WO2012127660A1 - 窒化物半導体紫外線発光素子 - Google Patents

窒化物半導体紫外線発光素子 Download PDF

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シリル ペルノ
平野　光
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Soko Kagaku Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device having an emission center wavelength of about 355 nm or less used for a light-emitting diode, a laser diode, etc., and particularly to a technique for improving external quantum efficiency.
  • a GaN-based nitride semiconductor is based on an GaN or an AlGaN layer having a relatively small AlN mole fraction (also called an AlN mixed crystal ratio or Al composition ratio), and a light emitting element or a light receiving element having a multilayer structure thereon.
  • FIG. 26 shows a crystal layer structure of a typical conventional GaN-based light emitting diode. In the light emitting diode shown in FIG.
  • an underlying layer 102 made of AlN is formed on a sapphire substrate 101, a periodic groove structure is formed by photolithography and reactive ion etching, and then ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) -AlN.
  • a layer 103 is formed as a template.
  • an n-type AlGaN n-type cladding layer 104 having a thickness of 2 ⁇ m, an AlGaN / GaN multiple quantum well active layer 105, and an AlN molar fraction of multiple quantum wells.
  • the multiple quantum well active layer 105 has a structure in which five layers of a structure in which a GaN well layer having a thickness of 2 nm is sandwiched between AlGaN barrier layers having a thickness of 8 nm are stacked.
  • the multi-quantum well active layer 105, the electron blocking layer 106, the p-type cladding layer 107, and the p-type contact layer 108 thereon are removed by etching until a partial surface of the n-type cladding layer 104 is exposed.
  • a Ni / Au p-electrode 109 is formed on the surface of the p-type contact layer 108, and a Ti / Al / Ti / Au n-electrode 110 is formed on the exposed n-type cladding layer 104. ing.
  • the emission wavelength is shortened by changing the AlN mole fraction and film thickness, or the emission wavelength is lengthened by adding In, and the wavelength is increased from 200 nm.
  • a light emitting diode having an ultraviolet region of about 400 nm can be manufactured.
  • a semiconductor laser can be fabricated with a similar configuration.
  • the nitride semiconductor light-emitting element that extracts light transmitted through the n-type cladding layer from the back surface side. Then, if at least part of the light traveling toward the p-type cladding layer reaches the interface with the p-electrode without being absorbed by the p-type contact layer and is reflected at the interface, the reflected light is reflected by the n-type cladding layer. It is used effectively by proceeding to the side.
  • the amount of light extracted from the nitride semiconductor light emitting device is increased by reflecting the light traveling to the p-type cladding layer side and returning to the n-type cladding layer side with high efficiency. improves.
  • Patent Document 1 Attempts to improve external quantum efficiency by efficiently reflecting light traveling toward the p-type cladding layer are disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 below.
  • a p-type contact is formed on a p-type contact layer in a mesh shape having an opening, and a p-type electrode electrically connected to the p-type contact layer is exposed.
  • a reflective layer using a metal such as silver or Al is formed on the layer and the p electrode, and the light transmitted through the p-type cladding layer and the p-type contact layer is reflected to the active layer side by the reflective layer formed in the opening.
  • the structure is designed to improve external quantum efficiency.
  • a mesh-like highly reflective metal layer having an opening in ohmic contact with the p-type nitride semiconductor layer is provided on the p-type nitride semiconductor layer, and further exposed to the opening.
  • a metal barrier layer is provided on the p-type nitride semiconductor layer and the highly reflective metal layer to assist the reflective action of the highly reflective metal layer, and light transmitted through the p-type nitride semiconductor layer is highly reflective metal layer.
  • the external quantum efficiency is improved by reflecting the light at the interface with the metal barrier layer.
  • Non-Patent Document 3 a nanopixel type Pd electrode that is in ohmic contact with the p-type nitride semiconductor layer is provided on the p-type nitride semiconductor layer, and an Al reflective layer is provided in the gap between the Pd electrodes.
  • the light transmitted through the p-type nitride semiconductor layer is reflected to the active layer side by the reflective layer formed in the gap, and the external quantum efficiency is improved.
  • JP 2008-66727 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-210051
  • the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device has a double hetero structure in which an active layer (light emitting layer) is sandwiched between a p-type cladding layer and an n-type cladding layer, and the emission wavelength is the band gap energy (forbidden band width) of the active layer.
  • the AlN molar fraction x of Al x Ga 1-x N constituting each cladding layer is set larger than that of the active layer. Accordingly, the AlN mole fraction of each cladding layer increases as the emission wavelength is shortened.
  • the AlN mole fraction of each cladding layer is about 60%, and when the emission center wavelength is around 250 nm, the AlN mole fraction of each cladding layer is about 75%. .
  • Patent Document 1 In the techniques for improving external quantum efficiency disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 3, all of them are on the p-type nitride semiconductor layer constituting the uppermost layer of the nitride semiconductor layer constituting the light emitting element.
  • a metal electrode having a part opened in ohmic contact with the p-type nitride semiconductor layer is provided. Since the p-type nitride semiconductor layer constituting the uppermost layer is formed on the entire upper surface of the active layer, in order to reflect light emitted from the active layer by the reflective layer or the highly reflective metal layer formed on the upper layer. It is necessary that the light emission is not absorbed by the p-type nitride semiconductor layer.
  • the uppermost layer needs to have a p-type GaN or AlN molar fraction of less than 10%.
  • the necessity of using p-type GaN is described in Patent Document 1, and Non-Patent Document 3 describes an example in which p-type GaN is used as the uppermost p-type nitride semiconductor layer.
  • the emission wavelength from the active layer is about 355 nm or less, and further shorter, the emission from the active layer is absorbed by the uppermost p-type nitride semiconductor layer.
  • Patent Document 1 Even if a part of the layer does not reach the layer, the reflected light is absorbed when it passes through the p-type nitride semiconductor layer again, so that it is not used effectively and the external quantum efficiency is not improved. Therefore, the external quantum efficiency improvement techniques disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and the like cannot be said to be effective techniques for light-emitting elements having an emission wavelength of about 355 nm or less.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to improve the external quantum efficiency of a nitride semiconductor light emitting device having a light emission center wavelength of about 355 nm or less.
  • the present invention provides an n-type cladding layer made of an n-type AlGaN semiconductor layer, an active layer having an AlGaN semiconductor layer with a band gap energy of 3.4 eV or more, and a p-type AlGaN semiconductor.
  • a nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device comprising at least a p-type cladding layer composed of layers, and comprising a p-type AlGaN-based semiconductor layer that absorbs ultraviolet light emitted from the active layer on the p-type cladding layer.
  • a p-type contact layer is formed, the p-type contact layer has an opening penetrating to the surface of the p-type cladding layer, and is in ohmic contact or non-rectifying contact with the p-type contact layer on the p-type contact layer.
  • a p-electrode metal layer is formed so as not to completely shield the opening, and a reflective metal layer that reflects the ultraviolet light is formed at least on the opening.
  • the nitride semiconductor characterized in that the reflective metal layer covers the surface of the p-type cladding layer exposed through the opening directly or via a transparent insulating layer that transmits the ultraviolet light.
  • An ultraviolet light emitting device is provided.
  • a part of ultraviolet light having a central emission wavelength of 355 nm or less emitted from the active layer and passing through the p-type cladding layer is formed in the opening of the p-type contact layer. Since it is incident and reliably reaches the reflective metal layer and is reflected without being absorbed by the p-type contact layer, the reflected light can be used effectively, and the external quantum efficiency can be improved.
  • the p-type contact layer and the p-electrode metal layer are in ohmic contact or non-rectifying contact, a current path from the p-electrode metal layer to the active layer through the p-type contact layer and the p-type cladding layer is secured. Is done. The inventor of the present application has confirmed that the above-described current path is sufficiently ensured and light is emitted well even if the p-type contact layer is not formed on the entire upper surface of the active layer, according to examples described later.
  • the AlN molar fraction of the p-type cladding layer is higher than 10%, and the ohmic contact or non-rectifying contact cannot be made with the p-electrode metal layer with low resistance.
  • the AlN molar fraction of the p-type contact layer is preferably 0% or more and less than 10%.
  • the AlN molar fraction of the p-type contact layer is 0% or more and less than 10%, ohmic contact or low-resistance non-rectifying contact with the p-electrode metal layer is possible.
  • p-type GaN having an AlN molar fraction of 0% good ohmic contact can be achieved with low resistance.
  • the reflective metal layer is formed on at least the opening and the p-electrode metal layer.
  • the reflective metal layer is formed also on the p-electrode metal layer, when the p-electrode metal layer is discretely formed, the discrete p-electrode metal layers are connected to each other and function as an integral p-electrode. Can be made.
  • the reflective metal layer is formed of Al or a metal multilayer film or an alloy containing Al as a main component.
  • the ratio of the area of the opening to the total area of the p-type contact layer and the opening is preferably 66% or more.
  • the higher the ratio the more light is reflected and the higher the external quantum efficiency, but the higher the parasitic resistance on the p-electrode side and the higher the forward voltage, the higher the ratio.
  • the light emission efficiency with respect to the electric power input between the anode and the cathode of the light emitting element may decrease.
  • the ratio is 66%, the external quantum efficiency can be improved without decreasing the light emission efficiency within a range in which a practical forward voltage can be realized.
  • the upper limit of the ratio needs to secure a certain area as the p-electrode metal layer in order to apply the forward voltage to the light emitting element, it depends on the area and the range in which a practical forward voltage can be realized.
  • the predetermined value is less than 100%.
  • the nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device has the active layer and the p-type cladding layer in a first region in a plane parallel to the surface of the n-type cladding layer on the n-type cladding layer.
  • the p-type contact layer and the reflective metal layer are formed, and at least part of the second region other than the first region on the n-type cladding layer is an n-type made of an n-type AlGaN-based semiconductor layer.
  • a contact layer is formed, and the AlN molar fraction of the n-type contact layer is in the range of 0% to 60% and smaller than the AlN molar fraction of the n-type cladding layer, and the n-type contact layer
  • a second feature is that an n-electrode in ohmic contact or non-rectifying contact is formed on the n-type contact layer.
  • the AlN molar fraction from the n-type cladding layer is within a range of 0% to 60% between the n-type cladding layer and the n-electrode. Since the n-type contact layer having a low rate is interposed, the n-electrode and the n-type contact layer are surely in ohmic contact, and the contact resistance is lower than when the n-electrode and the n-type cladding layer are in direct contact.
  • the parasitic resistance between the n-type cladding layer and the n-electrode can be suppressed, the forward voltage can be reduced, and as a result, the power consumption and the life of the light-emitting element can be reduced.
  • the n-type contact layer is formed by regrowth on at least a part of the surface of the n-type cladding layer in the second region. Is preferred.
  • regrowth means that the crystal growth of the underlying n-type cladding layer and the crystal growth of the n-type contact layer are not a series of continuous growths.
  • the nitride semiconductor ultraviolet light emitting element of the second feature is characterized in that when the n electrode is formed of a metal that reflects the ultraviolet light, for example, a metal multilayer film or an alloy containing Al as a main component, It is possible to improve the extraction efficiency when extracting from the back side.
  • a reflective metal layer containing a metal that reflects ultraviolet rays connected to the n-electrode is formed on an n-type cladding layer on which no n-type contact layer is formed, extraction efficiency when light emission is extracted from the back surface side Can be improved.
  • a certain area of the second region of the n-type cladding layer is required.
  • Light reflected from the substrate surface (ultraviolet light) is re-reflected by the n-electrode or reflective metal layer in the second region on the n-type cladding layer, increasing the amount of light that can actually be extracted from the light-emitting element and improving external quantum efficiency. To do.
  • the n-type cladding layer emits the ultraviolet light composed of an insulator layer, a semiconductor layer, or a laminate of an insulator layer and a semiconductor layer. It is preferable to be formed on a transparent template, and it is preferable that the template includes an AlN layer. As a result, it is possible to take out light emission from the back side by passing the template in a state having the template.
  • the external quantum efficiency can be reliably improved even for light emission having a center wavelength of about 355 nm or less, which has been difficult with the conventional technology for improving external quantum efficiency.
  • a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to the present invention and a forward current of light emission output in a comparative example in which a p-type contact layer and a p-electrode are provided on the entire surface of the p-type cladding layer and no reflective metal layer is provided. It is a characteristic view which shows the measurement result of a characteristic. Forward voltage and forward current in one embodiment of a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to the present invention and a comparative example in which a p-type contact layer and a p-electrode are provided on the entire surface of the p-type cladding layer and no reflective metal layer is provided. It is a characteristic view which shows the measurement result of the current-voltage characteristic.
  • a characteristic diagram showing the measurement results of the relationship between the contact resistance between the n-electrode formed on the n-type AlGaN layer and the n-type AlGaN layer, the heat treatment temperature T, and the AlN mole fraction of the n-type AlGaN layer The characteristic which shows the measurement result of the current-voltage characteristic of the forward voltage Vf and the forward current If in one Example in 2nd Embodiment of nitride semiconductor ultraviolet light emitting element which concerns on this invention, and the comparative example which is not equipped with an n-type contact layer.
  • the present device Embodiments of a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to the present invention (hereinafter referred to as “the present device” as appropriate) will be described with reference to the drawings.
  • the present device for easy understanding of the description, the main contents are emphasized and the contents of the invention are schematically shown. Therefore, the dimensional ratio of each part is not necessarily the same as the actual element. It is not.
  • description will be made assuming that the element of the present invention is a light emitting diode.
  • the element 1 of the present invention uses, as a template 5, a substrate in which an AlN layer 3 and an AlGaN layer 4 are grown on a sapphire (0001) substrate 2, and is made of n-type AlGaN on the template 5.
  • an opening 11 penetrating to the surface of the lower p-type cladding layer 9 is formed by reactive ion etching or the like. Reactive ion etching of the active layer 7, the electron block layer 8, the p-type cladding layer 9, and the p-type contact layer 10 above the n-type cladding layer 6 until a part of the surface of the n-type cladding layer 6 is exposed. Thus, a laminated structure from the active layer 7 to the p-type contact layer 10 is formed in the first region R1 on the n-type cladding layer 6.
  • the active layer 7 has a single-layer quantum well structure including an n-type AlGaN barrier layer 7a having a thickness of 10 nm and an AlGaN or GaN well layer 7b having a thickness of 3.5 nm.
  • the active layer 7 may be a double heterojunction structure sandwiched between n-type and p-type AlGaN layers having a large AlN mole fraction between the lower layer and the upper layer, and the single quantum well structure is multilayered.
  • a multiple quantum well structure may be used.
  • Each AlGaN layer is formed by a well-known epitaxial growth method such as a metal organic compound vapor phase growth (MOVPE) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method.
  • MOVPE metal organic compound vapor phase growth
  • MBE molecular beam epitaxy
  • Si is used as a donor impurity of an n-type layer
  • Mg is used as the acceptor impurity of the p-type layer.
  • the AlN layer and the AlGaN layer whose conductivity type is not specified are undoped layers into which impurities are not implanted.
  • each AlGaN layer other than the active layer 7 is, for example, 2000 nm for the n-type cladding layer 6, 2 nm for the electron blocking layer 8, 540 nm for the p-type cladding layer 9, and 200 nm for the p-type contact layer 10.
  • a Ni / Au p-electrode 12 is formed on the surface of the second region R 2 except for the first region R 1 of the n-type cladding layer 6, for example, Ti / Al / Ti / Au.
  • An n-electrode 13 is formed.
  • a reflective metal layer 14 made of Al is formed in the opening 11 of the p-type contact layer 10 and on the p-electrode 12.
  • the reflective metal layer 14 may be an Al / Ti / Au three-layer metal film instead of an Al single layer.
  • the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 are each processed into a lattice-like (or mesh-like), comb-like, or dot-like (or island-like) pattern that covers a part of the first region R1.
  • FIG. 2 shows an example of a plan view pattern of the p electrode 12 and the n electrode 13.
  • FIG. 2A shows the first region R1 and the second region R2 before the p-electrode 12 and the n-electrode 13 are formed.
  • the chip size of the element 1 of the present invention shown in FIG. 2 is 800 ⁇ m vertically and horizontally, and the area of the first region R1 is about 168000 ⁇ m 2 .
  • 2 (b) to 2 (d) show cases where the p electrode 12 is a lattice pattern, a comb pattern, or a dot pattern, respectively, and the portion of the p electrode 12 is distinguished by a cross hatch. Yes.
  • the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 are overlapped in the same pattern, but the p-electrode 12 may be slightly smaller than the p-type contact layer 10. Even if the p-electrode 12 is larger than the p-type contact layer 10 and covers the side surface of the step of the p-type contact layer 10, there is no problem as long as the opening 11 exists.
  • the portion excluding the p-type contact layer 10 in the first region R1 is the opening 11, but when the p-electrode 12 is present in the opening 11, the portion where the p-electrode 12 is not formed is an effective opening. Part.
  • the element structure shown in FIG. 1 is basically the same as the element structure of the conventional light emitting diode shown in FIG. 26 except for the structure of the p-type contact layer 10 and the p electrode 12 and the reflective metal layer 14. Therefore, the element 1 of the present invention is characterized by the structure of the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 and the reflective metal layer 14.
  • the template 5 and each layer from the n-type cladding layer 6 to the p-type contact layer 10 are formed by a known growth method as described above.
  • a heat treatment is performed at 800 ° C., for example, to activate Mg as an acceptor impurity.
  • a portion other than the portion where the opening 11 of the first region R ⁇ b> 1 is formed on the surface of the p-type contact layer 10 by using a well-known photolithography technique, for example, an Ni mask (not shown).
  • the portion of the p-type contact layer 10 that is not covered with the Ni mask is removed by a well-known anisotropic etching method such as reactive ion etching until the underlying p-type cladding layer 9 is exposed. After forming the portion 11, the Ni mask 20 is removed.
  • the first region R1 on the surface of the p-type contact layer 10 is covered with, for example, a Ni mask (not shown) by a well-known photolithography technique, and then the n-type cladding layer 6
  • a Ni mask (not shown) by a well-known photolithography technique
  • the n-type cladding layer 6 The portion located in the second region R2 of each layer from the active layer 7 to the p-type contact layer 10 deposited on the entire upper surface is removed by a well-known anisotropic etching method such as reactive ion etching, and an n-type cladding After the surface of layer 6 is exposed, the Ni mask is removed.
  • a photoresist (not shown) to be an inverted pattern of the n electrode 13 is formed on the entire surface of the substrate, and a Ti / Al / Ti / Au four-layer metal film to be the n electrode 13 is formed on the photoresist.
  • Vapor deposition is performed using a beam deposition method, the photoresist is removed by lift-off, the four-layer metal film on the photoresist is peeled off, and heat treatment is applied as necessary using RTA (instantaneous thermal annealing).
  • RTA instantaneous thermal annealing
  • an n-electrode 13 is formed on the n-type cladding layer 6.
  • the film thickness of the four-layer metal film of Ti / Al / Ti / Au is, for example, 20 nm / 100 nm / 50 nm / 100 nm in the order of description.
  • a photoresist (not shown) to be an inverted pattern of the p electrode 12 is formed on the entire surface of the substrate, and a Ni / Au two-layer metal film to be the p electrode 12 is formed thereon by using an electron beam evaporation method or the like.
  • the photoresist is removed by lift-off, the two-layer metal film on the photoresist is peeled off, and a heat treatment at 450 ° C., for example, is applied by RTA or the like, as shown in FIG.
  • a p-electrode 12 is formed on the surface of 10.
  • the film thickness of the Ni / Au two-layer metal film is, for example, 60 nm / 50 nm in the order of description.
  • a photoresist (not shown) serving as an inverted pattern of the reflective metal layer 14 is formed on the entire surface of the substrate, and an Al / Ti / Au three-layer metal film serving as the reflective metal layer 14 is formed on the photoresist. Evaporation is performed by a beam evaporation method or the like, the photoresist is removed by lift-off, the three-layer metal film on the photoresist is peeled off, and the p-electrode 12 exposed in the opening 11 as shown in FIG.
  • a reflective metal layer 14 is formed on substantially the entire surface of the first region R1 so as to cover the mold cladding layer 9.
  • the film thickness of the Al / Ti / Au three-layer metal film is, for example, 100 nm / 100 nm / 200 nm in the order of description. Note that no heat treatment is performed on the reflective metal layer 14. As a result, since the Al layer in the reflective metal layer 14 is not melted by the heat treatment, the function of reflecting the ultraviolet rays is well maintained. Further, since the reflective metal layer 14 is in ohmic contact with the p-electrode 12, it can be used as an electrode pad for wire bonding or flip chip bonding.
  • FIG. 26 the embodiment of the element 1 of the present invention and the conventional cross section illustrated in FIG. 26 in which the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 are formed on almost the entire surface of the p-type cladding layer 9 and the reflective metal layer 14 is not provided.
  • FIG. 9 to FIG. 11 show the results obtained by measuring the characteristics of the forward voltage Vf (unit: V) and the current-voltage characteristics of the forward current If.
  • p-type GaN was used as the p-type contact layer 10. Moreover, 67% was used as the ratio (opening ratio) of the area of the opening 11 to the total area of the p-type contact layer 10 and the opening 11 in the example. That is, the p electrode 12 is formed in about one third of the first region R1.
  • the AlN mole fraction of each AlGaN layer is, for example, 60% for the n-type cladding layer 6, 50% for the barrier layer 7a, 35% for the well layer 7b, 100% for the electron blocking layer 8, and p-type cladding layer 9 Is 40%.
  • FIGS. 9 (a) and 9 (b) show the wavelength dependence of the emission intensity LI on the vertical axis expressed in a linear scale and a logarithmic scale, respectively.
  • each forward current If of the example and the comparative example is 60 mA.
  • FIG. 10A shows the characteristic of the light emission output P with respect to the forward current If
  • FIG. 10B shows the characteristic obtained by normalizing the measurement result of the example with the measurement result of the comparative example with respect to the same measurement result.
  • FIG. 11 shows current-voltage characteristics of the forward voltage Vf and the forward current If.
  • the measurement result of the example is indicated by a solid line or a black square mark ( ⁇ )
  • the measurement result of the comparative example is indicated by a broken line or a white circle mark ( ⁇ ).
  • the light emission intensity LI of the example is significantly higher than that of the comparative example on the shorter wavelength side than the light emission center region, and the peak light emission wavelength is also slightly shorter.
  • the peak wavelength of the comparative example was about 307.0 nm, and the emission intensity LI was about 252.5 [arbitrary unit].
  • the peak wavelength of the example was about 304.6 nm, and the emission intensity LI was about 301.0 [arbitrary unit]. From the above measurement results, it was confirmed that the external quantum efficiency was improved over the entire emission wavelength region.
  • the light emission output P of the example increased from the comparative example regardless of the forward current If, and it was confirmed that the external quantum efficiency was improved.
  • the external quantum efficiency of the example is improved compared to the comparative example, but the area of the p-type contact layer 10 is one third of that of the comparative example and the ohmic contact area is reduced. Since the parasitic resistance on the side is high, the forward voltage Vf is higher in the embodiment as shown in FIG.
  • the forward current If is 60 mA
  • the light emission output P and the forward voltage Vf are measured and expressed as a ratio of the light emission output P to the power (forward voltage Vf ⁇ forward current If) injected into the light emitting element.
  • the results of calculating the conversion efficiency E are shown in the list of FIG.
  • p-type GaN was used as the p-type contact layer 10 in both the example and the comparative example, and 67% was used as the aperture ratio in the example.
  • the patterns of the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 three types were prepared with the same aperture ratio, and Examples 1 to 3 were used.
  • Example 1 is a grid
  • the pattern of Example 2 is a comb-shaped pattern shown in FIG.2 (c)
  • the pattern of Example 3 is a figure. It is a dot pattern shown in 2 (d).
  • the average light emission output P of the three samples of the comparative example was 5.85 mW, the forward voltage Vf was 6.23 V, and the efficiency E was 1.57%, whereas the average of the three samples of Example 1 Emission power P of 7.55 mW, forward voltage Vf is 7.41 V, conversion efficiency E is 1.70%, average light emission output P of the three samples of Example 2 is 7.61 mW, and forward voltage Vf. Is 7.90 V, the conversion efficiency E is 1.61%, the average light emission output P of the three samples of Example 3 is 7.70 mW, the forward voltage Vf is 7.81 V, and the conversion efficiency E is 1.64%. Met.
  • the ratio of the light emission output P to the comparative example was 129% in Example 1, 130% in Example 2, and 132% in Example 3.
  • the ratio of the forward voltage Vf to the comparative example was 119% in Example 1, 127% in Example 2, and 125% in Example 3.
  • the conversion efficiency E is higher in Examples 1 to 3 than in the comparative example.
  • the patterns of the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 are different in Examples 1 to 3, but the aperture ratio is the same, there is no significant difference in the light emission output P and the forward voltage Vf.
  • the light emission output P tends to be better in the third embodiment, and the conversion efficiency E tends to be better in the first embodiment.
  • 67% is used as the aperture ratio.
  • the forward voltage Vf is the same, the light emission output P naturally increases and the forward voltage Vf increases as the aperture ratio increases.
  • the aperture ratio is Larger is more advantageous.
  • the aperture ratio becomes too large, the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 cannot be patterned, and the forward voltage Vf may increase beyond the practical range. There is an upper limit according to the structure, manufacturing process, electrical specifications, etc.
  • the electrode structure on the p electrode 12 side is improved by a novel p electrode structure in which the structure having the opening 11 of the p-type contact layer 10 and the p electrode 12 and the reflective metal layer 14 are combined.
  • the external quantum efficiency can be improved.
  • the forward voltage Vf increases with the improvement of the external quantum efficiency.
  • an embodiment will be described in which an increase in the forward voltage Vf generated on the p electrode 12 side is reduced on the n electrode 13 side.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional structure of the element 20 of the present invention in the second embodiment.
  • the element 20 of the present invention includes an n-type contact layer 21 on the n-type cladding layer 6 in the second region R2, and an n-electrode 13 is formed on the n-type contact layer 21.
  • the n-electrode structure including the base structure and the peripheral structure of the n-electrode 13 is characteristic, and is different from the element 1 of the present invention of the first embodiment shown in FIG. Is the same as the element 1 of the present invention.
  • the n-type contact layer 21 has an AlN mole fraction in the range of 0% to 60% (preferably in the range of 0% to 40%, more preferably in the range of 0% to 25%). The value is smaller than the AlN mole fraction of 6.
  • the difference in AlN mole fraction between the n-type contact layer 21 and the n-type cladding layer 6 is preferably 10% to 20% or more, and more preferably, the n-type contact layer 21 is made of n-type GaN (AlN mole fraction). The rate is preferably 0%).
  • an amorphous SiO 2 film 22 serving as a mask for selective growth is formed by electron beam evaporation or sputtering. Is deposited to a thickness of 200 nm on the entire surface of the substrate by a well-known deposition method such as a chemical vapor deposition (CVD) method or the like, and is deposited in a second region of the SiO 2 film 22 deposited by a well-known photolithography technique and etching method. An opening 23 is formed in the part.
  • CVD chemical vapor deposition
  • an n-type GaN n-type contact layer 21 is selectively grown on the surface of the n-type cladding layer 6 exposed at the bottom of the opening 23 by an epitaxial growth method.
  • n-type AlGaN Al molar fraction> 0
  • a polycrystalline n-type AlGaN 24 is formed on the SiO 2 film 22 as shown in FIG. accumulate.
  • the SiO 2 film 22 is amorphous, and the surface thereof has few dangling bonds that adsorb GaN molecules, so that the surface of the n-type contact layer 21 (crystal In addition, the adsorption energy is extremely small as compared to the surface), and the migration of GaN molecules is large. Therefore, the GaN molecules grow exclusively on the surface of the n-type contact layer 21 having a large adsorption energy, and may be polycrystalline on the SiO 2 film 22. Does not grow.
  • the n-type contact layer 21 is in the case of n-type AlGaN is less migration AlN molecules as compared to GaN molecules, have high adhesion to the upper SiO 2 film 22, the SiO 2 film 22 A polycrystal having a composition containing AlN is deposited on the surface.
  • the SiO 2 film 22 is removed by wet etching using hydrofluoric acid or the like.
  • the n-type contact layer 21 is an n-type AlGaN is SiO 2 film
  • n-type AlGaN24 polycrystalline grown on 22 is removed together with the SiO 2 film 22.
  • the same procedure as described in the first embodiment is performed on the n-type contact layer 21.
  • the n-electrode 13 is formed, the p-electrode 12 is subsequently formed on the surface of the p-type contact layer 10, and the first region is further covered so as to cover the p-electrode 12 and the p-type cladding layer 9 exposed in the opening 11.
  • a reflective metal layer 14 is formed on substantially the entire surface of R1.
  • the effect of providing the n-type contact layer 21 will be described.
  • the case where the AlN mole fraction of the n-type cladding layer 6 is 60% is exemplified, but when the emission center wavelength is shorter than 280 nm, for example, in the vicinity of 250 nm, the n-type cladding layer 6
  • the AlN mole fraction increases to about 75%.
  • the contact resistance between the n-type cladding layer 6 made of an n-type AlGaN-based semiconductor layer and the n-electrode 13 mainly composed of Al tends to increase as the AlN molar fraction of the n-type cladding layer 6 increases.
  • Non-Patent Document 2 The increase in the contact resistance leads to an increase in the forward voltage Vf applied between the p electrode and the n electrode, an increase in power consumption, and a decrease in element lifetime due to an increase in the amount of heat generated by the light emitting element due to Joule heat. There is a risk of inviting.
  • n-type GaN or n-type contact layer 21 is used.
  • n-type AlGaN having a low AlN mole fraction an increase in contact resistance with the n-electrode 13 is avoided, so that a high forward voltage Vf is suppressed and a low-voltage operation is possible.
  • FIG. 18 shows the contact resistance ⁇ C between the n-type Al x Ga 1-x N layer (Ti / Al / Ti / Au: the lowermost layer is Ti and the uppermost layer is Au) and the n-type AlGaN layer.
  • the relationship between (unit: ⁇ cm 2 ) and heat treatment temperature T (unit: ° C.) was measured for five types of AlN molar fraction x of 0%, 25%, 40%, 60% and 75% of the n-type AlGaN layer. The results are shown. Each point shown in FIG.
  • the contact resistance was measured by a known TLM (Transmission Line Model) method.
  • the heat treatment temperature was set in the range of 450 ° C. to 1000 ° C., and the sample having an AlN molar fraction x of 0% was also measured even when no heat treatment was performed.
  • the sample with an AlN molar fraction x of 0% had the same contact resistance when no heat treatment was performed and when the heat treatment temperature was 450 ° C.
  • the sample having an AlN molar fraction x of 75% has an average contact resistance higher than that of a sample having an AlN molar fraction x of 60% at a heat treatment temperature of 950 ° C. When no contact is formed and the heat treatment temperature is 900 ° C. or lower, ohmic contact is not obtained. Furthermore, the sample with an AlN molar fraction x of 75% has a large variation in contact resistance, and a contact resistance that is two orders of magnitude higher is also measured.
  • the contact resistance of the n-electrode 13 is reduced and the heat treatment temperature is increased. Both can be reduced simultaneously.
  • the n-electrode 13 is formed directly on the n-type cladding layer 6, when the AlN molar fraction of the n-type cladding layer 6, at which the contact resistance of the n-electrode 13 is extremely large, exceeds 60%, the above The effect is remarkable.
  • the n-type contact layer 21 is formed of n-type AlGaN. 18, the contact resistance with the n-electrode 13 depends on the heat treatment temperature based on the measurement result shown in FIG. 18, and thus the heat treatment is performed to reduce the contact resistance.
  • the n-electrode 13 is formed on the n-type AlGaN n-type cladding layer 6.
  • the p-electrode 12 and the reflective metal layer 14 are formed after the n-electrode 13 is formed, but the n-electrode 13 is formed after the p-electrode 12 is formed. Also good.
  • the heat treatment temperature can be lowered to 450 ° C., or the heat treatment can be omitted. It is possible to eliminate an adverse effect due to heat treatment during the formation of the n-electrode 13 as post-processing.
  • FIG. 19 shows the experimental results of measuring the difference in the forward voltage Vf of the comparative example (comparative example 1) in which is directly formed.
  • Comparative Example 1 the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 are formed on almost the entire surface of the p-type cladding layer 9 as in the comparative example used in the comparative experiment of the first embodiment. A sample without the reflective metal layer 14 was used.
  • Example 4 also forms the p-type contact layer 10 and the p-electrode 12 on almost the entire surface of the p-type cladding layer 9 as in Comparative Example 1, A sample without the reflective metal layer 14 was used.
  • the p-type contact layer 10 of Example 4 and Comparative Example 1 is formed of p-type GaN, the AlN molar fraction of the n-type cladding layer 6 is 75%, and the n-type contact layer 21 of Example 4 is n-type GaN. Formed. Further, the plan view patterns of the n-type contact layer 21 of Example 4 and Comparative Example 1 are all the same as those shown in FIGS. 12B to 12D.
  • the forward voltage Vf is greatly improved (lowered) by providing the n-type contact layer 21 in the element 20 of the present invention.
  • the increase in the forward voltage Vf due to the p-electrode structure employed in the first embodiment is mitigated or offset by the n-electrode structure employed in the second embodiment, and the effect of improving the external quantum efficiency in this embodiment is This is also exhibited in a shorter wavelength region.
  • the n-type contact layer 21 is provided over a wide range on the exposed surface of the n-type cladding layer 6 in the second region R2, and the n-electrode 13 is formed on the n-type contact layer 21. It has been explained that the forward voltage Vf is reduced.
  • the third embodiment an embodiment in which the external quantum efficiency is improved not only in the p electrode structure portion but also in the n electrode structure portion will be described.
  • FIG. 20 shows a cross-sectional structure of the element 30 of the present invention in the third embodiment.
  • the element 30 of the present invention includes an n-type contact layer 21 on a part of the n-type cladding layer 6 in the second region R2, and an n-electrode 13 is formed on the n-type contact layer 21.
  • a reflective metal layer 31 similar to the reflective metal layer 14 is formed on the surface of the n-type clad layer 6 and the n-electrode 13 that are not covered with the n-type contact layer 21, that is, the n
  • the n-electrode structure including the underlying structure and the peripheral structure of the electrode 13 is characterized, and is different from the element 1 of the present invention of the first embodiment shown in FIG. 1 in the n-electrode structure, and the other parts are elements of the present invention. Same as 1.
  • the inventive element 30 is different from the inventive element 20 of the second embodiment in that it includes a reflective metal layer 31.
  • the n-type contact layer 21 and the n-electrode 13 are exactly the same as those in the second embodiment except that the shape and area of the plan view pattern are different.
  • FIG. 21A shows an example of a plan view pattern of the n-type contact layer 21 and the n-electrode 13 of the element 30 of the present invention.
  • an n-type contact layer 21 (cross hatched portion in the drawing) is formed along the outer periphery of the first region R1, and an n-electrode 13 is formed thereon.
  • FIG. 21B shows a plan view pattern of the n-type contact layer 21 and the n-electrode 13 employed in the elements 1 and 20 of the present invention of the first and second embodiments.
  • the reflective metal layer 31 of the element 30 of the present invention has, for example, the same plan view pattern as the n electrode 13 of the elements 1 and 20 of the present invention.
  • FIGS. 21A and 21B the description of the p-type contact layer 10, the opening 11, and the p-electrode 12 is omitted.
  • a method for manufacturing the reflective metal layer 31 will be described.
  • a photoresist (not shown) that becomes an inversion pattern of the reflective metal layer 31 is formed on the entire surface of the substrate, and on that, Then, an Al / Ti / Au three-layer metal film to be the reflective metal layer 31 is deposited by an electron beam evaporation method, the photoresist is removed by lift-off, and the three-layer metal film on the photoresist is peeled off.
  • a reflective metal layer 31 is formed on substantially the entire surface of the second region so as to cover the n electrode 13 (or at least a part of the n electrode 13).
  • the film thickness of the Al / Ti / Au three-layer metal film is, for example, 100 nm / 100 nm / 200 nm in the order of description, similarly to the reflective metal layer 14 having a p-electrode structure. Since the reflective metal layer 31 formed directly on the n-type cladding layer 6 without covering the n-electrode 13 mainly contains Al that reflects ultraviolet rays, it is reflected from the sapphire substrate 2 side and passes through the n-type cladding layer 6. The light that reaches the second region on the surface of the n-type cladding layer 6 is reflected again toward the sapphire substrate 2 side. Note that the reflective metal layer 31 is not heat-treated.
  • the Al layer in the reflective metal layer 31 is not melted by the heat treatment, the function of reflecting ultraviolet rays is maintained well. Further, since the reflective metal layer 31 is in ohmic contact with the n electrode 13, it can be used as an electrode pad for wire bonding or flip chip bonding around the chip.
  • the reflective metal layer 14 and the reflective metal layer 31 need not have the same composition and structure.
  • one may be an Al single layer film and the other may be a three-layer film of Al / Ti / Au.
  • the reflective metal layer 14 is formed after the p-electrode 12 is formed, but the two reflective metal layers 14 and 31 may be formed simultaneously after the p-electrode 12 is formed.
  • the embodiment in which the n-electrode 13 and the reflective metal layer 31 are separately formed has been described.
  • FIG. it is also a preferred embodiment that the n-electrode 13 is formed not only on the n-type contact layer 21 but also on the n-type cladding layer 6 not covered with the n-type contact layer 21.
  • the AlN molar fraction of the n-type contact layer 21 is preferably 25% or less, and the heat treatment temperature when forming the n-electrode 13 is preferably suppressed to 600 ° C. or less.
  • the n-type contact layer 21 is formed of n-type GaN and the heat treatment is omitted.
  • the contact resistance between the n-electrode 13 and the n-type contact layer 21 is suppressed to form a good ohmic contact, and the Al layer in the n-electrode 13 is not melted by the heat treatment.
  • the n-electrode 13 can exhibit the function of reflecting ultraviolet rays well.
  • the light emission output P of the element 30 of the present invention is On average, the light emission output P of the inventive element 20 is improved by about 20% or more.
  • the forward voltage Vf there is no great difference in the forward voltage Vf between the element 30 of the present invention and the element 20 of the present invention. From this result, it can be seen that it is sufficient to form the n-type contact layer 21 along the outer periphery of the first region R1. In the element 30 of the present invention, the light emission output P is higher than that of the element 20 of the present invention.
  • the chip size can be reduced by minimizing the area of the n-type contact layer 21 without providing the reflective metal layer 31.
  • the chip size can be reduced to about 640 ⁇ m ⁇ 480 ⁇ m, and the first region R1 has 50% or more of the chip area. Can be occupied.
  • the reflective metal layer 14 may be formed after depositing a transparent insulating film 15 such as SiO 2 , AlN, or HfO 2 that transmits ultraviolet rays (in particular, ultraviolet rays in the emission wavelength region).
  • a transparent insulating film 15 such as SiO 2 , AlN, or HfO 2 that transmits ultraviolet rays (in particular, ultraviolet rays in the emission wavelength region).
  • the SiO 2 film 22 in the opening 11 of the p-type contact layer 10 is not completely removed because the SiO 2 film 22 transmits light emitted from the active layer 7. May remain in the opening 11.
  • the opening 11 is formed by forming the p-type contact layer 10 on the entire surface of the p-type cladding layer 9 and then removing a part thereof by reactive ion etching or the like.
  • a mask for selective growth of SiO 2 or the like is formed in a portion to be the opening 11 on the p-type cladding layer 9, and then a p-type contact layer 10 of p-type GaN is selected on the p-type cladding layer 9.
  • a mask portion for selective growth may be formed as the opening 11 by growth.
  • the reflective metal layer 14 can be formed on the mask portion without removing the mask portion by using an insulating film that transmits ultraviolet rays such as SiO 2 .
  • FIG. 24 shows the dependency of the AlN mole fraction on the current-voltage characteristics indicating the contact resistance characteristics at the interface between the p-electrode and p-type AlGaN used in this embodiment.
  • the current value on the vertical axis in FIG. 24 is a relative value. It can be seen that p-type GaN with an AlN molar fraction of 0% shows good ohmic characteristics with low resistance.
  • p-type AlGaN having an AlN molar fraction of 9.5% shows a varistor-like non-linear current-voltage characteristic, but it shows a low-resistance non-rectifying resistance characteristic when a voltage of 1 V or higher is applied. I understand.
  • p-type AlGaN having an AlN molar fraction of 19.3% is not practical because its resistance value is 30 times higher than that of p-type GaN.
  • p-type AlGaN having an AlN molar fraction of 32.8% has a resistance value that is about four orders of magnitude higher than that of p-type GaN and cannot be used.
  • the n-electrode 13 formed on the n-type cladding layer 6 is formed in the same manner as the element structure of the conventional light emitting diode shown in FIG. 26.
  • the plan view shape of the n-electrode 13 is a pattern in which a part of the surface of the n-type cladding layer 6 is exposed, and the exposed surface of the n-type cladding layer 6 and the n-electrode 13 are It is also preferable to form a reflective metal layer 16 similar to the reflective metal layer 14.
  • the reflective metal layer 16 in addition to the reflective metal layer 14, for example, the light that is reflected from the sapphire substrate 2 side and passes through the n-type cladding layer 6 and reaches the second region R 2 on the surface of the n-type cladding layer 6. Is reflected again toward the sapphire substrate 2 side, so that the external quantum efficiency is further improved.
  • the reflective metal layer 14 and the reflective metal layer 16 need not have the same composition and structure.
  • one may be an Al single layer film and the other may be a three-layer film of Al / Ti / Au.
  • the reflective metal layer 14 and the reflective metal layer 16 are formed after the p-electrode 12 is formed, but the order of forming the two reflective metal layers 14 and 16 is not particularly limited, and may be formed simultaneously.
  • the element of the present invention is a light-emitting diode.
  • an n-electrode is directly formed on an n-type cladding layer made of n-type AlGaN.
  • the contact resistance of the n electrode is increased, the contact resistance of the n electrode is reduced by providing an n-type contact layer having a small AlN mole fraction on the n-type cladding layer, as in the above embodiment.
  • the same electrical characteristics can be improved.
  • the template 5 shown in FIG. 1 is taken as an example of the template constituting the element 1 of the present invention.
  • the template 5 is not limited to the template 5, and for example, the AlN layer 3 is shown in FIG.
  • the ELO-AlN layer shown may be used, the AlGaN layer 4 may be omitted, and another substrate may be used instead of the sapphire substrate 2.
  • the film thickness and AlN molar fraction of each layer of AlGaN or GaN constituting the element 1 of the present invention exemplified in the above embodiment are examples, and can be appropriately changed according to the specifications of the element.
  • the electronic block layer 8 was provided was illustrated in the said embodiment, the electronic block layer 8 does not necessarily need to be provided.
  • each electrode and reflective metal layer are not limited to those described above.
  • the electrode material of the p-electrode 12 and the n-electrode 13 is ohmic contact (or non-rectification with low contact resistance) between the p-type contact layer 10, the n-type cladding layer 6, or the n-type contact layer 21 that is the respective underlying layer. Any metal material that can be made in contact) may be used, and does not necessarily have the multilayer structure described above.
  • the layer structure may be alloyed by heat treatment.
  • the n-electrode 13 preferably contains a metal that reflects ultraviolet rays, for example, Al as a main component as described above.
  • the n electrode 13 has exemplified the case where Ti is used as a metal material (adhesive layer) for enhancing the adhesiveness with the n-type cladding layer 6 or the n-type contact layer 21, but Cr is used instead of Ti.
  • the reflective metal layers 14 and 31 need to contain a metal that reflects ultraviolet rays, for example, Al as a main component, but do not necessarily have ohmic contact with the base layer.
  • the reflective metal layer 14 when the reflective metal layer 14 is formed, the reflective metal layer 14 is formed on the substantially entire surface of the first region so as to cover the p-electrode 12, but the reflective metal layer 14 is formed on the first region.
  • the active layer 7 to the p-type contact layer 10 are also formed on the side wall surface of the laminate. In this case, in order to prevent each layer of the laminate from being electrically short-circuited, it is necessary to form a sidewall insulating film with SiO 2 or the like between the sidewall surface of the laminate and the reflective electrode 14.
  • the side wall insulating film is formed by depositing an insulating film such as SiO 2 over the entire surface of the substrate and removing the insulating film deposited by anisotropic etching, so that the side wall surface of the stacked body is removed.
  • the insulating film remaining in the wall shape is formed as a sidewall insulating film.
  • a photoresist that is an inverted pattern of the reflective metal layer 14 is formed on the entire surface of the substrate so as not to cover the sidewall insulating film, and the material film of the reflective metal layer 14 is deposited as described above. Through the lift-off of the photoresist, a reflective metal layer 14 that covers the side wall surface of the laminate is formed.
  • the reflective metal layer 31 when the reflective metal layer 31 is formed, the reflective metal layer 31 is formed on the substantially entire surface of the second region so as to cover the n-electrode 13, but the reflective metal layer 31 is formed on the first region.
  • the active layer 7 to the p-type contact layer 10 are also formed on the side wall surface of the laminate. In this case, in order to prevent each layer of the laminate from being electrically short-circuited, it is necessary to form a sidewall insulating film of SiO 2 or the like between the sidewall surface of the laminate and the reflective metal layer 31.
  • the formation of the side wall insulating film and the reflective metal layer 31 is the same as in the above ⁇ 8>, and thus a duplicate description is omitted.
  • the nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device according to the present invention can be used for light-emitting diodes, laser diodes and the like having an emission center wavelength of about 355 nm or less, and is effective in improving external quantum efficiency.

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Abstract

　ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層と、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を少なくとも積層してなる窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｐ型クラッド層上に前記活性層から発光される紫外光を吸収するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層が前記ｐ型クラッド層表面まで貫通する開口部を有し、前記ｐ型コンタクト層上に前記ｐ型コンタクト層とオーミック接触または非整流性接触するｐ電極金属層が、前記開口部を完全に遮蔽しないように形成され、少なくとも前記開口部上に前記紫外光を反射する反射金属層が形成され、前記反射金属層が、前記開口部を通して露出した前記ｐ型クラッド層表面を、直接または前記紫外光を透過する透明絶縁層を介して覆っている。

Description

窒化物半導体紫外線発光素子
　本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等に利用される発光中心波長が約３５５ｎｍ以下の窒化物半導体紫外線発光素子に関し、特に、外部量子効率の改善技術に関する。
　従来から、ＧａＮ系窒化物半導体はＧａＮや比較的ＡｌＮモル分率（ＡｌＮ混晶比率またはＡｌ組成比とも呼ばれる。）の小さいＡｌＧａＮ層をベースとして、その上に多層構造から成る発光素子や受光素子が作製されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。図２６に、典型的な従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を示す。図２６に示す発光ダイオードは、サファイア基板１０１上に、ＡｌＮからなる下地層１０２を形成し、周期的な溝構造をフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングで形成した後に、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）－ＡｌＮ層１０３を、テンプレートとして形成し、当該ＥＬＯ－ＡｌＮテンプレート１０３上に、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層１０４、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５、ＡｌＮモル分率が多重量子井戸活性層１０５より大きい膜厚が２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層１０６、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層１０７、膜厚が２０ｎｍのｐ型ＧａＮのコンタクト層１０８を順番に積層した積層構造を有している。多重量子井戸活性層１０５は、膜厚２ｎｍのＧａＮ井戸層を膜厚８ｎｍのＡｌＧａＮバリア層で挟んだ構造を５層積層した構造を有している。結晶成長後、ｎ型クラッド層１０４の一部表面が露出するまで、その上の多重量子井戸活性層１０５、電子ブロック層１０６、ｐ型クラッド層１０７、及び、ｐ型コンタクト層１０８をエッチング除去し、ｐ型コンタクト層１０８の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１０９が形成され、露出したｎ型クラッド層１０４の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１１０が形成されている。ＧａＮ井戸層をＡｌＧａＮ井戸層として、ＡｌＮモル分率や膜厚を変化させることにより発光波長の短波長化を行い、或いは、Ｉｎを添加することで発光波長の長波長化を行い、波長２００ｎｍから４００ｎｍ程度の紫外領域の発光ダイオードが作製できる。半導体レーザについても類似の構成で作製可能である。
　活性層から出射される光は、全方向に、つまりｎ型クラッド層側とｐ型クラッド層側の夫々に進行するため、ｎ型クラッド層を透過した光を裏面側から取り出す窒化物半導体発光素子では、ｐ型クラッド層側に進行する光の少なくとも一部が、ｐ型コンタクト層で吸収されずにｐ電極との界面に到達し、当該界面で反射すれば、当該反射光はｎ型クラッド層側に進行して有効に利用される。ｐ型クラッド層側に進行した光が反射してｎ型クラッド層側に高効率で戻るようにすることで、窒化物半導体発光素子から取り出される光の量が増えるため、素子の外部量子効率が向上する。
　ｐ型クラッド層側に進行する光を効率的に反射させることで外部量子効率を改善する試みが、下記の特許文献１、特許文献２及び非特許文献３に開示されている。
　特許文献１に開示された技術では、ｐ型コンタクト層の上に当該ｐ型コンタクト層と電気的に接続するｐ電極を、開口部を有するメッシュ状に形成し、開口部内に露出したｐ型コンタクト層とｐ電極上に銀、Ａｌ等の金属を用いた反射層を形成し、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を透過した光が開口部内に形成された反射層で活性層側に反射する構造とし、外部量子効率の向上が図られている。
　特許文献２に開示された技術では、ｐ型窒化物半導体層上に当該ｐ型窒化物半導体層とオーミック接触する開口部を有するメッシュ状の高反射性金属層を設け、更に、開口部に露出したｐ型窒化物半導体層上及び高反射性金属層上に、高反射性金属層の反射作用を補助する金属バリア層を設け、ｐ型窒化物半導体層を透過した光が高反射性金属層及び金属バリア層との界面で反射する構造とし、外部量子効率の向上が図られている。
　非特許文献３に開示された技術では、ｐ型窒化物半導体層上に当該ｐ型窒化物半導体層とオーミック接触するナノピクセル型のＰｄ電極を設け、更に、Ｐｄ電極間の間隙にＡｌ反射層を形成し、ｐ型窒化物半導体層を透過した光が間隙内に形成された反射層で活性層側に反射する構造とし、外部量子効率の向上が図られている。
特開２００８－６６７２７号公報 特開２００５－２１００５１号公報
Ｋｅｎｔａｒｏ　Ｎａｇａｍａｔｓｕ，ｅｔａｌ．，"Ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ＡｌＧａＮ－ｂａｓｅｄ　ＵＶ　ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ　ｏｎ　ｌａｔｅｒａｌｌｙ　ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ　ＡｌＮ"，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ，２００８，３１０，ｐｐ．２３２６－２３２９ Ｓｈｉｇｅａｋｉ　Ｓｕｍｉｙａ，ｅｔａｌ．，"ＡｌＧａＮ－Ｂａｓｅｄ　Ｄｅｅｐ　Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅｓ　Ｇｒｏｗｎ　ｏｎ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ＡｌＮ／Ｓａｐｐｈｉｒｅ　Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７，　Ｎｏ．１，　２００８，ｐｐ．４３－４６ Ｎ．Ｌｏｂｏ，ｅｔａｌ．，"Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｎａｎｏｐｉｘｅｌ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｉｔｈ　Ａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ"，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　９６，　０８１１０９，　２０１０
　窒化物半導体紫外線発光素子は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間に活性層（発光層）を挟持したダブルヘテロ構造を備え、発光波長は活性層のバンドギャップエネルギ（禁制帯幅）で定まり、各クラッド層を構成するＡｌｘＧａ１－ｘＮのＡｌＮモル分率ｘは、活性層より大きく設定されている。従って、発光波長の短波長化により、各クラッド層のＡｌＮモル分率は大きくなる。例えば、発光中心波長が２８０ｎｍ付近の場合では、各クラッド層のＡｌＮモル分率は６０％程度となり、発光中心波長が２５０ｎｍ付近の場合では、各クラッド層のＡｌＮモル分率は７５％程度となる。
　ＡｌＧａＮ層からなるｐ型及びｎ型クラッド層の各ＡｌＮモル分率が大きくなると、ｐ電極及びｎ電極との低抵抗でのオーミック接触が困難となる。特に、ｐ型クラッド層は、ＡｌＮモル分率が１０％を超えて大きくなると高抵抗化が顕著となる。このため、窒化物半導体紫外線発光素子では、通常、ｐ型クラッド層上に直接ｐ電極を形成するのではなく、図２６に示すように、ｐ電極と低抵抗でオーミック接触可能なｐ型ＧａＮ等のｐ型コンタクト層をｐ型クラッド層上に形成し、ｐ型コンタクト層上にｐ電極を形成することが行われている。
　上記特許文献１、特許文献２及び非特許文献３に開示された外部量子効率の改善技術では、何れも、発光素子を構成する窒化物半導体層の最上層を構成するｐ型窒化物半導体層上に当該ｐ型窒化物半導体層とオーミック接触する一部が開口した金属電極を設けている。最上層を構成するｐ型窒化物半導体層は、活性層の上方全面に形成されているため、その上部に形成された反射層や高反射性金属層で活性層からの発光を反射するには、発光が当該ｐ型窒化物半導体層で吸収されないことが必要である。
　しかしながら、金属電極がｐ型窒化物半導体層と良好なオーミック接触するためには、最上層がｐ型ＧａＮ或いはＡｌＮモル分率が１０％未満である必要がある。特に、ｐ型ＧａＮを使用することの必要性に関しては、上記特許文献１に記載があり、非特許文献３では、最上層のｐ型窒化物半導体層としてｐ型ＧａＮを用いた実施例が記載されている。この場合、活性層からの発光波長が約３５５ｎｍ以下、更に短波長の場合、活性層からの発光が最上層のｐ型窒化物半導体層で吸収されるため、発光が反射層や高反射性金属層に到達せず、仮に一部が到達しても、反射した光が再度ｐ型窒化物半導体層を通過する際に吸収されるため、有効に利用されず外部量子効率は改善されない。従って、上記特許文献１、特許文献２及び非特許文献３等に開示された外部量子効率の改善技術は、発光波長が約３５５ｎｍ以下の発光素子には有効な技術とは言えない。
　本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光中心波長が約３５５ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子の外部量子効率の向上を図ることにある。
　上記目的を達成するために、本発明は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層と、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を少なくとも積層してなる窒化物半導体紫外線発光素子であって、前記ｐ型クラッド層上に前記活性層から発光される紫外光を吸収するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層が前記ｐ型クラッド層表面まで貫通する開口部を有し、前記ｐ型コンタクト層上に前記ｐ型コンタクト層とオーミック接触または非整流性接触するｐ電極金属層が、前記開口部を完全に遮蔽しないように形成され、少なくとも前記開口部上に前記紫外光を反射する反射金属層が形成され、前記反射金属層が、前記開口部を通して露出した前記ｐ型クラッド層表面を、直接または前記紫外光を透過する透明絶縁層を介して覆っていることを第１の特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
　尚、本発明では、ＡｌＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘはＡｌＮモル分率、０≦ｘ≦１）で表わされる３元（または２元）加工物を基本とし、そのバンドギャップエネルギがＧａＮ（ｘ＝０）のバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶ）以上の３族窒化物半導体であり、当該バンドギャップエネルギに関する条件を満たす限りにおいて、微量のＩｎが含有されている場合も含まれる。
　上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層から出射されｐ型クラッド層を通過した中心発光波長が３５５ｎｍ以下の紫外光の一部は、ｐ型コンタクト層の開口部に入射し、当該ｐ型コンタクト層で吸収されることなく確実に反射金属層に到達して反射されるため、当該反射光を有効に利用でき、外部量子効率の向上が図れる。
　更に、ｐ型コンタクト層とｐ電極金属層はオーミック接触または非整流性接触しているため、ｐ電極金属層からｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層を経由して活性層に至る電流経路が確保される。本願発明者は、ｐ型コンタクト層が活性層の上方全面に形成されなくても上記電流経路が十分に確保され、良好に発光することを後述する実施例により確認している。中心発光波長が３５５ｎｍ以下の窒化物半導体紫外線発光素子では、ｐ型クラッド層のＡｌＮモル分率が１０％を超えて高くなり、ｐ電極金属層と低抵抗でオーミック接触或いは非整流性接触できないため、ｐ電極金属層とオーミック接触または非整流性接触可能なｐ型コンタクト層を設ける意義が生じる。
　更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｐ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上１０％未満であることが好ましい。ｐ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上１０％未満であれば、ｐ電極金属層との間で、オーミック接触または低抵抗での非整流性接触が可能となる。特に、ＡｌＮモル分率が０％のｐ型ＧａＮを使用することで、低抵抗で良好なオーミック接触が可能となる。
　更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記反射金属層が少なくとも前記開口部上と前記ｐ電極金属層上に形成されていることが好ましい。反射金属層をｐ電極金属層上にも形成することで、ｐ電極金属層が離散的に形成される場合に、当該離散的なｐ電極金属層を相互に接続して一体のｐ電極として機能させることができる。
　更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記反射金属層が、Ａｌ、或いは、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることが好ましい。
　更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｐ型コンタクト層と前記開口部の合計面積に対する前記開口部の面積の比率が６６％以上であることが好ましい。当該比率が高いほど、反射される光が多くなるため、外部量子効率が高くなるが、ｐ電極側の寄生抵抗が高くなり、順方向電圧が高電圧化するため、当該比率が高くなり過ぎると発光素子のアノードとカソード間に入力される電力に対する発光効率が低下する場合があり得る。当該が６６％では、実用的な順方向電圧が実現可能な範囲で、発光効率が低下することなく、外部量子効率の向上が図れる。尚、当該比率の上限は、発光素子に順方向電圧を印加するためにｐ電極金属層として一定の面積を確保する必要から、当該面積及び実用的な順方向電圧が実現可能な範囲に応じて１００％未満の所定値に決定される。
　更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｎ型クラッド層上の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域に、前記活性層、前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型コンタクト層、及び、前記反射金属層が形成され、前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層が形成され、前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さく、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触または非整流性接触するｎ電極が前記ｎ型コンタクト層上に形成されていることを第２の特徴とする。
　上記第２の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ｎ型クラッド層とｎ電極の間に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内でｎ型クラッド層よりＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層が介在しているため、ｎ電極とｎ型コンタクト層間が確実にオーミック接触し、その接触抵抗が、ｎ電極とｎ型クラッド層が直接接触する場合より低下する。このため、ｎ型クラッド層とｎ電極間の寄生抵抗を抑制でき、順方向電圧の低電圧化が図れ、結果として、発光素子の低消費電力化並びに長寿命化が図れる。
　更に、上記第２の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｎ型コンタクト層が、前記第２領域内の少なくとも一部の前記ｎ型クラッド層表面上に再成長して形成されていることが好ましい。ｎ型クラッド層上に、再成長によりｎ型コンタクト層を形成することで、予めｎ型コンタクト層をｎ型クラッド層の下側に形成する必要がないため、発光を裏面側から取り出すことができる。ここで、再成長とは、下地のｎ型クラッド層の結晶成長とｎ型コンタクト層の結晶成長が連続した一連の成長でないことを意味する。
　更に、上記第２の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｎ電極が、前記紫外光を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されている場合、発光を裏面側から取り出す場合の取り出し効率の向上が図れる。同様に、ｎ電極と接続する紫外線を反射する金属を含有する反射金属層をｎ型コンタクト層の形成されていないｎ型クラッド層上に形成することで、発光を裏面側から取り出す場合の取り出し効率の向上が図れる。活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗を低下させるために、ｎ型クラッド層の第２領域の面積は或る程度必要となるが、発光を裏面側から取り出す場合に、例えば下層側の基板表面で反射した光（紫外線）をｎ型クラッド層上の第２領域のｎ電極或いは反射金属層で再反射させることで、実際に発光素子から取り出せる発光量が増加し、外部量子効率が向上する。
　更に、上記第１または第２の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記ｎ型クラッド層が、絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなる前記紫外光を透過するテンプレート上に形成されていることが好ましく、更に、前記テンプレートがＡｌＮ層を含むことが好ましい。これにより、テンプレートを有した状態で、テンプレートを通過させ裏面側から発光を取り出すことが可能となる。
　上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、従来の外部量子効率の改善技術では困難であった中心波長が約３５５ｎｍ以下の発光に対しても、外部量子効率の向上が確実に図れる。
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における積層構造を模式的に示す断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における平面構造及びｎ電極及びｐ電極の平面視パターンを模式的に示す平面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における一製造工程（ｐ型コンタクト層堆積後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における一製造工程（開口部形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における一製造工程（ｎ型クラッド層表面露出後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における一製造工程（ｎ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における一製造工程（ｐ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第１実施形態における一製造工程（反射金属層形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施例と、ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層とｐ電極を全面に設け反射金属層を備えていない比較例における発光強度の波長依存性の測定結果を示す特性図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施例と、ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層とｐ電極を全面に設け反射金属層を備えていない比較例における発光出力の順方向電流に対する特性の測定結果を示す特性図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施例と、ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層とｐ電極を全面に設け反射金属層を備えていない比較例における順方向電圧と順方向電流の電流電圧特性の測定結果を示す特性図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の３種類の実施例と、ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層とｐ電極を全面に設け反射金属層を備えていない比較例における発光強度、順方向電圧及び変換効率の測定結果を示す一覧表である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第２実施形態における積層構造を模式的に示す断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第２実施形態における一製造工程（選択成長用マスク形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第２実施形態における一製造工程（ｎ型コンタクト層選択成長後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第２実施形態における一製造工程（選択成長用マスク除去後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第２実施形態における一製造工程（ｎ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成したｎ電極とｎ型ＡｌＧａＮ層との接触抵抗と熱処理温度Ｔとｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率との間の関係の測定結果を示す特性図 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第２実施形態における一実施例とｎ型コンタクト層を備えていない比較例における順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの電流電圧特性の測定結果を示す特性図 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第３実施形態における積層構造を模式的に示す断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第３実施形態における平面構造及びｎ型コンタクト層及びｎ電極の平面視パターンを模式的に示す平面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の第３実施形態における変形例の積層構造を模式的に示す断面図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の別実施形態における積層構造の要部を模式的に示す断面図である。 ４種類の異なるＡｌＮモル分率のｐ型コンタクト層とｐ電極間の界面における電流電圧特性を示す図である。 本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の他の別実施形態における積層構造を模式的に示す断面図である。 従来のＡｌＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を模式的に示す断面図である。
　本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子（以下、適宜「本発明素子」と称する）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で使用する図面では、説明の理解の容易のために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。以下、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
　［第１実施形態］
　図１に示すように、本発明素子１は、サファイア（０００１）基板２上にＡｌＮ層３とＡｌＧａＮ層４を成長させた基板をテンプレート５として用い、当該テンプレート５上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層６、活性層７、ＡｌＮモル分率が活性層７より大きいｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層８、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層９、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層１０を順番に積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層１０には、下側のｐ型クラッド層９の表面まで貫通する開口部１１が反応性イオンエッチング等により形成されている。ｎ型クラッド層６より上部の活性層７、電子ブロック層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０の一部が、ｎ型クラッド層６の一部表面が露出するまで反応性イオンエッチング等により除去され、ｎ型クラッド層６上の第１領域Ｒ１に活性層７からｐ型コンタクト層１０までの積層構造が形成されている。活性層７は、一例として、膜厚１０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮのバリア層７ａと膜厚３．５ｎｍのＡｌＧａＮまたはＧａＮの井戸層７ｂからなる単層の量子井戸構造となっている。活性層７は、下側層と上側層にＡｌＮモル分率の大きいｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮ層で挟持されるダブルヘテロジャンクション構造であれば良く、また、上記単層の量子井戸構造を多層化した多重量子井戸構造であっても良い。
　各ＡｌＧａＮ層は、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、或いは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により形成されており、ｎ型層のドナー不純物として例えばＳｉを使用し、ｐ型層のアクセプタ不純物として例えばＭｇを使用する。尚、導電型を明記していないＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層は、不純物注入されないアンドープ層である。活性層７以外の各ＡｌＧａＮ層の膜厚は、例えば、ｎ型クラッド層６が２０００ｎｍ、電子ブロック層８が２ｎｍ、ｐ型クラッド層９が５４０ｎｍ、ｐ型コンタクト層１０が２００ｎｍである。
　ｐ型コンタクト層１０の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１２が、ｎ型クラッド層６の第１領域Ｒ１を除く第２領域Ｒ２の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１３が形成されている。更に、ｐ型コンタクト層１０の開口部１１内及びｐ電極１２上にＡｌからなる反射金属層１４が形成されている。反射金属層１４は、Ａｌ単層ではなく、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜であっても良い。ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２は、第１領域Ｒ１の一部を覆う格子状（或いはメッシュ状）、櫛状、または、ドット状（或いは島状）等のパターンに夫々加工されている。
　図２に、ｐ電極１２及びｎ電極１３の平面視パターンの一例を示す。図２（ａ）は、ｐ電極１２及びｎ電極１３が形成前の第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を示す。図２に示す本発明素子１のチップサイズは縦横夫々８００μｍであり、第１領域Ｒ１の面積は約１６８０００μｍ２である。図２（ｂ）～図２（ｄ）は、ｐ電極１２が、格子状パターン、櫛状パターン、ドット状パターンの場合を各別に示しており、ｐ電極１２の部分がクロスハッチで区別されている。
　本実施形態では、ｐ型コンタクト層１０とｐ電極１２は同じパターンで重なり合っているが、ｐ電極１２がｐ型コンタクト層１０より僅かに小さくても良い。また、ｐ電極１２がｐ型コンタクト層１０より大きく、ｐ型コンタクト層１０の段差の側面を覆っていても、開口部１１が存在している限りにおいて問題ない。第１領域Ｒ１内のｐ型コンタクト層１０を除く部分が開口部１１であるが、開口部１１内にｐ電極１２が存在する場合は、ｐ電極１２の形成されていない部分が実効的な開口部となる。
　尚、図１に示す素子構造は、図２６に示す従来の発光ダイオードの素子構造と、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２の構造及び反射金属層１４を除き、基本的に同じである。従って、本発明素子１は、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２の構造及び反射金属層１４に特徴がある。
　次に、本発明素子１の製造方法について説明する。特に、図５に示すｎ電極構造部分の製造方法について詳細に説明する。図３～図８に、主たる製造工程における工程断面図を示す。
　先ず、図３に示すように、テンプレート５、及び、ｎ型クラッド層６からｐ型コンタクト層１０までの各層は、上述のように周知の成長方法により形成される。ｐ型コンタクト層１０の形成後、アクセプタ不純物であるＭｇの活性化のため、例えば８００℃で熱処理を施す。次に、図４に示すように、周知のフォトリソグラフィ技術により、ｐ型コンタクト層１０の表面の第１領域Ｒ１の開口部１１が形成される箇所以外の部分を、例えばＮｉマスク（図示せず）で被覆し、Ｎｉマスクで被覆されていない部分のｐ型コンタクト層１０を、下地のｐ型クラッド層９が露出するまで反応性イオンエッチング等の周知の異方性エッチング法により除去して開口部１１を形成した後に、Ｎｉマスク２０を除去する。
　次に、図５に示すように、周知のフォトリソグラフィ技術により、ｐ型コンタクト層１０の表面の第１領域Ｒ１を、例えばＮｉマスク（図示せず）で被覆し、引き続き、ｎ型クラッド層６上の全面に堆積された活性層７からｐ型コンタクト層１０までの各層の第２領域Ｒ２に位置する部分を、反応性イオンエッチング等の周知の異方性エッチング法により除去し、ｎ型クラッド層６の表面が露出後に、Ｎｉマスクを除去する。
　引き続き、基板全面にｎ電極１３の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、ｎ電極１３となるＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの４層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の４層金属膜を剥離し、必要に応じて、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により熱処理を加えて、図６に示すように、ｎ型クラッド層６上にｎ電極１３を形成する。Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの４層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、２０ｎｍ／１００ｎｍ／５０ｎｍ／１００ｎｍである。
　引き続き、基板全面にｐ電極１２の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、ｐ電極１２となるＮｉ／Ａｕの２層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の２層金属膜を剥離し、ＲＴＡ等により例えば４５０℃の熱処理を加えて、図７に示すように、ｐ型コンタクト層１０の表面にｐ電極１２を形成する。Ｎｉ／Ａｕの２層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、６０ｎｍ／５０ｎｍである。
　引き続き、基板全面に反射金属層１４の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、反射金属層１４となるＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の３層金属膜を剥離し、図８に示すように、ｐ電極１２と開口部１１内に露出したｐ型クラッド層９を覆うように第１領域Ｒ１の略全面に反射金属層１４を形成する。Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、１００ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍである。尚、反射金属層１４に対しては熱処理を行わない。この結果、反射金属層１４内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、紫外線を反射する機能が良好に保持される。また、反射金属層１４は、ｐ電極１２とオーミック接触するため、ワイヤーボンディング用或いはフリップチップボンディング用等の電極パッドとして使用できる。
　次に、本発明素子１の実施例と、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２をｐ型クラッド層９上のほぼ全面に形成し、反射金属層１４を設けない図２６に例示した従来の断面構造と同様のｐ型コンタクト及びｐ電極構造を有する比較例に対して、発光強度ＬＩ（任意単位）の波長依存性と、発光出力Ｐ（単位：ｍＷ）の順方向電流Ｉｆ（単位：ｍＡ）に対する特性、順方向電圧Ｖｆ（単位：Ｖ）と順方向電流Ｉｆの電流電圧特性を測定した結果を、図９～図１１に示す。実施例及び比較例の何れもｐ型コンタクト層１０としてｐ型ＧａＮを使用した。また、実施例におけるｐ型コンタクト層１０と開口部１１の合計面積に対する開口部１１の面積の比率（開口率）として６７％を使用した。つまり、第１領域Ｒ１の約３分の１にｐ電極１２が形成されている。また、各ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率は、例えば、ｎ型クラッド層６が６０％、バリア層７ａが５０％、井戸層７ｂが３５％、電子ブロック層８が１００％、ｐ型クラッド層９が４０％である。
　図９（ａ），（ｂ）は、縦軸の発光強度ＬＩを線形スケールと対数スケールで表した波長依存性を夫々示している。但し、実施例及び比較例の各順方向電流Ｉｆは、何れも６０ｍＡである。図１０（ａ）は、発光出力Ｐの順方向電流Ｉｆに対する特性を示し、図１０（ｂ）は同じ測定結果に対して実施例の測定結果を比較例の測定結果で正規化した特性を示している。図１１は、順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの電流電圧特性を示している。各図とも、実施例の測定結果を実線または黒い四角印（■）で、比較例の測定結果を破線または白抜き丸印（○）で、夫々示している。
　図９に示す結果より、実施例の発光強度ＬＩは、発光中心領域より短波長側において顕著に、比較例より増大しており、ピーク発光波長も僅かに短波長化している。比較例のピーク波長は約３０７．０ｎｍで、発光強度ＬＩは約２５２．５［任意単位］であった。これに対して、実施例のピーク波長は約３０４．６ｎｍで、発光強度ＬＩは約３０１．０［任意単位］であった。以上の測定結果より、発光波長域全体で外部量子効率の改善が確認できた。更に、図１０に示す結果より、実施例の発光出力Ｐは、順方向電流Ｉｆに関係なく比較例より増大しており、外部量子効率の改善が確認できた。
　しかし、実施例は比較例に対し外部量子効率は向上しているが、ｐ型コンタクト層１０の面積が比較例の３分の１になり、オーミック接触面積が減少しているため、ｐ電極１２側の寄生抵抗が高くなっているため、順方向電圧Ｖｆは、図１１に示すように、実施例の方が高くなっている。
　そこで、夫々順方向電流Ｉｆが６０ｍＡの場合における、発光出力Ｐと順方向電圧Ｖｆを測定し、発光素子に注入した電力（順方向電圧Ｖｆ×順方向電流Ｉｆ）に対する発光出力Ｐの比率で表される変換効率Ｅ（ウォールプラグ効率と一般に称される）を算出した結果を、図１２の一覧表に示す。図１２に示す測定では、実施例及び比較例の何れもｐ型コンタクト層１０としてｐ型ＧａＮを使用し、更に、実施例では開口率として６７％を使用した。但し、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２のパターンとして同じ開口率で３種類用意し、実施例１～３とした。実施例１～３及び比較例として夫々３サンプルを測定し、その平均値を図１２に示す。尚、実施例１のパターンは、図２（ｂ）に示す格子状パターンであり、実施例２のパターンは、図２（ｃ）に示す櫛状パターンであり、実施例３のパターンは、図２（ｄ）に示すドット状パターンである。
　図１２より、比較例の３サンプルの平均の発光出力Ｐが５．８５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが６．２３Ｖ、効率Ｅが１．５７％であったに対し、実施例１の３サンプルの平均の発光出力Ｐが７．５５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが７．４１Ｖ、変換効率Ｅが１．７０％であり、実施例２の３サンプルの平均の発光出力Ｐが７．６１ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが７．９０Ｖ、変換効率Ｅが１．６１％であり、実施例３の３サンプルの平均の発光出力Ｐが７．７０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが７．８１Ｖ、変換効率Ｅが１．６４％であった。比較例に対する発光出力Ｐの比率は、実施例１で１２９％、実施例２で１３０％、実施例３で１３２％であった。一方、比較例に対する順方向電圧Ｖｆの比率は、実施例１で１１９％、実施例２で１２７％、実施例３で１２５％であった。実施例１～３の何れにおいても、順方向電圧Ｖｆの上昇より発光出力Ｐの上昇が上回っているため、変換効率Ｅは実施例１～３の方が比較例より高くなっている。実施例１～３ではｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２のパターンが異なるが開口率が同じであるため、発光出力Ｐ及び順方向電圧Ｖｆに大きな差は見られないが、３つの実施例１～３の中では、発光出力Ｐは実施例３が良く、変換効率Ｅでは実施例１が良いという傾向が見られる。また、本実施例では、開口率として６７％を使用したが、順方向電圧Ｖｆが同じであれば、開口率が大きくなると、当然に発光出力Ｐは増大し、順方向電圧Ｖｆも高くなる。そして、変換効率Ｅの観点からは、最適な開口率が、発光素子の構造、製造プロセス、電気的仕様等に応じて存在することになるが、外部量子効率に注目した場合は、開口率は大きい方が有利である。しかし、開口率が大きくなり過ぎると、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２のパターン加工ができなくなり、順方向電圧Ｖｆも実用的な範囲を超えて大きくなる可能性があるため、当然に発光素子の構造、製造プロセス、電気的仕様等に応じた上限が存在する。
［第２実施形態］
　上記第１実施形態では、ｐ型コンタクト層１０とｐ電極１２の開口部１１を有する構造と反射金属層１４を組み合わせた新規なｐ電極構造により、つまり、ｐ電極１２側での電極構造の改良により、外部量子効率が改善できることを説明した。しかし、図１１及び図１２に示すように、外部量子効率の改善に伴い、順方向電圧Ｖｆが上昇する。第２実施形態では、ｐ電極１２側で発生する順方向電圧Ｖｆの上昇を、ｎ電極１３側で軽減する実施形態につき説明する。
　図１３に、第２実施形態における本発明素子２０の断面構造を示す。図１３に示すように、本発明素子２０は、第２領域Ｒ２においてｎ型クラッド層６上にｎ型コンタクト層２１を備え、ｎ電極１３がｎ型コンタクト層２１上に形成されている点、つまり、当該ｎ電極１３の下地構造及び周辺構造を含むｎ電極構造に特徴があり、図１に示す第１実施形態の本発明素子１とは、当該ｎ電極構造部分において相違し、その他の部分は本発明素子１と同じである。ｎ型コンタクト層２１のＡｌＮモル分率は、０％～６０％の範囲内（好ましくは０％～４０％の範囲内、より好ましくは０％～２５％の範囲内）で、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率より小さい値とする。また、ｎ型コンタクト層２１とｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率の差は１０％乃至２０％以上であるのが好ましく、更に好ましくは、ｎ型コンタクト層２１がｎ型ＧａＮ（ＡｌＮモル分率が０％）であるのが良い。
　次に、ｎ電極構造部分の製造方法について、図１４～図１７を参照して説明する。第１実施形態で説明した図３～図５までの工程は同じであるので重複する説明は割愛する。
　第２領域Ｒ２に位置するｎ型クラッド層６の表面が露出した後、図１４に示すように、選択成長用のマスクとなる非晶質であるＳｉＯ２膜２２を、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の周知の堆積法により基板全面に膜厚２００ｎｍで堆積させ、周知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング法により、堆積したＳｉＯ２膜２２の第２領域内の一部に開口部２３を形成する。
　引き続き、図１５（ａ）に示すように、開口部２３の底部に露出したｎ型クラッド層６の表面上に、エピタキシャル成長法により、ｎ型ＧａＮのｎ型コンタクト層２１を選択成長させる。ここで、ｎ型コンタクト層２１としてｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌモル分率＞０）を使用した場合には、図１５（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜２２上に多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ２４が堆積する。ｎ型コンタクト層２１がｎ型ＧａＮの場合には、ＳｉＯ２膜２２が非晶質であり、その表面にはＧａＮ分子を吸着するダングリングボンドが少ないため、ｎ型コンタクト層２１の表面（結晶面）と比較して吸着エネルギが極めて小さく、更に、ＧａＮ分子はマイグレーションが大きいため、吸着エネルギの大きいｎ型コンタクト層２１の表面に専ら成長して、ＳｉＯ２膜２２上には多結晶としても成長しない。これに対して、ｎ型コンタクト層２１がｎ型ＡｌＧａＮの場合には、ＡｌＮ分子がＧａＮ分子と比較してマイグレーションが小さく、ＳｉＯ２膜２２上への付着性が高いため、ＳｉＯ２膜２２の表面にはＡｌＮを含む組成の多結晶が堆積する。
　引き続き、図１６に示すように、フッ酸等を用いたウェットエッチングによりＳｉＯ２膜２２を除去する。このとき、ｎ型コンタクト層２１がｎ型ＡｌＧａＮの場合には、ＳｉＯ２膜２２上に成長した多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ２４は、ＳｉＯ２膜２２とともに除去される。
　以上の要領でｎ型クラッド層６上にｎ型コンタクト層２１が形成された後は、図１７に示すように、第１実施形態において説明したものと同じ要領で、ｎ型コンタクト層２１上にｎ電極１３が形成され、引き続き、ｐ型コンタクト層１０の表面にｐ電極１２が形成され、更に引き続き、ｐ電極１２と開口部１１内に露出したｐ型クラッド層９を覆うように第１領域Ｒ１の略全面に反射金属層１４が形成される。
　次に、ｎ型コンタクト層２１を設けることの効果について説明する。第１実施形態の実施例では、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が６０％の場合を例示したが、発光中心波長が２８０ｎｍより短くなると、例えば、２５０ｎｍ付近では、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率は７５％程度まで高くなる。ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層６とＡｌを主成分とするｎ電極１３との間の接触抵抗は、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が大きくなると、増加する傾向にあり、特に６０％を超えると顕著となる（例えば、非特許文献２参照）。当該接触抵抗の増加は、ｐ電極とｎ電極間に印加する順方向電圧Ｖｆの高電圧化を招き、消費電力の増大、更には、ジュール熱による発光素子の発熱量の増加による素子寿命の低下を招く虞がある。
　しかし、本第２実施形態では、発光中心波長の短波長化に伴ってｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が６０％を超えて増加しても、ｎ型コンタクト層２１としてｎ型ＧａＮまたは低ＡｌＮモル分率のｎ型ＡｌＧａＮを使用することで、ｎ電極１３との間の接触抵抗の増大が回避されるため、順方向電圧Ｖｆの高電圧化が抑制され、低電圧動作が可能となる。
　図１８に、ｎ型ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層上に形成したｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ：最下層がＴｉ、最上層がＡｕ）とｎ型ＡｌＧａＮ層との接触抵抗ρＣ（単位：Ωｃｍ２）と熱処理温度Ｔ（単位：℃）の関係を、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率ｘが、０％、２５％、４０％、６０％、７５％の５通りについて測定した結果を示す。図１８に示す各ポイントは、同じＡｌＮモル分率の同じ熱処理温度で処理した複数のサンプルの接触抵抗の平均値をプロットしたもので、破線で示す曲線は、各ポイントの変化の傾向を便宜的に示すものである。尚、接触抵抗の測定は、公知のＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　Ｍｏｄｅｌ）法により行った。熱処理温度は４５０℃～１０００℃の範囲内に設定し、ＡｌＮモル分率ｘが０％のサンプルは、熱処理を行わない場合も測定対象とした。ＡｌＮモル分率ｘが０％のサンプルは、熱処理なしの場合と、熱処理温度が４５０℃の場合で接触抵抗は同じであった。また、ＡｌＮモル分率ｘが７５％のサンプルについては、熱処理温度が９５０℃において、ＡｌＮモル分率ｘが６０％のサンプルと比較して、接触抵抗が平均で２００倍以上高く、良好なオーミック接触が形成されておらず、熱処理温度が９００℃以下では、オーミック接触が得られていない。更に、ＡｌＮモル分率ｘが７５％のサンプルについては、接触抵抗のバラツキも大きく、更に２桁以上高い接触抵抗も測定されている。
　図１８の測定結果より、各ＡｌＮモル分率ｘにおいて、接触抵抗ρＣが低下し、最低値またはその近傍値となる熱処理温度Ｔの範囲があり、ＡｌＮモル分率ｘが小さい程、当該範囲が広く且つ低温域に分布し、大きい程、当該範囲が狭く且つ高温域に移動することが分かる。また、熱処理温度Ｔが当該温度範囲を超えて上昇すると接触抵抗ρＣが上昇し、また、熱処理温度Ｔが当該温度範囲より低下した場合も接触抵抗ρＣが上昇し、熱処理温度Ｔが低下し過ぎると、オーミック接触が形成されなくなる。ＡｌＮモル分率ｘが０～０．６の範囲内では、熱処理温度Ｔを適正に選択することで、接触抵抗ρＣを０．０１Ωｃｍ２以下に調整できることが分かる。
　以上より、ｎ型クラッド層６とｎ電極１３の間に、ｎ型クラッド層６よりＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層２１を介在させることで、ｎ電極１３の接触抵抗の低下と熱処理温度の低下の両方を同時に図ることができる。特に、ｎ型クラッド層６上に直接ｎ電極１３を形成した場合に、ｎ電極１３の接触抵抗が極めて大きな値となるｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率が６０％を超える場合に、上記効果は顕著となる。
　上記第１実施形態では、ｎ電極１３形成時に必要に応じて、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により熱処理を加えることを説明したが、本第２実施形態において、ｎ型コンタクト層２１がｎ型ＡｌＧａＮで形成される場合は、図１８に示される測定結果より、ｎ電極１３との接触抵抗が熱処理温度に依存するため、当該熱処理は接触抵抗を低減するために行われる。この点は、ｎ電極１３をｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層６上に形成する第１実施形態においても同様である。
　更に、上述のｎ型コンタクト層２１の形成後の工程では、ｎ電極１３を形成した後に、ｐ電極１２と反射金属層１４を形成したが、ｐ電極１２の形成後にｎ電極１３を形成しても良い。この場合、図１８に示すように、ｎ型コンタクト層２１をｎ型ＧａＮとすれば、熱処理温度を４５０℃と低温化でき、或いは、熱処理を省略できるため、先に形成されたｐ電極１２に対する後処理であるｎ電極１３の形成時の熱処理による悪影響を排除できる。
　次に、ｎ型コンタクト層２１をｎ型クラッド層６の表面に選択成長させ、その上にｎ電極１３を形成した実施例（実施例４）と、ｎ型クラッド層６の表面にｎ電極１３を直接形成した比較例（比較例１）の順方向電圧Ｖｆの差異を測定した実験結果を、図１９に示す。尚、本比較実験では、比較例１として、第１実施形態の比較実験で用いた比較例と同様に、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２をｐ型クラッド層９上のほぼ全面に形成し、反射金属層１４を設けないサンプルを使用した。このため、ｎ電極構造部分の違いの影響を調べるために、実施例４も、比較例１と同様にｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１２をｐ型クラッド層９上のほぼ全面に形成し、反射金属層１４を設けないサンプルを使用した。実施例４及び比較例１のｐ型コンタクト層１０はｐ型ＧａＮで形成し、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を７５％とし、実施例４のｎ型コンタクト層２１はｎ型ＧａＮで形成した。また、実施例４と比較例１のｎ型コンタクト層２１の平面視パターンは、何れも図１２（ｂ）～（ｄ）に示すものと同じである。図１９に示される結果より、本発明素子２０において、ｎ型コンタクト層２１を設けることで、順方向電圧Ｖｆが大幅に改善（低電圧化）されていることが分かる。この結果、第１実施形態で採用したｐ電極構造による順方向電圧Ｖｆの上昇が、第２実施形態で採用したｎ電極構造によって緩和或いは相殺され、本実施形態における外部量子効率の改善効果が、より短波長の波長域でも発揮されることになる。
［第３実施形態］
　上記第２実施形態では、第２領域Ｒ２においてｎ型クラッド層６の露出面上の広範囲に亘ってｎ型コンタクト層２１を備え、ｎ電極１３を当該ｎ型コンタクト層２１上に形成することで、順方向電圧Ｖｆが低減されることを説明した。第３実施形態では、ｐ電極構造部分だけでなく、ｎ電極構造部分においても、外部量子効率を向上させる実施形態につき説明する。
　図２０に、第３実施形態における本発明素子３０の断面構造を示す。図２０に示すように、本発明素子３０は、第２領域Ｒ２においてｎ型クラッド層６上の一部にｎ型コンタクト層２１を備え、ｎ電極１３が当該ｎ型コンタクト層２１上に形成され、更に、ｎ型コンタクト層２１で覆われていないｎ型クラッド層６の表面及びｎ電極１３の上に、反射金属層１４と同様の反射金属層３１が形成されている点、つまり、当該ｎ電極１３の下地構造及び周辺構造を含むｎ電極構造に特徴があり、図１に示す第１実施形態の本発明素子１とは、当該ｎ電極構造部分において相違し、その他の部分は本発明素子１と同じである。また、本発明素子３０は、反射金属層３１を備えている点で、第２実施形態の本発明素子２０と相違する。ｎ型コンタクト層２１とｎ電極１３については、平面視パターンの形状及び面積が異なるだけで、第２実施形態と全く同様であるので、重複する説明は割愛する。
　本発明素子３０のｎ型コンタクト層２１とｎ電極１３の平面視パターンの一例を、図２１（ａ）に示す。図２１（ａ）に示すように、本発明素子３０では、第１領域Ｒ１の外周に沿ってｎ型コンタクト層２１（図中クロスハッチ部分）が形成され、その上にｎ電極１３が形成されている。また、参考のために、図２１（ｂ）に、第１及び第２実施形態の本発明素子１，２０で採用したｎ型コンタクト層２１とｎ電極１３の平面視パターンを示す。本発明素子３０の反射金属層３１は、例えば、本発明素子１，２０のｎ電極１３と同じ平面視パターンを備える。尚、図２１（ａ），（ｂ）では、ｐ型コンタクト層１０、開口部１１及びｐ電極１２の記載は省略している。
　次に、反射金属層３１の製造方法について説明する。第１及び第２実施形態で説明した要領で、ｎ電極１３まで形成された後、基板全面に反射金属層３１の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、反射金属層３１となるＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の３層金属膜を剥離し、図２０に示すように、ｎ電極１３（或いはｎ電極１３の少なくとも一部）を覆うように第２領域の略全面に反射金属層３１を形成する。Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜の膜厚は、例えば、ｐ電極構造の反射金属層１４と同様に、記載順に、１００ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍである。ｎ電極１３を被覆せず直接ｎ型クラッド層６上に形成された反射金属層３１は、紫外線を反射するＡｌを主として含むため、サファイア基板２側から反射され、ｎ型クラッド層６を通過してｎ型クラッド層６表面の第２領域に到達する発光を、サファイア基板２側に向けて再反射する。尚、反射金属層３１に対しては熱処理を行わない。この結果、反射金属層３１内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、紫外線を反射する機能が良好に保持される。また、反射金属層３１は、ｎ電極１３とオーミック接触するため、チップの周辺においてワイヤーボンディング用或いはフリップチップボンディング用等の電極パッドとして使用できる。
　尚、反射金属層１４と反射金属層３１は同じ組成及び構造である必要はない。例えば、一方がＡｌ単層膜で、他方がＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層膜であっても良い。また、反射金属層１４は、ｐ電極１２の形成後に形成するが、２つの反射金属層１４，３１をｐ電極１２の形成後に同時に形成しても良い。
　更に、以上説明した本発明素子３０の製造方法では、ｎ電極１３と反射金属層３１を個別に形成する実施形態について説明したが、反射金属層３１を形成するのに代えて、図２２に示すように、ｎ電極１３を、ｎ型コンタクト層２１上だけでなく、ｎ型コンタクト層２１に覆われていないｎ型クラッド層６上にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、ｎ型コンタクト層２１のＡｌＮモル分率を２５％以下とし、ｎ電極１３の形成時の熱処理温度を６００℃以下に抑えることが好ましい。更に好ましくは、ｎ型コンタクト層２１をｎ型ＧａＮで形成し、熱処理を省略するのが良い。これにより、ｎ電極１３とｎ型コンタクト層２１間の接触抵抗を低く抑えて良好なオーミック接触を形成するとともに、ｎ電極１３内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、ｎ型クラッド層６上のｎ電極１３が、紫外線を反射する機能を良好に発揮できるようになる。
　反射金属層３１を備えた本発明素子３０と、反射金属層３１を備えていない本発明素子２０の発電出力Ｐと順方向電圧Ｖｆを測定した結果、本発明素子３０の発光出力Ｐが、本発明素子２０の発光出力Ｐより平均して２０％程度以上向上している。一方、本発明素子３０と本発明素子２０の間で順方向電圧Ｖｆに大差がない。この結果より、ｎ型コンタクト層２１は、第１領域Ｒ１の外周に沿って形成すれば十分であることが分かる。そして、本発明素子３０において、発光出力Ｐが本発明素子２０より向上していることから、ｎ型コンタクト層２１の面積を抑えて、その代わりに反射金属層３１を設けることで、発光出力Ｐが向上すること、つまり、外部量子効率が向上することが分かる。換言すれば、発光出力Ｐが同じであれば、反射金属層３１を設けずにｎ型コンタクト層２１の面積を必要最小限に抑えて、チップサイズを縮小できることになる。例えば、図２１（ａ）に示す本発明素子３０において反射金属層３１を設けないとすれば、チップサイズは約６４０μｍ×４８０μｍまで縮小可能であり、第１領域Ｒ１はチップ面積の５０％以上を占めることが可能となる。
　以下に、別の実施形態につき説明する。
　〈１〉上記各実施形態では、反射金属層１４を、開口部１１内において、ｐ型クラッド層９表面上に直接形成する場合を説明したが、例えば、図２３に示すように、開口部１１内に紫外線（特に、発光波長域の紫外線）を透過するＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＨｆＯ２等の透明絶縁膜１５を堆積した後、反射金属層１４を形成するようにしても良い。
　更に、上記第２及び第３実施形態において、ｐ型コンタクト層１０の開口部１１内のＳｉＯ２膜２２は、ＳｉＯ２膜２２が活性層７からの発光を透過するので、完全に除去されずに開口部１１内に残存しても良い。
　〈２〉上記各実施形態では、開口部１１を、ｐ型クラッド層９上の全面にｐ型コンタクト層１０を形成した後、反応性イオンエッチング等により一部を除去して形成したが、これに代えて、ｐ型クラッド層９上の開口部１１となる部分にＳｉＯ２等の選択成長用のマスクを形成した後、ｐ型クラッド層９上にｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層１０を選択成長させ、選択成長用のマスク部分を開口部１１として形成するようにしても良い。この場合、当該マスク部分に、ＳｉＯ２等の紫外線を透過する絶縁膜を使用することで、当該マスク部分を除去せずに、その上に反射金属層１４を形成することができる。
　〈３〉上記各実施形態では、ｐ型コンタクト層１０としてｐ型ＧａＮを使用したが、ＡｌＮモル分率が１０％未満で、ｐ電極と低抵抗で非整流性接触可能であれば使用可能である。図２４に、本実施形態で使用したｐ電極とｐ型ＡｌＧａＮとの界面における接触抵抗特性を示す電流電圧特性のＡｌＮモル分率の依存性を示す。尚、図２４の縦軸の電流値は相対値である。ＡｌＮモル分率０％のｐ型ＧａＮでは低抵抗で良好なオーミック特性を示していることが分かる。また、ＡｌＮモル分率９．５％のｐ型ＡｌＧａＮではバリスタ的な非線形な電流電圧特性を示しているが、１Ｖ以上の電圧印加では低抵抗な非整流性の抵抗特性を示していることが分かる。これに対して、ＡｌＮモル分率１９．３％のｐ型ＡｌＧａＮは、抵抗値がｐ型ＧａＮに比べて３０倍以上高く実用的でない。また、ＡｌＮモル分率３２．８％のｐ型ＡｌＧａＮは、抵抗値がｐ型ＧａＮに比べて４桁程度高く使用不可能である。
　〈４〉上記第１実施形態では、ｎ型クラッド層６上に形成するｎ電極１３は、図２６に示す従来の発光ダイオードの素子構造と同様に形成したが、例えば、図２５に示すように、ｐ電極１２と同様に、ｎ電極１３の平面視形状を、ｎ型クラッド層６の表面の一部が露出するパターンとし、その露出したｎ型クラッド層６の表面及びｎ電極１３上に、反射金属層１４と同様の反射金属層１６を形成するのも好ましい。反射金属層１４に加えて反射金属層１６を設けることで、例えば、サファイア基板２側から反射され、ｎ型クラッド層６を通過してｎ型クラッド層６表面の第２領域Ｒ２に到達する発光の一部を、サファイア基板２側に向けて再反射するため、更に外部量子効率が改善される。尚、反射金属層１４と反射金属層１６は同じ組成及び構造である必要はない。例えば、一方がＡｌ単層膜で、他方がＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層膜であっても良い。また、反射金属層１４と反射金属層１６は、ｐ電極１２の形成後に形成するが、２つの反射金属層１４，１６の形成順は特に問わないし、また、同時に形成しても良い。
　〈５〉上記実施形態では、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明したが、半導体レーザ（レーザダイオード）においても、ｎ電極をｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層上に直接形成することでｎ電極の接触抵抗が高くなる場合には、上記実施形態と同様に、ｎ型クラッド層上に、ＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を設けることで、ｎ電極の接触抵抗を低下させることができ、同様の電気的特性等の改善が図れる。
　〈６〉上記実施形態では、本発明素子１を構成するテンプレートとして、図１に示すテンプレート５を一例としたが、当該テンプレート５に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＮ層３を図２６に示すＥＬＯ－ＡｌＮ層としても良く、ＡｌＧａＮ層４を省略して良く、更には、サファイア基板２に代えて他の基板を用いても良い。更に、上記実施形態で例示した本発明素子１を構成するＡｌＧａＮまたはＧａＮの各層の膜厚及びＡｌＮモル分率は、一例であり、素子の仕様に応じて適宜変更可能である。また、上記実施形態では、電子ブロック層８を設ける場合を例示したが、電子ブロック層８は必ずしも設けなくても構わない。
　〈７〉上記各実施形態では、ｐ電極１２がＮｉ／Ａｕの場合、ｎ電極１３がＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合、反射金属層１４，３１がＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合を例示したが、各電極及び反射金属層の材料及び膜厚は、上記のものに限定されるものではない。ｐ電極１２とｎ電極１３の電極材料は、夫々の下地層であるｐ型コンタクト層１０、ｎ型クラッド層６またはｎ型コンタクト層２１との間でオーミック接触（または低接触抵抗での非整流性接触）が可能な金属材料であれば良く、必ずしも上記した多層構造でなくても良く、更には、熱処理によって層構造が合金化していても良い。ｎ電極１３は、特に反射金属層３１を設けない場合は、上述の如く、紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有しているのが好ましい。ｎ電極１３は、ｎ型クラッド層６またはｎ型コンタクト層２１との粘着性を高めるための金属材料（粘着層）として、Ｔｉを使用する場合を例示したが、Ｔｉに代えてＣｒを用いても良く、また、斯かる粘着層を設けなくても良い。反射金属層１４，３１は、紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有している必要があるが、下地層との間で必ずしもオーミック接触する必要はない。
　〈８〉上記各実施形態では、反射金属層１４を形成する場合に、ｐ電極１２を覆うように第１領域の略全面に形成したが、反射金属層１４を、第１領域に形成された活性層７からｐ型コンタクト層１０まで積層体の側壁面にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、当該積層体の各層が電気的に短絡するのを防止するために、積層体の側壁面と反射電極１４の間に、ＳｉＯ２等により側壁絶縁膜を形成する必要がある。側壁絶縁膜は、ｐ電極１２を形成した後に、例えば、基板全面にＳｉＯ２等の絶縁膜を堆積し、異方性エッチングにより堆積した絶縁膜を除去することで、積層体の側壁面にサイドウォール状に残留した絶縁膜を側壁絶縁膜として形成する。側壁絶縁膜を形成した後、基板全面に反射金属層１４の反転パターンとなるフォトレジストを、側壁絶縁膜を覆わないように形成し、上述の要領で、反射金属層１４の材料膜の堆積、当該フォトレジストのリフトオフを経て、積層体の側壁面を覆う反射金属層１４が形成される。
　〈９〉上記第３実施形態では、反射金属層３１を形成する場合に、ｎ電極１３を覆うように第２領域の略全面に形成したが、反射金属層３１を、第１領域に形成された活性層７からｐ型コンタクト層１０まで積層体の側壁面にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、当該積層体の各層が電気的に短絡するのを防止するために、積層体の側壁面と反射金属層３１の間に、ＳｉＯ２等により側壁絶縁膜を形成する必要がある。側壁絶縁膜と反射金属層３１の形成は、上記〈８〉と同様であるので、重複する説明は割愛する。
　本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子は、発光中心波長が約３５５ｎｍ以下の発光ダイオード、レーザダイオード等に利用可能であり、外部量子効率の改善に有効である。
　１，２０，３０：　　窒化物半導体紫外線発光素子
　２，１０１：　　　　サファイア基板
　３：　　　　　　　　ＡｌＮ層
　４：　　　　　　　　ＡｌＧａＮ層
　５：　　　　　　　　テンプレート
　６，１０４：　　　　ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ）
　７：　　　　　　　　活性層
　７ａ：　　　　　　　バリア層
　７ｂ：　　　　　　　井戸層
　８，１０６：　　　　電子ブロック層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
　９，１０７：　　　　ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
　１０，１０８：　　　ｐコンタクト層（ｐ型ＧａＮ）
　１１，２３：　　　　開口部
　１２，１０９：　　　ｐ電極
　１３，１１０：　　　ｎ電極
　１４，１６，３１：　反射金属層
　１５：　　　　　　　透明絶縁膜
　２１：　　　　　　　ｎ型コンタクト層
　２２：　　　　　　　ＳｉＯ２膜
　２４：　　　　　　　多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ
　１０２：　　　　　　下地層（ＡｌＮ）
　１０３：　　　　　　ＥＬＯ－ＡｌＮ層
　１０５：　　　　　　多重量子井戸活性層
　Ｒ１：　　　　　　　第１領域
　Ｒ２：　　　　　　　第２領域

Claims (13)

  1. 　ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層と、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を少なくとも積層してなる窒化物半導体紫外線発光素子であって、
    　前記ｐ型クラッド層上に前記活性層から発光される紫外光を吸収するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型コンタクト層が形成され、
    　前記ｐ型コンタクト層が前記ｐ型クラッド層表面まで貫通する開口部を有し、
    　前記ｐ型コンタクト層上に前記ｐ型コンタクト層とオーミック接触または非整流性接触するｐ電極金属層が、前記開口部を完全に遮蔽しないように形成され、
    　少なくとも前記開口部上に前記紫外光を反射する反射金属層が形成され、
    　前記反射金属層が、前記開口部を通して露出した前記ｐ型クラッド層表面を、直接または前記紫外光を透過する透明絶縁層を介して覆っていることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
  2. 　前記ｐ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上１０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  3. 　前記反射金属層が少なくとも前記開口部上と前記ｐ電極金属層上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  4. 　前記反射金属層が、Ａｌ、或いは、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  5. 　前記ｐ型コンタクト層と前記開口部の合計面積に対する前記開口部の面積の比率が６６％以上であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  6. 　前記ｎ型クラッド層上の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域に、前記活性層、前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型コンタクト層、及び、前記反射金属層が形成され、
    　前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層が形成され、
    　前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さく、
    　前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触または非整流性接触するｎ電極が前記ｎ型コンタクト層上に形成されていることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  7. 　前記ｎ型コンタクト層が、前記第２領域内の少なくとも一部の前記ｎ型クラッド層表面上に再成長して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  8. 　前記ｎ電極が、前記紫外光を反射する金属を主成分として含有していることを特徴とする請求項６または７に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  9. 　前記ｎ電極が、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  10. 　前記ｎ電極の一部が、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に形成されていることを特徴とする請求項６～９の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  11. 　前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外光を反射する金属を主成分とする反射金属層が形成されていることを特徴とする請求項６～９の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  12. 　前記ｎ型クラッド層が、絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなる前記紫外光を透過するテンプレート上に形成されていることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  13. 　前記テンプレートがＡｌＮ層を含むことを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
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