(57)【要約】【課題】高い光取り出し効率を得るとともに、駆動電圧（Ｖｆ）を低くした窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、前記ｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされている構成とし、前記ｐ型半導体層と透光性導電酸化膜との接触抵抗を小さくしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、
前記ｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度が、該透光性導電酸化膜と前記ｐ型半導体層との界面の位置で最大となっていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との間に、該透光性導電酸化膜よりもドーパント濃度が高い領域である高ドーパント濃度領域が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記高ドーパント濃度領域が、ドーパント単体、ドーパントの酸化物、および前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高濃度のドーパントを含む透光性導電材料の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記高ドーパント濃度領域が、Ｓｎ、ＳｎＯ２、および前記透光性導電酸化膜のＳｎ濃度よりも高濃度のＳｎを含むＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする請求項３または４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして０．１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
前記透光性導電酸化膜が、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種以上の材料からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記透光性導電酸化膜が、少なくともＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）を含有していることを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記透光性導電酸化膜の厚さが３５ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記透光性導電酸化膜の厚さが１００ｎｍ〜１０００ｎｍ（１μｍ）の範囲内であることを特徴する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１３】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、
次いで、前記ｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、２００℃〜９００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、
次いで、前記ｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、３００℃〜６００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、
次いで、前記ｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、エキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、２００℃〜９００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層状に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、３００℃〜６００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上に高ドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
下記（１）〜（３）の工程を含んでなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
（１）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で積層する工程（１）。
（２）前記ｐ型半導体層上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程（２）。
（３）該マスク上からｐ型半導体層をドライエッチングする工程（３）。
【請求項１９】
前記工程（２）が、前記ｐ型半導体層上に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする請求項１８に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、もしくはＮｉ合金からなることを特徴とする請求項１８または１９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記マスクをなす金属微粒子が、１００℃〜４５０℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎからなる群から選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融点合金であることを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか一項に記載窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ウェットエッチング工程によって形成されてなることを特徴とする請求項１８〜２２のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
【請求項２５】
請求項１３〜２３のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に、駆動電圧（Ｖｆ）が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長光発光素子として窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が注目を集めている。この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、この基板上に、有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
【０００３】
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の特徴として、横方向への電流拡散が小さいことが挙げられる。このため、電極直下の半導体にのみ電流が注入され、電極直下の発光層で発光した光は電極に遮られてしまい、発光素子の外部に取り出すのが困難となる。そこで、このような発光素子では、通常、正極として透明電極が用いられ、正極を透過して光を取り出すように構成されている。
【０００４】
透明電極からなる正極には、Ｎｉ／ＡｕやＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）等の周知の導電材料が用いられる。Ｎｉ／Ａｕ等の金属は、ｐ型半導体層との接触抵抗は小さいものの、光の透過率が低い。これに対し、ＩＴＯなどの酸化物は、光の透過率は高いものの、接触抵抗が大きいという問題がある。
【０００５】
このため、従来、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いられる正極は、ＩＴＯなどの導電性に優れた金属酸化物層及びコンタクト金属層を組み合わせた構成とされていた（例えば、特許文献１）。
上述のコンタクト金属層の材料には、ｐ型半導体層との接触抵抗を小さくするために、ＰｔやＲｈ等、仕事関数の大きい金属が用いられている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、正極に用いられているコンタクト金属層によってｐ型半導体層との接触抵抗を下げることは可能であるものの、コンタクト金属層の光透過率が低いため、十分な光取出し効率を得ることができず、発光出力が低くなるという問題がある。
【０００７】
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させて発光出力を高める方法の一つとして、各層の透過率を向上させる方法が挙げられるが、その他、発光取り出し面を粗面化し、光の取り出し面にさまざまな角度を設けることにより、光取り出し効率を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献２）。
特許文献２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光取り出し面を粗面化することにより、例えば、発光層の屈折率が約２．５と、空気の屈折率１に対して非常に高くなっているとともに、臨界角が約２５°と小さくなっていることにより、結晶内における反射及び吸収を繰り返して光が外部に取り出せなくなるのを防ぐことができ、光取り出し効率が向上するというものである。
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、光取り出し面を粗面化することによって光取り出し効率を向上させる点では効果があるものの、光取り出し面を粗面化するプロセスにおいて、粗面化された光取り出し面の表面がダメージを受けてしまい、電極との間で接触抵抗が上昇してしまうという問題点がある。
【０００９】
上述のような接触抵抗が上昇する問題を解決するため、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の光取り出し面を粗面化し、ｐ型半導体層の表面付近にＭｇ層及びＡｕ層とからなる金属層を設け、さらに熱処理を加えることにより、接触抵抗を改善した発光素子が提案されている（例えば、特許文献３）。
【００１０】
しかしながら、特許文献３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、Ｍｇ層及びＡｕ層からなる金属層を設けた後に熱処理を施し、さらに、前記金属層を除去する工程を経ることが必要となるため、工程数が大幅に増加して製造コストが高くなるという問題がある。また、前記Ａｕ層を除去する際には、王水等の強力な酸を用いる必要があり、窒化ガリウム系化合物半導体の表面を傷めてしまう虞がある。
【特許文献１】特開平９−１２９９１９号公報
【特許文献２】特開平６−２９１３６８号公報
【特許文献３】特開２０００−１９６１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、透過率の低い金属層等を用いず、透光性導電酸化膜のドーパント濃度を高くすることにより、少なくとも一部に凹凸面が形成されたｐ型半導体層と透光性導電酸化膜との間の接触抵抗が低減され、駆動電圧（Ｖｆ）を低くできるとともに、高い光取り出し効率を得ることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
【００１３】
［１］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、前記ｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［２］前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度が、該透光性導電酸化膜と前記ｐ型半導体層との界面の位置で最大となっていることを特徴とする上記［１］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［３］前記ｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との間に、該透光性導電酸化膜よりもドーパント濃度が高い領域である高ドーパント濃度領域が設けられていることを特徴とする上記［１］または［２］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［４］前記高ドーパント濃度領域が、ドーパント単体、ドーパントの酸化物、および前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高濃度のドーパントを含む透光性導電材料の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする上記［３］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［５］前記高ドーパント濃度領域が、Ｓｎ、ＳｎＯ２、および前記透光性導電酸化膜のＳｎ濃度よりも高濃度のＳｎを含むＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする上記［３］または［４］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１４】
［６］前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして０．１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に存在することを特徴とする上記［１］〜［５］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［７］前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に存在することを特徴とする上記［１］〜［５］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［８］前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲に存在することを特徴とする上記［１］〜［５］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１５】
［９］前記透光性導電酸化膜が、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）からなる群から選ばれた少なくとも一種以上の材料からなることを特徴とする上記［１］〜［８］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［１０］前記透光性導電酸化膜が、少なくともＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）を含有していることを特徴とする上記［９］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［１１］前記透光性導電酸化膜の厚さが３５ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）の範囲内であることを特徴とする上記［１］〜［１０］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［１２］前記透光性導電酸化膜の厚さが１００ｎｍ〜１０００ｎｍ（１μｍ）の範囲内であることを特徴する上記［１］〜［１０］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１６】
［１３］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、２００℃〜９００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［１４］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、３００℃〜６００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［１５］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、エキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【００１７】
［１６］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、２００℃〜９００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［１７］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層状に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、３００℃〜６００℃の温度で熱アニール処理を行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【００１８】
［１８］窒化ガリウム系化合物半導体素子のｐ型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記ｐ型半導体層上に高ドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、下記（１）〜（３）の工程を含んでなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
（１）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層、透光性正極をこの順序で積層する工程（１）。
（２）前記透光性正極表面上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程（２）。
（３）該マスク上から透光性正極をドライエッチングする工程（３）。
［１９］前記工程（２）が、前記ｐ型半導体層上に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする上記［１８］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２０］前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、もしくはＮｉ合金からなることを特徴とする上記［１８］項または［１９］項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２１］前記マスクをなす金属微粒子が、１００℃〜４５０℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする上記［１８］〜［２０］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２２］前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎからなる群から選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融点合金であることを特徴とする上記［１８］〜［２１］項のいずれか一項に記載窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２３］前記ｐ型半導体層上の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ウェットエッチング工程によって形成されてなることを特徴とする上記［１８］〜［２２］項のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【００１９】
［２４］上記［１］〜［１２］項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
［２５］上記［１３］〜［２３］項のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子によれば、少なくとも一部に凹凸面が形成されたｐ型半導体層と透光性導電酸化膜との界面にドーパント濃度の高い領域を有した構成とすることにより、前記ｐ型半導体層と透光性導電酸化膜との接触抵抗を小さくし、Ｖｆを低下させることができるとともに、光取り出し効率の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ドーパント濃度が高い領域を、少なくとも一部に凹凸面が形成されたｐ型半導体層と透光性導電酸化膜との界面近傍のみとし、該界面近傍以外の領域では比抵抗が最も小さくなるようなドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を用いることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極の抵抗をより小さくすることができるため、Ｖｆが小さく、且つ光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一実施形態について、図１〜４を適宜参照しながら説明する。
【００２２】
［窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の全体構成］
図１に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１は、基板１１上に、ｎ型ＧａＮ層１２、発光層１３、及びｐ型ＧａＮ層（ｐ型半導体層）１４がこの順で積層された窒化ガリウム系化合物半導体素子の、ｐ型ＧａＮ層１４上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、ｐ型ＧａＮ層１４上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が成膜されてなる正極１５が積層され、ｐ型ＧａＮ層１４と正極（透光性導電酸化膜）１５との界面のドーパント濃度が、正極１５をなす透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高くなるように概略構成されている。
また、図１に示す例では、ｐ型ＧａＮ層１４の表面１４ａに、前記凹凸面をなす無秩序なパターンの凸部１４ｂが形成されており、また、ｐ型ＧａＮ層１４上に形成された正極１５の表面１５ａは、ｐ型ＧａＮ層１４上の凸部１４ｂに対応するように凸部１５ｂが形成された凹凸面とされている。
【００２３】
本発明で用いられる、透光性導電酸化膜からなる正極は、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を形成した従来公知の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に対し、何ら制限無く用いることができる。
【００２４】
基板１１には、サファイア単結晶（Ａｌ２Ｏ３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００２５】
ｎ型ＧａＮ層（ｎ型半導体層）１２、発光層１３、およびｐ型ＧａＮ層（ｐ型半導体層）１４としては、各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特に、ｐ型半導体層はキャリア濃度が一般的な濃度のものを用いれば良く、比較的キャリア濃度の低い、例えば１×１０１７ｃｍ−３程度のｐ型半導体層に対しても、本発明で用いる透光性の正極１５を適用することができる。
【００２６】
また、窒化ガリウム系化合物半導体として、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００２７】
これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ）を用いる。
【００２８】
このような窒化ガリウム系化合物半導体の一例として、図３に示す積層体構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体２０のように、サファイアからなる基板２１上に、ＡｌＮからなる図示略のバッファ層を積層して、順次、ＧａＮ下地層２２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、ＩｎＧａＮからなる発光層２５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７を積層したものを用いることができる。
【００２９】
また、図３に示すような、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ型ＧａＮコンタクト層２７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、発光層２５、およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４の一部を、エッチングで除去することにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３を露出させ、該ｎ型ＧａＮコンタクト層２３上に、例えば、Ｔｉ／Ａｕからなる従来公知の負極を設け、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７上に正極を設けることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を構成することができる。
【００３０】
図１に示すように、ｐ型ＧａＮ層１４の表面１４ａには、少なくとも一部に凹凸パターンが形成され、凹凸面となっている。図１に示す例では、ｐ型ＧａＮ層１４の表面１４ａの内、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１の左右方向略中央付近に、周期性を有した複数の凸部１４ｂからなる凸状のパターンが形成されている。
ｐ型ＧａＮ層１４の表面１４ａに凹凸パターンを形成する方法としては、従来より公知のフォトリソグラフィーを用いることができる。
【００３１】
表面１４ａに形成される凹凸パターンは、図１に示すような周期性を有するパターンには限定されず、凸部の大きさや凸部間距離が無秩序に構成されたパターンであっても良く、適宜決定すれば良い。
凸部１４ｂの形状としては、特に限定されないが、円柱、三角柱、四角柱等の多角柱、円錐、三角錐、四角錐の多角錐等の形状が挙げられ、適宜選択することができ、また、図１に示す断面形状において、凸部１４ｂの下端寸法Ｗ（幅）が上端幅寸法と同じか、または大きくなるような形状とすることが好ましい。図示例における凸部１４ｂは、下端側から上端側へゆくに従って縮寸するように構成されている。
【００３２】
凸部１４ｂの大きさは特に限定されないが、下端寸法Ｗが０．０１μｍ〜３μｍの範囲であることが好ましい。下端寸法Ｗをこの範囲とすることにより、光取り出し効率が効果的に向上する。
凸部１４ｂの下端寸法Ｗを０．０１μｍ未満に形成することは、リソグラフィーを用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、凸部が小さすぎて充分な光取り出し効率を得ることができない。
また、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の大きさは、一般的に１００μｍ〜２０００μｍの範囲であるので、凸部１４ｂの下端寸法Ｗが３μｍを超えると、単位面積あたりの凸部１４ｂの表面積が小さくなってしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは０．０２μｍ〜２μｍの範囲である。
【００３３】
凸部１４ｂ間の間隔は、周期的なパターンであれば特に限定されないが、凸部ピーク間距離で０．０１μｍ〜３μｍの範囲であることが好ましい。
凸部１４ｂ間の間隔を０．０１μｍ未満に形成することは、リソグラフィーを用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、パターンが凝集しすぎて光取り出し効率が低下する虞がある。
また、上述したように、発光素子の大きさは一般的に１００μｍ〜２０００μｍであるので、凸部１４ｂ間の間隔が３μｍを超えると、単位面積あたりの凸部１４ｂの表面積が小さくなってしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは０．０２ｎｍ〜２ｎｍの範囲である。
【００３４】
凸部１４ｂの高さ寸法Ｔは、特に限定されないが、０．１μｍ〜２．０μｍの範囲であることが好ましい。
凸部１４ｂの高さ寸法Ｔが０．１μｍ未満だと、高さが充分でないため、光取り出し効率の向上には寄与しない。また、凸部１４ｂの高さが２．０μｍを超えると、光取り出し効率の向上には寄与するものの、生産性が大幅に低下するので好ましくない。
また、凸部１４ｂのより好ましい寸法としては、下端寸法Ｗと高さ寸法Ｔとの関係が、Ｗ＜Ｔとなることであり、上記寸法関係を範囲とすれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の光取り出し効率を、より効果的に向上させることができる。
【００３５】
正極１５は、少なくともｐ型半導体層（ｐ型ＧａＮ層１４）と接する透光性導電酸化膜層からなる。透光性導電酸化膜層上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のための正極ボンディングパッド１６が設けられる。
また、図１に示す例では、正極１５の表面１５ａが、上述したｐ型ＧａＮ層１４表面の凸部１４ｂに対応するように凸部１５ｂが形成された凹凸面とされている。
【００３６】
透光性導電酸化膜として使用する材料には、ドーパントを含む酸化物が用いられる。例えば、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（ＺｎＯ−Ｉｎ２Ｏ３）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）などの透光性と低比抵抗に優れた材料を使用することが好ましい。特に、Ｖｆを低減したい場合には、低比抵抗を得ることができるＩＴＯを使用すれば良い。また、ＡＺＯやＧＺＯを使用した場合、これらの比抵抗はＩＴＯの比抵抗よりも高いため、ＶｆはＩＴＯのＶｆよりも高くなるが、ＧａＮ上に成膜した場合、ＡＺＯやＧＺＯ中に存在するＺｎＯは粒界をもつもののエピタキシャル成長をするため、ＩＴＯに比べて結晶性が良い。従って、ＩＴＯよりも剥離等が少なく、強度特性に優れた透光性導電酸化膜を形成することが可能である。
【００３７】
透光性導電酸化膜は、その比抵抗が最も低くなるＳｎ濃度付近の組成を有するものを使用することが好ましい。例えば、ＩＴＯを透光性導電酸化膜として使用する場合、ＩＴＯ中のＳｎ濃度は５〜２０質量％の範囲であることが好ましい。さらに低い比抵抗を得るためには、Ｓｎ濃度が７．５〜１２．５質量％の範囲のＩＴＯを使用すれば良い。
また、透光性導電酸化膜の膜厚は、低比抵抗、高透過率を得ることができる３５ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、透光性導電酸化膜の膜厚は１０００ｎｍ（１μｍ）以下であることが好ましい。
【００３８】
透光性導電酸化膜層を積層した後、２００℃〜９００℃の温度での熱アニール処理を実施することにより、透光性導電酸化膜内に均一に存在しているドーパントが拡散し、透光性導電酸化膜層とｐ型半導体層との界面近傍で、ドーパント濃度の高い高ドーパント濃度領域を形成することができる。また、熱アニール処理を行なうことにより、同時に透光性導電酸化膜層の透過率を上昇させることも可能である。
ドーパントの拡散は２００℃〜９００℃の温度での熱アニール処理によって生じるが、接触抵抗をさらに下げるためには、３００℃〜６００℃の温度での熱アニール処理を実施することが好ましい。
アニール処理時の雰囲気としては、どのようなガスを用いてもかまわないが、透過率を上げるためには酸素（Ｏ２）ガスを含んでいることが好ましく、また、透光性導電酸化膜の比抵抗を下げるためには窒素（Ｎ２）ガスや水素（Ｈ２）ガスを含んでいることが好ましい。
また、エキシマレーザーを用いたレーザーアニール処理によって透光性導電酸化膜内のドーパントを拡散させることも可能である。
【００３９】
透光性導電酸化膜層からなる正極１５とｐ型ＧａＮ層（ｐ型半導体層）１４との界面近傍で高ドーパント濃度領域を形成することにより、正極１５とｐ型ＧａＮ層１４と間の接触抵抗を低減することができる。
このような、透光性導電酸化膜層とｐ型半導体層との間の接触抵抗を低減する機構については明らかではないが、透光性導電酸化膜の比抵抗が最も小さくなるドーパント濃度に対して、接触抵抗が最も小さくなるドーパント濃度が５〜１０質量％程度高いためであると考えられる。
接触抵抗を低減するために、透光性導電酸化膜全体のドーパント濃度を増加させると、透光性導電酸化膜の比抵抗が高くなるため、結果としてＶｆが高くなる。しかしながら、本発明のように、界面近傍でのみ透光性導電酸化膜のドーパント濃度を増加させることにより、透光性導電酸化膜の比抵抗を低く保ったままで、透光性導電酸化膜とｐ型半導体層との間の接触抵抗を下げることができる。
【００４０】
また、高ドーパント濃度領域を形成することで透光性導電酸化膜層とｐ型半導体層との間の接触抵抗を低減しているため、従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のような金属コンタクト層を積層する必要がない。このため、金属コンタクト層による光透過率の低減が生じず、発光出力の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を実現することができる。
【００４１】
透光性導電酸化膜層とｐ型半導体層との界面近傍の高ドーパント濃度領域は、界面を中心にして０．１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に存在することが好ましい。また、透光性導電酸化膜の比抵抗をより低く保つためには、高ドーパント濃度領域が界面を中心にして０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に存在することがより好ましく、０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲に存在することが最も好ましい。
また、透光性導電酸化膜層のドーパント濃度は、透光性導電酸化膜層とｐ型半導体層との界面で最大濃度となっていることが好ましい。
【００４２】
このような界面近傍でのドーパントの拡散は、透光性導電酸化膜層の成膜方法によらず、周知の成膜方法をなんら制限なく用いることができる。例えば、スパッタ法や真空蒸着法等などを用いて透光性導電酸化膜層を成膜することができる。
【００４３】
なお、本発明の正極１５をなす透光性導電酸化膜を成膜する前に、ｐ型ＧａＮ層１４表面の洗浄を実施することが好ましい。このような成膜前の洗浄を行うことにより、透光性導電酸化膜層とｐ型ＧａＮ層１４の界面近辺での拡散を促進させる効果があると考えられるが、その機構については明らかでない。
上述のようなｐ型ＧａＮ層１４表面の洗浄には、フッ酸（ＨＦ）や塩酸（ＨＣｌ）等を用いれば良く、適宜採用することができる。
【００４４】
また、透光性導電酸化膜層を成膜する前に、透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度をもつ層を、図示略の透光性導電酸化膜コンタクト層としてｐ型ＧａＮ層１４上に成膜することにより、高ドーパント濃度領域を、正極１５（透光性導電酸化膜層）とｐ型ＧａＮ層１４（ｐ型半導体層）との界面近傍に形成することができる。
例えば、透光性導電酸化膜層としてＳｎＯ２濃度が１０質量％であるＩＴＯを使用した場合、透光性導電酸化膜コンタクト層には、Ｓｎ（ドーパント単体）、ＳｎＯ２（ドーパントの酸化物）、ＩＴＯ（ＳｎＯ２＝１５〜２０質量％）等を用いることができる。また、透光性導電酸化膜コンタクト層には、透光性導電酸化膜層としてＡＺＯを使用した場合は、Ａｌ，Ａｌ２Ｏ３，ＡＺＯ（Ａｌ−ｒｉｃｈ）、ＩＺＯを使用した場合は、Ｚｎ、ＺｎＯ、ＩＺＯ（Ｚｎ−ｒｉｃｈ）、ＧＺＯを使用した場合は、Ｇｅ，Ｇｅ２Ｏ５，ＧＺＯ（Ｇｅ−ｒｉｃｈ）を用いることができる。このように、透光性導電酸化物膜のコンタクト層の材質には、透光性導電酸化膜層の材料に応じて適宜選択することができる。
【００４５】
このような透光性導電酸化膜コンタクト層は、透光性導電酸化膜層を成膜した後、正極１５（透光性導電酸化膜層）とｐ型ＧａＮ層１４（ｐ型半導体層）との間に独立した層構造を形成するとは限らず、例えば、透光性導電酸化膜層中の高ドーパント濃度領域として存在することが多くなるものと考えられる。
また、透光性導電酸化膜コンタクト層は、透光性導電酸化膜に含まれる物質で構成されることにより相互拡散が起こりやすく、Ｓｎ等の金属であっても酸化されて透光性になることから、金属コンタクト層にみられるような光透過率の低減が生じることがない。
【００４６】
透光性導電酸化膜コンタクト層を成膜した場合、熱アニールやレーザーアニール等の後処理を行わずに高ドーパント濃度領域を形成することが可能であるが、熱アニールやレーザーアニール等の後処理を行うことによって、より界面近傍に近い範囲で高ドーパント濃度領域を形成させることができ、また、透光性導電酸化膜の光透過率を上昇させることもできるため、Ｖｆの低減や光出力の向上を図るためにも熱アニール処理やレーザーアニール処理を実施することが好ましい。
【００４７】
正極１５とｐ型ＧａＮ層１４との界面におけるドーパント濃度は、当業者には周知の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析法によって測定することができる。即ち、正極１５とｐ型ＧａＮ層１４の界面を中心にして、数点の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析を行い、各点でのチャートから含まれる金属とその量を求めることができる。ドーパント濃度の測定に不十分な場合には、追加してさらに数点測定すればよい。
【００４８】
正極ボンディングパッド１６は、透光性導電酸化膜層からなる正極１５上に形成され、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等の材料を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１６の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１６の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００４９】
負極１７は、基板１１上に、ｎ型ＧａＮ層１２、発光層１３およびｐ型ＧａＮ層１４が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型ＧａＮ層１２に接するように形成される。
このため、負極１７を形成する際は、発光層１３およびｐ型ＧａＮ層１４の一部を除去してｎ型ＧａＮ層１２を露出させる。そして、本発明では、残存したｐ型ＧａＮ層１４上に透光性の正極１５を形成し、露出させたｎ型ＧａＮ層１２上に負極１７を形成する。
負極１７の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
【００５０】
［窒化ガリウム系化合物半導体発光素子への凹凸パターンの形成方法］
本発明では、ｐ型ＧａＮ層上における凹凸パターンの加工領域の形成を、当該領域のｐ型ＧａＮ層表面に金属微粒子からなるマスクを形成し、該マスク上からｐ型ＧａＮ層をドライエッチングすることによって行なう方法とすることができる。
ｐ型ＧａＮ層表面に凹凸パターンを形成する際、例えば、以下のような各工程（１）〜（３）を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法で行うことができる。
［１］基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で積層する工程（１）。
［２］ｐ型半導体層上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程（２）。
［３］該マスク上からｐ型半導体層をドライエッチングする工程（３）
【００５１】
以下、上記工程（１）〜（３）について説明する。
【００５２】
＜工程（１）＞
まず、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で積層する。このような窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の形成においては、上述したような、従来より用いられている材質や成長方法を、何ら制限無く用いることができる。
【００５３】
＜工程（２）＞
次に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体のｐ型ＧａＮ層上に、金属微粒子からなる金属薄膜を形成する。金属薄膜は、一般的に知られる真空蒸着装置によって形成することができる。
金属薄膜の厚さは、次工程におけるマスク形成を考慮し、５０Å以上１０００Å以下の範囲であることが好ましい。
また、金属薄膜の形成は、金属薄膜の厚さを上記範囲内で均一に制御することが可能であれば、上述の真空蒸着装置に限らず、スパッタリング装置等を用いてもなんら問題は無い。
【００５４】
金属薄膜（金属微粒子マスク）に使用する金属微粒子の材料としては、凝集性が良好で且つ球面形状の微粒子であるものが好ましい。このような金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｎｉ合金等が挙げられる。また、凝集性とともにプロセスの効率化に適した金属微粒子材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎの金属の内、少なくとも一種以上を含有し、１００℃〜４５０℃の間に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金が挙げられる。これらの金属材料の中でも、ＡｕＳｎ合金、ＡｕＧｅ合金、ＡｕＳｎＮｉ合金およびＡｕＧｅＮｉ合金を用いることが好ましく、中でもＡｕＳｎ合金を用いるのが最も好ましい。
ＡｕＳｎ合金は、Ｓｎ組成比が１０質量％〜３５質量％程度の範囲であれば、１９０〜４２０℃程度の温度で共晶化する事が知られており、また、この範囲の温度を上回ると、一般的に合金層が凝集形態を取ることも知られている。
【００５５】
次に、前記金属薄膜から金属微粒子マスクを得るため、金属薄膜の熱処理を行う。
金属薄膜の熱処理温度としては、使用する金属材料によって異なるが、一般に１００〜６００℃の範囲で１分間の熱処理を行うことが好ましい。このような条件で金属薄膜の熱処理を行うことにより、ｐ型ＧａＮ層上に形成された金属微粒子マスクが得られる。
【００５６】
熱処理後の金属微粒子マスクの形状は、熱処理雰囲気中の酸素濃度によって変化する。このため、使用する金属材料に応じて、熱処理雰囲気中の酸素濃度を制御することにより、光取り出し効率向上に適した形状で金属微粒子マスクを形成することが出来る。また、使用する金属材料によっては、酸素を全く含まない雰囲気で熱処理を行ったほうが、良好なマスク形成の点から好ましいものもある。
【００５７】
金属微粒子マスクの微粒子の密度は１×１０５個／ｍｍ２〜１×１０８個／ｍｍ２の範囲であることが好ましい。この範囲内であれば、光取り出し効率が効果的に向上する。また、より好ましくは１×１０６個／ｍｍ２〜１×１０７個／ｍｍ２の範囲である。
【００５８】
本発明では、金属微粒子マスクの形状によってｐ型ＧａＮ層上に形成される凹凸パターンの形状が規定されるため、金属微粒子マスクの形状を制御することによって凹凸パターンの形状を制御することができる。
特に、金属微粒子マスクの膜厚は、ｐ型ＧａＮ層上の凹凸パターン形状に大きな影響を与える。
金属微粒子マスクの熱処理工程前の膜厚は０．００５μｍ〜１μｍの範囲であることが好ましい。金属微粒子マスク材料の材質や、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプを構成する際の封入樹脂の材質等により、金属微粒子マスクの膜厚の最適値は異なるが、０．００５μｍ未満だと、マスクとして機能せず、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状をｐ型ＧａＮ層上に形成することができない。また、金属微粒子マスクの膜厚が１μｍを超えると、凝集効果が小さくなるため、上記と同様、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状をｐ型ＧａＮ層上に形成することができなくなる。
【００５９】
＜工程（３）＞
次に、前記金属微粒子マスク上からｐ型ＧａＮ層をドライエッチングすることにより、該ｐ型ＧａＮ層表面に、上述したような特定形状の凹凸パターンを形成することができる。
ドライエッチングは、一般的なリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）型のドライエッチングを用いることができる。また、ドライエッチングで用いるガスの種類については、何ら制限なく選択して用いることが出来るが、塩素を含むガスを用いてエッチングすることが好ましい。
なお、熱による金属凝集形状（金属微粒子形状）の変化を防ぐ為、基板の温度は１００℃以下に保つことが望ましい。
また、本実施形態では、ｐ型ＧａＮ層表面への凹凸パターンの形成について、ドライエッチングを用いた方法で説明しているが、これには限定されず、ウェットエッチングを用いた方法で行っても良い。
【００６０】
以上、説明したような本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、蛍光体を有するカバーとを組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。
【００６１】
また、例えば、図５に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、従来公知の方法を用いてなんら制限無くＬＥＤランプとして構成することができる。ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。例えば、フェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例のように、２本のフレーム３１、３２の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１を樹脂などで接着し、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドを金等の材質からなるワイヤー３３、３４用いて、それぞれフレーム３１、３２に接合する。その後、透明樹脂で素子周辺をモールドすることにより（図５のモールド３５参照）、砲弾型のランプ３０を作製することができる。
【００６２】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、駆動電圧（Ｖｆ）が低く、また、光取り出し効率に優れていることから、高効率のランプを実現することができる。
【実施例】
【００６３】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００６４】
［実験例１］
図３に、本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いるために作製した、エピタキシャル構造体の断面模式図を示す。また、図１及び図２に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図、及び平面模式図を示し、以下、適宜参照しながら説明する。
【００６５】
（窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子２０の積層構造体は、サファイアのｃ面（（０００１）結晶面）からなる基板２１上に、ＡｌＮからなるバッファ層（図示せず）を介して、順次、アンドープＧａＮ下地層（層厚＝２μｍ）２２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層（層厚＝２μｍ、キャリア濃度＝１×１０１９ｃｍ−３）２３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層（層厚＝１２．５ｎｍ、キャリア濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）２４、６層のＳｉドープＧａＮ障壁層（層厚＝１４．０ｎｍ、キャリア濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）と５層のアンドープＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎの井戸層（層厚＝２．５ｎｍ）とからなる多重量子構造の発光層２５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層（層厚１０ｎｍ）２６、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層（層厚＝１００ｎｍ）２７を積層して構成した。上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子２０の積層構造体の各構成層２２〜２７は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段で成長させた。
【００６６】
上記窒化ガリウム系化合物半導体２０のエピタキシャル構造体を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（図１を参照）を作製した。まず、ｎ型電極を形成する領域に一般的なドライエッチングを施し、その領域に限り、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層の表面を露出させた。
【００６７】
（凹凸パターンの形成）
次に、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型ＧａＮ層表面以外の部分にレジスト膜を形成した後、蒸着装置内に入れ、Ａｕ／Ｓｎ（Ｓｎ：３０質量％）を１５ｎｍ積層した。
次に、窒素雰囲気中において、２５０℃の温度で熱処理を行い、上記Ａｕ／Ｓｎの薄膜を粒状に凝集させ、金属微粒子からなるマスクを形成した。金属微粒子の直径は０．２〜１．５μｍの範囲であり、２×１０６個／ｍｍ２という高密度の金属微粒子層（マスク）が形成された。
次に、ｐ型ＧａＮ層表面を露出させるように、レジスト膜によってパターニングを行った後、一般的なドライエッチングを施した。
ここで、凹凸パターンを加工する領域には、上述の金属微粒子マスクが形成されているので、ドライエッチングにより、金属微粒子の形に添った形状で選択的にエッチングされ、ｐ型ＧａＮ層表面を、曲面を持った凹凸パターン形状に加工する事ができた。この凸部は、平面視円形であり、下端寸法の平均値は約０．７μｍ（直径）、高さＴの平均値は約１．０μｍであった。また凸部間距離の平均値は０．８μｍで、この値に対する標準偏差は５０％であった。
【００６８】
次に、ＨＦ及びＨＣｌを用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層表面を洗浄した後、該ｐ型ＧａＮコンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、ＩＴＯからなる透光性導電酸化膜層をスパッタリング法にて形成した。ＩＴＯはＤＣマグネトロンスパッタによりおよそ４００ｎｍの膜厚で成膜した。スパッタには、ＳｎＯ２濃度が１０質量％のＩＴＯターゲットを使用し、ＩＴＯ成膜時の圧力は約０．３Ｐａとした。そして、ＩＴＯからなる透光性導電酸化膜の成膜後、６００℃の温度で１分間の熱アニール処理を行った。このようにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７上に、本発明の正極（図１及び図２の符号１５を参照）を形成した。
【００６９】
上述の方法で形成した正極は高い透光性を示し、４６０ｎｍの波長領域で９０％以上の透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じ厚さの透光性導電酸化膜層をガラス板上に積層した透過率測定用のサンプルを用い、分光光度計によって測定した。なお、光透過率の値はガラス板のみで測定した光透過ブランク値を考慮のうえ算出した。
【００７０】
次に、真空蒸着法により、透光性導電酸化膜層（正極）上の一部、及びＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２３上に、Ｃｒからなる第１の層（層厚＝４０ｎｍ）、Ｔｉからなる第２の層（層厚＝１００ｎｍ）、Ａｕからなる第３の層（層厚＝４００ｎｍ）を順に積層し、それぞれ正極ボンディングパッド及び負極を形成した。
【００７１】
正極ボンディングパッド及び負極を形成した後、サファイアからなる基板１１の裏面をダイヤモンド微粒などの砥粒を使用して研磨し、最終的に鏡面に仕上げた。その後、積層構造体を裁断し、３５０μｍ角の正方形の個別のチップへと分離し、リードフレーム状に載置した後、金（Ａｕ）線でリードフレームと結線した。
【００７２】
（駆動電圧（Ｖｆ）及び発光出力（Ｐｏ）の測定）
これらのチップを、プローブ針による通電により、電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧（駆動電圧：Ｖｆ）を測定したところ、３．３Ｖであった。また、一般的な積分球で測定された発光出力（Ｐｏ）は１２ｍＷであり、発光面の発光分布は、正極１５の全面で発光していることが確認できた。
【００７３】
（Ｓｎ濃度の算出）
断面ＴＥＭのＥＤＸ分析により、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７と透光性導電酸化膜層（正極）との界面を中心とする２０ｎｍの幅の領域におけるＳｎ濃度を見積もり、図４に示した。このＳｎ濃度は、界面付近に存在すると考えられる金属原子（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ）との比率（原子％）で定義した。透光性導電酸化膜内のＳｎ濃度は、界面から２ｎｍ以上の領域では５〜１０原子％であるのに対して、界面２ｎｍ未満の領域では１５原子％程度のＳｎ濃度を確認することができた。
【００７４】
［実験例２−５］
ＩＴＯからなる透光性導電酸化膜層の成膜前に、約２ｎｍの透光性導電酸化膜コンタクト層を成膜し、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００７５】
［実験例６］
実験例１と同様にＩＴＯからなる透光性導電酸化膜を成膜した後、ＫｒＦ２４８ｎｍのエキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行なった。レーザーアニールは、１ショットの照射面積を３×３ｍｍとし、１ショットのエネルギーは１０ｍＪ、周波数２００Ｈｚの条件で実施した。
【００７６】
［実験例７］
ＩＴＯからなる透光性導電酸化膜を真空蒸着法にて成膜し、実験例１と同様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００７７】
［実験例８］
透光性導電酸化膜層としてＡｌ２Ｏ３濃度が１０質量％であるＡＺＯをスパッタ法にて成膜し、実験例１と同様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００７８】
（密着性の評価）
ＩＴＯ、ＡＺＯの密着性を評価するため、実験例１および実験例８と同様の条件でサファイア基板上にＩＴＯ膜とＡＺＯ膜を成膜して熱処理を施した後、膜剥離試験を実施した。剥離試験は、ＪＩＳに規定された方法（ＪＩＳ  Ｈ８０６２−１９９２）に、ヒートショック試験を組み合わせた加速試験を採用した。
まず、ＩＴＯ膜およびＡＺＯ膜に、カッターナイフを用いて直線状の引っかき傷を１ｍｍ間隔の基盤目状で形成した。この引っかき傷の深さは、サファイア基板表面に到達する深さとした。次に、これらのサンプルを４００℃のオーブン内で３０分間加熱した後、温度２０℃の水中で急冷し、乾燥させた。このような加熱、冷却処理を５回繰り返した。
そして、引っかき傷を形成した膜表面部分に粘着テープ（ニチバン製：セロハンテープ、幅１２ｍｍ）を貼り付け、これを隙間なく密着させた後、テープを膜表面から引き剥がした。この際、引っかき傷によって区画された１ｍｍ四方の膜表面区画１００個の内、引き剥がされずに残った区画を計数した。即ち、残った区画が１００個であれば、膜剥がれがないものと判断できる。
【００７９】
［実験例９−１０］
アニール温度を表１に示す温度とした点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８０】
［実験例１１−１２］
透光性導電膜を表１に示す厚さとした点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８１】
［実験例１３］
ｐ型ＧａＮ層表面に凹凸を付ける工程を行わなかった点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８２】
［実験例１４］
６００℃の温度での熱アニール処理を行なわなかった点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８３】
［実験例１５］
透光性導電酸化膜成膜前の洗浄を実施しなかった点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８４】
［実験例１６］
透光性導電酸化膜コンタクト層にＰｔターゲットを使用して、約０．５ｎｍの層厚のＰｔを成膜し、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８５】
［実験例１７］
６００℃の温度での熱アニール処理を行なわかった点を除き、実験例８と同様にＡＺＯ透光性導電酸化膜層を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８６】
［実験例１８−１９］
アニール温度を表１に示す温度とした点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８７】
［実験例２０−２１］
透光性導電膜を表１に示す厚さとした点を除き、実験例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００８８】
上記実験例１〜２１の正極成膜条件、素子特性の一覧を表１に示す。また、表１には、ｐ型ＧａＮコンタクト層と透光性導電酸化膜層との界面から透光性導電酸化膜層側へ、それぞれ０、１、２、５、１０ｎｍ離れた位置におけるＳｎ濃度も併せて示す。
【００８９】
【表１】
2007165612.tif 000003
【００９０】
表１に示す素子特性の評価結果より、６００℃の温度で熱アニール処理を行なったチップは、ｐ型ＧａＮ層とＩＴＯ層との界面から２ｎｍ以内の位置におけるＳｎ濃度が高くなっており、Ｖｆに低減がみられる（例えば、実験例１等）。
また、熱アニール温度を８００℃（実験例９）とした場合や、２５０℃（実験例１０）とした場合も、界面から２ｎｍ以内の位置におけるＳｎ濃度が高くなっており、Ｖｆに低減がみられる。
また、透光性導電酸化膜の厚さを９００ｎｍ（実験例１１）とした場合や、６０ｎｍ（実験例１２）とした場合も、界面から２ｎｍ以内の位置におけるＳｎ濃度が高くなっており、Ｖｆに低減がみられる。
【００９１】
また、熱アニール処理を実施しないチップであっても、ＩＴＯ成膜前にＳｎを用いたコンタクト層を成膜することによってＳｎ濃度の高い領域を形成することができ、Ｖｆが低減している（実験例２）。
また、Ｓｎ等のコンタクト層を成膜し、熱アニール処理を行ったチップでは、Ｓｎ濃度の高い領域がより界面の近い位置に存在しており、さらにＶｆは低減する（実験例３〜５）。
また、６００℃の温度での熱アニール処理の代わりにレーザーアニールを実施したチップ（実験例６）や、ＩＴＯ膜を真空蒸着法で成膜したチップ（実験例７）も、同様にＳｎ濃度の高い領域が存在した。
【００９２】
また、ｐ型ＧａＮ層表面に凹凸を形成したチップ（実験例１〜８）では、凹凸パターンを形成していないチップ（実験例１３）と比較すると、発光出力が約２ｍＷ向上している。また、上述したように、凹凸パターンを形成したチップ（例えば、実験例１）は、ｐ型ＧａＮ層とＩＴＯ層の界面から２ｎｍ以内の位置でのＳｎ濃度が高くなっており、Ｖｆは凹凸パターンを形成していないチップ（実験例１３）と同等となっている。
【００９３】
ＡＺＯを透光性導電酸化膜として成膜した場合（実験例８）、ＶｆではＩＴＯ膜に劣る。しかしながら、ＩＴＯ膜の場合と同様、６００℃の温度での熱アニール処理により、ドーパントであるＡｌの濃度が高い領域を形成し、Ｖｆが低減している。また、剥離試験において、ＩＴＯ膜では剥がれずに残った区画が７０個程度であったのに対して、ＡＺＯ膜では１００個全てが残存した。ＡＺＯ膜は、ＩＴＯ膜に比べてＶｆでは劣るものの、密着性は優れていることがわかる。
【００９４】
また、ｐ型ＧａＮ層表面に凹凸を形成しなかった実験例１３では、Ｖｆが３．３Ｖであり、発光出力（Ｐｏ）が１０ｍＷであった。
【００９５】
また、透光性導電酸化膜の成膜後に熱アニールを行わなかった実験例１４では、ｐ型ＧａＮ層とＩＴＯ層との界面から１０ｎｍ迄の範囲において、特にＳｎ濃度が高い領域は見られなかった。実験例１４の発光素子は、Ｖｆが３．６Ｖであった。
【００９６】
また、透光性導電酸化膜の成膜前にｐ型ＧａＮ層の洗浄を実施しなかった実験例１５では、ｐ型ＧａＮ層とＩＴＯ層との界面から１ｎｍの範囲にＳｎ濃度が若干高い領域が認められた。実験例１５の発光素子は、Ｖｆが３．６Ｖであった。
【００９７】
また、透光性導電酸化膜コンタクト層にＰｔターゲットを使用して約０．５ｎｍの層厚のＰｔを成膜した実験例１６では、界面におけるドーパント濃度が４％となった。実験例１６の発光素子は、発光出力（Ｐｏ）が９ｍＷであった。
【００９８】
また、透光性導電酸化膜にＡＺＯを用い、６００℃の温度での熱アニール処理を実施しなかった実験例１７では、ｐ型ＧａＮ層とＩＴＯ層との界面から１０ｎｍ迄の範囲において、特にＳｎ濃度が高い領域は見られなかった。実験例１７の発光素子は、Ｖｆが３．７Ｖであった。
【００９９】
また、透光性導電酸化膜成膜後の熱アニール温度を１０００℃とした実験例１８では、界面から２ｎｍの範囲へのＳｎ濃度の偏析が促進されている。実験例１８の発光素子は、Ｖｆが３．７Ｖであった。
【０１００】
また、透光性導電酸化膜を成膜した後の熱アニール温度を２００℃とした実験例１９は、Ｖｆが３．７Ｖであった。
【０１０１】
また、透光性導電酸化膜の厚さを１２００ｎｍとした実験例２０では、界面から２ｎｍの範囲へのＳｎ濃度の偏析が促進されている。実験例２０の発光素子は、発光出力（Ｐｏ）が９ｍＷであった。
【０１０２】
また、透光性導電酸化膜の厚さを３０ｎｍとした実験例２１では、界面から２ｎｍの範囲へのＳｎ濃度の偏析が促進されている。実験例２１の発光素子は、Ｖｆが３．８Ｖであった。
【０１０３】
以上の結果により、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、光取り出し効率に優れているとともに起動電圧（Ｖｆ）が低く、高い素子特性を有していることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり、断面構造を示す図である。
【図２】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり、平面視構造を示す図である。
【図３】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の断面図である。
【図４】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の実施例を説明する図であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層と透光性導電酸化膜層との界面を中心とする領域でのＳｎ濃度の見積り値を示すグラフである。
【図５】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて構成したランプを模式的に説明する図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、１１…基板、１２…ｎ型ＧａＮ層、１３…発光層、１４…ｐ型ＧａＮ層、１４ａ…表面、１４ｂ…凸部、１５…正極（透光性導電酸化膜層）、１６…正極ボンディングパッド、１７…負極、２１…基板、２２…アンドープＧａＮ下地層、２３…ｎ型ＧａＮコンタクト層、２４…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２５…発光層、２６…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２７…ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０…ランプ
【図１】
2007165612.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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