JP2005303287A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子、その製造方法及びｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の持つ機械的支持力を保持しつつ、尚且つマウントの際に生産性を良好なものとすることができるようにする。
【解決手段】 この発明のIII族窒化物半導体発光素子は、少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層１０４，１０６と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層１０５とを積層した積層構造体１１からなるIII族窒化物半導体発光素子であって、積層構造体１１を設けるために使用された結晶基板１００とは反対側の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体１１１が設けられ、結晶基板１００は除去されている、ことを特徴としている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなるIII族窒化物半導体発光素子、その製造方法及びＬＥＤランプに関するものである。

従来から、青色帯または緑色帯の短波長光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等のIII族窒化物半導体発光素子は、例えば、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）を発光層として利用して構成されている（例えば特許文献１参照）。また、発光部は、発光層の両側に、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体からなるクラッド層を配置して構成されている。この様な２重異種接合（ダブルヘテロ：ＤＨ）構造の発光部を構成するためのクラッド層は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_XＧａ_YＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）から構成されるものとなっている。
特公昭５５−３８３４号公報

上記の様な、発光層を、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との中間に挟持してなるＤＨ構造の発光部を備えたｐｎ接合型ＤＨ構造のIII族窒化物半導体発光素子を構成するための積層構造体は、従来からもっぱら、サファイア（α―Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）や炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶を基板として形成されている。発光層からの発光を透過できる光学的透明性を有し、且つ高温を要するIII族窒化物半導体層の結晶成長にも耐え得る耐熱性を有するからである。そして、従来のIII族窒化物半導体発光素子は、発光素子用途の積層構造体を形成するために用いた上記の様な基板を、素子化工程以後も積層構造体を機械的に支持する板状体として残存させて作製されるのが通例である。

しかし、例えばサファイア等の結晶からなる基板を残存させてなるIII族窒化物半導体発光素子は、積層構造体を機械的な支持力を維持するには適するが、電気的に絶縁性であるが故に、フリップチップタイプに素子を加工するか、２ボンディングタイプの素子となるため、フリップチップタイプでは素子の加工が煩雑であり、また２ボンディングタイプではワイヤーボンディングなどの配線が煩雑である。このため、マウントの際の生産性が悪化するという問題点を有していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、基板の持つ機械的支持力を保持しつつ、尚且つマウントの際に生産性を良好なものとすることができるIII族窒化物半導体発光素子、、その製造方法及びＬＥＤランプを提供することを目的とする。

１）上記目的を達成するために、第１の発明は、少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなるIII族窒化物半導体発光素子において、上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体が設けられ、結晶基板は除去されている、ことを特徴としている。

２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記板状体は導電性材料からなる、ことを特徴としている。

３）第３の発明は、上記した１）項または２）項に記載の発明の構成に加えて、上記積層構造体からの結晶基板の除去は、積層構造体と結晶基板との接合界面領域にレーザ光を照射して行われる、ことを特徴としている。

４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れか１項に記載の発明の構成に加えて、上記板状体にオーミック電極を設けた、ことを特徴としている。

５）第５の発明は、上記した１）項から４）項に記載の発明の構成に加えて、上記板状体は、上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面に金属層を介して設けられる、ことを特徴としている。

６）第６の発明は、上記した５）項に記載の発明の構成に加えて、上記金属層を共晶金属膜から構成した、ことを特徴としている。

７）第７の発明は、上記した１）項から６）項に記載の発明の構成に加えて、上記板状体と上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面との間に、上記発光層からの発光を反射するための金属反射膜が備えられている、ことを特徴としている。

８）第８の発明は、上記した１）項から７）項に記載の発明の構成に加えて、上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板がサファイア基板で、その（０００１）面上に積層構造体を設けるとともに、上記板状体を導電性の（００１）−Ｓｉ単結晶体とする、ことを特徴としている。

９）第９の発明は、上記した８）項に記載の発明の構成に加えて、上記板状体が、その＜１１０＞結晶方向を、（０００１）−サファイア基板の［１．１．−２．０．］結晶方位に平行として設けられている、ことを特徴としている。

１０）第１０の発明は、少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の積層構造体の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体を設け、上記結晶基板を除去する、ことを特徴としている。

１１）第１１の発明は、ＬＥＤランプであって、上記した１）項から９）項の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子を備えている、ことを特徴としている。

本発明では、積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体を設け、結晶基板は除去するようにしたので、その板状体で機械的に支持するとともに、導電性の板状体の表面に一方の極性のオーミック電極を形成することで、直接マウントさせることができ、ワイヤーボンディングは他方の極性のオーミック電極のみに施せばよく、したがってマウントの際の生産性を良好なものとすることができる。

また、本発明によれば、発光素子用途の積層構造体に、導電性のＳｉ単結晶板を、積層構造体を構成するために用いたサファイア基板の特定の結晶方位に平行になる様に貼付してIII族窒化物半導体発光素子を構成することとしたので、大電流の順方向電流を長時間に亘り通流しても、積層構造体に熱応力に因る亀裂は発生しない。これは熱応力の低減において、反りの方向は結晶方向に沿うので、反対側に反るものと予想される反りの方向に合わせて貼ると反らないことを用いたことによる。またその良好な熱伝導性のために放熱性にも優れたものとすることができ、その結果長時間点灯しても熱ダメージが生じにくくなり、高電流を通電させたときに熱による出力低下を招かない。

以下にこの発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、結晶基板上に形成された、（ａ）第一の伝導型の第一のIII族窒化物半導体層と、（ｂ）第二の伝導型の第二のIII族窒化物半導体層と、（ｃ）第一及び第二のIII族窒化物半導体との中間に挟持したIII族窒化物半導体からなる発光層とを備えた発光素子用途の積層構造体から構成する。なお、第一および第二のIII族窒化物半導体層は、クラッド層やコンタクト層としての機能を有している。

積層構造体を形成するための結晶基板には、サファイアや酸化リチウム・ガリウム（組成式ＬｉＧａＯ₂）等の酸化物単結晶、３Ｃ結晶型の立方晶単結晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）、４Ｈまたは６Ｈ結晶型の六方晶単結晶ＳｉＣ（４Ｈ−ＳｉＣ，６Ｈ−ＳｉＣ）、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）、燐化ガリウム（ＧａＰ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等のIII−Ｖ族半導体単結晶等を利用できる。

積層構造体をなす第一のIII族窒化物半導体層を、それとは格子整合の関係に無い結晶基板上に設ける場合、格子ミスマッチを緩和する緩衝（buffer）層を介して設ける。例えばサファイア基板上に、ＧａＮ系の第一のIII族窒化物半導体層を成長させるのに際し、基板表面上に、シーディングプロセス（ＳＰ）手法（特開２００３−２４３３０２号公報参照）等により設けたＧａＮ緩衝層を介して第一のIII族窒化物半導体層を積層する。ＧａＮに代替してＡｌＮから低温緩衝層を構成しても基板との格子ミスマッチを緩和するのに効果を上げられる。ＡｌＮから構成する場合、低温緩衝層の層厚は１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下の範囲、好ましくは２ｎｍ以上で５０ｎｍ以下の範囲、更に好ましくは２ｎｍ以上で５ｎｍ以下の範囲とする。

低温緩衝層の表面は、微少な凹凸があるよりは平坦な方が適する。例えば、表面粗さは、Ｒａにして０．１０μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下であるのが好適である。この様な粗さの小さい表面の低温緩衝層は、例えば３５０℃〜４５０℃の低温での成長時に結晶基板との界面に単結晶層を設けることで得られる。表面粗さは例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの測定機器を用いて求められる。粗さの少ない平坦な表面を有する低温緩衝層は、表面の平坦性に優れる上層を積層するのに優位に作用する。例えば、粗さの小さなＧａＮ低温緩衝層の表面上には、凹凸が無く平滑で平坦な表面の下地層を成長できる。

緩衝層上に設けられた、表面が平坦な下地層、例えばＧａＮ層は、表面の平坦性に優れる第一または第二の電気伝導型のIII族窒化物半導体層をもたらすのに貢献できる。此処で、第一のIII族窒化物半導体層がｎ型層であれば、第二のIII族窒化物半導体層は反対の電気伝導型のｐ型層である。表面の平坦性に優れる第一および第二のIII族窒化物半導体層をもたらすのに優位となる下地層の層厚は、ＧａＮ層の場合を例にすれば、０．５μｍ以上で５μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以上で３μｍ以下の範囲であるのが適切である。表面の平坦な第一または第二のIII族窒化物半導体層は、平坦性に優れる極薄膜の井戸層からなる量子井戸構造を積層するのに好都合なｎ型またはｐ型クラッド層として利用できる。また、密着性に優れる入力、出力電極を形成するために好都合なｎ型またはｐ型コンタクト層として利用できる。

第一及び第二のIII族窒化物半導体層としては、不純物を故意に添加していないアンドープ層を利用できる。また、電気伝導型やキャリア濃度、抵抗値を制御するために不純物を故意に添加（ドーピング）したｎ型またはｐ型のIII族窒化物半導体層を利用できる。層内の原子濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下となる様にｎ型またはｐ型不純物がドーピングされた第一及び第二のIII族窒化物半導体層は、例えば、順方向電圧が低く、動作上信頼性のある発光素子を得るためのクラッド層の構成に適する。クラッド層とする第一または第二のIII族窒化物半導体層は、発光層の構成材料より大きな禁止帯幅の材料から構成する必要はあるものの、必ずしも同一のIII族窒化物半導体材料から構成する必要はない。例えば、ｎ型クラッド層をｎ型Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）から構成し、ｐ型クラッド層をｐ型Ａｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，Ｘ＋Ｙ＝１）から構成する例を上げられる。異なる材料のIII族窒化物半導体からなる第一または第二の電気伝導型のクラッド層を利用すれば、発光層に対し、バンド（band）構造上、非対称型の発光部を構成できる。

上記の原子濃度の範囲に於いて、高濃度に不純物を含み、低抵抗とした第一および第二のIII族窒化物半導体層はコンタクト層として有用である。キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である低抵抗のIII族窒化物半導体層は、低接触抵抗のオーミック電極を形成するのに特に優位である。低抵抗のｎ型III族窒化物半導体層を得るのに利用できるｎ型不純物としては、珪素（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の第IV族、またはセレン（Ｓｅ）等の第VI元素がある。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリウム（Ｂｅ）等の第II族元素を使用できる。コンタクト層の層厚は、オーミック電極を構成する材料が拡散して侵入する深さ以上であるのが望ましい。合金化（アロイング）熱処理を施してオーミック電極を形成する場合は、所謂、アロイフロント（alloy front）の深さ以上の厚さとするのが適する。例えば、１０ｎｍ以上とするのが適する。

第１および第２のIII族窒化物半導体層の中間に設ける発光層は、例えば窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）から構成する。また例えば、窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-aＰ_a：０≦ａ＜１）等の窒素（Ｎ）と窒素とは別の第Ｖ族元素とを含むＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-aＭ_a（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦ａ＜１である。）から構成する。発光層は単一層（ＳＱＷ）から構成しても構わないし、或いは多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成しても構わない。量子井戸構造をなす井戸層を例えば、Ｇａ_YＩｎ_ZＮから構成する場合にあって、インジウム（Ｉｎ）組成比（＝Ｚ）は、所望する発光波長に鑑み調整する。より長波長の発光を期する程、インジウム組成比はより大とする。Ｇａ_YＩｎ_ZＮを井戸層とする多重量子井戸構造の発光層の全体の層厚は、好ましくは１００ｎｍ以上で５００ｎｍ以下であるのが好適である。

発光層の量子井戸構造は、第一または第二のIII族窒化物半導体層に接合する層を、障壁層または井戸層として形成できる。量子井戸構造の始端（最下底層）は障壁層または井戸層の何れであっても構わない。同じく、量子井戸構造の終端（最表層）をなすのは障壁層または井戸層の何れであっても構わない。始端層と終端層は組成が相違しても差し支えない。アンドープのため結晶性に優れる井戸層と、不純物をドーピングした障壁層とから構成した量子井戸構造は、ピエゾ（piezo）効果に因る悪影響を回避して、強度的に優れ、且つ発光波長の安定したIII族窒化物半導体発光素子を得るのに寄与できる。井戸層および障壁層は、Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）に加え、ＧａＮ_1-aＰ_a（０≦ａ＜１）等のＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-aＭ_a（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦ａ＜１である。）の薄膜から構成できる。

積層構造体をなすIII族窒化物半導体各層は、例えば、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）手段、ハイドライド（水素化物;hydride）気相成長（ＶＰＥ）手段、および分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）手段等の気相成長手段に依り成長できる。量子井戸構造発光層の井戸層をなす数ｎｍから、第一または第二のIII族窒化物半導体層に適するμｍのオーダーの広い膜厚の範囲の層を得るのには、ＭＯＣＶＤ手段やＭＢＥ手段が適する。その中で特に、窒素以外の揮発性の高い砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）を含むIII族窒化物半導体層を気相成長させるのには、ＭＯＶＰＥ手段が適する。常圧（略大気圧）または減圧方式のＭＯＣＶＤ手段を利用できる。

本発明では、発光素子用途の積層構造体を構成するために利用した結晶基板を除去して構成するため、光学的に透明な結晶を基板とする必要は無い。むしろ、先在する基板（積層構造体を形成するために利用した結晶基板）を除去する必要があるため、湿式手法、または高周波プラズマエッチング手法等の乾式手法に依るエッチング手段、或いはレーザー（laser）照射手法等に依る手段で容易に簡便に剥離できる結晶を基板とするのが好まれる。レーザー照射手段で剥離するのに都合が良いのは、積層構造体の構成層とは顕著に相違する熱膨張率を有する結晶基板である。

また、本発明では、積層構造体の最表層に、先在する結晶基板を除去した後、積層構造体の機械的な支持力低下を補強するために、機械的強度のある板状体を貼付して設ける。貼付する板状体として、Ｓｉ単結晶板を例示できる。この他、ＳｉＣ、ＧａＰ、及びＧａＡｓ各単結晶板、非晶質ガラス、金属板などが貼付できる。導電性を有する板状体は、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を構成するのに有効である。良導性であれば、半導体単結晶板に拘わらず、酸化銅（ＣｕＯ；銅原子と酸素原子の組成比は必ずしも１：１とは限らない。）、酸化亜鉛（ＺｎＯ；亜鉛原子と酸素原子の組成比は必ずしも１：１とは限らない。）、インジウム・錫複合酸化物（ＩＴＯ）等の酸化物結晶、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属の板材も貼付するのに適する。発光を反射する性能を有する金属は、貼付する板材としてより好適である。また、配線パターンが描画されたプリント基板も貼付できる。

積層構造体と板状体との接合は、貼り付けを行う積層構造体の表面或いは板状体の積層構造体と接合する表面に予め、金属膜を被着させておくと、双方の接合をより簡易に達成できる。白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びモリブデン（Ｍｏ）からなる金属薄膜が双方の貼り合わせを簡易とするのに効果を奏する。例えば、珪素（Ｓｉ）単結晶からなる導電性板状体とIII族窒化物半導体層とを、頑固に貼り合わせるには、特にＡｕやＮｉなどの金属薄膜が好適である。金属薄膜の膜厚としては総じて、０．１μｍ以上で２μｍ以下であるのが適する。これらの金属膜は、貼り合わせる板状体及び積層構造体の何れか一方の表面、または双方の表面に設ける。貼り合わせ時に、例えば１ｋｇ／ｃｍ²〜５ｋｇ／ｃｍ²の外圧で加圧するか、或いは５００℃〜１０００℃の高温に加温すると貼り合わせを容易に行うことができる。

特に共晶金属膜を用いると、貼り合わせを簡便に行える。例えば、金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金、金・珪素（Ａｕ・Ｓｉ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、及び金・ガリウム（Ａｕ・Ｇａ）合金等の半田（ハンダ）共晶合金が利用できる。また、錫（Ｓｎ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）などを含む合金膜が使用できる。共晶合金膜を用いると、比較的低温の３００℃〜５００℃で張り合わせを行うことができ便利である。貼り合わせ時の加熱温度を高くした場合、外部より印可する押圧は低く抑えることができる。逆に、加熱温度を低くした場合には、外圧を高めに設定する必要がある。

金属膜を被着するのに代替して、金属の細粉を含む金属ペーストを貼り合わせに利用できる。例えば、白金（Ｐｔ）ペースト、銀（Ａｇ）・パラジウム（Ｐｄ）ペースト等を上げられる。例えば、板状体の一表面の全体にペーストを塗布した後、積層構造体の表面にそれを載置した後、加圧して貼り合わせる。その後、減圧環境内で加温しつつ貼り合わせを継続すると貼り合わせを敢行できる。ペーストを貼り合わせ材料として利用した場合、ペースト内に含まれる気泡を、例えば、減圧環境内で除去する操作を行うと、内部に空隙の少ない緻密な膜をもって貼り合わせできる。

積層構造体と板状体とを効率的に貼り合わせるための金属膜の中間に、発光層からの発光を反射できる金属反射膜を挿入した構成とすると、発光強度に優れるIII族窒化物半導体発光素子を得るのに効果的となる。金属反射膜は例えば、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）や白金（Ｐｔ）等の白金族の６金属から構成できる（「ダフィー 無機化学」、（株）廣川書店、昭和４６年４月１５日発行、５版、２４９頁参照）。その他にも、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）など発光層からの発光について、反射率の良い金属膜から構成できる。貼り合わせのための金属膜と金属反射膜との密着性を改善するために、両層の相互間での金属の拡散を防止するバリア（barrier）層を設けてもよい。そのバリア層は、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）などの高融点金属から構成できる。

貼り合わせのための金属膜、共晶金属膜、金属反射膜、及びバリア層は、一般的な高周波スパッタリング手段、抵抗加熱真空蒸着手段や電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着手段に依り形成できる。また、例えば、適当な溶媒で希釈させた金属ペーストからなる金属膜は、塗布手段を介して形成できる。金属ペーストを塗布して金属膜を形成する場合、その膜厚は、塗布量や塗布時の試料の回転数を制御して調整する。

貼付する板状体が、良導性の半導体材料であれば、板状体にオーミック電極を設けることができる。例えば、貼付する板状体をｎ型またはｐ型の導電性Ｓｉ単結晶板とした場合、金（Ａｕ）或いはアルミニウム（Ａｌ）などから簡便にオーミック電極を形成できる。予め、オーミック電極を一表面に設けた板状体を積層構造体に貼付しても構わない。また、オーミック電極は、貼付する板状体の層厚を研削して、或いはエッチングして薄くした後、その薄層化された後の表面に設けても構わない。薄層化は、後のワイヤボンディング或いはマウントに於いて、素子の倒置を防げる程度に進めるのが望ましい。一方、板状体は、その上に設けるオーミック電極から供給される素子駆動電流を平面的に充分に拡散できる厚さで残存させる。貼付する板状体がＳｉ単結晶板であれば、研磨或いはエッチングに依り簡便に薄層化が果たせる。Ｓｉ単結晶板は、例えば、シリカやアルミナを主体とした研磨紛を使用して研磨できる。硝酸（ＨＮＯ₃）や弗化水素酸（ＨＦ）を使用すれば、所望の層厚となる迄、エッチングできる。

サファイアを基板として形成した積層構造体の最表面に、Ｓｉ単結晶板を貼付して本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子とする場合、Ｓｉ単結晶板を、その＜１１０＞結晶方向をサファイアの［１．１．−２．０．］結晶方向と略平行として貼付すると好都合である。互いの結晶の格子面間隔が近似するため、貼付した際に歪みの発生を抑制できるからである。III族窒化物半導体層は、サファイア上では、サファイアの或る結晶方位に沿って配向しており、総じて、サファイアの結晶方位とIII族窒化物半導体層の配向方向は一致する。従って、Ｓｉ単結晶の＜１１０＞結晶方向と、サファイア上のIII族窒化物半導体層の［１．１．−２．０．］結晶方向とが略平行となる様にＳｉ単結晶板を貼付しても同様の効果が得られる。

積層構造体を形成するために使用した基板を除去するのには、研磨手段や剥離手段が利用できる。例えば、サファイア基板は、シリカ、アルミナ、またはダイヤモンド微粉を主体とした研磨紛を利用して研磨できる。

積層構造体から、それを形成するのに利用した結晶基板を剥離するのには、レーザ照射手段が適する。剥離するために照射するのに適するレーザー光は、パルスレーザ光、炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザ光、エキシマレーザ光等を利用できる。特に、励起ガスとして弗化アルゴン（ＡｒＦ）や弗化クリプトン（ＫｒＦ）等を用いるエキシマレーザを用いることが好ましい。レーザ光の波長は、１９３ｎｍ或いは２４８ｎｍであるのが好ましい。レーザ光を照射して結晶基板を剥離する場合、結晶基板の厚さが厚いと、レーザ光が吸収され易くなり、効率的に剥離させる領域を加熱できない。従って、レーザ光を照射して積層構造体と結晶基板とを効率的に剥離させるのには、結晶基板の厚さは３００μｍ以下としておくのが適当である。また、結晶基板の表面に凹凸、細かな傷などがあった場合にはレーザ光の吸収がかわり、剥離にむらが起き易い。

以上述べたように、本発明の実施形態では、積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体を設け、結晶基板は除去するようにしたので、その板状体で機械的に支持するとともに、導電性の板状体の表面に一方の極性のオーミック電極を形成することで、直接マウントさせることができ、ワイヤーボンディングは他方の極性のオーミック電極のみに施せばよく、したがってマウントの際の生産性を良好なものとすることができる。

また、発光素子用途の積層構造体に、導電性のＳｉ単結晶板を、積層構造体を構成するために用いたサファイア基板の特定の結晶方位に平行になる様に貼付してIII族窒化物半導体発光素子を構成することとしたので、大電流の順方向電流を長時間に亘り通流しても、積層構造体に熱応力に因る亀裂は発生せず、またその良好な熱伝導性のために放熱性にも優れたものとすることができる。

なお上記の説明では、積層構造体を形成するために利用した結晶基板を完全に除去するようにしたが、この結晶基板は必ずしも完全に除去する必要はなく、厚さを薄くする程度に止めても良い。

積層構造体を形成するために利用した結晶基板の厚さを薄くすることにより、結晶基板から透過する光が吸収されるのを低減することができ、外部への発光の取り出し効率に優れ、且つ、静電耐圧に優れるIII族窒化物半導体発光素子を得ることができるようになる。そのためには、光学的に透明で、且つｎ型またはｐ型の導電性単結晶を基板とするのが好適である。残存させる結晶基板は、積層構造体を機械的に支持する作用とともに、発光層からの発光を外部へ透過する作用を併せ持っている。残存させる結晶基板の厚さをより薄くすれば、発光の透過率は増加し、外部への発光の取り出し効率に優れるIII族窒化物半導体発光素子を得るのに優位とはなる。一方で、薄層化に伴い、結晶基板の積層構造体を支持する作用は低減される。従って、双方の兼ね合いから、残存させる結晶基板の厚さは３０μｍ〜３００μｍが適当である。

板状体として、導電性のＳｉ単結晶板を積層構造体の最表層に貼付して、III族窒化物半導体発光素子を構成する場合を例にして、本発明の内容を説明する。

図１はサファイア基板上に形成した積層構造体の断面構造を模式的に示す図、図２は板状体側の構成を示す図、図３は図１の積層構造体からチップ化して作成した本発明に係るＬＥＤの断面構造を模式的に示す図、図４はＬＥＤの平面図、図５はＬＥＤをマウントして構成したＬＥＤランプを示す断面図である。

先ず図１に示すように、厚さを約３５０μｍとする電気絶縁性のサファイア基板１００の（０００１）結晶面上に、シーディングプロセス（ＳＰ）手段を用いて、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０１を、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法により９００℃で形成した。ＡｌＮ層１０１の層厚は５ｎｍとした。ＡｌＮ層１０１上には、１０５０℃で層厚を１８ｎｍとする窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる緩衝層１０２を形成した。

ＧａＮ緩衝層１０２上には、珪素（Ｓｉ）を層内の原子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となる様に、アルミニウム組成比を０．０１とするｎ型窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ）からなるｎ型のコンタクト層１０３を形成した。コンタクト層１０３は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、１０５０℃で成長させた。ｎ型コンタクト層１０３の層厚は約２．５μｍとした。

ｎ型Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎコンタクト層１０３上には、ｎ型Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなるｎ型クラッド層１０４を積層した。ｎ型クラッド層１０４は、Ｓｉを、層内の原子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となる様にドーピングして形成した。一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法で成長させたｎ型クラッド層１０４の層厚は、約０．５μｍとした。

上記のｎ型Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎクラッド層１０４上には、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＮからなる障壁層と、ｎ型Ｇａ_YＩｎ_ZＮからなる井戸層とから構成した多重量子井戸構造のｎ型発光層１０５を積層した。井戸層のインジウム（Ｉｎ）組成比（＝Ｚ）は、上記の量子井戸構造から波長を３６０ｎｍから３７０ｎｍとする紫外光が放射される様に調整した。井戸層の層厚は約５ｎｍとし、障壁層の層厚は１５ｎｍとして、量子井戸構造を構成した。

多重量子井戸構造の発光層１０５上には、ｐ型不純物のＭｇを故意に添加した（ドーピング）した、２．５ｎｍの層厚のｐ型Ａｌ_X1Ｇａ_Y1Ｎクラッド層１０６を形成した。アルミニウム組成比（＝Ｘ₁）は約０．１０（＝１０％）とした。Ｍｇは、同層１０６内で原子濃度が約５×１０¹⁸となる様にドーピングした。ｐ型クラッド層１０６上には、ＭｇをドーピングしたＡｌ組成比がより小さいＡｌ_X2Ｇａ_Y2Ｎ（Ｘ₁＞Ｘ₂≧０）からなるｐ型コンタクト層１０７を形成した。コンタクト層１０７の内部のＭｇの原子濃度は、約２×１０¹⁹／ｃｍ^-3とした。

ｐ型コンタクト層１０７の表面には、ｐ型オーミック電極膜１０８として、白金（Ｐｔ）の薄膜を一般的な高周波スパッタリング手段に依り形成した。ｐ型オーミック電極膜１０８上には、前記の多重量子井戸構造の発光層１０５からの発光を、結晶基板１００側へ反射させるため金属反射膜１０９を設けた。金属反射膜１０９は、ロジウム（Ｒｈ）被膜から構成した。

次に、積層構造体１１を機械的に支持していたサファイア基板１００の裏面を研削した。サファイア基板１００の裏面は、平均粒径が０．５μｍの酸化珪素細粒を含むコロイダル状シリカを用いて、１３０μｍ〜１５０μｍの厚さに亘り研磨した。この研磨により、サファイア基板１００の厚さを、２１０±１０μｍと薄くした。

サファイア基板１００の研磨後、金属反射膜１０９の上にｐ型導電性の面方位を（１００）とするＳｉ単結晶板１１１を接合させるための接合用の金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）共晶膜１１０を形成した（図２）。続いて厚さ約３５０μｍのｐ型（１００）−Ｓｉ単結晶板１１１と、積層構造体側に設けたＡｕＧｅ膜１１０とを、約５００℃に加熱しつつ貼り合わせた。この際、（１００）−Ｓｉ単結晶板１１１の＜１１０＞結晶方向を、（０００１）−サファイア基板１００の［１．１．−２．０．］結晶方向に略一致させて貼付した。これにより、貼付したＳｉ単結晶板１１１を利用して、積層構造体１１を機械的に支持した。

然る後、上記の如く研磨して層厚を薄くしたサファイア基板１００の裏面（積層構造体を形成した表面とは反対側の基板表面）から、サファイア基板１００とＡｌＮ緩衝層１０１およびＧａＮ緩衝層１０２との接合界面に焦点を合わせて、波長を２４８ｎｍとするエキシマレーザ光を照射した。これにより、基板１００のサファイアと積層構造体１１との熱膨張係数に差異があることを利用して、ＡｌＮ層１０１及びＧａＮ緩衝層１０２の部分から、積層構造体１１から、薄層化したサファイア基板１００を剥離した。

次に、Ｓｉ単結晶板１１１の表面を、平均粒径を約０．５μｍとする酸化珪素細粒を含むコロイダル状シリカを用いて研磨した。平坦な鏡面に研磨した後、金（Ａｕ）膜からなるｐ型オーミック電極１１２を、研磨により厚さ７０μｍへと減じたｐ型Ｓｉ単結晶板１１１の表面の全面に一旦、形成した（図２）。

然る後、公知のフォトリソグラフィー技術を応用して、ｎ型オーミック電極１１３を設ける予定の領域に限定して、ｎ型コンタクト層１０３の表面を露出させるために、フォトレジスト材料に選択パターニングを施した。次に、一般的な高周波プラズマエッチング手段を利用して、チップ形状の隅部のパターニングされた領域に限り、選択的にエッチングを及ぼし、ｎ型コンタクト層１０３の隅部の表面を露出させた。

露出させたｎ型コンタクト層１０３の隅部の表面には、一般的な真空蒸着手段及び電子ビーム蒸着手段を併用して、ｎ型コンタクト層１０３に接触する側をクロム（Ｃｒ）とするＣｒ/チタン（Ｔｉ）/金（Ａｕ）の３金属層の重層構造からなるｎ型オーミック電極１１３を形成した（図３）。

次に、一般的なレーザースクライブ法により、素子分割用の割り溝をＳｉ単結晶板１１１側に設けた。その後、この溝に対し、一般的なブレーカーを利用して機械的圧力を加え、一辺の長さを約３５０μｍとする平面視略正方形の個別のIII族窒化物半導体発光素子（チップ）１２に分離した。これにより、サファイア基板１００を削除して、積層構造体１１に貼付した板状体（Ｓｉ単結晶板）１１１に積層構造体１１の機械的支持を担わせた、ｐｎ接合型ＤＨ構造のIII族窒化物半導体ＬＥＤ１２（図３、図４）を作製した。

続いて、積層構造体１１に貼付した板状体１１１の表面に設けたｐ型オーミック電極１１２を、リードフレーム２１上に導電性ペーストを用いてマウントした。サファイア基板１００を剥離して、露出させたｎ型コンタクト層１０３に設けたｎ型オーミック電極１１３には導線（ワイヤー）をボンディングして、両オーミック電極１１２，１１３間に素子駆動電流を通流できる回路構成とした。上記した様に、ｎ型オーミック電極１１３の表面を金（Ａｕ）膜としてあるため、簡易にボンディングができた。その後、紫外線に因る劣化を防止するための防止剤を含ませた半導体封止用途のエポキシ樹脂２２で封止し、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ１０を完成させた。

ＬＥＤ１２は、貼付した板状体１１１の広い表面を利用して、その全面に亘って、大面積の一方の極性（本実施例ではｐ型である）のオーミック電極１１２を設けたため、素子駆動電流を発光層１０５の広範囲な領域に平面的に拡散できるＬＥＤとなった。この素子駆動電流の拡散が果たせたため、発光領域が拡張され、発光出力の強いＬＥＤとなった。素子駆動電流を２０ｍＡ流してＬＥＤ１２を発光させたとき、発光出力は、波長を約３７０ｎｍの紫外線光について約６ミリワット（ｍＷ）に達した。また、順方向電流を２０ミリアンペア（ｍＡ）とした際の順方向電圧（Ｖｆ）は約３．４Ｖと低値であった。

また、ＬＥＤ１２は、板状体１１１として、良導性であり且つ熱伝導性の良好なＳｉ単結晶板を利用して構成したため、発光素子チップの放熱性も改善された。このため、特に、順方向電流を５０ｍＡ以上の高電流とした場合でも、発光波長及び順方向電圧等の発光特性の経時変化は殆ど認められなかった。また、Ｓｉ単結晶板１１１を、サファイア基板１００の特定の結晶方位に沿って貼付したため、５０ｍＡの大電流を順方向に７２時間の長時間に亘り、継続して通流しても、積層構造体には熱応力に因る亀裂は一切、発生しなかった。

上記構成からなるＬＥＤ１２では、積層構造体１１に貼付された導電性の板状体１１１に設けた板状のｐ型オーミック電極１１２を直接、上記の様な回路に導通されられるため、ワイヤーボンディングはｎ型オーミック電極１１３についてのみで済むこととなるため、生産性良くＬＥＤランプ１０を作成することができた。また、このランプ１０は、電気絶縁性のサファイア基板を完全に剥離した形成されているために、放電性が良く静電耐圧に優れたランプを形成できた。

サファイア基板上に形成した積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。 板状体側の構成を示す図である。 図１の積層構造体からチップ化して作成した本発明に係るＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。 ＬＥＤの平面図である。 ＬＥＤをマウントして構成したＬＥＤランプを示す断面図である

符号の説明

１０ ＬＥＤランプ
１１ 積層構造体
１２ ＬＥＤ
１００ サファイア基板
１０１ ＡｌＮ層
１０２ ＧａＮ緩衝層
１０３ ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ型クラッド層
１０５ 量子井戸構造発光層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ ｐ型コンタクト層
１０８ ｐ型オーミック電極
１０９ 金属反射膜
１１０ 共晶膜
１１１ 板状体
１１２ ｐ型オーミック電極
１１３ ｎ型オーミック電極
２２ エポキシ樹脂

Claims (11)

1. 少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなるIII族窒化物半導体発光素子において、
   上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体が設けられ、結晶基板は除去されている、
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
2. 上記板状体は導電性材料からなる、請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 上記積層構造体からの結晶基板の除去は、積層構造体と結晶基板との接合界面領域にレーザ光を照射して行われる、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 上記板状体にオーミック電極を設けた、請求項１から３の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
5. 上記板状体は、上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面に金属層を介して設けられる、請求項１から４の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
6. 上記金属層を共晶金属膜から構成した、請求項５に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
7. 上記板状体と上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の最表層表面との間に、上記発光層からの発光を反射するための金属反射膜が備えられている、請求項１から６の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
8. 上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板がサファイア基板で、その（０００１）面上に積層構造体を設けるとともに、上記板状体を導電性の（００１）−Ｓｉ単結晶体とする、請求項１から７の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
9. 上記板状体が、その＜１１０＞結晶方向を、（０００１）−サファイア基板の［１．１．−２．０．］結晶方位に平行として設けられている、請求項８に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
10. 少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板とは反対側の積層構造体の最表層表面に、その結晶基板とは異なる材料からなる板状体を設け、
    上記結晶基板を除去する、
    ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 請求項１から９の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子を備えている、ことを特徴とするＬＥＤランプ。

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