(57)【要約】【課題】発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法及びこれを用いた発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体物質層上に第１導電物質層を形成する段階と、第１導電物質層上にナノサイズの複数の島部を有するマスク層を形成する段階と、第１導電物質層及び島部上に第２導電物質層を形成する段階と、溶媒を用いたリフトオフにより島部と当該島部上の第２導電物質層を除去する段階と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電物質層と、貫通孔を有する第２導電物質層とを備える発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法であって、
半導体物質層上に第１導電物質層を形成する段階と、
前記第１導電物質層上に、前記貫通孔に対応するナノサイズの複数の島部を有するマスク層を形成する段階と、
前記第１導電物質層及び前記マスク層の島部上に第２導電物質層を形成する段階と、
溶媒を用いたリフトオフにより前記島部及び当該島部上の第２導電物質層を除去する段階と、を含むことを特徴とする発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項２】
前記第１及び第２導電物質層は、透明伝導性酸化物又は透明伝導性窒化物から形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項３】
前記透明伝導性酸化物は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＬａ系元素からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項４】
前記透明伝導性窒化物は、チタン窒化物及びタンタル窒化物のうち少なくとも一つの窒化物を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項５】
前記第１導電物質層を形成する段階の前に、金属薄膜層を前記半導体物質層上に形成する段階をさらに含み、
前記金属薄膜層上に前記第１導電物質層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項６】
前記金属薄膜層は、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項５に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項７】
前記金属薄膜層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、これらの合金、及びこれらの固溶体からなる群から選択された少なくとも一つから形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項８】
前記金属薄膜層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、これらの合金、及びこれらの固溶体からなる群から選択された少なくとも一つから形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項９】
前記マスク層を形成する段階は、
前記第１導電物質層上にフォトレジストをコーティングする段階と、
前記島部に対応する潜像を有するように前記フォトレジストを露光する段階と、
溶媒を用いて前記フォトレジストを現像して、前記第１導電物質層上に前記島部を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項１０】
前記フォトレジストを露光する段階は、レーザ干渉を用いたレーザホログラフィによって前記フォトレジストを露光することを特徴とする請求項９に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項１１】
前記フォトレジストを露光する段階は、電子ビームリソグラフィによって前記フォトレジストを露光することを特徴とする請求項９に記載の発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法。
【請求項１２】
第１導電物質層と、貫通孔を有する第２導電物質層とを備えるオーミックコンタクト層を備えた発光素子の製造方法であって、
第１クラッド層、第２クラッド層、及びこれらの間の活性層を含む積層構造体を基板上に形成する段階と、
前記第２クラッド層上に第１導電物質層を形成する段階と、
前記第１導電物質層上に、前記貫通孔に対応するナノサイズの複数の島部を有するマスク層を形成する段階と、
前記第１導電物質層及び前記マスク層の島部上に第２導電物質層を形成する段階と、
溶媒を用いたリフトオフにより前記島部及び当該島部上の第２導電物質層を除去する段階と、を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２導電物質層は、透明伝導性酸化物又は透明伝導性窒化物から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記透明伝導性酸化物は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＬａ系元素からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記透明伝導性窒化物は、チタン窒化物及びタンタル窒化物のうち少なくとも一つの窒化物を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第１導電物質層を形成する段階の前に、金属薄膜層を前記第２クラッド層上に形成する段階をさらに含み、
前記金属薄膜層上に前記第１導電物質層が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記金属薄膜層は、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１６に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記金属薄膜層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、これらの合金、及びこれらの固溶体からなる群から選択された少なくとも一つから形成されることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記金属薄膜層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、これらの合金、及びこれらの固溶体からなる群から選択された少なくとも一つから形成されることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記マスク層を形成する段階は、
前記第１導電物質層上にフォトレジストをコーティングする段階と、
前記島部に対応する潜像を有するように前記フォトレジストを露光する段階と、
溶媒を用いて前記フォトレジストを現像して、前記第１導電物質層上に前記島部を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記フォトレジストを露光する段階は、レーザ干渉を用いたレーザホログラフィによって前記フォトレジストを露光することを特徴とする請求項２０に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記フォトレジストを露光する段階は、電子ビームリソグラフィによって前記フォトレジストを露光することを特徴とする請求項２０に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記第１導電物質層は、０．１ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに形成され、前記第２導電物質層は、２０ｎｍ〜７００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記第１導電物質層と、前記島部に対応する貫通孔を有する第２導電物質層とから形成されるオーミックコンタクト層を、常温〜９００℃の温度範囲で１０秒〜３時間熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記オーミックコンタクト層を熱処理する段階は、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気からなる群から選択される少なくとも一つのガスを含むガス雰囲気下または真空下で実施されることを特徴とする請求項２４に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーミックコンタクト層及びこれを備えた発光素子の製造方法に係り、より詳細には、前面発光型発光素子の光の外部抽出効率を増大させうるオーミックコンタクト層及びこれを備えた発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子への効果的な電流の供給は、半導体層と電極との間のオーミックコンタクトに大きく影響を受ける。窒化ガリウムを代表とする窒化物系半導体発光素子は、特に良質のオーミックコンタクトが必要である。継続的な窒化物半導体発光素子のオーミックコンタクトに対する研究にもかかわらず、依然として不十分なオーミックコンタクトは、ｐ型窒化ガリウムの低いキャリア濃度、高い面抵抗、及び低い電気伝導性に起因する。加えて、前面発光素子は、内部発生光がオーミック電極層を介して外部に放出されるために、上記のような良質の電気的特性と共に高い光透過率を有するオーミックコンタクト層が必要となる。
【０００３】
一般的に、前面発光素子のオーミックコンタクト層は、ｐ型クラッド層上に順次に積層されるニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を有する。これらの金属積層によるオーミックコンタクト層は、酸素又は空気雰囲気下での熱処理によって１０−３〜１０−４Ωｃｍ２程度の低い比接触抵抗を有するようになる。しかし、このような一般的なＮｉ／Ａｕオーミックコンタクト層は、低い光透過率（約７５％：λ＝４５０ｎｍ）によって外部への光抽出効率が低い。したがって、このような低い透過率のオーミックコンタクト層は、低い比接触抵抗にもかかわらず、次世代の高出力及び高輝度の前面発光素子に適用し難い。
【０００４】
このような前面発光型発光素子の出力限界を克服するために、優れた光透過率を有する透明伝導性酸化物（例えば、ＩＴＯ）の利用が提案された（非特許文献１）。
【０００５】
一方、Ｙ．Ｃ．Ｌｉｎらは、既存のＮｉ／Ａｕオーミックコンタクト層に比べて高い８６．６％の透過率を有するＮｉ／ＩＴＯオーミックコンタクト層を適用して、約１．３倍向上した光出力を有する前面発光型素子を報告した（非特許文献２）。
【０００６】
近年、素子の外光抽出効率を極大化させるための他の方法として電極表面微細構造化（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）が紹介された。例えば、Ｓ．−Ｍ．Ｐａｎらは、ＧａＮ上にＮｉＯ／ＩＴＯオーミックコンタクト層を形成した後、プラズマエッチングを用いるフォトリソグラフィ法によってＩＴＯをパターニングして、マイクロサイズのホールをＩＴＯ電極に形成することによって、約１６％レベルの光出力が改善されたと報告した（非特許文献３）。しかし、前記方法によって形成される電極表面組織のホールは、数マイクロのサイズを有するため、光抽出効率を極大化し難い。特に、エッチング時に誘発される素子のプラズマ損傷によって性能が低下するおそれがある。
【非特許文献１】Ｔ．Ｍａｒｇａｌｉｔｈ他，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７４，ｐ３９３０（１９９９）
【非特許文献２】Ｙ．Ｃ．Ｌｉｎ他，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｖｏｌ．４７，ｐ８４９（２００３）
【非特許文献３】Ｓ．−Ｍ．Ｐａｎ他，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．１５，ｐ６４９（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、高い光透過率と良質の電気的特性を有するオーミックコンタクト構造体及びこれを用いる前面発光型発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による半導体発光素子のオーミックコンタクト層の製造方法は、第１導電物質層と、貫通孔を有する第２導電物質層とを備える発光素子用のオーミックコンタクト層の製造方法であって、半導体物質層上に第１導電物質層を形成する段階と、前記第１導電物質層上に、前記貫通孔に対応するナノサイズの複数の島部を有するマスク層を形成する段階と、前記第１導電物質層及び前記マスク層の島部上に第２導電物質層を形成する段階と、溶媒を用いたリフトオフにより前記島部及び当該島部上の第２導電物質層を除去する段階と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明による発光素子の製造方法は、第１導電物質層と、貫通孔を有する第２導電物質層とを備えるオーミックコンタクト層を備えた発光素子の製造方法であって、第１クラッド層、第２クラッド層、及びこれらの間の活性層を含む積層構造体を基板上に形成する段階と、前記第２クラッド層上に第１導電物質層を形成する段階と、前記第１導電物質層上に、前記貫通孔に対応するナノサイズの複数の島部を有するマスク層を形成する段階と、前記第１導電物質層及び前記マスク層の島部上に第２導電物質層を形成する段階と、溶媒を用いたリフトオフにより前記島部及び当該島部上の第２導電物質層を除去する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の望ましい実施の形態によれば、前記第１及び第２導電物質層は、透明伝導性酸化物又は透明伝導性窒化物から形成される。
【００１１】
前記透明伝導性酸化物は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＬａ系元素からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物を含む。
【００１２】
また、前記透明伝導性窒化物は、チタン窒化物及びタンタル窒化物のうち少なくとも一つの窒化物を含む。
【００１３】
本発明の望ましい他の実施の形態によれば、前記第１導電物質層を形成する段階の前に、金属薄膜層を前記半導体物質層又は前記第２クラッド層上に形成する段階をさらに含み、前記金属薄膜層上に前記第１導電物質層が形成され、前記金属薄膜層は、望ましくは、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有する。
【００１４】
前記金属薄膜層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、これらの合金、及びこれらの固溶体からなる群から選択された少なくとも一つから形成される。
【００１５】
本発明のさらに他の具体的な実施の形態によれば、前記マスク層を形成する段階は、前記第１導電物質層上にフォトレジストをコーティングする段階と、前記島部に対応する潜像を有するように前記フォトレジストを露光する段階と、溶媒を用いて前記フォトレジストを現像して、前記第１導電物質層上に前記島部を形成する段階と、を含む。
【００１６】
望ましくは、前記フォトレジストを露光する段階は、レーザ干渉を用いたレーザホログラフィによって前記フォトレジストを露光する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、半導体物質に損傷を与える乾式エッチングに依存しないことによって、損傷による電気的特性の悪化を招かない。特に、このような本発明の製造方法によれば、良好な電気的特性が保証されると同時に、光学的に優れた発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を説明する。
【００１９】
本発明は、イオンなどの衝撃によって損傷を受けず、３次元パターンを有するオーミックコンタクト層を形成する。コンタクト層は、少なくとも下部の第１導電物質層及びその上の第２導電物質層を有し、そのうち第２導電物質層は、複数の貫通孔（ホールアレイ）を有する。ここで、貫通孔（ホール）の形状は円形が望ましいが、その他の多角形の形状を有しうる。
【００２０】
ホールアレイを有する第２導電物質層は、リフトオフ法によって形成され、リフトオフ時に使われるフォトレジスト犠牲層は、微細パターニングが可能な走査電子ビームまたはレーザホログラムによって露光される。または、犠牲層は、周知のインプリントによってパターニングされうる。このような犠牲層のパターニング方法は、本発明の最も広い技術的範囲を制限せず、単に本発明を実施するための多様な選択的方法の一部である。実験によって得られた最も望ましい露光方法は、レーザホログラフィを用いるものである。
【００２１】
上記のような本発明によるオーミックコンタクト層の製造方法は、以下で説明される本発明における窒化物系発光素子の製造方法の説明を通じて理解されうる。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施の形態における製造方法によって製造された電極及びこれを適用した前面発光型窒化物系発光素子の積層構造を概略的に示す断面図である。
【００２３】
図１を参照すると、窒化物系発光素子は、バッファ層２０、ｎ型下部半導体物質層として、例えば、第１クラッド層（ｎ型クラッド層）３０、活性層４０、ｐ型半導体物質層として、例えば、第２クラッド層（ｐ型クラッド層）５０、及び表面が微細構造にパターニングされた透明伝導性薄膜によるｐ−オーミックコンタクト層６０が、基板１０上に順次に積層された構造を有する。図１において、参照符号９０は、下部半導体物質層に電気的に連結される第１導電性パッドであり、参照符号８０は、ｐ−オーミックコンタクト層６０に連結される第２導電性パッドである。
【００２４】
基板１０は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のうちいずれか一つから形成されることが望ましく、バッファ層２０は任意であり、基板が絶縁物質である場合には必須である。
【００２５】
バッファ層２０から第２クラッド層５０までの各層は、III族窒化物系化合物の一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表現される化合物からなる群から選択される化合物を基本として形成され、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０にはドーパントが添加される。
【００２６】
また、活性層４０は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有しうる。
【００２７】
一例として、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体構造において、バッファ層２０は、ＧａＮから形成され、第１クラッド層３０は、ＧａＮにｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、及びＴｅなどが添加されて形成され、活性層４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷで形成され、第２クラッド層５０は、ＧａＮにｐ型ドーパントとして、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢｅなどが添加されて形成される。上記の構造において活性層４０の上下に設けられる上部及び下部導波層は、便宜上省略されている。
【００２８】
第１クラッド層３０とｎ型電極パッド９０との間には、ｎ型オーミックコンタクト層（図示せず）が介在し、ｎ型オーミックコンタクト層は、チタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）が順次に積層された層構造など公知の多様な構造が適用されうる。
【００２９】
第２導電性パッド８０は、Ｎｉ／Ａｕが順次に積層された層構造、または、Ｗ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、もしくはＡｇ／Ａｕが積層された層構造が適用されうる。
【００３０】
各層の形成方法は、電子ビーム蒸着器、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＬＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、二重型の熱蒸着器、及びスパッタリングなど公知の蒸着方法を適用する。
【００３１】
本発明を特徴づける微細構造の立体的なパターンを有するｐ−オーミックコンタクト層６０は、第１導電物質層とその上の第２導電物質層とを有する少なくとも二つの積層構造を有し、第２導電物質層は、犠牲層を用いたリフトオフ法によりパターニングされる。リフトオフ法は、既存の乾式エッチング法において誘発されうるイオンの衝突による半導体層の損傷を発生させない。このような第２導電物質層は、ホールアレイを有する。ここで、ホールの形状は円形が望ましいが、その他の多角形の形状を有してもよい。犠牲層として用いられるフォトレジストは、微細パターニングが可能な走査電子ビームまたはレーザホログラムにより露光される。または、犠牲層は周知のインプリントによってパターニングされうる。望ましくは、光干渉性を用いたレーザホログラムを用いたフォトレジストを所定のパターンで露光する。
【００３２】
オーミックコンタクト層６０は、２０ｎｍ〜１０００ｎｍ範囲の厚さを有することが望ましく、かかるオーミックコンタクト層６０は、透明伝導性酸化物または透明伝導性窒化物から形成される。
【００３３】
使用可能な透明伝導性酸化物は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＬａ系元素からなる群から選択される少なくとも一つの金属の酸化物を含む。
【００３４】
また、透明伝導性窒化物は、チタン窒化物及びタンタル窒化物のうち少なくとも一つの窒化物を含む。
【００３５】
このようなオーミックコンタクト層６０の材料である透明伝導性酸化物または透明伝導性窒化物に適切なドーパントが添加されることによって、電気的特性を向上させることができる。ここで、使用可能なドーパントは、金属であり、ドーパントの添加比率は、０．００１〜２０ｗｔ％の範囲である。
【００３６】
オーミックコンタクト層６０の製造工程において、透明伝導性酸化物及び透明伝導性窒化物などの蒸着は、例えば、２０℃〜１０００℃の温度範囲で真空下あるいはガス雰囲気下で進行する。
【００３７】
透明伝導性酸化物または透明伝導性窒化物の蒸着によって得られたオーミックコンタクト層６０は、常温〜９００℃の温度範囲で１０秒〜３時間熱処理される。電極を構成するオーミックコンタクト層６０の熱処理は、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも一つのガスを含むガス雰囲気下または真空下で進行する。
【００３８】
図２は、本発明の第２の実施の形態における製造方法により製造された前面発光型窒化物系発光素子の概略的な断面図である。
【００３９】
図２に示された発光素子は、オーミックコンタクト層６０と第２クラッド層５０との間にこれらのオーミックコンタクト特性をさらに向上させるための金属薄膜層７０が介在した構造を有する。
【００４０】
望ましくは、金属薄膜層７０は、生産性などの見地から、０．１ｎｍ〜５０ｎｍ範囲の厚さを有する。さらに望ましくは、金属薄膜層７０は、高い伝導性及び高い仕事関数値を有するだけでなく、ガリウム関連の化合物をよく形成できる伝導性素材として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、これらの合金、及びこれらの固溶体からなる群から選択された少なくとも一つの素材から形成される。
【００４１】
このような金属薄膜層７０は、高い伝導性を有し、上部のパターニングされた透明伝導性薄膜層、すなわち、オーミックコンタクト層６０との結合時にさらに向上した電流拡散を誘導して、ｐ型オーミック電極構造体の比接触抵抗を減らせるという長所を提供する。
【００４２】
図３Ａないし図３Ｆは、ｐ型半導体物質層、すなわち、第２クラッド層５０上に本発明によるオーミックコンタクト層６０を形成する方法を段階的に示す図である。
【００４３】
オーミックコンタクト層の形成前に、一般的な工程を通じて、前述したようなバッファ層２０、第１クラッド層３０、活性層４０、及び第２クラッド層５０を備える発光素子の基本的な積層構造体を基板１０上に形成する。
【００４４】
次に、図３Ａに示されたように、第２クラッド層５０上に、０．１ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する第１導電物質層１００を形成する
次に、図３Ｂに示されたように、スピンコーターなどを用いて第１導電物質層１００上に１０ｎｍ〜２μｍ範囲の厚さにフォトレジスタをコーティングして犠牲層１１０を形成する。
【００４５】
次に、図３Ｃに示されたように、フォトレジストを予備焼成（ｐｒｅ−ｂａｋｅ）した後に露光を実施する。露光には、前述したように電子ビーム露光及びレーザホログラム露光などが利用できる。このような露光によれば、露光された領域と非露光領域とを含む潜像が形成される。
【００４６】
望ましくは、レーザホログラム露光が適用される。レーザホログラム露光には、レーザホログラフィ装置が用いられる。レーザホログラム露光工程において、所望のパターニング構造に対応する干渉パターンを被露光対象である犠牲層１１０に照射する。レーザ光を数秒〜数分間照射して犠牲層１１０を１次感光させた後、構造体を０〜９０°の範囲で適切に回転させて２次感光を実施する。
【００４７】
図３Ｄに示されたように、犠牲層１１０をエッチング用の現像液を用いて現像し、所定のサイズ及びパターンを有するように２次元的に配置されたナノサイズの複数の島部１１０ａ（島部アレイ）を有する犠牲層１１０を得る。このような島部アレイの形成過程を経ると、第１導電物質層１００の上面は、島部１１０ａによって覆われた部分と覆われていない部分とにそれぞれ区分される。一方、島部アレイのパターン及びサイズは適切に調節でき、レーザホログラムを用いる場合には、レーザの波長を変化させるか、またはレーザ照射時の入射角を変化させることによって、パターン及びサイズを調節できる。
【００４８】
図３Ｅに示されたように、島部アレイを有する犠牲層１１０上に電子ビーム蒸着器、スパッタリング、及びＰＬＤなどの公知の多様な蒸着器を用いて、第２導電物質層１２０を２０ｎｍ〜７００ｎｍの厚さに形成する。第２導電物質層１２０は、前述した透明伝導性酸化物あるいは透明伝導性窒化物から形成される。
【００４９】
このような蒸着直後の第２導電物質層１２０は、島部アレイ上に形成されるナノサイズの除去対象部分と、第１導電物質層１００上に形成されて第１導電物質１００と共にオーミックコンタクト層６０を形成する部分とに区分される。
【００５０】
図３Ｆに示されたように、溶媒を用いたリフトオフ工程により犠牲層１１０を除去して島部アレイ上の第２導電物質層１２０を部分的に除去して、井戸形態のホールがアレイ形態に配列されたナノサイズの第２導電物質層１２０を得ることによって、発光素子の第２クラッド層５０上にオーミックコンタクト層６０を完成する。リフトオフ工程時のフォトレジストの効果的な除去のために、超音波洗浄及び超音波噴霧などが適用されうる。
【００５１】
図４は、本発明のオーミックコンタクトを効果的に製造するために使われるレーザホログラフィ装置の概略的な構成図である。
【００５２】
図４を参照すると、Ｈｅ−Ｃｄガスレーザ装置からのレーザは、電気シャッターと複数のミラーとを有するレーザ伝送経路を通じてビーム拡張機に伝えられ、ビーム拡張機によって拡散されたレーザは、コリメータレンズによって平行光化される。平行光化されたレーザの進行方向の前方には、レーザの進行軸に対して所定の角度、例えば、４５°の傾斜角をそれぞれ維持する反射器と支持台及びこれらを支持する回転ステージが設けられる。コリメータレンズを通過したレーザは、二つの領域に分かれて各領域のレーザが反射器とウェーハに直接入射される。反射器に入射されたレーザは、反射器によって反射されてウェーハに入射される。したがって、ウェーハには、コリメータレンズから直接的に入射される第１レーザと反射器を通じて間接的に入射される第２レーザが入射され、第１及び第２レーザによる干渉パターンがウェーハに形成される。干渉パターンをなすグレーティングピッチ（Λ）は、ウェーハに入射される第１レーザと第２レーザとがなす角度により決定され、その式は下記のようである。
【００５３】
Λ＝λ／（２Ｓｉｎθ）…（１）
上記（１）式において、λはレーザの波長である。
【００５４】
このようなレーザホログラフ装置を用いて、ウェーハの表面に形成されたフォトレジスト（犠牲層）に、前述したような潜像を形成できる。
【００５５】
このようなホログラフ装置については、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ  １１，３２６（１９６７）Ｌ．Ｄ．Ｓｉｅｂｅｒｔ及びＡｐｐｌ．Ｌｅｔｔ  ２０，４９０（１９７２）Ｇ．Ｄｅｃｋｅｒを参考できる。
【００５６】
図５Ａないし図５Ｃは、本発明の製造方法による発光素子の製造工程中のＳＥＭイメージである。
【００５７】
図５Ａは、第２クラッド層５０上に第１導電物質層１００としてＩＴＯを３０ｎｍ蒸着させた後、その上部に形成された犠牲層１１０を３６３ｎｍアルゴンイオン（Ａｒ＋）レーザホログラムによって感光させ、その後、現像して得られた犠牲層１１０を構成する島部１１０ａの配列を示す。
【００５８】
犠牲層１１０の各島部１１０ａは、２００ｎｍの直径と６００ｎｍの高さを有し、これらの島部の間隔（周期）は７５０ｎｍである。
【００５９】
ここで、周期的な島状パターンの効果は、（ｍ×波長）／（４×ｎ）の倍数（ｍ：整数、ｎ：屈折率）のグレーティングピッチ（Λ）で強く現れる。
【００６０】
ここで、ｍが大きくなるほど共振効果が減少するので、使用領域帯の波長（４００〜５００ｎｍ）と屈折率２．５を考慮すれば、ｍ＝１である場合の最小４０ｎｍから、ｍ＝２０である場合の最大１０００ｎｍ（１μｍ）が、グレーティングピッチ（Λ）の適正な範囲である。なお、ｍが２０よりも大きい範囲では、その効果が微々である。
【００６１】
図５Ｂは、図５Ａに示された工程の後、第２導電物質層１２０としてＩＴＯを１７０ｎｍの厚さに蒸着した後のＳＥＭイメージである。図５Ｃは、図５Ｂに犠牲層の除去、すなわち、リフトオフ後の第２導電物質層１２０を示すＳＥＭイメージである。図５Ｃに示されたように、犠牲層を用いたリフトオフによって第２導電物質層１２０に規則的に配列された井戸形態のホールが形成された。
【００６２】
図６は、青色ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ発光素子の上部半導体物質層、例えば、第２クラッド層５０の上部にＩＴＯ透明伝導性物質により得られたオーミックコンタクト層６０を示す。図６において、右側部分はオーミックコンタクト層６０であり、左側の暗い部分はｎ型電極である。
【００６３】
図７は、本発明の製造方法によって青色ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ発光素子の第２クラッド層５０上に３０ｎｍの厚さのＩＴＯで第１導電物質層１００を形成し、以後提示されたホログラムリソグラフィ方式を経て１７０ｎｍの厚さのＩＴＯで第２導電物質層１２０を形成した構造の発光素子のＥＬ強度の波長別変化（電流＝２０ｍＡ）を示すグラフである。
【００６４】
さらに、比較サンプルとしてパターニングされていない２００ｎｍの厚さを有するＩＴＯ電極構造体と、一般的に使用されているＮｉ／Ａｕ構造のオーミック電極構造体とを有する発光素子を製造した。特に、図２に提示されたように、第２クラッド層とＩＴＯ透明伝導性薄膜層との間のオーミック接触特性をさらに向上させるために、１ｎｍの厚さを有するＡｇからなる金属薄膜層７０を挿入した。素子の電極構造を形成させた後、５００℃の温度で、２分間空気雰囲気下で熱処理した。図７を通じて分かるように、本発明の製造方法によって２次元パターニングされた透明伝導性オーミック電極体のＥＬ特性が、パターニングされていないサンプルに比べて約２１％向上した特性を示した。さらに、一般的に使用されているＮｉ／Ａｕ電極構造体に比べては５４％向上した特性を示すことが分かる。特に、本発明による２次元電極パターニングは、薄い第１導電物質層及びナノスケールのホールを有する２次元透明伝導性薄膜層により、第２クラッド層とオーミック電極構造体との間に比接触抵抗の上昇を誘発しないという長所を有する。
【００６５】
図８は、図７で説明されたパターニングされたオーミックコンタクト層を有するサンプル及びパターニングされていないサンプルの光出力−電流グラフである。図８を通じて分かるように、２次元的にパターニングされたオーミックコンタクト層を有する発光素子は、パターニングされていないオーミックコンタクト層を有するサンプルに比べて全領域（２０−１００ｍＡ）で向上した光出力特性を示すことが分かる。
【００６６】
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明による２次元パターニングされた、すなわち、その表面に３次元微細構造パターンを有するオーミックコンタクト層の光出力改善に対する基本的な原理を説明する模式図である。第２クラッド層（ＧａＮ）、透明伝導性薄膜層（ＩＴＯ）、及び空気層は、４５０ｎｍの波長でそれぞれ２．４５、２．０６、及び１．０の屈折率（ｎ）を有する。スネルの法則によると、ｎ１の屈折率を有する媒介体で発生した光がｎ２の屈折率を有する媒介体を通過する場合、光の角度に対して、Ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）＝臨界角で表現される式によって、特定の角度、すなわち、光の外部屈折を誘導できる臨界角を有する。例えば、第２クラッド層で発生した光がＩＴＯ層を通過する場合、５７°の臨界角を有する。図９Ａに示されたように、第２クラッド層で発生した大部分の光（臨界角５７°未満）は、屈折してＩＴＯ層に進入する一方、臨界角以上を有する光は反射される。一方、ＩＴＯ層と空気層との屈折率差によって、２９°の他の臨界角が形成されるが、これによって、ＩＴＯ層を通過した光の大部分が再びＩＴＯ層内部に反射されて、結局、光の外部抽出効率が低くなる。しかし、図９Ｂに示したように、本発明によるオーミックコンタクト層の表面を２次元的にパターニングすれば、屈折してＩＴＯ層に進入した光が、電極パターニングにより外部に透過される確率が高くなって、内部への反射率を減少させるので、発光素子の外光抽出効率を増大させうる。
【００６７】
このような本願発明の理解を助けるためにいくつかの模範的な実施の形態が説明され、添付された図面に示されたが、このような実施の形態は、単に広い発明を例示し、それを制限しないという点を理解しなければならない。また、本発明は、図示及び説明された構造及び配列に限定されないという点も理解しなければならない。これは多様な他の修正が当業者により行われうるためである。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、デジタルカメラの記録媒体の関連技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の製造方法によって製造される前面発光型発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の製造方法によって製造される前面発光型発光素子を示す断面図である。
【図３Ａ】図１及び図２に示すオーミックコンタクト層の製造工程を段階的に示す図面である。
【図３Ｂ】図１及び図２に示すオーミックコンタクト層の製造工程を段階的に示す図面である。
【図３Ｃ】図１及び図２に示すオーミックコンタクト層の製造工程を段階的に示す図面である。
【図３Ｄ】図１及び図２に示すオーミックコンタクト層の製造工程を段階的に示す図面である。
【図３Ｅ】図１及び図２に示すオーミックコンタクト層の製造工程を段階的に示す図面である。
【図３Ｆ】図１及び図２に示すオーミックコンタクト層の製造工程を段階的に示す図面である。
【図４】本発明の製造方法に望ましく適用するレーザホログラフィ装置の概略的な構成図である。
【図５Ａ】本発明の製造方法による発光素子の製造過程中のＳＥＭイメージである。
【図５Ｂ】本発明の製造方法による発光素子の製造過程中のＳＥＭイメージである。
【図５Ｃ】本発明の製造方法による発光素子の製造過程中のＳＥＭイメージである。
【図６】本発明によって製造された青色発光素子の上部オーミックコンタクト層を示すＳＥＭイメージである。
【図７】本発明によって製造された発光素子のＥＬ測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明によって製造された発光素子の光出力−電流変化を示すグラフである。
【図９Ａ】電極パターニング形成の有無による第２クラッド層、ＩＴＯ、及び空気層で発生する光の屈折及び反射を説明する模式図である。
【図９Ｂ】電極パターニング形成の有無による第２クラッド層、ＩＴＯ、及び空気層で発生する光の屈折及び反射を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０    基板、
２０    バッファ層、
３０    第１クラッド層、
４０    活性層、
５０    第２クラッド層、
６０    オーミックコンタクト層、
７０    金属薄膜層、
８０    第２導電性パッド、
９０    第１導電性パッド。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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