JP2005116794A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極としての機能を維持しながらも、光をより反射し得る電極を備えたフリップチップ実装型の窒化物半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】 結晶基板の上面側に、窒化物半導体結晶からなる発光層を含む積層体が形成され、該積層体の最上層であるコンタクト層の上面にはオーミック電極が形成され、上下方向を反転させて行うフリップチップ実装によって結晶基板の裏面側から光を取り出す構造とされたフリップチップ実装型の窒化物半導体発光素子であって、
前記オーミック電極は、細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成された部分を有し、細分化されたオーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面には、発光層から発せられた光を反射し得る反射層が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フリップチップ実装型の窒化物半導体発光素子に関する。

窒化物系半導体発光素子は、その発光素子構造の主要部分に窒化物系半導体を用いた発光素子であり、例えば、ＬＥＤ、ＬＤなどの形態が挙げられる。窒化物系半導体発光素子においては、発光層に用いられる窒化物系半導体の組成を選択することによって、青色〜紫外に至る短波長光を発光させることが可能である。

窒化物系半導体は、式Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（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、「窒化物系半導体」を「ＧａＮ系」と略し、例えば「窒化物系半導体発光素子」であれば「ＧａＮ系発光素子」と呼んで、従来技術および本発明を説明する。

ＧａＮ系発光素子の簡単な発光素子構造としては、図６に示すように、結晶基板１上に、ＧａＮ系結晶からなる発光層３を含む積層体（ｎ型ＧａＮコンタクト層２、発光層３、ｐ型ＧａＮコンタクト層４）が結晶成長によって形成され、これにｐ型電極Ｐ２、ｎ型電極Ｐ１が形成された構造が例示される。ＧａＮ系発光素子の素子構造では、製法上の理由から、基板側の層をｎ型とし、その上にｐ型層を形成する構造が一般的である。以下、本明細書においても、ｐ型、ｎ型の上下については、ｐ型を上側（基板から遠い側）として説明するが、これに限定するものではない。

ＧａＮ系発光素子の実装形態の一つとして、フリップチップ実装が挙げられる。フリップチップ実装は、上記ＧａＮ系発光素子を上下反転させて、電極を実装用回路基板に接続・固定し、結晶基板１を上にして、結晶基板１の裏面側から光を取り出す姿勢とする実装である（特許文献１、２）。
フリップチップ実装される素子において発光効率（光取り出し効率）を高めるためには、発光層３から電極（特に面積の広いｐ型電極Ｐ２）側に進む光を該電極Ｐ２にて反射させて結晶基板１側に向かわせることが有効である。
特開平６−１２０５６２号公報 特開平１１−３３０５５９号公報

本発明者等は、フリップチップ型のＧａＮ系発光素子の光取り出し効率をより高めるべく素子構造を詳細に検討した結果、電極にて光を反射させる構造に、改善すべき次の問題が存在していることを見出した。
オーミック電極にて光を反射させるには、該電極材料として反射率の高い金属材料を用いることが有効である。しかし、銀やアルミニウムなどといった反射率の高い材料はオーミック性を呈しないので、電極材料として用いることができない。一方、オーミック性を呈する金属のうち、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム等は、比較的高い反射率を呈するが、ＧａＮ系発光素子の最も有用とされる短波長領域（紫外〜紫〜青色）の発光に対しては反射率が低い。
即ち、本発明者等が着目した問題点は、電極において光の反射性と、電極としてのオーミック性とが高度には両立しておらず、改善の余地があるという点である。

本発明の課題は、電極としての機能を維持しながらも、光をより反射し得る電極を備えたフリップチップ実装型のＧａＮ系発光素子を提供することである。

本発明は以下の特徴を有する。
（１）結晶基板の上面側に、窒化物半導体結晶からなる発光層を含む積層体が形成され、該積層体の最上層であるコンタクト層の上面にはオーミック電極が形成され、上下方向を反転させて行うフリップチップ実装によって結晶基板の裏面側から光を取り出す構造とされたフリップチップ実装型の窒化物半導体発光素子であって、
前記オーミック電極は、細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成された部分を有し、細分化されたオーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面には、発光層から発せられた光を反射し得る反射層が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
（２）反射層が、金属材料からなる層であるか、または誘電体多層膜である上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（３）オーミック電極が、細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成され、その上を覆って反射層が形成され、それによって、オーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面に反射層が形成された構成となっている、上記（１）または（２）記載の窒化物半導体発光素子。
（４）反射層が細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成され、その上を覆ってオーミック電極が形成され、それによって、オーミック電極が細分化パターンにてコンタクト層上面に形成された構成となっている、上記（１）または（２）記載の窒化物半導体発光素子。
（５）オーミック電極と反射層とが、コンタクト層の上面から同じ高さとなるように形成されている、上記（１）または（２）記載の窒化物半導体発光素子。
（６）反射層が導電性を有する金属材料からなるものであって、オーミック電極と反射層とからなる部分をさらに覆って、導電性を有するボンディング用材料が形成されている、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（７）オーミック電極と反射層とからなる部分と、ボンディング用材料との間に、導電性を有する金属材料からなるバリアー層が形成され、これによってボンディング用材料が、オーミック電極または反射層に拡散することを抑制し得る構成とされている、上記（６）記載の窒化物半導体発光素子。
（８）オーミック電極がコンタクト層上面に細分化パターンにて形成された領域において、反射層が形成された部分の面積が、オーミック電極が形成された部分の面積と反射層が形成された部分の面積との総和に対して、４０〜８０％を占める上記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（９） 上記積層体に転位密度が相対的に高い領域と低い領域が形成され、
オーミック電極がコンタクト層上面に細分化パターンにて形成された領域において細分化されたオーミック電極の少なくとも一部が上記転位密度が相対的に低い領域の上に形成されていることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の半導体発光素子。
（１０）上記転位密度が相対的に高い領域と低い領域が、上記結晶基板または上記積層体に周期的パターンを呈する凹凸またはそれ自身の表面には窒化物半導体結晶が成長し難い材料からなるマスクを設けることによって形成されてなるものであり、
上記オーミック電極の細分化パターンが周期的パターンに形成された部分を含んでおり、
上記凹凸またはマスクの周期的パターンの周期と、上記周期的パターンに形成されたオーミック電極の細分化パターンの周期とが、少なくともひとつの方向について一致している部分を含むことを特徴とする上記（９）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１１）コンタクト層がｐ型の窒化物系半導体結晶からなり、オーミック電極がロジウムまたはパラジウムからなり、反射層がアルミニウムからなることを特徴とする、上記（１
〜（１０）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。

本発明のＧａＮ系発光素子は、細分化されたオーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面に形成された反射層の存在によって、発光素子外部に取り出される光の量を増やすことができる。本来、オーミック電極ではない反射層の直下の発光層では発光が弱くなるから（電気光変換効率の低下）、本発明の構成では発光素子外部に取り出される光の量は必ずしも増えないことが懸念された。特に、ＧａＮ系材料の場合、ｐ型層内での横方向（基板面に平行な方向）の電流拡散が生じ難く、実質的にオーミック電極直下でしか発光しないため、上記の懸念は他の材料系の発光素子より顕著であった。しかし、後述の実施例から明らかなように、そのような懸念は杞憂であった。それは、本発明の構成による発光素子内から発光素子外への光取出し効率の向上は、電気光変換効率の低下を補って余りあるものだったからであると考えられる。

本発明のＧａＮ系発光素子は、フリップチップ実装型であり、ｐ型コンタクト層の上面に細分化パターンにて形成されたｐ型電極（オーミック電極）の部分を有し、細分化されたオーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面には反射層が形成されていることを特徴とする。

「フリップチップ実装型」のＧａＮ系発光素子とは、結晶基板の上面側に、窒化物半導体結晶からなる発光層を含む積層体が形成され、該積層体の最上層であるコンタクト層の上面にオーミック電極が形成される発光素子であって、当該発光素子の実装に際し、上下方向を反転させて結晶基板の裏面側から光を取り出す構造とされた発光素子である。

ここで、「結晶基板」は、ＧａＮ系結晶がエピタキシャル成長し得る結晶基板であればよく、材料としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯなどが挙げられる。結晶基板の「上面」とは、結晶基板のうちＧａＮ系結晶が形成される面であり、上面に対向する面を「下面」あるいは「裏面」と称する。

「窒化物系半導体からなる積層体」の構造は、ＧａＮ系発光素子の基本的な構造であればよい。その構成例としては、コンタクト層（一般的には基板側がｎ型）、クラッド層、発光層、クラッド層、上部電極形成用のコンタクト層（一般的にはｐ型）を有する積層構造が挙げられる。コンタクト層はクラッド層と兼用してもよく、発光層は、多重量子井戸構造のような積層構造となっていてもよい。
また、必要に応じてさらなるＧａＮ系結晶層が加えられてもよい。結晶基板の上面側に窒化物系半導体からなる積層体を形成する方法は特に限定されず、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などといった公知の方法を適宜取り入れることができる。結晶基板の上に高品質なＧａＮ系結晶層を成長させるために必要となる手法、構造、技術などは適宜用いてよい。例えば、結晶基板とＧａＮ系結晶層との間にバッファ層（特に、ＧａＮ系低温成長バッファ層；図示せず）を介在させる技術、結晶基板面にＳｉＯ₂マスクパターンや凹凸を形成し、ＧａＮ系結晶をラテラル成長やファセット成長させて転位密度を低下させる技術などが挙げられる。

本発明では、以下詳述するように、最上層であるコンタクト層に形成されるオーミック電極構造に特徴がある。以下、単に「オーミック電極」との表記は、ＧａＮ系結晶からなる結晶体の最上層であるコンタクト層の上面に形成される電極（所謂、上部電極）を意味する。

図１は、本発明によるＧａＮ系発光素子の構造の一例を示す模式図である。領域を区別するために電極にのみハッチングを施している。図１（ａ）は発光素子を上方から見た図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の断面図である。また図示していないが図１（ａ）の細分化パターン表面にはボンディング用の電極が形成される。オーミック電極Ｐ２は、細分化パターンにてコンタクト層４上面に形成された部分（以下、細分化部分ともいう）を有する。細分化部分はコンタクト層４の上面全体に広がっており、その細分化されたオーミック電極Ｐ２同士の間に露出したコンタクト層上面には、後述する反射層５が形成されている。

オーミック電極Ｐ２の細分化パターンは、オーミック電極Ｐ２が、メッシュ状、分岐状等を呈するようにコンタクト層４の上面に広がっており、オーミック電極部分と反射層形成部分とが隣り合い組み合わされるようなパターンであればよく、具体的には、規則的、不規則的、またはこれらが混在するものが挙げられ、露出部分（反射層形成部分）のパターンは、直線的、曲線的、ドット状などとなる。

オーミック電極の代表的な細分化パターンの例示は以下のとおりである。ただし、上記のとおり細分化パターンは無数に存在し、これら例示に限定されるものではない。
図１の例はメッシュ状パターンであって、帯状を呈するオーミック電極Ｐ２２が縦横に配され、そのオーミック電極Ｐ２２同士の間に形成される格子状の領域が反射層形成部分となる。図２は、本発明における、オーミック電極の細分化部分の細分化パターンの一例を示す図である。図では細分化パターンの一部分だけを示している。図中、ハッチングをかけている部分がオーミック電極であり、ハッチングをかけていない部分が反射層である。
図２（ａ）の例は図１と同様、格子状パターンであって、オーミック電極がメッシュ状を呈している。図２（ｂ）の例は、円形ドット状の反射層形成部分が最密状に配列されたパターンであって、オーミック電極に着目すれば一種のメッシュ状パターンである。これらメッシュ状パターンでは、反射層形成部分の形状は自由であって、任意の四角形、楕円、異形等であってもよく、反射層形成部分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。
図２（ｃ）、（ｄ）の例は、帯状のオーミック電極部分と帯状の反射層形成部分とが、交互に組み合わされたパターンであり、クシ形パターンの一種とも、メッシュ状パターンの一種とも言える。図２（ｃ）では、直線的な帯状オーミック電極が屈折して組み合わされ、同図（ｄ）では、帯状オーミック電極が同心円状に並んでいる。図２（ｅ）の例は、細分化されたオーミック電極が規則性無しに迷路のように分岐するパターンである。
これら種々のパターンは、自由に組み合せてよく、例えば、クシ形のような規則的な分岐パターンから、不規則な毛細パターンが分岐する態様であってもよい。

以下、オーミック電極の細分化パターンの別の例示を行う。
メッシュ状または分岐状のオーミック電極は、連続的に形成される必要はなく、非連続的であってもよい。また、オーミック電極が島状となったパターンであってもよい。すなわち、図２において、オーミック電極部分と反射層形成部分が逆になったパターンでもよいということである。但し、オーミック電極を島状その他、非連続的なパターンにする場合、当該非連続的なオーミック電極の各部分へ給電する必要がある。そのため、反射層として金属膜を用い、該金属膜はオーミック電極の各部分を電気的に接続するように形成する。もちろん、金属膜がオーミック電極部分と反射層形成部分の全面を覆うようにしてもよい。

上記非連続的なオーミック電極の各部分へ給電する他の手段としては、ボンディング用材料によって、非連続的なオーミック電極の各部分への給電を行うことが挙げられる。この場合、反射層形成部分に設ける反射膜は誘電体膜でもよいが、ボンディング用材料がオーミック電極に電気的に接続するように、誘電体膜がオーミック電極を完全に覆ってしまわないようにする。この場合、ボンディング用材料は、ｐ型コンタクト層上面を全面的に覆うように形成してもよいし、一部を覆うように形成して、そこから給電用の枝部が延びるパターンを形成してもよい。

上記の他にも、反射層とする金属膜とボンディング用材料の両方によってオーミック電極に給電してもかまわない。あるいは、ボンディング用材料と反射層、ボンディング用材料とオーミック電極の間に、ボンディング用材料の拡散を防ぐバリアー層（後述）を設けてもよい。

オーミック電極Ｐ２がコンタクト層４の上面に細分化パターンにて形成された細分化領域は、細分化されたオーミック電極部分とそれに挟まれた反射層形成部分とを合わせた領域を意味する。かかる細分化領域に占める反射層形成部分の割合（面積比率）は、好ましくは４０〜８０％であり、より好ましくは５０〜７５％、最も好ましくは６０〜７０％である。反射層形成部分は、オーミック電極部分に対する開口にみたてることができるので、上記面積比率を以下、開口比とも称する。開口比が大きいということは反射層の部分が広いことに相当するので、発光出力の向上が期待されるが、開口比が大きすぎると電極面積が小さくなって発光出力が低下してしまう傾向にある。また、順方向電圧（Ｖｆ）を小さくするという点からは開口比は小さい方が好ましい。
上記範囲（４０〜８０％の開口比）であれば、出力１０ｍＷ以上、Ｖｆ３．５Ｖ以下が得られる（オーミック電極パターンが直交格子状で、格子を形成する電極のストライプ状部の幅が２μｍである場合）。

オーミック電極Ｐ２の細分化の好ましい程度について説明する。一辺１００μｍの正方形の仮想的な構成単位を、細分化領域のどの位置に当てはめたときでも、各構成単位内に常にオーミック電極部分と反射層形成部分とが存在する程度に、オーミック電極Ｐ２が細分化されていることが好ましい。上記構成単位の正方形の一辺を、３０〜１μｍにまで小さくしても、各構成単位内に常にオーミック電極部分と反射層形成部分とが存在する程度に、オーミック電極が細分化されていることがより好ましい。上記した各構成単位における開口比も、好ましくは４０〜８０％であり、より好ましくは５０〜７５％、最も好ましくは６０〜７０％である。

オーミック電極部分が塊状に集中する場合と、細分化される場合とを比較したとき、両者のオーミック電極部分の面積占有割合が同じであるならば、前者より後者の方が反射層形成部分とオーミック電極部分とが接する境界部分の割合が大きくなるが、当該境界部分ではオーミック電極から注入された電流がｐ型層内で横方向にも僅かに拡散する結果、反射層形成部分の直下においても発光が生じ、この光が反射層によって効果的に反射され、結果として発光効率が向上し得るものと考えられる。

オーミック電極Ｐ２の材料は、コンタクト層４とオーミック接合し得る材料であればよい。オーミック接合とは、接合部に電圧を印加したときに、印加の方向によらず、接合部を流れる電流値が印加した電圧値に比例するような接合である。発光素子の制御を可能ならしめる点と、発光素子の低電圧動作の点からオーミック接合することが必要である。フリップチップ実装を考慮すれば、当然のことながら、オーミック電極自身も反射率が高い方がよいので、オーミック電極の材料は、好ましくは、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム等であり、好ましくはロジウムまたはパラジウム、最も好ましくはロジウムである。

反射層５の材料はオーミック電極Ｐ２よりも高反射率の材料であれば特に限定されず、金属材料または誘電体多層膜等が例示される。金属材料としては、銀、アルミニウム等が例示され、誘電体多層膜としては、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２とからなる多層膜、ＺｒＯ_２とＳｉＯ_２とからなる多層膜等が例示される。

上記のように細分化されたオーミック電極Ｐ２と反射層５とを形成する方法としては、従来公知の電極パターン形成方法等を適宜利用すればよい。オーミック電極Ｐ２と反射層５との形成順序も特に限定されるものではなく、図３（ａ）のようにオーミック電極Ｐ２を細分化パターンにてコンタクト層４の上面に形成して、その上を反射層５が覆うように形成してもよいし、逆に、反射層５を細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成して、その上をオーミック電極Ｐ２が覆うように形成してもよい（図示せず）。このようにオーミック電極Ｐ２および反射層５のどちらか一方を他方が覆うように形成することが必要なわけではなく、図３（ｂ）のようにオーミック電極Ｐ２と反射層５とがコンタクト層４の上面から同じ高さとなるように形成されていてもよい。

上述したように本発明のＧａＮ系発光素子はフリップチップ実装型であって、上下方向を反転させて実装させることによって結晶基板の裏面側から光を取り出す構造とされている。フリップチップ実装に際しては、通常、図４に示すようにステム台８等へ固定される。本発明の好ましい形態の一つとして、上記反射層５が導電性を有する金属材料からなるものであって、オーミック電極Ｐ２と反射層５とからなる部分をさらに覆って、導電性を有するボンディング用材料７が形成されているＧａＮ系発光素子を挙げることができる。ボンディング用材料７としては、金、Ｉｎ、ハンダ（ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ等）、導電性ペースト（Ａｇペースト等）といった公知の材料が挙げられる。このようなＧａＮ系発光素子は、ボンディング用材料７の存在によって、直ちにフリップチップ実装に供することができる。

このようにオーミック電極Ｐ２と反射層５とからなる部分をさらに覆うようにボンディング用材料７を形成する場合、オーミック電極Ｐ２と反射層５とからなる部分とボンディング用材料７との間に、導電性を有する金属材料からなるバリアー層６を形成することが好ましい。ここで、バリアー層６は、ボンディング用材料７がオーミック電極Ｐ２または反射層５に拡散することを抑制し得る層であれば特に限定はなく、チタン層、白金層、ニッケル、クロムなどといった高融点金属（好ましくは融点が５００℃以上）からなる層等が例示される。

以下、本発明の好ましい態様として、＜粗面化する態様＞と＜低転位密度領域にオーミック電極を形成する態様＞とを説明する。なお、本発明は前記２態様に限定されるわけではない。

＜粗面化する態様＞
この態様では、オーミック電極Ｐ２が細分化パターンにて形成されるコンタクト層４の上面を粗面化する。このような粗面化によって、発光層３で発生する光が乱反射して素子外に高効率に取出されることが期待される。コンタクト層４を粗面化する具体的な手段としては、反射層５を設ける前に、細分化パターンを有するオーミック電極Ｐ２それ自体をマスクにしたり、別にパターニングを利用した上で、エッチングに供すること等を挙げることができる。そのような、粗面化のパターンの一例として、ｐ型コンタクト層の上方からのエッチングにより形成した凹部にオーミック電極を、残部に反射層を形成することが挙げられる。この場合、反射層をエッチング時のマスクとすることも可能である。もちろん、上記凹部に反射層を形成して、残部にオーミック電極を形成してもよい。また、この他に、オーミック電極Ｐ２が設けられていない領域（反射層５が設けられている部分）を粗面化したり、オーミック電極Ｐ２を設ける領域を、電極や半導体層またはその界面の電気的特性が著しく低下しない範囲で粗面化してもよく、これら各粗面化の態様を適宜組み合わせてもよい。

＜低転位密度領域にオーミック電極を形成する態様＞
この態様は、ＧａＮ系結晶層の転位密度に分布がある場合に、上記オーミック電極Ｐ２を相対的に転位密度の低い領域（低転位密度領域）の上に形成する態様である。ＧａＮ系半導体発光素子において、特に近紫外領域（３６５〜４２０ｎｍ）の発光が得られる発光素子においては、転位密度と発光強度に密接な関係があり、転位密度が低い方が発光強度は強い。一方、前記の通り、ＧａＮ系半導体発光素子ではオーミック電極Ｐ２の直下が主に発光領域となることから、オーミック電極Ｐ２をできるだけ低転位密度領域の上に形成することが望ましいのである。

このようなＧａＮ系結晶層の転位密度の分布には、ＧａＮ系結晶層の転移密度を低減させるための処理に伴い生じるものがある。かかる転位密度低減処理として、次の二つが例示される。
（１）基板の表面に、それ自身の表面にはＧａＮ系結晶が成長し難い材料（例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等）からなるマスク層を部分的に形成する処理を施し、その上にＧａＮ系結晶層の成長を行うと、基板表面の非マスク部を出発点として、前記マスク層上にラテラル成長によって低転位密度のＧａＮ系結晶が形成される（特開平１０−３２６７５１号公報参照）。
（２）基板の表面に凹凸面加工処理を施し、その上にＧａＮ系結晶層の成長を行うと、マスク層を用いることなく、ラテラル成長によって低転位密度のＧａＮ系結晶層が形成される。（特開２０００−３３１９４７号公報参照）。

上記（１）に類似した方法として、基板上に成長したＧａＮ系結晶層の表面に同様のマスク層を形成し、その上にＧａＮ系層をラテラル成長させる方法がある。同様に、上記（２）に類似の方法として、基板上に成長したＧａＮ系結晶層の表面に凹凸を形成する方法がある。また、凹凸を形成した成長面（基板またはＧａＮ系結晶層）に更に部分的にマスク層を形成し、その上に成長するＧａＮ系結晶の成長開始面を制限する方法がある。また、上記においてラテラル成長ではなく、ファセット成長を行うことによって、転位の伝播方向を横方向に曲げて、上に成長する層の転位密度を低減する方法もある（特開２００２−１６４２９６号公報参照）。

上記の転位密度低減処理を行った場合、マスク部・非マスク部または凹部・凸部の形成パターンを反映して、その上に成長されたＧａＮ系結晶層には転位密度が相対的に高い領域と低い領域からなるパターンが生じる。転位密度が相対的に低い低転位密度領域は、形成するパターンやＧａＮ系結晶層の成長方法（ラテラル成長かファセット成長か等）等に応じてマスク部または非マスク部のいずれかの上方、凹部または凸部のいずれかの上方、あるいはこれらの境界部上方に形成される可能性があるが、ＧａＮ系結晶に生じる転位は積層体中を貫通して上方まで伝播するため、その位置をエッチピットの形成やカソードルミネッセンスの暗点パターン観測等、公知の方法を用いて調べることができる。従って、予めこのような方法で調べた低転位密度領域の形成パターンと合うように、オーミック電極Ｐ２のパターンを形成することが可能となる。例えば、上記の方法を用いて低転位密度領域がマスク部・非マスク部のいずれか、または凹部・凸部のいずれかの上方に形成されることが確認された場合には、かかる領域の上にオーミック電極Ｐ２が形成されるように、マスクまたは凹凸のパターンと、オーミック電極Ｐ２の細分化パターンそのものを一致させて形成すればよい。このとき、マスクまたは凹凸のパターンと、オーミック電極Ｐ２の細分化パターンは完全に一致させるのが好ましいが、少なくとも一部が一致していれば本態様の効果が得られる。例えば、マスクまたは凹凸をストライプ状パターン、オーミック電極Ｐ２を直交格子状パターンに形成した場合に、オーミック電極Ｐ２の直交格子状パターンを構成する一方のストライプ状パターン（ここでは直交格子状パターンを直交する２つのストライプ状パターンの合成と捉えている）が、マスクまたは凹凸のストライプのパターンと一致しているだけでも、本態様の効果を奏する。

上記の転移密度低減処理においては、設計や製造上の便宜、ならびに素子特性の安定のために、マスクまたは凹凸を周期的パターンに形成することが通常に行われる。そこで、前記のオーミック電極Ｐ２の細分化パターンの少なくとも一部を周期性を有する周期的細分化パターンとし、その周期を上記マスク・凹凸の周期的パターンの周期に一致させることによって、低転位密度領域とオーミック電極Ｐ２の形成領域との重なりを大きくすることができる。即ち、前述の例では、マスクまたは凹凸のパターンと、オーミック電極Ｐ２の細分化パターンそのものを一致させたが、これらのパターンがいずれも周期性を有する場合には、これらの周期を一致させれば、低転位密度領域の上に形成されるオーミック電極Ｐ２の割合を大きくすることができるのである。

なお、上記転移密度低減処理において形成するマスクまたは凹凸のパターンは、一方向のみに周期性を有するストライプ状のパターンが設計・製造し易いが、これに限らず、二以上の方向に周期性を有する周期パターンとしてもよく（例えば、マスクのパターンとしては、多角形状、円形状等に形成された島状のマスク部が規則的に配列されたパターン、あるいはそのマスク部と非マスク部を入れ替えたパターン、凹凸のパターンとしては、多角形状、円形状等に形成された島状の凸部が規則的に配列されたパターン、あるいはその凸部と凹部を入れ替えたパターン等）、これらの場合も、低転位密度領域がマスクまたは凹凸の形成パターンを反映したパターンに形成されることは周知である。本態様の効果は、マスクまたは凹凸のパターンの周期と、オーミック電極Ｐ２の周期的細分化パターンの周期とを、少なくとも一方向について一致させれば得られるものであるが、これらのパターンがそれぞれ二以上の方向について周期性を有する場合には、二以上の方向について周期を一致させるようにすると、より好ましい。

なお、基板またはＧａＮ系結晶層への凹凸パターン形成については、上記のような転位密度低減を目的とする場合以外にも、例えば、基板とＧａＮ系結晶層またはＧａＮ系結晶層同士の間に凹凸状の屈折率界面を設けることにより、発光素子からの光取出し効率向上を図るために行われる場合もある（特開２００２−２８０６１１号公報参照）。かかる目的で基板またはＧａＮ系結晶層に凹凸パターンを形成する場合、凹凸の形状やサイズ、あるいはＧａＮ系結晶の成長条件によっては、その上に成長されるＧａＮ系結晶に含まれる転位の絶対数（転位密度の絶対値）は低減されない場合が有り得るが、結果として転位密度が相対的に高い領域と低い領域が生じる場合であれば、本態様が好ましく適用し得る。

（ＧａＮ系結晶からなる積層体の作製）
図１（ｂ）に素子構造を示すように、結晶基板１としてＣ面サファイア基板を用いた。該基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、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。その後窒素雰囲気に切り替え、温度を５００℃まで下げ、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＮＨ_３を流し、ＧａＮ低温成長バッファー層１ｂを成長させた。

次に、温度を１０００℃に昇温し、原料としてＴＭＧ、ＮＨ_３、ドーパントとしてシランを流し、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層２を成長させた。
次に、原料としてＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＮＨ_３を流し、前記層２上に、厚さ１２ｎｍのＧａＮ障壁層、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層からなる６周期の多重量子井戸活性層（発光層）３を成長させた。
次に、原料としてＴＭＧ、ＮＨ_３、ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を流し、厚さ０．１５μｍのｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）４を成長させた。その後雰囲気ガスを窒素に切り換え室温まで徐冷し、積層構造体を得た（発光波長４０５ｎｍ）。

（実施例１）
得られた積層構造体のコンタクト層４の上面に、厚さ５０ｎｍのロジウム電極Ｐ２を電子ビーム蒸着法およびフォトリソグラフィ技術を用いて格子状パターンに形成した。格子状パターンは直交する二つのストライプ状パターンが合成されてなる直交格子状で、各ストライプ状パターンは、いずれも幅２μｍのストライプ状ロジウム電極部分が１０μｍの等間隔で平行に配列したパターンとした。言い換えると、それぞれが１辺１０μｍの正方形状に形成された、ロジウム電極Ｐ２のないコンタクト層４の露出部分が、幅２μｍのロジウム電極部分に隔てられて縦横に規則的に配列したパターンとした。その後、ロジウム電極をも覆うように、コンタクト層の上面から２５０ｎｍの厚さのアルミニウムからなる膜５を形成した。その上にさらに、チタン膜６（厚さ２０ｎｍ）、次いで金膜７（厚さ３００ｎｍ）を形成した。チタン膜がバリアー層に相当し、金膜がボンディング材料に相当する。

次に、部分的にドライエッチングを施し、ｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）４とＩｎＧａＮ活性層３を一部除去し、ｎ型ＧａＮ層２を露出させ、材料Ｔｉ、Ａｌからなるｎ型オーミック電極Ｐ１（下部電極）を形成して、ＧａＮ系発光素子を形成した。その後、ＧａＮ系発光素子をチップ状に分割し、電極パターンが形成されたセラミックパッケージ上にフリップチップ実装した。

（実施例２）
上述の積層構造体のコンタクト層４の上面に、厚さ５０ｎｍのロジウム電極Ｐ２を電子ビーム蒸着法およびフォトリソグラフィ技術を用いて格子状パターンに形成した。格子状パターンは直交する二つのストライプ状パターンが合成されてなる直交格子状で、各ストライプ状パターンは、いずれも幅２μｍのストライプ状ロジウム電極部分が１０μｍの等間隔で平行に配列したパターンとした。言い換えると、それぞれが１辺１０μｍの正方形状に形成された、ロジウム電極Ｐ２のないコンタクト層４の露出部分が、幅２μｍのロジウム電極部分に隔てられて縦横に規則的に配列したパターンとした。その後、コンタクト層４の露出面のみに、３周期のＴｉＯ_２（６０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（８２．２ｎｍ）からなる誘電体多層膜５を形成した。その上にさらに、金膜７（厚さ５００ｎｍ）を形成した。この実施例ではバリアー層は存在せず、金膜７がボンディング材料に相当する。その後、実施例１と同様にして、ｎ型オーミック電極Ｐ１を形成した後に、フリップチップ実装に供した。

（比較例）
上述の積層構造体のコンタクト層４の上面の全面に、厚さ５０ｎｍのロジウム電極Ｐ２を形成した。その上にさらに、金膜７（厚さ３００ｎｍ）を形成した。その後、実施例１と同様にして、ｎ型オーミック電極Ｐ１を形成した後に、フリップチップ実装に供した。

（発光強度測定）
フリップチップ実装した各発光素子に、順方向電流が２０ｍＡ流れるように電圧を印加して、発光強度を積分球を用いて測定した。

その結果、実施例１では１３ｍＷとなり、実施例２では１２ｍＷとなり、比較例では７ｍＷとなった。この結果から、実施例１および２において、本発明の構成を採用することにより光の取出し効率が向上したことは明らかである。

（実施例３〜１１）
上記実施例１と同様の操作により、ＧａＮ系発光素子を作製した。ただし、ロジウム電極Ｐ２の格子状パターンにおいて、格子を形成するストライプ状の電極部分の幅２μｍは一定とする一方、その間隔（コンタクト層露出部分である正方形の一辺の長さ）を変更させることによって、細分化領域に占める反射層の比率（開口比）を変化させた。各実施例の開口比は以下のとおりである（カッコ内の数値が開口比である）。
実施例３（１０％）、実施例４（２０％）、実施例５（３０％）、実施例６（４０％）、実施例７（５０％）、実施例８（６０％）、実施例９（８０％）、実施例１０（９０％）、実施例１１（９５％）。
なお、上述の実施例１のＧａＮ系発光素子の開口比は、６９％である。

（発光出力、順方向電圧測定）
実施例１、比較例および実施例３〜１１のＧａＮ系発光素子の発光出力と順方向電圧（Ｖｆ）を以下のようにして測定した。測定結果を図５にプロットする。
発光出力の具体的測定手順；各発光素子に、順方向電流が２０ｍＡ流れるように電圧を印加して、その時の順方向電圧（Ｖｆ）と、積分球を用いて測定した発光強度を記録した。

（実施例１２）
Ｃ面サファイア基板上にフォトレジストのパターニング（幅：２μｍ、周期：６μｍ、ストライプ方位：サファイア基板の＜1−1００＞）を行い、反応性イオンエッチング装置で基板表面のフォトレジストが存在しない部分を０．５μｍの深さまで断面方形型にエッチングした。これによって、フォトレジストを形成した部分が凸部となった凹凸基板が得られた。フォトレジストを除去後、この基板を用いて上記実施例１と同様の操作によりＧａＮ系発光素子を作製した。ただし、ｎ型ＧａＮ層の成長にあたっては、成長時間を通常基板上成長における膜厚６μｍに相当する時間として、平坦な膜を得た。成長中、凸部上で結晶が断面山形形状となって成長するファセット成長が観察された。なお、ｐ型オーミック電極Ｐ２を形成する前の状態にて、Ｈ₂ＳＯ₄：Ｈ₃ＰＯ₄＝１：１（２５０℃）の溶液中で９０minエッチングを行ない、コンタクト層表面に形成されたピットを数えると、基板面の凸部上部には転位に対応したピットはほとんど観測されなかったが、基板面の凹部中央付近の幅４μmの上部の領域ではピットが多数見られた。そこで、ｐ型オーミック電極Ｐ２を直交格子状パターンに形成する際に、その直交格子状パターンを構成する一方のストライプの方向を、基板に形成した凹凸のストライプ方向と平行とし、かつその凸部の上方にオーミック電極が形成されるように、その周期を６μｍとして形成した。

本発明によるＧａＮ系ＬＥＤの構造の一例を示す模式図である。領域を区別するために電極にのみハッチングを施している。図１（ａ）は素子を上方から見た図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の素子を側方から見た図である。 本発明における、細分化部分の電極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。 本発明の発光素子の一例を示す。 フリップチップ実装に供した本発明のＧａＮ系発光素子を示す。 発光素子の開口比と発光出力・順方向電圧との関係を示す。 従来のＧａＮ系ＬＥＤの構造の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 結晶基板
２ ｎ型のＧａＮ系結晶層
３ ＧａＮ系結晶からなる発光層
４ ｐ型のＧａＮ系結晶層
５ 反射層
６ バリアー層
７ ボンディング材料
Ｐ１ 下部電極
Ｐ２ 上部電極

Claims (11)

1. 結晶基板の上面側に、窒化物半導体結晶からなる発光層を含む積層体が形成され、該積層体の最上層であるコンタクト層の上面にはオーミック電極が形成され、上下方向を反転させて行うフリップチップ実装によって結晶基板の裏面側から光を取り出す構造とされたフリップチップ実装型の窒化物半導体発光素子であって、
   前記オーミック電極は、細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成された部分を有し、細分化されたオーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面には、発光層から発せられた光を反射し得る反射層が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
2. 反射層が、金属材料からなる層であるか、または誘電体多層膜である請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. オーミック電極が、細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成され、その上を覆って反射層が形成され、それによって、オーミック電極同士の間に露出したコンタクト層上面に反射層が形成された構成となっている、請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 反射層が細分化パターンにてコンタクト層の上面に形成され、その上を覆ってオーミック電極が形成され、それによって、オーミック電極が細分化パターンにてコンタクト層上面に形成された構成となっている、請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
5. オーミック電極と反射層とが、コンタクト層の上面から同じ高さとなるように形成されている、請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
6. 反射層が導電性を有する金属材料からなるものであって、オーミック電極と反射層とからなる部分をさらに覆って、導電性を有するボンディング用材料が形成されている、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
7. オーミック電極と反射層とからなる部分と、ボンディング用材料との間に、導電性を有する金属材料からなるバリアー層が形成され、これによってボンディング用材料が、オーミック電極または反射層に拡散することを抑制し得る構成とされている、請求項６記載の窒化物半導体発光素子。
8. オーミック電極がコンタクト層上面に細分化パターンにて形成された領域において、反射層が形成された部分の面積が、オーミック電極が形成された部分の面積と反射層が形成された部分の面積との総和に対して、４０〜８０％を占める請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
9. 上記積層体に転位密度が相対的に高い領域と低い領域が形成され、
   オーミック電極がコンタクト層上面に細分化パターンにて形成された領域において細分化されたオーミック電極の少なくとも一部が上記転位密度が相対的に低い領域の上に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子。
10. 上記転位密度が相対的に高い領域と低い領域が、上記結晶基板または上記積層体に周期的パターンを呈する凹凸またはそれ自身の表面には窒化物半導体結晶が成長し難い材料からなるマスクを設けることによって形成されてなるものであり、
    上記オーミック電極の細分化パターンが周期的パターンに形成された部分を含んでおり、
    上記凹凸またはマスクの周期的パターンの周期と、上記周期的パターンに形成されたオーミック電極の細分化パターンの周期とが、少なくともひとつの方向について一致している部分を含むことを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
11. コンタクト層がｐ型の窒化物系半導体結晶からなり、オーミック電極がロジウムまたはパラジウムからなり、反射層がアルミニウムからなることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。

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