窒化物半導体紫外線発光素子
【課題】 窒化物半導体紫外線発光素子において、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層とｎ電極間の寄生抵抗を、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率に関係なく低抵抗化し、順方向電圧の低電圧化を図る。
【解決手段】 ｎ型クラッド層６上のｎ型クラッド層６の表面と平行な面内の第１領域に、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層７と、活性層７より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層９が形成され、ｎ型クラッド層６上の第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層１１が形成され、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率より小さく、ｎ型コンタクト層６とオーミック接触するｎ電極１３がｎ型コンタクト層１１上に形成されている。
【解決手段】 ｎ型クラッド層６上のｎ型クラッド層６の表面と平行な面内の第１領域に、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層７と、活性層７より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層９が形成され、ｎ型クラッド層６上の第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層１１が形成され、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率より小さく、ｎ型コンタクト層６とオーミック接触するｎ電極１３がｎ型コンタクト層１１上に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等に利用される発光中心波長が約３６５ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子に関し、特に、ｎ電極とｎ型クラッド層間の寄生抵抗の低抵抗化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＧａＮ系窒化物半導体はＧａＮや比較的ＡｌＮモル分率（ＡｌＮ混晶比率またはＡｌ組成比とも呼ばれる。）の小さいＡｌＧａＮ層をベースとして、その上に多層構造から成る発光素子や受光素子が作製されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。図１８に、典型的な従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を示す。図１８に示す発光ダイオードは、サファイア基板１０１上に、ＡｌＮからなる下地層１０２を形成し、周期的な溝構造をフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングで形成した後に、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）−ＡｌＮ層１０３を、テンプレートとして形成し、当該ＥＬＯ−ＡｌＮテンプレート１０３上に、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層１０４、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５、ＡｌＮモル分率が多重量子井戸活性層１０５より大きい膜厚が２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層１０６、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層１０７、膜厚が２０ｎｍのｐ型ＧａＮのコンタクト層１０８を順番に積層した積層構造を有している。多重量子井戸活性層１０５は、膜厚２ｎｍのＧａＮ井戸層を膜厚８ｎｍのＡｌＧａＮバリア層で挟んだ構造を５層積層した構造を有している。結晶成長後、ｎ型クラッド層１０４の一部表面が露出するまで、その上の多重量子井戸活性層１０５、電子ブロック層１０６、ｐ型クラッド層１０７、及び、ｐ型コンタクト層１０８をエッチング除去し、ｐ型コンタクト層１０８の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１０９が、露出したｎ型クラッド層１０４の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１１０が夫々形成されている。ＧａＮ井戸層をＡｌＧａＮ井戸層として、ＡｌＮモル分率や膜厚を変化させることにより発光波長の短波長化を行い、或いは、Ｉｎを添加することで発光波長の長波長化を行い、波長２００ｎｍから４００ｎｍ程度の紫外領域の発光ダイオードが作製できる。半導体レーザについても類似の構成で作製可能である。
【０００３】
図１８に示す発光ダイオードの場合、ｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層１０４の表面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１１０が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮとオーミック接触するｎ電極として、Ｃｒをベースとしてその上にＡｌを設けた電極構造が提案されている（下記の特許文献１参照）。当該特許文献１では、Ａｌ単体のｎ電極ではｎ型ＡｌＧａＮと完全なオーミック接触が形成されないことが開示されている。更に、特許文献１と同じ出願人から、Ａｌ及びＩｎはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と十分なオーミック接触が得難いことが報告されており、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と十分なオーミック接触を得る金属材料として、ＡｌにＴｉを含有させた合金膜または多層膜を使用すること、４００℃以上の温度でアニーリング（熱処理）することが提案されている（下記の特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２９１６２１号公報
【特許文献２】特開平０７−２７８３３４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋｅｎｔａｒｏ Ｎａｇａｍａｔｓｕ，ｅｔａｌ．，“Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ ＵＶ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｏｎ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＡｌＮ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，２００８，３１０，ｐｐ．２３２６−２３２９
【非特許文献２】Ｓｈｉｇｅａｋｉ Ｓｕｍｉｙａ，ｅｔａｌ．，“ＡｌＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ＡｌＮ／Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７， Ｎｏ．１， ２００８，ｐｐ．４３−４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化物半導体紫外線発光素子は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間に活性層（発光層）を挟持したダブルヘテロ構造を備え、発光波長は活性層のバンドギャップエネルギ（禁制帯幅）で定まり、各クラッド層を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌＮモル分率ｘは、活性層より大きく設定されている。従って、発光波長の短波長化により、各クラッド層のＡｌＮモル分率は大きくなる。例えば、発光中心波長が２８０ｎｍ付近の場合では、各クラッド層のＡｌＮモル分率は６０％程度となり、発光中心波長が２５０ｎｍ付近の場合では、各クラッド層のＡｌＮモル分率は７５％程度となる。
【０００７】
上記特許文献２では、ＡｌＮモル分率０．１のＡｌＧａＮのｎ型クラッド層について、ＡｌにＴｉを含有させた合金膜または多層膜を４５０℃でアニーリングしたものを使用することで、ｎ型クラッド層とオーミック接触するｎ電極が得られることが実施例において開示されているだけで、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が更に大きくなった場合においても良好なオーミック接触が可能かどうかの開示はなされていない。更に、特許文献１では、ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率についての言及は一切なされていない。
【０００８】
しかし、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層とＡｌを主成分とするｎ電極との間の接触抵抗は、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が大きくなると、増加する傾向にあり、特に６０％を超えると顕著となる（例えば、非特許文献２参照）。当該接触抵抗の増加は、ｐ電極とｎ電極間に印加する順方向電圧の高電圧化を招き、消費電力の増大、更には、ジュール熱による発光素子の発熱量の増加による素子寿命の低下を招く虞がある。
【０００９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層とｎ電極間の寄生抵抗を、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率に関係なく低抵抗化し、順方向電圧の高電圧化を抑制した高信頼度の窒化物半導体紫外線発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明では、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層上の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域に、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層が形成され、前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さく、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触するｎ電極が前記ｎ型コンタクト層上に形成されていることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子が提供される。
【００１１】
尚、本発明では、ＡｌＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘはＡｌＮモル分率、０≦ｘ≦１）で表わされる３元（または２元）加工物を基本とし、そのバンドギャップエネルギがＧａＮ（ｘ＝０）のバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶ）以上の３族窒化物半導体であり、当該バンドギャップエネルギに関する条件を満たす限りにおいて、微量のＩｎが含有されている場合も含まれる。
【００１２】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ型コンタクト層が、前記第２領域内の少なくとも一部の前記ｎ型クラッド層表面上に再成長して形成されていることが好ましい。
【００１３】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ電極が、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有していること、或いは、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることが好ましい。
【００１４】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有する前記ｎ電極の一部が、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に形成されていること、或いは、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極が形成されていることが好ましい。
【００１５】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることが好ましい。
【００１６】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ型クラッド層が、絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなる前記紫外線を透過するテンプレート上に形成されていることが好ましい。
【００１７】
更に上記目的を達成するため、本発明では、所定のテンプレート上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層の上側にバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層を形成する工程と、前記活性層の上側にｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層より上層に形成された半導体層の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域以外の第２領域をエッチング除去して、前記ｎ型クラッド層を前記第２領域において露出させる工程と、露出した前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の少なくとも一部に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さいｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層を形成する工程と、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触する金属からなるｎ電極を前記ｎ型コンタクト層上に形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法が提供される。
【００１８】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記第１領域と前記第２領域を覆う誘電体膜を形成し、前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層を形成する箇所の前記誘電体膜に開口部を形成し、前記開口部を通して露出した前記ｎ型クラッド層上に、前記ｎ型コンタクト層を再成長させることが好ましい。
【００１９】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記誘電体膜上に成長したｎ型ＡｌＧａＮ系半導体の多結晶膜を、リフトオフ法により前記誘電体膜と同時に除去することが好ましい。
【００２０】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ電極が、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有していること、或いは、前記ｎ電極を形成する工程において、前記ｎ電極を、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成することが好ましい。
【００２１】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ電極を形成する工程で、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分にも形成すること、或いは、前記ｎ電極を形成する工程の後に、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極を形成する工程を有することが好ましい。
【００２２】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることが好ましい。
【００２３】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記テンプレートが、前記紫外線を透過することが好ましい。
【００２４】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が２５％以下であり、前記ｎ電極を形成する工程において、熱処理温度が６００℃以下か、または、熱処理を行わないことが好ましい。
【００２５】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ電極を形成する工程の前に、前記ｐ型クラッド層の上側に前記ｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極を形成する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子または窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法によれば、ｎ型クラッド層とｎ電極の間に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内でｎ型クラッド層よりＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層が介在しているため、ｎ電極とｎ型コンタクト層間が確実にオーミック接触し、その接触抵抗が、ｎ電極とｎ型クラッド層が直接接触する場合より低下するため、ｎ型クラッド層とｎ電極間の寄生抵抗を抑制でき、順方向電圧の低電圧化が図れ、結果として、発光素子の低消費電力化並びに長寿命化が図れる。以下、図１を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の基礎となる測定データで、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上に形成したｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ：最下層がＴｉ、最上層がＡｕ）とｎ型ＡｌＧａＮ層との接触抵抗ρＣ（単位：Ωｃｍ２）と熱処理温度Ｔ（単位：℃）の関係を、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率ｘが、０％、２５％、４０％、６０％、７５％の５通りについて測定した結果を示す。図１に示す各ポイントは、同じＡｌＮモル分率の同じ熱処理温度で処理した複数のサンプルの接触抵抗の平均値をプロットしたもので、破線で示す曲線は、各ポイントの変化の傾向を便宜的に示すものである。尚、接触抵抗の測定は、公知のＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）法により行った。熱処理温度は４５０℃〜１０００℃の範囲内に設定し、ＡｌＮモル分率ｘが０％のサンプルは、熱処理を行わない場合も測定対象とした。ＡｌＮモル分率ｘが０％のサンプルは、熱処理なしの場合と、熱処理温度が４５０℃の場合で接触抵抗は同じであった。また、ＡｌＮモル分率ｘが７５％のサンプルについては、熱処理温度が９５０℃において、ＡｌＮモル分率ｘが６０％のサンプルと比較して、接触抵抗が平均で２００倍以上高く、良好なオーミック接触が形成されておらず、熱処理温度が９００℃以下では、オーミック接触が得られていない。更に、ＡｌＮモル分率ｘが７５％のサンプルについては、接触抵抗のバラツキも大きく、更に２桁以上高い接触抵抗も測定されている。
【００２８】
図１の測定結果より、各ＡｌＮモル分率ｘにおいて、接触抵抗ρＣが低下し、最低値またはその近傍値となる熱処理温度Ｔの範囲があり、ＡｌＮモル分率ｘが小さい程、当該範囲が広く且つ低温域に分布し、大きい程、当該範囲が狭く且つ高温域に移動することが分かる。また、熱処理温度Ｔが当該温度範囲を超えて上昇すると接触抵抗ρＣが上昇し、また、熱処理温度Ｔが当該温度範囲より低下した場合も接触抵抗ρＣが上昇し、熱処理温度Ｔが低下し過ぎると、オーミック接触が形成されなくなる。ＡｌＮモル分率ｘが０〜０．６の範囲内では、熱処理温度Ｔを適正に選択することで、接触抵抗ρＣを０．０１Ωｃｍ２以下に調整できることが分かる。図２及び図３に、接触抵抗ρＣと発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆとの関係を複数のサンプルで測定した結果を示す。図２は、順方向電流が２０ｍＡの場合、図３は、順方向電流が１００ｍＡの場合を夫々示す。図２及び図３より、接触抵抗ρＣが０．０１Ωｃｍ２以下であれば、順方向電流が２０ｍＡの場合の順方向電圧Ｖｆが約６Ｖ以下、順方向電流が１００ｍＡの場合の順方向電圧Ｖｆが約１０Ｖ以下に抑えることができ、実用上問題のないレベルとなる。尚、接触抵抗ρＣが０．００１Ωｃｍ２程度から更に低下すると、順方向電圧Ｖｆに占めるｎ電極の接触抵抗での電圧降下の割合が相対的に低下するため、ｎ電極の接触抵抗以外の寄生抵抗が同じであれば、接触抵抗ρＣを０．００１Ωｃｍ２より更に低減しても順方向電圧Ｖｆの低電圧化にはあまり寄与しないと考えられる。
【００２９】
以上より、ｎ型クラッド層とｎ電極の間に、ｎ型クラッド層よりＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を介在させることで、ｎ電極の接触抵抗の低下と熱処理温度の低下の両方を同時に図ることができる。特に、ｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を形成した場合に、ｎ電極の接触抵抗が極めて大きな値となるｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が６０％を超える場合に、上記効果は顕著となる。
【００３０】
更に、活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗を低下させるために、一般的にｎ型クラッド層上の活性層の形成されていない第２領域の面積を或る程度大きく確保する必要があるが、当該第２領域の面積の確保は、逆に活性層の形成される第１領域の面積を犠牲にするため、同じ発光量を得るためにはチップサイズが大きくなる。しかし、上記特徴構成によれば、ｎ電極とｎ型コンタクト層間の接触抵抗が低下することで、活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗が低下するため、ｎ型クラッド層の第２領域の面積のチップサイズに占める割合を従来のものより低減でき、同じ発光量を得るためのチップサイズを縮小でき、同じチップサイズであれば、発光量の増大と順方向電圧の低電圧化が図れる。
【００３１】
更に、活性層及びｐ型クラッド層を成長させ、それらの一部をエッチング除去して露出したｎ型クラッド層上に、再成長によりｎ型コンタクト層を形成することで、予めｎ型コンタクト層をｎ型クラッド層の下側に形成する必要がない。ここで、再成長とは、下地のｎ型クラッド層の結晶成長とｎ型コンタクト層の結晶成長が連続した一連の成長でないことを意味する。発光ダイオードの場合において、ｎ型クラッド層の下側にＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層が存在すると、活性層からの発光（紫外線）がｎ型コンタクト層で吸収されるため、発光を下層側から取り出すことができない。発光を上側から取り出すとすれば、ｐ型クラッド層の上にＡｌＮモル分率の小さいｐ型コンタクト層を設けることができなくなり、ｐ電極を低抵抗で形成することが困難となり、順方向電圧の低電圧化が阻害される。従って、ｎ型クラッド層の下側にＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を設けない構成とすることで、順方向電圧の低電圧化が確実に図れる。尚、ｎ型クラッド層が絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなるテンプレート上に形成されている場合は、当該テンプレートが紫外線を透過することで、発光を下層側から取り出すことができる。
【００３２】
また、ｎ電極が活性層から発光される紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有している場合、発光を下層側から取り出す場合の取り出し効率の向上が図れる。同様に、ｎ電極と接続する紫外線を反射する金属を含有する反射電極をｎ型コンタクト層の形成されていないｎ型クラッド層上に形成することで、発光を下層側から取り出す場合の取り出し効率の向上が図れる。上述のように、活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗を低下させるために、ｎ型クラッド層の第２領域の面積は或る程度必要となるが、発光を下層側から取り出す場合に、例えば下層側の基板表面で反射した光（紫外線）をｎ型クラッド層上の第２領域のｎ電極或いは反射電極で再反射させることで、実際に発光素子から取り出せる発光量が増加し、外部量子効率が向上する。
【００３３】
ここで、ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率がｎ型クラッド層より小さいため、例えば、ＡｌＮモル分率が０％のＧａＮの場合には、反射光がｎ型コンタクト層で吸収されるため、ｎ型コンタクト層上のｎ電極は反射光の再反射に寄与しないが、ｎ電極の一部或いは反射電極を、ｎ型クラッド層上の第２領域内のｎ型コンタクト層が形成されていない部分にも形成することで、実際に発光素子から取り出せる発光量が増加し、外部量子効率が向上する。
【００３４】
更に、従来のｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を設ける場合、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が２０％以上においては、ｎ電極とｎ型クラッド層間での良好なオーミック接触を得るために、８００℃程度以上の高温での熱処理が必要であった。ところが、このような高温での熱処理は、ｎ電極の表面性状を劣化させるため、後工程でのワイヤーボンディングに悪影響を及ぼす。しかし、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法では、ｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を設ける必要がないため、ｎ電極を形成する工程における熱処理温度を６００℃（Ａｌの融点の６６０．４℃より更に低温）以下に抑制でき、後工程でのワイヤーボンディングに与える悪影響を軽減できる。
【００３５】
更に、従来のｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を設ける場合、高温での熱処理が必要であったため、ｐ電極を形成する工程はｎ電極を形成する工程の後に設けていたが、ｎ電極を形成する工程において、熱処理温度が６００℃以下か、または、熱処理を行わないことで、ｐ電極を形成する工程をｎ電極を形成する工程より先に行うことが可能となる。ｐ電極をｎ電極より先に形成することで、ｐ電極の形成に要する熱処理温度に対する制約が緩和されｐ電極として使用可能な材料の選択肢が増える。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成したｎ電極とｎ型ＡｌＧａＮ層との接触抵抗と熱処理温度Ｔとｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率との間の関係の測定結果を示す特性図
【図２】接触抵抗ρＣと発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ（＠２０ｍＡ）との関係の測定結果を示す特性図
【図３】接触抵抗ρＣと発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ（＠１００ｍＡ）との関係の測定結果を示す特性図
【図４】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における積層構造を模式的に示す断面図
【図５】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｐ型コンタクト層形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図６】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（Ｎｉマスク被覆後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図７】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｎ型クラッド層表面露出後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図８】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（選択成長用マスク形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図９】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｎ型コンタクト層選択成長後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１０】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（選択成長用マスク除去後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１１】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｎ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１２】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（反射電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１３】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｐ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１４】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の別実施形態における一製造工程（ｎ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１５】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施例とｎ型コンタクト層を備えていない比較例における順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの電流電圧特性の測定結果を示す特性図
【図１６】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の２つの実施例の平面視パターンを模式的に示す平面図
【図１７】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の別実施形態における一製造工程（反射電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１８】従来のＡｌＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を模式的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子（以下、適宜「本発明素子」と称する）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で使用する図面では、説明の理解の容易のために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。以下、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
【００３８】
図４に示すように、本発明素子１は、サファイア基板２上にＡｌＮ層３とＡｌＧａＮ層４を成長させた基板をテンプレート５として用い、当該テンプレート５上に、膜厚３．４μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層６、活性層７、Ａｌモル分率が活性層７より大きいｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層８、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層９、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層１０を順番に積層した積層構造を有している。ｎ型クラッド層６より上部の活性層７、電子ブロック層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０の一部が、ｎ型クラッド層６の一部表面が露出するまで反応性イオンエッチング等により除去され、ｎ型クラッド層６上の第１領域（Ｒ１）に活性層７からｐ型コンタクト層１０までの積層構造が形成されている。ｎ型クラッド層６上の第１領域を除く第２領域（Ｒ２）の一部には、ｎ型クラッド層６よりＡｌモル分率の小さいｎ型ＡｌＧａＮからなる膜厚５０ｎｍのｎ型コンタクト層１１が形成されている。また、活性層７は、一例として、膜厚１０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮのバリア層７ａと膜厚３．５ｎｍのＡｌＧａＮの井戸層７ｂからなる単層の量子井戸構造となっている。活性層７は、下側層と上側層にＡｌモル分率の大きいｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮ層で挟持されるダブルヘテロジャンクション構造であれば良く、また、上記単層の量子井戸構造を多層化した多重量子井戸構造であっても良い。
【００３９】
各ＡｌＧａＮ層は、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、或いは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により形成されており、ｎ型層のドナー不純物として、例えばＳｉ、ｐ型層のアクセプタ不純物として、例えばＭｇを使用している。尚、導電型を明記していないＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層は、不純物注入されないアンドープ層である。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層及び活性層のＡｌＮモル分率は、一例として、ＡｌＧａＮ層４、ｎ型クラッド層６及びバリア層７ａが６０％、井戸層７ｂが３５％となっている。ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率は、０％〜６０％の範囲内（好ましくは０％〜４０％の範囲内、より好ましくは０％〜２５％の範囲内）で、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率より小さい値とする。また、ｎ型コンタクト層１１とｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率の差は１０％乃至２０％以上であるのが好ましく、更に好ましくは、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＧａＮ（ＡｌＮモル分率が０％）であるのが良い。
【００４０】
ｐ型コンタクト層１０の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１２が、ｎ型コンタクト層１１の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１３が形成され、ｎ型クラッド層６のｎ型コンタクト層１１で被覆されていない露出面の一部に、例えば、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの反射電極１４が形成されている。尚、図４に示す素子構造は、図１８に示す従来の発光ダイオードの素子構造と、ｎ電極１３の下地構造及び周辺構造を除き、基本的に同じである。従って、本発明素子１は、ｎ電極１３の下地構造及び周辺構造を含むｎ電極構造に特徴がある。
【００４１】
次に、本発明素子１の製造方法について説明する。特に、図４に示すｎ電極構造部分の製造方法について詳細に説明する。図５〜図１４に、主たる製造工程における工程断面図を示す。
【００４２】
先ず、図５に示すように、テンプレート５、及び、ｎ型クラッド層６からｐ型コンタクト層１０までの各層は、上述のように周知の成長方法により形成される。ｐ型コンタクト層１０の形成後、アクセプタ不純物であるＭｇの活性化のため、例えば８００℃で熱処理を施す。次に、図６に示すように、周知のフォトリソグラフィ技術により、ｐ型コンタクト層１０の表面の第１領域を、例えばＮｉマスク２０で被覆する。引き続き、図７に示すように、ｎ型クラッド層６上の全面に堆積された活性層７からｐ型コンタクト層１０までの各層の第２領域に位置する部分を、反応性イオンエッチング等の周知の異方性エッチング法により除去し、ｎ型クラッド層６の表面が露出後に、Ｎｉマスク２０を除去する。
【００４３】
引き続き、図８に示すように、選択成長用のマスクとなる非晶質であるＳｉＯ２膜２１を、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の周知の堆積法により基板全面に膜厚２００ｎｍで堆積させ、周知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング法により、堆積したＳｉＯ２膜２１の第２領域内の一部に開口部２２を形成する。
【００４４】
引き続き、図９（Ａ）に示すように、開口部２２の底部に露出したｎ型クラッド層６の表面上に、ｎ型コンタクト層１１と同様のエピタキシャル成長方法により、ｎ型ＧａＮのｎ型コンタクト層１１を選択成長させる。ここで、ｎ型コンタクト層１１としてｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌモル分率＞０）を使用した場合には、図９（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜２１上に多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ２３が堆積する。ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＧａＮの場合には、ＳｉＯ２膜２１が非晶質であり、その表面にはＧａＮ分子を吸着するダングリングボンドが少ないため、ｎ型コンタクト層１１の表面（結晶面）と比較して吸着エネルギが極めて小さく、更に、ＧａＮ分子はマイグレーションが大きいため、吸着エネルギの大きいｎ型コンタクト層１１の表面に専ら成長して、ＳｉＯ２膜２１上には多結晶としても成長しない。これに対して、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＡｌＧａＮの場合には、ＡｌＮ分子がＧａＮ分子と比較してマイグレーションが小さく、ＳｉＯ２膜２１上への付着性が高いため、ＳｉＯ２膜２１の表面にはＡｌＮを含む組成の多結晶が堆積する。
【００４５】
引き続き、図１０に示すように、フッ酸等を用いたウェットエッチングによりＳｉＯ２膜２１を除去する。このとき、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＡｌＧａＮの場合には、ＳｉＯ２膜２１上に成長した多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ２３は、ＳｉＯ２膜２１とともに除去される。
【００４６】
引き続き、基板全面にｎ電極１３の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、ｎ電極１３となるＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの４層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の４層金属膜を剥離し、必要に応じて、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により熱処理を加えて、図１１に示すように、ｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１３を形成する。Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの４層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、２０ｎｍ／１００ｎｍ／５０ｎｍ／１００ｎｍである。尚、熱処理は、接触抵抗低減の目的で行われる。熱処理温度は、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率に応じて、ｎ電極１３とｎ型コンタクト層１１間の接触抵抗が最も低くなるように、図１に示す関係等を考慮して、例えば、４５０℃〜９５０℃の範囲内で設定するのが好ましい。また、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＧａＮの場合には、熱処理は必ずしも必要ではない。
【００４７】
引き続き、基板全面に反射電極１４の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、反射電極１４となるＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の３層金属膜を剥離し、図１２に示すように、ｎ電極１３（或いはｎ電極１３の少なくとも一部）を覆うように第２領域の略全面に反射電極１４を形成する。Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、１００ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍである。ｎ電極１３を被覆せず直接ｎ型クラッド層６上に形成された反射電極１４は、紫外線を反射するＡｌを主として含むため、サファイア基板２側から反射され、ｎ型クラッド層６を通過してｎ型クラッド層６表面の第２領域に到達する発光を、サファイア基板２側に向けて再反射する。尚、反射電極１４に対しては熱処理を行わない。この結果、反射電極１４内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、紫外線を反射する機能が良好に保持される。また、反射電極１４は、ｎ電極１３とオーミック接触するため、チップの周辺においてワイヤーボンディング用の電極パッドとして使用できる。
【００４８】
ところで、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率が、活性層７のＡｌモル分率より小さい場合（通常は該当する）は、活性層７からの発光は、ｎ型コンタクト層１１で吸収されるため、ｎ型コンタクト層１１上に形成されたｎ電極１３は、反射電極１４と同様に紫外線を反射するＡｌを主として含むものの、反射電極としては殆ど機能しない。
【００４９】
引き続き、基板全面にｐ電極１２の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、ｐ電極１２となるＮｉ／Ａｕの２層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の２層金属膜を剥離し、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により例えば４５０℃の熱処理を加えて、図１３に示すように、ｐ型コンタクト層１０上にｐ電極１２を形成する。Ｎｉ／Ａｕの２層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、６０ｎｍ／５０ｎｍである。その後、全面に保護絶縁膜（図示せず）を堆積し、ワイヤーボンディング用の開口を形成して、本発明素子１が形成される。
【００５０】
以上説明した本発明素子１の製造方法では、ｎ電極１３と反射電極１４を形成した後に、ｐ電極１２を形成する実施形態について説明したが、ｐ電極１２を形成した後に、ｎ電極１３と反射電極１４を形成するようにしても良い。この場合、ｎ型コンタクト層１１をｎ型ＧａＮとすれば、熱処理温度を４５０℃と低温化でき、或いは、熱処理を省略できるため、先に形成されたｐ電極１２に対する後処理であるｎ電極１３の形成時の熱処理による悪影響を排除できる。このため、ｐ電極として、上述の電極材料以外に、より好適な電極材料（例えば、Ｒｈ等）の使用が可能となる。
【００５１】
更に、以上説明した本発明素子１の製造方法では、ｎ電極１３と反射電極１４を個別に形成する実施形態について説明したが、反射電極１４を形成するのに代えて、図１４に示すように、ｎ電極１３を、ｎ型コンタクト層１１上だけでなく、ｎ型コンタクト層１１に覆われていないｎ型クラッド層６上にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率を２５％以下とし、ｎ電極１３の形成時の熱処理温度を６００℃以下に抑えることが好ましい。更に好ましくは、ｎ型コンタクト層１１をｎ型ＧａＮで形成し、熱処理を省略するのが良い。これにより、ｎ電極１３とｎ型コンタクト層１１間の接触抵抗を低く抑えて良好なオーミック接触を形成するとともに、ｎ電極１３内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、ｎ型クラッド層６上のｎ電極１３が、紫外線を反射する機能を良好に発揮できるようになる。
【００５２】
更に、反射電極１４を形成しない場合において、第２領域の面積が小さい場合には、その大部分に、ｎ型コンタクト層１１を形成し、ｎ型コンタクト層１１の上だけにｎ電極１３を形成するようにしても良い。後述するように、ｎ型コンタクト層１１を設けることで、ｎ電極１３の接触抵抗が低減され、それに応じて第２領域の面積を縮小できるため、チップサイズの縮小化が図れる。
【００５３】
次に、ｎ型クラッド層６上にｎ型コンタクト層１１を形成し、ｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１３を形成した本発明素子１の実施例１と、ｎ型コンタクト層１１を形成せずに、ｎ型クラッド層６上にｎ電極１３を直接形成した比較例に対して、夫々順方向電圧Ｖｆ（単位：Ｖ）と順方向電流Ｉｆ（単位：ｍＡ）の電流電圧特性を測定した結果を、図１５に示す。尚、図１５に示す実施例１と比較例では、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を７５％とし、実施例１のｎ型コンタクト層１１はｎ型ＧａＮで形成した。上記以外の部分は、実施例１と比較例の間で同じである。また、実施例１と比較例の平面視パターンは、何れも図１６（Ｂ）に示す通りである（詳細は後述する）。図１５に示される結果より、本発明素子１において、ｎ型コンタクト層１１を設けることで、順方向電圧Ｖｆが大幅に改善（低電圧化）されていることが分かる。
【００５４】
次に、本発明素子１の上記実施例１と実施例１とはｎ型コンタクト層１１及びその周辺構造の異なる実施例２について、夫々複数のサンプルを作製し、発光出力Ｐ（単位：ｍＷ）と順方向電圧Ｖｆ（単位：Ｖ）を測定した結果について説明する。図１６に、実施例１と実施例２の平面視パターンを示す。図１６（Ａ）は、実施例１と実施例２の両者に共通の平面視パターンを示す。実施例１と実施例２では、第１領域Ｒ１（図中クロスハッチ部分）とその周囲の第２領域Ｒ２は、夫々同じ平面視パターン、同じ面積である。第１領域Ｒ１は３本の縦長の長円を中央で横方向に連接した櫛形状に形成されており、実施例１及び実施例２の何れも、第１領域Ｒ１の上面にｐ電極１２が形成されている。実施例１と実施例２のチップは何れも一辺８００μｍの正方形状（破線で外枠を表示）で、第１領域の面積は約１６８０００μｍ２である。図１６（Ｂ）は、実施例１の平面視パターンを示す。実施例１では、第２領域Ｒ２の大部分に、ｎ型コンタクト層１１（図中クロスハッチ部分）が形成され、その上にｎ電極１３が形成されている。実施例１では、反射電極１４は設けていない。図１６（Ｃ）は、実施例２の平面視パターンを示す。実施例２では、第１領域Ｒ１の外周に沿ってｎ型コンタクト層１１（図中クロスハッチ部分）が形成され、その上にｎ電極１３が形成されている。そして、ｎ電極１３を覆うように反射電極１４が設けられており、実施例２の反射電極１４と実施例１のｎ電極１３は同じ平面視パターン、同じ面積である。実施例２のｎ電極１３（ｎ型コンタクト層１１）の面積は、実施例１のｎ電極１３（ｎ型コンタクト層１１）の面積の８分の１である。従って、実施例１と実施例２では、ｎ電極１３（ｎ型コンタクト層１１）の面積と形状、反射電極１４の有無が異なる。
【００５５】
実施例１と実施例２の測定結果を比較すると、実施例２の発光出力Ｐが、実施例１の発光出力Ｐより平均して２０％程度以上向上している。一方、実施例１と実施例２の間で順方向電圧Ｖｆに大差がない。この結果より、ｎ型コンタクト層１１は、第１領域Ｒ１の外周に沿って形成すれば十分であることが分かる。そして、実施例２において、発光出力Ｐが実施例１より向上していることから、ｎ型コンタクト層１１の面積を抑えて、その代わりに反射電極１４を設けることで、発光出力Ｐが向上すること、つまり、外部量子効率が向上することが分かる。換言すれば、発光出力Ｐが同じであれば、反射電極１４を設けずにｎ型コンタクト層１１の面積を必要最小限に抑えて、チップサイズを縮小できることになる。例えば、図１６（Ｃ）に示す実施例２において反射電極１４を設けないとすれば、チップサイズは約６４０μｍ×４８０μｍまで縮小可能であり、第１領域Ｒ１はチップ面積の５０％以上を占めることが可能となる。
【００５６】
以下に、別の実施形態につき説明する。
〈１〉上記実施形態では、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明したが、半導体レーザ（レーザダイオード）においても、ｎ電極をｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層上に直接形成することでｎ電極の接触抵抗が高くなる場合には、上記実施形態と同様に、ｎ型クラッド層上に、ＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を設けることで、ｎ電極の接触抵抗を低下させることができ、同様の電気的特性等の改善が図れる。
【００５７】
〈２〉上記実施形態では、本発明素子１を構成するテンプレートとして、図４に示すテンプレート５を一例としたが、当該テンプレート５に限定されるものではなく、例えば、図１に例示したテンプレートを使用しても良く、或いは、ＡｌＮ層３を図１に示すＥＬＯ−ＡｌＮ層としても良く、ＡｌＧａＮ層４を省略して良く、更には、サファイア基板２に代えて他の基板を用いても良い。更に、上記実施形態で例示した本発明素子１を構成するＡｌＧａＮまたはＧａＮの各層の膜厚及びＡｌＮモル分率は、一例であり、素子の仕様に応じて適宜変更可能である。また、上記実施形態では、電子ブロック層８を設ける場合を例示したが、電子ブロック層８は必ずしも設けなくても構わない。
【００５８】
〈３〉上記実施形態では、ｐ電極１２がＮｉ／Ａｕの場合、ｎ電極１３がＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合、反射電極１４がＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合を例示したが、各電極の電極材料及び膜厚は、上記のものに限定されるものではない。ｐ電極１２とｎ電極１３の電極材料は、夫々の下地層であるｐ型コンタクト層１０、ｎ型コンタクト層１１との間でオーミック接触可能な金属材料であれば良く、必ずしも上記した多層構造でなくても良く、更には、熱処理によって層構造が合金化していても良い。ｎ電極１３は、特に反射電極１４を設けない場合は、上述の如く、紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有しているのが好ましい。ｎ電極１３は、ｎ型コンタクト層１１との粘着性を高めるための金属材料（粘着層）として、Ｔｉを使用する場合を例示したが、Ｔｉに代えてＣｒを用いても良く、また、斯かる粘着層を設けなくても良い。反射電極１４は、紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有している必要があるが、下地層であるｎ型クラッド層６との間でオーミック接触する必要はない。
【００５９】
〈４〉上記実施形態では、反射電極１４を形成する場合に、ｎ電極１３を覆うように第２領域の略全面に形成したが、反射電極１４を、第１領域に形成された活性層７からｐ型コンタクト層１０まで積層体の側壁面にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、当該積層体の各層が電気的に短絡するのを防止するために、図１７に示すように、積層体の側壁面と反射電極１４の間に、ＳｉＯ２等により側壁絶縁膜２４を形成する必要がある。側壁絶縁膜２４は、ｎ電極１３を形成した後に、例えば、基板全面にＳｉＯ２等の絶縁膜を堆積し、異方性エッチングにより堆積した絶縁膜を除去することで、積層体の側壁面にサイドウォール状に残留した絶縁膜を側壁絶縁膜２４として形成する。側壁絶縁膜２４を形成した後、基板全面に反射電極１４の反転パターンとなるフォトレジストを、側壁絶縁膜２４を覆わないように形成し、上述の要領で、反射電極１４の材料膜の堆積、当該フォトレジストのリフトオフを経て、積層体の側壁面を覆う反射電極１４が形成される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子は、発光中心波長が約３６５ｎｍ以下の発光ダイオード、レーザダイオード等に利用可能であり、順方向電圧の低電圧化に有効である。
【符号の説明】
【００６１】
１： 窒化物半導体紫外線発光素子
２，１０１： サファイア基板
３： ＡｌＮ層
４： ＡｌＧａＮ層
５： テンプレート
６，１０４： ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ）
７： 活性層
７ａ： バリア層
７ｂ： 井戸層
８，１０６： 電子ブロック層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
９，１０７： ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
１０，１０８： ｐコンタクト層（ｐ型ＧａＮ）
１１： ｎ型コンタクト層（ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＡｌＧａＮ）
１２，１０９： ｐ電極
１３，１１０： ｎ電極
１４： 反射電極
２０： Ｎｉマスク
２１： ＳｉＯ２膜
２２： 開口部
２３： 多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ
２４： 側壁絶縁膜
１０２： 下地層（ＡｌＮ）
１０３： ＥＬＯ−ＡｌＮ層
１０５： 多重量子井戸活性層
Ｒ１： 第１領域
Ｒ２： 第２領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等に利用される発光中心波長が約３６５ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子に関し、特に、ｎ電極とｎ型クラッド層間の寄生抵抗の低抵抗化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＧａＮ系窒化物半導体はＧａＮや比較的ＡｌＮモル分率（ＡｌＮ混晶比率またはＡｌ組成比とも呼ばれる。）の小さいＡｌＧａＮ層をベースとして、その上に多層構造から成る発光素子や受光素子が作製されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。図１８に、典型的な従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を示す。図１８に示す発光ダイオードは、サファイア基板１０１上に、ＡｌＮからなる下地層１０２を形成し、周期的な溝構造をフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングで形成した後に、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）−ＡｌＮ層１０３を、テンプレートとして形成し、当該ＥＬＯ−ＡｌＮテンプレート１０３上に、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層１０４、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５、ＡｌＮモル分率が多重量子井戸活性層１０５より大きい膜厚が２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層１０６、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層１０７、膜厚が２０ｎｍのｐ型ＧａＮのコンタクト層１０８を順番に積層した積層構造を有している。多重量子井戸活性層１０５は、膜厚２ｎｍのＧａＮ井戸層を膜厚８ｎｍのＡｌＧａＮバリア層で挟んだ構造を５層積層した構造を有している。結晶成長後、ｎ型クラッド層１０４の一部表面が露出するまで、その上の多重量子井戸活性層１０５、電子ブロック層１０６、ｐ型クラッド層１０７、及び、ｐ型コンタクト層１０８をエッチング除去し、ｐ型コンタクト層１０８の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１０９が、露出したｎ型クラッド層１０４の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１１０が夫々形成されている。ＧａＮ井戸層をＡｌＧａＮ井戸層として、ＡｌＮモル分率や膜厚を変化させることにより発光波長の短波長化を行い、或いは、Ｉｎを添加することで発光波長の長波長化を行い、波長２００ｎｍから４００ｎｍ程度の紫外領域の発光ダイオードが作製できる。半導体レーザについても類似の構成で作製可能である。
【０００３】
図１８に示す発光ダイオードの場合、ｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層１０４の表面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１１０が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮとオーミック接触するｎ電極として、Ｃｒをベースとしてその上にＡｌを設けた電極構造が提案されている（下記の特許文献１参照）。当該特許文献１では、Ａｌ単体のｎ電極ではｎ型ＡｌＧａＮと完全なオーミック接触が形成されないことが開示されている。更に、特許文献１と同じ出願人から、Ａｌ及びＩｎはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と十分なオーミック接触が得難いことが報告されており、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と十分なオーミック接触を得る金属材料として、ＡｌにＴｉを含有させた合金膜または多層膜を使用すること、４００℃以上の温度でアニーリング（熱処理）することが提案されている（下記の特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２９１６２１号公報
【特許文献２】特開平０７−２７８３３４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋｅｎｔａｒｏ Ｎａｇａｍａｔｓｕ，ｅｔａｌ．，“Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ ＵＶ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｏｎ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＡｌＮ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，２００８，３１０，ｐｐ．２３２６−２３２９
【非特許文献２】Ｓｈｉｇｅａｋｉ Ｓｕｍｉｙａ，ｅｔａｌ．，“ＡｌＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ＡｌＮ／Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７， Ｎｏ．１， ２００８，ｐｐ．４３−４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化物半導体紫外線発光素子は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間に活性層（発光層）を挟持したダブルヘテロ構造を備え、発光波長は活性層のバンドギャップエネルギ（禁制帯幅）で定まり、各クラッド層を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌＮモル分率ｘは、活性層より大きく設定されている。従って、発光波長の短波長化により、各クラッド層のＡｌＮモル分率は大きくなる。例えば、発光中心波長が２８０ｎｍ付近の場合では、各クラッド層のＡｌＮモル分率は６０％程度となり、発光中心波長が２５０ｎｍ付近の場合では、各クラッド層のＡｌＮモル分率は７５％程度となる。
【０００７】
上記特許文献２では、ＡｌＮモル分率０．１のＡｌＧａＮのｎ型クラッド層について、ＡｌにＴｉを含有させた合金膜または多層膜を４５０℃でアニーリングしたものを使用することで、ｎ型クラッド層とオーミック接触するｎ電極が得られることが実施例において開示されているだけで、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が更に大きくなった場合においても良好なオーミック接触が可能かどうかの開示はなされていない。更に、特許文献１では、ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率についての言及は一切なされていない。
【０００８】
しかし、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層とＡｌを主成分とするｎ電極との間の接触抵抗は、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が大きくなると、増加する傾向にあり、特に６０％を超えると顕著となる（例えば、非特許文献２参照）。当該接触抵抗の増加は、ｐ電極とｎ電極間に印加する順方向電圧の高電圧化を招き、消費電力の増大、更には、ジュール熱による発光素子の発熱量の増加による素子寿命の低下を招く虞がある。
【０００９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層とｎ電極間の寄生抵抗を、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率に関係なく低抵抗化し、順方向電圧の高電圧化を抑制した高信頼度の窒化物半導体紫外線発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明では、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層上の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域に、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層が形成され、前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さく、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触するｎ電極が前記ｎ型コンタクト層上に形成されていることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子が提供される。
【００１１】
尚、本発明では、ＡｌＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘはＡｌＮモル分率、０≦ｘ≦１）で表わされる３元（または２元）加工物を基本とし、そのバンドギャップエネルギがＧａＮ（ｘ＝０）のバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶ）以上の３族窒化物半導体であり、当該バンドギャップエネルギに関する条件を満たす限りにおいて、微量のＩｎが含有されている場合も含まれる。
【００１２】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ型コンタクト層が、前記第２領域内の少なくとも一部の前記ｎ型クラッド層表面上に再成長して形成されていることが好ましい。
【００１３】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ電極が、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有していること、或いは、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることが好ましい。
【００１４】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有する前記ｎ電極の一部が、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に形成されていること、或いは、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極が形成されていることが好ましい。
【００１５】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることが好ましい。
【００１６】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記ｎ型クラッド層が、絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなる前記紫外線を透過するテンプレート上に形成されていることが好ましい。
【００１７】
更に上記目的を達成するため、本発明では、所定のテンプレート上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層の上側にバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層を形成する工程と、前記活性層の上側にｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を形成する工程と、前記ｎ型クラッド層より上層に形成された半導体層の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域以外の第２領域をエッチング除去して、前記ｎ型クラッド層を前記第２領域において露出させる工程と、露出した前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の少なくとも一部に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さいｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層を形成する工程と、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触する金属からなるｎ電極を前記ｎ型コンタクト層上に形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法が提供される。
【００１８】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記第１領域と前記第２領域を覆う誘電体膜を形成し、前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層を形成する箇所の前記誘電体膜に開口部を形成し、前記開口部を通して露出した前記ｎ型クラッド層上に、前記ｎ型コンタクト層を再成長させることが好ましい。
【００１９】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記誘電体膜上に成長したｎ型ＡｌＧａＮ系半導体の多結晶膜を、リフトオフ法により前記誘電体膜と同時に除去することが好ましい。
【００２０】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ電極が、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有していること、或いは、前記ｎ電極を形成する工程において、前記ｎ電極を、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成することが好ましい。
【００２１】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ電極を形成する工程で、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分にも形成すること、或いは、前記ｎ電極を形成する工程の後に、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極を形成する工程を有することが好ましい。
【００２２】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることが好ましい。
【００２３】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記テンプレートが、前記紫外線を透過することが好ましい。
【００２４】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が２５％以下であり、前記ｎ電極を形成する工程において、熱処理温度が６００℃以下か、または、熱処理を行わないことが好ましい。
【００２５】
更に、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法において、前記ｎ電極を形成する工程の前に、前記ｐ型クラッド層の上側に前記ｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極を形成する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子または窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法によれば、ｎ型クラッド層とｎ電極の間に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内でｎ型クラッド層よりＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層が介在しているため、ｎ電極とｎ型コンタクト層間が確実にオーミック接触し、その接触抵抗が、ｎ電極とｎ型クラッド層が直接接触する場合より低下するため、ｎ型クラッド層とｎ電極間の寄生抵抗を抑制でき、順方向電圧の低電圧化が図れ、結果として、発光素子の低消費電力化並びに長寿命化が図れる。以下、図１を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の基礎となる測定データで、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上に形成したｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ：最下層がＴｉ、最上層がＡｕ）とｎ型ＡｌＧａＮ層との接触抵抗ρＣ（単位：Ωｃｍ２）と熱処理温度Ｔ（単位：℃）の関係を、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率ｘが、０％、２５％、４０％、６０％、７５％の５通りについて測定した結果を示す。図１に示す各ポイントは、同じＡｌＮモル分率の同じ熱処理温度で処理した複数のサンプルの接触抵抗の平均値をプロットしたもので、破線で示す曲線は、各ポイントの変化の傾向を便宜的に示すものである。尚、接触抵抗の測定は、公知のＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）法により行った。熱処理温度は４５０℃〜１０００℃の範囲内に設定し、ＡｌＮモル分率ｘが０％のサンプルは、熱処理を行わない場合も測定対象とした。ＡｌＮモル分率ｘが０％のサンプルは、熱処理なしの場合と、熱処理温度が４５０℃の場合で接触抵抗は同じであった。また、ＡｌＮモル分率ｘが７５％のサンプルについては、熱処理温度が９５０℃において、ＡｌＮモル分率ｘが６０％のサンプルと比較して、接触抵抗が平均で２００倍以上高く、良好なオーミック接触が形成されておらず、熱処理温度が９００℃以下では、オーミック接触が得られていない。更に、ＡｌＮモル分率ｘが７５％のサンプルについては、接触抵抗のバラツキも大きく、更に２桁以上高い接触抵抗も測定されている。
【００２８】
図１の測定結果より、各ＡｌＮモル分率ｘにおいて、接触抵抗ρＣが低下し、最低値またはその近傍値となる熱処理温度Ｔの範囲があり、ＡｌＮモル分率ｘが小さい程、当該範囲が広く且つ低温域に分布し、大きい程、当該範囲が狭く且つ高温域に移動することが分かる。また、熱処理温度Ｔが当該温度範囲を超えて上昇すると接触抵抗ρＣが上昇し、また、熱処理温度Ｔが当該温度範囲より低下した場合も接触抵抗ρＣが上昇し、熱処理温度Ｔが低下し過ぎると、オーミック接触が形成されなくなる。ＡｌＮモル分率ｘが０〜０．６の範囲内では、熱処理温度Ｔを適正に選択することで、接触抵抗ρＣを０．０１Ωｃｍ２以下に調整できることが分かる。図２及び図３に、接触抵抗ρＣと発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆとの関係を複数のサンプルで測定した結果を示す。図２は、順方向電流が２０ｍＡの場合、図３は、順方向電流が１００ｍＡの場合を夫々示す。図２及び図３より、接触抵抗ρＣが０．０１Ωｃｍ２以下であれば、順方向電流が２０ｍＡの場合の順方向電圧Ｖｆが約６Ｖ以下、順方向電流が１００ｍＡの場合の順方向電圧Ｖｆが約１０Ｖ以下に抑えることができ、実用上問題のないレベルとなる。尚、接触抵抗ρＣが０．００１Ωｃｍ２程度から更に低下すると、順方向電圧Ｖｆに占めるｎ電極の接触抵抗での電圧降下の割合が相対的に低下するため、ｎ電極の接触抵抗以外の寄生抵抗が同じであれば、接触抵抗ρＣを０．００１Ωｃｍ２より更に低減しても順方向電圧Ｖｆの低電圧化にはあまり寄与しないと考えられる。
【００２９】
以上より、ｎ型クラッド層とｎ電極の間に、ｎ型クラッド層よりＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を介在させることで、ｎ電極の接触抵抗の低下と熱処理温度の低下の両方を同時に図ることができる。特に、ｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を形成した場合に、ｎ電極の接触抵抗が極めて大きな値となるｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が６０％を超える場合に、上記効果は顕著となる。
【００３０】
更に、活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗を低下させるために、一般的にｎ型クラッド層上の活性層の形成されていない第２領域の面積を或る程度大きく確保する必要があるが、当該第２領域の面積の確保は、逆に活性層の形成される第１領域の面積を犠牲にするため、同じ発光量を得るためにはチップサイズが大きくなる。しかし、上記特徴構成によれば、ｎ電極とｎ型コンタクト層間の接触抵抗が低下することで、活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗が低下するため、ｎ型クラッド層の第２領域の面積のチップサイズに占める割合を従来のものより低減でき、同じ発光量を得るためのチップサイズを縮小でき、同じチップサイズであれば、発光量の増大と順方向電圧の低電圧化が図れる。
【００３１】
更に、活性層及びｐ型クラッド層を成長させ、それらの一部をエッチング除去して露出したｎ型クラッド層上に、再成長によりｎ型コンタクト層を形成することで、予めｎ型コンタクト層をｎ型クラッド層の下側に形成する必要がない。ここで、再成長とは、下地のｎ型クラッド層の結晶成長とｎ型コンタクト層の結晶成長が連続した一連の成長でないことを意味する。発光ダイオードの場合において、ｎ型クラッド層の下側にＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層が存在すると、活性層からの発光（紫外線）がｎ型コンタクト層で吸収されるため、発光を下層側から取り出すことができない。発光を上側から取り出すとすれば、ｐ型クラッド層の上にＡｌＮモル分率の小さいｐ型コンタクト層を設けることができなくなり、ｐ電極を低抵抗で形成することが困難となり、順方向電圧の低電圧化が阻害される。従って、ｎ型クラッド層の下側にＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を設けない構成とすることで、順方向電圧の低電圧化が確実に図れる。尚、ｎ型クラッド層が絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなるテンプレート上に形成されている場合は、当該テンプレートが紫外線を透過することで、発光を下層側から取り出すことができる。
【００３２】
また、ｎ電極が活性層から発光される紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有している場合、発光を下層側から取り出す場合の取り出し効率の向上が図れる。同様に、ｎ電極と接続する紫外線を反射する金属を含有する反射電極をｎ型コンタクト層の形成されていないｎ型クラッド層上に形成することで、発光を下層側から取り出す場合の取り出し効率の向上が図れる。上述のように、活性層からｎ電極に至る電流経路の寄生抵抗を低下させるために、ｎ型クラッド層の第２領域の面積は或る程度必要となるが、発光を下層側から取り出す場合に、例えば下層側の基板表面で反射した光（紫外線）をｎ型クラッド層上の第２領域のｎ電極或いは反射電極で再反射させることで、実際に発光素子から取り出せる発光量が増加し、外部量子効率が向上する。
【００３３】
ここで、ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率がｎ型クラッド層より小さいため、例えば、ＡｌＮモル分率が０％のＧａＮの場合には、反射光がｎ型コンタクト層で吸収されるため、ｎ型コンタクト層上のｎ電極は反射光の再反射に寄与しないが、ｎ電極の一部或いは反射電極を、ｎ型クラッド層上の第２領域内のｎ型コンタクト層が形成されていない部分にも形成することで、実際に発光素子から取り出せる発光量が増加し、外部量子効率が向上する。
【００３４】
更に、従来のｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を設ける場合、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率が２０％以上においては、ｎ電極とｎ型クラッド層間での良好なオーミック接触を得るために、８００℃程度以上の高温での熱処理が必要であった。ところが、このような高温での熱処理は、ｎ電極の表面性状を劣化させるため、後工程でのワイヤーボンディングに悪影響を及ぼす。しかし、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法では、ｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を設ける必要がないため、ｎ電極を形成する工程における熱処理温度を６００℃（Ａｌの融点の６６０．４℃より更に低温）以下に抑制でき、後工程でのワイヤーボンディングに与える悪影響を軽減できる。
【００３５】
更に、従来のｎ型クラッド層上に直接ｎ電極を設ける場合、高温での熱処理が必要であったため、ｐ電極を形成する工程はｎ電極を形成する工程の後に設けていたが、ｎ電極を形成する工程において、熱処理温度が６００℃以下か、または、熱処理を行わないことで、ｐ電極を形成する工程をｎ電極を形成する工程より先に行うことが可能となる。ｐ電極をｎ電極より先に形成することで、ｐ電極の形成に要する熱処理温度に対する制約が緩和されｐ電極として使用可能な材料の選択肢が増える。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成したｎ電極とｎ型ＡｌＧａＮ層との接触抵抗と熱処理温度Ｔとｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮモル分率との間の関係の測定結果を示す特性図
【図２】接触抵抗ρＣと発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ（＠２０ｍＡ）との関係の測定結果を示す特性図
【図３】接触抵抗ρＣと発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ（＠１００ｍＡ）との関係の測定結果を示す特性図
【図４】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における積層構造を模式的に示す断面図
【図５】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｐ型コンタクト層形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図６】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（Ｎｉマスク被覆後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図７】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｎ型クラッド層表面露出後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図８】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（選択成長用マスク形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図９】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｎ型コンタクト層選択成長後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１０】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（選択成長用マスク除去後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１１】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｎ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１２】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（反射電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１３】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施形態における一製造工程（ｐ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１４】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の別実施形態における一製造工程（ｎ電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１５】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の一実施例とｎ型コンタクト層を備えていない比較例における順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの電流電圧特性の測定結果を示す特性図
【図１６】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の２つの実施例の平面視パターンを模式的に示す平面図
【図１７】本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子の別実施形態における一製造工程（反射電極形成後）の積層構造を模式的に示す工程断面図
【図１８】従来のＡｌＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を模式的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子（以下、適宜「本発明素子」と称する）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で使用する図面では、説明の理解の容易のために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。以下、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
【００３８】
図４に示すように、本発明素子１は、サファイア基板２上にＡｌＮ層３とＡｌＧａＮ層４を成長させた基板をテンプレート５として用い、当該テンプレート５上に、膜厚３．４μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層６、活性層７、Ａｌモル分率が活性層７より大きいｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層８、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層９、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層１０を順番に積層した積層構造を有している。ｎ型クラッド層６より上部の活性層７、電子ブロック層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０の一部が、ｎ型クラッド層６の一部表面が露出するまで反応性イオンエッチング等により除去され、ｎ型クラッド層６上の第１領域（Ｒ１）に活性層７からｐ型コンタクト層１０までの積層構造が形成されている。ｎ型クラッド層６上の第１領域を除く第２領域（Ｒ２）の一部には、ｎ型クラッド層６よりＡｌモル分率の小さいｎ型ＡｌＧａＮからなる膜厚５０ｎｍのｎ型コンタクト層１１が形成されている。また、活性層７は、一例として、膜厚１０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮのバリア層７ａと膜厚３．５ｎｍのＡｌＧａＮの井戸層７ｂからなる単層の量子井戸構造となっている。活性層７は、下側層と上側層にＡｌモル分率の大きいｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮ層で挟持されるダブルヘテロジャンクション構造であれば良く、また、上記単層の量子井戸構造を多層化した多重量子井戸構造であっても良い。
【００３９】
各ＡｌＧａＮ層は、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、或いは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により形成されており、ｎ型層のドナー不純物として、例えばＳｉ、ｐ型層のアクセプタ不純物として、例えばＭｇを使用している。尚、導電型を明記していないＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層は、不純物注入されないアンドープ層である。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層及び活性層のＡｌＮモル分率は、一例として、ＡｌＧａＮ層４、ｎ型クラッド層６及びバリア層７ａが６０％、井戸層７ｂが３５％となっている。ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率は、０％〜６０％の範囲内（好ましくは０％〜４０％の範囲内、より好ましくは０％〜２５％の範囲内）で、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率より小さい値とする。また、ｎ型コンタクト層１１とｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率の差は１０％乃至２０％以上であるのが好ましく、更に好ましくは、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＧａＮ（ＡｌＮモル分率が０％）であるのが良い。
【００４０】
ｐ型コンタクト層１０の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１２が、ｎ型コンタクト層１１の表面に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１３が形成され、ｎ型クラッド層６のｎ型コンタクト層１１で被覆されていない露出面の一部に、例えば、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの反射電極１４が形成されている。尚、図４に示す素子構造は、図１８に示す従来の発光ダイオードの素子構造と、ｎ電極１３の下地構造及び周辺構造を除き、基本的に同じである。従って、本発明素子１は、ｎ電極１３の下地構造及び周辺構造を含むｎ電極構造に特徴がある。
【００４１】
次に、本発明素子１の製造方法について説明する。特に、図４に示すｎ電極構造部分の製造方法について詳細に説明する。図５〜図１４に、主たる製造工程における工程断面図を示す。
【００４２】
先ず、図５に示すように、テンプレート５、及び、ｎ型クラッド層６からｐ型コンタクト層１０までの各層は、上述のように周知の成長方法により形成される。ｐ型コンタクト層１０の形成後、アクセプタ不純物であるＭｇの活性化のため、例えば８００℃で熱処理を施す。次に、図６に示すように、周知のフォトリソグラフィ技術により、ｐ型コンタクト層１０の表面の第１領域を、例えばＮｉマスク２０で被覆する。引き続き、図７に示すように、ｎ型クラッド層６上の全面に堆積された活性層７からｐ型コンタクト層１０までの各層の第２領域に位置する部分を、反応性イオンエッチング等の周知の異方性エッチング法により除去し、ｎ型クラッド層６の表面が露出後に、Ｎｉマスク２０を除去する。
【００４３】
引き続き、図８に示すように、選択成長用のマスクとなる非晶質であるＳｉＯ２膜２１を、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の周知の堆積法により基板全面に膜厚２００ｎｍで堆積させ、周知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング法により、堆積したＳｉＯ２膜２１の第２領域内の一部に開口部２２を形成する。
【００４４】
引き続き、図９（Ａ）に示すように、開口部２２の底部に露出したｎ型クラッド層６の表面上に、ｎ型コンタクト層１１と同様のエピタキシャル成長方法により、ｎ型ＧａＮのｎ型コンタクト層１１を選択成長させる。ここで、ｎ型コンタクト層１１としてｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌモル分率＞０）を使用した場合には、図９（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜２１上に多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ２３が堆積する。ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＧａＮの場合には、ＳｉＯ２膜２１が非晶質であり、その表面にはＧａＮ分子を吸着するダングリングボンドが少ないため、ｎ型コンタクト層１１の表面（結晶面）と比較して吸着エネルギが極めて小さく、更に、ＧａＮ分子はマイグレーションが大きいため、吸着エネルギの大きいｎ型コンタクト層１１の表面に専ら成長して、ＳｉＯ２膜２１上には多結晶としても成長しない。これに対して、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＡｌＧａＮの場合には、ＡｌＮ分子がＧａＮ分子と比較してマイグレーションが小さく、ＳｉＯ２膜２１上への付着性が高いため、ＳｉＯ２膜２１の表面にはＡｌＮを含む組成の多結晶が堆積する。
【００４５】
引き続き、図１０に示すように、フッ酸等を用いたウェットエッチングによりＳｉＯ２膜２１を除去する。このとき、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＡｌＧａＮの場合には、ＳｉＯ２膜２１上に成長した多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ２３は、ＳｉＯ２膜２１とともに除去される。
【００４６】
引き続き、基板全面にｎ電極１３の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、ｎ電極１３となるＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの４層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の４層金属膜を剥離し、必要に応じて、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により熱処理を加えて、図１１に示すように、ｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１３を形成する。Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの４層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、２０ｎｍ／１００ｎｍ／５０ｎｍ／１００ｎｍである。尚、熱処理は、接触抵抗低減の目的で行われる。熱処理温度は、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率に応じて、ｎ電極１３とｎ型コンタクト層１１間の接触抵抗が最も低くなるように、図１に示す関係等を考慮して、例えば、４５０℃〜９５０℃の範囲内で設定するのが好ましい。また、ｎ型コンタクト層１１がｎ型ＧａＮの場合には、熱処理は必ずしも必要ではない。
【００４７】
引き続き、基板全面に反射電極１４の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、反射電極１４となるＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の３層金属膜を剥離し、図１２に示すように、ｎ電極１３（或いはｎ電極１３の少なくとも一部）を覆うように第２領域の略全面に反射電極１４を形成する。Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの３層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、１００ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍである。ｎ電極１３を被覆せず直接ｎ型クラッド層６上に形成された反射電極１４は、紫外線を反射するＡｌを主として含むため、サファイア基板２側から反射され、ｎ型クラッド層６を通過してｎ型クラッド層６表面の第２領域に到達する発光を、サファイア基板２側に向けて再反射する。尚、反射電極１４に対しては熱処理を行わない。この結果、反射電極１４内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、紫外線を反射する機能が良好に保持される。また、反射電極１４は、ｎ電極１３とオーミック接触するため、チップの周辺においてワイヤーボンディング用の電極パッドとして使用できる。
【００４８】
ところで、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率が、活性層７のＡｌモル分率より小さい場合（通常は該当する）は、活性層７からの発光は、ｎ型コンタクト層１１で吸収されるため、ｎ型コンタクト層１１上に形成されたｎ電極１３は、反射電極１４と同様に紫外線を反射するＡｌを主として含むものの、反射電極としては殆ど機能しない。
【００４９】
引き続き、基板全面にｐ電極１２の反転パターンとなるフォトレジスト（図示せず）を形成しておき、その上に、ｐ電極１２となるＮｉ／Ａｕの２層金属膜を、電子ビーム蒸着法等により蒸着し、当該フォトレジストをリフトオフにより除去して、当該フォトレジスト上の２層金属膜を剥離し、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）等により例えば４５０℃の熱処理を加えて、図１３に示すように、ｐ型コンタクト層１０上にｐ電極１２を形成する。Ｎｉ／Ａｕの２層金属膜の膜厚は、例えば、記載順に、６０ｎｍ／５０ｎｍである。その後、全面に保護絶縁膜（図示せず）を堆積し、ワイヤーボンディング用の開口を形成して、本発明素子１が形成される。
【００５０】
以上説明した本発明素子１の製造方法では、ｎ電極１３と反射電極１４を形成した後に、ｐ電極１２を形成する実施形態について説明したが、ｐ電極１２を形成した後に、ｎ電極１３と反射電極１４を形成するようにしても良い。この場合、ｎ型コンタクト層１１をｎ型ＧａＮとすれば、熱処理温度を４５０℃と低温化でき、或いは、熱処理を省略できるため、先に形成されたｐ電極１２に対する後処理であるｎ電極１３の形成時の熱処理による悪影響を排除できる。このため、ｐ電極として、上述の電極材料以外に、より好適な電極材料（例えば、Ｒｈ等）の使用が可能となる。
【００５１】
更に、以上説明した本発明素子１の製造方法では、ｎ電極１３と反射電極１４を個別に形成する実施形態について説明したが、反射電極１４を形成するのに代えて、図１４に示すように、ｎ電極１３を、ｎ型コンタクト層１１上だけでなく、ｎ型コンタクト層１１に覆われていないｎ型クラッド層６上にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、ｎ型コンタクト層１１のＡｌＮモル分率を２５％以下とし、ｎ電極１３の形成時の熱処理温度を６００℃以下に抑えることが好ましい。更に好ましくは、ｎ型コンタクト層１１をｎ型ＧａＮで形成し、熱処理を省略するのが良い。これにより、ｎ電極１３とｎ型コンタクト層１１間の接触抵抗を低く抑えて良好なオーミック接触を形成するとともに、ｎ電極１３内のＡｌ層が熱処理によって溶融しないため、ｎ型クラッド層６上のｎ電極１３が、紫外線を反射する機能を良好に発揮できるようになる。
【００５２】
更に、反射電極１４を形成しない場合において、第２領域の面積が小さい場合には、その大部分に、ｎ型コンタクト層１１を形成し、ｎ型コンタクト層１１の上だけにｎ電極１３を形成するようにしても良い。後述するように、ｎ型コンタクト層１１を設けることで、ｎ電極１３の接触抵抗が低減され、それに応じて第２領域の面積を縮小できるため、チップサイズの縮小化が図れる。
【００５３】
次に、ｎ型クラッド層６上にｎ型コンタクト層１１を形成し、ｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１３を形成した本発明素子１の実施例１と、ｎ型コンタクト層１１を形成せずに、ｎ型クラッド層６上にｎ電極１３を直接形成した比較例に対して、夫々順方向電圧Ｖｆ（単位：Ｖ）と順方向電流Ｉｆ（単位：ｍＡ）の電流電圧特性を測定した結果を、図１５に示す。尚、図１５に示す実施例１と比較例では、ｎ型クラッド層６のＡｌＮモル分率を７５％とし、実施例１のｎ型コンタクト層１１はｎ型ＧａＮで形成した。上記以外の部分は、実施例１と比較例の間で同じである。また、実施例１と比較例の平面視パターンは、何れも図１６（Ｂ）に示す通りである（詳細は後述する）。図１５に示される結果より、本発明素子１において、ｎ型コンタクト層１１を設けることで、順方向電圧Ｖｆが大幅に改善（低電圧化）されていることが分かる。
【００５４】
次に、本発明素子１の上記実施例１と実施例１とはｎ型コンタクト層１１及びその周辺構造の異なる実施例２について、夫々複数のサンプルを作製し、発光出力Ｐ（単位：ｍＷ）と順方向電圧Ｖｆ（単位：Ｖ）を測定した結果について説明する。図１６に、実施例１と実施例２の平面視パターンを示す。図１６（Ａ）は、実施例１と実施例２の両者に共通の平面視パターンを示す。実施例１と実施例２では、第１領域Ｒ１（図中クロスハッチ部分）とその周囲の第２領域Ｒ２は、夫々同じ平面視パターン、同じ面積である。第１領域Ｒ１は３本の縦長の長円を中央で横方向に連接した櫛形状に形成されており、実施例１及び実施例２の何れも、第１領域Ｒ１の上面にｐ電極１２が形成されている。実施例１と実施例２のチップは何れも一辺８００μｍの正方形状（破線で外枠を表示）で、第１領域の面積は約１６８０００μｍ２である。図１６（Ｂ）は、実施例１の平面視パターンを示す。実施例１では、第２領域Ｒ２の大部分に、ｎ型コンタクト層１１（図中クロスハッチ部分）が形成され、その上にｎ電極１３が形成されている。実施例１では、反射電極１４は設けていない。図１６（Ｃ）は、実施例２の平面視パターンを示す。実施例２では、第１領域Ｒ１の外周に沿ってｎ型コンタクト層１１（図中クロスハッチ部分）が形成され、その上にｎ電極１３が形成されている。そして、ｎ電極１３を覆うように反射電極１４が設けられており、実施例２の反射電極１４と実施例１のｎ電極１３は同じ平面視パターン、同じ面積である。実施例２のｎ電極１３（ｎ型コンタクト層１１）の面積は、実施例１のｎ電極１３（ｎ型コンタクト層１１）の面積の８分の１である。従って、実施例１と実施例２では、ｎ電極１３（ｎ型コンタクト層１１）の面積と形状、反射電極１４の有無が異なる。
【００５５】
実施例１と実施例２の測定結果を比較すると、実施例２の発光出力Ｐが、実施例１の発光出力Ｐより平均して２０％程度以上向上している。一方、実施例１と実施例２の間で順方向電圧Ｖｆに大差がない。この結果より、ｎ型コンタクト層１１は、第１領域Ｒ１の外周に沿って形成すれば十分であることが分かる。そして、実施例２において、発光出力Ｐが実施例１より向上していることから、ｎ型コンタクト層１１の面積を抑えて、その代わりに反射電極１４を設けることで、発光出力Ｐが向上すること、つまり、外部量子効率が向上することが分かる。換言すれば、発光出力Ｐが同じであれば、反射電極１４を設けずにｎ型コンタクト層１１の面積を必要最小限に抑えて、チップサイズを縮小できることになる。例えば、図１６（Ｃ）に示す実施例２において反射電極１４を設けないとすれば、チップサイズは約６４０μｍ×４８０μｍまで縮小可能であり、第１領域Ｒ１はチップ面積の５０％以上を占めることが可能となる。
【００５６】
以下に、別の実施形態につき説明する。
〈１〉上記実施形態では、本発明素子が発光ダイオードの場合を想定して説明したが、半導体レーザ（レーザダイオード）においても、ｎ電極をｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層上に直接形成することでｎ電極の接触抵抗が高くなる場合には、上記実施形態と同様に、ｎ型クラッド層上に、ＡｌＮモル分率の小さいｎ型コンタクト層を設けることで、ｎ電極の接触抵抗を低下させることができ、同様の電気的特性等の改善が図れる。
【００５７】
〈２〉上記実施形態では、本発明素子１を構成するテンプレートとして、図４に示すテンプレート５を一例としたが、当該テンプレート５に限定されるものではなく、例えば、図１に例示したテンプレートを使用しても良く、或いは、ＡｌＮ層３を図１に示すＥＬＯ−ＡｌＮ層としても良く、ＡｌＧａＮ層４を省略して良く、更には、サファイア基板２に代えて他の基板を用いても良い。更に、上記実施形態で例示した本発明素子１を構成するＡｌＧａＮまたはＧａＮの各層の膜厚及びＡｌＮモル分率は、一例であり、素子の仕様に応じて適宜変更可能である。また、上記実施形態では、電子ブロック層８を設ける場合を例示したが、電子ブロック層８は必ずしも設けなくても構わない。
【００５８】
〈３〉上記実施形態では、ｐ電極１２がＮｉ／Ａｕの場合、ｎ電極１３がＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合、反射電極１４がＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの場合を例示したが、各電極の電極材料及び膜厚は、上記のものに限定されるものではない。ｐ電極１２とｎ電極１３の電極材料は、夫々の下地層であるｐ型コンタクト層１０、ｎ型コンタクト層１１との間でオーミック接触可能な金属材料であれば良く、必ずしも上記した多層構造でなくても良く、更には、熱処理によって層構造が合金化していても良い。ｎ電極１３は、特に反射電極１４を設けない場合は、上述の如く、紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有しているのが好ましい。ｎ電極１３は、ｎ型コンタクト層１１との粘着性を高めるための金属材料（粘着層）として、Ｔｉを使用する場合を例示したが、Ｔｉに代えてＣｒを用いても良く、また、斯かる粘着層を設けなくても良い。反射電極１４は、紫外線を反射する金属、例えば、Ａｌを主成分として含有している必要があるが、下地層であるｎ型クラッド層６との間でオーミック接触する必要はない。
【００５９】
〈４〉上記実施形態では、反射電極１４を形成する場合に、ｎ電極１３を覆うように第２領域の略全面に形成したが、反射電極１４を、第１領域に形成された活性層７からｐ型コンタクト層１０まで積層体の側壁面にも形成するのも好ましい実施形態である。この場合、当該積層体の各層が電気的に短絡するのを防止するために、図１７に示すように、積層体の側壁面と反射電極１４の間に、ＳｉＯ２等により側壁絶縁膜２４を形成する必要がある。側壁絶縁膜２４は、ｎ電極１３を形成した後に、例えば、基板全面にＳｉＯ２等の絶縁膜を堆積し、異方性エッチングにより堆積した絶縁膜を除去することで、積層体の側壁面にサイドウォール状に残留した絶縁膜を側壁絶縁膜２４として形成する。側壁絶縁膜２４を形成した後、基板全面に反射電極１４の反転パターンとなるフォトレジストを、側壁絶縁膜２４を覆わないように形成し、上述の要領で、反射電極１４の材料膜の堆積、当該フォトレジストのリフトオフを経て、積層体の側壁面を覆う反射電極１４が形成される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子は、発光中心波長が約３６５ｎｍ以下の発光ダイオード、レーザダイオード等に利用可能であり、順方向電圧の低電圧化に有効である。
【符号の説明】
【００６１】
１： 窒化物半導体紫外線発光素子
２，１０１： サファイア基板
３： ＡｌＮ層
４： ＡｌＧａＮ層
５： テンプレート
６，１０４： ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ）
７： 活性層
７ａ： バリア層
７ｂ： 井戸層
８，１０６： 電子ブロック層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
９，１０７： ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ）
１０，１０８： ｐコンタクト層（ｐ型ＧａＮ）
１１： ｎ型コンタクト層（ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＡｌＧａＮ）
１２，１０９： ｐ電極
１３，１１０： ｎ電極
１４： 反射電極
２０： Ｎｉマスク
２１： ＳｉＯ２膜
２２： 開口部
２３： 多結晶のｎ型ＡｌＧａＮ
２４： 側壁絶縁膜
１０２： 下地層（ＡｌＮ）
１０３： ＥＬＯ−ＡｌＮ層
１０５： 多重量子井戸活性層
Ｒ１： 第１領域
Ｒ２： 第２領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層上の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域に、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、
前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層が形成され、
前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さく、
前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触するｎ電極が前記ｎ型コンタクト層上に形成されていることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型コンタクト層が、前記第２領域内の少なくとも一部の前記ｎ型クラッド層表面上に再成長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項３】
前記ｎ電極が、紫外線を反射する金属を主成分として含有していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項４】
前記ｎ電極が、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項５】
前記ｎ電極の一部が、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型クラッド層が、絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなる前記紫外線を透過するテンプレート上に形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項９】
所定のテンプレート上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層の上側にバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層を形成する工程と、
前記活性層の上側にｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層より上層に形成された半導体層の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域以外の第２領域をエッチング除去して、前記ｎ型クラッド層を前記第２領域において露出させる工程と、
露出した前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の少なくとも一部に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さいｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層を形成する工程と、
前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触するｎ電極を前記ｎ型コンタクト層上に形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記第１領域と前記第２領域を覆う誘電体膜を形成し、前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層を形成する箇所の前記誘電体膜に開口部を形成し、前記開口部を通して露出した前記ｎ型クラッド層上に、前記ｎ型コンタクト層を再成長させることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記誘電体膜上に成長したｎ型ＡｌＧａＮ系半導体の多結晶膜を、リフトオフ法により前記誘電体膜と同時に除去することを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記ｎ電極が、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有していることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ｎ電極を形成する工程において、前記ｎ電極を、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ｎ電極を形成する工程において、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分にも形成することを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ｎ電極を形成する工程の後に、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることを特徴とする請求項９〜１５の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記テンプレートが、前記紫外線を透過することを特徴とする請求項９〜１６の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が２５％以下であり、
前記ｎ電極を形成する工程において、熱処理温度が６００℃以下か、または、熱処理を行わないことを特徴とする請求項９〜１７の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記ｎ電極を形成する工程の前に、前記ｐ型クラッド層の上側に前記ｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項９〜１８の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１】
ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層上の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域に、バンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層と、前記活性層より上層に位置するｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層が形成され、
前記ｎ型クラッド層上の前記第１領域以外の第２領域内の少なくとも一部に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層が形成され、
前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さく、
前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触するｎ電極が前記ｎ型コンタクト層上に形成されていることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型コンタクト層が、前記第２領域内の少なくとも一部の前記ｎ型クラッド層表面上に再成長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項３】
前記ｎ電極が、紫外線を反射する金属を主成分として含有していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項４】
前記ｎ電極が、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項５】
前記ｎ電極の一部が、前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型クラッド層が、絶縁体層、半導体層、または、絶縁体層と半導体層の積層体からなる前記紫外線を透過するテンプレート上に形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。
【請求項９】
所定のテンプレート上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層の上側にバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層を形成する工程と、
前記活性層の上側にｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｐ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層より上層に形成された半導体層の前記ｎ型クラッド層の表面と平行な面内の第１領域以外の第２領域をエッチング除去して、前記ｎ型クラッド層を前記第２領域において露出させる工程と、
露出した前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の少なくとも一部に、ＡｌＮモル分率が０％以上６０％以下の範囲内にあって、且つ、前記ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率より小さいｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層からなるｎ型コンタクト層を形成する工程と、
前記ｎ型コンタクト層とオーミック接触するｎ電極を前記ｎ型コンタクト層上に形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記第１領域と前記第２領域を覆う誘電体膜を形成し、前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層を形成する箇所の前記誘電体膜に開口部を形成し、前記開口部を通して露出した前記ｎ型クラッド層上に、前記ｎ型コンタクト層を再成長させることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ｎ型コンタクト層を形成する工程において、前記誘電体膜上に成長したｎ型ＡｌＧａＮ系半導体の多結晶膜を、リフトオフ法により前記誘電体膜と同時に除去することを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記ｎ電極が、前記紫外線を反射する金属を主成分として含有していることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ｎ電極を形成する工程において、前記ｎ電極を、Ａｌを主成分とする金属多層膜または合金で形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ｎ電極を形成する工程において、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分にも形成することを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ｎ電極を形成する工程の後に、前記ｎ電極を前記ｎ型クラッド層上の前記第２領域内の前記ｎ型コンタクト層が形成されていない部分に、前記ｎ電極と電気的に接続する前記紫外線を反射する金属を主成分とする反射電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記ｎ型コンタクト層がＧａＮであることを特徴とする請求項９〜１５の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記テンプレートが、前記紫外線を透過することを特徴とする請求項９〜１６の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記ｎ型コンタクト層のＡｌＮモル分率が２５％以下であり、
前記ｎ電極を形成する工程において、熱処理温度が６００℃以下か、または、熱処理を行わないことを特徴とする請求項９〜１７の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記ｎ電極を形成する工程の前に、前記ｐ型クラッド層の上側に前記ｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項９〜１８の何れか１項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−８９７５４（Ｐ２０１２−８９７５４Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３６６９０（Ｐ２０１０−２３６６９０）
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（３０６０４１９４９）創光科学株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（３０６０４１９４９）創光科学株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]