半導体発光装置およびその製造方法
【課題】所謂縦型の半導体発光装置において、オーミック電極と半導体膜との電気的接続を害することなく半導体膜内における電流集中を緩和することができる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体膜２０は支持体１０に接合された半導体膜と、半導体膜の支持体との接合面１２とは反対側の面を部分的に覆う第一電極３０と、半導体膜の支持体との接合面側に設けられた第二電極４０と、を含み、第二電極は、互いに同一の金属酸化物透明導電体からなり且つ互いに電気的に接続された第一の透明電極４２および第二の透明電極４４を含み、第二の透明電極は、半導体膜を挟んで第一電極と対向する位置に設けられ且つ半導体膜に対する接触抵抗が第一の透明電極よりも高い。
【解決手段】半導体膜２０は支持体１０に接合された半導体膜と、半導体膜の支持体との接合面１２とは反対側の面を部分的に覆う第一電極３０と、半導体膜の支持体との接合面側に設けられた第二電極４０と、を含み、第二電極は、互いに同一の金属酸化物透明導電体からなり且つ互いに電気的に接続された第一の透明電極４２および第二の透明電極４４を含み、第二の透明電極は、半導体膜を挟んで第一電極と対向する位置に設けられ且つ半導体膜に対する接触抵抗が第一の透明電極よりも高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ等のIII族窒化物を用いた半導体発光装置の結晶成長は、サファイア基板を用いて行われるのが一般的である。このような半導体発光装置は、サファイア基板が導電性を有していない為、半導体膜の同一面側にｎ電極およびｐ電極が配置される所謂横型半導体発光装置の形態をとることが一般的であった。しかし、近年においては、サファイア基板をレーザ照射によって剥離除去する技術の確立やＧａＮを主材料とした導電性の成長用基板の普及により、半導体膜の上面と下面にそれぞれｎ電極とｐ電極が設けられた所謂縦型半導体発光装置の製造が可能となっている。
【０００３】
縦型半導体発光装置における最も単純な電極構成としては、光取り出し面となるｎ型半導体層の表面の中央にボンディングパッドとなるｎパッド電極を形成し、実装面側となるｐ型半導体層のほぼ全域に亘ってｐ電極を形成する構成が考えられる。しかしながら、このような電極構成によれば、ｎパッド電極の直下において電流が集中し、発光強度分布が不均一となる。また、電流集中は、半導体膜の破壊、発光効率の低下、順方向電圧の上昇を招く。
【０００４】
上記した問題点に鑑み、特許文献１には、ｎ型半導体層の表面のほぼ全域を覆う透明電極と、透明電極上に設けられたｎパッド電極と、ｎパッド電極に接続され且つ透明電極の周縁部に向けて伸びる補助電極と、ｐ型半導体層表面のｎパッド電極と対向する位置に設けられた絶縁体からなる電流阻止層と、ｐ型半導体層上において電流阻止層の周囲に延在するｐ電極と、を含む半導体発光装置が開示されている。一方、特許文献２には、半導体膜の表面に異種材料からなる二種類の導電層が並置された電極構造が開示されている。このような電極構成によれば、ｎパッド電極の直下における電流集中を緩和することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５３４２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されているように、ｐ型半導体層表面にオーミック電極と電流阻止層として機能する絶縁体層とを並置する場合、以下のような問題が生じる。すなわち、このような電極構造を形成する場合、ｐ型半導体層の表面全体に絶縁体層を形成し、不要部分をウェットエッチング法またはリフトオフ法により除去し、絶縁体層を部分的に除去することにより露出したｐ型半導体層の露出部にオーミック電極を形成する方法が考えられる。この場合、絶縁体層を除去することにより露出したｐ型半導体層の露出面は、絶縁体の残渣またはレジスト材によって汚染され、オーミック電極とｐ型半導体層との接触抵抗が大きくなる。接触抵抗の増大は順方向電圧の上昇を招くため好ましくない。一方、ｐ型半導体層の表面にオーミック電極を形成した後に絶縁体層を形成する場合においては、例えば絶縁体層を成膜する際の成膜温度が高すぎたり或いはスパッタ条件が不適切であると、先に形成したオーミック電極のオーミック性が害され、ｐ型半導体層に対する接触抵抗が上昇するおそれがある。換言すれば、先に形成したオーミック電極のオーミック性を損なうことなく絶縁体層を形成しようとすると絶縁体層の成膜温度やスパッタ条件に制限が課せられ、必要十分な絶縁機能を有する絶縁層を形成することが困難となる。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されているような半導体膜上に異種材料からなる二種類の導電体層が並置された電極構造の場合も上記した半導体膜表面の汚染の問題が生じる。また、異種材料を半導体膜上に隣接して設けると、両材料間の熱膨張係数差に起因して電極剥離が生じるおそれがある。例えば、異種材料からなる電極上に熱圧着等の手法によって支持基板を接合する場合、支持基板を接合する際に加わる熱によって電極が剥離して半導体膜と電極層との接触不良が生じるおそれがある。
【０００８】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、所謂縦型の半導体発光装置において、オーミック電極と半導体膜との電気的接続を害することなく半導体膜内における電流集中を緩和することができる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体発光装置は、支持体に接合された半導体膜と、前記半導体膜の前記支持体との接合面とは反対側の面を部分的に覆う第一電極と、前記半導体膜の前記支持体との接合面側に設けられた第二電極と、を含み、前記第二電極は、互いに同一の金属酸化物透明導電体からなり且つ互いに電気的に接続された第一の透明電極および第二の透明電極を含み、前記第二の透明電極は、前記半導体膜を挟んで前記第一電極と対向する位置に設けられ且つ前記半導体膜に対する接触抵抗が前記第一の透明電極よりも高いことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、成長用基板上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜上に透明電極層を形成する工程と、前記透明電極層上に支持体を形成する工程と、前記成長用基板を除去する工程と、前記成長用基板を除去することにより露出した前記半導体膜の露出面上の一部を覆うパッド電極を形成する工程と、を含み、前記透明電極層を形成する工程は、前記半導体膜上に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、前記金属酸化物透明導電膜の前記パッド電極と対向する部分を除去する工程と、熱処理により前記金属酸化物透明導電膜をシンタリングする工程と、前記金属酸化物透明導電膜を部分的に除去することにより露出した前記半導体膜の表面に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、所謂縦型の半導体発光装置において、オーミック電極と半導体膜との電気的接続を害することなく半導体膜内における電流集中を緩和することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施例に係る半導体発光装置の構成を示す断面図、図１（ｂ）は本発明の実施例に係る半導体発光装置の内部を流れる電流の経路を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る第１の透明電極と第２の透明電極の透過率スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置１の構成を示す断面図である。半導体発光装置１は、ｎパッド電極３０およびｐ電極４０がそれぞれ、半導体膜２０の上面および下面に配置される所謂縦型の発光ダイオードである。
【００１５】
支持基板１０は、半導体膜２０を支持し得る機械的強度と導電性を有する基板であり、例えばドーパント注入により導電性が付与されたＳｉやＳｉＣ等の半導体基板により構成される。
【００１６】
光反射層１４は、ｐ電極４０と支持基板１０との間に設けられ、活性層２４から発せられた光を光取り出し面であるｎ型半導体層２２の上面に向けて反射する光反射面を形成する。光反射層１４は、発光波長に対して高い光反射性を有する材料により構成され、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄのいずれか１つからなる単層膜またはこれらのうちのいくつかを積層した積層膜により構成される。尚、光反射機能を十分に発揮させるために、光反射層１４の厚さは１００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
接合層１２は、例えばＡｕＳｎ等の共融混合物からなり支持基板１０は、熱圧着等の手法により接合層１２を介して半導体膜２０に接合される。
【００１８】
半導体膜２０は、例えばAlxInyGa1-x-yN(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)で表される窒化物半導体により構成される。半導体膜２０は、ｎ型半導体層２２、活性層２４、ｐ型半導体層２６が積層されて構成される。ｎ型半導体層２２は所定濃度のＳｉがドープされてｎ型の導電型を有している。ｐ型半導体層２６は所定濃度のＭｇがドープされてｐ型の導電型を有している。活性層２４は、例えばInGaN井戸層とGaN障壁層を繰り返し積層した多重量子井戸構造を有する。尚、半導体膜２０の積層構造は、ホモ接合構造、シングルへテロ接合構造、ダブルへテロ接合構造のいずれの積層構造を有するものであってもよい。
【００１９】
ｎ型半導体層２２の表面には、ＴｉおよびＡｌを積層して構成されるｎパッド電極３０が設けられている。ｎパッド電極３０は、例えばｎ型半導体層２２の上面中央に配置され、ボンディングワイヤを接続するためのボンディングパッドとして機能する。ｎパッド電極３０は、ｎ型半導体層２２との間でオーミック性接触を形成している。
【００２０】
ｐ電極４０は、ｐ型半導体層２６の表面のほぼ全域を覆っている。ｐ電極４０は、ｐ型半導体層２６表面のｎパッド電極３０の直下領域以外の領域に延在する第１の透明電極４２と、ｐ型半導体層２６表面のｎパッド電極３０の直下に配置された第２の透明電極４４とにより構成される。すなわち、第２の透明電極４４は、ｐ型半導体層２６上であって、半導体膜２０の主面と平行な方向（すなわち横方向）においてｎパッド電極３０と対向する（重なる）位置に配置されている。第１の透明電極４２は、ｎパッド電極３０と重ならないように第２の透明電極４４の周囲に延在している。第１の透明電極４２と第２の透明電極４４は、互いに電気的および機械的に接続されている。第１および第２の透明電極は、互いに同一の材料で構成され、例えばスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）等の金属酸化物透明導電体により構成される。第１および第２の透明電極は、完全に透明であることを要さず、活性層２４からの光に対して透光性を有していればよい。
【００２１】
第１の透明電極４２と第２の透明電極４４は、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が互いに異なる。すなわち、第１の透明電極４２とｐ型半導体層２６との接触抵抗は２×１０-4Ω／ｃｍ2〜７×１０-3Ωｃｍ2であるのに対して、第２の透明電極４４とｐ型半導体層２６との接触抵抗は２×１０1Ωｃｍ2以上である。つまり、第２の透明電極４４は、第１の透明電極４２の１０００倍以上の接触抵抗を有する。一方、第１の透明電極４２のシート抵抗は、１００〜２００Ω／□であるのに対して第２の透明電極４４のシート抵抗は、１０〜４０Ω／□である。第１の透明電極４２と第２の透明電極４４におけるこのような電気的特性の差異は、これらの透明電極を構成するＩＴＯ膜の成膜後におけるシンタリング処理の有無によってもたらされる。その詳細については後述する。このようなｐ型半導体層２６に対する接触抵抗の違いから第１の透明電極４２はオーミック電極として機能する一方、第２の透明電極４４は、半導体膜２０への電流注入を抑制する電流制御層として機能する。半導体膜２０は、ｐ電極４０の表面を接合面として接合層１２を介して支持基板１０に接合される。
【００２２】
図１（ｂ）において、半導体発光装置１の内部を流れる電流経路が破線矢印で示されている。半導体発光装置１は、支持基板１０の裏面が実装基板１００に接合され、ｎパッド電極３０にボンディングワイヤ１０１が接続されて駆動電力の供給を受ける。ｎパッド電極３０の直下にはｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が相対的に高い第２の透明電極４４が設けられている。このため、第２の透明電極４４から半導体膜２０への電流注入は抑制され、ｎパッド電極３０の直下領域における電流密度は小さくなる。ｎパッド電極３０の直下領域で生成された光は、ｎパッド電極３０によって遮られ外部に放出されないものが多くなる。このため、ｎパッド電極３０の直下領域における電流を制限することにより発光効率が改善される。一方、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が相対的に低い第１の透明電極４２から半導体膜２０への電流注入が促進され、その結果、電流は、半導体膜２０の周縁部にまで広がってｎパッド電極３０に達する。すなわち、第２の透明電極４４は、ｎパッド電極３０の直下における電流集中を抑制する電流制御層として機能する一方、第１の透明電極４２は、半導体膜２０への電流注入を積極的に行うオーミック電極として機能する。第１および第２の透明電極を上記の如く配置することによりｎパッド電極３０の直下領域における電流集中が緩和されるとともに半導体膜２０の横方向への電流拡散が促進される。
【００２３】
次に、上記した構成を有する半導体発光装置１の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）は、半導体発光装置１の製造工程におけるプロセスステップ毎の断面図である。
【００２４】
（半導体膜の形成工程）
はじめに、成長用基板５０を用意する。本実施例では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりＧａＮ系窒化物半導体膜を形成することができるＣ面サファイア基板を成長用基板５０として用いた。
【００２５】
成長用基板５０をＭＯＣＶＤ装置に投入し、基板温度約１０００℃とし、水素雰囲気中で約１０分程度の熱処理を行った（サーマルクリーニング）。続いて、成長温度１０００℃を保持して、ＴＭＧ （流量45 μmol/min）、ＮＨ3 （流量4.4LM）、ＳｉＨ4 （流量2.7×10-9 μmol/min）を３０分間供給し、層さ約２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型半導体層２２を形成した。
【００２６】
次に、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層からなるペアを５ペア積層した多重量子井戸構造を有する活性層２４をｎ型半導体層２２上に形成した。具体的にはｎ型半導体層２２を形成後、成長温度約７００℃にてＴＭＧ（流量3.6 μmol/min）、ＴＭＩ （流量10 μmol/min）、ＮＨ3（流量4.4LM）を３３秒供給して層厚約２．２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を形成し、続いてＴＭＧ（流量3.6 μmol/min）、ＮＨ3 （流量4.4LM）を３２０秒供給して層厚約１５ｎｍのＧａＮ障壁層を形成した。かかる処理を５周期分繰り返すことにより活性層２４が形成される。
【００２７】
ｐ型半導体層２６は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、Ｍｇドープされたｐ型ＧａＮ層を順次結晶成長させて形成した。具体的には、成長温度８７０℃にてＴＭＧ（流量8.1 μmol/min）、ＴＭＡ （流量7.5 μmol/min）、ＮＨ3（流量4.4LM）、Ｃｐ2Ｍｇ（流量2.9×10-7 μmol/min）を５分間供給し、活性層２４上に層厚約４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成した。引き続きそのままの温度でＴＭＧ（流量18 μmol/min）、ＮＨ3（流量4.4LM）、Ｃｐ2Ｍｇ（流量2.9×10-7 μmol/min）を７分間供給し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層上に層厚約１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を形成した。これにより活性層２４上にｐ型半導体層２６が形成される（図２（ａ））。
【００２８】
（ｐ型半導体層の活性化工程）
ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出してｐ型半導体層２６の活性化を行った。成長過程において、ｐ型半導体層２６の内部にはキャリアガスの原料である水素が混入しており、Ｍｇ−Ｈ結合が形成されている。このような状態では、ドープされたＭｇはドーパントとしての機能を果たすことができず、ｐ型半導体層２６は高抵抗化している。この為、ｐ型半導体層２６内に混入している水素を脱離させる活性化工程が必要となる。具体的には、４００℃以上の不活性ガス雰囲気中でウエハの熱処理を行ってｐ型半導体層２６の活性化処理を行った。
【００２９】
（第１の透明電極形成工程）
活性化されたｐ型半導体層２６の表面にオーミック電極として機能する第１の透明電極４２を形成した。基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法によりｐ型半導体層２６の表面に厚さ約２０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングした。これにより、ｎパッド電極の直下にあたるｐ型半導体層の表面中央部のＩＴＯ膜を除去し、ＩＴＯ膜を除去した部分においてｐ型半導体膜２６を露出させた。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。ＩＴＯは基板温度１５０℃以上で結晶化が促進される。基板温度が低く結晶化が促進されない場合、ＩＴＯの光透過率は著しく低下するため好ましくない。一方、基板温度が３００℃以上となると、結晶化が促進されＩＴＯ膜をパターニングするためのエッチング処理が困難となる。また、この場合、ＩＴＯ膜中の酸素量が増加して酸素欠損が減少することによりキャリア濃度が減少し、シート抵抗が増加するため好ましくない。
【００３０】
レジストマスクを除去した後、６００℃の酸素を含む雰囲気中にウエハを投入し、１分間の熱処理を行った。この熱処理でＩＴＯ膜のシンタリングを行うことにより第１の透明電極４２を構成するＩＴＯ膜とｐ型半導体層２６との間の接触がオーミック性接触となり、接触抵抗が大幅に低減される。また、この熱処理によりＩＴＯ膜の酸素欠損部位に酸素が導入され結晶性が向上する。すなわち、この熱処理により、ＩＴＯ膜の結晶化の促進とシンタリングが同時に行われることとなる。尚、ＩＴＯ膜の熱処理温度は、５００〜７００℃の範囲に設定することが好ましい。熱処理温度を４００℃以下とした場合、ＩＴＯ膜のシンタリングが促進されず、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗を十分に下げることができない。一方、熱処理温度を８００℃以上とした場合、ｐ型半導体層２６において窒素の脱離が起こるため好ましくない。以上の工程を経てｐ型半導体膜２６上に第１の透明電極４２が形成される（図２（ｂ））。
【００３１】
（第２の透明電極形成工程）
第１の透明電極４２を部分的に除去することにより露出したｐ型半導体層２６の露出面に電流制御層として機能する第２の透明電極４４を形成した。すなわち、第２の透明電極４４は、ｎパッド電極の直下にあたるｐ型半導体層２６の表面中央に配置される。また、第２の透明電極４４は、第１の透明電極４２に電気的に接続されるように形成される。具体的には、基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法によりｐ型半導体層２６の露出面に厚さ約２０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。ＩＴＯ膜は、先の工程において形成された第１の透明電極４２の表面をも覆うように形成される。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、レジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングして第２の透明電極４４にパターニングを施した。第１の透明電極４２は、先の酸素雰囲気中での熱処理により結晶化が促進され、エッチング速度が著しく遅い為、このエッチング工程において第１の透明電極４２が除去されることはない。第２の透明電極４４を構成するＩＴＯ膜に対しては、成膜後の熱処理は行わない。すなわち、第２の透明電極４４についてはシンタリング処理は実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持される。従って、第２の透明電極４４とｐ型半導体層２６との接触は非オーミック性接触となり、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗は、第１の透明電極４２よりも高くなる。以上の工程を経て第１および第２の透明電極からなるｐ電極４０が形成される（図２（ｃ））。
【００３２】
（光反射層形成工程）
スパッタ法によりｐ電極４０の表面に厚さ２００ｎｍ程度のＡｇを堆積させて光反射層１４を形成した。尚、光反射層１４は、発光波長に対して高い光反射性を有する他の材料、例えばＡｌ、Ｒｈ、Ｐｄ等からなる単層膜により構成されていてもよいし、これらのうちのいくつかを積層した積層膜により構成されていてもよい。また、第１の透明電極４２や第２の透明電極４４との密着性を高めるためにＴｉ又はＮｉを介して上記光反射性を有する金属膜を形成することとしてもよい。また、接合層１２との密着性を高めるために光反射層１４の最表面をＡｕ層としてもよい。さらに、光反射層１４へ接合層１２の材料の拡散を抑制するためバリア層等、適宜な層を光反射層１４上に形成することができる。
【００３３】
（支持基板の接合工程）
半導体膜２０を支持可能な機械的強度を有する導電性の支持基板１０を用意する。ドーパント注入により導電性が付与されたＳｉ基板を支持基板１０として使用した。次に、スパッタ法により支持基板１０の表面に厚さ約１μｍのＡｕＳｎからなる接合層１２を形成した。ＡｕとＳｎの配合比率は、Ｓｎを２０重量パーセント（ｗｔ％）とした。尚、接合層１２は、熱圧着法等により支持基板１０と半導体膜２０とを接合できる他の材料により構成されていてもよい。
【００３４】
次に、ウエハボンダ装置を用いて成長用基板５０側の光反射層１４と支持基板１０側の接合層１２とを当接させて熱および圧力を加えて支持基板１０を半導体膜２０に接合した。支持基板１０は、接合層１２を構成するＡｕＳｎの共晶化によって半導体膜２０に接合される（図３（ａ））。
【００３５】
（成長用基板の除去工程）
レーザリフトオフ（ＬＬＯ）法を用いて成長用基板５０を半導体膜２０から剥離した。レーザ光源としてエキシマレーザを使用した。成長用基板５０の裏面側から照射されたレーザは、半導体膜２０に達し、成長用基板１０との界面近傍におけるＧａＮを金属ＧａとＮ2ガスに分解する。これにより、成長用基板１０と半導体膜２０との間に空隙が形成され、成長用基板１０が半導体膜２０から剥離する。成長用基板１０を剥離することによりｎ型半導体層２２が露出する。続いて、露出したｎ型半導体層２２表面に付着しているＧａを塩酸処理によって除去した。この後、ＡｒイオンやＣｌイオンを用いた反応性イオンエッチング（RIE：reactive ion etching）や化学機械研磨（CMP: chemical mechanical planarization）などにより、ｎ型半導体層２２の表面を平坦化してもよい。また、ｎ型半導体層２２の表面に光取り出し効率向上のための凹凸を形成してもよい（図３（ｂ））。
【００３６】
（ｎ電極の形成工程）
成長用基板５０を剥離することにより露出したｎ型半導体層２２の表面にｎパッド電極３０を形成した。ｎパッド電極３０の形成領域に開口部を有するレジストマスクをｎ型半導体層２２上に形成し、続いてＥＢ蒸着法によりウエハ上に厚さ約１ｎｍのＴｉおよび厚さ約１μｍのＡｌを順次堆積させた。その後、不要部分の上記電極材料をレジストマスクとともに除去することによりｎパッド電極３０のパターニングを行った。これにより、ｎ型半導体層２２の表面中央にｎパッド電極３０が形成される。ｎパッド電極３０は、電流制御層として機能する第２の透明電極４４と対向する（重なる）位置に設けられる（図３（ｃ））
以上の各工程を経ることにより、半導体発光装置１が完成する。上記した製造方法で作製された半導体発光装置の第１の透明電極４２および第２の透明電極４４の各種特性について評価した結果を以下に示す。
【００３７】
第１の透明電極４２および第２の透明電極４４のシート抵抗およびｐ型半導体層２６に対する接触抵抗の測定値を表１に示す。第１の透明電極４２のｐ型半導体層２６に対する接触抵抗については、第１の透明電極４２がオーミック電極として機能するのに十分な低抵抗値を得ることができた。第２の透明電極４４のｐ型半導体層２６に対する接触抵抗については、第２の透明電極４４が電流制御層として機能するのに好適な値が得られた。すなわち、第１の透明電極４２と第２の透明電極４４との間で接触抵抗に顕著な差異が得られた。これは、第１の透明電極４２については、熱処理によるＩＴＯ膜のシンタリングが実施されたのに対して、第２の透明電極４４については、ＩＴＯ膜のシンタリングが実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持されているからである。第１の透明電極４２と第２の透明電極４４との間で接触抵抗にこのような顕著な差異を設けることにより、ｐ型半導体層２６に対する電流注入は、主に第１の透明電極４２を介して行われ、第２の透明電極４４からは、電流は殆ど注入されなくなる。これにより、第２の透明電極４４を電流制御層として有効に機能させることが可能となり、ｎパッド電極３０の直下における電流集中を緩和することが可能となる。そして、半導体膜２０内における横方向への電流拡散が促進され、発光効率の改善、発光分布の均一化、順方向電圧の低減および信頼性の向上を達成することができる。
【００３８】
一方、シート抵抗に関しては第２の透明電極４４が第１の透明電極４２よりも低いことが確認された。第１の透明電極４２は、ＩＴＯ膜の成膜後の熱処理により酸素欠損部位に酸素が導入され、結晶化が促進された結果、キャリア密度が低下したため第２の透明電極４４よりもシート抵抗値が高くなっているものと考えられる。しかしながら、その絶対値は実使用上において問題のないレベルである。一方、第２の透明電極４４は、ＩＴＯ膜の成膜時において酸素の脱離が起こるため、酸素欠損部位が比較的多く、キャリア密度が比較的高いため、シート抵抗値が比較的低く抑えられている。
【００３９】
【表１】
【００４０】
図４に第１の透明電極４２（実線）と第２の透明電極４４（破線）の透過率スペクトルを示す。第２の透明電極４４は、第１の透明電極４２よりも光吸収端が短波長側に位置していることが確認された。これは、第２の透明電極４４の方が第１の透明電極４２に比べ、バンドギャップが大きく、光透過性が高いことを意味している。第２の透明電極４４が高い光透過性を有することにより、ｐ電極全体としての透過率が向上し、光反射層１４に向かう光や光反射層１４で反射されて光取り出し面に向かう光の減衰を抑制することができ、光取り出し効率が向上する。
【００４１】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施例に係る半導体発光装置において、ｐ電極４０は、接触抵抗が互いに顕著に異なる第１の透明電極４２と第２の透明電極４４により構成される。ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が比較的低い第１の透明電極４２は、オーミック電極として機能し、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が比較的高い第２の透明電極４４は、電流制御層として機能する。第２の透明電極４２は、半導体膜２０の主面と平行な方向においてｎパッド電極３０と対向する（重なる）位置に設けられているので、ｎパッド電極３０の直下領域における電流集中が緩和され、半導体膜２０内における電流拡散が促進される。これにより、発光効率の改善、発光分布の均一化、順方向電圧の低減および信頼性の向上を達成することができる。
【００４２】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、第１の透明電極４２と第２の透明電極４４とは同一の金属酸化物導電体により構成されるため、両者の熱膨張係数に差異がない。従って、支持基板１０を接合する工程や大電流投入時に加わる熱によってｐ電極４０が剥離するといった問題を防止することが可能となる。
【００４３】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、電流制御層として機能する第２の透明電極４４は、導電性を有しており且つ第１の透明電極４２に電気的に接続されていることから、大電流投入時には第２の透明電極４４からも電流注入が行われ、ｎパッド電極３０の直下領域にも電流を流すことが可能となる。これにより、半導体膜２０内における電流分布が均一化されるので、電流制御層を絶縁体で構成する場合と比較して大電流投入時における順方向電圧の上昇を抑制することが可能となる。
【００４４】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、オーミック電極として機能する第１の透明電極４２を形成する前にｐ型半導体層２６の表面が汚染されることはなく、また、後発的に第１透明電極４２のオーミック性が害されるような熱処理も要しない。従って、第１の透明電極４２とｐ型半導体層２６との電気的接続を良好に維持することが可能となる。また、第２の透明電極４４は、バンドギャップが大きく、高い光透過性を有しているため、ｐ電極全体としての透過率が向上し、光反射層１４に向かう光や光反射層１４で反射されて光取り出し面に向かう光の減衰を抑制することが可能となる。
【００４５】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、ＩＴＯ膜の成膜後におけるシンタリング処理の有無によってｐ型半導体層２６に対する第１および第２の透明電極の接触抵抗に顕著な差異をもたらすことができるので、製造工程が煩雑になることなく電流拡散構造を形成することが可能となる。また、ｐ電極全体を透明電極で構成することにより、ｐ電極４０は臨界角以上の角度で入射する光を全反射によって外部に放出させる光反射面として機能し得る。すなわち、高反射率の金属でｐ電極を構成する場合と比較して光の吸収を低減することができ、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
尚、上記した各実施例においては、第１および第２の透明電極の材料をＩＴＯとした場合を例に説明したが、これに限定されない。第１および第２の透明電極は、ＺＴＯ（Zinc Tin Oxide：Zn2SnO4）、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）等の他の金属酸化物透明導電体を使用することも可能である。また、上記した各実施例においては、ＧａＮ系窒化物半導体層を有する半導体発光装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、ＧａＡｓ系半導体層、ＧａＰ系半導体層を有する半導体発光装置に本発明を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 支持基板
２０ 半導体膜
２２ ｎ型半導体層
２４ 活性層
２６ ｐ型半導体層
３０ ｎ電極
４０ ｐ電極
４２ 第１の透明電極
４４ 第２の透明電極
５０ 成長用基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ等のIII族窒化物を用いた半導体発光装置の結晶成長は、サファイア基板を用いて行われるのが一般的である。このような半導体発光装置は、サファイア基板が導電性を有していない為、半導体膜の同一面側にｎ電極およびｐ電極が配置される所謂横型半導体発光装置の形態をとることが一般的であった。しかし、近年においては、サファイア基板をレーザ照射によって剥離除去する技術の確立やＧａＮを主材料とした導電性の成長用基板の普及により、半導体膜の上面と下面にそれぞれｎ電極とｐ電極が設けられた所謂縦型半導体発光装置の製造が可能となっている。
【０００３】
縦型半導体発光装置における最も単純な電極構成としては、光取り出し面となるｎ型半導体層の表面の中央にボンディングパッドとなるｎパッド電極を形成し、実装面側となるｐ型半導体層のほぼ全域に亘ってｐ電極を形成する構成が考えられる。しかしながら、このような電極構成によれば、ｎパッド電極の直下において電流が集中し、発光強度分布が不均一となる。また、電流集中は、半導体膜の破壊、発光効率の低下、順方向電圧の上昇を招く。
【０００４】
上記した問題点に鑑み、特許文献１には、ｎ型半導体層の表面のほぼ全域を覆う透明電極と、透明電極上に設けられたｎパッド電極と、ｎパッド電極に接続され且つ透明電極の周縁部に向けて伸びる補助電極と、ｐ型半導体層表面のｎパッド電極と対向する位置に設けられた絶縁体からなる電流阻止層と、ｐ型半導体層上において電流阻止層の周囲に延在するｐ電極と、を含む半導体発光装置が開示されている。一方、特許文献２には、半導体膜の表面に異種材料からなる二種類の導電層が並置された電極構造が開示されている。このような電極構成によれば、ｎパッド電極の直下における電流集中を緩和することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５３４２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されているように、ｐ型半導体層表面にオーミック電極と電流阻止層として機能する絶縁体層とを並置する場合、以下のような問題が生じる。すなわち、このような電極構造を形成する場合、ｐ型半導体層の表面全体に絶縁体層を形成し、不要部分をウェットエッチング法またはリフトオフ法により除去し、絶縁体層を部分的に除去することにより露出したｐ型半導体層の露出部にオーミック電極を形成する方法が考えられる。この場合、絶縁体層を除去することにより露出したｐ型半導体層の露出面は、絶縁体の残渣またはレジスト材によって汚染され、オーミック電極とｐ型半導体層との接触抵抗が大きくなる。接触抵抗の増大は順方向電圧の上昇を招くため好ましくない。一方、ｐ型半導体層の表面にオーミック電極を形成した後に絶縁体層を形成する場合においては、例えば絶縁体層を成膜する際の成膜温度が高すぎたり或いはスパッタ条件が不適切であると、先に形成したオーミック電極のオーミック性が害され、ｐ型半導体層に対する接触抵抗が上昇するおそれがある。換言すれば、先に形成したオーミック電極のオーミック性を損なうことなく絶縁体層を形成しようとすると絶縁体層の成膜温度やスパッタ条件に制限が課せられ、必要十分な絶縁機能を有する絶縁層を形成することが困難となる。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されているような半導体膜上に異種材料からなる二種類の導電体層が並置された電極構造の場合も上記した半導体膜表面の汚染の問題が生じる。また、異種材料を半導体膜上に隣接して設けると、両材料間の熱膨張係数差に起因して電極剥離が生じるおそれがある。例えば、異種材料からなる電極上に熱圧着等の手法によって支持基板を接合する場合、支持基板を接合する際に加わる熱によって電極が剥離して半導体膜と電極層との接触不良が生じるおそれがある。
【０００８】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、所謂縦型の半導体発光装置において、オーミック電極と半導体膜との電気的接続を害することなく半導体膜内における電流集中を緩和することができる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体発光装置は、支持体に接合された半導体膜と、前記半導体膜の前記支持体との接合面とは反対側の面を部分的に覆う第一電極と、前記半導体膜の前記支持体との接合面側に設けられた第二電極と、を含み、前記第二電極は、互いに同一の金属酸化物透明導電体からなり且つ互いに電気的に接続された第一の透明電極および第二の透明電極を含み、前記第二の透明電極は、前記半導体膜を挟んで前記第一電極と対向する位置に設けられ且つ前記半導体膜に対する接触抵抗が前記第一の透明電極よりも高いことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、成長用基板上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜上に透明電極層を形成する工程と、前記透明電極層上に支持体を形成する工程と、前記成長用基板を除去する工程と、前記成長用基板を除去することにより露出した前記半導体膜の露出面上の一部を覆うパッド電極を形成する工程と、を含み、前記透明電極層を形成する工程は、前記半導体膜上に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、前記金属酸化物透明導電膜の前記パッド電極と対向する部分を除去する工程と、熱処理により前記金属酸化物透明導電膜をシンタリングする工程と、前記金属酸化物透明導電膜を部分的に除去することにより露出した前記半導体膜の表面に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、所謂縦型の半導体発光装置において、オーミック電極と半導体膜との電気的接続を害することなく半導体膜内における電流集中を緩和することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施例に係る半導体発光装置の構成を示す断面図、図１（ｂ）は本発明の実施例に係る半導体発光装置の内部を流れる電流の経路を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る第１の透明電極と第２の透明電極の透過率スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置１の構成を示す断面図である。半導体発光装置１は、ｎパッド電極３０およびｐ電極４０がそれぞれ、半導体膜２０の上面および下面に配置される所謂縦型の発光ダイオードである。
【００１５】
支持基板１０は、半導体膜２０を支持し得る機械的強度と導電性を有する基板であり、例えばドーパント注入により導電性が付与されたＳｉやＳｉＣ等の半導体基板により構成される。
【００１６】
光反射層１４は、ｐ電極４０と支持基板１０との間に設けられ、活性層２４から発せられた光を光取り出し面であるｎ型半導体層２２の上面に向けて反射する光反射面を形成する。光反射層１４は、発光波長に対して高い光反射性を有する材料により構成され、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄのいずれか１つからなる単層膜またはこれらのうちのいくつかを積層した積層膜により構成される。尚、光反射機能を十分に発揮させるために、光反射層１４の厚さは１００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
接合層１２は、例えばＡｕＳｎ等の共融混合物からなり支持基板１０は、熱圧着等の手法により接合層１２を介して半導体膜２０に接合される。
【００１８】
半導体膜２０は、例えばAlxInyGa1-x-yN(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)で表される窒化物半導体により構成される。半導体膜２０は、ｎ型半導体層２２、活性層２４、ｐ型半導体層２６が積層されて構成される。ｎ型半導体層２２は所定濃度のＳｉがドープされてｎ型の導電型を有している。ｐ型半導体層２６は所定濃度のＭｇがドープされてｐ型の導電型を有している。活性層２４は、例えばInGaN井戸層とGaN障壁層を繰り返し積層した多重量子井戸構造を有する。尚、半導体膜２０の積層構造は、ホモ接合構造、シングルへテロ接合構造、ダブルへテロ接合構造のいずれの積層構造を有するものであってもよい。
【００１９】
ｎ型半導体層２２の表面には、ＴｉおよびＡｌを積層して構成されるｎパッド電極３０が設けられている。ｎパッド電極３０は、例えばｎ型半導体層２２の上面中央に配置され、ボンディングワイヤを接続するためのボンディングパッドとして機能する。ｎパッド電極３０は、ｎ型半導体層２２との間でオーミック性接触を形成している。
【００２０】
ｐ電極４０は、ｐ型半導体層２６の表面のほぼ全域を覆っている。ｐ電極４０は、ｐ型半導体層２６表面のｎパッド電極３０の直下領域以外の領域に延在する第１の透明電極４２と、ｐ型半導体層２６表面のｎパッド電極３０の直下に配置された第２の透明電極４４とにより構成される。すなわち、第２の透明電極４４は、ｐ型半導体層２６上であって、半導体膜２０の主面と平行な方向（すなわち横方向）においてｎパッド電極３０と対向する（重なる）位置に配置されている。第１の透明電極４２は、ｎパッド電極３０と重ならないように第２の透明電極４４の周囲に延在している。第１の透明電極４２と第２の透明電極４４は、互いに電気的および機械的に接続されている。第１および第２の透明電極は、互いに同一の材料で構成され、例えばスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）等の金属酸化物透明導電体により構成される。第１および第２の透明電極は、完全に透明であることを要さず、活性層２４からの光に対して透光性を有していればよい。
【００２１】
第１の透明電極４２と第２の透明電極４４は、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が互いに異なる。すなわち、第１の透明電極４２とｐ型半導体層２６との接触抵抗は２×１０-4Ω／ｃｍ2〜７×１０-3Ωｃｍ2であるのに対して、第２の透明電極４４とｐ型半導体層２６との接触抵抗は２×１０1Ωｃｍ2以上である。つまり、第２の透明電極４４は、第１の透明電極４２の１０００倍以上の接触抵抗を有する。一方、第１の透明電極４２のシート抵抗は、１００〜２００Ω／□であるのに対して第２の透明電極４４のシート抵抗は、１０〜４０Ω／□である。第１の透明電極４２と第２の透明電極４４におけるこのような電気的特性の差異は、これらの透明電極を構成するＩＴＯ膜の成膜後におけるシンタリング処理の有無によってもたらされる。その詳細については後述する。このようなｐ型半導体層２６に対する接触抵抗の違いから第１の透明電極４２はオーミック電極として機能する一方、第２の透明電極４４は、半導体膜２０への電流注入を抑制する電流制御層として機能する。半導体膜２０は、ｐ電極４０の表面を接合面として接合層１２を介して支持基板１０に接合される。
【００２２】
図１（ｂ）において、半導体発光装置１の内部を流れる電流経路が破線矢印で示されている。半導体発光装置１は、支持基板１０の裏面が実装基板１００に接合され、ｎパッド電極３０にボンディングワイヤ１０１が接続されて駆動電力の供給を受ける。ｎパッド電極３０の直下にはｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が相対的に高い第２の透明電極４４が設けられている。このため、第２の透明電極４４から半導体膜２０への電流注入は抑制され、ｎパッド電極３０の直下領域における電流密度は小さくなる。ｎパッド電極３０の直下領域で生成された光は、ｎパッド電極３０によって遮られ外部に放出されないものが多くなる。このため、ｎパッド電極３０の直下領域における電流を制限することにより発光効率が改善される。一方、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が相対的に低い第１の透明電極４２から半導体膜２０への電流注入が促進され、その結果、電流は、半導体膜２０の周縁部にまで広がってｎパッド電極３０に達する。すなわち、第２の透明電極４４は、ｎパッド電極３０の直下における電流集中を抑制する電流制御層として機能する一方、第１の透明電極４２は、半導体膜２０への電流注入を積極的に行うオーミック電極として機能する。第１および第２の透明電極を上記の如く配置することによりｎパッド電極３０の直下領域における電流集中が緩和されるとともに半導体膜２０の横方向への電流拡散が促進される。
【００２３】
次に、上記した構成を有する半導体発光装置１の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）は、半導体発光装置１の製造工程におけるプロセスステップ毎の断面図である。
【００２４】
（半導体膜の形成工程）
はじめに、成長用基板５０を用意する。本実施例では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりＧａＮ系窒化物半導体膜を形成することができるＣ面サファイア基板を成長用基板５０として用いた。
【００２５】
成長用基板５０をＭＯＣＶＤ装置に投入し、基板温度約１０００℃とし、水素雰囲気中で約１０分程度の熱処理を行った（サーマルクリーニング）。続いて、成長温度１０００℃を保持して、ＴＭＧ （流量45 μmol/min）、ＮＨ3 （流量4.4LM）、ＳｉＨ4 （流量2.7×10-9 μmol/min）を３０分間供給し、層さ約２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型半導体層２２を形成した。
【００２６】
次に、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層からなるペアを５ペア積層した多重量子井戸構造を有する活性層２４をｎ型半導体層２２上に形成した。具体的にはｎ型半導体層２２を形成後、成長温度約７００℃にてＴＭＧ（流量3.6 μmol/min）、ＴＭＩ （流量10 μmol/min）、ＮＨ3（流量4.4LM）を３３秒供給して層厚約２．２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を形成し、続いてＴＭＧ（流量3.6 μmol/min）、ＮＨ3 （流量4.4LM）を３２０秒供給して層厚約１５ｎｍのＧａＮ障壁層を形成した。かかる処理を５周期分繰り返すことにより活性層２４が形成される。
【００２７】
ｐ型半導体層２６は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、Ｍｇドープされたｐ型ＧａＮ層を順次結晶成長させて形成した。具体的には、成長温度８７０℃にてＴＭＧ（流量8.1 μmol/min）、ＴＭＡ （流量7.5 μmol/min）、ＮＨ3（流量4.4LM）、Ｃｐ2Ｍｇ（流量2.9×10-7 μmol/min）を５分間供給し、活性層２４上に層厚約４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成した。引き続きそのままの温度でＴＭＧ（流量18 μmol/min）、ＮＨ3（流量4.4LM）、Ｃｐ2Ｍｇ（流量2.9×10-7 μmol/min）を７分間供給し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層上に層厚約１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を形成した。これにより活性層２４上にｐ型半導体層２６が形成される（図２（ａ））。
【００２８】
（ｐ型半導体層の活性化工程）
ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出してｐ型半導体層２６の活性化を行った。成長過程において、ｐ型半導体層２６の内部にはキャリアガスの原料である水素が混入しており、Ｍｇ−Ｈ結合が形成されている。このような状態では、ドープされたＭｇはドーパントとしての機能を果たすことができず、ｐ型半導体層２６は高抵抗化している。この為、ｐ型半導体層２６内に混入している水素を脱離させる活性化工程が必要となる。具体的には、４００℃以上の不活性ガス雰囲気中でウエハの熱処理を行ってｐ型半導体層２６の活性化処理を行った。
【００２９】
（第１の透明電極形成工程）
活性化されたｐ型半導体層２６の表面にオーミック電極として機能する第１の透明電極４２を形成した。基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法によりｐ型半導体層２６の表面に厚さ約２０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングした。これにより、ｎパッド電極の直下にあたるｐ型半導体層の表面中央部のＩＴＯ膜を除去し、ＩＴＯ膜を除去した部分においてｐ型半導体膜２６を露出させた。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。ＩＴＯは基板温度１５０℃以上で結晶化が促進される。基板温度が低く結晶化が促進されない場合、ＩＴＯの光透過率は著しく低下するため好ましくない。一方、基板温度が３００℃以上となると、結晶化が促進されＩＴＯ膜をパターニングするためのエッチング処理が困難となる。また、この場合、ＩＴＯ膜中の酸素量が増加して酸素欠損が減少することによりキャリア濃度が減少し、シート抵抗が増加するため好ましくない。
【００３０】
レジストマスクを除去した後、６００℃の酸素を含む雰囲気中にウエハを投入し、１分間の熱処理を行った。この熱処理でＩＴＯ膜のシンタリングを行うことにより第１の透明電極４２を構成するＩＴＯ膜とｐ型半導体層２６との間の接触がオーミック性接触となり、接触抵抗が大幅に低減される。また、この熱処理によりＩＴＯ膜の酸素欠損部位に酸素が導入され結晶性が向上する。すなわち、この熱処理により、ＩＴＯ膜の結晶化の促進とシンタリングが同時に行われることとなる。尚、ＩＴＯ膜の熱処理温度は、５００〜７００℃の範囲に設定することが好ましい。熱処理温度を４００℃以下とした場合、ＩＴＯ膜のシンタリングが促進されず、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗を十分に下げることができない。一方、熱処理温度を８００℃以上とした場合、ｐ型半導体層２６において窒素の脱離が起こるため好ましくない。以上の工程を経てｐ型半導体膜２６上に第１の透明電極４２が形成される（図２（ｂ））。
【００３１】
（第２の透明電極形成工程）
第１の透明電極４２を部分的に除去することにより露出したｐ型半導体層２６の露出面に電流制御層として機能する第２の透明電極４４を形成した。すなわち、第２の透明電極４４は、ｎパッド電極の直下にあたるｐ型半導体層２６の表面中央に配置される。また、第２の透明電極４４は、第１の透明電極４２に電気的に接続されるように形成される。具体的には、基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法によりｐ型半導体層２６の露出面に厚さ約２０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。ＩＴＯ膜は、先の工程において形成された第１の透明電極４２の表面をも覆うように形成される。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、レジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングして第２の透明電極４４にパターニングを施した。第１の透明電極４２は、先の酸素雰囲気中での熱処理により結晶化が促進され、エッチング速度が著しく遅い為、このエッチング工程において第１の透明電極４２が除去されることはない。第２の透明電極４４を構成するＩＴＯ膜に対しては、成膜後の熱処理は行わない。すなわち、第２の透明電極４４についてはシンタリング処理は実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持される。従って、第２の透明電極４４とｐ型半導体層２６との接触は非オーミック性接触となり、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗は、第１の透明電極４２よりも高くなる。以上の工程を経て第１および第２の透明電極からなるｐ電極４０が形成される（図２（ｃ））。
【００３２】
（光反射層形成工程）
スパッタ法によりｐ電極４０の表面に厚さ２００ｎｍ程度のＡｇを堆積させて光反射層１４を形成した。尚、光反射層１４は、発光波長に対して高い光反射性を有する他の材料、例えばＡｌ、Ｒｈ、Ｐｄ等からなる単層膜により構成されていてもよいし、これらのうちのいくつかを積層した積層膜により構成されていてもよい。また、第１の透明電極４２や第２の透明電極４４との密着性を高めるためにＴｉ又はＮｉを介して上記光反射性を有する金属膜を形成することとしてもよい。また、接合層１２との密着性を高めるために光反射層１４の最表面をＡｕ層としてもよい。さらに、光反射層１４へ接合層１２の材料の拡散を抑制するためバリア層等、適宜な層を光反射層１４上に形成することができる。
【００３３】
（支持基板の接合工程）
半導体膜２０を支持可能な機械的強度を有する導電性の支持基板１０を用意する。ドーパント注入により導電性が付与されたＳｉ基板を支持基板１０として使用した。次に、スパッタ法により支持基板１０の表面に厚さ約１μｍのＡｕＳｎからなる接合層１２を形成した。ＡｕとＳｎの配合比率は、Ｓｎを２０重量パーセント（ｗｔ％）とした。尚、接合層１２は、熱圧着法等により支持基板１０と半導体膜２０とを接合できる他の材料により構成されていてもよい。
【００３４】
次に、ウエハボンダ装置を用いて成長用基板５０側の光反射層１４と支持基板１０側の接合層１２とを当接させて熱および圧力を加えて支持基板１０を半導体膜２０に接合した。支持基板１０は、接合層１２を構成するＡｕＳｎの共晶化によって半導体膜２０に接合される（図３（ａ））。
【００３５】
（成長用基板の除去工程）
レーザリフトオフ（ＬＬＯ）法を用いて成長用基板５０を半導体膜２０から剥離した。レーザ光源としてエキシマレーザを使用した。成長用基板５０の裏面側から照射されたレーザは、半導体膜２０に達し、成長用基板１０との界面近傍におけるＧａＮを金属ＧａとＮ2ガスに分解する。これにより、成長用基板１０と半導体膜２０との間に空隙が形成され、成長用基板１０が半導体膜２０から剥離する。成長用基板１０を剥離することによりｎ型半導体層２２が露出する。続いて、露出したｎ型半導体層２２表面に付着しているＧａを塩酸処理によって除去した。この後、ＡｒイオンやＣｌイオンを用いた反応性イオンエッチング（RIE：reactive ion etching）や化学機械研磨（CMP: chemical mechanical planarization）などにより、ｎ型半導体層２２の表面を平坦化してもよい。また、ｎ型半導体層２２の表面に光取り出し効率向上のための凹凸を形成してもよい（図３（ｂ））。
【００３６】
（ｎ電極の形成工程）
成長用基板５０を剥離することにより露出したｎ型半導体層２２の表面にｎパッド電極３０を形成した。ｎパッド電極３０の形成領域に開口部を有するレジストマスクをｎ型半導体層２２上に形成し、続いてＥＢ蒸着法によりウエハ上に厚さ約１ｎｍのＴｉおよび厚さ約１μｍのＡｌを順次堆積させた。その後、不要部分の上記電極材料をレジストマスクとともに除去することによりｎパッド電極３０のパターニングを行った。これにより、ｎ型半導体層２２の表面中央にｎパッド電極３０が形成される。ｎパッド電極３０は、電流制御層として機能する第２の透明電極４４と対向する（重なる）位置に設けられる（図３（ｃ））
以上の各工程を経ることにより、半導体発光装置１が完成する。上記した製造方法で作製された半導体発光装置の第１の透明電極４２および第２の透明電極４４の各種特性について評価した結果を以下に示す。
【００３７】
第１の透明電極４２および第２の透明電極４４のシート抵抗およびｐ型半導体層２６に対する接触抵抗の測定値を表１に示す。第１の透明電極４２のｐ型半導体層２６に対する接触抵抗については、第１の透明電極４２がオーミック電極として機能するのに十分な低抵抗値を得ることができた。第２の透明電極４４のｐ型半導体層２６に対する接触抵抗については、第２の透明電極４４が電流制御層として機能するのに好適な値が得られた。すなわち、第１の透明電極４２と第２の透明電極４４との間で接触抵抗に顕著な差異が得られた。これは、第１の透明電極４２については、熱処理によるＩＴＯ膜のシンタリングが実施されたのに対して、第２の透明電極４４については、ＩＴＯ膜のシンタリングが実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持されているからである。第１の透明電極４２と第２の透明電極４４との間で接触抵抗にこのような顕著な差異を設けることにより、ｐ型半導体層２６に対する電流注入は、主に第１の透明電極４２を介して行われ、第２の透明電極４４からは、電流は殆ど注入されなくなる。これにより、第２の透明電極４４を電流制御層として有効に機能させることが可能となり、ｎパッド電極３０の直下における電流集中を緩和することが可能となる。そして、半導体膜２０内における横方向への電流拡散が促進され、発光効率の改善、発光分布の均一化、順方向電圧の低減および信頼性の向上を達成することができる。
【００３８】
一方、シート抵抗に関しては第２の透明電極４４が第１の透明電極４２よりも低いことが確認された。第１の透明電極４２は、ＩＴＯ膜の成膜後の熱処理により酸素欠損部位に酸素が導入され、結晶化が促進された結果、キャリア密度が低下したため第２の透明電極４４よりもシート抵抗値が高くなっているものと考えられる。しかしながら、その絶対値は実使用上において問題のないレベルである。一方、第２の透明電極４４は、ＩＴＯ膜の成膜時において酸素の脱離が起こるため、酸素欠損部位が比較的多く、キャリア密度が比較的高いため、シート抵抗値が比較的低く抑えられている。
【００３９】
【表１】
【００４０】
図４に第１の透明電極４２（実線）と第２の透明電極４４（破線）の透過率スペクトルを示す。第２の透明電極４４は、第１の透明電極４２よりも光吸収端が短波長側に位置していることが確認された。これは、第２の透明電極４４の方が第１の透明電極４２に比べ、バンドギャップが大きく、光透過性が高いことを意味している。第２の透明電極４４が高い光透過性を有することにより、ｐ電極全体としての透過率が向上し、光反射層１４に向かう光や光反射層１４で反射されて光取り出し面に向かう光の減衰を抑制することができ、光取り出し効率が向上する。
【００４１】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施例に係る半導体発光装置において、ｐ電極４０は、接触抵抗が互いに顕著に異なる第１の透明電極４２と第２の透明電極４４により構成される。ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が比較的低い第１の透明電極４２は、オーミック電極として機能し、ｐ型半導体層２６に対する接触抵抗が比較的高い第２の透明電極４４は、電流制御層として機能する。第２の透明電極４２は、半導体膜２０の主面と平行な方向においてｎパッド電極３０と対向する（重なる）位置に設けられているので、ｎパッド電極３０の直下領域における電流集中が緩和され、半導体膜２０内における電流拡散が促進される。これにより、発光効率の改善、発光分布の均一化、順方向電圧の低減および信頼性の向上を達成することができる。
【００４２】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、第１の透明電極４２と第２の透明電極４４とは同一の金属酸化物導電体により構成されるため、両者の熱膨張係数に差異がない。従って、支持基板１０を接合する工程や大電流投入時に加わる熱によってｐ電極４０が剥離するといった問題を防止することが可能となる。
【００４３】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、電流制御層として機能する第２の透明電極４４は、導電性を有しており且つ第１の透明電極４２に電気的に接続されていることから、大電流投入時には第２の透明電極４４からも電流注入が行われ、ｎパッド電極３０の直下領域にも電流を流すことが可能となる。これにより、半導体膜２０内における電流分布が均一化されるので、電流制御層を絶縁体で構成する場合と比較して大電流投入時における順方向電圧の上昇を抑制することが可能となる。
【００４４】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、オーミック電極として機能する第１の透明電極４２を形成する前にｐ型半導体層２６の表面が汚染されることはなく、また、後発的に第１透明電極４２のオーミック性が害されるような熱処理も要しない。従って、第１の透明電極４２とｐ型半導体層２６との電気的接続を良好に維持することが可能となる。また、第２の透明電極４４は、バンドギャップが大きく、高い光透過性を有しているため、ｐ電極全体としての透過率が向上し、光反射層１４に向かう光や光反射層１４で反射されて光取り出し面に向かう光の減衰を抑制することが可能となる。
【００４５】
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、ＩＴＯ膜の成膜後におけるシンタリング処理の有無によってｐ型半導体層２６に対する第１および第２の透明電極の接触抵抗に顕著な差異をもたらすことができるので、製造工程が煩雑になることなく電流拡散構造を形成することが可能となる。また、ｐ電極全体を透明電極で構成することにより、ｐ電極４０は臨界角以上の角度で入射する光を全反射によって外部に放出させる光反射面として機能し得る。すなわち、高反射率の金属でｐ電極を構成する場合と比較して光の吸収を低減することができ、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
尚、上記した各実施例においては、第１および第２の透明電極の材料をＩＴＯとした場合を例に説明したが、これに限定されない。第１および第２の透明電極は、ＺＴＯ（Zinc Tin Oxide：Zn2SnO4）、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）等の他の金属酸化物透明導電体を使用することも可能である。また、上記した各実施例においては、ＧａＮ系窒化物半導体層を有する半導体発光装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、ＧａＡｓ系半導体層、ＧａＰ系半導体層を有する半導体発光装置に本発明を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 支持基板
２０ 半導体膜
２２ ｎ型半導体層
２４ 活性層
２６ ｐ型半導体層
３０ ｎ電極
４０ ｐ電極
４２ 第１の透明電極
４４ 第２の透明電極
５０ 成長用基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体に接合された半導体膜と、
前記半導体膜の前記支持体との接合面とは反対側の面を部分的に覆う第一電極と、
前記半導体膜の前記支持体との接合面側に設けられた第二電極と、を含み、
前記第二電極は、互いに同一の金属酸化物透明導電体からなり且つ互いに電気的に接続された第一の透明電極および第二の透明電極を含み、
前記第二の透明電極は、前記半導体膜を挟んで前記第一電極と対向する位置に設けられ且つ前記半導体膜に対する接触抵抗が前記第一の透明電極よりも高いことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第二の透明電極のシート抵抗は、前記第一の透明電極のシート抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第二の透明電極のバンドギャップは、前記第一の透明電極のバンドギャップよりも大であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第二の透明電極の前記半導体膜に対する接触抵抗は、前記第一の透明電極の前記半導体膜に対する接触抵抗の１０００倍以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第一および第二の透明電極は、スズドープ酸化インジウムからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記支持体と前記半導体膜との間に設けられた光反射層を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項７】
成長用基板上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜上に透明電極層を形成する工程と、
前記透明電極層上に支持体を形成する工程と、
前記成長用基板を除去する工程と、
前記成長用基板を除去することにより露出した前記半導体膜の露出面上の一部を覆うパッド電極を形成する工程と、を含み、
前記透明電極層を形成する工程は、
前記半導体膜上に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、
前記金属酸化物透明導電膜の前記パッド電極と対向する部分を除去する工程と、
熱処理により前記金属酸化物透明導電膜をシンタリングする工程と、
前記シンタリングする工程の後に前記金属酸化物透明導電膜を部分的に除去することにより露出した前記半導体膜の表面に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理は、前記金属酸化物透明導電膜の結晶化が促進される温度であって酸素を含む雰囲気中で行われることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記透明電極層を構成する金属酸化物透明導電膜は、スズドープ酸化インジウムからなること特徴とする請求項７又は８に記載の製造方法。
【請求項１】
支持体に接合された半導体膜と、
前記半導体膜の前記支持体との接合面とは反対側の面を部分的に覆う第一電極と、
前記半導体膜の前記支持体との接合面側に設けられた第二電極と、を含み、
前記第二電極は、互いに同一の金属酸化物透明導電体からなり且つ互いに電気的に接続された第一の透明電極および第二の透明電極を含み、
前記第二の透明電極は、前記半導体膜を挟んで前記第一電極と対向する位置に設けられ且つ前記半導体膜に対する接触抵抗が前記第一の透明電極よりも高いことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第二の透明電極のシート抵抗は、前記第一の透明電極のシート抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第二の透明電極のバンドギャップは、前記第一の透明電極のバンドギャップよりも大であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第二の透明電極の前記半導体膜に対する接触抵抗は、前記第一の透明電極の前記半導体膜に対する接触抵抗の１０００倍以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第一および第二の透明電極は、スズドープ酸化インジウムからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記支持体と前記半導体膜との間に設けられた光反射層を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項７】
成長用基板上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜上に透明電極層を形成する工程と、
前記透明電極層上に支持体を形成する工程と、
前記成長用基板を除去する工程と、
前記成長用基板を除去することにより露出した前記半導体膜の露出面上の一部を覆うパッド電極を形成する工程と、を含み、
前記透明電極層を形成する工程は、
前記半導体膜上に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、
前記金属酸化物透明導電膜の前記パッド電極と対向する部分を除去する工程と、
熱処理により前記金属酸化物透明導電膜をシンタリングする工程と、
前記シンタリングする工程の後に前記金属酸化物透明導電膜を部分的に除去することにより露出した前記半導体膜の表面に金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理は、前記金属酸化物透明導電膜の結晶化が促進される温度であって酸素を含む雰囲気中で行われることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記透明電極層を構成する金属酸化物透明導電膜は、スズドープ酸化インジウムからなること特徴とする請求項７又は８に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１６９５２６（Ｐ２０１２−１６９５２６Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３０７８０（Ｐ２０１１−３０７８０）
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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