半導体発光素子及びその製造方法
【課題】高輝度化を図ることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光層と、第１半導体層と導通する第１電極層と、第２半導体層と導通する第２電極層と、を備える。第２電極層は、第１半導体層から第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である金属部と、前記方向に沿って金属部を貫通し、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５μｍ以下である複数の開口部と、を有する。第２半導体層は、金属部とショットキー接合している。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光層と、第１半導体層と導通する第１電極層と、第２半導体層と導通する第２電極層と、を備える。第２電極層は、第１半導体層から第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である金属部と、前記方向に沿って金属部を貫通し、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５μｍ以下である複数の開口部と、を有する。第２半導体層は、金属部とショットキー接合している。
【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】
半導体発光素子は、半導体層の表面に電極を具備している。半導体発光素子は、この電極に電流を流すことによって発光させている。ここで、照明装置などでは比較的大きな発光素子が望まれる。そこで、パッド電極から半導体層表面に沿って伸びた細線電極を追加した半導体発光素子が考えられている。また、発光表面全面に金属電極層を施し、その金属電極層にナノメートル（ｎｍ）スケールの超微細な開口を形成した半導体発光素子も考えられている。このような半導体発光素子において、さらなる発光の均一化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１６８９号公報
【特許文献２】米国特許第６２５８６１８（Ｂ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、発光の均一化を図ることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態に係る半導体発光素子は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光層と、第１半導体層と導通する第１電極層と、第２半導体層と導通する第２電極層と、を備える。
第２電極層は、第１半導体層から第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である金属部と、前記方向に沿って金属部を貫通し、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５マイクロメートル（μｍ）以下である複数の開口部と、を有する。
第２半導体層は、金属部とショットキー接合している。
【０００６】
また、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を形成する工程と、前記第２半導体層の上に、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であって、前記第２半導体層とショットキー障壁を形成する金属層を形成する工程と、前記金属層の上にマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをマスクにして前記金属層をエッチングし、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５ｎｍ以下の複数の開口部を有する電極層を形成する工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体発光素子を示す模式的斜視図である。
【図２】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図３】半導体発光素子のバンド構造を示す模式図である。
【図４】半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【図６】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【図７】半導体発光素子の発光状態を示す模式的平面図である。
【図８】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図９】半導体発光素子の発光状態を示す模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態を図に基づき説明する。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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。
また、以下の説明では、一例として、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形とした具体例を挙げる。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的斜視図である。
第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０は、構造体１００と、第１電極層３０と、第２電極層２０と、を備える。
【００１０】
構造体１００は、第１導電形の第１半導体層５１と、第２導電形の第２半導体層５２と、発光層５３と、を有する。発光層５３は、第１半導体層５１と、第２半導体層５２と、のあいだに設けられる。
【００１１】
第１半導体層５１は、例えばｎ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５１２を含む。クラッド層５１２は、例えばｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に形成される。実施形態では、便宜上、基板５１１は第１半導体層５１に含まれるものとする。
【００１２】
第２半導体層５２は、第１半導体層５１と、第２電極層２０と、のあいだに設けられる。第２半導体層５２は、例えばｐ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５２１を含む。発光層５３は、第１半導体層５１と、第２電極層２０と、のあいだに設けられる。具体的には、発光層５３は、第１半導体層５１と、第２半導体層５２と、のあいだに設けられる。半導体発光素子１１０では、例えば、第１半導体層５１のクラッド層５１２、発光層５３、及び、第２半導体層５２のクラッド層５２１によってヘテロ構造が構成される。
【００１３】
第２電極層２０は、第２半導体層５２の第１半導体層５１とは反対側に設けられる。第２電極層２０には、例えば後述するようにＡｕ及びＡｇ、並びに若干の不純物が添加されたＡｕ及びＡｇが用いられる。第２電極層２０は、第２半導体層５２と導通する。
なお、実施形態では、説明の便宜上、構造体１００の第２半導体層５２の側を表面側または上側、構造体１００の第１半導体層５１の側を裏面側または下側とする。また、第１半導体層５１から第２半導体層５２に向かう方向（積層方向）をＺ軸方向とする。
【００１４】
第２電極層２０は、金属部２３と、複数の開口部２１と、を有する。
金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さは、例えば１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である。金属部２３の厚さが１００ｎｍを超える場合に比べ、１００ｎｍ以下にすることで、十分な光透過率を得ることができる。
開口部２１は、Ｚ軸方向に金属部２３を貫通する。Ｚ軸方向にみたとき、複数の開口部２１の形状のそれぞれの円相当直径は、１０ｎｍ以上、５μｍ以下である。
【００１５】
ここで、円相当直径は、次の式で定義される。
円相当直径＝２×（面積／π）１／２
なお、上記の面積は、開口部２１のＺ軸方向にみたときの形状の面積である。
【００１６】
開口部２１は、必ずしも円形とは限らない。したがって、実施形態では、上記の円相当直径の定義を用いて開口部２１を特定する。
【００１７】
第１電極層３０は、第１半導体層５１と導通している。この例では、第１電極層３０は、構造体１００の裏面側に設けられている。第１電極層３０には、例えばＡｕが用いられる。
【００１８】
第２半導体層５２は、第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂを有する。第１部分５２ａは、第２半導体層５２における発光層５３の側に設けられる。本具体例において、第１部分５２ａは、クラッド層５２１である。
【００１９】
第２部分５２ｂは、第１部分５２ａと第２電極層２０とのあいだに設けられる。第２部分５２ｂは、クラッド層５２１の一部分であってもよい。
また、第２部分５２ｂは、第１部分５２ａとは別な材料によって設けられていてもよい。
第２部分５２ｂと第２電極層２０との界面に自然酸化膜が生成されている場合、その自然酸化膜は第２部分５２ｂに含まれるものとする。
【００２０】
実施形態に係る半導体発光素子１１０において、第２半導体層５２は、第２電極層２０の金属部２３とショットキー接合される。より具体的には、第２半導体層５２の第２部分５２ｂと、第２電極層２０の金属部２３と、がショットキー接合される。ショットキー接合とは、界面においてショットキー障壁が形成された接合を意味する。
【００２１】
ここで、金属とｎ形半導体とのショットキー接合とは、φｍ＞φｓを満たすことをいう。また、金属とｐ形半導体とのショットキー接合とは、φｍ＜φｓを満たすことをいう。上記において、φｍは金属の仕事関数、φｓは半導体の仕事関数、すなわち真空準位とフェルミレベルの差である。ここで、ｎ形半導体ではφｓ〜χｓが成り立ち、ｐ形半導体ではφｓ〜χｓ＋Ｅｇが成り立つ。ただし、χｓは半導体の電子親和力、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。
また、金属とｎ形半導体とのショットキー接合におけるショットキー障壁の高さφＢは、φＢ＝φｍ−χｓで表される。また、金属とｐ形半導体とのショットキー接合におけるショットキー障壁の高さφＢは、φＢ＝χｓ＋Ｅｇ−φｍで表される。
【００２２】
実施形態において、ショットキー接合には、金属部２３と第２部分５２ｂの半導体との接触によるショットキー接合のほか、金属部２３と第２部分５２ｂの半導体とのあいだに自然酸化膜が介在した状態でのショットキー接合も含まれる。
【００２３】
このような半導体発光素子１１０では、第２電極層２０の形成された面が、主たる発光面として利用される。すなわち、第２電極層２０と第１電極層３０との間に所定の電圧を印加することで、発光層５３から所定の中心波長を有する光が放出される。この光は、主として第２電極層２０の主面２０ａから外部に取り出される。実施形態では、半導体発光素子１１０の光が取り出される面を光取り出し面という。また、光取り出し面に沿った方向を面内方向（単に、面内）という。
【００２４】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第２半導体層５２と第２電極層２０とがショットキー接合されているため、オーミック接合している場合に比べ、超微細な開口部２１を含む第２電極層２０による発光層５３への電流の拡がりを保ったまま、Ｚ軸方向に流れる電流の面内での均一化を図ることができる。
実施形態に係る半導体発光素子１１０によれば、発光層５３での発光効率の向上、第２電極層２０からの放出光の輝度の面内での均一化を図ることが可能となる。
【００２５】
次に、半導体発光素子１１０の具体的な一例を説明する。
半導体発光素子１１０は、例えばｎ形ＧａＡｓの基板５１１を備え、この基板５１１の上に、例えばｎ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５１２と、ＩｎＧａＡｌＰによる発光層５３と、ｐ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５２１（第１部分５２ａ）と、を含むヘテロ構造が形成される。ただし、基板５１１はクラッド層５２１と同一の材料であってもよい。また、基板５１１は設けられていなくてもよい。
【００２６】
発光層５３は、例えば障壁層および井戸層が交互に繰り返し設けられたＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構成であってもよい。また、発光層５３は、井戸層を挟む障壁層の組みが１組み設けられたＳＱＷ（Single Quantum Well）構成を含むものであってもよい。
【００２７】
そして、このクラッド層５２１（第１部分５２ａ）の上に、例えばｐ形のＧａＰによる第２部分５２ｂが形成されている。第２部分５２ｂは、例えば、第２電極層２０から注入された電流のＺ軸方向への流れを調整する。
【００２８】
第２部分５２ｂの上には、第２部分５２ｂに接して第２電極層２０が設けられる。第２電極層２０には、ｐ側の電極として、例えばＡｕとＡｕ−Ｚｎ合金との積層金属膜（金属部２３）が用いられる。第２部分５２ｂと金属部２３とはショットキー接合される。第２電極層２０には、この金属部２３をＺ軸方向に沿って貫通する複数の開口部２１が設けられている。開口部２１の大きさ及び配置は、規則的であっても、不規則的であってもよい。
【００２９】
第１半導体層５１である基板の裏面側には、例えばＡｕ−Ｇｅ合金を含むｎ側の第１電極層３０が形成されている。第１電極層３０は、第１半導体層５１とオーミック接触を形成し、導通している。
そして、実施形態に係る半導体発光素子１１０において、発光層５３から放出された光は、電流拡散層である第２半導体層５２の第２電極層２０が設けられた面から外部に放出される。
【００３０】
第２部分５２ｂの不純物濃度は、金属部２３とのあいだでショットキー接合が構成される濃度である。第２部分５２ｂの不純物濃度は、Ｚ軸方向に一様であっても、徐々に変化していてもよい。
第１部分５２ａの不純物濃度は、一例として、１×１０１６ｃｍ−３以上、３×１０１８ｃｍ−３未満である。また、第２部分５２ｂの不純物濃度は、一例として、１×１０１２ｃｍ−３以上、１×１０１８ｃｍ−３未満である。
【００３１】
また、実施形態において、第２部分５２ｂと第２電極層２０とのショットキー接合におけるショットキー障壁φＢは、０．３エレクトロンボルト（ｅＶ）よりも大きく、２．０ｅＶよりも小さい。
ここで、ショットキー障壁φＢが０．３ｅＶ以下であると十分なショットキー接合を得ることができない。また、第２電極層２０及び第２半導体層５２として選択される材料において、ショットキー障壁φＢは、２．０ｅＶを超えない。
【００３２】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さは、例えば５ｎｍ以上、５μｍ以下である。上記のショットキー障壁をもつ界面において形成される空乏層の幅は、５ｎｍから３００ｎｍ程度となる。そのため、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さは５ｎｍ以上３００ｎｍ以下が更に好ましい。第２部分５２ｂの厚さが５ｎｍよりも薄いとトンネリングによるリーク電流が増加しやすくなる。一方、第２部分５２ｂの厚さが３００ｎｍよりも厚いと第２部分５２ｂをＺ軸方向に電流が流れる際の抵抗により電圧降下が発生しやすくなる。
【００３３】
本願発明者は、上記のような半導体発光素子１１０において、第２半導体層５２と金属部２３とがショットキー接合していることによって、オーミック接合している場合に比べて、電流の均一な拡がりを得ることができることを見出した。
本願発明者は、実施形態に係る半導体発光素子１１０及び参考例に係る半導体発光素子１９０において、電流の流れについての実験（シミュレーション計算）を行った。
【００３４】
図２は、実験（シミュレーション計算）に用いた半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、半導体発光素子１１０を例示する模式的断面図である。
半導体発光素子１１０では、第２半導体層５２の第２部分５２ｂと第２電極層２０の金属部２３とがショットキー接合している。
図２（ｂ）は、半導体発光素子１９０を例示する模式的断面図である。
半導体発光素子１９０では、第２半導体層５２の電流拡散層５２２と第２電極層２０の金属部２３とがオーミック接合している。
なお、いずれの図においても、パッド電極２０２を中心とした片側部分を例示している。
図３は、半導体発光素子のバンド構造を例示する図である。
図３（ａ）は、半導体発光素子１１０のバンド構造を例示している。
図３（ｂ）は、半導体発光素子１９０のバンド構造を例示している。
【００３５】
本願発明者は、半導体発光素子１１０及び１９０について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査（シミュレーション計算）した。その結果、半導体発光素子１９０の光取り出し面の面内での明暗のばらつきは、半導体発光素子１１０の同ばらつきよりも大きいことが分かった。半導体発光素子１１０の輝度は、半導体発光素子１９０の輝度よりも高かった。
【００３６】
半導体発光素子１９０のように、金属部２３と電流拡散層５２２とがオーミック接合している場合、第２電極層２０から第２半導体層５２へ電流が流れやすくなる。すなわち、図３（ｂ）に表したように、第２電極層２０と第２半導体層５２とのあいだにエネルギー障壁がないためである。このため、半導体発光素子１９０では、第２半導体層５２への電流の拡がりによって光取り出し面の面内での明暗のばらつきが小さくなると考えられている。
しかし、本願発明者が行った上記の実験（シミュレーション計算）結果によると、これとは反対の結果になった。すなわち、金属部２３と第２部分５２ｂとがショットキー接合している方が良好な結果になった。
【００３７】
本願発明者は、このような結果を生み出す機構を次のように推定した。
【００３８】
図２（ａ）及び（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０及び１９０では、パッド電極２０２から注入された電流ｉは、第２電極層２０及び第２半導体層５２に流れる。
【００３９】
ここで、半導体発光素子１９０では、第２電極層２０と電流拡散層５２２とがオーミック接合しているため、第２電極層２０を流れる電流が電流拡散層５２２へ流れ込みやすい（ｉ２０ａ）。特に、パッド電極２０２の下方の電流は、第２電極層２０から電流拡散層５２２へ容易に流れ込む。このため、パッド電極２０２から離れるほど、電流拡散層５２２をＺ軸方向に沿って流れる電流（ｉ２１ａ〜ｉ２４ａ）の量が少なくなる。
【００４０】
一方、半導体発光素子１１０では、第２電極層２０と第２半導体層５２の第２部分５２ｂとがショットキー接合しているため、第２電極層２０を流れる電流が第２部分５２ｂへ流れ込みにくい（ｉ２０）。すなわち、図３（ａ）に表したように、第２電極層２０と第２半導体層５２とのあいだにショットキー障壁が設けられるためである。このため、第２電極層２０から第２部分５２ｂへは流れる電流（ｉ２１〜ｉ２４）の量は、パッド電極２０２からの距離に依存しにくくなる。つまり、第２部分５２ｂをＺ軸方向に沿って流れる電流（ｉ２１〜ｉ２４）の量は、電流拡散層５２２をＺ軸方向に沿って流れる電流（ｉ２１ａ〜ｉ２４ａ）に比べて均一化される。
【００４１】
このことから、第２半導体層５２と金属部２３とがショットキー接合していることで、光取り出し面の面内での明暗のばらつきを抑制できると考えられる。また、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った電流の量を面内で均一化できることで、半導体発光素子１１０の全体での輝度を向上できると考えられる。
【００４２】
また、半導体発光素子１１０では、比較的大きな第２電極層２０を設けることで高い放熱性を得て、半導体発光素子１１０の温度上昇を抑制している。また、第２電極層２０に設けられた開口部２１の大きさ（例えば、円相当直径）を調整することによっても、半導体発光素子１１０の温度上昇を抑制している。すなわち半導体発光素子１１０の順方向の電圧を低下させることによって直列抵抗を低下させ、発熱自体を減少させることができる。
【００４３】
このような効果を実現するためには、開口部２１を有する第２電極層２０から第２半導体層５２に対して全面に均一に電流を流すことができるとよい。第２半導体層５２に均一に電流を流すためには複数の開口部２１のそれぞれの大きさ及び中心間隔はある程度限定される。
【００４４】
電流を流す半導体層のドーピング濃度等にも依存するが、シミュレーション等の計算で得られる電流の流れる範囲は、第２電極層２０の金属部２３の端から約５μｍまでの範囲である。すなわち、開口部２１の直径がそれ以上であると電流が流れない範囲が生じるため、均一な発光が得られない。そのため、開口部２１の円相当直径の上限は５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下である。
【００４５】
ここで、金属部２３の主面２０ａに沿った幅が発光層５３から発生する光の波長よりも十分小さくなるような開口部２１を第２電極層２０に設けることによって、第２電極層２０は、金属でありながら光透過型電極として機能することがある。これは、開口部２１に阻害されない連続した金属部位の直線距離が該光の波長よりも十分短いことにより、第２電極層２０に光が照射した際に光の電場により誘起される自由電子の運動が阻害され、該当波長の光に対して、金属が透明となる点である。
【００４６】
金属反射を記述するドルーデの理論において、対象となる物質は照射される光の波長に対して十分に大きく、均一な構造であることが仮定されている。物質にプラズマ周波数よりも低い周波数の光が照射された際、物質内の自由電子の運動について述べると、光のもつ電場により物質内の電子の分極が生じる。この分極は光の電場を打ち消す方向に誘起される。この誘起された電子の分極により、光の電場が遮蔽されることで、光は物質を透過することができず、いわゆるプラズマ反射が生じる。ここで、もし電子の分極を誘起される物質が、光の波長よりも十分に小さいとすると、電子の運動は幾何学的な構造により制限され、光の電場を遮蔽することができなくなるものと考えられる。これは、構造的には隣接する２つの開口部によって形成される金属部の幅を、該当する光の波長よりも十分小さくすることにより実現できる。
【００４７】
また、隣接する開口部２１の間隔Ｐは、光の透過率の観点から、例えば２０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下が好ましい。
また、開口部２１の円相当直径の上限は、導電性の観点から、隣り合う開口部２１の間隔をＰとして、０．９Ｐ以下が特に好ましい。具体的には、３６０ｎｍ以下がより好ましい。一方、開口部２１の円相当直径の下限に関しては、導電性の観点からは制約は無いものの、製造の容易性から１０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上あるとよい。
【００４８】
第２電極層２０の金属部２３の材料となる金属には、例えば、Ａｇ及びＡｕの少なくともいずれかをベース金属とすることが好ましい。これにより、発光層５３から放出した光の吸収損失を抑制できる。さらに、金属部２３の材料となる金属には、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉからなる群から選択された少なくともいずれかの材料、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上を含む合金を用いることが好ましい。これにより、オーミック性、密着性及び耐熱性が向上する。金属部２３の材料となる金属には、十分な導電性および熱伝導性を有しているものを用いることが望ましい。ただし、実施形態はこれに限定されず、任意の金属を用いることができる。
【００４９】
なお、例えば、第２電極層２０の金属部２３（開口部２１が設けられていない部分）の任意の２点間は、少なくともパッド電極などの電流供給源から切れ目無く連続している。これは、通電性を確保し抵抗値を低く保つためである。
また、複数の電流供給源が設けられている場合には、各電流供給源のそれぞれに対応して第２電極層２０の金属部２３が連続していればよい。
【００５０】
また、第２電極層２０のシート抵抗は、１０Ω／□以下であることが好ましく、５Ω／□以下であることがより好ましい。シート抵抗が小さいほど、半導体発光素子１１０の発熱は少なく、均一な発光が得られ、輝度の向上が顕著になる。
【００５１】
半導体発光素子１１０においても、同様にして金属層を形成させ、さらに後述する方法によって開口部２１を形成させることによって第２電極層２０を形成している。
【００５２】
実験により調べた結果、第２電極層２０の厚さは１０ｎｍ以上であると、十分な抵抗値を実現できることが分かった。一方、第２電極層２０の厚さが厚いほど抵抗値は下がる。発光層５３で発生した光の透過率を確保する点からしたがって、第２電極層２０の厚さは、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは３００ｎｍ以下である。
【００５３】
ここで、第２電極層２０においては、発光層５３から放出された光に対する反射率（バルク反射率）が７０％以上であってもよい。これは、金属反射の際に反射率が低く金属による吸収率が高いと光が熱に変わり損失が生じるためである。第２電極層２０で、光として反射された光は、発光層５２の下部に反射層（図示せず）などを施すことで再利用可能となり、再び取り出すことができる。これにより、発光層５３から放出された光が、第２電極層２０を透過することになる。
【００５４】
半導体発光素子１１０では、上記のような第２半導体層５２を備えることで、複数の開口部２１を含む第２電極層２０による発光層５３への電流の拡がりを保ったまま、Ｚ軸方向に沿って発光層５３へ十分な電流を注入することができる。よって、発光層５３での発光効率の向上、第２電極層２０からの放出光の輝度の向上及び光取り出し面内での均一性の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、半導体発光素子の製造方法である。
図４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である。
すなわち、第２の実施形態に係る製造方法は、第１半導体層５１を形成し、第１半導体層５１の上に発光層５３を形成し、発光層５３の上に第２半導体層５２を形成して、構造体を形成する工程（ステップＳ１０）と、第２半導体層５２の上に、Ｚ軸方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であって、第２半導体層５２とショットキー接合された金属層を形成する工程（ステップＳ２０）と、金属層の上にマスクパターンを形成する工程（ステップＳ３０）と、マスクパターンをマスクにして金属層をエッチングし、Ｚ軸方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５μｍ以下の複数の開口部２１を有する電極層（第２電極層２０）を形成する工程（ステップＳ４０）と、を備える。
【００５６】
具体的には、次の製造方法が挙げられる。
【００５７】
（Ａ）型を利用する方法
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法のひとつは、型を利用するものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。
図５は、型を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図５（ａ）に表したように、第１半導体層５１上に発光層５３を形成し、その上に第２半導体層５２を形成する。第２半導体層５２においては、発光層５３側から順に第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂが形成される。また、第１半導体層５１に接して第１２電極層３０を形成する。
次いで、第２半導体層５２の上に金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、第２半導体層５２とショットキー接合される。そして、金属層２０Ａの上にレジスト層８０１Ａを形成する。
【００５８】
次いで、図５（ｂ）に表したように、凸部８０２ａを有する型８０２を用意する。例えば、型８０２の転写面には複数の凸部８０２ａが設けられる。複数の凸部８０２ａの間には凹部８０２ｂが設けられている。
型８０２は、例えば石英上に電子線リソグラフィにて所望の構造を形成させることにより製造することができる、そのほか、型８０２の材料及び型８０２の微細凹凸構造形成手法は限定されない。例えば、型８０２をブロックコポリマー（ブロック共重合体）の自己組織化や、微粒子マスクを用いた方法により形成することも可能である。
【００５９】
次に、必要に応じてレジスト層８０１Ａを所定温度に加熱した状態で、図５（ｂ）に表したように、型８０２の凸形状がある側をレジスト層８０１Ａに押し付けるインプリントを行う。インプリント後、レジスト層８０１Ａを室温まで冷却して硬化させ、型８０２をリリースする。これにより、図５（ｃ）に表したように、凸部８０２ａに対応した凹部を有するレジストパターン８０１Ｂが形成される。
【００６０】
次いで、図５（ｄ）に表したように、レジストパターン８０１Ｂを、エッチングする。これにより、レジスト層８０１Ａの凹部の底が除去され、金属層２０Ａが露出する。金属層２０Ａが露出した部分は、レジスト開口部８１１となる。
【００６１】
次いで、レジスト開口部８１１が形成されたレジストパターン８０１をマスクにしてイオンミリングを行い、金属層２０Ａをエッチングする。これにより、図５（ｅ）に表したように、レジスト開口部８１１に対応した開口部２１が金属層２０Ａに形成される。金属層２０Ａは、開口部２１が形成され、第２電極層２０になる。金属層２０Ａのエッチング後、レジストパターン８０１は除去される。
【００６２】
最後に、図５（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成して、半導体発光素子１１０を完成させる。
【００６３】
なお、型を利用する方法は、上記のような熱による成形に限定されるものではなく、光の照射によってレジストを硬化させる成形や、ＰＤＭＡ（ポリジメチルアクリルアミド）等の柔軟性を備えた型を用いる成形など、種々の技術を用いることができる。
【００６４】
（Ｂ）ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。
図６は、ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図６（ａ）に表したように、第１半導体層５１上に発光層５３を形成し、その上に第２半導体層５２を形成する。第２半導体層５２においては、発光層５３側から順に第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂが形成される。また、第１半導体層５１に接して第１電極層３０を形成する。
次いで、第２半導体層５２の上に金属層２０Ａを形成する。
【００６５】
次いで、金属層２０Ａの上にレジスト層７０１Ａを形成する。さらに、レジスト層７０１Ａの上にＳＯＧ（Spin On Glass）層７０２Ａを形成する。
【００６６】
次に、図６（ｂ）に表したように、ＳＯＧ層７０２Ａの上に、２種類のポリマーのブロックを有するブロックコポリマーを溶剤に溶かした液をスピンコート法で塗布する。その後、プリベークして溶剤を除去し、ブロックコポリマー層７０３Ａを形成する。そして、ブロックコポリマー層７０３Ａをアニールする。これにより、図６（ｃ）に表したように、２種類のポリマーの相分離を行い、１種類のポリマーによるドットパターン７０３を形成させる。
【００６７】
次いで、ドットパターン７０３をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置によってエッチングする。このとき、２種類のポリマーのエッチング速度差により、エッチング速度の速いポリマーによるホールパターンが形成される。
【００６８】
次いで、ポリマーによるホールパターンをマスクにして、例えばＲＩＥ装置によりＳＯＧ層７０２Ａをエッチングし、図６（ｄ）に表したＳＯＧホールパターン７０２を形成する。次いで、ＳＯＧホールパターン７０２をマスクにしてＲＩＥ装置によって、レジストホールマスク７０１を形成する。レジストホールマスク７０１には、レジスト開口部７１１が設けられる。
【００６９】
次いで、ＳＯＧホールパターン７０２及びレジストホールマスク７０１をマスクにしてイオンミリングを行い、金属層２０Ａをエッチングする。これにより、図６（ｅ）に表したように、レジスト開口部７１１に対応した金属層２０Ａがエッチングされ、金属層２０Ａに開口部２１が形成される。金属層２０Ａは、開口部２１が形成されて第２電極層２０になる。金属層２０Ａのエッチング後、ＳＯＧホールパターン７０２及びレジストホールマスク７０１は除去される。
【００７０】
最後に、図６（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成して、半導体発光素子１１０を完成させる。
【００７１】
本実施形態において、半導体発光素子の製造方法は上記の方法に限定されない。例えば電子線描画によってマスクパターンを製造して、このマスクパターンによって金属層２０Ａのエッチングを行う方法及びシリカ等の微粒子の単分子層をマスクとして金属層２０Ａのエッチングを行う方法が挙げられる。
【００７２】
次に、実施例の説明を行う。なお、以下の実施例で示される材料、数値、製造条件等は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７３】
（第１実施例）
第１実施例では、上記（Ａ）の型を利用した方法に準じて、図５に表した工程により半導体発光素子１１１を製造する。
【００７４】
先ず、図５（ａ）に表したように、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に、ｎ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５１２、ＡｌＩｎＧａＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５２（第１部分５２ａ）１などを含むヘテロ構造を形成する。その上に、ｐ形ＧａＰの第２部分５２ｂを例えばエピタキシャル成長させる。このときの第２部分５２ｂの不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３である。
【００７５】
次に、基板５１１の裏面には、第１電極層３０として例えばｎ側対向電極を形成する。例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金膜を１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｕ−Ｇｅ合金膜は、例えば真空蒸着により形成する。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、第１電極層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。次いで、第２半導体層５２の上に、例えば（ＡｇＣｕ（Ｃｕ１％含有、厚さ３０ｎｍ）の金属層２０Ａを蒸着法により形成する。
【００７６】
次に、金属層２０Ａの上に、レジスト溶液を塗布する。レジスト溶液は、レジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０、（株）東京応化工業）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：２に希釈した溶液である。レジスト溶液は、２０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートされる。その後、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱してレジスト溶液の溶媒を蒸発させる。レジスト層８０１Ａの膜厚は、例えば１５０ｎｍである。
【００７７】
次いで、図５（ｂ）に表したように、例えば２００ｎｍの円相当直径、３００ｎｍの間隔、１５０ｎｍの高さを持つ凸部８０２ａを有する石英の型８０２を用意する。そして、レジスト付き基板を１２０℃に加熱した状態で、型８０２の凸部８０２ａのある方をレジスト層８０１Ａに、例えば１０ＭＰａの圧力で押し付ける。
【００７８】
その後、図５（ｃ）に表したように、基板を室温まで冷却し型８０２をリリースする。これにより、レジスト層８０１Ａ上へ２００ｎｍの円相当直径、３００ｎｍの間隔、深さ１００ｎｍの凹形状が形成される。
【００７９】
次いで、凹パターンが形成されたレジストパターン８０１Ｂを、ＲＩＥ装置を用いて、Ｏ２の流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワー１００Ｗ（ワット）の条件で３０秒間エッチングする。このエッチングによって、図５（ｄ）に表したように、レジストの凹部の底が除去され、レジスト開口部８１１を有するレジストパターン８０１が形成される。
【００８０】
次いで、このレジストパターン８０１をマスクにして、金属層２０Ａのエッチングを行う。エッチングには、例えばイオンミリング装置が用いられる。エッチングは、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で９０秒間行う。これにより、図５（ｅ）に表したように、開口部２１を有する第２電極層２０が形成される。
【００８１】
金属層２０Ａのエッチング後、レジストパターン８０１を除去するため、酸素アッシングを行う。最後に、図５（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成する。これにより、第１実施例に係る半導体発光素子１１１が完成する。
【００８２】
第１実施例に係る半導体発光素子１１１では、第２電極層２０の金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さが３０ｎｍ、開口部２１の円相当直径が２２０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチ（間隔）が３００ｎｍ、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さが１８０ｎｍ、電圧電流特性から見積もられるショットキー障壁高さは０．６８ｅＶである。
【００８３】
また、第１実施例に係る半導体発光素子１１１と同様な製造工程によって、第１比較例に係る半導体発光素子１９１を製造する。なお、第１比較例に係る半導体発光素子１９１では、第２部分５２ｂの代わりに電流拡散層５２２が設けられている。電流拡散層５２２の不純物濃度は２×１０２０ｃｍ−３である。また、半導体発光素子１９１では、第２電極層２０と電流拡散層５２２とがオーミック接触しており、コンタクト抵抗率が１．２×１０−６Ωｃｍ２であり、他は第１実施例に係る半導体発光素子１１１と同じである。
【００８４】
半導体発光素子１１１及び１９１について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査する。ここで、光取り出し面内での明暗のばらつきは、光取り出し面内で最も明るい部分の輝度と、最も暗い部分の輝度と、の差である。
【００８５】
検査は、半導体発光素子１１１及び１９１のそれぞれについて、Ｚ軸方向からみた外形の面積が９．０×１０−２ｍｍ２（一辺３００μｍ）のチップと、同８．１×１０−１ｍｍ２（一辺９００μｍ）のチップと、について行う。電流は３５０ミリアンペア（ｍＡ）である。
【００８６】
第１実施例に係る半導体発光素子１１１では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが０．１％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが３．７％である。
第１比較例に係る半導体発光素子１９１では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが５．２％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが１０．３％である。
また、一辺３００μｍのチップの場合、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の１．２倍、一辺９００μｍのチップの場合、１．３倍である。
【００８７】
なお、半導体発光素子１１１及び１９１のそれぞれについて、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【００８８】
また、一辺３００μｍのチップに５００ｍＡの電流を供給したところ、半導体発光素子１１１では光取り出し面内での明暗のばらつきが０．２％であるのに対して、半導体発光素子１９１では、２７．１％である。このとき、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の１．５倍である。
【００８９】
また、一辺９００μｍのチップに４アンペア（Ａ）の電流を供給したところ、半導体発光素子１１１では光取り出し面内での明暗のばらつきが４．２％、半導体発光素子１９１では、５７．２％である。このとき、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の２．１倍である。
このように、光取り出し面において均一に発光させることで、輝度が大幅に向上するという結果が得られている。
【００９０】
（第２実施例）
第２実施例では、上記（Ｂ）のブロックコポリマーの自己組織化を利用した方法に準じて、図６に表した工程により半導体発光素子１１２を製造する。
【００９１】
先ず、図６（ａ）に表したように、第１実施例と同様に、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上にｎ形ＩｎＡｌＧａＰのクラッド層５１２、ＡｌＩｎＧａＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＧａＰのクラッド層５２１などを含むヘテロ構造を形成する。その上に、ｐ形ＡｌＧａＡｓの第２部分５２ｂを例えばエピタキシャル成長させる。このときの第２部分５２ｂの不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ−３である。
【００９２】
次いで、第３半導体層５４の上に、例えばＡｕ（厚さ１０ｎｍ）及びＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎ３％含有、厚さ３０ｎｍ）を含む金属層２０Ａを蒸着法により形成する。基板５１１の裏面側には、第１電極層３０であるｎ側対向電極を形成する。例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金膜を１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｕ−Ｇｅ合金膜は、例えば真空蒸着により形成する。この半導体発光素子の発光波長は、例えば５７１ｎｍである。
【００９３】
次に、金属層２０Ａの上に、レジスト溶液を塗布する。レジスト溶液は、レジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０、（株）東京応化工業）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：３に希釈したものである。このレジスト溶液を２０００ｒｐｍ、３０秒間の条件でスピンコートしたのち、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱して溶媒を蒸発させる。次いで、レジストを窒素雰囲気下において２５０℃で１時間アニールを行い、熱硬化させる。レジスト層７０１Ａの膜厚は、例えば１００ｎｍである。
【００９４】
次に、形成したレジスト層７０１Ａ上へ有機ＳＯＧ組成物（ＯＣＤ−Ｔ７ Ｔ−５５００（商品名）、東京応化工業株式会社）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：５に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、６０秒間の条件でスピンコートした。スピンコート後、溶媒を完全に除去するため、１１０℃で６０秒間ベークした。その後、窒素雰囲気下において２５０℃で１時間硬化アニールを行った。ＳＯＧ層７０２Ａの膜厚は３０ｎｍである。
【００９５】
次に、図６（ｂ）に表したように、分子量１６０，０００のポリスチレン（以下、ＰＳという）ブロックと、分子量４５，０００のポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭＭＡという）ブロックと、を有するブロックコポリマーを溶剤に溶かした液をスピンコート法で３０００ｒｐｍ、３０秒間の条件で塗布する。さらに、１１０℃、９０秒の条件下でプリベークして溶剤を除去して７０ｎｍの膜厚のブロックコポリマー層７０３Ａを得る。
【００９６】
その後、図６（ｃ）に表したように、ブロックコポリマー層７０３Ａを窒素雰囲気中で２１０℃、４時間の条件でアニールして、ＰＳとＰＭＭＡの相分離を行い、円相当直径４０ｎｍ、６０ｎｍ間隔のＰＭＭＡのドットパターン７０３を形成する。
【００９７】
次いで、相分離したブロックコポリマー付き基板を、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗの条件で１０秒間ＲＩＥすることにより、相分離したブロックコポリマー膜をエッチングする。このとき、ＰＳとＰＭＭＡのエッチング速度差により、ＰＭＭＡが選択的にエッチングされ、ＰＳのホールパターンが形成される。
【００９８】
次いで、ＰＳホールパターンをマスクにしてＲＩＥ装置によって、ＣＦ４流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで１分間ＳＯＧをエッチングする。これにより、図６（ｄ）に表したように、ＳＯＧホールパターン７０２を形成する。
【００９９】
次いで、ＳＯＧホールパターン７０２をマスクにしてＲＩＥ装置によって、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗの条件で６０秒間エッチングすることにより、レジストホールマスク７０１を形成する。
【０１００】
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で１００秒間、金属層２０Ａのエッチングを行う。金属層２０Ａのエッチング後、残ったＳＯＧホールパターン７０２及びレジストホールマスク７０１を酸素アッシングして除去する。これにより、図６（ｅ）に表したように、開口部２１を有する第２電極層２０が形成される。最後に、図６（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成する。これにより、第２実施例に係る半導体発光素子１１２が完成する。
【０１０１】
第２実施例に係る半導体発光素子１１２では、第２電極層２０の金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さが４０ｎｍ、開口部２１の円相当直径が４０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが６０ｎｍ、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さが９０ｎｍ、電圧電流特性から見積もられるショットキー障壁高さは０．３２ｅＶである。
【０１０２】
また、第２実施例に係る半導体発光素子１１２と同様な製造工程によって、第２比較例に係る半導体発光素子１９２を製造する。なお、第２比較例に係る半導体発光素子１９２では、第２部分５２ｂの代わりに電流拡散層５２２が設けられている。電流拡散層の不純物濃度は、３×１０１９ｃｍ−３である。また、半導体発光素子１９２では、第２電極層２０と電流拡散層５２２が完全なオーミック接合ではないものの、電流電圧特性から見積もられるショットキー障壁の高さは０．２ｅＶ程度であり、オーミックライクな接合とみなせる。第２電極層２０と電流拡散層５２２とのコンタクト抵抗率は４．０×１０−４Ωｃｍ２であり、他は第２実施例に係る半導体発光素子１１２と同じである。
【０１０３】
半導体発光素子１１２及び１９２について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査する。検査は、半導体発光素子１１２及び１９２のそれぞれについて、Ｚ軸方向からみた外形の面積が９．０×１０−２ｍｍ２（一辺３００μｍ）のチップと、同８．１×１０−１ｍｍ２（一辺９００μｍ）のチップと、について行う。電流は３５０ｍＡである。
【０１０４】
第２実施例に係る半導体発光素子１１２では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが０．２％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが５．４％である。
第２比較例に係る半導体発光素子１９２では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが１．３％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが８．９％である。
また、一辺３００μｍのチップの場合、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の１．１倍、一辺９００μｍのチップの場合、１．２倍である。
【０１０５】
なお、半導体発光素子１１２及び１９２のそれぞれについて、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【０１０６】
（第３実施例）
第３実施例に係る半導体発光素子１１３は、第１実施例に係る半導体発光素子１１１と同じ構造である。また、第３比較例に係る半導体発光素子１９３は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１と同じである。
第３実施例では、半導体発光素子１１３及び１９３について、２０ｍＡの電流を流した場合の検査を行う。
【０１０７】
第３実施例に係る半導体発光素子１１３では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが１．１％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが３．２％である。
第３比較例に係る半導体発光素子１９３では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが１．６％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが４．０％である。
また、一辺３００μｍのチップの場合、第３実施例に係る半導体発光素子１１３のチップ全体の輝度は、第３比較例に係る半導体発光素子１９３のチップ全体の輝度の１．０２倍、一辺９００μｍのチップの場合、１．０８倍である。
【０１０８】
なお、半導体発光素子１１３及び１９３のそれぞれについて、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【０１０９】
図７は、半導体発光素子の発光状態を例示する模式的平面図である。
図７（ａ）では、第１〜第３比較例に係る半導体発光素子１９１〜１９３の発光状態を例示している。
図７（ｂ）では、第１実施形態に係る半導体発光素子１１０及び第１〜第３実施例に係る半導体発光素子１１１〜１１３の発光状態を例示している。
いずれの図も、光取り出し面のパッド電極２０２以外の部分において、明度の高い部分ほど発光強度が強いことを示している。
【０１１０】
図７（ａ）に表したように、半導体発光素子１９１〜１９３では、パッド電極２０２の付近のみ発光強度が強く、パッド電極２０２から離れるほど発光強度が弱くなっている。
一方、図７（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０及び１１１〜１１３では、パッド電極２０２の付近から離れた部分に至るまで、均一かつ強い発光強度を得ている。
【０１１１】
（第４実施例）
図８は、第４実施例に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
第４実施例に係る半導体発光素子１１４においては、構造体１００の材料として窒化物半導体が用いられている。
【０１１２】
すなわち、半導体発光素子１１４は、例えばサファイア基板である成長用基板１０の上に、例えばＧａＮバッファ層５１ａ、Ｓｉがドープされたｎ形ＧａＮ層５１ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ（Multi Quantum Well）構造を有する発光層５３、Ｍｇがドープされたｐ形Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層による第１部分５２ａ及びｐ形ＧａＮの第２部分５２ｂが、例えばエピタキシャル成長によって形成されている。
【０１１３】
なお、第４実施例に係る半導体発光素子１１４では、便宜上、第１半導体層５１に、ＧａＮバッファ層５１ａ及びｎ形ＧａＮ層５１ｂが含まれるものとする。
【０１１４】
第２部分５２ｂの上には、Ａｇ（厚さ５０ｎｍ）を含む金属層２０Ａを形成する。Ａｇ膜は、例えば真空蒸着により形成する。その後、実施例１と同様に型を用いる方法に準じて、複数の開口部２１を有する第２電極層２０を形成する。なお、金属層２０Ａには、別の材料を用いることもできる。また、第２半導体層５２及び発光層５３の一部がエッチングされ、ｎ形ＧａＮ層５１ｂの露出した部分に、第１電極層３０が設けられている。
【０１１５】
第４実施例に係る半導体発光素子１１４では、第２電極層２０の金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さが５０ｎｍ、開口部２１の円相当直径が１２０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが２００ｎｍ、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さが３００ｎｍ、不純物濃度が１×１０１３ｃｍ−３、電圧電流特性から見積もられるショットキー障壁高さは１．８９ｅＶである。
【０１１６】
半導体発光素子１１４について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査する。検査は、半導体発光素子１１４について、Ｚ軸方向からみた外形の面積が９．０×１０−２ｍｍ２（一辺３００μｍ）のチップと、同８．１×１０−１ｍｍ２（一辺９００μｍ）のチップと、について行う。電流は３５０ｍＡである。
【０１１７】
第４実施例に係る半導体発光素子１１４では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが０．０７％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが１．１％である。半導体発光素子１１４では、上記のような第２部分５２ｂを備えることで、光取り出し面内での均一な発光が得られたため、高い輝度を示すことができる。
【０１１８】
なお、半導体発光素子１１４について、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【０１１９】
（実施例５）
第５実施例では、電子線描画を利用して開口部２１を作製した第２電極層２０を有する、第１実施例と同様の構造である半導体発光素子１１５を作製する。この半導体発光素子１１５においても、実施例１と同様の特性を得られる。
【０１２０】
（実施例６）
第６実施例では、発光層５３として、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ及びＧａＰのいずれかを用い、第１実施例と同様の構造である半導体発光素子１１６を作製する。発光層５３としてＡｌＧａ、ＧａＡｓＰ及びＧａＰのいずれを用いた半導体発光素子１１６においても、実施例１と同様の特性を得られる。
【０１２１】
図９は、半導体発光素子の発光状態を例示する模式的平面図である。
図９（ａ）では、第３半導体層５４のシート抵抗値が第４〜第６実施例に係る半導体発光素子１１４〜１１６よりも低い半導体発光素子１９４の発光状態を例示している。
図９（ｂ）では、第４〜第６実施例に係る半導体発光素子１１４〜１１６の発光状態を例示している。
いずれの図も、光取り出し面のパッド電極２０２以外の部分において、明度の高い部分ほど発光強度が強いことを示している。
【０１２２】
図９（ａ）に表したように、半導体発光素子１９４では、パッド電極２０２の近傍のみ発光強度が強く、パッド電極２０２から離れるほど発光強度が弱くなっている。
一方、図９（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１４〜１１６では、パッド電極２０２の付近から離れた部分に至るまで、均一かつ強い発光強度を得ている。
【０１２３】
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、構造体１００の裏面側や表面側に設けられる第１電極層３０について、第２電極層２０と同様な複数の開口部２１を設けてもよい。また、第１の導電形をｎ形、第２の導電形をｐ形として説明したが、第１の導電形をｐ形、第２の導電形をｎ形としても実施可能である。
【０１２４】
また、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）または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、導電型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。
【０１２５】
以上説明したように、本実施形態に係る半導体発光素子およびその製造方法によれば、半導体層への均一な電流の拡がりによって面内での発光の均一化を図ることが可能となる。
【０１２６】
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】
【０１２７】
１０…成長用基板、 ２０…第２電極層、 ２０Ａ…金属層、 ２０ａ…主面、 ２１…開口部、 ２３…金属部、 ３０…第１電極層、 ５１…第１半導体層、 ５２…第２半導体層、 ５２ａ…第１部分、 ５２ｂ…第２部分、 ５３…発光層、 １００…構造体、 １１０〜１１６，１９１〜１９４…半導体発光素子
【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】
半導体発光素子は、半導体層の表面に電極を具備している。半導体発光素子は、この電極に電流を流すことによって発光させている。ここで、照明装置などでは比較的大きな発光素子が望まれる。そこで、パッド電極から半導体層表面に沿って伸びた細線電極を追加した半導体発光素子が考えられている。また、発光表面全面に金属電極層を施し、その金属電極層にナノメートル（ｎｍ）スケールの超微細な開口を形成した半導体発光素子も考えられている。このような半導体発光素子において、さらなる発光の均一化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１６８９号公報
【特許文献２】米国特許第６２５８６１８（Ｂ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、発光の均一化を図ることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態に係る半導体発光素子は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光層と、第１半導体層と導通する第１電極層と、第２半導体層と導通する第２電極層と、を備える。
第２電極層は、第１半導体層から第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である金属部と、前記方向に沿って金属部を貫通し、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５マイクロメートル（μｍ）以下である複数の開口部と、を有する。
第２半導体層は、金属部とショットキー接合している。
【０００６】
また、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を形成する工程と、前記第２半導体層の上に、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であって、前記第２半導体層とショットキー障壁を形成する金属層を形成する工程と、前記金属層の上にマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをマスクにして前記金属層をエッチングし、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５ｎｍ以下の複数の開口部を有する電極層を形成する工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体発光素子を示す模式的斜視図である。
【図２】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図３】半導体発光素子のバンド構造を示す模式図である。
【図４】半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【図６】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【図７】半導体発光素子の発光状態を示す模式的平面図である。
【図８】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図９】半導体発光素子の発光状態を示す模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態を図に基づき説明する。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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。
また、以下の説明では、一例として、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形とした具体例を挙げる。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的斜視図である。
第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０は、構造体１００と、第１電極層３０と、第２電極層２０と、を備える。
【００１０】
構造体１００は、第１導電形の第１半導体層５１と、第２導電形の第２半導体層５２と、発光層５３と、を有する。発光層５３は、第１半導体層５１と、第２半導体層５２と、のあいだに設けられる。
【００１１】
第１半導体層５１は、例えばｎ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５１２を含む。クラッド層５１２は、例えばｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に形成される。実施形態では、便宜上、基板５１１は第１半導体層５１に含まれるものとする。
【００１２】
第２半導体層５２は、第１半導体層５１と、第２電極層２０と、のあいだに設けられる。第２半導体層５２は、例えばｐ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５２１を含む。発光層５３は、第１半導体層５１と、第２電極層２０と、のあいだに設けられる。具体的には、発光層５３は、第１半導体層５１と、第２半導体層５２と、のあいだに設けられる。半導体発光素子１１０では、例えば、第１半導体層５１のクラッド層５１２、発光層５３、及び、第２半導体層５２のクラッド層５２１によってヘテロ構造が構成される。
【００１３】
第２電極層２０は、第２半導体層５２の第１半導体層５１とは反対側に設けられる。第２電極層２０には、例えば後述するようにＡｕ及びＡｇ、並びに若干の不純物が添加されたＡｕ及びＡｇが用いられる。第２電極層２０は、第２半導体層５２と導通する。
なお、実施形態では、説明の便宜上、構造体１００の第２半導体層５２の側を表面側または上側、構造体１００の第１半導体層５１の側を裏面側または下側とする。また、第１半導体層５１から第２半導体層５２に向かう方向（積層方向）をＺ軸方向とする。
【００１４】
第２電極層２０は、金属部２３と、複数の開口部２１と、を有する。
金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さは、例えば１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である。金属部２３の厚さが１００ｎｍを超える場合に比べ、１００ｎｍ以下にすることで、十分な光透過率を得ることができる。
開口部２１は、Ｚ軸方向に金属部２３を貫通する。Ｚ軸方向にみたとき、複数の開口部２１の形状のそれぞれの円相当直径は、１０ｎｍ以上、５μｍ以下である。
【００１５】
ここで、円相当直径は、次の式で定義される。
円相当直径＝２×（面積／π）１／２
なお、上記の面積は、開口部２１のＺ軸方向にみたときの形状の面積である。
【００１６】
開口部２１は、必ずしも円形とは限らない。したがって、実施形態では、上記の円相当直径の定義を用いて開口部２１を特定する。
【００１７】
第１電極層３０は、第１半導体層５１と導通している。この例では、第１電極層３０は、構造体１００の裏面側に設けられている。第１電極層３０には、例えばＡｕが用いられる。
【００１８】
第２半導体層５２は、第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂを有する。第１部分５２ａは、第２半導体層５２における発光層５３の側に設けられる。本具体例において、第１部分５２ａは、クラッド層５２１である。
【００１９】
第２部分５２ｂは、第１部分５２ａと第２電極層２０とのあいだに設けられる。第２部分５２ｂは、クラッド層５２１の一部分であってもよい。
また、第２部分５２ｂは、第１部分５２ａとは別な材料によって設けられていてもよい。
第２部分５２ｂと第２電極層２０との界面に自然酸化膜が生成されている場合、その自然酸化膜は第２部分５２ｂに含まれるものとする。
【００２０】
実施形態に係る半導体発光素子１１０において、第２半導体層５２は、第２電極層２０の金属部２３とショットキー接合される。より具体的には、第２半導体層５２の第２部分５２ｂと、第２電極層２０の金属部２３と、がショットキー接合される。ショットキー接合とは、界面においてショットキー障壁が形成された接合を意味する。
【００２１】
ここで、金属とｎ形半導体とのショットキー接合とは、φｍ＞φｓを満たすことをいう。また、金属とｐ形半導体とのショットキー接合とは、φｍ＜φｓを満たすことをいう。上記において、φｍは金属の仕事関数、φｓは半導体の仕事関数、すなわち真空準位とフェルミレベルの差である。ここで、ｎ形半導体ではφｓ〜χｓが成り立ち、ｐ形半導体ではφｓ〜χｓ＋Ｅｇが成り立つ。ただし、χｓは半導体の電子親和力、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。
また、金属とｎ形半導体とのショットキー接合におけるショットキー障壁の高さφＢは、φＢ＝φｍ−χｓで表される。また、金属とｐ形半導体とのショットキー接合におけるショットキー障壁の高さφＢは、φＢ＝χｓ＋Ｅｇ−φｍで表される。
【００２２】
実施形態において、ショットキー接合には、金属部２３と第２部分５２ｂの半導体との接触によるショットキー接合のほか、金属部２３と第２部分５２ｂの半導体とのあいだに自然酸化膜が介在した状態でのショットキー接合も含まれる。
【００２３】
このような半導体発光素子１１０では、第２電極層２０の形成された面が、主たる発光面として利用される。すなわち、第２電極層２０と第１電極層３０との間に所定の電圧を印加することで、発光層５３から所定の中心波長を有する光が放出される。この光は、主として第２電極層２０の主面２０ａから外部に取り出される。実施形態では、半導体発光素子１１０の光が取り出される面を光取り出し面という。また、光取り出し面に沿った方向を面内方向（単に、面内）という。
【００２４】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第２半導体層５２と第２電極層２０とがショットキー接合されているため、オーミック接合している場合に比べ、超微細な開口部２１を含む第２電極層２０による発光層５３への電流の拡がりを保ったまま、Ｚ軸方向に流れる電流の面内での均一化を図ることができる。
実施形態に係る半導体発光素子１１０によれば、発光層５３での発光効率の向上、第２電極層２０からの放出光の輝度の面内での均一化を図ることが可能となる。
【００２５】
次に、半導体発光素子１１０の具体的な一例を説明する。
半導体発光素子１１０は、例えばｎ形ＧａＡｓの基板５１１を備え、この基板５１１の上に、例えばｎ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５１２と、ＩｎＧａＡｌＰによる発光層５３と、ｐ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５２１（第１部分５２ａ）と、を含むヘテロ構造が形成される。ただし、基板５１１はクラッド層５２１と同一の材料であってもよい。また、基板５１１は設けられていなくてもよい。
【００２６】
発光層５３は、例えば障壁層および井戸層が交互に繰り返し設けられたＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構成であってもよい。また、発光層５３は、井戸層を挟む障壁層の組みが１組み設けられたＳＱＷ（Single Quantum Well）構成を含むものであってもよい。
【００２７】
そして、このクラッド層５２１（第１部分５２ａ）の上に、例えばｐ形のＧａＰによる第２部分５２ｂが形成されている。第２部分５２ｂは、例えば、第２電極層２０から注入された電流のＺ軸方向への流れを調整する。
【００２８】
第２部分５２ｂの上には、第２部分５２ｂに接して第２電極層２０が設けられる。第２電極層２０には、ｐ側の電極として、例えばＡｕとＡｕ−Ｚｎ合金との積層金属膜（金属部２３）が用いられる。第２部分５２ｂと金属部２３とはショットキー接合される。第２電極層２０には、この金属部２３をＺ軸方向に沿って貫通する複数の開口部２１が設けられている。開口部２１の大きさ及び配置は、規則的であっても、不規則的であってもよい。
【００２９】
第１半導体層５１である基板の裏面側には、例えばＡｕ−Ｇｅ合金を含むｎ側の第１電極層３０が形成されている。第１電極層３０は、第１半導体層５１とオーミック接触を形成し、導通している。
そして、実施形態に係る半導体発光素子１１０において、発光層５３から放出された光は、電流拡散層である第２半導体層５２の第２電極層２０が設けられた面から外部に放出される。
【００３０】
第２部分５２ｂの不純物濃度は、金属部２３とのあいだでショットキー接合が構成される濃度である。第２部分５２ｂの不純物濃度は、Ｚ軸方向に一様であっても、徐々に変化していてもよい。
第１部分５２ａの不純物濃度は、一例として、１×１０１６ｃｍ−３以上、３×１０１８ｃｍ−３未満である。また、第２部分５２ｂの不純物濃度は、一例として、１×１０１２ｃｍ−３以上、１×１０１８ｃｍ−３未満である。
【００３１】
また、実施形態において、第２部分５２ｂと第２電極層２０とのショットキー接合におけるショットキー障壁φＢは、０．３エレクトロンボルト（ｅＶ）よりも大きく、２．０ｅＶよりも小さい。
ここで、ショットキー障壁φＢが０．３ｅＶ以下であると十分なショットキー接合を得ることができない。また、第２電極層２０及び第２半導体層５２として選択される材料において、ショットキー障壁φＢは、２．０ｅＶを超えない。
【００３２】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さは、例えば５ｎｍ以上、５μｍ以下である。上記のショットキー障壁をもつ界面において形成される空乏層の幅は、５ｎｍから３００ｎｍ程度となる。そのため、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さは５ｎｍ以上３００ｎｍ以下が更に好ましい。第２部分５２ｂの厚さが５ｎｍよりも薄いとトンネリングによるリーク電流が増加しやすくなる。一方、第２部分５２ｂの厚さが３００ｎｍよりも厚いと第２部分５２ｂをＺ軸方向に電流が流れる際の抵抗により電圧降下が発生しやすくなる。
【００３３】
本願発明者は、上記のような半導体発光素子１１０において、第２半導体層５２と金属部２３とがショットキー接合していることによって、オーミック接合している場合に比べて、電流の均一な拡がりを得ることができることを見出した。
本願発明者は、実施形態に係る半導体発光素子１１０及び参考例に係る半導体発光素子１９０において、電流の流れについての実験（シミュレーション計算）を行った。
【００３４】
図２は、実験（シミュレーション計算）に用いた半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、半導体発光素子１１０を例示する模式的断面図である。
半導体発光素子１１０では、第２半導体層５２の第２部分５２ｂと第２電極層２０の金属部２３とがショットキー接合している。
図２（ｂ）は、半導体発光素子１９０を例示する模式的断面図である。
半導体発光素子１９０では、第２半導体層５２の電流拡散層５２２と第２電極層２０の金属部２３とがオーミック接合している。
なお、いずれの図においても、パッド電極２０２を中心とした片側部分を例示している。
図３は、半導体発光素子のバンド構造を例示する図である。
図３（ａ）は、半導体発光素子１１０のバンド構造を例示している。
図３（ｂ）は、半導体発光素子１９０のバンド構造を例示している。
【００３５】
本願発明者は、半導体発光素子１１０及び１９０について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査（シミュレーション計算）した。その結果、半導体発光素子１９０の光取り出し面の面内での明暗のばらつきは、半導体発光素子１１０の同ばらつきよりも大きいことが分かった。半導体発光素子１１０の輝度は、半導体発光素子１９０の輝度よりも高かった。
【００３６】
半導体発光素子１９０のように、金属部２３と電流拡散層５２２とがオーミック接合している場合、第２電極層２０から第２半導体層５２へ電流が流れやすくなる。すなわち、図３（ｂ）に表したように、第２電極層２０と第２半導体層５２とのあいだにエネルギー障壁がないためである。このため、半導体発光素子１９０では、第２半導体層５２への電流の拡がりによって光取り出し面の面内での明暗のばらつきが小さくなると考えられている。
しかし、本願発明者が行った上記の実験（シミュレーション計算）結果によると、これとは反対の結果になった。すなわち、金属部２３と第２部分５２ｂとがショットキー接合している方が良好な結果になった。
【００３７】
本願発明者は、このような結果を生み出す機構を次のように推定した。
【００３８】
図２（ａ）及び（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０及び１９０では、パッド電極２０２から注入された電流ｉは、第２電極層２０及び第２半導体層５２に流れる。
【００３９】
ここで、半導体発光素子１９０では、第２電極層２０と電流拡散層５２２とがオーミック接合しているため、第２電極層２０を流れる電流が電流拡散層５２２へ流れ込みやすい（ｉ２０ａ）。特に、パッド電極２０２の下方の電流は、第２電極層２０から電流拡散層５２２へ容易に流れ込む。このため、パッド電極２０２から離れるほど、電流拡散層５２２をＺ軸方向に沿って流れる電流（ｉ２１ａ〜ｉ２４ａ）の量が少なくなる。
【００４０】
一方、半導体発光素子１１０では、第２電極層２０と第２半導体層５２の第２部分５２ｂとがショットキー接合しているため、第２電極層２０を流れる電流が第２部分５２ｂへ流れ込みにくい（ｉ２０）。すなわち、図３（ａ）に表したように、第２電極層２０と第２半導体層５２とのあいだにショットキー障壁が設けられるためである。このため、第２電極層２０から第２部分５２ｂへは流れる電流（ｉ２１〜ｉ２４）の量は、パッド電極２０２からの距離に依存しにくくなる。つまり、第２部分５２ｂをＺ軸方向に沿って流れる電流（ｉ２１〜ｉ２４）の量は、電流拡散層５２２をＺ軸方向に沿って流れる電流（ｉ２１ａ〜ｉ２４ａ）に比べて均一化される。
【００４１】
このことから、第２半導体層５２と金属部２３とがショットキー接合していることで、光取り出し面の面内での明暗のばらつきを抑制できると考えられる。また、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った電流の量を面内で均一化できることで、半導体発光素子１１０の全体での輝度を向上できると考えられる。
【００４２】
また、半導体発光素子１１０では、比較的大きな第２電極層２０を設けることで高い放熱性を得て、半導体発光素子１１０の温度上昇を抑制している。また、第２電極層２０に設けられた開口部２１の大きさ（例えば、円相当直径）を調整することによっても、半導体発光素子１１０の温度上昇を抑制している。すなわち半導体発光素子１１０の順方向の電圧を低下させることによって直列抵抗を低下させ、発熱自体を減少させることができる。
【００４３】
このような効果を実現するためには、開口部２１を有する第２電極層２０から第２半導体層５２に対して全面に均一に電流を流すことができるとよい。第２半導体層５２に均一に電流を流すためには複数の開口部２１のそれぞれの大きさ及び中心間隔はある程度限定される。
【００４４】
電流を流す半導体層のドーピング濃度等にも依存するが、シミュレーション等の計算で得られる電流の流れる範囲は、第２電極層２０の金属部２３の端から約５μｍまでの範囲である。すなわち、開口部２１の直径がそれ以上であると電流が流れない範囲が生じるため、均一な発光が得られない。そのため、開口部２１の円相当直径の上限は５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下である。
【００４５】
ここで、金属部２３の主面２０ａに沿った幅が発光層５３から発生する光の波長よりも十分小さくなるような開口部２１を第２電極層２０に設けることによって、第２電極層２０は、金属でありながら光透過型電極として機能することがある。これは、開口部２１に阻害されない連続した金属部位の直線距離が該光の波長よりも十分短いことにより、第２電極層２０に光が照射した際に光の電場により誘起される自由電子の運動が阻害され、該当波長の光に対して、金属が透明となる点である。
【００４６】
金属反射を記述するドルーデの理論において、対象となる物質は照射される光の波長に対して十分に大きく、均一な構造であることが仮定されている。物質にプラズマ周波数よりも低い周波数の光が照射された際、物質内の自由電子の運動について述べると、光のもつ電場により物質内の電子の分極が生じる。この分極は光の電場を打ち消す方向に誘起される。この誘起された電子の分極により、光の電場が遮蔽されることで、光は物質を透過することができず、いわゆるプラズマ反射が生じる。ここで、もし電子の分極を誘起される物質が、光の波長よりも十分に小さいとすると、電子の運動は幾何学的な構造により制限され、光の電場を遮蔽することができなくなるものと考えられる。これは、構造的には隣接する２つの開口部によって形成される金属部の幅を、該当する光の波長よりも十分小さくすることにより実現できる。
【００４７】
また、隣接する開口部２１の間隔Ｐは、光の透過率の観点から、例えば２０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下が好ましい。
また、開口部２１の円相当直径の上限は、導電性の観点から、隣り合う開口部２１の間隔をＰとして、０．９Ｐ以下が特に好ましい。具体的には、３６０ｎｍ以下がより好ましい。一方、開口部２１の円相当直径の下限に関しては、導電性の観点からは制約は無いものの、製造の容易性から１０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上あるとよい。
【００４８】
第２電極層２０の金属部２３の材料となる金属には、例えば、Ａｇ及びＡｕの少なくともいずれかをベース金属とすることが好ましい。これにより、発光層５３から放出した光の吸収損失を抑制できる。さらに、金属部２３の材料となる金属には、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉからなる群から選択された少なくともいずれかの材料、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上を含む合金を用いることが好ましい。これにより、オーミック性、密着性及び耐熱性が向上する。金属部２３の材料となる金属には、十分な導電性および熱伝導性を有しているものを用いることが望ましい。ただし、実施形態はこれに限定されず、任意の金属を用いることができる。
【００４９】
なお、例えば、第２電極層２０の金属部２３（開口部２１が設けられていない部分）の任意の２点間は、少なくともパッド電極などの電流供給源から切れ目無く連続している。これは、通電性を確保し抵抗値を低く保つためである。
また、複数の電流供給源が設けられている場合には、各電流供給源のそれぞれに対応して第２電極層２０の金属部２３が連続していればよい。
【００５０】
また、第２電極層２０のシート抵抗は、１０Ω／□以下であることが好ましく、５Ω／□以下であることがより好ましい。シート抵抗が小さいほど、半導体発光素子１１０の発熱は少なく、均一な発光が得られ、輝度の向上が顕著になる。
【００５１】
半導体発光素子１１０においても、同様にして金属層を形成させ、さらに後述する方法によって開口部２１を形成させることによって第２電極層２０を形成している。
【００５２】
実験により調べた結果、第２電極層２０の厚さは１０ｎｍ以上であると、十分な抵抗値を実現できることが分かった。一方、第２電極層２０の厚さが厚いほど抵抗値は下がる。発光層５３で発生した光の透過率を確保する点からしたがって、第２電極層２０の厚さは、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは３００ｎｍ以下である。
【００５３】
ここで、第２電極層２０においては、発光層５３から放出された光に対する反射率（バルク反射率）が７０％以上であってもよい。これは、金属反射の際に反射率が低く金属による吸収率が高いと光が熱に変わり損失が生じるためである。第２電極層２０で、光として反射された光は、発光層５２の下部に反射層（図示せず）などを施すことで再利用可能となり、再び取り出すことができる。これにより、発光層５３から放出された光が、第２電極層２０を透過することになる。
【００５４】
半導体発光素子１１０では、上記のような第２半導体層５２を備えることで、複数の開口部２１を含む第２電極層２０による発光層５３への電流の拡がりを保ったまま、Ｚ軸方向に沿って発光層５３へ十分な電流を注入することができる。よって、発光層５３での発光効率の向上、第２電極層２０からの放出光の輝度の向上及び光取り出し面内での均一性の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、半導体発光素子の製造方法である。
図４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である。
すなわち、第２の実施形態に係る製造方法は、第１半導体層５１を形成し、第１半導体層５１の上に発光層５３を形成し、発光層５３の上に第２半導体層５２を形成して、構造体を形成する工程（ステップＳ１０）と、第２半導体層５２の上に、Ｚ軸方向に沿った厚さが１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であって、第２半導体層５２とショットキー接合された金属層を形成する工程（ステップＳ２０）と、金属層の上にマスクパターンを形成する工程（ステップＳ３０）と、マスクパターンをマスクにして金属層をエッチングし、Ｚ軸方向にみたときの形状の円相当直径が１０ｎｍ以上、５μｍ以下の複数の開口部２１を有する電極層（第２電極層２０）を形成する工程（ステップＳ４０）と、を備える。
【００５６】
具体的には、次の製造方法が挙げられる。
【００５７】
（Ａ）型を利用する方法
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法のひとつは、型を利用するものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。
図５は、型を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図５（ａ）に表したように、第１半導体層５１上に発光層５３を形成し、その上に第２半導体層５２を形成する。第２半導体層５２においては、発光層５３側から順に第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂが形成される。また、第１半導体層５１に接して第１２電極層３０を形成する。
次いで、第２半導体層５２の上に金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、第２半導体層５２とショットキー接合される。そして、金属層２０Ａの上にレジスト層８０１Ａを形成する。
【００５８】
次いで、図５（ｂ）に表したように、凸部８０２ａを有する型８０２を用意する。例えば、型８０２の転写面には複数の凸部８０２ａが設けられる。複数の凸部８０２ａの間には凹部８０２ｂが設けられている。
型８０２は、例えば石英上に電子線リソグラフィにて所望の構造を形成させることにより製造することができる、そのほか、型８０２の材料及び型８０２の微細凹凸構造形成手法は限定されない。例えば、型８０２をブロックコポリマー（ブロック共重合体）の自己組織化や、微粒子マスクを用いた方法により形成することも可能である。
【００５９】
次に、必要に応じてレジスト層８０１Ａを所定温度に加熱した状態で、図５（ｂ）に表したように、型８０２の凸形状がある側をレジスト層８０１Ａに押し付けるインプリントを行う。インプリント後、レジスト層８０１Ａを室温まで冷却して硬化させ、型８０２をリリースする。これにより、図５（ｃ）に表したように、凸部８０２ａに対応した凹部を有するレジストパターン８０１Ｂが形成される。
【００６０】
次いで、図５（ｄ）に表したように、レジストパターン８０１Ｂを、エッチングする。これにより、レジスト層８０１Ａの凹部の底が除去され、金属層２０Ａが露出する。金属層２０Ａが露出した部分は、レジスト開口部８１１となる。
【００６１】
次いで、レジスト開口部８１１が形成されたレジストパターン８０１をマスクにしてイオンミリングを行い、金属層２０Ａをエッチングする。これにより、図５（ｅ）に表したように、レジスト開口部８１１に対応した開口部２１が金属層２０Ａに形成される。金属層２０Ａは、開口部２１が形成され、第２電極層２０になる。金属層２０Ａのエッチング後、レジストパターン８０１は除去される。
【００６２】
最後に、図５（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成して、半導体発光素子１１０を完成させる。
【００６３】
なお、型を利用する方法は、上記のような熱による成形に限定されるものではなく、光の照射によってレジストを硬化させる成形や、ＰＤＭＡ（ポリジメチルアクリルアミド）等の柔軟性を備えた型を用いる成形など、種々の技術を用いることができる。
【００６４】
（Ｂ）ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。
図６は、ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図６（ａ）に表したように、第１半導体層５１上に発光層５３を形成し、その上に第２半導体層５２を形成する。第２半導体層５２においては、発光層５３側から順に第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂが形成される。また、第１半導体層５１に接して第１電極層３０を形成する。
次いで、第２半導体層５２の上に金属層２０Ａを形成する。
【００６５】
次いで、金属層２０Ａの上にレジスト層７０１Ａを形成する。さらに、レジスト層７０１Ａの上にＳＯＧ（Spin On Glass）層７０２Ａを形成する。
【００６６】
次に、図６（ｂ）に表したように、ＳＯＧ層７０２Ａの上に、２種類のポリマーのブロックを有するブロックコポリマーを溶剤に溶かした液をスピンコート法で塗布する。その後、プリベークして溶剤を除去し、ブロックコポリマー層７０３Ａを形成する。そして、ブロックコポリマー層７０３Ａをアニールする。これにより、図６（ｃ）に表したように、２種類のポリマーの相分離を行い、１種類のポリマーによるドットパターン７０３を形成させる。
【００６７】
次いで、ドットパターン７０３をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置によってエッチングする。このとき、２種類のポリマーのエッチング速度差により、エッチング速度の速いポリマーによるホールパターンが形成される。
【００６８】
次いで、ポリマーによるホールパターンをマスクにして、例えばＲＩＥ装置によりＳＯＧ層７０２Ａをエッチングし、図６（ｄ）に表したＳＯＧホールパターン７０２を形成する。次いで、ＳＯＧホールパターン７０２をマスクにしてＲＩＥ装置によって、レジストホールマスク７０１を形成する。レジストホールマスク７０１には、レジスト開口部７１１が設けられる。
【００６９】
次いで、ＳＯＧホールパターン７０２及びレジストホールマスク７０１をマスクにしてイオンミリングを行い、金属層２０Ａをエッチングする。これにより、図６（ｅ）に表したように、レジスト開口部７１１に対応した金属層２０Ａがエッチングされ、金属層２０Ａに開口部２１が形成される。金属層２０Ａは、開口部２１が形成されて第２電極層２０になる。金属層２０Ａのエッチング後、ＳＯＧホールパターン７０２及びレジストホールマスク７０１は除去される。
【００７０】
最後に、図６（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成して、半導体発光素子１１０を完成させる。
【００７１】
本実施形態において、半導体発光素子の製造方法は上記の方法に限定されない。例えば電子線描画によってマスクパターンを製造して、このマスクパターンによって金属層２０Ａのエッチングを行う方法及びシリカ等の微粒子の単分子層をマスクとして金属層２０Ａのエッチングを行う方法が挙げられる。
【００７２】
次に、実施例の説明を行う。なお、以下の実施例で示される材料、数値、製造条件等は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７３】
（第１実施例）
第１実施例では、上記（Ａ）の型を利用した方法に準じて、図５に表した工程により半導体発光素子１１１を製造する。
【００７４】
先ず、図５（ａ）に表したように、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に、ｎ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５１２、ＡｌＩｎＧａＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５２（第１部分５２ａ）１などを含むヘテロ構造を形成する。その上に、ｐ形ＧａＰの第２部分５２ｂを例えばエピタキシャル成長させる。このときの第２部分５２ｂの不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３である。
【００７５】
次に、基板５１１の裏面には、第１電極層３０として例えばｎ側対向電極を形成する。例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金膜を１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｕ−Ｇｅ合金膜は、例えば真空蒸着により形成する。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、第１電極層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。次いで、第２半導体層５２の上に、例えば（ＡｇＣｕ（Ｃｕ１％含有、厚さ３０ｎｍ）の金属層２０Ａを蒸着法により形成する。
【００７６】
次に、金属層２０Ａの上に、レジスト溶液を塗布する。レジスト溶液は、レジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０、（株）東京応化工業）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：２に希釈した溶液である。レジスト溶液は、２０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートされる。その後、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱してレジスト溶液の溶媒を蒸発させる。レジスト層８０１Ａの膜厚は、例えば１５０ｎｍである。
【００７７】
次いで、図５（ｂ）に表したように、例えば２００ｎｍの円相当直径、３００ｎｍの間隔、１５０ｎｍの高さを持つ凸部８０２ａを有する石英の型８０２を用意する。そして、レジスト付き基板を１２０℃に加熱した状態で、型８０２の凸部８０２ａのある方をレジスト層８０１Ａに、例えば１０ＭＰａの圧力で押し付ける。
【００７８】
その後、図５（ｃ）に表したように、基板を室温まで冷却し型８０２をリリースする。これにより、レジスト層８０１Ａ上へ２００ｎｍの円相当直径、３００ｎｍの間隔、深さ１００ｎｍの凹形状が形成される。
【００７９】
次いで、凹パターンが形成されたレジストパターン８０１Ｂを、ＲＩＥ装置を用いて、Ｏ２の流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワー１００Ｗ（ワット）の条件で３０秒間エッチングする。このエッチングによって、図５（ｄ）に表したように、レジストの凹部の底が除去され、レジスト開口部８１１を有するレジストパターン８０１が形成される。
【００８０】
次いで、このレジストパターン８０１をマスクにして、金属層２０Ａのエッチングを行う。エッチングには、例えばイオンミリング装置が用いられる。エッチングは、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で９０秒間行う。これにより、図５（ｅ）に表したように、開口部２１を有する第２電極層２０が形成される。
【００８１】
金属層２０Ａのエッチング後、レジストパターン８０１を除去するため、酸素アッシングを行う。最後に、図５（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成する。これにより、第１実施例に係る半導体発光素子１１１が完成する。
【００８２】
第１実施例に係る半導体発光素子１１１では、第２電極層２０の金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さが３０ｎｍ、開口部２１の円相当直径が２２０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチ（間隔）が３００ｎｍ、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さが１８０ｎｍ、電圧電流特性から見積もられるショットキー障壁高さは０．６８ｅＶである。
【００８３】
また、第１実施例に係る半導体発光素子１１１と同様な製造工程によって、第１比較例に係る半導体発光素子１９１を製造する。なお、第１比較例に係る半導体発光素子１９１では、第２部分５２ｂの代わりに電流拡散層５２２が設けられている。電流拡散層５２２の不純物濃度は２×１０２０ｃｍ−３である。また、半導体発光素子１９１では、第２電極層２０と電流拡散層５２２とがオーミック接触しており、コンタクト抵抗率が１．２×１０−６Ωｃｍ２であり、他は第１実施例に係る半導体発光素子１１１と同じである。
【００８４】
半導体発光素子１１１及び１９１について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査する。ここで、光取り出し面内での明暗のばらつきは、光取り出し面内で最も明るい部分の輝度と、最も暗い部分の輝度と、の差である。
【００８５】
検査は、半導体発光素子１１１及び１９１のそれぞれについて、Ｚ軸方向からみた外形の面積が９．０×１０−２ｍｍ２（一辺３００μｍ）のチップと、同８．１×１０−１ｍｍ２（一辺９００μｍ）のチップと、について行う。電流は３５０ミリアンペア（ｍＡ）である。
【００８６】
第１実施例に係る半導体発光素子１１１では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが０．１％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが３．７％である。
第１比較例に係る半導体発光素子１９１では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが５．２％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが１０．３％である。
また、一辺３００μｍのチップの場合、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の１．２倍、一辺９００μｍのチップの場合、１．３倍である。
【００８７】
なお、半導体発光素子１１１及び１９１のそれぞれについて、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【００８８】
また、一辺３００μｍのチップに５００ｍＡの電流を供給したところ、半導体発光素子１１１では光取り出し面内での明暗のばらつきが０．２％であるのに対して、半導体発光素子１９１では、２７．１％である。このとき、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の１．５倍である。
【００８９】
また、一辺９００μｍのチップに４アンペア（Ａ）の電流を供給したところ、半導体発光素子１１１では光取り出し面内での明暗のばらつきが４．２％、半導体発光素子１９１では、５７．２％である。このとき、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の２．１倍である。
このように、光取り出し面において均一に発光させることで、輝度が大幅に向上するという結果が得られている。
【００９０】
（第２実施例）
第２実施例では、上記（Ｂ）のブロックコポリマーの自己組織化を利用した方法に準じて、図６に表した工程により半導体発光素子１１２を製造する。
【００９１】
先ず、図６（ａ）に表したように、第１実施例と同様に、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上にｎ形ＩｎＡｌＧａＰのクラッド層５１２、ＡｌＩｎＧａＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＧａＰのクラッド層５２１などを含むヘテロ構造を形成する。その上に、ｐ形ＡｌＧａＡｓの第２部分５２ｂを例えばエピタキシャル成長させる。このときの第２部分５２ｂの不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ−３である。
【００９２】
次いで、第３半導体層５４の上に、例えばＡｕ（厚さ１０ｎｍ）及びＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎ３％含有、厚さ３０ｎｍ）を含む金属層２０Ａを蒸着法により形成する。基板５１１の裏面側には、第１電極層３０であるｎ側対向電極を形成する。例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金膜を１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｕ−Ｇｅ合金膜は、例えば真空蒸着により形成する。この半導体発光素子の発光波長は、例えば５７１ｎｍである。
【００９３】
次に、金属層２０Ａの上に、レジスト溶液を塗布する。レジスト溶液は、レジスト（ＴＨＭＲ−ｉＰ３２５０、（株）東京応化工業）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：３に希釈したものである。このレジスト溶液を２０００ｒｐｍ、３０秒間の条件でスピンコートしたのち、ホットプレート上において１１０℃で９０秒間加熱して溶媒を蒸発させる。次いで、レジストを窒素雰囲気下において２５０℃で１時間アニールを行い、熱硬化させる。レジスト層７０１Ａの膜厚は、例えば１００ｎｍである。
【００９４】
次に、形成したレジスト層７０１Ａ上へ有機ＳＯＧ組成物（ＯＣＤ−Ｔ７ Ｔ−５５００（商品名）、東京応化工業株式会社）を乳酸エチル（ＥＬ）で１：５に希釈した溶液を２０００ｒｐｍ、６０秒間の条件でスピンコートした。スピンコート後、溶媒を完全に除去するため、１１０℃で６０秒間ベークした。その後、窒素雰囲気下において２５０℃で１時間硬化アニールを行った。ＳＯＧ層７０２Ａの膜厚は３０ｎｍである。
【００９５】
次に、図６（ｂ）に表したように、分子量１６０，０００のポリスチレン（以下、ＰＳという）ブロックと、分子量４５，０００のポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭＭＡという）ブロックと、を有するブロックコポリマーを溶剤に溶かした液をスピンコート法で３０００ｒｐｍ、３０秒間の条件で塗布する。さらに、１１０℃、９０秒の条件下でプリベークして溶剤を除去して７０ｎｍの膜厚のブロックコポリマー層７０３Ａを得る。
【００９６】
その後、図６（ｃ）に表したように、ブロックコポリマー層７０３Ａを窒素雰囲気中で２１０℃、４時間の条件でアニールして、ＰＳとＰＭＭＡの相分離を行い、円相当直径４０ｎｍ、６０ｎｍ間隔のＰＭＭＡのドットパターン７０３を形成する。
【００９７】
次いで、相分離したブロックコポリマー付き基板を、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗの条件で１０秒間ＲＩＥすることにより、相分離したブロックコポリマー膜をエッチングする。このとき、ＰＳとＰＭＭＡのエッチング速度差により、ＰＭＭＡが選択的にエッチングされ、ＰＳのホールパターンが形成される。
【００９８】
次いで、ＰＳホールパターンをマスクにしてＲＩＥ装置によって、ＣＦ４流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗで１分間ＳＯＧをエッチングする。これにより、図６（ｄ）に表したように、ＳＯＧホールパターン７０２を形成する。
【００９９】
次いで、ＳＯＧホールパターン７０２をマスクにしてＲＩＥ装置によって、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、パワー１００Ｗの条件で６０秒間エッチングすることにより、レジストホールマスク７０１を形成する。
【０１００】
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００Ｖ、イオン電流４０ｍＡの条件で１００秒間、金属層２０Ａのエッチングを行う。金属層２０Ａのエッチング後、残ったＳＯＧホールパターン７０２及びレジストホールマスク７０１を酸素アッシングして除去する。これにより、図６（ｅ）に表したように、開口部２１を有する第２電極層２０が形成される。最後に、図６（ｆ）に表したように、パッド電極２０２を形成する。これにより、第２実施例に係る半導体発光素子１１２が完成する。
【０１０１】
第２実施例に係る半導体発光素子１１２では、第２電極層２０の金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さが４０ｎｍ、開口部２１の円相当直径が４０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが６０ｎｍ、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さが９０ｎｍ、電圧電流特性から見積もられるショットキー障壁高さは０．３２ｅＶである。
【０１０２】
また、第２実施例に係る半導体発光素子１１２と同様な製造工程によって、第２比較例に係る半導体発光素子１９２を製造する。なお、第２比較例に係る半導体発光素子１９２では、第２部分５２ｂの代わりに電流拡散層５２２が設けられている。電流拡散層の不純物濃度は、３×１０１９ｃｍ−３である。また、半導体発光素子１９２では、第２電極層２０と電流拡散層５２２が完全なオーミック接合ではないものの、電流電圧特性から見積もられるショットキー障壁の高さは０．２ｅＶ程度であり、オーミックライクな接合とみなせる。第２電極層２０と電流拡散層５２２とのコンタクト抵抗率は４．０×１０−４Ωｃｍ２であり、他は第２実施例に係る半導体発光素子１１２と同じである。
【０１０３】
半導体発光素子１１２及び１９２について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査する。検査は、半導体発光素子１１２及び１９２のそれぞれについて、Ｚ軸方向からみた外形の面積が９．０×１０−２ｍｍ２（一辺３００μｍ）のチップと、同８．１×１０−１ｍｍ２（一辺９００μｍ）のチップと、について行う。電流は３５０ｍＡである。
【０１０４】
第２実施例に係る半導体発光素子１１２では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが０．２％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが５．４％である。
第２比較例に係る半導体発光素子１９２では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが１．３％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが８．９％である。
また、一辺３００μｍのチップの場合、第１実施例に係る半導体発光素子１１１のチップ全体の輝度は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１のチップ全体の輝度の１．１倍、一辺９００μｍのチップの場合、１．２倍である。
【０１０５】
なお、半導体発光素子１１２及び１９２のそれぞれについて、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【０１０６】
（第３実施例）
第３実施例に係る半導体発光素子１１３は、第１実施例に係る半導体発光素子１１１と同じ構造である。また、第３比較例に係る半導体発光素子１９３は、第１比較例に係る半導体発光素子１９１と同じである。
第３実施例では、半導体発光素子１１３及び１９３について、２０ｍＡの電流を流した場合の検査を行う。
【０１０７】
第３実施例に係る半導体発光素子１１３では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが１．１％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが３．２％である。
第３比較例に係る半導体発光素子１９３では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが１．６％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが４．０％である。
また、一辺３００μｍのチップの場合、第３実施例に係る半導体発光素子１１３のチップ全体の輝度は、第３比較例に係る半導体発光素子１９３のチップ全体の輝度の１．０２倍、一辺９００μｍのチップの場合、１．０８倍である。
【０１０８】
なお、半導体発光素子１１３及び１９３のそれぞれについて、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【０１０９】
図７は、半導体発光素子の発光状態を例示する模式的平面図である。
図７（ａ）では、第１〜第３比較例に係る半導体発光素子１９１〜１９３の発光状態を例示している。
図７（ｂ）では、第１実施形態に係る半導体発光素子１１０及び第１〜第３実施例に係る半導体発光素子１１１〜１１３の発光状態を例示している。
いずれの図も、光取り出し面のパッド電極２０２以外の部分において、明度の高い部分ほど発光強度が強いことを示している。
【０１１０】
図７（ａ）に表したように、半導体発光素子１９１〜１９３では、パッド電極２０２の付近のみ発光強度が強く、パッド電極２０２から離れるほど発光強度が弱くなっている。
一方、図７（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０及び１１１〜１１３では、パッド電極２０２の付近から離れた部分に至るまで、均一かつ強い発光強度を得ている。
【０１１１】
（第４実施例）
図８は、第４実施例に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
第４実施例に係る半導体発光素子１１４においては、構造体１００の材料として窒化物半導体が用いられている。
【０１１２】
すなわち、半導体発光素子１１４は、例えばサファイア基板である成長用基板１０の上に、例えばＧａＮバッファ層５１ａ、Ｓｉがドープされたｎ形ＧａＮ層５１ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ（Multi Quantum Well）構造を有する発光層５３、Ｍｇがドープされたｐ形Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層による第１部分５２ａ及びｐ形ＧａＮの第２部分５２ｂが、例えばエピタキシャル成長によって形成されている。
【０１１３】
なお、第４実施例に係る半導体発光素子１１４では、便宜上、第１半導体層５１に、ＧａＮバッファ層５１ａ及びｎ形ＧａＮ層５１ｂが含まれるものとする。
【０１１４】
第２部分５２ｂの上には、Ａｇ（厚さ５０ｎｍ）を含む金属層２０Ａを形成する。Ａｇ膜は、例えば真空蒸着により形成する。その後、実施例１と同様に型を用いる方法に準じて、複数の開口部２１を有する第２電極層２０を形成する。なお、金属層２０Ａには、別の材料を用いることもできる。また、第２半導体層５２及び発光層５３の一部がエッチングされ、ｎ形ＧａＮ層５１ｂの露出した部分に、第１電極層３０が設けられている。
【０１１５】
第４実施例に係る半導体発光素子１１４では、第２電極層２０の金属部２３のＺ軸方向に沿った厚さが５０ｎｍ、開口部２１の円相当直径が１２０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが２００ｎｍ、第２部分５２ｂのＺ軸方向に沿った厚さが３００ｎｍ、不純物濃度が１×１０１３ｃｍ−３、電圧電流特性から見積もられるショットキー障壁高さは１．８９ｅＶである。
【０１１６】
半導体発光素子１１４について、光取り出し面内での明暗のばらつき、及び輝度を検査する。検査は、半導体発光素子１１４について、Ｚ軸方向からみた外形の面積が９．０×１０−２ｍｍ２（一辺３００μｍ）のチップと、同８．１×１０−１ｍｍ２（一辺９００μｍ）のチップと、について行う。電流は３５０ｍＡである。
【０１１７】
第４実施例に係る半導体発光素子１１４では、一辺３００μｍのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが０．０７％、一辺９００μｍのチップで、同ばらつきが１．１％である。半導体発光素子１１４では、上記のような第２部分５２ｂを備えることで、光取り出し面内での均一な発光が得られたため、高い輝度を示すことができる。
【０１１８】
なお、半導体発光素子１１４について、開口部２１の円相当直径が１０ｎｍ、隣接する開口部２１のピッチが１６ｎｍのチップ、及び開口部２１の円相当直径が５μｍ、隣接する開口部２１のピッチが８μｍのチップについて同様な検査を行う。いずれも上記と同じ結果となる。
【０１１９】
（実施例５）
第５実施例では、電子線描画を利用して開口部２１を作製した第２電極層２０を有する、第１実施例と同様の構造である半導体発光素子１１５を作製する。この半導体発光素子１１５においても、実施例１と同様の特性を得られる。
【０１２０】
（実施例６）
第６実施例では、発光層５３として、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ及びＧａＰのいずれかを用い、第１実施例と同様の構造である半導体発光素子１１６を作製する。発光層５３としてＡｌＧａ、ＧａＡｓＰ及びＧａＰのいずれを用いた半導体発光素子１１６においても、実施例１と同様の特性を得られる。
【０１２１】
図９は、半導体発光素子の発光状態を例示する模式的平面図である。
図９（ａ）では、第３半導体層５４のシート抵抗値が第４〜第６実施例に係る半導体発光素子１１４〜１１６よりも低い半導体発光素子１９４の発光状態を例示している。
図９（ｂ）では、第４〜第６実施例に係る半導体発光素子１１４〜１１６の発光状態を例示している。
いずれの図も、光取り出し面のパッド電極２０２以外の部分において、明度の高い部分ほど発光強度が強いことを示している。
【０１２２】
図９（ａ）に表したように、半導体発光素子１９４では、パッド電極２０２の近傍のみ発光強度が強く、パッド電極２０２から離れるほど発光強度が弱くなっている。
一方、図９（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１４〜１１６では、パッド電極２０２の付近から離れた部分に至るまで、均一かつ強い発光強度を得ている。
【０１２３】
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、構造体１００の裏面側や表面側に設けられる第１電極層３０について、第２電極層２０と同様な複数の開口部２１を設けてもよい。また、第１の導電形をｎ形、第２の導電形をｐ形として説明したが、第１の導電形をｐ形、第２の導電形をｎ形としても実施可能である。
【０１２４】
また、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）または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、導電型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。
【０１２５】
以上説明したように、本実施形態に係る半導体発光素子およびその製造方法によれば、半導体層への均一な電流の拡がりによって面内での発光の均一化を図ることが可能となる。
【０１２６】
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】
【０１２７】
１０…成長用基板、 ２０…第２電極層、 ２０Ａ…金属層、 ２０ａ…主面、 ２１…開口部、 ２３…金属部、 ３０…第１電極層、 ５１…第１半導体層、 ５２…第２半導体層、 ５２ａ…第１部分、 ５２ｂ…第２部分、 ５３…発光層、 １００…構造体、 １１０〜１１６，１９１〜１９４…半導体発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電形の第１半導体層と、
第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第１半導体層と導通する第１電極層と、
前記第２半導体層と導通する第２電極層と、
を備え、
前記第２電極層は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下である金属部と、前記方向に沿って前記金属部を貫通し、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有し、
前記第２半導体層は、前記金属部とショットキー障壁を形成していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２半導体層は、第１部分と、前記第１部分と前記第２電極層とのあいだに設けられた第２部分と、を有し、
前記第２部分の不純物濃度は、１×１０１２／立方センチメートル以上、１×１０１８／立方センチメートル未満であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記金属部の前記方向に沿った厚さは、１０ナノメートル以上、５０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記金属部は、Ａｕ及びＡｇのうち少なくともいずれかを含み、
前記金属部のシート抵抗値は、１０オーム／□以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を形成する工程と、
前記第２半導体層の上に、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下であって、前記第２半導体層とショットキー障壁を形成する金属層を形成する工程と、
前記金属層の上にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクにして前記金属層をエッチングし、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５マイクロメートル以下である複数の開口部を有する電極層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記マスクパターンを形成する工程では、
前記金属層の上にレジスト層を形成し、前記レジスト層に凸部を有するスタンパの前記凸部を押し付けて、前記レジスト層に複数のレジスト凹部を有するレジスト膜を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記マスクパターンを形成する工程では、
前記金属層部の上にブロックコポリマーを含む組成物を塗布し、前記ブロックコポリマーを相分離させてミクロドメインパターンを生成することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
第１導電形の第１半導体層と、
第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第１半導体層と導通する第１電極層と、
前記第２半導体層と導通する第２電極層と、
を備え、
前記第２電極層は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下である金属部と、前記方向に沿って前記金属部を貫通し、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有し、
前記第２半導体層は、前記金属部とショットキー障壁を形成していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２半導体層は、第１部分と、前記第１部分と前記第２電極層とのあいだに設けられた第２部分と、を有し、
前記第２部分の不純物濃度は、１×１０１２／立方センチメートル以上、１×１０１８／立方センチメートル未満であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記金属部の前記方向に沿った厚さは、１０ナノメートル以上、５０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記金属部は、Ａｕ及びＡｇのうち少なくともいずれかを含み、
前記金属部のシート抵抗値は、１０オーム／□以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を形成する工程と、
前記第２半導体層の上に、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿った厚さが１０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下であって、前記第２半導体層とショットキー障壁を形成する金属層を形成する工程と、
前記金属層の上にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクにして前記金属層をエッチングし、前記方向にみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５マイクロメートル以下である複数の開口部を有する電極層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記マスクパターンを形成する工程では、
前記金属層の上にレジスト層を形成し、前記レジスト層に凸部を有するスタンパの前記凸部を押し付けて、前記レジスト層に複数のレジスト凹部を有するレジスト膜を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記マスクパターンを形成する工程では、
前記金属層部の上にブロックコポリマーを含む組成物を塗布し、前記ブロックコポリマーを相分離させてミクロドメインパターンを生成することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１８６１９６（Ｐ２０１２−１８６１９６Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４６２６７（Ｐ２０１１−４６２６７）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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