JP5886899B2 - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、銀を含む金属膜を有する半導体発光素子及びこの半導体発光素子を有する半導体発光装置に関する。

基板などの半導体層の上に発光層を設けた半導体発光素子において、発光層から放出された光を半導体層の側から取り出す構造がある。例えば、フリップチップ型の半導体発光素子は、素子の発光層側をヒートシンク側に接触させ、基板側から光を取りだすことにより、高い光取り出し効率と高い放熱性とを両立することが可能である。一方、半導体発光素子の電極として、銀または銀合金が用いられる場合がある。銀は、発光層から放出された光を高効率で反射するため、高輝度の半導体発光素子を実現することができる。

しかし、銀は、マイグレーションや酸化、硫化反応などを起こしやすいという性質があり、発光強度及び寿命の低下、耐圧低下、絶縁不良を招くことがある。マイグレーションは、外気や誘電体膜、素子加工工程中の処理液などに含まれる水分やイオン不純物への暴露や、通電時の電界集中などによって加速される。

これに対して、銀電極を保護するため、銀以外の金属や保護膜で被覆してマイグレーションを防止し、劣化を抑制する提案がなされている。（例えば、特許文献１、２参照）

特開２００６−２４５２３１号公報 特開２００３−１６８８２３号公報

本発明は、高輝度で、かつ劣化を抑制し、信頼性の向上を図ることができる半導体発光素子及び半導体発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、第１の半導体層と、第２の半導体層と、前記第１の半導体層と第２の半導体層との間に設けられた発光層と、前記第１の半導体層の上に設けられた第１の電極と、前記第２の半導体層の上において前記第２の半導体層に接し銀または銀合金の少なくともいずれかを含む第１の金属膜と、前記第２の半導体層の上において前記第２の半導体層に接し前記第１の金属膜から離間した誘電体膜と、前記第２の半導体層上において前記誘電体膜と前記第１の金属膜との間に露出した前記第２の半導体層に接し、前記誘電体膜の上において前記誘電体膜に接し、前記第２の半導体層との間のコンタクト抵抗が、前記第１の金属膜と前記第２の半導体層との間のコンタクト抵抗よりも高い金属の第２の金属膜と、を備え、前記発光層、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の側面がテーパ状であり、前記誘電体膜は、前記発光層、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の前記テーパ状の側面を覆い、前記第２の金属膜は、前記テーパ状の側面を覆う前記誘電体膜の上に延在する、半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記の半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備えた、半導体発光装置が提供される。

本発明によれば、高輝度で、かつ劣化を抑制し、信頼性の向上を図ることができる半導体発光素子及び半導体発光装置が提供される。

本発明の第１実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図および模式平面図である。 比較例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図および模式平面図である。 作製後と作製から２週間経過した後の逆方向バイアス電流の測定結果を表すグラフ図である。 第１実施例に係る半導体発光素子の通電加速劣化試験を表すグラフ図である。 比較例に係る半導体発光素子の通電加速劣化試験を表すグラフ図である。 第２実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 第３実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 第４実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 第５実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 第６実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 第７実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 第８実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。 本発明の半導体発光素子における、電極パターンの変形例を示す平面図および模式断面図である。 本発明の半導体発光素子を用いた半導体発光装置の断面模式図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図であり、図１（ｂ）は、その模式平面図である。

図１（ａ）に表したように、サファイア基板１０の上に、ｎ型半導体層（第１の半導体層）１、発光層３及びｐ型半導体層（第２の半導体層）２が、この順に積層されている。ｐ型半導体層２上には、銀または銀合金を含む第１金属膜（第１の金属膜）５と、銀を含まない金属からなる第２金属膜（第２の金属膜）６と、を有するｐ側電極（第２の電極）４が設けられている。そして、ｐ型半導体層２の一部はエッチングにより除去され、露出したｎ型半導体層１上には、ｎ側電極７が設けられている。また、ｎ側電極７と第１金属膜５及びその近傍を除いて半導体層は、誘電体膜８で覆われている。第１金属膜５と誘電体膜８の間にはｐ型半導体層２が露出した領域があり、第２金属膜６はこの露出領域でｐ型半導体層２と接すると共に、第１金属膜５及び第１金属膜５に対向する側の誘電体膜８の一部を覆っている。
なお、図１（ｂ）に表した具体例おいては、ｎ側電極７は半導体発光素子の一角を占めているが、ｎ側電極７の形状や位置はこれに限定されることはない。

次に、半導体層の積層構造の具体例について説明する。
本実施例に係る半導体発光素子は、サファイア基板上に形成された窒化物半導体から構成される。即ち、例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１０の上に、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層(炭素濃度３×１０^１８ｃｍ^-3〜５×１０²⁰ｃｍ^-3）を３ｎｍ〜２０ｎｍ、高純度第２ＡｌＮバッファ層(炭素濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3)を２μｍ、ノンドープＧａＮバッファー層を３μｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層(Ｓｉ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3)を４μｍ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎクラッド層（Ｓｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）を０．０２μｍ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎバリア層（Ｓｉ濃度１．１〜１．５×１０^１９ｃｍ^−３）とＧａＩｎＮ発光層（波長３８０ｎｍ）とが交互に３周期積層されてなる多重量子井戸構造の発光層を０．０７５μｍ、多重量子井戸の最終Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎバリア層（Ｓｉ濃度１．１〜１．５×１０^１９ｃｍ^−３）を０．０１μｍ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層（Ｓｉ濃度０．８〜１．０×１０^１９ｃｍ^−３）を０．０１μｍ、ノンドープＡｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎスペーサ層を０．０２μｍ、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２８Ｇａ_０．７２Ｎクラッド層(Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３)を０．０２μｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層(Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３)を０．１μｍ、高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層(Ｍｇ濃度２×１０^２０ｃｍ^−３を０．０２μｍの厚みで、それぞれ順次積層した構造を採用することができる。
この具体例の場合、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層がｎ型半導体層１に対応し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層がｐ型半導体層２に対応する。

ここで、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層のＭｇ濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３台と高めに設定することで、ｐ側電極とのオーミック性が向上する。ただし、半導体発光ダイオードの場合、半導体レーザダイオードとは異なり、コンタクト層と発光層との距離が近いため、Ｍｇ拡散による特性の劣化が懸念される。そこで、ｐ側電極とコンタクト層の接触面積が広く、動作時の電流密度が低いことを利用して、電気特性を大きく損ねることなくＭｇ濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３台に抑えることで、Ｍｇの拡散を防ぐことができ、発光特性を改善させることができる。

高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層は基板との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度第２ＡｌＮバッファ層は、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープＧａＮバッファ層の欠陥が低減されるが、そのためには膜厚は、１μｍよりも厚いことが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには、厚みが４μｍ以下であることが望ましい。高純度第２ＡｌＮバッファ層はＡｌＮに限定されず、Ａｌ_xＧａ_１−ｘＮ(０．８≦ｘ≦１）でも良くウェハのそりを補償することができる。

ノンドープＧａＮバッファ層は、高純度第２ＡｌＮバッファ層上で３次元島状成長をすることにより欠陥低減の役割を果たす。成長表面が平坦化するには、ノンドープＧａＮバッファ層の平均膜厚は２μｍ以上であることが必要である。再現性とそり低減の観点からノンドープＧａＮバッファ層の総膜厚は、４〜１０μｍが適切である。
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長ＡｌＮバッファ層と比較して欠陥を約１／１０に低減することができた。この技術によって、紫外帯域発光でありながらも高効率な半導体発光素子を作ることができる。

次に、半導体層上の電極の形成について説明する。
図１（ａ）に示したとおり、ｐ型半導体層２の一部の領域において、ｎ型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いてドライエッチングによってｐ型半導体層２と発光層３を取り除く。その後、露出したｎ型半導体層１を含む半導体層全体に、熱ＣＶＤ装置を用いて誘電体膜８として、例えばＳｉＯ_２膜を４００ｎｍ積層する。

p電極４を形成するため、まず、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のＳｉO₂膜をフッ化アンモン処理で取り除く。その際、後述する第１金属膜５のＡｇと誘電体膜８のＳｉO₂膜の間に、p型コンタクト層が露出するよう、フッ化アンモンの処理時間を調整する。具体的な例として、エッチングレート４００ｎｍ／ｍｉｎの場合、Ａｇを形成する領域のＳｉO₂膜を取り除くための時間と、上記領域のすぐ脇に位置するp型コンタクト層２を１μm幅で露出させるオーバーエッチングの時間の合計は、3分半程度となる。ＳｉO₂膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第１金属膜５のＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。

同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、Ａｇが形成された領域全体と、Ａｇのすぐ横にある表面に露出されたp型コンタクト層の領域全体と、ＳｉO₂膜の一部を被覆するように、第２金属膜６として、例えばＰｔ／Ａｕを５００ｎｍの膜厚で形成し、p電極４を形成する。

ｎ側電極７を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、露出したｎ型コンタクト層上のＳｉＯ_２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。ＳｉＯ_２膜が取り除かれた領域に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極７を５００ｎｍの膜厚で形成する。
次いで、劈開若しくはダイヤモンドブレード等により切断し個別の半導体発光素子とする。

各層に用いられる材料は、上述の具体例に限定されることはない。半導体層の材料は、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≧１）等の窒化物半導体を用いることができる。また、これらの半導体層の形成方法は、特に限定されることはなく、例えば、有機金属気相成長法、分子線エピタクシ法などの結晶成長技術を用いることができる。

基板１０の材料も特に限定されることはなく、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の一般的な基板材料を用いることができる。最終的には基板を取り除くことも可能である。
誘電体膜８の材料には、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ等の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用いることができる。さらに、誘電体膜８は２層以上から構成されていてもよい。積層する誘電体膜の総膜厚は、絶縁性確保の観点からは５０ｎｍ以上が好ましく、また、誘電体膜のクラック発生を抑制する観点からは１０００ｎｍ以下とすることが望ましい。誘電体膜８と第１金属膜５とが接触せずに離れているため、第１金属膜５への影響を考慮せずに、製造コスト、製造工程、半導体発光素子の特性などに対して最適な誘電体膜の種類や成膜方法を自由に選択することができる。

ｎ側電極７の材料も、特に限定されることはなく、ｎ型半導体のオーミック電極として用いられる導電性の単層膜または多層膜を用いることができる。

ｐ側電極４は、少なくとも銀または銀合金を含む第１金属膜５と、銀を含まない金属からなる第２金属膜６とにより構成される。第１金属膜５の材料は、銀単層でも銀以外の金属を含む合金層であってもよい。第１金属膜５は、発光層３からの光を高効率に反射する役割を有している。そして、通常の金属単層膜の可視光帯域に対する反射効率は、波長が短くなるほど低下する傾向にあるが、銀は、３７０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外帯域の光に対しても高い反射率を有する。そのため、紫外発光の半導体発光素子で、且つ第１金属膜５が銀合金の場合、半導体層との界面付近の第１金属膜５は銀の成分比が大きい方が望ましい。また、第１金属膜５の膜厚は、光に対する反射効率を確保するため、１００ｎｍ以上であることが好ましく、面積はできるだけ広い方が好ましい。

第１金属膜５とｎ側電極７との距離が離れるほど、銀のマイグレーションによる絶縁不良、耐圧不良のリスクが減少する。逆に、第１金属膜５とｎ側電極７との距離が狭まるほど、金属反射膜として機能する第１金属膜５の面積が実質的に増加し、光の取り出し効率が向上する。第１金属膜５からｎ側電極７への電流経路を考えた際、第１金属膜５とｎ側電極７との距離が最も短い場所に電流が集中するため、これらの間の距離は場所によらず一定であることが好ましい。また、平面視で、第１金属膜５とｎ側電極７が対向する領域の長さは長ければ長いほど、第１金属膜５からｎ側電極７への電流経路が増えるため、電界集中は緩和される。これらの効果を考慮して、露出されたｎ型コンタクト層の面積や形状、第１金属膜５の面積と形状、ｎ側電極７の面積と形状、第１金属膜５と誘電体膜８の距離、第１金属膜５とｎ側電極７の距離を適宜決定することができる。

第２金属膜６は、銀を含まない金属から構成されており、第１金属膜５と電気的に接触している。第２金属膜６の材料は、特に限定されるものではなく、金属の単層膜や多層膜、金属の合金層、導電性酸化物膜の単層膜や多層膜、これらの組み合わせであってもよい。第２金属膜６の膜厚は、特に限定されるものではなく、例えば１００ｎｍから１０００ｎｍの間で選ぶことができる。

第２金属膜６とｐ型半導体層２の最上層となるｐ型コンタクト層の間の電気特性は、第１金属膜５とｐ型コンタクト層の間よりもコンタクト抵抗が大きいほうが好ましい。これによって、第１金属膜５直下に位置する発光層３に効率よく電流を注入することができ、第１金属膜５直下から発光した光を高効率に基板側へ反射させることができるため、光取り出し効率を向上させることができる。

第２金属膜６は、第１金属膜５と、第１金属膜５と誘電体膜８との間に露出したｐ型コンタクト層と、誘電体膜８の一部を被覆している。特に、ｎ側電極７に対向する側の誘電体膜８は全域に渡って被覆していることが好ましい。第２金属膜６が誘電体膜８上を被膜する長さは、製造工程上のパターン合わせ精度、反射膜として機能する第１金属膜５の面積確保、第２金属膜６とｐ型半導体層２との間にかかる電界の強さを考慮して、０．１μｍから、誘電体膜８の端から０．１μｍ手前までの距離の間が好ましい。製造コストを考慮して、安価で位置合わせ精度の悪い等倍露光であるコンタクト露光装置を使用する場合は、上記範囲は１μｍから、誘電体膜８の端から１μｍ手前までの距離の間がより好ましい。さらに、歩留り向上を考慮する場合は、上記範囲は３μmから、誘電体膜８の端から３μｍ手前までの距離の間がより好ましい。

図２は、比較例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。
以下、比較例に係る半導体発光素子の構造と製造方法について説明する。図１に示す半導体発光素子と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第２金属膜６は、第１金属膜５上のみに設けられ、第１金属膜５と誘電体膜８の間の露出したｐ型コンタクト層領域及び誘電体膜８を被覆していない。

ｐ側電極４を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、ｐ型コンタクト層上のＳｉＯ_２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。ＳｉＯ_２膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いてＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成する。同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、Ａｇが形成された領域の一部を被覆するように、Ｐｔ／Ａｕを５００ｎｍの膜厚で形成し、Ａｇの端部が露出されたｐ側電極４が形成される。
ｎ側電極の形成は、図１に関して前述したものと同様の方法で行うことができる。

図３は、半導体発光素子を５Ｖで動作させたときの逆方向バイアス電流の測定時期依存性を表すグラフ図である。
ここで、試料（１）は比較例に係る半導体発光素子を表し、試料（２）は本実施例に係る半導体発光素子を表す。横軸は測定時期を表し、「作製後」とは、半導体発光素子を作製した後すぐに評価した場合で、「２週間後」とは、クリーンルーム等ではない通常の雰囲気に２週間放置した後に評価した場合である。本実施例によれば、２週間経過しても逆方向バイアス電流はほとんど変化しない。しかし、比較例によれば、２週間経過後には逆方向バイアス電流が大幅に増加し、半導体発光素子が劣化していることが分かる。

次に、本実施例及び比較例における通電加速劣化試験について説明する。
図４及び図５は、それぞれ本実施例と比較例における５０ｍＡ通電に制御（ACC：Automatic Current Control）された半導体発光素子の放射束の変化率を表したグラフ図である。いずれも、周囲温度Ｔ_ａ＝２５℃、サンプル数を８個とした。時間経過と共に、５０ｍＡ注入時の放射束は徐々に減少する。本実施例の場合、１０００時間経過時の単位時間当たりの放射束減少率 (ｍＷ／ｈ)は、１０％よりも少ない。比較例においては、単位時間当たりの放射束減少率が大きく、６００時間経過後で２０％から４５％に達している。すなわち、比較例における単位時間当たりの放射束減少率は、本実施例の約３乃至５倍である。

比較例では、電極配置の関係から、ｎ側電極７に近い側のｐ側電極０４端付近に電界集中が発生しやすく、且つ銀が外気に晒されている領域があるため、電気通電や長期間放置によって銀のマイグレーションや酸化、硫化反応が加速されやすいことが考えられる。それに加えて、本実施例のような高効率な紫外発光素子の場合、銀電極は高い光密度で高いエネルギーの波長に晒されることとなり、銀のマイグレーションや酸化、硫化反応が加速されやすい環境であると考えられる。これらの結果として、比較例では、図３や図５で得られたような発光強度および寿命の低下、耐圧低下を招くと考えられる。

本実施例によれば、銀または銀合金からなる第１金属膜５が第２金属膜６で覆われることで、外気や誘電体膜８から隔離されるため、水分やイオン不純物に晒されにくくなり、銀のマイグレーションや酸化、硫化反応を抑えることができる。また、ｎ側電極７に対向する側の第１金属膜５端部のすぐ横に第２金属膜６が形成され、第１金属膜５のすぐ横に電流経路ができるため、第１金属膜５への電流集中が緩和される。同時に、第１金属膜５端部に対向する誘電体膜８端部付近に、ｐ型半導体層２と第２金属膜６で挟まれた領域ができるため、誘電体膜８を挟んでｐ型半導体層２と第２金属膜６との間に弱い電界がかかる。その結果、第１金属膜５から誘電体膜８にかけて、電界が徐々に弱くなる構造を作ることができるため、この領域における電界集中を緩和することができる。さらに、製造工程に特別な工夫は必要なく、従来と同じ工程、工程数で形成できる。これらの効果により、半導体発光素子のリーク電流低減、絶縁特性向上、耐圧特性向上、発光強度の向上、寿命の増大、高いスループット、低コストを実現することができる。

第２金属膜６が誘電体膜８を被覆する長さが大きい場合は、誘電体膜８を介した電界の緩和構造を得る上で有利であるが、ｎ側電極７とショートする危険が高くなる。一方、短い場合は、ｎ側電極７とショートする危険はない。

図６は、本発明の第２実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。
図１に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施例においては、発光層３を挟む半導体層断面がテーパを有し、それに伴い、誘電体層８がテーパ部分を斜めに被覆している。第２金属膜６は、誘電体層８の第１金属膜５側端部までを被覆している。テーパを設けることにより、段差による膜切れを抑制することが可能となる。窒化物半導体層とサファイア基板の屈折率差は大きく、発光した光の一部はその界面で反射されて半導体層に戻される。この反射された光は第１金属膜５と前記界面の間で反射を繰り返し、半導体層内に閉じ込められる。これに対して、本実施例のようにテーパを設けることにより、光の反射角を変えることができるため、光を基板側へ取り出せる確率を上げることができ、光取り出し効率が改善される。

図７は、本発明の第３実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。
図１に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
発光層３を含む半導体層にテーパを設けた場合、第２金属膜６が誘電体膜８を被覆する範囲を広くすることが可能である。第２金属膜６は、誘電体膜８のｎ側電極７側端部までを被覆している。
この構造により電界緩和に効果があるが、他に、第２金属膜６の斜め領域による光の反射効果が期待できる。

光の取りだし効率は、本来点光源が良く、その観点からはｐ側電極４は狭い方が良いが、反射の観点からは広い方が望ましい。ｐ型半導体層２とオーミック接触が得られる場所とは別に、反射できる場所があることが望ましく、第２金属膜６のテーパ領域は高効率反射に寄与できる。

図８は、本発明の第４実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。図１に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施例においては、第２金属膜６に覆われる領域の誘電体膜８の膜厚が、第２金属膜６に覆われない領域の誘電体膜８の膜厚よりも薄い点が第１の実施例と異なる。

本実施例における半導体層上の電極の形成について説明する。
ｐ側電極４を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、ｐ型コンタクト層上のＳｉＯ_２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。その際、後述するＡｇとＳｉＯ_２膜の間に、ｐ型コンタクト層が露出するよう、フッ化アンモンの処理時間を調整する。ＳｉＯ_２膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第１金属膜５となるＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。

同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを、Ａｇが形成された領域全体と、Ａｇのすぐ横にある表面に露出されたｐ型コンタクト層の領域全体と、この露出領域に接する誘電体膜８の端部を除く残りの領域とに形成する。金属膜蒸着の前処理として、フッ化アンモン処理を行い、誘電体膜８の端部をエッチングする。その際、レジストから露出されたＳｉＯ_２膜からなる誘電体膜８の端部がなくならないよう、フッ化アンモンの処理時間を調整する。具体的には、エッチングレート４００ｎｍ／ｍｉｎの場合、１分以内となる。これにより、４００ｎｍのＳｉＯ_２が削られその端部が約２００ｎｍの厚さとなる。その後、Ｐｔ／Ａｕを５００ｎｍの膜厚で形成して第２金属膜６とし、ｐ側電極４を形成する。最後に、第１実施例と同様の方法でｎ側電極７を形成する。

本実施例では、第２金属膜６とｐ型コンタクト層とで挟まれる誘電体膜８の膜厚を調整することで、誘電体膜８にかかる電界の強さを調整することができる。その結果として、半導体発光素子の動作電流、形状、サイズ、配置関係に合わせて、第１金属膜０５の周辺にかかる電界分布を調整することができる。

次に、本発明の第５実施例について説明する。
図９は、本発明の第５実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。
図１における半導体発光素子１００に、Ｐｔ／Ａｕが形成された領域、すなわち第２金属膜６の一部または全部を被覆するように、Ａｕを２０００ｎｍの膜厚で形成し、パッド４５を形成する。これによって、ボンダビリティが向上するほか、半導体発光素子の放熱性の改善も期待できる。また、このパッド４５を金バンプとして使用することもできるし、Ａｕの代わりにＡｕＳｎバンプを形成することもできる。ｎ側電極７の上に形成するパッド上に同時に形成することもできる。

また、ワイヤボンディングのボンダビリティ向上、ボールボンダによる金バンプ形成時のダイシェア強度向上、フリップチップマウント等のためにパッド４５を別途設けた場合、パッド４５の膜厚は、特に限定されるものではなく、例えば１００ｎｍから５０００ｎｍの間で選ぶことができる。

次に、本発明の第６実施例について説明する。
図１０は、第６実施例に係る半導体発光素子の模式断面図である。
図１に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施例が図１に表したものと異なる点は、第１金属膜５と第２金属膜６との間に第３金属膜９を追加した点である。

第１金属膜５と第２金属膜６との間には、第２金属膜６が第１金属膜５へ拡散または反応するのを防ぐ目的で、銀と反応しない、または銀に積極的に拡散しない、第１金属膜５と第２金属膜６と電気的に接触している第３金属膜９を設けてもよい。第３金属膜９の材料としては、拡散防止層として使用可能な高融点金属、例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）などの単層膜または積層膜が挙げられる。

さらに、好ましくは、多少第１金属膜５に拡散しても問題がないように仕事関数が高く、ｐ−ＧａＮコンタクト層とオーミック性が得られやすい金属として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）が挙げられる。第３金属膜９の膜厚は、単層膜の場合は膜状態を保てる５ｎｍから２００ｎｍの範囲であることが好ましい。積層膜の場合は、特に限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍから１００００ｎｍの間で選ぶことができる。

ｐ側電極４を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、ｐ型コンタクト層上のＳｉＯ_２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。その際、ＡｇとＳｉＯ_２膜の間に、ｐ型コンタクト層が露出するよう、フッ化アンモンの処理時間を調整する。ＳｉＯ_２膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第１金属膜５となるＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを、Ａｇが形成された領域全体、すなわち第１金属膜５と、Ａｇのすぐ横にある表面に露出されたｐ型コンタクト層の領域全体と、この露出領域に接するＳｉＯ_２からなる誘電体膜８の端部を除く残りの領域とに形成する。
その後、第３金属膜９として、例えばＷ／Ｐｔ積層膜を６層分だけ積層する。（Ｗ／Ｐｔ）×６層全体の厚さは、９００ｎｍとし、ｐ側電極０４を形成する。

また、本実施例に係る半導体発光素子を、さらにサブマウントに固定する際、３００℃以上の比較的高温な熱処理が必要となるＡｕＳｎ半田などを用いても、Ｗ／Ｐｔ積層膜がバリア層として機能するため、第２金属膜６が第１金属膜５のＡｇに拡散することがない。線膨張係数の異なる高融点金属を薄い膜厚で積層することで、歪みを緩和しつつ、拡散防止層として厚い膜厚を確保することができる。

図１１は、本発明の第７実施例に係る半導体発光素子の模式断面図である。
図１に関して前述した実施例と異なる点は、図１における半導体発光素子１００の第１金属膜５をＡｇからＡｇ／Ｐｔに変更した点である。
図１に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

ｐ側電極０４を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、ｐ型コンタクト層上のＳｉＯ_２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。ＳｉＯ_２膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第１金属膜Ａ５１のＡｇと第１金属膜Ｂ５２のＰｔからなる積層膜を２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、Ａｇ／Ｐｔが形成された領域全体と、Ａｇのすぐ横にある表面に露出されたｐ型コンタクト層の領域全体と、ＳｉＯ_２膜の一部を被覆するように、Ｐｔ／Ａｕを５００ｎｍの膜厚で形成し、ｐ側電極４を形成する。

第１金属膜５をＡｇ／Ｐｔ積層膜で形成し、その後シンター処理を行うことで、ｐ−ＧａＮコンタクト層とＡｇの界面にごくわずかなＰｔを拡散させることができる。これにより、Ａｇの密着性が向上するほか、Ａｇ特有の高効率反射特性を損なうことなく、コンタクト抵抗を下げることができるため、ｐ側電極４に要求される高効率反射特性と低動作電圧特性を高度に両立させることができる。具体的には、実施例１の場合と比較して、光出力はほぼ同じ値を示しつつ、２０ｍＡ時の動作電圧を０．３Ｖ減少させることができた。

図１２は、本発明の第８実施例に係る半導体発光素子の模式断面図である。
図１、図１１に関して前述した実施例と異なる点は、拡散防止層として第４金属膜９５を、ｐ側電極４、第３金属膜９と別に形成する点である。
図１、図１１に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

ｐ側電極０４を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、ｐ型コンタクト層上のＳｉＯ_２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。ＳｉＯ_２膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第１金属膜５としてＡｇ／Ｐｔを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、Ａｇ／Ｐｔ上のＡｇ／Ｐｔの端から５μｍ程度狭い領域を被覆するように、第４金属膜９５としてＰｔ／Ａｕを５００ｎｍの膜厚で形成する。同じくレジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、Ｐｔ／Ａｕ全体と、Ａｇ／Ｐｔ全体と、Ａｇのすぐ横にある表面に露出されたｐ型コンタクト層の領域全体と、ＳｉＯ_２膜の一部を被覆するように、第２金属膜６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを５００ｎｍの膜厚で形成し、ｐ側電極４を形成する。最後のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成する際、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｎ側電極７を同時に形成しても良い。

本実施例にかかる半導体発光素子をサブマウントに固定する際、３００℃以上の比較的高温な熱処理が必要となるＡｕＳｎ半田などを用いても、第４金属膜９５のＰｔ／Ａｕがバリア層として機能するため、第２金属膜６がｐ−ＧａＮコンタクト層とＡｇの界面に拡散することがない。Ａｇ／Ｐｔの端の領域にＴｉが直接接触し、若干拡散することで、その領域のコンタクト抵抗が若干大きくなる。これにより、オーミック領域から外側に向かって電流密度が低くなる構造を作ることができるため、Ａｇ／Ｐｔの端における電流集中を緩和させることができ、半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。

図１３は、本発明の半導体発光素子における、電極パターンの変形例を示す平面図およびＡＡ’に沿う模式断面図である。
半導体発光素子１００の外部からｐ側電極４へ注入され、半導体層を通ってｎ側電極７まで流れてきた電流を、半導体素子の外部へ取り出すためのｎ側電極領域は、半導体発光素子と外部端子との接触の関係上、広く設計することが望ましい。ただし、その配置や形状は特定の形に限定されることはなく、高発光効率が得られるよう自由に設計することが可能である。
本変形例においては、ｐ側電極４とｎ側電極７とが、くし型に入れ込んだ構造となっている。

図１４は、本発明の半導体発光素子を用いた半導体発光装置の断面模式図である。
本発明の半導体発光装置は、第１の実施例における図１の半導体発光素子１００に蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤである。

即ち、図１４に示すようにセラミック等からなる容器２２の内面に反射膜２３が設けられており、反射膜２３は容器２２の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜２３は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器２２の底部に設けられた反射膜２３の上に、図１に示した半導体発光素子がサブマウント２４を介して設置されている。半導体発光素子にはボールボンダによって金バンプ２５が形成され、サブマウント２４に固定されている。金バンプ２５を用いずに、直接サブマウント２４へ固定してもよい。

これら第１実施例における半導体発光素子１００、サブマウント２４、反射膜２３の固定には、接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。サブマウント２４の半導体発光素子側の表面には、半導体発光素子のｐ側電極４とｎ側電極７が絶縁されるようにパターニングされた電極が形成されており、それぞれ容器２２側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤ２６により接続されている。この接続は、内側面の反射膜２３と底面の反射膜２３との間の部分において行われている。また、半導体発光素子やボンディングワイヤ２６を覆うように赤色蛍光体を含む第１蛍光体層２１１が形成されており、この蛍光体層の上には青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む第２蛍光体層２１２が形成されている。この蛍光体層上にはシリコン樹脂からなる蓋部２７が設けられている。

第１蛍光体層２１１は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。赤色蛍光体としては、例えばＹ₂Ｏ₃、ＹＶＯ₄、Ｙ₂（Ｐ,Ｖ）Ｏ₄等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ³⁺）を付活物質として含ませる。即ち、Ｙ₂Ｏ₃:Ｅｕ³⁺、ＹＶＯ₄:Ｅｕ³⁺等を赤色蛍光体として用いることができる。Ｅｕ³⁺の濃度はモル濃度で１％〜１０％である。赤色蛍光体の母材としてはＹ₂Ｏ₃、ＹＶＯ₄の他にＬａＯＳやＹ₂（Ｐ, Ｖ）Ｏ₄等を用いることができる。Ｅｕ³⁺の他にＭｎ⁴⁺等を利用することも可能である。特に、ＹＶＯ₄母体に３価のＥｕとともに少量のＢｉを添加することにより３８０ｎｍの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、シリコン樹脂等を用いることができる。

また、第２蛍光体層２１２は、樹脂及びこの樹脂中に分散された青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む。青色蛍光体と緑色蛍光体を組み合わせて用いてもよいし、青色蛍光体と黄色蛍光体を組み合わせたり、青色蛍光体、緑色蛍光体、及び黄色蛍光体を組み合わせて用いてもよい。青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ, Ｃａ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂:Ｅｕ²⁺やＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇:Ｅｕ²⁺等を用いることができる。緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ₂ＳｉＯ₅:Ｃｅ³⁺, Ｔｂ³⁺を用いることができる。ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。また、緑色蛍光体としてＳｒ₄Ａｌ₁₄Ｏ₂₅:Ｅｕ²⁺等を用いることができる。黄色蛍光体としては、例えばＹ₃Ａｌ₅:Ｃｅ³⁺等を用いることができる。また、樹脂として、シリコン樹脂等を用いることができる。特に、３価のＴｂは視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。

本実施例の半導体発光装置によれば、第１実施例にかかる半導体発光素子１００から発生した３８０ｎｍの紫外光は、半導体発光素子１００の基板側に放出され、反射膜２３における反射をも利用することにより、各蛍光体層に含まれる上記蛍光体を効率よく励起することができる。例えば、第１蛍光体層２１１に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体は、６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換され、赤色可視光を効率よく得ることが可能である。また、第２蛍光体層２１２に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が効率よく励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率よく得ることができる。これらの混色として白色光やその他様々な色の光を高効率でかつ演色性よく得ることが可能である。
次に、本実施例にかかる半導体発光装置の製造方法について説明する。
図１４の半導体発光素子１００を作製する工程は、第１実施例の工程と同様である。まず、容器２２の内面に反射膜２３となる金属膜を、例えばスパッタリング法により形成し、この金属膜をパターニングして容器２２の内側面と底面にそれぞれ反射膜２３を残す。次に、第１実施例で作製された半導体発光素子１００にボールボンダによって金バンプ２５を形成し、ｐ側電極４用とｎ側電極７用にパターニングされた電極を持つサブマウント２４上に固定し、このサブマウント２４を容器２２の底面の反射膜２３上に設置して固定する。これらの固定には接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。また、ボールボンダによる金バンプ２５を用いずに半導体発光素子１００をサブマウント２４上に直接固定することもできる。

次に、サブマウント２４上の図示しないｎ側電極及びｐ側電極をそれぞれ容器２２側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤ２６により接続する。さらに、第１実施例で作製した半導体発光素子１００やボンディングワイヤ２６を覆うように赤色蛍光体を含む第１蛍光体層２１１を形成し、この第１蛍光体層２１１上に青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む第２蛍光体層２１２を形成する。蛍光体層のそれぞれの形成方法は、各蛍光体を樹脂原料混合液に分散させたものを滴下し、さらに熱処理を行うことにより熱重合させて樹脂を硬化させる。なお、各蛍光体を含有する樹脂原料混合液を滴下してしばらく放置した後に硬化させることにより、各蛍光体の微粒子が沈降し、第１、第２蛍光体層２１１、２１２の下層に各蛍光体の微粒子を偏在させることができ、各蛍光体の発光効率を適宜制御することが可能である。その後、蛍光体層上に蓋部２７を設け、本実施例にかかる白色ＬＥＤが作製される。

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、本発明はこれらに限定されるものではない。半導体発光素子を構成する、半導体多層膜、金属膜、誘電体膜など各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して、また結晶成長プロセスに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。

また、各具体例に開示されている構成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範囲に包含される。また、各具体例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。また、異なる具体例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
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すべ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や、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれか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。

１ ｎ型半導体層、 ２ ｐ型半導体層、 ３ 発光層、 ４ ｐ側電極、 ５ 第１金属膜、 ６ 第２金属膜、 ７ ｎ側電極、 ８ 誘電体膜、 ９ 第３金属膜、 １０ 基板、 ２１ 蛍光体層、 ２２ 容器、 ２３ 反射膜、 ２４ サブマウント、 ２５ 金バンプ、 ２６ ボンディングワイヤ、 ２７ 蓋部 １００ 半導体発光素子

Claims (11)

1. 第１の半導体層と、
   第２の半導体層と、
   前記第１の半導体層と第２の半導体層との間に設けられた発光層と、
   前記第１の半導体層の上に設けられた第１の電極と、
   前記第２の半導体層の上において前記第２の半導体層に接し銀または銀合金の少なくともいずれかを含む第１の金属膜と、
   前記第２の半導体層の上において前記第２の半導体層に接し前記第１の金属膜から離間した誘電体膜と、
   前記第１の金属膜の上において前記第１の金属膜に接し、前記第２の半導体層上において前記誘電体膜と前記第１の金属膜との間に露出した前記第２の半導体層に接し、前記誘電体膜の上において前記誘電体膜に接し、前記第２の半導体層との間のコンタクト抵抗が、前記第１の金属膜と前記第２の半導体層との間のコンタクト抵抗よりも高い金属の第２の金属膜と、
   を備え、
   前記発光層、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の側面がテーパ状であり、
   前記誘電体膜は、前記発光層、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の前記テーパ状の側面を覆い、
   前記第２の金属膜は、前記テーパ状の側面を覆う前記誘電体膜の上に延在する、半導体発光素子。
2. 前記第２の金属膜は、銀のマイグレーションを抑える膜である、請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２の金属膜は白金を含む、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２の金属膜は、前記誘電体膜の前記第１の電極側の端部までを被覆する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記誘電体膜は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｂの少なくともいずれかの酸化物、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｂの少なくともいずれかの窒化物、並びに、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｂの少なくともいずれかの酸窒化物の少なくともいずれかを含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記第１の金属膜のうちで前記第２の金属膜と接する部分は、前記第１の金属膜の前記第１の電極の側の部分を含む、請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 前記第２の金属膜で被覆された領域の前記誘電体膜の膜厚は、前記第２の半導体層の上において前記第２の金属膜で被覆されていない領域の前記誘電体膜の膜厚よりも薄い、請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に設けられた第３の金属膜をさらに備えた、請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
9. 前記第１の金属膜の前記第１の電極の側の一部を除く前記第１の金属膜の上に設けられた第４の金属膜をさらに備え、
   前記第１の金属膜は、前記第２の半導体層の上に設けられたＡｇ膜を含み、
   前記第４の金属膜は、前記第１の金属膜の上に設けられたＰｔ膜を含み、
   前記第２の金属膜は、前記誘電体膜と前記第１の金属膜との間に露出した前記第２の半導体層の表面と、前記第１の金属膜と、前記誘電体膜と、の上に設けられたＴｉ膜を含む、請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
10. 前記第１の金属膜は、前記第１の金属膜の前記Ａｇ膜の上に設けられたＰｔ膜をさらに含み、
    前記第４の金属膜は、前記第４の金属膜の前記Ｐｔ膜の上に設けられたＡｕ膜をさらに含み、
    前記第２の金属膜は、前記第２の金属膜の前記Ｔｉ膜の上に設けられたＰｔ膜と、前記第２の金属膜のＰｔ膜の上に設けられたＡｕ膜と、をさらに含む、請求項９記載の半導体発光素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、異なる波長の光を放出する蛍光体と、
    を備えた、半導体発光装置。

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