(57)【要約】【課題】発光波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外光の発光効率の向上を図れ、且つ、信頼性の向上を図れる紫外半導体発光素子を提供する。【解決手段】２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域に発光波長を有する紫外半導体発光素子であって、ｎ形窒化物半導体層３とｐ形窒化物半導体層５との間に発光層４を有する。ｎ形窒化物半導体層３およびｐ形窒化物半導体層５それぞれに接触する一対の電極のうちの一方の電極であるｐ電極６が、発光波長の紫外光に対する光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下である金属材料により形成された透明金属層６１を有する透明電極からなる。紫外光の発光波長において透明な絶縁材料により形成され透明電極であるｐ電極６を保護する保護層９を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域に発光波長を有する紫外半導体発光素子であって、ｎ形窒化物半導体層とｐ形窒化物半導体層との間に発光層を有し、ｎ形窒化物半導体層およびｐ形窒化物半導体層それぞれに接触する一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、前記発光波長の紫外光に対する光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下である金属材料により形成された透明金属層を少なくとも有する透明電極からなり、前記紫外光の前記発光波長において透明な絶縁材料により形成され透明電極を保護する保護層を備えることを特徴とする紫外半導体発光素子。
【請求項２】
前記保護層の絶縁材料は、ＭｇＦ２であることを特徴とする請求項１記載の紫外半導体発光素子。
【請求項３】
前記透明金属層の金属材料は、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂの群から選択されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の紫外半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明金属層の厚みが５０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の紫外半導体発光素子。
【請求項５】
前記透明電極は、前記透明金属層の厚み方向の少なくとも一方の面側に、前記透明金属層とは異なる金属材料により形成され前記透明金属層に悪影響を及ぼす反応種の前記透明金属層への到達を阻止するブロック層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の紫外半導体発光素子。
【請求項６】
前記ブロック層の金属材料は、Ｓｂ、Ｂｉ、あるいはそれらの合金の群から選択されることを特徴とする請求項５記載の紫外半導体発光素子。
【請求項７】
前記ブロック層の厚みが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５または請求項６記載の紫外半導体発光素子。
【請求項８】
前記透明電極は、前記透明金属層における前記発光層側に前記発光層側の下地に対してオーミック接触となる金属材料からなるオーミックコンタクト層を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の紫外半導体発光素子。
【請求項９】
前記オーミックコンタクト層の金属材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、あるいはそれらの合金の群から選択されることを特徴とする請求項８記載の紫外半導体発光素子。
【請求項１０】
前記オーミックコンタクト層の厚みが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８または請求項９記載の紫外半導体発光素子。
【請求項１１】
前記透明電極の表面の一部に、Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成されたパッドを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の紫外半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紫外光の波長域で発光する紫外半導体発光素子は、衛生、医療、工業、照明、精密機械などの様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
しかしながら、エピタキシャル成長用の単結晶基板としてサファイア基板を用い、発光層の材料として窒化物半導体材料を用いた一般的な紫外半導体発光素子は、青色半導体発光素子に比べて、発光効率および光出力が小さく、広く産業化されていないのが現状である。
【０００４】
ここにおいて、紫外半導体発光素子の発光効率が低い原因としては、貫通転位密度が高く、非発光再結合が支配的となり、内部量子効率が低いことや、ｐ形窒化物半導体層の性能が不十分である、などの理由も挙げられるが、発光した紫外光の外部への光取り出し効率が低いことが大きな原因となっている。すなわち、一般的な紫外半導体発光素子では、サファイア基板の一表面側におけるｎ形窒化物半導体層と発光層とｐ形窒化物半導体層との積層膜がメサ構造を有し、それぞれ不透明な金属電極からなるｎ電極およびｐ電極がサファイア基板の上記一表面側で横方向に並んだ横型電極構造が採用され、サファイア基板からのみ光を取り出しており、ｎ電極およびｐ電極に達する光の大部分が吸収されて利用されていないので、光取り出し効率が低い。なお、上述のメサ構造は、サファイア基板の上記一表面側にｎ形窒化物半導体層と発光層とｐ形窒化物半導体層との積層膜をＭＯＶＰＥ法などにより成膜した後で、ｎ形窒化物半導体層の一部が露出するように上記積層膜をパターニングすることで形成されている。
【０００５】
そこで、紫外半導体発光素子の分野においては、紫外域の波長において光透過率が高く且つ導電性を有した透明電極が望まれている。一般に、透明電極として用いる透明導電膜としては、バンドギャップの大きな酸化物系材料が用いられているが、紫外域での透明電極での光透過率を向上させた透明電極として、一般的なＩＴＯ膜に比べて錫の含有量を高くし且つ成膜温度を高くしたＩＴＯ膜（特許文献１参照）や、パルスレーザー蒸着法により成膜したＧａ２Ｏ３膜（特許文献２参照）が提案されている。
【０００６】
また、導電性の高い金属を光の吸収が起こらない程度に薄くすることで透明導電膜として用いることも提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２７８５５４号公報
【特許文献２】特許第４０８３３９６号公報
【特許文献３】特開２００９−１５１９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１に記載の紫外半導体発光素子では、透明電極を構成するＩＴＯ膜における錫の含有量を２５質量％、ＩＴＯ膜の蒸着時の基板温度を８００℃とすることで、波長が３３０ｎｍ以上の紫外光に対して透過率を７５％程度まで向上できる。しかしながら、波長が３００ｎｍになると光透過率が３０％まで低下し、２６０ｎｍ以下の波長では光透過率が０％になってしまう。要するに、上記特許文献１に記載された紫外半導体発光素子のＩＴＯ膜からなる透明電極は、波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの深紫外域では透明性が不十分であり、特に波長が２６０ｎｍ以下では透明性を有していない。
【０００９】
また、上記特許文献２に記載された透明電極は、波長が１０００ｎｍ〜２５０ｎｍにおける平均光透過率は９０％以上であるものの、波長が２４０ｎｍの紫外光の透過率が４０％程度であり、紫外半導体発光素子の光取り出し用の透明電極として用いるには光透過率が不十分である。また、上記特許文献２に記載された透明電極は、パルスレーザー蒸着法などの特殊な成膜方法で形成する必要があり、良好な導電性を得るためには高温での成膜やアニールが必要であり、プロセスが複雑になるとともにコストが高くなってしまう。
【００１０】
また、上記特許文献３に記載された透明電極は、膜厚が２０ｎｍ以下のＡｌＡｇ薄膜であり、ＡｌＡｇ薄膜に多数の孔が形成されるので、透明電極の表面側にパッドを設けた場合に、パッドの一部が孔を通して透明電極の下地のｐ形窒化物半導体層と接触し、パッドとｐ形窒化物半導体層との接触がオーミック接触にならず、ショットキー接触になってしまう懸念もある。また、上記特許文献３に記載された透明電極は、長期安定性や信頼性に課題がある。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外光の発光効率の向上を図れ、且つ、長期安定性および信頼性の向上を図れる紫外半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域に発光波長を有する紫外半導体発光素子であって、ｎ形窒化物半導体層とｐ形窒化物半導体層との間に発光層を有し、ｎ形窒化物半導体層およびｐ形窒化物半導体層それぞれに接触する一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、前記発光波長の紫外光に対する光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下である金属材料により形成された透明金属層を少なくとも有する透明電極からなり、前記紫外光の前記発光波長において透明な絶縁材料により形成され透明電極を保護する保護層を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域の発光波長の紫外光に対する光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下である金属材料により形成された透明金属層を少なくとも有する透明電極からなることにより、発光層で発光した紫外光の電極での吸収を抑制することができて光取り出し効率の向上を図れるとともに、透明電極の低抵抗化を図れるから、発光効率の向上を図れ、しかも、前記紫外光の前記発光波長において透明な絶縁材料により形成され透明電極を保護する保護層を備えることにより、透明電極の酸化などによる劣化が起こりにくく長期安定性および信頼性の向上を図れる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記保護層の絶縁材料は、ＭｇＦ２であることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記保護層の絶縁材料がＭｇＦ２であるので、前記保護層の絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などを採用する場合に比べて、前記保護層に起因した光損失を抑制することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記透明金属層の金属材料は、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂの群から選択されることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域に発光波長を有する紫外光に対して優れた光透過性を有する。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記透明金属層の厚みが５０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記透明電極に流れる電流を前記透明電極の面内で均一に拡散させやすくなり、前記透明電極での電流密度の面内均一性を高めることができ、発光効率の向上を図れる。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記透明電極は、前記透明金属層の厚み方向の少なくとも一方の面側に、前記透明金属層とは異なる金属材料により形成され前記透明金属層に悪影響を及ぼす反応種の前記透明金属層への到達を阻止するブロック層を備えることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記透明金属層の金属材料が活性の高い金属材料であっても、前記透明金属層に悪影響を及ぼす反応種をブロック層により阻止することができ、前記透明金属層の長期安定性を向上させることができるから、前記透明金属層の金属材料の選択の自由度が高くなる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記ブロック層の金属材料は、Ｓｂ、Ｂｉ、あるいはそれらの合金の群から選択されることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、前記ブロック層の金属材料が前記透明金属層と合金化して前記ブロック層が化学的に安定となるので、前記透明電極の長期安定性および信頼性を高めることができる。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記ブロック層の厚みが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、前記ブロック層の厚みが５ｎｍ以下なので、前記ブロック層の金属材料が前記発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、前記ブロック層での紫外光の吸収を抑制することができる。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記透明電極は、前記透明金属層における前記発光層側に前記発光層側の下地に対してオーミック接触となる金属材料からなるオーミックコンタクト層を備えていることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、前記透明電極がオーミックコンタクト層を備えていることにより、前記透明電極と前記発光層側の下地との接触抵抗を低減できるから、前記透明金属層の金属材料の選択の自由度が高くなるとともに、発光効率の向上を図れる。
【００２８】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記オーミックコンタクト層の金属材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、あるいはそれらの合金の群から選択されることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、前記透明電極の下地の導電形（ｐ形、ｎ形）に関わらず、前記オーミックコンタクト層により下地に対してオーミック接触を得ることが可能となる。
【００３０】
請求項１０の発明は、請求項７または請求項８の発明において、前記オーミックコンタクト層の厚みが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、前記オーミックコンタクト層の厚みが５ｎｍを超えないので、前記オーミックコンタクト層の金属材料が前記発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、前記オーミックコンタクト層での紫外光の吸収を抑制することができる。
【００３２】
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項１０の発明において、前記透明電極の表面の一部に、Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成されたパッドを備えることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成されたパッドを備えることにより、一般的なボンディングワイヤなどの配線の接続が容易になるから、紫外半導体発光素子と外部回路との電気的な接続が容易になる。
【発明の効果】
【００３４】
請求項１の発明では、波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外光の発光効率の向上を図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態の紫外半導体発光素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図、（ｃ）は要部概略断面図である。
【図２】同上の紫外半導体発光素子における要部の他の構成例の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本実施形態の紫外半導体発光素子は、２００ｎｍ〜３００ｎｍに発光波長（発光ピーク波長）を有する紫外発光ダイオードであって、図１（ａ），（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長用の単結晶基板１の一表面側にバッファ層２を介してｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に発光層４が形成され、発光層４の表面側にｐ形窒化物半導体層５が形成されている。
【００３７】
また、本実施形態の紫外半導体発光素子は、単結晶基板１の上記一表面側において、円柱型のメサ構造を有し、一対の電極であるｎ電極（カソード電極）７とｐ電極（アノード電極）６とが単結晶基板１の上記一表面側で横方向に並んだ横型電極構造を採用している。すなわち、本実施形態の紫外半導体発光素子は、ｐ形窒化物半導体層５の表面側（ｐ形窒化物半導体層５における発光層４側とは反対側）にｐ電極６が形成されるとともに、ｎ形窒化物半導体層３における発光層４の積層側にｎ電極７が形成されている。なお、上述のメサ構造は、後述のように、単結晶基板１の上記一表面側にバッファ層２とｎ形窒化物半導体層３と発光層４とｐ形窒化物半導体層５との積層膜をＭＯＶＰＥ法などにより成膜した後で、ｎ形窒化物半導体層３の一部が露出するように上記積層膜をパターニングすることで形成されている。しかして、ｎ電極７は、単結晶基板１の上記一表面側へバッファ層２、ｎ形窒化物半導体層３、発光層４、ｐ形窒化物半導体層５を順次成長させた後で、バッファ層２とｎ形窒化物半導体層３と発光層４とｐ形窒化物半導体層５との積層膜の所定領域をｐ形窒化物半導体層５の表面側からｎ形窒化物半導体層３の途中までエッチングすることにより露出させたｎ形窒化物半導体層３の表面に形成されている。
【００３８】
ところで、本実施形態の紫外半導体発光素子は、ｐ電極６を透明電極により構成してあり、ｐ形窒化物半導体層５の表面側に、紫外光の発光波長において透明な絶縁材料により形成されｐ電極６を保護する保護層９を備えている。しかして、発光層４で発光した紫外光を、透明電極からなるｐ電極６および保護層９を通して効率良く取り出すことができる。言い換えれば、発光層４で発光した紫外光のｐ電極６での吸収を抑制することができて光取り出し効率の向上を図れる。
【００３９】
ここにおいて、ｐ電極６および保護層９の平面形状は円形状であり、保護層９の方がｐ電極６よりも直径がやや小さくなっている。なお、本実施形態では、メサ構造が円柱型なので、ｐ電極６および保護層９の平面形状を円形状としてあるが、メサ構造の形状は特に限定するものではなく、ｐ電極６および保護層９の平面形状も特に限定するものではない。ただし、ｐ電極６および保護層９の平面形状はメサ構造の上面（ここでは、ｐ形窒化物半導体層５の表面）と相似形として、光取り出し面の面積を広くすることが望ましい。
【００４０】
一方、ｎ電極７は、平面視においてｐ電極６を全周に亘って囲む円環状に形成されている。また、メサ構造の側面と上面の一部とに跨って、絶縁材料（例えば、ＳｉＯ２など）からなる絶縁膜８が形成されており、ｐ電極６の周部とｐ形窒化物半導体層５との間に絶縁膜８の一部が介在している。要するに、絶縁膜８において、ｐ形窒化物半導体層５の表面に形成された部位には、ｐ電極６とｐ形窒化物半導体層５とのコンタクト用の開口部８ａが形成されている。なお、この絶縁膜８により、ｐ電極６とｎ電極７との短絡を防止することができる。
【００４１】
また、本実施形態の紫外半導体発光素子は、ｐ形窒化物半導体層５の表面側で透明電極８および保護層９を覆うようにパッド１０が形成されており、当該パッド１０には、保護層９の表面の一部を露出させる開口部１０ａが形成されている。要するに、パッド１０は、ｐ電極６の表面の一部に形成され、且つ、保護層９からの光取り出しを可能とするようにパターニングされている（開口部１０ａが形成されている）。
【００４２】
ここにおいて、単結晶基板１としては、上記一表面が（０００１）面、つまり、ｃ面のサファイア基板を用いているが、単結晶基板１はサファイア基板に限定するものではなく、例えば、スピネル基板、シリコン基板、炭化シリコン基板、酸化亜鉛基板、リン化ガリウム基板、砒化ガリウム基板、酸化マグネシウム基板、硼化ジルコニウム基板、III族窒化物系半導体結晶基板などを用いてもよい。
【００４３】
バッファ層２は、ｎ形窒化物半導体層３の貫通転位を低減するとともにｎ形窒化物半導体層３の残留歪みを低減するために設けたものであり、ＡｌＮ層により構成してあるが、ＡｌＮ層に限らず、Ａｌを構成元素として含む窒化物半導体層であればよく、ＡｌＧａＮ層やＡｌＩｎＮ層などにより構成してある。
【００４４】
ｎ形窒化物半導体層３は、発光層４へ電子を注入するためのであり、膜厚や組成は特に限定するものではないが、例えば、バッファ層２上に形成されたＳｉドープのｎ形Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ｎ層で構成してある。ｎ形窒化物半導体層３は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、バッファ層２上のＳｉドープのｎ形Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層と、当該ｎ形Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層上のＳｉドープのｎ形Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ｎ層とで構成してもよい。
【００４５】
また、発光層４は、量子井戸構造を有し、障壁層と井戸層とを交互に積層してある。例えば、発光層４は、障壁層を膜厚が８ｎｍのＡｌ0.55Ｇａ0.45Ｎ層により構成し、井戸層を膜厚が２ｎｍのＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎ層により構成すればよい。なお、障壁層および井戸層の各組成は限定するものではなく、例えば、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲における所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、発光層４における井戸層の数は特に限定するものではなく、発光層４は、井戸層を複数備えた多重量子井戸構造に限らず、井戸層を１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、障壁層および井戸層の各膜厚も特に限定するものではない。また、発光層４を単層構造として、当該発光層４と当該発光層４の厚み方向の両側の層（ｎ形窒化物半導体層３、ｐ形窒化物半導体層５）とでダブルへテロ構造が形成されるようにしてもよい。
【００４６】
ｐ形窒化物半導体層５は、発光層４へホールを注入するためのものであり、膜厚や組成は特に限定するものではないが、例えば、発光層４上に形成されたＭｇドープのｐ形ＡｌＧａＮ層からなる第１のｐ形窒化物半導体層と、第１のｐ形窒化物半導体層上に形成されたＭｇドープのｐ形ＡｌＧａＮ層からなる第２のｐ形窒化物半導体層７ｂと、第２のｐ形窒化物半導体層上に形成されたＭｇドープのｐ形ＧａＮ層からなる第３のｐ形窒化物半導体層とで構成してある。ここで、第１のｐ形窒化物半導体層および第２のｐ形窒化物半導体層の各組成は、第１のｐ形窒化物半導体層のバンドギャップエネルギが第２のｐ形窒化物半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、第２のｐ形窒化物半導体層の組成はバンドギャップエネルギが障壁層と同じになるように設定してある。また、ｐ形窒化物半導体層５は、第１のｐ形窒化物半導体層の膜厚を１５ｎｍ、第２のｐ形窒化物半導体層の膜厚を５０ｎｍ、第３のｐ形窒化物半導体層の膜厚を１５ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。また、ｐ形窒化物半導体層５で採用する窒化物半導体も特に限定するものではなく、例えば、ＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。また、第３のｐ形窒化物半導体層には、ＡｌＧａＩｎＮだけではなく、ＩｎＧａＮを用いてもよい。
【００４７】
ｐ電極６を構成する透明電極は、図１（ｃ）に示すように、発光層４の発光波長の紫外光に対する光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下である金属材料により形成された透明金属層６１を有している。ここにおいて、透明金属層６１の金属材料としては、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂの群から選択すれば、光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下であり、２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域に発光波長を有する紫外光に対して優れた光透過性を有する。光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１の場合、膜厚が１００ｎｍのときの光透過率（反射を考慮しない）が約６０％であり、光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１よりも高い金属材料では光透過率が５０％以下となり、透明電極としての透明性が不十分となってしまう。
【００４８】
ただし、上述の金属材料の群のうちの１つであるＮａは、２１０ｎｍ以下の波長域でのみ透明である。また、上述の金属材料の群におけるＫの光吸収率は、膜厚が１００ｎｍのときには１２．３％、膜厚が５０ｎｍのときには６．５％、膜厚が２５ｎｍのときには３．３％であり、Ｒｂの光吸収率は、膜厚が１００ｎｍのときには２２．９％、膜厚が５０ｎｍのときには１１．７％、膜厚が２５ｎｍのときには６．１％であり、Ｃｓの光吸収率は、膜厚が５０ｎｍのときには２４．３％、膜厚が２５ｎｍのときには１３．２％である。
【００４９】
したがって、透明金属層６１の厚みを１００ｎｍ以下とする（つまり、透明金属層６１の厚みの上限を１００ｎｍとする）ことにより、２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域に発光波長を有する紫外光に対して、光吸収率を２５％以下という非常に透明性を実現できることが分かる。一方、ｐ電極６の導電性を高くして電極として十分な機能を確保するという観点から、透明金属層６１の下限は５０ｎｍとすることが好ましい。透明金属層６１の厚みを５０ｎｍ〜１００ｎｍとすれば、透明電極に流れる電流を透明電極の面内で均一に拡散させやすくなり、透明電極での電流密度の面内均一性を高めることができ、発光効率の向上を図れる。
【００５０】
ここで、透明金属層６１を単独で透明電極として用いることも可能であるが、上述した透明金属層６１の金属材料は、アルカリ金属であり、融点が低く、大気中での反応性が高い（活性が高い）。そこで、ｐ電極６を紫外半導体発光素子の電極として、より安定的に動作させるため、透明金属層６１の厚み方向の少なくとも一方の面に、透明金属層６１とは異なる金属材料により形成され透明金属層６１に悪影響を及ぼす反応種（例えば、酸素、水分、半導体、金属など）の透明金属層６１への到達を阻止するブロック層６２を形成することが好ましい。ここにおいて、図１（ｃ）に示した例では、透明金属層６１の厚み方向の両方の面にブロック層６２を形成してある。
【００５１】
このようなブロック６２を設けることにより、透明電極６１の金属材料が活性の高い金属材料であっても、透明金属層６１に悪影響を及ぼす反応種をブロック層６２により阻止することができ、透明金属層６１の長期安定性を向上させることができるから、透明金属層６１の金属材料の選択の自由度が高くなる。
【００５２】
ブロック層６２の金属材料としては、透明金属層６１と合金化して比較的安定な金属を形成することが可能な、Ｓｂ、Ｂｉ、あるいは、それらの合金の群から選択することが好ましい。この群から選択すれば、ブロック層６２の金属材料が透明金属層６１と合金化してブロック層６２が化学的に安定となるので、透明電極の長期安定性および信頼性を高めることができる。ただし、ブロック層６２の金属材料は、波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの光に対して透明性を有していないので、厚みを５ｎｍ以下（つまり、５ｎｍを超えない）にして形成することが好ましい。ここで、ブロック層６２の厚みを５ｎｍ以下とすれば、ブロック層６２の金属材料が発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、ブロック層６２での紫外光の吸収を抑制することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、ｐ形窒化物半導体層５と良好なオーミック接触を得るために、ｐ電極６を構成する透明電極の透明金属層６１における発光層４側に（図１（ｃ）の例では、ブロック層６２とｐ形窒化物半導体層５との間に）、発光層４側の下地（図１（ｃ）の例では、ｐ形窒化物半導体層５）に対してオーミック接触となる金属材料からなるオーミックコンタクト層６３を設けてある。本実施形態では、透明電極がオーミックコンタクト層６３を備えていることにより、透明電極と発光層４側の下地との接触抵抗を低減できるから、透明金属層６１の金属材料の選択の自由度が高くなるとともに、発光効率の向上を図れる。
【００５４】
オーミックコンタクト層６３の金属材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、あるいはそれらの合金の群から選択すればよく、この群から適宜選択すれば、透明電極の下地の導電形（ｐ形、ｎ形）に関わらず、オーミックコンタクト層６３により下地に対してオーミック接触を得ることが可能となる。ただし、この群の金属材料は、波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの光に対して透明性を有していないので、厚みを５ｎｍ以下（つまり、５ｎｍを超えない）にして形成することが好ましい。言い換えれば、オーミックコンタクト層６３の厚みを５ｎｍ以下とすれば、オーミックコンタクト層６３の金属材料が発光波長の紫外光に対する光透過率の低い材料であっても、オーミックコンタクト層６３での紫外光の吸収を抑制することができる。
【００５５】
ところで、ｐ電極６を構成する透明電極の積層構造は図１（ｃ）および図２（ａ）の例に限らず、例えば、図２（ｂ）〜（ｅ）に示した積層構造でもよい。図２（ｂ）は、同図（ａ）に対してブロック層６２を備えていない点が相違し、同図（ｃ）は、同図（ａ）に対してオーミックコンタクト層６３を備えていない点が相違し、同図（ｄ）は、同図（ａ）に対して透明金属層６１における発光層４（図１（ｃ）参照）側のブロック層６２およびオーミックコンタクト層６３を備えていない点が相違し、同図（ｅ）は、同図（ａ）に対して透明金属層６１における発光層４（図１（ｃ）参照）側のブロック層６２を備えていない点が相違する。
【００５６】
また、本実施形態では、ｐ電極６を構成する透明電極が長期的に安定して動作するように、透明電極の最表面（図１（ｃ）の例では、上側のブロック層６２の表面）上に透明電極を保護する上述の保護層９を形成してある。ここで、保護層９には、導電性は必要でないため、発光波長が２００〜３００ｎｍの紫外光に対して透明な絶縁材料を用いることができ、ＭｇＦ２が最適である。本実施形態では、保護層９の絶縁材料がＭｇＦ２であるので、保護層９の絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などを採用する場合に比べて、保護層９に起因した光損失を抑制することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、透明電極の表面の一部に、上述のパッド１０を備えている。ここにおいて、パッド１０は、Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらの合金の群から選択される材料により形成することが好ましく、このような材料により形成されたパッド１０を備えることにより、パッケージや配線基板などの実装部材への実装時に、一般的なボンディングワイヤ（金細線、Ａｌ細線）などの配線の接続が容易になるから、紫外半導体発光素子と実装部材に形成された外部回路との電気的な接続が容易になる。ただし、パッド１０は必ずシも設ける必要はない。
【００５８】
なお、透明電極およびパッド１０における成膜方法は、特に限定するものではないが、金属材料の種類などに応じて、抵抗加熱式の真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタ法などを適宜採用すればよい。
【００５９】
ｎ電極７は、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜と膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜との積層膜により構成してある。ｎ電極７は、ｎ形窒化物半導体層３に電気的に接触するものであり、接触抵抗が小さくオーミック接触が可能であれば、材料や膜厚、積層構造などは特に限定するものではない。ここで、本実施形態では、ｐ電極６のみ透明電極により構成する例について説明したが、ｎ電極７のみを透明電極により構成してもよいし、ｐ電極６とｎ電極７との両方を透明電極により構成してもよく、いずれの場合も透明電極としては上述のｐ電極６と同様の構造を採用すればよい。
【００６０】
以下、図１に示した紫外半導体発光素子の具体的な製造方法について説明する。
【００６１】
サファイア基板からなる単結晶基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入した後、反応炉内の圧力を所定の成長圧力（例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒ）に保ちながら基板温度を所定温度（例えば、１２５０℃）まで上昇させてから所定時間（例えば、１０分間）の加熱を行うことにより単結晶基板１の上記一表面を清浄化し、その後、基板温度を上記所定温度と同じ成長温度（ここでは、１２５０℃）に保持した状態で、アルミニウムの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア（ＮＨ３）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定してから、ＴＭＡｌとＮＨ３とを同時に反応炉内へ供給開始して単結晶のＡｌＮ層からなるバッファ層２を成長させる。なお、バッファ層２としては、単結晶のＡｌＮ層に限らず、単結晶のＡｌＧａＮ層を採用してもよい。
【００６２】
ｎ形窒化物半導体層３の成長条件としては、成長温度を１２００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素の原料としてＮＨ３、ｎ形導電性を付与する不純物であるシリコンの原料としてテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ２ガスを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、窒素の原料としてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）を用いてもよい。
【００６３】
発光層４の成長条件としては、成長温度をｎ形窒化物半導体層３と同じ１２００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ３を用いている。ここで、発光層４の障壁層の成長条件については、ＴＥＳｉを供給しないことを除けば、ｎ形窒化物半導体層３の成長条件と同じに設定している。また、発光層４の井戸層の成長条件については、所望の組成が得られるように、III族原料におけるＴＭＡｌのモル比（〔ＴＭＡｌ〕／｛〔ＴＭＡｌ〕＋〔ＴＭＧａ〕｝）を障壁層の成長条件よりも小さく設定している。なお、本実施形態では、障壁層に不純物をドーピングしていないが、これに限らず、障壁層の結晶品質が劣化しない程度の不純物濃度でシリコンなどのｎ形不純物をドーピングしてもよい。
【００６４】
ｐ形窒化物半導体層５の第１のｐ形窒化物半導体層および第２のｐ形窒化物半導体層の成長条件としては、成長温度を１０５０℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ３、ｐ形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ２ガスを用いている。また、第３のｐ形窒化物半導体層の成長条件は、基本的に第２のｐ形窒化物半導体層の成長条件と同じであり、ＴＭＡｌの供給を停止している点が相違する。ここにおいて、第１〜第３のｐ形窒化物半導体層のいずれの成長時もＣｐ2Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）とし、第１〜第３のｐ形窒化物半導体層それぞれの組成に応じてIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させる。
【００６５】
上述の各成長条件で、単結晶基板１の上記一表面側へ、バッファ層２、ｎ形窒化物半導体層３、発光層４、ｐ形窒化物半導体層５を順次成長させる結晶成長工程が終了した後で、バッファ層２、ｎ形窒化物半導体層３、発光層４、ｐ形窒化物半導体層５の積層構造を有する単結晶基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉から取り出す。
【００６６】
その後、ｎ電極７およびｐ電極６を形成する電極形成工程を行う。
【００６７】
この電極形成工程では、まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、バッファ層２とｎ形窒化物半導体層３と発光層４とｐ形窒化物半導体層５との積層膜においてメサ構造の上面に対応する領域上にレジスト層（以下、第１のレジスト層と称する）を形成する。続いて、当該第１のレジスト層をマスクとして反応性イオンエッチングによりｐ形窒化物半導体層５の表面側からｎ形窒化物半導体層３の途中までエッチングすることによって、メサ構造を形成する。なお、メサ構造の面積および形状は特に限定するものではない。
【００６８】
上述のメサ構造を形成した後、第１のレジスト層を除去してから、単結晶基板１の上記一表面側の全面に絶縁膜８の基礎となるＳｉＯ２膜をＰＥＣＶＤ法により形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を利用して、単結晶基板１の上記一表面側に上記ＳｉＯ２膜のうちｎ電極７およびｐ電極６の形成予定領域に重なる部位などが開口されたレジスト層（以下、第２のレジスト層と称する）を形成する。続いて、第２のレジスト層をマスクとして上記ＳｉＯ２膜の露出部位を、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウェットエッチングにより除去することによって、パターニングされたＳｉＯ２膜からなる絶縁膜８を形成する。
【００６９】
次に、単結晶基板１の上記一表面側におけるｎ電極７の形成予定領域のみ（つまり、ｎ形窒化物半導体層３のうち厚みが薄くなった部位の一部）が露出するようにパターニングされた第３のレジスト層を形成する。その後、ｎ電極７を電子ビーム蒸着法により成膜し、リフトオフを行うことにより第３のレジスト層および当該第３のレジスト層上の不要膜を除去する。その後、ｎ電極７とｎ形窒化物半導体層３との接触がオーミック接触となるように、Ｎ２ガス雰囲気中でＲＴＡ処理（急速熱アニール処理）を行う。なお、ｎ電極７は、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜と膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜との積層膜とし、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を９００℃、アニール時間を１分とすればよい。
【００７０】
次に、単結晶基板１の上記一表面側におけるｐ電極の形成予定領域のみ（つまり、ｐ形窒化物半導体層５の表面の一部）が露出するようにパターニングされた第４のレジスト層を形成する。その後、ｐ電極６におけるオーミックコンタクト層６３の基礎となる厚みが２ｎｍのＮｉ膜の電子ビーム蒸着法により成膜し、リフトオフを行うことにより第４のレジスト層および当該第４のレジスト層上の不要膜（不要なＮｉ膜）を除去する。続いて、Ｎ２ガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、７００℃）、アニール時間（２０分）で熱アニール処理を行うことによって、オーミックコンタクト層６３を形成する。
【００７１】
その後、オーミックコンタクト層６３に対応する部位（つまり、ｐ電極６の形成予定領域に対応する部位）が開口されたメタルマスクを用いて、オーミックコンタクト層６３上に、膜厚が２ｎｍのＳｂ膜からなるブロック層６２と、膜厚が５０ｎｍのＫ膜からなる透明金属層６１と、膜厚が２ｎｍのＳｂ膜のブロック層６２との積層膜を、抵抗加熱式の真空蒸着法により同一の真空蒸着装置で連続的に成膜した。
【００７２】
その後、同じ真空蒸着装置内で、真空をブレークすることなく、別のメタルマスクを用いて、膜厚が２００ｎｍのＭｇＦ２膜からなる保護層９を成膜する。
【００７３】
その後、同じ真空蒸着装置内で、真空をブレークすることなく、他のメタルマスクを用いて、膜厚が３００ｎｍのＡｌ膜からなるパッド１０を成膜することにより、図１の構成の紫外半導体発光素子が得られる。
【００７４】
なお、上述の紫外半導体発光素子の製造にあたっては、パッド１０の形成が終了するまでの全工程をウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の紫外半導体発光素子に分割すればよい。
【００７５】
以上説明した本実施形態の紫外半導体発光素子は、ｎ形窒化物半導体層３およびｐ形窒化物半導体層５それぞれに接触する一対の電極（ｐ電極６およびｎ電極７）のうちの少なくとも一方の電極が、２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外域の発光波長の紫外光に対する光吸収係数が５×１０４ｃｍ−１以下である金属材料により形成された透明金属層６１を少なくとも有する透明電極からなることにより、発光層５で発光した紫外光の電極での吸収を抑制することができて光取り出し効率の向上を図れるとともに、透明電極の低抵抗化を図れるから、発光効率の向上を図れる。しかも、紫外光の発光波長において透明な絶縁材料により形成され透明電極を保護する保護層９を備えているので、透明電極の酸化などによる劣化が起こりにくく長期安定性および信頼性の向上を図れる。
【００７６】
また、上記実施形態では、紫外半導体発光素子をＭＯＶＰＥ法を利用して製造する方法について例示したが、結晶成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを採用してもよい。
【００７７】
また、上記実施形態の紫外半導体発光素子では、発光層４の発光波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で適宜設定されるので、発光波長が紫外域の発光ダイオードを実現できるから、水銀ランプや、エキシマランプなどの深紫外光源の代替光源として用いることが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１  単結晶基板
２  バッファ層
３  ｎ形窒化物半導体層
４  発光層
５  ｐ形窒化物半導体層
６  ｐ電極（透明電極）
７  ｎ電極
９  保護層
１０  パッド
６１  透明金属層
６２  ブロック層
６３  オーミックコンタクト層
【図１】
2011155084.tif 000003
【図２】
2011155084.tif 000004