半導体発光素子
【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１電極層と、発光層と、第２導電形の第１部分を含む第２半導体層と、第１半導体層に接続された第２電極層と、を備える。第１電極層は、金属部と、第１半導体層から第１電極層に向かう方向に沿って金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５０マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する。発光層は、第１半導体層と第１電極層との間に設けられる。第２半導体層の第１部分は、発光層と第１電極層との間に設けられ、不純物濃度が１×１０１９／立方センチメートル以上、１×１０２１／立方センチメートル以下である。
【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１電極層と、発光層と、第２導電形の第１部分を含む第２半導体層と、第１半導体層に接続された第２電極層と、を備える。第１電極層は、金属部と、第１半導体層から第１電極層に向かう方向に沿って金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５０マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する。発光層は、第１半導体層と第１電極層との間に設けられる。第２半導体層の第１部分は、発光層と第１電極層との間に設けられ、不純物濃度が１×１０１９／立方センチメートル以上、１×１０２１／立方センチメートル以下である。
【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、半導体層の表面にオーミック接触した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を施し、その金属電極に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、さらなる特性の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、特性の向上を図ることができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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１電極層と、発光層と、第２導電形の第１部分を含む第２半導体層と、第１半導体層に接続された第２電極層と、を備える。
第１電極層は、金属部と、第１半導体層から第１電極層に向かう方向に沿って金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５０マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する。
発光層は、第１半導体層と第１電極層との間に設けられる。
第２半導体層は、発光層と第１電極層との間に設けられる。第２半導体層は、第１電極層に接触した第１部分を含む。第１部分の不純物濃度は、１×１０１９／立方センチメートル以上、１×１０２１／立方センチメートル以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】半導体発光素子を示す模式的斜視図である。
【図２】開口形状を示す模式的平面図である。
【図３】ドーパント濃度と抵抗値との関係を示す図である。
【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】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【図８】第１電極層を示す図である。
【図９】各実施例の数値を示す図である。
【図１０】半導体発光素子の特性例を示すグラフ図である。
【図１１】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の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。
【０００８】
（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２０と、第２電極層３０と、を備える。
【０００９】
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、第１半導体層５１と第２半導体層５２との間に設けられた発光層５３と、を有する。
【００１０】
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。
【００１１】
第２半導体層５２は、第１半導体層５１と、第１電極層２０と、の間に設けられる。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。第２半導体層５２は、第１電極層２０と接する第１部分５２０を含む。第１部分５２０は、クラッド層５２１の上に設けられる。第１部分５２０には、例えばｐ形のＩｎＧａＡｌＰによる電流拡散層５２２が設けられている。第１部分５２０は、第１電極層２０と接触するコンタクト層５２３を含んでいてもよい。
【００１２】
発光層５３は、第１半導体層５１と、第１電極層２０と、の間に設けられる。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、の間に設けられる。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１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１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。
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に向かう方向に沿った積層方法をＺ軸方向とする。
【００１４】
第１電極層２０は、金属部２３と、複数の開口部２１と、を有する。複数の開口部２１は、Ｚ軸方向に沿って金属部２３を貫通する。複数の開口部２１の円相当直径は、１０ｎｍ以上、５０μｍ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
ここで、面積は、開口部２１のＺ軸方向から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２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２電極層３０は、構造体１００の裏面側に設けられている。第２電極層３０には、例えばＡｕが用いられる。
【００１８】
このような半導体発光素子１１０では、第１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１電極層２０と第２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１電極層２０の主面２０ａから外部に取り出される。
【００１９】
第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第１部分５２０の不純物濃度が、１×１０１９／立方センチメートル（ｃｍ−３）以上、１×１０２１ｃｍ−３以下であり、第１電極層２０に複数の開口部２１が設けられているため、例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下の程度の大きさの超微細な開口部２１を含む第１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、効率良く光を外部に放出できるようになる。すなわち、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１電極層２０からの光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
【００２０】
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、ＩｎＧａＰによる発光層５３と、ｐ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５２１と、を含むヘテロ構造が形成される。
【００２１】
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。
【００２２】
そして、この発光層５３の上に、例えばｐ形のＩｎＧａＡｌＰによる電流拡散層５２２が形成されている。電流拡散層５２２は、電流をＺ軸方向と直交する方向に沿って拡散させる役目を果たす。
なお、電流拡散層５２２には、炭素、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）等のドーピングがされていてもよい。これにより、電流拡散層５２２の抵抗値が下がり、第１電極層２０とのオーミック接続をとりやすくなる。
【００２３】
電流拡散層５２２のシート抵抗値は、例えば１０３オーム（Ω）／□未満である。これにより、半導体発光素子１１０の発熱を少なくすることができる。また、均一な発光が得られ、輝度の向上が顕著になる。
なお、これらの半導体の層構成は一例であり、実施形態はこれに限定されない。
【００２４】
電流拡散層５２２の上には、例えばＧａＡｓによるコンタクト層５２３が形成され、コンタクト層５２３を介して第１電極層２０が形成される。
ここで、コンタクト層５２３には、例えばＧａＡｓ及びＧａＰを用いることができる。ただし、実施形態はこれに限定されない。すなわち、コンタクト層５２３に用いられる材料は、例えば、コンタクト層５２３に隣接する電流拡散層５２２の材料、及び、第１電極層２０に用いられる材料に基づいて適切に選択される。
【００２５】
コンタクト層５２３のシート抵抗値は、例えば１０２Ω／□以下である。これにより、第１電極層２０とコンタクト層５２３とのオーミック接触を形成することができる。
【００２６】
第１電極層２０には、ｐ側の電極として、例えばＡｕ及びＡｕ−Ｚｎ合金の積層構造が用いられる。第１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。
【００２７】
図２は、開口部の開口形状の一例を示す模式的平面図である。
図２では、Ｚ軸方向からみた開口部２１の形状を例示している。
図２（ａ）に例示した開口部２１の形状は、略円形である。また、図２（ｂ）に例示した開口形状は、略楕円形である。また、図２（ｃ）に例示した開口形状は、略六角形である。この第１電極層２０では、略六角形の複数の開口部２１がハニカム状に配列されている。
なお、これらの開口形状は一例であって、これらに限定されない。また、開口形状は、種々の形状が組み合わされていてもよい。
以下の説明では、開口部２１の開口形状として略円形の場合を例とする。
【００２８】
図１に表したように、構造体１００の裏面側には、例えばＡｕ−Ｇｅ合金を含むｎ側の第２電極層３０が形成されている。第２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１電極層２０が設けられた面から外部に放出される。
【００２９】
このような半導体発光素子１１０は、種々の機器に用いられる。昨今では、画像表示装置や照明装置に半導体発光素子１１０を用いることが検討されている。このような半導体発光素子１１０は、基本的に半導体層の両面に電極が設けられ、電極間に電流を流すことによって発光させるものである。
【００３０】
一般的な半導体発光素子においては、半導体層の表面の一部に設けられたパッド電極に電流を流すことによって、そのパッド電極の周辺から発光する。
【００３１】
半導体発光素子において、発光領域を大きくするために、例えば、パッド部分の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て、電流を拡げることで発光部分の面積を広くする工夫がなされている。しかしながら、細線電極を多くすると、電極構造が複雑化する。また、電極面積が大きくなることで、光取り出し面の面積が減少してしまい、十分な輝度が得られない。
【００３２】
一方、半導体発光素子の電流に対する輝度の特性は、ある電流値でピークを持ち、それ以上の電流を流しても輝度は低下する。
【００３３】
輝度が低下する原因の一つは、半導体発光素子の内部に多くの電流を流したことにより熱が発生し、十分に放熱できないことである。そのため、半導体発光素子の高輝度化を実現するために、半導体発光素子の冷却（放熱）を十分に行うことが望ましい。
【００３４】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第１電極層２０に、金属部２３を貫通する複数の開口部２１を備えている。このような開口部２１を有する第１電極層２０は、金属で構成されるため、一般の電流拡散層を構成する半導体やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの酸化物透明電極と比較して、導電率が１桁から２桁以上高く、また熱伝導性も高い。このため半導体発光素子１１０として組み上げた際に、ＩＴＯを用いた場合に比べて順方向電圧（Ｖｆ）が低くなるとともに、放熱性が向上する。この結果、発光層５３において一部だけに電流が集中する、電流集中が緩和される。よって、発光層５３の全体がより均一に発光するとともに、輝度が向上する。
【００３５】
また、実施形態に係る半導体発光素子１１０では、発光層５３で発生する光の波長よりも大きな開口部２１を有する第１電極層２０であっても、第２半導体層５２のドーピング濃度を規定することにより、電流集中を抑えて輝度の低下を抑制することができる。
【００３６】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、（１）第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上、１×１０２１ｃｍ−３以下であること、（２）第１電極層２０における開口部２１の円相当直径が、１０ｎｍ以上、５０μｍ以下であること、を条件としている。また、より好ましい条件は、（３）第１電極層２０の厚さが、１０ｎｍ以上、１μｍ以下であること、である。
【００３７】
上記（１）の条件の理由を以下に示す。
本願発明者らは、第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度に関するシミュレーション結果に基づき上記（１）の条件を見いだした。
すなわち、半導体発光素子１１０において、第１部分５２０の不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上、１×１０２１ｃｍ−３以下にすることで、開口部２１の円相当直径が比較的大きくても、輝度の向上を実現できることが分かった。
上記（１）の条件によれば、複数の開口部２１を有する第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１０において、輝度の向上が認められた。特に、半導体発光素子１１０において、大電流投入領域での輝度の上昇が確認された。
また、フォトリソグラフィで形成可能な円相当直径の開口部２１であっても、輝度を向上できることが分かった。
【００３８】
半導体発光素子１１０においては、第１電極層２０の下側にある第２半導体層５２の第１部分５２０における抵抗値（不純物濃度）が重要となる。第１電極層２０から注入された電流は、第２半導体層５２内で拡がり発光層５３に達する。このときの電流が拡がる距離は、第２半導体層５２の抵抗値の−１／２乗に比例する。すなわち、第２半導体層５２の抵抗値が小さいほど電流は拡がりやすい。これにより、半導体発光素子１１０の全体で均一な発光が得られる。
【００３９】
図３は、各種の半導体におけるドーパント濃度と抵抗値との関係を示す図である。
図３では、ｎ形ＧａＰ、ｐ形ＧａＰ、ｎ形ＧａＡｓ、ｐ形ＧａＡｓ、ｎ形Ｇｅ及びｐ形Ｇｅのそれぞれについて、ドーパント濃度と抵抗値との関係を示している。
図３に表したように、半導体においてドーパント濃度が増加するに従い、半導体層の抵抗値は減少する。この関係は、対数値でほぼ反比例する。すなわち、半導体層の不純物濃度が高くなると半導体層の抵抗値が下がり、電流を広範囲に拡げることが可能となる。
【００４０】
また、半導体層と金属層とのオーミック接触を形成する観点からも、半導体層の不純物濃度を高くすることが望ましい。半導体層の不純物濃度が高いと、半導体と金属との間の空乏層幅は狭くなる。これにより、エネルギー障壁の厚さを薄くでき、トンネル効果により半導体と金属との間で電子の移動が容易になる。よって、良好なオーミック接触を取ることが可能となる。
【００４１】
しかしながら、不純物濃度を極端に高くした場合、半導体層において自由キャリアによる光の吸収が生じてしまう。つまり、発光層５３から放出される光が半導体層（第２半導体層５２）で吸収され、輝度の低下につながる。自由キャリアによる光の吸収は、不純物濃度の増加とともに多くなる。すなわち、ドーピング濃度が高くなるほど、光の吸収係数は高くなる。また、不純物濃度を高くした場合、半導体層の結晶品質が低下し、平滑性の悪い表面状態が得られるといった問題も発生する。
【００４２】
本願発明者らは、第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度による抵抗値、光の吸収及びオーミック接触の観点から、第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度について検討した。その結果、上記（１）の第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度の条件としては、１×１０１９ｃｍ−３、以上１×１０２１ｃｍ−３以下が望ましいという知見を得た。
【００４３】
上記（１）の条件を満たすことで、例えば、第１電極層２０の開口部２１が、フォトリソグラフィ等で形成可能な程度の比較的大きな円相当直径であっても、輝度の向上を実現できる。特に、半導体発光素子１１０では、チップサイズの大きい素子においても電流集中による輝度の低下が抑制され、大幅な特性の向上が達成される。
【００４４】
第２半導体層５２にドープするドーパントとしては、第２半導体層５２の導電形によりドーパント種は選択される。例えば、ｐ形の場合、好ましくはＣ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びＺｎのうちいずれか１つを含むことが望ましい。また、導電形がｎ形の場合、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｉ及びＴｅのうちいずれか１つを含むことが望ましい。
【００４５】
上記（２）の条件の理由を以下に示す。
すなわち、半導体発光素子１１０では、比較的大きな第１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１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。
【００４６】
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１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と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開口部２１の大きさ、並びに、開口部２１の中心間隔はある程度限定される。
【００４７】
電流を流す第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度が上記（１）の条件を満たしている場合、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１電極層２０の端から約２５μｍまでの範囲である。すなわち、開口部２１の円相当直径が５０μｍ以上であると電流が流れない範囲が生じて、直列抵抗を下げることができず、順方向電圧を下げることができない。そのため、開口部２１の円相当直径の上限は５０μｍ以下である。
【００４８】
一方、開口部２１の円相当直径の下限に関しては、抵抗値及び電流拡がり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以上あると可能である。
【００４９】
開口部２１を形成するためのレジストパターンをフォトリソグラフィを用いて作成する場合、開口パターンがあまり小さいと作成が困難となる。特に、レジストパターンを形成する下地に凹凸及び反りがあると、微細なパターンの形成はより難しくなる。このため、フォトリソグラフィを利用して開口部２１を形成する場合、開口部２１の円相当直径の下限は、１μｍ程度であると考えられる。
【００５０】
したがって、第１電極層２０における開口部２１の円相当直径は、１０ｎｍ以上、５０μｍ以下である。また、好ましい範囲は、３０ｎｍ以上、５０μｍ以下である。また、フォトリソグラフィを用いて開口部２１を形成する場合の好ましい範囲は、１μｍ以上、５０μｍ以下である。
【００５１】
上記（３）の条件の理由を以下に示す。
すなわち、第１電極層２０の金属部２３の材料となる金属には、例えば、Ａｇ、Ａｕ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で放出する光の吸収損失を抑制することができる。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、Ｔｉから選択された少なくとも１つの材料または合金であることが好ましい。これにより、オーミック性、密着性、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。
【００５２】
なお、例えば、第１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１電極層２０の金属部２３が連続していればよい。
【００５３】
また、第１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。
【００５４】
例えば、赤色を発光する半導体発光素子１１０では、ＧａＡｓ及びＧａＰ等の化合物半導体を用いた第２半導体層５２の上に、Ａｕ及びＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎは、ｐ形の第２半導体層５２のドーパント）の積層構造を形成した後、熱処理を行うことにより金属−半導体層界面へＺｎのドーピングを行い、オーミック接触をさせてもよい。
【００５５】
実施形態に係る半導体発光素子１１０においても、上記と同様に積層構造の金属層を形成させ、さらに後述する方法によって開口部２１を形成することによって第１電極層２０を形成している。ここで、第１電極層２０の厚さが薄すぎるとドーパントの量が少なくなり、ドーピングが不十分となる。その結果、十分なオーミック接触が得られず、抵抗値の上昇を招く可能性がある。
【００５６】
実験により調べた結果、第１電極層２０の厚さは１０ｎｍ以上であると、十分なオーミック接触が実現できることが分かった。さらに、第１電極層２０の厚さが３０ｎｍ以上であると、オーミック性がさらに向上する。一方、第１電極層２０の厚さが厚いほど抵抗値は下がる。したがって、第１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５０ｎｍ以下である。
【００５７】
ここで、第１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％以上である。これは、金属反射の際に反射率が低いと光が熱に変わり損失が生じるためである。第１電極層２０で、光として反射された光は、発光層５３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１電極層２０を透過することになる。
【００５８】
実施形態に係る半導体発光素子１１０のように、上記（１）〜（２）の条件を満たし、好ましくは上記（３）の条件を満たすことで、発光層５３での発光効率の向上、第１電極層２０からの光取り出し効率の向上を図ることが可能になる。
【００５９】
（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、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、複数の開口部２１を有する電極層（第１電極層２０）を形成する工程（ステップＳ４０）と、を備える。
【００６０】
上記マスクパターンを形成する工程（ステップＳ３０）では、例えば以下の（Ａ）〜（Ｄ）の方法によってマスクパターンを形成する。
【００６１】
（Ａ）フォトリソグラフィを利用する方法
当該製造方法では、先ず、金属層の上にレジスト層を形成する。次に、レジスト層に露光光を照射し、現像し、レジスト開口部を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンがマスクパターンとなる。
【００６２】
（Ｂ）スタンパを利用する方法
当該方法では、先ず、金属層の上にレジスト層を形成する。次に、レジスト層に、凸部を有するスタンパの凸部を押し付けて、当該レジスト層に複数のレジスト凹部を有するレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをエッチングして、レジスト凹部の底を除去し、レジスト開口を形成する。このレジスト開口を備えたレジストパターンがマスクパターンとなる。
【００６３】
（Ｃ）ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法
当該方法では、先ず、金属層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布する。次に、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。このミクロドメインパターンがマスクパターンとなる。
【００６４】
（Ｄ）微粒子のマスクを利用する方法
当該方法では、先ず、金属層の上にレジスト層を形成する。次に、レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成する。そして、この単粒子層をマスクとしてレジスト層をエッチングし、レジスト開口部を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンがマスクパターンとなる。
【００６５】
なお、上記（Ａ）〜（Ｄ）の各製造方法は一例であり、これらに限定されるものではない。
【００６６】
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。
【００６７】
（第１実施例）
第１実施例では、上記（Ａ）のフォトリソグラフィを利用した方法に準じて赤色を発光する半導体発光素子１１１を製造する。
図５は、第１実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【００６８】
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、ＩｎＧａＡｌＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５２１などを含むヘテロ構造を形成する。次いで、その上に、ｐ形ＧａＰの電流拡散層５２２をエピタキシャル成長した後、その上に、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３をエピタキシャル成長させる。このとき、コンタクト層５２３の不純物濃度は、５．０×１０２０ｃｍ−３である。
【００６９】
次に、基板５１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ合金膜を例えば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。これにより、第２電極層３０が形成される。
【００７０】
次いで、コンタクト層５２３上に、例えば蒸着法によって、金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ１０ｎｍのＡｕと、例えば厚さ３０ｎｍで形成したＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎの比率が３％）と、を含む。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、金属層２０Ａとコンタクト層５２３との間、及び第２電極層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。
【００７１】
次に、図５（ｂ）に表したように、金属層２０Ａの上に、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）の層（レジスト層２００Ａ）を、例えば１０００ｎｍの厚さで形成する。そして、図５（ｃ）に表したように、露光装置で開口径３０μｍ、５０μｍの間隔を有するレジストパターン２００を形成する。Ｚ軸方向からみたレジスト層２００Ａの面積に対するレジスト開口部２０２ａの面積率は、約３０％である。
【００７２】
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００ボルト（Ｖ）、イオン電流４０ミリアンペア（ｍＡ）の条件で９０秒間、金属層２０Ａのエッチングを行って開口部を形成する。これにより、図５（ｄ）に表したように、開口部２１を有する第１電極層２０が形成される。
【００７３】
形成された開口部２１において、円相当直径は２７μｍ、隣接する開口部２１の間隔の平均（開口部間平均間隔）は４８μｍ、第１電極層２０のＺ軸方向から見た面積に対する開口部２１の面積の率（開口部面積率）は３０％である。
【００７４】
金属層２０Ａのエッチング後、残存するレジストパターン２００を除去するため、酸素アッシングを行う。最後に、図５（ｅ）に表したように、第１電極層２０の一部に、例えばＡｕからなるパッド電極２０２を形成する。パッド電極２０２のＺ軸方向からみた形状は、例えば円形である。パッド電極２０２には、必要に応じて細線電極（図示せず）を設ける。これにより、半導体発光素子１１１が完成する。
【００７５】
（第２実施例）
第２実施例では、第１実施例と同様に、フォトリソグラフィを利用して複数の開口部２１を有する第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１２を製造する。半導体発光素子１１２において、開口部２１の円相当直径は１１μｍ、開口部間平均間隔は１９μｍ、開口部面積率は２８％である。
【００７６】
（第３実施例）
第３実施例では、第１実施例と同様に、フォトリソグラフィを利用して複数の開口部２１を有する第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１３を製造する。半導体発光素子１１３において、開口部２１の円相当直径は４μｍ、開口部間平均間隔は１０μｍ、開口部面積率は２４％である。
【００７７】
なお、本実施例では、コンタクト層５２３にＣドープを行い、コンタクト層５２３の抵抗値を低下させたが、Ｃ以外でも、Ｍｇ、Ｍｎ及びＺｎの少なくともいずれかをドープして、抵抗値を低下させても同様である。
【００７８】
（第４実施例）
第４実施例では、上記（Ｃ）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赤色を発光する半導体発光素子１１４を製造する。
図６は、第４実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【００７９】
先ず、図６（ａ）に表したように、第１実施例と同様、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に、ｎ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５１２、ＩｎＧａＡｌＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰ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ＧａＰの電流拡散層５２２をエピタキシャル成長した後、その上に、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３をエピタキシャル成長させる。このとき、コンタクト層５２３の不純物濃度は、５．０×１０２０ｃｍ−３である。
【００８０】
次に、基板５１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ合金膜を例えば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。これにより、第２電極層３０が形成される。
【００８１】
次いで、コンタクト層５２３上に、例えば蒸着法によって、金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ１０ｎｍのＡｕと、例えば厚さ３０ｎｍで形成したＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎの比率が３％）と、を含む。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、金属層２０Ａとコンタクト層５２３との間、及び金属層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。
【００８２】
次に、図６（ｂ）に表したように、金属層２０Ａの上に、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えば重量比で１：１である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱し、熱硬化反応させる。これにより、レジスト層５３０Ａを得る。レジスト層５３０Ａの膜厚は、約１７０ｎｍである。
【００８３】
次に、レジスト層５３０Ａの上に、ＳＯＧ（Spin On Glass）溶液（ＯＣＤ−５５００Ｔ（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えば重量比でＳＯＧ溶液「１」に対して乳酸エチル「３」である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間の条件で加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱する。これにより、ＳＯＧ層５３１Ａを形成する。ＳＯＧ層５３１Ａの厚さは、例えば３０ｎｍである。
【００８４】
次に、ＰＳ−ＰＭＭＡのジブロックコポリマー（Ｐ６００１（商品名）、ＰＳ分子量１６６，０００、ＰＭＭＡ分子量４２，０００、ポリマーソース社製）の溶液と、ＰＳのホモポリマー（分子量２０００）の溶液と、をそれぞれ用意する。
各溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を溶媒として、例えば２ｗｔ％になっている。
そして、ＰＳ−ＰＭＭＡのジブロックコポリマーの溶液と、ＰＳのホモポリマーの溶液と、を、重量比８：２になるように混合して、ブロックコポリマーを含有する樹脂組成物の溶液を準備する。
【００８５】
次に、図６（ｃ）に表したように、準備した樹脂組成物の溶液をＳＯＧ層５３１Ａの上に、例えば２５００ｒｐｍで回転塗布し、ブロックコポリマー層を形成する。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間の条件で加熱する。さらに、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、１８０℃の温度で８時間加熱する。これにより、ジブロックコポリマーを相分離させ、ＰＳのマトリクス５３２Ａ中にＰＭＭＡのドット状のミクロドメイン５３２Ｂが形成されるモルフォロジー（ジブロックコポリマー層５３２）を得る。
【００８６】
次に、ジブロックコポリマー層５３２をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）処理（Ｏ２流量５ｓｃｃｍ、Ａｒ流量２５ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗ）することにより、ブロックコポリマーのＰＭＭＡのドット状のミクロドメイン５３２Ｂを選択的に除去する。これにより、図６（ｄ）に表したように、ＰＳのマトリクス５３２Ａが残る状態になる。
【００８７】
次に、図６（ｅ）に表したように、残ったＰＳのマトリクス５３２Ａをマスクとして、ＳＯＧ層５３１Ａをエッチングする。エッチングには、例えばＣＦ４とＣＨＦ３との混合ガスを用いたＲＩＥ処理が用いられる。ここで、ＲＩＥの条件は、例えば、ＣＦ４の流量が１０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３の流量が２０ｓｃｃｍ、圧力が０．７Ｐａ、ＲＦパワーが１００Ｗである。これにより、ＳＯＧのメッシュパターン５３１を形成する。
【００８８】
さらに、下地のレジスト層５３０Ａを酸素を用いたＲＩＥ処理（Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｐａ、１００Ｗ）でエッチングして、レジストのメッシュパターン５３０を形成する。レジストのメッシュパターン５３０と、ＳＯＧのメッシュパターン５３１と、の積層体は、ＳＯＧ／レジストのメッシュパターン５４０になる。
【００８９】
次に、形成されたＳＯＧ／レジストのメッシュパターン５４０をマスクとして、第１実施例と同様に、下層の金属層２０Ａをミリングして開口部２１を形成する。これにより、図６（ｆ）に表したように、開口部２１を有する第１電極層２０が形成される。
形成された開口部２１において、円相当直径は１５ｎｍ、開口部間平均間隔は６０ｎｍ、開口部面積率は１３％である。
【００９０】
次いで、希フッ酸（５ｗｔ％）処理により残存するＳＯＧのメッシュパターン５３１を除去する。さらに、アッシング処理して、レジストのメッシュパターン５３０を除去する。最後に、第１電極層２０の一部に、例えばＡｕからなるパッド電極２０２を形成する。パッド電極２０２のＺ軸方向からみた形状は、例えば円形である。パッド電極２０２には、必要に応じて細線電極（図示せず）を設ける。これにより、半導体発光素子１１４が完成する。
【００９１】
（第５実施例）
第５実施例では、第４実施例と同様に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半導体発光素子１１５を製造する。
図７は、第５実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【００９２】
第５実施例において用いたブロックコポリマーの相分離パターンでは、ＰＳによるドット部及びＰＭＭＡによるマトリクス部を備えている。
【００９３】
先ず、図７（ａ）に表したように、第１実施例と同様、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に、ｎ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５１２、ＩｎＧａＡｌＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰ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ＧａＰの電流拡散層５２２をエピタキシャル成長した後、その上に、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３をエピタキシャル成長させる。このとき、コンタクト層５２３の不純物濃度は、５．０×１０２０ｃｍ−３である。
【００９４】
次に、基板５１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ合金膜を例えば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。これにより、第２電極層３０が形成される。
【００９５】
次いで、コンタクト層５２３上に、例えば蒸着法によって、金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ１０ｎｍのＡｕと、例えば厚さ３０ｎｍで形成したＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎの比率が３％）と、を含む。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、金属層２０Ａとコンタクト層５２３との間、及び金属層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。
【００９６】
次に、図７（ｂ）に表したように、金属層２０Ａの上に、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えば１：１である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱し、熱硬化反応させる。これにより、レジスト層５３０Ａを得る。レジスト層５３０Ａの膜厚は、約１７０ｎｍである。
【００９７】
次に、レジスト層５３０Ａの上に、ＳＯＧ溶液（ＯＣＤ−５５００Ｔ（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えばＳＯＧ溶液「１」に対して乳酸エチル「３」である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間の条件で加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱する。これにより、ＳＯＧ層５３１Ａを形成する。ＳＯＧ層５３１Ａの厚さは、例えば３０ｎｍである。
【００９８】
次に、ＰＳ−ＰＭＭＡのジブロックコポリマー（Ｐ２８８５（商品名）、ＰＳ分子量３１５，０００、ＰＭＭＡ分子量８１５，０００、ポリマーソース社製）の溶液と、ＰＳのホモポリマー（分子量２０００）及びＰＭＭＡホモポリマー（分子量１７００）の溶液と、をそれぞれ用意する。
各溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を溶媒として、例えば３．５ｗｔ％になっている。
そして、ＰＳ−ＰＭＭＡブロックコポリマー溶液と、ＰＳホモポリマーの溶液と、ＰＭＭＡホモポリマー溶液とを、重量比８：２：１．５になるように混合して、ブロックコポリマーを含有する樹脂組成物の溶液を準備する。
【００９９】
次に、図７（ｃ）に表したように、準備した樹脂組成物の溶液を当該ＳＯＧ層５３１Ａの上に、例えば２０００ｒｐｍで回転塗布し、ブロックコポリマー層を形成する。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で、９０秒間の条件で加熱する。さらに、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２３０℃の温度で８時間加熱する。これにより、ジブロックコポリマーを相分離させ、ＰＭＭＡのマトリクス５５２Ａ中にＰＳのドット状のミクロドメイン５５２Ｂが形成されるモルフォロジー（ジブロックコポリマー層５６０）を得る。
【０１００】
次に、ジブロックコポリマー層５６０を、第２実施例と同様にＲＩＥ処理する。これにより、ブロックコポリマーのＰＭＭＡのマトリクス５５２Ａを選択的に除去する。これにより、図７（ｄ）に表したように、ミクロドメイン５５２Ｂが残る状態になる。
【０１０１】
次に、残ったＰＳのミクロドメイン５５２Ｂをマスクに用いて、ＳＯＧ層５１０Ａを第２実施例と同様にＲＩＥ処理する。さらに、下地のレジスト層５３０Ａを酸素を用いたＲＩＥ処理でエッチングする。これにより、図７（ｅ）に表したように、ＳＯＧ／レジストのピラー５７０を形成する。
【０１０２】
次いで、図７（ｆ）に表したように、ＳＯＧ/レジストのピラー５７０の上にＳＯＧ溶液（ＯＣＤ−１２０００Ｔ（商品名）、東京応化工業株式会社製）を塗布し、１１０℃の温度で９０秒間、ホットプレート上にてプリベークする。これにより、ＳＯＧ／レジストのピラー５７０を、ＳＯＧ層５８０Ａで埋め込む。
【０１０３】
次に、図７（ｇ）に表したように、ＣＦ４とＣＨＦ３との混合ガスを用いたＲＩＥ処理（ＣＦ４流量１０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗ）により、ピラー５７０のレジスト層５３０が露出するまでエッチングを行う。
【０１０４】
さらに、アッシング処理により、ＳＯＧ層５８０Ａを残してレジスト層５３０Ａのみ選択的に除去することで、図７（ｈ）に表したように、ＳＯＧのメッシュパターン５８０を得る。
【０１０５】
次に、形成されたＳＯＧのメッシュパターン５８０をマスクとして、第１実施例と同様に、下層の金属層２０Ａをミリングして開口部２１を形成する。これにより、図７（ｉ）に表したように、開口部２１を有する第１電極層２０が形成される。
形成された開口部２１において、円相当直径は１４５ｎｍ、開口部間平均間隔は３５２ｎｍ、開口部面積率は２０％である。
【０１０６】
次いで、希フッ酸（５ｗｔ％）処理により残存するＳＯＧのメッシュパターン５８０を除去する。最後に、第１電極層２０の一部に、例えばＡｕからなるパッド電極２０２を形成する。パッド電極２０２のＺ軸方向からみた形状は、例えば円形である。パッド電極２０２には、必要に応じて細線電極（図示せず）を設ける。これにより、半導体発光素子１１５が完成する。
【０１０７】
（第６実施例）
第６実施例では、第５実施例と同様に、複数の開口部２１を含む第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１６を作製する。この際、ブロックコポリマーを含有する樹脂組成物の溶液として、ブロックコポリマー溶液とＰＳホモポリマー溶液とＰＭＭＡホモポリマー溶液を、重量比６：４：３になるように混合したものを使用する。
半導体発光素子１１６において、形成された開口部２１の円相当直径は３１７ｎｍ、開口部間平均間隔は６５７ｎｍ、開口部面積率は２７％である。
【０１０８】
（比較例１）
比較のため、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３の上に円形のパッド電極のみを形成した半導体発光素子１９１を作製する。
【０１０９】
（比較例２）
比較のため、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３の不純物濃度が３×１０１８ｃｍ−３の半導体発光素子１９２を形成する。半導体発光素子１９２では、コンタクト層５２３の上にＡｕのパッド電極及び細線電極を形成している。
【０１１０】
図８は、半導体発光素子の第１電極層の電子顕微鏡写真を例示する図である。
図８（ａ）は半導体発光素子１１４、図８（ｂ）は半導体発光素子１１５、図８（ｃ）は半導体発光素子１１６、図８（ｄ）は半導体発光素子１１３、図８（ｅ）は半導体発光素子１１２、図８（ｆ）は半導体発光素子１１１の各第１電極層を、それぞれ例示している。
【０１１１】
半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１９１及び１９２は、ダイシングによってそれぞれ９００μｍ角になっている。各半導体発光素子の特性の比較は、ベアチップ状態で行う。
【０１１２】
図９は、各実施例に係る半導体発光素子の円相当直径、開口部平均距離及び開口部面積率を示した図である。
図１０は、実施例及び比較例の特性の一例を示すグラフ図である。
図１０において、横軸は電流、縦軸は出力である。
半導体発光素子１９１に対して、開口部を有している半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６では、低電流の領域において、同じ電流値に対する出力値が低下している。
【０１１３】
しかし、電流が増加して、電流値Ｉ1を超えると、半導体発光素子１９１では出力の低下が発生している。これは電流集中による発光面積の減少および熱の発生による輝度の低下に起因する。
【０１１４】
これに対し、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６では、電流値Ｉ１を超えて電流値Ｉ２に至っても、出力の低下は発生していない。
これは、第２半導体層５２の上の広い範囲に第１電極層２０が設けられていることで、半導体発光素子の放熱性が向上したこと、及び電流集中が抑えられていることによるものである。
【０１１５】
また、電流値Ｉ２における輝度は、開口部２１の面積率が高い半導体発光素子ほど高くなることがわかる。これは開口部面積率が高いため、第１電極層２０自体の透過率が高く、より多くの光を取り出しているためである。
【０１１６】
ただし、半導体発光素子１１１と半導体発光素子１１２とを比較した場合、半導体発光素子１１１の開口部面積率が高いにもかかわらず、半導体発光素子１１２よりも輝度が低い。これは、第１電極層２０からの電流広がりよりも半導体発光素子１１１の開口部２１が大きく、開口部全体で十分に均一な発光が得られてないためである。しかしながら、半導体発光素子１９１と比較した場合、半導体発光素子１１１においても高電流域での高い輝度を実現している。
【０１１７】
また、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６及び１９１の電流−電圧特性を測定した結果、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６のＶｆ値は、半導体発光素子１９１のＶｆ値よりも低いことがわかった。これは、前述のように、第１電極層２０を第２半導体層５２の上の広い範囲に設けることで、放熱性が向上したことに起因する。
【０１１８】
半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６は、特に、赤色（波長６１０ｎｍ〜６４０ｎｍ）の光を放出する発光層５３を用いる場合に有効である。第１電極層２０の材料として用いられるＡｇ及びＡｕは、赤色の光を吸収しにくい。また、上記不純物濃度の第１部分５２０を第２半導体層５２に含む半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６では、発光層５３において赤色を十分に放出することができる。したがって、発光層５３で放出した光を、効率良く取り出すことが可能になる。
【０１１９】
以上のことから、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６では、低電流領域から高電流領域まで、非常に良好な発光特性を示すことが分かった。なお、このような発光特性は、１ｍｍ角のような大きなチップ構造、すなわち第１電極層２０の外形面積が１ｍｍ２以上の場合であって、大電流を流した場合に特に有利である。
また、第１電極層２０の面積にも依存するが、１００ｍＡ以上の電流量において半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６による特性向上の効果が顕著となる。
【０１２０】
（第７実施例）
図１１は、第７実施例に係る半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
第７実施例では、上記（Ｂ）のスタンパを利用した方法に準じて第１の実施形態に係る半導体発光素子１１７を製造する。半導体発光素子１１７の発光波長は４４０ｎｍである。第７実施例に係る半導体発光素子１１７では、第１〜６実施例に係る半導体発光素子１１１〜１１６と半導体多層膜の材料及び構成が異なり、第２電極層３０が第１電極層２０と同じ上側に設けられている。
【０１２１】
先ず、図１１（ａ）に表したように、例えばサファイアからなる基板５１１の上に、例えばｎ形ＧａＮのバッファ層５２４を形成する。次に、バッファ層５２４の上に、例えばｎ形ＧａＮのクラッド層５１２、ＩｎＧａＮ及びＧａＮによるＭＱＷ構成を備えた発光層５３、ｐ形ＡｌＧａＮのクラッド層５２１、ｐ形ＧａＮの電流拡散層５２２、さらにＭｇをドープしたｐ形ＧａＮのコンタクト層５２３（不純物濃度５．０×１０１９ｃｍ−３）を順に成膜して、第１半導体層５１、第２半導体層５２及び発光層５３を形成する。
【０１２２】
続いて、コンタクト層５２３の上に、例えば真空蒸着法により金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ５ｎｍのＮｉと、厚さ３０ｎｍのＡｇと、を含む。
【０１２３】
次に、金属層２０Ａ上にｉ線用ポジ型熱硬化性レジストの溶液を塗布する。この溶液は、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで１：１に希釈したものである。溶液は、３０００ｒｐｍで回転塗布される。その後、溶液をホットプレート上で加熱する。加熱条件は、１１０℃、９０秒間である。これにより、レジストの溶液を熱硬化反応させる。レジスト層５９０の膜厚はおよそ１７０ｎｍである。
【０１２４】
次に、鋳型である石英のスタンパ５９１を準備する。スタンパ５９１の凹凸パターンは、例えば電子線リソグラフィによりパターニングして形成する。凹凸パターンには、高さ１２０ｎｍ、直径６０ｎｍのピラーが１００ｎｍ周期の最密充填配列で並べられている。このとき、スタンパ５９１の表面にパーフルオロポリエーテル等のフッ素系離型剤のコーティングを施し、スタンパ５９１の表面エネルギーを低くするようにしてもよい。このコーティング処理によりスタンパ５９１の離型性が向上する。
【０１２５】
次いで、図１１（ｂ）に表したように、レジスト層５９０にスタンパ５９１の凹凸パターンを押し付ける。スタンパ５９１は、例えばヒータプレートプレス（Ｎ４００５−００型（商品名、エヌピーエー製）を用いてレジスト層５９０に押し付けられる。プレス条件として、加熱温度は１２８℃、圧力は６０ｋＮ、加圧時間は１時間である。その後、スタンパ５９１を室温に戻し、垂直に離型する。これにより、レジスト層５９０にスタンパ５９１の凹凸パターンの反転パターンを形成する。図１１（ｃ）に表したように、反転パターンは、周期的な開口が配列されたメッシュパターン５９０Ａになる
【０１２６】
続いて、第１実施例と同様にして、イオンミリングにより金属層２０Ａに開口部２１を形成する。図１１（ｄ）に表したように、開口部２１が形成された金属層２０Ａは、第１電極層２０になる。このとき形成された開口部２１の円相当直径は６０ｎｍ、開口部間平均間隔は１００ｎｍである。
【０１２７】
次に、図１１（ｄ）に表したように、リソグラフィ法により第１電極層２０の一部の面にレジスト層５９２を形成した後、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）−ＲＩＥによりｎ形ＧａＮのクラッド層５１２が露出するまでエッチングを行う。その後、図１１（ｅ）に表したように、残存するレジスト層５９２をアッシングにより除去する。
【０１２８】
続いて、ｎ形ＧａＮのクラッド層５１２の露出した一部の面に第２電極層３０を形成する。また、第１電極層２０の一部の面にパッド電極５０２を形成する。
最後に、急速高温アニールを行い、電極層と半導体との間にオーミック接触を形成する。これにより、図１１（ｆ）に表したように、第７実施例に係る半導体発光素子１１７が完成する。
【０１２９】
（比較例３）
比較のため、Ｍｇをドープしたｐ形ＧaＮのコンタクト層５２３の上に第１電極層２０を形成せず、円形のパッド電極のみを形成した半導体発光素子１９３を作製する。
半導体発光素子１１７及び１９３は、ダイシングによってそれぞれ６００μｍ角サイズになっている。チップテスタで輝度特性及び電流−電圧測定を行った結果、第１実施例〜第６実施例及び比較例１〜２の結果と同様に、半導体発光素子１１７では大電流域でも均一な発光特性を示し、順電圧も低い結果となった。
【０１３０】
なお、上記に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２電極層３０について、第１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。
【０１３１】
以上説明したように、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、開口部２１を有する第１電極層２０によって、半導体層への均一な電流の拡がりを保ったまま、光の放出効率（光取り出し効率）を向上することが可能となる。
【０１３２】
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】
【０１３３】
２０…第１電極層、 ２０Ａ…金属層、 ２０ａ…主面、 ２１…開口部、 ２３…金属部、 ３０…第２電極層、 ５１…第１半導体層、 ５２…第２半導体層、 ５３…発光層、 １００…構造体、 １１０〜１１６、１９１〜１９３…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、半導体層の表面にオーミック接触した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を施し、その金属電極に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、さらなる特性の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、特性の向上を図ることができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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１電極層と、発光層と、第２導電形の第１部分を含む第２半導体層と、第１半導体層に接続された第２電極層と、を備える。
第１電極層は、金属部と、第１半導体層から第１電極層に向かう方向に沿って金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５０マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する。
発光層は、第１半導体層と第１電極層との間に設けられる。
第２半導体層は、発光層と第１電極層との間に設けられる。第２半導体層は、第１電極層に接触した第１部分を含む。第１部分の不純物濃度は、１×１０１９／立方センチメートル以上、１×１０２１／立方センチメートル以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】半導体発光素子を示す模式的斜視図である。
【図２】開口形状を示す模式的平面図である。
【図３】ドーパント濃度と抵抗値との関係を示す図である。
【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】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【図８】第１電極層を示す図である。
【図９】各実施例の数値を示す図である。
【図１０】半導体発光素子の特性例を示すグラフ図である。
【図１１】半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の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。
【０００８】
（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２０と、第２電極層３０と、を備える。
【０００９】
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、第１半導体層５１と第２半導体層５２との間に設けられた発光層５３と、を有する。
【００１０】
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。
【００１１】
第２半導体層５２は、第１半導体層５１と、第１電極層２０と、の間に設けられる。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。第２半導体層５２は、第１電極層２０と接する第１部分５２０を含む。第１部分５２０は、クラッド層５２１の上に設けられる。第１部分５２０には、例えばｐ形のＩｎＧａＡｌＰによる電流拡散層５２２が設けられている。第１部分５２０は、第１電極層２０と接触するコンタクト層５２３を含んでいてもよい。
【００１２】
発光層５３は、第１半導体層５１と、第１電極層２０と、の間に設けられる。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、の間に設けられる。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１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１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。
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に向かう方向に沿った積層方法をＺ軸方向とする。
【００１４】
第１電極層２０は、金属部２３と、複数の開口部２１と、を有する。複数の開口部２１は、Ｚ軸方向に沿って金属部２３を貫通する。複数の開口部２１の円相当直径は、１０ｎｍ以上、５０μｍ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
ここで、面積は、開口部２１のＺ軸方向から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２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２電極層３０は、構造体１００の裏面側に設けられている。第２電極層３０には、例えばＡｕが用いられる。
【００１８】
このような半導体発光素子１１０では、第１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１電極層２０と第２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１電極層２０の主面２０ａから外部に取り出される。
【００１９】
第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第１部分５２０の不純物濃度が、１×１０１９／立方センチメートル（ｃｍ−３）以上、１×１０２１ｃｍ−３以下であり、第１電極層２０に複数の開口部２１が設けられているため、例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下の程度の大きさの超微細な開口部２１を含む第１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、効率良く光を外部に放出できるようになる。すなわち、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１電極層２０からの光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
【００２０】
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、ＩｎＧａＰによる発光層５３と、ｐ形のＩｎＡｌＰによるクラッド層５２１と、を含むヘテロ構造が形成される。
【００２１】
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。
【００２２】
そして、この発光層５３の上に、例えばｐ形のＩｎＧａＡｌＰによる電流拡散層５２２が形成されている。電流拡散層５２２は、電流をＺ軸方向と直交する方向に沿って拡散させる役目を果たす。
なお、電流拡散層５２２には、炭素、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）等のドーピングがされていてもよい。これにより、電流拡散層５２２の抵抗値が下がり、第１電極層２０とのオーミック接続をとりやすくなる。
【００２３】
電流拡散層５２２のシート抵抗値は、例えば１０３オーム（Ω）／□未満である。これにより、半導体発光素子１１０の発熱を少なくすることができる。また、均一な発光が得られ、輝度の向上が顕著になる。
なお、これらの半導体の層構成は一例であり、実施形態はこれに限定されない。
【００２４】
電流拡散層５２２の上には、例えばＧａＡｓによるコンタクト層５２３が形成され、コンタクト層５２３を介して第１電極層２０が形成される。
ここで、コンタクト層５２３には、例えばＧａＡｓ及びＧａＰを用いることができる。ただし、実施形態はこれに限定されない。すなわち、コンタクト層５２３に用いられる材料は、例えば、コンタクト層５２３に隣接する電流拡散層５２２の材料、及び、第１電極層２０に用いられる材料に基づいて適切に選択される。
【００２５】
コンタクト層５２３のシート抵抗値は、例えば１０２Ω／□以下である。これにより、第１電極層２０とコンタクト層５２３とのオーミック接触を形成することができる。
【００２６】
第１電極層２０には、ｐ側の電極として、例えばＡｕ及びＡｕ−Ｚｎ合金の積層構造が用いられる。第１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。
【００２７】
図２は、開口部の開口形状の一例を示す模式的平面図である。
図２では、Ｚ軸方向からみた開口部２１の形状を例示している。
図２（ａ）に例示した開口部２１の形状は、略円形である。また、図２（ｂ）に例示した開口形状は、略楕円形である。また、図２（ｃ）に例示した開口形状は、略六角形である。この第１電極層２０では、略六角形の複数の開口部２１がハニカム状に配列されている。
なお、これらの開口形状は一例であって、これらに限定されない。また、開口形状は、種々の形状が組み合わされていてもよい。
以下の説明では、開口部２１の開口形状として略円形の場合を例とする。
【００２８】
図１に表したように、構造体１００の裏面側には、例えばＡｕ−Ｇｅ合金を含むｎ側の第２電極層３０が形成されている。第２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１電極層２０が設けられた面から外部に放出される。
【００２９】
このような半導体発光素子１１０は、種々の機器に用いられる。昨今では、画像表示装置や照明装置に半導体発光素子１１０を用いることが検討されている。このような半導体発光素子１１０は、基本的に半導体層の両面に電極が設けられ、電極間に電流を流すことによって発光させるものである。
【００３０】
一般的な半導体発光素子においては、半導体層の表面の一部に設けられたパッド電極に電流を流すことによって、そのパッド電極の周辺から発光する。
【００３１】
半導体発光素子において、発光領域を大きくするために、例えば、パッド部分の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て、電流を拡げることで発光部分の面積を広くする工夫がなされている。しかしながら、細線電極を多くすると、電極構造が複雑化する。また、電極面積が大きくなることで、光取り出し面の面積が減少してしまい、十分な輝度が得られない。
【００３２】
一方、半導体発光素子の電流に対する輝度の特性は、ある電流値でピークを持ち、それ以上の電流を流しても輝度は低下する。
【００３３】
輝度が低下する原因の一つは、半導体発光素子の内部に多くの電流を流したことにより熱が発生し、十分に放熱できないことである。そのため、半導体発光素子の高輝度化を実現するために、半導体発光素子の冷却（放熱）を十分に行うことが望ましい。
【００３４】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、第１電極層２０に、金属部２３を貫通する複数の開口部２１を備えている。このような開口部２１を有する第１電極層２０は、金属で構成されるため、一般の電流拡散層を構成する半導体やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの酸化物透明電極と比較して、導電率が１桁から２桁以上高く、また熱伝導性も高い。このため半導体発光素子１１０として組み上げた際に、ＩＴＯを用いた場合に比べて順方向電圧（Ｖｆ）が低くなるとともに、放熱性が向上する。この結果、発光層５３において一部だけに電流が集中する、電流集中が緩和される。よって、発光層５３の全体がより均一に発光するとともに、輝度が向上する。
【００３５】
また、実施形態に係る半導体発光素子１１０では、発光層５３で発生する光の波長よりも大きな開口部２１を有する第１電極層２０であっても、第２半導体層５２のドーピング濃度を規定することにより、電流集中を抑えて輝度の低下を抑制することができる。
【００３６】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、（１）第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上、１×１０２１ｃｍ−３以下であること、（２）第１電極層２０における開口部２１の円相当直径が、１０ｎｍ以上、５０μｍ以下であること、を条件としている。また、より好ましい条件は、（３）第１電極層２０の厚さが、１０ｎｍ以上、１μｍ以下であること、である。
【００３７】
上記（１）の条件の理由を以下に示す。
本願発明者らは、第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度に関するシミュレーション結果に基づき上記（１）の条件を見いだした。
すなわち、半導体発光素子１１０において、第１部分５２０の不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上、１×１０２１ｃｍ−３以下にすることで、開口部２１の円相当直径が比較的大きくても、輝度の向上を実現できることが分かった。
上記（１）の条件によれば、複数の開口部２１を有する第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１０において、輝度の向上が認められた。特に、半導体発光素子１１０において、大電流投入領域での輝度の上昇が確認された。
また、フォトリソグラフィで形成可能な円相当直径の開口部２１であっても、輝度を向上できることが分かった。
【００３８】
半導体発光素子１１０においては、第１電極層２０の下側にある第２半導体層５２の第１部分５２０における抵抗値（不純物濃度）が重要となる。第１電極層２０から注入された電流は、第２半導体層５２内で拡がり発光層５３に達する。このときの電流が拡がる距離は、第２半導体層５２の抵抗値の−１／２乗に比例する。すなわち、第２半導体層５２の抵抗値が小さいほど電流は拡がりやすい。これにより、半導体発光素子１１０の全体で均一な発光が得られる。
【００３９】
図３は、各種の半導体におけるドーパント濃度と抵抗値との関係を示す図である。
図３では、ｎ形ＧａＰ、ｐ形ＧａＰ、ｎ形ＧａＡｓ、ｐ形ＧａＡｓ、ｎ形Ｇｅ及びｐ形Ｇｅのそれぞれについて、ドーパント濃度と抵抗値との関係を示している。
図３に表したように、半導体においてドーパント濃度が増加するに従い、半導体層の抵抗値は減少する。この関係は、対数値でほぼ反比例する。すなわち、半導体層の不純物濃度が高くなると半導体層の抵抗値が下がり、電流を広範囲に拡げることが可能となる。
【００４０】
また、半導体層と金属層とのオーミック接触を形成する観点からも、半導体層の不純物濃度を高くすることが望ましい。半導体層の不純物濃度が高いと、半導体と金属との間の空乏層幅は狭くなる。これにより、エネルギー障壁の厚さを薄くでき、トンネル効果により半導体と金属との間で電子の移動が容易になる。よって、良好なオーミック接触を取ることが可能となる。
【００４１】
しかしながら、不純物濃度を極端に高くした場合、半導体層において自由キャリアによる光の吸収が生じてしまう。つまり、発光層５３から放出される光が半導体層（第２半導体層５２）で吸収され、輝度の低下につながる。自由キャリアによる光の吸収は、不純物濃度の増加とともに多くなる。すなわち、ドーピング濃度が高くなるほど、光の吸収係数は高くなる。また、不純物濃度を高くした場合、半導体層の結晶品質が低下し、平滑性の悪い表面状態が得られるといった問題も発生する。
【００４２】
本願発明者らは、第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度による抵抗値、光の吸収及びオーミック接触の観点から、第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度について検討した。その結果、上記（１）の第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度の条件としては、１×１０１９ｃｍ−３、以上１×１０２１ｃｍ−３以下が望ましいという知見を得た。
【００４３】
上記（１）の条件を満たすことで、例えば、第１電極層２０の開口部２１が、フォトリソグラフィ等で形成可能な程度の比較的大きな円相当直径であっても、輝度の向上を実現できる。特に、半導体発光素子１１０では、チップサイズの大きい素子においても電流集中による輝度の低下が抑制され、大幅な特性の向上が達成される。
【００４４】
第２半導体層５２にドープするドーパントとしては、第２半導体層５２の導電形によりドーパント種は選択される。例えば、ｐ形の場合、好ましくはＣ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びＺｎのうちいずれか１つを含むことが望ましい。また、導電形がｎ形の場合、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｉ及びＴｅのうちいずれか１つを含むことが望ましい。
【００４５】
上記（２）の条件の理由を以下に示す。
すなわち、半導体発光素子１１０では、比較的大きな第１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１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。
【００４６】
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１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と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開口部２１の大きさ、並びに、開口部２１の中心間隔はある程度限定される。
【００４７】
電流を流す第２半導体層５２の第１部分５２０の不純物濃度が上記（１）の条件を満たしている場合、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１電極層２０の端から約２５μｍまでの範囲である。すなわち、開口部２１の円相当直径が５０μｍ以上であると電流が流れない範囲が生じて、直列抵抗を下げることができず、順方向電圧を下げることができない。そのため、開口部２１の円相当直径の上限は５０μｍ以下である。
【００４８】
一方、開口部２１の円相当直径の下限に関しては、抵抗値及び電流拡がり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以上あると可能である。
【００４９】
開口部２１を形成するためのレジストパターンをフォトリソグラフィを用いて作成する場合、開口パターンがあまり小さいと作成が困難となる。特に、レジストパターンを形成する下地に凹凸及び反りがあると、微細なパターンの形成はより難しくなる。このため、フォトリソグラフィを利用して開口部２１を形成する場合、開口部２１の円相当直径の下限は、１μｍ程度であると考えられる。
【００５０】
したがって、第１電極層２０における開口部２１の円相当直径は、１０ｎｍ以上、５０μｍ以下である。また、好ましい範囲は、３０ｎｍ以上、５０μｍ以下である。また、フォトリソグラフィを用いて開口部２１を形成する場合の好ましい範囲は、１μｍ以上、５０μｍ以下である。
【００５１】
上記（３）の条件の理由を以下に示す。
すなわち、第１電極層２０の金属部２３の材料となる金属には、例えば、Ａｇ、Ａｕ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で放出する光の吸収損失を抑制することができる。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、Ｔｉから選択された少なくとも１つの材料または合金であることが好ましい。これにより、オーミック性、密着性、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。
【００５２】
なお、例えば、第１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１電極層２０の金属部２３が連続していればよい。
【００５３】
また、第１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。
【００５４】
例えば、赤色を発光する半導体発光素子１１０では、ＧａＡｓ及びＧａＰ等の化合物半導体を用いた第２半導体層５２の上に、Ａｕ及びＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎは、ｐ形の第２半導体層５２のドーパント）の積層構造を形成した後、熱処理を行うことにより金属−半導体層界面へＺｎのドーピングを行い、オーミック接触をさせてもよい。
【００５５】
実施形態に係る半導体発光素子１１０においても、上記と同様に積層構造の金属層を形成させ、さらに後述する方法によって開口部２１を形成することによって第１電極層２０を形成している。ここで、第１電極層２０の厚さが薄すぎるとドーパントの量が少なくなり、ドーピングが不十分となる。その結果、十分なオーミック接触が得られず、抵抗値の上昇を招く可能性がある。
【００５６】
実験により調べた結果、第１電極層２０の厚さは１０ｎｍ以上であると、十分なオーミック接触が実現できることが分かった。さらに、第１電極層２０の厚さが３０ｎｍ以上であると、オーミック性がさらに向上する。一方、第１電極層２０の厚さが厚いほど抵抗値は下がる。したがって、第１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５０ｎｍ以下である。
【００５７】
ここで、第１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％以上である。これは、金属反射の際に反射率が低いと光が熱に変わり損失が生じるためである。第１電極層２０で、光として反射された光は、発光層５３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１電極層２０を透過することになる。
【００５８】
実施形態に係る半導体発光素子１１０のように、上記（１）〜（２）の条件を満たし、好ましくは上記（３）の条件を満たすことで、発光層５３での発光効率の向上、第１電極層２０からの光取り出し効率の向上を図ることが可能になる。
【００５９】
（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、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、複数の開口部２１を有する電極層（第１電極層２０）を形成する工程（ステップＳ４０）と、を備える。
【００６０】
上記マスクパターンを形成する工程（ステップＳ３０）では、例えば以下の（Ａ）〜（Ｄ）の方法によってマスクパターンを形成する。
【００６１】
（Ａ）フォトリソグラフィを利用する方法
当該製造方法では、先ず、金属層の上にレジスト層を形成する。次に、レジスト層に露光光を照射し、現像し、レジスト開口部を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンがマスクパターンとなる。
【００６２】
（Ｂ）スタンパを利用する方法
当該方法では、先ず、金属層の上にレジスト層を形成する。次に、レジスト層に、凸部を有するスタンパの凸部を押し付けて、当該レジスト層に複数のレジスト凹部を有するレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをエッチングして、レジスト凹部の底を除去し、レジスト開口を形成する。このレジスト開口を備えたレジストパターンがマスクパターンとなる。
【００６３】
（Ｃ）ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法
当該方法では、先ず、金属層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布する。次に、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。このミクロドメインパターンがマスクパターンとなる。
【００６４】
（Ｄ）微粒子のマスクを利用する方法
当該方法では、先ず、金属層の上にレジスト層を形成する。次に、レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成する。そして、この単粒子層をマスクとしてレジスト層をエッチングし、レジスト開口部を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンがマスクパターンとなる。
【００６５】
なお、上記（Ａ）〜（Ｄ）の各製造方法は一例であり、これらに限定されるものではない。
【００６６】
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。
【００６７】
（第１実施例）
第１実施例では、上記（Ａ）のフォトリソグラフィを利用した方法に準じて赤色を発光する半導体発光素子１１１を製造する。
図５は、第１実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【００６８】
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、ＩｎＧａＡｌＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５２１などを含むヘテロ構造を形成する。次いで、その上に、ｐ形ＧａＰの電流拡散層５２２をエピタキシャル成長した後、その上に、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３をエピタキシャル成長させる。このとき、コンタクト層５２３の不純物濃度は、５．０×１０２０ｃｍ−３である。
【００６９】
次に、基板５１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ合金膜を例えば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。これにより、第２電極層３０が形成される。
【００７０】
次いで、コンタクト層５２３上に、例えば蒸着法によって、金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ１０ｎｍのＡｕと、例えば厚さ３０ｎｍで形成したＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎの比率が３％）と、を含む。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、金属層２０Ａとコンタクト層５２３との間、及び第２電極層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。
【００７１】
次に、図５（ｂ）に表したように、金属層２０Ａの上に、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）の層（レジスト層２００Ａ）を、例えば１０００ｎｍの厚さで形成する。そして、図５（ｃ）に表したように、露光装置で開口径３０μｍ、５０μｍの間隔を有するレジストパターン２００を形成する。Ｚ軸方向からみたレジスト層２００Ａの面積に対するレジスト開口部２０２ａの面積率は、約３０％である。
【００７２】
次いで、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００ボルト（Ｖ）、イオン電流４０ミリアンペア（ｍＡ）の条件で９０秒間、金属層２０Ａのエッチングを行って開口部を形成する。これにより、図５（ｄ）に表したように、開口部２１を有する第１電極層２０が形成される。
【００７３】
形成された開口部２１において、円相当直径は２７μｍ、隣接する開口部２１の間隔の平均（開口部間平均間隔）は４８μｍ、第１電極層２０のＺ軸方向から見た面積に対する開口部２１の面積の率（開口部面積率）は３０％である。
【００７４】
金属層２０Ａのエッチング後、残存するレジストパターン２００を除去するため、酸素アッシングを行う。最後に、図５（ｅ）に表したように、第１電極層２０の一部に、例えばＡｕからなるパッド電極２０２を形成する。パッド電極２０２のＺ軸方向からみた形状は、例えば円形である。パッド電極２０２には、必要に応じて細線電極（図示せず）を設ける。これにより、半導体発光素子１１１が完成する。
【００７５】
（第２実施例）
第２実施例では、第１実施例と同様に、フォトリソグラフィを利用して複数の開口部２１を有する第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１２を製造する。半導体発光素子１１２において、開口部２１の円相当直径は１１μｍ、開口部間平均間隔は１９μｍ、開口部面積率は２８％である。
【００７６】
（第３実施例）
第３実施例では、第１実施例と同様に、フォトリソグラフィを利用して複数の開口部２１を有する第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１３を製造する。半導体発光素子１１３において、開口部２１の円相当直径は４μｍ、開口部間平均間隔は１０μｍ、開口部面積率は２４％である。
【００７７】
なお、本実施例では、コンタクト層５２３にＣドープを行い、コンタクト層５２３の抵抗値を低下させたが、Ｃ以外でも、Ｍｇ、Ｍｎ及びＺｎの少なくともいずれかをドープして、抵抗値を低下させても同様である。
【００７８】
（第４実施例）
第４実施例では、上記（Ｃ）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赤色を発光する半導体発光素子１１４を製造する。
図６は、第４実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【００７９】
先ず、図６（ａ）に表したように、第１実施例と同様、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に、ｎ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５１２、ＩｎＧａＡｌＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰ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ＧａＰの電流拡散層５２２をエピタキシャル成長した後、その上に、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３をエピタキシャル成長させる。このとき、コンタクト層５２３の不純物濃度は、５．０×１０２０ｃｍ−３である。
【００８０】
次に、基板５１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ合金膜を例えば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。これにより、第２電極層３０が形成される。
【００８１】
次いで、コンタクト層５２３上に、例えば蒸着法によって、金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ１０ｎｍのＡｕと、例えば厚さ３０ｎｍで形成したＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎの比率が３％）と、を含む。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、金属層２０Ａとコンタクト層５２３との間、及び金属層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。
【００８２】
次に、図６（ｂ）に表したように、金属層２０Ａの上に、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えば重量比で１：１である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱し、熱硬化反応させる。これにより、レジスト層５３０Ａを得る。レジスト層５３０Ａの膜厚は、約１７０ｎｍである。
【００８３】
次に、レジスト層５３０Ａの上に、ＳＯＧ（Spin On Glass）溶液（ＯＣＤ−５５００Ｔ（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えば重量比でＳＯＧ溶液「１」に対して乳酸エチル「３」である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間の条件で加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱する。これにより、ＳＯＧ層５３１Ａを形成する。ＳＯＧ層５３１Ａの厚さは、例えば３０ｎｍである。
【００８４】
次に、ＰＳ−ＰＭＭＡのジブロックコポリマー（Ｐ６００１（商品名）、ＰＳ分子量１６６，０００、ＰＭＭＡ分子量４２，０００、ポリマーソース社製）の溶液と、ＰＳのホモポリマー（分子量２０００）の溶液と、をそれぞれ用意する。
各溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を溶媒として、例えば２ｗｔ％になっている。
そして、ＰＳ−ＰＭＭＡのジブロックコポリマーの溶液と、ＰＳのホモポリマーの溶液と、を、重量比８：２になるように混合して、ブロックコポリマーを含有する樹脂組成物の溶液を準備する。
【００８５】
次に、図６（ｃ）に表したように、準備した樹脂組成物の溶液をＳＯＧ層５３１Ａの上に、例えば２５００ｒｐｍで回転塗布し、ブロックコポリマー層を形成する。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間の条件で加熱する。さらに、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、１８０℃の温度で８時間加熱する。これにより、ジブロックコポリマーを相分離させ、ＰＳのマトリクス５３２Ａ中にＰＭＭＡのドット状のミクロドメイン５３２Ｂが形成されるモルフォロジー（ジブロックコポリマー層５３２）を得る。
【００８６】
次に、ジブロックコポリマー層５３２をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）処理（Ｏ２流量５ｓｃｃｍ、Ａｒ流量２５ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗ）することにより、ブロックコポリマーのＰＭＭＡのドット状のミクロドメイン５３２Ｂを選択的に除去する。これにより、図６（ｄ）に表したように、ＰＳのマトリクス５３２Ａが残る状態になる。
【００８７】
次に、図６（ｅ）に表したように、残ったＰＳのマトリクス５３２Ａをマスクとして、ＳＯＧ層５３１Ａをエッチングする。エッチングには、例えばＣＦ４とＣＨＦ３との混合ガスを用いたＲＩＥ処理が用いられる。ここで、ＲＩＥの条件は、例えば、ＣＦ４の流量が１０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３の流量が２０ｓｃｃｍ、圧力が０．７Ｐａ、ＲＦパワーが１００Ｗである。これにより、ＳＯＧのメッシュパターン５３１を形成する。
【００８８】
さらに、下地のレジスト層５３０Ａを酸素を用いたＲＩＥ処理（Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｐａ、１００Ｗ）でエッチングして、レジストのメッシュパターン５３０を形成する。レジストのメッシュパターン５３０と、ＳＯＧのメッシュパターン５３１と、の積層体は、ＳＯＧ／レジストのメッシュパターン５４０になる。
【００８９】
次に、形成されたＳＯＧ／レジストのメッシュパターン５４０をマスクとして、第１実施例と同様に、下層の金属層２０Ａをミリングして開口部２１を形成する。これにより、図６（ｆ）に表したように、開口部２１を有する第１電極層２０が形成される。
形成された開口部２１において、円相当直径は１５ｎｍ、開口部間平均間隔は６０ｎｍ、開口部面積率は１３％である。
【００９０】
次いで、希フッ酸（５ｗｔ％）処理により残存するＳＯＧのメッシュパターン５３１を除去する。さらに、アッシング処理して、レジストのメッシュパターン５３０を除去する。最後に、第１電極層２０の一部に、例えばＡｕからなるパッド電極２０２を形成する。パッド電極２０２のＺ軸方向からみた形状は、例えば円形である。パッド電極２０２には、必要に応じて細線電極（図示せず）を設ける。これにより、半導体発光素子１１４が完成する。
【００９１】
（第５実施例）
第５実施例では、第４実施例と同様に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半導体発光素子１１５を製造する。
図７は、第５実施例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【００９２】
第５実施例において用いたブロックコポリマーの相分離パターンでは、ＰＳによるドット部及びＰＭＭＡによるマトリクス部を備えている。
【００９３】
先ず、図７（ａ）に表したように、第１実施例と同様、ｎ形ＧａＡｓの基板５１１の上に、ｎ形ＩｎＡｌＰのクラッド層５１２、ＩｎＧａＡｌＰの発光層５３、ｐ形ＩｎＡｌＰ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ＧａＰの電流拡散層５２２をエピタキシャル成長した後、その上に、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３をエピタキシャル成長させる。このとき、コンタクト層５２３の不純物濃度は、５．０×１０２０ｃｍ−３である。
【００９４】
次に、基板５１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ合金膜を例えば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。これにより、第２電極層３０が形成される。
【００９５】
次いで、コンタクト層５２３上に、例えば蒸着法によって、金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ１０ｎｍのＡｕと、例えば厚さ３０ｎｍで形成したＡｕ−Ｚｎ合金（Ｚｎの比率が３％）と、を含む。その後、窒素雰囲気下で４５０℃、３０分間アニールを行い、金属層２０Ａとコンタクト層５２３との間、及び金属層３０と基板５１１との間のオーミック接触を得る。
【００９６】
次に、図７（ｂ）に表したように、金属層２０Ａの上に、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えば１：１である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱し、熱硬化反応させる。これにより、レジスト層５３０Ａを得る。レジスト層５３０Ａの膜厚は、約１７０ｎｍである。
【００９７】
次に、レジスト層５３０Ａの上に、ＳＯＧ溶液（ＯＣＤ−５５００Ｔ（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで希釈した溶液を、回転塗布する。希釈の比率は、例えばＳＯＧ溶液「１」に対して乳酸エチル「３」である。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で９０秒間の条件で加熱する。その後、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２５０℃の温度で１時間加熱する。これにより、ＳＯＧ層５３１Ａを形成する。ＳＯＧ層５３１Ａの厚さは、例えば３０ｎｍである。
【００９８】
次に、ＰＳ−ＰＭＭＡのジブロックコポリマー（Ｐ２８８５（商品名）、ＰＳ分子量３１５，０００、ＰＭＭＡ分子量８１５，０００、ポリマーソース社製）の溶液と、ＰＳのホモポリマー（分子量２０００）及びＰＭＭＡホモポリマー（分子量１７００）の溶液と、をそれぞれ用意する。
各溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を溶媒として、例えば３．５ｗｔ％になっている。
そして、ＰＳ−ＰＭＭＡブロックコポリマー溶液と、ＰＳホモポリマーの溶液と、ＰＭＭＡホモポリマー溶液とを、重量比８：２：１．５になるように混合して、ブロックコポリマーを含有する樹脂組成物の溶液を準備する。
【００９９】
次に、図７（ｃ）に表したように、準備した樹脂組成物の溶液を当該ＳＯＧ層５３１Ａの上に、例えば２０００ｒｐｍで回転塗布し、ブロックコポリマー層を形成する。その後、ホットプレート上において、１１０℃の温度で、９０秒間の条件で加熱する。さらに、窒素雰囲気下の無酸化オーブン内において、２３０℃の温度で８時間加熱する。これにより、ジブロックコポリマーを相分離させ、ＰＭＭＡのマトリクス５５２Ａ中にＰＳのドット状のミクロドメイン５５２Ｂが形成されるモルフォロジー（ジブロックコポリマー層５６０）を得る。
【０１００】
次に、ジブロックコポリマー層５６０を、第２実施例と同様にＲＩＥ処理する。これにより、ブロックコポリマーのＰＭＭＡのマトリクス５５２Ａを選択的に除去する。これにより、図７（ｄ）に表したように、ミクロドメイン５５２Ｂが残る状態になる。
【０１０１】
次に、残ったＰＳのミクロドメイン５５２Ｂをマスクに用いて、ＳＯＧ層５１０Ａを第２実施例と同様にＲＩＥ処理する。さらに、下地のレジスト層５３０Ａを酸素を用いたＲＩＥ処理でエッチングする。これにより、図７（ｅ）に表したように、ＳＯＧ／レジストのピラー５７０を形成する。
【０１０２】
次いで、図７（ｆ）に表したように、ＳＯＧ/レジストのピラー５７０の上にＳＯＧ溶液（ＯＣＤ−１２０００Ｔ（商品名）、東京応化工業株式会社製）を塗布し、１１０℃の温度で９０秒間、ホットプレート上にてプリベークする。これにより、ＳＯＧ／レジストのピラー５７０を、ＳＯＧ層５８０Ａで埋め込む。
【０１０３】
次に、図７（ｇ）に表したように、ＣＦ４とＣＨＦ３との混合ガスを用いたＲＩＥ処理（ＣＦ４流量１０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗ）により、ピラー５７０のレジスト層５３０が露出するまでエッチングを行う。
【０１０４】
さらに、アッシング処理により、ＳＯＧ層５８０Ａを残してレジスト層５３０Ａのみ選択的に除去することで、図７（ｈ）に表したように、ＳＯＧのメッシュパターン５８０を得る。
【０１０５】
次に、形成されたＳＯＧのメッシュパターン５８０をマスクとして、第１実施例と同様に、下層の金属層２０Ａをミリングして開口部２１を形成する。これにより、図７（ｉ）に表したように、開口部２１を有する第１電極層２０が形成される。
形成された開口部２１において、円相当直径は１４５ｎｍ、開口部間平均間隔は３５２ｎｍ、開口部面積率は２０％である。
【０１０６】
次いで、希フッ酸（５ｗｔ％）処理により残存するＳＯＧのメッシュパターン５８０を除去する。最後に、第１電極層２０の一部に、例えばＡｕからなるパッド電極２０２を形成する。パッド電極２０２のＺ軸方向からみた形状は、例えば円形である。パッド電極２０２には、必要に応じて細線電極（図示せず）を設ける。これにより、半導体発光素子１１５が完成する。
【０１０７】
（第６実施例）
第６実施例では、第５実施例と同様に、複数の開口部２１を含む第１電極層２０を備えた半導体発光素子１１６を作製する。この際、ブロックコポリマーを含有する樹脂組成物の溶液として、ブロックコポリマー溶液とＰＳホモポリマー溶液とＰＭＭＡホモポリマー溶液を、重量比６：４：３になるように混合したものを使用する。
半導体発光素子１１６において、形成された開口部２１の円相当直径は３１７ｎｍ、開口部間平均間隔は６５７ｎｍ、開口部面積率は２７％である。
【０１０８】
（比較例１）
比較のため、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３の上に円形のパッド電極のみを形成した半導体発光素子１９１を作製する。
【０１０９】
（比較例２）
比較のため、Ｃをドープしたｐ形ＧａＰのコンタクト層５２３の不純物濃度が３×１０１８ｃｍ−３の半導体発光素子１９２を形成する。半導体発光素子１９２では、コンタクト層５２３の上にＡｕのパッド電極及び細線電極を形成している。
【０１１０】
図８は、半導体発光素子の第１電極層の電子顕微鏡写真を例示する図である。
図８（ａ）は半導体発光素子１１４、図８（ｂ）は半導体発光素子１１５、図８（ｃ）は半導体発光素子１１６、図８（ｄ）は半導体発光素子１１３、図８（ｅ）は半導体発光素子１１２、図８（ｆ）は半導体発光素子１１１の各第１電極層を、それぞれ例示している。
【０１１１】
半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１９１及び１９２は、ダイシングによってそれぞれ９００μｍ角になっている。各半導体発光素子の特性の比較は、ベアチップ状態で行う。
【０１１２】
図９は、各実施例に係る半導体発光素子の円相当直径、開口部平均距離及び開口部面積率を示した図である。
図１０は、実施例及び比較例の特性の一例を示すグラフ図である。
図１０において、横軸は電流、縦軸は出力である。
半導体発光素子１９１に対して、開口部を有している半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６では、低電流の領域において、同じ電流値に対する出力値が低下している。
【０１１３】
しかし、電流が増加して、電流値Ｉ1を超えると、半導体発光素子１９１では出力の低下が発生している。これは電流集中による発光面積の減少および熱の発生による輝度の低下に起因する。
【０１１４】
これに対し、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６では、電流値Ｉ１を超えて電流値Ｉ２に至っても、出力の低下は発生していない。
これは、第２半導体層５２の上の広い範囲に第１電極層２０が設けられていることで、半導体発光素子の放熱性が向上したこと、及び電流集中が抑えられていることによるものである。
【０１１５】
また、電流値Ｉ２における輝度は、開口部２１の面積率が高い半導体発光素子ほど高くなることがわかる。これは開口部面積率が高いため、第１電極層２０自体の透過率が高く、より多くの光を取り出しているためである。
【０１１６】
ただし、半導体発光素子１１１と半導体発光素子１１２とを比較した場合、半導体発光素子１１１の開口部面積率が高いにもかかわらず、半導体発光素子１１２よりも輝度が低い。これは、第１電極層２０からの電流広がりよりも半導体発光素子１１１の開口部２１が大きく、開口部全体で十分に均一な発光が得られてないためである。しかしながら、半導体発光素子１９１と比較した場合、半導体発光素子１１１においても高電流域での高い輝度を実現している。
【０１１７】
また、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６及び１９１の電流−電圧特性を測定した結果、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６のＶｆ値は、半導体発光素子１９１のＶｆ値よりも低いことがわかった。これは、前述のように、第１電極層２０を第２半導体層５２の上の広い範囲に設けることで、放熱性が向上したことに起因する。
【０１１８】
半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６は、特に、赤色（波長６１０ｎｍ〜６４０ｎｍ）の光を放出する発光層５３を用いる場合に有効である。第１電極層２０の材料として用いられるＡｇ及びＡｕは、赤色の光を吸収しにくい。また、上記不純物濃度の第１部分５２０を第２半導体層５２に含む半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６では、発光層５３において赤色を十分に放出することができる。したがって、発光層５３で放出した光を、効率良く取り出すことが可能になる。
【０１１９】
以上のことから、半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６では、低電流領域から高電流領域まで、非常に良好な発光特性を示すことが分かった。なお、このような発光特性は、１ｍｍ角のような大きなチップ構造、すなわち第１電極層２０の外形面積が１ｍｍ２以上の場合であって、大電流を流した場合に特に有利である。
また、第１電極層２０の面積にも依存するが、１００ｍＡ以上の電流量において半導体発光素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６による特性向上の効果が顕著となる。
【０１２０】
（第７実施例）
図１１は、第７実施例に係る半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
第７実施例では、上記（Ｂ）のスタンパを利用した方法に準じて第１の実施形態に係る半導体発光素子１１７を製造する。半導体発光素子１１７の発光波長は４４０ｎｍである。第７実施例に係る半導体発光素子１１７では、第１〜６実施例に係る半導体発光素子１１１〜１１６と半導体多層膜の材料及び構成が異なり、第２電極層３０が第１電極層２０と同じ上側に設けられている。
【０１２１】
先ず、図１１（ａ）に表したように、例えばサファイアからなる基板５１１の上に、例えばｎ形ＧａＮのバッファ層５２４を形成する。次に、バッファ層５２４の上に、例えばｎ形ＧａＮのクラッド層５１２、ＩｎＧａＮ及びＧａＮによるＭＱＷ構成を備えた発光層５３、ｐ形ＡｌＧａＮのクラッド層５２１、ｐ形ＧａＮの電流拡散層５２２、さらにＭｇをドープしたｐ形ＧａＮのコンタクト層５２３（不純物濃度５．０×１０１９ｃｍ−３）を順に成膜して、第１半導体層５１、第２半導体層５２及び発光層５３を形成する。
【０１２２】
続いて、コンタクト層５２３の上に、例えば真空蒸着法により金属層２０Ａを形成する。金属層２０Ａは、例えば厚さ５ｎｍのＮｉと、厚さ３０ｎｍのＡｇと、を含む。
【０１２３】
次に、金属層２０Ａ上にｉ線用ポジ型熱硬化性レジストの溶液を塗布する。この溶液は、ｉ線用ポジ型熱硬化性レジスト（ＴＨＭＲ ＩＰ３２５０（商品名）、東京応化工業株式会社製）を乳酸エチルで１：１に希釈したものである。溶液は、３０００ｒｐｍで回転塗布される。その後、溶液をホットプレート上で加熱する。加熱条件は、１１０℃、９０秒間である。これにより、レジストの溶液を熱硬化反応させる。レジスト層５９０の膜厚はおよそ１７０ｎｍである。
【０１２４】
次に、鋳型である石英のスタンパ５９１を準備する。スタンパ５９１の凹凸パターンは、例えば電子線リソグラフィによりパターニングして形成する。凹凸パターンには、高さ１２０ｎｍ、直径６０ｎｍのピラーが１００ｎｍ周期の最密充填配列で並べられている。このとき、スタンパ５９１の表面にパーフルオロポリエーテル等のフッ素系離型剤のコーティングを施し、スタンパ５９１の表面エネルギーを低くするようにしてもよい。このコーティング処理によりスタンパ５９１の離型性が向上する。
【０１２５】
次いで、図１１（ｂ）に表したように、レジスト層５９０にスタンパ５９１の凹凸パターンを押し付ける。スタンパ５９１は、例えばヒータプレートプレス（Ｎ４００５−００型（商品名、エヌピーエー製）を用いてレジスト層５９０に押し付けられる。プレス条件として、加熱温度は１２８℃、圧力は６０ｋＮ、加圧時間は１時間である。その後、スタンパ５９１を室温に戻し、垂直に離型する。これにより、レジスト層５９０にスタンパ５９１の凹凸パターンの反転パターンを形成する。図１１（ｃ）に表したように、反転パターンは、周期的な開口が配列されたメッシュパターン５９０Ａになる
【０１２６】
続いて、第１実施例と同様にして、イオンミリングにより金属層２０Ａに開口部２１を形成する。図１１（ｄ）に表したように、開口部２１が形成された金属層２０Ａは、第１電極層２０になる。このとき形成された開口部２１の円相当直径は６０ｎｍ、開口部間平均間隔は１００ｎｍである。
【０１２７】
次に、図１１（ｄ）に表したように、リソグラフィ法により第１電極層２０の一部の面にレジスト層５９２を形成した後、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）−ＲＩＥによりｎ形ＧａＮのクラッド層５１２が露出するまでエッチングを行う。その後、図１１（ｅ）に表したように、残存するレジスト層５９２をアッシングにより除去する。
【０１２８】
続いて、ｎ形ＧａＮのクラッド層５１２の露出した一部の面に第２電極層３０を形成する。また、第１電極層２０の一部の面にパッド電極５０２を形成する。
最後に、急速高温アニールを行い、電極層と半導体との間にオーミック接触を形成する。これにより、図１１（ｆ）に表したように、第７実施例に係る半導体発光素子１１７が完成する。
【０１２９】
（比較例３）
比較のため、Ｍｇをドープしたｐ形ＧaＮのコンタクト層５２３の上に第１電極層２０を形成せず、円形のパッド電極のみを形成した半導体発光素子１９３を作製する。
半導体発光素子１１７及び１９３は、ダイシングによってそれぞれ６００μｍ角サイズになっている。チップテスタで輝度特性及び電流−電圧測定を行った結果、第１実施例〜第６実施例及び比較例１〜２の結果と同様に、半導体発光素子１１７では大電流域でも均一な発光特性を示し、順電圧も低い結果となった。
【０１３０】
なお、上記に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２電極層３０について、第１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。
【０１３１】
以上説明したように、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、開口部２１を有する第１電極層２０によって、半導体層への均一な電流の拡がりを保ったまま、光の放出効率（光取り出し効率）を向上することが可能となる。
【０１３２】
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】
【０１３３】
２０…第１電極層、 ２０Ａ…金属層、 ２０ａ…主面、 ２１…開口部、 ２３…金属部、 ３０…第２電極層、 ５１…第１半導体層、 ５２…第２半導体層、 ５３…発光層、 １００…構造体、 １１０〜１１６、１９１〜１９３…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１電極層であって、金属部と、前記第１半導体層から前記第１電極層に向かう方向に沿って前記金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５０マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する前記第１電極層と、
前記第１半導体層と前記第１電極層との間に設けられ、前記第１電極層に接触する第１部分を含み、前記第１部分の不純物濃度が１×１０１９／立方センチメートル以上、１×１０２１／立方センチメートル以下である第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半導体層に接続された第２電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
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、１マイクロメートル以下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】
前記第２半導体層の前記方向に沿った厚さは、１０ナノメートル以上、５マイクロ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、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉのうちの少なくとも１つを含む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】
前記第２半導体層は、Ｃ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｅ及びＺｎのうちいずれか１つを含むドーパントを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１部分は、電流を前記方向と直交する方向に沿って拡散させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１部分は、前記第１電極層とオーミック接触していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１部分のシート抵抗値は、１０３オーム／□未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記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１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記円相当直径は、１マイクロメートルを超え、５０マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
第１導電形の第１半導体層と、
第１電極層であって、金属部と、前記第１半導体層から前記第１電極層に向かう方向に沿って前記金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が１０ナノメートル以上、５０マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する前記第１電極層と、
前記第１半導体層と前記第１電極層との間に設けられ、前記第１電極層に接触する第１部分を含み、前記第１部分の不純物濃度が１×１０１９／立方センチメートル以上、１×１０２１／立方センチメートル以下である第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半導体層に接続された第２電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
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、１マイクロメートル以下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】
前記第２半導体層の前記方向に沿った厚さは、１０ナノメートル以上、５マイクロ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、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉのうちの少なくとも１つを含む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】
前記第２半導体層は、Ｃ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｅ及びＺｎのうちいずれか１つを含むドーパントを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１部分は、電流を前記方向と直交する方向に沿って拡散させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１部分は、前記第１電極層とオーミック接触していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１部分のシート抵抗値は、１０３オーム／□未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記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１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記円相当直径は、１マイクロメートルを超え、５０マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−５９９６９（Ｐ２０１２−５９９６９Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２４６０（Ｐ２０１０−２０２４６０）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【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３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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