WO2012144046A1 - 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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WO2012144046A1
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electrode
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type cladding
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哲彦 稲津
シリル ペルノ
平野　光
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創光科学株式会社
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    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor
    • H01L33/405—Reflective materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

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. 28 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
  • a back-emission type nitride semiconductor light emitting device that extracts light transmitted through the n-type cladding layer from the back side, not all of the light passes through the exit surface and is emitted to the outside. Reflects toward the clad layer side.
  • a part of the reflected light reaches the n electrode, and the other part passes through the active layer and reaches the p-type cladding layer or the p electrode, and is absorbed and effective. Not used for.
  • 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%. .
  • the n-type cladding layer can make ohmic contact with the n-electrode as long as the AlN mole fraction is about 60% even if the AlN mole fraction exceeds 10% compared to the p-type clad layer. For this reason, in general, an n-electrode is formed directly on the n-type cladding layer without providing an n-type contact layer between the n-type cladding layer and the n-electrode.
  • the chip area occupied by the single light emitting element on the wafer substrate is the area of the first region where the stacked structure from the active layer 7 to the p-type contact layer 10 on the n-type cladding layer is formed, and the n-type cladding layer. Is the total area of the exposed second region. Therefore, in order to increase the external quantum efficiency per chip area, it is preferable to make the area of the second region as small as possible, and since the area of the second region relative to the chip area is generally kept small, Since the ratio of the light that is reflected at the exit surface and reaches the n-electrode having a small area is relatively small, the light that reaches the n-electrode is not reflected again and effectively used.
  • the area of the second region must be secured to some extent because bumps need to be formed on the n electrode. Therefore, the inventor of the present application examines the possibility that the light reflected by the emission surface and reaching the n electrode can be reflected again and effectively used, and the formation region of the n electrode in the second region is suppressed to the minimum, and n It has been found that there is room for improving the external quantum efficiency by forming a reflective electrode at an excessive portion where no electrode is formed.
  • the p-type nitride semiconductor layer is in ohmic contact with the p-type nitride semiconductor layer constituting the uppermost layer of the nitride semiconductor layer constituting the light emitting element.
  • a metal electrode partially opened 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 conventional techniques for improving external quantum efficiency 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 band gap energy of the first region in the plane parallel to the surface of the n-type cladding layer on the n-type cladding layer made of an n-type AlGaN-based semiconductor layer is 3.
  • An active layer having an AlGaN-based semiconductor layer of 4 eV or more and a p-type cladding layer made of a p-type AlGaN-based semiconductor layer located above the active layer are formed, and the region other than the first region on the n-type cladding layer
  • An n-electrode metal layer in ohmic contact with the n-type cladding layer is formed in a region near the first region in the second region, and on the surface of the n-type cladding layer other than the neighboring region in the second region
  • a first reflective metal layer that reflects ultraviolet light emitted from the active layer, and the n-electrode metal layer is in contact with the first reflective metal layer on the surface of the n-type cladding layer; region It is disposed between to provide a nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device according to the first aspect.
  • the nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device having the first feature described above it is possible to improve the extraction efficiency in the back-emission type nitride semiconductor light-emitting device that extracts light from the back surface on the lower layer side than the n-type cladding layer. Specifically, a part of the light reflected toward the n-type cladding layer side without passing through the output surface on the back surface is re-reflected toward the output surface by the first reflective metal layer. Light can be used effectively, the amount of light that can be actually extracted from the light emitting element is increased, and the external quantum efficiency is improved.
  • the first reflective metal layer covers at least a part of the upper surface of the n-electrode metal layer and is electrically connected to the n-electrode metal layer. It is preferable that they are connected. Thereby, the n-electrode metal layer and the first reflective metal layer can be integrated and used as an electrode pad for flip-chip connection or the like.
  • the AlN mole fraction of the n-type cladding layer is larger than the AlN mole fraction of the active layer and not more than 60%.
  • FIG. 1 shows measurement data that forms the basis of the present invention.
  • An n electrode Ti / Al / Ti / Au: the lowermost layer is Ti and the uppermost layer is Au
  • n - type Al x Ga 1-x N layer The relationship between the contact resistance ⁇ C (unit: ⁇ cm 2 ) with the n-type AlGaN layer and the heat treatment temperature T (unit: ° C.) is that the AlN mole fraction x of the n-type AlGaN layer is 0%, 25%, 40%, The result measured about 5 types, 60% and 75% is shown.
  • ⁇ C unit: ⁇ cm 2
  • T unit: ° C.
  • 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 ⁇ C can be adjusted to 0.01 ⁇ cm 2 or less by appropriately selecting the heat treatment temperature T. It can be seen that a good ohmic contact is formed.
  • the first reflective metal layer is formed of Al, a metal multilayer film or an alloy containing Al as a main component.
  • a p-type contact layer made of a p-type AlGaN-based semiconductor layer that absorbs the ultraviolet light is formed on the p-type cladding layer, and the p-type contact layer Has an opening penetrating to the surface of the p-type cladding layer, and a p-electrode metal layer in ohmic contact or non-rectifying contact with the p-type contact layer on the p-type contact layer completely shields the opening.
  • a second reflective metal layer that reflects the ultraviolet light is formed at least on the opening, and the second reflective metal layer directly contacts the surface of the p-type cladding layer exposed through the opening.
  • the second feature is that the light is covered with a transparent insulating layer that transmits the ultraviolet light.
  • part of the ultraviolet light emitted from the active layer and passing through the p-type cladding layer enters the opening of the p-type contact layer, and the p-type contact Since it reaches the second reflective metal layer and is reflected without being absorbed by the 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 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, 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 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 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 It is sectional drawing which shows typically the laminated structure in 1st Embodiment of the nitride semiconductor ultraviolet light emitting element which concerns on this invention. It is a top view which shows typically the planar structure in 1st Embodiment of the nitride semiconductor ultraviolet light emitting element which concerns on this invention, and the planar view pattern of an n electrode, a p electrode, and a reflective electrode.
  • the example in which the n electrode and the reflective electrode are provided on the n type cladding layer and the comparison in which the n electrode is provided on the n type cladding layer and the reflective electrode is not provided It is a characteristic view which shows the measurement result of the characteristic with respect to the forward current of the light emission output of an example.
  • the example in which the n electrode and the reflective electrode are provided on the n type cladding layer and the comparison in which the n electrode is provided on the n type cladding layer and the reflective electrode is not provided It is a characteristic view which shows the measurement result of the current voltage characteristic of the forward voltage and forward current of an example.
  • the Al mole fraction of the n-type cladding layer is 20%
  • the example in which the n electrode and the reflective electrode are provided on the n type cladding layer and the comparison in which the n electrode is provided on the n type cladding layer and the reflective electrode is not provided It is a characteristic view which shows the measurement result of the current voltage characteristic of the forward voltage and forward current of an example. It is a characteristic view which shows the measurement result of the wavelength dependence of the emitted light intensity of the Example provided with the reflective electrode on the n-type clad layer in the case where the Al mole fraction of the n-type clad layer is 55%.
  • 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 obtained by growing an AlN layer 3 and an AlGaN layer 4 on a sapphire (0001) substrate 2, and is made of n-type AlGaN on the template 5.
  • 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 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 Al 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
  • n-type layer donor impurity for example, Si or p-type
  • Mg is used as the acceptor impurity of the layer.
  • the AlN layer and the AlGaN layer whose conductivity type is not specified are undoped layers into which impurities are not implanted.
  • the AlN molar fraction of the n-type AlGaN layer and the active layer is 60% for the AlGaN layer 4, the n-type cladding layer 6 and the barrier layer 7a, and 35% for the well layer 7b.
  • 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 11 (corresponding to a p-electrode metal layer) is formed on the surface of the p-type contact layer 10.
  • a part of the surface of the n-type cladding layer 6 is formed of, for example, Ti / Al / Ti / Au.
  • An n-electrode 12 (corresponding to an n-electrode metal layer) is formed, and an Al / Ti / Au reflective electrode 13 (first electrode) is formed on a part of the exposed surface of the n-type cladding layer 6 that is not covered with the n-electrode 12. Corresponding to a reflective metal layer).
  • the AlN molar fraction of the n-type cladding layer 6 is 60% from the measurement result shown in FIG. The following is preferred.
  • FIG. 3 an example of the planar view pattern of the p electrode 11, the n electrode 12, and the reflective electrode 13 is shown.
  • FIG. 3A shows the first region R1 and the second region R2 before the electrodes 11 to 13 are formed.
  • the p electrode 11 is formed on almost the entire surface of the first region R1.
  • the second region corresponds to a region on the n-type cladding layer 6 excluding the first region.
  • the chip size of the element 1 of the present invention shown in FIG. 3 is 800 ⁇ m in both vertical and horizontal directions, and the area of the first region R1 is about 168000 ⁇ m 2 .
  • 3 (b) and 3 (c) show the planar view patterns of the n electrode 12 and the reflective electrode 13, respectively.
  • FIG. 3 (b) and 3 (c) show the planar view patterns of the n electrode 12 and the reflective electrode 13, respectively.
  • the n electrode 12 portion is distinguished by a cross hatch.
  • the portion of the reflective electrode 13 is distinguished by a cross hatch.
  • the reflective electrode 13 is formed to overlap the upper surface of the n electrode 12, and the reflective electrode 13 and the n electrode 12 are electrically connected.
  • the n-electrode 12 is formed along the inner periphery of the reflective electrode 13 facing the first region R1. That is, the n-electrode 12 is formed in the vicinity of the first region R1, and in the example shown in FIG. 2, it is formed so as to surround the first region R1 in an annular shape.
  • the contact surface between the reflective electrode 13 and the n-type clad layer 6 is almost the entire region of the first region R2 where the n-electrode 12 is not formed outside the n-electrode 12 (the side far from the first region R1). All the n electrodes 12 are formed so as to cover them, and are formed on the inner side (side closer to the first region R1) of the contact surface.
  • the contact area between the n-electrode 12 and the n-type cladding layer 6 and the contact area between the reflective electrode 13 and the n-type cladding layer 6 are about 58000 ⁇ m 2, respectively. And about 313,000 ⁇ m 2 , which corresponds to about 35% and about 186% of the area of the first region R1 (active layer 7).
  • the element structure shown in FIG. 2 is basically the same as that of the conventional light emitting diode shown in FIG. 28 except for the n electrode 12 and the reflective electrode 13. Therefore, the element 1 of the present invention is characterized by an n-electrode structure including the n-electrode 12 and the reflective electrode 13.
  • the template 5 and each layer from the n-type cladding layer 6 to the p-type contact layer 10 are formed by a well-known growth method as described above.
  • a heat treatment is performed at 800 ° C., for example, to activate Mg as an acceptor impurity.
  • the first region on the surface of the p-type contact layer 10 is covered with, for example, a Ni mask 14 by a well-known photolithography technique. Subsequently, as shown in FIG.
  • the portion located in the second region of each layer from the active layer 7 to the p-type contact layer 10 deposited on the entire surface of the n-type cladding layer 6 is well-known such as reactive ion etching.
  • the Ni mask 14 is removed after the surface of the n-type cladding layer 6 is exposed.
  • a photoresist (not shown) serving as an inverted pattern of the n electrode 12 is formed on the entire surface of the substrate, and a Ti / Al / Ti / Au four-layer metal film serving as the n electrode 12 is formed on the photoresist.
  • deposition is performed by 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 by RTA (instantaneous thermal annealing) or the like.
  • the n-electrode 12 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.
  • the heat treatment is performed for the purpose of reducing contact resistance.
  • the heat treatment temperature is set in consideration of the relationship shown in FIG. 1 or the like so that the contact resistance between the n-electrode 12 and the n-type cladding layer 6 becomes the lowest according to the AlN mole fraction of the n-type cladding layer 6. Is preferred.
  • a photoresist (not shown) serving as an inverted pattern of the reflective electrode 13 is formed on the entire surface of the substrate, and an Al / Ti / Au three-layer metal film serving as the reflective electrode 13 is formed thereon by electron beam evaporation.
  • the photoresist is removed by lift-off, the photoresist is removed by lift-off, the three-layer metal film on the photoresist is peeled off, and the n-electrode 12 (or at least part of the n-electrode 12) is removed as shown in FIG.
  • the reflective electrode 13 is formed on almost the entire surface of the second region so as to cover it.
  • 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. Since the reflective electrode 13 formed directly on the n-type cladding layer 6 without covering the n-electrode 12 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 no heat treatment is performed on the reflective electrode 13.
  • the Al layer in the reflective electrode 13 is not melted by the heat treatment, the function of reflecting the ultraviolet rays is maintained well. Further, since the reflective electrode 13 is in ohmic contact with the n electrode 12, it can be used as an electrode pad for flip chip bonding or wire bonding around the chip.
  • a photoresist (not shown) to be an inverted pattern of the p electrode 11 is formed on the entire surface of the substrate, and a Ni / Au two-layer metal film to be the p electrode 11 is formed on the photoresist (not shown).
  • the photoresist is removed by lift-off, the two-layer metal film on the photoresist is peeled off, and heat treatment at 450 ° C. is performed by RTA (instantaneous thermal annealing) or the like.
  • a p-electrode 11 is formed on the p-type contact layer 10.
  • the film thickness of the Ni / Au two-layer metal film is, for example, 60 nm / 50 nm in the order of description. In the heat treatment at 450 ° C., since the melting point of Al is about 660 ° C., the Al layer in the reflective electrode 13 does not melt.
  • Examples 1 and 2 of the element 1 of the present invention in which the n-type electrode 12 and the reflective electrode 13 having the pattern shown in FIG. 3 are formed on the n-type cladding layer 6, and the reflective electrode 13 on the n-type cladding layer 6.
  • the characteristics of the light emission output P unit: mW
  • the forward current If unit: mA
  • the forward voltage Vf The measurement results of each of the current-voltage characteristics of the unit: V) and the forward current If are shown in FIGS.
  • Example 1 and Comparative Example 1 show the measurement results of Example 1 and Comparative Example 1 for comparison and comparison
  • Example 2 and Comparative Example 2 show the measurement results of Example 2 and Comparative Example 2 for comparison and comparison. Yes.
  • the measurement results of Examples 1 and 2 are indicated by solid lines or black square marks ( ⁇ )
  • the measurement results of Comparative Examples 1 and 2 are indicated by broken lines or white circles ( ⁇ ).
  • the light emission output P of the embodiment of the element 1 of the present invention is provided with the reflective electrode 13 regardless of whether the Al mole fraction of the n-type cladding layer 6 is 55% or 20%. It was confirmed that the external quantum efficiency was improved by providing the reflective electrode 13 from the comparative example that did not increase regardless of the forward current If.
  • Example 1 and Comparative Example 1 the contact area between the n-electrode 12 and the n-type cladding layer 6 is smaller than that of the Comparative Examples. Therefore, in the embodiment, it is considered that the parasitic resistance of the n-electrode 12 becomes higher and the forward voltage Vf becomes higher.
  • the Al mole fraction of the n-type cladding layer 6 is relatively high at 55%, and the contact resistance between the n-electrode 12 and the n-type cladding layer 6 is increased as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 11, the forward voltage Vf in Example 1 is higher than that in the comparative example.
  • the conversion efficiency E (generally referred to as wall plug efficiency) represented by the ratio of the light emission output P to the power injected into the light emitting element (forward voltage Vf ⁇ forward current If) is implemented.
  • the example 1 is superior to the comparative example 1, and it can be seen that the improvement of the external quantum efficiency appears more remarkably than the increase of the forward voltage Vf.
  • Example 2 and Comparative Example 2 the Al mole fraction of the n-type cladding layer 6 is as small as 20%, and the contact resistance between the n-electrode 12 and the n-type cladding layer 6 is also low as shown in FIG. Since this is suppressed, an increase in the forward voltage Vf in Example 2 is not observed. In FIG. 13, it is considered that the forward voltage Vf in Example 2 is lower than that in Comparative Example 2 within the measurement error range.
  • Example 14 and 15 show the results of measuring the wavelength dependence characteristics of the emission intensity LI (arbitrary unit) in Example 1 and Example 2, respectively.
  • the Al mole fraction of the well layer 7b of the active layer 7 is also reduced to 40% and 12%, respectively, according to the difference in Al mole fraction of the n-type cladding layer 6. Therefore, the difference in the Al mole fraction appears as a difference in peak emission wavelength (Example 1: about 290 nm, Example 2: about 339 nm).
  • the average light emission output P of the three samples of Comparative Example 1 was 2.82 mW, the forward voltage Vf was 4.97 V, and the conversion efficiency E was 2.83%, whereas The average light emission output P of the sample was 3.24 mW, the forward voltage Vf was 5.16 V, and the conversion efficiency E was 3.14%.
  • the average light emission output P of the three samples of Comparative Example 2 was 2.78 mW, the forward voltage Vf was 4.74 V, and the conversion efficiency E was 0.98%, whereas the three samples of Example 2
  • the average light emission output P was 3.24 mW, the forward voltage Vf was 4.63 V, and the conversion efficiency E was 1.17%.
  • the ratio of the light emission output P to the comparative example was 115% in Example 1 and 117% in Example 2.
  • the ratio of the forward voltage Vf to the comparative example was 104% in Example 1 and 98% (substantially 100%) in Example 2.
  • the conversion efficiency E is higher in Examples 1 and 2 than in Comparative Examples 1 and 2. . From the above, it was confirmed that the external quantum efficiency was improved without sacrificing the conversion efficiency E by providing the reflective electrode 13 in the n-electrode structure portion.
  • the external quantum efficiency can be improved by a novel n-electrode structure in which the n-electrode 12 and the reflective electrode 13 are combined, that is, by improving the electrode structure on the n-electrode 12 side.
  • the external quantum efficiency can be further improved by improving the electrode structure of both the n-electrode 12 and the p-electrode 11.
  • FIG. 17 shows a cross-sectional structure of the element 20 of the present invention in the second embodiment.
  • the element 20 of the present invention has a p-type contact layer 10 in which an opening 15 penetrating to the surface of the lower p-type cladding layer 9 is formed by reactive ion etching or the like.
  • the p electrode 11 is formed on the surface of the electrode 10, and the reflective electrode 16 (corresponding to the second reflective metal layer) made of Al is formed in the opening 15 of the p-type contact layer 10 and on the p electrode 11, that is,
  • the p-electrode structure including the underlying structure and the peripheral structure of the p-electrode 12 is different from the element 1 of the present invention according to the first embodiment shown in FIG.
  • the reflective electrode 16 may be a three-layer metal film of Al / Ti / Au instead of an Al single layer.
  • the p-type contact layer 10 and the p-electrode 11 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. 18 shows an example of a plan view pattern of the p-electrode 11.
  • FIGS. 18 (a) to 18 (c) show cases where the p electrode 11 is a lattice pattern, a comb pattern, or a dot pattern, and the portion of the p electrode 11 is distinguished by a cross hatch. Yes.
  • the p-type contact layer 10 and the p-electrode 11 are overlapped in the same pattern, but the p-electrode 11 may be slightly smaller than the p-type contact layer 10. Even if the p-electrode 11 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 15 exists.
  • the portion excluding the p-type contact layer 10 in the first region R1 is the opening 15, but when the p-electrode 11 is present in the opening 15, the portion where the p-electrode 11 is not formed is an effective opening. Part.
  • the opening of the first region R1 on the surface of the p-type contact layer 10 is performed by a known photolithography technique.
  • a portion other than the portion where the portion 15 is formed is covered with, for example, a Ni mask (not shown), and the underlying p-type cladding layer 9 exposes the portion of the p-type contact layer 10 not covered with the Ni mask.
  • the Ni mask is removed after forming the opening 15 by removing by a known anisotropic etching method such as reactive ion etching. Subsequently, the steps until the formation of the n-electrode 12 and the reflective electrode 13 shown in FIGS. 5 to 8 are performed as described in the first embodiment.
  • a photoresist (not shown) to be an inverted pattern of the p electrode 11 is formed on the entire surface of the substrate, and a Ni / Au two-layer metal film to be the p electrode 11 is formed on the photoresist (not shown).
  • the photoresist is removed by lift-off, the two-layer metal film on the photoresist is peeled off, and heat treatment is performed at 450 ° C. by RTA or the like, as shown in FIG.
  • a p-electrode 11 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 a reverse pattern of the reflective electrode 16 is formed on the entire surface of the substrate, and an Al / Ti / Au three-layer metal film serving as the reflective electrode 16 is formed thereon by electron beam evaporation.
  • the photoresist is removed by lift-off, etc., the photoresist is removed by lift-off, the three-layer metal film on the photoresist is peeled off, and the p-type cladding exposed in the p-electrode 11 and the opening 15 as shown in FIG.
  • the reflective electrode 16 is formed on almost the entire surface of the first region R1 so as to cover the 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 electrode 16. As a result, since the Al layer in the reflective electrode 16 is not melted by the heat treatment, the function of reflecting the ultraviolet rays is maintained well. Further, since the reflective electrode 16 is in ohmic contact with the p-electrode 11, it can be used as an electrode pad for flip chip bonding or wire bonding.
  • an opening 15 is formed in the first region R1 on the surface of the p-type contact layer 10, and the p-type cladding layer 9 exposed in the opening 15 is covered with the p-electrode 11
  • the effect of forming the reflective electrode 16 on almost the entire surface of the one region R1 will be described. That is, in the first embodiment, it has been confirmed that the external quantum efficiency is improved by forming the reflective electrode 13 in the n-electrode structure portion, but in the second embodiment, the reflective electrode 16 is provided in the p-electrode structure portion. It is confirmed that the external quantum efficiency is improved by forming.
  • n electrode structure portion used in the first embodiment. Therefore, as an example of the inventive element 20 of the second embodiment, n A sample having no reflective electrode 13 in the electrode structure portion was used.
  • Example 3 (with the reflective electrode 16 and without the reflective electrode 13) of the element 20 of the present invention, the p-type contact layer 10 and the p-electrode 11 are formed on almost the entire surface of the p-type cladding layer 9, and the reflective electrode 16 is formed.
  • the wavelength dependence of the light emission intensity LI (arbitrary unit), the characteristics of the light emission output P (unit: mW) with respect to the forward current If (unit: mA), the forward voltage Vf (unit) : V) and the current-voltage characteristics of the forward current If are shown in FIGS.
  • p-type GaN was used as the p-type contact layer 10.
  • 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%.
  • FIG. 22 (a) and 22 (b) show the wavelength dependences of the emission intensity LI on the vertical axis expressed in a linear scale and a logarithmic scale, respectively.
  • each forward current If of Example 3 and Comparative Example 3 is 60 mA.
  • FIG. 23A shows the characteristic of the light emission output P with respect to the forward current If.
  • FIG. 23B shows the characteristic obtained by normalizing the measurement result of Example 3 with the measurement result of Comparative Example 3 with respect to the same measurement result. Is shown.
  • FIG. 24 shows current-voltage characteristics of the forward voltage Vf and the forward current If.
  • the measurement result of Example 3 is indicated by a solid line or a black square mark ( ⁇ )
  • the measurement result of Comparative Example 3 is indicated by a broken line or a white circle ( ⁇ ).
  • the emission intensity LI of Example 3 is significantly higher than that of Comparative Example 3 on the shorter wavelength side than the emission center region, and the peak emission wavelength is also slightly shorter.
  • the peak wavelength of Comparative Example 3 was about 307.0 nm, and the emission intensity LI was about 252.5 [arbitrary unit].
  • the peak wavelength of Example 3 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. Furthermore, from the result shown in FIG. 23, the light emission output P of Example 3 increased from the comparative example irrespective of the forward current If, and it was confirmed that the external quantum efficiency was improved.
  • Example 3 Although the external quantum efficiency of Example 3 is improved compared to Comparative Example 3, 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 electrode 11 side is high, the forward voltage Vf is higher in Example 3 as shown in FIG.
  • Example 3 and Comparative Example 3 used p-type GaN as the p-type contact layer 10, and Example 3 used 67% as the aperture ratio.
  • the patterns of the p-type contact layer 10 and the p-electrode 11 three types were prepared with the same aperture ratio, and Examples 3A to 3C were used.
  • Examples 3A to 3C and Comparative Example 3 the light emission output P and the forward voltage Vf were measured for each of three samples, the conversion efficiency E was calculated, and the average value of each is shown in FIG.
  • the pattern of Example 3A is a grid pattern shown in FIG. 18A
  • the pattern of Example 3B is a comb pattern shown in FIG. 18B
  • the pattern of Example 3C is shown in FIG. This is a dot pattern shown in FIG.
  • the average light emission output P of the three samples of Comparative Example 3 was 5.85 mW, the forward voltage Vf was 6.23 V, and the conversion efficiency E was 1.57%, whereas the three samples of Example 3A
  • the 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 3C is 7.70 mW
  • the forward voltage Vf is 7.81 V
  • the conversion efficiency E is 1. It was 64%.
  • the ratio of the light emission output P to Comparative Example 3 was 129% in Example 3A, 130% in Example 3B, and 132% in Example 3C.
  • the ratio of the forward voltage Vf to Comparative Example 3 was 119% in Example 3A, 127% in Example 3B, and 125% in Example 3C.
  • the conversion efficiency E is higher in Examples 3A to 3C than in Comparative Example 3.
  • the patterns of the p-type contact layer 10 and the p-electrode 11 are different, but the aperture ratio is the same, so that there is no significant difference in the light emission output P and the forward voltage Vf.
  • Example 3C the light emission output P tends to be good in Example 3C, and the conversion efficiency E tends to be good in Example 3A.
  • Example 3 67% was used as the aperture ratio.
  • the forward voltage Vf is the same, the light emission output P naturally increases and the forward voltage Vf also 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 11 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 effect of improving the external quantum efficiency by providing the reflective electrode 13 in the n-electrode structure portion will be described.
  • the second embodiment the external quantum efficiency by providing the reflective electrode 13 in the n-electrode structure portion.
  • the improvement effect was explained.
  • the increase rate of the light emission output P was 115% (Example 1), whereas in the second embodiment, the increase rate of the light emission output P was 129% to 132% (implementation). Examples 3A to 3C), and the rate of increase was about twice that of the first embodiment.
  • the reflective electrode 13 in the n-electrode structure portion is not directly reflected from the active layer 7 as the reflective electrode 16 in the p-electrode structure portion to improve the external quantum efficiency, but is reflected on the emission surface. Since the external quantum efficiency is improved by further re-reflecting some light emission, the external quantum efficiency improvement effect is expected to be considerably lower than that of the reflective electrode 16 in the p-electrode structure portion. As described above, if the area of the contact surface between the reflective electrode 13 and the n-type cladding layer 6 is secured to about 180 to 200% of the area of the first region R1, about half of the effect of improving the reflective electrode 16 in the p-electrode structure portion. A degree is obtained. An increase rate of the light emission output P by the two reflective electrodes 13 and 16 can be expected to be about 150%.
  • the reflective electrode 16 may be formed after depositing a transparent insulating film 17 such as SiO 2 , AlN, or HfO 2 that transmits ultraviolet rays (particularly, ultraviolet rays in the emission wavelength region).
  • a transparent insulating film 17 such as SiO 2 , AlN, or HfO 2 that transmits ultraviolet rays (particularly, ultraviolet rays in the emission wavelength region).
  • the opening 15 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 such as SiO 2 is formed in a portion to be the opening 15 on the p-type cladding layer 9, and then a p-type contact layer 10 of p-type GaN is formed on the p-type cladding layer 9.
  • selective growth may be performed so that a mask portion for selective growth is formed as the opening 15.
  • the reflective electrode 16 can be formed thereon without removing the mask portion.
  • FIG. 27 shows the dependence 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. 27 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 reflective electrode 13 in the n-electrode structure portion and the reflective electrode 16 in the p-electrode structure portion 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 electrode 13 is formed after the n-electrode 12 is formed and the reflective electrode 16 is formed after the p-electrode 11 is formed has been described.
  • the electrodes 12 and the p-electrode 11 may be formed after the formation, and the order of formation between the reflecting electrodes 13 and 16 is not particularly limited, and may be formed simultaneously.
  • the template 5 shown in FIGS. 2 and 17 is taken as an example of the template constituting the elements 1 and 20 of the present invention.
  • the template 5 is not limited to the template 5, and for example, AlN
  • the layer 3 may be an ELO-AlN layer shown in FIG. 28, the AlGaN layer 4 may be omitted, and another substrate may be used instead of the sapphire (0001) substrate 2.
  • the film thickness and AlN mole fraction of each layer of AlGaN or GaN constituting the elements 1 and 20 of the present invention exemplified in the above embodiments are examples, and can be appropriately changed according to the specifications of the element.
  • the electronic block layer 8 was provided was illustrated in each said embodiment, the electronic block layer 8 does not necessarily need to be provided.
  • the p electrode 11 when the p electrode 11 is Ni / Au, the n electrode 12 is Ti / Al / Ti / Au, and the reflective electrodes 13 and 16 are Al or Al / Ti / Au.
  • the material and film thickness of each electrode are not limited to those described above.
  • the electrode material of the p-electrode 11 and the n-electrode 12 can make ohmic contact (or non-rectifying contact with low contact resistance) between the p-type contact layer 10 and the n-type cladding layer 6 which are the respective underlayers. Any metal material may be used, and the multilayer structure is not necessarily required. Further, the layer structure may be alloyed by heat treatment.
  • the n electrode 12 has exemplified the case of using Ti as a metal material (adhesive layer) for enhancing the adhesiveness with the n-type cladding layer 6, but Cr may be used instead of Ti. It is not necessary to provide such an adhesive layer.
  • the reflective electrodes 13 and 16 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 electrode 16 when the reflective electrode 16 is formed, the reflective electrode 16 is formed on the substantially entire surface of the first region so as to cover the p electrode 11, but the reflective electrode 16 is formed on the active region formed in the first region. It is also a preferred embodiment to form the layer 7 to the p-type contact layer 10 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 13.
  • the sidewall insulating film is formed by depositing an insulating film such as SiO 2 on 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 to be an inverted pattern of the reflective electrode 16 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 electrode 16 is deposited in the manner described above.
  • the reflective electrode 16 that covers the side wall surface of the stacked body is formed. Further, instead of the reflective electrode 16, the reflective electrode 13 is also preferably formed on the side wall surface of the laminate from the active layer 7 formed in the first region to the p-type contact layer 10 in the same manner as described above. It is an embodiment.
  • the nitride semiconductor ultraviolet light-emitting device according to the present invention can be used for a light-emitting diode having an emission center wavelength of about 355 nm or less, and is effective in improving external quantum efficiency.
  • SYMBOLS 1,20 Nitride semiconductor ultraviolet light emitting element 2,101: Sapphire substrate 3: AlN layer 4: AlGaN layer 5: Template 6,104: N-type clad layer (n-type AlGaN) 7: Active layer 7a: Barrier layer 7b: Well layer 8,106: Electron block layer (p-type AlGaN) 9, 107: p-type cladding layer (p-type AlGaN) 10, 108: p contact layer (p-type GaN) 11, 109: p-electrode 12, 110: n-electrode 13: reflective electrode (first reflective metal layer) 14: Ni mask 15: Opening 16: Reflective electrode (second reflective metal layer) 17: Transparent insulating film 102: Underlayer (AlN) 103: ELO-AlN layer 105: Multiple quantum well active layer R1: first region R2: second region

Landscapes

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Abstract

　ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなる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、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、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内における前記第１領域の近傍領域に、前記ｎ型クラッド層とオーミック接触するｎ電極金属層が形成され、前記第２領域内の前記近傍領域以外の前記ｎ型クラッド層の表面上に、前記活性層から発光される紫外光を反射する第１反射金属層が形成され、前記ｎ電極金属層が前記ｎ型クラッド層表面の前記第１反射金属層と接触する領域と前記第１領域の間に配置されている。

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２８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２８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
　ｎ型クラッド層を透過した光を裏面側から取り出す裏面出射型の窒化物半導体発光素子において、全ての光が出射面を通過して外部に出射されるのではなく、一部の光はｎ型クラッド層側に向けて反射する。図２８に示す従来の断面構造では、当該反射光の一部はｎ電極に到達し、他の一部は活性層を通過してｐ型クラッド層またはｐ電極に到達して、夫々吸収され有効に利用されない。
　上記特許文献１、特許文献２及び非特許文献３に開示された従来の外部量子効率の改善技術では、ｐ電極に到達し得る光の一部を反射することで、外部量子効率の改善を図っている。しかし、当該改善技術は、ｎ電極に到達する光、或いは、ｐ電極に向かって進行する光がｐ型クラッド層で吸収される場合に対しては、有効に機能しない。
　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２８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。
　一方、ｎ型クラッド層では、ｐ型クラッド層と比較して、ＡｌＮモル分率が１０％を超えても、ＡｌＮモル分率が６０％程度までは、ｎ電極との間でオーミック接触が可能なため、通常、ｎ型クラッド層とｎ電極との間に、ｎ型コンタクト層を設けずに、ｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を形成することが行われている。更に、ウェハ基板上において発光素子単体が占めるチップ面積は、ｎ型クラッド層上の活性層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第１領域の面積と、ｎ型クラッド層が露出した第２領域の面積の合計となる。従って、チップ面積当たりの外部量子効率を高めるためには、第２領域の面積をなるべく小さくすることが好ましく、チップ面積に対する第２領域の面積は小さく抑えられるのが一般的であるため、更に、出射面で反射され小面積のｎ電極に到達する光の割合が比較的小さいため、当該ｎ電極に到達する光を再度反射して有効利用することは行われていなかった。
　しかし、フリップチップ接続にてパッケージ等に搭載される裏面出射型の窒化物半導体発光素子では、バンプをｎ電極上に形成する必要から第２領域の面積をある程度確保しなければならない。そこで、本願発明者は、出射面で反射されｎ電極に到達する光を再度反射して有効利用できる可能性について検討し、第２領域内におけるｎ電極の形成領域を最小限に抑制し、ｎ電極を形成しない余剰箇所に反射電極を形成することで、外部量子効率が改善できる余地のあることを見出した。
　また、上記従来の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等に開示された従来の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、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、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内における前記第１領域の近傍領域に、前記ｎ型クラッド層とオーミック接触するｎ電極金属層が形成され、前記第２領域内の前記近傍領域以外の前記ｎ型クラッド層の表面上に、前記活性層から発光される紫外光を反射する第１反射金属層が形成され、前記ｎ電極金属層が前記ｎ型クラッド層表面の前記第１反射金属層と接触する領域と前記第１領域の間に配置されていることを第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、発光をｎ型クラッド層より下層側の裏面から取り出す裏面出射型の窒化物半導体発光素子における取り出し効率の向上が図れる。具体的には、裏面の出射面を通過せず、ｎ型クラッド層側に向けて反射した光の一部が、第１反射金属層で出射面に向けて再反射されるため、当該再反射光を有効に利用でき、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の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記第１反射金属層が、前記ｎ電極金属層の上面の少なくとも一部を覆って接触し、前記ｎ電極金属層と電気的に接続していることが好ましい。これにより、ｎ電極金属層と第１反射金属層を一体として、フリップチップ接続等における電極パッドとして利用できる。
　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ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が、前記活性層のＡｌＮモル分率より大きく、且つ、６０％以下であることが好ましい。
　図１は、本発明の基礎となる測定データで、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１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１の測定結果より、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率ｘが６０％以下であれば、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、良好なオーミック接触が形成されることが分かる。
　更に、上記第１の特徴の窒化物半導体紫外線発光素子は、前記第１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型クラッド層上に前記紫外光を吸収する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第２反射金属層が形成され、前記第２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、活性層から出射されｐ型クラッド層を通過した紫外光の一部は、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第２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２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２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２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２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。
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並びにｎ電極、ｐ電極及び反射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（Ｎｉマスク被覆後）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（ｎ電極構造部分の反射電極形成後）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。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が５５％の場合における、ｎ型クラッド層上にｎ電極と反射電極を備えた実施例とｎ型クラッド層上にｎ電極を備え反射電極を備えていない比較例の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。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が５５％の場合における、ｎ型クラッド層上にｎ電極と反射電極を備えた実施例とｎ型クラッド層上にｎ電極を備え反射電極を備えていない比較例の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。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が２０％の場合における、ｎ型クラッド層上にｎ電極と反射電極を備えた実施例とｎ型クラッド層上にｎ電極を備え反射電極を備えていない比較例の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。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が２０％の場合における、ｎ型クラッド層上にｎ電極と反射電極を備えた実施例とｎ型クラッド層上にｎ電極を備え反射電極を備えていない比較例の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。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が５５％の場合における、ｎ型クラッド層上に反射電極を備えた実施例の発光強度の波長依存性の測定結果を示す特性図である。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が２０％の場合における、ｎ型クラッド層上に反射電極を備えた実施例の発光強度の波長依存性の測定結果を示す特性図である。 ｎ型クラッド層のＡｌモル分率が５５％及び２０％の場合における、ｎ型クラッド層上にｎ電極と反射電極を備えた実施例とｎ型クラッド層上にｎ電極を備え反射電極を備えていない比較例の発光強度、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２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２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２実施形態における一製造工程（ｐ電極構造部分の反射電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図である。 ｐ電極構造部分に反射電極を備えた実施例とｐ電極構造部分に反射電極を備えていない比較例の発光強度の波長依存性の測定結果を示す特性図である。 ｐ電極構造部分に反射電極を備えた実施例とｐ電極構造部分に反射電極を備えていない比較例の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。 ｐ電極構造部分に反射電極を備えた実施例とｐ電極構造部分に反射電極を備えていない比較例の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。 ｐ電極構造部分に反射電極を備えた実施例とｐ電極構造部分に反射電極を備えていない比較例の発光強度、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。 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２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、Ａｌ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。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。また、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Ａｌ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、ｐ型層のアクセプタ不純物として、例えばＭｇを使用している。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。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層及び活性層のＡｌＮモル分率は、一例として、ＡｌＧａＮ層４、ｎ型クラッド層６及びバリア層７ａが６０％、井戸層７ｂが３５％となっている。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１１（ｐ電極金属層に相当）が、ｎ型クラッド層６の表面の一部に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１２（ｎ電極金属層に相当）が形成され、ｎ型クラッド層６のｎ電極１２で被覆されていない露出面の一部に、例えば、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの反射電極１３（第１反射金属層に相当）が形成されている。本実施形態では、ｎ電極１２は、ｎ型クラッド層６上に直接オーミック接触するように形成されるため、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率は、図１に示す測定結果より、６０％以下が好ましい。
　図３に、ｐ電極１１、ｎ電極１２及び反射電極１３の平面視パターンの一例を示す。図３（ａ）は、各電極１１～１３が形成される前の第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を示す。ｐ電極１１は第１領域Ｒ１のほぼ全面に形成される。第２領域はｎ型クラッド層６上の第１領域を除く領域に相当する。図３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３（ｂ）及び図３（ｃ）は、ｎ電極１２と反射電極１３の平面視パターンを夫々示しており、図３（ｂ）では、ｎ電極１２の部分がクロスハッチで区別され、図３（ｃ）では、反射電極１３の部分がクロスハッチで区別されている。図２、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、反射電極１３は、ｎ電極１２の上面に重なって形成され、反射電極１３とｎ電極１２は電気的に接続している。また、ｎ電極１２は、反射電極１３の第１領域Ｒ１に面する内周に沿って形成されている。つまり、ｎ電極１２は、第１領域Ｒ１の近傍領域に形成されており、図２に示す例では、第１領域Ｒ１を環状に囲むように形成されている。そして、反射電極１３とｎ型クラッド層６の接触面は、ｎ電極１２の外側（第１領域Ｒ１から遠い側）に、第１領域Ｒ２のｎ電極１２が形成されていない領域のほぼ全面を覆うように形成され、全てのｎ電極１２は、当該接触面の内側（第１領域Ｒ１に近い側）に形成されている。尚、図３（ｂ），（ｃ）に示す例では、ｎ電極１２とｎ型クラッド層６の接触面積、及び、反射電極１３とｎ型クラッド層６の接触面積は、夫々、約５８０００μｍ２と約３１３０００μｍ２で、第１領域Ｒ１（活性層７）の面積の約３５％と約１８６％に相当する。
　尚、図２に示す素子構造は、図２８に示す従来の発光ダイオードの素子構造と、ｎ電極１２と反射電極１３を除き、基本的に同じである。従って、本発明素子１は、ｎ電極１２と反射電極１３を含むｎ電極構造に特徴がある。
　次に、本発明素子１の製造方法について説明する。図４～図９に、主たる製造工程における工程断面図を示す。
　先ず、図４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領域を、例えばＮｉマスク１４で被覆する。引き続き、図６に示すように、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１４を除去する。
　引き続き、基板全面にｎ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、ｎ電極１２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、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により熱処理を加えて、図７に示すように、ｎ型クラッド層６上にｎ電極１２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。尚、熱処理は、接触抵抗低減の目的で行われる。熱処理温度は、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率に応じて、ｎ電極１２とｎ型クラッド層６間の接触抵抗が最も低くなるように、図１に示す関係等を考慮して設定するのが好ましい。
　引き続き、基板全面に反射電極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、反射電極１３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、ｎ電極１２（或いはｎ電極１２の少なくとも一部）を覆うように第２領域のほぼ全面に反射電極１３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。ｎ電極１２を被覆せず直接ｎ型クラッド層６上に形成された反射電極１３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、反射電極１３に対しては熱処理を行わない。この結果、反射電極１３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、反射電極１３は、ｎ電極１２とオーミック接触するため、チップの周辺においてフリップチップボンディング用或いはワイヤーボンディング用の電極パッドとして使用できる。
　引き続き、基板全面にｐ電極１１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１１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（瞬間熱アニール）等により例えば４５０℃の熱処理を加えて、図９に示すように、ｐ型コンタクト層１０上にｐ電極１１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。尚、当該４５０℃の熱処理では、Ａｌの融点が約６６０℃であるので、反射電極１３内のＡｌ層が溶融することはない。
　次に、ｎ型クラッド層６上に図３に示す平面視パターンのｎ電極１２と反射電極１３を形成した本発明素子１の実施例１及び２と、ｎ型クラッド層６上に反射電極１３と同じ平面視パターンのｎ電極１２だけを形成した比較例１及び２に対して、発光出力Ｐ（単位：ｍＷ）の順方向電流Ｉｆ（単位：ｍＡ）に対する特性、及び、順方向電圧Ｖｆ（単位：Ｖ）と順方向電流Ｉｆの電流電圧特性の各特性の測定結果を、図１０～図１３に示す。尚、各サンプルのｎ型クラッド層６のＡｌモル分率は、５５％（実施例１と比較例１）と２０％（実施例２と比較例２）の２種類について評価した。図１０と図１１は、実施例１と比較例１の各測定結果を比較対照して示し、図１２と図１３は、実施例２と比較例２の各測定結果を比較対照して示している。各図とも、実施例１及び２の測定結果を実線または黒い四角印（■）で、比較例１及び２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１０と図１２の発光出力特性より、ｎ型クラッド層６のＡｌモル分率が５５％と２０％の何れにおいても、本発明素子１の実施例の発光出力Ｐが、反射電極１３を設けていない比較例より、順方向電流Ｉｆに関係なく増大しており、反射電極１３を設けることで、外部量子効率の改善されていることが確認できた。
　しかし、実施例１，２は対応する比較例１，２に対し外部量子効率は向上しているが、各実施例では、比較例よりｎ電極１２とｎ型クラッド層６との接触面積が減少しているため、実施例の方が、ｎ電極１２の寄生抵抗が高くなって、順方向電圧Ｖｆが高くなると考えられる。実施例１と比較例１では、ｎ型クラッド層６のＡｌモル分率が５５％と比較的高く、図１に示されるように、ｎ電極１２とｎ型クラッド層６間の接触抵抗の増大が認められるため、図１１に示すように、実施例１の方が比較例より順方向電圧Ｖｆが高くなっている。しかし、後述するように、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）では、実施例１の方が、比較例１より優れており、順方向電圧Ｖｆの上昇より、外部量子効率の改善が顕著に現れていることが分かる。
　一方、実施例２と比較例２では、ｎ型クラッド層６のＡｌモル分率が２０％と小さく、図１に示されるように、ｎ電極１２とｎ型クラッド層６間の接触抵抗も低く抑えられているため、実施例２における順方向電圧Ｖｆの上昇は観測されていない。図１３において、実施例２の方が比較例２より順方向電圧Ｖｆが低くなっているのは、測定誤差範囲内と考えられる。
　また、図１４と図１５に、実施例１と実施例２における発光強度ＬＩ（任意単位）の波長依存性の各特性を測定した結果を夫々示す。実施例１と実施例２では、ｎ型クラッド層６のＡｌモル分率の差に応じて、活性層７の井戸層７ｂのＡｌモル分率も、夫々４０％、１２％と小さくなっているので、当該Ａｌモル分率の差が、ピーク発光波長の差（実施例１：約２９０ｎｍ、実施例２：約３３９ｎｍ）となって現れている。
　次に、実施例１，２及び比較例１，２に対して上述の変換効率Ｅ（ウォールプラグ効率）を算出した結果を、図１６の一覧表に示す。実施例１，２及び比較例１，２として夫々３サンプルにつき、発光出力Ｐと順方向電圧Ｖｆを測定し、変換効率Ｅを算出し、夫々の平均値を図１６に示す。尚、実施例１と比較例１の測定では、順方向電流Ｉｆは２０ｍＡを使用し、実施例２と比較例２の測定では、順方向電流Ｉｆは６０ｍＡを使用した。
　図１６より、比較例１の３サンプルの平均の発光出力Ｐが２．８２ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．９７Ｖ、変換効率Ｅが２．８３％であったのに対し、実施例１の３サンプルの平均の発光出力Ｐが３．２４ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが５．１６Ｖ、変換効率Ｅが３．１４％であった。また、比較例２の３サンプルの平均の発光出力Ｐが２．７８ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．７４Ｖ、変換効率Ｅが０．９８％であったのに対し、実施例２の３サンプルの平均の発光出力Ｐが３．２４ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．６３Ｖ、変換効率Ｅが１．１７％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１１５％、実施例２で１１７％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１０４％、実施例２で９８％（実質的には１００％）であった。実施例１，２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１，２の方が比較例１，２より高くなっている。以上より、ｎ電極構造部分に、反射電極１３を設けることで、変換効率Ｅを犠牲にすることなく、外部量子効率の改善されることが確認できた。
　［第２実施形態］
　上記第１実施形態では、ｎ電極１２と反射電極１３を組み合わせた新規なｎ電極構造により、つまり、ｎ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。第２実施形態では、ｎ電極１２とｐ電極１１の両電極での電極構造の改良により、外部量子効率が更に改善できることを説明する。
　図１７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１７に示すように、本発明素子２０は、ｐ型コンタクト層１０に、下側のｐ型クラッド層９の表面まで貫通する開口部１５が反応性イオンエッチング等により形成され、ｐ型コンタクト層１０の表面にｐ電極１１が形成され、ｐ型コンタクト層１０の開口部１５内及びｐ電極１１上にＡｌからなる反射電極１６（第２反射金属層に相当）が形成されている点、つまり、当該ｐ電極１２の下地構造及び周辺構造を含むｐ電極構造に特徴があり、図２に示す第１実施形態の本発明素子１とは、当該ｐ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。反射電極１６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１１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１８に、ｐ電極１１の平面視パターンの一例を示す。図１８（ａ）～図１８（ｃ）は、ｐ電極１１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１１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１１は同じパターンで重なり合っているが、ｐ電極１１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１１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１５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１５であるが、開口部１５内にｐ電極１１が存在する場合は、ｐ電極１１の形成されていない部分が実効的な開口部となる。
　次に、ｐ電極構造部分の製造方法について、図１９～図２１を参照して説明する。第１実施形態で説明した図４に示すｐ型コンタクト層１０を形成して熱処理を施すまでの工程、図５～図８に示すｎ電極１２と反射電極１３を形成するまでの工程は同じであるので重複する説明は割愛する。
　図４に示すように、ｐ型コンタクト層１０を形成して熱処理を施した後に、図１９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１５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１５を形成した後に、Ｎｉマスクを除去する。引き続き、図５～図８に示すｎ電極１２と反射電極１３を形成するまでの工程を、第１実施形態で説明した要領で行う。
　引き続き、基板全面にｐ電極１１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１１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２０に示すように、ｐ型コンタクト層１０の表面にｐ電極１１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、基板全面に反射電極１６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、反射電極１６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２１に示すように、ｐ電極１１と開口部１５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のほぼ全面に反射電極１６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、反射電極１６に対しては熱処理を行わない。この結果、反射電極１６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、反射電極１６は、ｐ電極１１とオーミック接触するため、フリップチップボンディング用或いはワイヤーボンディング用等の電極パッドとして使用できる。
　次に、ｐ電極構造部分において、ｐ型コンタクト層１０の表面の第１領域Ｒ１に開口部１５を形成し、ｐ電極１１と開口部１５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のほぼ全面に反射電極１６を形成したことの効果について説明する。つまり、第１実施形態では、ｎ電極構造部分に反射電極１３を形成することで、外部量子効率が改善されることを確認したが、第２実施形態では、ｐ電極構造部分に反射電極１６を形成することで、外部量子効率が改善されることを確認する。但し、以下の説明では、比較例として、第１実施形態で使用したｎ電極構造部分に反射電極１３を有しないサンプルを使用したため、第２実施形態の本発明素子２０の実施例としても、ｎ電極構造部分に反射電極１３を有しないサンプルを使用した。
　次に、本発明素子２０の実施例３（反射電極１６有り、反射電極１３無し）と、ｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１１をｐ型クラッド層９上のほぼ全面に形成し、反射電極１６を設けない比較例３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２２～図２４に示す。実施例３及び比較例３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３におけるｐ型コンタクト層１０と開口部１５の合計面積に対する開口部１５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１１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２２（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３及び比較例３の各順方向電流Ｉｆは、何れも６０ｍＡである。図２３（ａ）は、発光出力Ｐの順方向電流Ｉｆに対する特性を示し、図２３（ｂ）は同じ測定結果に対して実施例３の測定結果を比較例３の測定結果で正規化した特性を示している。図２４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３の測定結果を実線または黒い四角印（■）で、比較例３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２２に示す結果より、実施例３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３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３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３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２３に示す結果より、実施例３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３は比較例３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１１側の寄生抵抗が高くなっているため、順方向電圧Ｖｆは、図２４に示すように、実施例３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、変換効率Ｅを算出した結果を、図２５の一覧表に示す。図２５に示す測定では、実施例３及び比較例３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３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１１のパターンとして同じ開口率で３種類用意し、実施例３Ａ～３Ｃとした。実施例３Ａ～３Ｃ及び比較例３として夫々３サンプルにつき、発光出力Ｐと順方向電圧Ｖｆを測定し、変換効率Ｅを算出し、夫々の平均値を図２５に示す。尚、実施例３Ａのパターンは、図１８（ａ）に示す格子状パターンであり、実施例３Ｂのパターンは、図１８（ｂ）に示す櫛状パターンであり、実施例３Ｃのパターンは、図１８（ｃ）に示すドット状パターンである。
　図２５より、比較例３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、変換効率Ｅが１．５７％であったに対し、実施例３Ａ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３Ｂ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３Ｃ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３に対する発光出力Ｐの比率は、実施例３Ａで１２９％、実施例３Ｂで１３０％、実施例３Ｃで１３２％であった。一方、比較例３に対する順方向電圧Ｖｆの比率は、実施例３Ａで１１９％、実施例３Ｂで１２７％、実施例３Ｃで１２５％であった。実施例３Ａ～３Ｃ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３Ａ～３Ｃの方が比較例３より高くなっている。実施例３Ａ～３Ｃではｐ型コンタクト層１０及びｐ電極１１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３Ａ～３Ｃの中では、発光出力Ｐは実施例３Ｃが良く、変換効率Ｅでは実施例３Ａが良いという傾向が見られる。また、本実施例３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１１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１実施形態では、ｎ電極構造部分に反射電極１３を設けることによる外部量子効率の改善効果を説明し、第２実施形態では、ｎ電極構造部分に反射電極１３を設けることによる外部量子効率の改善効果を説明した。第１実施形態では、発光出力Ｐの上昇率が、１１５％（実施例１）であったのに対して、第２実施形態では、発光出力Ｐの上昇率が、１２９％～１３２％（実施例３Ａ～３Ｃ）と、第１実施形態の約２倍の上昇率であった。ｎ電極構造部分の反射電極１３は、ｐ電極構造部分の反射電極１６のように活性層７からの発光を直接反射させて外部量子効率の改善を図っているのではなく、出射面で反射した一部発光を更に再反射することで外部量子効率の改善を図っているため、外部量子効率の改善効果としては、ｐ電極構造部分の反射電極１６より相当低くなるものと予想されるが、上述のように、反射電極１３とｎ型クラッド層６の接触面の面積を第１領域Ｒ１の面積の約１８０～２００％程度確保すれば、ｐ電極構造部分の反射電極１６の改善効果の約半分程度が得られる。２つの反射電極１３，１６による発光出力Ｐの上昇率として、約１５０％が期待できる。
　以下に、別の実施形態につき説明する。
　〈１〉上記第２実施形態では、反射電極１６を、開口部１５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２６に示すように、開口部１５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１７を堆積した後、反射電極１６を形成するようにしても良い。
　〈２〉上記第２実施形態では、開口部１５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１５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１５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、その上に反射電極１６を形成することができる。
　〈３〉上記第２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２７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２７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２実施形態において、ｎ電極構造部分の反射電極１３とｐ電極構造部分の反射電極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、上記第２実施形態では、反射電極１３をｎ電極１２の形成後に形成し、反射電極１６をｐ電極１１の形成後に形成する場合を説明したが、２つの反射電極１３，１６を、ｎ電極１２とｐ電極１１の形成後に形成しても良く、また、両反射電極１３，１６間の形成順は特に問わないし、同時に形成しても良い。
　〈５〉上記各実施形態では、本発明素子１，２０を構成するテンプレートとして、図２及び図１７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２８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（０００１）基板２に代えて他の基板を用いても良い。更に、上記各実施形態で例示した本発明素子１，２０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、上記各実施形態では、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。
　〈６〉上記各実施形態では、ｐ電極１１がＮｉ／Ａｕの場合、ｎ電極１２がＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合、反射電極１３，１６がＡｌまたはＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合を例示したが、各電極の材料及び膜厚は、上記のものに限定されるものではない。ｐ電極１１とｎ電極１２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１２は、ｎ型クラッド層６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。反射電極１３，１６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。
　〈７〉上記第２実施形態では、反射電極１６を形成する場合に、ｐ電極１１を覆うように第１領域の略全面に形成したが、反射電極１６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１３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１１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、基板全面に反射電極１６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、反射電極１６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電極１６が形成される。更に、反射電極１６に代えて、反射電極１３を、上記と同様の要領で、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。
　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：　　　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）
　１１，１０９：　ｐ電極
　１２，１１０：　ｎ電極
　１３：　　　　　反射電極（第１反射金属層）
　１４：　　　　　Ｎｉマスク
　１５：　　　　　開口部
　１６：　　　　　反射電極（第２反射金属層）
　１７：　　　　　透明絶縁膜
　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 (11)

  1. 　ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなる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、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、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、
    　前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内における前記第１領域の近傍領域に、前記ｎ型クラッド層とオーミック接触するｎ電極金属層が形成され、
    　前記第２領域内の前記近傍領域以外の前記ｎ型クラッド層の表面上に、前記活性層から発光される紫外光を反射する第１反射金属層が形成され、
    　前記ｎ電極金属層が前記ｎ型クラッド層表面の前記第１反射金属層と接触する領域と前記第１領域の間に配置され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. 　前記第１反射金属層が、前記ｎ電極金属層の上面の少なくとも一部を覆って接触し、前記ｎ電極金属層と電気的に接続してい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ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が、前記活性層のＡｌＮモル分率より大きく、且つ、６０％以下であ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. 　前記第１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型クラッド層上に前記紫外光を吸収する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第２反射金属層が形成され、
    　前記第２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５に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  7. 　前記第２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５または６に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  8. 　前記第２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５～７の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  9. 　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５～８の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  10. 　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１～９の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
  11. 　前記テンプレートがＡｌＮ層を含むことを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
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