JP2005086137A - ＧａＮ系発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 透光性を有さない金属層が光取出し可能なパターンに形成されたｐ型オーミック電極を用いたＧａＮ系ＬＥＤにおいて、ｐ型ボンディング電極の接着強度を向上させるとともに、発光効率の向上を図り、また、かかるｐ型オーミック電極がｐ型ＧａＮ系層から剥離し易いという問題の解決を図ること。
【解決手段】 ｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系半導体層がオーミック接合しないようにするとともに、ｐ型ボンディング電極の下にはｐ型オーミック電極を実質的に形成しないことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＧａＮ系発光ダイオードに関する。更に詳しくは、基板上にＧａＮ系半導体層が積層された側を発光観測面とする、ＧａＮ系発光ダイオードに関する。

ＧａＮ系発光ダイオードは、基板の上に少なくともｎ型ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層とが、順に積層された構造を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、発光層に用いられるＧａＮ系半導体の組成を選択することによって、赤色〜紫外に至る短波長光を発光させることが可能である。

ＧａＮ系半導体は、式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される３族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものが例示される。
以下、「ＧａＮ系半導体層」を単に「ＧａＮ系層」とも呼ぶ。

ＧａＮ系ＬＥＤの製造においては、ｐ型ＧａＮ系層を形成するために必要な処理の関係から、ｎ型ＧａＮ系層、発光層、ｐ型ＧａＮ系層の順に積層される。通常はｐ型ＧａＮ系層の抵抗が高いために、ｐ型ＧａＮ系層上に設けられるｐ型オーミック電極からｐ型ＧａＮ系層を介しての発光層への電流注入は、ほとんどｐ型オーミック電極直下でしか起こらない。従って、発光領域を広くするためにｐ型ＧａＮ系層（ｐ型コンタクト層）の表面が可能な限り覆われるように、ｐ型オーミック電極が設けられる。そのため、透光性電極が開発される以前、透光性を有さない厚膜の金属電極が用いられていたときは、発光層で発生した光を、透明基板の側から取出す方式が採られていた。
その後、半導体からなる透明導電膜や、透光性となる程度の薄膜に形成した金属電極をｐ型オーミック電極とすることにより、厚いサファイア基板を通さずに、ＧａＮ系層を積層した側を発光観測面として光を取り出す方法が考案され、実用化されている（特許文献１）。

しかし、透光性電極には、わずかな厚みの変動によりその光透過率が変動し、また薄膜形成後の熱処理、熱処理時の雰囲気によっても光透過率が変動するために、特性を安定させることが難しいという問題があった。そこで、ｐ型ＧａＮ系半導体とオーミック接合する金属からなる、透光性を有さない厚膜のｐ型オーミック電極を、ネット状、クシ状、ミアンダ状その他、光取り出しが可能なパターンに形成し、ｐ型ＧａＮ系層の露出部分を光取り出し用の窓部とする方法が考案されている。（特許文献２、特許文献３）

また、ＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ型オーミック電極上に、実装の際のワイヤーボンディングの接点とされるｐ型ボンディング電極が形成される。ワイヤーボンディング時には、ワイヤーを介してボンディング電極に引張り力が加わるために、金属薄膜からなる透光性ｐ型オーミック電極を用いた場合には、このｐ型ボンディング電極とｐ型オーミック電極の間の接着が剥がれたり、またはｐ型オーミック電極がｐ型ＧａＮ系層（ｐ型コンタクト層）から剥がれるという問題があった。そこで、対策として、ｐ型ボンディング電極をＣｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）など、ｐ型ＧａＮ系層との接着性が良好な材料により構成するとともに、ｐ型オーミック電極の一部に電極層を貫通する窓部を設け、この窓部を通してｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系層を直接接着させる方法が考案されている。（特許文献４）

一方、透光性を有さない厚膜金属層をネット状、クシ状、ミアンダ状その他、光取り出しが可能な窓部を有するパターンに形成してなるｐ型オーミック電極の場合、図６に示すように、ｐ型オーミック電極をｐ型ＧａＮ系層の表面に形成し、その上にｐ型ボンディング電極を形成したとき、ｐ型ボンディング電極の一部が、窓部に露出したｐ型ＧａＮ系層に直接接着されることから、ｐ型ボンディング電極の接着強度は比較的良好となり、これまで問題にされることがなかった。しかし、ＧａＮ系ＬＥＤの生産効率や歩留まりを更に上げるためには、ワイヤーボンディング工程のライン速度を上げても不良の発生が抑制されるよう、ｐ型ボンディング電極の接着強度を更に向上させることが望ましい。

また、ｐ型ボンディング電極の下にｐ型オーミック電極が存在すると、そのｐ型オーミック電極からもｐ型ＧａＮ系層に電流が注入され、その下の発光層で発光が生じるが、ｐ型ボンディング電極の直下であることから、この光はほとんど外部には取り出されない。そのため、この光の発生に消費された電力は損失となり、発光効率の低下を招くという問題があった。

更に、透光性を有さない厚膜金属層を用いたｐ型オーミック電極は、金属膜の剛性が高くなるためにｐ型ＧａＮ系層から剥がれ易いという問題があり、改善が望まれている。

特開平６−３１４８２２ 特開平５−３３５６２２ 特開２０００−２１６４３１ 特許第２６９７５７２号

本発明の課題は、透光性を有さない金属層が光取出し可能なパターンに形成されたｐ型オーミック電極を用いたＧａＮ系ＬＥＤにおいて、ｐ型ボンディング電極の接着強度を向上させるとともに、発光効率の向上を図ることである。また、かかるｐ型オーミック電極がｐ型ＧａＮ系層から剥離し易いという問題の解決を図ることである。

本発明は以下の特徴を有する。
（１）基板の上に少なくともｎ型ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層とが順に積層されており、そのｐ型ＧａＮ系半導体層側を発光観測面とするＧａＮ系発光ダイオードにおいて、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面には、透光性を有さない金属層からなる光取出し可能なパターンに形成されたｐ型オーミック電極と、そのｐ型オーミック電極と電気的に接続されるｐ型ボンディング電極が設けられており、そのｐ型ボンディング電極と前記ｐ型ＧａＮ系半導体層とはオーミック接合していないとともに、そのｐ型ボンディング電極の下には前記ｐ型オーミック電極が実質的に形成されていないことを特徴とするＧａＮ系発光ダイオード。
（２）前記ｐ型オーミック電極が、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に接するようにＰｄ層を形成し、その上にＡｕ層を形成してなる積層構造であることを特徴とする（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（３）前記ｐ型ボンディング電極が、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に接するようにＴｉ層を形成し、その上にＡｕ層を形成してなる積層構造であることを特徴とする（２）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（４）前記ｐ型オーミック電極がネット状パターンに形成されたことを特徴とする（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（５）前記ｐ型ＧａＮ系半導体層が角部を有し、前記ｐ型ボンディング電極をその角部に面しないように配置したことを特徴とする（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（６）前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部が露出され、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層のその露出された部分に接してＡｌからなるｎ型電極が形成されたことを特徴とする（１）ないし（５）記載のＧａＮ系発光ダイオード。

本発明では、透光性を有さない金属層からなる、光取出し可能なパターンに形成されたｐ型オーミック電極を用いるが、ｐ型オーミック電極と電気的に接続されるｐ型ボンディング電極の下に、ｐ型オーミック電極を実質的に形成しないために、ｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系層が接する領域の面積が大きくなり、ｐ型ボンディング電極が強固に固定される。また、ｐ型オーミック電極を、Ｐｄを下地層として、その上にＡｕを積層した多層構造とすることによって、ｐ型ＧａＮ系層に対する良好なオーミック接合と接着強度が得られる。更に、ｐ型ボンディング電極を、Ｔｉを下地層として、その上にＡｕを積層した多層構造とすることによって、ｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系層との接合がオーミックでなくなるため、ｐ型ボンディング電極直下での発光が抑止され、発光効率が向上する。同時に、ｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系層との接着力が良好となる。更に、Ａｕの積層によってハンダとのぬれ性が良くなるため、ワイヤーボンディング時の作業性が向上する。また、ｐ型オーミック電極のパターンとして、ｐ型ＧａＮ系層からの剥離が生じ易い形状の部分を設けないことにより、製造工程での取り扱いが容易になり、歩留りや安定性が向上する。また、ｎ型電極として可視〜近紫外領域の光に対する反射率が高く、かつｎ型ＧａＮ系半導体と良好なオーミック接合を形成するＡｌを用いることにより、発光効率が向上する。

以下に、本発明を具体的に説明する。
図１に示すように、本発明のＧａＮ系発光ダイオードは、基板上に、ｎ型ＧａＮ系層と、ＧａＮ系発光層と、ｐ型ＧａＮ系層とが順に積層された構造を有している。基板としてはサファイア基板、ｎ型ＧａＮ系層としてはＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層、発光層としてはＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層がそれぞれ複数層積層されてなる多重量子井戸活性層、ｐ型ＧａＮ系層としてはＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層が例示されるが、これに限られるものではなく、発光層は単一量子井戸構造であってもよいし、必要に応じて上記以外のさらなるＧａＮ系層が加えられてもよい。例えば、図１ではｐ型ＧａＮ系層が１つの層として図示されているが、発光層と接する部分とｐ型オーミック電極と接する部分とが、それぞれ組成の異なるｐ型ＧａＮ系半導体からなるｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層に分かれた構成であってもよい。

また、ＧａＮ系材料以外の材料からなる構造（後述のＳｉＯ_２マスクパターンなど）を部分的に含んでいてもよい。
基板は、ＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長し得る基板であればよく、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。
基板上に高品質なＧａＮ系結晶層を成長させるために必要となる構造は適宜含んでいてよい。例えば、バッファ層（特に、ＧａＮ、ＡｌＮなどを低温で成長させた、所謂、低温成長バッファ層）の介在、基板面にＳｉＯ_２マスクパターンや、段差によって区画された凹凸形状を形成し、選択横方向成長や斜めファセットの形成を経由しての成長を行うことによって、ＧａＮ系結晶中の転位密度を低下させる構造などが挙げられる。
基板上にＧａＮ系半導体の積層構造を形成する方法としては、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ等、従来公知の気相エピタキシャル成長法を用いることができる。

本発明では、ｐ型ＧａＮ系層の表面に形成するｐ型オーミック電極を、透光性を有さない金属層を光取出し可能なパターンに形成したものとする。
かかるｐ型オーミック電極に用いる金属材料は、Ｉｎ（インジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｎｉ（ニッケル）等、ｐ型ＧａＮ系層との間で良好なオーミック接合を形成することが知られているものであれば特に制限されず、これらの金属の単体あるいは合金を用いることができ、また、一層のみとしても良いし、あるいは積層構造とすることも可能である。
ｐ型オーミック電極層の厚みは、透光性を有さない程度であれば良く、金属材料の種類にもよるが、５ｎｍ以上とすれば、薄膜の構造が島状から連続的となり、透光性を有しなくなるともに、十分な導電性が得られる。ただし、厚くし過ぎると、剥れが生じ易い傾向が現れて歩留まりが悪化する恐れがあるので、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
ｐ型オーミック電極は、ｐ型ＧａＮ系層に対するオーミック性を向上させるために、形成後にアニーリング処理を行ってもよい。

ｐ型オーミック電極の材料として最も好ましいのは、ｐ型ＧａＮ層と接してＰｄ層を形成し、その上にＡｕを積層してなる積層体で、ｐ型ＧａＮ系層に対する良好なオーミック接合と接着強度、およびｐ型オーミック電極層自体の十分な導電性が得られる。
ｐ型ＧａＮ系層と接するＰｄ膜はオーミック特性が得られる厚みが必要であり、その厚みは５ｎｍ〜５００ｎｍが望ましい。しかし、厚くし過ぎると剥れが生じ易い傾向が現れて歩留まりが悪化する恐れがあるので、５ｎｍ〜１００ｎｍがより望ましい。更に、後述する光取り出し用のパターンの中に、電極または窓部の幅が１０μｍ以内となる部分を形成する場合には、形状精度が重要となることから、５ｎｍ〜４０ｎｍが最も好ましい。これは、Ｐｄ膜にパターン形成する方法として、所望のＰｄ膜パターンが得られるべくパターニングしたレジスト上に、電子ビーム蒸着法でＰｄ膜を形成し、その後リフトオフする方法があるが、膜厚を４０ｎｍより大きくすると製膜時間が長くなり、高融点のＰｄを蒸発させる熱源からの輻射によって、レジストの変形が生じる可能性があるためである。

Ｐｄ層の上に形成するＡｕ層の厚みには特に制限はないが、厚くしすぎた場合は剥れが生じやすい傾向が現れて歩留まりが悪化する恐れがあるので、５ｎｍ〜３００ｎｍが好ましい。また、後述する光取り出し用のパターンの中に、電極の最も狭い部分の幅が１０μｍ以下となる部分を形成する場合には、電極内部の抵抗が高くなりすぎないよう、５０ｎｍ〜２００ｎｍとすることが好ましい。
ＰｄとＡｕからなる積層体の膜厚は、全体で１００ｎｍ以上とすれば、透光性を有さない膜となる。

ｐ型オーミック電極を光取出し可能なパターンに形成するには、電極部がネット状または分岐状を呈するようにｐ型ＧａＮ系層表面に広がり、電極部と、ｐ型ＧａＮ系層が露出した窓部とが組み合わされた状態となるものであればよく、規則的パターン、不規則的パターン、またはこれらが混在するものが挙げられ、窓部のパターンは、直線的、曲線的、ドット状などとなる。図２に示す例は格子状パターンであって、電極部がネット状を呈し、窓部は四角形が規則的に配列したパターンとなっている。このようなパターンでは、窓部の形状が任意の四角形、多角形、円、楕円、異形等であってもよく、窓部の向きや配列パターンは規則的であってもランダムであってもよい。このような、電極部がネット状であるパターンの他、クシ状、樹枝状、放射状等、電極部が分岐して広がるパターンや、渦巻状、ミアンダ状、波状等、またはこれらの組み合わせであってもよい。

ｐ型オーミック電極の電極部と窓部の面積比は、２０：８０〜８０：２０の範囲内とすればよい。電極部の面積が大きいほど、電流が注入されて発光する部分の面積が大きくなる一方、窓部の面積が大きいほど、光の取り出しには有利に働く。発光層で発生する光は等方的に広がるため、素子内部で一度も反射を受けずに直接窓部から外部に出射される光もあるが、多くの光は、素子内外の界面（ＧａＮ系結晶と空気やモールド樹脂との界面）や、ＧａＮ系半導体層と基板の界面、ＧａＮ系層上に設けられた電極層等によって、何度も反射を受けた後に素子外に出射される。基板のＧａＮ系層を積層しない側の表面に、金属膜あるいは誘電体多層膜からなる反射層を設けたり、ＧａＮ系層を積層する基板の表面に凹凸加工を施し、基板とＧａＮ系層の間の屈折率界面で光散乱が生じる構造を形成すると、光の伝播方向が反転されたり曲げられることで、ｐ型オーミック電極の窓部からの出射が促進され、好ましい。

ｐ型オーミック電極を光取り出し可能なパターンとするにあたり、隣り合う窓部を隔てる電極部の幅は特に制限されないが、この幅を広くする程、電極部の直下で発生した光が素子外部に取り出され難くなる。一方で、窓部に対して電極部の幅を狭くし過ぎると、窓部下方の電流が注入されない領域が広くなるという問題がある。そこで、隣り合う窓部を隔てる電極部の幅は、０．５〜１０μｍとすることが望ましい。本発明者等の検討結果によれば、方形の窓部が規則的に配列された格子状パターンとしたとき、発光効率が最も高くなるのは、電極部の幅を１〜３μｍ、窓部の幅を４〜８μｍとした時であった。

ｐ型オーミック電極を光取り出し可能なパターンに形成するとき、電極部の幅は１０μｍ以下とすることが好ましいのは前記のとおりであるが、電極パターンに枝分かれが少ないと、ウェットプロセス中の溶媒の侵入や、工程中に素子に加わる物理的な力によって、電極部の剥離が生じやすい。特に、電極をストライプ状パターンとする場合などに、電極幅１０μｍ以下の部分が１００μｍ以上の長さに渡って枝分かれなく延びた部分を設けると、この問題は顕著となる。また、クシ状や放射状パターンでは、電極部が細長く延び、かつ先端の途切れた形状に形成されるが、このような形状も剥離し易い傾向がある。そこで、ｐ型オーミック電極のパターンは、ネット状とすることが好ましく、特に、窓部を一様に分散させることができ、フォトマスクの設計も容易な、格子状パターンが好ましい。

光取出し可能なパターンに形成されたｐ型オーミック電極は、ｐ型ＧａＮ系層の周縁部に必要となる加工シロの部分を除き、ｐ型ＧａＮ層上面の略全面に広がるように形成することが好ましいが、ｐ型ボンディング電極の下にはｐ型オーミック電極を実質的に形成しないことが望ましい。なぜなら、ｐ型ボンディング電極の下に形成されたｐ型オーミック電極からも、その下のｐ型ＧａＮ系層への電流注入が行われるが、それによって発生した光の多くは、大きなｐ型ボンディング電極にさえぎられ、発光観測面側に出射されないために、この光を発生するために消費される電力は損失となるからである。また、ｐ型ボンディング電極下以外の領域に注入される電流が減少することになり、出力も低下する。

従って、ｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系層の間にはさまれたｐ型オーミック電極の面積ができるだけ小さくなるよう、ｐ型ボンディング電極とｐ型オーミック電極のオーバーラップは、これら電極間に必要な導通が確保される限りで、最小限とすることが望ましい。具体的には、基板面の上方から見たときに、ｐ型ボンディング電極とｐ型オーミック電極がオーバーラップする面積（基板面への投影面積）が、ｐ型ボンディング電極の面積の３〜２０％となるようにすることが好ましい。本発明において、ｐ型ボンディング電極の下にｐ型オーミック電極が実質的に形成されていないとは、両電極のオーバーラップがこの範囲であることをいう。また、両電極とも金属材料からなるために、接触面積が比較的小さくても両電極間の導通は良好となるが、上記オーバーラップ面積を３００〜４７００μｍ^２とすることが、より好ましい。

図３に、円形状のｐ型ボンディング電極の下に、ｐ型オーミック電極を全く形成しない円形領域（破線で囲まれた領域）を設けた例を示す。

ｐ型ボンディング電極の下にｐ型オーミック電極を実質的に形成しないことによって、発光効率や出力を向上させ得ることは上記の通りであるが、このような構成とすることによって、更に、ｐ型ボンディング電極の固定を強固にできるという利点がある。
ｐ型オーミック電極を光取出し可能なパターンに形成した場合、本発明のようにｐ型ボンディング電極とｐ型オーミック電極のオーバーラップを意図的に制限しなくても、光取出し用の窓部を通して、部分的にではあるが、ｐ型ボンディング電極とｐ型ＧａＮ系層が直接接するために、ｐ型ＧａＮ系層上を完全に覆うｐ型オーミック電極上にｐ型ボンディング電極を形成する場合と比較して、ｐ型ボンディングの強固な固定が可能であった。これは、後者では、ｐ型ＧａＮ系層とｐ型ボンディング電極の間に、ｐ型ＧａＮ系層／ｐ型オーミック電極、ｐ型オーミック電極／ｐ型ボンディング電極、という２つの界面が形成されるのに対し、前者では、窓部において、ｐ型ＧａＮ系層／ｐ型ボンディング電極という１つの界面しか形成されないためである。

本発明では更に、ｐ型ボンディング電極の下に実質的にｐ型オーミック電極を形成しないことにより、このようなｐ型ＧａＮ系層とｐ型ボンディング電極の間の界面がｐ型ＧａＮ系層／ｐ型ボンディング電極のみとなる領域が増大するため、より強固にｐ型ボンディング電極が固定される。

ｐ型ボンディング電極の材料には次のことが要求される。
（１）ｐ型ボンディング電極からｐ型ＧａＮ系層への電流注入が生じないこと（ｐ型ＧａＮ系層との間でオーミック特性を示さないこと。）。
（２）ｐ型ＧａＮ系層との接着性が良好なこと。
このうち、（１）は、ｐ型ボンディング電極から電流注入が生じると、ｐ型ボンディング電極直下で発光が生じるため、殆どの光はｐ型ボンディング電極にさえぎられ、発光観測面側から外部に取出すことができず、効率と出力の低下を招くためである。また、（２）は、ｐ型ボンディング電極の固定を強固にするためである。

そこで、本発明のｐ型ボンディング電極の材料としては、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｗ（タングステン）等の金属を挙げることができる。また、これらの金属を下層とし、その上に、更に、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ等の、導電性の良い金属またはこれらの合金を積層してもよい。

また、ｐ型ボンディング電極は、ｐ型ＧａＮ系層に加え、ｐ型オーミック電極とも良好な密着性を有していることが好ましい。これによって、ｐ型ボンディング電極の固定と、ｐ型ボンディング電極とｐ型オーミック電極との導通がいっそう促進される。そのためには、ｐ型ボンディング電極をＴｉで形成するか、または最下層をＴｉとして、その上にＰｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ等の金属またはこれらの合金を積層した構造とすることが好ましい。

更に、前記した通り、ｐ型オーミック電極はＰｄ／Ａｕの積層構造とすることが好ましいが、このとき、ｐ型ボンディング電極はＴｉとＡｕの積層構造とすることが好ましい。このときｐ型ボンディング電極の良好な密着性が得られる理由は必ずしも明らかではないが、ｐ型オーミック電極とｐ型ボンディング電極の界面がＡｕ／Ｔｉ／Ａｕという構成となることから、ＴｉとＡｕの良好な密着性によるものではないかと推測される。また、最上層がＡｕであると、ハンダとのぬれ性が良くなるため、ワイヤーボンディング時の作業性が向上する。

ｐ型ボンディング電極は、正方形、長方形、円、楕円等、任意の平面形状に形成し得るが、ワイヤーボンディングに必要な面積を確保しつつ、光の取出しが可能な限り妨げられないよう、円形とすることが最も好ましい。ワイヤーボンディングには直径５０〜１００μｍ程度の円形のスペースがあれば十分なため、ｐボンディング電極は最小限この円形のスペースを取り囲める程度の面積があればよく、ワイヤーボンディング工程の歩留りも考慮して、例えば、直径７０〜１５０μｍの円形、または一片の長さが７０〜１５０μｍの方形に形成すればよい。
ｐ型ボンディング電極の厚さは、ワイヤーボンディング時にｐ型ボンディング電極自体が破壊されないとともに、ｐ型オーミック電極が大きなダメージを受けないよう、５０ｎｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１００〜１０００ｎｍである。

ｐ型ボンディング電極の構造として、最下層をＴｉとし、その上にＰｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ等の金属またはこれらの合金を積層した構造を採用する場合には、Ｔｉ層とｐ型ＧａＮ系層との密着力が得られるよう、Ｔｉ層の厚さは５ｎｍ〜５００ｎｍとすればよい。しかし、厚くし過ぎると剥れが生じ易い傾向が現れて歩留まりが悪化する恐れがあるので、５ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。また、膜厚が大きいと製膜時間が長くなり、高融点のＴｉを蒸発させる熱源からの輻射によってｐ型ボンディング電極のパターニングのためのレジストが変形する可能性があるため、５ｎｍ〜５０ｎｍとすることがより好ましい。

ｐ型ボンディング電極として、Ｔｉを最下層とし、その上にＡｕを積層する場合、Ａｕ層の厚さは特に制限されないが、厚くしすぎると剥れが生じ易い傾向が現れて歩留まりが悪化する恐れがあるため、１０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが好ましい。ワイヤーボンディング時の破壊や、ｐ型オーミック電極へのダメージを防ぐためには厚いほうが望ましいが、工業的には材料費が高くなることも考慮する必要があり、これらのことから５０ｎｍ〜３００ｎｍとすることがより好ましい。

次に、本発明におけるｐ型ボンディング電極の好ましい配置について説明する。なお、ここでの説明にいうＬＥＤ素子、ｐ型ＧａＮ系層、ｐ型ボンディング電極、ｐ型オーミック電極などの形状や配置は、いずれも基板の上方から見たときの形状や配置である。

ｐ型ボンディング電極の配置に特に制限はないが、実装したときに、ｐ型ボンディング電極に接合される給電ワイヤーが出射光をさえぎる障害物とならないようにするには、ｐ型ボンディング電極は極力、ｐ型ＧａＮ系層の周縁部に形成することが好ましい。
また、ＬＥＤでは、その配光特性上の要求から、発光領域の形状を回転対称性の高い形状とすることが望ましい。ｐ型ボンディング電極が形成された領域は、ｐ型ＧａＮ系層側を発光観測面とするＬＥＤにとって非発光領域となるため、他の非発光領域がある場合、例えばｐ型ＧａＮ系層の一部を除去してｎ型電極領域を形成した場合、ｎ型電極形成領域とｐ型ボンディング電極形成領域とを、発光領域の中心部に関して概略点対称となる位置に配置することが好ましい。

更に、ｐ型ボンディング電極の形状が円形または楕円形の場合には、ｐ型ボンディング電極をｐ型ＧａＮ系層の角部に面しないように配置することが好ましい。ここで、ｐ型ＧａＮ系層の角部とは、図４（ａ）に示すように、方形のｐ型ＧａＮ系層の角の部分４１をいう。なお、ｐ型ＧａＮ系層の一部が、ｎ型電極の形成等のために、図４（ｂ）（ｃ）に示すごとく切り欠き状に除去されている場合には、切り欠き部ができたことによって形成される角部４２、４３を含むものとする。

ｐ型ボンディング電極が角部に面しないとは、その角部を構成する２辺に相当するｐ型ＧａＮ系層の２つの縁部の少なくとも一方と、ｐ型ボンディング電極の縁との距離が、２０μｍより大きいことをいう。逆にいえば、上記２辺に相当するｐ型ＧａＮ系層の２つの縁部とｐ型ボンディング電極の縁との距離が、いずれも２０μｍ以下であるとき、ｐ型ボンディング電極は角部に面している。ここでいう距離とは、図５に示すように、ｐ型ＧａＮ系層の縁部とｐ型ボンディング電極の縁とが最も近接した部分における間隔をいうものとする。

ｐ型ボンディング電極をｐ型ＧａＮ系層の角部に面するように配置した場合、ｐ型ボンディング電極の下に実質的にｐ型オーミック電極を設けない本発明の構成では、ｐ型オーミック電極の中に、角部を挟むｐ型ＧａＮ系層の２つの縁部とｐ型ボンディング電極に囲まれた狭い領域でのみｐ型ＧａＮ系層と接着された電極部を設けることになる。しかし、ｐ型オーミック電極にこのような部分があると、ウェットプロセス中の溶媒の侵入や、素子に加わる物理的な力によって剥離し易いため、歩留まりに影響する。この領域にｐ型オーミック電極を形成しなければ、この問題を避けることができるが、ｐ型ボンディング電極を角部に面しないように設ける場合と比べて発光領域が狭くなり、発光効率や出力が低下する。

ｎ型ＧａＮ系層に電流注入を行うためのｎ型電極の形成には、従来公知の方法を参照することができ、絶縁性基板を用いる場合には、ｐ型ＧａＮ系層の側からｎ型ＧａＮ系層の一部が露出するまでエッチングを行い、露出したｎ型ＧａＮ系層の表面にｎ型電極を形成すればよい。また、基板が導電性を有する場合には、ＧａＮ系半導体層を形成しない側の基板面に電極を設けることも可能である。
ｎ型ＧａＮ系層の表面にｎ型電極を形成する場合、その材料はｎ型ＧａＮ系半導体とオーミック接合を形成し得るものであればよく、特に制限されないが、前記の通り、ＬＥＤの発光観測面をｐ型ＧａＮ系層側とする場合、発光層で発生した光が外部に出射されるまでに素子内で繰り返し反射されることから、この過程での減衰を小さくするために、ｎ型電極も可視〜近紫外領域の光に対する反射率が高い材料で構成することが好ましい。そのような材料としてはＡｌが好ましく、Ａｌ層のみでｎ型電極を構成してもよいし、また、ｎ型ＧａＮ層に接してＡｌ層を形成し、その上にＰｔ層および／またはＡｕ層を形成した積層構造としてもよい。

ｎ型電極とするＡｌ層の厚さは、オーミック特性と密着性が得られる厚さであれば特に制限は無いが、５ｎｍ〜５００ｎｍとすることが好ましい。しかし、あまりに薄いと密着性が出ず、また、ワイヤーボンディング時の強度も低いこと、光の反射率も十分とならないことから、１００ｎｍ〜５００ｎｍとすることがより好ましい。

以下、各実施例に基づいて、本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は実施例のみに限定されるものではない。

［実施例１］
直径２インチのＣ面サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後、温度を３３０℃まで下げ、３族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧと表記する）およびトリメチルアルミニウムを用い、Ｎ原料としてアンモニアを流しながら、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ低温形成バッファ層を成長させた。続いて１０００℃に昇温し、原料としてＴＭＧ、アンモニアを流し、アンドープのＧａＮ結晶層を２μｍ成長させた後、更にＳｉＨ_４を流し、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮコンタクト層を３μｍ成長させた。続いて、温度を８００℃に低下させた後、Ｓｉを５×１０^１７ｃｍ^−３添加したＧａＮ障壁層（厚さ１０ｎｍ）と、ＩｎＧａＮ井戸層（発光波長３８０ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３、厚さ３ｎｍ）とのペアを６周期積層してなる発光層を作製した。次に成長温度を１０００℃にして、厚さ３０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を順に成長した。その後加熱を停止し、ＴＭＧ、ＮＨ３の供給を停止して室温まで自然冷却した。このようにして発光波長３８０ｎｍの近紫外ＬＥＤ構造が形成されたウエハを得た。

このウエハのｐ型ＧａＮコンタクト層表面に、ｐ型オーミック電極を格子状パターンに形成した。格子状パターンは、一辺６μｍの正方形の窓部が、幅２μｍの電極部に隔てられ規則的に配列したパターン、即ち、直交する２方向のいずれにおいても、幅２μｍの電極部と、ｐ型ＧａＮコンタクト層が露出した幅６μｍの窓部が交互に繰り返される構造を持つ直交網目状とした。

ｐ型オーミック電極へのパターン形成用のフォトマスクは、ｐ型ボンディング電極の下にｐ型オーミック電極が実質的に形成されないように設計した。ｐ型ボンディング電極を直径１００μｍの円形状とすることから、その下部となる直径８０μｍの円形領域内に、ｐ型オーミック電極が形成されないようにした。これによって、ｐ型ボンディング電極とｐ型オーミック電極のオーバーラップが、約１２４０μｍ^２となるようにした。これは、ｐ型ボンディング電極の面積の約１６％に相当する。

ｐ型オーミック電極は、あらかじめｐ型ＧａＮコンタクト層表面上に上記パターンを描いたレジスト層を形成し、その上に厚さ２０ｎｍのＰｄ層、厚さ２００ｎｍのＡｕ層を、この順に電子ビーム蒸着により形成した。その後、レジスト層をリフトオフし、所定パターンを形成したｐ型オーミック電極を得た。

次に、Ｃｌ^２ガスを用いたリアクティブエッチング法により、ｐ型ＧａＮ系層および発光層の一部をエッチング除去し、ｎ層を表出させた。表出したｎ層に、抵抗加熱により厚さ３００ｎｍのＡｌ層を蒸着形成し、ｎ型電極とした。

続いて、ｐ型オーミック電極が形成されていない円形領域を覆うように、ｐ型ボンディング電極を形成した。ｐ型ボンディング電極は、ｐ型ＧａＮコンタクト層側から順に、厚さ３０ｎｍのＴｉ層、厚さ３００ｎｍのＡｕ層を電子ビーム蒸着により積層して形成した。

続いて、このウエハに５００℃−５ｍｉｎ間の熱処理を施し、その後、サファイア基板を厚さ９０μｍとなるまで研磨し、素子分離を行なってＬＥＤを得た。
このＬＥＤは、図１（ａ）に示すように、ｐ型ボンディング電極がｐ型ＧａＮコンタクト層の角部に面しない位置に配置され、略正方形の素子面から、非発光領域であるｐ型ボンディング電極部とｎ型電極形成部を除いた発光領域の形状が、略Ｈ型となるような電極配置を有する。

上記方法により作製したＬＥＤをステム台にダイボンドした後、ワイヤーボンディングにより通電可能な状態とし、素子特性を測ったところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力５ｍＷ、順方向電圧３．２Ｖという素子特性を示した。なお、この素子のワイヤーボンディング性を評価した結果、１００素子中ワイヤープル強度が１０ｇ以下のものは無かった。

［比較例１］
実施例１において、格子状パターンのｐ型オーミック電極（Ｐｄ／Ａｕ）を、ｐ型ボンディング電極の下となる領域にも形成したこと以外は、実施例１と同様にＬＥＤを作製した。
このＬＥＤの素子特性を実施例１と同様に測ったところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４．５ｍＷ、順方向電圧３．１５Ｖという素子特性を示した。なお、この素子のワイヤーボンディング性を評価した結果、１００素子中ワイヤープル強度が１０ｇ以下のものが２個含まれていた。

［実施例２］
実施例１において、ｐ型オーミック電極をクシ状パターン（クシの「歯」に相当する電極部を幅１０μｍのストライプ状とし、窓部と電極部の面積比は実施例１と同じとした。）に形成したこと以外は、実施例１と同様にＬＥＤを作製した。このＬＥＤの素子特性とワイヤーボンディング性は実施例１と略同等であったが、工程中でクシ状パターンのｐ型オーミック電極の剥離が生じ易く、実施例１と比較して歩留まりが低下した。
［実施例３］
実施例１において、ｐ型ボンディング電極とｎ型電極を、それぞれ、略正方形の素子面において対角位置となる２つの角部に近接させて配置した以外は、実施例１と同様にＬＥＤを作製した。非発光領域であるｐ型ボンディング電極部とｎ型電極形成部の面積は、実施例１と同じとした。円形状のｐ型ボンディング電極の縁と、ｐ型ボンディング電極が配置された角部を挟む２辺に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層の縁との距離は、いずれも２０μｍとした。従って、このｐ型ボンディング電極はｐ型ＧａＮ系層の角部に面して配置されている。
このＬＥＤの素子特性とワイヤーボンディング性は実施例１と略同等であったが、工程中でｐ型ボンディング電極が形成された角部のｐ型オーミック電極の剥離が生じ易く、実施例１と比較して歩留まりが低下した。

本発明におけるＧａＮ系ＬＥＤの構造の一例を示す模式図である。図１（ａ）は素子を上方から見た図、図１（ｂ）は図１（ａ）の素子の鎖線部における断面を側方から見た図である。ｐ型オーミック電極のパターンの図示は省略している。 本発明におけるｐ型オーミック電極のパターンの一例を示す図である。図ではパターンの一部分だけを示している。 本発明におけるｐ型オーミック電極とｐ型ボンディング電極の一例を示す模式図である。破線内はｐ型ボンディング電極の下の、ｐ型オーミック電極が全く形成されていない領域を示す。ｐ型オーミック電極のパターンの図示は省略している。 本発明における、ｐ型ＧａＮ系層の角部を説明する図である。 本発明における、ｐ型ボンディング電極の縁とｐ型ＧａＮ系層の縁部との距離を説明する図である。 従来のｐ型オーミック電極とｐ型ボンディング電極の一例を示す模式図である。ｐ型オーミック電極のパターンの図示は省略している。

符号の説明

１ 基板
２ ｎ型ＧａＮ系層
３ 発光層
４ ｐ型ＧａＮ系層
５ ｐ型オーミック電極
６ ｎ型電極
７ ｐ型ボンディング電極
４１、４２、４３ ｐ型ＧａＮ系層の角部

Claims (6)

1. 基板の上に少なくともｎ型ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層とが順に積層されており、そのｐ型ＧａＮ系半導体層側を発光観測面とするＧａＮ系発光ダイオードにおいて、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面には、透光性を有さない金属層からなる光取出し可能なパターンに形成されたｐ型オーミック電極と、そのｐ型オーミック電極と電気的に接続されるｐ型ボンディング電極が設けられており、そのｐ型ボンディング電極と前記ｐ型ＧａＮ系半導体層とはオーミック接合していないとともに、そのｐ型ボンディング電極の下には前記ｐ型オーミック電極が実質的に形成されていないことを特徴とするＧａＮ系発光ダイオード。
2. 前記ｐ型オーミック電極が、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に接するようにＰｄ層を形成し、その上にＡｕ層を形成してなる積層構造であることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
3. 前記ｐ型ボンディング電極が、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に接するようにＴｉ層を形成し、その上にＡｕ層を形成してなる積層構造であることを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系発光ダイオード。
4. 前記ｐ型オーミック電極がネット状パターンに形成されたことを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
5. 前記ｐ型ＧａＮ系半導体層が角部を有し、前記ｐ型ボンディング電極をその角部に面しないように配置したことを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
6. 前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部が露出され、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層のその露出された部分に接してＡｌからなるｎ型電極が形成されたことを特徴とする請求項１ないし５記載のＧａＮ系発光ダイオード。
   

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