ＧａＮ系ＬＥＤ素子
【課題】低温成長などの方法でＧａＮ系半導体膜に形成された粗化面を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子において、電極として形成される金属膜の光吸収に基づく損失を低減するための素子構造を提供する。
【解決手段】上面が粗化されたｐ型導電層と、該ｐ型導電層の下面側に配置された発光層と、該ｐ型導電層とで該発光層を挟むように配置されたｎ型導電層とを含む、積層構造のＧａＮ系半導体膜から、少なくとも該ｐ型導電層および該発光層の一部を除去することによって、該ｐ型導電性層、該発光層および該ｎ型導電層を含む積層部と、該ｎ型導電層の平坦な露出面とが隣接する構造が形成されており、該露出面上に第１電極金属膜を含むｎ側電極が形成され、該ｐ型導電性層の上面にＴＣＯ膜からなる透光性電極が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【解決手段】上面が粗化されたｐ型導電層と、該ｐ型導電層の下面側に配置された発光層と、該ｐ型導電層とで該発光層を挟むように配置されたｎ型導電層とを含む、積層構造のＧａＮ系半導体膜から、少なくとも該ｐ型導電層および該発光層の一部を除去することによって、該ｐ型導電性層、該発光層および該ｎ型導電層を含む積層部と、該ｎ型導電層の平坦な露出面とが隣接する構造が形成されており、該露出面上に第１電極金属膜を含むｎ側電極が形成され、該ｐ型導電性層の上面にＴＣＯ膜からなる透光性電極が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体膜に粗化面（textured surface）を有するＧａＮ系ＬＥＤ（発光ダイオード）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｎ型導電層とｐ型導電層とこれらの層の間に挟まれた発光層とからなるダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造を、ＧａＮ系半導体を用いて形成してなるＧａＮ系ＬＥＤ素子は、近紫外〜緑の波長域の光を発生させることができる。ＧａＮ系ＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光装置が、液晶ディスプレイのバックライトユニット用光源や室内照明用光源として実用化されている。
【０００３】
一般的なＧａＮ系ＬＥＤ素子は、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ系半導体膜をエピタキシャル成長させる工程を経て製造される。この工程では、サファイア基板上にバッファ層を介してｎ型導電層が形成され、そのｎ型導電層の上に発光層とｐ型導電層が順次形成される。このｐ型導電層を８００℃程度の温度で成長させると、多数のピットが形成された粗化面（textured surface）が形成される（非特許文献１）。
【０００４】
非特許文献２には、透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Transparent Conductive Oxide）であるＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透光性電極をｐ型導電層上に有するＧａＮ系ＬＥＤ素子において、低温成長によりｐ型導電層に粗化面を形成したときの方が、ｐ型導電層の上面が鏡面の場合よりもフリップチップ実装時の出力が高くなったことが報告されている。このことは、粗化面の光散乱作用が光取出し効率の改善効果をもたらしていることを示唆している。かかる粗化面を有するＧａＮ系半導体膜の透明性が低いのは、光を強く散乱していることの現れであると解される。
【０００５】
非特許文献３のＦｉｇ．１に示された電子顕微鏡像によれば、低温で成長されたＧａＮ系半導体の粗化面上に形成されたＩＴＯ膜は、膜厚が不均一であり、その表面平滑性は極めて悪い。
【０００６】
特許文献１には、低温成長によりＧａＮ系半導体膜に形成された粗化面を、エッチバック法によって部分的に平坦化する方法が開示されている。エッチバック法とは、簡単に説明すれば、粗い半導体表面を、該表面の起伏を完全に埋め込むマスク層で被覆したうえで、該マスク層と該半導体のエッチング速度が同等となる条件を用いて該マスク層の表面側から該マスク層が完全に除去されるまでエッチングを行うことによって、平坦な半導体表面を露出させるという平坦化方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１９６６９２号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１０／１５０８０９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】L.W. Wu et al., Solid-State Electronics, 47, 2027 (2003)
【非特許文献２】Chia-En Lee et al., IEEE Photonics Technology Letters, 20, 659 (2008)
【非特許文献３】Yi-Jung Liu et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 13, H406 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献２に開示されたＧａＮ系ＬＥＤ素子では、ｐ型導電層の粗化面上にＩＴＯ膜が形成され、そのＩＴＯ膜の表面に金属製のボンディングパッドが形成されている。このボンディングパッドの裏面は、下地であるｐ型導電層およびＩＴＯ膜の表面形状を反映することから、平滑性が極めて悪く、その反射率は著しく低い。反射率の低い金属表面は入射する光の多くの部分を吸収して熱に変換するので、ＬＥＤ素子の発光効率を大きく低下させる。
【００１０】
また、非特許文献２のＦｉｇ．１では、ｎ側電極（ボンディングパッド）が形成される面（ｎ型導電層の露出面）が平坦に描かれているが、この面はｐ型導電層の粗化面をドライエッチングすることにより形成されていることからすれば、実際には、ｐ型導電層の表面と類似した粗化面である。従って、この面上に形成されたｎ側電極の裏面は平滑性が悪く、その反射率は低いと考えられる。
【００１１】
非特許文献２の例に限らず、光取出し効率の改善の目的でＧａＮ系半導体膜に粗化面を設ける試みの多くにおいて、粗化面上に電極金属膜が形成されている。しかし、かかる金属膜の光吸収が問題点として取り上げられることは、これまでなかったように思われる。本発明は、かかる事情に鑑みなされたものであり、低温成長などの方法でＧａＮ系半導体膜に形成された粗化面を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子において、電極として形成される金属膜の光吸収に基づく損失を低減するための素子構造を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、次に挙げるＧａＮ系ＬＥＤ素子が提供される。
（１）上面が粗化されたｐ型導電層と、該ｐ型導電層の下面側に配置された発光層と、該ｐ型導電層とで該発光層を挟むように配置されたｎ型導電層とを含む、積層構造のＧａＮ系半導体膜から、少なくとも該ｐ型導電層および該発光層の一部を除去することによって、該ｐ型導電性層、該発光層および該ｎ型導電層を含む積層部と、該ｎ型導電層の平坦な露出面とが隣接する構造が形成されており、該露出面上に第１電極金属膜を含むｎ側電極が形成され、該ｐ型導電性層の上面にＴＣＯ膜からなる透光性電極が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（２）前記ｐ型導電層は低温成長により形成されたピットを上面に有する、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（３）前記第１電極金属膜の少なくとも一部が前記ｎ型導電層の平坦な露出面に接している、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（４）前記第１電極金属膜が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＡｌ層を有する、前記（３）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（５）前記ｎ側電極が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＴＣＯ膜を有し、該ＴＣＯ膜上に前記第１金属膜を有する、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（６）前記第１電極金属膜がボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延びる延長部とを有している、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（７）前記透光性電極上の一部に第２電極金属膜が形成され、該第２電極金属膜の直下に該透光性電極と前記ｐ型導電層とを絶縁する誘電体膜を有する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（８）前記第２電極金属膜が、ボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延び
る延長部とを有している、前記（７）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（９）前記誘電体膜は前記ｐ型導電層よりも表面平滑性が良好である、前記（７）または（８）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１０）前記誘電体膜が、前記第２電極金属膜の直下から延びる延長部を、前記ｐ型導電層と前記透光性電極との間に有している、前記（９）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１１）前記ｎ型導電性層の平坦な露出面とは異なる部位に、前記ＧａＮ系半導体膜から少なくとも前記ｐ型導電層および前記発光層の一部を除去することにより形成された、前記ｎ型導電層の粗い露出面を有する、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１２）平面視したとき、前記ｎ型導電層の粗い露出面が環状をなし、前記積層部および前記ｎ型導電層の平坦な露出面を取り囲んでいる、前記（１１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施形態に係る上記（１）〜（１２）の各ＧａＮ系ＬＥＤ素子は、ｐ型導電層の粗化された上面の作用により光取出し効率に優れる一方、ｎ側電極形成面として形成されたｎ型導電層の露出面は平坦であることから、ｎ側電極に含まれる金属膜の光吸収による発光効率の低下が抑制されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図２】。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子に含まれるｎ側電極のみを表示する上面図である。
【図３】ｎ側電極形成面を形成する方法を説明するための工程断面図である。
【図４】ｎ側電極形成面を形成する方法を説明するための工程断面図である。
【図５】誘電体膜のみを表示する上面図であり、図５（ａ）は図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子に含まれる誘電体膜の上面図、図５（ｂ）は変形例に係る誘電体膜の上面図である。
【図６】好適な実施形態における、発光層の上面に対する電極金属膜の正射影と誘電体膜の正射影との関係を説明するための図である。
【図７】実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の構造を図１に示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、透光性基板１１０上に積層されたＧａＮ系半導体膜を有している。このＧａＮ系半導体膜は、透光性基板１１０側からｎ型導電層１２１、発光層１２２およびｐ型導電層１２３が順次積層された積層部１２０を含んでいる。図１（ｂ）中の拡大図に示すように、積層部１２０の最上部に設けられたｐ型導電層１２３の上面には、断面がＶ字型を呈するピットが高密度に形成されている。すなわち、ｐ型導電層１２３の上面は粗化されている。
【００１６】
積層部１２０に隣接して、平坦に形成されたｎ型導電層１２１の露出面であるｎ側電極形成面１２１Ａが設けられている。このｎ側電極形成面１２１Ａ上にはｎ側電極１３０が形成されている。ｎ側電極１３０は金属膜のみからなるものであってもよいし、ｎ型導電層１２１とオーミック接触するＴＣＯ膜とその上に積層された金属膜とからなる積層体であってもよい。ＧａＮ系ＬＥＤ素子では注入電流の増加とともに発光効率が減少する現象（ドループ現象）が不可避的に生じることを考慮すると、ｎ側電極形成面１２１Ａの面積をｎ側電極１３０の形成に必要な最小限度に抑えて、発光構造が含まれる部位である積層部
１２０の面積をできるだけ大きくすることが好ましい。
【００１７】
積層部１２０上には、ＴＣＯ膜からなる透光性電極１４１と、その一部上に形成された電極金属膜１４２とを含むｐ側電極１４０が形成されている。電極金属膜１４２の直下には、ｐ型導電層１２３と透光性電極１４１とを絶縁する誘電体膜１５０が形成されている。素子の周縁領域には、粗く形成されたｎ型導電層１２１の露出面である溝底１２１Ｂが、積層部１２０およびｎ側電極形成面１２１Ａを取り囲むように設けられている。この溝底１２１Ｂは、ウェハサイズの基板を用いてＧａＮ系半導体素子１００を製造する過程で、素子分離のためにＧａＮ系半導体膜に形成された溝の底面である。
【００１８】
図２はｎ側電極１３０のみを抜き出して表示した上面図である。ｎ側電極１３０は、ボンディングパッド部１３１と、該ボンディングパッド部から延びる延長部１３２とを有している。ボンディングパッド部１３１は、ボンディングワイヤあるいは導電性接合材を接合するための部位である。導電性接合材が使用されるのはフリップチップ実装の場合であり、ハンダ、銀ペースト、金属バンプなどが導電性接合材の具体例として挙げられる。延長部１３２は電流を発光層１２２に平行な方向に効率よく広げるために設けられており、発光層１２２で生じる光をできるだけ吸収または遮蔽しないように、細長い形状とされている。図１（ａ）に示すように、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、ｐ側電極１４０に含まれる電極金属膜１４２もボンディングパッド部と延長部とを有している。ｎ側電極１３０や電極金属膜１４２に設けるボンディングパッド部の平面形状は矩形に限定されるものではなく、円形、楕円形などであってもよい。
【００１９】
電極金属膜にボンディングパッド部と延長部を設ける構成は、サイズの大きなＧａＮ系ＬＥＤ素子において特に有用である。ＧａＮ系ＬＥＤ素子の形状およびサイズ、ならびにボンディングパッド部の配置に応じて、ひとつのボンディングパッド部から延びる延長部の数は１本にすることもできるし、３本以上とすることもできる。また、延長部が途中で枝分かれする構成や、異なるボンディングパッド部から延びる延長部同士が繋がっている構成なども、適宜採用することができる。なおｎ側電極とｐ側電極のいずれにおいても、電極金属膜は少なくともボンディングパッドとして使用可能な部分を有することが必須である一方、延長部を有することは必須ではない。
【００２０】
電極金属膜１４２はｐ型導電層１２３の粗化面上に透光性電極１４１を介して形成されるために、その裏面の反射率は著しく低い。従って、その直下での発光を許した場合、その光は高い確率で電極金属膜１４２に吸収されるので、大きな損失が生じる。そこで、電極金属膜１４２の直下における発光を抑制して損失を低減するために、誘電体膜１５０が形成されている。シート抵抗の大きなｐ型導電層１２３の内部では層に平行な方向に電流が十分に拡散しないので、誘電体膜１５０によって透光性電極１４１からｐ型導電層１２３への電流注入を阻止すれば、誘電体膜１５０の直下、すなわち電極金属膜１４２の直下における発光層１２２への電流注入が実質的に阻止される。
【００２１】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は次に説明する手順により製造することができる。
【００２２】
まず、ＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長に使用可能なウェハサイズ（例えば、直径２インチ）の透光性基板１１０を準備する。例えば、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ３）、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ２）、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ３）などからなる単結晶基板が使用可能である。サファイア基板は好ましい透光性基板のひとつであるが、中でも、ＧａＮ系半導体を成長させるべき表面に、光散乱を発生させるための凸部または凹部がエッチング加工により形成されたＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）は、特に好適である。そのＰＳＳの中でも特に好適なのは、凸部が円錐状または半球状に形成されたものである。
【００２３】
次に、準備した透光性基板１１０上に、エピタキシャル成長法によってｎ型導電層１２１、発光層１２２、ｐ型導電層１２３を順次成長させる。エピタキシャル成長法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法、反応性スパッタ法、その他の公知の方法を適宜用いることができる。サファイア基板のようにＧａＮ系半導体との格子定数差の大きな透光性基板を用いる場合には、透光性基板１１０上にバッファ層を形成してからｎ型導電層１２１を成長させる。
【００２４】
ＧａＮ系半導体にｎ型導電性またはｐ型導電性を付与するために添加することのできる不純物の種類については、公知技術を参照することができる。ｎ型導電層１２１は、好ましくは、Ｓｉ（ケイ素）を３×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加したＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）で、２〜６μｍの厚さに形成する。発光層１２２は、好ましくは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ）井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜ｘ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層とする。井戸層および障壁層のそれぞれに添加することのできる不純物の種類および濃度については、公知技術を参照することができる。ｐ型導電層１２３は、好ましくは、Ｍｇ（マグネシウム）を５×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３の濃度で添加したＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）で、０．３〜２μｍの厚さに形成する。ｐ型導電層の膜厚が小さ過ぎる場合、その上面を粗化しても十分な光散乱作用を発生させることができないので注意を要する。
【００２５】
透光性基板１１０とｎ型導電層１２１の間、ｎ型導電層１２１と発光層１２２の間、発光層１２２とｐ型導電層１２３の間には、公知技術を参照して、様々な機能を有するＧａＮ系半導体層を挿入することができる。例えば、欠陥低減層、歪緩和層、キャリアブロック層などである。挿入するＧａＮ系半導体層は、超格子のように多層構造を有するものであってもよい。
【００２６】
ｐ型導電層１２３の上面を粗化する方法は特に限定されない。ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、ｐ型導電層１２３の成長温度を７００〜９００℃とすることによって、上面にピットを発生させることができる。好ましくは深さ０．３μｍ以上、より好ましくは深さ０．４μｍ以上のピットが形成されるように、ｐ型導電層１２３の膜厚および成長条件を設定する。ピットの発生には貫通転位が関与していることから、ｐ型導電層１２３の上面に好ましいサイズのピットを高密度に発生させるためには、貫通転位が約１０８／ｃｍ３の密度で生じるよう、サファイア基板のようなＧａＮ系半導体との間にある程度の格子定数差を有する透光性基板を用いることが好ましい。ＧａＮ基板のような窒化物半導体基板を用いる場合には、基板とｐ型導電層の間に、貫通転位密度を増加させる機能を有する層を設けることが好ましい。かかる機能を有する層については、特許文献２を参照することができる。
【００２７】
１０００℃以上の成長温度で上面が平坦となるようにｐ型導電層１２３を形成した後、ナノマスクを用いたエッチングによって該上面を粗化することもできる。かかる技術については公知文献を適宜参照することができる。
【００２８】
次に、ＧａＮ系半導体膜からドライエッチングによってｐ型導電層１２３および発光層１２２を部分的に除去することにより、ｎ側電極形成面１２１Ａを形成する。この工程では、前述のエッチバック法を用いて、ｎ型導電層１２１を平坦に露出させる。具体的には、まず、図３（ａ）に示すようにｐ型導電層１２３の上面全体に保護膜Ｐを形成する。保護膜Ｐは、金属あるいはＳｉＯ２のような酸化物で形成することができる。次に、通常のフォトリソグラフィ技法を用いて、図３（ｂ）に示すように、形成すべきｎ側電極形成面の形状に応じた開口部を保護膜Ｐに形成する。開口部形成後、図３（ｃ）に示すように、起伏を平坦に埋め込むマスク層Ｑでウェハ上面を覆う。マスク層Ｑはフォトレジストを用い
て形成することができる。
【００２９】
次に、マスク層Ｑの上からウェハをドライエッチする。このとき、保護膜Ｐのエッチング速度がマスク層Ｑのエッチング速度よりも小さくなるように、かつ、マスク層ＱとＧａＮ系半導体（ｐ型導電層１２３、発光層１２２、ｎ型導電層１２１）のエッチング速度が同等となるように、ドライエッチング条件を設定する。かかる条件を用いると、図４（ｄ）に示すように、保護膜Ｐが形成された領域では、保護膜Ｐが露出したところでエッチングが止まる。一方、保護膜Ｐに開口部が形成された領域では、マスク層Ｑとｐ型導電層１２３とが同じ速度でエッチングされる結果、図４（ｅ）に示すように、マスク層Ｑが完全に除去された時点で、ｐ型導電層１２３の露出面が平坦となる。更にエッチングを続けることにより、図４（ｆ）に示すように、全域にわたって平坦なｎ側電極形成面１２１Ａが形成される。その後、図４（ｇ）に示すように、適当なエッチャントを用いて保護膜Ｐを除去する。
【００３０】
ｎ側電極形成面１２１Ａの形成後、ｐ型導電層１２３上に誘電体膜１５０を部分的に形成する。誘電体膜１５０の材料に特に限定はなく、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などといった、各種金属のフッ化物、酸化物、窒化物、酸窒化物を用いることができる。また、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ）、スピンオングラスなどのガラス系材料を用いることもできる。誘電体膜１５０の平面形状およびサイズは、図５（ａ）に示すように、その上方に形成する電極金属膜１４２と略同一とすることができる。ただし、形状とサイズを完全に同一とした場合、製造工程で誘電体膜１５０と電極金属膜１４２の平面位置が僅かにずれただけで、誘電体膜１５０の効果が著しく低下する。そこで、図６に示すように、発光層の上面に対する誘電体膜１５０の正射影が、電極金属膜１４２の正射影を包含するように、誘電体膜１５０の面積を電極金属膜１４２よりもやや大きくすることが望ましい。例えば、誘電体膜１５０の面積を電極金属膜１４２の１２０〜１５０％とする。
【００３１】
誘電体膜１５０をガラス系材料で形成する場合、リフローによって誘電体膜１５０の表面平坦性をｐ型導電層１２３よりも良好なものとすることができる。そうした場合、誘電体膜１５０の表面に形成されるＴＣＯ膜は、ｐ型導電層１２３の表面に形成されるＴＣＯ膜に比べて、面内の膜厚変動が小さくなるので、シート抵抗が低いものとなる。従って、図５（ｂ）に示すように、誘電体膜に、電極金属膜１４２の直下から直下でない領域に延びる延長部１５０Ａを形成すると、該延長部１５０Ａ上には透光性電極１４１のシート抵抗が部分的に低くなった領域が形成される。このとき、透光性電極１４１内を拡散する電流は、とりわけ延長部１５０Ａの長手方向に沿って拡散し易くなる。このことは、延長部１５０Ａを適切に設けることによって、透光性電極１４１の内部を流れる電流を所望の方向に拡散し易くすることができることを意味している。
【００３２】
誘電体膜１５０の形成後、ｐ型導電層１２３上にＴＣＯ膜からなる透光性電極１４１を形成する。ＩＴＯ、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などの酸化インジウムベースのＴＣＯ、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）などの酸化亜鉛ベースのＴＣＯ、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などの酸化錫ベースのＴＣＯを好ましく用いることができる。透光性電極１４１の形成方法に限定はなく、スパッタ法、反応性スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法など、公知の方法を適宜用いることができる。透光性電極１４１は、サブトラクティブな方法とアディティブな方法（リフトオフ法）のいずれによってパターニングしてもよい。
【００３３】
ｎ側電極１３０と電極金属膜１４２とは、いずれを先に形成してもよい。また、同時に形成することもできる。同時形成した場合には、ｎ側電極１３０と電極金属膜１４２の厚さ（多層構造の場合には、各層の厚さ）が略同じとなる。
【００３４】
ｎ側電極１３０は、少なくともｎ型導電層１２１に接する部分を、ｎ型ＧａＮ系半導体と良好なオーミック接触を形成する材料で形成する。かかる材料として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）もしくはＶ（バナジウム）の単体、または、これらから選ばれる１種以上の金属を含む合金が挙げられる。中でも、近紫外〜青の波長域における反射率が高いことから、ＡｌおよびＡｌ合金は特に好ましい材料である。Ａｌ合金としては、Ｔｉ、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｃｕ（銅）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒなどの添加元素を含むものが例示される。
【００３５】
ｎ側電極１３０は、ｎ型導電層１２１に接する部分にＴＣＯ膜、すなわち、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛、ＡＺＯ、ＧＺＯ、酸化錫、ＦＴＯなどからなる透光性膜を有していてもよい。このＴＣＯ膜は、ｐ型導電層１２３上に設ける透光性電極１４２と同時に形成することができる。
【００３６】
ｎ側電極１３０の表層部分は金属で形成する。ボンディングワイヤとして多用されるＡｕワイヤのボンダビリティを高くするには、該表層部分をＡｕで形成することが好ましい。該表層部分をＡｕ、Ｐｔのような酸化し難い金属で形成した場合には、ハンダによる濡れ性が良好となる。該表層部分は、ボンディングに使用されることが予定されているハンダに成分として含まれる金属を用いて形成してもよい。該表層部分に用ける金属層と、その下方に設ける金属層との間には、これらの層の間で所望しない合金化反応が生じることのないように、高融点金属からなるバリア層を設けることができる。
【００３７】
電極金属膜１４２は、透光性電極１４１と接する部分を、Ａｌ、Ａｇ、白金族（Ｐｔ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ）のような反射率の高い金属で形成してもよいし、あるいは、Ｃｒ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ（タングステン）のような、ＴＣＯに対して強く接着する金属で形成してもよい。電極金属膜１４２の表層部分はＡｕ、Ｐｔなどで形成できる他、ボンディングに使用されることが予定されているハンダに成分として含まれる金属を用いて形成することができる。
【００３８】
前述のように、電極金属膜１４２は少なくともボンディングパッドとして使用可能な部位を有する。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を実装する際、該部位にはボンディングワイヤあるいは導電性接合材が接合される。超音波印加によりボンディングワイヤが接合されるに受ける強い応力に耐え得るように、電極金属膜１４２はｐ型導電層１２３に対し強固に固定されていなくてはならない。あるいは、フリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤ素子１００が実装面に確実に固定されるために、電極金属膜１４２とｐ型導電層１２３との結合は強固でなくてはならない。
【００３９】
そこで、一例では、図７に示すように、誘電体膜１５０上のＴＣＯ膜１４１に貫通孔を設け、この貫通孔を通して誘電体膜１５０と電極金属膜１４２とを直に接合させてもよい。それによって、ｐ型導電層１２３と電極金属膜１４２との間に存在する材料間の界面の数が減少するので、両者間の結合強度が改善される。
【００４０】
通常は、ウェハを分断してＧａＮ系ＬＥＤ素子１００をチップ（ダイともいう）にするダイシング工程の前に、ウェハ上の各素子を電気的に分離させる。具体的には、各ＬＥＤ素子が孤立した積層部１２０を有するように、エッチングによってＧａＮ系半導体膜にｎ型層１２１に達する素子分離溝を形成する。ダイシング工程ではこの素子分離溝の位置でウ
ェハを分割するので、結果として、チップ化されたＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、周縁部にこの素子分離溝の底部であった溝底１２１Ｂを有することになる。ＧａＮ系半導体膜の内側からこの溝底１２１Ｂに入射する光を反射させないように、この溝底１２１Ｂは粗面とする（平坦化しない）ことが好ましい。そのために、素子分離溝を形成するエッチング工程は、ｎ側電極形成面１２１Ａを形成するエッチング工程とは別工程とすることが好ましい。
【００４１】
一例では、光取出し効率の改善を図るために、素子の周縁部以外の領域でも、粗いｎ型層１２１の露出面を底面とする孔または溝をＧａＮ系半導体膜に形成することができる。
【００４２】
ダイシング工程の前に、ｎ側電極形成面１２１Ａや素子分離溝の形成により露出する発光層１２２の端面や、薄いＴＣＯ膜からなる透光性電極１４１の表面を保護するために、電極金属膜の表面を除くウェハの表面を覆うパッシベーション膜を形成することが好ましい。パッシベーション膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、スピンオングラスなどで形成することができる。
【００４３】
ダイシング工程では、ウェハを分断する前に、透光性基板１１０の裏面にグラインディング加工またはラッピング加工を行い、その膜厚を低減させてもよい。ＬＥＤチップはダイシングブレードを備えたダイサーを用いてウェハから切り出してもよいし、あるいは、ダイヤモンペンでウェハ表面にスクライブ線を形成し、このスクライブ線を起点にしてウェハを割ってチップにしてもよい。スクライブ線の代わりに、レーザ加工によりウェハ表面に形成した溝、あるいは、ウェハ内部に形成した改質領域を起点として、ウェハを割ることも可能である。
【００４４】
上記の手順で得たＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を実装するときには、ＬＥＤチップを固定すべき部材に対し、当該ＬＥＤチップが透光性基板１１０側の面を向けるように固定してもよいし、その反対に、ＬＥＤチップを固定すべき部材に対し、当該ＬＥＤチップがｎ側電極１３０およびｐ側電極１４０が形成された側の面を向けるように固定してもよい（フリップチップ実装）。フリップチップ実装する場合には、固定用部材にＬＥＤチップを固定した後で、レーザリフトオフ技法を用いてＧａＮ系半導体膜と透光性基板１１０とを分離させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１００ ＧａＮ系ＬＥＤ素子
１１０ 透光性基板
１２０ 積層部
１２１ ｎ型導電層
１２１Ａ ｎ側電極形成面
１２１Ｂ 溝底１２２ 発光層
１２３ ｐ型導電層
１３０ ｎ側電極
１３１ ボンディング部
１３２ 延長部
１４０ ｐ側電極
１４１ 透光性電極
１４２ 電極金属膜
１５０ 誘電体膜
１５０Ａ 延長部
Ｐ 保護膜
Ｑ マスク層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体膜に粗化面（textured surface）を有するＧａＮ系ＬＥＤ（発光ダイオード）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｎ型導電層とｐ型導電層とこれらの層の間に挟まれた発光層とからなるダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造を、ＧａＮ系半導体を用いて形成してなるＧａＮ系ＬＥＤ素子は、近紫外〜緑の波長域の光を発生させることができる。ＧａＮ系ＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光装置が、液晶ディスプレイのバックライトユニット用光源や室内照明用光源として実用化されている。
【０００３】
一般的なＧａＮ系ＬＥＤ素子は、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ系半導体膜をエピタキシャル成長させる工程を経て製造される。この工程では、サファイア基板上にバッファ層を介してｎ型導電層が形成され、そのｎ型導電層の上に発光層とｐ型導電層が順次形成される。このｐ型導電層を８００℃程度の温度で成長させると、多数のピットが形成された粗化面（textured surface）が形成される（非特許文献１）。
【０００４】
非特許文献２には、透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Transparent Conductive Oxide）であるＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透光性電極をｐ型導電層上に有するＧａＮ系ＬＥＤ素子において、低温成長によりｐ型導電層に粗化面を形成したときの方が、ｐ型導電層の上面が鏡面の場合よりもフリップチップ実装時の出力が高くなったことが報告されている。このことは、粗化面の光散乱作用が光取出し効率の改善効果をもたらしていることを示唆している。かかる粗化面を有するＧａＮ系半導体膜の透明性が低いのは、光を強く散乱していることの現れであると解される。
【０００５】
非特許文献３のＦｉｇ．１に示された電子顕微鏡像によれば、低温で成長されたＧａＮ系半導体の粗化面上に形成されたＩＴＯ膜は、膜厚が不均一であり、その表面平滑性は極めて悪い。
【０００６】
特許文献１には、低温成長によりＧａＮ系半導体膜に形成された粗化面を、エッチバック法によって部分的に平坦化する方法が開示されている。エッチバック法とは、簡単に説明すれば、粗い半導体表面を、該表面の起伏を完全に埋め込むマスク層で被覆したうえで、該マスク層と該半導体のエッチング速度が同等となる条件を用いて該マスク層の表面側から該マスク層が完全に除去されるまでエッチングを行うことによって、平坦な半導体表面を露出させるという平坦化方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１９６６９２号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１０／１５０８０９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】L.W. Wu et al., Solid-State Electronics, 47, 2027 (2003)
【非特許文献２】Chia-En Lee et al., IEEE Photonics Technology Letters, 20, 659 (2008)
【非特許文献３】Yi-Jung Liu et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 13, H406 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献２に開示されたＧａＮ系ＬＥＤ素子では、ｐ型導電層の粗化面上にＩＴＯ膜が形成され、そのＩＴＯ膜の表面に金属製のボンディングパッドが形成されている。このボンディングパッドの裏面は、下地であるｐ型導電層およびＩＴＯ膜の表面形状を反映することから、平滑性が極めて悪く、その反射率は著しく低い。反射率の低い金属表面は入射する光の多くの部分を吸収して熱に変換するので、ＬＥＤ素子の発光効率を大きく低下させる。
【００１０】
また、非特許文献２のＦｉｇ．１では、ｎ側電極（ボンディングパッド）が形成される面（ｎ型導電層の露出面）が平坦に描かれているが、この面はｐ型導電層の粗化面をドライエッチングすることにより形成されていることからすれば、実際には、ｐ型導電層の表面と類似した粗化面である。従って、この面上に形成されたｎ側電極の裏面は平滑性が悪く、その反射率は低いと考えられる。
【００１１】
非特許文献２の例に限らず、光取出し効率の改善の目的でＧａＮ系半導体膜に粗化面を設ける試みの多くにおいて、粗化面上に電極金属膜が形成されている。しかし、かかる金属膜の光吸収が問題点として取り上げられることは、これまでなかったように思われる。本発明は、かかる事情に鑑みなされたものであり、低温成長などの方法でＧａＮ系半導体膜に形成された粗化面を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子において、電極として形成される金属膜の光吸収に基づく損失を低減するための素子構造を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、次に挙げるＧａＮ系ＬＥＤ素子が提供される。
（１）上面が粗化されたｐ型導電層と、該ｐ型導電層の下面側に配置された発光層と、該ｐ型導電層とで該発光層を挟むように配置されたｎ型導電層とを含む、積層構造のＧａＮ系半導体膜から、少なくとも該ｐ型導電層および該発光層の一部を除去することによって、該ｐ型導電性層、該発光層および該ｎ型導電層を含む積層部と、該ｎ型導電層の平坦な露出面とが隣接する構造が形成されており、該露出面上に第１電極金属膜を含むｎ側電極が形成され、該ｐ型導電性層の上面にＴＣＯ膜からなる透光性電極が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（２）前記ｐ型導電層は低温成長により形成されたピットを上面に有する、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（３）前記第１電極金属膜の少なくとも一部が前記ｎ型導電層の平坦な露出面に接している、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（４）前記第１電極金属膜が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＡｌ層を有する、前記（３）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（５）前記ｎ側電極が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＴＣＯ膜を有し、該ＴＣＯ膜上に前記第１金属膜を有する、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（６）前記第１電極金属膜がボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延びる延長部とを有している、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（７）前記透光性電極上の一部に第２電極金属膜が形成され、該第２電極金属膜の直下に該透光性電極と前記ｐ型導電層とを絶縁する誘電体膜を有する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（８）前記第２電極金属膜が、ボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延び
る延長部とを有している、前記（７）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（９）前記誘電体膜は前記ｐ型導電層よりも表面平滑性が良好である、前記（７）または（８）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１０）前記誘電体膜が、前記第２電極金属膜の直下から延びる延長部を、前記ｐ型導電層と前記透光性電極との間に有している、前記（９）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１１）前記ｎ型導電性層の平坦な露出面とは異なる部位に、前記ＧａＮ系半導体膜から少なくとも前記ｐ型導電層および前記発光層の一部を除去することにより形成された、前記ｎ型導電層の粗い露出面を有する、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１２）平面視したとき、前記ｎ型導電層の粗い露出面が環状をなし、前記積層部および前記ｎ型導電層の平坦な露出面を取り囲んでいる、前記（１１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施形態に係る上記（１）〜（１２）の各ＧａＮ系ＬＥＤ素子は、ｐ型導電層の粗化された上面の作用により光取出し効率に優れる一方、ｎ側電極形成面として形成されたｎ型導電層の露出面は平坦であることから、ｎ側電極に含まれる金属膜の光吸収による発光効率の低下が抑制されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図２】。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子に含まれるｎ側電極のみを表示する上面図である。
【図３】ｎ側電極形成面を形成する方法を説明するための工程断面図である。
【図４】ｎ側電極形成面を形成する方法を説明するための工程断面図である。
【図５】誘電体膜のみを表示する上面図であり、図５（ａ）は図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子に含まれる誘電体膜の上面図、図５（ｂ）は変形例に係る誘電体膜の上面図である。
【図６】好適な実施形態における、発光層の上面に対する電極金属膜の正射影と誘電体膜の正射影との関係を説明するための図である。
【図７】実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の構造を図１に示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、透光性基板１１０上に積層されたＧａＮ系半導体膜を有している。このＧａＮ系半導体膜は、透光性基板１１０側からｎ型導電層１２１、発光層１２２およびｐ型導電層１２３が順次積層された積層部１２０を含んでいる。図１（ｂ）中の拡大図に示すように、積層部１２０の最上部に設けられたｐ型導電層１２３の上面には、断面がＶ字型を呈するピットが高密度に形成されている。すなわち、ｐ型導電層１２３の上面は粗化されている。
【００１６】
積層部１２０に隣接して、平坦に形成されたｎ型導電層１２１の露出面であるｎ側電極形成面１２１Ａが設けられている。このｎ側電極形成面１２１Ａ上にはｎ側電極１３０が形成されている。ｎ側電極１３０は金属膜のみからなるものであってもよいし、ｎ型導電層１２１とオーミック接触するＴＣＯ膜とその上に積層された金属膜とからなる積層体であってもよい。ＧａＮ系ＬＥＤ素子では注入電流の増加とともに発光効率が減少する現象（ドループ現象）が不可避的に生じることを考慮すると、ｎ側電極形成面１２１Ａの面積をｎ側電極１３０の形成に必要な最小限度に抑えて、発光構造が含まれる部位である積層部
１２０の面積をできるだけ大きくすることが好ましい。
【００１７】
積層部１２０上には、ＴＣＯ膜からなる透光性電極１４１と、その一部上に形成された電極金属膜１４２とを含むｐ側電極１４０が形成されている。電極金属膜１４２の直下には、ｐ型導電層１２３と透光性電極１４１とを絶縁する誘電体膜１５０が形成されている。素子の周縁領域には、粗く形成されたｎ型導電層１２１の露出面である溝底１２１Ｂが、積層部１２０およびｎ側電極形成面１２１Ａを取り囲むように設けられている。この溝底１２１Ｂは、ウェハサイズの基板を用いてＧａＮ系半導体素子１００を製造する過程で、素子分離のためにＧａＮ系半導体膜に形成された溝の底面である。
【００１８】
図２はｎ側電極１３０のみを抜き出して表示した上面図である。ｎ側電極１３０は、ボンディングパッド部１３１と、該ボンディングパッド部から延びる延長部１３２とを有している。ボンディングパッド部１３１は、ボンディングワイヤあるいは導電性接合材を接合するための部位である。導電性接合材が使用されるのはフリップチップ実装の場合であり、ハンダ、銀ペースト、金属バンプなどが導電性接合材の具体例として挙げられる。延長部１３２は電流を発光層１２２に平行な方向に効率よく広げるために設けられており、発光層１２２で生じる光をできるだけ吸収または遮蔽しないように、細長い形状とされている。図１（ａ）に示すように、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、ｐ側電極１４０に含まれる電極金属膜１４２もボンディングパッド部と延長部とを有している。ｎ側電極１３０や電極金属膜１４２に設けるボンディングパッド部の平面形状は矩形に限定されるものではなく、円形、楕円形などであってもよい。
【００１９】
電極金属膜にボンディングパッド部と延長部を設ける構成は、サイズの大きなＧａＮ系ＬＥＤ素子において特に有用である。ＧａＮ系ＬＥＤ素子の形状およびサイズ、ならびにボンディングパッド部の配置に応じて、ひとつのボンディングパッド部から延びる延長部の数は１本にすることもできるし、３本以上とすることもできる。また、延長部が途中で枝分かれする構成や、異なるボンディングパッド部から延びる延長部同士が繋がっている構成なども、適宜採用することができる。なおｎ側電極とｐ側電極のいずれにおいても、電極金属膜は少なくともボンディングパッドとして使用可能な部分を有することが必須である一方、延長部を有することは必須ではない。
【００２０】
電極金属膜１４２はｐ型導電層１２３の粗化面上に透光性電極１４１を介して形成されるために、その裏面の反射率は著しく低い。従って、その直下での発光を許した場合、その光は高い確率で電極金属膜１４２に吸収されるので、大きな損失が生じる。そこで、電極金属膜１４２の直下における発光を抑制して損失を低減するために、誘電体膜１５０が形成されている。シート抵抗の大きなｐ型導電層１２３の内部では層に平行な方向に電流が十分に拡散しないので、誘電体膜１５０によって透光性電極１４１からｐ型導電層１２３への電流注入を阻止すれば、誘電体膜１５０の直下、すなわち電極金属膜１４２の直下における発光層１２２への電流注入が実質的に阻止される。
【００２１】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は次に説明する手順により製造することができる。
【００２２】
まず、ＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長に使用可能なウェハサイズ（例えば、直径２インチ）の透光性基板１１０を準備する。例えば、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ３）、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ２）、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ３）などからなる単結晶基板が使用可能である。サファイア基板は好ましい透光性基板のひとつであるが、中でも、ＧａＮ系半導体を成長させるべき表面に、光散乱を発生させるための凸部または凹部がエッチング加工により形成されたＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）は、特に好適である。そのＰＳＳの中でも特に好適なのは、凸部が円錐状または半球状に形成されたものである。
【００２３】
次に、準備した透光性基板１１０上に、エピタキシャル成長法によってｎ型導電層１２１、発光層１２２、ｐ型導電層１２３を順次成長させる。エピタキシャル成長法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法、反応性スパッタ法、その他の公知の方法を適宜用いることができる。サファイア基板のようにＧａＮ系半導体との格子定数差の大きな透光性基板を用いる場合には、透光性基板１１０上にバッファ層を形成してからｎ型導電層１２１を成長させる。
【００２４】
ＧａＮ系半導体にｎ型導電性またはｐ型導電性を付与するために添加することのできる不純物の種類については、公知技術を参照することができる。ｎ型導電層１２１は、好ましくは、Ｓｉ（ケイ素）を３×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加したＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）で、２〜６μｍの厚さに形成する。発光層１２２は、好ましくは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ）井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜ｘ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層とする。井戸層および障壁層のそれぞれに添加することのできる不純物の種類および濃度については、公知技術を参照することができる。ｐ型導電層１２３は、好ましくは、Ｍｇ（マグネシウム）を５×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３の濃度で添加したＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）で、０．３〜２μｍの厚さに形成する。ｐ型導電層の膜厚が小さ過ぎる場合、その上面を粗化しても十分な光散乱作用を発生させることができないので注意を要する。
【００２５】
透光性基板１１０とｎ型導電層１２１の間、ｎ型導電層１２１と発光層１２２の間、発光層１２２とｐ型導電層１２３の間には、公知技術を参照して、様々な機能を有するＧａＮ系半導体層を挿入することができる。例えば、欠陥低減層、歪緩和層、キャリアブロック層などである。挿入するＧａＮ系半導体層は、超格子のように多層構造を有するものであってもよい。
【００２６】
ｐ型導電層１２３の上面を粗化する方法は特に限定されない。ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、ｐ型導電層１２３の成長温度を７００〜９００℃とすることによって、上面にピットを発生させることができる。好ましくは深さ０．３μｍ以上、より好ましくは深さ０．４μｍ以上のピットが形成されるように、ｐ型導電層１２３の膜厚および成長条件を設定する。ピットの発生には貫通転位が関与していることから、ｐ型導電層１２３の上面に好ましいサイズのピットを高密度に発生させるためには、貫通転位が約１０８／ｃｍ３の密度で生じるよう、サファイア基板のようなＧａＮ系半導体との間にある程度の格子定数差を有する透光性基板を用いることが好ましい。ＧａＮ基板のような窒化物半導体基板を用いる場合には、基板とｐ型導電層の間に、貫通転位密度を増加させる機能を有する層を設けることが好ましい。かかる機能を有する層については、特許文献２を参照することができる。
【００２７】
１０００℃以上の成長温度で上面が平坦となるようにｐ型導電層１２３を形成した後、ナノマスクを用いたエッチングによって該上面を粗化することもできる。かかる技術については公知文献を適宜参照することができる。
【００２８】
次に、ＧａＮ系半導体膜からドライエッチングによってｐ型導電層１２３および発光層１２２を部分的に除去することにより、ｎ側電極形成面１２１Ａを形成する。この工程では、前述のエッチバック法を用いて、ｎ型導電層１２１を平坦に露出させる。具体的には、まず、図３（ａ）に示すようにｐ型導電層１２３の上面全体に保護膜Ｐを形成する。保護膜Ｐは、金属あるいはＳｉＯ２のような酸化物で形成することができる。次に、通常のフォトリソグラフィ技法を用いて、図３（ｂ）に示すように、形成すべきｎ側電極形成面の形状に応じた開口部を保護膜Ｐに形成する。開口部形成後、図３（ｃ）に示すように、起伏を平坦に埋め込むマスク層Ｑでウェハ上面を覆う。マスク層Ｑはフォトレジストを用い
て形成することができる。
【００２９】
次に、マスク層Ｑの上からウェハをドライエッチする。このとき、保護膜Ｐのエッチング速度がマスク層Ｑのエッチング速度よりも小さくなるように、かつ、マスク層ＱとＧａＮ系半導体（ｐ型導電層１２３、発光層１２２、ｎ型導電層１２１）のエッチング速度が同等となるように、ドライエッチング条件を設定する。かかる条件を用いると、図４（ｄ）に示すように、保護膜Ｐが形成された領域では、保護膜Ｐが露出したところでエッチングが止まる。一方、保護膜Ｐに開口部が形成された領域では、マスク層Ｑとｐ型導電層１２３とが同じ速度でエッチングされる結果、図４（ｅ）に示すように、マスク層Ｑが完全に除去された時点で、ｐ型導電層１２３の露出面が平坦となる。更にエッチングを続けることにより、図４（ｆ）に示すように、全域にわたって平坦なｎ側電極形成面１２１Ａが形成される。その後、図４（ｇ）に示すように、適当なエッチャントを用いて保護膜Ｐを除去する。
【００３０】
ｎ側電極形成面１２１Ａの形成後、ｐ型導電層１２３上に誘電体膜１５０を部分的に形成する。誘電体膜１５０の材料に特に限定はなく、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などといった、各種金属のフッ化物、酸化物、窒化物、酸窒化物を用いることができる。また、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ）、スピンオングラスなどのガラス系材料を用いることもできる。誘電体膜１５０の平面形状およびサイズは、図５（ａ）に示すように、その上方に形成する電極金属膜１４２と略同一とすることができる。ただし、形状とサイズを完全に同一とした場合、製造工程で誘電体膜１５０と電極金属膜１４２の平面位置が僅かにずれただけで、誘電体膜１５０の効果が著しく低下する。そこで、図６に示すように、発光層の上面に対する誘電体膜１５０の正射影が、電極金属膜１４２の正射影を包含するように、誘電体膜１５０の面積を電極金属膜１４２よりもやや大きくすることが望ましい。例えば、誘電体膜１５０の面積を電極金属膜１４２の１２０〜１５０％とする。
【００３１】
誘電体膜１５０をガラス系材料で形成する場合、リフローによって誘電体膜１５０の表面平坦性をｐ型導電層１２３よりも良好なものとすることができる。そうした場合、誘電体膜１５０の表面に形成されるＴＣＯ膜は、ｐ型導電層１２３の表面に形成されるＴＣＯ膜に比べて、面内の膜厚変動が小さくなるので、シート抵抗が低いものとなる。従って、図５（ｂ）に示すように、誘電体膜に、電極金属膜１４２の直下から直下でない領域に延びる延長部１５０Ａを形成すると、該延長部１５０Ａ上には透光性電極１４１のシート抵抗が部分的に低くなった領域が形成される。このとき、透光性電極１４１内を拡散する電流は、とりわけ延長部１５０Ａの長手方向に沿って拡散し易くなる。このことは、延長部１５０Ａを適切に設けることによって、透光性電極１４１の内部を流れる電流を所望の方向に拡散し易くすることができることを意味している。
【００３２】
誘電体膜１５０の形成後、ｐ型導電層１２３上にＴＣＯ膜からなる透光性電極１４１を形成する。ＩＴＯ、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などの酸化インジウムベースのＴＣＯ、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）などの酸化亜鉛ベースのＴＣＯ、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などの酸化錫ベースのＴＣＯを好ましく用いることができる。透光性電極１４１の形成方法に限定はなく、スパッタ法、反応性スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法など、公知の方法を適宜用いることができる。透光性電極１４１は、サブトラクティブな方法とアディティブな方法（リフトオフ法）のいずれによってパターニングしてもよい。
【００３３】
ｎ側電極１３０と電極金属膜１４２とは、いずれを先に形成してもよい。また、同時に形成することもできる。同時形成した場合には、ｎ側電極１３０と電極金属膜１４２の厚さ（多層構造の場合には、各層の厚さ）が略同じとなる。
【００３４】
ｎ側電極１３０は、少なくともｎ型導電層１２１に接する部分を、ｎ型ＧａＮ系半導体と良好なオーミック接触を形成する材料で形成する。かかる材料として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）もしくはＶ（バナジウム）の単体、または、これらから選ばれる１種以上の金属を含む合金が挙げられる。中でも、近紫外〜青の波長域における反射率が高いことから、ＡｌおよびＡｌ合金は特に好ましい材料である。Ａｌ合金としては、Ｔｉ、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｃｕ（銅）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒなどの添加元素を含むものが例示される。
【００３５】
ｎ側電極１３０は、ｎ型導電層１２１に接する部分にＴＣＯ膜、すなわち、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛、ＡＺＯ、ＧＺＯ、酸化錫、ＦＴＯなどからなる透光性膜を有していてもよい。このＴＣＯ膜は、ｐ型導電層１２３上に設ける透光性電極１４２と同時に形成することができる。
【００３６】
ｎ側電極１３０の表層部分は金属で形成する。ボンディングワイヤとして多用されるＡｕワイヤのボンダビリティを高くするには、該表層部分をＡｕで形成することが好ましい。該表層部分をＡｕ、Ｐｔのような酸化し難い金属で形成した場合には、ハンダによる濡れ性が良好となる。該表層部分は、ボンディングに使用されることが予定されているハンダに成分として含まれる金属を用いて形成してもよい。該表層部分に用ける金属層と、その下方に設ける金属層との間には、これらの層の間で所望しない合金化反応が生じることのないように、高融点金属からなるバリア層を設けることができる。
【００３７】
電極金属膜１４２は、透光性電極１４１と接する部分を、Ａｌ、Ａｇ、白金族（Ｐｔ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ）のような反射率の高い金属で形成してもよいし、あるいは、Ｃｒ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ（タングステン）のような、ＴＣＯに対して強く接着する金属で形成してもよい。電極金属膜１４２の表層部分はＡｕ、Ｐｔなどで形成できる他、ボンディングに使用されることが予定されているハンダに成分として含まれる金属を用いて形成することができる。
【００３８】
前述のように、電極金属膜１４２は少なくともボンディングパッドとして使用可能な部位を有する。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を実装する際、該部位にはボンディングワイヤあるいは導電性接合材が接合される。超音波印加によりボンディングワイヤが接合されるに受ける強い応力に耐え得るように、電極金属膜１４２はｐ型導電層１２３に対し強固に固定されていなくてはならない。あるいは、フリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤ素子１００が実装面に確実に固定されるために、電極金属膜１４２とｐ型導電層１２３との結合は強固でなくてはならない。
【００３９】
そこで、一例では、図７に示すように、誘電体膜１５０上のＴＣＯ膜１４１に貫通孔を設け、この貫通孔を通して誘電体膜１５０と電極金属膜１４２とを直に接合させてもよい。それによって、ｐ型導電層１２３と電極金属膜１４２との間に存在する材料間の界面の数が減少するので、両者間の結合強度が改善される。
【００４０】
通常は、ウェハを分断してＧａＮ系ＬＥＤ素子１００をチップ（ダイともいう）にするダイシング工程の前に、ウェハ上の各素子を電気的に分離させる。具体的には、各ＬＥＤ素子が孤立した積層部１２０を有するように、エッチングによってＧａＮ系半導体膜にｎ型層１２１に達する素子分離溝を形成する。ダイシング工程ではこの素子分離溝の位置でウ
ェハを分割するので、結果として、チップ化されたＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、周縁部にこの素子分離溝の底部であった溝底１２１Ｂを有することになる。ＧａＮ系半導体膜の内側からこの溝底１２１Ｂに入射する光を反射させないように、この溝底１２１Ｂは粗面とする（平坦化しない）ことが好ましい。そのために、素子分離溝を形成するエッチング工程は、ｎ側電極形成面１２１Ａを形成するエッチング工程とは別工程とすることが好ましい。
【００４１】
一例では、光取出し効率の改善を図るために、素子の周縁部以外の領域でも、粗いｎ型層１２１の露出面を底面とする孔または溝をＧａＮ系半導体膜に形成することができる。
【００４２】
ダイシング工程の前に、ｎ側電極形成面１２１Ａや素子分離溝の形成により露出する発光層１２２の端面や、薄いＴＣＯ膜からなる透光性電極１４１の表面を保護するために、電極金属膜の表面を除くウェハの表面を覆うパッシベーション膜を形成することが好ましい。パッシベーション膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、スピンオングラスなどで形成することができる。
【００４３】
ダイシング工程では、ウェハを分断する前に、透光性基板１１０の裏面にグラインディング加工またはラッピング加工を行い、その膜厚を低減させてもよい。ＬＥＤチップはダイシングブレードを備えたダイサーを用いてウェハから切り出してもよいし、あるいは、ダイヤモンペンでウェハ表面にスクライブ線を形成し、このスクライブ線を起点にしてウェハを割ってチップにしてもよい。スクライブ線の代わりに、レーザ加工によりウェハ表面に形成した溝、あるいは、ウェハ内部に形成した改質領域を起点として、ウェハを割ることも可能である。
【００４４】
上記の手順で得たＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を実装するときには、ＬＥＤチップを固定すべき部材に対し、当該ＬＥＤチップが透光性基板１１０側の面を向けるように固定してもよいし、その反対に、ＬＥＤチップを固定すべき部材に対し、当該ＬＥＤチップがｎ側電極１３０およびｐ側電極１４０が形成された側の面を向けるように固定してもよい（フリップチップ実装）。フリップチップ実装する場合には、固定用部材にＬＥＤチップを固定した後で、レーザリフトオフ技法を用いてＧａＮ系半導体膜と透光性基板１１０とを分離させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１００ ＧａＮ系ＬＥＤ素子
１１０ 透光性基板
１２０ 積層部
１２１ ｎ型導電層
１２１Ａ ｎ側電極形成面
１２１Ｂ 溝底１２２ 発光層
１２３ ｐ型導電層
１３０ ｎ側電極
１３１ ボンディング部
１３２ 延長部
１４０ ｐ側電極
１４１ 透光性電極
１４２ 電極金属膜
１５０ 誘電体膜
１５０Ａ 延長部
Ｐ 保護膜
Ｑ マスク層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面が粗化されたｐ型導電層と、該ｐ型導電層の下面側に配置された発光層と、該ｐ型導電層とで該発光層を挟むように配置されたｎ型導電層とを含む、積層構造のＧａＮ系半導体膜から、少なくとも該ｐ型導電層および該発光層の一部を除去することによって、該ｐ型導電性層、該発光層および該ｎ型導電層を含む積層部と、該ｎ型導電層の平坦な露出面とが隣接する構造が形成されており、該露出面上に第１電極金属膜を含むｎ側電極が形成され、該ｐ型導電性層の上面にＴＣＯ膜からなる透光性電極が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記ｐ型導電層は低温成長により形成されたピットを上面に有する、請求項１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記第１電極金属膜の少なくとも一部が前記ｎ型導電層の平坦な露出面に接している、請求項１または２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記第１電極金属膜が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＡｌ層を有する、請求項３に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記ｎ側電極が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＴＣＯ膜を有し、該ＴＣＯ膜上に前記第１金属膜を有する、請求項１または２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記第１電極金属膜がボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延びる延長部とを有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記透光性電極上の一部に第２電極金属膜が形成され、該第２電極金属膜の直下に該透光性電極と前記ｐ型導電層とを絶縁する誘電体膜を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記第２電極金属膜が、ボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延びる延長部とを有している、請求項７に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記誘電体膜は前記ｐ型導電層よりも表面平滑性が良好である、請求項７または８に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記誘電体膜が、前記第２電極金属膜の直下から延びる延長部を、前記ｐ型導電層と前記透光性電極との間に有している、請求項９に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１１】
前記ｎ型導電性層の平坦な露出面とは異なる部位に、前記ＧａＮ系半導体膜から少なくとも前記ｐ型導電層および前記発光層の一部を除去することにより形成された、前記ｎ型導電層の粗い露出面を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１２】
平面視したとき、前記ｎ型導電層の粗い露出面が環状をなし、前記積層部および前記ｎ型導電層の平坦な露出面を取り囲んでいる、請求項１１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１】
上面が粗化されたｐ型導電層と、該ｐ型導電層の下面側に配置された発光層と、該ｐ型導電層とで該発光層を挟むように配置されたｎ型導電層とを含む、積層構造のＧａＮ系半導体膜から、少なくとも該ｐ型導電層および該発光層の一部を除去することによって、該ｐ型導電性層、該発光層および該ｎ型導電層を含む積層部と、該ｎ型導電層の平坦な露出面とが隣接する構造が形成されており、該露出面上に第１電極金属膜を含むｎ側電極が形成され、該ｐ型導電性層の上面にＴＣＯ膜からなる透光性電極が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記ｐ型導電層は低温成長により形成されたピットを上面に有する、請求項１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記第１電極金属膜の少なくとも一部が前記ｎ型導電層の平坦な露出面に接している、請求項１または２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記第１電極金属膜が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＡｌ層を有する、請求項３に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記ｎ側電極が前記ｎ型導電層の平坦な露出面と接する部分にＴＣＯ膜を有し、該ＴＣＯ膜上に前記第１金属膜を有する、請求項１または２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記第１電極金属膜がボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延びる延長部とを有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記透光性電極上の一部に第２電極金属膜が形成され、該第２電極金属膜の直下に該透光性電極と前記ｐ型導電層とを絶縁する誘電体膜を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記第２電極金属膜が、ボンディングパッド部と該ボンディングパッド部から延びる延長部とを有している、請求項７に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記誘電体膜は前記ｐ型導電層よりも表面平滑性が良好である、請求項７または８に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記誘電体膜が、前記第２電極金属膜の直下から延びる延長部を、前記ｐ型導電層と前記透光性電極との間に有している、請求項９に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１１】
前記ｎ型導電性層の平坦な露出面とは異なる部位に、前記ＧａＮ系半導体膜から少なくとも前記ｐ型導電層および前記発光層の一部を除去することにより形成された、前記ｎ型導電層の粗い露出面を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１２】
平面視したとき、前記ｎ型導電層の粗い露出面が環状をなし、前記積層部および前記ｎ型導電層の平坦な露出面を取り囲んでいる、請求項１１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１７４７３０（Ｐ２０１２−１７４７３０Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２４０３（Ｐ２０１１−３２４０３）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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