(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の主面を有する基板(11)と、
前記基板(11)の一方の主面上に第１の伝導型半導体層と、
前記第１の伝導型半導体層上に第２の伝導型半導体層と、
前記第１の伝導型半導体層と第２の伝導型半導体層との間に形成される活性層(14)と、
前記第２の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層(14)から前記第２の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層(16)と、
を備え、上記基板(11)の他方の主面を主光取出し面とする半導体素子であって、
前記反射層(16)と第２の伝導型半導体層との間に透光性導電層(17)が形成されており、前記透光性導電層(17)と前記反射層(16)との界面に凹凸面(22)が形成されてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)と前記第２の伝導型半導体層との界面が略平滑面であることを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体素子であって、
前記凹凸面(22)が傾斜面を備えており、該傾斜面の傾斜角度が主光取出し面の法線に対して６０°以下であることを特徴とする半導体素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記凹凸面(22)が連続したシリンドリカルレンズ状であることを特徴とする半導体素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)は、少なくとも亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムよりなる群から選択された少なくとも一種の元素Cを含む酸化物膜であることを特徴とする半導体素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は元素Ｃに加えて、微量元素Ｄを含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体素子であって、前記微量元素Ｄは、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Ｄが、前記酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Ｄの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Ｄが、前記界面に対向する面近傍の微量元素Ｄの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれかに記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は元素Ｃに対して２０％以下の元素Ｄを含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)はＩＴＯからなることを特徴とする半導体素子。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)が、アルミニウム、チタン、白金、ロジウム、銀、パラジウム、イリジウム、ケイ素、亜鉛から選択される少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)が、アルミニウムを含む金属膜であることを特徴とする半導体素子。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)がＳｉ、Ｚｎ、又はＴｉの少なくともいずれかを含む誘電体であることを特徴とする半導体素子。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)の膜厚が、前記活性層(14)から放出される光の波長λに対してλ／４のおよそ整数倍であることを特徴とする半導体素子。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)の膜厚が１μｍ以下であることを特徴とする半導体素子。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)を、前記基板(11)の主面と交差する面にも形成してなることを特徴とする半導体素子。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記半導体層の、前記基板(11)の主面と交差する面の少なくとも一部を傾斜させてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記第１伝導型半導体層はｎ型半導体層であり、第２伝導型半導体層はｐ型半導体層であることを特徴とする半導体素子。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記第１伝導型半導体層及び第２伝導型半導体層は、窒化物半導体層であることを特徴とする半導体素子。
【請求項２１】
対向する一対の主面を有する基板(11)と、
前記基板(11)の一方の主面上に積層される第１の伝導型半導体層と、
前記第１の伝導型半導体層上に積層される第２の伝導型半導体層と、
前記第１の伝導型半導体層と第２の伝導型半導体層との間に形成される活性層(14)と、
前記第２の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層(14)から前記第２の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層(16)と、
を備え、上記基板(11)の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能な半導体素子の製造方法であって、
基板(11)上に、第１の伝導型半導体層と、活性層(14)と、第２の伝導型半導体層を積層するステップと、
前記第２の伝導型半導体層上に透光性導電層(17)を形成するステップと、
前記透光性導電層(17)に凹凸面(22)を形成するステップと、
前記凹凸面(22)の形成された透光性導電層(17)上に反射層(16)を形成するステップと、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の半導体素子の製造方法であって、
前記透光性導電層(17)は、少なくとも亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムよりなる群から選択された少なくとも一種の元素Cと、微量元素Ｄは、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも一種の元素とを含む酸化物膜であることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の半導体素子の製造方法であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Ｄが、前記酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Ｄの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２４】
請求項２２又は２３に記載の半導体素子の製造方法であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Ｄが、前記界面に対向する面近傍の微量元素Ｄの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる窒化物半導体を積層した半導体層を用いて形成した窒化物半導体素子及びその製造方法に関し、特に光取り出し効率を改善した発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ等の半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム等の窒化物系半導体を用いた発光素子は、紫外光、青色光、緑色光等の発光が可能であり、高効率で低消費電力である上、小型化可能で機械的な振動等にも強く、長寿命で信頼性が高い等の利点を有することから、各方面での利用が進んでいる。特に発光素子は大型ディスプレイや信号機、携帯電話のバックライト光源等への普及が顕著である。【０００３】
窒化物系半導体を用いた発光素子においては、活性層で発生される光を外部に取り出して有効利用できるように、光の取り出し効率を高めることが重要となる。このような観点から透光性を有する導電膜が電極として要求されており、例えばＩＴＯ（ＩｎとＳｎの複合酸化物）やＳｎＯ２、ＺｎＯ等が利用されている。中でもＩＴＯは酸化物インジウムにスズを含有する酸化物導電性材料であり、低抵抗、高透明度を備えているので、透明電極等に好適である。【０００４】
このような透明電極を利用したＬＥＤの一例を図１に示す。ＬＥＤはサファイア基板１の上にバッファ層を介してｎ型ＧａＮ層２、ＩｎＧａＮ発光層３、ｐ型ＧａＮ層４が順次エピタキシャル成長された構成を有する。また、ＩｎＧａＮ発光層３及びｐ型ＧａＮ層４の一部が選択的にエッチング除去されて、ｎ型ＧａＮ層２が露出されている。ｐ型ＧａＮ層３上にはｐ側透明電極５としてＩＴＯ層が形成され、さらにｐ側電極７のボンディングパッドが積層されている。また、ｎ型ＧａＮ層２の上にはｎ側電極８が形成されている。これらの電極は、Ａｌ、Ａｕ、Ｉｎ等の金属を蒸着によって形成している。このような構造においては、ｐ側電極７を介して注入された電流は、導電性の良いｐ側透明電極５であるＩＴＯ層で均一に拡散され、ｐ型ＧａＮ層３からｎ型ＧａＮ層２に電流が注入されて発光する。またその発光はｐ側電極７に遮られず、ＩＴＯ層を透過してチップ外に取り出される。【０００５】
しかしながら、このような窒化物系半導体発光素子は、電極部の接触抵抗が高いという問題を有していた。それは、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶと広いために、電極とオーミック接触をさせることが難しいからである。その結果、電極部の接触抵抗が高くなり、素子の動作電圧が高くなって消費電力、発熱量も大きくなるという問題が生ずる。【０００６】
また一方で、光の取り出し効率も良くない。それは、ＧａＮの屈折率は約２．６７と大きいために、臨界角が２１．９度と極めて小さいからである。つまり、主光取出し面の法線からみて、この臨界角よりも大きい角度で入射した光は、ＬＥＤチップの外に取り出せず閉じ込められてしまう。このために、外部量子効率を改善してより大きな発光パワーを得ることが困難であった。【０００７】
ここで、主光取出し面であるｐ型ＧａＮ層の表面を凹凸形状に加工すれば、この問題を改善することができる。しかし、凹凸形状を形成するためにはｐ型ＧａＮ層はある程度の厚さが必要となる。そして、電極との接触抵抗を少しでも低減するために高濃度の不純物をドーピングしつつ、厚いｐ型ＧａＮ層を形成しようとすると、結晶表面の面荒れが発生するという新たな問題が生じていた。【０００８】
このような問題を解消するものとして、主光取出し面に凹凸を設けて光取り出し効率を改善したＬＥＤ発光素子が特許文献１に開示される。特許文献１に開示されるＬＥＤは、透明電極であるＩＴＯ層とｐ型半導体層であるｐ型ＧａＮ層との界面を凹凸にして、この面で反射される光を外部に取り出しし易い構成として取り出し効率を改善したものである。具体的には、ｐ型ＧａＮ層の表面を凹凸に加工して、この上に透明金属電極や透明電極を設けている。【０００９】
しかしながら、ＧａＮ層の表面を凹凸に加工すると、エピタキシャル成長層がダメージを受けてこの部分が発光しなくなるという問題がある。またｐ型ＧａＮ層は薄いため、凹凸加工の際に活性層、ｎ型ＧａＮ層に達してしまうことがあり、これを回避するにはＧａＮ層を厚膜にしなければならなかった。一方、ｐ型ＧａＮ層の表面を平面としてｐ側透明電極の表面を凹凸に加工する方法もあるが、凹凸面が主光取出し面に近くなるため、この凹凸パターンが外部から視認され易くなって外観上の見栄えが悪くなるという問題があった。【００１０】
また主光取出し面にｐ型電極を設けたいわゆるフェイスアップ構造では、ｎ型電極を設ける必要があり主光取出し面が狭くなる上、ｐ型電極にパッド電極を設けるため、この部分で光が遮られてしまい、光の取り出しができなくなって光取り出し効率が悪くなるという問題もあった。【００１１】
また透光性導電層として、ＩＴＯが代表として挙げられる導電性酸化物膜を用いる構造では、透光性を良好にする必要があり、さらに導電性酸化物膜を半導体層に接して設ける構造では、オーミック特性も良好にする必要がある。しかしながら、透光性とオーミック特性とを同時に良好にすることは困難であり、導電性酸化物膜のさらなる特性の向上が必要であった。
【特許文献１】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】
【００１２】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、反射効率の高い半導体発光素子及びその製造方法であって、特に光取り出し効率の優れた半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の目的を達成するために本発明に係る半導体素子は、対向する一対の主面を有する基板１１と、前記基板１１の一方の主面上に第１の伝導型半導体層と、前記第１の伝導型半導体層上に第２の伝導型半導体層と、前記第１の伝導型半導体層と第２の伝導型半導体層との間に形成される活性層１４と、前記第２の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層１４から前記第２の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層１６とを備える。
この半導体素子は、発光素子として、上記基板１１の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能である。さらに、前記反射層１６と第２の伝導型半導体層との間に透光性導電層１７が形成されており、前記透光性導電層１７と前記反射層１６との界面に凹凸面２２が形成されている。この構成によって、活性層１４から第２の伝導型半導体層に照射される光を凹凸面２２で反射、散乱させて、外部への光の取り出し効率を高めることができる。特に、透光性導電層１７と前記反射層１６との界面で凹凸を形成しているため、第２の伝導型半導体層の特性を悪化させずに表面を加工することが困難な問題を解消している。【００１４】
また半導体発光素子は、前記透光性導電層１７と前記第２の伝導型半導体層との界面が略平滑面とすることができる。この構成によって、第２の伝導型半導体層の表面には加工を行うことなく、透光性導電層１７と前記反射層１６との界面で凹凸を形成して光の取り出し効率を改善できる。【００１５】
さらに半導体素子は、半導体発光素子として、前記凹凸面２２が傾斜面を備えており、該傾斜面の傾斜角度が主光取出し面の法線に対して６０°以下とすることができる。この構成によって、光を臨界角以下の角度に反射させる確率を高くでき、光の取り出し効率を改善することができる。【００１６】
さらに半導体素子は、半導体発光素子として、前記凹凸面２２が連続したシリンドリカルレンズ状とすることができる。この構成によって、界面に平行な面を少なくし、光を臨界角以下の角度に反射させる確率を高くして光の取り出し効率を改善することができる。【００１７】
さらにまた、半導体素子は、半導体発光素子として、前記透光性導電層１７がＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素Ｃを含む酸化物からなる層を用いることができる。また、前記酸化物膜は元素Ｃに加えて、微量元素Ｄを含む層を用いることができる。また、微量元素Ｄは、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも一種の元素とすることができる。好ましくは元素Ｃとしてインジウム、微量元素Ｄとしてスズを用いたＩＴＯからなるよう構成することができる。この構成によって、微細パターンが形成し易いＩＴＯを透光性導電層１７として表面を凹凸面２２に加工でき、光の取り出し効率を高めることができる。またＩＴＯは窒化物半導体層とのオーミック接続にも優れているため、窒化物半導体発光素子として、第２の伝導型窒化物半導体層との界面での接触抵抗を小さくして順方向電圧Ｖｆが低い実用的な窒化物半導体発光素子を実現できる。【００１８】
また、元素Ｃと微量元素Ｄを含む酸化物膜を、半導体層との界面近傍における微量元素Ｄが、酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Ｄの濃度よりも高い半導体素子とすることができる。また元素Ｃと微量元素Ｄを含む酸化物膜を、半導体層との界面近傍における微量元素Ｄが、界面に対向する面近傍の微量元素Ｄの濃度よりも高い半導体素子とすることができる。この構成によって、例えばＩＴＯでは、微量元素Ｄを酸化物膜中において一定に含むものよりも、半導体層側においてキャリアを多く配置することができ、ショットキー障壁を小さく、また半導体層側のシート抵抗を小さくすることができ、光取り出し効率の改善とシート抵抗の低減を両立させた高品質の半導体発光素子を実現できる。また前記酸化物膜は元素Ｃに対して２０％以下の元素Ｄを含むことが好ましい。【００１９】
さらにまた、窒化物半導体発光素子は、前記反射層１６をアルミニウム、チタン、白金、ロジウム、銀、パラジウム、イリジウム、ケイ素、亜鉛から選択される少なくとも一種の元素を含む層とすることができる。なかでも本発明の窒化物半導体発光素子に用いる高反射が実現できる層として、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）を含む層とすることが好ましい。アルミニウム、ロジウム、銀は高反射率であるため、透光性導電層１７との界面で効率よく反射させて光取り出し効率を高くできる。【００２０】
さらにまた、窒化物半導体発光素子は、前記反射層１６がＳｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｍｇの少なくともいずれかを含む誘電体としてもよい。さらに好ましくはＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３等、組み合わせて低屈折率と高屈折率の関係を満たし、その屈折率差が大きくなるように２種の誘電体を多層化した誘電体多層膜、又はＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＦ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等を用いることが好ましい。この構成によって、反射層１６と透光性導電層１７との接着性を高めることができる。特に透光性導電層１７にＩＴＯを使用する場合、反射層１６をＡｌ等の金属よりも誘電体の方が界面の接着性が高く、信頼性を高めることができる。【００２１】
さらにまた、窒化物半導体発光素子は、前記透光性導電層１７の膜厚を、前記活性層１４から放出される光の波長λに対してλ／４のおよそ整数倍としてもよい。【００２２】
さらにまた、窒化物半導体発光素子は前記透光性導電層１７の膜厚を２μｍ以下とすることができる。【００２３】
さらに窒化物半導体発光素子は、前記反射層１６を、基板１１の主面と交差する面にも形成してもよい。この構造によって、横方向に放射される光も上面に反射させて、より多くの光を取り出すことが可能となる。【００２４】
さらにまた、窒化物半導体発光素子は、前記窒化物半導体層の、前記基板１１の主面と交差する面の少なくとも一部を傾斜させている。この構成によって、横方向に放射される光を上方向に反射させて、光の取り出し効率をさらに改善できる。【００２５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、対向する一対の主面を有する基板１１と、前記基板１１の一方の主面上に第１の伝導型半導体層と、前記第１の伝導型半導体層上に第２の伝導型半導体層と、前記第１の伝導型半導体層と第２の伝導型半導体層との間に形成される活性層１４と、前記第２の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層１４から前記第２の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層１６と、を備え、上記基板１１の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能な半導体素子の製造方法である。この方法は、基板１１上に、第１の伝導型半導体層と、活性層１４と、第２の伝導型半導体層を積層するステップと、前記第２の伝導型半導体層上に透光性導電層１７を形成するステップと、前記透光性導電層１７に凹凸面２２を形成するステップと、前記凹凸面２２の形成された透光性導電層１７上に反射層１６を形成するステップとを備える。これによって、活性層１４から第２の伝導型半導体層に照射される光を凹凸面２２で反射、散乱させて、外部への光の取り出し効率を高めることができる。特に、透光性導電層１７と前記反射層１６との界面で凹凸を形成しているため、第２の伝導型半導体層の特性を悪化させずに表面を加工することが困難な問題を解消している。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の半導体素子及びその製造方法は、特性を低下させることなく加工することが困難な窒化物半導体への損傷を与えることなく、外部への光取り出し効率を大きく改善することができる。それは、本発明が凹凸面を有する透光性導電層上に反射膜を成型することにより、この界面を凹凸を備える反射面として、反射部と対向する主光取出し面に対し、反射光の多くを臨界角以下の角度で入射させて外部への光取り出しを大幅に増加させているからである。また透光性導電層を第２の伝導型窒化物半導体層と反射層との間に介在させることで、上記凹凸面の加工が容易なことに加えて、オーミック接触を得やすいという利点もある。特に窒化物半導体と金属はオーミック接触を得ることが困難であるが、ＩＴＯや誘電体等の透光性導電層を介在させることでオーミック接触を取りやすくなり、この接触抵抗を小さくして動作電圧を下げ、消費電力や発熱量を抑えた窒化物半導体発光素子を実現できるという利点もある。【００２７】
また透光性導電膜として用いる導電性酸化物膜を本発明の構造とすることにより、半導体素子、特に半導体発光素子として、光取り出し効率の改善とシート抵抗の低減を両立させた高品質の半導体発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の透明電極を利用したＬＥＤの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を実装したＬＥＤを示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図４】発光素子において反射面で反射した光を主光取り出し面から取り出す様子を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例３に係る窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図８】窒化物半導体層と金属膜の反射層との間に透光性導電層を介在させることによる光吸収の変化を示す説明図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態の変形例４に係る窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図１０】ＩＴＯ膜中のスズのデプスプロファイルを示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子として透光性導電層の表面を示す概略図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子として、電極形状を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…サファイア基板；２…ｎ型ＧａＮ層；３…ＩｎＧａＮ発光層；４…ｐ型ＧａＮ層
５…ｐ側透明電極；７…ｐ側電極；８…ｎ側電極；９…ＬＥＤチップ；１０…サブマウント
１１…基板；１２…バッファ層
１３…ｎ型窒化物半導体層；１４…活性層；１５…ｐ型窒化物半導体層
１６…反射層；１７…透光性導電層
１８…ｎ側パッド電極；１９…ｐ側パッド電極
２０…バンプ；２１…ワイヤー
２２、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ…凹凸面
２３…窒化物半導体層；２４…金属膜
２５…窒化物半導体層と金属膜との界面；２６…窒化物半導体層と透光性導電層との界面
２７…透光性導電層と金属膜との界面；２８…傾斜面
２９…誘電体反射層；３０…補助電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体素子及びその製造方法を例示するものであって、本発明は半導体素子及びその製造方法を以下のものに特定しない。【００３１】
また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施の形態１）【００３２】
本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を実装した例を図２の概略断面図に示す。この図では、窒化物半導体発光素子であるＬＥＤチップ９を配線基板の一であるサブマウント１０上にフリップチップ実装している。フリップチップは、窒化物半導体層の電極形成面を主光取出し面とするフェイスアップ実装と異なり、電極形成面と対向する基板１１側を主光取出し面とする実装方式であり、フェイスダウン実装等とも呼ばれる。【００３３】
図２のＬＥＤチップ９は、基板１１上にバッファ層１２、ｎ型窒化物半導体層１３、活性層１４、ｐ型窒化物半導体層１５を順にエピタキシャル成長し、さらに透光性導電層１７と反射層１６を積層している。結晶成長方法としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal-organic chemical vapor deposition）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、ハイドライドＣＶＤ法、ＭＢＥ（molecularbeam epitaxy）等の方法が利用できる。また、半導体層の積層構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。また、各層を超格子構造としたり、活性層１４を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。【００３４】
また図２においては詳細に図示しないが、活性層１４及びｐ型窒化物半導体層１５の一部を選択的にエッチング除去して、ｎ型窒化物半導体層１５の一部を露出させて、ｎ側パッド電極１８を形成している。またｎ側電極と同一面側で、ｐ型窒化物半導体層１５にはｐ側パッド電極１９が形成される。パッド電極の上には、外部電極等と接続させるためのメタライズ層（バンプ２０）を形成する。メタライズ層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等の材料から成る。これらＬＥＤチップ９の電極形成面側をサブマウント１０上に設けられた正負一対の外部電極と対向させ、バンプ２０にて各々の電極を接合する。さらにサブマウント１０に対してワイヤー２１等が配線される。一方、フェイスダウンで実装されたＬＥＤチップ９の基板１１の主面側を、主光取出し面としている。【００３５】
なお本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。【００３６】
図３に、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子をより詳細に示す。図に示す窒化物半導体発光素子はフリップチップ実装であることを示すため、上下逆に表示している。実際の製造工程では基板１１上に各層を形成し、得られた窒化物半導体発光素子を上下逆にして図２のように実装する。【００３７】
［基板１１］
基板１１は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる透光性基板で、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、デバイス加工が出来る程度の厚膜（数十μｍ以上）であればＧａＮやＡｌＮ等の窒化物半導体基板を用いることもできる。異種基板はオフアングルしていてもよく、サファイアＣ面を用いる場合には、０．０１°〜３．０°、好ましくは０．０５°〜０．５°の範囲とする。またさらに基板としてサファイア等の窒化物半導体と異なる材料を用いるとき、基板に凹凸を形成した上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させてもよい。これにより、窒化物半導体層と異種基板との界面で反射する光を減らすことができ、また界面で反射した光も工程に基板側から出されるようになるので、好ましい。この凹凸の段差としては、少なくとも発光層からの光の波長よりも大きくかつ、発光層を成長する際に平坦な面が得られる程度の段差を設ければよい。【００３８】
［窒化物半導体層］
窒化物半導体としては、一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）であって、ＢやＰ、Ａｓを混晶してもよい。また、ｎ型窒化物半導体層１３、ｐ型窒化物半導体層１５は、単層、多層を特に限定しない。また、窒化物半導体層にはｎ型不純物、ｐ型不純物を適宜含有させる。ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、最も好ましくはＳｉを用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａ等が挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体を形成することができる。前記窒化物半導体層には活性層１４を有し、該活性層１４は単一（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とする。以下に窒化物半導体の詳細を示す。【００３９】
基板１１上に成長させる窒化物半導体はバッファ層（図３に図示せず）を介して成長する。バッファ層としては、一般式ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦０．８）で表される窒化物半導体、より好ましくは、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦０．５）で示される窒化物半導体を用いる。バッファ層の膜厚は、好ましくは０．００２〜０．５μｍ、より好ましくは０．００５〜０．２μｍ、さらに好ましくは０．０１〜０．０２μｍとする。バッファ層の成長温度は、好ましくは２００〜９００℃、より好ましくは４００〜８００℃である。これにより、窒化物半導体層上の転位やピットを低減させることができる。さらに、上述した異種基板上にＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法とは、窒化物半導体を横方向成長させることで貫通転位を曲げて収束させることにより、転位を低減させるものである。バッファ層は多層構成としてもよく、低温成長バッファ層と、その上に高温成長層を形成してもよい。高温成長層としては、アンドープのＧａＮ又はｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。高温成長層の膜厚は、１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上である。また、高温成長層の成長温度は９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃以上でとする。【００４０】
次に、ｎ型窒化物半導体層１３を成長させる。まずｎ型コンタクト層（図示せず）を成長させる。ｎ型コンタクト層としては、活性層１４のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、ＡｌｊＧａ１−ｊＮ（０＜ｊ＜０．３）が好ましい。ｎ型コンタクト層の膜厚は特に限定されるものではないが、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上である。次に、ｎ型クラッド層を成長させる。ｎ型クラッド層はＡｌを含有しており、ｎ型不純物濃度は特に限定されるものではないが、好ましくは１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。また、ｎ型不純物濃度に傾斜をつけても良い。また、Ａｌの組成傾斜をつけることで、キャリアの閉じ込めのためのクラッド層としても機能する。【００４１】
活性層１４は発光層として機能し、少なくともＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）から成る井戸層と、ＡｌｃＩｎｄＧａ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、ｃ＋ｄ≦１）から成る障壁層とを含む量子井戸構造を有する。活性層１４に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでも良い。好ましくは、ノンドープもしくは、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を用いることにより、発光素子を高出力化することができる。さらに好ましくは、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとすることで、発光素子の出力と発光効率を高めることができる。また発光素子に用いる井戸層にＡｌを含ませることで、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍ付近、もしくはそれより短い波長を得ることができる。活性層１４から放出する光の波長は、発光素子の目的、用途等に応じて３６０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、好ましくは３８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長とする。【００４２】
井戸層の膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに好ましくは３．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。１ｎｍより小さいと井戸層として良好に機能せず、３０ｎｍより大きいとＩｎＡｌＧａＮの４元混晶の結晶性が低下し素子特性が低下するからである。また、２ｎｍ以上では膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、２０ｎｍ以下では結晶欠陥の発生を抑制して結晶成長が可能となる。さらに膜厚を３．５ｎｍ以上とすることで出力を向上させることができる。これは井戸層の膜厚を大きくすることで、大電流で駆動させるＬＤのように多数のキャリア注入に対して、高い発光効率及び内部量子効率により発光再結合がなされるものであり、特に多重量子井戸構造において効果を有する。また、単一量子井戸構造では膜厚を５ｎｍ以上とすることで上記と同様に出力を向上させる効果が得られる。また、井戸層の数は特に限定されないが、４以上の場合には井戸層の膜厚を１０ｎｍ以下として活性層１４の膜厚を低く抑えることが好ましい。活性層１４を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層１４全体の膜厚が厚くなりＶｆの上昇を招くからである。多重量子井戸構造の場合、複数の井戸の内、好ましくは上記の１０ｎｍ以下の範囲にある膜厚の井戸層を少なくとも１つ有すること、より好ましくは全ての井戸層を上記の１０ｎｍ以下とすることである。【００４３】
また障壁層は、井戸層の場合と同様に、好ましくはｐ型不純物又はｎ型不純物がドープされているか又はアンドープとする。より好ましくは、ｎ型不純物がドープされているか又はアンドープとする。例えば、障壁層中にｎ型不純物をドープする場合、その濃度は少なくとも５×１０１６／ｃｍ３以上が必要である。例えばＬＥＤでは、５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下が好ましい。また、高出力のＬＥＤやＬＤでは、５×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下とする。この場合、井戸層はｎ型不純物を実質的に含有しないか、あるいはアンドープで成長させることが好ましい。また、障壁層にｎ型不純物をドープする場合、活性層内のすべての障壁層にドープしても良く、あるいは、一部をドープとし一部をアンドープとすることもできる。ここで、一部の障壁層にｎ型不純物をドープする場合、活性層内でｎ型層側に配置された障壁層にドープすることが好ましい。例えば、ｎ型層側から数えてｎ番面の障壁層Ｂｎ（ｎは正の整数）にドープすることで、電子が効率的に活性層内に注入され、優れた発光効率と内部量子効率を有する発光素子が得られる。また、井戸層についても、ｎ型層側から数えてｍ番目の井戸層Ｗｍ（ｍは正の整数）にドープすることにより上記の障壁層の場合と同様の効果が得られる。また、障壁層と井戸層の両方にドープしても同様の効果が得られる。【００４４】
次に、活性層１４上にｐ型窒化物半導体層１５として以下の複数層（図示せず）を形成する。まずｐ型クラッド層としては、活性層１４のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層１４へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されない。例えばＡｌｋＧａ１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）が用いられ、特にＡｌｋＧａ１−ｋＮ（０＜ｋ＜０．４）が好ましい。ｐ型クラッド層の膜厚は特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．３μｍ、より好ましくは０．０４〜０．２μｍとする。ｐ型クラッド層のｐ型不純物濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３、好ましくは１×１０１９〜５×１０２０ｃｍ３とする。ｐ型不純物濃度が上記の範囲にあると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させることができる。ｐ型クラッド層は、単一層でも多層膜層（超格子構造）でも良い。多層膜層の場合、上記のＡｌｋＧａ１−ｋＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であれば良い。例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、ｎ型クラッド層の場合と同様に、ＩｎｌＧａ１−ｌＮ（０≦ｌ＜１）、ＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＞ｌ）が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、超格子構造の場合は、一層の膜厚が好ましくは１００Å以下、より好ましくは７０Å以下、さらに好ましくは１０〜４０Åとすることができる。また、ｐ型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にｐ型不純物をドープさせても良い。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なっても良い。【００４５】
次にｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を形成する。ｐ型コンタクト層は、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０≦ｆ＜１）が用いられ、特に、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０≦ｆ＜０．３）で構成することにより、オーミック電極であるｐ電極と良好なオーミックコンタクトが可能となる。ｐ型不純物濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上が好ましい。また、ｐ型コンタクト層は、導電性基板側でｐ型不純物濃度が高く、かつＡｌの混晶比が小さくなる組成勾配を有することが好ましい。この場合、組成勾配は、連続的に組成を変化させても、あるいは、不連続に段階的に組成を変化させても良い。例えば、ｐ型コンタクト層を、オーミック電極と接し、ｐ型不純物濃度が高くＡｌ組成比の低い第１のｐ型コンタクト層と、ｐ型不純物濃度が低くＡｌ組成比の高い第２のｐ型コンタクト層とで構成することもできる。第１のｐ型コンタクト層により良好なオーミック接触が得られ、第２のｐ型コンタクト層により自己吸収を防止することが可能となる。【００４６】
以上のように窒化物半導体を基板１１上に成長させた後、ウェハーを反応装置から取り出し、その後、酸素及び／又は窒素を含む雰囲気中で４５０℃以上で熱処理をする。これによりｐ型層に結合している水素が取り除かれ、ｐ型の伝導性を示すｐ型窒化物半導体層１５を形成する。【００４７】
窒化物半導体層の積層構造としては、例えば、次の（１）〜（５）に示すものが挙げられる。
（１）ＧａＮよりなるバッファ層（膜厚：２００Å）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層（４μｍ）、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる単一量子井戸構造の発光層（３０Å）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるｐ型クラッド層（０．２μｍ）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層（０．５μｍ）。【００４８】
（２）ＡｌＧａＮからなるバッファ層（膜厚：約１００Å）、アンドープＧａＮ層（１μｍ）、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなるｎ側コンタクト層（５μｍ）、アンドープＧａＮからなる下層（３０００Å）と、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなる中間層（３００Å）と、アンドープＧａＮからなる上層（５０Å）との３層からなるｎ側第１多層膜層（総膜厚：３３５０Å）、アンドープＧａＮ（４０Å）とアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２０Å）とが繰り返し交互に１０層ずつ積層されてさらにアンドープＧａＮ（４０Å）が積層された超格子構造のｎ側第２多層膜層（総膜厚：６４０Å）、アンドープＧａＮからなる障壁層（２５０Å）とＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる井戸層（３０Å）とが繰り返し交互に６層ずつ積層されてさらにアンドープＧａＮからなる障壁層（２５０Å）が積層された多重量子井戸構造の発光層（総膜厚：１９３０Å）、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（４０Å）とＭｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ（２５Å）とが繰り返し５層ずつ交互に積層されてさらにＭｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（４０Å）が積層された超格子構造のｐ側多層膜層（総膜厚：３６５Å）、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３含むＧａＮからなるｐ側コンタクト層（１２００Å）。【００４９】
（３）ＡｌＧａＮからなるバッファ層（膜厚：約１００Å）アンドープＧａＮ層（１μｍ）、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなるｎ側コンタクト層（５μｍ）、アンドープＧａＮからなる下層（３０００Å）と、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなる中間層（３００Å）と、アンドープＧａＮからなる上層（５０Å）との３層からなるｎ側第１多層膜層（総膜厚：３３５０Å）、アンドープＧａＮ（４０Å）とアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２０Å）とが繰り返し交互に１０層ずつ積層されてさらにアンドープＧａＮ（４０Å）が積層された超格子構造のｎ側第２多層膜層（総膜厚：６４０Å）、アンドープＧａＮからなる障壁層（２５０Å）とＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる井戸層（３０Å）とＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１の障壁層（１００Å）とアンドープＧａＮからなる第２の障壁層（１５０Å）が繰り返し交互に６層ずつ積層されて形成された多重量子井戸構造の発光層（総膜厚：１９３０Å）（繰り返し交互に積層する層は３層〜６層の範囲が好ましい）、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（４０Å）とＭｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ（２５Å）とが繰り返し５層ずつ交互に積層されてさらにＭｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（４０Å）が積層された超格子構造のｐ側多層膜層（総膜厚：３６５Å）、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３含むＧａＮからなるｐ側コンタクト層（１２００Å）。【００５０】
なお、このうち、ｎ側に設けるアンドープＧａＮからなる下層（３０００Å）を、下からアンドープＧａＮからなる第1の層（１５００Å）、Ｓｉを５×１０１７／ｃｍ３含むＧａＮからなる第２の層（１００Å）及びアンドープＧａＮからなる第３の層（１５００Å）からなる３層構造の下層とすることで、発光素子の駆動時間経過に伴うＶｆの変動を抑えることが可能となる。【００５１】
さらに、ｐ側多層膜層とｐ側コンタクト層との間に、ＧａＮ又はＡｌＧａＮ（２０００Å）を形成してもよい。この層は、アンドープで形成され、隣接する層からのＭｇの拡散によりｐ型を示す。この層を設けることで、発光素子の静電耐圧が向上する。この層は、静電保護機能を別途設けた発光装置に用いる場合にはなくてもよいが、発光素子外部に静電保護素子等、静電保護手段を設けない場合には、静電耐圧を向上させることができるので、設けることが好ましい。【００５２】
（４）バッファ層、アンドープＧａＮ層、Ｓｉを６．０×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなるｎ側コンタクト層、アンドープＧａＮ層（以上が総膜厚６ｎｍのｎ型窒化物半導体層）、Ｓｉを２．０×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層とを繰り返し５層ずつ交互に積層された多重量子井戸の発光層（総膜厚：１０００Å）、Ｍｇを５．０×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層（膜厚：１３００Å）。【００５３】
さらに、ｐ型窒化物半導体層の上にＩｎＧａＮ層（３０〜１００Å、好ましくは５０Å）を有してもよい。これにより、このＩｎＧａＮ層が電極と接するｐ側コンタクト層となる。【００５４】
（５）バッファ層、アンドープＧａＮ層、Ｓｉを１．３×１０１９／ｃｍ３含むＧａＮからなるｎ側コンタクト層、アンドープＧａＮ層（以上が総膜厚６ｎｍのｎ型窒化物半導体層）、Ｓｉを３．０×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層とを繰り返し７層ずつ交互に積層された多重量子井戸の発光層（総膜厚：８００Å）、Ｍｇを２．５×１０２０／ｃｍ３含むＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層。このｐ型窒化物半導体層の上には、ｐ側コンタクト層として、ＩｎＧａＮ層（３０〜１００Å、好ましくは５０Å）を形成してもよい。【００５５】
［透光性導電層１７］
このようにして成長されたｐ型窒化物半導体層１５上に、透光性導電層１７を形成する。なお透光性とは、発光素子の発光波長を透過できるという意味であって、必ずしも無色透明を意味するものではない。透光性導電層１７は、オーミック接触を得るために、好ましくは酸素を含むものとする。酸素を含む透光性導電層１７には数々の種類があるが、特に好ましくは亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物とする。具体的には、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２等、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎの酸化物を含む透光性導電層１７を形成することが望ましく、好ましくはＩＴＯを使用する。またさらに、Ｎｉ等の金属を透光性を有するように薄膜で形成後、ＩＴＯを形成した透光性導電層１７としてもよい。【００５６】
透光性導電層１７の中に酸素原子を含ませるには、酸素原子を含有させる層を形成した後、酸素を含む雰囲気にて熱処理すればよい。あるいは、反応性スパッタリング、イオンビームアシスト蒸着等により、それぞれの層に酸素原子を含有させることもできる。【００５７】
窒化物半導体層に金属膜等の反射層１６を接触させず、透光性導電層１７を介在させることで窒化物半導体層との界面でオーミック接触を取ることができる。特にｐ型窒化物半導体層１５は抵抗が高い傾向にあるため、この界面との接触抵抗を低減することは重要となる。さらに、透光性導電層１７に凹凸面２２を設けることによって、窒化物半導体に直接凹凸を設ける必要をなくし、これによって電気特性を悪化させる原因となる困難な加工を回避しつつ凹凸面２２を形成できる。【００５８】
［凹凸面２２］
透光性導電層１７の表面に、凹凸面２２を形成する。凹凸面２２の形成は、レジストパターンの上からＲｌＥ（reactiveion etching）やイオンミリング（ion milling）等の方法によりエッチング等で行う。図３の例では、等脚台形状の傾斜面を備えるメサ型のディンプルを複数設けたパターンの凹凸面２２としている。このような凹凸パターンの形成によって、光の取り出し効率が改善される様子を図４に基づいて説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、上面を主光取り出し面、下面を反射面、すなわち下方に向かう光を上側から取り出すために光を反射させる面とする発光素子を示している。図４（ａ）に示すように、発光部を備える発光素子の反射面が平坦の場合は、反射面で反射される光は入射角と出射角が等しくなるので、主光取出し面の法線に対して臨界角よりも大きい角度で入射した光は、全反射するため発光素子の上面から取り出せなくなる。【００５９】
これに対して、図４（ｂ）に示すように反射面を凹凸面２２とすることによって、反射角が変更されるので光の散乱のような効果が生じ、光が反射を続けるうち出射角が臨界角以下となった時点で外部に放出される。この結果、反射光の多くを臨界角以下の角度にして外部に放出させ、光取り出し効率を大幅に改善することができる。【００６０】
凹凸の傾斜面の傾斜角度は、主光取出し面の法線とのなす角度Ｘを０°＜Ｘ＜６５°とすると、光を臨界角以下の角度に反射させる確率を高くでき、光の取り出し効率を改善することができ好ましい。【００６１】
凹凸面２２のパターンは、図３や図４のような等脚台形状の他、光の散乱効果が得られる任意の形状が採用できる。例えば、第１の実施の形態の変形例１として、図５に示すような断面を半円状とするシリンドリカルレンズ状の凹凸面２２Ｂを形成しても良い。シリンドリカル形状によって、より効率よく上方向への光が外部に取り出しできる。また第１の実施の形態の変形例２として、図６に示すような三角波状に凹凸面２２Ｃを形成することもできる。これら図５、図６の構成は、図３と異なり透光性導電層１７と反射層との界面に平行な平坦面がないので、全反射の生じる領域を極減して、外部取り出し効率をより高めることができる。さらに第１の実施の形態の変形例３として図７に示すような矩形波状の凹凸面２２Ｄとすることもできる。また図示しないが、図５のシリンドリカルレンズ状のパターンを隣接するディンプル同士で離間させて設けたり、断面を円形に変えて楕円形状としてもよい。あるいはディンプルのパターンをストライプ状とする例に限られず、円柱状、三角円錐状、あるいはプリズム状、角柱状等の多角柱状等とすることもできる。あるいはまた、単一のドーム状の凸部、あるいは凹部とすることもできる。以上のようなパターンとすることでも、光取り出し効率を改善することができる。なお本明細書において凹凸とは、必ずしも凹部と凸部を備える場合に限られず、凹部のみあるいは凸部のみの場合も包含することはいうまでもない。【００６２】
更に、これら凹凸面のパターンは、全体で均一なパターンとする必要はなく、必要に応じて複数のパターンを組み合わせたり、あるいは分布密度を変更することができる。例えば、活性層の二次元的な光出力の分布密度に応じて、光強度の強い領域は凹凸面のパターンを密として、より多くの光を外部に取り出せるようにしてもよい。あるいは、３次元的な光の照射パターンに応じて、反射層への光の入射角が主光取り出し面の法線方向に対して大きい領域においては、例えば図４（ｂ）の傾斜面を急峻にしたり、ディンプルの密度を増す等して、光を臨界角以下の角度で出射できる確率を増すことができる。【００６３】
この透光性導電層１７の厚さは、凹凸面が形成できる程度の厚さとし、好ましくは１μｍ以下、さらに好ましくは１００Åから５０００Åとする。膜厚を１０００Åでオーミック性が確認され、厚くするとアニール温度が上昇する傾向にある。また、活性層１４から放出される光の波長λに対してλ／４のおよそ整数倍とすることが好ましい。なぜなら、透光性導電層内での光の干渉により、強い光が透光性導電層から放出されるからである。【００６４】
透光性導電層１７の表面には凹凸が形成されている。凹凸の形状は特に限定されるものではなく、光の取り出し効率を考慮して適宜調整することができる。例えば、周期的又は不規則な格子状のパターン、円形、多角形、多角形の角が若干の丸みを帯びた略多角形の周期的又は不規則な配列パターンが挙げられる。中でも、凹凸が密に配置することができる三角形、四角形、六角形等の凸形状が好ましい。なお、これらのパターンはその形成方法によって、パターン表面と底面とで異なる形状、つまりパターン表面に近づくにつれて幅が細くなる形状、角が丸みを帯びた形状等であってもよい。周期的なパターンの場合、そのピッチは、例えば１μｍ程度以下、７００ｎｍ程度以下、５００ｎｍ程度以下、３００ｎｍ程度以下等であることが適当である。凹凸の高さは、特に限定されるものではなく、例えば２μｍ程度以下、５００ｎｍ程度以下、好ましくは１０〜５００ｎｍ程度が挙げられる。このような凹凸パターンは、例えば凹部の深さをｄとし、パターンの上面の幅をＷとするとき、ｄ≦Ｗの関係を満たすように設定することが好ましい。これにより、光の反射を制御することができ、光の取り出し効率を向上させることができる。【００６５】
［反射層１６］
以上のようにして凹凸面２２が形成された透光性導電層１７上に、反射層１６を形成する。反射層１６は、例えば金属膜で形成できる。金属膜は、酸素を含有する透光性導電層１７との接続を良好に行うため、一部が酸化されていることが好ましい。このように金属膜の反射層を透光性導電層１７を介して窒化物半導体層と接続することにより、透光性導電層１７は半導体層と良好なオーミック接続を行うことができる。【００６６】
また金属膜と窒化物半導体と直接接合をさせると、金属膜から不純物が窒化物半導体層に拡散して汚染される問題や、界面での接合性が悪く剥離等の問題が生じて歩留まりが低下することがある。間に酸化膜を介在させると、酸化膜が保護膜となって拡散が阻止される。加えて、酸化物と金属膜との接着性は一般に悪いが、凹凸面２２とすることで接触面積を増やして接着強度を向上できる。【００６７】
また界面での光の吸収によって光の取り出し効率が悪化するという問題もある。図８（ａ）に示すように、透光性導電層１７を介することなく直接ＧａＮ等の窒化物半導体層２３と金属膜２４の反射層とを接合させると、金属膜との界面２５で光の吸収が生じてしまい、有効に取り出せる光が失われる。吸収率は材質によって異なるが、ＡｌとＧａＮの場合で約１０％となる。これに対して、図８（ｂ）に示すようにＩＴＯ等の透光性導電層１７を介在させることで、窒化物半導体との界面２６で光の吸収を抑え、また金属膜２４の反射層との界面２７での光の吸収も抑制でき、有効に利用できる光を増やして光取り出し効率、外部量子効率を改善して発光出力を高めることができる。これに加えて、上述した界面を凹凸面２２とすることで、より多くの光を外部に取り出すことができるようになり、さらに出力が改善される。【００６８】
金属膜の膜厚は、好ましくは２００オングストローム以上、さらに好ましくは５００オングストローム以上とすることで、十分に光が反射される。特に限定するものではないが、上限としては１μｍ以下とすればよい。【００６９】
金属膜は、ｐ型窒化物半導体の電極となり、かつ反射率の高い薄膜を形成できる材料を使用する。特にアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ランタン（Ｌａ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属又は合金であって、その単一の層もしくは多層が好ましい。これらの金属又は合金は、窒化物半導体と好ましいオーミック接続が得られ、さらに発光素子の順方向電圧を低下させる上で有用である。特にＡｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒよりなる群から選ばれた少なくとも１種を含む層とすることが好ましく、さらに好ましくは高反射が実現できる層として、アルミニウム、ロジウム、銀を含む層とする。特にアルミニウム、ロジウム、銀を本発明の構成に用いると、凹凸面での反射率は７０％以上とでき、これによって窒化物半導体よりなる発光素子の３６０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、望ましくは３８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長の吸収が少なく、さらに好ましいオーミック接触を得ることができる。また、金属膜の層を上記で列挙した金属の積層構造としてもよい。また後に電極を熱的アニールで処理して、電極材料が金属膜の中で渾然一体となって合金化した状態としてもよい。【００７０】
これら透光性導電層１７や反射層１６は、多層構造としても良い。例えば、多層構造で半導体層側に位置する第二の層の屈折率を、第一の層の屈折率より段階的に小さくすることにより、発光素子からの光の取り出しを向上させることができる。【００７１】
［誘電体］
また反射層１６を誘電体で構成することもできる。誘電体は、好ましくは酸化物の積層構造とする。酸化物は金属よりも化学的に安定しているので、金属膜の反射層に比べてより信頼性高く使用することができる。また反射率を９８％以上、１００％に近い値とでき、反射層での光の吸収による損失を極減できる。【００７２】
誘電体で反射膜を構成する場合は、多層構造が採用できる。好ましくは、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａの少なくともいずれかを含む誘電体とする。【００７３】
さらにまた、誘電体を利用すると、表面へのコーティングが容易となるので、発光素子の実装面のみならず、基板１１の主面と交差する面、すなわち図３において発光素子の側面にも誘電体の反射層を設けて、横方向の光を効率よく反射させて取り出すことが可能となる。これにより、半導体の側面に設けられた反射層で横方向からの光を漏れを抑制し、上方への光の取り出し向上に寄与し得る。【００７４】
さらに、第１の実施の形態の変形例４として図９に示すように、発光素子の半導体層の側面を傾斜させた傾斜面２８とすることで、側面方向に向かう光を上方向に反射して、さらに光取り出し効率を改善できる。この構造は、傾斜面２８をドーム状にすることで、出射光を上方向に効果的に反射し、極めて高い光取り出し効率を得ることができる。この傾斜面２８はフラットに形成する他、曲面とすることもできる。曲面とする方が、さらに反射効率を高めることができる。傾斜面２８上に誘電体反射層２９を形成することで、横方向の光も確実に反射させて有効に出力し、効率を改善する。また、この構成は図示しないが反射層を側面に設けない構成にも適用できる。【００７５】
またこれらの層を形成するには、蒸着、スパッタ等の手法により、通常の気相成膜装置を用いて形成できる。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、蒸着法、スパッタリング法等、それぞれ異なる成膜方法を使い分けて、各々の層を形成することもできる。またさらにはゾルゲル法により形成することも可能である。例えばある層は蒸着法によって成膜し、他の層はスパッタリング法によって成膜を行ってもよい。特に、金属膜を介することなく窒化物半導体層に直接透光性導電層１７を成膜するときには、蒸着法によることが好ましい。このように、成膜方法を使い分けることにより、膜質が向上し透光性電極と窒化物半導体とのオーミック接続が良好となり、更に接触抵抗を下げることができる。また、透光性導電層１７と反射層１６との界面をパターニングするには、ウェットエッチング、ドライエッチング又はリフトオフ等のパターニング方法を使い分けることにより行うことができる。【００７６】
なお、本実施の形態における窒化物半導体発光素子は、ｐ型層に対して透光性導電層１７及び反射層１６を設けているが、他の形態においてｎ型層に対して透光性導電層１７等を設けてもよいことはいうまでもない。例えば、ｎ型層の側から主に光を取り出す構成とし、ｎ層のパッド電極に凹凸面２２を形成し、反射膜を設けてもよい。【００７７】
［パッド電極］
本実施の形態において、パッド電極は、反射層の表面に設けてもよいし、設けなくてもよい。また反射層として機能する層を含めて設けてもよく、ｐ型窒化物半導体層１５側及びｎ型窒化物半導体層１３側のうち、一方の窒化物半導体層側に設けられた透光性導電層１７及び他方の窒化物半導体層に対して形成される。また本発明に係る他の実施の形態におけるパッド電極の一部は、透光性導電層１７に設けた貫通孔内に延在させて窒化物半導体層に直接設けたり、あるいは透光性導電層１７の外縁にて窒化物半導体層に直接設けてもよい。このように、パッド電極の一部が窒化物半導体層に直接設けられることによってパッド電極の剥離を防止することができる。【００７８】
パッド電極表面にＡｕバンプのような導電部材を配置し、導電部材を介して対向された発光素子の電極と外部電極との電気的接続を図ることができる。【００７９】
また、ｐ型窒化物半導体層１５側及びｎ型窒化物半導体層１３側に形成されるパッド電極は、用いる金属の種類や膜厚が同じ構成とすることが好ましい。このように同じ構成とすることによって、ｐ型窒化物半導体層１５側及びｎ型窒化物半導体層１３側とで同時にパッド電極を形成することができるため、ｐ型窒化物半導体層１５側及びｎ型窒化物半導体層１３側とを別々に形成する場合と比較して、パッド電極の形成の工程を簡略化することができる。本実施の形態におけるパッド電極として、例えば、ｐ型窒化物半導体層１５あるいはｎ型窒化物半導体層１３側からＴｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕのそれぞれをスパッタリングにより順に積層させたＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ電極やＷ、Ｐｔ、Ａｕのそれぞれをスパッタリングにより順に積層させたＷ／Ｐｔ／Ａｕ電極（その膜厚として、例えばそれぞれ２０ｎｍ／２００ｎｍ／５００ｎｍ）が挙げられる。パッド電極の最上層をＡｕとすることによって、パッド電極は、Ａｕを主成分とする導電性ワイヤと良好な接続ができる。また、ＲｈとＡｕの間にＰｔを積層させることによって、ＡｕあるいはＲｈの拡散を防止することができる。また、Ｒｈは、光反射性及びバリア性に優れ、光取り出し効率が向上するため好適に用いることができる。【００８０】
発光素子としてＬＥＤやレーザを作成する場合、一般的には特定の基板上に各半導体層を成長させて形成されるが、その際、基板としてサファイア等の絶縁性基板を用いその絶縁性基板を最終的に取り除かない場合、通常、ｐ電極及びｎ電極はいずれも半導体層上の同一面側に形成される。これによって、絶縁性基板側を視認側に配置し発光された光を基板側から取り出すフリップチップ実装が実現される。もちろん、最終的に基板を除去した上で、フリップチップ実装することもできる。このように、光の取り出し効率を良くし、外部量子効率を改善してより大きな発光パワーを得ることができる。
（実施の形態２）【００８１】
本発明の別の実施の形態に係る半導体素子は、対向する一対の主面を有する基板１１と、前記基板１１の一方の主面上に第１の伝導型半導体層と、前記第１の伝導型半導体層上に第２の伝導型半導体層と、前記第１の伝導型半導体層と第２の伝導型半導体層との間に形成される活性層１４と、前記第２の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層１４から前記第２の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層１６とを備える。【００８２】
この半導体素子は、発光素子として、上記基板１１の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能である。さらに、前記反射層１６と第２の伝導型半導体層との間に透光性導電層１７が形成されており、透光性導電層１７は、少なくとも亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムよりなる群から選択された少なくとも一種の元素Cと、微量元素Ｄを含む。この構成により、半導体層中の活性層から出た光が透光性導電層を通過し、好適に反射層で反射し、外部に光が取り出される。特に、酸化物膜からなる透光性導電層を、半導体層との界面近傍における微量元素Ｄが、酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Ｄの濃度よりも高くすることで、半導体層の界面近傍において、キャリアを多く有することになる。この微量元素Dは、膜厚方向において、特有の濃度分布を持つことで、結晶性及び導電性に優れた導電性酸化物膜とすることができる。詳しくは、微量元素Dが多すぎると導電性は良くなる傾向にあるが、結晶性が悪くなり、透光性の電極として好ましくない。すなわち、微量元素Dは膜厚方向において、濃度の高い領域と低い領域とが共存することが好ましい。特に、半導体層との界面近傍における膜中微量元素Dの濃度が、導電性酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Dの濃度よりも高いことがさらに好ましい。例えば、導電性酸化物膜がＩＴＯの場合、微量元素Ｄはスズとなる。ＩＴＯは、酸素欠損量が多いことで高いキャリア濃度が得られると共に、スズのドープ量が多いことでも高いキャリア濃度が得られる。ただし、スズのドープ量が多すぎるとキャリアは高くなるが、結晶性が悪くなり、一般に透光性の電極としては好ましくない。しかし本発明の実施の形態では、半導体層との界面近傍においてスズのドープ量が多いことで、導電性酸化物膜と半導体層との間において良好なオーミックコンタクトが得られると共に、他の領域でではスズのドープ量が少ないことで、良好な結晶性の膜となるので好ましい。この様子をＡＥＳ（オージェ電子分光）分析装置により測定すると、図１０のような傾向になる。図１０は、ＩＴＯ膜中のスズのデプスプロファイルを示すグラフである。デプスプロファイルとは、物質の表面から物質内部に向かっての元素濃度の変化、深さ方向の濃度分布の事をいう。図１０（ａ）は、連続的にスズ濃度の濃度勾配がある場合、（ｂ）は総括したスズ濃度の傾向を示す図である。またスズのドープ量を、移動度の高い状態を維持した範囲で、つまり導電性が最も良い状態のドープ量のスズを半導体層との界面近傍に設けることで、導電性酸化物膜に投入された電流を膜全体に拡散させ、さらに半導体層に均一に拡散させることができる膜となり、好ましい。【００８３】
また、半導体層との界面近傍における膜中微量元素Ｄの濃度が、その界面に対向する面近傍の微量元素Ｄの濃度よりも高いことがさらに好ましい。導電性酸化物膜は、半導体層との界面に対向する面には、反射膜を有し、その反射膜が接してなることで半導体層中の活性層から出た光が導電性酸化物膜を通過し、好適に反射層で反射する。特に反射層が、アルミニウム、チタン、白金、ロジウム、銀、パラジウム、イリジウム、ケイ素、亜鉛から選択される少なくとも一種の元素を含む場合、これらの反射層は、半導体層と比べて導電性がよく、キャリアが多く存在するために、導電性酸化物膜とのショットキー障壁は小さく、オーミックコンタクトも比較的得られやすい。そのような界面においてはスズのドープ量を抑え、結晶性を良好にすることで、反射層としての機能を十分に発揮することができる。これは導電性酸化物膜の表面状態を考慮してもいえることで、元素Ｃを含む酸化物からなる導電性酸化物膜に微量元素Ｄを有する場合、微量元素Ｄを多く有すると荒れた表面状態となる。この表面状態は、微量元素Ｄによる荒れ状態となるため、このような荒れた表面に反射層を形成すると、反射層としての金属の結晶方位が不安定になるか、良好な界面が形成されにくくなり、良好な反射特性を得るには好ましくない。つまり、金属元素を含む反射層との界面は、キャリアを抑えて結晶性を良好にすることが好ましく、導電性酸化物膜は、半導体層との界面において微量元素Ｄを多く、反対に金属との界面においては微量元素Ｄを少なく有することで、オーミック特性に優れ、かつ反射特性つまりは光取り出しの良好な半導体発光素子を得ることができる。【００８４】
これら、微量元素Ｄを含む構成としては、例えばＩｎ２Ｏ３にドープされたスズ、ＺｎＯにドープされたアルミニウム等がこのような特有の濃度分布の導電性酸化物膜が得られるので好ましい。本発明において、微量元素Ｄを含む導電性酸化物膜とは、具体的には元素Ｃに対して、およそ２０％以下の元素Ｄを含むことを意味する。【００８５】
また微量元素Ｄはドープ量を用いて説明したが、半導体素子として微量元素がどの程度の量を有しているかを示すもので、導電性酸化物膜を成膜する際にその導電性酸化物がどの程度の量の微量元素Ｄが存在するかではなく、その膜状態においてどの程度の量の微量元素Ｄが存在するかを示すものであり、熱拡散等による微量元素Ｄの移動後の状態も含むものである。【００８６】
その他、導電性酸化物膜について、元素Ｃや微量元素Ｄの好ましい材料については、実施の形態１と同様のものが好ましい。さらに、導電性酸化物膜（透光性導電層１７）の中に酸素原子を含ませるには、酸素原子を含有させる層を形成した後、酸素を含む雰囲気にて熱処理すればよい。あるいは、反応性スパッタリング、イオンビームアシスト蒸着等により、酸素原子を含有させることもできる。【００８７】
また導電性酸化物膜以外の層構成については、上記実施の形態１と同様の構成が好適に利用できる。図１１に、実施の形態２に係る窒化物半導体発光素子の概略断面図を示す。この図に示す窒化物半導体発光素子は、フリップチップ実装であることを示すため、上下逆に表示している。実際の製造工程では、基板１１上に各層を形成し、得られた窒化物半導体発光素子を上下逆にして図２のように実装する。実施の形態１と同様の構成、部材等については、同じ符号を付して詳細説明を省略する。【００８８】
またさらに加えて、実施の形態１に示した導電性酸化物膜に凹凸を形成することで、微量元素Dが、膜厚方向において、特有の濃度分布を持つ実施の形態２の半導体素子の特性をさらに良好にすることができる。具体的には、凹部となる面と凸部となる面、さらには凹部と凸部とに接する傾斜面とのそれぞれにおいて、微量元素Ｄの濃度が異なることが好ましい。具体的な例として、微量元素Ｄが半導体層との界面に対向する面近傍の微量元素Ｄが、半導体層から離れるにつれて、微量元素Ｄの濃度が低くなるような導電性酸化物膜とすると、凸部となる面に対して、凹部となる面での微量元素Ｄの濃度が高くなる。つまり、凸部の面では微量元素Ｄの濃度が低く、結晶性の良好な面が形成でき、好適な反射特性が得られると共に、凸部となる面では、微量元素Ｄの濃度が高く、キャリアが多く、反射層と導電性酸化物膜とが良好なオーミックコンタクトとなる。また、傾斜面では、これらの特性が共存され、外部への光取り出し向上と動作電圧の低減の点において最も好ましい。【００８９】
以上、２つの実施の形態を示したが、いずれも半導体素子を窒化物半導体からなる発光素子として詳説した。また好ましい形態として、第１の伝導型半導体層をｎ型、第２の伝導型半導体層をｐ型で示したが、これらに限るものではなく、本発明の特徴部を備えていれば本発明に含まれることは言うまでもない。
【実施例１】
【００９０】
以下、本発明に係る実施例について詳述する。ここでは実施例１として、図３に示す構成の半導体発光素子としてＬＥＤを作成した。まず、ＭＯＶＰＥ反応装置を用い、２インチφのサファイア基板１１の上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストローム、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍ、ノンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる単一量子井戸構造の活性層１４を３０オングストローム、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるｐ型クラッド層を０．２μｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの膜厚で順に成長させた。【００９１】
さらにウエハーを反応容器内において、窒素雰囲気とし温度６００℃でアニーリングして、ｐ型窒化物半導体層１５をさらに低抵抗化した。アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮの表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの上からエッチングを行い、図３に示すようにｎ型コンタクト層の一部を露出させた。【００９２】
次に、ｐ型窒化物半導体層１５の上のマスクを除去し、最上層のｐ型ＧａＮのほぼ全面に透光性導電層１７としてＩＴＯを４０００Åの膜厚でスパッタした。スパッタ後の透光性導電層１７は明らかに透明性となっており、サファイア基板１１まで透けて観察できた。このように、露出したｐ型窒化物半導体層１５のほぼ全面に透光性導電層１７が形成されることにより、電流をｐ型窒化物半導体層１５全体に均一に広げることができる。しかも透光性導電層１７は透光性であるので、電極側を主光取出し面とすることもできる。ＩＴＯからなる透光性導電層１７を形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりＩＴＯに凹凸を形成した。凹凸形成後、さらにスパッタにより反射層１６としてＲｈを１０００Åの膜厚で成膜した。ここで、透光性導電層１７（ＩＴＯ）、反射層１６（Ｒｈ）共に１００Ｗの低出力で、Ａｒ雰囲気中で成膜を行った。透光性導電層１７を形成した時点では、ＩＴＯの酸素が十分でないため、透過率は低い。また、透光性導電層１７（ＩＴＯ）と反射層１６（Ｒｈ）のパターニングは、ウェットエッチングで行った。このようにウェットエッチングで行うことにより、界面の接触抵抗を低く抑えることができた。【００９３】
ここでＩＴＯはスパッタ成膜中に３００℃程度に加熱した状態で成膜してもよいし、スパッタ成膜中は室温で成膜し、成膜後に加熱処理を行ってもよいし、これらを組み合わせて用いてもよい。加熱処理後のコンタクト特性は良好なオーミック特性を示した。また従来技術と比較してシート抵抗の低いＩＴＯ膜を含む透光性導電層１７が得られた。以上の工程により、シート抵抗が６．５Ω／□、透過率９０％程度の高透過率、低抵抗の透光性導電層１７を得ることができた。【００９４】
反射層１６の形成後、反射層１６の表面全面にＰｔ／Ａｕを含むパッド電極を７０００Åの膜厚で形成した。なお、このパッド電極は透光性ではない。【００９５】
パッド電極を形成した後、露出したｎ型窒化物半導体層１３にＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを含むｎ電極を７０００Åの膜厚で形成した。【００９６】
以上のようにして、ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層とに電極を形成したウエハーを、３２０μｍ角のチップ状に切断し、図２のようにサブマウント１０上にフリップチップ実装した。
【実施例２】
【００９７】
実施例５として、上記実施例１において、反射層１６を誘電体とする他は同様にしてＬＥＤを作成した。反射層１６は、透光性導電層１７上にＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなる４．５ペアの９層を積層した。膜厚は、発光層から発光される光のピーク波長λをもとに、λ／４の整数倍の値を用いるとよく、ここではλ／４（ｎｍ）を用いた。反射層１６は、光の入射側、すなわち透光性導電層１７に近い側に屈折率の大きい層を配置することで、全反射を生じ易くして反射率を向上できる。このように誘電体の多層膜として、屈折率の大きい層と屈折率の小さい層のペアを繰り返すことで、表面の臨界角を大きくでき、これによって反射する光を増やすことができる。この誘電体を積層した反射層１６を使用して、実施例１よりも反射率は１４０％向上した。
【実施例３】
【００９８】
実施例３として、上記実施例２において透光性導電層１７と反射層１６との間に、図１２に示すような、ｎ電極と対抗する隅部からＬＥＤチップの隣接した外縁へ向かって円弧状に延伸する補助電極３０を形成した。このような補助電極３０は、半導体発光素子に投入された電流を透光性電極全体に拡散させる。補助電極３０の材料としては、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕをそれぞれの膜厚を１０００オングストローム／２０００オングストローム／５０００オングストロームとして形成した。反射層としても機能する金属（Ｒｈ）を形成しているので、反射効率もほとんど低下せず、好ましい補助電極３０として用いることができる。その他は実施例２と同様にして半導体発光素子を作成することで、実施例２よりもＶｆがさらに低い素子を得ることができた。
【実施例４】
【００９９】
実施例４として、上記実施例２において反射層として用いる誘電体の材料を、ＺｒＯ２／ＳｉＯ２からなる９．５ペアの１９層を積層した。膜厚は、発光層から発光される光のピーク波長λをもとに、λ／４（ｎｍ）とした。ＺｒＯ２とＳｉＯ２との組み合わせによる多層膜は、ＴｉＯ２とＳｉＯ２との組み合わせによる多層膜より屈折率差が小さいために、積層数を増やしている。その他は実施例２と同様にして半導体発光素子を作成したところ、実施例２と同等の特性の素子が得られた。
【実施例５】
【０１００】
実施例５として、上記実施例１においてＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを含むｎ電極を、ＩＴＯ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕとし、ｐ型層上に形成されるｐ電極（透光性導電層／反射層／パッド電極）と同様の構成とし、ｐ電極と同時にｎ電極も形成した。この構成によって電極形成工程が簡略化されると共に、半導体発光素子の内部を伝播し、ｎ電極に当たった発光層からの光も好適に反射させることができ、光取り出し効率が実施例１よりも向上する。
【実施例６】
【０１０１】
実施例６として、上記実施例４においてＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを含むｎ電極を、ＩＴＯ／（ＺｒＯ２／ＳｉＯ２からなる９．５ペアの１９層）／Ｐｔ／Ａｕとし、ｐ型層上に形成されるｐ電極（透光性導電層／反射層／パッド電極）と同様の構成とし、ｐ電極と同時にｎ電極も形成した。この構成によって電極形成工程が簡略化されるとともに、半導体発光素子の内部を伝播し、ｎ電極に当たった発光層からの光も好適に反射させることができ、光取り出し効率が実施例４よりも向上する。
【実施例７】
【０１０２】
次に実施例７について詳述する。図３に示す構成の半導体発光素子としてＬＥＤを作成した。まず、ＭＯＶＰＥ反応装置を用い、２インチφのサファイア基板１１の上にＡｌＧａＮからなるバッファ層（膜厚：約１００Å）、アンドープＧａＮ層（１μｍ）、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなるｎ電極を形成するｎ型コンタクト層（５μｍ）、アンドープＧａＮからなる下層（３０００Å）と、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３含むＧａＮからなる中間層（３００Å）と、アンドープＧａＮからなる上層（５０Å）との３層からなるｎ側第１多層膜層（総膜厚：３３５０Å）、アンドープＧａＮ（４０Å）とアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２０Å）とが繰り返し交互に１０層ずつ積層されてさらにアンドープＧａＮ（４０Å）が積層された超格子構造のｎ側第２多層膜層（総膜厚：６４０Å）、アンドープＧａＮからなる障壁層（２５０Å）とＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる井戸層（３０Å）とＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１の障壁層（１００Å）とアンドープＧａＮからなる第２の障壁層（１５０Å）が繰り返し交互に６層ずつ積層されて形成された多重量子井戸構造の発光層（総膜厚：１９３０Å）、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（４０Å）とＭｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ（２５Å）とが繰り返し５層ずつ交互に積層されてさらにＭｇを５×１０１９／ｃｍ３含むＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（４０Å）が積層された超格子構造のｐ側多層膜層（総膜厚：３６５Å）、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３含むＧａＮからなる表面にｐ電極を形成するｐ型コンタクト層（１２００Å）を順に成長させた。ここではアンドープＧａＮからなる下層（３０００Å）を、下からアンドープＧａＮからなる第1の層（１５００Å）、Ｓｉを５×１０１７／ｃｍ３含むＧａＮからなる第２の層（１００Å）及びアンドープＧａＮからなる第３の層（１５００Å）からなる３層構造の下層とし、さらに、ｐ側多層膜層とｐ側コンタクト層との間に、ＧａＮ（２０００Å）を、アンドープで形成後、隣接する層からのＭｇの拡散によりｐ型を示すｐ型半導体層を形成する。【０１０３】
さらにウエハーを反応容器内において、窒素雰囲気とし温度６００℃でアニーリングして、ｐ型窒化物半導体層１５をさらに低抵抗化した。アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮの表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの上からエッチングを行い、図３に示すようにｎ型コンタクト層の一部を露出させた。【０１０４】
次に、ｐ型窒化物半導体層１５の上のマスクを除去し、最上層のｐ型ＧａＮのほぼ全面に透光性導電層１７としてＩＴＯを４０００Åの膜厚でスパッタした。スパッタ後の透光性導電層１７は明らかに透明性となっており、サファイア基板１１まで透けて観察できた。このように、露出したｐ型窒化物半導体層１５のほぼ全面に透光性導電層１７が形成されることにより、電流をｐ型窒化物半導体層１５全体に均一に広げることができる。しかも透光性導電層１７は透光性であるので、電極側を主光取出し面とすることもできる。ＩＴＯからなる透光性導電層１７を形成後、スパッタにより反射層１６としてＲｈを１０００Åの膜厚で成膜した。ここで、透光性導電層１７（ＩＴＯ）、反射層１６（Ｒｈ）共に１００Ｗの低出力で、Ａｒ雰囲気中で成膜を行った。また、透光性導電層１７（ＩＴＯ）と反射層１６（Ｒｈ）のパターニングは、ウェットエッチングで行った。このようにウェットエッチングで行うことにより、界面の接触抵抗を低く抑えることができた。【０１０５】
ここでＩＴＯはスパッタ成膜中に３００℃程度に加熱した状態で成膜してもよいし、スパッタ成膜中は室温で成膜し、成膜後に加熱処理を行ってもよいが、本実施例では、加熱処理において、ＩＴＯのスズがｐ型コンタクト層との界面近傍において、ＩＴＯの他の部分のスズの濃度よりも高くなるように処理した。ＩＴＯのスズについてＡＥＳ分析装置で膜厚方向に測定した結果、図１０（ａ）に示すように、半導体層との界面近傍において、スズの濃度が高くなっていることが確認された。以上の工程により、高透過率、低抵抗の透光性導電層１７を得ることができた。【０１０６】
反射層１６の形成後、反射層１６の表面全面と、露出したｎ型窒化物半導体層１３にＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを７０００Åの膜厚で形成した。【０１０７】
以上のようにして、ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層とに電極を形成したウエハーを、３２０μｍ角のチップ状に切断し、図２のようにサブマウント１０上にフリップチップ実装した。従来のＩＴＯを用いた場合と比べて、外部への光取り出し効率が向上し、動作電圧の低減した素子が得られる。
【実施例８】
【０１０８】
次に実施例８について、電極形成面側の平面図を示した図１３に基づいて説明する。実施例８に係る半導体素子は、図１３に示すように、ｐ型窒化物半導体層の間にｎ型窒化物半導体層がエッチングによりストライプ状に露出されている。露出されたｎ型窒化物半導体層は、素子の内側において、細くなる形状を有しており、この露出されたｎ型半導体層上にｎ電極８が形成されている。なお、ｐ側の透光性導電層（ＩＴＯ）１７と反射層（Ｒｈ）１６は、ストライプ形状であり、発光素子中央部分において、露出されたｎ型窒化物半導体層の幅より広い形状を有している。ｐ側の透光性導電層は、実施例７と同様のＩＴＯにより形成されている。ｐ側の透光性導電層１７及び反射層１６のストライプ列数は、ｎ型窒化物半導体層状のｎ電極（Ｔｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ）８の列数より多い。その他は実施例７と同様にして半導体発光素子を得る。なお、図１３では、透光性導電層１７の上に反射層１６が形成されているので、平面図では反射層１６のみが見えるようになる。【０１０９】
このように、ｎ電極がくびれた形状を有することによりｐ側の透光性導電層と反射層の領域面積を大きくすることができ、単位時間当たりに発光素子に投入される電流量を増大させることができる。さらに発光面において、発光素子の発光に寄与しないｎ型窒化物半導体層の面積を減らし、ｐ型窒化物半導体層の面積を相対的に増やすことで発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。したがって、この発光素子では、高輝度を実現することができる。また透光性導電層をこのように設けることにより、発光素子に投入される電流を均一に発光素子全面に拡散させることができ、発光素子の発光面からの発光を均一とすることができる。【０１１０】
なお、ｐ側の反射層上に形成されるパッド電極及びｎ電極は、バンプに含有される材料の少なくとも一種を含有することが好ましい。例えば、バンプがＡｕを材料とするときには、ｐ側のパッド電極及びｎ電極の材料、特にバンプと直接に接する接合面の材料は、Ａｕ又はＡｕを含む合金とすることが好ましい。また、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｈ／Ｉｒの単層又は多層膜でもよい。
【実施例９】
【０１１１】
さらに実施例９に係る半導体発光素子は、上記実施例７で得られる発光素子の透光性導電層の表面に、実施例１で示したように凹凸を形成し、その凹凸上に反射層を形成した他は、実施例７と同様にして半導体発光素子を得た。これによって得られた半導体発光素子は、さらに外部への光取り出し効率が向上し、動作電圧の低減した素子が得られた。
【実施例１０】
【０１１２】
さらに実施例１０に係る半導体素子を説明する。この半導体素子も、図１３に示す電極形成面側の平面図で示したように、ｐ型窒化物半導体層の間にｎ型窒化物半導体層がエッチングによりストライプ状に露出されている。露出されたｎ型窒化物半導体層は、素子の内側において、細くなる形状を有しており、この露出されたｎ型半導体層上にｎ電極が形成されている。なお、ｐ側の透光性導電層（ＩＴＯ）と反射層（Ｒｈ）は、ストライプ形状であり、発光素子中央部分において、露出されたｎ型窒化物半導体層の幅より広い形状を有している。ｐ側の透光性導電層は、上記実施例７と同様のＩＴＯにより形成されている。ｐ側の透光性導電層及び反射層のストライプ列数は、ｎ型窒化物半導体層状のｎ電極（Ｔｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ）の列数より多い。その他は上記実施例９と同様にして半導体発光素子を得た。【０１１３】
このように、ｎ電極がくびれた形状を有することによりｐ側の透光性導電層と反射層の領域面積を大きくすることができ、単位時間当たりに発光素子に投入される電流量を増大させることができる。さらに発光面において、発光素子の発光に寄与しないｎ型窒化物半導体層の面積を減らし、ｐ型窒化物半導体層の面積を相対的に増やすことで発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。したがって、この発光素子では、高輝度を実現することができる。また透光性導電層をこのように設けることにより、発光素子に投入される電流を均一に発光素子全面に拡散させることができ、発光素子の発光面からの発光を均一とすることができる。【０１１４】
なお、ｐ側の反射層上に形成されるパッド電極及びｎ電極は、バンプに含有される材料の少なくとも一種を含有することが好ましい。例えば、バンプがＡｕを材料とするときには、ｐ側のパッド電極及びｎ電極の材料、特にバンプと直接に接する接合面の材料は、Ａｕ又はＡｕを含む合金とすることが好ましい。また、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｈ／Ｉｒの単層又は多層膜でもよい。【０１１５】
以上、実施例１から示したすべての実施例のように、窒化物半導体発光素子をフリップチップでマウント基板上に形成することによって、複数の窒化物半導体発光素子を等電位で実装でき、フェイスアップで実装するよりも、窒化物半導体発光装置の小型化が図れる。特にフェイスアップ実装にすると、パッド電極が光遮光部となってしまい、発光面積が減ってしまうが、フリップチップ実装では基板１１の裏面側全面を発光面とでき、広い面積で発光できる。また接合に共晶合金を用いることで、小型化にしても比較的発光面積を大きく取ることができる。また、透光性導電層１７や反射層１６の膜厚を調節することで、素子の発光面を水平としたり、水平から傾斜して設けたりすることが容易にできる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明の半導体素子は、発光素子のみならず受光素子等にも適用でき、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等としてフルカラーＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤ信号機、道路情報表示板等のＬＥＤデバイス、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子としてイメージスキャナー等に適用したり、あるいはまた電子デバイス（ＦＥＴ等のトランジスタやパワーデバイス）や、これらを用いた光ディスク用光源等大容量の情報を記憶するＤＶＤ等のメディアや通信用の光源、印刷機器、照明用光源等に好適に利用できる。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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