(57)【要約】【課題】光取り出し効率を高めた半導体発光素子、およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体発光素子は、基板と、該基板上に形成されたＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層を含む半導体層と、該半導体層上の前記基板と接する側とは反対側の表面に配置された導電性薄膜と、該導電性薄膜の厚み方向に貫通して形成される電流阻止部と、該電流阻止部上に形成された第１の電極と、基板の半導体層と接する側とは反対側の表面上、または半導体層の露出面上に形成された第２の電極とを有し、導電性薄膜は、発光層が発光する光に対して透過性を有し、電流阻止部は、導電性薄膜と同一の材料からなり、かつ前記導電性薄膜よりも電気抵抗が高いことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層を含む半導体層と、
前記半導体層上の前記基板と接する側とは反対側の表面に配置された導電性薄膜と、
前記導電性薄膜の厚み方向に貫通して形成される電流阻止部と、
前記電流阻止部上に形成された第１の電極と、
前記基板の前記半導体層と接する側とは反対側の表面上、または前記半導体層の露出面上に形成された第２の電極とを有し、
前記導電性薄膜は、前記発光層が発光する光に対して透過性を有し、
前記電流阻止部は、前記導電性薄膜と同一の材料からなり、かつ前記導電性薄膜よりも電気抵抗が高い、半導体発光素子。
【請求項２】
前記導電性薄膜は、酸化インジウム錫または酸化インジウム亜鉛のうちのいずれか一方もしくは両方を含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記導電性薄膜は、酸化インジウム錫からなる、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電流阻止部は、その酸素濃度が前記導電性薄膜の酸素濃度よりも高い、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に、ＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層を含む半導体層を形成するステップと、
前記半導体層上の前記基板と反対側の表面上に電流抑制膜を形成するステップと、
前記電流抑制膜に対して、酸素を含む雰囲気でファーストアニールを行なうステップと、
前記電流抑制膜上に第１の電極を形成するステップと、
前記電流抑制膜に対して、酸素を含まない雰囲気でセカンドアニールを行なうことにより、前記第１の電極の直下の前記電流抑制膜を電流阻止部とし、前記電流阻止部以外の前記電流抑制膜を導電性薄膜とするステップと、
前記基板の半導体層と接する側とは反対側の表面上、または前記半導体層の露出面上に第２の電極を形成するステップとを含む、半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記ファーストアニールは、６００〜７００℃の温度で行なう、請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記セカンドアニールは、前記ファーストアニールの温度以下で行なう、請求項５または６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記導電性薄膜は、酸化インジウム錫からなる、請求項５〜７のいずれかに記載の半導体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、ＩＩＩ族化合物半導体を発光層に含む半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に金属電極による光取り出し効率の低下を抑制する半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）等のようにＶ族元素として窒素を含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、青色、青緑色等の短波長ＬＥＤの発光層として利用されている。
【０００３】
図９は、従来のダブルヘテロ接合型の青色ＬＥＤの一例を示す模式的な断面図である。従来のダブルヘテロ接合型青色発光素子は、図９に示されるように、サファイアからなる基板１０１上に、Ｓｉを添加したｎ型ＧａＮ層からなる下部クラッド層１０２；ＩｎＧａＮ層からなる発光層１０３；Ｍｇを添加したｐ形ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層１０４；およびコンタクト層１０５をこの順に積層することにより形成される。
【０００４】
そして、コンタクト層１０５上には導電性薄膜１０８が形成されており、当該導電性薄膜１０８上の一部にはｐ型電極１０６が設けられる。一方、下部クラッド層１０２上の一部にはｎ型電極１０７が設けられる。正極のｐ型電極１０６から電流を注入すると、電流が導電性薄膜１０８の面方向に拡散され、上部クラッド層１０４、および発光層１０３に広面積に注入されて発光層１０３が発光する。
【０００５】
発光層１０３から上方へ発光した光は、上部クラッド層１０４、コンタクト層１０５、および導電性薄膜１０８を透過して外部に取り出される。導電性薄膜１０８としては、たとえばＩＴＯのような高透光性であって、かつコンタクト層１０５よりも低抵抗の材料を用いる。これにより発光層１０３が発光した光が導電性薄膜１０８を透過するときの光の損失を低減するとともに、発光を得るための動作電流の広範囲に拡散し、発光面積が拡張させることができる。これらの相乗効果によりＬＥＤの光取り出し効率を高めることができる。
【０００６】
ＩＴＯからなる導電性薄膜１０８は、特開２００７−２８７７８６号公報（以下、「特許文献１」と記す）にも開示されているように、２回のアニールを行なうことにより、その導電性と透光性とを高める。すなわち、酸素を含む雰囲気において２５０℃以上６００℃以下でファーストアニールを行なうことにより、導電性薄膜１０８の透光性を高め、続く酸素を含まない雰囲気において２００℃以上５００℃以下でセカンドアニールを行なうことにより、導電性薄膜１０８の導電性を高める。
【０００７】
ところで、図９に例示したＬＥＤは、発光層１０３からの光取り出し方向にｐ型電極１０６が形成されている。このため、ｐ型電極１０６の直下の発光層１０３で発光した光がｐ型電極１０６の下面に入射すると、ｐ型電極１０６の下面で吸収および反射されて、半導体発光素子の光取り出し効率が低下するという問題がある。
【０００８】
このような問題を解決するために、たとえば特開平９−１２９９２１号公報（以下、「特許文献２」と記す）では、図１０に示される構造の半導体発光素子が提案されている。図１０は、特許文献２に開示される半導体発光素子の模式的な断面図である。特許文献２では、図１０に示されるように、ｐ型電極１０６の直下であって、かつ導電性薄膜１０８とコンタクト層１０５との間に、高抵抗のｐ型ＧａＮからなる電流阻止部１０９を形成する。このような位置に電流阻止部１０９を設けることにより、ｐ型電極１０６の直下の発光層１０３が発光する割合を減少させることができ、もってｐ型電極１０６の下部で吸収および反射されにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２８７７８６号公報
【特許文献２】特開平９−１２９９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に開示される電流阻止部１０９は、コンタクト層１０５上に１層のＧａＮ膜を設けた上で、電流阻止部１０９として不要な部分をエッチングで除去することにより形成される。ここでのエッチングは、公知のフォトリソグラフィーを用いるものであり、ＧａＮ膜のうちの電流阻止部１０９として必要な部分をレジストマスクで覆った上で、塩素系ガスを用いてドライエッチングするのが一般的である。
【００１１】
しかしながら、コンタクト層１０５および電流阻止部１０９はいずれもＧａＮからなるものであるため、コンタクト層１０５が露出した時点でエッチングを終了することができない。このためコンタクト層１０５の一部をエッチングにより除去してしまう場合、またはコンタクト層１０５上のＧａＮ膜をエッチングにより除去し得ない場合があった。これらのいずれの場合も導電性薄膜１０８とコンタクト層とのコンタクト抵抗が高くなり、光取り出し効率が低下することが問題であった。
【００１２】
ところで、ｐ型電極１０６およびｎ型電極１０７はいずれも、該半導体発光素子をパッケージに実装したときに外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となる。このため、金属層の層構造を有し、その最上層にはワイヤーボンド安定性確保のため５００ｎｍ程度の厚みのＡｕを用いる。
【００１３】
図１１は、特許文献２の半導体発光素子を上面から見たときの模式図である。図１１に示されるように、導電性薄膜１０８上に細線構造の電極１０６ａをｐ型電極１０６から延長することにより、ｐ型電極１０６に印加された電流を面方向に拡散させる構造が提案されている。このような細線構造の電極１０６ａは、光取出し効率を低下させないために、その線幅を２μｍ以上５μｍ以下の面積となるように極力小さく設計されている。
【００１４】
このような細線構造の電極１０６ａの下部でも発光層１０３で発光した光の吸収および反射が発生し、半導体発光素子の光取り出し効率の低下を招く。このため、細線構造の電極１０６ａの直下に電流阻止部１０９を設けることが好ましいが、このような細線構造の電極１０６ａの直下に電流阻止部１０９を設けることは製造工程上極めて困難であることは言うまでもない。
【００１５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、第１の電極の直下に電流阻止部を形成することにより、光取り出し効率を高めた半導体発光素子、およびそ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】
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、基板と、該基板上に形成されたＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層を含む半導体層と、該半導体層上の前記基板と接する側とは反対側の表面に配置された導電性薄膜と、該導電性薄膜の厚み方向に貫通して形成される電流阻止部と、該電流阻止部上に形成された第１の電極と、基板の半導体層と接する側とは反対側の表面上、または半導体層の露出面上に形成された第２の電極とを有し、導電性薄膜は、発光層が発光する光に対して透過性を有し、電流阻止部は、導電性薄膜と同一の材料からなり、かつ前記導電性薄膜よりも電気抵抗が高いことを特徴とする。
【００１７】
導電性薄膜は、酸化インジウム錫または酸化インジウム亜鉛のうちのいずれか一方もしくは両方を含むことが好ましく、酸化インジウム錫からなるがより好ましい。
【００１８】
電流阻止部は、その酸素濃度が導電性薄膜の酸素濃度よりも高いことが好ましい。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、ＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層を含む半導体層を形成するステップと、該半導体層上の前記基板と反対側の表面上に電流抑制膜を形成するステップと、該電流抑制膜に対して、酸素を含む雰囲気でファーストアニールを行なうステップと、該電流抑制膜上に第１の電極を形成するステップと、該電流抑制膜に対して、酸素を含まない雰囲気でセカンドアニールを行なうことにより、第１の電極の直下の電流抑制膜を電流阻止部とし、電流阻止部以外の電流抑制膜を導電性薄膜とするステップと、基板の半導体層と接する側とは反対側の表面上、または半導体層の露出面上に第２の電極を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【００１９】
上記のファーストアニールは、６００〜７００℃の温度で行なうことが好ましい。セカンドアニールは、ファーストアニールの温度以下で行なうことが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、第１の電極の直下のみに電流阻止部を精確に形成することができ、もって半導体発光素子の光取り出し効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の半導体発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子を上面から見たときの模式図である。
【図３】基板上に半導体層を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。
【図４】半導体層上に電流抑制膜を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。
【図５】電流抑制膜上に第１の電極を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。
【図６】電流抑制膜に対しセカンドアニールを行なった後の状態を示す模式的な断面図である。
【図７】５００℃〜７００℃でファーストアニールを行なった後の電流阻止部のシート抵抗を示したグラフである。
【図８】５００℃〜７００℃でファーストアニールを行なった後の電流抑制膜の４５０ｎｍの波長の光の透過率を示したグラフである。
【図９】従来のダブルヘテロ接合型の青色ＬＥＤの一例を示す模式的な断面図である。
【図１０】特許文献２に開示される半導体発光素子の模式的な断面図である。
【図１１】特許文献２の半導体発光素子を上面から見たときの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の半導体発光素子およびその製造方法を説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わすものではない。
【００２３】
＜半導体発光素子＞
図１は、本発明の半導体発光素子の一例を示す模式的な断面図である。本発明の半導体発光素子は、図１に示されるように、基板１と、該基板１上に形成されたＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層３を含む半導体層１０と、該半導体層１０の基板１と接する側とは反対側の表面に配置された導電性薄膜８と、該導電性薄膜８の厚み方向に貫通して形成される電流阻止部９と、該電流阻止部９上に形成された第１の電極６と、半導体層１０の露出面上に形成された第２の電極７とを有し、導電性薄膜８は、発光層３が発光する光に対して透過性を有し、電流阻止部９は、導電性薄膜８と同一の材料からなり、かつ導電性薄膜８よりも電気抵抗が高いことを特徴とする。なお、第２の電極７は、基板１の半導体層１０と接する側とは反対側の表面上に形成されていてもよい。
【００２４】
本発明のように第１の電極６の直下に、導電性薄膜８の比抵抗よりも高抵抗領域である電流阻止部９を設けることにより、第１の電極６から導入されたキャリアが高抵抗領域の電流阻止部９にキャリアが流入されにくくなるとともに、低抵抗領域の導電性薄膜８に分散されやすくなる。これにより電流阻止部９の直下の発光層３が発光しにくくなるとともに、それ以外の部分の発光層３が発光しやすくなる。そして、第１の電極６の最下層の表面における入射光の吸収および反射の割合を減少させることができ、もって半導体発光素子の光取り出し効率を高めることができる。
【００２５】
ここで、下部クラッド層２、発光層３、および上部クラッド層４によりダブルヘテロ接合が形成されている。また、発光層３は、アンドープ、ｎ型、ｐ型、およびｎ型とｐ型の両方の不純物を含んだものが必要に応じて選択される。これらの半導体層１０の任意の界面がｐｎ接合面となる。以下においては、本発明の半導体発光素子を構成する各層を説明する。
【００２６】
＜電流阻止部＞
本発明において、第１の電極６の直下に電流阻止部９を設けることを特徴とする。かかる電流阻止部９は、導電性薄膜８と同一の材料からなり、かつ該導電性薄膜８よりも電気抵抗が高いことを特徴とする。このような電流阻止部９を設けることにより、電流阻止部９の直下の発光層３が発光しにくくなるとともに、それ以外の部分の発光層３が発光しやすくなり、もって半導体発光素子の光取り出し効率を高めることができる。
【００２７】
このような電流阻止部９を構成する材料としては、導電性薄膜８と同一の材料のものを用いることを特徴とする。このような電流阻止部９を構成する材料としては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：indium tin oxide）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ：indium Zinc oxide）などを挙げることができる。これらの材料の中でも、酸素の濃度におり導電性を変えることができるという観点から、酸化インジウム錫または酸化インジウム亜鉛のうちのいずれか一方もしくは両方を含むことが好ましい。
【００２８】
これらの中でも電流阻止部９は、ＩＴＯからなることがより好ましい。このようなＩＴＯは、酸素を含むほど導電性が低下する傾向があるため、酸素を含むアニールを行なうことにより、導電性を容易に低下させることができるからである。
【００２９】
上記の電流阻止部９は、その酸素濃度が導電性薄膜８の酸素濃度よりも高いことが好ましい。このように電流阻止部９の酸素濃度を高めることにより、電流阻止部９が導電性薄膜８よりも導電性を示さなくなり、もって電流阻止部９の直下に形成される発光層３の発光を抑制することができる。
【００３０】
＜導電性薄膜＞
本発明において、導電性薄膜８は、発光層３からの光を透過させ、上部クラッド層４またはコンタクト層５とのコンタクトを取るとともに、接触する上部クラッド層４またはコンタクト層５の表面全体に電流を拡散させることにより、その下方にある発光層３の発光面積を拡張するために設けられるものである。
【００３１】
導電性薄膜８としては、コンタクト層５よりも低抵抗の材料であって、かつ電流阻止部９に用いられる材料と同一のものを用いることが好ましい。これにより第１の電極６に注入された電流を導電性薄膜８の面方向に拡散させることができる。このような導電性薄膜８を構成する材料としては、たとえばＩＴＯ、ＩＺＯなどを挙げることができる。これらの中でもＩＴＯからなることが好ましい。ＩＴＯは、透光性およびコンタクト抵抗の観点から特に優れるからである。
【００３２】
なお、後述するが、１層の電流抑制膜１５に対して２度のアニールを行なうことにより、導電性が高い導電性薄膜８と導電性が低い電流阻止部９とに作り分ける。このため、通常導電性薄膜８と電流阻止部９とは同一の材料からなる。
【００３３】
＜下部クラッド層＞
本発明において、下部クラッド層２は、発光層３のバンドギャップよりもバンドギャップが大きく、発光層３とのギャップ差に基づく電位障壁により電子および正孔をせき止める機能を有するものである。このような下部クラッド層２は、基板１と発光層３との間の緩衝層としての役割や、基板１が絶縁体の場合の第２の電極７とのコンタクト層としての役割を果たす各層を含むものとする。
【００３４】
このような下部クラッド層２は、ｎ型不純物がドープされた窒化物半導体のみではなく、アンドープ窒化物半導体を含む複数の層であってもよい。このような下部クラッド層２としては、たとえば低温バッファ層、ＡｌＮバッファ層、アンドープ層、ｎ型ドーピング層、ｎ型コンタクト層等を用いることができる。
【００３５】
下部クラッド層２は、クラッド層として機能する層が単層であってもよいし、多層であってもよいが、単層の場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができ、これにＳｉを含んでいてもよいし、アンドープ層を含んでいてもよい。また、下部クラッド層２が複数層の場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層した多層構造を形成していてもよい。さらに、これらの多層構造は超格子構造を形成していてもよい。
【００３６】
＜発光層＞
本発明において、発光層３は、ＧａＮからなる障壁層と、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層とを交互に積層させたものであることが好ましい。井戸層の厚さは、井戸層が発光する波長により最適な層厚は異なるが、２〜２０ｎｍの範囲であることが好ましい。このような発光層３の構造は、量子構造に限られるものではなく、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造等のいずれであってもよい。
【００３７】
発光層３が複数の井戸層を含む場合、少なくとも１つの井戸層は、発光層３として機能する。このような井戸層は、ＩｎpＧａ1-pＮ（０＜ｐ＜１）からなることが好ましい。電流阻止部９の直下の発光層３は発光しにくいのに対し、導電性薄膜８の直下の発光層３は発光しやすい。このような発光の違いは、発光層３に導入されるキャリアによってもたらされる。
【００３８】
＜上部クラッド層＞
本発明において、上部クラッド層４は、発光層３のバンドギャップよりもバンドギャップが大きく、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子及び正孔をせき止める機能を有する半導体層である。かかる上部クラッド層４は、蒸発防止層、キャリアブロック層、または電流拡散層として働くｐ型層をも含むものとする。これらの各層は、単層または複数層のいずれであってもよく、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮに対しｐ型不純物をドープしたものを用いることができる他、アンドープのものを用いてもよい。上部クラッド層４が複数層の場合は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層した多層構造を形成していてもよい。さらに、これらの多層構造は超格子構造を形成してもよい。
【００３９】
このような上部クラッド層４の厚みは、５００ｎｍ以下であることが好ましい。上部クラッド層４の厚みが５００ｎｍを超えると、発光層３が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることになり、発光層３の熱劣化による非発光領域が増大する。なお、発光層３の上部には、発光層３中に含まれるＩｎの蒸発を防止する目的で、蒸発防止層を形成することが望ましい。
【００４０】
＜コンタクト層＞
本発明において、コンタクト層５は、導電性薄膜８と上部クラッド層４との接触抵抗を低減するために設けられるものである。このようなコンタクト層５の伝導型は、その直下に存在する層、たとえば図１に示すダブルヘテロ構造のＬＥＤにおいては上部クラッド層４を構成する半導体層の伝導型と同一とする。コンタクト層５を低抵抗化させるという観点から、上部クラッド層４よりも高濃度にｐ型不純物をドープした窒化物半導体であることが好ましい。
【００４１】
このようなコンタクト層５は、発光層３からの発光を吸収しない程度にバンドギャップが小さい半導体材料からなることが好ましい。なお、コンタクト層５を設けることなく、上部クラッド層４上に導電性薄膜８を形成してもよい。この場合、上部クラッド層４の導電性薄膜８側の表面近傍のｐ型不純物の濃度を高濃度にすることが好ましい。
【００４２】
＜第１の電極および第２の電極＞
本発明において、第１の電極６および第２の電極７は、外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となるものである。第１の電極６および第２の電極７は、従来公知の構造を採用することができ、たとえばＴｉ、Ａｌ、Ａｕ等を用いることができる。また、第１の電極６および第２の電極７は、単層構造に限られるものではなく、多層構造とすることもできる。
【００４３】
そして、第１の電極６および第２の電極７が多層構造からなる場合には、その最上層には、層厚が５００ｎｍ程度のＡｕからなる層を形成することが好ましい。これにより半導体発光素子をパッケージに実装するときに、外部回路とのワイヤーボンド安定性を確保することができる。
【００４４】
ところで、発光層３により発せられる光のうちの一部は、発光層３の上部クラッド層４側の方向に発せられる。したがって、第１の電極６は、発光層３から上部クラッド層４側への光取り出し方向に配置された電極となる。
【００４５】
図１では、基板１が絶縁性の材料からなる場合の第２の電極７の配置を例示している。すなわち、絶縁性の材料からなる基板１を用いる場合、図１に示されるように、第２の電極７は、下部クラッド層２の露出面上に設けられる。一方、基板１が導電性の材料からなる場合、第２の電極７は、基板１の下部クラッド層２とは反対側の面に形成される。
【００４６】
図２は、本発明の半導体発光素子を上面から見たときの模式図である。図２に示されるように、第１の電極６から延長させた細線構造の電極６ａを導電性薄膜８上に形成することが好ましい。このように細線構造の電極６ａを設けることにより、第１の電極６に印加された電流を導電性薄膜８の面方向に拡散させることができる。これにより導電性薄膜８の直下の発光層３に電流を印加することができ、もって発光層３の発光効率を高めることができる。
【００４７】
従来は、製造技術の観点から、細線構造の電極６ａの直下に電流阻止部９を設けることができなかった。本発明の製造方法によれば、精密な製造技術を用いることなく、アニールのタイミングを制御することにより細線構造の電極６ａの直下に精確に電流阻止部９を設けることができる。これにより、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。以下、本発明の半導体発光素子の製造方法を説明する。
【００４８】
＜半導体発光素子の製造方法＞
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板１上に、ＩＩＩ族化合物半導体からなる発光層３を含む半導体層１０を形成するステップと（図３）、該半導体層１０上の基板１と反対側の表面上に電流抑制膜１５を形成するステップと（図４）、該電流抑制膜１５に対して、酸素を含む雰囲気下でファーストアニールを行なうステップと（図示せず）、該電流抑制膜１５上に第１の電極６を形成するステップと（図５）、該電流抑制膜１５に対して、酸素を含まない雰囲気下でセカンドアニールを行なうことにより、第１の電極６の直下の電流抑制膜１５を電流阻止部９とし、電流阻止部９以外の電流抑制膜１５を導電性薄膜８とするステップと（図６）、基板１の半導体層１０と接する側とは反対側の表面上、または半導体層１０の露出面上に第２の電極７を形成するステップと（図１）を含むことを特徴とする。
【００４９】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、電流抑制膜１５に対して、ファーストアニールを行なった後に、該電流抑制膜１５上に第１の電極６を形成し、さらにセカンドアニールを行なうことを特徴とする。このように第１の電極６で電流抑制膜１５を被覆した上で、セカンドアニールを行なうことにより、第１の電極６の直下に位置する電流抑制膜１５のシート抵抗を維持したまま、第１の電極６の直下に位置する部分以外の電流抑制膜１５のシート抵抗を低減させることができる。
【００５０】
そして、セカンドアニールを行なった後に、第１の電極６の直下に位置する電流抑制膜１５が電流阻止部９となり、該電流阻止部９以外の電流抑制膜１５が導電性薄膜８となる。このようにセカンドアニールを行なうことにより、第１の電極６がどのような微細な形状であっても、第１の電極６の直下のみに電流阻止部９を形成することができる。たとえばＩＴＯからなる電流抑制膜１５の場合、電流阻止部９は、導電性薄膜８のシート抵抗と比べて１桁以上高抵抗なものとなる。このように導電性薄膜８の厚み方向に貫通するように電流阻止部９を設けることにより、導電性薄膜８にキャリアが注入されやすくなり、発光層３の発光効率を高めることができ、もって光取り出し効率を向上させることができる。以下、本発明の製造方法の各ステップを説明する。
【００５１】
＜半導体層を形成するステップ＞
図３は、基板上に半導体層を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。まず、サファイアからなる基板１を準備する。そして、基板１の温度をたとえば１０５０℃に調整し、窒素と水素とを含むキャリアガスを用いて、ＩＩＩ族原料ガス、Ｓｉを含むドーピングガス、およびアンモニアガスをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、図３に示されるように、基板１上に下部クラッド層２を結晶成長させる。
【００５２】
ここで、下部クラッド層２を形成するために装置内に導入するＩＩＩ族原料ガスとしては、たとえばＴＭＧ（（ＣＨ3）3Ｇａ：トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ：トリエチルガリウム）、ＴＭＡ（（ＣＨ3）3Ａｌ：トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ：トリエチルアルミニウム）、ＴＭＩ（（ＣＨ3）3Ｉｎ：トリメチルインジウム）、またはＴＥＩ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｉｎ：トリエチルインジウム）等を利用することができる。また、Ｓｉを含むドーピングガスとしては、たとえばＳｉＨ4（シラン）ガス等を用いることができる。
【００５３】
次に、下部クラッド層２の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置により、下部クラッド層２上にＩｎを含む井戸層と障壁層とを交互に形成することにより発光層３を形成する。
【００５４】
そして、発光層３を形成した後に発光層３上に上部クラッド層４を形成する。上部クラッド層４の形成は、上部クラッド層４を結晶成長するのに適した基板１の温度にした上で、窒素および水素を含むキャリアガスと、ＩＩＩ族原料ガスと、Ｍｇを含むドーピングガスと、アンモニアガスとをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、発光層３上に上部クラッド層４を結晶成長させる。さらに、上部クラッド層４の上には、コンタクト層５を形成する。
【００５５】
ここで、上部クラッド層４を結晶成長するのに適した基板１の温度は、上部クラッド層４がＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる場合、９５０℃以上１３００℃以下であることが好ましい。このような温度で上部クラッド層４を結晶成長させることにより、上部クラッド層４の結晶性を良好にすることができる。
【００５６】
ここで、Ｍｇを含むドーピングガスとしては、たとえばＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）または（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）等を利用することができる。なお、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇは常温常圧下で液体なので、その条件下で固体であるＣｐ2Ｍｇに比べて、ＭＯＣＶＤ装置内への導入量を変化させたときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保ちやすい。上部クラッド層４の形成に用いられるＩＩＩ族原料ガスおよびアンモニアガスとしては、下部クラッド層２および発光層３と同様の種類のガスを用いることができる。
【００５７】
次に、上部クラッド層４を形成するときのドーピングガスよりも、ドーピングガスの含有量を高めた上で、コンタクト層５を形成する。上記のようにして下部クラッド層２と、発光層３と、上部クラッド層４と、コンタクト層５とからなる半導体層１０を形成する。
【００５８】
＜電流抑制膜を形成するステップ＞
図４は、半導体層上に電流抑制膜を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。上記で形成した半導体層１０に対し、図４に示されるように、電子線蒸着法、またはスパッタ蒸着法を用いることにより、半導体層１０上に電流抑制膜１５を形成する。このような電流抑制膜１５は上部クラッド層４上に直接形成してもよい。かかる電流抑制膜１５は、透光性が約４０％程度であってもよく、必ずしも導電性を有していなくてもよい。スパッタ蒸着法により電流抑制膜１５を形成する場合、スパッタリング炉内にスパッタガスを導入してスパッタ電力を印加することにより成膜する。
【００５９】
＜ファーストアニールを行なうステップ＞
上記のようにして形成された電流抑制膜１５に対し、酸素を含む雰囲気でファーストアニールを行なう。このように酸素を含む雰囲気中でアニールを行なうことにより、電流抑制膜１５を構成する材料を結晶化させることができ、電流抑制膜１５の透過率を向上させることができる。ファーストアニール前後の電流抑制膜１５の物性を調べたところ、成膜直後の電流抑制膜１５は、非晶質状態となるのに対し、ファーストアニールを行なった後の電流抑制膜１５は、ポリ結晶化状態となる。
【００６０】
ここで、ファーストアニールは、６００℃以上７００℃以下の温度で行なうことが好ましい。これにより電流抑制膜１５の透過率を向上させやすくする。また、ファーストアニールは、３分以上３０分以下行なうことが好ましく、より好ましくは２０分以下で行なう。
【００６１】
このようなファーストアニール終了後に０℃以上１００℃以下の温度に下げた上で、水分を含む雰囲気に電流抑制膜１５を接触させることが好ましい。ファーストステップのアニール炉内で大気に接触させてもよいし、アニール炉外に取り出して大気に接触させてもよい。２０℃〜３０℃程度の略室温に接触させることがより好ましい。これにより電流抑制膜１５のシート抵抗を低減することができる。
【００６２】
このように水分を含む雰囲気に電流抑制膜１５を接触させたときに、電流抑制膜１５のシート抵抗が低減するメカニズムは明らかではないが、おそらく電流抑制膜１５を大気に接触させたときに、大気中に存在する水分が電流抑制膜１５の表面に吸着されて、電流抑制膜１５の表面状態が安定化するためではないかと考えられる。
【００６３】
このような水分を含む雰囲気に接触させる時間は、６０秒以上３６００秒以下で行なうことが好ましい。６０秒未満であると、電流抑制膜１５のシート抵抗を低減する効果が乏しく、３６００秒を超えると、製造工程に要する時間が長時間となるため好ましくない。
【００６４】
このように大気に接触させた後に、フォトリソグラフィおよびエッチングを行なうことにより、電流抑制膜１５、コンタクト層５、上部クラッド層４、および発光層３、ならびに下部クラッド層２の一部を除去し、下部クラッド層２上に露出面を形成する。
【００６５】
＜第１の電極を形成するステップ＞
図５は、電流抑制膜上に第１の電極を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。
本発明では、図５に示されるように電流抑制膜１５上に第１の電極６を形成する。このような第１の電極６の形成は、フォトリソグラフィ、電子線蒸着、およびリフトオフ法により行なわれることが好ましい。このようにセカンドアニールの前に、第１の電極６を形成することにより、後のセカンドステップにおいて、第１の電極６の直下の電流抑制膜１５に含まれる酸素が放出されにくくなり、導電性を有しない電流阻止部を形成することができる。このタイミングで第１の電極６を形成することが極めて重要であり、本発明の製造方法の最大の特徴といえる。
【００６６】
＜セカンドアニールを行なうステップ＞
次に、炉内に基板１をセットし、酸素を含まない雰囲気でセカンドアニールを行なう。図６は、電流抑制膜に対しセカンドアニールを行なった後の状態を示す模式的な断面図である。図６に示されるように、セカンドアニールを行なうことにより、第１の電極６が形成されている部分の直下の電流抑制膜１５は、第１の電極６により酸素の放出が阻害されて、電流阻止部９となる。一方、第１の電極６が形成されていない部分の電流抑制膜１５中の酸素は放出されて導電性薄膜８となる。そして、電流阻止部９のシート抵抗は、導電性薄膜８のシート抵抗の約７倍程度以上になる。
【００６７】
このようなセカンドアニールは、真空雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、または窒素とアルゴンとの混合雰囲気で行なうことが好ましく、窒素雰囲気で行なうことがより好ましい。窒素雰囲気でセカンドアニールを行なうことにより、導電性薄膜８中に酸素欠陥を形成し、キャリア密度を上昇させることをもって導電性薄膜のシート抵抗を低減することができる。
【００６８】
本発明において、セカンドアニールは、４５０℃以上６００℃以下の温度で行なうことが好ましい。これにより電流抑制膜１５中の酸素を外部に排出させることができ、導電性薄膜８のシート抵抗をより低減させることができる。また、セカンドアニールは、１分以上１０分以下で行なうことが好ましい。
【００６９】
上記のセカンドアニールは、ファーストアニールのアニール温度以下の温度で行なわれることが好ましい。これにより導電性薄膜８のコンタクト抵抗と透過率を損なうことなく、シート抵抗を低減することができる。
【００７０】
＜第２の電極を形成するステップ＞
次に、基板１の半導体層１０と接する側とは反対側の表面上、または該半導体層１０の露出面上に第２の電極７を形成する。第２の電極７の形成方法は、第１の電極６と同様の方法を用いることができる。このようにして第２の電極７を形成することにより、図１に示される半導体発光素子を作製することができる。
【実施例】
【００７１】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施例では、以下の各ステップにより半導体発光素子を作製する。
【００７２】
（実施例１）
＜半導体層を形成するステップ＞
基板１としてはＣ面｛０００１｝が面方位であるサファイアを用いる。まず、表面に凹凸加工が施されたサファイアからなる基板１上にＡｌＮバッファ層を形成し、その上にアンドープＧａＮ層とＳｉをドーピングしたｎ型ＧａＮ層が形成されたテンプレート基板を用いる。ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度は、６×１０18ｃｍ-3とする。このテンプレート基板のｎ型ＧａＮ層上に、ｎ型コンタクト層として膜厚１．５μｍのｎ型ＧａＮ層を成長する。ｎ型ＧａＮ層のドーパント原料にはＳｉＨ4ガスを用いて、Ｓｉドーピング濃度は６×１０18ｃｍ-3とする。上記ｎ型コンタクト層が、図１に示される下部クラッド層２に該当する。下部クラッド層２は、１０００℃以上で結晶成長させることにより形成されたものである。
【００７３】
次に、炉内の温度を８５０℃に下げ、下部クラッド層２上に、活性層としてＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層とアンドープＩｎＧａＮからなる井戸層を６ペア積層した後、膜厚６．５ｎｍのＧａＮ層からなるラストバリア層を積層し、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる発光層３を形成する。発光層３のキャリア濃度は、４×１０17ｃｍ-3である。
【００７４】
次いで、１１００℃に昇温した後、発光層３上にｐ型ＡｌＧａＮ層を形成し、次にｐ型ＧａＮ層を形成する。上記ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層が図１に示される上部クラッド層４に該当する。上部クラッド層４には、２×１０19ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下のドーピング濃度でＭｇをドーピングする。
【００７５】
そして、上部クラッド層４上に、膜厚２０ｎｍのｐ+型ＧａＮ層からなるコンタクト層５を形成する。コンタクト層５は、Ｍｇをドーパントとして５×１０19ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-3以下のドーピング濃度とする。このようにして図３に示されるように、基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５からなる４層の半導体層１０を形成する。
【００７６】
＜電流抑制膜を形成するステップ＞
その後、図４に示されるように、スパッタリング法を用いて半導体層１０上に電流抑制膜１５を形成する。まず、スパッタリング炉内に基板１を設置し、炉内の温度を室温に保つ。そして、スパッタガスとしてアルゴンガスを導入し、１．２８ｋＷｈのスパッタ電力により、コンタクト層５上に膜厚１５０ｎｍのＩＴＯからなる電流抑制膜１５を成膜する。
【００７７】
＜ファーストアニールを行なうステップ＞
次に、２０％の酸素および８０％の窒素からなる混合ガス雰囲気で、６００℃１０分間のファーストアニールを行なう。これにより電流抑制膜１５の波長４５０ｎｍの光に対する透過率を９４％以上に高める。
【００７８】
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングを行なうことにより、電流抑制膜１５、コンタクト層５、上部クラッド層４、および発光層３、ならびに下部クラッド層２の一部を除去し、下部クラッド層２上に露出面を形成する。
【００７９】
＜第１の電極を形成するステップ＞
そして、図５に示されるように、電流抑制膜１５に対し、通常のフォトリソグラフィ、電子線蒸着、およびリフトオフ法を行なうことにより、膜厚１００ｎｍのＴｉと、膜厚５０ｎｍのＰｔと、膜厚５００ｎｍのＡｕとの３層構造からなる第１の電極６を形成する。
【００８０】
＜セカンドアニールを行なうステップ＞
次に、図６に示されるように、炉内を１００％の窒素雰囲気にして、５５０℃で５分間のセカンドアニールを行なうことにより、第１の電極６の直下に、シート抵抗が１１０Ω／□の電流阻止部９を形成する。同時に電流阻止部９以外の電流抑制膜をシート抵抗が９Ω／□の導電性薄膜８にする。このようにして第１の電極６の直下のみに電流阻止部９を設け、それ以外の部分を導電性薄膜８とする。
【００８１】
＜第２の電極を形成するステップ＞
上記で形成した下部クラッド層２の露出面上に対し、通常のフォトリソグラフィ、電子線蒸着、およびリフトオフ法を行なうことにより、膜厚１００ｎｍのＴｉと、膜厚５０ｎｍのＰｔと、膜厚５００ｎｍのＡｕとの３層構造からなる第２の電極７を形成する。このようにして本実施例の半導体発光素子を作製する。
【００８２】
（実施例２〜６）
実施例１の半導体発光素子の製造方法に対し、ファーストアニールの雰囲気および温度が異なる他は、実施例１と同様の方法により実施例２〜６の半導体発光素子を作製する。すなわち、実施例２〜６では、電流抑制膜に対し１０％の酸素および９０％の窒素からなる混合ガス雰囲気で１０分間のファーストアニールを行なう。実施例２〜６ではそれぞれ、ファーストアニールの温度を５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃とする。
【００８３】
（比較例１）
比較例１では、従来の製造方法、すなわち第１の電極の直下に電流阻止部を設けるが、第１の電極から延びる細線構造の電極の直下には電流阻止部を設けないように半導体発光素子を作製する。
【００８４】
（ファーストアニールの温度依存性）
実施例２〜６において、ファーストアニールを行なった後の電流抑制膜のシート抵抗を４端子法により測定する。その結果を図７のグラフに示す。図７は、５００℃〜７００℃でファーストアニールを行なった後の電流抑制膜のシート抵抗を示したグラフである。図７の縦軸は、電流抑制膜のシート抵抗を示し、図７の横軸は、ファーストアニールを行なうときの温度を示している。図７に示される結果から、ファーストアニールを行なう温度が高いほど、電流抑制膜のシート抵抗を低減し得ることがわかる。
【００８５】
次に、実施例２〜６において、ファーストアニールを行なった後の４５０ｎｍの波長の光における電流抑制膜の透過率を分光光度計により測定する。その結果を図８のグラフに示す。図８は、５００℃〜７００℃でファーストアニールを行なった後の電流抑制膜の４５０ｎｍの波長の光の透過率を示したグラフである。図８の縦軸は、電流抑制膜の４５０ｎｍの波長の光の透過率を示し、図８の横軸は、ファーストアニールを行なうときの温度を示している。
【００８６】
図８の結果からも明らかなように、ファーストアニールの温度を５００℃以上にすることにより、電流抑制膜の透過率を４０％台から９０％以上に向上させることができる。特に、６００℃以上７００℃以下でファーストアニールを行なうことにより、電流抑制膜の透過率を顕著に向上させることができる。
【００８７】
このようにファーストアニール前後により電流抑制膜の透過率が異なるのは、電流抑制膜を構成するＩＴＯの結晶状態が非結晶質状態からポリ結晶化が進むとともに、外部の酸素が取り込まれたことによるものである。
【００８８】
＜セカンドアニール前後のシート抵抗＞
実施例４において、５５０℃で５分間のセカンドアニールを行なった後に第１の電極をリン酸で除去する。そして、第１の電極の直下に形成された電流阻止部、および第１の電極の直下以外の部分である導電性薄膜のシート抵抗をそれぞれ測定する。その結果、導電性薄膜のシート抵抗はセカンドアニール前後で１１５Ω／□→９Ω／□に低減されており、電流阻止部のシート抵抗はセカンドアニール前後で１１５Ω／□→１１０Ω／□とほとんど変化していない。なお、セカンドアニール前後でも透光性に変化は見られず９４％台である。
【００８９】
実施例５においても、上記の実施例４と同様にして電流阻止部のシート抵抗を測定する。その結果、導電性薄膜のシート抵抗はセカンドアニール前後で１１０Ω／□→８Ω／□に低減されており、電流阻止部のシート抵抗はセカンドアニール前後で１１０Ω／□→９５Ω／□とほとんど変化していない。
【００９０】
実施例６においても、上記の実施例４と同様にして電流阻止部のシート抵抗を測定した。その結果、導電性薄膜のシート抵抗はセカンドアニール前後で１１２Ω／□→１１Ω／□に低減されており、電流阻止部のシート抵抗はセカンドアニール前後で１１２Ω／□→１０５Ω／□とほとんど変化していない。
【００９１】
これらの結果から、電流抑制膜中の酸素が、セカンドアニールを行なった後に外部に放出されることにより、導電性薄膜のシート抵抗が低下することが導かれる。一方、第１の電極６が形成されていた部分の電流抑制膜からは、第１の電極が酸素を外部に排出することを阻害し、電流阻止部９のシート抵抗が低下しないことが導かれる。
【００９２】
＜性能比較＞
実施例１で作製した半導体発光素子と、比較例１で作製した半導体発光素子とを対比すると、実施例１のように第１の電極６および細線構造の電極６ａの直下に電流阻止部を設けることにより、半導体発光素子の光取り出し効率を３％向上させることができる。
【００９３】
本発明において上記で好適な実施形態を説明した半導体発光素子は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。
【００９４】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００９５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９６】
１，１０１  基板、２，１０２  下部クラッド層、３，１０３  発光層、４，１０４  上部クラッド層、５，１０５  コンタクト層、６  第１の電極、６ａ，１０６ａ  細線構造の電極、７  第２の電極、８，１０８  導電性薄膜、９，１０９  電流阻止部、１０  半導体層、１５  電流抑制膜、１０６  ｐ型電極、１０７  ｎ型電極。
【図１】
2011210847.tif 000003
【図２】
2011210847.tif 000004
【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】
2011210847.tif 000009
【図８】
2011210847.tif 000010
【図９】
2011210847.tif 000011
【図１０】
2011210847.tif 000012
【図１１】
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