JP4438422B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、より詳細には、高濃度ｐ型不純物を含有する半導体層が形成されてなる半導体発光素子に関する。

従来から、半導体発光素子として、基板上にｐ型半導体層およびｎ型半導体が積層され、ｐ型およびｎ型の半導体層のそれぞれと電気的に接続する電極が形成された構造が知られている。また、ｐ型の半導体層と電気的に接続するの電極として、ｐ型半導体層上全面に透光性材料による電極を形成し、その上に金属電極を形成する構造が知られている。
このような構成の半導体発光素子では、ｐ型半導体層上の全面電極として、Ｎｉ／Ａｕ電極等の透明な金属薄膜や、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２等の導電性酸化物膜が用いられている（例えば、特許文献１及び２）。

しかし、金属薄膜は光の透過率が悪く、光の取り出し効率を向上させるには限界がある。
また、導電性酸化物、例えば、ＩＴＯ自体は、ｎ型の半導体特性を示すことから、必ずしも半導体層とオーミック性が良好ではなく、半導体層の種類、導電型、成膜方法等の種々の要因から、ショットキー障壁が形成され、コンタクト抵抗を増大させることがある。従って、半導体層とＩＴＯ膜との成膜条件や、種類、不純物濃度、導電型等が制限され、あるいは導電性酸化物膜の半導体層へのオーミック性の悪化により電力効率が低下し、光の取り出し効率が低下するという問題があった。

特開２０００−１６４９２２号公報 特開２００１−２１０８６７号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、正電極と正電極に対してオーミック性に優れ、接触抵抗を低く抑えることができるコンタクト層とを備えた半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、
ｐ型半導体層の上に、ｐ型コンタクト層を介して形成された正電極を備える半導体発光素子であって、
前記ｐ型コンタクト層が、膜厚２５０Å以下の膜厚で、Ｍｇ濃度１．５×１０^２０／ｃｍ^３以上に設定されてなる窒化物半導体層からなり、
前記正電極として、ｐ型コンタクト層上に、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＭｇからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有する導電性酸化物膜が電気的に接続され、かつ該導電性酸化物膜が、前記ｐ型コンタクト層との界面近傍において表面側よりも密度が低いことを特徴とする。
このような半導体発光素子では、以下の１以上の要件を備えることが好ましい。
ｐ型コンタクト層は、表面がＲＭＳ値３ｎｍ以下の面粗さに設定されてなる。
密度の低い領域が、ｐ型コンタクト層側から導電性酸化物膜の全膜厚に対して１０〜５０％の範囲に存在する。
導電性酸化物膜は、ｐ型コンタクト層との界面近傍において、複数の孔が存在する。
複数の孔は直径が２０〜２００ｎｍ程度である。
導電性酸化物膜がＩＴＯ膜である。
正電極の４００〜６００ｎｍにおける光の透過率が８０％以上である。
正電極の比抵抗が１×１０^−４Ωｃｍ以下である。
正電極の上に、さらにＷ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌの単層膜又は積層膜からなる金属膜が形成されてなる。
ｐ型半導体層が窒化物半導体である。

本発明の半導体発光素子によれば、ｐ型コンタクト層が、膜厚２５０Å以下の膜厚で、Ｍｇ濃度１．５×１０^２０／ｃｍ^３以上に設定されてなることにより、正電極に対してオーミック性に優れ、接触抵抗を低く抑えることができるコンタクト層を備えた半導体発光素子を得ることができる。また、コンタクト層の成膜時間、熱処理時間等を短縮させることができ、製造工程が簡略化し、プロセスの再現性を向上させ、安価で高品質の半導体発光素子を得ることができる。

また、ｐ型コンタクト層は、表面がＲＭＳ値３ｎｍ以下の面粗さに設定されている場合には、正電極との密着性を向上させることがで、ｐ型コンタクト層と正電極とのさらなるオーミック性の向上、接触抵抗の低減を図ることができる。

さらに、ｐ型コンタクト層上に、正電極として、亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む導電性酸化物膜が電気的に接続され、かつ該導電性酸化物膜が、ｐ型コンタクト層との界面近傍において表面側よりも密度が低い場合には、導電性酸化物膜とｐ型コンタクト層との接触面積が減少するが、導電性酸化物膜自体の結晶性は良好であるために、ショットキー障壁を低減させ、オーミック性を向上させることができ、電力効率を向上させることができる。しかも、特に、導電性酸化物膜の表面側においては、密度の高い結晶性の良好な領域が存在するために、横方向に電流を均一に広げることができるとともに、光の散乱を防止し、可視光に対する透過率を良好とすることができ、透明電極としての機能を十分に発揮させることができる。

また、正電極がＩＴＯ膜である場合には、上述した効果をより確実に発揮させることができる。

さらに、正電極の４００〜６００ｎｍにおける光の透過率が８０％以上である場合には、半導体発光素子から発生した所望の光を効率よく取り出すことができ、有利である。

また、正電極の比抵抗が１×１０^−４Ωｃｍ以下である場合には、導電性酸化物膜に投入された電流を効率よく半導体層に拡散させることができ、より電力効率が向上するとともに、これに伴って、光の取り出し効率も良好となる。

さらに、密度の低い領域が、ｐ型コンタクト層側から導電性酸化物膜の全膜厚に対して１０〜５０％の範囲に存在する場合には、表面側における導電性酸化物膜を通る電流を妨げることなく、より抵抗を低減することができる。

正電極の上に、さらに金属膜が形成され、特に金属膜が、Ｗ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌの単層膜又は積層膜により形成される場合には、導電性酸化物膜と金属膜との間に形成されるショットキー障壁を低減させることができるとともに、半田による接着、ワイヤボンディング等が施されるなど、金属膜の形態にかかわらず、金属膜と良好な接着性を確保することができる。なかでもＷ、Ｒｈを金属膜として用いる場合には、ＩＴＯ膜との密着性がきわめて良好となり、電気的な接続の信頼性を向上させることができる。

本発明の半導体発光素子におけるｐ型半導体層は、特に限定されるものではなく、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、III−Ｖ族、II-VI族、VI-VI族等の化合物半導体等が挙げられる。特に、窒化物半導体、なかでもＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。

なお、ｐ型半導体層は、半導体発光素子を構成する半導体積層構造の一部であり、単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる積層構造、超格子構造であってもよい。このｐ型半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ)等の公知の技術により形成することができる。ｐ型半導体層の膜厚は特に限定されるものではなく、種々の膜厚のものを適用することができる。

通常、このようなｐ型半導体層を含み、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合又はＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造又はダブルへテロ構造等の半導体積層構造により、半導体発光素子、例えば、ＬＥＤ、レーザーダイオード等の当該分野で公知の素子が構成されている。具体的には、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が積層され、ｎ型及びｐ型半導体層にそれぞれ電極が接続されて構成される。ｎ型半導体層は、ｐ型半導体層と同様に、単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる積層構造、超格子構造であってもよい。また活性層は、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造であってもよい。

この種の半導体発光素子は、基板上に複数の半導体層を成長させて形成されるが、基板としてサファイア等の絶縁性基板を用いることが好ましい。なお、絶縁性基板を最終的に取り除かない場合、通常、ｐ電極および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とになり、フェイスアップ実装、すなわち半導体層側を主光取出し面とすることができる。また、フリップチップ実装、すなわち絶縁性基板側を主光取出し面としてもよい。この場合、ｐ電極及びｎ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：Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等）がそれぞれ形成され、このメタライズ層がサブマウント上に設けられた正負一対の外部電極と、それぞれ形成され、さらにサブマウントに対してワイアなどが配線される。また、最終的に基板を除去して、フェイスアップ実装又はフリップチップ実装のいずれに用いてもよい。なお、基板としては、サファイアに限定されず、例えば、スピネル、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等、公知の基板を用いることができる。また、基板としてＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の導電性基板を用いることによりｐ電極及びｎ電極を対向して配置してもよい。

ｐ型半導体層上に形成されるｐ型コンタクト層は、ｐ型半導体層と電気的に接続される正電極とのコンタクトを良好とするために用いられるものであり、正電極と電気的に接続しており、通常、ｐ型半導体層よりも低い抵抗の層により形成される。例えば、ｐ型半導体層で例示した材料の中から適宜選択することができる。なお、ｐ型コンタクト層は、クラッド層やその他の層としての機能を有していてもよい。ｐ型コンタクト層には、抵抗を低くするためにｐ型の不純物がドーピングされている。ドーパントとしては、特に限定されるものではなく、ｐ型コンタクト層の材料によって、ｐ型の導電性を示す元素を用いることが適当である。例えば、ｐ型コンタクト層が窒化物半導体、つまり、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれらの混晶（例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）等である場合には、ｐ型不純物としては、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等が挙げられ、なかでも、Ｍｇが好ましい。ドーピング濃度は、例えば、１．５×１０^２０ｃｍ^−３程度以上であり、好ましくは、１．５×１０^２０〜１×１０^２２ｃｍ^−３程度が挙げられる。ｐ型コンタクト層は、ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、当該分野で公知の方法のいずれによっても形成することができる。また、不純物のドーピングは、成膜と同時に行ってもよいし、成膜後、気相拡散、固相拡散、イオン注入等によって行ってもよい。

ｐ型コンタクト層の膜厚は、２５０Å以下であり、好ましくは、５０〜２５０Å程度が挙げられる。また、ｐ型コンタクト層は、その表面の面粗さがＲＭＳ（root mean squre;自乗平均粗さ）値３ｎｍ程度以下、さらに２ｎｍ程度以下に設定されていることが好ましい。ｐ型コンタクト層の表面粗さを調整する方法としては、ｐ型コンタクト層の表面を研磨する方法、ＲＩＥ法によりエッチングする方法などが挙げられる。

ｐ型コンタクト層上には正電極が電気的に接続されるが、この正電極としては、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）及びマグネシウム（
Ｍｇ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む導電性酸化物膜が挙げられる。具体的にはＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ（ＩｎとＳｎとの複合酸化物）、ＭｇＯが挙げられる。なかでも、ＩＴＯ膜が好ましい。

導電性酸化物膜は、半導体層との界面近傍において、表面側よりも密度が低いことが好ましい。言い換えると、半導体層との界面近傍においてのみ、多孔質の状態となっている。多孔質の状態としては、例えば、直径２０〜２００ｎｍ程度の複数の孔が均一又は不均一に存在する状態が挙げられる。また、密度としては、導電性酸化物膜の表面側の９０〜３０％程度が挙げられる。このような導電性酸化物膜の状態は、例えば、断面を透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）により観察する方法、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）により観察する方法、電子回折パターンを測定する方法、超薄膜評価装置で観察する方法等によって測定することができる。

なお、導電性酸化物膜の表面側は結晶性が良好で、透明な膜として形成されている。また、導電性酸化物膜の半導体側の密度が低い領域においては、部分的にアモルファスな領域を有していてもよいが、アモルファスな状態ではなく、透明な膜又は略透明な膜として形成されていることが好ましい。

この密度が低い領域は、ｐ型コンタクト層との界面から、導電性酸化物膜の全膜厚の１０〜５０％の範囲に存在することが適当である。このようにｐ型コンタクト層側のみ密度が低いことにより、ｐ型コンタクト層とのオーミック性を確保しながら、透光性を良好にすることができる。なお、導電性酸化物膜の全膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、１００〜１０００ｎｍ程度が挙げられる。また、密度が低い領域は、１０〜５００ｎｍ程度が挙げられる。

また、導電性酸化物膜からなる正電極は、可視光のみならず、例えば、上述した窒化ガリウム系化合物半導体による活性層から発生する光、つまり波長３６０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、好ましくは３８０ｎｍ〜５６０ｎｍ、４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光を吸収することなく、効率よく、例えば、透過率が９０％以上、あるいは８５％以上、８０％以上で透過させることができるものであることが好ましい。これにより、意図する波長の半導体発光素子の電極として利用することができる。さらに、導電性酸化物膜からなる正電極は、例えば、比抵抗が１×１０^−４Ωｃｍ以下、好ましくは１×１０^−４〜１×１０^−６Ωｃｍ程度であることが好ましい。これにより、電極として有効に利用することができる。

導電性酸化物膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、スパッタ法、反応性スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法と熱処理の組み合わせ等、種々の方法を利用することができる。

具体的には、スパッタ法により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、スパッタガスとして酸素分圧の小さい又はゼロのガスから大きいガスに切り替えるか、徐々に酸素分圧を増加させて用いる方法、ＩＴＯ成膜用のターゲットのほかに、Ｉｎ量が多いターゲットまたは酸素量が少ないターゲットを用い、途中でＩｎ量が多いターゲットまたは酸素量が少ないターゲットに切り替える方法、スパッタ装置の投入電力を徐々に又は急激に増大させて成膜する方法等が挙げられる。また、真空蒸着により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、半導体層の温度を急激又は徐々に上昇または低下させる方法、成膜レートを急激に低下させる方法、イオン銃を用いて酸素イオンを成膜途中から照射する方法等が挙げられる。

さらに、イオンプレーティング法により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、成膜途中から、酸素ガスをプラズマ化させてこの酸素プラズマをＩＴＯ膜中に取り込ませて成膜する方法、ＩＴＯの微粒子を溶媒に溶解又は分散、懸濁させてスプレー法、スピンコート法、ディップ法により成膜する際に、ＩＴＯを含有する溶液等のＩｎ含有量又は酸素含有量を変化させた複数種類の溶液等を用いるか、乾燥又は焼成時の雰囲気、温度等を制御する方法、ＣＶＤ法によりＩＴＯ膜を形成する際に、酸素ガス又は原料酸素含有ガスの流量を制御する方法が挙げられる。

加えて、導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を形成した後、例えば、還元性ガス（具体的には、一酸化炭素、水素、アルゴン等又はこれら２種以上の混合ガス）雰囲気下、２００〜６５０℃程度、導電性酸化物膜の膜厚に応じて所定時間アニール処理する方法等が挙げられる。また、導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を途中まで形成した後、熱処理し、引く続き成膜して熱処理するなどの多段階での熱処理を利用してもよい。熱処理の方法としては、例えばランプアニール処理、加熱炉によるアニール処理などがある。またＩＴＯ膜を成膜後の処理としては電子線照射やレーザアブレーションを利用してもよい。さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。

なお、上述した導電性酸化物膜からなる正電極は、半導体発光素子において、少なくともｐ型半導体層上に略全面を覆う全面電極として形成されていることが好ましい。通常、ｐ型半導体層上へ導電性酸化物膜はオーミック性を得にくいが、上述したような導電性酸化物膜とすることにより、良好なオーミック性を得ることができる。また、導電性酸化物膜は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の双方上に形成されていてもよい。

正電極上に形成される金属膜は、その種類及び形態は特に限定されるものではなく、通常、電極として用いられるものであればどのようなものでも使用することができる。例えば、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）、銀（Ａｇ）、イットリウム（Ｙ）等の金属、合金の単層膜又は積層膜等が挙げられる。なかでも、抵抗が低いものが好ましく、具体的には、Ｗ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ等の単層膜又は積層膜が挙げられる。さらに、導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜との密着性が良好なもの、具体的には、Ｗ、Ｒｈ、Ｐｔの単層膜又は積層膜が好ましい。また、この金属膜は、半田により接着され又はワイヤボンディングされたパッド電極等として機能し得るものであることが好ましい。

なお、導電性酸化物膜が、正電極のみならず、ｎ型半導体層上に形成されている場合の金属膜、つまり負電極は、その種類、積層構造、膜厚等が異なっていてもよいし、同じでもよい。双方とも同じ金属膜が形成されていれば、製造工程が簡略化され、結果的に安価で信頼性の高い半導体発光素子が得られる。

金属膜は、例えば、半導体層側から、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Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ電極（その膜厚として、例えばそれぞれ１００ｎｍ／２００ｎｍ／５００ｎｍ）；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Ｐｔ／Ａｕ電極（その膜厚として、例えばそれぞれ２０ｎｍ／７００ｎｍ）等が挙げられる。金属膜の最上層をＡｕとすることによって、Ａｕを主成分とする導電性ワイヤ等と良好な接続を確保することができる。また、ＲｈとＡｕの間にＰｔを積層させることによって、Ａｕ又はＲｈの拡散を防止することができ、電極として信頼性の高い電気的な接続を得ることができる。また、Ｒｈは、光反射性およびバリア性に優れ、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。なかでも、Ｐｔ／Ａｕ（フェイスアップの場合）、Ｒｈ／Ａｕ（フェイスダウンの場合）の積層膜が好ましい。

なお、本発明における半導体発光素子を構成する半導体積層構造としては、次の（１）〜（４）に示すような積層構造が挙げられる。

（１）膜厚が２００ÅのＧａＮよりなるバッファ層、膜厚が４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層、膜厚が３０ÅのアンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる単一量子井戸構造の活性層、膜厚が０．２μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるｐ型クラッド層、膜厚が０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層。

（２）膜厚が約１００オングストロームのＡｌＧａＮからなるバッファ層、膜厚１μｍのアンドープＧａＮ層、膜厚５μｍのＳｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３含むＧａＮからなるｎ側コンタクト層、３０００ÅのアンドープＧａＮからなる下層と、３００ÅのＳｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３含むＧａＮからなる中間層と、５０ÅのアンドープＧａＮからなる上層との３層からなるｎ側第１多層膜層（総膜厚３３５０Å）、アンドープＧａＮからなる窒化物半導体層を４０ÅとアンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる窒化物半導体層を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からなる窒化物半導体層を４０Åの膜厚で形成された超格子構造のｎ側第２多層膜層（総膜厚）６４０Å）、膜厚が２５０ÅのアンドープＧａＮからなる障壁層と膜厚が３０ÅのＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎからなる井戸層とが繰り返し交互に６層ずつ積層されてさらに膜厚が２５０ÅのアンドープＧａＮからなる障壁が形成された多重量子井戸構造の活性層（総膜厚１９３０Å）、Ｍｇを５×１０^１９／ｃｍ^３含むＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎからなる窒化物半導体層を４０ÅとＭｇを５×１０^１９／ｃｍ^３含むＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなる窒化物半導体層を２５Åとが繰り返し５層ずつ交互に積層されてさらにＭｇを５×１０^１９／ｃｍ^３含むＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎからなる窒化物半導体層を４０Åの膜厚で形成された超格子構造のｐ側多層膜層（総膜厚３６５Å）、膜厚が１２００ÅのＭｇを１×１０^２０／ｃｍ^３含むＧａＮからなるｐ側コンタクト層。

（３）バッファ層、アンドープＧａＮ層、Ｓｉを６．０×１０^１８／ｃｍ^３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２．０×１０^１８／ｃｍ^３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活性層、膜厚が１３００ÅのＭｇを５．０×１０^１８／ｃｍ^３含むＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層、さらに透光性導電層とｐ型窒化物半導体層との間にＩｎＧａＮ層を５０Åの膜厚で有してもよい。

（４）バッファ層、アンドープＧａＮ層、Ｓｉを１．３×１０^１９／ｃｍ^３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３．０×１０^１８／ｃｍ^３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活性層（総膜厚８００Å）、膜厚が１３００ÅのＭｇを２．５×１０^２０／ｃｍ^３含むＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層、さらに透光性導電層とｐ型窒化物半導体層との間にＩｎＧａＮ層を５０Åの膜厚で有してもよい。

また、本発明の半導体発光素子は、発光素子から光の一部をそれとは異なる波長の光に変換する光変換部材を有していてもよい。これにより、発光素子の光を変換した発光装置を得ることができ、発光素子の発光と変換光との混色光などにより、白色系、電球色などの発光装置を得ることができる。

光変換部材としては、Ａｌを含み、かつＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｅｕ及びＳｍから選択された少なくとも一つの元素と、Ｇａ及びＩｎから選択された一つの元素とを含むアルミニウム・ガーネット系蛍光体、さらに希土類元素から選択された少なくとも一つの元素を含有するアルミニウム・ガーネット系蛍光体等が挙げられる。これにより、発光素子を高出力で高発熱での使用においても、温度特性に優れ、耐久性にも優れた発光装置を得ることができる。

また、光変換部材は、（Ｒｅ_1-xＲ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ，Ｇｄ,Ｌａ，Ｌｕ，Ｔｂ，Ｓｍからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、ＲはＣｅ又はＣｅとＰｒである）で表される蛍光体であってもよい。これにより上記と同様に、高出力の発光素子において、温度特性、耐久性に優れた素子とでき、特に、活性層がＩｎＧａＮである場合に、温度特性において黒体放射に沿った変化となり、白色系発光において有利となる。

さらに、光変換部材は、Ｎを含み、かつＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＺｎから選択された少なくとも一つの元素と、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で賦活された窒化物系蛍光体であってもよい。具体的には、一般式Ｌ_ＸＳｉ_ＹＮ_{（２／３Ｘ＋４／３Ｙ）}：Ｅｕ若しくはＬ_ＸＳｉ_ＹＯ_ＺＮ_{（２／３Ｘ＋４／３Ｙ−２／３Ｚ）}：Ｅｕ（Ｌは、Ｓｒ若しくはＣａ、又は、Ｓｒ及びＣａのいずれか。）が挙げられる。これにより上記蛍光体と同様に、高出力の発光素子において、優れた温度特性、耐久性を得ることができる。なかでも、酸化窒化珪素化合物が好ましい。また、上述したアルミニウム・ガーネット系蛍光体と組み合わせることで、両者の温度特性が相互に作用して、混合色の温度変化が小さい発光装置とできる。

また、本発明の半導体発光素子においては、金属膜はパッド電極として用いるだけでなく、さらに延長導電部を設けることが好ましい。これにより、活性層全体を効率よく発光させることができ、特に本発明の半導体発光素子をフェイスアップ実装で設けるときに効果的である。
延長導電部が設けられたパッド電極としては、例えば、図１〜図４に示したような構成が挙げられる。

図１及び図２に示すように、ｎ電極５３は半導体発光素子の少なくとも１つの辺に近接するように形成される。例えば、１つの辺の中央部において、ｐ型半導体層及び活性層の一部をエッチングにより除去してｎ型コンタクト層５１が露出した切り欠き部５１ａを設け、その切り欠き部５１ａにｎ電極５３を形成する。

ｐ側パッド電極５５は、透明電極５４上におけるｎ電極が近接する辺に対向する辺に隣接する位置に形成される。また、ｐ側パッド電極５５には２つの線上の延長導電部５６が接続され、その延長導電部５６はｐ側パッド電極５５の両側のｐ側パッド電極５５が隣接する辺に沿って伸びている。これにより、ｐ側パッド電極５５とｎ電極５３間に位置する活性層を効率よく発光させることができ、さらにｐ側パッド電極５５に接続された延長導電部５６を透明電極５４上に電気的に導通するように形成することにより、効果的にｐ層全体に電流を拡散させ、発光層全体を効率よく発光させることができる。さらに、ｐ側パッド電極５５及び延長導電部５６の周辺部において輝度の高い発光が得られる。したがって、本発明では、延長導電部５６の周辺部における輝度の高い発光を効果的に利用することがさらに好ましい。

具体的には、延長導電部５６と、延長導電部５６と延長導電部５６が沿って形成される発光層及びｐ層の縁との間に上述の輝度の高い発光が得られる周辺部が確保されるように、その縁と延長導電部５６との間に間隔を空けることが好ましい。なお、ｎ型コンタクト層５１のシート抵抗ＲｎΩ／□と、透光性ｐ電極５４のシート抵抗ＲｐΩ／□とが、Ｒｐ≧Ｒｎの関係を満たしている場合、延長導電部５６と発光層の縁との間隔は、２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。その間隔が２０μｍより小さいと輝度の高い発光が得られる周辺部領域が十分確保できない（輝度の高い発光が得られるべき領域が外側にはみ出す）からであり、その間隔が５０μｍを超えると、隣接辺に沿って発光輝度の低い部分が形成され、全体としての輝度の低下をもたらすからである。

また、延長導電部５６はそれぞれ、図１に示すように、ｎ電極５３から等距離になるように円弧状に形成されていることが好ましく、これにより図２のように直線状に設けた場合に比較して、より均一な発光分布が得られる。

さらに、図３及び図４に示すように、ｎ電極６３が半導体発光素子の１つの隅部に２つの辺に近接するように設けられ、パッド電極はｎ電極６３が近接する隅部と対角をなす他の隅部に設けられることがさらに好ましい。

また、ｎ電極６３とｐ側パッド電極６５とを対角配置した場合においても、図３及び図４に示すように、延長導電部６６はそれぞれ、ｎ電極６３から等距離になるように円弧状に形成されていることが好ましく、これによってより高輝度でかつより均一な発光が得られる。なお、この場合においても、延長導電部６６と発光層の縁との間隔は、上述したように輝度の高い発光が得られる領域を十分確保するために、２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

以下に、本発明の電極及び半導体発光素子を図面に基づいて詳細に説明する。
実施例１
この実施の形態の半導体発光素子を図５に示す。
この半導体発光素子１０は、サファイア基板１の上に、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるバッファ層（図示せず）、ノンドープＧａＮ層（図示せず）が積層され、その上に、ｎ型半導体層２として、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層、ＧａＮ層（４０Å）とＩｎＧａＮ層（２０Å）とを交互に１０回積層させた超格子のｎ型クラッド層が積層され、さらにその上に、ＧａＮ層（２５０Å）とＩｎＧａＮ層（３０Å）とが交互に３〜６回積層された多重量子井戸構造の活性層３、ｐ型半導体層４として、ＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層（４０Å）とＭｇドープＩｎＧａＮ層（２０Å）とが交互に１０回積層された超格子のｐ型クラッド層、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ型コンタクト層がこの順に積層されて構成される。

ｎ型半導体層２の一部の領域においては、その上に積層された活性層３及びｐ型半導体層４が除去され、さらにｎ型半導体層２自体の厚さ方向の一部が除去されて露出しており、その露出したｎ型半導体層２上にｎ電極７が形成されている。

ｐ型半導体層３上には、ほぼ全面に、ＩＴＯからなる導電性酸化物膜５である正電極が形成されており、この導電性酸化物膜５である正電極の一部上にパッド電極６が形成されている。なお、導電性酸化物膜５である正電極は、半導体層側において、膜中に複数の空隙が形成されている。

このような半導体発光素子は、以下の製造方法により形成することができる。
＜半導体層の形成＞
まず、直径２インチ、Ｃ面を主面とするサファイア基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ_３）を用い、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるバッファ層を１００Åの膜厚で成長させる。
バッファ層形成後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層（成長基板）として作用する。
次に、下地層の上に、ｎ型半導体層２として、ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープさせたＧａＮからなるｎ型コンタクト層を２．１６５μｍの膜厚で成長させる。
その上に、温度を８００℃にして、原料ガスにトリメチルインジウムを断続的に流しながら、ＧａＮ層（４０Å）とＩｎＧａＮ層（２０Å）とを交互に１０回積層させた超格子のｎ型クラッド層５を６４０Åの膜厚で成長させ、さらに、ＧａＮ層（２５０Å）とＩｎＧａＮ層（３０Å）とを交互に３〜６回積層させた多重量子井戸構造の活性層３を成長させる。

ｐ型半導体層４として、ＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層（４０Å）とＭｇドープＩｎＧａＮ層（２０Å）とを交互に１０回積層させた超格子のｐ型クラッド層を０．２μｍ成長させる。
最後に、９００℃で、水素雰囲気下、ＴＭＧを４ｃｃ、アンモニア３．０リットル、キャリアガスとして水素ガスを２．５リットル導入し、ｐ型クラッド層の上にＭｇを１．５×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を２５０Åの膜厚で成長させる。なお、コンタクト層の表面を、必要に応じて、例えば研磨する。これにより、コンタクト層の表面の面粗さをＲＭＳ値３ｎｍ程度に調整する。
得られたウェハを反応容器内で、窒素雰囲気中、６００℃にてアニールし、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をさらに低抵抗化した。

＜エッチング＞
アニール後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層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し、ｎ型コンタクト層の一部を露出させた。

＜ＩＴＯ膜の形成＞
マスクを除去した後、スパッタ装置にウェハを設置し、Ｉｎ₂Ｏ₃とＳｎＯ₂との焼結体からなる酸化物ターゲットをスパッタ装置内に設置した。スパッタ装置によって、酸素ガス雰囲気中、ウェハを３００℃に維持し、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素との混合ガス（２０：１）で、例えば、ＲＦパワー１０Ｗ／ｃｍ^２で２０分間スパッタリングし、引き続き、ＲＦパワーを２Ｗ／ｃｍ^２に変更して２０分間スパッタリングすることにより、ウェハのｐ型コンタクト層８のほぼ全面に、ＩＴＯよりなる導電性酸化物膜５である正電極を５０００Åの膜厚で形成した。

＜パッド電極の形成＞
導電性酸化物膜５である正電極上に、レジストにより所定のパターンを有するマスクを形成し、その上にＷ層、Ｐｔ層およびＡｕ層をこの順に積層し、リフトオフ法により、ボンディング用のパッド電極６を総膜厚２μｍで形成した。

その後、ｎ型コンタクト層の上に、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極７を７０００Åの膜厚で形成した。
次いで、ランプアニール装置にて４００〜６００℃程度で熱処理を施した。
得られたウェハを所定の箇所で分割することにより、半導体発光素子１０を得た。

以上のようにして形成した半導体発光素子の断面をＳＴＥＭにより観察した。その結果、ＩＴＯ膜は、半導体層側の界面近傍においてのみ、２０〜２００ｎｍ程度の複数の孔が観察され、密度が低く、表面側では、密度が高い、良好な結晶状態であることが確認された。また、孔が形成された領域は、ＩＴＯ膜の全膜厚の５０％程度であった。さらに、ＩＴＯ膜自体は、透明であり、結晶性が良好であることが確認された。

また、比較のために、Ｍｇを５×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を１２００Åの膜厚で成長させる以外、上記と同様に半導体発光素子を形成した。
得られた半導体発光素子の特性について評価したところ、上述した高Ｍｇドープの発光素子では、比較例である低Ｍｇドープの発光素子に対して、２０ｍＡのときのＶｆが３．９Ｖから３．６Ｖになることが確認された。
また、Ｖｆ面内分布は、３．７５Ｖ以下で安定したことが確認された。

さらに、本発明の導電性酸化物膜の構成により、ＩＴＯ膜とｐ型コンタクト層との間の電流密度を増加させることにより、ショットキー障壁を小さくし、ＩＴＯ膜とｐ型コンタクト層とのコンタクト抵抗を低減させることができる。また、ＩＴＯ膜内において、電流を面内方向へ均一に広げることができ、さらに、ＩＴＯ膜から半導体層全体へ電流を均一に広げることができ、活性層を効率的に発光させることが可能となる。
しかも、ＩＴＯ膜は、表面側において、密で結晶性が良好となり、光の散乱を防止しながら、透光性を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができる。

実施例２
この実施例の半導体発光素子は、実施例１における製造工程において、ＩＴＯ膜を成膜する際に、成膜初期は、スパッタガスとして、アルゴンガスを用い、その後、スパッタガスをアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスに変更する以外は、実質的に実施例１と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
なお、成膜時のスパッタガスの圧力を０．０１〜０．５Ｐａ程度とした場合に、成膜途中以降の酸素ガスの分圧は、１×１０^−４〜１×１０^−２Ｐａ程度とした。また、アルゴンガスで２０分間程度成膜し、その後、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを用いた成膜時間は５分間程度とした。

得られた半導体発光素子においても、実施例１と同様に、オーミック性が良好で、透光性がよく、光の取り出し効率を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができた。

実施例３
この実施例の半導体発光素子は、実施例１における製造工程において、ＩＴＯ膜を成膜した後、あるいは、実施例１における製造工程において、室温にてＲＦパワーを一定に保ちながら５０００ÅのＩＴＯ膜を形成した後、非酸化雰囲気下（例えば、水素ガス、窒素ガス雰囲気下）にて、例えば、５００〜６００℃でランプアニールによって処理することにより、実施例１と実質的に同様の構成の半導体発光素子を得た。
得られた半導体発光素子においても、実施例１と同様に、オーミック性が良好で、透光性がよく、光の取り出し効率を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができた。

実施例４
この実施例の半導体発光素子は、実施例１における製造工程において、ＩＴＯ膜を成膜する際に、スパッタ法に代えて、真空蒸着法を利用する以外は、実質的に実施例１と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
ｎ型コンタクト層の一部を露出させたウェハを、真空蒸着装置に入れ、ウェハ温度を３００℃に維持しながら、ＳｎＯ_２が１０％のＩＴＯを電子銃で加熱、蒸発させて、ＩＴＯ膜を成膜した。成膜中、ウェハ温度を１００℃まで、１０秒間で水冷手段を用いて急激に低下させ、膜厚が５０００ÅのＩＴＯ膜を形成した。

得られた半導体発光素子においても、実施例１と同様に、オーミック性が良好で、透光性がよく、光の取り出し効率を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができた。

実施例５
この実施例の半導体発光素子は、実施例４における製造工程において、真空蒸着法によりＩＴＯ膜を形成する際に、ウェハ温度を３００℃に維持しながら、イオン銃を利用して、成膜初期にのみ、ウェハ表面（ｐ型半導体層）に酸素イオンを１０^１２個／ｃｍ^２程度で照射する以外は、実質的に実施例４と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。

実施例６
この実施例の半導体発光素子は、実施例５における製造工程において、真空蒸着法によりＩＴＯ膜を形成する際に、ウェハ温度を室温に維持しながら、成膜初期の成膜レートを５０Å／秒、さらに、５Å／秒に減少させ、その後、ＩＴＯ膜を加熱して透明化させる以外は、実質的に実施例５と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。

実施例７
この実施例の半導体発光素子は、実施例５における製造工程において、真空蒸着法によりＩＴＯ膜を形成する際に、ウェハ温度を３００℃に維持しながら、成膜初期の成膜レートを５０Å／秒とし、その後、５Å／秒に減少させる以外は、実質的に実施例５と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。

本発明の半導体発光素子は、バックライト光源、ディスプレイ、照明、車両用ランプ等の各種光源を構成する半導体発光素子に好適に利用することができる。

本発明における半導体発光素子の電極形状を説明するための平面図である。 本発明における半導体発光素子の別の電極形状を説明するための平面図である。 本発明における半導体発光素子のさらに別の電極形状を説明するための平面図である。 本発明における半導体発光素子のさらに別の電極形状を説明するための平面図である。 本発明における実施の形態１の半導体発光素子の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ ｎ型半導体層
３ 活性層
４ ｐ型半導体層
５ 導電性酸化物膜
６ パッド電極
７ ｎ電極
１０ 半導体発光素子

Claims (10)

1. ｐ型半導体層の上に、ｐ型コンタクト層を介して形成された正電極を備える半導体発光素子であって、
   前記ｐ型コンタクト層が、膜厚２５０Å以下の膜厚で、Ｍｇ濃度１．５×１０^２０／ｃｍ^３以上に設定されてなる窒化物半導体層からなり、
   前記正電極として、ｐ型コンタクト層上に、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＭｇからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有する導電性酸化物膜が電気的に接続され、かつ該導電性酸化物膜が、前記ｐ型コンタクト層との界面近傍において表面側よりも密度が低いことを特徴とする半導体発光素子。
2. ｐ型コンタクト層は、表面がＲＭＳ値３ｎｍ以下の面粗さに設定されてなる請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 密度の低い領域が、ｐ型コンタクト層側から導電性酸化物膜の全膜厚に対して１０〜５０％の範囲に存在する請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 導電性酸化物膜は、ｐ型コンタクト層との界面近傍において、複数の孔が存在する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 複数の孔は直径が２０〜２００ｎｍ程度である請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 導電性酸化物膜がＩＴＯ膜である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 正電極の４００〜６００ｎｍにおける光の透過率が８０％以上である請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 正電極の比抵抗が１×１０^−４Ωｃｍ以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
9. 正電極の上に、さらにＷ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌの単層膜又は積層膜からなる金属膜が形成されてなる請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
10. ｐ型半導体層が窒化物半導体である請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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