JP6617401B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
窒化物半導体を用いた発光素子は、そのワイドバンドギャップ特性から、近紫外から赤色域で発光が得られるため、種々の研究が成されている。窒化物半導体発光素子の一般的な構造として、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を積層した半導体積層構造において、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に電極が設けられた構造が挙げられる。
また、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に設けられた電極をＩＴＯ等の金属酸化物からなる透光性電極とし、その透光性電極を介して光を出射するタイプの窒化物半導体発光素子もある。このＩＴＯ等からなる透光性電極は、金属に比べると、抵抗率が高く、十分な電流拡散性を得るためには透光性電極を厚く形成する必要があるが、透光性電極を厚くすると透光性電極による光の吸収が大きくなるという懸念がある。このような問題を解決するために、特許文献１には、その透光性電極の電流拡散性を補うためにｐ型窒化物半導体層と透光性電極の間にさらに金属材料からなる電流拡散層を設けて透光性電極の厚さを薄くすることが開示されている。
しかしながら、ＩＴＯ等の金属酸化物からなる透光性電極では光の吸収は少ないものの多少は存在する。そのため、半導体発光素子のさらなる高出力化が求められており、電極における光の吸収を抑制することが望まれる。
そこで、本発明は、電極における光の吸収を抑制し、さらなる高出力化を実現できる半導体発光素子を提供することを目的とする。
以上の課題を解決するために、本発明の実施形態にかかる半導体発光素子は、
第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層の間に形成された発光領域と、前記第１半導体層に接続された第１電極と、前記第２半導体層に接続された第２電極とを含む半導体発光素子であって、
前記第２電極は、
透光性を有し、前記第２半導体層と接触する接続電極と、
透光性を有し、前記接続電極と接触する半導体層からなる半導体電極と、を有する。
第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層の間に形成された発光領域と、前記第１半導体層に接続された第１電極と、前記第２半導体層に接続された第２電極とを含む半導体発光素子であって、
前記第２電極は、
透光性を有し、前記第２半導体層と接触する接続電極と、
透光性を有し、前記接続電極と接触する半導体層からなる半導体電極と、を有する。
以上のように構成された本発明の実施形態によれば、半導体層からなる半導体電極を有しているので電極における光の吸収を抑制し、さらなる高出力化を実現できる半導体発光素子を提供することができる。
本実施形態は、半導体層は金属に代表される電極に比較して抵抗率は高いものの膜厚を大きくすることでシート抵抗を金属と同等にできる点に着目して、なされたものである。
１．理論的考察
電流を拡散させる電極としての機能を、抵抗率の点から従来のＩＴＯやＡｇとｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）を比較すると、次の表１に示すようになる。
電流を拡散させる電極としての機能を、抵抗率の点から従来のＩＴＯやＡｇとｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）を比較すると、次の表１に示すようになる。
表１から明らかなように、ｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）の抵抗率は、Ａｇ等の金属と比較すると１０００倍以上大きく、ＩＴＯ等の従来使用されている透明電極に比べても１０倍以上大きい。しかしながら、電極層として用いるｎ−ＧａＮ層の膜厚を大きくすれば抵抗率を下げることができるため、Ａｇ等の金属、ＩＴＯ等の金属酸化物と同程度のシート抵抗が実現できる。例えば、透光性電極として使用するＡｇ電極は、２０Å程度の膜厚に形成して透光性を確保するとともに電流を拡散させているが、膜厚２０ÅのＡｇ電極と同等のシート抵抗は、６μｍの厚さのｎ−ＧａＮ層により実現できる（後記する表３参照）。半導体発光素子の構成要素として、数μｍ〜数十μｍの厚さの窒化物半導体層を形成することには何ら問題はないことから、ｎ−ＧａＮ層等の半導体層は十分電極として用いることが可能である。
また、半導体電極を透光性電極として利用することを意図して、光学定数の点から従来のＩＴＯやＡｇとｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）を比較すると、次の表２に示すようになる。
表２中、ｎ及びｋは、下記式（１）で表される複素屈折率Ｎにおける屈折率実数部及び屈折率虚数部である。ここで、複素屈折率Ｎは真空中での光の速度ｃと媒質中での光の速度ｖの比で定義される。
Ｎ＝ｎ−ｉｋ・・・（１）
ここで、ｉは虚数であり、言うまでもなくｉ２＝―１である。
また、屈折率実数部ｎは、通常単に屈折率と称され、屈折率虚数部ｋは光の吸収と関係する値であり、吸収係数αと次の式（２）で与えられる関係がある。
α＝４πｋ／λ・・・（２）
ここで、αとは入射光の強度を１／ｅの強度に減ずる伝播距離の逆数であり、λは光の波長である。
また、吸収係数αである膜中を距離ｄ進んだときの透過率Ｔは、次の式（３）で与えられる。
Ｔ＝ｅｘｐ（-αｄ）・・・（３）
Ｎ＝ｎ−ｉｋ・・・（１）
ここで、ｉは虚数であり、言うまでもなくｉ２＝―１である。
また、屈折率実数部ｎは、通常単に屈折率と称され、屈折率虚数部ｋは光の吸収と関係する値であり、吸収係数αと次の式（２）で与えられる関係がある。
α＝４πｋ／λ・・・（２）
ここで、αとは入射光の強度を１／ｅの強度に減ずる伝播距離の逆数であり、λは光の波長である。
また、吸収係数αである膜中を距離ｄ進んだときの透過率Ｔは、次の式（３）で与えられる。
Ｔ＝ｅｘｐ（-αｄ）・・・（３）
以上のことから明らかなように、ＩＴＯ等の従来使用されている透明電極に比べるとｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）の光の吸収率は極めて小さく、多少ｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層の膜厚を大きくしても十分小さい光吸収率の電極を実現できることが理解できる。
そこで、同じシート抵抗になるように各膜厚を設定した場合における、シート抵抗率と、光の吸収を計算すると以下の表３に示すようになる。
表３から理解できるように、例えば、膜厚が約０．２μｍ（１９３０Å）のＩＴＯ電極に用いる代わりに、ｎ−ＧａＮからなる膜厚が約６μｍ（６００００Å）のｎ型窒化ガリウム半導体層を電極として用いることにより、ＩＴＯ電極とほぼ同等のシート抵抗を有し、かつ光の吸収率の極めて小さい透光性電極を実現できることが理解できる。
以上説明したように、ｎ型の窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）等の半導体層は、その膜厚を所望の抵抗値が得られるように設定することにより、半導体電極として利用することが可能である。
また、ＩＴＯ等の従来から使用されている透明電極のみを電極として用いるのではなく半導体電極を採用することにより、従来と同等の抵抗でかつ従来より光の吸収が極めて小さい透光性電極が実現できる。
本発明は、以上説明したような理論的な考察を経てなされたものである。
以下、本発明に係る実施形態の半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。
また、ＩＴＯ等の従来から使用されている透明電極のみを電極として用いるのではなく半導体電極を採用することにより、従来と同等の抵抗でかつ従来より光の吸収が極めて小さい透光性電極が実現できる。
本発明は、以上説明したような理論的な考察を経てなされたものである。
以下、本発明に係る実施形態の半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。
実施形態１．
本発明に係る実施形態１の半導体発光素子は、ｎ型の窒化物半導体からなる半導体電極を備え、半導体電極を介して光が出射される半導体発光素子である。
具体的には、実施形態１の半導体発光素子は、図１に示すように、
例えば、サファイアからなる基板１と、
例えば、ｎ型窒化物半導体からなり、基板１上に設けられた第１導電型半導体層３と、
例えば、Ｉｎを含む窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層３の上に設けられた発光層５と、
例えば、ｐ型窒化物半導体からなり、発光層５の上に設けられた第２導電型半導体層７と、
第１導電型半導体層３に接続された第１電極（第１パッド電極）４１と第２導電型半導体層７に接続された第２電極４３と、を有する。
さらに、第２電極４３は、
例えば、ＩＴＯからなり、第２導電型半導体層７の上面のほぼ全面に設けられた接続電極１１と、
例えば、ｎ型ＧａＮからなる半導体電極２３と、
半導体電極２３の上面に一部に設けられた第２パッド電極３３と、を備える。
実施形態１での接続電極１１は、第１オーミック電極９と第２オーミック電極２９の接合体により構成されている。
本発明に係る実施形態１の半導体発光素子は、ｎ型の窒化物半導体からなる半導体電極を備え、半導体電極を介して光が出射される半導体発光素子である。
具体的には、実施形態１の半導体発光素子は、図１に示すように、
例えば、サファイアからなる基板１と、
例えば、ｎ型窒化物半導体からなり、基板１上に設けられた第１導電型半導体層３と、
例えば、Ｉｎを含む窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層３の上に設けられた発光層５と、
例えば、ｐ型窒化物半導体からなり、発光層５の上に設けられた第２導電型半導体層７と、
第１導電型半導体層３に接続された第１電極（第１パッド電極）４１と第２導電型半導体層７に接続された第２電極４３と、を有する。
さらに、第２電極４３は、
例えば、ＩＴＯからなり、第２導電型半導体層７の上面のほぼ全面に設けられた接続電極１１と、
例えば、ｎ型ＧａＮからなる半導体電極２３と、
半導体電極２３の上面に一部に設けられた第２パッド電極３３と、を備える。
実施形態１での接続電極１１は、第１オーミック電極９と第２オーミック電極２９の接合体により構成されている。
実施形態１の各構成要素に用いることができる具体的な材料を以下に例示する。
第１導電型半導体層３：ｎ−ＧａＮ、
発光層５：ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ、
第２導電型半導体層７：ｐ−ＧａＮ、
第１オーミック電極９：ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｎｉの少なくとも１つ
第２オーミック電極２９：ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌの少なくとも１つ
半導体電極２３：ｎ−ＧａＮ，ｎ−ＡｌＧａＮの少なくとも１つ
第１パッド電極４１及び第２パッド電極３３：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（ＴｉとＡｌとＴｉとＰｔとＡｕの積層体）
第１導電型半導体層３：ｎ−ＧａＮ、
発光層５：ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ、
第２導電型半導体層７：ｐ−ＧａＮ、
第１オーミック電極９：ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｎｉの少なくとも１つ
第２オーミック電極２９：ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌの少なくとも１つ
半導体電極２３：ｎ−ＧａＮ，ｎ−ＡｌＧａＮの少なくとも１つ
第１パッド電極４１及び第２パッド電極３３：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（ＴｉとＡｌとＴｉとＰｔとＡｕの積層体）
ここで、第１オーミック電極９として例示した、ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｎｉは、第２導電型半導体層７を例えば、ｐ−ＧａＮ等のｐ型窒化物半導体層により形成したときに、ｐ型窒化物半導体層と、例えばオーミック接触等により低い接触抵抗で接続することが可能である。
また、第２オーミック電極２９として例示した、ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌは、半導体電極２３を例えば、ｎ−ＧａＮ又はｎ−ＡｌＧａＮ等のｎ型窒化物半導体層により形成したときに、ｎ型窒化物半導体層と、例えばオーミック接触等により低い接触抵抗で接続することが可能である。
また、第２オーミック電極２９として例示した、ＩＴＯ，Ａｇ，Ｔｉ，Ａｌは、半導体電極２３を例えば、ｎ−ＧａＮ又はｎ−ＡｌＧａＮ等のｎ型窒化物半導体層により形成したときに、ｎ型窒化物半導体層と、例えばオーミック接触等により低い接触抵抗で接続することが可能である。
第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９の膜厚は、各オーミック電極を構成する材料により異なる。例えば、第１オーミック電極９又は第２オーミック電極としてＡｇ、Ｔｉ、Ｎｉ等の金属により構成される場合は、０．１ｎｍ以上０．８ｎｍ以下、好ましくは０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以上０．２ｎｍ以下とすることができる。また、第１オーミック電極９又は第２オーミック電極２９としてＩＴＯ等の金属酸化物を用いる場合は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。一定以上の膜厚とすることでオーミックコンタクト性を確保することができ、一定以下の膜厚とすることで第１オーミック電極９における光の吸収を抑制することができる。第１オーミック電極９と第２オーミック電極２９の膜厚は同じにすることもできるが、好ましくは第２オーミック電極２９に比較して第１オーミック電極９が厚くなるように構成する。一般的に、ｐ型窒化物半導体層は表面に凸部が多く存在するため第１オーミック電極９の表面が平坦になりにくいところ、第１オーミック電極９を厚く形成することで第１オーミック電極９の表面を平坦にできる。
以上のように構成された実施形態１の半導体発光素子において、接続電極１１は、例えば、ＩＴＯ等の金属酸化物又はＡｇ等の金属からなり、第２導電型半導体層７と半導体電極２３とを接合するとともに、第２導電型半導体層７と半導体電極２３との間の良好な導通を確保する電極である。すなわち、第２導電型半導体層７と半導体電極２３とを直接接合すると、例えば、ＰＮ接合等が形成される等、良好な導通が確保できない。そこで、本実施形態では、第２導電型半導体層７と半導体電極２３の両方に例えばオーミック接触する接続電極１１を設けて第２導電型半導体層７と半導体電極２３との間の良好な導通を確保している。さらに、実施形態１の半導体発光素子では、半導体電極２３の透光性を利用して半導体電極２３を介して光を出射するので、接続電極１１を例えば、ＩＴＯ等の透光性電極部材により構成する。
また、接続電極１１は、第２導電型半導体層７と半導体電極２３とを接合するとともに、第２導電型半導体層７と半導体電極２３との間の良好な導通を確保する電極であり、第２パッド電極３３を介して注入される電流の拡散は半導体電極２３が担う。したがって、接続電極１１は、電流拡散を担っていた従来の電極に比較すると十分薄く形成することが可能である。例えば、半導体電極２３を介して光を出射する実施形態１の半導体発光素子では、接続電極１１は、電流拡散を担っていた従来のＩＴＯ等の透光性電極に比較すると十分薄く形成することが可能であり、接続電極１１による光の吸収は極めて小さくできる。また、実施形態１の半導体発光素子において、電流拡散を担う半導体電極２３は、上述したように、効果的に電流拡散を可能にするシート抵抗となるように厚くしても光の吸収は十分小さくできる。
したがって、実施形態１の半導体発光素子において、透光性を有しかつ電流拡散を担う半導体電極２３を備えることにより、光の吸収が実質的になく抵抗率の低い電極構造が実現でき、光取り出し効率が高く、発光効率が高く、駆動電圧の低い半導体発光素子を提供することが可能になる。
したがって、実施形態１の半導体発光素子において、透光性を有しかつ電流拡散を担う半導体電極２３を備えることにより、光の吸収が実質的になく抵抗率の低い電極構造が実現でき、光取り出し効率が高く、発光効率が高く、駆動電圧の低い半導体発光素子を提供することが可能になる。
半導体電極２３の膜厚は、２μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは３μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは４μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。上述したようにある程度以上の膜厚にすることで、抵抗が低くなるため効率的に電流を流すことができる。また、上述したようにある程度以下の膜厚にすることで、半導体電極作成時の半導体電極と成長基板との熱膨張差による反りの影響を緩和できるため、工程歩留り向上が見込まれる。
次に、実施形態１の半導体発光素子の製造方法を説明する。
実施形態１の半導体発光素子の製造方法は、半導体電極形成プロセスと、半導体積層構造形成プロセスと、電極構造形成プロセスとを含む。半導体電極形成プロセスと半導体積層構造形成プロセスとは並行して行うことができ、電極構造形成プロセスは、半導体電極形成プロセス及び半導体積層構造形成プロセスの後に行われる。
実施形態１の半導体発光素子の製造方法は、半導体電極形成プロセスと、半導体積層構造形成プロセスと、電極構造形成プロセスとを含む。半導体電極形成プロセスと半導体積層構造形成プロセスとは並行して行うことができ、電極構造形成プロセスは、半導体電極形成プロセス及び半導体積層構造形成プロセスの後に行われる。
（半導体電極形成プロセス）
本製造方法では、図２Ａに示すように、まず、例えば、サファイアからなる成長基板２１の上に例えばバッファ層を介して、例えば、ｎ型ＧａＮ等の窒化物半導体からなる半導体電極２３を成長させる。
この半導体電極２３を介して光を出射する実施形態１に係る半導体発光素子では、半導体電極２３を構成する半導体材料としては、発光層を構成する半導体材料より大きなバンドギャップを有している半導体材料が選択される。なお、発光層として井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造を適用する場合は、井戸層よりもバンドギャップが大きな半導体材料が選択される。また、不純物の添加により低い抵抗値が実現できる半導体材料が選択される。例えば、窒化物半導体発光素子では、活性層としてＩｎを含む窒化物半導体を用いる場合には、不純物としてＳｉ又はＧｅ等を添加したｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮを半導体電極２３を構成する半導体材料として選択できる。ｎ型ＧａＮの場合、不純物濃度は、結晶が悪くなりすぎない程度に高くするのが好ましく、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。また、ｎ型ＡｌＧａＮの場合、不純物濃度は、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。ｎ型ＧａＮは、結晶性良く厚い膜厚に成長させることができることから、例えば、青色等の可視光を発光する窒化物半導体発光素子を構成する際に好ましい材料としてあげられる。また、ｎ型ＡｌＧａＮは、ＧａＮよりバンドギャップが広く、Ａｌの比率を高くすることにより、紫外線の吸収率を小さくできるので、紫外光を発光する窒化物半導体発光素子を構成する際に好ましい材料としてあげられる。ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌの混晶比は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）としたときに、０．０２≦ｘ≦０．１、好ましくは０．０２≦ｘ≦０．０６とすることができる。
本製造方法では、図２Ａに示すように、まず、例えば、サファイアからなる成長基板２１の上に例えばバッファ層を介して、例えば、ｎ型ＧａＮ等の窒化物半導体からなる半導体電極２３を成長させる。
この半導体電極２３を介して光を出射する実施形態１に係る半導体発光素子では、半導体電極２３を構成する半導体材料としては、発光層を構成する半導体材料より大きなバンドギャップを有している半導体材料が選択される。なお、発光層として井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造を適用する場合は、井戸層よりもバンドギャップが大きな半導体材料が選択される。また、不純物の添加により低い抵抗値が実現できる半導体材料が選択される。例えば、窒化物半導体発光素子では、活性層としてＩｎを含む窒化物半導体を用いる場合には、不純物としてＳｉ又はＧｅ等を添加したｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮを半導体電極２３を構成する半導体材料として選択できる。ｎ型ＧａＮの場合、不純物濃度は、結晶が悪くなりすぎない程度に高くするのが好ましく、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。また、ｎ型ＡｌＧａＮの場合、不純物濃度は、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。ｎ型ＧａＮは、結晶性良く厚い膜厚に成長させることができることから、例えば、青色等の可視光を発光する窒化物半導体発光素子を構成する際に好ましい材料としてあげられる。また、ｎ型ＡｌＧａＮは、ＧａＮよりバンドギャップが広く、Ａｌの比率を高くすることにより、紫外線の吸収率を小さくできるので、紫外光を発光する窒化物半導体発光素子を構成する際に好ましい材料としてあげられる。ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌの混晶比は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）としたときに、０．０２≦ｘ≦０．１、好ましくは０．０２≦ｘ≦０．０６とすることができる。
次に、図２Ｂに示すように、半導体電極２３の上面に、例えば、熱硬化性樹脂等の接着樹脂からなる接着層２５を形成して、例えば、サファイア等からなる支持基板２７を接合する。
次に、レーザリフトオフ法等を用いて、図２Ｃに示すように、成長基板２１を除去する。具体的には、成長基板２１を透過し、半導体電極２３を構成する半導体材料により吸収される波長のレーザ光を選択して、そのレーザ光を成長基板２１側から照射して成長基板２１と半導体電極２３の界面近傍の温度を上昇させ接着層がアブレーション（分解）されることで成長基板２１を除去する。
次に、レーザリフトオフ法等を用いて、図２Ｃに示すように、成長基板２１を除去する。具体的には、成長基板２１を透過し、半導体電極２３を構成する半導体材料により吸収される波長のレーザ光を選択して、そのレーザ光を成長基板２１側から照射して成長基板２１と半導体電極２３の界面近傍の温度を上昇させ接着層がアブレーション（分解）されることで成長基板２１を除去する。
成長基板２１を除去した後、半導体電極２３の表面を化学機械研磨法等により研磨して半導体電極２３の表面を平滑にし、図２Ｃに示すように、成長基板２１を除去して露出させた半導体電極２３の表面に、例えば、ＩＴＯ等の金属酸化物又はＡｇ等の金属からなる第２オーミック電極２９を形成する。
（半導体積層構造形成プロセス）
半導体積層構造形成プロセスでは、まず、例えば、サファイア等からなる基板１を準備する。
次に、図２Ｄに示すように、半導体層を成長させる基板１の表面を加工して凸部を形成する。なお、基板１の表面を加工する工程は必須の工程ではない。
この表面加工は、基板の結晶形態及び凸部が形成される基板表面の面方位、マスク形状及び寸法、エッチング条件とを目的形状に応じて設定することにより形成することができる。
半導体積層構造形成プロセスでは、まず、例えば、サファイア等からなる基板１を準備する。
次に、図２Ｄに示すように、半導体層を成長させる基板１の表面を加工して凸部を形成する。なお、基板１の表面を加工する工程は必須の工程ではない。
この表面加工は、基板の結晶形態及び凸部が形成される基板表面の面方位、マスク形状及び寸法、エッチング条件とを目的形状に応じて設定することにより形成することができる。
例えば、サファイア基板のＣ面からなる表面に円形のマスクを形成して、エッチングをすると、初期段階ではマスクが形成されていない部分がエッチングにより除去されてマスク形状がほぼそのまま反映された円形の凸部が形成されるが、エッチングが進むにつれて結晶形態に起因するエッチング速度の方向依存性（方向によるエッチングが進む速度が異なること）の影響を受けることになり、結晶形態が反映された形状になっていく。凸部を形成することで、結晶性に優れた半導体層の成長が可能で、かつ光取り出し効率に優れた半導体層を構成することが可能になる。
次に、図２Ｄに示すように、基板１の加工した表面に、例えばｎ型窒化物半導体からなる第１導電型半導体層３と、例えばＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層５と、例えばｐ型窒化物半導体からなる第２導電型半導体層７とを成長させて、半導体積層構造を作製する。
さらに、図２Ｄに示すように、例えば、ＩＴＯからなる第１オーミック電極９を第２導電型半導体層７の上面の全面に形成する。
さらに、図２Ｄに示すように、例えば、ＩＴＯからなる第１オーミック電極９を第２導電型半導体層７の上面の全面に形成する。
なお、ＩＴＯからなる第１オーミック電極９を形成後に、第１オーミック電極９の表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等の公知の方法で平坦化してもよい。すなわち、半導体層を成長させる際に、ｐ型窒化物半導体層の表面に凹凸ができることがあり、このとき、第１オーミック電極９の表面も凹凸に形成されてしまい、第２オーミック電極２９との接合が困難になる可能性がある。このような場合、第１オーミック電極９の表面を平坦化することで第２オーミック電極２９との接合が容易になる。
（電極構造形成プロセス）
ここでは、半導体積層構造の第２導電型半導体層７の上面の全面に形成された第１オーミック電極９（図２Ｅ参照）と、支持基板２７に支持された半導体電極２３の表面に形成された第２オーミック電極２９（図２Ｃ参照）とを、常温接合により接合する（図２Ｆ参照）。本実施形態では、常温接合として表面活性化接合方法を用いる。表面活性化接合方法とは、接合界面をイオンビームやプラズマなどをあてて接合界面を活性化させた後に、各部材を直接接合する方法である。表面活性化接合方法によれば、材料同士を純粋に接合することができる。本実施形態において、第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９の接合体である接続電極１１は、ＩＴＯから構成されることとなる。
ここでは、半導体積層構造の第２導電型半導体層７の上面の全面に形成された第１オーミック電極９（図２Ｅ参照）と、支持基板２７に支持された半導体電極２３の表面に形成された第２オーミック電極２９（図２Ｃ参照）とを、常温接合により接合する（図２Ｆ参照）。本実施形態では、常温接合として表面活性化接合方法を用いる。表面活性化接合方法とは、接合界面をイオンビームやプラズマなどをあてて接合界面を活性化させた後に、各部材を直接接合する方法である。表面活性化接合方法によれば、材料同士を純粋に接合することができる。本実施形態において、第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９の接合体である接続電極１１は、ＩＴＯから構成されることとなる。
なお、本実施形態では、常温接合として表面活性化接合方法を用いているが、原子拡散接合方法により接合することも可能である。また、熱圧着等により接合することもできる。
原子拡散接合方法は、金属膜から成る薄膜同士を重ね合わせることにより、接合界面及び結晶粒界において原子拡散が生じて両者間で強固な接合させる方法である。また、原子拡散接合方法は、例えば金属同士の接合のように同一材質間の接合のみならず、金属と半導体、金属酸化物と半導体または金属と金属酸化物間の異種材質間での接合を行うことも可能である。
さらに、原子拡散接合方法により接合する際には、第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９は、例えば、２０ｎｍ以下の厚さであってもよい。したがって、接続電極１１の厚さを極めて薄くでき、接続電極１１による光の吸収を抑制することができる。
原子拡散接合方法により接合する場合、第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９の間にさらに原子拡散層を形成するようしてもよい。原子拡散層を設けると、均一性の高い接合を容易に実現できる。第１オーミック電極９と第２オーミック電極２９との原子拡散層は、金属からなり、例えばＡｕ又はＴｉ等で構成される。このとき、原子拡散層は、光の吸収がない程度に薄い膜厚とする。原子拡散層に用いる材料により異なるが、例えばＡｕを用いる場合は、０．１μｍ〜０．４μｍで形成する。
さらに、原子拡散接合方法により接合する際には、第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９は、例えば、２０ｎｍ以下の厚さであってもよい。したがって、接続電極１１の厚さを極めて薄くでき、接続電極１１による光の吸収を抑制することができる。
原子拡散接合方法により接合する場合、第１オーミック電極９及び第２オーミック電極２９の間にさらに原子拡散層を形成するようしてもよい。原子拡散層を設けると、均一性の高い接合を容易に実現できる。第１オーミック電極９と第２オーミック電極２９との原子拡散層は、金属からなり、例えばＡｕ又はＴｉ等で構成される。このとき、原子拡散層は、光の吸収がない程度に薄い膜厚とする。原子拡散層に用いる材料により異なるが、例えばＡｕを用いる場合は、０．１μｍ〜０．４μｍで形成する。
また、実施形態１においては、成長基板２１に成長させた半導体電極２３を支持基板２７に接合したものを電極構造形成プロセスに用いている。半導体電極は、製造過程において半導体電極と成長基板との熱膨張差により半導体電極側へ凸となる反りが発生することがある。支持基板２７に接合することで、反りを軽減することができるため、半導体電極に設けられた第２オーミック電極２９と半導体積層構造の第２導電型半導体層７の上面の全面に形成された第１オーミック電極９と接合しやすくなる。なお、支持基板２７に接合する工程は必須の工程ではなく、成長基板２１に成長させた半導体電極２３を電極構造形成プロセスに用いることもできることは言うまでもない。この場合は、半導体電極２３を形成した後に、半導体電極２３の表面の研磨することとなる。こうすることで、支持基板２７に貼り合わせる工程がなくなるため、生産性を向上させることができる。
次に、図２Ｇに示すように、接着層２５及び支持基板２７を除去する。具体的には、支持基板２７を透過し、半導体電極２３を構成する半導体材料により吸収される波長のレーザ光を選択して、そのレーザ光を支持基板２７側から照射して支持基板２７と接着層２５の界面近傍の温度を上昇させ接着層２５がアブレーション（分解）されることで支持基板２７を除去する。その後酸素によるアッシング、硫酸などの薬液などを用いて接着層２５を除去する。特に、硫酸などの薬液によれば、半導体電極２３にダメージを与えることがない。
接着層２５及び支持基板２７を除去した後、第１導電型半導体層３の一部（電極形成表面）を露出するために、電極形成表面の上にある、半導体電極２３、第２導電型半導体層７及び発光層５の一部を除去する。
次に、第１導電型半導体層３の電極形成表面に第１電極４１を形成し、半導体電極２３の表面の一部に第２パッド電極３３を形成する。例えば、第１電極４１と第２パッド電極３３は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの同一構成の積層体により形成することができ、一括して同時に作製してもよい。
次に、第１導電型半導体層３の電極形成表面に第１電極４１を形成し、半導体電極２３の表面の一部に第２パッド電極３３を形成する。例えば、第１電極４１と第２パッド電極３３は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの同一構成の積層体により形成することができ、一括して同時に作製してもよい。
以上のようにして、図１に示す実施形態１の半導体発光素子が作製される。
以上の実施形態１の半導体発光素子は、半導体電極２３を介して光を出射するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体電極の上に誘電体多層膜などからなる光反射層を設けてサファイア等の透光性を有する基板１側から光を出射するように構成してもよい。基板１側から光を出射する場合においても、電極側へと向かう光を反射させて取り出す際に電極での吸収があるため、吸収を抑制することで発光効率を向上させることができる。
また、実施形態１の半導体発光素子では、第２導電型窒化物半導体層の上に形成された第１オーミック電極９と、半導体電極２３上に形成された第２オーミック電極２９とを接合するようにした。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第２導電型窒化物半導体層と半導体電極２３のいずれか一方に接続電極を形成して、その接続電極と第２導電型窒化物半導体層と半導体電極２３の他方と直接接合するようにしてもよい（図３参照）。
また、第２導電型窒化物半導体層に接続電極を形成後、スパッタ法（例えば、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタ法）を用いて接続電極に直接半導体電極２３を形成してもよい。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第２導電型窒化物半導体層と半導体電極２３のいずれか一方に接続電極を形成して、その接続電極と第２導電型窒化物半導体層と半導体電極２３の他方と直接接合するようにしてもよい（図３参照）。
また、第２導電型窒化物半導体層に接続電極を形成後、スパッタ法（例えば、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタ法）を用いて接続電極に直接半導体電極２３を形成してもよい。
１ 基板
３ 第１導電型半導体層
５ 発光層
７ 第２導電型半導体層
４３ 第２電極
９，１１，２９ 接続電極
２１ 成長基板
２３ 半導体電極
４１ 第１電極（第１パッド電極）
３３ 第２パッド電極
３ 第１導電型半導体層
５ 発光層
７ 第２導電型半導体層
４３ 第２電極
９，１１，２９ 接続電極
２１ 成長基板
２３ 半導体電極
４１ 第１電極（第１パッド電極）
３３ 第２パッド電極
Claims (5)
- 第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層の間に形成された発光領域と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
成長基板の上に透光性の半導体電極を成長させる工程と、透光性を有し、前記半導体電極とオーミック接触する第２オーミック電極を形成する工程と、を含む半導体電極形成プロセスと、
基板上に、前記第１導電型の前記第１半導体層と、前記発光領域と、前記第２導電型の前記第２半導体層と、をこの順に形成する工程と、透光性を有し、前記第２半導体層とオーミック接触する第１オーミック電極を形成する工程と、を含む半導体積層構造形成プロセスと、
前記第１オーミック電極と前記第２オーミック電極とを常温接合により接合する工程を含む電極構造形成プロセスと、を含み、
前記半導体電極形成プロセスは、前記第２オーミック電極を形成する工程に先立って、成長させた前記半導体電極の上に支持基板を接合する工程と、次いで前記成長基板を除去する工程とを含む、半導体発光素子の製造方法。 - 前記常温接合は、表面活性化接合方法または原子拡散接合方法である請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１オーミック電極及び前記第２オーミック電極は、それぞれ同じ材料からなる請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１オーミック電極は、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＩＴＯからなる群から選択された１つを含み、
前記第２オーミック電極は、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｌ及びＩＴＯからなる群から選択された１つを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記半導体電極は、ｎ型不純物を含むＧａＮからなる請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
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