JP6058980B2 - 半導体発光素子及びその電極の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の半導体発光素子及びその電極の形成方法に関する。
半導体発光素子、特にＬＥＤ素子における信頼性、発光効率等の向上を目的とした研究開発が盛んになっている。半導体発光素子の信頼性、発光効率等を向上させるためには、オーミック接合、光反射特性の向上が重要である。例えば、特許文献１には、半導体層との界面近傍における導電性酸化物膜（透明電極）の膜中酸素濃度を他の部分よりも低くすることで、導電性酸化物膜と半導体層とのコンタクト特性を改善することが開示されている。また、特許文献２には、半導体層との界面近傍における導電性酸化物膜の膜中酸素濃度を他の部分よりも高くすることで、導電性酸化物膜と半導体層との間の密着性の向上を図ることが開示されている。
しかしながら、例えば、特許文献１に記載のように、酸素濃度が高い（酸素含有量が多い）導電性酸化物（例えば、ＩＴＯ）膜は、結晶化に伴って表面の凹凸が大きくなる。透明電極上に反射層（例えば、金属層）が形成された半導体発光素子に適用する場合を考えると、反射面の凹凸も大きくなるため、反射面における光の吸収が大きくなり、透明電極を介した反射層からの反射率が低下するという問題がある。
一方、例えば、特許文献２に記載のように、導電性酸化物膜の酸素濃度を低くした場合、導電性酸化物の結晶性が低下するため、透過率が低下し、素子の発光効率も低下させるという問題がある。
このように、従来の半導体発光素子においては、透明電極のコンタクト特性及び光反射特性（光透過特性）の両立は困難である。本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、半導体層との良好なコンタクト特性を有するとともに、透明電極と反射層との間の密着性を確保しつつ、反射層の反射率が高く、信頼性、光反射特性等の素子特性に優れた半導体発光素子を提供することを目的としている。
本発明による半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層、第２導電型の第２の半導体層、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からなる半導体構造層と、
第２の半導体層上に形成された導電性金属酸化物からなる透明電極と、
透明電極上に形成された反射層と、を有し、
透明電極は、第２の半導体層との界面から反射層に向かって酸素含有量が増加している第１層と、第１層との界面の酸素含有量から酸素含有量が反射層に向かって第１層よりも緩やかに増加している第２層と、第２層との界面の酸素含有量から酸素含有量が反射層との界面まで減少している第３層と、からなり、
第２層は、第１層との界面から酸素含有量が一定な酸素一定層と、酸素一定層との界面から第３層との界面まで酸素含有量が増加している酸素リッチ層と、からなる。
第２の半導体層上に形成された導電性金属酸化物からなる透明電極と、
透明電極上に形成された反射層と、を有し、
透明電極は、第２の半導体層との界面から反射層に向かって酸素含有量が増加している第１層と、第１層との界面の酸素含有量から酸素含有量が反射層に向かって第１層よりも緩やかに増加している第２層と、第２層との界面の酸素含有量から酸素含有量が反射層との界面まで減少している第３層と、からなり、
第２層は、第１層との界面から酸素含有量が一定な酸素一定層と、酸素一定層との界面から第３層との界面まで酸素含有量が増加している酸素リッチ層と、からなる。
本発明による方法は、半導体層上に導電性の金属酸化物からなる透明電極を形成する方法であって、
半導体層との界面から酸素含有量が増加するように金属酸化物を堆積して第１領域を形成するステップと、
第１領域との界面の酸素含有量から酸素含有量が第１領域よりも緩やかに増加するように金属酸化物を堆積して第２領域を形成するステップと、
第２領域との界面の酸素含有量から酸素含有量を第２領域よりも急峻に増加させ、表面が粗面形状を呈するように金属酸化物を堆積して第３領域を形成するステップと、
第３領域の還元処理を行って、粗面形状を維持しつつ第３領域の表面層の酸素含有量を低減するステップと、を有することを特徴としている。
半導体層との界面から酸素含有量が増加するように金属酸化物を堆積して第１領域を形成するステップと、
第１領域との界面の酸素含有量から酸素含有量が第１領域よりも緩やかに増加するように金属酸化物を堆積して第２領域を形成するステップと、
第２領域との界面の酸素含有量から酸素含有量を第２領域よりも急峻に増加させ、表面が粗面形状を呈するように金属酸化物を堆積して第３領域を形成するステップと、
第３領域の還元処理を行って、粗面形状を維持しつつ第３領域の表面層の酸素含有量を低減するステップと、を有することを特徴としている。
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、各図において、実質的に同一又は等価な構成要素および部分には同一の参照符を付している。以下の説明では、AlxInyGazN（0≦x≦1、0≦y≦１、0≦z≦1、x+y+z=1）からなる半導体膜を含む半導体発光素子に本発明を適用した場合を例に説明するが、半導体膜は、他の材料により構成されていてもよい。
図１は、本発明の実施例１である半導体発光素子１０の断面図である。図１に示すように半導体発光素子１０は、半導体膜（半導体構造層）２０、半導体膜２０上に形成された第２の電極３０、第２の電極３０上に形成された反射層４０、反射層４０上に形成された接合層５０、接合層５０上に形成された支持基板６０、支持基板６０の裏面に形成された裏面電極７０を含んだ構造を有している。半導体膜２０は、第１導電型の第１の半導体層２１、第２導電型の第２の半導体層２２、第１の半導体層２１と第２の半導体層２２との間に設けられた発光層２３を含んでいる。半導体膜２０の第１の半導体層２１側の表面上の一部には、第１の電極８０が形成されている。なお、以下においては、第１導電型、第２導電型がそれぞれｎ型、ｐ型であり、第１の電極８０、第２の電極３０がそれぞれｎ電極、ｐ電極（透明電極）である場合について説明する。
半導体膜２０は、上記したように、ｎ型半導体層２１、ｐ型半導体層２２、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２２との間に設けられた発光層２３を含んだ構造を有している。ｎ型半導体層２１は、例えばＳｉのようなｎ型ドーパントが添加され、例えば厚さ３〜７μｍを有している。ｐ型半導体層２２は、例えばＭｇのようなｐ型ドーパントが添加され、例えば厚さ５０〜３００ｎｍを有している。発光層２３は、例えば厚さ２．２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層および厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層を３〜１０周期分繰り返して積層した多重量子井戸構造を有している。
透明電極３０は、半導体膜２０のｐ型半導体層２２上に形成されている。透明電極３０は、導電性金属酸化膜からなり、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ：Indium Zinc Oxide）などを用いることができる。透明電極３０は、例えば厚さ５〜２００ｎｍを有している。透明電極３０は、ｐ型半導体層２２との間でオーミック接合が形成されている。以下において、透明電極３０は厚さ１５０ｎｍのＩＴＯからなる場合について説明する。
反射層４０は、高反射特性を有する金属からなり、Ａｇ、Ａｇを含む合金、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ等、もしくはこれらの複合材を用いることができる。反射層４０は、例えばスパッタ法により形成される。以下において、反射層４０は、例えば厚さ１００〜１５０ｎｍのＡｇからなる場合について説明する。
接合層５０は、例えば厚さ約１００ｎｍのＴｉ、厚さ約１００ｎｍのＰｔ、厚さ約２００ｎｍのＡｕが順次積層された構造を有している。接合層５０は、例えば蒸着法により形成される。
支持基板６０は、接合層５０を介して例えば熱圧着により反射層４０に接合されている。すなわち、半導体膜２０は、接合層５０を介して支持基板６０上に載置されている。支持基板６０には、Ｓｉ、ＳｉＣを用いることができる。また、支持基板６０には、Ｇｅ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、Ｃｕなどを用いても良い。半導体膜２０と支持基板６０との接合には、例えば、厚さ１〜２μｍのＡｕ／Ｓｎ接合などの共晶接合、Ａｕ／Ａｕ接合などの金属／金属接合などを用いることができる。
裏面電極７０は、例えば厚さ約５０ｎｍのＴｉ、厚さ約１５０ｎｍのＰｔ、厚さ約２００ｎｍのＡｕが順次積層された構造を有している。裏面電極７０は、例えば蒸着法により形成される。
ｎ電極８０は、例えば厚さ約１ｎｍのＴｉ、厚さ約１μｍのＡｌが順次積層された構造を有している。また、ｎ電極８０は、ｎ型半導体層２１との間でオーミック接合が形成されている。ｎ電極８０は、例えばマスク蒸着法により形成される。
次に、図２を参照して透明電極３０の構造について説明する。図２に示すように、透明電極３０は、ｐ型半導体層２２上にＩＴＯ層（第I領域）３１、ＩＴＯ層（第II領域）３２、ＩＴＯ層（第III領域）３３が順次積層された構造を有している。ＩＴＯ層（第III領域）３３は、ＩＴＯ層（第III-A領域）３３Ａと、ＩＴＯ層（第III-A領域）３３Ａ上に形成されたＩＴＯ層（第III-B領域）３３Ｂとからなる。なお、以下においては、説明の簡便さのため、これらの各領域を、ＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III）３３、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａ、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂのように表記する。
以下において、透明電極３０の各層の層厚の一例、透明電極３０の形成方法について説明する。ＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III）３３の層厚は、例えば、それぞれ９ｎｍ、６６ｎｍ、７５ｎｍ（すなわち、透明電極３０の全体の膜厚のそれぞれ６％、４４％、５０％）である。また、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａ、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂの膜厚は、例えば、それぞれ３７．５ｎｍ、３７．５ｎｍ（すなわち、ＩＴＯ層（III）３３の膜厚のそれぞれ５０％、５０％）である。
［透明電極（ＩＴＯ層）の形成］
透明電極３０は、スパッタ法により、ＩＴＯを堆積して形成される。より詳細には、ＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III）３３を順次堆積して形成される。このとき、基板温度は１５０℃〜３００℃に加熱されている。具体的には、透明電極３０のＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III）３３は、スパッタ装置内への導入酸素流量をマスフローコントローラー（ＭＦＣ）により制御して形成される。
透明電極３０は、スパッタ法により、ＩＴＯを堆積して形成される。より詳細には、ＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III）３３を順次堆積して形成される。このとき、基板温度は１５０℃〜３００℃に加熱されている。具体的には、透明電極３０のＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III）３３は、スパッタ装置内への導入酸素流量をマスフローコントローラー（ＭＦＣ）により制御して形成される。
次に、フォトリソグラフィエッチング法により、ウェットエッチングを行い、透明電極３０を例えば１ｍｍ角の形状にした後、フォトレジストが除去される。フォトレジストを除去した後、酸素を含む雰囲気中４００℃〜８００℃で透明電極３０を加熱する。実施例１においては、透明電極３０を５００℃で１分間加熱処理する。加熱処理中の酸素ガスを制御することにより、ＩＴＯ層（III）３３の表面部分の酸素含有量（膜中酸素濃度）を制御することができる。具体的には、室温から５００℃まで２l/minの流量で酸素１００％を供給し、加熱を行う。次に、加熱終了後、４００℃以下にて導入ガスを窒素１００％に切り替え、８０l/minの流量で窒素を供給する。これによりＩＴＯ層（III）３３の表面部分（透明電極３０の表面部分）が還元され、ＩＴＯ層（III）３３の表面の酸素含有量が、例えば５％以上低減される。
［酸素含有量のプロファイル］
次に、図３を参照して透明電極３０の各ＩＴＯ層３１、３２、３３Ａ、３３Ｂの酸素含有量の深さ方向のプロファイルについて説明する。すなわち、図３において、縦軸は酸素含有量を示し、横軸は透明電極３０と反射層４０との界面ＲＩを起点としたときの透明電極３０の深さ方向、すなわち、界面ＲＩからＩＴＯ層（I）３１とｐ型半導体層２２との界面ＳＩに向かった方向を示す。
次に、図３を参照して透明電極３０の各ＩＴＯ層３１、３２、３３Ａ、３３Ｂの酸素含有量の深さ方向のプロファイルについて説明する。すなわち、図３において、縦軸は酸素含有量を示し、横軸は透明電極３０と反射層４０との界面ＲＩを起点としたときの透明電極３０の深さ方向、すなわち、界面ＲＩからＩＴＯ層（I）３１とｐ型半導体層２２との界面ＳＩに向かった方向を示す。
上記したように、透明電極３０の各ＩＴＯ層３１、３２、３３は、スパッタ装置内への導入酸素流量を制御して形成される。具体的には、ＩＴＯ層（I）３１の形成時においては、導入酸素流量を０sccm（Standard Cubic Centimeter per Minutes）とし、ＩＴＯ層（II）３２の形成時においては、０．１０４sccmとした。また、ＩＴＯ層（III）３３の形成時においては、導入酸素流量を０．３１３sccmとした。そして、上記したように、ＩＴＯ層３１、３２、３３の堆積後、加熱処理を行った。かかるＩＴＯ層の堆積及び堆積後の加熱処理によって、下記に詳細に説明するような酸素含有量の深さ方向のプロファイルが得られる。すなわち、ＩＴＯ堆積中における、ＩＴＯ層３２からＩＴＯ層３１への酸素の拡散、ＩＴＯ層３３からＩＴＯ層３２への酸素の拡散など、また、ＩＴＯ堆積後の加熱処理、表面の還元処理、さらにはＭＦＣからスパッタ装置までの配管による酸素の供給遅延などによってＩＴＯ中の酸素含有量は下記の深さ方向のプロファイルとなる。また、各層の界面において酸素含有量が連続した（接続された）プロファイルが得られる。
各ＩＴＯ層３１、３２、３３Ａ、３３Ｂの酸素含有量について以下に説明する。まず、ＩＴＯ層（I）３１においては、ｐ型半導体層２２とＩＴＯ層（I）３１との界面ＳＩにおいて酸素含有量が少ない。従って、ｐ型半導体層２２とＩＴＯ層（I）３１との間のオーミック接合が良好である。また、界面ＳＩからＩＴＯ層（I）３１とＩＴＯ層（II）３２との界面まで酸素含有量が単調に増加している。ＩＴＯ層（I）３１とＩＴＯ層（II）３２との界面の酸素含有量は、界面ＳＩの酸素含有量よりも約２〜１０％多いことが好ましい。
ＩＴＯ層（II）３２は、ＩＴＯ層（I）３１とＩＴＯ層（II）３２との界面の酸素含有量を有する酸素含有量が一定な酸素一定層である。すなわち、ＩＴＯ層（I）３１とＩＴＯ層（II）３２との界面からＩＴＯ層（II）３２とＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面まで酸素含有量が一定である。ＩＴＯ層（II）３２は、ＩＴＯ層（I）３１よりも酸素含有量が大であり、良好な透過率を有し、また、層内において一定の透過率が維持されるので、光の吸収が抑制される。
ＩＴＯ層（III-A）３３Ａは、ＩＴＯ層（II）３２とＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面からＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面まで酸素含有量が増加している酸素リッチ層である。また、ＩＴＯ層（II）３２とＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面において酸素含有量は連続的である。ＩＴＯ層（III-A）３３Ａは、酸素含有量の増大によるＩＴＯの結晶化に伴ってＩＴＯ層（I）３１及びＩＴＯ層（II）３２よりも透過率が高い層である。上記したように、ＩＴＯ層（III）３３の表面の還元により、ＩＴＯ層（III）３３の表面側には酸素含有量が低減されたＩＴＯ層（III-B）３３Ｂが形成される。すなわち、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａは、ＩＴＯ層（III）３３のうち還元されずに残った層である。従って、ＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面の酸素含有量が最大となっている。なお、ＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面の酸素含有量は、ＩＴＯ層（II）３２とＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面の酸素含有量よりも約２〜１０％多いことが好ましい。なお、本明細書において、ＩＴＯ層（III）３３の表面の還元とは、ＩＴＯ層（III）３３の形成時における表面の形態（モフォロジ）である粗面形状を維持しつつＩＴＯ層（III）３３の表面層から酸素を離脱させ、当該表面層の酸素含有量を低減させることをいう。
より詳細には、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂにおいては、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面において酸素含有量が最も多く、ＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面からＩＴＯ層（III-B）３３Ｂと反射層４０との界面ＲＩまで酸素含有量が減少している。界面ＲＩの酸素含有量は、ＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面の酸素含有量よりも約５％〜２０％少ないことが好ましい。また、界面ＲＩの酸素含有量は、ＩＴＯ層（II）３２とＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面の酸素含有量よりも少ないことが好ましい。界面ＲＩの酸素含有量は、ｐ型半導体層２２とＩＴＯ層（I）３１との界面ＳＩの酸素含有量よりも少ないことが更に好ましい。
［密着性及びコンタクト特性］
上記したように、ＩＴＯ層（III）３３の形成時の導入酸素流量は、ＩＴＯ層（I）３１及びＩＴＯ層（II）３２の形成時よりも多い。すなわち、ＩＴＯ層（III）３３は、その表面を還元する前において、ＩＴＯ層（II）３２との界面からＩＴＯ層（II）３２よりも急峻に酸素含有量（膜中酸素濃度）が増加するように形成される。従って、ＩＴＯ層（III）３３においては、ＩＴＯの結晶化に伴い、グレイン及びドメイン構造のサイズが大きくなり、表面に凹凸を有する粗面形状が形成される。そして、当該粗面形状によって、ＩＴＯ層（III）３３は、平坦形状よりも大きな表面積を有する。
上記したように、ＩＴＯ層（III）３３の形成時の導入酸素流量は、ＩＴＯ層（I）３１及びＩＴＯ層（II）３２の形成時よりも多い。すなわち、ＩＴＯ層（III）３３は、その表面を還元する前において、ＩＴＯ層（II）３２との界面からＩＴＯ層（II）３２よりも急峻に酸素含有量（膜中酸素濃度）が増加するように形成される。従って、ＩＴＯ層（III）３３においては、ＩＴＯの結晶化に伴い、グレイン及びドメイン構造のサイズが大きくなり、表面に凹凸を有する粗面形状が形成される。そして、当該粗面形状によって、ＩＴＯ層（III）３３は、平坦形状よりも大きな表面積を有する。
そして、ＩＴＯ層（III）３３の形成後、その表面を還元することによって、ＩＴＯ層（III）３３の表面部分がＩＴＯ層（III-B）３３Ｂに転化される。すなわち、ＩＴＯ層（III）３３は、表面に凹凸のある粗面形状を有しているので、ＩＴＯ層（III）３３の表面が還元されたＩＴＯ層（III-B）３３Ｂにおいても、当該粗面形状がそのまま維持される。すなわち、透明電極３０と反射層４０との間の接合面積が平坦形状よりも大きくなるため、透明電極３０と反射層４０との間の密着性が確保される。
なお、例えば、ＩＴＯ層（III）３３の形成時において、導入酸素流量が少ない場合には、ＩＴＯ層（III）３３内において結晶欠陥（酸素欠損）が多くなることによって、ＩＴＯ層（III）３３の表面の凹凸が大きくなり過ぎる。従って、ＩＴＯ層（III）３３上に形成される反射層４０の凹凸も大きくなり過ぎるので、反射層４０の反射面において光の吸収が多くなり、反射層４０の反射率が低下してしまう。しかし、上記したように、本発明によれば、ＩＴＯ層（III）３３の形成時において、導入酸素流量を増加させ、ＩＴＯ層（III）３３の表面に適度な深さ及び形状のグレイン又はドメイン構造からなる凹凸（粗面）が形成されるように調整している。すなわち、導入酸素流量の増加によってＩＴＯ層（III）３３の表面の粗面形状を調整している。従って、透明電極３０と反射層４０との間の密着性と反射層４０の光反射性（高反射特性）とを両立することができる。
また、上記したように、ｐ型半導体層２２とＩＴＯ層（I）３１との界面ＳＩにおける酸素含有量は少ないので、良好なコンタクト特性（オーミック接合）が得られる。さらに、ＩＴＯ層（II）３２は、良好な透過率を有し、光の吸収が抑制される。
なお、ＩＴＯ層（I）３１、ＩＴＯ層（II）３２、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａ及びＩＴＯ層（III-B）３３Ｂの酸素含有量は上記した深さ方向プロファイルを有するが、各ＩＴＯ層の酸素含有量（絶対値）及び層厚は、当業者であれば、各ＩＴＯ層の光透過特性、コンタクト特性などを考慮して適宜設計することができる。
すなわち、以上述べたように、ｐ型半導体層２２とのコンタクト特性が良好で、反射層４０との密着性及び反射層４０の高反射特性を両立させるとともに、全体として光透過率の高い透明電極３０を提供することができる。
本明細書においては、透明電極３０の構造において、ＩＴＯ層（I）３１を透明電極３０の第１層、ＩＴＯ層（II）３２及びＩＴＯ層（III-A）３３Ａを第２層、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂを第３層とも称する。
［素子特性の評価結果］
以下に、透明電極３０を有する半導体発光素子１０を形成し、その特性について評価を行った結果について説明する。半導体発光素子１０に波長４５０ｎｍの光を入射させた場合において、透明電極３０を介した反射層４０からの反射率は８０％以上であった。また、透明電極３０の表面（すなわち、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂの表面）の二乗平均粗さ（ＲＭＳ）は０．１〜４．０ｎｍの範囲内であった。また、透明電極３０とｐ型半導体層２２との間における接触抵抗は１ｘ１０-4Ωｃｍ2〜７ｘ１０-3Ωｃｍ2と良好なコンタクト特性が得られた。また、反射層４０との密着性も良好であった。
以下に、透明電極３０を有する半導体発光素子１０を形成し、その特性について評価を行った結果について説明する。半導体発光素子１０に波長４５０ｎｍの光を入射させた場合において、透明電極３０を介した反射層４０からの反射率は８０％以上であった。また、透明電極３０の表面（すなわち、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂの表面）の二乗平均粗さ（ＲＭＳ）は０．１〜４．０ｎｍの範囲内であった。また、透明電極３０とｐ型半導体層２２との間における接触抵抗は１ｘ１０-4Ωｃｍ2〜７ｘ１０-3Ωｃｍ2と良好なコンタクト特性が得られた。また、反射層４０との密着性も良好であった。
以上説明したように、透明電極３０は、ｐ型半導体層２２（第２の半導体層）との界面において酸素含有量が少なく、ｐ型半導体層２２との界面から反射層４０に向かって酸素含有量が増加しているＩＴＯ層（I）３１（第１層）と、ＩＴＯ層（I）３１との界面から反射層４０に向かって酸素含有量がＩＴＯ層（I）３１とほぼ同等のＩＴＯ層（II）３２と、ＩＴＯ層（II）３２との界面から反射層４０に向かって酸素含有量が緩やかに増加しているＩＴＯ層（III-A）３３Ａと、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面において酸素含有量が多く、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａとの界面から反射層４０との界面まで酸素含有量が減少しているＩＴＯ層（III-B）３３Ｂ（第３層）と、からなっている。そしてＩＴＯ層（III-B）３３ＢはＩＴＯ層３３の還元処理によって形成されている。なお、上記したように、ＩＴＯ層（II）３２は酸素含有量が一定な酸素一定層として形成されていることが好ましい。
なお、比較例として、第２層を第１層よりも急峻に酸素含有量が増加する層とした場合、上記実施例よりもシート抵抗が増加し、好ましくない結果が得られた。また、酸素一定層を設けた場合の方が設けない場合よりも低いシート抵抗及び高い反射率が得られた。ここで、酸素一定層を設けない場合では最も酸素含有量が多いＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面がｐ型半導体層２２との界面からＩＴＯ総膜厚の５０％以内に存在していることになる。このことから、最も酸素含有量が多い位置は反射層４０側からＩＴＯ総膜厚の５０％以内にあることが好ましいと分かる。さらに、異なる製法として表面を還元せずに酸素供給量を低減して第３層を形成した場合でも同様にＩＴＯ層（III-B）３３ＢはＩＴＯ層（III-A）３３Ａの表面の凹凸を引き継ぐことができる。ただし、還元した場合に比べると反射層４０との密着性が低く、反射層４０の反射率が低いことが分かった。
また、上記したように、透明電極３０の表面（すなわち、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂの表面）の二乗平均粗さ（ＲＭＳ）は０．１〜４．０ｎｍの範囲内が好適であった。この範囲において密着性が良好であるとともに、反射層４０の反射率は約８０％以上の高反射特性が得られた。なお、例えば、透明電極３０の二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が６ｎｍ以上では、反射率は約７０％以下であった。
以上説明したように、本発明による半導体発光素子１０によれば、透明電極３０とｐ型半導体層２２との間において、オーミック接合が良好に形成されるとともに、透明電極３０と反射層４０との界面ＲＩの密着性が向上するので、素子の信頼性も向上する。そして、透明電極３０を介した反射層４０からの反射率が向上するので、素子の発光効率も向上する。従って、本発明による半導体発光素子１０においては、透明電極３０のオーミック接合及び光反射特性の両立が可能となる。
なお、ＩＴＯ層（II）３２は、ＩＴＯ層（I）３１よりも透過率を高め、光の吸収を抑制するために設けられているので、ＩＴＯ層（II）３２の膜厚は、透明電極３０の他の層３１、３３Ａ、３３Ｂの膜厚よりも厚いことが好ましい。しかし、透明電極３０全体の膜厚が上記例として挙げた膜厚よりも薄い場合には、ＩＴＯ層（II）３２の膜厚は、透明電極３０の他の層３１、３３Ａ、３３Ｂの膜厚よりも薄くても良い。つまり、各層の膜厚３１、３２、３３Ａ、３３Ｂは、透明電極３０全体の膜厚に応じて、それぞれ適宜変更されても良い。
［実施例１の改変例］
上記実施例１の改変例について図４を参照して以下に説明する。実施例１においては、ＩＴＯ層（II）３２を導入酸素流量が一定の層、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａが導入酸素流量を増加させた層として形成した場合について説明したが、これに限らない。例えば、図４に示すように、ＩＴＯ層（II）３２及びＩＴＯ層（III-A）３３Ａは、ＩＴＯ層（I）３１とＩＴＯ層（II）３２との界面（ＩＴＯ層（II）３２の始端）からＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面（ＩＴＯ層（III-A）３３Ａの終端）まで酸素含有量がＩＴＯ層（I）３１よりも緩やかな傾斜で増加している１つの層（ＩＴＯ層（II）３２及びＩＴＯ層（III-A）３３Ａが１つに結合された層、すなわち第２層）として形成されていても良い。
上記実施例１の改変例について図４を参照して以下に説明する。実施例１においては、ＩＴＯ層（II）３２を導入酸素流量が一定の層、ＩＴＯ層（III-A）３３Ａが導入酸素流量を増加させた層として形成した場合について説明したが、これに限らない。例えば、図４に示すように、ＩＴＯ層（II）３２及びＩＴＯ層（III-A）３３Ａは、ＩＴＯ層（I）３１とＩＴＯ層（II）３２との界面（ＩＴＯ層（II）３２の始端）からＩＴＯ層（III-A）３３ＡとＩＴＯ層（III-B）３３Ｂとの界面（ＩＴＯ層（III-A）３３Ａの終端）まで酸素含有量がＩＴＯ層（I）３１よりも緩やかな傾斜で増加している１つの層（ＩＴＯ層（II）３２及びＩＴＯ層（III-A）３３Ａが１つに結合された層、すなわち第２層）として形成されていても良い。
以上、説明したように、ＩＴＯ層（I）３１（すなわち、透明電極３０の第１層）は、半導体層２２との界面ＳＩにおいて酸素含有量が少なく、半導体層２２との界面から反射層４０に向かって酸素含有量が増加するように形成されている。また、ＩＴＯ層（II）３２及びＩＴＯ層（III-A）３３Ａ（すなわち、透明電極３０の第２層）は、第１層との界面から反射層４０に向かって酸素含有量が第１層よりも緩やかに増加するように形成されている。また、ＩＴＯ層（III-B）３３Ｂ（すなわち、透明電極３０の第３層）は、第２層との界面から反射層４０との界面ＲＩまで酸素含有量が減少するように表面の還元によって形成されている。
図５に示すように、本発明の実施例２である半導体発光素子１１０は、半導体膜２０と、半導体膜２０上に形成された第２の電極９０と、第２の電極９０上に形成された反射層４０と、反射層４０上に形成された接合層５０と、接合層５０上に形成された支持基板６０と、支持基板６０の裏面に形成された裏面電極７０とを有している。
半導体膜２０は、第１導電型の第１の半導体層２１、第２導電型の第２の半導体層２２、第１の半導体層２１と第２の半導体層２２との間に設けられた発光層２３を含んでいる。半導体膜２０の第１の半導体層２１側の表面の一部には、第１の電極８０が形成されている。なお、以下においては、実施例１の場合と同様に、第１導電型、第２導電型がそれぞれｎ型、ｐ型であり、第１の電極８０、第２の電極９０がそれぞれｎ電極、ｐ電極（透明電極）である場合について説明する。
透明電極９０は、半導体膜２０のｐ型半導体層２２上に形成されている。透明電極９０は、導電性金属酸化膜からなり、例えばＩＴＯ、ＩＺＯなどを用いることができる。以下において、透明電極９０はＩＴＯからなる場合について説明する。
図６を参照して透明電極９０の構造について説明する。図６に示すように、透明電極９０は、ｐ型半導体層２２上にＩＴＯ層（I）９１、ＩＴＯ層（II）９２、ＩＴＯ層（III）９３が順次積層された構造を有している。ＩＴＯ層（I）９１は、ＩＴＯ層（I-A）９１Ａと、ＩＴＯ層（I-A）９１Ａ上に形成されたＩＴＯ層（I-B）９１Ｂとからなる。透明電極９０は、スパッタ法により、ＩＴＯを堆積して形成される。透明電極９０は、実施例１で示した透明電極３０と同様に、スパッタ中の導入酸素流量をＭＦＣにより制御して形成される。また、ＩＴＯ層（I）９１の表面を還元することによって、ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂが形成されても良い。
次に、図７（ａ）を参照して半導体発光素子１１０の透明電極９０の各層９１Ａ、９１Ｂ、９２、９３の酸素含有量について説明する。図７（ａ）において、縦軸は酸素含有量を示し、横軸は透明電極９０と反射層４０との界面ＲＩを起点としたときの透明電極９０の深さ方向、すなわち、界面ＲＩからＩＴＯ層（I-A）９１Ａとｐ型半導体層２２との界面ＳＩに向かった方向を示す。
透明電極９０の各ＩＴＯ層における酸素含有量のプロファイル、すなわちｐ型半導体層２２から反射層４０方向への酸素含有量のプロファイルは、実施例１で示した透明電極３０の場合に対して反転している。より詳細には、ＩＴＯ層（I-A）９１Ａにおいては、ｐ型半導体層２２とＩＴＯ層（I-A）９１Ａとの界面ＳＩにおいて酸素含有量が少なく、ｐ型半導体層２２とＩＴＯ層（I-A）９１Ａとの間のオーミック接合が良好である。また、界面ＳＩからＩＴＯ層（I-A）９１ＡとＩＴＯ層（I-B）９１Ｂとの界面まで酸素含有量が増加している。
ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂにおいては、ＩＴＯ層（I-A）９１Ａとの界面において酸素含有量が多く、ＩＴＯ層（I-A）９１ＡとＩＴＯ層（I-B）９１Ｂとの界面からＩＴＯ層（I-B）９１ＢとＩＴＯ層（II）９２との界面まで酸素含有量が減少している。
ＩＴＯ層（II）９２においては、ＩＴＯ層（I-B）９１ＢとＩＴＯ層（II）９２との界面からＩＴＯ層（II）９２とＩＴＯ層（III）９３との界面まで酸素含有量が一定である。
ＩＴＯ層（III）９３においては、ＩＴＯ層（II）９２とＩＴＯ層（III）９３との界面からＩＴＯ層（III）９３と反射層４０との界面ＲＩまで酸素含有量が減少している。
［実施例２の改変例］
図７（ｂ）に示すように、ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂ及びＩＴＯ層（II）９２は、ＩＴＯ層（I-A）９１ＡとＩＴＯ層（I-B）９１Ｂとの界面（ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂの始端）からＩＴＯ層（II）９２とＩＴＯ層（III）９３との界面（ＩＴＯ層（II）９２の終端）まで酸素含有量がＩＴＯ層（III）９３よりも緩やかに減少している１つの層（ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂ及びＩＴＯ層（II）９２が１つに結合された層）として構成されていても良い。
図７（ｂ）に示すように、ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂ及びＩＴＯ層（II）９２は、ＩＴＯ層（I-A）９１ＡとＩＴＯ層（I-B）９１Ｂとの界面（ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂの始端）からＩＴＯ層（II）９２とＩＴＯ層（III）９３との界面（ＩＴＯ層（II）９２の終端）まで酸素含有量がＩＴＯ層（III）９３よりも緩やかに減少している１つの層（ＩＴＯ層（I-B）９１Ｂ及びＩＴＯ層（II）９２が１つに結合された層）として構成されていても良い。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、半導体層との良好なコンタクト特性を有するとともに、透明電極と反射層との間の密着性を確保しつつ、反射層の反射率が高く、信頼性、光反射特性等の素子特性に優れた半導体発光素子を提供することができる。
なお、本発明の上記した実施例においては、シン・フィルム構造の素子を例として説明したが、フリップ・チップ構造の素子にも適用することができる。また、第１導電型、第２導電型はそれぞれｐ型、ｎ型であり、第１の電極８０、第２の電極３０若しくは第２の電極９０はそれぞれｐ電極、ｎ電極であっても良い。
１０ 半導体発光素子
２０ 半導体膜
２１ 第１の半導体層
２２ 第２の半導体層
２３ 発光層
３０ 第２の電極
３１ ＩＴＯ層（I）
３２ ＩＴＯ層（II）
３３ ＩＴＯ層（III）
３３Ａ ＩＴＯ層（III-A）
３３Ｂ ＩＴＯ層（III-B）
４０ 反射層
５０ 接合層
６０ 支持基板
７０ 裏面電極
２０ 半導体膜
２１ 第１の半導体層
２２ 第２の半導体層
２３ 発光層
３０ 第２の電極
３１ ＩＴＯ層（I）
３２ ＩＴＯ層（II）
３３ ＩＴＯ層（III）
３３Ａ ＩＴＯ層（III-A）
３３Ｂ ＩＴＯ層（III-B）
４０ 反射層
５０ 接合層
６０ 支持基板
７０ 裏面電極
Claims (5)
- 第１導電型の第１の半導体層、第２導電型の第２の半導体層、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層からなる半導体構造層と、
前記第２の半導体層上に形成された導電性金属酸化物からなる透明電極と、
前記透明電極上に形成された反射層と、を有し、
前記透明電極は、前記第２の半導体層との界面から前記反射層に向かって酸素含有量が増加している第１層と、前記第１層との界面の酸素含有量から酸素含有量が前記反射層に向かって前記第１層よりも緩やかに増加している第２層と、前記第２層との界面の酸素含有量から酸素含有量が前記反射層との界面まで減少している第３層と、からなり、
前記第２層は、前記第１層との界面から酸素含有量が一定な酸素一定層と、前記酸素一定層との界面から前記第３層との界面まで酸素含有量が増加している酸素リッチ層と、からなることを特徴とする半導体発光素子。 - 第１導電型の第１の半導体層、第２導電型の第２の半導体層、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層からなる半導体構造層と、
前記第２の半導体層上に形成された導電性金属酸化物からなる透明電極と、
前記透明電極上に形成された反射層と、を有し、
前記透明電極は、前記第２の半導体層との界面から前記反射層に向かって酸素含有量が増加している第１層と、前記第１層との界面の酸素含有量から酸素含有量が前記反射層に向かって前記第１層よりも緩やかに増加している第２層と、前記第２層との界面の酸素含有量から酸素含有量が前記反射層との界面まで減少している第３層と、からなり、
前記第３層と前記反射層との界面の酸素含有量は、前記第２の半導体層と前記第１層との界面の酸素含有量よりも少ないことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記透明電極内において、前記酸素リッチ層と前記第３層との界面の酸素含有量が最大であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記透明電極の表面の二乗平均粗さ（ＲＭＳ）は０．１〜４．０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 半導体層上に導電性の金属酸化物からなる透明電極を形成する方法であって、
前記半導体層との界面から酸素含有量が増加するように前記金属酸化物を堆積して第１領域を形成するステップと、
前記第１領域との界面の酸素含有量から酸素含有量が前記第１領域よりも緩やかに増加するように前記金属酸化物を堆積して第２領域を形成するステップと、
前記第２領域との界面の酸素含有量から酸素含有量を前記第２領域よりも急峻に増加させ、表面が粗面形状を呈するように前記金属酸化物を堆積して第３領域を形成するステップと、
前記第３領域の還元処理を行って、前記粗面形状を維持しつつ前記第３領域の表面層の酸素含有量を低減するステップと、
を有することを特徴とする方法。
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