JP5232969B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関し、特に優れた発光特性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
近年、短波長光発光素子用の半導体材料として窒化物系半導体であるＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、この基板上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
ＧａＮ系化合物半導体材料の特性としては、横方向への電流拡散が小さいことが挙げられる。このため、電極直下の半導体にしか電流が注入されず、発光層で発光した光は電極に遮られて外部に取り出されない。そこで、このような発光素子では、通常、透光性正極が用いられ、透光性正極を通して光が取り出される。
従来の透光性正極は、ＮｉやＣｏ等の酸化物と、コンタクト金属としてＡｕ等とを組み合わせた層構造とされていた。また、近年ではＩＴＯ等、より導電性の高い酸化物を使用することにより、コンタクト金属の膜厚を極力薄くして透光性を高めた層構造が正極として採用され、発光層からの光を効率よく外部に取り出すことができる構成とされている。
このような発光素子の出力を向上させるための指標として、外部量子効率が用いられる。この外部量子効率が高ければ、出力の高い発光素子と言うことができる。
外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率を掛け合わせたものとして表される。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換される割合である。一方。光取り出し効率とは、半導体結晶内部で発生した光のうち、外部に取り出すことができる割合である。
上述のような発光素子の内部量子効率は、結晶状態の改善や構造の検討によって７０〜８０％程度まで向上していると言われ、注入電流量に対して十分な効果が得られている。
しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体のみならず、発光ダイオード（ＬＥＤ）においては、一般的に注入電流に対する光取出し効率が押並べて低く、注入電流に対しての内部発光を十分に外部に取り出しているとは言い難い。
光取り出し効率が低いのは、ＧａＮ系化合物半導体における発光層の屈折率が約２．５と空気の屈折率１に対して非常に高く、臨界角が約２５°と小さいため、結晶内で反射・吸収を繰り返し、光が外部に取り出せない事が原因である。
発光素子の光取り出し効率を向上させるため、発光取り出し面を粗面化し、光の取り出し面にさまざまな角度を設けることにより、光の取り出し効率を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、特許文献１に記載された発光素子では、ドライエッチングダメージにより、透光性正極とｐ型半導体層との間に大きな抵抗が生じてしまい、駆動電圧が極端に大きくなるという問題がある
特開平６−２９１３６８号公報
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率に優れ、且つ低い駆動電圧で動作可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
［１］ 基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層および第１のｐ型半導体層をこの順序で積層する第１の結晶成長工程と、さらに窒化ガリウム系化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を積層する第２の結晶成長工程とを含み、前記第１の結晶成長工程と第２の結晶成長工程との間に、前記第１のｐ型半導体層表面に凹凸を形成する凹凸形成工程と、該凹凸形成工程の後に熱処理を行う熱処理工程とが備えられていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２］ 前記熱処理工程を酸素雰囲気下で行うことを特徴とする［１］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［３］ 前記熱処理工程における熱処理温度が２５０℃以上であることを特徴とする［１］または［２］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［４］ 前記熱処理工程における熱処理温度が５００℃以上であることを特徴とする［１］または［２］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［５］ 前記凹凸形成工程が、下記（ａ）及び（ｂ）の中工程を備えていることを特徴とする［１］〜［４］の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
（ａ）第１のｐ型半導体層上にマスクを形成する工程。
（ｂ）第１のｐ型半導体層表面をドライエッチングする工程。
［６］ 前記工程（ａ）が、前記第１のｐ型半導体層上にレジスト材を用いてパターニングを行い、マスクを形成することを特徴とする［５］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［７］ 前記工程（ａ）は、前記第１のｐ型半導体層上に金属薄膜を形成する小工程と、金属薄膜形成後に熱処理を行なう小工程とを備えていることを特徴とする［５］または［６］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［８］ 前記工程（ｂ）におけるドライエッチング後、前記工程（ａ）で形成した前記金属薄膜が、前記第１のｐ型半導体層中もしくは表面に残存していることを特徴とする［７］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［９］ 前記金属薄膜が、融点が１００℃〜４５０℃の温度の低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする［７］または［８］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［１０］ 前記金属薄膜がＮｉまたはＮｉ合金であることを特徴とする［７］または［８］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［１１］ 前記金属薄膜が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎの群から選ばれる低融点金属、または少なくともこれらの金属の内の１種を含んだ低融点合金であることを特徴とする［７］〜［１０］の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、第１のｐ型半導体層表面を特定の形状の粗面とする方法により、光取り出し効率にすぐれ、低い駆動電圧で動作可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の製造方法では、特に、以下（１）及び（２）に示すような効果がある。
（１）第１のｐ型半導体層表面に、ドライエッチングダメージの無い凹凸を形成させることが出来る。
（２）第２のｐ型半導体層を積層して再成長させるため、基板法線方向に対して傾いた結晶面が表面に露出する。これにより、透光性正極のステップカバレッジ性が向上する。
これらの効果により、光取り出し効率にすぐれ、低い駆動電圧で動作可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（以下、発光素子と略称することがある）の製造方法の一実施形態について、図１〜３を適宜参照しながら説明する。
但し、本発明は以下の実施形態の各々に限定されるものではなく、例えば、これら実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせても良い。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、図１に示すような基板１１上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１３、発光層１４および第１のｐ型半導体層１５をこの順序で積層する第１の結晶成長工程と、さらに窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）１６を積層する第２の結晶成長工程とを含み、前記第１の結晶成長工程と第２の結晶成長工程との間に、前記第１のｐ型半導体層１５表面に凹凸を形成する凹凸形成工程と、該凹凸形成工程の後に熱処理を行う熱処理工程とが備えられた構成とされている。
本発明の発光素子の製造方法では、光取り出し面の第１のｐ型半導体層１５表面に、エッチングダメージのない凹凸表面を形成する方法とすることにより、発光素子の駆動電圧を下げ、光取り出し効率を向上させる。
エッチングダメージの主な現象としては、例えばｐ型半導体層表面の不純物濃度の極端な低下が挙げられる。このダメージを回復させるために、さまざまな提案がなされており、例えば、特開２０００−１９６１５２号公報に記載された方法等がある。
しかしながら、特開２０００−１９６１５２号で提案された方法では、完全にダメージを回復するまでには至らず、駆動電圧が上昇してしまう。本願発明者らは、以下に説明する方法により、エッチングダメージを十分に回復させ、駆動電圧が下がることを発見した。
［窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構成］
図１は本発明で得られる発光素子の断面を模式的に示した図である。
図１において、符号１１は基板、１２はバッファ層、１３はｎ型半導体層、１４は発光層、１５は第１のｐ型半導体層、１６はｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）、１７は透光性正極、１８は正極ボンディングパッド、１９は負極ボンディングパッドである。
本発明の発光素子は、図１に示す例のように、第１のｐ型半導体層１５表面に凹凸が形成されており、さらにｐコンタクト層１６が積層されている。また、図示例では、第１のｐ型半導体層１５表面に形成された凹凸に沿うようにして、第２のｐ型半導体層１６及び透光性正極１７が凹凸に形成されている。
以下、本発明の発光素子について詳述する。
「基板」
基板１１としては、サファイア単結晶（Ａｌ２Ｏ３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＯ単結晶等の酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶及びＺｒＢ２等のホウ化物単結晶、等の基板材料が周知である。本発明においても、これら周知の基板材料を含めて、如何なる基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶及びＳｉＣ単結晶が特に好ましい。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
「窒化ガリウム系化合物半導体」
上述の基板１１上には、通常、バッファ層１２を介して、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１３、発光層１４および第１のｐ型半導体層１５が積層される。なお、使用する基板やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層１２が不要である場合がある。
また、本発明の発光素子は、図１に示す例のように、第１のｐ型半導体層１５表面に凹凸が形成されており、該第１のｐ型半導体層１５上に、さらにｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）１６が積層されている。
窒化ガリウム系化合物半導体としては、例えば一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、Ａｓ及びＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を用いる。
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層１３は、通常、下地層、ｎコンタクト層およびｎクラッド層から構成される。ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。
下地層はＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。下地層の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。膜厚を１μｍ以上とすることにより、結晶性の良好なＡｌＸＧａ１―ＸＮ層が得られやすくなる。
下地層には、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）の方が、良好な結晶性を維持する点から好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃が好ましく、１０００〜１２００℃の範囲に調整することがより好ましい。この温度範囲内で成長させれば、結晶性の良い下地層が得られる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は１５〜４０ｋＰａに調整することが好ましい。
ｎコンタクト層としては、下地層と同様にＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。成長温度は下地層と同様である。
ｎコンタクト層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体は、下地層と同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を１〜２０μｍ、好ましくは２〜１５μｍ、さらに好ましくは３〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。ｎコンタクト層と下地層との合計の膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
ｎコンタクト層と発光層１４との間には、ｎクラッド層を設けることが好ましい。ｎクラッド層を設けることにより、ｎコンタクト層の最表面に生じた、平坦性の悪化した箇所を埋めることできる。ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍの範囲であり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍの範囲である。
また、ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
（発光層）
ｎ型半導体層１３上に積層される発光層１４としては、窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくはＧａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層が通常用いられる。
発光層１４の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が好ましく、例えば１〜１０ｎｍの範囲であり、より好ましくは２〜６ｎｍの範囲である。膜厚が上記範囲であると、発光出力の点で好ましい。
また、発光層は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他、上記Ｇａ１−ｓＩｎｓＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。
ＡｌｃＧａ１−ｃＮ障璧層の成長温度は７００℃以上が好ましく、８００〜１１００℃の温度で成長させると結晶性が良好になるため、より好ましい。また、ＧａＩｎＮ井戸層は６００〜９００℃、好ましくは７００〜９００℃の温度で成長させる。すなわちＭＱＷの結晶性を良好にするためには、層間で成長温度を変化させることが好ましい。
（第１のｐ型半導体層）
第１のｐ型半導体層１５は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。
ｐクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１４へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１４へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。
ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
ｐコンタクト層は、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。
また、ｐ型ドーパントを１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲である。
ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、０．２〜４μｍが好ましく、より好ましくは０．４〜２μｍの範囲である。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
（第１のｐ型半導体層表面の凹凸）
本発明の発光素子は、図１に示す例のように、第１のｐ型半導体層表面に凹凸が形成されている。
本発明では、光取り出し面である第１のｐ型半導体層１５表面に凹凸が形成された構成とすることにより、発光素子の駆動電圧が下げられ、また、光取り出し効率が向上し、発光特性に優れた発光素子を実現することができる。
（第２のｐ型半導体層）
本発明の発光素子は、上述したように、表面に凹凸が形成された第１のｐ型半導体層１５上に、ｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）１６が積層されている。また、図１に示す例では、第１のｐ型半導体層１５表面に形成された凹凸に沿うようにして、ｐコンタクト層１６が凹凸に形成されている。
ｐコンタクト層１６の好ましい膜厚は、該ｐコンタクト層１６が積層される第１のｐ型半導体層表面への凹凸形成工程で用いられる方法により異なってくる。例えば、一般的なレジストマスクをフォトリソグラフィー法によって任意のパターン形状に作製し、凹凸形成を行なった場合には、膜厚は５００Å〜５０００Åの範囲であることが好ましい。
ｐコンタクト層１６の膜厚が大きすぎると凹凸が平坦化してしまい、光取り出しの点で好ましくない。ｐコンタクト層１６の膜厚が小さすぎると傾斜した結晶面が出現せず、透光性正極のステップカバレッジ性の点で好ましくない。
「透光性正極」
透光性正極１７は、図１に示す例のように、ｐコンタクト層１６の直上、あるいはｐコンタクト層１６上に金属層等を介して形成される。また、図１に示す例では、第１のｐ型半導体層１５表面に形成された凹凸に沿うようにして、透光性正極１７が、ｐコンタクト層１６とともに凹凸に形成されている。
透光性正極１７は、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｕ等の金属を用いることができる。また、ＩＴＯやＮｉＯ、ＣｏＯなどの透明酸化物を含んでも構わない。透明酸化物を含む形態としては、塊として上記金属膜中に含んでも良いし、層状として上記金属膜と重ねて形成しても良く、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
また、透光性正極１７に用いられる透明酸化物としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺｎＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）等の内、少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
透光性正極１７は、ｐコンタクト層１６上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極１７を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
また、発光素子の形態としては、図１に示すように、透光性正極を用いて半導体側から発光を取り出す、いわゆるフェイスアップ（ＦＵ）型としても良いし、反射型の正極を用いて基板側から発光を取り出す、いわゆるフリップチップ（ＦＣ）型としても良い。
「正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッド」
正極ボンディングパッド１８は、図１に示す例のように、透光性正極１７上に設けられる。
正極ボンディングパッド１８の材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１８の厚さは、１００〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１８の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
負極ボンディングパッド１９は、図１に示す例のように、ｎ型半導体層１３に接するように形成される。
このため、負極ボンディングパッド１９を形成する際は、発光層１４およびｐ型半導体層１５の一部を除去してｎ型半導体層１３のｎコンタクト層を露出させ、この上に負極ボンディングパッド１９を形成する。
負極ボンディングパッド１９の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
［窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法］
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、上述したように、図１に示すような基板１１上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１３、発光層１４および第１のｐ型半導体層１５をこの順序で積層する第１の結晶成長工程と、さらに窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）１６を積層する第２の結晶成長工程とを含み、前記第１の結晶成長工程と第２の結晶成長工程との間に、前記第１のｐ型半導体層１５表面に凹凸を形成する凹凸形成工程と、該凹凸形成工程の後に熱処理を行う熱処理工程とが備えられた構成とされている。
本発明の発光素子の製造方法では、前記第１の結晶成長工程を終えたウェハ上に凹凸を形成する（凹凸形成工程）。その後、熱処理工程を実施し、再びｐ型半導体層のみを積層する第２の結晶成長工程を実施する。本発明の製造方法では、熱処理工程及び第２の結晶成長工程が、ドライエッチングによって不純物濃度の低下した部分に対し、不純物を再度拡散させる役割を果たしている。
「凹凸形成工程」
本発明の凹凸形成工程は、下記（ａ）及び（ｂ）の中工程が備えられた構成とすることができる。
（ａ）第１のｐ型半導体層上にマスクを形成する工程。
（ｂ）第１のｐ型半導体層表面をドライエッチングする工程。
また、本発明の凹凸形成工程は、上記工程（ａ）が、第１のｐ型半導体層上に金属薄膜を形成する小工程と、金属薄膜形成後に熱処理を行なう小工程とが備えられた構成とすることができる。
以下、第１のｐ型半導体層表面に凹凸を形成する方法について、図１に示す発光素子１の例を用いながら具体的に説明する。
まず、基板１１上に、バッファ層１２を介して、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１３、発光層１４および第１のｐ型半導体層１５がこの順序で積層されたウェハ上に、一般的なレジストマスクをフォトリソグラフィー法により任意のパターン形状に作製する。この際の形状は、円形、楕円形、多角形、ストライプ状等、発光素子の大きさ、形状、発光波長等に合わせて選択する。その後、一般的なドライエッチング装置を用いて、第１のｐ型半導体層１５をエッチングする。エッチング深さは、第１のｐ型半導体層１５の膜厚以下であることが好ましい。ドライエッチング後、有機洗浄などによってレジストマスクを剥離する。
なお、レジストマスク以外にメタルマスク（金属薄膜）を使用しても良い。メタルマスクを使用する場合は、上述のようなレジストマスクと同様の使い方をする場合と、メタルの凝集効果を利用して粒状に形成する方法の２通りがある。凝集効果を利用してマスクを形成する場合、メタル材料は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎからなる群から選ばれる低融点金属、または少なくともこれらの金属の内の１種を含んだ低融点合金であることが好ましい。また、前記低融点金属及び低融点合金は、融点が１００℃〜４５０℃の温度の金属であることが好ましい。
これらの金属を用いて、蒸着、スパッタ等の一般的な成膜方法にて、任意のパターンでウェハ上に形成し、その後、材料に応じた熱処理を加えて凝集させる。例えば、ＮｉまたはＮｉ合金を用いる場合、酸素存在下で３００℃から６００℃の温度範囲で熱処理をするのが好ましい。この条件で熱処理を行えば、光取り出しの点で好ましい形状を得ることが出来る。その後、ドライエッチングを行うことにより、粒状マスクに応じた凹凸が第１のｐ型半導体層表面に形成される。
なお、本発明の発光素子の製造方法では、前記工程（ｂ）におけるドライエッチング後、前記工程（ａ）で形成した金属薄膜が、第１のｐ型半導体層１５中もしくは表面に残存した構成とすることができる。金属薄膜を残存させることにより、第１のｐ型半導体層１５とｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）１６との間の接触抵抗を、より低減することができる。
「熱処理工程」
以下、熱処理工程に関して説明する。
本発明の熱処理工程は、処理温度が２５０℃以上であることが好ましく、さらに好ましくは５００℃以上である。また、熱処理工程は、酸素存在下で行うことが好ましい。但し、熱処理温度が１１００℃以上であると、ＭＱＷにダメージを与える可能性が高くなり、逆方向電圧特性に悪影響を与えることがある。
上述のような条件で熱処理を行うことにより、駆動電圧の低い素子が得られる。
また、この熱処理工程における酸素の役割は明らかになっていないが、実験的に良好な結果が得られている（後述の実施例を参照）。
酸素存在下での熱処理工程を、水素を使用するＭＯＣＶＤ炉内で実施することは安全上好ましくないので、熱処理工程は、ＭＯＣＶＤ炉以外の加熱装置で行うことが好ましい。
「第２の結晶成長工程について」
以下、第二の結晶成長工程に関して詳述する。
本発明では、第１の結晶成長工程で積層した第１のｐ型半導体層１５表面に、前記凹凸形成工程及び熱処理工程によって凹凸を形成した後、第２の結晶成長工程において、さらにｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）を積層する。
本発明の第二の結晶成長工程で積層するｐコンタクト層は、上述したように、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Ａｌ組成を上記範囲とすることが、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐ型ドーパントを１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲である。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層の膜厚は、該ｐコンタクト層が積層される第１のｐ型半導体層表面への凹凸形成工程で用いられる方法によって異なってくる。例えば、一般的なレジストマスクをフォトリソグラフィー法により任意のパターン形状に作製し、凹凸形成を行なった場合には、膜厚は５００Å〜５０００Åの範囲であることが好ましい。ｐコンタクト層の膜厚が大きすぎると凹凸が平坦化してしまい、光取り出しの点で好ましくない。ｐコンタクト層の膜厚が小さすぎると、傾斜した結晶面が出現せず、透光性正極のステップカバレッジ性の点で好ましくない。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、上記構成により、光取り出し効率にすぐれ、低い駆動電圧で動作可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の製造方法では、特に、以下（１）及び（２）に示すような効果がある。
（１）第１のｐ型半導体層表面に、ドライエッチングダメージの無い凹凸を形成させることが出来る。
（２）第２のｐ型半導体層を積層して再成長させるため、基板法線方向に対して傾いた結晶面が表面に露出する。これにより、透光性正極のステップカバレッジ性が向上する。
これらの効果により、光取り出し効率にすぐれ、低い駆動電圧で動作可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
［ランプの構成］
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
図３は、本発明のランプの一例を模式的に示した断面図であり、このランプ２は、図１に示す本発明のフェイスアップ型の窒化物系半導体からなる発光素子１が砲弾型に実装されたものである。図３において、符号２１、２２はフレームを示し、符号２３、２４はワイヤー、符号２５はモールドを示している。
ランプ２は、図１に示す本発明の発光素子１を用いて、従来公知の方法により製造することができる。具体的には、例えば、２本のフレーム２１、２２の内の一方（図３ではフレーム２１）に発光素子１を樹脂等で接着し、該発光素子１の正極及び負極（図１に示す符号１８、１９参照）を、金等の材質からなるワイヤー２３、２４でそれぞれフレーム２１、２２に接合した後、透明な樹脂からなるモールド２５で発光素子１の周辺をモールドすることにより、図３に示す砲弾型のランプを作成することができる。
なお、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
本発明の発光素子は光取り出し効率に優れていることから、発光特性に優れたランプを実現することが可能となる。
次に、本発明の発光素子及びそれを用いたランプを実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
［実施例１］
図１に、本実験例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図を示すとともに、図２に、その平面模式図を示す。
「窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製」
サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層１２を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層及び厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層１３、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層及び厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層１４、さらに厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層と厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎコンタクト層がこの順序で積層された第１のｐ型半導体層１５からなり、各層をこの順で積層して形成した。光取り出し面は半導体側とした。
（凹凸の形成）
次に、一般的なフォトリソグラフィー法を用いて、前記ｐコンタクト層上にドット状にレジストマスクを形成した。そして、０．４μｍの深さでドライエッチングした後、レジストを有機洗浄で剥離した。その後、酸素濃度１％の雰囲気中で、６００℃、１ｍｉｎのアニールを実施した。
（ｐコンタクト層の積層）
次に、表面に凹凸が形成された第１のｐ型半導体層１５上に、さらに、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層１６を積層した。
この構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０１７ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０１９ｃｍ−３であった。
また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図１の符号１２、１３、１４、１５、１６）は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
そして、この窒化ガリウム系化合物半導体層に、負極を形成する領域のｎ型ＧａＮコンタクト層を反応性イオンエッチング法により露出させた。
まず、エッチングマスクの形成にあたり、レジストをｐ型半導体層の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形成領域からレジストを除去した。そして、真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０−４Ｐａ以下で、Ｎｉ及びＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍ及び３００ｎｍとなるように積層した。その後、リフトオフ技術により、負極形成領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。
次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０−４Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ２を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
（透光性正極の形成）
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層表面の正極を形成する領域にのみ、Ｔｉ０．９５Ｎｂ０．０５Ｏ２からなる透明電極をスパッタ法により１．２μｍ形成した。
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１６上の正極を形成する領域にのみ、厚さ１ｎｍのＮｉコンタクトメタル層、ＩＴＯからなる電流拡散層を形成した。電流拡散層の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上にＩＴＯを１μｍ積層した。
そして、真空室から取り出した後、透明化のための熱処理を実施し、透光性正極１７とした。
（正極ボンディングパッドの形成）
次に、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに同様な手法で透光性正極上の一部に、Ａｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、正極ボンディングパッド１８を形成した。
（負極ボンディングパッドの形成）
次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極ボンディングパッド１９を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極１９を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。
（素子の分割）
このようにして正極および負極を形成したウェハを、基板１１裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板の板厚を薄くし、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れた後、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。
「発光素子の評価」
上述のようにして得られたチップをステムマウントして、電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ３．３Ｖであった。発光出力は１３ｍＷであった。
そして、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ、印加電流２０ｍＡにおける発光出力は２０ｍＷを示した。ｐ型半導体層に凹凸を形成していないチップに対して発光出力は約１．３倍であった。またその発光面の発光分布は正極上の全面で発光しているのが確認できた。
［実施例２〜６、比較例１］
熱処理条件を、下記表１に示す条件に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜６、及び比較例１の発光素子を作製した。そして、実施例１と同様の評価を行い、結果を下記表１に示した。
Figure 0005232969
表１に示すように、本発明の製造方法で規定する条件で、第１のｐ型半導体層１５表面への凹凸形成及び熱処理を施し、さらにｐコンタクト層１６を積層した実施例２〜６の発光素子は、発光出力が何れも１２ｍＷ以上であり、また、駆動電圧が３．３〜３．８Ｖの範囲であった。
これに対し、第１のｐ型半導体層表面への凹凸形成後、熱処理を行なわなかった比較例１の発光素子は、各実施例の発光素子に比べ、発光出力が１０ｍＷと低く、また、駆動電圧が４．０Ｖと高めであった。
［実施例７］
実施例１と同様の方法により、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。その後、蒸着装置内に入れ、ｐコンタクト層上全面にＮｉを１５０ｎｍ積層した。
次に、酸素濃度０．２％の雰囲気中で、６００℃の温度で熱処理を行い、上記Ｎｉの薄膜を凝集させ、金属微粒子からなるマスクを形成した後、０．４μｍの深さでドライエッチングした。ドライエッチング後の表面を顕微鏡で観察すると、Ｎｉが僅かに残存していることが確認された。
次いで、酸素濃度１％の雰囲気中で６００℃、１ｍｉｎのアニールを実施した。さらにその後、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層を積層した。
以下、正極及び負極の形成方法、基板裏面の研削・研磨、チップへの分離方法は実施例１と同様である。得られたチップをステムマウントして電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ３．２Ｖであった。積分球出力は１４ｍＷであった。
そして、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ、印加電流２０ｍＡにおける発光出力は２２ｍＷを示した。また、その発光面の発光分布は、正極上の全面で発光しているのが確認できた。
以上の結果により、本発明の製造方法で得られる発光素子が、光取り出し効率に優れ、高い素子特性を有していることが明らかである。
本発明の発光素子の一例を模式的に説明する図であり、断面構造を示す概略図である。 本発明の発光素子を模式的に説明する図であり、図１に示す発光素子の平面構造を示す概略図である。 本発明のランプの一例を模式的に説明する図であり、断面構造を示す概略図である。
符号の説明
１…発光素子、２…ランプ、１１…基板、１２…バッファ層、１３…ｎ型半導体層、１４…発光層、１５…第１のｐ型半導体層、１６…ｐコンタクト層（第２のｐ型半導体層）、１７…透光性正極、１８…正極ボンディングパッド、１９…負極ボンディングパッド

Claims (11)

  1. 基板上に、少なくとも、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層および第１のｐ型半導体層をこの順序で積層する第１の結晶成長工程と、さらに窒化ガリウム系化合物半導体からなる第２のｐ型半導体層を積層する第２の結晶成長工程とを含み、
    前記第１の結晶成長工程と第２の結晶成長工程との間に、前記第１のｐ型半導体層表面に凹凸を形成する凹凸形成工程と、該凹凸形成工程の後に熱処理を行う熱処理工程とが備えられていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  2. 前記熱処理工程を酸素雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  3. 前記熱処理工程における熱処理温度が２５０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  4. 前記熱処理工程における熱処理温度が５００℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記凹凸形成工程が、下記（ａ）及び（ｂ）に示す中工程を備えていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
    （ａ）第１のｐ型半導体層上にマスクを形成する工程。
    （ｂ）第１のｐ型半導体層表面をドライエッチングする工程。
  6. 前記工程（ａ）が、前記第１のｐ型半導体層上にレジスト材を用いてパターニングを行い、マスクを形成することを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記工程（ａ）は、前記第１のｐ型半導体層上に金属薄膜を形成する小工程と、金属薄膜形成後に熱処理を行なう小工程とを備えていることを特徴とする請求項５または６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記工程（ｂ）におけるドライエッチング後、前記工程（ａ）で形成した前記金属薄膜が、前記第１のｐ型半導体層中もしくは表面に残存していることを特徴とする請求項７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記金属薄膜が、融点が１００℃〜４５０℃の温度の低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする請求項７または８に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  10. 前記金属薄膜がＮｉまたはＮｉ合金であることを特徴とする請求項７または８に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
  11. 前記金属薄膜が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎの群から選ばれる低融点金属、または少なくともこれらの金属の内の１種を含んだ低融点合金であることを特徴とする請求項７〜１０の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
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