JPWO2018038105A1 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子および該素子構成を含むウエハ - Google Patents

Abstract

ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｎ型層上にｎ電極、前記ｐ型層上にｐ電極を有し、ｐ型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記III族窒化物半導体発光素子の上面視において、前記ｐ電極が、メサ端方向に凸部を有し、且つ、前記凸部の突端部のメサ端近傍にｎ電極不形成領域を有することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子を提供する。

Description

本発明は、紫外線の発光ピーク波長を有するIII族窒化物半導体発光素子に関する。特に、発光素子のメサ構造端部における電流集中を抑制する技術に関する。また、本発明は該発光素子構成を含むウエハに関する。

図１、図２にIII族窒化物半導体発光素子１の典型的模式構造を示す。図１は、素子の上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図を示す。III族窒化物半導体発光素子１は、基板２の一表面側にｎ型層３、活性層４およびｐ型層５を含む積層体（以下、「積層半導体層」と記載することがある）が形成され、その積層半導体層の一部にメサ構造６を形成したものが知られている。メサ構造６は、基板２の一表面側にｎ型層３、活性層４およびｐ型層５を含む積層半導体層を形成した後に、エッチング等により積層構造の一部を除去し、ｎ型層３の一部を露出させて形成される。活性層４およびｐ型層５を含む台地状の部分（メサとも呼ばれる）を残存させることによりメサ構造６が形成される（特許文献１参照）。露出したｎ型層３の表面にはｎ電極７が形成され、ｐ型層５の表面にはｐ電極８が形成される。

メサ構造６を有するIII族窒化物半導体発光素子１において、ｐ型層５上のｐ電極８およびｎ型層３上のｎ電極７に動作電圧を印加すると、電流はｐ電極８とｎ電極７との間で抵抗の低い経路（通常は最短経路）を流れようとするため、電流はｎ電極７およびｐ電極８に近接するメサ構造６の端部（以下、「メサ端」と記載することがある）付近の領域に集中して流れる。この結果、電流が活性層４に均一に流れずに発光ムラが生じる。また、電流がメサ端に集中するため、メサ端近傍で局所的に発熱する。この結果、発光素子の劣化が進行しやすくなり、発光効率の低下、動作電圧の増加、信頼性の低下などを招く。

特許文献２には、ｐ型層もしくはｐ電極よりも高抵抗の高抵抗層が、ｐ型層の表面においてｎ電極に近い側でｐ型層側の形状に沿った形状に形成された紫外半導体発光素子が開示されている。特許文献２のように、メサ端に近いｐ型層上に高抵抗層を形成すると、メサ端付近の領域に電流が集中するのを抑制できる。しかし、高抵抗層の存在により、ｐ電極と半導体層との間の抵抗が大きくなって、動作電圧が増大するという問題が生じる。

特許文献３には、ｐ電極とｎ電極との間にトレンチが形成された半導体発光素子が開示されている。トレンチを形成することにより、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流経路の長さのバラツキを減少させ、特定の部分に電流が集中するのを抑制する。しかし、電流経路の長さのバラツキを十分に小さくするには、トレンチの深さを大きくする必要がある。トレンチの深さを大きくすると、電流経路が全体的に長くなり、抵抗が大きくなって、動作電圧が増大するという問題を生じる。

さらに、近年のデバイス設計の多様化により、様々な形状、構成の発光素子が提案され、メサ構造、電極形状のデザインも多様化している。上記のような高抵抗層の形成、トレンチの形成などの技術は、発光素子の製造における工程数の増加を招くため、多様化したメサ構造、電極形状に迅速に対応することが困難になっている。

そして、特に、発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍである深紫外の発光素子は、発光素子自体の製造が難しく、歩留まりが低下しやすい。さらに、通電した際に電流がメサ端付近の領域に集中するため、その部分は発熱等により劣化が進行し品質不良を生じやすい。そのため、電流がメサ端付近の領域に集中することによる劣化を抑制できる発光素子の開発が望まれていた。

特開２０１４−９６５３９号公報 特開２０１４−９６４６０号公報 特開２００７−１３４７００号公報

本発明は、発光素子の製造における工程数を増加することなく、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中することによる発光素子の劣化を抑制する技術を提供することを目的としている。

本発明者等は、上記課題に対し、鋭意検討を行った。まずｐ電極とｎ電極の間を流れる電流が集中する箇所を検討したところ、III族窒化物半導体発光素子を上面視した際に、ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造のメサ端付近（図１における８）において、ｐ電極とｎ電極の間を流れる電流が特に集中することを見出した。そこで、上記メサ構造周辺のｎ電極の構造を調整することにより、上記課題が解決できるのではないかと考え、鋭意検討した。その結果、上記三方がｎ型層に囲まれたメサ構造のメサ端の少なくとも一端においてｎ電極が存在しないか、あるいは、一定の距離をおいてｎ電極を配置することによって、当該箇所における電流の集中を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、第１の発明は、ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｎ型層上にｎ電極、前記ｐ型層上にｐ電極を有し、ｐ型層を含むメサ構造を有するIII型窒化物半導体発光素子であって、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極が、前記III族窒化物半導体発光素子の同一上面視上にあり、該上面視において、前記ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造を有し、前記ｎ電極が、該メサ構造におけるメサ端の少なくとも一端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子である。

上記本発明のIII族窒化物半導体発光素子において、以下の態様を採ることが好ましい。
１）前記ｎ電極が、前記上面視において、少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造における一番短いメサ端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れていること。
２）前記上面視におけるｎ電極が存在しない領域を介してｎ電極同士が電気的に接続されていること。
３）III族窒化物半導体発光素子の発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍであること。

本発明では、III族窒化物半導体発光素子を上面視から見た場合に、ｐ型層の凸部の突端部のメサ端近傍にｎ電極が存在しない領域（以下、「ｎ電極不形成領域」とも言う）を設けることが特徴である。III族窒化物半導体発光素子に電圧を印加すると、ｎ型電極からｐ型電極方向に電子が流れる。この時、ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造部分においては、該メサ構造のメサ端の全てにｎ型電極が設けられていると、当該部分には各方から電子が流れ込むことになり、その他のｐ電極部分と比して電子が多く流れてしまう。電子が多くながれる箇所ほど発光が強く、またｐ型電極および発光層の劣化が著しくなるため、上記電極構造を有するIII族窒化物半導体発光素子は、発光ムラやｐ型電極の劣化および発光層の劣化が生じやすい傾向にある。

そこで、本発明においては、上記ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造部分のメサ端の少なくとの一端にｎ電極不形成領域を設けることによって、当該ｐ型層上に設けられたｐ型電極および発光層への電流の集中を抑制させることが可能となる。その結果、メサ構造における局所的な劣化が生じにくく、また、電流が活性層に均一に流れやすくなることで発光ムラの生じにくい、III族窒化物半導体発光素子が得られる。

これにより、通電した際にメサ端近傍の電流集中による品質不良の発生を低減することができ、発光素子の歩留まりを向上することができる。

ｐ型層上に設けられたｐ型電極への電流集中を抑制させる方法としては、上記メサ構造の端部付近にｐ型電極を設けない方法も考えられる。この場合、ｐ型層の中心部にｐ型電極が設けられることになり、発光面積が減少する傾向にある。本発明では、メサ構造の端部のｎ型層側にｎ電極不形成領域を設けているため、メサ構造の端部のｐ型層側近傍までｐ型電極を設けることが可能であり、したがって、広い発光面積を得ることができる。

なお、従来技術においては、上記メサ端の凸部方向にｎ電極不形成領域を設けることは行われていない。本発明者等は、メサ端の凸部方向においてのみｎ電極の不形成領域を設ければ、動作電圧を過度に増大させることなく、電流集中を効果的に抑制し、発光素子の歩留まりを向上できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。

特に、２００〜３５０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外発光素子は、３５０ｎｍを超える発光ピーク波長の発光素子、例えば、可視光領域の発光素子よりも、各層の組成の影響により製造が難しく、歩留まりが低下する傾向にある。上記のとおり、本発明は、メサ構造における局所的な劣化を原因とする歩留まりの低下を抑制できるため、２００〜３５０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外発光素子に適している。

上面視から見た典型的III族窒化物半導体発光素子の例 典型的III族窒化物半導体発光素子の断面図 様々なメサ端の形状例 上面視におけるｎ電極が、該メサ構造におけるメサ端の少なくとも一端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れている例 比較例１における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層なし） 比較例１における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層あり） 比較例１における発光素子の断面構造を示す 比較例２における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層なし） 比較例２における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層あり） 比較例２における発光素子の断面構造を示す 実施例１における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層なし） 実施例１における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層あり） 実施例１における発光素子の断面構造を示す 実施例２における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層なし） 実施例２における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層あり） 実施例２における発光素子の断面構造を示す 実施例３における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層なし） 実施例３における発光素子の上面構造を示す（パッド電極層あり） 実施例３における発光素子の断面構造を示す

以下、本発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する発光素子は、本発明の技術思想を具体化した一例であって、本発明を限定しない。たとえば、以下に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子が放出する光の発光領域は、特に制限されるものではない。本発明によれば、発光領域に関係なく、メサ構造における局所的な電流集中による劣化を原因とする出力低下を抑制し、歩留まりを向上することができる。好ましくは、本発明は、可視光領域、又は紫外領域に発光ピーク波長を有するIII族窒化物半導体発光素子に適用される。より好ましくは、本発明は、発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍの紫外線を放出するIII族窒化物半導体発光素子に適用される。以下、発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍのIII族窒化物半導体発光素子を中心に説明する。

典型的なIII族窒化物半導体発光素子１は、図１および図２に示したように、基板２と、ｎ型層３、活性層４およびｐ型層５を含むメサ構造６（積層半導体層）と、ｎ電極７およびｐ電極８とを含む。以下に、これらについて非限定的な典型例を説明する。

なお、屈折率、透過率および反射率は、波長２６５ｎｍの光を基準とした。これは、ＤＮＡが波長２６５ｎｍ付近で極大吸収を持つことから波長２６５ｎｍの光は殺菌に最も適しており、産業上の利用価値が高いと考えられるからである。以下、単に、屈折率、透過率、および反射率とした場合には、波長２６５ｎｍの光に対する値である。

＜基板＞
基板２は、III族窒化物半導体結晶を表面にエピタキシャル成長でき、紫外線を透過する基板であれば特に限定されるものではない。基板２に用いられる材料としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などが挙げられる。中でもＣ面を主面とするＡｌＮ単結晶基板が好ましい。

基板２の波長２６５ｎｍの光に対する透過率は、高ければ高いほど良く、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは６０％以上である。基板２の透過率の上限は、好ましくは１００％であるが、工業的な生産を考慮すると上限は８０％である。透光性基板の透過率は、材質、基板の厚み、結晶性、不純物含有量によって調整できる。

基板２の厚みは、特に制限されるものではないが、好ましくは３０〜１５０μｍであり、より好ましくは５０〜１００μｍである。基板２の厚みを上記範囲とすることにより、透過率が向上し、かつ生産性が向上する。基板２の厚みは、III族窒化物半導体発光素子の製造後に上記範囲を満たせばよく、基板上に後述する積層半導体層または電極を積層後に該基板の下面を研削または研磨することにより、基板の厚みが上記範囲となるようにしてもよい。

＜積層半導体層＞
積層半導体層（図１におけるメサ構造６を含む素子の主要部）は、図２に示すように基板２上に形成され、ｎ型層３、活性層４ならびにｐ型層５（ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層からなる層）がこの順で積層されてなる。各層について以下に非限定的例を説明する。

＜ｎ型層＞
ｎ型層３は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成されるIII族窒化物半導体であり、好ましくは不純物を含む。

不純物としては、特に限定されるものではないが、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどが挙げられる。中でもＳｉが好ましい。不純物の濃度は１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。不純物の濃度を上記範囲とすることで、ｎ型層の結晶性およびコンタクト特性が向上する。このようなｎ型層は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。

ｎ型層の屈折率は、特に制限されるものではないが、１．５〜３．０である。屈折率は、ｎ型層の組成等により調整すればよい。

ｎ型層の厚みは、１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、好ましくは５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。ｎ型層の厚みを上記範囲とすることで、ｎ型層の結晶性および導電性が向上する。

なお、図１には図示していないが、III族窒化物半導体発光素子１は、基板２とｎ型層３との間に、ＡｌＮ、または上記ｎ型層と同じ、または類似した組成のIII族窒化物半導体を含むバッファ層を有していてもよい。

後述するように、一般的なIII族窒化物半導体発光素子において、ｎ電極からｎ型層を通じてｐ電極へと電子が流れる。この時の電子の拡散長はｎ型層の組成および比抵抗に影響される。従って、後述するメサ端の凸部における電流集中を抑制させるという点から電子の拡散長は長くなりすぎないことが好ましく、ｎ型層のＡｌ組成ｘは０．６〜０．８、比抵抗は０．０１〜０．０３Ω・ｃｍの範囲にあることが好ましい。

＜活性層＞
活性層４は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成される井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成される障壁層との積層構造からなる。活性層は、多重量子井戸構造であっても単一量子井戸構造であってもよい。

井戸層の厚みは１ｎｍ以上、好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は１０ｎｍである。障壁層の厚みは１ｎｍ以上、好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は１μｍである。このような活性層は、ＭＯＣＶＤ法により製造できる。

＜ｐ型層＞
ｐ型層５は、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層で構成される。ｐ型クラッド層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成されるIII族窒化物半導体であり、好ましくは不純物を含む。

ｐ型クラッド層の不純物は、好ましくはＭｇである。ｐ型クラッド層における不純物の濃度は１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下である。ｐ型クラッド層の厚みは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。

ｐ型コンタクト層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ、ｙ、ｚは、０≦ｘ＜１．０、０≦ｙ≦０．１、０＜ｚ≦１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）で構成されるIII族窒化物半導体である。好ましくは、ｐ型コンタクト層はＧａＮで構成される。ｐ型コンタクト層をＧａＮで構成すると、すなわち、ｐ−ＧａＮ層とすると、ｐ型コンタクト層のコンタクト特性を向上させることができる。また、ｐ型コンタクト層は、好ましくは不純物を含む。

ｐ型コンタクト層の不純物は、ｐ型クラッド層と同様に、好ましくはＭｇである。ｐ型コンタクト層における不純物の濃度は１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上２．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下である。ｐ型コンタクト層の厚みは、１ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である。ｐ型コンタクト層の厚みを上記範囲とすることで、ｐ型層の紫外線透過性およびコンタクト特性が向上する。

＜ｎ電極＞
ｎ電極７は、ｎ型層３の露出面に形成される。ｎ型層３の露出面はエッチング等の手段により形成される。ｎ型層３の露出面形成により、積層半導体層は台地状に残り、メサ構造６が形成される。ｎ型層３上のｎ電極７はメサ構造６の低地部に、メサ構造６の下端に沿って形成されるが、メサ構造６の底部からやや距離をあけ、メサ構造６とｎ電極７との間にｎ型層３が露出した構造であってもよい。本発明では、ｎ電極７の形成領域を、メサ構造６の形状と関連する所定の指針に基づいて設定する。これにより、メサ端近傍に集中しやすい電流を拡散し、メサ端への電流集中を抑制する。ｎ電極の形成パターンの設定指針については後述し、まず一般的なｎ電極の性質およびその形成方法について、非限定的な典型例を説明する。

メサ構造６を形成するためのエッチングの手法としては、例えば反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング等のドライエッチングが挙げられる。ｎ型層３の露出面形成後、エッチングのダメージを除去するため、好ましくは、露出面を酸またはアルカリの溶液で表面処理する。その後、ｎ型層３の露出面にオーミック性を有するｎ電極７を形成する。

ｎ電極７のパターンニングは、リフトオフ法を用いて実施することができる。リフトオフ法では、電極を形成する面にフォトレジストを塗布して、フォトマスクを備えたＵＶ露光機で紫外線を照射し、現像液に浸漬させて感光したフォトレジストを溶解させて所望のパターンを形成した後、パターニングされたフォトレジスト上に電極金属を堆積させ、剥離液でフォトレジストを溶解して電極金属のパターンを形成する。また、その他のパターンニング手法として、電極形成面に電極金属膜を形成し、フォトレジストを塗布後、露光、現像工程を経てフォトレジストをパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチング、またはウェットエッチングで電極金属をパターニングし、剥離液でフォトレジストを溶解する方法もある。リフトオフ法は、比較的工程が簡略であるため好ましい。

ｎ電極金属を堆積する手法としては、例えば、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられる。特に、電極金属中の不純物を排除できるため真空蒸着が好ましい。ｎ電極に用いられる材料は、公知の材料から選択することができる。例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｉ、ＰｔおよびＡｕなどが挙げられる。中でも、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、ＮｉおよびＡｕが好ましい。特に、Ｔｉ、ＡｌおよびＡｕの組み合わせは、オーミック性および反射率を向上できるため好ましい。ｎ電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む単層、または多層構造であってもよい。

ｎ電極の層厚みは、特に制限されるものではないが、生産の安定性を考えると好ましくは２ｎｍ以上であり、上限は２μｍである。

ｎ電極の幅は特に限定はされないが、通常は５〜１００μｍ程度であり、好ましくは１０〜５０μｍである。この場合、ｎ電極の幅は、一様でなくてもよい。たとえば、幅の狭い部分と幅の広い部分とが混在してもよい。この場合、ｎ電極の平均幅が上記の範囲にあればよい。

ｎ型層とのコンタクト性を向上させるため、好ましくは、ｎ電極金属を堆積後、３００℃〜１１００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施す。熱処理の温度、時間については、ｎ電極の金属種、層厚みに応じて適宜最適な条件を選択できる。

＜ｎ電極の形成パターン＞
本発明では、III族窒化物半導体発光素子を上面視から見た場合に、ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造におけるメサ端の少なくとも一端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れていることが特徴である。このような上記メサ端近傍にｎ電極不形成領域を設けることによって、当該ｐ型層上に設けられたｐ型電極への電流の集中を抑制させることが可能となる。

図１に示したように、ｎ電極７が台地状のメサ構造６を取り囲むように形成された場合、ｎ電極７とｐ電極８との導通は、抵抗の低い経路が優先されるため、電流はｎ電極７とｐ電極８との最短距離にある、ｐ型層５の少なくとも三方がｎ型層３に囲まれたメサ構造６の端部付近（図１では右方向に突き出たｐ電極８の突端部、以下、「メサ端の凸部」とも言う）の領域に集中しやすい。

そこで、本発明では、上記メサ端における電流集中を回避するため、該メサ端の少なくとも一端にｎ電極不形成領域を設ける。このように、ｎ電極の不形成領域を設けると、この部分には電流が流れにくくなり、メサ構造６の端部付近の領域における電流集中を抑制できる。しかし、すべてのメサ端において、ｎ電極の不形成領域を設けると、ｎ電極の面積が減少するために、III族窒化物半導体発光素子の動作電圧が上がることもある。したがって、本発明では、特に電流が集中しやすい部分で、ｎ電極の不形成領域を設ければよい。

メサ構造６の輪郭は、素子設計における電極パターンに応じて様々である。したがって、「メサ端の凸部」を一義的に定義することは困難である。そこで、図２に素子の上面視におけるメサ構造６の輪郭と、ｎ電極７の形成パターンについての非制限的な例を示し、電流が集中しやすい「メサ端の凸部」を破線の円により表示した。なお、図２の上面視ではｎ電極７とメサ構造６とが接しているが、図２に示すように断面ではメサ構造６の端部とｎ電極７との間には、メサ構造のテーパ部や、露出したｎ型層３が存在していてもよい。

図３中のＡは、矩形状のメサ構造６を示す。この構造では、矩形状の突端部がｎ電極７の形成領域に突出しているため、この部分では電流が集中しやすい。なお、上記矩形状のメサ構造６の他に、図３中のＢ突端部の角部が円弧状となっていてもよく、この場合においても破線の円部分に電流が集中しやすい。

一方、図３中のＣからＥのメサ構造は、本願における「ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造」に該当しない例である。すなわち、図３中のＣは、メサ端がｎ電極７の形成領域に突出していないため、この部分に電流は集中しにくい。また、図３中のＤおよびＥは、メサ端が凹部となっておりｎ電極７の形成領域に突出していないため、この部分に電流は集中しにくい。

本発明は、上記のメサ端の凸部の少なくとも一端にｎ電極不形成領域を設けることが特徴である。図３におけるＡの例におけるメサ端の凸部の少なくとも一端にｎ電極不形成領域を設ける例を図４に示す。

図４のＡでは、矩形状のメサ構造６において、メサ端の凸部における一番短いメサ端の方向から基板の端部にかけてｎ電極不形成領域が形成されている例である。なお、上記Ｂの例のように、メサ端の凸部における一番短いメサ端部にはｎ電極が存在しないため、メサ端端部における電流の集中を抑制させることができる。

また上記メサ構造においては、ｎ電極の形成時にメサ端の凸部の長手方向から、上記一番短いメサ端の両側の一部にｎ電極が形成される場合があるが、このような場合においても、一番短いメサ端の周長の少なくとも５０％以上の部分にｎ電極不形成領域が設けられていれば良い。

図４のＣは、Ａの構造のメサ構造における突端部の角部が円弧状となっている場合のｎ電極不形成領域が形成された例である。

また、上記Ａ〜Ｃの例は、メサ端の方向から基板の端部にかけて、ｎ電極が形成されていない（切り欠いた）例であるが、Ｄ及びＥの例のように、メサ端とｎ電極との距離が少なくとも５０μｍ以上離れるようにｎ電極不形成領域が形成されていても良い。一般的なIII族窒化物半導体発光素子においては、ｎ電極からｎ型層を通じてｐ電極へと電子が流れる。この時電子の拡散長はｎ電極の下層にあるｎ型層の組成および比抵抗に影響されるが、拡散長が５０μｍ未満の場合、Ｄ及びＥの構成においてもメサ端部分への電流の集中を抑制させることができる。

なお、電子の拡散長は短いほど、ｐ型層端部への電流集中を引き起こしやすく、発光素子の駆動電圧も増加する傾向にあるため、拡散長は１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上であることが好ましい。

また、上記Ｄ及びＥの例のように、メサ端から離してｎ電極を形成した場合、離れるに従って電圧が増加する傾向にあるため、距離は１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下であることが好適である。

上記の例は一方、メサ端の凸部における一番短いメサ端部にｎ電極不形成領域が設けられている例であるが、メサ端の凸部の長手方向の一端にｎ電極不形成領域が設けられていても良い。図４のＤはメサ端の凸部の長手方向の一端にｎ電極不形成領域が設けられている例である。

上記ｎ電極不形成領域の例の中でも電極パターンの形成が容易である点、メサ端の凸部への電流集中の抑制効果が高い点から、ｎ電極が、上面視において、少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造における一番短いメサ端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れていることが好ましい。

上記図４のＡ〜Ｃの例では、ｎ電極が切り欠いた例であり、ｎ電極が独立して複数存在している。このようなｎ電極において電圧を印加した場合には、ｎ電極の一部が通電し、他の部分には電流が流れないため、全てのｎ電極に電流を流すという観点から、上面視におけるｎ電極が存在しない領域を介してｎ電極同士が電気的に接続されていることが好ましい。ｎ電極の電気的な接続方法としては、ワイヤボンディングなどの技術によって、ｎ電極をワイヤにより接続する方法、後述するｎ電極を介したパッド電極層等が挙げられる。

＜ｐ電極＞
ｐ電極８のパターニングは、ｎ電極のパターニング同様、リフトオフ法を用いて実施することが好ましい。ｐ電極に用いられる金属材料は、公知の材料から選択することができる。例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、ＰｄおよびＰｔなどが挙げられる。中でも、Ｎｉ、Ａｕの組み合せが好ましい。ｐ電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む単層、または多層構造であってもよい。

ｐ電極金属を堆積する方法としては、ｎ電極の形成方法と同様に、例えば真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられる。特に、電極金属中の不純物を排除できるため真空蒸着が好ましい。ｐ型コンタクト層とのコンタクト性向上のため、好ましくは、ｐ電極金属を堆積後、２００℃〜８００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施す。熱処理の温度、時間については、ｐ電極の金属種、層厚みに応じて適宜最適な条件を選択できる。

ｐ電極の形状は限定されないが、通常は前述したようにメサ構造６よりもやや小さな相似形に形成される。ただし、電流集中が起こりやすいメサ端凸部においては、電流集中を抑制するためにメサ端とｐ電極端の距離を離して形成することが好ましい。また、ｐ電極の幅も特に限定されず、幅の狭い部分と幅の広い部分とが混在してもよい。

＜パッド電極層＞
電極不形成領域を設けた場合、ｎ電極が分離されてしまうことがある。通常、発光素子を形成した後は、ｐ電極とｎ電極にそれぞれプローブを接触させ通電することで、発光素子の電気的特性および光学的特性を評価する。しかし、ｎ電極不形成領域を設けることでｎ電極が分離されてしまうと、プローブが当たっていない方のｎ電極には電流が流れないため電極としての機能を果たさない。そこで、分離したｎ電極をつなぐようにパッド電極層を形成することが好ましい。すなわち、ｎ電極上に加えて、ｎ型層が露出しているｎ電極不形成領域上にもパッド電極層を形成する。これによって、パッド電極層を導電層としてｎ電極が接続されるため、上述したプローブの当たっていないｎ電極も電極として機能することが可能となる。

通常はｎ型層上に上記パッド電極層は形成しない。発光素子を組み立てる際、発光素子の電極パターンとサブマウント表面の金属パターン間をＡｕ−ＳｎはんだやＡｕバンプによって接合させるが、Ａｕ−ＳｎやＡｕと接着するためには、発光素子の電極最表面にはＡｕがなくてはならない。しかしながら、電極は熱処理によって合金化しており、最上層にＡｕはあまり存在しておらず、このままではサブマウントとの接合ができない。そこで、通常は最上層にＡｕを持つパッド電極層を形成するわけだが、これは電極上にのみ形成し、ｎ型層上に形成することはない。

上述のとおり、パッド電極層９は、ｐ電極８、ｎ電極７およびｎ電極不形成領域上に形成される。パッド電極層のパターニングは、ｐおよびｎ電極のパターニング同様、リフトオフ法を用いて実施することが好ましい。パッド電極層に用いられる金属材料は、公知の材料から選択することができる。例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、ＰｄおよびＰｔなどが挙げられる。中でも、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕの組み合せが好ましい。パッド電極層金属を堆積する方法としては、ｐおよびｎ電極の形成方法と同様に、例えば真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられる。特に、電極金属中の不純物を排除できるため真空蒸着が好ましい。パッド電極層は電極ではないため、ｐおよびｎ電極とは異なり熱処理は行わない。また、パッド電極層の幅は特に限定されず、幅の狭い部分と幅の広い部分とが混在してもよい。

＜発光素子の製造＞
上記III族窒化物半導体発光素子の構成を含むウエハを製造した後、透光性基板の下面を研削または研磨することにより、透光性基板の厚みを薄くして透過率を向上させることもできる。その後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断など、公知の発光素子分離方法を適宜用いて、発光素子を製造する。

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。

（実施例および比較例）
図４〜８に示した断面構造を有する積層半導体層を形成した。まず、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｃ面ＡｌＮ基板（一辺７ｍｍ角、厚さ５００μｍ）上に、Ｓｉを１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層（１μｍ）をｎ型半導体層として形成した。このｎ型層上に、量子井戸構造を有する活性層（井戸層２ｎｍ、障壁層７ｎｍ）を形成した。この時、井戸層および障壁層の組成はそれぞれＡｌ_0.5Ｇａ_0.5ＮおよびＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎとし、障壁層には１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドープした。活性層は、井戸層３層と障壁層４層の積層構造から成る。

次に、この活性層上に、電子ブロック層として、Ｍｇを５×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたＡｌＮ層（１５ｎｍ）を形成した。その後、電子ブロック層上に、ｐクラッド層として、Ｍｇを５×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ層（５０ｎｍ）を形成した。最後に、ｐクラッド層上に、ｐコンタクト層として、Ｍｇを２×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたＧａＮ層（３００ｎｍ）を形成した。

次に、得られた半導体ウエハをＮ₂中において、９００℃で２０分間の熱処理を行った。その後、ｐコンタクト層の表面にフォトリソグラフィーおよび真空蒸着により所定のメタルマスクパターンを形成した後、パターンの形成されていないｐコンタクト層表面をｎ型層が露出するまでドライエッチングする事でメサ構造を形成した。次に、フォトリソグラフィーによりｐコンタクト層を覆うように（比較例１、比較例２）、またはｐコンタクト層およびｎ電極不形成領域を覆うように（実施例１、実施例２）、さらにｐコンタクト層を覆いかつｎ型層を５０μｍ覆うように（実施例３：メサ端から５０μｍ離れてｎ電極が形成される）、レジストパターンを形成した後、真空蒸着によって、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）層を形成した後、Ｎ₂中において８１０℃で１分間熱処理することでｎ電極を形成した。同様に、ｐ型層上にＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）層を形成し、Ｏ₂中において５５０℃で３分間焼成することでｐ電極を形成した。その後、ｎ電極およびｐ電極上にパッド電極層９（Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｎｉ（４００ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ））を形成した（実施例１、２については、電極上だけでなくｎ電極不形成領域上にもパッド電極層を形成した）。得られた半導体ウエハを７５０μｍ角に切り出して、窒化物半導体発光素子（発光ピーク波長２６５ｎｍの窒化物半導体発光素子）とした。比較例１および比較例２における発光素子のパッド電極層を形成する前の上面構造を図５および図８に、パッド電極層を形成した後の上面構造を図６および図９に、図６および図９のＡＡ断面における断面構造を図７および図１０に示す。実施例１および実施例２における発光素子のパッド電極層を形成する前の上面構造を図１１および図１４に、パッド電極層を形成した後の上面構造を図１２および図１５に、図１２および図１５のＡＡ断面における断面構造を図１３および図１６に示す。実施例３における発光素子のパッド電極層を形成する前の上面構造を図１７に、パッド電極層を形成した後の上面構造および断面構造を図１８および図１９に示す。

比較例１、２および実施例１、２、３において、メサ端平坦部の点Ａおよびメサ端凸部の点Ｂの発光強度を評価し、点Ａに対する点Ｂの発光強度比をとることで発光素子の発光ムラを評価した。この評価を、製造した各５０個の発光素子について行った結果の平均値を表１に示す。発光強度比が大きいほど電流集中していることを表すため、本発明の適用により電流集中を大幅に緩和できることが明らかになった。

次に、比較例１、２および実施例１、２、３で製造した各５０個の素子について５００時間経過時の出力特性の経時変化を故障率にて評価した。結果を表１に示す。測定は、環境温度２５℃、印加電流１５０ｍＡにて行った。なお、故障率は、全素子の中で電流集中を原因としてメサ端凸部のｐ電極の劣化（電極と半導体層との反応が活性層を貫通して進行することでリークパスが形成）が発生した素子の割合を意味する。表１の結果より、ｎ電極不形成領域を設けるか、メサ端とｎ電極端の距離を５０μｍ離すことで発光ムラが抑えられていることから、メサ端凸部の電流集中が緩和されたことが分かる。これにより凸部における負荷が小さくなり、故障率が大幅に改善されたと考えられる。なお、比較例および実施例で製造した発光素子の発光ピーク波長は２６５ｎｍであった。

本発明では、III族窒化物半導体発光素子を上面視から見た場合に、メサ端凸部の突端部近傍にはｎ電極を形成しないｎ電極不形成領域を設けることで、ｐ電極とｎ電極との間に流れる電流がメサ端付近の領域に集中するのを抑制する。その結果、メサ構造における局所的な劣化が生じにくく、また、電流が活性層に均一に流れやすくなることで発光ムラの生じにくい、III族窒化物半導体発光素子が得られる。

１：III族窒化物半導体発光素子
２：基板
３：ｎ型層
４：活性層
５：ｐ型層
６：メサ構造
７：ｎ電極
８：ｐ電極
９：パッド電極層
Ａ：メサ端平坦部
Ｂ：メサ端凸部

Claims (5)

1. ｎ型層とｐ型層との間に活性層を含み、前記ｎ型層上にｎ電極、前記ｐ型層上にｐ電極を有し、ｐ型層を含むメサ構造を有するIII型窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ型電極と前記ｐ型電極が、前記III族窒化物半導体発光素子の同一上面視上にあり、
   該上面視において、前記ｐ型層の少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造を有し、
   前記ｎ電極が、該メサ構造におけるメサ端の少なくとも一端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ電極が、前記上面視において、少なくとも三方がｎ型層に囲まれたメサ構造における一番短いメサ端に実質的に存在しないか、或いはメサ端の少なくとも一端から５０μｍ以上離れている請求項１記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 前記上面視におけるｎ電極が存在しない領域を介してｎ電極同士が電気的に接続されている請求項１又は２のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 前記ｎ電極からｐ電極への、電子の拡散長が５０μｍ未満である請求項１から３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
5. 発光ピーク波長が２００〜３５０ｎｍである請求項１から４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。