JP7344937B2 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
半導体発光素子は、基板上に積層されるｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を有する。ｐ型半導体層上にはｐ側コンタクト電極が設けられ、ｐ側コンタクト電極上には誘電体層が設けられる。深紫外光を出力する発光素子において、発光波長に対して高反射率を有するロジウム（Ｒｈ）がｐ側コンタクト電極に用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。
Ｒｈは、誘電体材料との接着性が低いため、誘電体層の剥離によって素子信頼性が低下する可能性がある。また、ｐ側コンタクト電極上の誘電体層を除去して接続開口を形成する際に、接続開口にて露出するｐ側コンタクト電極に当該誘電体層の除去に伴うダメージが生じ、ｐ側コンタクト電極の反射特性が低下する可能性がある。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子の信頼性を向上させる技術を提供することを目的とする。
本発明のある態様の半導体発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に設けられ、ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層と、活性層上に設けられるｐ型半導体層と、ｐ型半導体層の上面と接触するＲｈ層を含むｐ側コンタクト電極と、ｐ側コンタクト電極の上面および側面と接触し、順に積層されるＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｒｈ層およびＴｉＮ層を含むｐ側電流拡散層と、を備えてもよい。ｐ側コンタクト電極に含まれるＲｈ層のＡｒ濃度は、ｐ側電流拡散層に含まれるＲｈ層のＡｒ濃度よりも小さい。
本発明によれば、半導体発光素子の信頼性を向上できる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
本実施の形態に係る半導体発光素子は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成され、いわゆるＤＵＶ－ＬＥＤ（Deep UltraViolet-Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料が用いられる。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ～３２０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。
本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、少なくとも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１－ｘ－ｙＡｌｘＧａｙＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）の組成で表すことができ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを含む。本明細書の「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、ＡｌＮおよびＧａＮのそれぞれのモル分率が１％以上であり、好ましくは５％以上、１０％以上または２０％以上である。
また、ＡｌＮを含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、ＧａＮやＩｎＧａＮが含まれる。同様に、ＧａＮを含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、ＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれる。
図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、基板２０と、ベース層２２と、ｎ型半導体層２４と、活性層２６と、ｐ型半導体層２８と、ｐ側コンタクト電極３０と、ｎ側コンタクト電極３２と、ｐ側電流拡散層３４と、ｎ側電流拡散層３６と、保護層３８と、ｐ側パッド電極４０と、ｎ側パッド電極４２とを備える。
図１において、矢印Ａで示される方向を「上下方向」または「厚み方向」ということがある。また、基板２０から見て、基板２０から離れる方向を上側、基板２０に向かう方向を下側ということがある。
基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａとは反対側の第２主面２０ｂとを有する。第１主面２０ａは、ベース層２２からｐ型半導体層２８までの各層を成長させるための結晶成長面である。基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する材料から構成され、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）から構成される。第１主面２０ａには、深さおよびピッチがサブミクロン（１μｍ以下）である微細な凹凸パターンが形成される。このような基板２０は、パターン化サファイア基板（ＰＳＳ；Patterned Sapphire Substrate）とも呼ばれる。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取り出し面である。基板２０は、ＡｌＮから構成されてもよいし、ＡｌＧａＮから構成されてもよい。基板２０は、第１主面２０ａがパターン化されていない平坦面によって構成される通常の基板であってもよい。
ベース層２２は、基板２０の第１主面２０ａの上に設けられる。ベース層２２は、ｎ型半導体層２４を形成するための下地層（テンプレート層）である。ベース層２２は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ－ＡｌＮ；High Temperature-AlN）層である。ベース層２２は、ＡｌＮ層上に形成されるアンドープのＡｌＧａＮ層を含んでもよい。基板２０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、ベース層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層のみから構成されてもよい。つまり、ベース層２２は、アンドープのＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方を含む。
ｎ型半導体層２４は、ベース層２２の上面２２ａに設けられる。ｎ型半導体層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料から構成され、例えば、ｎ型の不純物としてＳｉがドープされる。ｎ型半導体層２４は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が２５％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように構成される。ｎ型半導体層２４は、活性層２６が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように構成される。ｎ型半導体層２４は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように構成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように構成されることがより望ましい。ｎ型半導体層２４は、１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有する。
ｎ型半導体層２４は、不純物であるＳｉの濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下となるように構成される。ｎ型半導体層２４は、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上３×１０１９／ｃｍ３以下となるように構成されることが好ましく、７×１０１８／ｃｍ３以上２×１０１９／ｃｍ３以下となるように構成されることがより好ましい。ある実施例において、ｎ型半導体層２４のＳｉ濃度は、１×１０１９／ｃｍ３前後であり、具体的には８×１０１８／ｃｍ３以上１．５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲である。
ｎ型半導体層２４は、第１上面２４ａと、第２上面２４ｂとを有する。第１上面２４ａは、活性層２６が形成される部分であり、第２上面２４ｂは、活性層２６が形成されない部分である。
活性層２６は、ｎ型半導体層２４の第１上面２４ａに設けられる。活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成され、ｎ型半導体層２４とｐ型半導体層２８の間に挟まれてダブルへテロ構造を形成する。活性層２６は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、波長３２０ｎｍ以下の深紫外光を出力できるようにＡｌＮ組成比が選択される。
活性層２６は、例えば、単層または多層の量子井戸構造を有し、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される障壁層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される井戸層とを含む。活性層２６は、例えば、ｎ型半導体層２４と直接接触する第１障壁層と、第１障壁層上に設けられる第１井戸層とを含む。第１井戸層とｐ型半導体層２８の間に、障壁層および井戸層の一以上のペアが追加的に設けられてもよい。障壁層および井戸層のそれぞれは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有し、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する。
活性層２６とｐ型半導体層２８の間には、電子ブロック層がさらに設けられてもよい。電子ブロック層は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料から構成され、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように構成される。電子ブロック層は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように構成されてもよく、ＧａＮを含有しないＡｌＮ系半導体材料から構成されてもよい。電子ブロック層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有し、例えば、２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有する。
ｐ型半導体層２８は、活性層２６の上に形成される。ｐ型半導体層２８は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層またはｐ型のＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層またはＧａＮ層である。ｐ型半導体層２８は、例えば、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有する。
ｐ型半導体層２８は、複数層によって構成されてもよい。ｐ型半導体層２８は、例えば、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層を有してもよい。ｐ型クラッド層は、ｐ型コンタクト層と比較してＡｌＮ比率の高いｐ型ＡｌＧａＮ層であり、活性層２６と直接接触するように設けられる。ｐ型コンタクト層は、ｐ型クラッド層と比較してＡｌＮ比率の低いｐ型ＡｌＧａＮ層またはｐ型ＧａＮ層である。ｐ型コンタクト層は、ｐ型クラッド層の上に設けられ、ｐ側コンタクト電極３０と直接接触するように設けられる。ｐ型クラッド層は、ｐ型第１クラッド層と、ｐ側第２クラッド層とを有してもよい。
ｐ型第１クラッド層は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択される。ｐ型第１クラッド層は、例えば、ＡｌＮのモル分率が２５％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように構成される。ｐ型第１クラッド層のＡｌＮ比率は、例えば、ｎ型半導体層２４のＡｌＮ比率と同程度、または、ｎ型半導体層２４のＡｌＮ比率よりも大きい。ｐ型クラッド層のＡｌＮ比率は、７０％以上または８０％以上であってもよい。ｐ型第１クラッド層は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有し、例えば、１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下の厚さを有する。
ｐ型第２クラッド層は、ｐ型第１クラッド層上に設けられる。ｐ型第２クラッド層は、ＡｌＮ比率が中程度のｐ型ＡｌＧａＮ層であり、ｐ型第１クラッド層よりもＡｌＮ比率が低く、ｐ型コンタクト層よりもＡｌＮ比率が高い。ｐ型第２クラッド層は、例えば、ＡｌＮのモル分率が２５％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように形成される。ｐ型第２クラッド層のＡｌＮ比率は、例えば、ｎ型半導体層２４のＡｌＮ比率の±１０％程度となるように形成される。ｐ型第２クラッド層は、５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の厚さを有し、例えば、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さを有する。なお、ｐ型第２クラッド層が設けられなくてもよく、ｐ型クラッド層がｐ型第１クラッド層のみで構成されてもよい。
ｐ型コンタクト層は、相対的に低ＡｌＮ比率のｐ型ＡｌＧａＮ層またはｐ型ＧａＮ層である。ｐ型コンタクト層は、ｐ側コンタクト電極３０と良好なオーミック接触を得るためにＡｌＮ比率が２０％以下となるよう構成され、好ましくは、ＡｌＮ比率が１０％以下、５％以下または０％となるように形成される。つまり、ｐ型コンタクト層は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ系半導体材料で形成されうる。その結果、ｐ型コンタクト層は、活性層２６が発する深紫外光を吸収しうる。ｐ型コンタクト層は、活性層２６が発する深紫外光の吸収量を小さくするために薄く形成されることが好ましい。ｐ型コンタクト層は、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さを有し、例えば、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有する。
ｐ側コンタクト電極３０は、ｐ型半導体層２８の上面２８ａに設けられる。ｐ側コンタクト電極３０は、ｐ型半導体層２８（例えば、ｐ型コンタクト層）とオーミック接触可能であり、活性層２６が発する深紫外光に対する反射率が高い材料で構成される。ｐ側コンタクト電極３０は、ｐ型半導体層２８の上面２８ａと直接接触するＲｈ層を含む。ｐ側コンタクト電極３０は、例えばＲｈ層のみからなる。ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の厚さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば７０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３以上であり、例えば１２．２ｇ／ｃｍ３以上１２．５ｇ／ｃｍ３以下である。ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度を大きくすることにより、反射電極としての機能を高めることができる。Ｒｈ層の膜密度を１２ｇ／ｃｍ３以上とすることにより、波長２８０ｎｍの紫外光に対して６５％以上の反射率が得られる。一例として、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層は、１２．４２ｇ／ｃｍ３の膜密度を有し、波長２８０ｎｍの紫外光に対して６６．８％の反射率を有する。また、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層のＡｒ濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満である。ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層のＡｒ濃度を低くすることにより、Ｒｈ層の膜質を向上させ、反射電極としての機能を高めることができる。
ｎ側コンタクト電極３２は、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂに設けられる。ｎ側コンタクト電極３２は、順に積層される第１Ｔｉ層、Ａｌ層、第２Ｔｉ層およびＴｉＮ層を含む。ｎ側コンタクト電極３２の構成の詳細は、図３を参照しながら別途後述する。
ｐ側電流拡散層３４は、ｐ側コンタクト電極３０の上面３０ａおよび側面３０ｂと直接接触し、ｐ側コンタクト電極３０の全体を被覆するように設けられる。ｐ側電流拡散層３４は、順に積層されるＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｒｈ層およびＴｉＮ層を含む。ｐ側電流拡散層３４の構成の詳細は、図２を参照しながら別途後述する。
ｎ側電流拡散層３６は、ｎ側コンタクト電極３２の上面３２ａおよび側面３２ｂを被覆するように設けられる。ｎ側電流拡散層３６は、ｐ側電流拡散層３４と同様の構成を有し、順に積層されるＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｒｈ層およびＴｉＮ層を含む。ｎ側電流拡散層３６の構成の詳細は、図３を参照しながら別途後述する。
保護層３８は、ｐ側電流拡散層３４の上に設けられるｐ側パッド開口３８ｐと、ｎ側電流拡散層３６の上に設けられるｎ側パッド開口３８ｎとを有し、ｐ側パッド開口３８ｐと異なる箇所においてｐ側電流拡散層３４を被覆し、ｎ側パッド開口３８ｎとは異なる箇所においてｎ側電流拡散層３６を被覆する。保護層３８は、素子上部の全体を被覆するように設けられ、ベース層２２の上面２２ａと、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂおよび側面２４ｃと、活性層２６の側面２６ｂと、ｐ型半導体層２８の上面２８ａおよび側面２８ｂと、ｐ側電流拡散層３４と、ｎ側電流拡散層３６とを被覆するように設けられる。
保護層３８は、第１誘電体層４４と、第２誘電体層４６と、第３誘電体層４８とを含む。第１誘電体層４４、第２誘電体層４６および第３誘電体層４８のそれぞれは、活性層２６が発する深紫外光を実質的に吸収しない材料から構成され、活性層２６が発する深紫外光の波長に対する透過率が８０％以上となる材料から構成される。このような材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などの酸化物材料が挙げられる。
第１誘電体層４４は、ベース層２２、ｎ型半導体層２４、活性層２６、ｐ型半導体層２８、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６に直接接触する。第１誘電体層４４は、第１酸化物材料から構成され、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＨｆＯ２から構成される。第１誘電体層４４は、好ましくはＳｉＯ２から構成される。第１誘電体層４４の厚さは、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、例えば６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
第２誘電体層４６は、第１誘電体層４４の上に設けられ、第１誘電体層４４の全体を被覆するように設けられる。第２誘電体層４６は、第１誘電体層４４とは異なる第２酸化物材料から構成され、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＨｆＯ２から構成される。第２誘電体層４６は、好ましくはＡｌ２Ｏ３から構成される。第２誘電体層４６の材料を第１誘電体層４４の材料と異ならせることで、第１誘電体層４４に発生しうるピンホールを塞ぐことができ、封止性を高めることができる。第２誘電体層４６の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、例えば２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
第３誘電体層４８は、第２誘電体層４６の上に設けられ、第２誘電体層４６の全体を被覆するように設けられる。第３誘電体層４８は、第２酸化物材料とは異なる第３酸化物材料から構成され、好ましくはＳｉＯ２から構成される。第３誘電体層４８の材料を第２誘電体層４６の材料と異ならせることで、第２誘電体層４６に発生しうるピンホールを塞ぐことができ、封止性を高めることができる。第３誘電体層４８の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、例えば２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
ｐ側パッド電極４０は、ｐ側電流拡散層３４の上に設けられ、ｐ側パッド開口３８ｐにおいてｐ側電流拡散層３４と接続する。ｐ側パッド電極４０は、ｐ側パッド開口３８ｐを塞ぐように設けられ、ｐ側パッド開口３８ｐの外側において保護層３８の上に重なる。ｐ側パッド電極４０は、ｐ側電流拡散層３４を介してｐ側コンタクト電極３０と電気的に接続される。
ｎ側パッド電極４２は、ｎ側電流拡散層３６の上に設けられ、ｎ側パッド開口３８ｎにおいてｎ側電流拡散層３６と接続する。ｎ側パッド電極４２は、ｎ側パッド開口３８ｎを塞ぐように設けられ、ｎ側パッド開口３８ｎの外側において保護層３８の上に重なる。ｎ側パッド電極４２は、ｎ側電流拡散層３６を介してｎ側コンタクト電極３２と電気的に接続される。
ｐ側パッド電極４０およびｎ側パッド電極４２は、半導体発光素子１０をパッケージ基板などに実装する際に接合される部分である。ｐ側パッド電極４０およびｎ側パッド電極４２は、例えば、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／ＡｕまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を含む。ｐ側パッド電極４０およびｎ側パッド電極４２のそれぞれの厚さは、１００ｎｍ以上であり、例えば２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
図２は、ｐ側コンタクト電極３０およびｐ側電流拡散層３４の構成を概略的に示す。ｐ側コンタクト電極３０は、Ｒｈ層からなる。ｐ側電流拡散層３４は、第１ＴｉＮ層５０と、多層金属膜５２と、第２ＴｉＮ層５４とを含む。ｐ側電流拡散層３４は、Ｔｉ層５６と、Ａｕ層５８とをさらに含んでもよい。
ｐ側電流拡散層３４の第１ＴｉＮ層５０は、ｐ側コンタクト電極３０のＲｈ層と直接接触する。ｐ側電流拡散層３４の多層金属膜５２は、第１ＴｉＮ層５０上に設けられる。ｐ側電流拡散層３４の第２ＴｉＮ５４層は、多層金属膜５２上に設けられる。第１ＴｉＮ層５０および第２ＴｉＮ層５４は、導電性を有するＴｉＮから構成される。第１ＴｉＮ層５０および第２ＴｉＮ層５４のそれぞれの厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
ｐ側電流拡散層３４の多層金属膜５２は、Ｔｉ層５２ａおよびＲｈ層５２ｂを含む。多層金属膜５２は、交互に積層される複数のＴｉ層５２ａおよび複数のＲｈ層５２ｂを有してもよい。Ｔｉ層５２ａおよびＲｈ層５２ｂのそれぞれの厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂの膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３以上であり、例えば１２．２ｇ／ｃｍ３以上１２．５ｇ／ｃｍ３未満である。ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度は、Ｒｈ層５２ｂの膜密度より大きくてもよい。一例として、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂは、１２．３７ｇ／ｃｍ３の膜密度を有し、波長２８０ｎｍの紫外光に対して６６．０％の反射率を有する。ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂのＡｒ濃度は、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層のＡｒ濃度よりも大きい。Ｒｈ層５２ｂのＡｒ濃度は、例えば１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
ｐ側電流拡散層３４のＴｉ層５６は、第２ＴｉＮ層５４の上に設けられる。Ｔｉ層５６の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、例えば、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。ｐ側電流拡散層３４のＡｕ層５８は、Ｔｉ層５６の上に設けられる。Ａｕ層５８の厚さは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、例えば、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
図３は、ｎ側コンタクト電極３２およびｎ側電流拡散層３６の構成を概略的に示す。ｎ側コンタクト電極３２は、第１Ｔｉ層６０と、Ａｌ層６２と、第２Ｔｉ層６４と、ＴｉＮ層６６とを含む。ｎ側電流拡散層３６は、第１ＴｉＮ層６８と、多層金属膜７０と、第２ＴｉＮ層７２とを含む。ｎ側電流拡散層３６は、Ｔｉ層７４と、Ａｕ層７６とをさらに含んでもよい。
ｎ側コンタクト電極３２の第１Ｔｉ層６０は、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂと直接接触する。第１Ｔｉ層６０の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以下または２ｎｍ以下である。ｎ側コンタクト電極３２のＡｌ層６２は、第１Ｔｉ層６０上に設けられ、第１Ｔｉ層６０と直接接触する。Ａｌ層６２の厚さは、２００ｎｍ以上であり、例えば３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。ｎ側コンタクト電極３２の第２Ｔｉ層６４は、Ａｌ層６２上に設けられ、Ａｌ層６２と直接接触する。第２Ｔｉ層６４の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、例えば、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。ｎ側コンタクト電極３２のＴｉＮ層６６は、第２Ｔｉ層６４上に設けられ、第２Ｔｉ層６４と直接接触する。ＴｉＮ層６６は、導電性を有するＴｉＮから構成される。ＴｉＮ層６６の厚さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
ｎ側電流拡散層３６の第１ＴｉＮ層６８は、ｎ側コンタクト電極３２の上面３２ａおよび側面３２ｂと直接接触する。ｎ側電流拡散層３６の多層金属膜７０は、第１ＴｉＮ層６８上に設けられる。ｎ側電流拡散層３６の第２ＴｉＮ層７２は、多層金属膜７０上に設けられる。第１ＴｉＮ層６８および第２ＴｉＮ層７２は、導電性を有するＴｉＮから構成される。第１ＴｉＮ層６８および第２ＴｉＮ層７２のそれぞれの厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
ｎ側電流拡散層３６の多層金属膜７０は、ｐ側電流拡散層３４の多層金属膜５２と同様、Ｔｉ層７０ａとＲｈ層７０ｂから構成される。多層金属膜７０は、交互に積層される複数のＴｉ層７０ａおよび複数のＲｈ層７０ｂを有してもよい。多層金属膜７０に含まれるＴｉ層７０ａおよびＲｈ層７０ｂのそれぞれの厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。ｎ側電流拡散層３６に含まれるＲｈ層７０ｂの膜密度およびＡｒ濃度は、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂの膜密度およびＡｒ濃度とそれぞれ同等である。Ｒｈ層７０ｂの膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３以上であり、例えば１２．２ｇ／ｃｍ３以上１２．５ｇ／ｃｍ３未満である。Ｒｈ層７０ｂのＡｒ濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３未満である。
ｎ側電流拡散層３６のＴｉ層７４は、第２ＴｉＮ７２層上に設けられる。Ｔｉ層７４の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、例えば、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。ｎ側電流拡散層３６のＡｕ層７６は、Ｔｉ層７４の上に設けられる。Ａｕ層７６の厚さは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、例えば、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
つづいて、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図４～図９は、半導体発光素子１０の製造工程を概略的に示す図である。まず、図４において、基板２０の第１主面２０ａの上にベース層２２、ｎ型半導体層２４、活性層２６、ｐ型半導体層２８を順に形成する。
基板２０は、例えばパターン化サファイア基板である。ベース層２２は、例えばＨＴ－ＡｌＮ層と、アンドープのＡｌＧａＮ層とを含む。ｎ型半導体層２４、活性層２６およびｐ型半導体層２８は、ＡｌＧａＮ系半導体材料、ＡｌＮ系半導体材料またはＧａＮ系半導体材料から構成される半導体層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。
つづいて、図４に示すように、例えば公知のリソグラフィ技術を用いて、ｐ型半導体層２８の上面２８ａにマスク８０を形成する。マスク８０を形成した状態において、マスク８０と重ならない領域にあるｐ型半導体層２８および活性層２６をドライエッチングなどにより除去し、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂを露出させる。このエッチング工程により、ｐ型半導体層２８の側面２８ｂ、活性層２６の側面２６ｂおよびｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂが形成される。その後、マスク８０が除去される。
次に、図５に示すように、例えば公知のリソグラフィ技術を用いて、ｐ型半導体層２８の上面２８ａにｐ側コンタクト電極３０を形成する。ｐ側コンタクト電極３０は、ｐ型半導体層２８の上面２８ａと直接接触するＲｈ層を含む。ｐ側コンタクト電極３０のＲｈ層は、蒸着法により１００℃以下の温度で形成される。蒸着法によりＲｈ層を形成することにより、スパッタリング法を用いる場合に比べて、ｐ型半導体層２８の上面２８ａに対するダメージを抑制でき、ｐ側コンタクト電極３０のコンタクト抵抗を向上できる。
ｐ側コンタクト電極３０の形成後、ｐ側コンタクト電極３０をアニールする。ｐ側コンタクト電極３０は、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法を用いて、５００℃以上６５０℃以下の温度にてアニールされる。ｐ側コンタクト電極３０のアニール処理により、ｐ側コンタクト電極３０のコンタクト抵抗が低下するとともに、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度が１２．０ｇ／ｃｍ３以上に増加する。蒸着法により１００℃以下の温度で形成されるＲｈ層の膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３未満であり、例えば１１．６ｇ／ｃｍ３以上１１．９ｇ／ｃｍ３以下である。また、蒸着法により１００℃以下の温度で形成されるＲｈ層の波長２８０ｎｍに対する反射率は６５％未満であり、例えば、６０％～６１％程度である。一方、アニール処理後におけるｐ側コンタクト電極３０のＲｈ層の膜密度は、例えば１２．２ｇ／ｃｍ３以上１２．５ｇ／ｃｍ３以下となる。アニール処理後におけるｐ側コンタクト電極３０のＲｈ層の波長２８０ｎｍに対する反射率は、６５％以上であり、例えば６６．８％である。
次に、図６に示すように、例えば公知のリソグラフィ技術を用いて、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂにｎ側コンタクト電極３２を形成する。ｎ側コンタクト電極３２は、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂと接触し、順に積層される第１Ｔｉ層６０、Ａｌ層６２、第２Ｔｉ層６４およびＴｉＮ層６６（図３参照）を含む。ｎ側コンタクト電極３２を構成する第１Ｔｉ層６０、Ａｌ層６２、第２Ｔｉ層６４およびＴｉＮ層６６は、スパッタリング法により形成される。
ｎ側コンタクト電極３２の形成後、ｎ側コンタクト電極３２をアニールする。ｎ側コンタクト電極３２は、例えば、ＲＴＡ法を用いて、５００℃以上６５０℃以下の温度にてアニールされる。ｎ側コンタクト電極３２のアニール処理により、ｎ側コンタクト電極３２のコンタクト抵抗が低下する。
次に、図７に示すように、例えば公知のリソグラフィ技術を用いて、ｐ側コンタクト電極３０の上面３０ａおよび側面３０ｂを被覆するようにｐ側電流拡散層３４を形成し、ｎ側コンタクト電極３２の上面３２ａおよび側面３２ｂを被覆するようにｎ側電流拡散層３６を形成する。ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６は、Ａｒガスを用いるスパッタリング法を用いて１００℃以下の温度で同時に形成できる。なお、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６を別々に形成してもよい。図２および図３に示されるように、まず、第１ＴｉＮ層５０，６８を形成し、第１ＴｉＮ層５０，６８上にＴｉ層５２ａ，７０ａとＲｈ層５２ｂ、７０ｂを含む多層金属膜５２，７０を形成し、多層金属膜５２，７０上に第２ＴｉＮ層５４，７２を形成する。第２ＴｉＮ層５４，７２上にさらにＴｉ層５６，７４およびＡｕ層５８，７６を形成してもよい。スパッタリング法により１００℃以下の温度で形成されるＲｈ層の膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３未満であり、例えば１１．６ｇ／ｃｍ３以上１１．９ｇ／ｃｍ３以下である。スパッタリング法により１００℃以下の温度で形成されるＲｈ層の波長２８０ｎｍに対する反射率は６５％未満であり、例えば、６０％～６１％程度である。
次に、図８に示すように、例えば公知のリソグラフィ技術を用いて、ｎ型半導体層２４、活性層２６、ｐ型半導体層２８、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６の上にマスク８２を形成する。マスク８２を形成した状態において、マスク８２と重ならない領域にあるｎ型半導体層２４をドライエッチングなどにより除去し、ベース層２２の上面２２ａを露出させる。このエッチング工程により、ｎ型半導体層２４の側面２４ｃが形成される。その後、マスク８２が除去される。
次に、図９に示すように、素子構造の上面全体を被覆するように保護層３８を形成する。まず、第１酸化物材料から構成される第１誘電体層４４が形成される。第１誘電体層４４は、ＳｉＯ２から構成されることができ、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ；Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）を用いて形成できる。第１誘電体層４４は、ベース層２２の上面２２ｂと、ｎ型半導体層２４の第２上面２４ｂおよび側面２４ｃと、活性層２６の側面２６ｃと、ｐ型半導体層２８の上面２８ａおよび側面２８ｃと、ｐ側電流拡散層３４と、ｎ側電流拡散層３６とを被覆するように設けられる。
つづいて、第１誘電体層４４の上に第２酸化物材料から構成される第２誘電体層４６を形成する。第２誘電体層４６は、第１誘電体層４４の上面全体を被覆するように形成される。第２誘電体層４６は、Ａｌ２Ｏ３から構成されることができ、原子層堆積（ＡＬＤ；Atomic Layer Deposition）法を用いて形成できる。ＡＬＤ法を用いることで、緻密で膜密度の高い誘電体膜を形成できる。その後、第２誘電体層４６の上にＳｉＯ２から構成される第３誘電体層４８を形成する。第３誘電体層４８は、第２誘電体層４６の上面全体を被覆するように形成される。第３誘電体層４８は、ＡＬＤ法を用いて形成できる。
保護層３８を形成する工程では、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６が２００℃以上４００℃以下の温度にて加熱される。ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６に含まれるＲｈ層５２ｂ，７０ｂの膜密度は、２００℃以上４００℃以下の温度にて加熱されることにより、１２．０ｇ／ｃｍ３以上に増加する。スパッタリング法により１００℃以下の温度で形成されるＲｈ層の膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３未満であり、例えば１１．６ｇ／ｃｍ３以上１１．９ｇ／ｃｍ３以下である。また、スパッタリング法により１００℃以下の温度で形成されるＲｈ層５２ｂ，７０ｂの波長２８０ｎｍの紫外光に対する反射率は、６５％未満であり、例えば、６０％～６１％程度である。一方、２００℃以上４００℃以下の温度にて加熱した後のＲｈ層５２ｂ，７０ｂは、例えば１２．２ｇ／ｃｍ３以上１２．５ｇ／ｃｍ３未満の膜密度を有し、波長２８０ｎｍの紫外光に対して６５％以上（例えば６６％）の反射率を有する。
なお、スパッタリング法により１００℃以下の温度で形成したＲｈ層を５００℃以上６５０℃以下の温度でアニールすると、アニール処理後のＲｈ層の膜密度は１２．０ｇ／ｃｍ３未満となる。したがって、ｐ側コンタクト電極３０およびｎ側コンタクト電極３２のアニール処理は、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６の形成前に行うことが好ましい。
次に、図１に示すように、例えば公知のリソグラフィ技術を用いて、保護層３８をドライエッチングなどにより部分的に除去し、ｐ側パッド開口３８ｐおよびｎ側パッド開口３８ｎを形成する。ｐ側パッド開口３８ｐおよびｎ側パッド開口３８ｎは、保護層３８を構成する第１誘電体層４４、第２誘電体層４６および第３誘電体層４８を貫通するように形成され、ｐ側パッド開口３８ｐにおいてｐ側電流拡散層３４が露出し、ｎ側パッド開口３８ｎにおいてｎ側電流拡散層３６が露出する。つづいて、ｐ側パッド開口３８ｐを塞ぐように、ｐ側パッド開口３８ｐにおいてｐ側電流拡散層３４と接続するｐ側パッド電極４０を形成し、ｎ側パッド開口３８ｎを塞ぐように、ｎ側パッド開口３８ｎにおいてｎ側電流拡散層３６と接続するｎ側パッド電極４２を形成する。ｐ側パッド電極４０およびｎ側パッド電極４２は、同時に形成できるが、別々に形成されてもよい。
以上の工程により、図１に示す半導体発光素子１０ができあがる。
本実施の形態によれば、Ｒｈ層を含むｐ側コンタクト電極３０の上面３０ａおよび側面３０ｂをｐ側電流拡散層３４によって被覆し、ｐ側電流拡散層３４と接触する保護層３８を形成することにより、ｐ側コンタクト電極３０に対する保護層３８の接着性を向上できる。
本実施の形態によれば、保護層３８にｐ側パッド開口３８ｐを形成する際、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層をエッチングストップ層として用いることができる。これにより、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層へのダメージを防ぎ、ｐ側コンタクト電極３０の反射特性の低下を防止できる。
本実施の形態によれば、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度は、１２ｇ／ｃｍ３以上であるため、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層を緻密にして紫外光に対する反射率を高めることができる。また、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂの膜密度も１２ｇ／ｃｍ３以上であるため、ｐ側電流拡散層に含まれるＲｈ層を緻密にしてｐ側電流拡散層による封止性を高めることができる。
本実施の形態によれば、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度を、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂの膜密度よりも大きくし、例えば、１２．４ｇ／ｃｍ３以上とすることにより、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層をより緻密にして紫外光に対する反射率をより高めることができる。
本実施の形態によれば、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層のＡｒ濃度は、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂのＡｒ濃度よりも小さく、１×１０１８／ｃｍ３未満であるため、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜質を向上できる。これにより、ｐ側コンタクト電極３０を高効率の反射電極として機能させることができる。
本実施の形態によれば、ｐ側電流拡散層３４がＲｈ層５２ｂを含むことにより、ｐ側コンタクト電極３０の封止性を高めることができる。同様に、ｎ側電流拡散層３６がＲｈ層７０ｂを含むことにより、ｎ側コンタクト電極３２の封止性を高めることができる。また、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６に含まれるＲｈ層５２ｂ，７０ｂの膜密度は、１２．０ｇ／ｃｍ３以上であるため、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６に含まれるＲｈ層５２ｂ，７０ｂを緻密にして封止性をより高めることができる。
本実施の形態によれば、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層を蒸着法により形成することにより、スパッタリング法に比べて、Ｒｈ層の形成時におけるｐ型半導体層２８の上面２８ａのダメージを抑制し、ｐ側コンタクト電極３０のコンタクト抵抗をより低くできる。一方、ｐ側電流拡散層３４に含まれるＲｈ層５２ｂをスパッタリング法により形成することにより、蒸着法に比べて、ｐ側コンタクト電極３０に対する接着性を高めることができ、ｐ側電流拡散層３４の剥離を抑制できる。
本実施の形態によれば、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層を蒸着法により形成することにより、スパッタリング法にて用いられるＡｒガスの混入を防ぐことができ、スパッタリング法に比べて、Ｒｈ層の膜質を向上できる。
本実施の形態によれば、ｐ側コンタクト電極３０を５００℃以上６５０℃以下の温度にてアニールすることにより、アニール処理前に比べて、ｐ側コンタクト電極３０のコンタクト抵抗を低下させるとともに、ｐ側コンタクト電極３０に含まれるＲｈ層の膜密度を向上できる。
本実施の形態によれば、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６を２００℃以上４００℃以下の温度にて加熱することにより、加熱処理前に比べて、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６に含まれるＲｈ層５２ｂ、７０ｂの膜密度を高めることができる。これにより、ｐ側電流拡散層３４およびｎ側電流拡散層３６の封止性を向上できる。
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上述の実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
以下、本発明のいくつかの態様について説明する。
本発明の第１の態様は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられ、ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層と、前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層の上面と接触するＲｈ層を含むｐ側コンタクト電極と、前記ｐ側コンタクト電極の上面および側面と接触し、順に積層されるＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｒｈ層およびＴｉＮ層を含むｐ側電流拡散層と、を備え、前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度よりも小さい半導体発光素子である。第１の態様によれば、Ｒｈ層を含むｐ側コンタクト電極の上面および側面を、Ｒｈ層を含むｐ側電流拡散層によって被覆することにより、ｐ側コンタクト電極の封止性を高めることができる。また、Ａｒ濃度を小さくすることにより、ｐ側コンタクト電極の膜質を向上させることができ、ｐ側コンタクト電極を高効率の反射電極として機能させることができる。
本発明の第２の態様は、前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、１×１０１８／ｃｍ３未満であり、前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上である、第１の態様に記載の半導体発光素子である。第２の態様によれば、ｐ側コンタクト電極の膜質を向上させることができ、ｐ側コンタクト電極を高効率の反射電極として機能させることができる。
１０…半導体発光素子、２４…ｎ型半導体層、２６…活性層、２８…ｐ型半導体層、２８ａ…上面、２８ｂ…側面、３０…ｐ側コンタクト電極、３０ａ…上面、３０ｂ…側面、３２…ｎ側コンタクト電極、３４…ｐ側電流拡散層、３６…ｎ側電流拡散層、３８…保護層、４０…ｐ側パッド電極、４２…ｎ側パッド電極。
Claims (4)
- ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に設けられ、ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層と、
前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の上面と接触するＲｈ層を含むｐ側コンタクト電極と、
前記ｐ側コンタクト電極の上面および側面と接触し、順に積層される第１ＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｒｈ層および第２ＴｉＮ層を含むｐ側電流拡散層と、を備え、
前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層は、蒸着法によって形成され、
前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層は、スパッタリング法によって形成され、
前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度よりも小さく、
前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、１×１０ １８ ／ｃｍ ３ 未満であり、
前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、１×１０ １８ ／ｃｍ ３ 以上である半導体発光素子。 - 前記ｐ側電流拡散層は、前記第１ＴｉＮ層と前記第２ＴｉＮ層の間において交互に積層される複数のＴｉ層および複数のＲｈ層を含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記ｐ側電流拡散層上に設けられるｐ側パッド開口を有し、前記ｎ型半導体層、前記活性層、前記ｐ型半導体層および前記ｐ側電流拡散層を被覆する誘電体保護層と、
前記ｐ側パッド開口において前記ｐ側電流拡散層と接続するｐ側パッド電極と、をさらに備え、
前記誘電体保護層は、第１誘電体層と、前記第１誘電体層とは異なる材料から構成され、前記第１誘電体層を被覆する第２誘電体層と、前記第２誘電体層とは異なる材料から構成され、前記第２誘電体層を被覆する第３誘電体層とを含む、請求項１または２に記載の半導体発光素子。 - ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型半導体層上に、ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層を形成する工程と、
前記活性層上にｐ型半導体層を形成する工程と、
前記ｐ型半導体層の上面と接触するＲｈ層を含むｐ側コンタクト電極を蒸着法により形成する工程と、
前記ｐ側コンタクト電極の上面および側面と接触し、順に積層されるＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｒｈ層およびＴｉＮ層を含むｐ側電流拡散層をスパッタリング法により形成する工程と、を備え、
前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度よりも小さく、
前記ｐ側コンタクト電極に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、１×１０ １８ ／ｃｍ ３ 未満であり、
前記ｐ側電流拡散層に含まれる前記Ｒｈ層のＡｒ濃度は、１×１０ １８ ／ｃｍ ３ 以上である、半導体発光素子の製造方法。
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