層２４の一部が除去される。これにより、露出領域１３にｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂ（露出面）が形成される。ｎ型クラッド層２４の露出面を形成する工程では、ドライエッチング１４により各層を除去できる。例えば、エッチングガスのプラズマ化による反応性イオンエッチングを用いることができ、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ；Inductive Coupled Plasma）エッチングを用いることができる。
次に、図４に示すように、第１保護層３６の上およびｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂ上に別のマスク１６が形成される。その後、マスク１６が形成されていない外周領域１７の第１保護層３６、ｐ型クラッド層３０、電子ブロック層２８、活性層２６およびｎ型クラッド層２４がドライエッチング１８により除去される。外周領域１７は、１枚の基板上に複数の発光素子を形成する場合の素子間の分離領域である。外周領域１７において、バッファ層２２が部分的に除去されてもよいし、バッファ層２２が完全に除去されて基板２０が露出してもよい。外周領域１７において、基板２０の一部が除去されて第１主面２０ａとは高さの異なる基板２０の外周面２０ｃが露出してもよい。
つづいて、マスク１６を除去した後、図５に示すように、素子構造の上面の全体を被覆するように第２保護層３８を形成する。第２保護層３８は、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮまたはＡｌＮで構成される。第１保護層３６上と、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂ上と、ｎ型クラッド層２４、活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０の側面を被覆するように形成される。第１保護層３６は、バッファ層２２の側面を被覆してもよいし、基板２０の側面の少なくとも一部を被覆してもよい。
第２保護層３８は、活性層２６の側面に接して活性層２６を保護する。第２保護層３８は、耐湿性が優れていることが好ましく、膜密度の高い緻密な構造であることが好ましい。例えば、第２保護層３８を原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いて形成することにより、保護機能に優れた第２保護層３８を形成できる。また、ＡＬＤ法により第２保護層３８を形成することで、保護機能に必要十分となる膜厚を小さくできる。第２保護層３８の厚みは、５０ｎｍ以下とすることができ、例えば、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることができる。
次に、図６に示すように、第２保護層３８にｎ側開口４０およびｐ側開口（第２ｐ側開口）４２を形成する。ｎ側開口４０は、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂ上の第２領域Ｗ２の一部領域に設けられ、第２ｐ側開口４２は、第１保護層３６上の第１領域Ｗ１の一部領域に設けられる。ｎ側開口４０および第２ｐ側開口４２は、これらの開口領域以外にマスクを形成し、第２保護層３８をドライエッチングすることにより形成できる。ｎ側開口４０および第２ｐ側開口４２は、第２保護層３８を貫通するように形成される。したがって、ｎ側開口４０においてｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂが露出し、第２ｐ側開口４２において第１保護層３６が露出する。
なお、第２ｐ側開口４２の形成時にｐ型クラッド層３０が露出しないように第２保護層３８を除去することが好ましい。したがって、第２ｐ側開口４２の形成後において、ｐ型クラッド層３０上に第１保護層３６が残り、ｐ型クラッド層３０上の全体が第１保護層３６により被覆された状態が維持されることが好ましい。
次に、図７に示すように、ｎ側開口４０にｎ側電極３２を形成する。ｎ側電極３２は、ｎ側開口４０にて露出するｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂ上にＴｉ層を形成し、次にＴｉ層上にＡｌ層を形成することで形成できる。ｎ側電極３２のＴｉ／Ａｌ層は、スパッタリング法により形成することが好ましい。これらの層を電子ビーム（ＥＢ）蒸着法で形成することもできるが、スパッタリング法を用いることで膜密度の低い金属層を形成でき、相対的に低いアニール温度で好適なコンタクト抵抗を実現できる。
ｎ側電極３２は、ｎ側開口４０の内側のみならず、ｎ側開口４０の外側に形成されてもい。つまり、ｎ側電極３２の一部は、第２領域Ｗ２の第２保護層３８の上に形成されてもよい。ｎ側電極３２の形成領域をｎ側開口４０よりも広くすることで、反射電極として機能するｎ側電極３２の被覆面積を広くし、出力特性を向上させることができる。また、ｎ側開口４０の全体をｎ側電極３２で被覆することができ、封止機能を高めることができる。
次に、ｎ側電極３２にアニール処理を施す。ｎ側電極３２のアニール処理は、Ａｌの融点（約６６０℃）未満の温度で実行され、５６０℃以上６５０℃以下の温度でアニールすることが好ましい。Ａｌ層の膜密度を２．７ｇ／ｃｍ３未満とし、アニール温度を５６０℃以上６５０℃以下とすることで、ｎ側電極３２のコンタクト抵抗を０．１Ω・ｃｍ２以下にすることができる。また、アニール温度を５６０℃以上６５０℃以下とすることで、アニール後のｎ側電極３２の平坦性を高め、紫外光反射率を３０％以上にすることができる。さらに、Ａｌの融点未満の温度でアニールすることにより、１分以上のアニール処理、例えば、５分〜３０分程度のアニール処理をしても好適なコンタクト抵抗が得られる。一枚の基板上に複数の素子部分が形成される場合、アニール時間を長く（１分以上に）することでアニール時の基板内の温度均一性を高め、特性のばらつきの少ない半導体発光素子を複数同時形成できる。
次に、図８に示すように、第１領域Ｗ１の第１保護層３６および第２保護層３８上と、第２領域Ｗ２の第１保護層３６およびｎ側電極３２上とにわたるマスク４４を形成する。マスク４４は、第１領域Ｗ１の第２保護層３８の第２ｐ側開口４２に対応する位置に開口４６を有する。マスク４４の開口４６は、第１保護層３６を貫通する第１ｐ側開口４８を形成するために設けられ、第２保護層３８の第２ｐ側開口４２の内側に位置する。したがって、第２保護層３８の第２ｐ側開口４２における側面は、マスク４４により被覆される。
次に、図９に示すように、マスク４４の開口４６内の第１保護層３６を除去し、第１保護層３６に第１ｐ側開口４８を形成する。第１ｐ側開口４８は、第１保護層３６を貫通するように形成され、第１ｐ側開口４８にてｐ型クラッド層３０が露出するように第１保護層３６が除去される。第１保護層３６は、ウェットエッチングにより除去されることが好ましい。第１保護層３６は、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）とフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）の混合液であるバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いて除去できる。第１保護層３６をウェットエッチングすることで、ドライエッチングする場合に比べて、第１保護層３６の除去後に露出するｐ型クラッド層３０へのダメージ影響を低減できる。
つづいて、マスク４４を除去した後、第１ｐ側開口４８および第２ｐ側開口４２内にｐ側電極３４を形成する。ｐ側電極３４は、第１ｐ側開口４８にて露出するｐ型クラッド層３０上に接するように設けられる。また、ｐ側電極３４の一部は、第２ｐ側開口４２にて露出する第１保護層３６上にも形成され、第２保護層３８上にも形成される。これにより、第１ｐ側開口４８および第２ｐ側開口４２の全体が第２保護層３８により被覆される。以上の工程により、図１に示す半導体発光素子１０ができあがる。
以下、本実施の形態の作用効果について、比較例を参照しながら説明する。図１０は、比較例に係る半導体発光素子６０の構成を概略的に示す。比較例では、上述の第２保護層３８と同様の保護層５８のみが設けられ、第１保護層３６が設けられていない。比較例の保護層５８は、第１領域Ｗ１のｐ型クラッド層３０上と、第２領域Ｗ２のｎ型クラッド層２４上と、ｎ型クラッド層２４、活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０の側面とに接するように設けられる。
比較例において、保護層５８がシリコン（Ｓｉ）を含む場合、つまり、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などで構成される場合、半導体発光素子６０の通電使用時に保護層５８に含まれるＳｉが活性層２６に拡散するおそれがある。活性層２６にＳｉが拡散すると、活性層２６を構成するＡｌＧａＮ系半導体材料がｎ型化し、活性層２６の出力特性の低下につながるおそれがある。また、窒化シリコンは、活性層２６から出力される紫外光を吸収するため、光取出面である基板２０の第２主面２０ｂからの光出力の低下にもつながる。
比較例において、保護層５８がＡｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮまたはＡｌＮで構成される場合、保護層５８がＳｉを含まないため、半導体発光素子６０の通電使用時に活性層２６にＳｉが拡散する影響を防ぐことができる。しかしながら、アルミニウムの酸窒化物はウェットエッチングが困難であるため、ｐ型クラッド層３０を露出させるためのｐ側開口の形成時に保護層５８をドライエッチングする必要がある。保護層５８のみをドライエッチングにより除去することは事実上不可能であり、少なくとも部分的にｐ型クラッド層３０の上面がドライエッチングされる。そうすると、ｐ側電極３４が接触するｐ型クラッド層３０にダメージ影響が残り、ｐ側電極３４のコンタクト抵抗が増大しうる。そうすると、半導体発光素子６０の光出力の低下につながる。
一方、本実施の形態によれば、活性層２６の側面がＡｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮまたはＡｌＮで構成される第２保護層３８で被覆されるため、活性層２６にＳｉが拡散する影響を防ぐことができる。Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮまたはＡｌＮで構成される第２保護層３８は、耐湿性に優れるため、活性層２６を封止する機能を高めることもできる。また、ｐ型クラッド層３０上にＳｉＯ２またはＳｉＯＮで構成される第１保護層３６が設けられるため、第２保護層３８をドライエッチング時に第１保護層３６をストップ層として機能させることができる。これにより、ｐ型クラッド層３０の露出面がドライエッチングにより損傷するのを防ぐことができる。これにより、ｐ側電極３４のコンタクト抵抗の増大を防止し、半導体発光素子１０の光出力を向上させることができる。
本実施の形態によれば、第１保護層３６を低屈折率の材料であるＳｉＯ２（屈折率１．４）とすることで、ｐ型クラッド層３０との屈折率差を大きくし、ｐ型クラッド層３０と第１保護層３６の界面に入射する紫外光のより多くを全反射させることができる。これにより、活性層２６から出力される紫外光のより多くを光取出面である基板２０の第２主面２０ｂに向かわせることができ、半導体発光素子１０の光出力を向上させることができる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
図１１は、変形例に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。本変形例では、第２保護層３８により被覆される半導体層の側面５０が傾斜したメサ面となっている点で上述の実施の形態と相違する。半導体層の側面５０の傾斜角θは、例えば６０度以下であり、例えば１５度〜５０度程度とすることができる。本変形例によれば、活性層２６のメサ面を傾斜させることにより、活性層２６から水平方向に出射される紫外光を基板２０の第２主面２０ｂに向けて反射させることができ、光取出効率を高めることができる。
本変形例に係る半導体発光素子１０を製造するためには、上述の図３および図４の工程で用いるマスク１２，１６の側面を傾斜させればよい。本変形例においても、第１保護層３６の形成後に半導体層をエッチングしてメサ面を形成するため、第１保護層３６にも傾斜した側面が形成される。
別の変形例では、上述の第１保護層３６および第２保護層３８とは別のさらなる保護層を備えてもよい。例えば、ｎ側電極３２、ｐ側電極３４および第２保護層３８の上面および側面を被覆するような第３保護層がさらに設けられてもよい。第３保護層は、第１保護層３６と同様の材料で構成されてもよいし、第２保護層３８と同様の材料で構成されてもよい。第３保護層は、材料が異なる複数の層の積層構造であってもよい。
１０…半導体発光素子、２０…基板、２４…ｎ型クラッド層、２６…活性層、２８…電子ブロック層、３０…ｐ型クラッド層、３２…ｎ側電極、３４…ｐ側電極、３６…第１保護層、３８…第２保護層、４０…ｎ側開口、４２…第２ｐ側開口、４８…第１ｐ側開口、Ｗ１…第１領域、Ｗ２…第２領域。

Claims (7)

  1. 基板上に設けられるｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層上の第１領域に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、
    前記活性層上に設けられるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｐ型半導体層と、
    前記ｐ型半導体層上に設けられ、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される第１保護層と、
    前記第１保護層上と、前記ｎ型半導体層上の前記第１領域とは異なる第２領域と、前記活性層の側面とを被覆するように設けられ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層と、
    前記ｐ型半導体層上の前記第１保護層および前記第２保護層を貫通するｐ側開口にて前記ｐ型半導体層上に接して設けられるｐ側電極と、
    前記ｎ型半導体層上の前記第２領域の前記第２保護層を貫通するｎ側開口にて前記ｎ型半導体層上に接して設けられるｎ側電極と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記第２保護層は、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の側面をさらに被覆するように設けられ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２保護層の厚みは、５０ｎｍ以下である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ｎ側電極および前記ｐ側電極のそれぞれの一部は、前記第２保護層上に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  5. 基板上に、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型半導体層、ｎ型半導体層上のＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層、活性層上のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｐ型半導体層、ｐ型半導体層上の酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で構成される第１保護層を順に積層する工程と、
    前記ｎ型半導体層の一部が露出するように前記第１保護層、前記ｐ型半導体層、前記活性層および前記ｎ型半導体層の一部を除去する工程と、
    前記第１保護層上と、前記ｎ型半導体層の露出領域上と、前記活性層の側面とを被覆するように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される第２保護層を形成する工程と、
    前記第１保護層上の前記第２保護層を部分的に除去して前記第１保護層が露出するｐ側開口を形成し、前記ｎ型半導体層上の前記第２保護層を部分的に除去して前記ｎ型半導体層が露出するｎ側開口を形成する工程と、
    前記ｎ側開口にて前記ｎ型半導体層上に接するｎ側電極を形成する工程と、
    前記ｐ側開口にて前記第１保護層を除去して前記ｐ型半導体層を露出させる工程と、 前記ｐ側開口にて前記ｐ型半導体層上に接するｐ側電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記ｐ側開口および前記ｎ側開口を形成する工程は、ドライエッチングにより前記第２保護層を除去し、
    前記ｐ型半導体層を露出させる工程は、ウェットエッチングにより前記第１保護層を除去することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記第２保護層は、原子層堆積法により形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体発光素子の製造方法。
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