(57)【要約】【課題】本発明の実施形態は、高信頼性の半導体発光素子を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１層と、第２層と、中間層と、第３層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記第１層は、側面が傾斜した凹部を含む凹凸を有する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する。前記第１層は、第１導電形の第１半導体層を含む。前記第２層は、第２導電形の第２半導体層を含む。前記中間層は、前記第２面と前記第２層との間に設けられる。前記第３層は、前記凹部に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を含む凹凸を有する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、前記凹部の側面は傾斜し、第１導電形の第１半導体層を含む第１層と、
第２導電形の第２半導体層を含む第２層と、
前記第２面と前記第２層との間に設けられた中間層と、
前記凹部に設けられた第３層と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
前記第３層の結晶方位は、前記第１層の結晶方位に沿う請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第３層の厚さは、３ナノメートル以上３００ナノメートル以下である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記凹部は、錐状である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記側面は、
前記第２層から前記第１層に向かう積層方向に対して傾斜した第１傾斜面と、
前記積層方向に対して傾斜し前記第１傾斜面と交差する第２傾斜面と、
を含み、
前記凹部の底部において、前記第１傾斜面の第１端部は前記第２傾斜面の第２端部と繋がり、
前記第３層は、前記１端部及び前記第２端部と接する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第３層は、前記第１端部と接する第１部分と、前記第２端部と接する第２部分と、を含み、
前記第１部分の結晶方位は、前記第１端部における結晶方位に沿い、
前記第２部分の結晶方位は、前記第２端部における結晶方位に沿う請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第３層は、前記底部と接する請求項５または６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第３層は、前記第１傾斜面に対して垂直な斜面厚さを有し、
前記斜面厚さは、３ナノメートル以上３０ナノメートル以下である請求項５〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第３層は、前記第１端部と接する第１部分を含み、
前記第１部分の前記積層方向に沿った厚さは、前記第１部分の前記第１傾斜面に対して垂直な方向に沿った厚さの１倍以上３倍以下である請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１層は、窒化物半導体を含み、
前記第３層は、窒化アルミニウムを含む請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
側面が傾斜した凹部を含む凹凸を有する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、第１導電形の第１半導体層を含む第１層と、
第２導電形の第２半導体層を含む第２層と、
前記第２面と前記第２層との間に設けられた中間層と、
を含む積層体を準備し、
前記第１面の前記凹部の上に第３層を形成する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】
本発明の実施形態は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子（例えば、発光ダイオード）において、信頼性の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２４３８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高信頼性の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１層と、第２層と、中間層と、第３層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記第１層は、凹部を含む凹凸を有する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する。前記凹部の斜面は、傾斜している。前記第１層は、第１導電形の第１半導体層を含む。前記第２層は、第２導電形の第２半導体層を含む。前記中間層は、前記第２面と前記第２層との間に設けられる。前記第３層は、前記凹部に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を拡大して例示している。図１（ａ）に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１層１０と、第２層２０と、中間層１５と、第３層３０と、を含む。
【０００９】
第１層１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂと、を有する。第１面１０ａは、凹凸１０ｄｐを有する。凹凸１０ｄｐは、凹部１０ｄを有する。凹部１０ｄの側面１０ｓは、傾斜している。第２面１０ｂは、第１面１０ａとは反対側の面である。第１層１０は、第１導電形の第１半導体層１１を含む。この例では、第１層１０の全体が、第１半導体層１１である。後述するように、第１層１０は、第１半導体層１１に加えて他の層をさらに含んでも良い。第１層１０は、例えば第１結晶層である。
【００１０】
この例では、凹部１０ｄの底（底部１０ｔ）は、第１半導体層１１中に位置する。
【００１１】
第２層２０は、第２導電形の第２半導体層２１を含む。第２層２０は、第１層１０と離間している。第２層２０は、例えば第２結晶層である。
【００１２】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。例えば、第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形とする。
【００１３】
第２層２０から第１層１０に向かう積層方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１４】
中間層１５は、第１層１０の第２面１０ｂと、第２層２０と、の間に設けられる。中間層１５は、例えば、発光層である。中間層１５は、障壁層ＢＬと、井戸層ＷＬと、を含む。この例では、複数の障壁層ＢＬと、複数の井戸層ＷＬと、が設けられている。複数の障壁層ＢＬと、複数の井戸層ＷＬと、は、Ｚ軸方向に沿って交互に配置される。この例では、複数の井戸層ＷＬが設けられている。実施形態において、井戸層ＷＬの数は、１でも良い。
【００１５】
後述するように、第１層１０及び第２層２０を介して中間層１５に電流が供給され、中間層１５から光が放出される。放出される光のピーク波長は、例えば２４０ナノメートル（ｎｍ）以上８００ｎｍ以下である。放出される光の強度は、ピーク波長において最大となる。
【００１６】
第３層３０は、少なくとも、第１面１０ａの凹部１０ｄに設けられる。この例では、第３層３０は、第１面１０ａの凹凸１０ｄｐの形状に沿って、凹凸１０ｄｐを覆っている。第３層３０は、例えば第３結晶層である。
【００１７】
既に説明したように、凹部１０ｄの側面１０ｓは、傾斜している。側面１０ｓは、Ｚ軸方向に対して傾斜しており、すなわち、Ｘ−Ｙ平面に対して傾斜している。凹部１０ｄは、例えば、錐状である。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、側面１０ｓは、第１傾斜面ｓ１と、第２傾斜面ｓ２と、を含む。第１傾斜面ｓ１は、積層方向（第２層２０から第１層１０に向かうＺ軸方向）に対して傾斜している。第２傾斜面ｓ２は、積層方向に対して傾斜し、第１傾斜面ｓ１と交差する。例えば、凹部１０ｄの底部１０ｔにおいて、第１傾斜面ｓ１の第１端部ｅ１は、第２傾斜面ｓ２の第２端部ｅ２と繋がっている。
【００１９】
第３層３０は、第１端部ｅ１及び第２端部ｅ２と接している。第３層３０は、第１端部ｅ１と接する第１部分ｐ１と、第２端部ｅ２と接する第２部分ｐ２と、を含む。第３層３０は、凹部１０ｄの底部１０ｔと、実質的に接している。第３層３０の第１部分ｐ１及び第２部分ｐ２が、側面１０ｓの下部（第１端部ｅ１及び第２端部ｅ２）を覆っている。
【００２０】
凹部１０ｄの幅ｗ１（Ｚ軸方向に対して垂直な方向の長さ）は、例えば、中間層１５から放出される光のピーク波長の０．５倍以上１０倍以下である。例えば、ピーク波長が４００ｎｍである場合、幅ｗ１は、２００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。
【００２１】
このような凹凸１０ｄｐを設けることで、中間層１５から放出された光の進行方向を変えて、光を素子の外部に取り出す。光取り出し効率が向上する。
【００２２】
第３層３０の厚さは、３ナノメートル（ｎｍ）以上３００ｎｍ以下である。例えば、第３層３０は、第１傾斜面ｓ１に対して垂直な斜面厚さ（厚さｔ３）を有する。厚さｔ３は、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。厚さｔ３は、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがさらに望ましい。
【００２３】
第３層３０の厚さｔ３が過度に薄いと、第３層３０における凹凸１０ｄｐの被覆性が低くなる。例えば、ピンホールなどが生じ、信頼性が低くなる場合がある。
【００２４】
既に説明したように、第３層３０は、第１面１０ａの凹凸１０ｄｐの形状に沿っている。第３層３０の厚さｔ３が過度に厚いと、第３層３０の形状は、第１面１０ａの凹凸１０ｄｐの形状に沿わなくなる。例えば、過度に厚いと、クラックなどが発生し、結晶性が損なわれることがある。３００ｎｍ以下の厚さｔ３において、クラックなどが抑制される。
【００２５】
一方、第３層３０において、光の吸収が生じる。厚さｔ３を５０ｎｍ以下にすることで、光の吸収を効果的に抑制することができる。厚さｔ３は、３０ｎｍ以下であることがさらに望ましい。
【００２６】
実施形態において、第１層１０、第２層２０及び中間層１５には、例えば、窒化物半導体が用いられる。第３層３０にも窒化物半導体を用いても良い。例えば、第３層３０として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられる。
【００２７】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。  
図２（ａ）に示すように、基板７１の上に、バッファ層７２を形成する。基板７１には、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、石英、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ及びＧａＡsのいずれかが用いられる。基板７１の面方位は任意である。基板７１としてＳｉを用いる場合、バッファ層７２として、例えば、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の少なくともいずれか、または、これらの積層構造が用いられる。
【００２８】
バッファ層７２の上に、第１層１０を形成する。例えば、アンドープのＧａＮ層を形成した後、その上に、ｎ形の第１半導体層１１を形成する。第１半導体層１１には、ｎ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかが用いられる。第１半導体層１１は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。
【００２９】
第１層１０の上に、中間層１５を形成する。例えば、井戸層ＷＬとなるＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１）層と、障壁層ＢＬとなるＧａＮ層と、を交互に形成する。障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーは井戸層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【００３０】
中間層１５の上に、第２層２０を形成する。第２層２０として、例えば、ｐ形不純物を含むＧａＮ層を形成する。ｐ形不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかが用いられる。第２層２０は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように、第２層２０に支持部７５を結合した後、基板７１を除去する。このとき、バッファ層７２の少なくとも一部が除去されても良い。バッファ層７２の一部が残っても良い。バッファ層７２が残る場合は、残ったバッファ層７２は、第１層１０の一部と見なす。
【００３２】
図２（ｃ）に示すように、第１層１０の表面に凹凸１０ｄｐを形成する。形成には、例えば、ウエットエッチング及びドライエッチングの少なくともいずれかが用いられる。
【００３３】
これにより、積層体２５が形成される。この積層体２５は、上記の第１層１０と、第２層２０と、中間層１５と、を含む。
【００３４】
図２（ｄ）に示すように、凹凸１０ｄｐの上に、第３層３０を形成する。例えば、第３層３０としてＡｌＮ層を形成する場合は、Ａｌを含むターゲットを用い、窒素を含む雰囲気中でのスパッタにより、第３層３０が形成される。例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ装置を使用し、Ｎ２流量が４ｓｃｃｍ〜７ｓｃｃｍ（例えば５．５ｓｃｃｍ）、Ａｒ流量が１５ｓｃｃｍ〜２５ｓｃｃｍ（例えば２０ｓｃｃｍ）、ＲＦパワーが４００Ｗ〜６００Ｗ（例えば５００Ｗ）、バイアスパワー４００Ｗ〜６００Ｗ（例えば５００Ｗ）の条件で、ＡｌＮ結晶層（第３層３０）が形成される。条件は、許容幅を持ち、また、成膜装置の差により若干変動する。必要に応じて熱処理を行う。  
これにより、図１（ａ）に例示した半導体発光素子１１０が得られる。
【００３５】
実施形態においては、側面１０ｓが傾斜した凹凸１０ｄｐの底部１０ｔに、結晶性の第３層３０が設けられる。これにより、信頼性が向上する。
【００３６】
例えば、半導体発光素子１１０に静電気による高電圧が印加される場合があり、素子が破壊される場合がある。特に、第１層１０に凹凸１０ｄｐが設けられ、凹部１０ｄの側面１０ｓが傾斜面である場合には、凹部１０ｄの底部１０ｔの幅が極めて狭くなる。すなわち、錐状の凹部１０ｄが設けられる。このような場合には、幅が狭い底部１０ｔにおいて、静電気（電荷）が局所的に集まる。高電圧が底部１０ｔに加わる。底部１０ｔにおいては、第１層１０と第２層２０との間の距離が、局所的に短い。このため、底部１０ｔにおいて、静電気による高電圧が集中し、底部１０ｔにおいて、短絡が生じる。すなわち、底部１０ｔにおいて、静電気放電（ＥＳＤ：electro-static discharge）による破壊が生じやすい。
【００３７】
実施形態においては、底部１０ｔに結晶性の第３層３０を設ける。第３層３０が結晶性であるため、非晶質の場合に比べて、第３層３０における保護機能が高い。これにより、底部１０ｔにおいて生じやすいＥＳＤ破壊を効果的に抑制することができる。
【００３８】
例えば、第１層１０の第１面１０ａの凹凸１０ｄｐを覆うように、非晶質のＳｉＯ２層または非晶質のＳｉＮ層などを設ける参考例がある。非晶質の層においては、層中の構造がランダムであり、層中における絶縁性が不均一である。このため、層の一部に絶縁性の低い場所が局所的に生じる。例えば、この局所的に絶縁性が低い場所において、電流が局所的に流れやすい。すなわち、ＥＳＤ耐性が低い場所が局所的に生じる。従って、層が非晶質である場合には、ＥＳＤ破壊の抑制効果が十分ではない。
【００３９】
これに対して、実施形態においては、底部１０ｔに設ける層として、結晶性の第３層３０を用いる。結晶においては、層中の構造の均一性が高く、層中における絶縁性の均一性も高い。このため、絶縁性の低い場所が局所的に生じることが抑制される。このため、結晶性の第３層３０を用いることで、ＥＳＤ破壊を効果的に抑制できる。
【００４０】
結晶においては、膜が緻密である。このため、非晶質の場合に比べて、保護性能が高い。例えば、結晶の第３層３０で凹部１０ｄを覆うことで、第１層１０の表面を高密度で覆うことができる。高い保護性能が得られる。局所的に生じるＥＳＤ破壊を抑制できると共に、第１層１０への不純物などの進入も効果的に抑制できる。
【００４１】
さらに、半導体発光素子１１０を動作させて電流を流した場合に、凹部１０ｄの底部１０ｔにおいて電流が集中し、温度が局所的に上昇する場合がある。そして、温度の局所的な上昇に伴って、局所的な熱膨張が生じ、これにより、第１層１０に局所的な応力が加わる場合がある。局所的な応力により第１層１０にダメージが生じると、そのダメージが生じた部分にさらに電流が集中することになる。この現象が繰り返され、加速度的にダメージの程度が大きくなる。
【００４２】
このとき、実施形態においては、結晶性の第３層３０を凹部１０ｄに設ける。結晶性であるため、第３層３０は強固である。これにより、局所的な応力が第１層１０に加わった場合においても、強固な第３層３０は、第１層１０へのダメージを抑制できる。
【００４３】
一方、非晶質の層を凹部１０ｄに設ける参考例においては、非晶質の層の強度が低いため、ダメージを抑制する効果が低い。
【００４４】
これに対して、実施形態においては、結晶性の第３層３０を設けることで、第１層１０においてダメージを生じ難くできる。これにより、高い信頼性を得ることができる。
【００４５】
実施形態において、凹凸１０ｄｐは、例えば、ウエットエッチングにより形成される場合がある。この場合には、第１層１０の結晶性の不均一性に起因して、凹部１０ｄの深さは均一ではない。例えば、第１層１０に転位などの結晶欠陥がある場合、その結晶欠陥の場所において、エッチング速度が局所的に高くなる場合がある。このように、凹部１０ｄの深さが他に比べて深い部分においては、凹部１０ｄの底部１０ｔと、第２層２０と、の間の距離が、他に比べて局所的に短くなる。このような場所においては、ＥＳＤ破壊が特に生じ易くなる。そして、通電時の熱も特に集中し易くなる。
【００４６】
このとき、実施形態においては、凹部１０ｄの底部１０ｔに結晶性の第３層３０を設ける。これにより、ＥＳＤ破壊が生じやすく応力が集中し易い底部１０ｔにおいて、ＥＳＤ破壊及び応力による破壊を効果的に抑制できる。
【００４７】
実施形態において、凹部１０ｄはドライエッチングにより形成しても良い。この場合は、凹部１０ｄの深さは、比較的均一にできる。しかしながら、凹部１０ｄの側面１０ｓが傾斜している場合には、凹部１０ｄの底部１０ｔにおいては、ＥＳＤは生じやすく、応力も集中しやすい。このため、結晶性の第３層３０を設けることで、ＥＳＤ破壊及び応力による破壊を抑制できる。
【００４８】
実施形態において、第３層３０の結晶方位は、第１層１０の結晶方位に沿っている。例えば、第３層３０において、第１部分ｐ１の結晶方位は、第１傾斜面ｓ１の第１端部ｅ１における結晶方位に沿っている。そして、第２部分ｐ２の結晶方位は、第２傾斜面ｓ２の第２端部ｅ２における結晶方位に沿っている。
【００４９】
第３層３０は、第１層１０と実質的に格子整合している。第３層３０は、第１層１０と疑似格子整合している。第３層３０は、第１層１０と実質的にコヒーレントである。第３層３０は、第１層１０の格子情報を引き継いでいる。第３層３０は、第１層１０の側面１０ｓの上に、エピタキシャル成長している。
【００５０】
第３層３０の結晶方位が、第１層１０の結晶方位に沿っていることで、第３層３０と第１層１０との結合は、強固である。例えば、ＥＳＤ耐性が特に向上する。第１層１０に応力が加わった場合においても、第１層１０に強固に結合した第３層３０により、第１層１０に生じるダメージが特に抑制できる。
【００５１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図３（ａ）は、第１層１０に対応するＧａＮ層１０Ｌの上に、第３層３０に対応するＡｌＮ層３０Ｌを形成した試料に対応する。図３（ｂ）は、ＧａＮ層１０Ｌの上に、非晶質のＳｉＮ層３９Ｌを形成した試料に対応する。これらの図は、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）像である。
【００５２】
図３（ａ）に示すように、ＧａＮ層１０Ｌにおいては、結晶に由来する規則的な縞模様が観察される。そして、ＡｌＮ層３０Ｌにおいても、結晶に由来する規則的な縞模様が観察される。ＧａＮ層１０ＬとＡｌＮ層３０Ｌとの間の界面ＩＦにおいて、ＡｌＮ層３０Ｌにおける結晶が、実質的に、ＧａＮ層１０Ｌと格子整合していることが分かる。
【００５３】
図３（ｂ）に示すように、非晶質のＳｉＮ層３９Ｌにおいては、縞模様が観察されない。
【００５４】
実施形態において、ＧａＮ層１０Ｌと格子整合しているＡｌＮ層３０Ｌを用いることで、より高い信頼性が得られる。
【００５５】
実施形態において、第１層１０としては、例えばｃ面の窒化物半導体が用いられる。そして、凹部１０ｄをウエットエッチングで形成する場合、第１傾斜面ｓ１は、例えば（１０−１−３）面、（１０−１−１）面、または、（１０−１−２）面となり易い。傾斜面の面方位はエッチング条件で微細に変動し、または、制御することが可能なため、必ずしも上記の限りではない。より垂直方向に先鋭にすることも、角度を鈍くすることもできる。第２傾斜面ｓ２も、例えば、ウエットエッチングで形成する場合において、（１０−１−３）面、（１０−１−１）面、または、（１０−１−２）面となり易い。例えば、第１傾斜面ｓ１が、（１０−１−１）面のときに、第２傾斜面ｓ２は、（１０１−１）面になり易い。例えば、第１傾斜面ｓ１が、（１０−１−３）面のときに、第２傾斜面ｓ２は、（１０１−３）面になり易い。例えば、第１傾斜面ｓ１が、（１１０−１）面のときに、第２傾斜面ｓ２は、（１−１０−１）面になり易い。但し、実施形態は、これらの面方位に限定されない。凹部１０ｄをウエットエッチングで形成する場合においても、処理条件の設定により、１傾斜面ｓ１及び第２傾斜面ｓ２の角度を上記以外の角度にすることができる。
【００５６】
凹部１０ｄをドライエッチングで形成する場合も、第１傾斜面ｓ１及び第２傾斜面ｓ２の角度は、所望の角度に設定できる。処理条件の設定により、角度が制御できる。
【００５７】
第１傾斜面ｓ１と第２傾斜面Ｓ２との間の角度は、例えば、６０度以上１２０度以下である。この範囲の角度において、高い光取り出し効率が得られる。この角度は、約８０度（例えば７０度以上９０度以下）であることがさらに好ましい。この場合に、光取り出し効率を特に高くできる。
【００５８】
実施形態において、例えば、第１層１０には、第１窒化物半導体（例えば、ｎ形ＧａＮなど）が用いられる。第２層２０には、第２窒化物半導体（ｐ形ＧａＮなど）が用いられる。窒化物半導体を用いる場合、凹部１０ｄは、六角錐状である。
【００５９】
このとき、第３層３０には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられる。第１層１０に窒化物半導体を用いる場合、第３層３０としてＡｌＮを用いると、第１層１０と第３層３０との間において格子が整合し易い。ＡｌＮは被覆性が高いため、凹凸１０ｄｐの形状に沿った均一な第３層３０が得られる。
【００６０】
第３層３０に用いられるＡｌＮは、微量の不純物（例えば酸素など）を含んでも良い。例えば、第３層３０として、アルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）を用いても良い。酸素濃度が低い場合には、良好な結晶性が得られる。酸素などの不純物の濃度は、２０％以下であることが好ましい。これにより、良好な結晶性が維持できる。
【００６１】
実施形態において、第１層１０として窒化物半導体を用い、第３層３０として、炭化シリコン（ＳｉＣ）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）の少なくともいずれかを用いても良い。これらの材料の格子定数は、ＧａＮの格子定数に比較的近い。これにより、第３層３０において、良好な結晶性が得られる。第３層３０として、Ａｌ２Ｏ３を用いても良い。
【００６２】
実施形態において、凹部１０ｄの底部１０ｔと第２層２０との間のＺ軸方向の距離は、３００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。この距離は、第１層１０の実質的な厚さに対応する。この距離が過度に短いと、例えば、第１層１０における電流の広がりが不十分になり、発光が不均一なり、発光効率が低下する。この距離が過度に短いと、ＥＳＤ破壊の発生率が高まる。この距離が過度に長いと、例えば、第１層１０における光吸収が大きくなり、効率が低下する。
【００６３】
図４は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図４に示すように、第３層３０は、第１部分ｐ１を含む。第１部分１ｐは、第１傾斜面ｓ１の第１端部ｅ１と接する部分である。第１部分ｐ１のＺ軸方向に沿った厚さｔｚは、第１部分ｐ１の第１傾斜面ｓ１に対して垂直な方向に沿った厚さ（厚さｔ３）の１倍以上３倍以下である。すなわち、第３層３０は、凹部１０ｄの形状に実質的に沿って、実質的に均一な厚さで設けられている。すなわち、凹部１０ｄの表面が、実質的に均一な第３層３０で覆われる。これにより、不均一な場合に比べて、ＥＳＤ耐性が低い場所が局所的に生成されることが抑制される。
【００６４】
例えば、第１傾斜面ｓ１から１つの結晶層が形成され、第２傾斜面ｓ２から別の結晶層が形成され、これらの結晶層が合体する場合がある。それらの結晶層が合体する位置は、凹部１０ｄの底部１０ｔの上の位置である。このとき、第１傾斜面ｓ１及び第２傾斜面ｓ２の上だけに結晶層が成長し、底部１０ｔの上に結晶層が成長しない場合には、底部１０ｔの上に、空洞が形成される場合がある。このような場合には、底部１０ｔにおいて、ＥＡＤ破壊及び応力破壊の抑制効果が十分に高くない場合がある。
【００６５】
従って、実施形態においては、底部１０ｔの上に空洞が形成されないことが好ましい。すなわち、第３層３０は、凹部１０ｄの底部１０ｔに接するように、形成される。
【００６６】
図５は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図５に示すように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１０ａにおいては、第３層３０は、凹部１０ｄのうちの底（底部１０ｔ）を除く部分には設けられていない。すなわち、上記のように、底部１０ｔにおいて、ＥＳＤ破壊などが生じやすい。このため、第３層３０は、少なくとも底部１０ｔに設けられれば良い。これにより、信頼性が向上できる。
【００６７】
実施形態において、第３層３０は、凹部１０ｄに設けられれば良く、凹凸１０ｄｐの凸部の上には設けられなくても良い。
【００６８】
図６は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図６に示すように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１１においては、第１層１０は、低不純物濃度層１２をさらに含む。低不純物濃度層１２と中間層１５との間に、第１半導体層１１が配置される。
【００６９】
第１半導体層１１における第１導電形の不純物の濃度は、低不純物濃度層１２における不純物の濃度よりも高い。例えば、第１半導体層１１には、ｎ形ＧａＮが用いられる。低不純物濃度層１２には、例えば不純物をドープしないｉ−ＧａＮが用いられる。
【００７０】
この例では、凹部１０ｄの底（底部１０ｔ）は、低不純物濃度層１２中に位置する。低不純物濃度層１２においては、第１半導体層１１に比べて導電性が低い。底部１０ｔの位置を低不純物濃度層１２中にすることで、底部１０ｔにおける電流の集中が抑制でき、信頼性が向上する。
【００７１】
なお、半導体発光素子１１１においては、低不純物濃度層１２の一部が除去され、除去された部分において、第１半導体層１１と電極とが電気的に接続される。
【００７２】
図７は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図７に示すように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２においては、第３層３０の上に、絶縁膜３５がさらに設けられている。絶縁膜３５には、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物及びシリコン酸窒化物の少なくともいずれかが用いられる。これらの膜は、非晶質である。絶縁膜３５の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。絶縁膜３５を設けることでさらに信頼性が高まる。実施形態において、絶縁膜３５は必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００７３】
図８は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図８に示すように、実施形態に係る別の半導体発光素子１２０においては、第１電極４１、第２電極５１、配線層５２、絶縁層６０、パッシベーション膜８０、支持部７５、接合層７６、裏面電極７７、パッド電極７８が設けられている。
【００７４】
第１半導体層１１は、第１半導体領域１１ａと第２半導体領域１１ｂとを含む。第２半導体領域１１ｂから第１半導体領域１１ａに向かう方向は、Ｚ軸方向と交差する。
【００７５】
第２半導体領域１１ｂと第２層２０（第２半導体層２１）との間に、中間層１５が設けられる。
【００７６】
第１層１０と支持部７５との間に、第２層２０及び中間層１５が配置される。
【００７７】
第１半導体領域１１ｂと支持部７５との間に第１電極４１が配置される。第１電極４１は、第１半導体層１１と電気的に接続される。第１電極４１と支持部７５との間に接合層７６が配置される。この例では、支持部７５は導電性である。接合層７６は、導電性であり、支持部７５と第１電極４１とを電気的に接続する。
【００７８】
この例では、裏面電極７７が設けられており、裏面電極７７と接合層７６との間に支持部７５が配置される。
【００７９】
支持部７５と第２半導体層２１との間に、第２電極５１が設けられる。支持部７５と第２電極５１との間に配線層５２が設けられる。配線層５２は、第２電極５１を介して、第２半導体層２１と電気的に接続される。配線層５２は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に平行に延びる。
【００８０】
支持部７５と配線層５２との間に絶縁層６０が配置される。支持部７５と絶縁層６０との間に接合層７６が配置される。支持部７５と電気的に接続されている接合層７６は、絶縁層６０により、配線層５２、第２電極５１及び第２半導体層２１と電気的に絶縁される。
【００８１】
配線層５２の一端５２ｅは、パッド電極７８と支持部７５との間の位置に延在している。配線層５２は、パッド電極７８と電気的に接続される。
【００８２】
第１層１０、中間層１５、第２層２０を含む積層体２５の側面２５ｓにパッシベーション膜８０が設けられる。これにより、積層体２５が保護される。
【００８３】
パッド電極７８と裏面電極７７との間に電圧を印加する。配線層５２、第２電極５１、第２半導体層２１、支持部７５、接合層７６、第１電極４１及び第１半導体層１１を介して、中間層１５に電流が供給される。半導体発光素子１２０は、例えば、ＬＥＤである。
【００８４】
中間層１５から放出された光は、第１電極４１及び第２電極５１で反射し、例えば、第３層３０を通過して、外部に出射する。
【００８５】
第１電極４１及び第２電極５１には、銀、銀合金及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかが用いられる。高い光反射率が得られる。これらの電極は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＴｉの少なくともいずれかを含んでも良い。例えば、半導体層との良好なオーミック接触性が得られる。
【００８６】
配線層５２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などが用いられる。  
絶縁層６０及びパッシベーション膜８０には、例えば、シリコンの酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくともいずれかが用いられる。
【００８７】
半導体発光素子１２０においては、第３層３０を用いることで、高い信頼性が得られる。
【００８８】
半導体発光素子１２０において、第１層１０に用いられるＧａＮの屈折率は、約２．４である。第３層３０に用いられる例えばＡｌＮの屈折率は、約２．１である。第１層１０、第３層３０、及び、外界（空気）の順で、屈折率が低下する。その結果、高い光取り出し効率が得られる。
【００８９】
図９は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図９に示すように、実施形態に係る別の半導体発光素子１３０においては、半導体発光素子１２０において、実装部材８５と、波長変換層８６と、がさらに設けられる。
【００９０】
実装部材８５と支持部７５との間に、裏面電極７７が配置される。波長変換層８６と第１層１０との間に、第３層３０が配置される。
【００９１】
中間層１５から放出された光は、例えば、第３層３０を通過して、波長変換層８６に入射する。波長変換層８６は、中間層１５から放出された第１波長の光の一部を吸収し、第１波長とは異なる第２波長の光に変換する。波長変換層８６には、例えば、蛍光体層が用いられる。例えば、第１波長の光は青色である。蛍光体層は、青色の光を、黄色及び赤色の少なくともいずれかの光に変換する。波長変換層８６を通過した光は、例えば、実質的に白色である。  
半導体発光素子１３０において、高い信頼性が得られる。
【００９２】
半導体発光素子１３０において、波長変換層８６の屈折率は、例えば、約１．６である。このため、第１層１０、第３層３０、波長変換層８６、及び、外界（空気）の順で、屈折率が低下する。その結果、高い光取り出し効率が得られる。例えば、第３層３０の代わりにＳｉＯ２膜などを用いる場合に比べて、光取り出し効率を向上できる。
【００９３】
例えば、Thin-Film型の半導体発光素子において、光取り出し効率を向上するために結晶層の表面に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状の凹部において、局所的な電流集中が生じる。微少な電流リークが生じる。ＥＳＤ耐性が低く、長期信頼性が不十分である場合がある。実施形態においては、凹部に結晶層を設けることで、微小な電流リークを低減する。そして、ＥＳＤ耐性を向上する。そして、長期信頼性を改善する。
【００９４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、半導体発光素子の製造方法に係る。  
図１０は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。  
図１０に示すように、積層体２５を準備する（ステップＳ１１０）。この積層体２５は、第１層１０と、第２層２０と、中間層１５と、を含む。第１層１０は、側面１０ｓが傾斜した凹部１０ｄを含む凹凸１０ｄｐを有する第１面１０ａと、第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂと、を有する。第１層１０は、第１導電形の第１半導体層１１を含む。第２層２０は、第２導電形の第２半導体層２１を含む。中間層１５は、第２面１０ｂと第２層２０との間に設けられる。すなわち、例えば、図２（ａ）〜図２（ｃ）に関して説明した処理を行う。
【００９５】
そして、第１面１０ａの凹部１０ｄの上に、第３層３０を形成する（ステップＳ１２０）。例えば、図２（ｄ）に関して説明した処理を行う。  
これにより、第１の実施形態に係る半導体発光素子が得られる。
【００９６】
本製造方法において、第３層３０の結晶方位は、第１層１０の結晶方位に沿っている。
【００９７】
例えば、第３層３０の形成においては、アルミニウムを含むターゲットを用いた窒素を含む雰囲気中でのスパッタにより、第３層３０を形成する。これにより、結晶方位が第１層１０の結晶方位に沿った、第３層３０を安定して形成することができる。
【００９８】
本実施形態によれば、高信頼性の半導体発光素子を高生産性で製造することができる。
【００９９】
実施形態に係る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法において、結晶層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー（Halide Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）法などを用いることができる。
【０１００】
例えば、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法を用いた場合では、各結晶層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Ｇａの原料として、例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料としては、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）などを用いることができる。
【０１０１】
実施形態によれば、高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法が提供できる。
【０１０２】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１０３】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１０４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる結晶層、半導体層、中間層、電極及び支持部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０１０５】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１０６】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１０７】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１０８】
本発明の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。
【符号の説明】
【０１０９】
１０…第１層、  １０Ｌ…ＧａＮ層、  １０ａ…第１面、  １０ｂ…第２面、  １０ｄ…凹部、  １０ｄｐ…凹凸、  １０ｓ…側面、  １０ｔ…底部、  １１…第１半導体層、  １１ａ…第１半導体領域、  １１ｂ…第２半導体領域、  １２…低不純物濃度層、  １５…中間層、  ２０…第２層、  ２１…第２半導体層、  ２５…積層体、  ２５ｓ…側面、  ３０…第３層、  ３０Ｌ…ＡｌＮ層、  ３５…絶縁膜、  ３９Ｌ…ＳｉＮ層、  ４１…第１電極、  ５１…第２電極、  ５２…配線層、  ５２ｅ…一端、  ６０…絶縁層、  ７１…基板、  ７２…バッファ層、  ７５…支持部、  ７６…接合層、  ７７…裏面電極、  ７８…パッド電極、  ８０…パッシベーション膜、  ８５…実装部材、  ８６…波長変換層、  １１０、１１０ａ、１１１、１１２、１２０、１３０…半導体発光素子、  ＢＬ…障壁層、  ＩＦ…界面、  ＷＬ…井戸層、  ｅ１、ｅ２…第１、第２端部、  ｐ１、ｐ２…第１、第２部分、  ｓ１、ｓ２…第１、第２傾斜面、  ｔ３…厚さ、  ｔｚ…厚さ、  ｗ１…幅
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2016062925.tif 000009
【図９】
2016062925.tif 000010
【図１０】
2016062925.tif 000011
【図３】
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