JP5900400B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部量子効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。特に、本発明は、発光層からの光が電極により遮蔽されることによる外部量子効率の低下を防止するための構造を有した発光素子の製造方法に関する。

従来から、III 族窒化物半導体発光素子の外部量子効率を向上させるために、発光層から放射された光が遮蔽される電極の下方領域（発光層の電極による影の部分）での電流密度を低減するため各種の工夫が成されている。下記特許文献１には、電流が発光面の一部の領域に集中することを防止するために、電極の下方に空気層を形成することが開示されている。また、特許文献２には、ｐ型コンタクト層上に、一部に窓の空けられた金属膜を形成して、ｐ伝導型基板をこれに接合し、窓部分に空気層を形成することが開示されている。この空気層に対応する上部にｎ型コンタクト層に対する電極を形成することで、電流が電極直下に集中しないようにしている。

特表２０１１−５１７０８５ 特開２００１−１４４３２１

しかしながら、特許文献１には、空気層を形成する方法については開示がない。また、特許文献２では、ｐ型コンタクト層上に一様に金属膜を形成して、ｎ電極の下方に相当する部分の金属膜に、エッチングにより窓を形成している。そして、特許文献２の方法は、金属膜を介してｐ型コンタクト層と導電性基板とを接合することにより、ｎ電極の下部に相当する窓部分に空気層を形成する方法である。

このため、特許文献２の方法では、ｐ型コンタクト層を導電性基板に接合することで空気層を形成する方法であるので、成長基板をエピタキシャル成長層から剥離させて、ｎ型コンタクト層側から光を出力させる基板リフトオフによる素子にしか用いることができない。
そこで、本発明の目的は、電流が電極の下方の発光層の領域に集中しないように、電極の下方に相当する部分に空気層を容易に形成することである。

第１の発明は、III 族窒化物半導体から成る第１伝導型コンタクト層、発光層、第２伝導型コンタクト層を少なくとも有する積層体を有し、その積層体のうちの第１伝導型コンタクト層に接合した電流拡散のための透光性導電膜とを有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、第１伝導型コンタクト層に対する第１電極、第２伝導型コンタクト層に対する第２電極において、発光層の発光面に対して正射影を形成する電極のうち、少なくとも一方の電極を遮蔽電極とするとき、第１伝導型コンタクト層の上方であって、遮蔽電極の正射影領域の少なくとも一部の領域に、エッチング可能な材料による可溶解層を形成し、第１伝導型コンタクト層及び可溶解層を覆う金属酸化物から成る透明導電膜を形成し、透明導電膜を熱処理して、透明導電膜を結晶化し、可溶解層のエッチングが可能なエッチング媒体に、透明導電膜を晒して、可溶解層をエッチングして、可溶解層の除去された領域に空気層を形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここにおいて、発光素子は、第１伝導型コンタクト層側から光を出力するフェースアップ型（ワイヤボンディング型）であっても、成長基板側から光を出力するフェースダウン型であっても、エピタキシャル成長層を成長基板上に成長させた後に、第１伝導型コンタクト層を支持基板に接合した後、成長基板を剥離させて、露出した第２伝導型コンタクト層側から光を出力する基板リフトオフ型であっても良い。

フェースアップ型の発光素子においては、第１伝導型コンタクト層から光を外部に出力するために、第１伝導型コンタクト層に対する第１電極が光を遮蔽する遮蔽電極となる。このために、透明導電性膜の遮蔽電極の下方部分に、空気層が形成される。また、フェースダウン型発光素子及び基板リフトオフ型発光素子においては、第１伝導型コンタクト層が透明導電膜と、絶縁膜とを介して、パッド電極や電極を兼ねる反射膜に接合される。そして、絶縁膜に形成された孔を介して、透明導電膜とパッド電極とを接続する、第１伝導型コンタクト層に対する第１電極が形成される。また、第１電極、第２電極は、単一面積の電極であっても、透明導電膜やコンタクト層との接触部分が、複数の島状であっても、線状や、櫛歯状のパターンであっても良い。

これらの型の発光素子では、発光層から反射膜に向かう光、及び反射膜で反射されて光出力面に向かう光に対して、第１電極が光を遮蔽する遮蔽電極となる。このために、第１伝導型コンタクト層の上方であって、この遮蔽電極の形成される領域の下方に、空気層が形成される。なお、「上方」、「下方」は、発光素子の使用状況、すなわち、光の出力する方向に対する定義ではなく、成長基板上にエピタキシャル層を成長させる方向を上方、逆方向を下方と定義する。したがって、フェースアップ型発光素子の場合には、光出力方向とエピタキシャル成長層の成長方向とが一致しており、第１伝導型コンタクト層の外側、すなわち、発光層とは逆の側が、上方となる。逆に、ファースダウン型発光素子と基板リフトフオ型発光素子の場合には、最初に成長させるエピタキシャル成長層の側から光が出力されるので、光取り出し方向と、エピタキシャル成長方向とは、逆向きになる。本発明では、発光素子の型にかかわらず、一様に定義するために、エピタキシャル成長方向、すなわち、第１伝導型コンタクト層の外向き（発光層と反対側の向き）を上方と定義している。

また、基板リフトオフ型発光素子の場合には、上述したように第１伝導型コンタクト層に対する第１電極が遮蔽電極となる場合の他、第２伝導型コンタクト層側から光が出力されるので、第２伝導型コンタクト層の面上に第２電極が形成される場合には、この第２電極も遮蔽電極となる。したがって、第１伝導型コンタクト層の上方であって、この第２電極の正射影領域（上方）に、空気層が形成されていても良い。なお、遮蔽電極の正射影領域の少なくとも一部の領域に、可溶解層が形成されるとは、可溶解層又は空気層の形成領域が遮蔽電極の正射影領域と完全に一致している場合の他、可溶解層又は空気層の形成領域が、正射影領域を内部に包含している場合、正射影領域の大部分を占める中心部を含んでいるが、少ない面積の周辺部は含んでいない場合、正射影領域の一部分に含まれている場合、正射影領域の一部分を含む場合をも含むものとする。

空気層の存在により、発光層における遮蔽電極の正射影領域には、空気層により電流の流れが抑制されるので、この正射影領域での発光が抑制され、電流は他の領域に迂回して流れる。この結果、遮蔽電極で遮蔽される光の発光を抑制して、遮蔽されない光の強度を向上させることができる。また、空気層は、屈折率が最も小さいので、第１伝導型コンタクト層の空気層に対する屈折率比を大きくできる。この結果、全反射の臨界角を小さくでき、空気層側への光の透過を抑制することができる。これらの作用により、発光素子の外部量子効率を向上させることができる。

可溶解層は、空気層を形成するための層である。この可溶解層は、第１伝導型コンタクト層の面上に接合して形成されることが望ましい。しかしながら、第１伝導型コンタクト層と可溶解層との間に、可溶解層に対してエッチング耐性の大きい絶縁膜が形成されていても良い。また、第１伝導型コンタクト層の面上に、空気層と第１伝導型コンタクト層との間の導電性を向上させない程度に薄い透明導電膜を形成した後に、可溶解層を形成し、さらに、全面に透明導電膜を形成しても良い。すなわち、可溶解層は、第１伝導型コンタクト層の面上に形成される透明導電膜の内部に形成されていても良い。また、第１伝導型コンタクト層と透明導電膜との間に透光性、導電性、耐エッチング性の高い薄膜が形成されていても良い。第１伝導型コンタクト層をエッチング媒体から保護するためである。透明導電膜の内部に可溶解層を形成する方法は、フォトリソグラフィ、透明導電膜の選択形成など、各種の方法を用いることができる。

また、遮蔽電極の形成は、空気層を形成した後に形成することが、望ましい。可溶解層のエッチングが容易であるためである。しかし、遮蔽電極にエッチング耐性があれば、遮蔽電極を形成した後に、可溶解層をエッチングして空気層を形成しても良い。

透明導電膜は、発光層からの発光の波長に対して、透過率が高く、導電率が高い材料であれば、任意である。透明導電膜は、一般的には、金属酸化物を採用することができる。例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルニミウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、ガリウム亜鉛酸化物（ＧＺＯ）、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）、ニオブチタン酸化物（ＴＮＯ）、カドミニウム錫酸化物（ＣＴＯ）である。金属酸化物の場合には、熱処理による結晶化を行うことで、粒界を形成して、この粒界で形成される経路を通して、エッチング媒体を可溶解層まで浸透させることができる。透明導電膜の熱処理の温度は、６００℃以上、７５０℃以下が望ましい。この温度範囲の時には、粒界の形成を効果的に行うことができる。

可溶解層の材料は、透明導電膜に比較して、容易にエッチングされる材料であれば良い。例えば、可溶解層には、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、金属のうち少なくとも１種を用いることができる。また、エッチング媒体は、可溶解層を容易にエッチングでき、透明導電膜をエッチングし難い材料を用いることができる。可溶解層のエッチングは、フッ化水素（ＨＦ）によるウエットエッチング、又は、少なくともフッ化炭素系ガスを含むガス（望ましくは酸素ガスを含む）によるプラズマエッチングを採用することができる。

上記発明において、第１伝導型コンタクト層は、ｐ型コンタクト層であり、遮蔽電極は、第１伝導型コンタクト層に対する電極とすることができる。また、第１伝導型コンタクト層は、ｐ型コンタクト層であり、第２伝導型コンタクト層はｎ型コンタクト層であり、遮蔽電極は、第２伝導型コンタクト層に対する電極とすることができる。

本発明は、第１伝導型コンタクト層の上に、可溶解層と透明導電膜を形成して、熱処理をすることで透明導電膜を結晶化した後に、エッチング媒体に、透明導電膜を晒すことで、結晶化により透明導電膜に生じた粒界を介して、エッチング媒体を可溶解層に導入することができる。これにより、可溶解層を容易にエッチングして除去して、可溶解層の形成された領域を空気層とすることができる。この空気層は、発光層からの光を遮蔽する遮蔽電極の正射影領域に形成されていることから、発光層のこの部分での電流密度を低減でき、この領域で発光強度を低下できる。また、電流は発光層の他の領域に迂回するので、同一駆動電流に対しては、発光出力を向上させることかできる。また、空気層は、屈折率が小さいので、全反射臨界角を小さくでき、第１伝導型コンタクト層からの光が遮蔽電極によって吸収される前に空気層により第１伝導型コンタクト層側に反射させることができる。これらの結果として、発光素子の外部量子効率を向上させる構造を、容易に製造することができる。

本発明の具体的な実施例に係る実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の縦断面図。 実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の平面図。 同実施例の発光素子の製法を示す発光素子の断面図。 同実施例の発光素子の製法を示す発光素子の断面図。 同実施例の発光素子の製法を示す発光素子の断面図。 本発明の具体的な実施例に係る実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の平面図。 実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の縦断面図。 本発明の具体的な実施例に係る実施例２の変形例のIII 族窒化物半導体発光素子の平面図。 実施例２の変形例のIII 族窒化物半導体発光素子の縦断面図。 本発明の具体的な実施例に係る実施例３の発光素子の断面図。 本発明の具体的な実施例に係る実施例５の発光素子の断面図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照して説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

本実施例は、フェースアップ型の発光素子である。図１は、本実施例１の半導体発光素子１を示す断面図であり、図２はその平面図である。厚さ１００μｍのサファイヤ基板１０１の上には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約２０ｎｍのバッファ層１０２が設けられ、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮから成る膜厚約８．０μｍの高キャリア濃度ｎ⁺層であるｎ型コンタクト層１０４（第２伝導型コンタクト層）が形成されている。このｎ型コンタクト層１０４の電子濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³である。この層の電子濃度は、高い程、望ましいが、２×１０¹⁹／ｃｍ³まで、増加可能である。そして、ｎ型コンタクト層１０４の上にＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなる歪み緩和層１０５が２００ｎｍの厚さに形成されている。そして、その歪み緩和層１０５の上に、膜厚２０ｎｍのノンドープのＧａＮと膜厚３ｎｍのノンドープのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎからなる３周期分積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０６が形成されている。発光層１０６の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る膜厚約６０ｎｍのクラッド層に相当するｐ型層１０７が形成されている。さらに、ｐ型層１０７の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮから成る膜厚約１３０ｎｍのｐ型コンタクト層１０８（第１伝導型コンタクト層）が形成されている。

また、ｐ型コンタクト層１０８の上にはスパッタ法により形成されたＩＴＯから成る透明導電膜１０が形成されている。ｐ型コンタクト層１０８の平面上周辺部には、環状に幅３μｍの露出部５が形成されている。この露出部５の幅は、発光効率から言えば、狭い程望ましいが、段差の側壁におけるｐｎ接合の短絡の防止を考慮すると、最低、１μｍ設けるのが望ましい。透明導電膜１０の上には、ＳｉＯ₂ から成る透光性絶縁膜２０が形成されている。透明導電膜１０の厚さは、７０ｎｍ、透光性絶縁膜２０は、厚さ、２００ｎｍである。透光性絶縁膜２０に開けられた窓に形成されたｐパッド電極４０（第１電極）は、厚さ０．０１μｍのチタン（Ｔｉ）と、厚さ０．５μｍの金（Ａｕ）との２重構造で構成されている。また、ｐ電極パッド４０は、ＴｉとＡｕの合金で構成されていても良い。発光層１０６から放射された光は、ｐ型コンタクト層１０８の側から出力される。したがって、このｐパッド電極４０は、この光に対しては、外部への光の放出を遮ることになる。したがって、本実施例では、ｐ電極パッド４０が遮蔽電極となる。

一方、ｐ型コンタクト層１０８からエッチングして、露出したｎ型コンタクト層１０４上には、ｎパッド電極３０（第２電極）が形成されている。ｎパッド電極３０は２重構造をしており、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）層３１と、膜厚約１．８μｍのアルミニウム（Ａｌ）層３２とをｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分である電極形成部１６に、順次積層させることにより構成されている。

そして、ｐパッド電極４０の下方のｐ型コンタクト層１０８の上面において、透明導電膜１０とｐ型コンタクト層１０８との間に厚さ１４０ｎｍの空気層５０が形成されている。この空気層５０は、ｐパッド電極４０のｐ型コンタクト層１０８上の正射影領域に形成される。したがって、空気層５０の平面形状は、ｐパッド電極４０の平面形状と同一である。

次に、本実施例に係る半導体発光素子の製法について説明する。まず、サファイア基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、４００℃において、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の低温成長によるバッファ層１０２が形成される。次に、それぞれのIII 族窒化物半導体のエピタキシャル成長の最適温度に調整しつつ、ＭＯＣＶＤ法によってIII 族窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層１０４、歪み緩和層１０５、発光層１０６、ｐ型層１０７、ｐ型コンタクト層１０８を順に積層させた。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ）、キャリアガスとしてＨ₂ またはＮ₂ である。

以上の半導体層のエピタキシャル成長については、良く知られた方法である。図３に示すように、ｐ型コンタクト層１０８の上面の、後に形成されるｐパッド電極４０の正射影領域にＳｉＯ₂ から成る可溶解層６１が１４０ｎｍの厚さに形成された。この可溶解層６１の形成は、次のように行った。ｐ型コンタクト層１０８の全面にＳｉＯ₂ 膜を厚さ１４０ｎｍにＣＶＤ法により形成した。その後、ＳｉＯ₂ 膜の全面に、フォトレジスト膜を形成して、フォトリソグラフィにより、フォトレジスト膜を、ｐパッド電極４０の正射影領域に残した。次に、残されたフォトレジスト膜をマスクとして、フォトレジスト膜で覆われていないＳｉＯ₂ 膜の領域を希フッ化水素酸液でエッチングして除去した。これにより、ｐ型コンタクト層１０８上のｐパッド電極４０の正射影領域に厚さ１４０ｎｍのＳｉＯ₂ から成る可溶解層６１が形成された。次に、図４に示すように、ＩＴＯを、スパッタリングにより、厚さ７０ｎｍに、可溶解層６１及びｐ型コンタクト層１０８の上面に、一様に堆積させて透明導電膜１２を形成した。

次に、その透明導電膜１２の上の全面に、フォトレジスト膜１３を塗布し、フォトリソグラフィにより、ｎパッド電極３０の形成領域に、フォトレジスト膜１３に窓を開けた。次に、この状態で、ウエットエッチングを行い、ｎパッド電極３０の形成領域の透明導電膜１２が除去された。そして、フォトレジスト膜１３と透明導電膜１２との２重膜をマスクとして、塩素プラズマによりドライエッチングを行った。この結果、図５に示すように、ｎ型コンタクト層１０４が露出して、電極形成部１６が形成された。次に、フォトレジスト膜１３が除去され、この状態の透明導電膜１２が、図１に示す半導体発光素子１の透明導電膜１０となる。

次に、この状態で、素子は、減圧（１Ｐａ）、窒素雰囲気中、７００℃で、３分間、加熱処理されて、透明導電膜１０は結晶化された。この時、結晶粒界が現れた。次に、ｎ型コンタクト層１０４の露出部である電極形成部１６と段差の側壁１８と透明導電膜１０の外周部及び、その他の必要な箇所をフォトレジストでマスクして、素子を５０℃に保持し、透明導電膜１０を、四フッ化炭素ガス（ＣＦ₄ ）と酸素ガスとの混合ガスのプラズマ中に、１５分間晒した。エッチングガスは、透明導電膜１０に形成された結晶粒界による微小隙間を介し、又は、粒界をエッチングしつつ、透明導電膜１０の内部に浸透し、可溶解層６１に至り、可溶解層６１がエッチングされた。この結果、この領域に、図１に示す空気層５０が形成された。この状態を、光学顕微鏡で観察したところ、可溶解層６１が除去されて、空気層５０が形成されたことが確認された。なお、比較列として、透明導電膜１０の熱処理をせずに、同一エッチングガスのプラズマ雰囲気中に、透明導電膜１０を晒したが、この場合には可溶解層６１は除去されず、空気層５０は形成されなかったことが確認された。

この後、最表面上に一様にフォトレジストを塗布し、露光及び現像により、透明導電膜１０上のｐパッド電極４０の形成領域に窓を形成して、厚さ０．０１μｍにＴｉと、厚さ０．５μｍにＡｕを堆積して、フォトレジストをリフトオフして、ｐパッド電極４０を形成した。その後、同様に、最表面上に一様にフォトレジストを塗布し、露光及び現像により、ｎ型コンタクト層１０４の電極形成部１６に対応する部分に窓を開けて、厚さ１８ｎｍにＶと、厚さ１．８μｍにＡｌを堆積して、ｎパッド電極３０を形成した。その後、最表面上に一様にＳｉＯ₂ を２００ｎｍの厚さに堆積して、さらに面上に一様に、フォトレジストを塗布し、露光及び現像により、所定領域に窓を開けて、フッ素系のエッチングガスによりドライエッチングを行い、その後、レジストを除去して、透光性絶縁膜２０を形成した。このようにして、ｐ型コンタクト層１０８の上面であって、ｐパッド電極４０の下方の正射影領域に空気層５０を有した透明導電膜１０が形成された。

本実施例は、フェースアップ型の発光素子であり、ｐ電極（第１電極）とｎ電極（第２電極とが、配線状に形成された発光素子である。実施例１と同一機能を果たす部分については、同一の符号が付されている。図６は、発光素子２の平面図、図７は、図６における、Ａ−Ａ矢視の断面図である。透明導電膜１０の上面に透光性絶縁膜２１が形成され、その上にｐ配線電極４１が形成されている。ｐ配線電極４１は、透光性絶縁膜２１に形成された窓を介して、透明導電膜１０に接続されている。また、透光性絶縁膜２１に形成された窓を介して、透明導電膜１０上に伸びたｐ配線電極４１上にｐパッド電極４０が形成されている。また、透光性絶縁膜２１の上に、直線状のｎ配線電極３３が設けられている。そして、ｎ配線電極３３は透光性絶縁膜２１に設けられた複数の孔を介して、ｎ型コンタクト層１０４に接合している。また、ｎパッド電極３０が形成されるｎ型コンタクト層１０４の露出面上にも、ｎ配線電極３３は延設されており、その露出面上に延設されたｎ配線電極３３上に、ｎパッド電極３０が設けられている。そして、ｐパッド電極４０とｎパッド電極３０を除く、素子の全表面上に透光性絶縁膜２０が形成されている。本発光素子２は、透明導電膜１０との接続部と、ｎ型コンタクト１０４との接続部とを除いて、ｐ配線電極４１とｎ配線電極３３とが、透明導電膜１０の上方に透光性絶縁膜２１を介して、同一面上に形成されていることが特徴である。

本実施例は、第１電極と第２電極とが、櫛歯状に配設されたものである。そして、ｐパッド電極４０とｐ配線電極４１とｎ配線電極３３の、ｐ型コンタクト層１０８上の正射影領域に、空気層５０が形成されている。空気層５０の形成は、実施例１と同一である。すなわち、ｐ型コンタクト層１０８が形成された後に、ｐ型コンタクト層１０８の面上のｐ配線電極４１とｐパッド電極４０とｎ配線電極３３の正射影領域に、実施例１と同様にＳｉＯ₂ から成る可溶解層を形成した。ただし、ｎ配線電極３３のｎ型コンタクト層１０４との接続部（円形の孔）には、可溶解層は形成されていない。次に、その可溶解層及び残部のｐ型コンタクト層１０８面上に、一様な厚さの透明導電膜１０を形成し、実施例１と同一条件（減圧、７００℃）で、熱処理を行った。次に、四フッ化炭素ガス（ＣＦ₄ ）と酸素との混合ガスのプラズマ中に、透明導電膜１０を晒すことで、可溶解層を除去して、空気層５０を形成した。その次に、透光性絶縁膜２１を形成し、透光性絶縁膜２１に透明導電膜１０とｎ型コンタクト層１０４に対するコンタクトのための孔を形成して、ｐ配線電極４１とｎ配線電極３３と、ｐパッド電極４０と、ｎパッド電極３０とを形成した。その後、ｐパッド電極４０と、ｎパッド電極３０を除き、素子２の上面の全面を覆うように、透光性絶縁膜２０を形成した。本願発明は、このような発光素子にも用いることができる。
このフェースアップ素子において、ｎ配線電極３３の形成部分にｐ型コンタクト層１０８からｎ型コンタクト層１０４の表面までエッチングして、露出したｎコンタク層１０４上にｎ配線電極３３を接合するように形成しても良い。この場合には、ｎ配線電極３３は遮蔽電極とはならないので、ｎ配線電極３３の下方には空気層５０は形成されず、ｐ配線電極４１の下方にのみ空気層５０が形成れれる。
上記実施例では、ｐ配線電極４１、ｎ配線電極３３の正射影領域と一致する領域に空気層５０を形成したが、正射影領域の一部に形成されていても良い。
例えば、図８、９に示すように、ｐ配線電極４１と透明導電膜１０との接触部分の直下に同一形状又は一回り大きい形状の空気層５０を形成しても良い。透明導電膜１０が７０ｎｍと薄いため、この接触部分はｐ型コンタクト層１０８に極めて近くなり、光を強く遮蔽することになるので、この接触部分の直下に空気層５０を形成すると効果的である。

本実施例は、フェースダウン型（フリップチップ型）発光素子に関するものである。図１０は、発光素子３の縦断面図である。ｐバンプ電極６５とｎパンプ電極６０とを除いた平面図は、図２と同一である。実施例１と同一の構成部分には、同一の符号が付されている。透明導電膜１０の上に、ＳｉＯ₂ から成る透光性絶縁膜２０が形成されており、その透光性絶縁膜２０の上に、Ａｇから成る反射膜７０が形成されている。そして、反射膜７０と、露出している透光性絶縁膜２０の上及び発光素子２の上面に、ＳｉＯ₂ から成る透光性絶縁膜２１が形成されている。すなわち、透光性絶縁膜２０と透光性絶縁膜２１は一体となり、その内部に反射膜７０が存在している。また、ｐパッド電極４０には、ｐバンプ電極６５が、ｎパッド電極３０には、ｎバンプ電極６０が接合している。このような半導体発光素子２において、ｐパッド電極４０のｐ型コンタクト層１０８上の正射影領域における、透明導電膜１０とｐ型コンタクト層１０８との界面上に空気層５０が形成されている。透明導電膜１０とオーミック接触が得られるｐパッド電極４０の反射率が低い場合に、発光層１０６におけるｐパッド電極４０の正射影領域の電流密度を低減させることができる。また、空気層５０の存在により、空気層５０とｐ型コンタクト層１０８との間の屈折率差により、全反射の臨界角を小さくして、発光層１０６から放射された光を、より多く、ｐ型コンタク層１０８側に反射させることができる。空気層５０の製造方法は、実施例１と同一である。すなわち、ｐ型コンタクト層１０８が形成された後に、ｐ型コンタクト層１０８の面上のｐパッド電極４０の正射影領域に、実施例１と同様にＳｉＯ₂ から成る可溶解層を形成した。次に、その可溶解層及び残部のｐ型コンタクト層１０８面上に、一様な厚さの透明導電膜１０を形成し、実施例１と同一条件（減圧、７００℃）で、熱処理を行った。次に、四フッ化炭素ガス（ＣＦ₄ ）と酸素との混合ガスのプラズマ中に、透明導電膜１０を晒すことで、可溶解層を除去して、空気層５０を形成した。本願発明は、このような発光素子にも用いることができる。

実施例４の発光素子は、図６、７、又は、図８、９に示す配線電極を用いた発光素子を、フェースダウン型発光素子としたものである。すなわち、図７に示す構造の素子の最上層の透光性絶縁膜２０の上に、Ａｇから成る反射膜、さらに、この反射膜を覆う透光性絶縁膜を形成したのち、ｎパンプ電極３０とｐバンプ電極４０とを、給電基板にフェースダウンで接合した発光素子としても良い。この場合も、実施例３と同様に、ｐ配線電極４１は、導電率が高いが、反射率の低い材料で構成された場合に、空気層５０により、発光層１０６のｐ配線電極４１とｎ配線電極３３の正射影領域での電流密度を低減させて、電流を他の領域に迂回させることができる。図８、９の場合には、大きく遮光される、ｐ配線電極４１と透明導電膜１０との接触部分のみの正射影領域での電流密度を低減させて、電流を他の領域に迂回させることができる。また、空気層５０で、光をｐ型コンタクト層１０８側に反射させることができ、外部量子効率を向上させることができる。

本実施例は、成長基板上にエピタキシャル層を形成した後、最上層のｐ型コンタクト層を低融点金属で支持基板に接合した後、成長基板を剥離させる基板リフトオフ型の発光素子にも用いることができる。基板リフトオフ型の発光素子４の縦断面を図１１に示す。光は、ｎ型コンタクト層１０４側から出力される。ｎ型コンタクト層１０４上には、櫛歯状又は、格子状のｎ配線電極３３と、矩形発光面の角の部分にｎ配線電極３３に接続するｎパッド電極（図示略）が形成されている。そして、ｐ型コンタクト層１０８上には、透明導電膜１０が形成され、その上にＡｇから成る反射膜７０が形成されている。そして、ｐ型コンタクト層１０８は、バリア層とハンダ層の複層から成る接合層７２を介して導電性の支持基板７４に接合されている。その支持基板７４の裏面の全面に、ｐ電極４２が形成されている。ｎ配線電極３３は、発光層１０６からの光を遮蔽する遮蔽電極となる。本実施例では、透明導電膜１０とｐ型コンタクト層１０８との界面上の、ｎ配線電極３３の正射影領域に、空気層５０が形成されている。空気層５０の形成方法は、実施例１と同一である。すなわち、ｐ型コンタクト層１０８が形成された後に、ｐ型コンタクト層１０８面上の、後に形成されるｎ配線電極３３の正射影領域に、実施例１と同様にＳｉＯ₂ から成る可溶解層を形成した。次に、その可溶解層及び残部のｐ型コンタクト層１０８面上に、一様な厚さの透明導電膜１０を形成し、実施例１と同一条件（減圧、７００℃）で、熱処理を行った。次に、四フッ化炭素ガス（ＣＦ₄ ）と酸素との混合ガスのプラズマ中に、透明導電膜１０を晒すことで、可溶解層を除去して、空気層５０を形成した。次に、反射膜７０、接合層７２を介して、支持基板７４と透明導電膜１０とを接合し、成長基板を除去して、ｎ型コンタクト層１０４を露出させた。その後に、支持基板５０の裏面にｐ電極４２を形成し、ｎ型コンタクト層１０４の表面上であって、空気層５０の直上に該当する部分にｎ配線電極３３を形成した。本願発明は、このような発光素子にも用いることができる。この場合にも、発光層１０６におけるｎ配線電極３３の正射影領域の電流密度は、空気層５０の存在により小さくして、電流を他の領域に迂回させることができる。したがって、この発光素子においても、外部量子効率を向上させることができる。

また、基板リフトオフ型の発光素子においても、支持基板をセラミックスなどの絶縁性材料とした場合には、ｐ型コンタクト層に対する電極も光出力面側に形成する必要がある。この場合に、実施例４のように、ｐ型コンタクト層に対する一様給電のために透明導電膜が用いられるが、この透明導電膜に対して櫛歯状や格子状のｐ配線電極を形成して、素子の側部でそのｐ配線電極を露出してｐパッド電極を形成することも行われている。この場合に、ｐ型コンタクト層上の、ｐ配線電極の正射影領域に、可溶解層を形成して、透明導電膜を形成して、実施例１と同一の条件で熱処理した後に、四フッ化炭素ガス（ＣＦ₄ ）と酸素との混合ガスのプラズマに、透明導電膜を晒して、可溶解層を除去して、空気層を形成しても良い。この場合の空気層の作用は、実施例４と同一である。この場合には、ｎ配線電極３３とｐ配線電極とが、共に、遮蔽電極となる。

上記の全実施例において、半導体発光素子のエピタキシャル成長層の層構成は一例であって、任意の構成を採用することができる。発光層を構成する単一量子井戸構造や多重量子井戸構造は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体Ａｌ_y Ｇａ_1-y-z Ｉｎ_z Ｎ（０≦ｙ＜１，０＜ｚ≦１）から成る井戸層を含むものが望ましい。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのＧａ_1-zＩｎ_zＮ（０＜ｚ≦１）から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体ＡｌＧａＩｎＮから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＧａ_1-zＩｎ_zＮ（０＜ｚ≦１）の井戸層とアンドープのＧａＮから成る障壁層である。ここでドープは、ドーパントを意図的に原料ガスに含ませて目的とする層に添加していることを意味し、アンドープは、原料ガスにドーパントを含ませないで、意図的にドーパントを添加しないものを意味する。したがって、アンドープは、近接の層から拡散して自然にドーピングされている場合をも含む。

III 族窒化物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。半導体発光素子を構成する各層のIII−Ｖ族窒化物半導体は、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置き換えても良く、また、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型の層を形成する場合には、ｎ型不純物として、ＳｉＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を添加し、ｐ型の層を形成する場合には、ｐ型不純物としては、、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。成長基板は、サファイアの他、炭化珪素、酸化亜鉛などを用いることができる。支持基板には、導電性シリコン基板、銅などの金属基板を用いることができる。

また、上記実施例では、可溶解層は、ＳｉＯ₂ を用いたが、その他、窒化シリコン（ＳｉＮ）、金属など、ドライ、ウエットのエッチング媒体により溶解できる材料であれば、任意である。可溶解層の厚さは、８０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下が望ましい。８０ｎｍよりも薄いと、反射機能が低下するので望ましくない。また、２００ｎｍ以上とすると、透明性導電膜で覆う場合に段差が大きくなるために、望ましくない。

また、透明導電膜には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いたが、熱処理により結晶化して結晶粒界が現れる材料であれば任意である。透光性の金属酸化物は、この傾向を有するので望ましい。ＩＴＯの他、これに属する材料として、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルニミウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、ガリウム亜鉛酸化物（ＧＺＯ）、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）、ニオブチタン酸化物（ＴＮＯ）、カドミニウム錫酸化物（ＣＴＯ）のうちの少なくとも１種を用いても良い。可溶解層の形成は、ＣＶＤ法を用いたが、この他、スパッタリング、電子ビーム蒸着法などを用いることができる。また、透明導電膜の形成は、非晶質となれば、任意の方法を用いることができる。実施例では、スパッタリングを用いたが、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法などを用いることができる。透明導電膜の熱処理温度は、７００℃で行ったが、６００℃以上、７５０℃とすることができる。６００℃より低いと透明導電膜の結晶化が起こらないので望ましくない。７５０℃より高くすると、半導体層にダメージを与えるので望ましくない。また、透明導電膜の厚さは、３０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下が望ましい。３０ｎｍよりも薄いと、電流拡散機能が低下し、又は、可溶解層を覆うことが困難となるので、望ましくない。また、２００ｎｍよりも厚いと、光透過率が低下するので望ましくない。透明導電膜に形成された粒界を介して、可溶解層のエッチングは、四フッ化炭素ガスと酸素ガスとの混合ガスによる反応性プラズマを用いたが、その他のフッ素系ガスのプラズマ、フッ化水素酸などのフッ酸系の液によるウェットエッチングを用いることができる。

本発明は、外部量子効率を向上させた半導体発光素子の容易な製造方法に用いることができる。

１、２、３、４…発光素子
１０…透明導電膜
２０，２１、２２…透光性絶縁膜
３０…ｎパッド電極
３３…ｎ配線電極
４０…ｐパッド電極
４１…ｐ配線電極
５０…空気層
６１…可溶解層
１０１…サファイア基板
１０２…バッファ層
１０４…ｎ型コンタクト層（第２伝導型コンタクト層）
１０６…発光層
１０８…ｐ型コンタクト層（第１伝導型コンタクト層）

Claims (11)

1. III 族窒化物半導体から成る第１伝導型コンタクト層、発光層、第２伝導型コンタクト層を少なくとも有する積層体を有し、その積層体のうちの第１伝導型コンタクト層に接合した電流拡散のための透光性導電膜とを有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記第１伝導型コンタクト層に対する第１電極、前記第２伝導型コンタクト層に対する第２電極において、前記発光層の発光面に対して正射影を形成する電極のうち、少なくとも一方の電極を遮蔽電極と定義するとき、
   前記第１伝導型コンタクト層の上方であって、前記遮蔽電極の正射影領域の少なくとも一部の領域に、エッチング可能な材料による可溶解層を形成し、
   前記第１伝導型コンタクト層及び前記可溶解層を覆う金属酸化物から成る透明導電膜を形成し、
   前記透明導電膜を熱処理して、前記透明導電膜を結晶化し、
   前記可溶解層のエッチングが可能なエッチング媒体に、前記透明導電膜を晒して、前記可溶解層をエッチングして、前記可溶解層の除去された領域に空気層を形成する
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記可溶解層は、前記第１伝導型コンタクト層の面上に接合して形成されることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
3. 前記可溶解層は、前記第１伝導型コンタクト層の面上に形成される前記透明導電膜の内部に形成されることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
4. 前記透明導電膜の面上であって、前記空気層に対応する部分に、前記空気層を形成した後に、前記遮蔽電極を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
5. 前記透明導電膜を形成した後に、前記透明導電膜の上面であって、前記可溶解層の上部に、前記遮蔽電極を形成し、
   前記遮蔽電極の形成の後に、前記可溶解層をエッチングして前記空気層を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記透明導電膜は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルニミウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、ガリウム亜鉛酸化物（ＧＺＯ）、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）、ニオブチタン酸化物（ＴＮＯ）、カドミニウム錫酸化物（ＣＴＯ）のうちの少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 前記可溶解層は、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、金属のうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第１伝導型コンタクト層は、ｐ型コンタクト層であり、前記遮蔽電極は、前記第１伝導型コンタクト層に対する電極であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記第１伝導型コンタクト層は、ｐ型コンタクト層であり、前記第２伝導型コンタクト層はｎ型コンタクト層であり、前記遮蔽電極は、前記第２伝導型コンタクト層に対する電極であることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 前記透明導電膜の熱処理の温度は、６００℃以上、７５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記可溶解層のエッチングは、フッ化水素（ＨＦ）によるウエットエッチング、又は、少なくともフッ化炭素系ガスを含むガスによるプラズマエッチングであることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。

Images