(57)【要約】【課題】光出力の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１０では、半導体発光層１５は、Ｎ型半導体層１２とＰ型半導体層１３、１４の間に設けられている。半導体発光層１５は、井戸層２６と障壁層２５が交互に積層された多重量子井戸構造を有している。井戸層２６に挟まれた障壁層２５のうち、Ｐ型半導体層１３に一番近い障壁層２５ｂのバンドギャップは残りの障壁層２５ｃ、２５ｄのバンドギャップより狭い。Ｎ側電極１７ａ、１７ｂおよびＰ側電極１８は、半導体発光層１５の主面１５ａに略垂直な方向に電流が流れるように、Ｎ型半導体層１２およびＰ型半導体層１４に電気的に接続されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型半導体層と、
Ｐ型半導体層と、
前記Ｎ型およびＰ型半導体層の間に設けられ、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記Ｐ型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップが残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い半導体発光層と、
前記半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れるように、前記Ｎ型半導体層およびＰ型半導体層に電気的に接続されたＮ側電極およびＰ側電極と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記Ｐ側電極は前記Ｐ型半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であり、前記Ｎ側電極は前記Ｎ型半導体層上に設けられた細線電極であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記Ｎ型半導体層上に設けられた透明導電膜を有し、前記細線電極は前記透明導電膜上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
Ｎ型半導体層と、
Ｐ型半導体層と、
前記Ｎ型およびＰ型半導体層の間に設けられ、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記Ｐ型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップが残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い半導体発光層と、
前記半導体発光層の主面に垂直な方向に流れる電流を含むように、前記Ｎ型半導体層およびＰ型半導体層に電気的に接続されたＮ側電極およびＰ側電極と、
を具備し、
前記Ｎ側電極および前記Ｐ側電極が、前記半導体発光層の前記主面から前記主面に垂直な方向に等距離にある部分を複数有し、その部分において一方が他方を取り囲むように配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
前記Ｐ側電極は前記Ｐ型半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であり、
前記Ｎ側電極は、前記Ｐ側電極から前記半導体発光層を貫通して前記Ｎ型半導体層に接触し、前記Ｎ型半導体層を前記Ｐ型半導体層側に引き出す柱状の複数の第１Ｎ側電極を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記Ｎ側電極は、前記Ｐ側電極上に絶縁膜を介して設けられ、前記複数の第１Ｎ側電極が共通接続される第２Ｎ側電極を更に有することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記複数の第１Ｎ側電極は、六角形状に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記複数の第１Ｎ側電極は、前記Ｎ型半導体層内に所定の高さだけ突出していることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記Ｐ側電極は前記Ｐ型半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であり、
前記Ｎ側電極は、前記Ｐ側電極から前記半導体発光層を貫通して前記Ｎ型半導体層に接触する網目状の細線電極であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記Ｎ側電極は、六角格子状に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記Ｎ側電極は、前記Ｎ型半導体層内に所定の高さだけ突出していることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち前記Ｐ型半導体層に一番に近い前記障壁層を除いて、前記Ｎ型半導体層側の前記障壁層のバンドギャップが、前記Ｐ型半導体層側の前記障壁層のバンドギャップに等しいか、またはより広いことを特徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記Ｎ型半導体層は、主面の少なくとも一部に凹凸部を有することを特徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記井戸層がＩｎｘ１Ｇａｙ１Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１≦１）であり、前記障壁層がＩｎｘ２Ｇａｙ２Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜ｙ２≦１）であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体発光素子には、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の半導体発光層を有し、半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れるように構成されているものがある。半導体発光層はＮ型半導体層とＰ型半導体層の間に設けられている。
【０００３】
この半導体発光素子では、複数の障壁層のバンドギャップは互いに等しく設定されている。ホールはＰ型半導体層側から多重量子井戸構造の半導体発光層に注入され、電子はＮ型半導体層側から多重量子井戸構造の半導体発光層に注入される。
【０００４】
ホールは重いためＰ型半導体層側の井戸層内に多く留まり、一方、電子は軽いためＰ型半導体層側の井戸層まで到達する。その結果、ホールと電子はＰ型半導体層側の井戸層内で再結合する割合が多くなる。
【０００５】
ホールや電子が一つの井戸層内に集中し且つその井戸層が薄い場合、キャリア密度が過剰に高くなることがある。その結果、キャリア密度の２乗に応じた発光再結合よりもキャリア密度の３乗に応じた非発光のオージェ再結合が多くなり、光出力が低下するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８６９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光出力の高い半導体発光素子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】
【０００８】
一つの実施形態によれば、半導体発光素子では、半導体発光層はＮ型半導体層とＰ型半導体層の間に設けられている。前記半導体発光層は、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有している。前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記Ｐ型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップは、残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い。Ｎ側電極およびＰ側電極は、前記半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れるように、前記Ｎ型半導体層およびＰ型半導体層に電気的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係る半導体発光素子を示す図。
【図２】実施形態１に係る半導体発光素子の要部を示す断面図。
【図３】実施形態１に係る要部の組成とバンドギャップの関係を示す図。
【図４】実施形態１に係る半導体発光素子の要部の組成分布を示す図。
【図５】実施形態１に係る半導体発光素子の光出力特性を比較例の半導体発光素子の光出力特性と対比して示す図。
【図６】実施形態１に係る半導体発光素子のバンド構造を比較例の半導体発光素子のバンド構造と対比して示す図。
【図７】実施形態１に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。
【図８】実施形態１に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。
【図９】実施形態１に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。
【図１０】実施形態１に係る別の半導体発光素子を示す断面図。
【図１１】実施形態１に係る別の半導体発光素子を示す断面図。
【図１２】実施形態１に係る別の半導体発光素子を示す断面図。
【図１３】実施形態１に係る別の半導体発光素子の要部を示す断面図。
【図１４】実施形態２に係る半導体発光素子の要部を示す断面図。
【図１５】実施形態２に係る半導体発光素子の要部の組成分布を示す図。
【図１６】実施形態３に係る半導体発光素子を示す図。
【図１７】実施形態３に係る半導体発光素子の光出力特性を比較例の半導体発光素子の光出力特性と対比して示す図。
【図１８】実施形態３に係る半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。
【図１９】実施形態３に係る半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。
【図２０】実施形態３に係る別の半導体発光素子を示す図。
【図２１】実施形態３に係る別の半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。
【図２２】実施形態３に係る別の半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。
【図２３】実施形態３に係る別の半導体発光素子の要部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施形態１）
本実施形態に係る半導体発光素子について、図１を用いて説明する。図１は本実施形態の半導体発光素子を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。本実施形態の半導体発光素子は、ＩｎＧａＮ系窒化物半導体を用いた青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の半導体発光素子１０では、半導体積層体１１は、Ｎ型半導体層としてＮ型ＧａＮクラッド層１２と、Ｐ型半導体層としてＰ型ＧａＮクラッド層１３およびＰ型ＧａＮコンタクト層１４と、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２とＰ型ＧａＮクラッド層１３の間に設けられた半導体発光層１５とを含んでいる。
【００１３】
Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、半導体発光層１５と反対側の上面に凹凸部１２ａを有している。半導体発光層１５側から凹凸部１２ａに入射した光は、凹凸部１２ａで散乱または屈折されて、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の上面から取り出される。凹凸部１２ａは、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の上面からの光取り出し効率を向上させる。
【００１４】
Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の中央部には、ワイヤをボンディングするためのパッド電極１７ａが設けられている。更に、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２には、外周に沿って額縁状の細線と、パッド電極１７ａから額縁の対角線方向に延在し、額縁状の細線の角部に接続されたＸ状の細線を有する細線電極１７ｂ（Ｎ側電極）が設けられている。
【００１５】
細線電極１７ｂにより、半導体積層体１１の周辺まで電流が広げられる。細線電極１７ｂは、例えば幅が２μｍの金（Ａｕ）膜である。細線電極１７ｂは、半導体発光層１５側からの光を遮るので、幅は狭いほうが良い。
【００１６】
半導体発光層１５と反対側のＰ型ＧａＮコンタクト層１４上に、金属電極（Ｐ側電極）１８が設けられている。金属電極１８は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４の略全面に設けられている。金属電極１８は、例えばＰ型ＧａＮとオーミックコンタクトが可能な銀（Ａｇ）と金（Ａｕ）の積層膜である。銀は光の反射率が高いので、半導体発光層１５側から入射する光を効率よく反射する。
【００１７】
半導体積層体１１は、金属電極１８側が接合層１９を挟んで導電性の支持基板２０に設けられている。接合層１９は、例えば金錫（ＡｕＳｎ）合金層である。支持基板２０は、例えばシリコン基板である。
【００１８】
支持基板２０には、半導体積層体１１と反対側に基板電極２１が設けられている。基板電極２１は、例えばシリコンとオーミックコンタクトが可能な金膜である。
【００１９】
図２に示すように、半導体発光層１５は、Ｉｎｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎ障壁層２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ（以後、単にＩｎＧａＮ障壁層という）Ｉｎｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎ井戸層２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ（以後、単にＩｎＧａＮ井戸層という）とが交互に積層された量子井戸構造体である。半導体発光層１５は、ＩｎＧａＮ障壁層２５ａで始まり、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｅで終わっている。
【００２０】
ＩｎＧａＮ障壁層２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅを総称するときは、ＩｎＧａＮ障壁層２５と記し、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを総称するときは、ＩｎＧａＮ井戸層２６と記す。
【００２１】
ＩｎＧａＮ障壁層２５の厚さは、例えば５ｎｍである。ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さは、例えば５ｎｍである。ＩｎＧａＮ井戸層２６の数は、例えば４である。
【００２２】
ＩｎＧａＮ井戸層２６のＩｎ組成ｘ１は、半導体発光素子１０から波長４５０ｎｍの光が放出されるように、例えば０．１５程度に設定されている。
【００２３】
ＩｎＧａＮ井戸層２６のＩｎ組成ｘ１とＩｎＧａＮ障壁層２５のＩｎ組成ｘ２は、０≦ｘ２＜ｘ１＜１の関係にある。ＩｎＧａＮ障壁層２５のバンドギャップはＩｎＧａＮ井戸層２６のバンドギャップより広くなるように設定されている。
【００２４】
更に、ＩｎＧａＮ井戸層２６に挟まれたＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのうち、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３に一番近いＩｎＧａＮ障壁層２５ｂのバンドギャップが残りのＩｎＧａＮ障壁層２５ｃ、２５ｄのバンドギャップより狭くなるように設定されている。
【００２５】
ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂを除いて、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２側のＩｎＧａＮ障壁層２５のバンドギャップが、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３側のＩｎＧａＮ障壁層２５のバンドギャップに等しいか、またはより広くなるように設定されている。
【００２６】
即ち、ＩｎＧａＮ障壁層２５のバンドギャップをＥｇ（２５）と記すと、次の関係が成り立つ。
【００２７】
Ｅｇ（２５ｂ）＜Ｅｇ（２５ｃ）≦Ｅｇ（２５ｄ）≦Ｅｇ（２５ａ）＝Ｅｇ（２５ｅ）
図３はＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層のＩｎ組成ｘとバンドギャップＥｇの関係を示す図である。図３に示すように、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層のバンドギャップＥｇは、Ｉｎ組成ｘに応じてＧａＮのバンドギャップ（約３．４５ｅＶ）からＩｎＮのバンドギャップ（約０．７ｅＶ）まで変化する。但し、直線的ではなく、バンドギャップボーイングにより、下側に曲がっている。ｘが０．１５のとき、Ｅｇは約２．６４ｅＶである。
【００２８】
ここで、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、例えば厚さが２乃至５μｍ、不純物濃度が１Ｅ１９ｃｍ−３である。Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、半導体発光層１５からＰ型ＧａＮコンタクト層１４までをエピタキシャル成長させるための下地単結晶層を兼ねている。
【００２９】
Ｐ型ＧａＮクラッド層１３は、例えば厚さが１００ｎｍ、不純物濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３である。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４は、例えば厚さが１０ｎｍ、不純物濃度が１Ｅ２１ｃｍ−３である。
【００３０】
パッド電極１７ａと基板電極２１間に電圧を印加すると、半導体発光層１５には、主面１５ａに略垂直な方向に電流が流れる。ＩｎＧａＮ井戸層２６に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約４５０ｎｍの光が放出される。
【００３１】
上述した半導体発光素子１０は、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂのバンドギャップが残りのＩｎＧａＮ障壁層２５ｃ、２５ｄのバンドギャップより狭く設定されており、大電流を流したときに、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａ内のキャリア密度が過大にならないように構成されている。
【００３２】
次に、半導体発光素子１０の光出力および第１乃至第３比較例の半導体発光素子の光出力をシミュレーションした結果について、図４および図５を用いて説明する。
【００３３】
図４は半導体発光素子１０および第１乃至第３比較例の半導体発光素子における半導体発光層１５のＩｎ組成分布を示す図である。ここで、Ｐ型クラッド層１３に接するＩｎＧａＮ障壁層２５ａおよびＮ型クラッド層１２に接するＩｎＧａＮ障壁層２５ｅのＩｎ組成は０とした。即ち、ＩｎＧａＮ障壁層２５ａ、２５ｅは単にＧａＮ層である。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態の半導体発光素子１０では、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのＩｎ組成ｘ１は、それぞれ０．０５、０．０３、０である。即ち、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのバンドギャップはＰ型クラッド層１３側からＮ型クラッド層１２に向かって順に高くなっており、次式の関係にある。 
Ｅｇ（２５ｂ）＜Ｅｇ（２５ｃ）＜Ｅｇ（２５ｄ）＝Ｅｇ（２５ａ）＝Ｅｇ（２５ｅ）
一方、第１比較例の半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、のＩｎ組成ｘ１は、それぞれ０．０３、０．０３、０．０３である。即ち、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのバンドギャップは互いに等しく、次式の関係にある。 
Ｅｇ（２５ｂ）＝Ｅｇ（２５ｃ）＝Ｅｇ（２５ｄ）＜Ｅｇ（２５ａ）＝Ｅｇ（２５ｅ）
第２比較例の半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのＩｎ組成ｘ１は、それぞれ０、０．０３、０．０５である。即ち、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのバンドギャップはＰ型クラッド層１３側からＮ型クラッド層１２に向かって順に低くなっており、次式の関係にある。 
Ｅｇ（２５ｄ）＜Ｅｇ（２５ｃ）＜Ｅｇ（２５ｂ）＜Ｅｇ（２５ａ）＝Ｅｇ（２５ｅ）
第３比較例の半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのＩｎ組成ｘ１は、それぞれ０、０、０である。即ち、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、のバンドギャップは互いに等しく、次式の関係にある。第３比較例は、従来多く用いられているＩｎ濃度分布である。 
Ｅｇ（２５ｂ）＝Ｅｇ（２５ｃ）＝Ｅｇ（２５ｄ）＝Ｅｇ（２５ａ）＝Ｅｇ（２５ｅ）
図５は半導体発光素子１０および第１乃至第３比較例の半導体発光素子における電流と光出力の関係をシミュレーションした結果を示す図である。ここで、ＩｎＧａＮ障壁層２５およびＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さは、それぞれ５ｎｍとした。
【００３５】
図５に示すように、本実施形態の半導体発光素子１０では、第３比較例の半導体発光素子に比べて高い光出力が得られている。一方、第１および第２比較例の半導体発光素子では、第３比較例の半導体発光素子に比べて光出力はわずかに増加しているに過ぎない。
【００３６】
図６はＩｎＧａＮ井戸層２６にキャリアが注入される様子を示す図で、図６（ａ）が本実施形態の場合を示す図、図６（ｂ）が第３比較例の場合を示す図である。始に、第３比較例について説明する。
【００３７】
図６（ｂ）に示すように、第３比較例の半導体発光素子では、ホールはＰ型ＧａＮクラッド層１３側から、電子はＮ型ＧａＮクラッド層１２側からＭＱＷ構造を有する半導体発光層１５に注入される。
【００３８】
ホールは重いためＰ型ＧａＮクラッド層１３側に留まり、電子は軽いためＰ型ＧａＮクラッド層１３側まで達する。その結果、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３側のＩｎＧａＮ井戸層２６ａで再結合する割合が多くなる。
【００３９】
ホールや電子がＩｎＧａＮ井戸層２６ａに集中し、かつＩｎＧａＮ井戸層２６ａが薄いので、キャリア密度が過剰に高くなり、キャリア密度の２乗に応じた発光再結合よりもキャリア密度の３乗に応じた非発光のオージェ再結合が多くなり、高い発光効率が得られない。
【００４０】
一方、図６（ａ）に示すように、本実施形態の半導体発光素子１０では、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａに注入されたホールは、障壁の低いＩｎＧａＮ障壁層２５ｂを越えてＩｎＧａＮ井戸層２６ｂ、２６ｃにも注入され、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａのキャリア(ホール)密度が平均化される。
【００４１】
その結果、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａでは、非発光過程であるオージェ再結合が減少し、発光(自然放出)再結合の割合が増加するため、光出力が増加すると考えられる。
【００４２】
また、ＩｎＧａＮ井戸層２６ｂ、２６ｃではもともとホール密度が低くオージェ再結合も発光(自然放出)再結合も少なかったが、ある程度ホールが増加することによりさらに発光(自然放出)再結合および光出力が増加すると考えられる。
【００４３】
第１および第２比較例の半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａからＩｎＧａＮ井戸層２６ｂ、２６ｃへホールが移動しやすくなることは特に無い。その結果、第１および第２比較例の半導体発光素子では、第３比較例の半導体発光素子と略同じ光出力特性を示すことが分かる。
【００４４】
上述したように、半導体発光素子の光出力を高めるためには、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂのバンドギャップを残りのＩｎＧａＮ障壁層２５ｃ、２５ｄより狭くすることが重要である。
【００４５】
次に、半導体発光素子１０の製造方法について図７乃至図９を参照して説明する。図７乃至図９は半導体発光素子１０の製造工程を順に示す断面図である。
【００４６】
図７（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、Ｃ面サファイア基板４１にＮ型ＧａＮクラッド層１２、半導体発光層１５、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３およびＰ型ＧａＮコンタクト層１４を順にエピタキシャル成長させて半導体積層体１１を形成する。
【００４７】
半導体積層体１１の製造プロセスについて、以下簡単に説明する。サファイア基板４１に、前処理として、例えば有機洗浄、酸洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納する。次に、例えば窒素（Ｎ２）ガスと水素（Ｈ２）ガスの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、サファイア基板４１の温度を、例えば１１００℃まで昇温する。これにより、サファイア基板４１の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。
【００４８】
次に、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）を供給し、Ｎ型ドーパントとして、例えばシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給し、厚さ４μｍ、Ｓｉ濃度が１Ｅ１９ｃｍ−３程度のＮ型ＧａＮ層１２を形成する。
【００４９】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスおよびＳｉＨ４ガスの供給を停止し、サファイア基板４１の温度を１１００℃より低い温度、例えば８００℃まで降温し、８００℃で保持する。
【００５０】
次に、Ｎ２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばＮＨ３ガスおよびＴＭＧガスを供給し続けながら、（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）ガスの供給を断続することにより、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０のＩｎＧａＮ障壁層２５ｅ、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５のＩｎＧａＮ井戸層２６ｄ、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０のＩｎＧａＮ障壁層２５ｄ、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５のＩｎＧａＮ井戸層２６ｃを形成する。
【００５１】
次に、ＮＨ３ガスおよびＴＭＧガスは供給し続けながらＴＭＩガスの供給を増減することにより、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．０３のＩｎＧａＮ障壁層２５ｃ、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５のＩｎＧａＮ井戸層２６ｂ、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．０５のＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５のＩｎＧａＮ井戸層２６ａを形成する。
【００５２】
最後に、ＴＭＩガスのみ供給を停止し、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０のＩｎＧａＮ障壁層２５ａを形成する。これにより、ＭＱＷ構造の半導体発光層１５が得られる。
【００５３】
次に、ＴＭＧガス、ＮＨ３ガスは供給し続けながら、アンドープで厚さ５ｎｍのＧａＮキャップ層（図示せず）を形成する。
【００５４】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、Ｎ２ガス雰囲気中で、サファイア基板４１の温度を８００℃より高い温度、例えば１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持する。
【００５５】
次に、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ３ガス、ＴＭＧガス、Ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給し、厚さが１００ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３程度のＰ型ＧａＮクラッド層１３を形成する。
【００５６】
次に、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を増やして、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２１ｃｍ−３程度のＰ型ＧａＮコンタクト層１４を形成する。
【００５７】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、サファイア基板４１を自然降温する。ＮＨ３ガスの供給は、サファイア基板４１の温度が５００℃に達するまで継続する。これにより、サファイア基板４１上に半導体積層体１１が形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４が表面になる。
【００５８】
次に、図７（ｂ）に示すように、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４上に、例えばスパッタリング法により厚さ約０．５μｍの銀膜と厚さ１μｍ金膜を積層して、金属電極１８を形成する。
【００５９】
次に、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板４２を用意し、シリコン基板４２の両面に、例えばスパッタリング法により厚さ１μｍの金膜４３、４４を形成する。金膜４３上に、例えば真空蒸着法により厚さ２μｍの金錫合金膜４５を形成する。シリコン基板４２が支持基板２０、金膜４４が基板電極２１である。
【００６０】
次に、図８（ａ）に示すように、サファイア基板４１を上下反転して金属電極１８と金錫合金膜４５を対向させて、サファイア基板４１とシリコン基板４２を重ね合わせた後、サファイア基板４１とシリコン基板４２をヒータ４６で加熱し、加圧する。
【００６１】
金錫合金膜４５が融解し、金属電極１８の金膜、金膜４３と融合した接合層１９が形成される。サファイア基板４１とシリコン基板４２は、接合層１９を介して接合される。
【００６２】
次に、図８（ｂ）に示すように、レーザリフトオフ法により、サファイア基板４１と半導体積層体１１を分離する。レーザリフトオフ法とは、高出力のレーザ光を照射することにより物質内部を部分的に加熱分解し、分解した部分を境に分離する手法である。
【００６３】
具体的には、サファイア基板４１を通過しＮ型ＧａＮクラッド層１２で吸収されるレーザ光４７を照射し、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２を解離させて、サファイア基板４１とＮ型ＧａＮクラッド層１２を分離する。
【００６４】
例えばＮｄ−ＹＡＧレーザの第４高調波（２６６ｎｍ）をサファイア基板４１側から照射する。レーザ光４７に対してサファイアは透明なので、照射されたレーザ光４７はサファイア基板４１を透過してＮ型ＧａＮクラッド層１２で有効に吸収される。
【００６５】
サファイア基板４１との界面近傍のＮ型ＧａＮクラッド層１２には多くの結晶欠陥が存在するために、吸収された光はほとんど全てが熱に変換され、２ＧａＮ＝２Ｇａ＋Ｎ２（ｇ）↑なる反応が生じ、ＧａＮはＧａとＮ２ガスに解離する。
【００６６】
レーザ光４７は、連続光（ＣＷ）でも、パルス光（ＰＷ）でもよいが、尖頭出力の高いパルス光であることが望ましい。尖頭出力の高いレーザ光４７を発生するパルスレーザとしては、ピコ秒からフェムト秒オーダの超短パルス光が出力可能なＱスイッチレーザ、モードロックレーザなどが適している。
【００６７】
解離した後、露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２上に、Ｇａ層４８が残置される。Ｇａ層４８は、Ｇａドロップであり、温水、または塩酸を含む水溶液で除去する。
【００６８】
次に、図９に示すように、露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２に凹凸部１２ａを形成する。具体的には、例えばＫＯＨ水溶液でＮ型ＧａＮクラッド層１２をウェットエッチングする。ＫＯＨ水溶液は、例えば濃度２０％〜４０％程度、温度６０℃〜７０℃程度が適当である。Ｎ極性ＧａＮ面はＫＯＨ水溶液により異方性エッチングされるので、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２に凹凸部１２ａが形成される。
【００６９】
次に、凹凸部１２ａが形成されたＮ型ＧａＮクラッド層１２上に、例えばスパッタリング法により金膜を形成し、フォトリソグラフィ法により金膜をパターニングして、パッド電極１７ａおよび細線電極１７ｂを形成する。これにより、図１に示す半導体発光素子１０が得られる。
【００７０】
尚、ＩｎＧａＮ障壁層２５のＩｎ組成ｘ２およびＩｎＧａＮ井戸層２６のＩｎ組成ｘ１は、Ｘ線回折法（X-ray Diffraction Method）等により求めることができる。
【００７１】
Ｘ線回折法により、ＩｎＧａＮ障壁層２５の格子定数を求め、格子定数からＩｎ組成ｘ２を求める。ＩｎＧａＮのＩｎ組成と格子定数の関係は、ベカード則に従う。なお、ＧａＮの格子定数はａ軸が約０．３１９ｎｍ、ｃ軸が約０．５１８ｎｍである。ＩｎＧａＮの格子定数はａ軸が約０．３５５ｎｍ、ｃ軸が約０．５７６ｎｍである。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子１０では、半導体発光層１５は、ＩｎＧａＮ井戸層２６とＩｎＧａＮ障壁層２５が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、ＩｎＧａＮ井戸層２６に挟まれたＩｎＧａＮ障壁層２５のうち、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３に一番近いＩｎＧａＮ障壁層２５ｂのバンドギャップが残りのＩｎＧａＮ障壁層２６ｃ、２６ｄのバンドギャップより狭く設定されている。
【００７３】
半導体発光層１５の主面に略垂直な方向に電流が流れるように細線電極１７ｂおよび金属電極１８が設けられている。
【００７４】
その結果、ＩｎＧａＮ井戸層２６ａに注入されたホールは、障壁の低いＩｎＧａＮ障壁層２５ｂを越えてＩｎＧａＮ井戸層２６ｂ、２６ｃにも注入され、ＩｎＧａＮ井戸層２６のキャリア(ホール)密度が平均化される。
【００７５】
大電流で駆動してもＩｎＧａＮ井戸層２６ａ内のキャリア密度が適正に維持されるので、オージェ再結合を抑制し、且つキャリアのオーバフローを防止することができる。従って、光出力の高い半導体発光素子が得られる。
【００７６】
半導体発光素子１０には、電流の広がりを確実にするために透明導電膜を設けることができる。図１０はＮ型ＧａＮクラッド層１２上に透明導電膜が設けられた半導体発光素子を示す断面図である。
【００７７】
図１０に示すように、半導体発光素子５０では、凹凸部１２ａを有するＮ型ＧａＮクラッド層１２の略全面に、半導体発光層１５から放出された光に対して透光性を有する透明導電膜５１が設けられている。透明導電膜５１は、例えば厚さが１００乃至２００ｎｍのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜である。
【００７８】
パッド電極１７ａおよび細線電極１７ｂは透明導電膜５１上に設けられている。細線電極１７ｂだけで電流を半導体積層体１１の周辺まで確実に広げようとすると、細線電極１７ｂの面積がかなり大きくなる。細線電極１７ｂによる光の遮蔽が無視できなくなり、光出力が減少する問題が生じる。
【００７９】
そこで、細線電極１７ｂを幹とし、透明導電膜５１を枝葉とすることにより、電流を半導体積層体１１の周辺まで確実に広げるとともに、細線電極１７ｂによる光の遮蔽を大幅に低減することができる。
【００８０】
透明導電膜５１のシート抵抗は細線電極１７ｂのシート抵抗よりはるかに高いので、電流はまず細線電極１７ｂに沿って広がり、次に細線電極１７ｂから透明導電膜５１に沿って広がる。
【００８１】
電流を広げるためにはＩＴＯ膜は厚い方が良い。一方、ＩＴＯ膜はわずかであるが光を吸収するので、光をより多く取り出すためには薄い方が好ましい。以後、透明導電膜をＩＴＯ膜とも記す。
【００８２】
ＩＴＯ膜は、例えばスパッタリング法により形成する。ＩＴＯ膜の結晶化を促進し、導電率を高めるためにＩＴＯ膜に熱処理を施す。熱処理は、例えば窒素中、もしくは窒素と酸素の混合雰囲気中で、温度４００乃至７５０℃程度、時間１乃至２０分程度が適当である。
【００８３】
なお、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、厚く成長させることができるがＩＴＯ膜などの透明導電膜よりも抵抗率が大きいため、シート抵抗はＩＴＯ膜より１桁ほど高い。電流はほぼ透明導電膜５１を通って広がるが、一部はＮ型ＧａＮクラッド層１２を通って広がる。
【００８４】
半導体発光素子１０には、更にキャリアのオーバフローを防止するためのオーバフロー防止層を設けることができる。半導体積層体１５の結晶性を向上させるための超格子バッファ層を設けることができる。図１１はオーバフロー防止層および超格子バッファ層を有する半導体発光素子を示す断面図である。
【００８５】
図１１に示すように、半導体発光素子６０の半導体積層体６１では、半導体発光層１５とＰ型ＧａＮクラッド層１３の間にＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２が設けられている。
【００８６】
Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２は、例えば厚さが５ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３、Ａｌ組成比が０．２である。Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２のバンドギャップはＰ型ＧａＮクラッド層１３のバンドギャップより大きい。
【００８７】
半導体発光層１５とＮ型ＧａＮクラッド層１２の間に超格子バッファ層６３が設けられている。超格子バッファ層６３は、例えばＩｎ組成が異なる第１および第２のＩｎＧａＮ層が交互に３０対積層されている。
【００８８】
第１のＩｎＧａＮ層は、例えば厚さが１ｎｍ、第２のＩｎＧａＮ層は、例えば厚さが３ｎｍである。第１のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、第２のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成より大きい。
【００８９】
Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２により、ＩｎＧａＮ井戸層２６のキャリアのＰ型ＧａＮクラッド層１３へのオーバフローが効果的に抑制される。超格子バッファ層６３により、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２から半導体発光層１５へ転位等の結晶欠陥の伝播が抑制される。その結果、半導体発光素子６０の光出力を更に高めることができる利点がある。
【００９０】
ここでは、支持基板２０がシリコン基板である場合について説明したが、その他の導電性基板を用いることができる。導電性基板としては、例えば金属基板、導電性セラミックス基板、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板等がある。導電性セラミックス基板は、例えばＳｉＣセラミックス基板である。
【００９１】
また、半導体積層体１１を成長させる基板がＣ面サファイア基板４１である場合について説明したが、導電性の基板を用いることができる。導電性の基板としては、例えば主面がＣ面であるＧａＮ基板、ＳｉＣ基板およびＺｎＯ基板等がある。
【００９２】
図１２は導電性の基板に設けられた半導体積層体を有する半導体発光素子を示す断面図である。図１２に示すように、半導体発光素子７０では、半導体積層体１１は主面がＣ面である成長用の導電性基板７１、例えばＣ面ＧａＮ基板に設けられている。
【００９３】
導電性基板７１に、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２、半導体発光層１５、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３およびＰ型ＧａＮコンタクト層１４が順に設けられている。透明導電膜５１は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４上に設けられている。
【００９４】
導電性基板７１のＮ型ＧａＮクラッド層１２側と反対の面に、基板電極７２が設けられている。基板電極７２は、例えばＮ型ＧａＮにオーミックコンタクト可能なＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜である。
【００９５】
導電性基板７１は成長基板と支持基板を兼ねることができる。支持基板の接合および成長基板を除去する工程が不要になる利点がある。
【００９６】
なお、Ｐ型窒化物系半導体は、ＩＴＯ膜などの透明導電膜よりも抵抗率が大きく、厚く成長させることが困難なため、シート抵抗は高い。電流はほぼ透明導電膜５１を通って広がることになる。Ｐ型ＧａＮクラッド層１３、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４などのＰ型ＧａＮ層を通っての電流の広がりは無視することができる。
【００９７】
Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４と透明導電膜５１の間に、パッド電極１７ａおよび細線電極１７ｂに対応した電流ブロック層を形成しても構わない。
【００９８】
更に、透明導電膜５１が光取り出し効率を向上させるための凹凸部を有していても構わない。図１３は、凹凸部を有する透明導電膜が設けられた半導体発光素子の要部を示す断面図である。
【００９９】
図１３に示すように、透明導電膜８０は主に結晶質ＩＴＯである凸部８１ａと主にアモルファスＩＴＯである凹部８１ｂを含む凹凸部８１を有している。
【０１００】
一般に、スパッタリング等でＩＴＯ膜を形成すると、成膜時の基板温度、プラズマ密度、酸素分圧等に依存して、アモルファスＩＴＯと結晶質ＩＴＯが混在したＩＴＯ膜が得られることが知られている。
【０１０１】
例えば、基板温度で言えば、ＩＴＯの結晶化温度は１５０℃乃至２００℃付近にある。基板温度が結晶化温度付近にあると、アモルファスＩＴＯと結晶質ＩＴＯが混在したＩＴＯ膜が得られる。
【０１０２】
ＩＴＯ膜に、アモルファスＩＴＯに囲まれるように結晶質ＩＴＯが分散してピラー状に存在混在していることは、断面ＴＥＭ観察および電子線回折パターン等から確かめられている。
【０１０３】
結晶質ＩＴＯのエッチング速度は、アモルファスＩＴＯのエッチング速度より遅くなる。結晶質ＩＴＯのエッチング速度は、例えば５０乃至１００ｎｍ／ｍｉｎ程度である。アモルファスＩＴＯのエッチング速度は、例えば１００乃至５００ｎｍ／ｍｉｎ程度である。従って、結晶質ＩＴＯとアモルファスＩＴＯの選択比は、２乃至５程度と見込まれる。
【０１０４】
結晶質ＩＴＯとアモルファスＩＴＯのエッチング速度の差を利用して、エッチング速度の速いアモルファスＩＴＯを選択的に除去し、エッチング速度の遅い結晶質ＩＴＯを残置することにより、凹凸部８１を有する透明導電膜８０が得られる。
【０１０５】
なお、透明導電膜８０は、エッチングによる目減りを見込んで、予め厚目に形成しておくとよい。
【０１０６】
ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのＩｎ組成ｘがそれぞれ０．０５、０．０３、０の場合について説明したが、Ｉｎ組成ｘがこの順に小さくなっていればよく、特に限定されない。
【０１０７】
例えば、ＩｎＧａＮ障壁層２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのＩｎ組成ｘを０．０５、０．０２、０．０１または０．０６、０．０２、０としても良い。目的の光出力が得られるように適宜定めることができる。
【０１０８】
ＩｎＧａＮ井戸層２６の数が４である場合について説明したが、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数について特に制限はない。
【０１０９】
（実施形態２）
本実施形態に係る半導体発光素子について、図１４および図１５を用いて説明する。図１４は本実施形態の半導体発光素子の要部を示す断面図である。図１５は要部の組成分布を示す図である。本実施形態において、上記実施形態１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施形態が実施形態１と異なる点は、半導体発光層をＡｌＧａＮ層としたことにある。
【０１１０】
即ち、図１４に示すように、本実施形態の半導体発光素子９０の半導体積層体９１では、下地単結晶層であるＮ型ＧａＮ層１２に接してＮ型Ａｌｙ３Ｇａ（１−ｙ３）Ｎクラッド層９２（以後、単にＮ型ＡｌＧａＮクラッド層という）が設けられている。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４に接してＰ型Ａｌｙ３Ｇａ（１−ｙ３）Ｎクラッド層９３（以後、単にＰ型ＡｌＧａＮクラッド層という）が設けられている。
【０１１１】
半導体発光層９４は、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９２とＰ型ＡｌＧａＮクラッド層９３の間に設けられ、Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｙ２）Ｎ障壁層９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ、９５ｅ（以後、単にＡｌＧａＮ障壁層という）Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｙ１）Ｎ井戸層９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ（以後、単にＡｌＧａＮ井戸層という）とが交互に積層された量子井戸構造体である。
【０１１２】
半導体発光層９４は、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９３に接するＡｌＧａＮ障壁層９５ａで始まり、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９２に接するＡｌＧａＮ障壁層９５ｅで終わっている。
【０１１３】
ＡｌＧａＮ障壁層９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ、９５ｅを総称するときは、ＡｌＧａＮ障壁層９５と記し、ＡｌＧａＮ井戸層９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄを総称するときは、ＡｌＧａＮ井戸層９６と記す。
【０１１４】
ＡｌＧａＮ障壁層９５の厚さは、例えば５ｎｍである。ＡｌＧａＮ井戸層９６の厚さは、例えば５ｎｍである。ＡｌＧａＮ井戸層９６の数は、例えば４である。
【０１１５】
ＡｌＧａＮ井戸層９６のＡｌ組成ｙ１は、半導体発光素子９０から波長３６０乃至３８０ｎｍの光が放出されるように、例えば０．０６程度に設定されている。
【０１１６】
ＡｌＧａＮ井戸層９６のＡｌ組成ｙ１とＡｌＧａＮ障壁層９５のＡｌ組成ｙ２は、０＜ｙ１＜ｙ２≦１の関係にある。ＡｌＧａＮ障壁層９５のバンドギャップはＡｌＧａＮ井戸層９６のバンドギャップより広くなるように設定されている。
【０１１７】
更に、ＡｌＧａＮ井戸層９６に挟まれたＡｌＧａＮ障壁層９５ｂ、９５ｃ、９５ｄのうち、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９３に一番近いＡｌＧａＮ障壁層９５ｂのバンドギャップが残りのＡｌＧａＮ障壁層９５ｃ、９５ｄのバンドギャップより狭くなるように設定されている。
【０１１８】
ＡｌＧａＮ障壁層９５ｂを除いて、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９２側のＡｌＧａＮ障壁層９５のバンドギャップが、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９３側のＡｌＧａＮ障壁層９５のバンドギャップに等しいか、またはより広くなるように設定されている。
【０１１９】
即ち、ＡｌＧａＮ障壁層９５のバンドギャップをＥｇ（９５）と記すと、次の関係にある。 
Ｅｇ（９５ｂ）＜Ｅｇ（９５ｃ）≦Ｅｇ（９５ｄ）≦Ｅｇ（９５ａ）＝Ｅｇ（９５ｅ）
ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層のバンドギャップＥｇは、Ａｌ組成ｙに応じてＧａＮのバンドギャップ（約３．４５ｅＶ）からＡｌＮのバンドギャップ（約６．２ｅＶ）まで変化する。但し、直線的ではなく、バンドギャップボーイングにより下側に曲がっている。
【０１２０】
図１５は半導体発光層９４のＡｌ組成分布を示す図である。ここで、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９２およびＰ型ＡｌＧａＮクラッド層９３のＡｌ組成ｙ３は、０．２とした。Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９３に接するＡｌＧａＮ井戸層９５ａおよびＮ型ＡｌＧａＮクラッド層９２に接するＡｌＧａＮ井戸層９５ｅのＡｌ組成ｙ２は０．２とした。
【０１２１】
図１５に示すように、本実施形態の半導体発光素子９０では、ＡｌＧａＮ障壁層９５ｂ、９５ｃ、９５ｄのＡｌ組成ｙ１は、それぞれ０．０９、０．１２、０．１５である。即ち、ＡｌＧａＮ障壁層９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ、のバンドギャップはＰ型ＡｌＧａＮクラッド層９３側からＮ型ＡｌＧａＮクラッド層９２に向かって順に高くなっており、次式の関係にある。 
Ｅｇ（９５ｂ）＜Ｅｇ（９５ｃ）＜Ｅｇ（９５ｄ）＝Ｅｇ（９５ａ）＝Ｅｇ（９５ｅ）
パッド電極１７ａと基板電極２１間に電圧を印加すると、半導体発光層１５には、主面１５ａに略垂直な方向に電流が流れる。ＩｎＧａＮ井戸層９６に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約３６０乃至３８０ｎｍの近紫外線光が放出される。
【０１２２】
上述した半導体発光素子９０は、ＡｌＧａＮ障壁層９５ｂのバンドギャップが残りのＡｌＧａＮ障壁層９５ａ、９５ｃ、９５ｄ、９５ｅのバンドギャップより狭く設定されており、大電流を流したときに、ＡｌＧａＮ井戸層９６ａ内のキャリア密度が過大にならないように構成されている。
【０１２３】
半導体発光素子９０の動作および製造方法等は、図１に示す半導体発光素子１０と同様であり、その説明は省略する。
【０１２４】
以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子９０では、大電流で駆動してもＡｌＧａＮ井戸層９６ａ内のキャリア密度が適正に維持されるので、オージェ再結合を抑制し、且つキャリアのオーバフローを防止することができる。従って、近紫外線（波長３８０−２００ｎｍ）領域において、光出力の高い半導体発光素子が得られる。
【０１２５】
尚、半導体発光素子９０において、図１０に示すように透明導電膜５１、図１１に示すように、Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層１６２、超格子バッファ層１６３を設けることができる。図１２に示すように半導体積層体９１を導電性基板に設けることもできる。
【０１２６】
ＡｌＧａＮ障壁層９５ｂ、９５ｃ、９５ｄのＡｌ組成ｙは、この順に大きくなっていればよく、特に限定されない。ＡｌＧａＮ井戸層９６の数について特に制限はない。
【０１２７】
（実施形態３）
本実施形態に係る半導体発光素子について、図１６を用いて説明する。図１６は本実施形態の半導体発光素子を示す図で、図１６（ａ）はその上部を除去して眺めた平面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
【０１２８】
本実施形態において、上記実施形態１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施形態が実施形態１と異なる点は、半導体発光層に流れる電流をＰ型半導体層側から取り出すようにしたことにある。
【０１２９】
図１６に示すように、本実施形態の半導体発光素子２１０では、Ｐ側電極２１１がＰ型ＧａＮコンタクト層１４上に設けられていることは、図１に示す半導体発光素子１０と同様である。
【０１３０】
異なるのは、Ｎ側電極２１２が、半導体発光層１５の主面１５ａから主面１５ａに垂直な方向にＰ側電極２１１と等距離にある部分ａを複数有し、その部分ａにおいてＰ側電極２１１がＮ側電極２１２を囲むように配置されていることである。また、部分ａは、Ｎ側電極２１２がＰ側電極２１１を含む平面と交差する部分とも言える。
【０１３１】
即ち、Ｎ側電極２１２は、Ｐ側電極２１１から半導体発光層１５を貫通してＮ型ＧａＮクラッド層１２に接触する複数の柱状の第１Ｎ側電極２１２ａを有している。第１Ｎ側電極２１２ａは、例えば一点鎖線で示す六角形ｂの各頂点および中心点に配置されている（ハニカム構造）。第１Ｎ側電極２１２ａは、例えば直径２乃至２０μｍの円形である。隣接する第１Ｎ側電極２１２ａ間の距離は、例えば１０乃至１００μｍである。
【０１３２】
第１Ｎ側電極２１２ａは、半導体発光層１５とＮ型ＧａＮクラッド層１２の界面からＮ型ＧａＮクラッド層１２内に高さＨ１だけ突出している。第１Ｎ側電極２１２ａは、側面が絶縁膜２１３で覆われ、Ｐ側電極２１１乃至半導体発光層１５と電気的に分離されている。
【０１３３】
更に、Ｎ側電極２１２は、Ｐ側電極２１１上に絶縁膜２１３を介して設けられ、複数の第１Ｎ側電極２１２ａが共通接続された第２Ｎ側電極２１２ｂを有している。絶縁膜２１３は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成された厚さ１００乃至３００ｎｍのシリコン酸化膜である。
【０１３４】
第１Ｎ側電極２１２ａは、半導体発光層１５に流れる電流をＰ型半導体層側に引き出すために設けられている。第２Ｎ側電極２１２ｂは、各第１Ｎ側電極２１２ａにより引き出された電流を集電するために設けられている。
【０１３５】
半導体積層体１１は、Ｎ側電極２１２側が導電性の接合層１９を挟んで導電性の支持基板２０に設けられている。第２Ｎ側電極２１２ｂが接合層１９と接触している。半導体積層体１１には、半導体積層体１１を貫通する切り欠き部１１ａが設けられている。Ｐ側電極２１１の一部が、切り欠き部１１ａに露出し、Ｐ側電極パッド２１１ａになる。
【０１３６】
本実施形態の半導体発光素子２１０では、Ｐ側電極２１１から注入されたホールは半導体発光層１５によりＩｎＧａＮ井戸層２６のホール密度が均一化されるとともに、Ｎ側電極２１２から注入された電子が平面的に均一に分布するように構成されている。
【０１３７】
Ｐ側電極パッド２１１ａを電源の正極端子に接続し、基板電極２１を電源の負極端子に接続すると、矢印ｃに示すように電流はＰ側電極２１１から第１Ｎ側電極２１２ａに集中するように流れる。破線で示す六角形ｄは、Ｐ側電極２１１から第１Ｎ側電極２１２ａに集電される領域を示す仮想線である。これにより、半導体発光素子２１０の面内での電流分布は均一化される。
【０１３８】
隣接する第１Ｎ側電極２１２ａ間の距離が１０乃至１００μｍであるのに対して、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４から半導体発光層１５までの厚さは、高々１４５ｎｍである。半導体発光層１５の主面１５ａに平行な方向の距離と半導体発光層１５の主面１５ａに垂直な方向の距離の比は、１桁乃至２桁以上大きい。
【０１３９】
そのため、電流は半導体発光層１５の主面１５ａに平行な方向に流れる電流が主になり、半導体発光層１５の主面に垂直な方向に流れる電流が従になりやすい。
【０１４０】
そこで、半導体発光層１５の主面１５ａに垂直な方向の電流を増やすために、第１Ｎ側電極２１２ａがＮ型ＧａＮクラッド層１２内に突出する高さＨ１はできるだけ大きくすることが必要である。Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の厚さが４μｍの場合、高さＨ１は、例えば２μｍ以上とすることが望ましい。
【０１４１】
これにより、半導体発光層１５の主面１５ａに平行な方向の距離と半導体発光層１５の主面１５ａに垂直な方向の距離の比は、１桁台に低減される。半導体発光層１５の主面１５ａに垂直な方向の電流を増加させることができる。
【０１４２】
次に、半導体発光素子２１０の光出力をシミュレーションした結果について、図１７を用いて説明する。図１７において、シミュレーション条件および第１乃至第３比較例は、図５に示すシミュレーション条件および第１乃至第３比較例と同じものである。
【０１４３】
図１７に示すように、本実施形態の半導体発光素子２１０では、第１乃至第３比較例の半導体発光素子に比べて高い光出力が得られている。これから、半導体発光層１５の主面１５ａに垂直な方向の電流が十分確保されていることが確かめられた。
【０１４４】
次に、半導体発光素子２１０の製造方法について、図１８および図１９を参照して説明する。図１８および図１９は半導体発光素子２１０の製造工程の要部を順に示す断面図である。
【０１４５】
始めに、図７（ａ）および図７（ｂ）と同様にして、ＭＯＣＶＤ方によりサファイア基板４１に半導体積層体１１を形成する。半導体積層体１１のＰ型ＧａＮコンタクト層１４上にＰ側電極２１１を形成する。
【０１４６】
次に、図１８（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりＰ型ＧａＮコンタクト層１４上に、第１Ｎ側電極２１２ａに対応する開口２２１ａを有するレジスト膜２２１を形成する。レジスト膜２２１をマスクとして、例えばよう素系エッチャントを用いたウェットエッチングによりＰ側電極２１１を除去し、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４を露出させる。
【０１４７】
塩素系ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により半導体積層体１１を異方性エッチングする。異方性エッチングは、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２が深さＨ１だけ掘り下げられるまで行う。これにより、ビアホール２２２が得られる。
【０１４８】
次に、レジスト膜２２１を除去した後、図１８（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法によりＰ型ＧａＮコンタクト層１４、ビアホール２２２の側面および底面をコンフォーマルに覆うシリコン酸化膜２２３を形成する。
【０１４９】
次に、図１８（ｃ）に示すように、ビアホール２２２の底面のシリコン酸化膜２２３のみ除去する。これにより、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４上、ビアホール２２２の側面および底面を覆う絶縁膜２１３が得られる。尚、ビアホール２２２の底面のシリコン酸化膜２２３の除去は、例えば以下のようにして行う。
【０１５０】
シリコン酸化膜２２３上にポジ型レジスト膜を形成する。フォトリソグラフィ法によりビアホール２２２の底面のレジスト膜のみ露光・現像し、ビアホール２２２の底面のシリコン酸化膜２２３を露出させる。露出したシリコン酸化膜２２３を、例えばフッ酸を含む水溶液によりウェットエッチングする。レジスト膜を除去する。
【０１５１】
次に、図１９（ａ）に示すように、例えばスパッタリング法により絶縁膜２１３上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を形成する。これにより、絶縁膜２１３を介して、ビアホール２２２内に埋め込まれた第１Ｎ側電極２１２ａとＰ型ＧａＮコンタクト層１４上に形成された第２Ｎ側電極２１２ｂを有するＮ側電極２１２が得られる。
【０１５２】
次に、図７（ｃ）乃至図９と同様にして、サファイア基板４１とシリコン基板４２を接合し、サファイア基板４１を除去し、露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２に凹凸部１２ａを形成する。
【０１５３】
次に、図１９（ｂ）に示すように、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２上に切り欠き部１１ａに対応する開口２２４ａを有するレジスト膜２２４を形成し、ＲＩＥ法により半導体積層体１１を異方性エッチングし、Ｐ側電極２１１の一部を露出させる。露出したＰ側電極２１１がＰ側電極パッド２１１ａである。レジスト膜２２４を除去する。これにより、図１６に示す半導体発光素子２１０が得られる。
【０１５４】
以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子２１０では、Ｎ側電極２１２はＰ型半導体層側に設けられている。光取り出し面であるＮ型ＧａＮクラッド層１２上に電極が無いため、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の表面から取り出される光が電極で遮られることはない。従って、半導体発光素子２１０の光出力を増加させることができる利点がある。
【０１５５】
なお、図１１に示す半導体発光素子６０と同様に、半導体発光層１５とＰ型ＧａＮクラッド層１３の間にＰ型ＡｌＧａＮ層オーバフロー防止層６２が設けられていてもよい。Ｎ型ＧａＮクラッド層１２と半導体発光層１５の間に超格子バッファ層６３が設けられていてもよい。
【０１５６】
Ｎ側電極２１２が第２Ｎ側電極２１２ｂを有する場合について説明したが、第２Ｎ側電極２１２ｂは無くても特に支障はない。第１Ｎ側電極２１２ａが接合層１９と確実に接触していればよい。
【０１５７】
部分ａにおいてＰ側電極がＮ側電極を囲うように配置されている場合について説明したが、Ｎ側電極がＰ側電極を囲うように配置されていてもよい。
【０１５８】
図２０は、Ｎ側電極がＰ側電極を囲うように配置された半導体発光素子を示す図で、図２０（ａ）はその上部を除去して眺めた平面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）のＤ−Ｄ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
【０１５９】
図２０に示すように、半導体発光素子２３０では、Ｐ側電極２３１はＰ型ＧａＮコンタクト層１４上に設けられている。Ｎ側電極２３２は、半導体発光層１５の主面１５ａから主面１５ａに垂直な方向にＰ側電極２３１と等距離にある部分ａを複数有し、その部分ａにおいてＮ側電極２３２がＰ側電極２３１を囲むように配置されている。
【０１６０】
即ち、Ｎ側電極２３２は、Ｐ側電極２３１から半導体発光層１５を貫通してＮ型ＧａＮクラッド層１２に接触する六角格子状（ハニカム構造）の細線電極である。Ｎ側電極２３２は、例えば幅２乃至２０μｍの細線である。六角形の一辺の長さは、例えば６乃至６０μｍである。
【０１６１】
Ｎ側電極２３２は、半導体発光層１５とＮ型ＧａＮクラッド層１２の界面からＮ型ＧａＮクラッド層１２内に高さＨ１だけ突出している。Ｎ側電極２３２は、側面およびＰ側電極２３１側の端面が絶縁膜２３３で覆われ、Ｐ側電極２３１乃至半導体発光層１５と電気的に分離されている。
【０１６２】
Ｐ側電極２３１は六角格子状のＮ側電極２３２で分割されて、Ｎ側電極２３２で囲まれるようになっている。
【０１６３】
更に、半導体積層体１１は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４から半導体発光層１５の一部が除去され、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２を露出させる切り欠き部１１ｂを有している。切り欠き部１１ｂに露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２上に、柱状のＮ側電極バンプ２３４が設けられている。Ｎ側電極バンプ２３４は、隣接するＮ側電極２３２に接触している。
【０１６４】
半導体積層体１１は、Ｐ側電極２３１側が接合層１９を挟んで導電性の支持基板２０に設けられている。六角形状の各Ｐ側電極２３１は接合層１９と接触し、接合層１９に電気的に共通接続されている。
【０１６５】
支持基板２０には、半導体積層体１１に隣接して図示されない凹部が設けられ、その凹部に、例えばＣＶＤ法により絶縁膜２３５が埋め込まれている。絶縁膜２３５上にＮ側電極パッド２３６が設けられている。Ｎ側電極パッド２３５は、Ｎ側電極バンプ２３４に接触している。
【０１６６】
基板電極２１を電源の正極端子に接続し、Ｎ側電極パッド２３６を電源の負極端子に接続すると、矢印ｂに示すように電流はＰ側電極２３１から半導体発光層１５を通ってＰ側電極２３１を囲むＮ側電極２３２に流れ込む。
【０１６７】
Ｐ側電極２３１を囲むＮ側電極２３２に流れ込んだ電流は集電され、矢印ｃに示すようにＮ側電極２３２からＮ側電極バンプ２３４およびＮ側電極パッド２３６を介して取りだされる。従って、半導体発光素子２３０の面内での電流分布は均一化される。
【０１６８】
次に、半導体発光素子２３０の製造方法について説明する。図２１および図２２は半導体発光素子２３０の製造工程の要部を示す断面図である。
【０１６９】
始めに、図７（ａ）および図７（ｂ）と同様にして、サファイア基板４１に半導体積層体１１を形成する。半導体積層体１１のＰ型ＧａＮコンタクト層１４上にＰ側電極２３１を形成する。
【０１７０】
次に、図２１（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりＰ側電極２３１上に、六角格子状のＮ側電極２３２に対応する開口２４１ａおよび切り欠き部１１ｂに対応する開口２４１ｂを有するレジスト膜２４１を形成する。
【０１７１】
レジスト膜２４１をマスクとし、よう素系エッチャントを用いてＰ側電極２３１をウェットエッチングし、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４を露出させる。この段階で、Ｐ側電極２３１は六角形状に分割される。
【０１７２】
塩素系ガスを用いたＲＩＥ法により半導体積層体１１を異方性エッチングする。異方性エッチングは、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２が深さＨ１だけ掘り下げられるまで行う。これにより、六角格子状のトレンチ２４２および切り欠き部１１ｂが得られる。
【０１７３】
次に、レジスト膜２４１を除去した後、図２１（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法によりＰ側電極２３１上、トレンチ２４２の側面および底面にコンフォーマルにシリコン酸化膜を形成する。このとき、切り欠き部１１ｂの側面および底面にもシリコン酸化膜が形成される。
【０１７４】
次に、フッ素系ガスを用いたＲＩＥ法によりシリコン酸化膜を異方性エッチングする。Ｐ側電極２３１上、トレンチ２４２の底面、切り欠き部１１ｂの底面のシリコン酸化膜が除去され、トレンチ２４２の側面、切り欠き部１１ｂの側面のシリコン酸化膜が残置される。これにより、トレンチ２４２の側面に絶縁膜２３３が形成される。
【０１７５】
次に、図２１（ｃ）に示すように、トレンチ２４２内にＮ側電極２３２を埋め込み、Ｎ側電極２３２の端面を絶縁膜でカバーする。この絶縁膜は、絶縁膜２３３の一部になる。同時に、Ｎ側電極バンプ２３４を形成する。
【０１７６】
次に、図２２（ａ）に示すように、シリコン基板４２に、切り欠き部１１ｂと対応する凹部を形成し、シリコン基板２０上に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成し、シリコン基板２０が露出するまで、例えばＣＭＰ法によりシリコン酸化膜を除去する。これによりシリコン基板４２に埋め込まれた絶縁膜２３５が得られる。
【０１７７】
次に、シリコン基板４２上に接合層１９を形成し、絶縁膜２３４上にＮ側電極パッド２３６を形成する。Ｎ側電極パッド２３６は、接合層１９と同じものがよい。
【０１７８】
次に、図２２（ｂ）に示すように、サファイア基板４１を上下反転し、シリコン基板４２と向かい合わせ、Ｐ側電極２３１と接合層１９を重ね合わせ、Ｎ側電極バンプ２３４とＮ側電極パッド２３６を重ね合わせ、押圧してＮ側電極２３２と接続する。
【０１７９】
次に、図８および図９と同様にして、サファイア基板４１とシリコン基板４２を接合し、サファイア基板４１を除去し、露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２に凹凸部１２ａを形成する。これにより、図２０に示す半導体発光素子２３０が得られる。
【０１８０】
以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子２３０では、六角格子状のＮ側電極２３２は、部分ａにおいてＰ側電極２３１を囲むように配置されている。
【０１８１】
この構造においても、Ｐ側電極２３１をＮ側電極２３２が囲む構造になっているので、Ｐ側電極２３１の中心からＮ側電極２３２までの距離が均一である。従って、図１６に示す半導体発光素子２１０と同様の効果を得ることができる。
【０１８２】
また、この構造では半導体発光層１５の周囲もＮ側電極２３２で囲まれているため、光を上方のＮクラッド層１２側から取り出しやすくなっている。トレンチ２４２を形成する際に側面に角度を設け斜面にすることにより、さらに光を上方に向けることもできる。
【０１８３】
即ち、図２３（ａ）に示すように六角形状のＮ側電極２３２において、六角形の対向する２側面の少なくとも一方の側面を傾斜させることにより側面に垂直に入射した光は上方に向けることができる。一方、図２３（ｂ）に示すように、六角形の対向する２側面が平行の場合は、側面に垂直に入射した光は上方に向けることはできない。
【０１８４】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１８５】
なお、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。 
（付記１）  前記Ｎ型半導体層はＮ型ＧａＮクラッド層を含み、前記Ｐ型半導体層はＰ型ＧａＮクラッド層およびＰ型ＧａＮコンタクト層を含む請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。
【０１８６】
（付記２）  前記Ｎ型半導体層は、前記Ｎ型ＧａＮクラッド層と前記半導体発光層との間に設けられた超格子バッファ層を有する付記１に記載の半導体発光素子。
【０１８７】
（付記３）  前記Ｐ型半導体層は、前記Ｐ型ＧａＮクラッド層と前記半導体発光層との間に設けられたＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層を有する付記１に記載の半導体発光素子。
【０１８８】
（付記４）  前記透明導電膜がＩＴＯ膜、ＺｎＯ膜またはＳｎ２Ｏ膜である請求項３に記載の半導体発光素子。
【０１８９】
（付記５）  前記半導体発光層が前記Ｐ側電極を挟んで導電性の支持基板上に設けられている請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。
【０１９０】
（付記６）  導電性の支持基板と、
Ｎ型半導体層と、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記Ｐ型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップが残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い半導体発光層と、Ｐ型半導体層と、が順に積層された半導体積層体と、
前記半導体積層体の前記Ｎ型半導体層上に設けられた細線電極と、
前記導電性基板と前記Ｐ型半導体層の間に設けられ、前記半導体発光層から放出された光を反射する金属電極と、
を具備する半導体発光素子。
【０１９１】
（付記７）
前記導電性の支持基板は、シリコン基板、金属基板、セラミックス基板、ゲルマニウム基板である付記５または付記６に記載の半導体発光素子。
【符号の説明】
【０１９２】
１０、５０、６０、７０、９０、２１０、２３０  半導体発光素子
１１、６１、９１  半導体積層体
１２  Ｎ型ＧａＮクラッド層
１２ａ、８１  凹凸部
１３  Ｐ型ＧａＮクラッド層
１４  Ｐ型ＧａＮコンタクト層
１５、９４  半導体発光層
１５ａ  主面
１７  パッド電極
１７ａ  細線電極
１８  金属電極
１９  接合層
２０  支持基板
２１、７２  基板電極
２５  ＩｎＧａＮ障壁層
２６  ＩｎＧａＮ井戸層
４１  サファイア基板
４２  シリコン基板
４３、４４  金膜
４５  金錫合金膜
４６  ヒータ
４７  レーザ光
４８  Ｇａ層
５１、８０  透明導電膜
６２  Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層
６３  超格子バッフア層
７１  導電性基板
９２  Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
９３  Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
９５  ＡｌＧａＮ障壁層
９６  ＡｌＧａＮ井戸層
２１１、２３１  Ｐ側電極
２１２、２３２  Ｎ側電極
２１３、２３３、２３５  絶縁膜
２２１、２２４、２４１  レジスト膜
２２２  ビアホール
２２３  シリコン酸化膜
２３４  Ｎ側電極バンプ
２３６  Ｎ側電極パッド
２４２  トレンチ
【図１】
2013214700.tif 000003
【図２】
2013214700.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013214700.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013214700.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013214700.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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