JPWO2014054224A1 - 構造体及びその製造方法、並びに構造体を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

構造体及びその製造方法、並びに構造体を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

Ｍ面を主面とする窒化ガリウム系半導体（４１）と、主面の上に配置された金属層（４２）とを含む構造体において、該主面はｎ型の導電型を有し、窒化ガリウム系半導体（４１）と金属層（４２）との界面（４３）には、酸素が含まれる。金属層（４２）は、該金属層（４２）の下面から上面にまで達する結晶粒を含む。

Description

本発明は、非極性面又は半極性面である表面を有する窒化ガリウム系半導体層とその表面の上に配置された金属層とを含む構造体に関する。
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。なかでも、III族元素としてＧａを含む窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体）の研究は盛んに行われており、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子及び緑色ＬＥＤ素子、並びにＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザ素子も実用化されている。
ＧａＮ系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有している。図１は、ＧａＮの単位格子を模式的に示している。ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｚ＜１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体の結晶では、図１に示すＧａの一部がＡｌ及びＩｎのうちの少なくとも一方に置換され得る。
図２は、ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ１、ａ２、ａ３及びｃを示している。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。さらに、Ｇａ等のIII族元素で終端されている面は、「＋ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれ、窒素等のＶ族元素で終端されている面は、「−ｃ面」又は「（０００−１）面」と呼ばれて区別される。
ＧａＮ系半導体を用いて半導体素子を作製する場合、一般に、ＧａＮ系半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板、すなわち（０００１）面を成長面とする基板が用いられる。しかしながら、ｃ面においてはＧａ原子と窒素原子とが同一の原子面上に存在しないため、分極（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が生じる。このため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれる。分極の結果、窒化ガリウム系半導体発光素子の活性層を構成するＩｎＧａＮからなる量子井戸層には、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。このようなピエゾ電界が活性層に発生すると、活性層内における電子及びホールの分布に位置ずれが生じ、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果によって、活性層の内部量子効率が低下するという問題がある。半導体レーザ素子であれば、しきい値電流の増大が引き起こされ、ＬＥＤであれば、消費電力の増大及び発光効率の低下が引き起こされる。また、注入キャリア密度が上昇すると共に、ピエゾ電界のスクリーニングが起こり、発光波長の変化も生じる。
そこで、これらの課題を解決するため、非極性面、例えば［１０−１０］方向に垂直な、ｍ面と呼ばれる（１０−１０）面を成長面とする基板（ｍ面ＧａＮ系基板）を用いることが検討されている。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」符号は、その指数の「バー（反転）」を意味し、図中の「バー」と対応する。ｍ面は、図２に示されるように、ｃ軸に平行な面であり、且つｃ面と直交している。ｍ面においては、Ｇａ原子と窒素原子とは、同一の原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向には自発分極が発生しない。その結果、ｍ面に垂直な方向に半導体積層構造を形成すれば、活性層にピエゾ電界も発生しないため、上記の課題を解決することができる。なお、ｍ面は、（１０−１０）面、（−１０１０）面、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面及び（０−１１０）面の総称である。
ａ面は、図３（ｃ）に示すように、ｃ軸（基本ベクトルｃ）に平行な面であり、図３（ａ）に示すｃ面と直交している。なお、ａ面は、（１１−２０）面、（−１−１２０）面、（１−２１０）面、（−１２−１０）面、（−２１１０）面及び（２−１−１０）面の総称である。
ｒ面を図３（ｄ）に示す。＋ｒ面は、（１０−１２）面、（−１０１２）面、（１−１０２）面、（−１１０２）面、（０１−１２）面及び（０−１１２）面の総称である。
また、−ｒ面は、（１０−１−２）面、（−１０１−２）面、（１−１０−２）面、（−１１０−２）面、（０１−１−２）面及び（０−１１−２）面の総称である。
特許文献１には、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、アルミニウム（Ａｌ）又はスズ（Ｓｎ）で構成される反射電極の凝集を防止するために、酸化防止電極／凝集防止電極／反射電極／コンタクト電極／ｐ型ＧａＮという構造を用いる技術が開示されている。
非特許文献１には、Ａｇ電極の反射率を向上してコンタクト抵抗を低減するために、ＧａＮ層とＡｇ層との界面にニッケル（Ｎｉ）層を入れて、Ａｇの結晶化を促進する技術が開示されている。
特許文献２には、電極の高反射率と低接触抵抗とを両立させるために、Ａｇを主成分として、パラジウム（Ｐｄ）及び銅（Ｃｕ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されたＡｇ合金層を含む半導体発光素子用電極が開示されている。
特許文献３は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に設けられた発光層と、を有する積層構造体と、ｎ型半導体層に接続され、銀及び銀合金の少なくともいずれかを含む第１の電極と、ｐ型半導体層に接続された第２の電極と、を備えた半導体発光ダイオードを開示している。
特許文献４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、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する積層構造体と、第２半導体層の発光層とは反対側に設けられた電極と、を有する半導体発光ダイオードの製造方法を開示している。特許文献４によれば、第２半導体層の発光層とは反対側の面の上に銀又は銀合金を含む第１金属層を形成し、第１金属層の上に、白金、パラジウム、ロジウムの少なくともいずれかの元素を含む第２金属層を形成し、第２半導体層、第１金属層及び第２金属層を、酸素を含有する雰囲気においてシンター処理し、シンター処理の温度は、シンター処理を実施した後の第１金属層に含まれる銀の平均粒径が、シンター処理を施す前の銀の平均粒径の３倍以下である温度である。
特許文献５は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１表面の酸素プラズマアッシャー処理を行ない、次にＴｉ層、Ａｌ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を順次形成した電極を形成することを開示している。
特開２００５−１９７６８７号公報 特開２０１０−５６４２３号公報 特開２０１０−０６２２７４号公報 特開２０１２−０８０１４２号公報 特開平１０−２００１６１号公報
Jun Ho Son, Yang Hee Song, Hak Ki Yu, and Jong-Lam Lee,「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」，２００９年８月１４日（Ｖｏｌ．９５，Ｐ．０６２１０８）
しかしながら、上述した従来技術では、さらなる外部量子効率の向上が求められていた。
本願の限定的でない例示的なある実施形態は、金属層による反射率とコンタクト抵抗とを改善すると共に、これにより、外部量子効率を向上させることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本開示の一態様は、Ｍ面を主面とする窒化ガリウム系半導体層と、主面の上に配置された銀層とを含む構造体であって、主面は、ｎ型の導電型を有し、窒化ガリウム系半導体層と銀層との界面には、酸素が含まれ、銀層は、該銀層の下面から上面にまで達する結晶粒を含む。
本開示の実施形態によれば、金属層による反射率とコンタクト抵抗とを改善すると共に、外部量子効率を向上させることができる。
図１はＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図である。 図２はウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ１、ａ２、ａ３及びｃを示す斜視図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図である。 図４は第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体を示す断面図である。 図５（ａ）は第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。図５（ｂ）は第２の実施形態の第１変形例に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。図５（ｃ）は第２の実施形態の第２変形例に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。 図６（ａ）は第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。図６（ｂ）は第３の実施形態の第１変形例に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。図６（ｃ）は第３の実施形態の第２変形例に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。 図７（ａ）は第１実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理前におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像である。図７（ｂ）は第１実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理後におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像である。 図８（ａ）は第１実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。図８（ｂ）は第１実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。 図９（ａ）は第１実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体であって、熱処理前におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像である。図９（ｂ）は第１実施例に係る構造体であって、熱処理後におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像である。 図１０（ａ）は第１実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体であって、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。図１０（ｂ）は第１実施例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。 図１１は第１実施例の比較例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体における電流−電圧特性を示すグラフである。 図１２は第１実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体における電流−電圧特性を示すグラフである。 図１３は第２実施例の比較例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体における電流−電圧特性を示すグラフである。 図１４は第２実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体における電流−電圧特性を示すグラフである。 図１５は第２実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面反射率の測定結果を示すグラフである。 図１６は第２実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面反射率の測定結果を示すグラフである。 図１７（ａ）は第２実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。図１７（ｂ）は第２実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。 図１８（ａ）は第２実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体であって、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。図１８（ｂ）は第２実施例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面の光学顕微鏡像である。 図１９は第２実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。 図２０は第２実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面ＴＥＭ像である。 図２１は第２実施例の比較例に係る構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。 図２２は第２実施例に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体であって、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面ＴＥＭ像である。 図２３は図１９に示される断面ＴＥＭ像を模式的に示す断面図である。 図２４は図２０に示される断面ＴＥＭ像を模式的に示す断面図である。 図２５は他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図２６は他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図２７はさらに他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。
特許文献１に記載された発明では、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｌ又はＳｎを反射電極として用いており、さらに、コンタクト電極は、Ｌａ系合金、Ｎｉ系合金、Ｚｎ系合金、Ｃｕ系合金、熱電酸化物、ドーピングされたＩｎ酸化物、ＩＴＯ及びＺｎＯからなる群より選択する必要がある。このため、プロセスが煩雑となり得る。
非特許文献１に記載された発明では、ＧａＮ層とＡｇ層との間に異種金属であるＮｉ層を挿入する必要がある。
特許文献２に記載された発明では、Ｐｄ及びＣｕ、又はＧｅといった異種元素をＡｇに添加する必要があり、この場合もプロセスが煩雑となり得る。
本開示の実施形態では、上述した従来の技術を上回る、外部量子効率が向上した窒化ガリウム系半導体発光素子を実現することができる。
半導体発光素子から光を高効率に取り出すには、発光素子の内部及び外部で吸収される光を可能な限り少なくする必要がある。このため、反射率が高い金属であるＡｌ若しくはＡｇ又はそれらを含む合金を半導体層の上に成膜することが考えられる。このような金属層は、発光素子に通電させるための電極として用いることができる。但し、半導体と金属との組み合わせによってはオーミック接合が実現せず、電力変換効率が低下してしまう場合がある。また、熱又はその他の外乱に対する耐性が小さく、半導体層と金属層との界面反射率が低いことから、光取り出し効率が低下してしまう場合がある。
本開示の実施形態によれば、半導体の表面を改質することによって、半導体層と金属層との親和性が増し、半導体層と金属層との界面が急峻、言い換えれば平坦となって、反射率が向上すると共に長期の信頼性も向上する。さらには、従来技術ではオーミック接合が実現しなかった半導体と金属との組み合わせにおいても、オーミック接合が実現する。
例えば、一実施形態に係る構造体は、Ｍ面を主面とする窒化ガリウム系半導体層と、主面の上に配置された銀層とを含む構造体であって、主面は、ｎ型の導電型を有し、窒化ガリウム系半導体層と銀層との界面には、酸素が含まれ、銀層は、該銀層の下面から上面にまで達する結晶粒を含む。
一実施形態において、窒化ガリウム系半導体層と銀層との界面における反射光には、波長が４５０ｎｍから５００ｎｍの領域において、表面プラズモン共鳴吸収が観測されなくてもよい。
一実施形態において、銀層の厚さは、２００ｎｍ以上であってもよい。
また、一実施形態において、銀層の厚さは、１２００ｎｍ以下であってもよい。
一実施形態において、結晶粒の最大長さは、２００ｎｍ以上であってもよい。
また、一実施形態において、結晶粒の最大長さは、１２００ｎｍ以下であってもよい。
一実施形態において、窒化ガリウム系半導体層と銀層との界面における酸素濃度は、銀層の内部における酸素濃度に対して、３０倍以上且つ２００倍以下であってもよい。
一実施形態において、窒化ガリウム系半導体層と銀層との界面における酸素濃度は、３×１０２０ｃｍ−３以上且つ２×１０２１ｃｍ−３以下であり、銀層の内部における酸素濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であってもよい。
一実施形態において、窒化ガリウム系半導体層と銀層との界面における、銀層の界面の面内方向の算術平均粗さＲａは、基準の長さが３．５μｍの算術平均粗さＲａが、０．２７ｎｍ以上且つ２．６５ｎｍ以下であってもよい。
他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、一実施形態に係る構造体と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層と、窒化ガリウム系半導体層とｐ型窒化ガリウム系半導体層とに挟まれた発光層とを備えた窒化ガリウム系半導体発光素子であって、窒化ガリウム系半導体層はｎ型窒化ガリウム系半導体層であり、銀層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層に対する電極である。
さらに他の実施形態に係る構造体の製造方法は、窒化ガリウム系半導体層の表面を、活性酸素を含む雰囲気に暴露する工程と、窒化ガリウム系半導体層の表面に、銀層を形成する工程とを備えている。
他の実施形態において、銀層を形成する工程よりも後に、構造体に対して熱処理を施す工程をさらに備えていてもよい。
他の実施形態において、活性酸素を含む雰囲気に暴露する工程は、窒化ガリウム系半導体層の表面を、酸素原子又は酸素分子を含む気体若しくは液体に暴露した状態で、表面に紫外線を照射する工程を含んでいてもよい。
また、他の実施形態において、活性酸素を含む雰囲気に暴露する工程は、窒化ガリウム系半導体層の表面を、酸素プラズマを含む雰囲気に暴露する工程を含んでいてもよい。
さらに他の実施形態は、構造体の製造方法を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、窒化ガリウム系半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層であり、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の上に、発光層とｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含む半導体積層体を作製する工程を備えている。
以下、第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体層と金属層とを含む構造体について、図４を参照しながら説明する。
まず、図４に示すように、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１を用意する。以下、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１を、単に半導体４１と呼ぶこともある。半導体４１は、ｃ面を除く結晶面を成長面とする半導体層、又は半導体積層構造の一部である。本実施形態においては、半導体４１のｃ面を除く結晶面である最表面に対して酸化反応を用いた改質（表面改質）を行い、これによって最表面の濡れ性を制御する。具体的には、例えば、半導体４１の最表面を酸素プラズマ雰囲気に暴露することにより、最表面の親水性を高める。本発明者が評価した結果、通常、窒化ガリウム系半導体は親水性であるが、これを「超親水性」へと近付けるように、その濡れ性を制御することにより、本実施形態の効果を高めることができる。
ｃ面を除く結晶面とは、例えば、ＧａＮ系半導体のｃ軸から１８°以上且つ９０°以下だけ傾いた結晶面をいう。ＧａＮ系半導体のｃ軸から１８°以上且つ９０°以下だけ傾いた結晶面に対して、本実施形態を適用すると、より「超親水性」に近づけることができる。これは、ＧａＮ系半導体の表面の原子構造に起因していると考えられる。ｓｐ３混成軌道において、結合手がなす角度は１０８°である。従って、この１０８°の角度から９０°を引いた１８°以上の角度でｃ軸から傾いたＧａＮ系半導体の結晶面には、２つ以上の結合手が存在することになる。従って、この結晶面は、ｃ面とは異なる原子構造であるといえる。ｍ面ＧａＮ系半導体の表面及びａ面ＧａＮ系半導体の表面は、いずれもＧａＮ系半導体のｃ軸から９０°だけ傾いており、この範囲にある。また、−ｒ面ＧａＮ系半導体の表面及び＋ｒ面ＧａＮ系半導体の表面は、いずれもＧａＮ系半導体のｃ軸から約４３°だけ傾いており、この範囲にある。
本実施形態に係る「ｍ面」は、傾きがないｍ面に対して完全に平行な面だけでなく、傾きがないｍ面からいずれかの方向に±５°以内の角度だけ傾斜した面を含む。ｍ面から僅かに傾斜する程度では、自発分極の影響は極めて小さい。結晶成長技術では、表面が結晶方位と厳密に一致した基板よりも、表面が僅かに傾斜した基板上の方が半導体層をエピタキシャル成長させ易い場合がある。従って、自発分極の影響を十分に抑制しながら、エピタキシャル成長する半導体層の質を向上させたり、結晶成長速度を高めたりするために、半導体層の成長面である結晶面を傾斜させることが有用な場合もある。
また、傾きがないｍ面から全体に僅かに傾斜した面では、ステップ状のｍ面領域が多数露出し、ｍ面と同様の性質を有する。本発明に係る「ｍ面」は、複数のステップ状のｍ面領域を有する面をも含む。
また、傾きがないａ面、＋ｒ面、−ｒ面、Ｓ面（（１０−１１）面）、ｎ面（（１１−２３）面）、Ｒ面（（１０−１４）面）、（１１−２２）面、（２０−２１）面、（１０−１３）面、（２０−２−１）面又は（１０−１−３）面等からいずれかの方向に±５°以内だけ傾いた面も、傾きがないこれらの面と同様の性質を有する。よって、本発明に係る「ａ面」、「＋ｒ面」、「−ｒ面」、「Ｓ面」、「ｎ面」、「Ｒ面」、「（１１−２２）面」、「（２０−２１）面」、「（１０−１３）面」、「（２０−２−１）面」又は「（１０−１−３）面」等も、傾きがないａ面、＋ｒ面、−ｒ面、Ｓ面、ｎ面、Ｒ面、（１１−２２）面、（２０−２１）面、（１０−１３）面、（２０−２−１）面又は（１０−１−３）面等からいずれかの方向に±５°以内の角度だけ傾斜した面を含む。
次に、図４に示すように、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の表面を、銀（Ａｇ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）又はその両方を含む、厚さが２００ｎｍ以上且つ１２００ｎｍ以下の金属層４２によって直接に被覆する。すなわち、本実施形態において、金属層４２は、Ａｇ単体により構成されていてもよく、Ａｌ単体により構成されていてもよく、また、ＡｇとＡｌとが任意の比率で合金を形成していてもよい。ここで、合金とは、Ａｇ原子とＡｌ原子とが必ずしも均一に混ざり合っている状態である必要はなく、いずれかの原子が偏在している状態であってもよい。この合金の定義は、第２及び第３の実施形態においても同様である。また、金属層４２は、ＡｇとＡｌとの合金に限られない。例えば、Ａｇ単層とＡｌ単層との積層構造であってもよい。積層構造を採る場合は、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１と直接に接する金属は、Ａｇ単層及びＡｌ単層のうちいずれでもよい。金属層４２の上に、さらに１層又は複数層の他の金属層が設けられていてもよい。
金属層４２は、表面改質された半導体４１の表面を直接に被覆するため、界面４３において半導体４１と堅牢に接合される。このため、熱や応力といった外乱に対して強靭である。金属層４２に含まれる結晶粒の界面４３における面内方向の最大長さは、２００ｎｍ以上且つ１２００ｎｍである。また、金属層４２に含まれる結晶粒の厚さも、２００ｎｍ以上且つ１２００ｎｍである。金属層４２の内部における酸素濃度は低い。これは、結晶粒が比較的に大きいことから、気体が金属層４２を通り抜けるための結晶粒界が少ないためであると考えられる。一方、表面改質に起因して、界面４３における酸素濃度は高い。界面４３における酸素濃度は、金属層４２の内部における酸素濃度に対して、３０倍以上且つ２００倍以下である。例えば、界面４３における酸素濃度は３×１０２０ｃｍ−３以上且つ２×１０２１ｃｍ−３以下であり、金属層４２の内部における酸素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。金属層４２は、上述のように、界面４３において半導体４１と堅牢に接合されている。このため、金属層４２の界面４３の面内方向における算術平均粗さＲａは、基準の長さが３．５μｍの算術平均粗さＲａが０．２７ｎｍ以上且つ２．６５ｎｍ以下である。
なお、第１の実施形態においては、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１は、金属層４２と接する少なくとも表面部分のみの導電型がｎ型であればよい。
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子について、図５（ａ）を参照しながら説明する。
図５（ａ）は第２の実施形態に係る非極性面又は半極性面を成長面とする窒化ガリウム系半導体上に形成された窒化ガリウム系半導体発光素子の断面構造を示している。
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子５５は、上面及び下面にｃ面を除く結晶面を有するＧａＮからなる基板５１と、基板５１の上に順次形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体４１、窒化ガリウム系半導体活性層５２及びｐ型窒化ガリウム系半導体５３と、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の上に接して形成されたｐ側電極５４と、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１における露出部分の上に接して形成された金属層４２とを備えている。ここでも、第１の実施形態と同様に、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１と金属層４２とは界面４３を有する。
本実施形態において、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１をエピタキシャル成長する基板５１は、ｍ面ＧａＮ基板でもよく、また、ｍ面炭化シリコン（ＳｉＣ）基板上のｍ面ＧａＮ層、又はｒ面サファイア基板上のｍ面ＧａＮ層等といった異種基板上のｍ面ＧａＮ層等であってもよい。また、基板５１の表面はｍ面に限定されず、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の表面改質効果が高い結晶面であればよい。例えば、基板５１として、主面がｃ面から１８°以上且つ９０°以下だけ傾いた面でもよい。例えば、主面は、ｍ面、ａ面、＋ｒ面、−ｒ面、Ｓ面、ｎ面、Ｒ面、（１１−２２）面、（２０−２１）面、（１０−１３）面、（２０−２−１）面又は（１０−１−３）面でもよい。
ｎ型窒化ガリウム系半導体４１は、例えばｎ型のＡｌｕＧａｖＩｎｗＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ≧０、ｖ＞０、ｗ≧０）から形成されている。ｎ型ドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。
ｐ型窒化ガリウム系半導体５３は、例えばｐ型のＡｌｓＧａｔＮ（ｓ＋ｔ＝１、ｓ≧０、ｔ＞０）半導体からなる。ｐ型ドーパントとして、例えばマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。ｐ型ドーパントとして、Ｍｇに代えて、例えば亜鉛（Ｚｎ）又はベリリウム（Ｂｅ）等を用いてもよい。ｐ型窒化ガリウム系半導体５３において、Ａｌの組成ｓは、厚さ方向に一様であってもよく、また、組成ｓが厚さ方向に連続的又は階段的に変化していてもよい。ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上且つ２μｍ以下程度である。ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の上面近傍、すなわちｐ側電極５４との界面近傍は、Ａｌの組成ｓが０である半導体、つまりＧａＮにより形成され得る。また、この場合、ＧａＮには、ｐ型の不純物が高濃度で含まれていてもよく、この領域はコンタクト層として機能し得る。
窒化ガリウム系半導体活性層５２は、例えば、厚さ３ｎｍ以上且つ２０ｎｍ以下程度のＧａ１-ｘＩｎｘＮからなる井戸層と、厚さ５ｎｍ以上且つ３０ｎｍ以下程度のＧａ１-ｙＩｎｙＮ（０≦ｙ＜ｘ＜１）からなるバリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
窒化物半導体発光素子５５から出射する光の波長は、井戸層の半導体組成であるＧａ１-ｘＩｎｘＮ半導体におけるＩｎの組成ｘによって決まる。例えば、ｍ面上に形成された窒化ガリウム系半導体活性層５２にはピエゾ電界が発生しない。このため、Ｉｎの組成ｘを大きくしても、発光効率の低下を抑制できる。
金属層４２は、例えば、Ａｇ及びＡｌのうち少なくとも一方を含む層から構成されている。すなわち、本実施形態において、ｎ側電極として機能する金属層４２は、Ａｇ単体により構成されていてもよく、Ａｌ単体により構成されていてもよく、また、ＡｇとＡｌとが任意の比率で合金を形成していてもよい。また、金属層４２は、ＡｇとＡｌとの合金に限られない、例えば、Ａｇ単層とＡｌ単層との積層構造であってもよい。積層構造を採る場合は、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１と直接に接する金属は、Ａｇ単層及びＡｌ単層のうちいずれでもよい。
ある態様では、ｐ側電極５４は、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の表面のほぼ全体を覆っている。ｐ側電極５４は、パラジウム（Ｐｄ）層及び白金（Ｐｔ）層からなる積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ）、又はマグネシウム（Ｍｇ）層及び銀（Ａｇ）層からなる積層構造（Ｍｇ／Ａｇ）等で形成される。
（第２の実施形態の第１変形例）
第１変形例として、図５（ｂ）に示す窒化物半導体発光素子５５のように、窒化ガリウム系半導体活性層５２とｐ型窒化ガリウム系半導体５３との間に、アンドープのＧａＮ層５６を形成してもよい。
（第２の実施形態の第２変形例）
また、第２変形例として、図５（ｃ）に示す窒化物半導体発光素子５５のように、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の内部に、ｐ−ＡｌＧａＮ層５７を形成してもよい。このように、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の内部にｐ−ＡｌＧａＮ層５７を設けることにより、発光素子の動作時に、注入された電子のオーバフローを抑制することができる。
（製造方法）
次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子５５の製造方法について、図５（ａ）を参照しながら説明する。
まず、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等によって、ｃ面を除く結晶面を成長面とするｎ型ＧａＮからなる基板５１の成長面の上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１をエピタキシャル結晶成長する。ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、III族源であるＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ３）３）及びＶ族源であるＮＨ３を原料として供給し、９００℃以上且つ１１００℃以下程度の成長温度に設定する。これにより、基板５１の上に、厚さが１μｍ以上且つ３μｍ以下程度のＧａＮからなるｎ型窒化ガリウム系半導体４１を形成する。
続いて、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の上に、窒化ガリウム系半導体活性層５２を形成する。窒化ガリウム系半導体活性層５２は、例えば、厚さが１５ｎｍのＧａ１-ｘＩｎｘＮ井戸層と、厚さが３０ｎｍのＧａＮバリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を採る。Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込み効率を高めるために、成長温度を８００℃に下げることができる。窒化物半導体発光素子５５の用途に応じて発光波長を選択し、波長に応じたＩｎの組成ｘを決定することができる。例えば、波長を４５０ｎｍ（青色）とするには、Ｉｎの組成ｘを０．１８以上且つ０．２以下に決定する。波長を５２０ｎｍ（緑色）とするには、ｘ＝０．２９以上且つ０．３１以下に決定する。波長を６３０ｎｍ（赤色）とするには、ｘ＝０．４３以上且つ０．４４以下に決定する。
ここで、図５（ｂ）に示す第１変形例のように、窒化ガリウム系半導体活性層５２の上に、例えば厚さが１５ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下のアンドープＧａＮ層５６を形成する場合には、アンドープＧａＮ層５６の上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３を形成する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層５３を形成するには、例えば、ｐ型ドーパントとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＴＭＧ及びＮＨ３を原料として供給する。これにより、９００℃以上且つ１１００℃以下程度の成長温度として、厚さが５０ｎｍ以上且つ３００ｎｍ以下程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化ガリウム系半導体５３を形成することができる。
また、図５（ｃ）に示す第２変形例のように、ｐ型窒化ガリウム系半導体層５３の内部に、厚さが１５ｎｍ以上且つ３０ｎｍ以下程度のｐ−ＡｌＧａＮ層５７を形成すると、動作時に電子のオーバフローを抑制することができる。
次に、図５（ａ）に示すように、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３を形成した後、８００℃以上且つ９００℃以下程度の温度で、基板上にエピタキシャル成長したｎ型窒化ガリウム系半導体４１、窒化ガリウム系半導体活性層５２及びｐ型窒化ガリウム系半導体５３を含む半導体積層構造に対して、２０分間程度の熱処理を行う。
次に、半導体積層構造体に対して、塩素系ガスを用いたドライエッチングを行うことにより、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３、窒化ガリウム系半導体活性層５２及びｎ型窒化ガリウム系半導体４１の一部を除去して凹部を形成して、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の一部を露出する。これにより、ｃ面以外の面、例えば、ｃ面から１８°以上且つ９０°以下だけ傾いた面が表面に現れる。この面は、例えば、ｍ面、ａ面、＋ｒ面、−ｒ面、Ｓ面、ｎ面、Ｒ面、（１１−２２）面、（２０−２１）面、（１０−１３）面、（２０−２−１）面又は（１０−１−３）面である。
次に、露出したｎ型窒化ガリウム系半導体４１の表面を、例えば酸素プラズマ雰囲気に暴露して、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の露出部分の表面改質を行う。これにより、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の露出部分の表面の親水性（濡れ性）を高める。その後、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１の露出部分の上に接するように、金属層４２を形成する。金属層４２には、例えば、Ａｇ若しくはＡｌ又はその両方を含む層を形成する。
続いて、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の表面上に接するように、ｐ側電極５４を形成する。ｐ側電極５４には、例えばＰｄ／Ｐｔ層又はＭｇ／Ａｇ層を用いることができる。その後、熱処理を行って、金属層４２とｎ型窒化ガリウム系半導体４１とを合金化し、ｐ側電極５４とｐ型窒化ガリウム系半導体５３とを合金化する。なお、ｎ側電極となる金属層４２と、ｐ側電極５４との形成の順序は特に問われない。
その後、基板５１の下面を５０μｍ〜３００μｍ程度の厚さにまで研磨をして、基板５１を薄膜化する。基板５１を薄膜化することによって、該基板５１のダイシングが容易となるだけではなく、窒化物半導体発光素子５５の内部での光の吸収を抑えることができる。
このようにして作製された窒化物半導体発光素子５５は、ダイシングによって個片に分割され、アルミナ（酸化アルミニウム）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は樹脂性基板等により構成された実装基板の上に実装される。また、シリコン（Ｓｉ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）等を実装基板に用いる場合には、該実装基板の実装面を絶縁膜で覆うことができる。配線は、窒化物半導体発光素子５５の電極の形状に合わせて配置することができる。配線には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＡｌ等を用いることができる。これらの材料は、スパッタ法又はめっき法等によって実装基板の上に形成することができる。
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子について、図６（ａ）を参照しながら説明する。
図６（ａ）は第３の実施形態に係る非極性面又は半極性面を成長面とする窒化ガリウム系半導体上に形成された窒化ガリウム系半導体発光素子５５Ａの断面構造を示している。
本実施形態において、基板５１は、表面改質が有効となる面方位の表面を有するｎ型ＧａＮにより構成されている。例えば、基板５１の成長面である上面及び下面は、ｃ面を除く結晶面であり、ｃ軸から１８°以上且つ９０°以下だけ傾いた結晶面であってもよく、、ｍ面、ａ面、＋ｒ面、−ｒ面、Ｓ面、ｎ面、Ｒ面、（１１−２２）面、（２０−２１）面、（１０−１３）面、（２０−２−１）面又は（１０−１−３）面であってもよい。
第３の実施形態においては、金属層４２が基板５１におけるｎ型窒化ガリウム系半導体４１の反対側の面上に設けられている。金属層４２と基板５１とは界面４３を有する。また、ｎ側電極となる金属層４２が反射板として機能する。ｐ側電極５４には、透明電極を用いる。
（第３の実施形態の第１変形例）
第１変形例として、図６（ｂ）に示す窒化物半導体発光素子５５Ａのように、窒化ガリウム系半導体活性層５２とｐ型窒化ガリウム系半導体５３との間に、アンドープのＧａＮ層５６を形成してもよい。
（第３の実施形態の第２変形例）
また、第２変形例として、図６（ｃ）に示す窒化物半導体発光素子５５Ａのように、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の内部に、ｐ−ＡｌＧａＮ層５７を形成してもよい。このように、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の内部にｐ−ＡｌＧａＮ層５７を設けることにより、発光素子の動作時に、注入された電子のオーバフローを抑制することができる。
（製造方法）
第３の実施形態において、ｃ面を除く結晶面を成長面として形成された窒化物系半導体発光素子５５Ａを作製する。
第２の実施形態と同様に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ｃ面を除く結晶面を成長面とするＧａＮ層を有する基板５１の成長面の上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体４１、窒化ガリウム系半導体活性層５２及びｐ型窒化ガリウム系半導体５３を順次エピタキシャル結晶成長する。その後、８００℃以上且つ９００℃以下程度の温度で、２０分間程度の熱処理を行う。
なお、第１変形例の場合は、図６（ｂ）に示すように、窒化ガリウム系半導体活性層５２の上に、第２の実施形態と同等のアンドープＧａＮ層５６を形成する。従って、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３は、アンドープＧａＮ層５６の上に形成する。
また、第２変形例の場合は、図６（ｃ）に示すように、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の内部に、第２の実施形態と同等のｐ−ＡｌＧａＮ層５７を形成する。
次に、第２の実施形態と同様に、基板５１の下面を研磨して薄膜化する。薄膜化された基板５１の研磨面は、ｍ面、ａ面、＋ｒ面、−ｒ面、Ｓ面、ｎ面、Ｒ面、（１１−２２）面、（２０−２１）面、（１０−１３）面、（２０−２−１）面及び（１０−１−３）面のいずれかの面から±５°以内だけ傾いた面であってもよい。次に、この研磨面を、例えば酸素プラズマ雰囲気に暴露する。これにより、基板５１の研磨面の表面改質を行って、該研磨面の親水性を高める。その後、基板５１の研磨面の一部と接するように金属層４２を形成する。金属層４２には、例えば、Ａｇ若しくはＡｌ又はその両方を含む層を形成する。金属層は４２には、第２の実施形態と同様に、ＡｇとＡｌとの合金でもよく、また、Ａｇ単層とＡｌ単層とのいずれかを基板５１の研磨面と接するように構成した積層構造としてもよい。
続いて、ｐ型窒化ガリウム系半導体５３の表面上に接するように、ｐ側電極５４を形成する。ｐ型電極５４には、例えば、透光性が維持される程度の厚さを持つＰｄ／Ｐｔ層、Ｍｇ層／Ａｇ層、又は透光性を有する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極等を形成する。その後、熱処理を行って、金属層４２とｎ型窒化ガリウム系半導体４１との接合部分、及びｐ型電極５４とｐ型窒化ガリウム系半導体５３との接合部分をそれぞれ合金化する。
このようにして作製された窒化物半導体発光素子５５Ａは、ダイシングによって個片に分割され、その後、実装基板上に実装される。
（第１の実施例）
第１の実施例として、２枚のｍ面ＧａＮ基板を準備し、２枚の基板のいずれにも、その上下両面を研磨して鏡面状態に加工した。続いて、そのうちの一方の基板に対して、有機洗浄を行った後に、バッファード弗酸（ＢＨＦ）により洗浄した。他方の基板に対しては酸素プラズマ雰囲気に暴露することによって表面改質処理を行った。酸素プラズマは、誘導結合型の放電方式である株式会社アルバック製の高密度プラズマエッチング装置（ＮＥ−５００）を用い、処理条件はアンテナパワーを５００Ｗとし、バイアスパワーを３０Ｗとした。また、酸素流量を２０ｍｌ／ｍｉｎ（０℃、１気圧）とし、圧力を０．６Ｐａとし、処理時間は３０秒とした。その後、電子ビーム蒸着法により、２枚の基板の主面に対して、それぞれ厚さが５００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）層を成膜して、図４に示す構造体を作製した。
次に、Ａｌ層の上にレジスト液を塗布し、露光機と現像液とを用いてレジスト膜からＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ（ＴＬＭ）パターンを形成した。続いて、Ａｌエッチング液によって、ＴＬＭパターンをＡｌ層に転写し、有機洗浄によってレジスト膜を除去することにより、２種類のＡｌ層からなるＴＬＭパターンを作製した。
このように作製した各Ａｌ層に関し、熱処理を施す前に光学顕微鏡で観察した結果を、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示す。図７（ａ）は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理前におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像を示す。図８（ａ）は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。図９（ａ）は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理前におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像を示す。図１０（ａ）は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。
図７（ａ）においては、Ａｌ表面に多数の凹凸が確認できるものの、熱処理を施す前の段階では、いずれの観察像も比較的に平坦なＡｌ表面及びＡｌ−ＧａＮ界面が作製されていることが分かる。
これに対し、上記の２枚の試料を窒素（Ｎ２）雰囲気で、且つ５００℃の温度で１０分間の熱処理を施した後の光学顕微鏡像を、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示す。図７（ｂ）は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理後におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像を示す。図８（ｂ）は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。図９（ｂ）は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理後におけるＡｌ層表面の光学顕微鏡像を示す。図１０（ｂ）は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｌ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。これらの観察像から、図７及び図８に示すように、表面を改質していない試料については、Ａｌ−ＧａＮ界面だけでなく、Ａｌ表面にも多数の凹凸が発生しているのに対し、図９及び図１０に示すように、表面を改質した試料については、Ａｌ−ＧａＮ界面もＡｌ表面も、熱処理前と差がない程度に平坦であることが分かる。このことから、表面を改質したｎ型ＧａＮ上のＡｌ層は、ＧａＮ層と堅牢に接合されており、熱等の外乱に対して強靭であることが分かる。
次に、上記の２枚の試料に対して電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を評価した結果を、図１１及び図１２に示す。図１１は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層にパターニングを施し、Ｉ−Ｖ測定を行った結果を示す。図１２は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｌ層にパターニングを施し、Ｉ−Ｖ測定を行った結果を示す。これらの結果から、図１２に示す、表面を改質したｎ型ＧａＮ上のＡｌ層は、図１１に示す表面を改質していないｎ型ＧａＮ上のＡｌ層と同程度の電気的特性を示す。このことから、表面を改質したｎ型ＧａＮ上のＡｌ層もＧａＮ層に対して良好な接触抵抗を示すことが分かる。
（第２の実施例）
第２の実施例として、２枚のｍ面ｎ型ＧａＮ基板を準備し、２枚の基板のいずれにも、その上下両面を研磨して鏡面状態に加工した。続いて、そのうちの一方の基板に対して、有機洗浄を行った後に、バッファード弗酸（ＢＨＦ）により洗浄した。他方の基板に対しては酸素プラズマ雰囲気に暴露することによって表面改質処理を行った。酸素プラズマは、誘導結合型の放電方式である株式会社アルバック製の高密度プラズマエッチング装置（ＮＥ−５００）を用い、処理条件はアンテナパワーを５００Ｗとし、バイアスパワーを３０Ｗとした。また、酸素流量を２０ｍｌ／ｍｉｎ（０℃、１気圧）とし、圧力を０．６Ｐａとし、処理時間は３０秒とした。その後、電子ビーム蒸着法により、２枚の基板の主面に対して、それぞれ厚さが５００ｎｍの銀（Ａｇ）層を成膜して、図４に示す構造体を作製した。
次に、Ａｇ層の上にレジスト液を塗布し、露光機と現像液とを用いてレジスト膜からＴＬＭパターンを形成した。続いて、Ａｇエッチング液によって、ＴＬＭパターンをＡｇ層に転写し、有機洗浄によってレジスト膜を除去することにより、２種類のＡｇ層からなるＴＬＭパターンを作製した。
上記の２枚の試料に対して電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を評価した結果を図１３及び図１４に示す。図１３は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層にパターニングを施し、Ｉ−Ｖ測定を行った結果を示す。図１４は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層にパターニングを施し、Ｉ−Ｖ測定を行った結果を示す。これらの結果から、図１３に示す、表面を改質していないｎ型ＧａＮ上のＡｇ層ではオーミック接合が得られないのに対し、図１４に示す、表面を改質したｎ型ＧａＮ上のＡｇ層は良好な電気的特性、すなわちオーミック接合が得られていることが分かる。このように、ｎ型ＧａＮの表面を改質することにより、通常は、窒化ガリウム系半導体の電極としては用いることができないＡｇ層が、ｎ型ＧａＮ上で利用できることが分かる。
次に、上記の２枚の試料を窒素雰囲気で、且つ５００℃の温度で２０分間の熱処理を施した後の反射率測定を行った結果を図１５及び図１６に示す。図１５は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面反射率をｍ面ｎ型ＧａＮ側から測定した結果を示す。図１６は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面反射率をｍ面ｎ型ＧａＮ側から測定した結果を示す。測定装置は、日本分光株式会社製の紫外可視分光光度計（Ｖ−５７０）に絶対反射率測定装置（ＡＲＮ−４７５）が組み込まれた構成を用いた。測定は、両面研磨ＧａＮ基板におけるＡｇ層が形成されていない鏡面側から、波長が３５０ｎｍから８００ｎｍまでの光を入射し、ＧａＮ基板とＡｇ層との界面で反射した光を、Ａｇ層が形成されていない鏡面側で受光する方法で行われた。表面の改質を行わない比較例においては、図１５に示すように、波長が４５０ｎｍから５００ｎｍの領域において、Ａｇのナノ粒子化による表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）吸収が観測された。しかし、表面の改質を行った本実施例においては、図１６に示すように、ＳＰＲ吸収がほぼ観測されないことから、表面が改質されたｎ型ＧａＮ上のＡｇ層は、ＧａＮ層と堅牢に接合されており、熱等の外乱に対して強靭であることから、ナノ粒子化が促進しないことが分かる。
次に、上記の２枚の試料を窒素雰囲気で、且つ５００℃の温度で２０分間の熱処理を施す前後の光学顕微鏡像を、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示す。
図１７（ａ）は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。図１７（ｂ）は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。図１８（ａ）は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理前におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。図１８（ｂ）は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面をｍ面ｎ型ＧａＮ側から観察した光学顕微鏡像を示す。これらの観察像から、図１７（ｂ）に示すように、表面を改質していない試料については、Ａｇ−ＧａＮ界面に凹凸が発生しているのに対し、図１８（ｂ）に示すように、表面を改質した試料ではＡｇ−ＧａＮ界面に熱処理前と差がない程度に平坦であることが分かる。このことから、表面を改質したｎ型ＧａＮ上のＡｇ層はＧａＮ層と堅牢に接合されており、熱等の外乱に対して強靭であることが分かる。
次に、熱処理を施した上記の２試料について、断面ＴＥＭ観察を行った結果を図１９、図２０、図２１及び図２２に示す。図１９は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面ＴＥＭ像を示す。図２０は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面ＴＥＭ像を示す。図２１は、比較例であって、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面ＴＥＭ像を示す。図２２は、本実施例であって、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の、熱処理後におけるｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面の断面ＴＥＭ像を示す。図２３は、図１９に示される断面ＴＥＭ像を模式的に表している。図２４は、図２０に示される断面ＴＥＭ像を模式的に表している。表面を改質していない比較例の場合は、図１９及び図２３に示すように、Ａｇ層内に多数のナノ粒子が確認され、最大粒径が２００ｎｍ程度未満であることが分かる。これに対し、表面を改質した本実施例の場合は、図２０及び図２４に示すように、図中のＡｇ層内には４個の結晶粒しか確認されず、その結晶粒のｍ面ｎ型ＧａＮとの界面における面内方向の最大長さは２００ｎｍ以上且つ１２００ｎｍ以下であることが分かる。また、各結晶粒の厚さは２００ｎｍ以上であり、各結晶粒は、Ａｇ層の下面から上面にまで達している。さらに、最大の結晶粒子の界面における面内方向の長さは６００ｎｍ以上であり、厚さは４００ｎｍ以上である。Ａｇ層の厚さ、すなわち結晶粒の厚さは、成膜の厚さにもよるが、１２００ｎｍ以下程度とすることができる。
また、表面を改質していない比較例である図２１からは、ＧａＮ−Ａｇ界面の基準の長さが３．５μｍの算術平均粗さＲａが２．６５ｎｍより大きいことが分かる。また、表面を改質した本実施例である図２２からは、ＧａＮ−Ａｇ界面の基準の長さが３．５μｍの算術平均粗さＲａが０．２７ｎｍであることが分かる。このことから、表面を改質したｎ型ＧａＮ上のＡｇ層は、ＧａＮ層と堅牢に接合されており、熱等の外乱に対して強靭であることが分かる。
次に、熱処理を施した上記の２試料について、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を行った結果、表面を改質していないｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の内部の酸素濃度は４×１０１９ｃｍ−３であり、Ａｇ−ＧａＮ界面における酸素濃度は５×１０２０ｃｍ−３であった。これに対し、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮの上に形成されたＡｇ層の内部の酸素濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、Ａｇ−ＧａＮ界面における酸素濃度は３×１０２０ｃｍ−３以上且つ２×１０２１ｃｍ−３以下であった。このことから、表面を改質したｍ面ｎ型ＧａＮとＡｇ層との界面における酸素濃度は、Ａｇ層の内部に存在する酸素濃度に対して３０倍以上且つ２００倍以下であることが分かった。
ところで、ＡｇもＡｌも同じ面心立方格子をとる。従って、上記の結晶粒の大きさ、算術平均粗さ、及び金属層内の酸素濃度は、第１実施例のアルミニウム（Ａｌ）であっても、第２実施例の銀（Ａｇ）と同様のことがいえる。
（他の実施形態）
図２５は他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体層（ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｚ＜１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））と金属層とを含む構造体の製造方法の一例であるフローチャートを示している。
図２５に示すように、まず、工程Ｓ０において、非極性面又は半極性面である表面を有する窒化ガリウム系半導体層を用意する。窒化ガリウム系半導体層は、例えばｎ型ＧａＮ層である。
次に、工程Ｓ１において、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を酸素に暴露することにより、この表面を改質する。
次に、工程Ｓ２において、改質された表面上に、Ａｇ若しくはＡｌ又はその両方を含む金属層を形成する。これにより、窒化ガリウム系半導体層と金属層との界面は酸素を含む。また、金属層はその下面から上面にまで達する結晶粒を含む構造を得る。
工程Ｓ２の後に、所定の熱処理を施してもよい。熱処理には、例えば、窒素雰囲気下、５００℃の温度で１０分から２０分程度の熱処理が考えられる。この熱処理を施しても、金属層には、該金属層の下面から上面にまで達する結晶粒を含む構造を得ることができる。
また、工程Ｓ１の暴露処理は、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を、活性酸素を含む雰囲気に暴露してもよい。また、工程Ｓ１の暴露処理は、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を酸素原子又は酸素分子を含む気体若しくは液体に暴露した状態で、該表面に紫外線を照射してもよい。また、工程Ｓ１の暴露処理は、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を、酸素プラズマを含む雰囲気に暴露してもよい。
図２６は他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一例であるフローチャートを示している。
図２６に示すように、まず、工程Ｓ１０において、非極性面又は半極性面を成長面とする窒化ガリウム系半導体（例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｚ＜１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））の上に、発光層とｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含む半導体積層体を作製する。ここで、窒化ガリウム系半導体は、例えば、基板及び該基板の上に形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体層である。基板は薄膜化又は除去し得る。ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｎ型ＧａＮ層である。
次に、工程Ｓ１１において、半導体積層体及び窒化ガリウム系半導体の一部を除去し、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を露出する。
次に、工程Ｓ１２において、露出された表面を酸素に暴露することにより、露出された表面を改質する。
次に、工程Ｓ１３において、改質された表面と接するように第１の金属層を形成する。ここで、第１の金属層には、Ａｇ若しくはＡｌ又はその両方を含む金属を用いることができる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の上に接するように第２の金属層を形成する。なお、第１の金属層と第２の金属層との形成順序は、何れが先でもよい。これにより、ｎ型ＧａＮと第１の金属層との界面は酸素を含む。また、第１の金属層は、該第１の金属層の下面から上面にまで達する結晶粒を含む構造を得る。
なお、工程Ｓ１３の後に、所定の熱処理を施してもよい。熱処理には、例えば、窒素雰囲気下、５００℃の温度で１０分から２０分程度の熱処理が考えられる。この熱処理を施しても、第１の金属層には、該第１の金属層の下面から上面にまで達する結晶粒を含む構造を得ることができる。
また、工程Ｓ１２の暴露処理として、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を、活性酸素を含む雰囲気に暴露する処理としてもよい。また、工程Ｓ１２の暴露処理として、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を酸素原子又は酸素分子を含む気体若しくは液体に暴露した状態で、該露出面に紫外線を照射してもよい。また、工程Ｓ１２の暴露処理として、ｎ型であって非極性面又は半極性面である窒化ガリウム系半導体層の表面を、酸素プラズマを含む雰囲気に暴露してもよい。
図２７はさらに他の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一例であるフローチャートを示している。
図２７に示すように、まず、工程Ｓ２０において、非極性面又は半極性面を成長面とする窒化ガリウム系半導体（例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｚ＜１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））の上に、発光層とｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含む半導体積層体を作製する。ここで、窒化ガリウム系半導体は、例えば、基板及び該基板の上に形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体層である。基板は薄膜化又は除去し得る。基板及びｎ型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｎ型ＧａＮ層である。ｎ型窒化ガリウム系半導体層において、半導体積層体を作製した側と反対側の表面は、ｎ型であって非極性面又は半極性面である。
次に、工程Ｓ２１において、工程Ｓ２０で半導体積層体を作製した側と反対側の表面を酸素に暴露することにより、この表面を改質する。
次に、工程Ｓ２２において、改質された表面と接するように第１の金属層を形成する。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の上に接するように第２の金属層を形成する。
工程Ｓ２１及び２２は上述した工程Ｓ１２及びＳ１３と同様である。
上述したとおり、上記の他の実施形態によれば、窒化ガリウム系半導体の表面を改質することによって、窒化ガリウム系半導体と金属層との親和性が増し、該窒化ガリウム系半導体と金属層との界面が急峻とになる。これにより、金属層の反射率が向上するだけでなく、信頼性も向上する。さらには、従来技術ではオーミック接合が実現しなかった窒化ガリウム系半導体と金属層、例えばＡｇとの組み合わせであっても、オーミック接合を実現した窒化ガリウム系半導体発光素子を得ることができる。
上記の開示から導出される本発明の好適な一実施形態が、以下に記述される。
以下を具備する窒化物半導体発光素子：
ｎ型窒化物半導体層（４１）、
ｐ型窒化物半導体層（５３）、
ｎ型窒化物半導体層（４１）及びｐ型窒化物半導体層（５３）の間に挟まれた活性層（５２）、
ｎ側電極層（４２）、並びに
ｐ型窒化物半導体層（５３）の表面上に形成されたｐ側電極層（５４）、ここで、
ｎ型窒化物半導体層（４１）、活性層（５２）、及びｐ型窒化物半導体層（５３）は、非極性面又は半極性面の主面を有し、
ｎ側電極層（４２）は、第１表面（４２ａ）及び第２表面（４２ｂ）を有しており、
第１表面（４２ａ）は、ｎ型窒化物半導体層（４１）の表面の少なくとも一部と接しており、
第２表面（４２ｂ）は、第１表面（４２ａ）の裏側であり、
ｎ側電極層（４２）は銀から形成され、
ｎ側電極層（４２）と接するｎ型窒化物半導体層（４１）の表面の一部は、酸素を含有し、
ｎ側電極層（４２）は、２００ｎｍ以上且つ１２００ｎｍ以下の厚さを有し、
ｎ側電極層（４２）は、第１表面（４２ａ）から第２表面（４２ｂ）に達する銀結晶粒を含む。
上記の開示から導出される本発明のより好適な一実施形態が、以下に記述される。
以下を具備する窒化物半導体発光素子：
ｎ型窒化物半導体層（４１）、
ｐ型窒化物半導体層（５３）、
ｎ型窒化物半導体層（４１）及びｐ型窒化物半導体層（５３）の間に挟まれた活性層（５２）、
ｎ側電極層（４２）、並びに
ｐ型窒化物半導体層（５３）の表面上に形成されたｐ側電極層（５４）、ここで、
ｎ型窒化物半導体層（４１）、活性層（５２）、及びｐ型窒化物半導体層（５３）は、非極性面又は半極性面の主面を有し、
ｎ側電極層（４２）は、第１表面（４２ａ）及び第２表面（４２ｂ）を有しており、
第１表面（４２ａ）は、ｎ型窒化物半導体層（４１）の表面の少なくとも一部と接しており、
第２表面（４２ｂ）は、第１表面（４２ａ）の裏側であり、
ｎ側電極層（４２）は銀から形成され、
ｎ側電極層（４２）と接するｎ型窒化物半導体層（４１）の表面の一部は、酸素を含有し、
ｎ側電極層（４２）は、２００ｎｍ以上且つ１２００ｎｍ以下の厚さを有し、
ｎ側電極層（４２）は、第１表面（４２ａ）から第２表面（４２ｂ）に達する複数の銀結晶粒から構成される。
本開示に係る構造体及びその製造方法、並びに本構造体を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法は、表示、照明及び光情報分野等への応用が可能である。
４１ ｎ型窒化ガリウム系半導体（ｎ型窒化物半導体層）
４２ 金属層
４２ａ 第１表面
４２ｂ 第２表面
４３ 界面
５１ 基板
５２ 窒化ガリウム系半導体活性層
５３ ｐ型窒化ガリウム系半導体（ｐ型窒化物半導体層）
５４ ｐ側電極
５５，５５Ａ 窒化物半導体発光素子
５６ アンドープＧａＮ層
５７ ｐ−ＡｌＧａＮ層

Claims (15)

  1. Ｍ面を主面とする窒化ガリウム系半導体層と、
    前記主面の上に配置された銀層と
    を含む構造体であって、
    前記主面は、ｎ型の導電型を有し、
    前記窒化ガリウム系半導体層と前記銀層との界面には、酸素が含まれ、
    前記銀層は、該銀層の下面から上面にまで達する結晶粒を含む、構造体。
  2. 前記窒化ガリウム系半導体層と前記銀層との界面における反射光には、波長が４５０ｎｍから５００ｎｍの領域において、表面プラズモン共鳴吸収が観測されない、請求項１に記載の構造体。
  3. 前記銀層の厚さは、２００ｎｍ以上である、請求項１に記載の構造体。
  4. 前記銀層の厚さは、１２００ｎｍ以下である、請求項１に記載の構造体。
  5. 前記結晶粒の最大長さは、２００ｎｍ以上である、請求項１に記載の構造体。
  6. 前記結晶粒の最大長さは、１２００ｎｍ以下である、請求項１に記載の構造体。
  7. 前記窒化ガリウム系半導体層と前記銀層との界面における酸素濃度は、前記銀層の内部における酸素濃度に対して、３０倍以上且つ２００倍以下である、請求項１に記載の構造体。
  8. 前記窒化ガリウム系半導体層と前記銀層との界面における酸素濃度は、３×１０２０ｃｍ−３以上且つ２×１０２１ｃｍ−３以下であり、
    前記銀層の内部における酸素濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１に記載の構造体。
  9. 前記窒化ガリウム系半導体層と前記銀層との界面における、前記銀層の前記界面の面内方向の算術平均粗さＲａにおいて、
    基準の長さが３．５μｍの算術平均粗さＲａは、０．２７ｎｍ以上且つ２．６５ｎｍ以下である、請求項１に記載の構造体。
  10. 請求項１に記載の構造体と、
    ｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
    前記窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層とに挟まれた発光層とを備えた窒化ガリウム系半導体発光素子であって、
    前記窒化ガリウム系半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層であり、
    前記銀層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層に対する電極である、窒化ガリウム系半導体発光素子。
  11. 請求項１に記載の構造体の製造方法であって、
    前記窒化ガリウム系半導体層の表面を、活性酸素を含む雰囲気に暴露する工程と、
    前記窒化ガリウム系半導体層の表面に、前記銀層を形成する工程とを備えた、構造体の製造方法。
  12. 前記銀層を形成する工程よりも後に、
    前記構造体に対して、熱処理を施す工程をさらに備えた、請求項１１に記載の構造体の製造方法。
  13. 前記活性酸素を含む雰囲気に暴露する工程は、
    前記窒化ガリウム系半導体層の表面を、酸素原子又は酸素分子を含む気体若しくは液体に暴露した状態で、前記表面に紫外線を照射する工程を含む、請求項１１に記載の構造体の製造方法。
  14. 前記活性酸素を含む雰囲気に暴露する工程は、
    前記窒化ガリウム系半導体層の表面を、酸素プラズマを含む雰囲気に暴露する工程を含む、請求項１１に記載の構造体の製造方法。
  15. 請求項１１に記載の構造体の製造方法を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、
    前記窒化ガリウム系半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層であり、
    前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の上に、発光層とｐ型の窒化ガリウム系半導体層とを含む半導体積層体を作製する工程を備えた、窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
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