(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、
第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、
前記第２の半導体層に積層して設けられ、前記第２の半導体層に対向する側に銀及び銀合金の少なくともいずれかの層を備え、前記層中に前記発光層の発光波長以下の幅の空隙が前記銀または銀合金の粒界に沿って存在する第２の電極と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記空隙は、前記第２の電極の前記第２の半導体層との界面、及び、前記第２の電極の前記第２の半導体層とは反対側の界面に設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記空隙は、前記第２の電極の前記第２の半導体層との界面、及び、前記第２の電極の層中に設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記空隙は、前記第２の電極の前記第２の半導体層とは反対側の界面にさらに設けられることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記空隙は、前記第２の電極の厚み方向を貫通して設けられ、
前記空隙の一部は、前記第２の電極の前記第２の半導体層との界面に設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記空隙は、前記第２の電極の前記第２の半導体層とは反対側の界面にさらに設けられることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記空隙は、前記第２の電極の厚み方向を貫通して設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第２の半導体層に積層して設けられ、前記第２の電極と接触し、前記第２の半導体層に対して前記第２の電極のオーミック性よりも高いオーミック性を有する第３の電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
第１の半導体層と、
第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、
前記第２の半導体層に積層して設けられ、前記発光層からの光を透過する透明導電膜と、
前記透明導電膜に積層して設けられ、前記透明導電膜に対向する側に銀及び銀合金の少なくともいずれかの層を備え、前記層中に前記発光層の発光波長以下の幅の空隙が前記銀または銀合金の粒界に沿って存在する第２の電極と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
前記空隙は、前記第２の電極の前記透明導電膜との界面、及び、前記第２の電極の前記透明導電膜とは反対側の界面に設けられることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記空隙は、前記第２の電極の前記透明導電膜との界面にさらに設けられることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記空隙の一部は、前記第２の電極の前記透明導電膜との界面に設けられ、
前記空隙は、前記第２の電極の厚み方向を貫通して設けられることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記空隙は、前記第２の電極の前記透明導電膜とは反対側の界面にさらに設けられることを特徴とする請求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記空隙は、前記第２の電極の厚み方向を貫通して設けられることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記透明導電膜は、前記発光層の発光波長のエネルギーよりも大きなバンドギャップを持つ材料からなることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記透明導電膜の膜厚は、前記発光層の発光波長における吸収係数の逆数よりも薄いことを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記透明導電膜は、ニッケル、酸化インジウムスズ及び酸化亜鉛の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項９〜１６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記空隙は、前記第２の電極に含まれる銀の高温熱処理によるマイグレーションによって形成されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記第２の電極は、銀単層膜であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子の輝度を向上させるために、光取り出し効率の改善は重要である。半導体発光素子において、高い放熱性と高い光取り出し効率が期待される構造の一例として、ウェーハの発光層側をヒートシンク側に接触させ、発光した光を直接または反射膜で反射させて基板側から取り出すフリップチップ型の構造がある。
【０００３】
半導体発光素子内で発光した光は、屈折率差のある界面に対する入射角度に応じて光路を変える。光の入射角度が界面に対して垂直に近いような深い入射角度の場合は、半導体素子の外に取り出され、浅い入射角度の場合は、全反射し半導体発光素子内部に戻る。  
フリップチップ型の半導体発光素子の場合、光取り出し効率を改善するため、基板の光取り出し面をドーム状に加工したり、回折機能を持つナノ凹凸構造を形成したりすることが考えられる。しかしながら、例えばサファイア基板上に窒化物半導体を形成した半導体発光素子の場合、基板と半導体層の屈折率差が大きいため、半導体層で発光した光がその界面で反射されて、半導体層内に閉じ込められ易い構造となっている。このため、基板の光取り出し面に工夫をしても、光取り出し効率の向上には改善の余地がある。
【０００４】
光取り出し効率の改善のため、例えば、半導体層を形成する基板表面を加工したり、半導体層内に平坦でない層を形成したり、反射膜を形成する半導体層の表面を加工することによって、凹凸構造を形成することも考えられる。しかし、いずれの方法も高度な技術が必要である上に、凹凸構造を形成するための結晶成長条件と半導体発光素子の特性を向上させるための結晶成長条件とが高度に両立しないおそれがある。すなわち、凹凸構造を形成することによって結晶品質が低下し、これによる電気特性や光学特性の劣化が懸念される。
【０００５】
特許文献１には、高効率反射膜の機能を兼用する電極が、発光層からの放射光の波長の１／２以下の幅の領域を有する構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−５５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、第１の半導体層と、第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記第２の半導体層に積層して設けられ、前記第２の半導体層に対向する側に銀及び銀合金の少なくともいずれかの層を備え、前記層中に前記発光層の発光波長以下の幅の空隙が前記銀または銀合金の粒界に沿って存在する第２の電極と、を備えることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の要部の構造を例示する拡大模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の空隙を例示する模式図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子の一部の製造方法を例示する工程順模式断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。
【図８】図７に続く工程順模式断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子の製造方法における熱処理時の結晶粒の振る舞いを示す模式図である。
【図１０】第１の比較例の半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【図１１】第１の比較例の半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子及び第１の比較例の半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【図１４】本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。
【図１６】本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子における熱処理温度と半導体発光素子の空隙の面積比との関係を例示するグラフ図である。
【図１７】本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子における熱処理温度と半導体発光素子の光出力との関係を例示するグラフ図である。
【図１８】第２の比較例の半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。
【図１９】第３の比較例の半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。
【図２０】第２、第３の比較例の半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。
【図２１】本発明の第４の実施例に係る半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。
【図２２】本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
【図２５】本発明の第６の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【図２６】本発明の第６の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【図２７】本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。  
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する平面模式図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線断面模式図である。  
図１（ａ）、（ｂ）に表したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子１０は、第１の半導体層１２０と、第２の半導体層１４０と、第１の半導体層１２０と第２の半導体層１４０との間に設けられた発光層１３０と、第１の半導体層１２０の上に設けられた第１の電極１６０と、第２の半導体層１４０の上に設けられた第２の電極１５０と、を備える。
【００１２】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、第１の半導体層１２０と、第２の半導体層１４０と、これらに挟まれた発光層１３０を含む半導体層１４８を備える。この半導体層１４８には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）等の窒化物半導体を用いることができる。ただし、本発明はこれには限定されない。  
そして、第１の半導体層１２０にはｎ型の導電型を有する半導体を用い、第２の半導体層１４０にはｐ型の導電性を有する半導体を用いることができる。
【００１３】
また、図１に表したように、半導体層１４８（第１の半導体層１２０、発光層１３０、第２の半導体層１４０）は、基板１１０の上に形成することができる。この際、半導体層１４８の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、有機金属気相成長法や分子線エピタキシャル成長法等などの技術を用いることができる。  
また、この基板１１０には、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの材料を用いることができる。サファイアのように、発光層１３０から放出される光を透過する材料を用いた場合、基板１１０を介して光を取り出すことができる。一方、発光層１３０から放出される光を透過しない材料により基板１１０を形成した場合は、半導体層１４８と基板１１０との界面で光を反射させ、外部に取り出すことも可能である。なお、基板１１０は、半導体発光素子の製作途中または製作後に、取り除いても良い。その場合には、発光層１３０から放出された光を半導体層１４８の下面（図１（ａ）において下側の面）から取り出すことができる。
【００１４】
そして、第２の電極１５０には、例えば、銀及び銀合金の少なくともいずれかを用いることができる。ただし、本発明はこれに限らず、第２の電極１５０は、少なくとも第２の半導体層１４０に対向する側が、銀及び銀合金の少なくともいずれかからなれば良い。  
第１の電極１５０となる導電膜の材料は、銀単層膜でも良く、銀と、銀以外の金属と、を含む銀合金層であっても良い。銀以外の多くの金属単層膜の可視光帯域に対する反射効率は、４００ｎｍ以下の紫外域では波長が短くなるほど低下する傾向にあるが、銀は３７０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外帯域の光に対しても高い反射効率特性を有する。このため、銀や銀合金を第２の電極１５０に用いることにより、発光層１３０で生じた光、特に紫外帯域の光を高効率に反射させ、高輝度の半導体発光素子１０を実現することができる。  
そして、紫外発光の半導体発光素子において、第２の電極１５０となる導電膜が銀合金で形成される場合には、導電膜の第２の半導体層１４０側は、その他の部分に比べて銀の成分比が高い方が好ましい。第２の電極１５０となる導電膜の膜厚は、光に対する反射効率を確保するため、銀の吸収係数の逆数よりも厚いほうが好ましく、１００ｎｍ以上であるほうがさらに好ましい。
【００１５】
さらに、第２の電極１５０は、第２の半導体層１４０に対向する面に、発光層１３０の光波長以下の幅の空隙２１０を有する。  
後述するように、この空隙２１０によって、発光層１３０で発生した光の光路を変えることができ、屈折率差のある界面における全反射による光閉じ込め効果を抑制し、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００１６】
また、空隙２１０は、第２の電極１５０の少なくとも第２の半導体層１４０との界面側に設けられれば良く、空隙２１０は、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０との界面に設けられるのと同時に、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０とは反対側の界面にも設けられても良い。また、空隙２１０は、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０との界面に設けられるのと同時に、第２の電極１５０の層中にも設けられても良い。さらには、空隙２１０は、第２の電極１５０の厚み方向を貫通して設けられても良い。すなわち、空隙２１０は、少なくとも、半導体層１４８からの光が入射する第２の電極１５０の第２の半導体層１４０側の界面に、設けられれば良い。
【００１７】
また、この第２の電極１５０の空隙２１０は、高温熱処理による銀のマイグレーションによる自己組織化によって形成することができる。
【００１８】
なお、第１の電極１６０の材料は、第１の半導体層１２０のオーミック電極として用いることができる導電性の各種の単層膜または多層膜を第１の電極１６０の材料として用いることができる。第１の電極１６０の形成方法も、特に限定されるものではなく、例えば、電子ビーム蒸着法にて多層構造を形成した後に、シンター処理を行っても良い。シンター処理をする場合は、ボンダビリティ向上のため、第１の電極１６０にパッドを別途設けることが好ましい。
【００１９】
なお、ワイヤーボンディングのボンダビリティの向上、ボールボンダーによる金バンプ形成時のダイシェア強度の向上、及び、フリップチップマウントへの適用化等のために、第２の電極１５０にパッドを別途設けても良い。パッドの膜厚は、例えば１００ｎｍから１００００ｎｍの間で選ぶことができる。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の要部の構造を例示する拡大模式図である。  
なお、本願明細書と図２以降の各図については、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
図２に表したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子１０においては、発光層１３０から第２の電極１５０へ向かって発光した光のうち、空隙２１０以外の部分に入射した光は、光Ｌのように幾何光学に従って鏡面反射する。一方、空隙２１０に入射した光は、空隙２１０の幅が発光波長より小さいため、散乱や回折等の波動光学で説明される挙動を示す。その結果、散乱反射された、例えば、光Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３が生じる。
【００２１】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１０では、第２の電極１５０に、波長以下の幅の空隙２１０を設けることにより、第２の電極１５０と第２の半導体層１４０との界面に、散乱特性（拡散反射特性）の領域を形成することができる。これにより、各種の角度の光（例えば、光Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）を発生させ、屈折率差のある界面（例えば半導体層１４８と基板との界面）に対する入射角度が浅く半導体発光素子１０の内部に閉じ込められていた一部の光の入射角度を変えることができ、効果的に光を外に取り出すことができる。  
これにより、本実施形態に係る半導体発光素子１０によって、光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供できる。  
なお、一般的には、空隙２１０の幅が発光波長と比べて小さくなるほど、光の波動性が高まり、散乱反射する光の成分が増加する。その結果として、半導体発光素子１０の光取り出し効率が向上する。
【００２２】
ここで、「鏡面反射」とは、幾何光学によって説明される光の入射角と反射角が等しい反射のことであり、「拡散反射」とは、波動光学によって説明される、光が全方向に散乱される反射のことである。
【００２３】
サファイア基板を用いた半導体発光素子の場合、基板１１０と半導体層１４８の屈折率差が大きいため、発光した光の多くの部分はその界面で反射されて、半導体層１４８の内部に閉じ込められ易い。これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、発光した光を拡散反射させることで、効果的に光を半導体層１４８の外部へ取り出すことができるため、光取り出し効率が改善される。このように、本実施形態に係る半導体発光素子１０を、サファイア基板を用いた半導体発光素子に応用すると効果的である。
【００２４】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の空隙を例示する模式図である。  
すなわち、図３（ａ）、（ｂ）は、空隙が、それぞれ楕円形状及び楕円形状以外の形状である場合の空隙の大きさ（幅）を例示している。  
図３に表したように、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０において、空隙２１０の幅とは、空隙２１０の第２の半導体層１４０との界面における空隙２１０の断面形状が、楕円形状（図３（ａ））の場合は長径Ｓを指し、それ以外の場合（図３（ｂ））は、最も長い空隙２１０内の直線距離Ｔを指す。  
そして、空隙２１０の幅は、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０に対向する面の断面における空隙２１０の平面形状において、上記の長径Ｓまたは直線距離Ｔとなる。
【００２５】
空隙２１０の幅は、発光波長以下にすることが好ましい。半導体発光素子１０の発光スペクトルは、半値幅が数十ｎｍ程度の幅を持つが、発光波長とは規定の動作電流で光出力が最大値となるピーク発光波長を指す。  
空隙２１０などの作用体が、光の波長に比べて十分に大きい場合には、光は直進する光束として扱われ、スネルの法則をはじめとする幾何光学により光の振る舞いが説明される。一方、作用体が光の波長と同程度のサイズになると、光は波動性を増し、幾何光学では説明できない現象を生じる。光が曲がるのも、回折や散乱という波動性に起因する。この波動性は、作用体のサイズが波長以下の領域で顕著に表れる。なお、この領域においては、光の挙動を電磁気学に基づいて厳密に計算することはできない。
【００２６】
なお、一般の半導体発光素子において、光取り出し効率改善のため、基板表面や半導体層内及び反射膜と接する半導体層の表面を加工して、平坦でない面（凹凸構造）を形成する方法があるが、これらの方法で形成される表面は、光の波長より大きい桁のサイズの凹凸構造であり、微視的にみれば幾何光学に従う鏡面反射特性を有している。これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１０では、空隙２１０のサイズは光の波長以下であり、上記のように幾何光学で説明されない波動性の特性を有している。これにより、他の方法では得られない光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供できる。
【００２７】
なお、第２電極１５０の第２の半導体層１４０との界面における、空隙２１０の密度や面積比が高いほど、光取り出し効率が高まる。ただし、空隙２１０の密度や面積比が高くなりすぎると、第２の電極１５０と第２の半導体層１４０とのコンタクト面積が小さくなり、動作電圧が高くなることがある。  
この時、図１に例示した半導体発光素子１０のように、第２の電極１５０と第１の電極１６０とが、略同一平面上にあるような横方向通電の場合、第２の電極１５０と第１の電極１６０との距離が最小となる領域に電流が集中する傾向があるため、空隙２１０による第２の電極１５０と第２の半導体層１４０とのコンタクト面積の減少は、その減少分ほどは動作電圧に影響を与えない。  
動作電圧との兼ね合いを考慮して、空隙２１０の第２の電極１５０の全面積に対する面積比は、１０％以下であることが好ましく、さらに好ましくは５％以下であると良い。また、第２の電極１５０に複数の空隙２１０を設ける場合には、これら空隙２１０のうちの過半数のものの幅を発光光の波長以下とすることが望ましい。そのようにすれば、空隙２１０の半数以上が、上述したように光の波動性に基づく回折や散乱を生じ、光の取り出し効率を向上させることができる。また、第２の電極１５０に複数の空隙２１０を設ける場合に、それら空隙２１０の幅の平均値が、発光光の波長以下となるようにしてもよい。このようにしても、空隙２１０の多くが光の波動性に基づく回折や散乱を生じ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２８】
（第１の実施例）
以下、本実施形態に係る第１の実施例について説明する。  
図４は、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図４に表したように、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子１１は、図１に例示した第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様の構造を有す。  
なお、平面構造は、図１に例示した本実施形態に係る半導体発光素子１０と同様とすることができるので説明を省略する。
【００２９】
本実施例に係る半導体発光素子１１は、基板１１０の上に、膜厚３ｎｍ〜２０ｎｍの高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファー層１２２(炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３）、膜厚２μｍの高純度第２ＡｌＮバッファー層１２３(炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３）、膜厚３μｍのノンドープＧａＮバッファー層１２４、膜厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１２５（Ｓｉ濃度１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３）、膜厚０．０２μｍのＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２６（Ｓｉ濃度１×１０１６ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮバリア層（Ｓｉ濃度１×１０１９ｃｍ−３）とＧａＩｎＮ発光層(電流注入時のピーク発光波長３８０ｎｍ)とが交互に３周期積層されてなる多重量子井戸構造の膜厚０．０７５μｍの発光層１３０、膜厚０．０２μｍのノンドープＡｌＧａＮスペーサ層１４２、膜厚０．０２μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４３(Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３）、膜厚０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４４(Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３）、膜厚０．０２μｍの高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５(Ｍｇ濃度２×１０２０ｃｍ−３）、が積層された半導体層１４８を有す。
【００３０】
そして、半導体発光素子１１は、光の波長以下の幅の空隙２１０が設けられた第２の電極（ｐ側電極）１５０を備えている。  
これにより、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００３１】
なお、上記において、第１ＡｌＮバッファー層１２２、第２ＡｌＮバッファー層１２３、ノンドープＧａＮバッファー層１２４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１２５、及びＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２６が、第１の半導体層１２０となる。  
そして、ノンドープＡｌＧａＮスペーサ層１４２、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４３、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４４及び高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５が、第２の半導体層１４０となる。  
なお、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４４と高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５とが、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６となる。
【００３２】
なお、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファー層１２２は、基板１１０との格子の不整合を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。
【００３３】
また、高純度第２ＡｌＮバッファー層１２３は、表面を原子レベルで平坦化し、この上に成長するノンドープＧａＮバッファー層の欠陥を低減するための層であり、このためには１μｍよりも厚くすることが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには４μｍ以下が望ましい。高純度第２ＡｌＮバッファー層は、ＡｌＮに限定されず、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦１）でも良く、ウェーハのそりを補償できる。
【００３４】
また、ノンドープＧａＮバッファー層１２４は、高純度第２ＡｌＮバッファー層１２３の上の３次元島状成長により欠陥低減の役割を果たす。成長表面の平坦化には、ノンドープＧａＮバッファー層１２４の平均膜厚は、２μｍ以上であることが必要である。また、再現性とそり低減の観点から、ノンドープＧａＮバッファー層１２４の総膜厚は、４〜１０μｍが適切である。
【００３５】
これらのバッファー層を採用することで、従来の低温成長ＡｌＮバッファー層と比較して、約１／１０の低欠陥化が実現できる。この技術によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層）１２５への高濃度Ｓｉドーピングや、紫外帯域発光でありながらも高効率な半導体発光素子を作ることができる。
【００３６】
すなわち、サファイア基板の上に形成した一般的な窒化物半導体層の場合、半導体層１４８内に数多く存在する欠陥や、アモルファス状または多結晶となっている低温成長バッファー層などは、光吸収体であり、光が反射されるうちに吸収されてしまうため、光の損失が生じる。  
この時、本実施例に係る半導体発光素子１１のように、単結晶ＡｌＮバッファー層（第１ＡｌＮバッファー層１２２、高純度第２ＡｌＮバッファー層１２３及びノンドープＧａＮバッファー層１２４）を用いることで、バッファー層で吸収が起きにくくなるだけでなく、半導体層１４８内の欠陥が減少し、半導体層１４８内で光吸収が起きる要因を極力減らすことができ、損失を低くすることができる。このように、単結晶ＡｌＮバッファー層を用いることで、空隙２１０の密度や面積比を低くしても高い光取り出し効率が得られる。
【００３７】
このように、本実施例の半導体発光素子１１は、光の波長以下の幅の空隙２１０が設けられた第２の電極（ｐ側電極）１５０を用い、また、単結晶ＡｌＮバッファー層を用いることで、バッファー層で吸収が起きにくくなるだけでなく、半導体層内の欠陥が減少し、半導体層内で光吸収が起きる要因を極力減らすことができ、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００３８】
なお、本実施例の半導体発光素子１１において、高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５のＭｇ濃度を、１０２０ｃｍ−３台と高めに設定した場合、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６と第２の電極１５０とのオーミック性が向上する。しかし、半導体発光ダイオードの場合、半導体レーザダイオードとは異なり、高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５と発光層１３０との距離が近いため、このように高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５のＭｇ濃度を高くした場合、Ｍｇ拡散による特性の劣化が懸念される。しかしながら、半導体発光ダイオードの場合は、動作時の電流密度が低いため、Ｍｇ濃度を１０１９ｃｍ−３に抑えることによって、電気特性を大きく損ねることなく、Ｍｇの拡散を防ぐことができ、発光特性を改善させることができる。
【００３９】
また、単結晶ＡｌＮバッファー層を用いることで、アモルファス状または多結晶である低温成長ＡｌＮバッファー層とは異なり、バッファー層が発光光に対する吸収体になりにくく、半導体層１４８内の欠陥を減少させることができ、半導体層１４８内で光吸収が起きる要因を極力減らすことができる。これにより、発光光が基板１１０−エピタキシャル層界面とエピタキシャル層−ｐ側電極１５０界面で反射を数多く繰り返すことができるため、発光光がエピタキシャル層内に閉じ込められ、空隙２１０における影響を受け易くなることにより、空隙２１０の密度や面積比が低くても高い効果が得られる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。  
図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。  
図５に表したように、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、まず、半導体層１４８の上に、第２の電極（ｐ側電極）１５０となる導電膜を形成する（ステップＳ１１０）。この導電膜は、銀及び銀合金の少なくともいずれかの層を含むことができる。  
そして、この導電膜に、水及びイオン化物質のうち少なくともいずれかを付着させる（ステップＳ１２０）。  
そして、導電膜を高温熱処理することによって、導電膜の粒界（グレインバウンダリー）に隙間を作り、少なくとも導電膜の第２の半導体層１４０に対向する面に、半導体発光素子の発光光の波長以下の幅の空隙２１０を形成する（ステップＳ１３０）。
【００４１】
このように、本実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、第２の電極１５０となる導電膜をマイグレートさせることによって、導電膜の粒界に隙間を作り、自己組織化的に導電膜に発光光の波長以下の幅の空隙２１０を容易に形成でき、光取り出し効率の高い半導体発光素子を容易に製造できる製造方法を提供できる。  
なお、後述するように、上記の第２の電極１５０となる導電膜を形成する前に、半導体層１４８等の表面に付着した水分を除去するための乾燥工程を設けることができる。また、後述するように、上記の高温熱処理の温度条件や、高温熱処理の後の降温速度を制御することによって、空隙２１０の生成を制御することができる。
【００４２】
（第２の実施例）
以下、本実施形態に係る第２の実施例である半導体発光素子の製造方法について説明する。すなわち、第２の実施例は、上記の第１の実施例に係る半導体発光素子１１の製造方法の一例である。  
図６は、本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子の一部の製造方法を例示する工程順模式断面図である。  
図６（ａ）は最初の工程の図であり、図６（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ前の図に続く図である。  
図６（ａ）に表したように、本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子１１の製造方法においては、まず、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファー層１２２、高純度第２ＡｌＮバッファー層１２３、ノンドープＧａＮバッファー層１２４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１２５、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２６、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮバリア層とＧａＩｎＮ発光層とが交互に３周期積層されてなる多重量子井戸構造の発光層１３０、ノンドープＡｌＧａＮスペーサ層１４２、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４３、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４４、高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４５を、この順で積層した。なお、これらの層の膜厚、及び、炭素、Ｓｉ、Ｍｇ濃度は、第１の実施例で説明した通りである。
【００４３】
そして、図６（ｂ）に表したように、これらの半導体層１４８の一部の領域において、ｎ型コンタクト層１２５が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによって、ｐ型の半導体層（第２の半導体層）１４０と発光層１３０とＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２６とを取り除いた。
【００４４】
そして、図６（ｃ）に表したように、露出したｎ型の半導体層（第１の半導体層）１４０の一部を含む半導体層１４８全体に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて、ＳｉＯ２膜３１０を４００ｎｍの膜厚で積層した。
【００４５】
そして、この上にｐ側電極１５０を形成する。このｐ側電極１５０の形成方法について、以下詳しく説明する。すなわち、以下では、図６（ｃ）に表した、ｐ側電極１５０が形成される領域３００のみについて説明する。
【００４６】
図７は、本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。  
図７（ａ）は、最初の工程の図であり、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、前の図に続く図である。  
そして、図８は、図７に続く工程順模式断面図である。
【００４７】
図７（ａ）は、図６（ｃ）に例示した、半導体層上にＳｉＯ２膜３１０が形成された領域３００の拡大模式断面図である。  
まず、図７（ｂ）に表したように、上記のＳｉＯ２膜３１０が形成された半導体層１４８の上に、リフトオフ用のレジスト３２０を所定パターンで形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６の上のＳｉＯ２膜３１０の一部をフッ化アンモン処理で取り除き、エアブローやスピンドライヤーなどによってウェーハ（この場合は、基板１１０、半導体層１４８及びＳｉＯ２膜３１０）上の水分を吹き飛ばした。  
この時、図７（ｃ）に表したように、ウェーハ上の水分を吹き飛ばしただけの状態では、ウェーハ表面にわずかな水分が制御されていない状態で残っている。  
このため、その後、図７（ｄ）に表したように、このウェーハ上の水分を十分乾燥させ、除去した。
【００４８】
そして、図８（ａ）に表したように、真空蒸着装置によってウェーハ全体に、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）をこの順に、合計２００ｎｍの膜厚で成膜し、ｐ側電極１５０を形成するための導電膜１５１を形成した。なお、これに限らず、この導電膜１５１には、銀及び銀合金の少なくともいずれかの層を用いることができる。  
そして、図８（ｂ）に表したように、有機溶剤によってレジスト３２０を溶解させ、レジスト３２０上に形成された導電膜１５１のみを除去し、超純水によって十分洗浄した後、１２０℃のホットプレート上でウェーハを十分乾燥させた。このようにして、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、ｐ側電極１５０を形成した。  
そして、図８（ｃ）に表したように、温度と湿度がそれぞれ２５℃±１℃、５０％±１％に管理されたクリーンルーム内に２４時間放置し、形成したｐ側電極１５０の表面に、わずかな水（水分）３３０やイオン化物質３４０を付着させた。  
そして、図８（ｄ）に表したように、急速熱処理（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）装置を用いて、窒素雰囲気において５℃／秒で８００℃までウェーハを昇温し、８００℃の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、０．５℃／秒で常温まで降温することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６とｐ側電極１５０の界面に空隙２１０を形成した。すなわち、導電膜１５１においてマイグレーションを発生させ、導電膜１５１の粒界に隙間を作り、空隙２１０を形成することができた。
【００４９】
この後、第１の電極（ｎ側電極）１６０を形成するために、パターニングされたリフトオフ用のレジスト（図示しない）を半導体層上に形成し、レジストから露出したｎ型コンタクト層１２５の上のＳｉＯ２膜３１０をフッ化アンモン処理で取り除いた。  
そして、真空蒸着装置によってウェーハ全体にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる薄膜を５００ｎｍの膜厚で形成し、リフトオフ法によってＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域にｎ側電極１６０を形成した。  
その後、基板１１０の裏面研磨を行い、劈開またはダイアモンドブレード等により切断し、半導体発光素子１１が形成できた。
【００５０】
上記のように、本実施例の半導体発光素子の製造方法においては、ｐ側電極１５０の少なくとも第２の半導体層１４０との界面側に、空隙２１０を、高温熱処理による銀のマイグレーションによって自己組織化により形成することができる。  
すなわち、ｐ側電極１５０の高温熱処理によって、異種材料間における熱膨張係数差による熱ストレスが発生し、粒界にその応力が集中し、その応力を緩和しようとして、導電膜１５１の金属原子、原子空孔が拡散移動することによって、粒界に沿って、空隙２１０が形成される。
【００５１】
この際、空隙２１０の大きさや密度の形成の再現性を向上させるためには、ｐ側電極１５０（導電膜１５１）のマイグレーションを制御する必要がある。  
このために、マイグレーションを促進させる効果のある、水分やイオン化物質のウェーハへの付着を制御する。
【００５２】
本実施例の製造方法では、温度と湿度が管理された空間にウェーハを一定時間放置することで、マイグレーションを促進させる水分やイオン化物質（マイグレート促進物質）を、再現性良く付着させている。なお、温度と湿度を制御できる恒温恒湿槽に放置する方法でも良い。なお、これらのマイグレート促進物質の付着のための具体的条件は、用いる導電膜１５１や半導体層１４８の特性、及び、ウェーハの処理条件等によって変わるので、これらに基づいて適切に定める。
【００５３】
そして、ｐ側電極１５０を形成する前後の各工程において、マイグレーション促進物質（水分やイオン化物質）の制御されていない付着を極力防ぐ。具体的には、例えば、ｐ側電極１５０形成前後の各ウェット処理工程後は、超純水による洗浄を十分行い、十分に乾燥させる。また、洗浄後に行うエアブローやスピンドライヤーでは、ウェーハ上の水分を除去できたように見えても、若干の水分またはウェーハ表面にまとわり付く湿気が残留しており、また、レジストが形成された状態で導電膜１５１の形成直前にホットプレートやオーブンなどで加熱処理すると、レジストから有機溶剤が蒸発して半導体層１４８の表面に付着し、その上に形成されたｐ側電極１５０のマイグレーションの再現性が著しく悪くなるため、乾燥方法も上記のように工夫が必要である。
【００５４】
また、上記のように、高温熱処理及び熱処理後の降温速度を遅くすることで、マイグレーションによる空隙２１０の形成が再現性良く行われる。
【００５５】
以上のように、本実施例の半導体発光素子の製造方法では、マイグレーションを促進させる効果のある、水分やイオン化物質のウェーハへの付着を制御し、また、高温熱処理及び熱処理後の降温速度を遅くすることで、波長以下の幅の空隙２１０を、再現性良く形成することができる。  
なお、マイグレーション促進物質は、例えば、水、イオン化物質（イオン化傾向が比較的高い物質及びその各種化合物）及び、例えばレジストなどに由来する各種の有機物質を含む。
【００５６】
以下、熱処理による空隙２１０形成のメカニズムを詳しく説明する。  
図９は、本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子の製造方法における熱処理時の結晶粒（グレイン）の振る舞いを示す模式図である。  
図９に表したように、銀のようにマイグレーションし易い物質は、液体の性質である表面張力と同様に、熱処理中に表面積を最小にするような挙動を示す。
【００５７】
すなわち、半導体層１４８の上に成膜した導電膜１５１（銀や銀合金の薄膜）を熱処理すると、異種材料間における熱膨張係数差により熱ストレスが発生し、その応力を緩和しようとして金属原子が移動する。その際、結晶粒２２０内の金属原子はお互いを引き合って凝縮しようとするため、粒界２３０近傍の金属原子が結晶粒２２０の中心に拡散移動し、粒界２３０に空隙２１０が発生する。
【００５８】
そして、導電膜１５１の表面粗さは、熱処理前は例えば１．５ｎｍ程度であるが、熱処理後は結晶粒２２０が多少盛り上がるため、例えば２．５ｎｍ程度まで大きくなる。熱処理温度を上げると、アレニウスの法則に従い金属原子の拡散速度は早くなるが、熱ストレスによる応力は小さくなる。また、結晶粒２２０同士が結合する別の平衡反応も発生するため、空隙２１０の幅や、空隙２１０のｐ側電極１５０面内における密度は、ある熱処理温度で極大値を取る。  
空隙２１０の幅及びｐ側電極１５０面内における密度や面積比は、マイグレート促進物質の状態（すなわち熱処理前の一定時間放置工程の条件等）、熱処理条件（熱処理の温度、時間、昇降温速度等）、並びに、導電膜１５１の種類、膜厚、積層構造等によって制御することができる。
【００５９】
このように、ｐ側電極１５０として、少なくとも半導体層１４８との界面側に、マイグレートし易い銀や銀合金を用いた積層構造を用いると、半導体層１４８側の界面に空隙２１０を形成することができる。  
既に述べたように、空隙２１０の密度や面積比によって、光出力が変化するので、生産性と光出力効率とを考慮して、上記の製造条件を変えることができる。
【００６０】
このように、ｐ側電極１５０に含まれる銀がマイグレーションを起こし易いような電極シンター工程（高温熱処理工程）を採用することで、拡散反射領域（空隙２１０）を自己組織化により形成することができ、低コストの半導体発光素子を実現することができる。
【００６１】
（第１の比較例）
次に、第１の比較例の半導体発光素子の構造及びその製造方法ついて説明する。  
図１０は、第１の比較例の半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図１０に表したように、第１の比較例の半導体発光素子９１では、第２の電極１５０に空隙２１０が設けられていない。それ以外は、図４に例示した第１の実施例の半導体発光素子１１と同じであるので、説明を省略する。
【００６２】
以下、この第１の比較例の半導体発光素子９１の製造方法について説明する。第１の比較例の半導体発光素子の製造方法は、第２の実施例の半導体発光素子の製造方法に対して、半導体層１４８を形成する工程までは同様とすることができるので、それ以降の製造方法について説明する。  
図１１は、第１の比較例の半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。  
図１１（ａ）は最初の工程の図であり、図１１（ｂ）〜（ｅ）はそれぞれ、前の図に続く図である。  
図１１（ａ）は、半導体層上にＳｉＯ２膜３１０が形成された領域３００の拡大図である。  
まず、図１１（ｂ）に表したように、第１の実施例と同様に、ＳｉＯ２膜３１０が形成された半導体層１４８上に、リフトオフ用のレジスト３２０を所定パターンで形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６の上のＳｉＯ２膜３１０の一部をフッ化アンモン処理で取り除き、エアブローやスピンドライヤーなどによってウェーハ上の水分を吹き飛ばした。  
なお、この状態では、図１１（ｃ）に例示したように、ウェーハ表面に制御されていない、わずかな水分が制御されていない状態で残っている。  
そして、図１１（ｄ）に表したように、真空蒸着装置によってウェーハ全体に、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉの順に、合計２００ｎｍの膜厚で成膜し、ｐ側電極を形成するための導電膜１５１を形成した。  
そして、図１１（ｅ）に表したように、有機溶剤によってレジスト３２０を溶解させ、レジスト３２０上に形成された導電膜１５１のみを除去し、超純水によって洗浄、乾燥することにより、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、ｐ側電極１５０を形成した。  
そして、その後、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気において５℃／秒で、３５０℃まで昇温し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、５℃／秒で常温まで降温した。  このようにして、図１０に例示した第１の比較例の半導体発光素子９１を形成した。
【００６３】
すなわち、第１の比較例の半導体発光素子９１の製造方法においては、本発明の第２の実施例の製造方法における、図７（ｄ）に例示したｐ側電極１５０用の導電膜１５１を成膜する前の乾燥工程と、図８（ｃ）に例示したマイグレーション促進物質の付着工程が省略されている。
【００６４】
以下、上記のようにして形成した第１の実施例の半導体発光素子１１と、第１の比較例の半導体発光素子９１の評価結果を説明する。  
図１２は、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子及び第１の比較例の半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。  
すなわち、図１２（ａ）は、第１の実施例の半導体発光素子１１に対応し、図１２（ｂ）は、第１の比較例の半導体発光素子９１に対応する。  
図１２（ｂ）に表したように、第１の比較例の半導体発光素子９１における第２の電極（ｐ型電極）１５０では、なんら特徴的な像が確認できず、熱処理前とほぼ同じ表面状態であった。すなわち、半導体発光素子９１のｐ側電極１５０には、空隙が形成されていなかった。そして、原子間力顕微鏡による表面粗さの評価では、熱処理前とほぼ同等の１．７ｎｍ程度であった。
【００６５】
一方、図１２（ａ）に表したように、第１の実施例の半導体発光素子１１のｐ側電極１５０では、粒状の像（図中の輝度が低い部分）２９１が観察された。この粒状の像２９１の平面視での大きさは、平均で直径０．３μｍ程度であった。走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などによりさらなる分析を行った結果、粒状の像２９１の上側（第２の半導体層１２０の反対の面）は比較的平坦で、粒状の像２９１の部分の上側の面の表面粗さは、粒状の像２９１以外の領域と同様の２．６ｎｍ程度であり、粒状の像２９１がｐ側電極１５０の第２の半導体層１４０の界面に形成された空隙２１０であることが分かった。そして、この空隙２１０の上側（第２の半導体層１４０と逆側）は、ｐ側電極１５０によってキャップされていることが分かった。
【００６６】
そして、その空隙２１０は、ｐ側電極１５０の銀合金の粒界２３０に形成されていた。
【００６７】
本実施例に係る半導体発光素子１１においては、ｐ側電極１５０として、Ａｇ、Ｐｔ及びＴｉからなる導電膜１５１を用いている。高温熱処理により、ＡｇとＰｔとは相互拡散し合うが、チタンを主成分とした金属層が表面に残り、銀合金のマイグレーションにより、その粒界２３０に空隙２１０が形成される。  
この空隙２１０のｐ側電極１５０面内における面積比は、０．９％程度であった。
【００６８】
なお、空隙２１０のない平坦な領域（同図中の輝度の中間調部）２９２は、オーミック特性かつ高効率鏡面反射特性を示し、空隙２１０は、拡散反射特性を示す。空隙２１０の中は、真空または熱処理雰囲気の窒素ガスが入っており、屈折率はいずれの場合もほぼ１と考えられるため、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６との屈折率差が大きく、全反射され易い構造である。  
また、空隙２１０の中には光吸収体がないため、反射を繰り返すことによる吸収ロスが少ない。さらに、空隙２１０の中は、水分やイオン化物質がほとんどないと考えられ、ｐ側電極１５０の劣化が抑えられるため、信頼性が向上する。  
これらの効果により、第１の実施例に係る半導体発光素子１１によれば、光取り出し効率が高く、また、高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００６９】
（第３の実施の形態）
以下、本発明の第３の実施の形態について説明する。  
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図１３に表したように、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子３０では、第２の電極（ｐ側電極）１５０の空隙２１０が、第２の半導体層１４０との界面だけでなく、ｐ側電極１５０の第２の半導体層１４０の反対側の面まで連続して設けられている。すなわち、空隙２１０がｐ側電極１５０の層を層厚方向に貫通して設けられている。この空隙２１０の形状以外は、図１に例示した第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様の構造を有し、また、半導体発光素子３０の平面構造も、半導体発光素子１０と同様とすることができるので説明を省略する。
【００７０】
このように、空隙２１０が、ｐ側電極１５０の厚み方向に連続して、ｐ側電極１５０を貫通して設けられていている半導体発光素子３０によっても、この空隙２１０によって、発光層１３０で発生した光の光路を変えることができ、屈折率差のある界面における全反射による光閉じ込め効果を抑制し、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００７１】
なお、本実施形態の半導体発光素子３０においても、単結晶ＡｌＮバッファー層（第１ＡｌＮバッファー層１２２、高純度第２ＡｌＮバッファー層１２３及びノンドープＧａＮバッファー層１２４）を用いることで、アモルファス状または多結晶である低温成長ＡｌＮバッファー層とは異なり、バッファー層が発光光に対する吸収体になりにくく、半導体層内の欠陥を減少させることができ、半導体層内で光吸収が起きる要因を極力減らすことができる。これにより、発光光が、基板１１０とエピタキシャル層（半導体層１４８）との界面、及び、エピタキシャル層（半導体層１４８）とｐ側電極１５０との界面、で反射を数多く繰り返すことができるため、発光光がエピタキシャル層（半導体層１４８）内に閉じ込められ、空隙２１０における影響を受け易くなることにより、空隙２１０の密度や面積比が低くても、高い光取り出し効率が得られる。
【００７２】
（第３の実施例）
以下、この構造を有する半導体発光素子の製造方法について説明する。  
第３の実施例の半導体発光素子の製造方法は、図６〜図８に例示した第２の実施例の半導体発光素子の製造方法の一部を変形したものである。そして、このとき、ｐ側電極１５０の熱処理温度を変えて、空隙２１０の密度を変え、空隙２１０と光出力の関係を調べた。
【００７３】
図１４は、本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。  
図１４（ａ）は、最初の工程の図であり、図１４（ｂ）〜（ｇ）はそれぞれ、前の図に続く図である。  
すなわち、図１４（ａ）に表したように、半導体層１４８の上にＳｉＯ２膜３１０を設けた後、ｐ側電極１５０を形成するため、パターニングされたリフトオフ用のレジスト３２０を半導体層１４８の上に形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６の上のＳｉＯ２膜の一部をフッ化アンモン処理で取り除いた。  
この時、図１４（ｂ）に表したように、ウェーハ上の水分を吹き飛ばしただけの状態では、ウェーハ表面にわずかな水分が制御されていない状態で残っている。  
その後、図１４（ｃ）に表したように、このウェーハ上の水分を十分乾燥させ、除去した。
【００７４】
そして、図１４（ｄ）に表したように、真空蒸着装置によってウェーハ全体に導電膜１５１として、Ａｇ単層膜を膜厚２００ｎｍで形成した。
【００７５】
そして、図１４（ｅ）に表したように、有機溶剤によってレジスト３２０を溶解させ、レジスト３２０上に形成された導電膜１５１のみを除去し、超純水によって十分洗浄した後、１２０℃のホットプレート上でウェーハを十分乾燥させた。このようにして、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、ｐ側電極１５０を形成した。  
そして、図１４（ｆ）に表したように、温度と湿度がそれぞれ２５℃±１℃、５０％±１％に管理されたクリーンルーム内に２４時間放置し、形成したｐ側電極１５０の表面に、わずかな水分３３０やイオン化物質３４０を付着させた。  
そして、図１４（ｇ）に表したように、ＲＴＡ装置を用いて、４５０℃、７００℃、及び８００℃の３種類の温度で、窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、０．５℃／秒で常温まで降温することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６とｐ側電極１５０との界面に空隙２１０を形成した。
【００７６】
この後、第２の実施例と同様に、第１の電極（ｎ側電極）１６０を形成し、本実施例の半導体発光素子を形成した。
【００７７】
すなわち、第２の実施例の場合は、ｐ側電極１５０が、Ａｇ、Ｐｔ及びＴｉであり、またＲＴＡによる熱処理温度が８００℃であったが、本実施例では、ｐ側電極１５０がＡｇ単層膜であり、またＲＴＡによる熱処理温度を、４５０℃、７００℃、及び８００℃の３種に変えたことが異なっている。
【００７８】
図１５は、本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。  
すなわち、図１５は、８００℃の熱処理温度で形成した半導体発光素子のｐ側電極１５０の表面の走査型電子顕微鏡像の写真である。  
図１５に表したように、平均で直径０．１μｍ程度の粒状の像２９１が観察された。走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などによりさらに分析を行った結果、銀の粒界２３０に、ｐ側電極１５０の表面からｐ型ＧａＮコンタクト層１４６まで貫通した穴のような空隙２１０が形成されていることが分かった。すなわち、高温熱処理により、ｐ側電極１５０の銀がマイグレーションを起こし、その粒界２３０に空隙２１０が形成されたことが分かった。
【００７９】
以下、上記の第３の実施例に係る半導体発光素子の製造方法による半導体発光素子の評価結果を説明する。  
図１６は、本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子における熱処理温度と半導体発光素子の空隙の面積比との関係を例示するグラフ図である。  
図１６において、横軸はＲＴＡ熱処理の温度、縦軸はｐ側電極１５０面内の空隙２１０の面積比を示す。
【００８０】
図１６に表したように、第３の実施例の半導体発光素子において、ｐ側電極１５０の面内の空隙２１０の面積比は、熱処理温度４５０℃、７００℃及び８００℃で、それぞれ０．５％、１．２％、０．８％であった。このように、空隙２１０の面積比は、７００℃の熱処理温度において極大値を示した。  
熱処理温度を上げると、アレニウスの法則に従い金属原子の拡散速度は早くなるが、熱ストレスによる応力は小さくなる。また、結晶粒２２０同士が結合する別の平衡反応も発生するため、このように、空隙２１０のｐ側電極１５０内における面積比はある温度で極大値を取る。本実施例では、空隙２１０の面積比は、熱処理温度が７００℃の時に極大値を取った。
【００８１】
図１７は、本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子における熱処理温度と半導体発光素子の光出力との関係を例示するグラフ図である。  
図１７において、横軸はＲＴＡ熱処理の温度、縦軸は半導体発光素子の光出力を示す。  なお、図中の熱処理温度が３５０℃のデータは、ｐ側電極１５０に空隙が形成されない比較例のデータを示している。  
そして、本図は、ｐ側電極１５０に空隙２１０が形成されない比較例の半導体発光素子の光出力を１として、本実施例の半導体発光素子の光出力を相対比として例示している。  図１７に表したように、本実施例の半導体発光素子においては、空隙が有しない比較例に比べて光出力が大きく、空隙２１０を形成することによって、光出力は最大で３０％程度改善されていることが分かった。  
このように、本実施例の半導体発光素子によれば、光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供できる。
【００８２】
（第２、第３の比較例）
以下、比較例として、空隙が形成されない第２の比較例と、再現性の悪い巨大な空隙が形成された第３の比較例の半導体発光素子について説明する。  
図１８は、第２の比較例の半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。  
図１８（ａ）は、最初の工程の図であり、図１８（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、前の図に続く図である。  
図１８（ａ）に表したように、半導体層１４８の上にＳｉＯ２膜３１０を形成した後、リフトオフ用のレジスト３２０を所定パターンで形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６の上のＳｉＯ２膜３１０の一部をフッ化アンモン処理で取り除き、エアブローやスピンドライヤーなどによってウェーハ上の水分を吹き飛ばした。  
この時、図１８（ｂ）に表したように、ウェーハ上の水分を吹き飛ばしただけの状態では、ウェーハ表面にわずかな水分が制御されていない状態で残っている。  
このため、その後、図１８（ｃ）に表したように、このウェーハ上の水分を十分乾燥させ、除去した。
【００８３】
そして、図１８（ｄ）に表したように、真空蒸着装置によってウェーハ全体に、銀単層膜を２００ｎｍで形成した後、有機溶剤によってレジスト３２０を溶解させ、レジスト３２０上に形成された導電膜１５１のみを除去し、超純水によって十分洗浄した後、１２０℃のホットプレート上でウェーハを十分乾燥させ、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、ｐ側電極１５０を形成した。  
そして、図１８（ｅ）に表したように、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気において５℃／秒で８００℃まで昇温し、８００℃の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、５℃／秒で常温まで降温した。
【００８４】
すなわち、第２の比較例の半導体発光素子の製造方法においては、本発明の第３の実施例の半導体発光素子の製造方法における、図１４（ｆ）に例示したマイグレーション促進物質の付着工程が省略されている。
【００８５】
図１９は、第３の比較例の半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。  
図１９（ａ）は、最初の工程の図であり、図１９（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ、前の図に続く図である。  
図１９（ａ）に表したように、半導体層１４８の上にＳｉＯ２膜３１０を形成した後、リフトオフ用のレジスト３２０を所定パターンで形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６の上のＳｉＯ２膜３１０の一部をフッ化アンモン処理で取り除き、エアブローやスピンドライヤーなどによってウェーハ上の水分を吹き飛ばした。  
この時、図１９（ｂ）に表したように、ウェーハ上の水分を吹き飛ばしただけの状態では、ウェーハ表面にわずかな水分が制御されていない状態で残っている。  
そして、図１９（ｃ）に表したように、真空蒸着装置によってウェーハ全体に、銀単層膜を２００ｎｍで形成した。
【００８６】
そして、図１９（ｄ）に表したように、有機溶剤によってレジスト３２０を溶解させ、レジスト３２０上に形成された導電膜１５１のみを除去し、超純水によって十分洗浄した後、１２０℃のホットプレート上でウェーハを十分乾燥させ、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、ｐ側電極１５０を形成した。  
そして、図１９（ｅ）に表したように、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気において５℃／秒で８００℃まで昇温し、８００℃の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、５℃／秒で常温まで降温した。
【００８７】
すなわち、第３の比較例の半導体発光素子の製造方法においては、本発明の第３の実施例の半導体発光素子の製造方法における、図１４（ｃ）に例示したｐ側電極１５０用の導電膜１５１を成膜する前の乾燥工程と、図１４（ｆ）に例示したマイグレーション促進物質の付着工程と、が省略されている。
【００８８】
図２０は、第２、第３の比較例の半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。  
すなわち、図２０（ａ）は第２の比較例に対応し、図２０（ｂ）は第３の比較例に対応する。  
図２０（ａ）に表したように、第２の比較例の半導体発光素子では、ｐ側電極１５０となる導電膜１５１形成する前に十分乾燥を行い、マイグレーションを抑えるようなプロセスを行っているため、第２実施例と同じ電極構造及び８００℃の熱処理条件にもかかわらず、空隙は一切形成されていない。図中に見える像は、粒界２３０である。
【００８９】
一方、図２０（ｂ）に表したように、第３の比較例の半導体発光素子においては、第３の実施例と同じ電極構造及び８００℃の熱処理条件にもかかわらず、空隙の大きさ（幅）は約１μｍまで広がっている。また、複数回、同じプロセスフローで第３の比較例の半導体発光素子を作成したが、空隙２１０の大きさや密度の再現性はなかった。  
これは、第３の比較例においては、十分乾燥を行っていない状態で、ｐ側電極１５０となる導電膜１５１を形成し、そして、リフトオフ後も十分乾燥を行わずに熱処理を行ったため、銀のマイグレーションが過剰に促進され、空隙２１０が巨大化したと考えられる。また、同じプロセスフローでも、たまたま乾燥状態が良かった場合は、空隙２１０の大きさが抑制され、結果として空隙の大きさが制御できなかった。
【００９０】
上記の第２の比較例及び第３の比較例の半導体発光素子で示したように、ｐ側電極１５０用の導電膜１５１を成膜する前の乾燥工程や、マイグレーション促進物質の付着工程等の特別な処理を施さない場合、空隙２１０が形成されないか、または、再現性の低い巨大な空隙２１０が形成されてしまう。したがって、本実施形態に係る半導体発光素子を形成する際には、第３の実施例で説明したように、ｐ側電極１５０用の導電膜１５１を成膜する前の乾燥工程や、マイグレーション促進物質の付着工程等の特別な処理が必要である。
【００９１】
（第４の実施例）
以下、第４の実施例に係る半導体発光素子について説明する。  
本実施例の半導体発光素子３１（図示しない）は、先に説明した第３の半導体発光素子３０に対して、ｐ側電極１５０に用いる材料を、ＡｇとＰｔに変えたものである。そして、これ以外については、第３の半導体発光素子３０と同様なので説明を省略する。
【００９２】
本実施例に係る半導体発光素子３１の要部の製造方法は以下である。  
まず、ＳｉＯ２膜３１０の一部をフッ化アンモン処理で取り除き、エアブローやスピンドライヤーなどによってウェーハ上の水分を吹き飛ばした後、ウェーハ表面に残存するわずかな水分を十分乾燥させ、除去した。そして、ｐ側電極１５０を形成するため、真空蒸着装置によってウェーハ全体に、Ａｇ、Ｐｔの順に、合計２００ｎｍの膜厚で薄膜（導電膜１５１）を形成し、リフトオフ法によって、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、ｐ側電極１５０を形成した。そして、温度と湿度がそれぞれ２５℃±１℃、５０％±１％に管理されたクリーンルーム内に２４時間放置し、マイグレート促進物質（わずかな水分３３０やイオン化物質３４０）を付着させた。その後、ＲＴＡ装置を用いて、８００℃の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、ｐ側電極１５０に空隙２１０を形成した。すなわち、導電膜１５１の材料を変えた以外は、第３の実施例の半導体発光素子と同様の条件により、本実施例に係る半導体発光素子を製作した。
【００９３】
図２１は、本発明の第４の実施例に係る半導体発光素子の第２の電極の表面の構造を例示する走査型電子顕微鏡写真である。  
図２１に表したように、本発明の第４の実施例に係る半導体発光素子３１では、平均で直径０．２μｍ程度の粒状の像２９１が観察された。走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などによりさらに分析を行った結果、銀合金の粒界に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４６まで貫通した穴のような空隙２１０が形成されていることが分かった。すなわち、ｐ側電極１５０を貫通した空隙２１０が形成された。  
高温熱処理により、銀と白金が相互拡散し、銀合金のマイグレーションにより、その粒界に空隙２１０が形成されたものである。空隙２１０のｐ側電極１５０面内における面積比は、２．９％であった。  
この第４の実施例に係る半導体発光素子３１においても、ｐ側電極１５０に設けられた光の波長以下の幅の空隙２１０により、光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供できる。
【００９４】
（第４の実施の形態）
図２２は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図２２に表したように、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子４０は、第２の電極１５０と第２の半導体層１４０との間に設けられた透明電極４１０をさらに備える。  この透明電極４１０以外は、図１３に例示した第３の実施形態に係る半導体発光素子３０と同様とすることがきるので説明を省略する。なお、図２２に例示した半導体発光素子４０では、第２の電極１５０は、第２の電極１５０の層を貫通した空隙２１０を有している。ただし、本発明はこれに限らず、図１に例示した半導体発光素子１０のように、空隙２１０が、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０側の界面のみに形成されていても良い。  
この透明電極４１０には、発光層１３０の発光波長よりも大きなバンドギャップを持つ物質、または、発光波長における吸収係数の逆数よりも膜厚を十分薄くした金属膜を用いることができる。透明電極４１０には、例えば、ニッケル、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium-tin-oxide）、酸化亜鉛等を用いることができる。
【００９５】
そして、透明電極４１０は、第２の半導体層１４０と第２の電極１５０とに電気的に接触している。透明電極４１０は、発光層１３０からの光を透過させて、第２の電極１５０で反射させる役割を有しているため、平面視での形状は、第２の電極１５０と実質的に同じ形状であることが好ましい。透明電極４１０の膜厚は、特に限定されるものではなく、例えば１ｎｍから５００ｎｍの間で選ぶことができる。
【００９６】
図２３は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する要部の工程順模式断面図である。  
図２３（ａ）は、最初の工程の図であり、図２３（ｂ）〜（ｇ）はそれぞれ、前の図に続く図である。  
すなわち、図２３（ａ）に表したように、半導体層１４８の上にＳｉＯ２膜３１０を設けた後、第１の電極１５０を形成するため、パターニングされたリフトオフ用レジストを半導体層１４８の上に形成し、第２の半導体層１４０の上のＳｉＯ２膜の一部をフッ化アンモン処理で取り除き、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いてＩＴＯを、１００ｎｍの膜厚で形成し、リフトオフ後に、５５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行うことにより透明電極４１０を形成し、さらに、パターニングされたリフトオフ用のレジスト３２０を半導体層１４８の上に形成する。
【００９７】
この時、図２３（ｂ）に表したように、ウェーハ上の水分を吹き飛ばしただけの状態では、ウェーハ表面にわずかな水分が残っている。  
その後、図２３（ｃ）に表したように、このウェーハ上の水分を十分乾燥させ、除去する。  
そして、図２３（ｄ）に表したように、真空蒸着装置によってウェーハ全体に第２の電極１５０となる導電膜１５１として、例えばＡｇ単層膜を膜厚２００ｎｍで形成する。  
そして、図２３（ｅ）に表したように、有機溶剤によってレジスト３２０を溶解させ、レジスト３２０上に形成された導電膜１５１のみを除去し、超純水によって十分洗浄した後、１２０℃のホットプレート上でウェーハを十分乾燥させる。このようにして、ＳｉＯ２膜３１０が取り除かれた領域に、第１の電極１５０を形成する。  
そして、図２３（ｆ）に表したように、温度と湿度がそれぞれ２５℃±１℃、５０％±１％に管理されたクリーンルーム内に２４時間放置し、形成した第２の電極１５０の表面に、わずかな水分３３０やイオン化物質３４０を付着させる。  
そして、図２３（ｇ）に表したように、ＲＴＡ装置を用いて、５５０℃の温度の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行い、０．５℃／秒で常温まで降温することにより、第２の半導体層１４０と第２の電極１５０との界面に空隙２１０を形成する。  
そして、既に説明したのと同様に、第１の電極１６０を形成し、本実施形態に係る半導体発光素子４０が形成できる。
【００９８】
このように製作された、第２の電極１５０と第２の半導体層１４０との間に透明電極４１０をさらに備えた本実施形態の半導体発光素子４０においても、第２の電極１５０に設けられた光の波長以下の幅の空隙２１０により、光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供できる。
【００９９】
なお、空隙２１０の幅、第２の電極１５０面内における密度や面積比は、熱処理温度や、導電膜１５１と同時に熱処理をする金属材料の種類、膜厚、積層構造によって変化させることができる。ただし、光出力が向上するように最適化したそれらの条件が、必ずしも最適な電気特性との組み合わせになっているとは限らない。この時、本実施形態に係る半導体発光素子４０のように、第２の電極１５０と第２の半導体層１４０との間に、透明電極４１０を設け、透明電極４１０を介して、高効率反射膜の機能を有する第２の電極１５０を設けることにより、光出力改善特性を重視して最適化した空隙２１０の形成条件を採用することができ、より製造し易く性能の高い、光取り出し効率の高い半導体発光素子が提供できる。
【０１００】
（第５の実施の形態）
図２４は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、図２４（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する平面模式図であり、図２４（ａ）は、図２４（ｂ）のＡ−Ａ線断面模式図である。  図２４（ａ）、（ｂ）に表したように、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子５０は、第２の半導体層１４０の上に、上記の空隙２１０を有する第２の電極１５０、及び、第３の電極１５５を有している。そして、第３の電極１５５は、第２の電極１５０と電気的に接触している。  
また、第３の電極１５５は、第２の電極１５０のオーミック性より良好なオーミック性を有することができる。  
第３の電極１５５を設ける位置は、第２の半導体層１４０の上であれば任意であるが、図２４（ａ）、（ｂ）に例示したように、第３の電極１５５を、第２の電極１５０の第１の電極１６０側に接触して設けると、第１の電極１６０に対向する領域にオーミック性の高い導電部を配置することができるので、安定した電気特性が得られる。
【０１０１】
この第３の電極１５５以外は、図１３に例示した第３の実施形態に係る半導体発光素子３０と同様とすることがきるので説明を省略する。なお、図２４に例示した半導体発光素子５０では、第２の電極１５０は、第２の電極１５０の層を貫通した空隙２１０を有している。ただし、本発明はこれに限らず、図１に例示した半導体発光素子１０のように、空隙２１０が、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０側の界面のみに形成されていても良い。
【０１０２】
本実施形態に係る半導体発光素子５０は、以下のようにして製造することができる。  
すなわち、既に図２３に例示した半導体発光素子３０の製造方法と同様にして、空隙２１０を有する所定パターンの第２の電極１５０（例えば膜厚２００ｎｍのＡｇ単層膜）を形成した後、第３の電極１５５の形成のための例えばＡｇ／Ｐｔ膜を膜厚２００ｎｍで所定パターンに形成し、ＲＴＡ装置を用いて、空隙が生じない条件の１つである３５０℃の窒素雰囲気で１分間の熱処理を行う。これにより、第３の電極１５５には空隙が発生せず、第２の電極１５０よりオーミック性を高くすることができる。  
そして、既に説明した方法と同様にして、第１の電極１６０を形成することにより、図２４に例示した半導体発光素子５０が得られる。
【０１０３】
なお、空隙２１０の幅、第２の電極１５０面内における密度や面積比は、熱処理温度や、導電膜１５１と同時に熱処理をする金属材料の種類、膜厚、積層構造によって変化させることができる。ただし、光出力が向上するように最適化したそれらの条件が、必ずしも最適な電気特性との組み合わせになっているとは限らない。  
また、上記の実施形態の半導体発光素子のように、横方向（各層に対して平行方向）に通電させる電極構造の場合、第１の電極１６０に対向した側の第２の電極１５０に電流が集中する傾向にある。特に、電流密度を上げるほどその効果が顕著に表れる。  
その時、本実施形態の半導体発光素子５０のように、第１の電極１６０に対向する側の第２の電極１５０に電気的に接触して、第２の電極１５０よりオーミック特性がより良好で、かつ高効率光反射特性を有する第３の電極１５５を設けることで、光取り出し効率と電気特性を高度に両立させることができる。すなわち、第２の電極１５０に関する各種の条件を光り取り出し効率を向上させることに着目して最適化し、第３の電極１５５に関する各種条件を、電気特性を向上させることに着目して最適化することができる。
【０１０４】
すなわち、本実施形態の半導体発光素子５０のように、オーミック性の良い第３の電極１５５を設けることにより、電気特性が良好で、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【０１０５】
なお、第３の電極１５５の平面視における面積を広げるほど電気特性は改善するが、ある程度広げると飽和する。一方、光取り出し効率改善のためには、第２の電極１５０の面積が広いほど効果が高い。これらの効果を考慮して、第２の電極１５０と第１の電極１６０の設計に適合させて、第３の電極１５５の面積を適切に決めることができる。
【０１０６】
なお、図２４に例示した半導体発光素子５０では、第２の電極１５０を先に形成し、第３の電極１５５が第２の電極１５０の一部を覆うように設けられている構造を有しているが、第３の電極１５５を先に形成し、第２の電極１５０が第３の電極１５５の一部を覆うように設けられている構造を採用しても良い。この場合、第３の電極１５５の高温熱処理温度を第２の電極１５０の高温熱処理温度より高く設定することもできる。
【０１０７】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子５０においても、第２の電極１５０及び第３の電極１５５の少なくともいずれかと第２の半導体層１４０との間の、少なくとも一部に透明電極を設けても良い。
【０１０８】
（第６の実施の形態）
図２５は、本発明の第６の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図２５に表したように、本発明の第６の実施形態に係る半導体発光素子６０は、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０と反対側の面にパッド部１５８が設けられている。  
なお、このパッド部１５８以外は、図１３に例示した第３の実施形態に係る半導体発光素子３０と同様の構造を有するので説明を省略する。なお、図２５に例示した半導体発光素子６０では、第２の電極１５０は、第２の電極１５０の層を貫通した空隙２１０を有している。ただし、本発明はこれに限らず、図１に例示した半導体発光素子１０のように、空隙２１０が、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０側の界面のみに形成されていても良い。
【０１０９】
なお、パッド部１５８は、空隙２１０を有する第２の電極１５０を形成した後、第２の電極１５０の上の一部、または、第２の電極１５０の側面を含めた全部を被覆するように、例えば、Ｐｔ／Ａｕを８００ｎｍの膜厚で形成し、所定形状にパターニングすることより形成できる。なお、このパターニングには、例えばリフトオフ法を用いることができる。
【０１１０】
パッド部１５８の第２の電極１５０側には、第２の電極１５０に拡散しないような高融点材料を用いることが好ましい。この高融点材料は、例えば、バナジウム（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）等が挙げられる。特に好ましくは、ロジウム（Ｒｈ）または白金（Ｐｔ）であり、可視光に対する反射率がある程度高いため、反射膜としても機能する。  
本実施形態に係る半導体発光素子６０のように、パッド部１５８を設けることで、ワイヤーボンディングのボンダビリティが向上し、また、ボールボンダーによる金バンプ形成時のダイシェア強度が向上し、さらに、フリップチップマウントに適用できる。さらに、パッド部１５８によって、第２の電極１５０が外気から隔離され、銀または銀合金の劣化を抑えることができ、信頼性が向上する。さらには、半導体発光素子６０の放熱性の改善も期待できる。なお、このパッド部１５８を金（Ａｕ）バンプとして使用することもできる。なお、Ａｕの代わりにＡｕＳｎバンプを形成することもできる。
【０１１１】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子６０のように、パッド部１５８を設けることにより、製造が容易で、信頼性が高く、放熱性が良い、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【０１１２】
なお、本実施形態の半導体発光素子６０においても、第２の電極１５０に接触する上記の第３の電極１５５を設けても良く、また、第２の電極１５０及び第３の電極１５５の少なくともいずれかと第２の半導体層１４０との間の、少なくとも一部に透明電極を設けても良い。
【０１１３】
図２６は、本発明の第６の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図２６に表したように、本発明の第６の実施形態に係る別の半導体発光素子６１では、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０と反対側の面にパッド部１５８が設けられている。そして、このパッド部１５８となる導電材料によって、第２の電極１５０の空隙２１０の一部が埋められている。  
すなわち、図２６に例示した半導体発光素子６１は、例えば、製造途中で、第２の電極１５０が、第２の電極１５０の層を貫通する空隙２１０を有していたが、その後のパッド部１５８の形成により、この空隙２１０の一部が埋められた構造を有す。  
この空隙２１０の構造以外は、図２５に例示した半導体発光素子６０と同様の構造を有するので説明を省略する。
【０１１４】
そして、図２６に表したように、半導体発光素子６１においては、空隙２１０のうちの一部２１０Ａは、パッド部１５８によって埋められているものの、第２の半導体層１４０の界面には空間が残っている。一方、空隙２１０のその他の一部２１０Ｂは、空隙の全部がパッド部１５８となる材料で埋められている。
【０１１５】
第２の半導体層１４０の界面に空間が残っている空隙の一部２１０Ａにおいては、既に説明した通りの効果により、光取り出し効率が向上する。  
そして、空隙２１０の全部が埋められた空隙の一部２１０Ｂでは、以下の効果により光り取り出し効率が向上する。
【０１１６】
すなわち、第２の電極１５０とパッド部１５８とに別の導電材料を用いることで、両者に複素屈折率の差を生じさせることができ、これにより、拡散反射を発生させ、光取り出し効率を向上させることができる。
【０１１７】
なお、媒質内における波長は、発光光の自由空間における波長を、その媒質の屈折率で割った値となり、自由空間における波長よりも短くなる。例えば、本実施形態に係る半導体発光素子６１の場合は、発光波長３８０ｎｍに対して、第２の半導体層１４０の第２の電極１５０側の層（ｐ型ＧｓＮコンタクト層１４６）の屈折率を２．４７とすれば、媒体内波長は約１５０ｎｍとなる。そのため、半導体発光素子６１のように空隙領域を別の金属（パッド部１５８となる導電膜）で埋めた場合、効果的な拡散反射を起こすためには、空隙２１０の幅を媒体内波長と同程度以下にすることが望ましい。
【０１１８】
なお、図１に例示した半導体発光素子１０のように、第２の電極１５０の第２の半導体層１４０との界面側だけに空隙２１０が設けられ、空隙２１０が第２の電極１５０の導電膜によってパッシベートされている構造の場合は、空隙２１０内の屈折率は、パッド部１５８の形成前後で変化せずにほぼ１であるため、空隙２１０の幅は、自由空間における波長と同程度以下で構わない。
【０１１９】
このように、半導体発光素子６１のように、空隙２１０の一部が第２の電極１５０とは別の導電材料（金属）で埋め込まれている場合にも、拡散反射を生じさせることができ、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。  
なお、本実施形態の別の半導体発光素子６１においても、第２の電極１５０に接触する上記の第３の電極１５５を設けても良く、また、第２の電極１５０及び第３の電極１５５の少なくともいずれかと第２の半導体層１４０との間の、少なくとも一部に透明電極４１０を設けても良い。
【０１２０】
（第７の実施の形態）
次に、第７の実施形態について説明する。本実施形態に係る半導体発光素子は、上記の各実施形態及び各実施例の半導体発光素子と、蛍光体と、を組み合わせた半導体発光素子である。  
図２７は、本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する断面模式図である。  
図２７に表したように、本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子７０は、例えば、第３の実施形態の半導体発光素子３０と、半導体発光素子３０で発光した光によって励起されて蛍光光を発する蛍光体層５３０と、を備えている。
【０１２１】
すなわち、図２７に表したように、例えば、セラミックス等からなる容器５１０の内面に、反射膜５２０が設けられている。反射膜５２０は、例えば、容器５１０の底面部の反射膜５２１、及び、容器５１０の側面部の反射膜５２２に、分離して設けられている。反射膜５２０には、例えばアルミニウム等を用いることができる。  
そして、容器５１０の底面部の反射膜５２１の上に、半導体発光素子３０がサブマウント５２４を介して設置されている。半導体発光素子３０には、ボールボンダーによって金バンプ５２８が形成され、半導体発光素子３０は、サブマウント５２４に固定されている。なお、金バンプ５２８を用いずに、サブマウント５２４に半導体発光素子３０を固定しても良い。  
これら半導体発光素子３０、サブマウント５２４、反射膜５２０の固定には、例えば、接着剤による接着やはんだ等を用いることができる。
【０１２２】
サブマウント５２４の半導体発光素子３０側の表面には、半導体発光素子３０の第２の電極（ｐ側電極）１５０と第１の電極（ｎ側電極）１６０に対して、絶縁されるようにパターニングされた電極が形成されており、それぞれ容器５１０側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤー５２６により接続されている。この接続は、側面部の反射膜５２２と底面部の反射膜５２１との間の部分において、行われている。
【０１２３】
そして、半導体発光素子３０やボンディングワイヤー５２６を覆うように、蛍光体層５３０が設けられている。図２７に例示した半導体発光素子７０においては、この蛍光体層５３０として、赤色蛍光体を含む第１の蛍光体層５３１、及び、第１の蛍光体層５３１の上に設けられ、青色、緑色または黄色の蛍光体を含む第２の蛍光体層５３２が設けられている。これらの蛍光体層５３０の上には、例えば、シリコン樹脂からなる蓋部５１２が設けられている。
【０１２４】
第１の蛍光体層５３１は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。赤色蛍光体としては、例えばＹ2Ｏ3、ＹＶＯ4、Ｙ2（Ｐ,Ｖ）Ｏ4等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ3+）を付活物質として含ませる。すなわち、Ｙ2Ｏ3:Ｅｕ3+、ＹＶＯ4:Ｅｕ3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Ｅｕ3+の濃度はモル濃度で１％〜１０％とすることができる。赤色蛍光体の母材としては、Ｙ2Ｏ3、ＹＶＯ4の他に、ＬａＯＳやＹ2（Ｐ, Ｖ）Ｏ4等を用いることができる。また、Ｅｕ3+の他にＭｎ4+等を利用することもできる。特に、ＹＶＯ4母体に、３価のＥｕと共に少量のＢｉを添加することにより、３８０ｎｍの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
【０１２５】
また、第２の蛍光体層５３２は、樹脂、並びに、この樹脂中に分散された青色、緑色及び黄色の少なくともいずれかの蛍光体、を含む。例えば、青色蛍光体と緑色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良く、また、青色蛍光体と黄色蛍光体とを組み合わせた蛍光体を用いても良く、青色蛍光体、緑色蛍光体及び黄色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良い。  
青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+やＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ27:Ｅｕ2+等を用いることができる。  
緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ2ＳｉＯ5:Ｃｅ3+，Ｔｂ3+を用いることができる。この場合、ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Ｓｒ4Ａｌ14Ｏ25:Ｅｕ2+等を用いることができる。  
黄色蛍光体としては、例えばＹ3Ａｌ5:Ｃｅ3+等を用いることができる。  
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。  
特に、３価のＴｂは、視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
【０１２６】
本実施形態に係る半導体発光素子７０によれば、半導体発光素子３０から発生した３８０ｎｍの紫外光は、半導体発光素子３０の基板側に放出され、反射膜５２１、５２２における反射をも利用することにより、各蛍光体層に含まれる上記蛍光体を効率良く励起することができる。  
例えば、第１の蛍光体層５３１に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体は、６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換され、赤色可視光を効率良く得ることが可能である。  
また、第２の蛍光体層５３２に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。  
これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。  
なお、上記において、第３の実施形態に係る半導体発光素子３０を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、上記の実施形態及び実施例に係る半導体発光素子１０、１１、４０、５０、６０、６１を用いることができる。
【０１２７】
次に、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。  
半導体発光素子３０を作製する工程は、既に説明した通りである。  
そして、まず、容器５１０の内面に反射膜となる金属膜を、例えばスパッタリング法により形成し、この金属膜をパターニングして、容器５１０の底面部と側面部にそれぞれ反射膜５２１、５２２を形成する。  
そして、半導体発光素子３０に、ボールボンダーによって金バンプ５２８を形成する。  そして、半導体発光素子３０の第２の電極（ｐ側電極）１５０用と、第１の電極（ｎ側電極）１６０用にパターニングされた電極を持つサブマウント５２４の上に、半導体発光素子３０を固定し、このサブマウント５２４を容器５１０の底面部の反射膜５２１の上に設置して固定する。これらの固定には接着剤による接着やはんだ等を用いることが可能である。また、ボールボンダーによる金バンプ５２８を用いずに半導体発光素子３０をサブマウント５２４上に直接固定することもできる。
【０１２８】
次に、サブマウント５２４上の図示しない第１の電極１６０及び第２の電極１５０を、それぞれ容器５１０側に設けられた図示しない電極に、ボンディングワイヤー５２６により接続する。さらに、半導体発光素子３０やボンディングワイヤー５２６を覆うように、第１の蛍光体層５３１を形成し、この第１の蛍光体層５３１の上に、第２の蛍光体層５３２を形成する。蛍光体層のそれぞれの形成方法は、例えば、各蛍光体を樹脂原料混合液に分散させたものを滴下し、さらに熱処理を行うことにより熱重合させて樹脂を硬化させる方法を用いることができる。なお、各蛍光体を含有する樹脂原料混合液を滴下してしばらく放置した後に硬化させることにより、各蛍光体の微粒子が沈降し、第１の蛍光体層５３１及び第２の蛍光体層５３２の各層の下部に、各蛍光体の微粒子を偏在させることができ、各蛍光体の発光効率を適宜制御することが可能である。その後、蛍光体層の上に蓋部５１２を設け、本実施形態に係る半導体発光素子７０すなわち、白色ＬＥＤが作製される。  このように、製作された本実施形態の半導体発光素子７０によって、光取り出し効率の高い、各種の色を高効率で生成する半導体発光素子を提供することができる。
【０１２９】
なお、上記の各実施形態においては、第１の半導体層１２０がｎ型の半導体層であり、第２の半導体層１４０がｐ型の半導体層である例を示したが、発明はこれには限定されず、双方の半導体層の導電型を逆転しても良い。
【０１３０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子及びその製造方法を構成する各要素の具体的な構成、例えば、半導体多層膜、金属膜、誘電体膜など各要素の形状、サイズ、材質、配置関係や結晶成長プロセスに関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１３１】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１３２】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１３３】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ，ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１３４】
１０、１１、３０、４０、５０、６０、６１、７０、９１  半導体発光素子
１１０  基板
１２０  第１の半導体層
１２２  第１ＡｌＮバッファー層
１２３  第２ＡｌＮバッファー層
１２４  ノンドープＧａＮバッファー層
１２５  Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型コンタクト層）
１２６  Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１３０  発光層
１４２  ノンドープＡｌＧａＮスペーサ層
１４３  Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４４  Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１４５  高濃度Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１４６  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１４８  半導体層
１５０  第２の電極（ｐ側電極）
１５５  第３の電極
１５８  パッド部
１６０  第１の電極
２１０  空隙
２１０Ａ、２１０Ｂ  空隙の一部
２２０  結晶粒
２３０  粒界
２９１  像
３００  領域
３１０  ＳｉＯ２膜
３２０  レジスト
３３０  水（水分）
３４０  イオン化物質
４１０  透明電極
５１０  容器
５１２  蓋部
５２０、５２１、５２２  反射膜
５２４  サブマウント
５２６  ボンディングワイヤー
５２８  金バンプ
５３０、５３１、５３２  蛍光体層
【図１】
0005602916.tif 000002
【図２】
0005602916.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
0005602916.tif 000014
【図１６】
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【図１７】
0005602916.tif 000016
【図１８】
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【図１９】
0005602916.tif 000018
【図２２】
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【図２３】
0005602916.tif 000020
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図１２】
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【図１５】
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【図２０】
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【図２１】
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