JP4772168B2 - 発光素子、および発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、発光素子、および発光素子の製造方法に関するものである。

現在、紫外光、青色光、緑色光等を発する発光素子の開発が行われている。このような発光素子としては、例えば複数の半導体層を積層した光半導体層と該光半導体層に電圧を印加する電極とからなる発光素子がある（例えば、特開2006−222288号公報参照）。

そこで、このような発光素子の開発において、光半導体層と電極との間の電気特性を向上させることが求められている。

本発明の一実施形態にかかる発光素子は、第１半導体層、発光層および第２半導体層が順次積層された、窒化物半導体からなる光半導体層と、第１半導体層に電気的に接続された第１電極層と、第２半導体層に電気的に接続された第２電極層とを備えている。また、第２電極層は、第２半導体層上に位置するとともに酸化銀を含み、銀からなる導電反射層および導電反射層上に位置しているとともに厚み方向に貫通する貫通孔を複数持ち、アルミニウムからなる導電層を有している。

本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法は、窒化物半導体からなる光半導体層、銀からなる第１金属層および第１金属層の酸化物よりも融点が高い、アルミニウムからなる第２金属層が順次積層された積層体を準備する工程と、第２金属層に厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する工程を有している。そして、本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法は、その後、積層体を、第１金属層の酸化物の融点よりも高くかつ第１金属層の融点および第２金属層の融点のいずれよりも低い温度で加熱し、光半導体層の第１金属層との界面領域を酸化する工程を備えている。

本発明の一実施形態にかかる発光素子の斜視図である。 図１に示す発光素子の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときに相当する。 図１に示す発光素子の貫通孔、導電反射層および導電層の拡大断面図である。 図１に示す発光素子の貫通孔、凹部およびその周辺の拡大断面図である。 図１に示す発光素子の変形例の貫通孔、凹部およびその周辺の拡大断面図である。 図１に示す発光素子の変形例の貫通孔、凹部およびその周辺の拡大図であり、（ａ）は厚み方向に切断した断面の拡大断面図、（ｂ）は上方から平面視したときの拡大平面図にそれぞれ相当する。 図１に示す発光素子の変形例の平面図であり、発光素子を上方から平面視したときに相当する。 図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときに相当する。 図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときに相当する。 図１に示す発光素子をパッケージに実装した発光装置である。 図１に示す発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 図１に示す発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 図１に示す発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 図１に示す発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 図１に示す発光素子の分析結果を示すグラフである。 図１に示す発光素子の分析結果を示すグラフである。 比較例の発光素子の分析結果を示すグラフである。

以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。

本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。

＜発光素子について＞
図１は本実施形態にかかる発光素子20の斜視図、図２は図１に示す発光素子20の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。

発光素子20は、図１および図２に示すように、基板１と、基板１上に形成された光半導体層２と、光半導体層２の一部と電気的に接続された第１電極層３と、導電反射層４および貫通孔６を複数持つ導電層５を有する第２電極層７と、を備えている。

基板１は、化学気相成長法を用いて、光半導体層２を成長させることが可能なものであればよい。基板１は、平面視形状が例えば四角形状などの多角形状または円形状の平板などから形成されている。基板１に用いられる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなどを挙げることができる。

光半導体層２で発光した光を基板１側から取り出す場合には、光半導体層２で発光した光を透過させる透光性の基材を用いる方法などを用いることができる。透光性の基材としては、光半導体層２で発光する光の波長を考慮すればよく、例えば、後述する発光層２ｂの構成を用いた場合、例えば、サファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛またはシリコンカーバイドなどを用いることができる。本実施形態において、基板１はサファイアからなり、基板１の厚みとしては10μｍ以上1000μｍ以下程度である。

光半導体層２は、図２に示すように、基板１の主面１Ａに形成された第１半導体層２ａと、第１半導体層２ａ上に形成された発光層２ｂと、発光層２ｂ上に形成された第２半導体層２ｃと、から構成されている。

第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃとしては、例えばIII−Ｖ族半導体を用いることができる。具体的なIII−Ｖ族半導体としては、III族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示できる。III族窒化物半導体としては、例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは窒化インジウムなどを用いることができ、化学式で例示するとＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃとしては、III−Ｖ族半導体以外に、例えば酸化亜鉛などを用いることができる。

光半導体層２は、第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃが、基板１の主面１Ａに順次形成された積層構造からなる。第１半導体層２ａは一導電型としてｎ型半導体の性質を呈するように設定され、第２半導体層２ｃは第１半導体層２ａとは逆導電型のｐ型半導体の性質を呈するように設定されている。本実施形態において、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｃは、III族窒化物半導体である窒化ガリウムにより形成されている。

窒化ガリウムからなる第１半導体層２ａをｎ型窒化ガリウムとするには、例えば元素周期律表においてＩＶ族の元素をドーパントとして窒化ガリウムに添加すればよい。ＩＶ族の元素のドーパントとしては、例えばシリコンなどを用いることができる。第１半導体層２ａの厚みは、例えば0.5μｍ以上200μｍ以下に設定することができる。

窒化ガリウムからなる第２半導体層２ｃをｐ型窒化ガリウムとするには、例えば元素周期律表においてII族の元素をドーパントとして添加すればよい。II族の元素のドーパントとしては、例えばマグネシウムなどを用いることができる。第２半導体層２ｃの厚みは、例えば0.5μｍ以上２μｍ以下に設定することができる。

発光層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。発光層２ｂは、例えば多層量子井戸構造（Multi Quantum Well 略称ＭＱＷ)としてもよい。多層量子井戸構造は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから構成される量子井戸構造を複数回（例えば、２回以上10回以下）繰り返して積層すればよい。発光層２ｂ全体の厚みは、例えば25ｎｍ以上150ｎｍ以下に設定することができる。

障壁層としては、例えばＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などを用いることができる。井戸層としては、例えばＩｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などを用いることができる。この場合、障壁層の厚みは、例えば２ｎｍ以上15ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上10ｎｍ以下に設定することができる。このように構成された発光層２ｂでは、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発する。

光半導体層２には、第１電極層３および第２電極層７が設けられている。第１電極層３は第１半導体層２ａと電気的に接続され、第２電極層７は第２半導体層２ｃと電気的に接続されている。発光素子20は、第１電極層３と第２電極層７との間に電圧を印加することにより、光半導体層２を発光させることができる。本実施形態においては、第１電極層３および第２電極層７が、光半導体層２の同じ側であって、光半導体層２に対して基板１と反対側に配置されている。

第１電極層３は、第１半導体層２ａと電気的に接続されている。第１電極層３は、第２電極層２ｃの一部および発光層２ｂの一部が除去されて露出した第１半導体層２ａの露出領域に設けられている。

第１電極層３としては、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、スズ、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属材料を用いることができる。さらに、第１電極層３として、例えば、酸化スズ、酸化インジウムまたは酸化インジウムスズなどの金属酸化物または前述した金属材料を主成分に含む合金を用いてもよい。前述した金属材料を主成分に含む合金としては、例えば、金とシリコンとの合金、金とゲルマニウムとの合金、金と亜鉛との合金または金とベリリウムとの合金などの合金を用いることができる。

第１電極３は、前述した、金属、金属酸化物または合金などの材料の中から選択した層を複数層積層したものとしてもよい。第１電極３として、例えば金を用いた場合には、第１電極３と第１半導体層２ａとの間でオーミック接触させるためのオーミック接触層としてアルミニウムを間に介在させたチタンを設けることができる。第１電極３は、基板１が導電性を有する場合、光半導体層２が形成された基板１の主面１Ａとは反対側主面または側面に設けてもよい。

第２電極層７は、第２半導体層２ｃの主面２Ａ上の位置に設けられ、第２半導体層２ｃと電気的に接続されている。第２電極層７は、導電反射層４と導電層５とを順次積層することにより構成されている。

導電反射層４は、発光層２ｂで発光した光を基板１の方向に反射させるため、第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に形成されている。導電反射層４は、第２半導体層２ｃの主面２Ａを例えば80％以上覆うように形成されている。

導電反射層４は、発光層２ｂで発光した光を基板１の方向に反射するとともに、第２半導体層２ｃと第２電極層７とを電気的に接続することができる導電性の材料から形成される。導電反射層４の厚みは、例えば２ｎｍ以上2000ｎｍ以下に設定されている。

導電反射層４は、具体的には、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、スズ、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属材料を用いることができる。さらに、導電反射層４としては、酸化スズ、酸化インジウムまたは酸化インジウムスズなどの金属酸化物または前述した金属材料を主成分に含む合金などを用いることができる。前述した金属材料を主成分に含む合金としては、例えば銀とガリウムとの合金、銀とアルミニウムとの合金、金とシリコンとの合金、金とゲルマニウムとの合金、金と亜鉛との合金または金とベリリウムとの合金などの合金を好適に用いることができる。

本実施形態では、発光層２ｂで発する光が例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長を有するため、導電反射層４として、波長に対する反射率の観点から銀を用いている。その場合、導電反射層４の厚みは、例えば10ｎｍ以上1000ｎｍ以下に設定することができる。

導電層５は、導電反射層４の上面４Ａに位置するように形成され、導電反射層４を介して第２半導体層２ｃと電気的に接続されている。導電層５の厚みは、例えば１ｎｍ以上4000ｎｍ以下に設定されている。導電層５の材料としては、導電反射層４と異なる材料を用いることができ、前述した導電反射層４の材料の中から選択すればよい。

本実施形態において、導電層５は、アルミニウムで形成されている。その場合、導電層５の厚みは、例えば１ｎｍ以上100ｎｍ以下に設定することができる。

導電層５は、厚み方向を貫通する貫通孔６を複数持っている。導電反射層４の上面４Ａの一部が、複数の貫通孔６によって、導電層５から露出している。複数の貫通孔６は、導電層５から露出する導電反射層４の面積が、導電反射層４の上面４Ａの面積に対して、例えば10％以上60％以下となるように設けられている。

複数の貫通孔６は、図３に示すように、隣接する２つの貫通孔６の距離Ｆ１、すなわち隣接する２つの貫通孔６の間に位置する導電層５の幅が、例えば0.4μｍ以上30μｍ以下となっている。貫通孔６は、円錐台形状、円柱形状、多角錐台形状または多角柱形状などから選択される。貫通孔６の底面すなわち貫通孔６が露出させる導電反射層４の上面４Ａの面の寸法Ｆ２は、例えば直径が0.02μｍ以上50μｍ以下に設定される。本実施形態において、貫通孔６は円柱形状により形成されている。

以上のように構成された発光素子20は、第２電極層７が導電反射層４を露出させる複数の貫通孔６を有している。そのため、第２半導体層２ｃと導電反射層４とを加熱した際に、導電反射層４と酸素とを接触しやすくすることができる。

その結果、第２半導体層２ｃと導電反射層４とが接触する界面領域における酸素の量を多くすることができる。これにより、第２半導体層２ｃと導電反射層４とがオーミック接触することとなり、第２半導体層２ｃと導電反射層４との接触抵抗値を小さくすることができる。そのため、光半導体層２と第２電極層７との電気特性を向上させることができる。

ここで、第２半導体層２ｃと導電反射層４との接触抵抗値とは、第２半導体層２ｃと導電反射層４との接触面に存在する電気抵抗値を指す。これは、第２半導体層２ｃと導電反射層４との接触面には接触電位差と、接触面を流れる電流に対応する不連続的な電位差とがあり、これと電流との比が接触抵抗値になる。

一方、貫通孔をもたない導電層が導電反射層上に設けられた構成の発光素子の場合には、光半導体層と導電反射層とが接触する界面領域において酸素の量を多くすることが難しかった。そのため、光半導体層と導電反射層との接触抵抗値が高くなり、光半導体層の発光効率の低下を招きやすかった。

さらに、本実施形態の発光素子20は、導電層５が複数の貫通孔６を有することから、導電反射層４の上面４Ａの一部を露出させることができ、平面透視して、貫通孔６によって露出した導電反射層４と重なる位置の第２半導体層２ｃと外部との距離を短くすることができ、第２半導体層２ｃの温度が高温になるのを抑制することができる。

また、本実施形態の発光素子20は、貫通孔をもたない導電層が導電反射層上に設けられた構成の発光素子の場合と比較して、電極層５に貫通孔６を有することにより、外部と接する第２電極層７の表面積を増やすことができるので、光半導体層２で発生した熱の放熱性を向上させることができる。

（各種変形例について）
導電反射層４は、図４に示すように、導電層５の貫通孔６と対応する位置に凹部12を設けてもよい。凹部12は、円柱、多角柱、円錐台または多角錐台などを用いることができる。凹部12の直径は、貫通孔６の直径と同じ寸法に設定してもよく、例えば0.02μｍ以上３μｍ以下に設定される。導電反射層４が凹部12を有することにより、導電反射層４と酸素とが接触する面積を増やすことができる。導電反射層４が露出する表面積を増やすことができることから、光半導体層２で発生した熱の放熱性を向上させることができる。

凹部12は、図５に示すように、導電層５側に向かうにつれて、導電反射層４の厚み方向と垂直な断面の面積である第１断面積が大きくなるように設けてもよい。すなわち、凹部12としては、凹部12の底面の面積より上面の面積を大きくした形状を用いることができる。凹部12としては、例えば円錐台形状または多角錐台形状などを用いることができる。このように凹部12を設けることにより、導電反射層４の露出した表面積をさらに増やすことができる。

貫通孔６は、図５に示すように、導電反射層４側に向かうにつれて、導電層５の厚み方向と垂直な断面の面積である第２断面積が小さくなるように設けてもよい。すなわち、貫通孔６は、断面視して、側辺18が導電反射層４の主面４Ａに対する角度αが鋭角で形成してもよい。

このように貫通孔６の側辺18が導電反射層４の主面４Ａに対して傾斜していることにより、表面積を大きくすることができるため放熱性をさらに向上させることができる。さらに、後述する保護金属層13を第２電極層７上に設ける場合、傾斜した貫通孔６上に保護金属層13を高い被覆性で設けることができる。

凹部12は、図６に示すように、平面透視して、貫通孔６より内側に設けられていてもよい。具体的に、貫通孔６は、平面透視において、貫通孔６の第１開口部８の外周が、凹部12の第２開口部９の外周よりも外側に位置するように設けられている。

ここで、第１開口部８は、導電層５の導電反射層４側の表面に位置する貫通孔６の一端側の開口部を指し、第２開口部９は、導電反射層４の導電層５側の表面に位置する凹部12の開口部を指す。

第１開口部８の形状と第２開口部９の形状とは、異なっていてもよい。第１開口部８の面積は、第２開口部９の面積に対して、例えば1.1倍以上2.5倍以下となるように設定される。このように凹部12および貫通孔６が設けられていることにより、導電反射層４の上面４Ａの一部を露出させることができるため、導電反射層４の露出した表面積を増やすことができる。

導電層５は、図７に示すように、平面視において、内方に向かうにつれて、複数の貫通孔６の存在する密度が高くなるように設けてもよい。ここで、導電層５に設けられた複数の貫通孔６の存在する密度とは、導電層５を平面視して、貫通孔６の面積が導電層５の面積に対して占める割合を指す。

導電反射層４と第２半導体層２ｃとを加熱した場合、貫通孔６で露出した導電反射層４の表面からだけでなく導電反射層４の側面から酸素が浸透するようになる。そのため、貫通孔６をこのような密度で設けることにより、第２半導体層２ｃと導電反射層４とが接触する界面領域において、第２半導体層２ｃの主面２Ａの面方向の酸素の量の差を、小さくすることができる。その結果、平面視して第２半導体層２ｃの主面２Ａの面方向全体にわたって、導電反射層４との接触抵抗値を小さくすることができる。

発光素子20は、図８に示すように、保護金属層13をさらに備えてもよい。具体的に、保護金属層13は、貫通孔６に充填されるとともに、導電層５の表面を被覆するように設けられる。保護金属層13を構成する材料の熱膨張係数は、導電層５を構成する材料の熱膨張係数と比べて小さくなるように設定されている。

このように第２電極層５より小さな熱膨張係数をもつ材料から保護金属層13を形成することによって、導電層５が熱膨張により変形することを抑えることができる。貫通孔６に保護金属層１３の材料が充填されていることにより、導電層５が横方向に熱膨張することを抑制することができる。その結果、保護金属層13は、熱によって導電層５と導電反射層４とが剥離するのを抑制することができ、導電層５と導電反射層４との接続不良を抑えることができる。

具体的に、導電層５としてアルミニウム（熱膨張係数30.2×10⁻⁶［Ｋ^−１］）を用いた場合、保護金属層13としてタンタル（熱膨張係数6.3×10⁻⁶［Ｋ^−１］）、金（熱膨張係数14.2×10⁻⁶［Ｋ^−１］）、スズ（熱膨張係数22.0×10⁻⁶［Ｋ^−１］）、銅（熱膨張係数16.5×10⁻⁶［Ｋ^−１］）またはニッケル（熱膨張係数13.4×10⁻⁶［Ｋ^−１］）などを含む単体または合金を用いることができる。なお、例示した熱膨張係数は、273Ｋにおける値である。

さらに、導電反射層４に凹部12を設けていた場合、凹部12に保護金属層13を充填してもよい。凹部12に保護金属層13の材料を充填する場合、保護金属層13として導電反射層４の材料および導電層５の材料より熱膨張係数の小さい材料を用いればよい。

本実施形態では、導電反射層４として、銀（熱膨張係数18.9×10⁻⁶［Ｋ^−１］）を用いることから、タンタル（熱膨張係数6.3×10⁻⁶［Ｋ^−１］）、金（熱膨張係数14.2×10⁻⁶［Ｋ^−１］）、銅（熱膨張係数16.5×10⁻⁶［Ｋ^−１］）、ニッケル（熱膨張係数13.4×10⁻⁶［Ｋ^−１］）などを含む単体や合金を用いることができる。なお、保護金属層13は、熱膨張係数を考慮しつつ導電性等の観点から、タンタルと金の合金（熱膨張係数6.3×10⁻⁶［Ｋ^−１］以上14.2×10⁻⁶［Ｋ^−１］以下）などの合金を用いてもよい。

本実施形態においては、第２半導体層２ｃが窒化ガリウムからなるため、第２半導体層２ｃと導電反射層４とを加熱した場合に、第２半導体層２ｃと導電反射層４とが接触する界面領域に酸化ガリウムを含むようにしてもよい。第２半導体層２ｃが導電反射層４との界面領域に酸化ガリウムを含むことにより、第２半導体層２ｃと導電反射層４との接触抵抗値を小さくすることができる。

本実施形態においては、導電反射層４が銀からなるため、第２半導体層２ｃと導電反射層４とを加熱した場合に、導電反射層４は酸化銀を含むようになる。具体的には、導電反射層４は、貫通孔６によって導電層５によって露出した導電反射層４の上面４Ａの露出部分と導電反射層４の側面部分とから酸化されやすくなる。そのため、導電反射層４は、露出部分と側面部分とに酸化銀が含まれやすくなる。

導電反射層４は、図９に示すように、第２半導体層２ｃと接触する箇所に、第１接触部10と第１接触部10よりも電気抵抗が小さい第２接触部11とを有していてもよい。第１接触部10の電気抵抗値および第２接触部11の電気抵抗値は、第２半導体層２ｃと導電反射層４との接触界面における接触抵抗値を変化させることにより形成することができる。

接触抵抗値を変化させる方法としては、例えば第２半導体層２ｃと導電反射層４とをオーミック接触させることにより形成することができる。オーミック接触の一例としては、例えば接触界面または接触界面付近の酸素の量を変化させることにより電気抵抗値を異ならせることができる。導電反射層４を銀で形成した場合を例示すると、第２接触部11には、酸化銀が多く含まれやすくなる。

本実施形態において、第２電極層７は、平面透視して、第２接触部11と重なる箇所に、導電反射層４の上面の一部を露出する貫通孔６を有している。また、第２接触部11が第１接触部10より小さな電気抵抗を有することから、電流が第１接触部10より第２接触部11に流れやすくなり、第２接触部11に接触する第２半導体層２ｃにおける発熱が大きくなりやすい。

そのため、導電層５に形成された貫通孔６が、平面透視して、第２接触部11と重なる箇所に位置することにより、高温になりやすい第２接触部11と外部との放熱経路を短くすることができ、放熱性を向上させることができる。その結果、第２半導体層２ｃの温度を安定させることができ、発光効率を向上させることができる。

さらに、図１０に示すように、発光素子20をパッケージ体16にフリップチップ実装して発光装置50を形成する際、このような保護金属層13を、パッケージ体16の配線電極15と発光素子20とを接合するバンプとして用いてもよい。このように保護金属層13をバンプとして用いることにより、保護金属層13を設けないで配線電極15と接合した場合と比較して、配線電極15と第２電極層７との間で起こる熱による接続不良を抑えることができる。

保護金属層13の材料として、導電層５の電気抵抗より小さい材料を用いてもよい。本実施形態では、導電反射層４として銀（電気抵抗値1.47［10⁻⁸Ω・ｍ］）、貫通孔６を有する第２電極層５としてアルミニウム（電気抵抗値2.50［10⁻⁸Ω・ｍ］）で形成され、保護金属層１３が貫通孔６を介して導電反射層４と電気的に接続されていることから、貫通孔６を設けない場合と比較して、消費電力をさらに低くすることができる。なお、例示した電気抵抗値は273Ｋの値である。

さらに、発光素子20を保護樹脂層により封止してもよい。保護樹脂層としては、例えばシリコーン樹脂などを用いることができる。発光層２ｂが350ｎｍ以上500ｎｍ以下の波長の光を発する場合、このようなシリコーン樹脂の中に発光した光の波長で励起することができる蛍光体や燐光体を混ぜて発光層２ｂからの光を白色光に変換してもよい。

＜発光素子の製造方法について＞
次に、発光素子20の製造方法を説明する。図１１から図１６は、発光素子20の製造方法を説明するための断面図であり、図１に示す発光素子20のＡ―Ａ’線における断面に相当する部分を示している。上述した発光素子20と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

（積層体を準備する工程）
図１１に示すように、基板１上に、第１半導体層２ａ、発光素子２ｂおよび第２半導体層２ｃを順次積層した光半導体層２を形成する。光半導体層２は、例えばガリウム、インジウムおよびアルミニウムのうち少なくとも一つを含む窒化物の混晶を用いることができる。

光半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法またはパルスレーザデポジション（Pulsed Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などが用いられる。光半導体層２で発光した光を基板１側から取り出す場合には、基板１上に光半導体層２を成長させた後に基板１を除去する方法を用いてもよい。

その後、光半導体層２の第２半導体層２ｃ上に、第１金属層21と第２金属層22とを順次積層した積層体30を形成する。第１金属層21として導電反射層４となる材料を用いることができ、第２金属層22として導電層５となる材料を用いることができる。第２金属層22は、第１金属層21の酸化物よりも融点が高い材料で構成されていることが好ましい。なお、第１金属層21および第２金属層22は、上述した導電反射層４の材料または上述した導電層５の材料から選択される。

第１金属層21および第２金属層22の積層方法は、スパッタリング法または蒸着法などの方法を用いることができる。積層方法は、積層させる材料によって適宜選択すればよい。第１金属層21の厚みは、選択した材料の反射率によって適宜変更することができ、例えば10ｎｍ以上5000ｎｍ以下に設定することができる。第２金属層22の厚みは、例えば１ｎｍ以上50ｎｍ以下に設定することができる。

本実施形態において、第１金属層21は銀を主成分とする材料から形成され、第２金属層22はアルミニウムを主成分とする材料から形成されている。

（貫通孔を複数形成する工程）
次に、第２金属層22に、第２金属層22の厚み方向に貫通する貫通孔６を複数形成する。貫通孔６を形成する方法としては、例えば、レジストなどのマスクを用いたフォトリソグラフィ法またはリフトオフ法を用いることができる。本実施形態においては、フォトリソグラフィ法を用いている。リフトオフ法などを用いる場合、前述した積層体30を積層する工程において、レジストパターンを第１金属層21上に設ける工程を有していてもよい。他の方法としては、集束イオンビーム（Focused Ion Beam、略称ＦＩＢ）法などを用いることができる。フォトリソグラフィ法またはリフトオフ法を用いた場合、複数の貫通孔６を同時に形成することができるため、高い生産性で貫通孔６を形成することができる。

フォトリソグラフィ法を用いて貫通孔６を形成する場合について説明する。

まず、図１２に示すように、貫通孔６を形成する第２金属層22の一部を露出させるレジスト23を、第２金属層22上に形成する。レジスト23から露出した第２金属層22の表面から第１金属層21の上面21Ａが露出する深さまでエッチングを行ない、第２金属層22の一部を除去する。その後、レジスト23を除去することによって、図１３に示すように、貫通孔６を第２金属層22に複数形成することができる。本実施形態において、貫通孔６の直径は、例えば0.2μｍ以上20μｍ以下に設定されている。

第２金属層22の一部を除去するエッチング方法としては、ウエットエッチング法またはドライエッチング法を用いることができる。第２金属層22の一部を除去する際にウエットエッチング法を用いた場合、エッチング液として、第２金属層22のエッチングレートが高く、第１金属層21のエッチングレートが低い薬液を用いることができる。このような薬液をエッチング液として用いることにより、第１金属層21が想定以上に除去されるのを抑制しつつ、第２金属層22を除去することができ、第２金属層22を選択的にエッチングすることができる。

貫通孔６を複数形成することにより、第２金属層22露出した第１金属層21の一部が自然酸化されやすくなる。本実施形態では、第１金属層21は銀を主成分とすることから、第２金属層22から露出した第１金属層21の一部には酸化銀が多く含まれやすくなる。

（積層体を加熱する工程）
その後、第１金属層21と貫通孔６が形成された第２金属層22とからなる積層体30を加熱する。このように積層体30を加熱することにより、第２半導体層２ｃも加熱される。積層体30を加熱する温度は、例えば、第１金属層21の酸化物の融点よりも高く、第１金属層21および第２金属層22の融点よりも低い温度に設定することができる。

積層体30をこのような温度で加熱することにより、第１金属層21が凝集することを抑制しつつ、図１４に示すように、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域をオーミック接触させたオーミック接触部25とすることができる。

ここで、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域とは、第２半導体層２ｃの原子濃度と第１金属層21の原子濃度が同じになる接触面からそれぞれの層に例えば20ｎｍの範囲の領域を指す。

また、オーミック接触とは、半導体バルクの抵抗による直列抵抗値と比較して、極めて小さな接触抵抗値である金属と半導体との接触である。すなわち、オーミック接触とは、デバイスの動作領域での電圧降下と比べて、小さい電圧降下となる接触を指す。オーミック接触した場合の接触抵抗値は、例えば0.012Ω・ｃｍ^２以下に設定される。

積層体30を加熱すると、第２金属層22が貫通孔６を有することより、酸素が貫通孔６を通り、第１金属層21に浸透するため、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域の全体の酸素の量を増やすことができる。その結果、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域をオーミック接触させることができる。

第２半導体層２ｃと第１金属層２１とが接触する界面領域をオーミック接触とする方法としては、第１金属層21の下面まで酸化物を形成する方法または第１金属層21に酸素を拡散させる方法などを用いることができる。

第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域において、第２半導体層２ｃと第１金属層21とをオーミック接触とすることができることから、第２半導体層２ｃと第１金属層21との接触抵抗値を小さくすることができる。そのため、第１金属層21から第２半導体層２ｃに電流を流れやすくすることができる。その結果、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域全体に電流が流れやすくなり、光半導体層２で発光した光の発光ムラなどを少なくすることができる。

本実施形態では、第１金属層21は銀（融点961℃）、酸化された第１金属層21は酸化銀（融点280℃）、第２金属層22はアルミニウム（融点660℃）をそれぞれ主成分として含んでいる。そのことから積層体30を加熱する温度は、例えば300℃以上600℃以下に設定することができる。

第１金属層21および第２金属層22に用いた材料の融点が、主成分の材料の融点と異なる場合には、適宜その融点を考慮して加熱する温度を設定すればよい。具体的には、第１金属層21および第２金属層22に用いた材料として、合金材料または不純物を含有する材料などを用いる場合がある。

また、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域でオーミック接触される範囲は、積層体30の加熱温度、加熱時間などによって調節することができる。

第２半導体層２ｃと第１金属層21とがオーミック接触されているかは、例えば第２半導体層２ｃと第１金属層21との界面領域の酸素の量を調べる方法などにより確認することができる。この他の方法としては、第２半導体層２ｃと第１金属層21との接触抵抗値を測定する方法を用いることができる。

第２半導体層２ｃと第１金属層21との界面領域における酸素の量は、例えばダイナミック二次イオン質量分析（Dynamic-Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer 略称Ｄ−ＳＩＭＳ）法、Ｘ線光電子分光分析（X-ray Photoelectron Spectroscopy 略称ＸＰＳ）法またはオージェ電子分光法（Auger Electron Spectroscopy 略称ＡＥＳ）などの分析方法で分析することにより確認することができる。Ｄ−ＳＩＭＳ法、ＸＰＳ法またはＡＥＳ法は、ＪＩＳ Ｋ0146−2002などに準拠した方法を用いればよい。

（各種変形例について）
貫通孔６を複数形成する工程において、第１金属層21の表面が露出するまで第２金属層22をエッチングして貫通孔６を形成した後、第１金属層21の表面から第１金属層21をエッチングしてもよい。第２金属層22をエッチングした後、続けて第１金属層21のエッチングを行うことにより、図４または図５に示すように、第１金属層21に貫通孔６と対応した位置に凹部12を形成することができる。

貫通孔６を複数形成する工程において、第２金属層22および第１金属層21のエッチングレートが異なるようにエッチングしてもよい。第２金属層22のエッチングレートを第１金属層21のエッチングレートより高くすることにより、図６に示すように、平面透視において、貫通孔６の第１開口部８の外周を、凹部12の第２開口部９の外周よりも外側に位置するように設けることができる。

積層体30を加熱する工程において、大気より高い酸素濃度の酸素雰囲気中で積層体30を加熱してもよい。積層体30の加熱を酸素雰囲気中で行うことにより、第２半導体層２ｃと第１金属層21との間でより確実にオーミック接触をさせることができる。さらに、積層体30を大気より高い酸素濃度の雰囲気中で加熱することにより、積層体30を加熱する工程の加熱時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

（評価結果）
本実施形態にかかる発光素子20を第２金属層22の表面から深さ方向にＸＰＳ法を用いて分析した結果の一部を、図１５に示す。具体的には、第２金属層22の表面から第２半導体層２ｃまでの深さ方向に存在する酸素、銀、ガリウムおよびアルミニウムのそれぞれの原子濃度を測定した。図１５において、横軸は第２金属層22からの深さを示し、縦軸は原子濃度を示しており、酸素の原子濃度のみ自然対数の値としている。今回のＸＰＳ法による分析に用いた試料は、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域においてオーミック接触されたものを用いた。

図１５に示すように、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域、すなわち銀の原子濃度が減少しかつガリウムの原子濃度が増加している領域では、酸素の原子濃度が多くなっていることがわかる。このことから、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する界面領域において、酸素の量が多くなっていることがわかる。この場合、第２半導体層２ｃと第１金属層21とが接触する接触面は、第２半導体層２ｃの原子濃度と第１金属層21の原子濃度とが同じになる位置、すなわち図１５に示すように、第２半導体層２ｃの原子濃度を示す曲線と第１金属層21の原子濃度を示す曲線とが交差する位置である。

一方、第２金属層に貫通孔を有しない構造では、第２金属層によって酸素が第１金属層に浸透することが遮断されるため、第２半導体層と第１金属層とが接触する界面領域の酸素の量を増やすことができなかった。その結果、第２半導体層と第１金属層とが接触する界面領域でオーミック接触させることはできなかった。

ここで、上述した本実施形態のように第２金属層22が貫通孔６を有する構成で加熱した場合の分析結果を図１６に示し、第２金属層に貫通孔を有しない構造で加熱した場合の比較例の分析結果を図１７に示す。図１６および図１７は、ともに第２金属層22の表面から深さ方向にＤ−ＳＩＭＳ法を用いて測定した結果である。具体的に、第２金属層22の表面から第２半導体層２ｃまでの深さ方向に存在する酸素、銀、ガリウムおよびアルミニウムのそれぞれの量を測定した。図１６および図１７において、横軸は第２金属層22からの深さを示し、縦軸はそれぞれの元素の量を示している。

図１６および図１７に示すように、第１金属層21と第２半導体層２ｃとが接触する界面領域において、第２金属層に貫通孔を有しない構成と比較して、第２金属層22に貫通孔６を有する構成の場合の方が、10倍程度酸素の量が相対的に多くなっていることがわかる。

その結果、本実施形態における発光素子20では、光半導体層２と第１金属層22とが接触する面全体で発光していたのに対して、比較例の発光素子では界面領域において第１金属層から第２半導体層に電流が流れにくく、発光ムラがあった。さらに、光半導体層を発光させるために第１電極層と第２電極層との間に大きな電圧をかける必要があり、消費電力の増加を招いていた。

一方、第２金属層を設けずに、光半導体層上に、銀からなる第１金属層を形成した後、光半導体層および第１金属層を加熱した場合、銀が凝集してしまい導電反射層を形成することができなかった。他方、光半導体層および第１金属層の加熱温度を小さくした場合には、第２半導体層と第１金属層との間で十分なオーミック接触を形成することができなかった。

第２半導体層２ｃと第１金属層21とがオーミック接触されているかを、第２半導体層２ｃと第１金属層21との接触抵抗値を測定する方法を用いて確認する場合、例えば伝送線路モデル（Transmission Line Model 略称ＴＬＭ）法などを用いることができる。

上述の製造方法により作製した発光素子を、ＴＬＭ法を用いて測定した結果、第２半導体層２ｃと第１金属層21との接触抵抗値が0.012Ω・ｃｍ^２以下の電気抵抗値だった。

Claims (14)

1. 窒化物半導体からなる光半導体層、銀からなる第１金属層および該第１金属層の酸化物よりも融点が高い、アルミニウムからなる第２金属層が順次積層された積層体を準備する工程と、
   前記第２金属層に厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する工程と、
   前記積層体を、前記第１金属層の酸化物の融点よりも高くかつ前記第１金属層の融点および前記第２金属層の融点のいずれよりも低い温度で加熱し、前記光半導体層の前記第１金属層との界面領域を酸化する工程と
   を備える発光素子の製造方法。
2. 前記第１金属層のうち前記貫通孔に対応する部位に凹部を形成する工程をさらに備える、請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. 前記積層体の前記加熱を酸素雰囲気中で行なう、請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。
4. 第１半導体層、発光層および第２半導体層が順次積層された、窒化物半導体からなる光半導体層と、
   前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極層と、
   前記第２半導体層に電気的に接続された、前記第２半導体層上に位置するとともに酸化銀を含み、銀からなる導電反射層および該導電反射層上に位置しているとともに厚み方向に貫通する貫通孔を複数持ち、アルミニウムからなる導電層を有する第２電極層と
   を備えた発光素子。
5. 前記導電反射層の前記酸化銀は、前記貫通孔と対応する箇所に位置する、請求項４に記載の発光素子。
6. 前記導電反射層は、前記貫通孔に対応する部位に凹部を有する、請求項４または５に記載の発光素子。
7. 前記導電層は前記導電反射層側の表面に前記貫通孔の一端側の開口部である第１開口部を有し、前記導電反射層は前記導電層側の表面に前記凹部の開口部である第２開口部を有しており、平面透視において、前記第１開口部の外周は前記第２開口部の外周よりも外側に位置する、請求項６に記載の発光素子。
8. 前記凹部は、前記導電層側に向かうにつれて、前記導電反射層の厚み方向と垂直な断面の面積である第１断面積が大きくなっている、請求項６または７に記載の発光素子。
9. 前記貫通孔は、前記導電反射層側に向かうにつれて、前記導電層の厚み方向と垂直な断面の面積である第２断面積が小さくなっている、請求項４〜８のいずれかに記載の発光素子。
10. 平面視において、前記導電層は、内方に向かうにつれて、前記貫通孔の存在する密度が高くなっている、請求項４〜９のいずれかに記載の発光素子。
11. 前記貫通孔に充填されているとともに前記導電層の表面を被覆する保護金属層をさらに備え、
    該保護金属層を構成する材料の熱膨張係数は、前記導電層を構成する材料の熱膨張係数よりも小さい、請求項４〜１０のいずれかに記載の発光素子。
12. 前記第２半導体層は前記導電反射層との界面領域に酸化ガリウムを含む、請求項４〜１１のいずれかに記載の発光素子。
13. 前記導電反射層は２０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項４〜１２のいずれかに記載の発光素子。
14. 前記導電層は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項４〜１３のいずれかに記載の発光素子。

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