JP2024080988A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンタクト抵抗が低く高反射率なｐ電極を形成することができる発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子の製造方法は、ｎ層１１と、発光層１２と、ｐ層１３を順に積層させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記ｎ層１１に接するｎ電極１７と、前記ｐ層１３に接するｐ電極１６を有する発光素子の製造方法である。そして、前記ｎ電極１７を形成する工程と、前記ｎ電極１７の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第１熱処理工程と、前記ｐ層１３のＰ型不純物活性化の熱処理を行う第２熱処理工程と、前記第１熱処理工程および前記第２熱処理工程の後に、前記ｐ電極１６を形成するｐ電極形成工程と、を有する。また、前記ｐ電極形成工程は、前記ｐ層１３上に接するＮｉまたはＮｉを主成分とする金属である第１層１６Ａを形成し、前記第１層１６Ａ上に接するＡｌである第２層１６Ｂを形成する工程を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子およびその製造方法に関する。

近年、紫外線ＬＥＤを殺菌や消毒に使用することが注目されており、紫外線ＬＥＤの高効率化に向けた研究、開発が盛んに行われている。

ＩＩＩ族窒化物半導体からなるＵＶＣの紫外発光素子では、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体に接触するｐ電極として、Ｎｉ／Ａｌを用いることが検討されている（特許文献１）。ここで「／」は積層であることを示し、Ａ／ＢはＡ、Ｂの順に積層した構造であることを示している。以下、材料の説明において同様とする。ｐ電極をＮｉ／Ａｌとすれば、Ｎｉ層によってｐ－ＧａＮに良好なコンタクトを取りつつ、Ａｌ層によって紫外線を反射させることができ、光取り出し効率の向上が実現できる。

特許文献１には、ｐ電極にＮｉ／Ａｌを用いることが記載され、Ｎｉの厚さは５ｎｍよりも薄くすることが記載され、実質的に１ｎｍとするのがよいと記載されている。Ｎｉ層を薄くすることでＮｉ層を透過させ、Ａｌ層による反射を増やすためである。

非特許文献１には、紫外発光素子のｐ電極としてＮｉ／Ａｌを用いることが記載され、熱処理を行うとＮｉクラスターが形成されてｐ電極の反射率が向上することが記載されている。

特開２０１５－２１６３５２号公報

XianchunPeng, et al., Applied Physics Express 14, 072005(2021)

しかし、ｐ電極としてＮｉ／Ａｌを用いた場合、ｐコンタクト抵抗が高く、順方向電圧Ｖｆが上昇してしまう。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、コンタクト抵抗が低く高反射率なｐ電極を形成することができる発光素子の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
ｎ層と、発光層と、ｐ層を順に積層させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記ｎ層に接するｎ電極と、前記ｐ層に接するｐ電極を有する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と、
前記ｎ電極の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第１熱処理工程と、
前記ｐ層のＰ型不純物活性化の熱処理を行う第２熱処理工程と、
前記第１熱処理工程および前記第２熱処理工程の後に、前記ｐ電極を形成するｐ電極形成工程と、
を有し、
前記ｐ電極形成工程は、前記ｐ層上に接するＮｉまたはＮｉを主成分とする金属である第１層を形成し、前記第１層上に接するＡｌである第２層を形成する工程を有する、
発光素子の製造方法にある。

本発明の一態様によれば、コンタクト抵抗が低く高反射率なｐ電極を形成することができる。

実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図。 ｐ電極の構成を拡大して示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図。 ｎ電極の構成を拡大して示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図。 実施形態における発光素子の製造工程を示したフローチャート。 実施形態における発光素子の製造工程を示した図。 ｐ電極の形成後に熱処理を行った場合のｐ電極の構成を示した図。 実験例１、２の発光素子の電流電圧特性を示したグラフ。 実験例１～３の発光素子における電流密度と外部量子効率ＥＱＥの関係を示したグラフ。 実験例１～３の発光素子における電流密度と発光効率ＷＰＥの関係を示したグラフ。 熱処理温度とｐコンタクト抵抗率の関係を示したグラフ。 熱処理温度とｐコンタクト抵抗率の関係を示したグラフ。 Ｎｉの厚さとｐコンタクト抵抗率の関係を示したグラフ。 Ｎｉの厚さとｐ電極の反射率の関係を示したグラフ。 Ｎｉ膜表面およびサファイア基板表面のＡＦＭ像を示した図。

発光素子の製造方法は、ｎ層と、発光層と、ｐ層を順に積層させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記ｎ層に接するｎ電極と、前記ｐ層に接するｐ電極を有する発光素子の製造方法である。そして、前記ｎ電極を形成する工程と、前記ｎ電極の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第１熱処理工程と、前記ｐ層のＰ型不純物活性化の熱処理を行う第２熱処理工程と、前記第１熱処理工程および前記第２熱処理工程の後に、前記ｐ電極を形成するｐ電極形成工程と、を有する。また、前記ｐ電極形成工程は、前記ｐ層上に接するＮｉまたはＮｉを主成分とする金属である第１層を形成し、前記第１層上に接するＡｌまたはＡｌを主成分とする金属である第２層を形成する工程を有する。

前記ｐ電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、熱処理を行わないようにしてもよい。ｐ電極のｐコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。

前記ｐ電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、前記発光素子に３００℃を超える温度がかからないようにしてもよい。ｐ電極のｐコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。

前記ｐ電極形成工程において、前記第１層の厚さを０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とし、前記第２層の厚さを１００ｎｍ以上としてもよい。

前記ｎ電極形成工程は、前記ｎ層上に接し、厚さ５ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＶまたはＶを主成分とする金属であるＶ層を形成する工程と、前記Ｖ層上に接するＡｌまたはＡｌを主成分とする金属であるＡｌ層と、を有し、前記第１熱処理工程は、酸素を含む雰囲気で、５００～６５０℃の熱処理を行う工程であり前記第２熱処理工程を兼ねていてもよい。熱処理回数を減らすことができ、素子への熱ダメージを抑制することができる。

発光装置の製造方法は、上記により作製した発光素子を実装基板に実装する実装工程を有する。そして、前記ｐ電極形成工程後、前記実装工程前までの間に、前記ｐ電極に３００℃を超える温度がかからないようにする。

前記実装工程は、前記ｐ電極にかかる温度が３００℃以下の工程としてもよい。ｐ電極のｐコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。

（実施形態）
図１は、実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図である。実施形態における発光素子は、フリップチップ型の紫外発光素子であり、発光波長はたとえば２００～２８０ｎｍである。

１．発光素子の各構成
図１に示すように、実施形態の発光素子は、基板１０と、ｎ層１１と、発光層１２と、ｐ層１３と、電子ブロック層１４と、ｐ電極１６と、ｎ電極１７と、を有している。

基板１０は、ｃ面を主面とするサファイアからなる基板である。サファイア以外にも、発光波長に対して透過率が高く、III族窒化物半導体を成長させることができる材料であれば任意の材料を用いてよい。

ｎ層１１は、基板１０上にバッファ層（図示しない）を介して位置している。ｎ層１１は、Ａｌ組成比が６０％以上のｎ―ＡｌＧａＮからなる。ここでIII族窒化物半導体のＡｌ組成比は、III族金属に対するＡｌのモル比（％）である。つまり、III族窒化物半導体を一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表したとき、Ａｌ組成比はｘ×１００（％）である。ｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉ濃度が５×１０^１８～５×１０^１９／ｃｍ^３である。ｎ層１１は複数の層で構成されていてもよい。その場合、ｎ層１１の最上層（ｎ電極１７と接する層）のＡｌ組成比が６０％以上であればよい。

ｎ層１１のＡｌ組成比は、６５～９０％がより好ましく、さらに好ましくは７０～８５％である。ｎ層１１のＳｉ濃度は、８×１０^１８～３×１０^１９／ｃｍ^３がより好ましく、さらに好ましくは、１×１０^１９～２×１０^１９／ｃｍ^３である。

発光層１２は、ｎ層１１上に位置している。発光層１２は、井戸層と障壁層が交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し数はたとえば２～５である。井戸層はＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成比は所望の発光波長に応じて設定される。障壁層は、井戸層よりもＡｌ組成比の大きなＡｌＧａＮである。井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＩｎＮでもよい。また、発光層１２はＳＱＷ構造でもよい。

電子ブロック層１４は、発光層１２上に位置している。電子ブロック層１４は、発光層１２の障壁層よりもＡｌ組成比の高いｐ－ＡｌＧａＮからなる。電子ブロック層１４によって、ｎ電極１７から注入した電子が発光層１２を超えてｐ層１３側に拡散してしまうのを抑制している。

ｐ層１３は、電子ブロック層１４上に位置している。ｐ層１３は、ｐ－ＡｌＧａＮ／ｐ－ＧａＮからなる。ｐ型不純物はＭｇである。Ｍｇ濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以上である。ｐ層１３は単層でもよい。ｐ電極１６と接する層が、Ａｌ組成比６０％未満のＡｌＧａＮであればよい。

ｐ層１３表面の一部領域には、ｎ層１１に達する深さの溝２２が形成されている。溝２２の底面にはｎ層１１が露出している。

ｐ電極１６は、ｐ層１３上に位置している。ｐ電極１６は、発光層１２から放射される紫外線を基板１０側に反射させて光取り出し効率を高める反射電極である。

図２は、ｐ電極１６の構成を拡大して示した図であり、基板１０主面に垂直な面での断面図である。図２のように、ｐ電極１６は、ｐ層１３に接して位置する第１層１６Ａと、第１層１６Ａ上に接して位置する第２層１６Ｂと、第２層１６Ｂ上に接して位置する第３層１６Ｃとを有する構造である。

第１層１６Ａは、Ｎｉからなる。Ｎｉを主成分とする金属でもよい。第１層１６Ａは、ｐ層１３に対するｐ電極１６のｐコンタクト抵抗低減を図る役割である。

第１層１６Ａの厚さは、０．５～５ｎｍである。０．５ｎｍよりも薄いと、ｐコンタクト抵抗を十分に低減することができない。また、５ｎｍよりも厚いと、第１層１６Ａの透過率が低くなるため第２層１６Ｂによって十分に紫外線を反射させることができず、発光素子の光取り出し効率向上が十分でない。好ましくは０．５～２ｎｍ、より好ましくは０．５～１ｎｍ、さらに好ましくは０．５～０．８ｎｍである。

第１層１６Ａの表面のＲＭＳ（二乗平均平方根高さ）は、０．２ｎｍ以下とすることが好ましい。ＲＭＳがこれよりも大きいと、第１層１６Ａがクラスター化してｐ層１３表面の一部領域が第１層１６Ａに覆われず、ｐ層１３と第２層１６Ｂが直接接している可能性があり、ｐ電極１６のコンタクト抵抗が悪化してしまう可能性がある。より好ましくは０．１ｎｍ以下である。

第２層１６Ｂは、Ａｌからなる。Ａｌを主成分とする金属でもよい。第２層１６Ｂは、第１層１６Ａを透過した紫外線を反射させる役割である。

第２層１６Ｂの厚さは、１００ｎｍ以上とする。これにより、ｐ電極１６の反射率を十分に高めることができ、光取り出し効率の向上を図ることができる。第２層１６Ｂの厚さは３００ｎｍ以下とすることが好ましい。厚くなるにつれて反射率上昇の効果は飽和していくためである。好ましくは１２０～２００ｎｍである。

第３層１６Ｃは、Ｔｉからなる。第３層１６Ｃは、第２層１６Ｂの保護層として設けるものである。Ｔｉ以外にも、ＴｉＮ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどを用いることができる。

ｎ電極１７は、溝２２の底面に露出するｎ層１１上に位置している。図３は、ｎ電極１７の構成を拡大して示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図である。図３のように、ｎ電極１７は、ｎ層１１に接して位置する第１層１７Ａと、第１層１７Ａ上に接して位置する第２層１７Ｂと、第２層１７Ｂ上に接して位置する第３層１７Ｃと、を有する構造である。

第１層１７Ａは、ＡｌＮ_ｘからなり、厚さは１～３ｎｍである。ｘは、たとえば０．４～０．７である。またｘは、厚さ方向にｎ層１１から離れるにつれて減少していてもよい。この場合はｘの厚さ方向の平均が０．４～０．７である。また、ｎ層１１側からのＧａの拡散がある場合もあり、その場合には第１層１７Ａは、ｎ層１１よりもＡｌ組成比が高いＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ_ｘ（０．４≦ｘ≦０．７）である。ｎ層１１のＡｌ組成比がａであれば、ａ＜ｙ≦１である。ｙはたとえば０．７以上である。またこの場合も、ｘは厚さ方向にｎ層１１から離れるにつれて減少していてもよく、ｙは厚さ方向にｎ層１１から離れるにつれて増加していてもよい。

第２層１７Ｂは、Ａｌを主としＶとＴｉを含む金属からなり、厚さは５０～５００ｎｍである。第２層１７ＢにおいてＡｌ、Ｖ、Ｔｉの比率は、たとえばＡｌが５０～８５ｍｏｌ％、Ｖが５～２０ｍｏｌ％、Ｔｉが１０～３０ｍｏｌ％である。第３層１７Ｃは、Ｔｉからなり、厚さは２０～１００ｎｍである。このようなｎ電極１７の構造は、Ｖ／Ａｌ／Ｔｉを５００～６５０℃でアロイした結果得られた構造である。詳細は後述する。

上記構造のｎ電極１７では、ｎ層１１に対するコンタクト抵抗が低減されている。たとえば、ｎ層１１に対するｎ電極１７のコンタクト抵抗率は４×１０^―４Ω・ｃｍ^２以下である。その理由は、第１に、ＡｌＮ_ｘからなる第１層１７Ａがｎ層１１に対する良好なコンタクト層として機能しているためと考えられる。また、第２に、ｎ層１１表面に窒素空孔が生じ、ｎ型化するためコンタクト抵抗が低下していると考えられる。

第３層１７Ｃは、アロイ時にｎ電極１７中のＡｌが蒸発してしまうのを抑制するカバーとして設けるものである。Ｔｉ以外にもＴｉＮ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどを用いることができる。

なお、低温でｎコンタクトアニール可能であれば、ｎ電極１７の材料は上記に限らない。

また、実施形態では、ｐ型不純物としてＭｇ、ｎ型不純物としてＳｉを用いているが、ＩＩＩ族窒化物半導体のｐ型不純物、ｎ型不純物として従来知られている他の不純物を用いてもよい。

２．発光素子の製造工程
実施形態における発光素子の製造工程について図４、５を参照に説明する。図４は、実施形態における発光素子の製造工程を示したフローチャートであり、図５は、実施形態における発光素子の製造工程を示した図であり、各段階における構造の断面図を示した図である。

まず、サファイアからなる基板１０を用意する。そして、基板１０上にバッファ層を介してＭＯＣＶＤ法によってｎ層１１、発光層１２、電子ブロック層１４、ｐ層１３を順に積層する（図４のステップＳ１、図５（ａ）参照）。

次に、ｐ層１３の所定領域をｎ層１１に達するまでドライエッチングして溝２２を形成する（図４のステップＳ２、図５（ｂ）参照）。

次に、溝２２の底面に露出するｎ層１１上に、スパッタや蒸着によってＶ／Ａｌ／Ｔｉからなるｎ電極１７を形成する（図４のステップＳ３、図５（ｃ）参照）。Ｖ層の厚さは、５～１５ｎｍ、Ａｌ層の厚さは５０～５００ｎｍ、Ｔｉ層の厚さは２０～１００ｎｍである。Ｖ層は、ＶまたはＶを主成分とする金属である。Ａｌ層は、ＡｌまたはＡｌを主成分とする金属である。Ｔｉ層は、ＴｉまたはＴｉを主成分とする金属である。

次に、酸素を含む雰囲気で、温度５００～６５０℃、１～１０分間の熱処理を行う（図４のステップＳ４）。酸素を含む雰囲気は、たとえば窒素などの不活性ガスに酸素を混合した雰囲気であり、酸素濃度はたとえば０．１～１体積％である。熱処理は減圧下で行うことが好ましく、たとえば１×１０^２～１×１０^４Ｐａである。熱処理温度は好ましくは５５０～６５０℃である。

この熱処理は、ｐ層１３のＭｇ活性化処理とｎ電極１７の低コンタクト抵抗化とを兼ねており、ｐ層１３の低抵抗化と、ｎ層１１に対するｎ電極１７のコンタクト抵抗の低減とを同時に行うことができる。

実施形態では、ｎ電極１７としてＶ／Ａｌ／Ｔｉを用いることで熱処理温度を低減し、ｐ層１３のＭｇ活性化処理とｎ電極１７のコンタクト抵抗の低減とを共通化して同時に行うことで熱処理回数を減らしている。熱処理温度の低温化と熱処理回数減少の結果、発光素子の電気特性の劣化を抑制できる。

なお、ｐ層１３のＭｇ活性化処理とｎ電極１７の低コンタクト抵抗化とを別々に行ってもよい。たとえば温度を変える、雰囲気を変えるなどして別々に行ってもよい。ただし、素子への熱ダメージの点から実施形態のように共通化して同時に行うことが好ましい。別々に行う場合、ｎ電極１７の低コンタクト抵抗化の熱処理は、酸素を含まない雰囲気で行ってもよい。また、別々に行う場合、たとえば、ｐ層１３形成、Ｍｇ活性化の熱処理、ｎ電極形成、ｎコンタクトの熱処理の順に行う。

この熱処理によって、ｎ電極１７の構造は次のように変化する。ｎ電極１７であるＶ／Ａｌ／ＴｉのうちＶはＡｌ中に拡散していき、ｎ層１１やＴｉには拡散しない。この拡散の結果、Ｖ層は消失する。また、Ｖ／Ａｌ／Ｔｉ中のＡｌは、ｎ層１１中のＮと反応し、ｎ層１１とＡｌ層の界面にはＡｌＮ_ｘが形成される。Ｖは、ＡｌとＮの反応を促進する触媒のような作用をしていると考えられる。この熱処理の結果、ｎ電極１７の構造は、ｎ層１１に接して位置し、ＡｌＮ_ｘからなる第１層１７Ａと、第１層１７Ａ上に接して位置し、Ａｌを主としＶとＴｉを含む金属からなる第２層１７Ｂと、第２層１７Ｂ上に接して位置し、Ｔｉからなる第３層１７Ｃとの３層構造に変化する。

ｎ電極１７がこのような構造に変化することにより、ｎ層１１に対するｎ電極１７のコンタクト抵抗が低減する。その理由はすでに述べたとおりである。すなわち、第１に、ＡｌＮ_ｘからなる第１層１７Ａがｎ層１１に対して良好なコンタクト層として機能していると考えられること、第２に、ＡｌＮ_ｘの形成によりｎ層１１に窒素空孔が生じたことでｎ層１１のｎ型化がより促進したと考えられることである。

Ｖ層の厚さが５～１５ｎｍの範囲であれば、ｎ層１１に対するｎ電極１７のコンタクト抵抗は低減できるが、５ｎｍ未満や１５ｎｍよりも厚いとコンタクト抵抗は十分に低減できない。Ｖ層が５ｎｍ未満ではコンタクト抵抗が高い理由は、Ｖ層が薄すぎるとＡｌとＮの反応を促進する作用が十分に発揮されず、ＡｌＮ_ｘの形成が不十分となるためと考えられる。また、Ｖ層が１５ｎｍよりも厚いとコンタクト抵抗が高い理由は、Ｖ層が厚いとＶ層が拡散しきらず残存し、ｎ層１１との界面にＡｌＮ_ｘが形成されるのを阻害するためと考えられる。

次に、ｐ層１３上の所定領域にスパッタや蒸着によってＮｉからなる第１層１６Ａ、Ａｌからなる第２層１６Ｂ、Ｔｉからなる第３層１６Ｃを順に積層してＮｉ／Ａｌ／Ｔｉからなるｐ電極１６を形成する（図４のステップＳ５、図５（ｄ）参照）。第１層１６Ａの厚さは０．５～５ｎｍ、第２層１６Ｂの厚さは１００ｎｍ以上とする。ここで、第１層１６Ａの成膜速度は０．２ｎｍ／ｓ以下とすることが好ましい。第１層１６Ａ表面のＲＭＳを０．２ｎｍ以下に抑えることができ、一様に平坦な膜状に形成することができる。

ｐ電極１６やｎ電極１７の上部にさらに電極構造を設けてもよい。たとえば、ｐ電極１６やｎ電極１７を複数のドットが配列されたパターンとし、ｐ電極１６の形成後、素子上面を第１絶縁膜で覆い、第１絶縁膜上に孔を介してｐ電極１６やｎ電極１７と接続する配線電極を形成し、配線電極上に第２絶縁膜を形成し、さらに第２絶縁膜上に孔を介して配線電極と接続するパッド電極を形成する（いずれも図示しない）。これらの工程は、発光素子に３００℃を超える温度がかからない工程であり、熱処理もｐ電極１６の形成後は行わない。以上によって図１に示す発光素子が作製される。

実施形態における発光素子の製造工程では、ｐ電極１６の形成前にｎ電極１７の低コンタクト抵抗化の熱処理とｐ層１３のＭｇ活性化の熱処理を行っており、ｐ電極１６の形成後、発光素子の作製完了までの間に熱処理は行なわず、ｐ電極１６に３００℃を超える温度がかかる工程はない。このような工程とする理由は次の通りである。

ｐ電極１６の形成後に熱処理を行うと、図６のように、Ｎｉからなる第１層１６Ａがクラスター化して多数の島状になり、ｐ層１３が第１層１６Ａに覆われない領域が生じ、Ａｌからなる第２層１６Ｂがｐ層１３に直接接するようになる。その結果、ｐ電極１６のコンタクト抵抗が増加してしまう。特にｐ電極１６に３００℃を超える温度がかかるとｐコンタクト抵抗が大きく増加してしまう。

一方、ｐ電極１６の形成前にｐ層１３のＭｇ活性化を行い、ｐ電極１６の形成後に熱処理を行わなければ、Ｎｉからなる第１層１６Ａは平坦なままであり、Ａｌからなる第２層１６Ｂが直接ｐ層１３に接することはない。そのため、コンタクト抵抗が増加してしまうことがない。

実施形態における発光素子は、その後、実装基板に実装されるが、発光素子の作製後、実装工程前までの間、ｐ電極１６に３００℃を超える温度がかからないようにすることが好ましい。熱によるｐ電極１６のコンタクト抵抗増加を抑制するためである。また、発光素子の実装方法は、ｐ電極１６にかかる温度が３００℃以下の方法が好ましく、なるべく実装にかかる時間の短い方法が好ましい。たとえば、フリップチップボンディング（ＦＣＢ）が好ましく、特にＡｕスタッドバンプを用いた方法を用いるのがよい。

３．実施形態に係る実験例
実施形態に係る各種実験例について図を参照に説明する。

実験１
ｐ電極１６の第１層１６Ａの厚さを０．５ｎｍ、第２層１６Ｂの厚さを１５０ｎｍとした実施形態に係る発光素子（以下、実験例１の発光素子とする）を作製し、電流電圧特性、外部量子効率ＥＱＥ、発光効率ＷＰＥを測定した。また、比較のため、実験例１の発光素子を窒素雰囲気で４００℃、１分間熱処理し（以下、実験例２の発光素子とする）、同様に電流電圧特性、外部量子効率ＥＱＥ、発光効率ＷＰＥを測定した。また、ｐ電極１６をＮｉ／Ａｕに替えた発光素子（以下、実験例３の発光素子とする）についても、外部量子効率ＥＱＥ、発光効率ＷＰＥを測定した。

図７は実験例１、２の発光素子の電流電圧特性を示したグラフ、図８は実験例１～３の発光素子における電流密度と外部量子効率ＥＱＥの関係を示したグラフ、図９は実験例１～３の発光素子における電流密度と発光効率ＷＰＥの関係を示したグラフである。

図７のように、実験例１の発光素子は実験例２の発光素子よりも順方向電圧Ｖｆが低く、順方向電流３５０ｍＡにおいてＶｆが４．３％低かった。この結果から、Ｎｉ／Ａｌからなるｐ電極１６の形成後に熱処理を行うとｐコンタクト抵抗が悪化し、順方向電圧Ｖｆが上昇してしまうことが分かった。これは、熱処理によってＮｉがクラスター化して島状となり、一部領域で第２層１６Ｂがｐ層１３に直接接してしまうためと考えられる。

また図８のように、実験例１、２の発光素子は、実験例３の発光素子よりも外部量子効率ＥＱＥが高かった。これはｐ電極１６がＮｉ／Ａｌであるため、Ｎｉ／Ａｕよりも紫外線の反射率が高く、光取り出し効率が向上しているためである。

また図９のように、実験例１、２の発光素子は、実験例３の発光素子よりも発光効率ＷＰＥが高く、実験例１の発光素子の発光効率ＷＰＥは、実験例２の発光素子の発光効率ＷＰＥよりも高かった。これは、図７のように、実験例１の発光素子は実験例２の発光素子よりもＶｆが低いためである。

実験２
実施形態に係る発光素子を作製し、ｐ電極１６の形成後に熱処理を行い、各種熱処理温度におけるｐコンタクト抵抗率を測定した。第２層１６Ｂの厚さは１５０ｎｍとした。また、第１層１６Ａの厚さは０．５ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍの３段階とした。以下、それぞれ実験例４～６の発光素子とする。熱処理の雰囲気や処理時間は実験１と同様とした。

図１０は、熱処理温度とｐコンタクト抵抗率の関係を示したグラフである。グラフ中、熱処理温度０℃は熱処理を行わない場合である。また、グラフにおけるｐコンタクト抵抗率は、実験例４の発光素子において熱処理を行わない場合のｐコンタクト抵抗率を１として規格化した値である。

図１０のように、実験例４～６のいずれの発光素子も、ｐ電極１６の形成後の熱処理によってｐコンタクト抵抗率が増加することが分かった。特に、ｐ電極１６に３００℃を超える温度がかかるとｐコンタクト抵抗が大きく増加してしまうことが分かった。したがって、ｐ電極１６の形成後は熱処理を行わないことが好ましく、ｐ電極１６に３００℃を超える温度がかからないようすることが好ましいと分かった。また、発光素子の実装基板への実装工程は、３００℃以下の工程が好ましいことが分かった。

実験３
実施形態に係る発光素子を作製し、ｐ電極１６の形成後に熱処理を行い、各種熱処理温度におけるｐコンタクト抵抗率を測定した。第１層１６Ａの厚さは５ｎｍ、第２層１６Ｂの厚さは１５０ｎｍとした。以下、実験例７の発光素子とする。比較として、ｐ層１３のＭｇ活性化およびｎ電極１７の低コンタクト抵抗化を兼ねる熱処理を行わない発光素子を作製し、ｐ電極１６の形成後に熱処理を行い、各種熱処理温度におけるｐコンタクト抵抗率を測定した。以下、実験例８の発光素子とする。実験例８の発光素子における第１層１６Ａ、第２層１６Ｂの厚さは実験例７と同様である。

図１１は、熱処理温度とｐコンタクト抵抗率の関係を示したグラフである。グラフ中、熱処理温度０℃は熱処理を行わない場合である。また、グラフにおけるｐコンタクト抵抗率は、実験例７の発光素子において熱処理を行わない場合のｐコンタクト抵抗率を１として規格化した値である。

図１１のように、ｐ層１３のＭｇ活性化を行わない実験例８の発光素子では、ｐ電極１６形成後の熱処理の有無によらず、ｐコンタクト抵抗率は１０００以上であり、ｐ層１３のＭｇ活性化を行った実験例７の発光素子に比べて非常に大きな値であった。

実験２、３の結果、ｐ電極１６のｐコンタクト抵抗率を低減するためには、ｐ電極１６の形成前にｐ層１３のＭｇ活性化の熱処理を行い、ｐ電極１６の形成後、発光素子の作製終了までは熱処理を行わないようにする必要があることが分かった。

実験４
ｐ電極１６の第１層１６Ａの厚さを種々の値とし、第２層１６Ｂの厚さを１５０ｎｍとした実施形態に係る発光素子（以下、実験例９の発光素子とする）を作製し、ｐコンタクト抵抗率を測定した。

図１２は、第１層１６ＡであるＮｉの厚さとｐコンタクト抵抗率の関係を示したグラフである。グラフにおけるｐコンタクト抵抗率は第１層１６Ａの厚さが５ｎｍの場合のｐコンタクト抵抗率を１として規格化した値である。

図１２のように、第１層１６Ａが０．５ｎｍ以上であれば、ｐコンタクト抵抗率はおよそ１となり、低く安定することが分かった。

実験５
サファイア基板上にｐ電極１６を積層した試料を作製し、サファイア基板の裏面（ｐ電極１６側とは反対側の面）から波長２８０ｎｍの紫外線を垂直に入射させ、ｐ電極１６の紫外線反射率を測定した。第１層１６Ａの厚さは種々の値とし、第２層１６Ｂは１５０ｎｍ、第３層１６Ｃは５０ｎｍとした。

図１３は、第１層１６ＡであるＮｉの厚さとｐ電極１６の反射率の関係を示したグラフである。図１３のように、第１層１６Ａが厚くなるにつれて反射率は指数関数的に減少していくことが分かり、厚さ２ｎｍあたりまでは厚さの増加により急激に反射率が減少し、厚さ２ｎｍを超えると反射率の減少は少し緩やかとなり、５ｎｍを超えると一層反射率の減少は緩やかとなった。図１２から、第１層１６Ａの厚さは５ｎｍ以下とするのがよく、２ｎｍがより好ましく、１ｎｍ以下がさらに好ましいことが分かった。

実験６
サファイア基板上に平均厚さ０．５ｎｍのＮｉ膜を成膜し、その表面のＡＦＭ像を撮影した。Ｎｉ膜の成膜速度は０．２ｎｍ以下とした。

図１４（ａ）は、Ｎｉ膜の表面のＡＦＭ像であり、図１４（ｂ）はＮｉ膜の成膜前のサファイア基板表面のＡＦＭ像である。ＡＦＭ像は２μｍ角である。図１４（ｂ）のように、サファイア基板表面は平坦であり、サファイア基板表面のＲＭＳは０．１０４ｎｍであった。一方、図１４（ａ）のように、Ｎｉ膜の表面には凹凸が見られ、Ｎｉ膜表面のＲＭＳは０．１８５ｎｍ、サファイア基板表面のＲＭＳとの差は０．０８１ｎｍであった。Ｎｉ膜に凹凸はあるものの、図１２のようにＮｉ膜の厚さが０．５ｎｍでも低いｐコンタクト抵抗率が得られていること、非特許文献１に記載のクラスター化したＮｉ膜のＲＭＳの値が３．０７ｎｍであることから、図１４（ａ）の場合においてもＮｉ膜はクラスター化していないものと考えられる。

また、Ｎｉ膜表面のＲＭＳとサファイア基板表面のＲＭＳとの差が０．０８１ｎｍであり、サファイア基板表面のＲＭＳよりも小さいことから、Ｎｉ膜の実質的な表面凹凸はサファイア基板表面よりも小さいと考えられ、Ｎｉ膜は十分に平坦であると言える。

この結果、第１層１６ＡのＲＭＳが０．２ｎｍ以下であれば、第１層１６Ａは十分に平坦で均一であり、第１層１６Ａがクラスター化せずに良好なｐコンタクト抵抗が得られることが分かった。また、第１層１６ＡのＲＭＳは０．１ｎｍ以下がより好ましいことが分かった。第１層１６ＡのＲＭＳを０．１ｎｍとすれば、サファイア基板表面のＲＭＳとの差はほぼ０であり、Ｎｉ膜の厚さばらつきをほぼ０に低減できると考えられる。

１０：基板
１１：ｎ層
１２：発光層
１３：ｐ層
１４；電子ブロック層
１６：ｐ電極
１６Ａ、１７Ａ：第１層
１６Ｂ、１７Ｂ：第２層
１６Ｃ、１７Ｃ：第３層
１７：ｎ電極

Claims (7)

1. ｎ層と、発光層と、ｐ層を順に積層させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記ｎ層に接するｎ電極と、前記ｐ層に接するｐ電極を有する発光素子の製造方法において、
   前記ｎ電極を形成するｎ電極形成工程と、
   前記ｎ電極の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第１熱処理工程と、
   前記ｐ層のｐ型不純物活性化の熱処理を行う第２熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程および前記第２熱処理工程の後に、前記ｐ電極を形成するｐ電極形成工程と、
   を有し、
   前記ｐ電極形成工程は、前記ｐ層上に接するＮｉまたはＮｉを主成分とする金属である第１層を形成し、前記第１層上に接するＡｌまたはＡｌを主成分とする金属である第２層を形成する工程を有する、
   発光素子の製造方法。
2. 前記ｐ電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、熱処理を行わない、請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. 前記ｐ電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、前記発光素子に３００℃を超える温度がかからないようにする、請求項１に記載の発光素子の製造方法。
4. 前記ｐ電極形成工程において、前記第１層の厚さを０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とし、前記第２層の厚さを１００ｎｍ以上とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
5. 前記ｎ電極形成工程は、前記ｎ層上に接し、厚さ５ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＶまたはＶを主成分とする金属であるＶ層を形成する工程と、前記Ｖ層上に接するＡｌまたはＡｌを主成分とする金属であるＡｌ層と、を有し、
   前記第１熱処理工程は、酸素を含む雰囲気で、５００～６５０℃の熱処理を行う工程であり前記第２熱処理工程を兼ねる、請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
6. 請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法によって前記発光素子を作製後に、前記発光素子を実装基板に実装する実装工程を有する発光装置の製造方法であって、
   前記ｐ電極形成工程後、前記実装工程前までの間に、前記ｐ電極に３００℃を超える温度がかからないようにする、発光装置の製造方法。
7. 前記実装工程は、前記ｐ電極にかかる温度が３００℃以下の工程である、請求項６に記載の発光装置の製造方法。

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