JP5834120B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子において、光取りだし効率を高めるために、高反射率の銀（Ａｇ）を電極として用いる構成がある。しかしながら、Ａｇを用いた場合、マイグレーションが発生し易く、安定した特性が得難く、信頼性が低い。

特開２００５−２６０２４５号公報

本発明の実施形態は、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極を有する半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、第１半導体層と、発光部と、第２半導体層と、反射電極と、酸化物層と、窒素含有層と、金属層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記第１半導体層は、第１導電形である。前記発光部は、前記第１半導体層の上に設けられる。前記第２半導体層は、前記発光部の上に設けられ、第２導電形である。前記反射電極は、前記第２半導体層の上に設けられ、Ａｇを含む。前記酸化物層は、前記反射電極の上に設けられ、開口部を有し、絶縁性である。前記窒素含有層は、前記酸化物層の上に設けられ、前記開口部に繋がる開口部を有し、絶縁性である。前記金属層は、前記窒素含有層を覆い、前記酸化物層の前記開口部及び前記窒素含有層の前記開口部を介して前記反射電極と電気的に接続され前記酸化物層の前記開口部における側面及び前記窒素含有層の前記開口部における側面を覆う。前記反射電極のうちの、前記酸化物層の前記開口部及び前記窒素含有層の前記開口部において露出する部分の面積は、前記反射電極のうちの、前記酸化物層に覆われている部分の面積よりも小さい。前記反射電極は、酸素を含む。
本発明の実施形態によれば、第１導電形の第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた発光部と、前記発光部の上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ前記第２半導体層と接しＡｇを含む反射電極と、前記反射電極の上に設けられ導電性の酸化物層と、前記酸化物層の上に設けられ導電性の窒素含有層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記発光部から射出された光は、前記反射電極で反射され前記第１半導体層側の面から外部に射出される。前記反射電極は、酸素を含む。

第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的透過平面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャート図である。 図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的断面である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的透過平面図である。 第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的透過平面図である。
図１は、図２のＡ１−Ａ２線断面図である。
図１及び図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０と、発光部３０と、第２半導体層２０と、反射電極４０と、酸化物層４１と、窒素含有層４２と、を含む。

第１半導体層１０は、第１導電形である。発光部３０は、第１半導体層１０の上に設けられる。第２半導体層２０は、発光部３０の上に設けられる。第２半導体層２０は、第１導電形とは異なる第２導電形である。例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。ただし、実施形態はこれに限らない。第１導電形がｐ形で、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である場合について説明する。

ここで、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸方向は、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０の積層方向である。第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０は、積層体１５に含まれる。

反射電極４０は、第２半導体層２０の上に設けられている。反射電極４０は、銀（Ａｇ）を含む。

酸化物層４１は、反射電極４０の上に設けられる。この例では、酸化物層４１は、絶縁性であり、第１開口部４１ｈを有する。後述するように、酸化物層４１は、導電性でも良い。酸化物層４１が導電性の場合、第１開口部４１ｈは設けられなくても良い。

窒素含有層４２は、酸化物層４１の上に設けられる。この例では、窒素含有層４２は、絶縁性であり、第２開口部４２ｈを有する。第２開口部４２ｈの少なくとも一部は、第１開口部４１ｈに繋がる。後述するように、窒素含有層４２は、導電性でも良い。窒素含有層４２が導電性の場合、第２開口部４２ｈは設けられなくても良い。

酸化物層４１が第１開口部４１ｈを有し、窒素含有層４２が第２開口部４２ｈを有する場合、例えば、反射電極４０のうちの、酸化物層４１の第１開口部４１ｈ及び窒素含有層４２の第２開口部４２ｈにおいて露出する部分の面積は、反射電極４０のうちの、酸化物層４１に覆われている部分の面積よりも小さい。

酸化物層４１が絶縁性である場合、酸化物層４１は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｙ及びＬａの少なくともいずれかの酸化物を含むことができる。例えば、酸化物層４１として、ＳｉＯ_２を用いることができる。

窒素含有層４２が絶縁性である場合、窒素含有層４２は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＣｅの少なくともいずれかの窒化物または酸窒化物を含むことができる。例えば、窒素含有層４２として、Ｓｉ_３Ｎ_４を用いることができる。また、窒素含有層４２として、ＳｉＯＮを用いることができる。

図１に表したように、この例では、半導体発光素子１１０は、第１半導体層側電極３５をさらに有する。第１半導体層側電極３５と反射電極４０との間に、第２半導体層２０が配置される。第２半導体層２０と第１半導体層側電極３５との間に発光部３０が配置される。発光部３０と第１半導体層側電極３５との間に第１半導体層１０が配置される。

さらに、金属層５０が設けられている。金属層５０の少なくとも一部は、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈの中に設けられている。例えば、金属層５０は、窒素含有層４２の少なくとも一部を覆う。金属層５０は、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを介して、反射電極４０と電気的に接続されている。金属層５０には、例えば、反射電極４０に接するＴｉ膜と、Ｔｉ膜の上に設けられたＰｔ膜と、Ｐｔ膜の上に設けられたＡｕ膜と、を含む積層膜が用いられる。金属層５０の少なくとも一部は、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈの中に設けられる。金属層５０は、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを介して反射電極４０と電気的に接続される。

この例では、支持基板６０と、接合層６１とが設けられている。支持基板６０と反射電極４０との間に金属層５０が配置される。支持基板６０と金属層５０との間に接合層６１が配置される。支持基板６０には、例えば、シリコン基板が用いられる。接合層６１には、例えばＡｕ−Ｓｎ合金が用いられる。

例えば、図示しない結晶成長用基板の上に、第１半導体層１０、発光部３０、第２半導体層２０が順次結晶成長される。第２半導体層２０の上に反射電極４０、酸化物層４１及び窒素含有層４２が形成される。さらに、この上に金属層５０が形成される。この後、結晶成長用基板が除去され、露出した第１半導体層１０の上に第１半導体層側電極３５が形成される。金属層５０と接合層６１とが接合される。これにより、半導体発光素子１１０が得られる。

図２に表したように、複数の第１開口部４１ｈと、複数の第２開口部４２ｈと、を設けることができる。この例では、これらの開口部はそれぞれ４つ設けられている。開口部ｈ１、ｈ２、ｈ３及びｈ４のそれぞれにおいて、第２開口部４２ｈは第１開口部４１ｈを介して、反射電極４０に繋がる。

金属層５０と第１半導体層側電極３５とに電圧を印加することで、発光部３０から光が放出される。発光部３０から出射した光は、反射電極４０で反射し、主に、第１半導体層１０の側の面から外部に出射する。

第１半導体層１０には、例えば、ｎ形ＧａＮ層が用いられる。第２半導体層２０には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。

図３は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、発光部３０は、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。この例では、２つの井戸層３２が図示されているが、井戸層３２の数は、１つでも３つ以上でも良い。すなわち、発光部３０は、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）構造、または、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造を有することができる。

この例では、障壁層３１と井戸層３２との間に、中間層が設けられている。例えば、井戸層３２から見て第１半導体層１０の側の障壁層３１とその井戸層３２との間に第１中間層３３が設けられている。井戸層３２から見て第２半導体層２０の側の障壁層３１とその井戸層３２との間に第２中間層３４が設けられている。

障壁層３１には、例えば、Ｉｎ_ｘｂＡｌ_ｙｂＧａ_{１−ｘｂ−ｙｂ}Ｎ（０＜ｘｂ＜１、０＜ｙｂ＜１）が用いられる。障壁層３１には、例えばＩｎ_０．０２Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６５Ｎが用いられる。障壁層３１の厚さは、例えば１２．５ナノメートル（ｎｍ）である。

第１中間層３３には、例えば、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）が用いられる。第１中間層３３には、例えば、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎが用いられる。第１中間層３３の厚さは、例えば０．５ｎｍである。

井戸層３２には、例えば、Ｉｎ_ｘ０Ｇａ_１−ｘ０Ｎ（０＜ｘ０＜１）が用いられる。井戸層３２には、例えば、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎが用いられる。井戸層３２の厚さは、例えば、２．５ｎｍである。

第２中間層３４には、例えば、Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１）が用いられる。第２中間層３４には、例えば、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎが用いられる。第２中間層３４の厚さは、例えば０．５ｎｍである。

なお、第１中間層３３及び第２中間層３４は必要に応じて設けられ、省略しても良い。複数の障壁層３１が設けられる場合、複数の障壁層３１において組成及び厚さの少なくともいずれかが異なっても良い。複数の井戸層３２が設けられる場合、複数の井戸層３２において組成及び厚さの少なくともいずれかが異なっても良い。

上記のように、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０には、窒化物半導体が用いられる。発光部３０から放出される光のピーク波長は、４１０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。特に、紫外〜青の光を放出する半導体発光素子において、Ａｇを反射電極として用いることにより、高い光取り出し効率が得られる。

半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
図４は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面である。
図４に表したように、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０を含む積層体１５の第２半導体層２０の上にＡｇを含む反射電極４０を形成する（ステップＳ１１０）。

例えば、図５（ａ）に表したように、サファイアの結晶成長用基板５の上に、例えば有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、積層体１５となる窒化物半導体層を順次成長させる。例えば、サファイアの結晶成長用基板５の上にバッファ層６を形成し、その上に、第１半導体層１０となるｎ形ＧａＮ層を形成する。その上に発光部３０を形成する。さらに、発光部３０の上に、第２半導体層２０となるｐ形ＧａＮ層を形成する。そして、ｐ形ＧａＮ層の上に反射電極４０となるＡｇ層を成膜する。

図４及び図５（ｂ）に表したように、本製造方法では、反射電極４０の上に酸化物層４１を形成する（ステップＳ１２０）。例えば、反射電極４０の上に、例えば、酸化物層４１となるＳｉＯ_２膜を形成する。ＳｉＯ_２膜の形成には、例えば、真空蒸着法またはスパッタ法などを用いることができる。

図４及び図５（ｃ）に表したように、積層体１５、反射電極４０及び酸化物層４１を含む加工体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理する（ステップＳ１３０）。例えば、酸素雰囲気中で、２００℃以上５００℃以下の温度でアニールを行う。例えば、酸素雰囲気中でのシンター処理が行われる。このとき、図５（ｃ）に表したように、酸化物層４１を介して、酸素７は、反射電極４０に到達する。反射電極４０と第２半導体層２０（ｐ形ＧａＮ層）とのオーミックコンタクトが形成される。

さらに、図４及び図５（ｄ）に表したように、熱処理が施された酸化物層４１の上に、窒素含有層４２を形成する（ステップＳ１４０）。例えば、窒素含有層４２として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成する。窒素含有層４２は、酸化物層４１を覆うように形成される。本実施形態において、酸化物層４１となる層の表面部分を窒化し、窒素含有層４２を形成しても良い。

さらに、酸化物層４１及び窒素含有層４２が絶縁性である場合には、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを形成する。
すなわち、図４及び図５（ｅ）に表したように、酸化物層４１及び窒素含有層４２を加工する（ステップＳ１５０）。この加工においては、例えば、フォトリソグラフィとエッチングが用いられる。

さらに、図４に表したように、酸化物層４１及び窒素含有層４２が加工されて、酸化物層４１及び窒素含有層４２が除去された部分（第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈ）において反射電極４０と電気的に接する金属層５０を形成する（ステップＳ１６０）。例えば、金属層５０となる、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜を形成する。

支持基板６０となる例えばＳｉ基板を用意する。支持基板６０の主面上には、接合層６１となる、Ａｕ−Ｓｎ層が形成されている。上記の加工体の金属層５０と、接合層６１と、を対向させる。例えば、２５０℃以上の高温下において、これらの基板に圧力を印加し、金属層５０と接合層６１とを接合する（ステップＳ１７０）。

さらに、結晶成長用基板５の側からＵＶ(Ultra-Violet）レーザ（例えば、ＫｒＦの波長２４８ｎｍのレーザ）をパルス照射し、積層体１５から結晶成長用基板５を剥離する（ステップＳ１８０）。

さらに、リソグラフィとエッチングにより、積層体１５を加工し、素子毎に分離する。このとき、金属層５０はパターニングされず、素子毎に分離された積層体１５どうしの間には、金属層５０が露出した状態となる。また、パターニングされた積層体１５は、側面が傾斜したテーパ状のメサとなる。すなわち、Ｚ軸方向に対して垂直な方向における第１半導体層１０の幅は、Ｚ軸方向に対して垂直なその方向における第２半導体層２０の幅よりも小さい。例えば、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうに従って、膜面の面積が、連続的に増大する。

次に、積層体１５及び金属層５０の表面を覆うように、保護層（図１では図示しない）を形成する。例えば、保護層としてＳｉＯ_２膜を形成する。次に、積層体１５の上面を覆っている保護層を除去する。このとき、積層体１５の上面（第１半導体層１０側の面）の外縁部分の保護層は残す。これにより、積層体１５の上面の外縁部分を除いて、上面が露出する。

積層体１５の上面にウエットエッチングを行う。例えば、濃度が１ｍｏｌ／ｌで、温度が７０℃の水酸化カリウムを用い、１５分間のエッチングを行う。積層体１５の上面が粗面化する。さらに、積層体１５の上面に第１半導体層側電極３５を形成する。第１半導体層側電極３５には、アルカリ耐性が高い材料を用いることが好ましい。第１半導体層側電極３５には、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ及びＴｉのうちのいずれかの金属を含む材料を用いることが好ましい。
上記の方法により、半導体発光素子１１０が形成できる。半導体発光素子１１０は、結晶成長用基板５が除去されたThin Film（ＴＦ）型の半導体発光素子である。

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第２半導体層２０の上に設けられる電極として、反射率の高いＡｇが用いられる。Ａｇ電極をｐ形ＧａＮ層の上に形成しただけでは、Ａｇ電極ｐ形ＧａＮ層とのコンタクトは得られない。本願発明者の検討によると、Ａｇ電極をｐ形ＧａＮ層の上に形成した後に熱処理を行うことでＡｇ電極とｐ形ＧａＮ層とのコンタクト抵抗が低下する。このとき、熱処理における雰囲気がコンタクト抵抗に影響を与える。

図６は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図６は、第２半導体層２０（ｐ形ＧａＮ層）の上に反射電極４０（Ａｇ層）を形成し、その後、窒素中で熱処理したとき、及び、酸素中で熱処理したときの、ｐ形ＧａＮ層とＡｇ層とのコンタクト抵抗の測定結果を例示している。図６の横軸は熱処理の温度Ｔ（℃）であり、図６の縦軸はコンタクト抵抗Ｒｃ（Ωｃｍ^２）である。図６中、三角印は窒素中の熱処理に対応し、丸印は酸素中の熱処理に対応する。

図６から分かるように、窒素中での熱処理（三角印）においては、コンタクト抵抗Ｒｃが高い。これに対し、酸素中の熱処理（丸印）においては、コンタクト抵抗が低い。このように、低いコンタクト抵抗Ｒｃを得るためには、酸素を含む雰囲気における熱処理が有効である。

しかしながら、ｐ形ＧａＮ層の上に形成したＡｇ層を酸素中で熱処理すると、Ａｇのマイグレーションが生じ、安定した特性が得られない。

マイグレーションを抑制するために、Ａｇ層の上に他の金属層を形成する方法が考えられる。しかしながら、例えば、Ａｇ層の上に、Ｐｔ層、Ｒｈ層、Ｎｉ層またはＡｌ層を形成する構成では、半導体発光素子の動作電圧Ｖｆが上昇し、また、光出力が低下し易いことが分かった。

本願発明者が解析したところ、例えば、反射電極４０のＡｇ層の上にＮｉ層を形成する構成においては、反射電極４０の周辺部に比べて中央部では発光強度が低いことが分かった。これは、Ｎｉが酸素を透過させないことが原因であると考えられる。すなわち、周辺部では、Ａｇ層の端面を介してＡｇ層に酸素が供給され、ｐ形ＧａＮ層とＡｇ層とのコンタクト抵抗Ｒｃが低下するのに対して、中央部では、Ａｇ層に酸素が供給されず、コンタクト抵抗Ｒｃが十分に下がらないことが原因であると考えられる。すなわち、反射電極４０の周縁部だけでオーミック接触が得られ、中央部ではオーミック接触が得られない。このため、均一な電流が注入できないため、動作電圧Ｖｆが上昇する。そして、得られる光出力も低下する。すなわち、発光効率が低い。また、Ａｇ層の上にＮｉ層を形成した試料を分析すると、Ｎｉ元素が、Ａｇ層とｐ形ＧａＮ層との界面に拡散している現象も観察された。

このように、マイグレーションを抑制するために、Ａｇ層の上に他の金属層を形成する構成においては、動作電圧Ｖｆが上昇し、光出力が低下し易い。

本実施形態においては、反射電極４０（Ａｇ層）の上に、酸化物層４１を形成した状態で、熱処理を行う。このとき、酸素雰囲気中で熱処理することにより、低いコンタクト抵抗が得られる。そして、酸化物層４１は酸素を透過するため、Ａｇ層に均一に酸素を供給することができる。これにより、反射電極４０の面内において、均一で低いコンタクト抵抗Ｒｃが得られる。これにより、動作電圧Ｖｆの上昇、及び、光出力の低下が抑制できる。そして、酸化物層４１で反射電極４０が実質的に覆われているため、熱処理及びその後において、Ａｇのマイグレーションが抑制される。

Ａｇの反射電極４０の上に酸化物層４１を設けただけの構成においては、信頼性が低くなり易い。すなわち、酸化物層４１は、水分などの不純物を透過し易い。例えば、酸化物層４１を介して、水がＡｇ層に到達すると、Ａｇのマイグレーションが生じ易くなる。また、例えば、酸化物層４１を介して、硫黄（Ｓ）がＡｇ層に到達すると、Ａｇの硫化物が生成され、所望の特性が得られない。また、金属層５０及び接合層６１に含まれる他元素が、酸化物層４１を介して、Ａｇ層とｐ形ＧａＮ層との界面に拡散し易くなる。

本実施形態においては、Ａｇの反射電極４０の上に設けられた酸化物層４１と、酸化物層４１の上に設けられた窒素含有層４２と、の２層構成を採用する。酸化物層４１の上に窒素含有層４２を設けることで、水の進入によるマイグレーション、硫化物の生成、及び、Ａｇ層とｐ形ＧａＮ層との界面への他元素の拡散が抑制できる。

このように、本実施形態においては、酸化物層４１を介した酸素雰囲気中での熱処理により、低く均一なコンタクト抵抗が得られる。これと同時に、窒素含有層４２により、外部からの不純物などに起因した種々の劣化を抑制できる。本実施形態においては、拡散しやすい金属ではなく、Ａｇ層の上に酸化物層４１を形成し、その酸化物層４１を介して熱処理できる構成を採用する。これにより、低動作電圧で、均一な発光分布を得ることができる。そして、さらに窒素含有層４２を設けることで高い信頼性を実現する。

例えば、酸化物層４１の厚さは、１ナノメートル（ｎｍ）以上１００ｎｍ以下である。酸化物層４１の厚さが、１ｎｍよりも薄いと、Ａｇのマイグレーションの抑制効果が低くなる。酸化物層４１の厚さが１００ｎｍよりも厚いと、酸素の透過性が低くなりコンタクト抵抗Ｒｃが十分に下がらないことがある。

例えば、窒素含有層４２の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。窒素含有層４２の厚さが、１ｎｍよりも薄いと、水などの不純物に対するブロック効果が小さくなる。窒素含有層４２の厚さが１０ｎｍよりも厚いと、開口部を形成するための加工が困難となる。

なお、例えば、Ａｇ層の上に、酸化物層４１を形成しないで、窒素含有層（Ｓｉ_３Ｎ_４膜など）を直接形成する構成においては、Ａｇ層に酸素が十分に供給されないため、低いコンタクト抵抗を得ることが困難である。同様に、Ａｇ層の上に窒素含有層４２を形成し、さらにこの上に酸化物層４１を形成する構成でも、Ａｇ層に酸素が十分に供給されないため、低いコンタクト抵抗を得ることが困難である。

すなわち、Ａｇ層の上に酸化物層４１だけを形成する構成、Ａｇ層の上に窒素含有層４２だけを形成する構成、及び、Ａｇ層の上に窒素含有層４２を形成しその上に酸化物層４１を形成する構成（本実施形態と積層順が逆）においては、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極を有する半導体発光素子を得ることは困難である。これに対して、Ａｇ層の上に酸化物層４１を設けその上に窒素含有層４２を設ける本実施形態において、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極を有する半導体発光素子を得ることができる。

なお、Ａｇ層の上に形成した酸化物層４１の上に窒素含有層４２を形成した状態で、酸素中での熱処理を行う場合は、酸素が窒素含有層４２でブロックされるため、酸化物層４１を形成した後で、窒素含有層４２を形成する前に、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う。

実施形態において、例えば、窒素含有層４２（例えばＳｉ_３Ｎ_４）をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成すると、窒素含有層４２には、水素が多く含まれる。この水素は、ｐ形ＧａＮ層を不活性化させる作用を有する。例えば、Ａｇ層の上に窒素含有層４２を直接形成する構成においては、窒素含有層４２中の水素がｐ形ＧａＮ層に悪影響を及ぼす可能性がある。このとき、実施形態においては、窒素含有層４２とＡｇ層との間に酸化物層４１を挿入することで、この水素がｐ形ＧａＮ層に与える悪影響を抑制することもできる。

実施形態において、窒素含有層４２に含まれる金属元素の種類は、酸化物層４１に含まれる金属元素の種類と同じとすることができる。例えば、酸化物層４１としてＳｉＯ_２を用いる場合には、窒素含有層４２としてＳｉ_３Ｎ_４を用いる。これにより、酸化物層４１と窒素含有層４２との間の界面において、界面欠陥が少なくなる。例えば、局所的な電流リークの発生が抑制できる。これにより、例えば、局所的なリークに起因した不均一発光が抑制でき、発光効率が向上できる。

酸化物層４１及び窒素含有層４２が絶縁性の場合は、反射電極４０との電気的接続を得るために、酸化物層４１に第１開口部４１ｈが設けられ、窒素含有層４２に第２開口部４２ｈが設けられる。

第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈの幅（Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿った長さ）が過度に大きいと、反射電極４０のＡｇのマイグレーションの抑制の程度が低くなる。反射電極４０のうち、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈにおいて露出する部分の面積を、反射電極４０のうち、酸化物層４１に覆われている部分の面積よりも小さく設定することで、効果的にＡｇのマイグレーションが抑制できる。

例えば、積層体１５の側面などにＳｉＯ_２膜等の保護層が形成されることがあり、この保護層が、Ａｇの反射電極４０の周縁部の一部の上にも設けられる構成が考えられる。しかしながら、この構成においては、保護層は、反射電極４０の周縁部の一部の上に設けられるだけなので、反射電極４０のＡｇのマイグレーションを抑制することが困難である。

実施形態においては、Ａｇの反射電極４０の面積の半分以上を酸化物層４１で覆うことで、Ａｇのマイグレーションを効果的に抑制することができる。

一方、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈの幅が過度に小さいと、反射電極４０との電気的な接続の抵抗（例えば反射電極４０と金属層５０との間の抵抗）が高くなる傾向がある。しかしながら、実用的な構成においては、抵抗の増大は実質的に問題にならない。例えば、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈの幅を１マイクロメートル（μｍ）程度以上に設定することで、反射電極４０と金属層５０との間の抵抗は実用的に十分に低くできる。

また、Ａｇの導電率は十分に高いため、Ａｇ層内で電流は十分に横方向（Ｚ軸に対して垂直な方向）に広がる。例えば、１μｍの幅の第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを設けた場合に関して試算すると、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈから０．５ｍｍの距離まで、電流は広がる。従って、例えば、１辺が０．５ｍｍ程度の半導体発光素子においては、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを１つずつ設けることで、半導体発光素子の実質的な全面において、均一な発光が得られる。

また、絶縁性の酸化物層４１及び窒素含有層４２を設ける場合において、１μｍ程度の幅の第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを設けた場合に関して試算すると、動作電圧Ｖｆの上昇は、０．０５ミリボルト（ｍＶ）程度であり、動作電圧Ｖｆは実質的に上昇しない。

図４に関して説明した半導体発光素子１１０の製造方法の例において、酸素を含む雰囲気中での熱処理（ステップＳ１３０）の前に、積層体１５、反射電極４０及び酸化物層４１を含む加工体を減圧中または窒素雰囲気中でさらに熱処理しても良い。例えば、窒素雰囲気中で熱処理し、この後に、酸素雰囲気中で熱処理を行う。窒素雰囲気中での熱処理により、例えば、反射電極４０の積層体１５への密着力が向上する。また、酸化物層４１に反射電極４０への密着力が向上する。これにより、より高い信頼性が得られる。

実施形態に係る半導体発光素子の製造方法において、酸化物層４１が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｈｆ及びＺｒの少なくともいずれかの酸化物を含む場合は、例えば、反射電極４０のうちの、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈにおいて露出する部分の面積が、反射電極４０のうちの、酸化物層４１に覆われている部分の面積よりも小さくなるように、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを形成する。

図７は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的透過平面図である。
図７は、図８のＡ１−Ａ２線断面図である。
図１及び図２に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１も、第１半導体層１０と、発光部３０と、第２半導体層２０と、反射電極４０と、酸化物層４１と、窒素含有層４２と、を含む。第１半導体層１０の一部の上に発光部３０が設けられ、発光部３０の上に第２半導体層２０が設けられている。半導体発光素子１１１は、結晶成長用基板５と、バッファ層６と、をさらに含む。結晶成長用基板５には、例えば、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡsなどの各種の材料を用いることができる。バッファ層６には、窒化物半導体を用いることができる。結晶成長用基板５の上にバッファ層６が設けられ、バッファ層６の上に第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０が設けられる。

この場合も、第２半導体層２０の上に、Ａｇを含む反射電極４０が設けられる。反射電極４０の上に、第１開口部４１ｈを有し絶縁性の酸化物層４１が設けられる。酸化物層４１の上に、第１開口部４１ｈに繋がる第２開口部４２ｈを有し絶縁性の窒素含有層４２が設けられる。

さらに、金属層５０が設けられる。金属層５０の少なくとも一部は、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈの中に設けられる。金属層５０は、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを介して、反射電極４０と電気的に接続される。

第１半導体層１０のうちの、発光部３０に対向しない部分の上に、第１半導体層側電極３５が設けられている。
半導体発光素子１１１は、ＦＣ（Flip Chip）型の半導体発光素子である。

半導体発光素子１１１においては、例えば、反射電極４０のうちの、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈにおいて露出する部分の面積は、反射電極４０のうちの、酸化物層４１に覆われている部分の面積よりも小さい。

半導体発光素子１１１においても、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極が実現できる。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図９に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１２０も、第１半導体層１０と、発光部３０と、第２半導体層２０と、反射電極４０と、酸化物層４１と、窒素含有層４２と、を含む。さらに、半導体発光素子１２０は、金属層５０、支持基板６０及び接合層６１を含む。第１半導体層１０、発光部３０、第２半導体層２０、反射電極４０、金属層５０、支持基板６０及び接合層６１に関しては、半導体発光素子１１０と同様とすることができるので説明を省略する。以下では、半導体発光素子１２０に関し、半導体発光素子１１０とは異なる部分について説明する。

半導体発光素子１２０においては、酸化物層４１は、導電性であり、窒素含有層４２も導電性である。酸化物層４１及び窒素含有層４２が導電性なので、半導体発光素子１２０においては、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを設けなくても良い。なお、酸化物層４１及び窒素含有層４２が導電性である場合も、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを設けても良い。

例えば、酸化物層４１は、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｎの少なくともいずれかの酸化物を含む。例えば、酸化物層４１には、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が用いられる。例えば、窒素含有層４２は、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｎの少なくともいずれかの酸窒化物を含む。

このときも、反射電極４０（Ａｇ層）の上に、酸化物層４１を形成した状態で、酸素雰囲気中で熱処理することにより、均一で、低いコンタクト抵抗が得られる。そして、Ａｇのマイグレーションが抑制される。酸化物層４１の上に窒素含有層４２を設けることで、水の進入によるマイグレーション、硫化物の生成、及び、Ａｇ層とｐ形ＧａＮ層との界面への他元素の拡散が抑制できる。半導体発光素子１２０においても、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極を有する半導体発光素子を提供できる。

図１０は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１０に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１２１も、第１半導体層１０と、発光部３０と、第２半導体層２０と、反射電極４０と、酸化物層４１と、窒素含有層４２と、を含む。半導体発光素子１２１は、ＦＣ型の半導体発光素子である。半導体発光素子１２１においては、酸化物層４１及び窒素含有層４２が導電性である。これ以外は、半導体発光素子１１１と同様なので説明を省略する。半導体発光素子１２１においては、第１開口部４１ｈ及び第２開口部４２ｈを設けても良く、設けなくても良い。半導体発光素子１２１においても、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極が実現できる。

このように、Ａｇ電極を用いる場合には、低いコンタクト抵抗を得るために、酸素雰囲気中で熱処理する。Ａｇのマイグレーションを抑制するために、Ａｇ電極の上にＡｇ以外の金属膜を形成した後に熱処理することが有効であるが、電極の中央部では発光強度が低くなり、発光が不均一になることが分かった。本願発明者は、これを解析することで、電極の周縁部ではオーミックコンタクトが得られるが、電極の中央部ではオーミックコンタクトが取れないことを見出した。また、Ａｇ電極の上に形成したＡｇ以外の金属膜の元素が、Ａｇ電極とｐ形ＧａＮ層との界面に偏析することも分かった。これにより、動作電圧Ｖｆが上昇し、発光効率が低下するという課題を見出した。

これに対して、実施形態においては、拡散しやすい金属膜の代わりに、Ａｇ電極の上に絶縁性または導電性の酸化物層４１を形成し、酸化物層４１を介して、酸素中で熱処理を行う。これにより、均一な発光分布を得ることができる。そして、酸化物層４１の上に窒素含有層４２をさらに設けることで、外部からの不純物の進入による信頼性の低下を抑制する。

実施形態によれば、高性能で高信頼性の、銀を用いた電極を有する半導体発光素子及びその製造方法が提供される。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる、第１半導体層、第２半導体層、発光部、井戸層、障壁層、第１中間層、第２中間層、反射電極、酸化物層、窒素含有層、金属層、支持基板、接合層、第１半導体層側電極、結晶成長用基板及びバッファ層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子及びその製造方法の成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子及びその製造方法の成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５…結晶成長用基板、 ６…バッファ層、 ７…酸素、 １０…第１半導体層、 １５…積層体、 ２０…第２半導体層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ３３…第１中間層、 ３４…第２中間層、 ３５…第１半導体層側電極、 ４０…反射電極、 ４１…酸化物層、 ４１ｈ…第１開口部、 ４２…窒素含有層、 ４２ｈ…第１開口部、 ５０…金属層、 ６０…支持基板、 ６１…接合層、 １１０、１１１、１２０、１２１…半導体発光素子、 Ｒｃ…コンタクト抵抗、 Ｔ…温度、 ｈ１〜ｈ４…開口部

Claims (11)

1. 第１導電形の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられた発光部と、
   前記発光部の上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、
   前記第２半導体層の上に設けられＡｇを含む反射電極と、
   前記反射電極の上に設けられ開口部を有し絶縁性の酸化物層と、
   前記酸化物層の上に設けられ前記開口部に繋がる開口部を有し絶縁性の窒素含有層と、
   前記窒素含有層を覆い、前記酸化物層の前記開口部及び前記窒素含有層の前記開口部を介して前記反射電極と電気的に接続され前記酸化物層の前記開口部における側面及び前記窒素含有層の前記開口部における側面を覆う金属層と、
   を備え、
   前記反射電極のうちの、前記酸化物層の前記開口部及び前記窒素含有層の前記開口部において露出する部分の面積は、前記反射電極のうちの、前記酸化物層に覆われている部分の面積よりも小さく、
   前記反射電極は、酸素を含む、半導体発光素子。
2. 前記金属層は、前記酸化物層の端部及び前記窒素含有層の端部を覆う請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記酸化物層は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｙ及びＬａの少なくともいずれかの酸化物を含む請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記窒素含有層は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＣｅの少なくともいずれかの窒化物または酸窒化物を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記酸化物層の厚さは、１ナノメートル以上１００ナノメートル以下であり、
   前記窒素含有層の厚さは、１ナノメートル以上１０ナノメートル以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 第１導電形の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられた発光部と、
   前記発光部の上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、
   前記第２半導体層の上に設けられ前記第２半導体層と接しＡｇを含む反射電極と、
   前記反射電極の上に設けられ導電性の酸化物層と、
   前記酸化物層の上に設けられ導電性の窒素含有層と、
   を備え、
   前記発光部から射出された光は、前記反射電極で反射され前記第１半導体層側の面から外部に射出され、
   前記反射電極は、酸素を含む、半導体発光素子。
7. 前記酸化物層の一部は、前記反射電極の端部を覆う請求項６記載の半導体発光素子。
8. 前記窒素含有層の一部は、前記酸化物層の前記一部を覆う請求項７記載の半導体発光素子。
9. 前記反射電極と電気的に接続された金属層を備え、
   前記金属層は、前記窒素含有層の前記一部を覆う請求項８記載の半導体発光素子。
10. 前記酸化物層は、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｎの少なくともいずれかの酸化物を含む請求項６〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
11. 前記窒素含有層は、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｎの少なくともいずれかの酸窒化物を含む請求項６〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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