JP2006228855A - 半導体発光素子およびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒化物半導体を用いた発光素子において、半導体層の劣化を防止し、逆方向電圧の印加や長時間動作に対しても半導体層が破壊し難く、かつ、信頼性の優れた窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 基板１の表面に、窒化物半導体からなり第１導電形層（ｐ形層５）および第２導電形層（ｎ形層３）を含む半導体積層部６が形成され、その上に透光性導電層７およびp形層５に電気的に接続してｐ側電極８が設けられ、半導体積層部６の下層側のｎ形層３に電気的に接続してｎ側電極９が設けられている。このチップ周囲の半導体積層部６がエッチングにより除去されることにより、メサ状半導体積層部６ａが形成され、そのメサ状半導体積層部６ａが、平面形状で９０°以下の角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になるようにエッチングされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は青色系（紫外線から黄色）の光を発光するのに適した窒化物半導体が用いられる半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、チップ面内での発光の均一性を図ると共に、静電気や長時間動作などに対して破壊しにくい構造の半導体発光素子に関する。

たとえば青色系の半導体発光素子は、図４（ａ）にその発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）の一例の概略断面図が示されるように、サファイアからなる絶縁性の基板上に窒化物半導体層が積層されて形成される。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とから半導体積層部２６が形成され、その表面にＺｎＯからなる透光性導電層２７を介してｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることによりＬＥＤチップが形成されている。

一方、この種の窒化物半導体のような半導体材料を用いた発光素子は、半導体発光素子の中でもとくに逆方向電圧に弱く、静電気などのサージが入ると破壊しやすい。この破壊は、活性層部分の抵抗が一番大きく高電圧を吸収しやすいため、とくに活性層部分で破壊しやすく、高電界の集中しやすい部分から活性層全体に広がると考えられる。そして、とくに電界の集中しやすい部分として、図４（ｂ）の平面説明図にＡで示されるように、平面形状でｎ側電極２９と対向する部分の角部に一番電界が集中しやすく、その角部から活性層へのダメージが入ることが知られており、ｎ側電極２９と対向する部分のコーナー部に角部が形成されないように、曲線形状にすることが開示されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平１１−１７７１３３号公報

前述のように、静電気や電圧の印加時など、とくに逆方向電圧の印加により発光素子が破壊されやすいのを防止するため、電流の流れる方向であるｐ形層とｎ側電極との対向部の半導体積層部の形状を、尖った部分が形成されないように、丸くすることにより電界の集中を防止することは行われている。しかしながら、そのような対策が施されていても、窒化物半導体を用いた発光素子では、サージなどの入力により破壊しやすく、また、使用と共に発光特性の劣化が激しく、輝度が低下したり、破壊したりしやすいという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、窒化物半導体を用いた発光素子において、半導体層の劣化を防止し、逆方向電圧の印加や長時間動作に対しても半導体層が破壊し難く、かつ、信頼性の優れた窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、窒化物半導体を用いた発光素子で、静電気などの印加で破壊しやすく、また、比較的短時間の使用で輝度が低下するなどの特性が劣化しやすい原因について、鋭意検討を重ねて調べた結果、とくに活性層などの半導体層の一部にダメージを受けた部分があると、そのダメージが活性層などのそのダメージを受けた半導体層の全体に広がって、その半導体層の結晶性が大幅に低下することにあることを見出した。そして、その半導体層へのダメージが、前述のようにｎ側電極の形成およびチップ周囲の溝形成のために半導体積層部の一部をドライエッチングする際に、９０°以下のコーナー部が存在すると、そのコーナー部でドライエッチングの際にダメージを受け、そのダメージが半導体層の全体に広がって特性の低下を引き起こすことを見出した。

すなわち、そのコーナー部では、後述する図２（ａ）に示されるように、コーナーを挟む２辺からエッチング時のプラズマＰが集中して、そのコーナー部の半導体層がダメージを受け、そのダメージが、ＬＥＤの動作などにより半導体層の全体に広がって半導体層全体の劣化に至り、輝度の低下や破損などを引き起こすことを見出した。そして、９０°以下の角部をなくすることにより、エッチングの際における一部の半導体層へのプラズマＰの集中を避けることができ、半導体層へのダメージを防止し、長寿命化および静電気などのサージに対しても強い半導体発光素子が得られることを見出した。

本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられ、窒化物半導体からなり第１導電形層および第２導電形層を含む半導体積層部と、該半導体積層部の上に設けられる透光性導電層と、該透光性導電層上に設けられ、前記半導体積層部の表面側に設けられる第１導電形層に電気的に接続して設けられる第１電極と、前記半導体積層部の下層側の第２導電形層に電気的に接続して設けられる第２電極とからなり、前記半導体積層部の少なくともチップ周囲がエッチングされることによりメサ状半導体積層部が形成され、該メサ状半導体積層部が、平面形状で９０°以下の角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になるようにエッチングされている。

ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、第１導電形および第２導電形とは、半導体の極性のｎ形およびｐ形のいずれか一方を第１導電形としたとき、他方のｐ形またはｎ形が第２導電形であることを意味する。また、角部とは直線または曲線が尖った部分を有するように交わった部分を意味し、コーナー部とは尖った部分の有無に拘らず直線または曲線の向きが変る部分を意味し、「９０°以下の角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になる」とは、２辺の交点の内角が９０°以下である場合には、その交点の部分を曲線にして角部をなくし、図２（ｃ）に示されるαのように、２辺の交点の内角が９０°より大きい場合には、必ずしもコーナー部を曲線にする必要はないことを意味する。

前記透光性導電層が、外周部に角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になるように形成されることにより、透光性導電層のコーナー部に電界が集中することがないため、半導体層へのダメージも防止することができる。

さらに、前記基板が絶縁性基板からなり、前記第２電極が前記半導体積層部のエッチングにより露出する前記第２導電形層の表面に設けられ、平面形状で前記メサ状半導体積層部の前記第２電極と対向する部分は、９０°より大きいコーナー部でも角部が形成されないで曲線になるように前記半導体積層部がエッチングされ、周囲全体で角部がなくコーナー部が曲線になるように形成されていることが好ましい。

また、前記基板が半導体基板の場合でも、前記メサ状半導体積層部の平面形状が四角形の角部が円弧形状にされた形状で、前記基板の裏面に前記第２電極が形成されることが好ましい。

本発明の構造にすることにより、半導体積層部の一部をエッチングして下層の導電形層を露出させてメサ状半導体積層部を形成する際に、半導体層の外形に９０°以下の角部がないため、ドライエッチングの際にプラズマに晒されても、そのプラズマのエネルギーがコーナー部で隣接する２辺からプラズマのダメージを受けて角部だけほぼ２倍のダメージを受けることがなくなり、半導体層に部分的な強いダメージが印加されるということがなくなる。その結果、半導体層、とくに活性層のコーナー部にダメージが集中することがなくなり、部分的に半導体層が劣化することもない。そして、部分的に弱いところがなくなるため、その部分から半導体層の全体に劣化が進むこともなくなり、長時間の動作に対しても劣化しないため、発光特性を高度に維持することができ、さらに静電気などの印加に対しても充分に耐えることができ、信頼性の優れたる窒化物半導体発光素子が得られる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、たとえば青色系の発光に適する窒化物半導体が積層された本発明による半導体発光素子のチップの平面および断面の説明図が示されている。

本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に示されるように、サファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結晶）などからなる基板１の表面に、窒化物半導体からなり第１導電形層および第２導電形層を含む半導体積層部６が形成され、その半導体積層部６の上に透光性導電層７が設けられ、その透光性導電層７上に、半導体積層部６の表面側に設けられる第１導電形層（たとえばp形層５）に電気的に接続して第１電極（たとえばｐ側電極８）が設けられ、半導体積層部６の下層側の第２導電形層（たとえばｎ形層３）に電気的に接続して第２電極（たとえばｎ側電極９）が設けられている。図１に示される例では、基板１にサファイア基板のような絶縁性基板が用いられており、ｎ側電極９は、半導体積層部６の一部がエッチングされて露出するｎ形層３の露出面に形成されている。本発明では、図１（ａ）に平面説明図が示されるように、チップ周囲の半導体積層部６がエッチングにより除去されることにより、メサ状半導体積層部６ａが形成され、そのメサ状半導体積層部６ａが、平面形状で９０°以下の角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になるようにエッチングされていることに特徴がある。

すなわち、半導体ウェハからチップ化する際に、窒化物半導体では、非常に硬くてダイシングやスクライブによりチップ化しようとしても、分離する部分だけではなく、内部までクラックが入りやすく、内部量子効率の低下に繋がりやすい。そのため、ｎ側電極９を形成するためにｎ形層を露出する際に、チップに分離する部分、すなわちチップ周囲の半導体積層部６も同時にドライエッチングをして溝部を形成している。このドライエッチングは、活性層４を越えるまで行われるため、ｎ形層３が露出してメサ状半導体積層部６ａが形成される。このドライエッチングは、チップがほぼ正方形状であるため、従来は図２（ａ）に示されるように、チップ形状に沿ってほぼ四角形状に分離溝が形成され、ｎ側電極９を形成する部分のみ、その分離溝に繋がってｎ形層３を露出させている。図２（ａ）でエッチング部を斜線Ｅで示してある。

前述のように、本発明者らは、窒化物半導体がサージや逆方向電圧、さらには長時間の動作により破壊しやすい原因について鋭意検討を重ねて検討した結果、四角形の角部のように、平面形状で隣接する辺が９０°以下の角度で交わるような角部を有していると、図２（ａ）に示されるように、その角部では、隣接する２辺からプラズマのエネルギーＰを受けることになり、その角部の半導体層がダメージを受け、そのダメージが徐々に半導体層内に伝達して半導体層全体がダメージを受けた状態になり、僅かな逆方向電圧や長時間動作による過酷な動作によりとくに抵抗の大きい活性層で破壊が生じ、破損したり、発光特性が大幅に低下したりするという現象になって現れることを見出した。

そして、図２（ｂ）に示されるように、９０°以下の角部を丸くして円弧のような曲線形状にすることにより、局部的に２重のプラズマＰが照射されるということがなく、周囲全体から均等なプラズマＰが照射され、そのような部分的なダメージの発生は起こらず、その結果、半導体層の全体にダメージが伝達して発光素子が破壊しやすくなったり、発光特性が低下しやすくなったりするという問題を解消することができることを見出した。すなわち、半導体層の一部にダメージを受けた部分があると、そのダメージが半導体層全体に伝達して特性などに悪影響を及ぼすが、そのような、ダメージを受けそうな部分を予め除去しておくことにより、ダメージを受けた部分が存在しないため、半導体層の全体に広がってその電気的特性を劣化させるということがないためと考えられる。

この角部における２重のプラズマ照射による劣化は、２辺が交差するコーナーの角度が９０°以下であると、完全に両辺からの２重照射が生じ劣化が起こりやすいが、たとえば図２（ｃ）に示されるように、角度αが９０°よりも大きければ完全には両辺からの２重照射にはなりにくいため、比較的劣化を抑制することができる。したがって、９０°より大きい角部では、曲線にすることは必須ではないが、そのような角部でも角部はすべて除去してメサ状半導体積層部６の平面形状が角部を有しない曲線により形成されていることが、ダメージを受け難くすることができるため好ましい。とくに、図２（ｃ）に示されるように、図示しないｎ側電極と対向するメサ状半導体積層部６ａの部分には、電界が集中しやすいため、角部を除去してコーナー部を曲線により形成することが好ましい。

図１（ａ）に示される例では、透光性導電層７の平面形状も半導体積層部６と同様にコーナー部が曲線により形成されている。この透光性導電層７の角部を丸くする理由は、前述のプラズマの２重照射対策とは直接には関係ないが、透光性導電層７は、電気が流れやすく、とくに角部に電界が集中しやすいため、ダメージを受けやすいメサ状半導体積層部６ａの角部に電界を集中させないようにすることにより、より一層サージや長時間動作による破壊や特性劣化を防止することができる。なお、この透光性導電層７は、メサ状半導体積層部６ａの表面全体に設けられてメサ状半導体積層部６ａと全く同じ平面形状でもよいし、図１（ａ）に示されるように、透光性導電層７がメサ状半導体積層部６ａの内側に位置するように形成されていてもよい。この場合、透光性導電層７の平面形状は、メサ状半導体積層部６ａの平面形状と平行に形成されるのが好ましい。半導体層への電流を均一にしやすいからである。

半導体積層部６は、たとえばつぎのような構造に形成される。たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.００５〜０.１μｍ程度、ＳｉをドープしたＧａＮまたはＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ形層３が１〜１０μｍ程度、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 (ＭＱＷ)構造の活性層４が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＧａＮまたはＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるｐ形層５が０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、図１に示される例では、ｎ形層３およびｐ形層５を共に１層で構成する例で示されているが、たとえば活性層側にＡｌＧａＮ系化合物からなるキャリアを閉じ込めやすい障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）と、活性層４と反対側にキャリア濃度を上げやすいＧａＮコンタクト層との複層にすることもでき、さらに低温バッファ層上にアンドープまたはｎ形などの高温バッファ層や、各層間の歪を緩和する超格子層などの他の層を介在させることができる。またこれらを他の窒化物半導体層で形成することもできる。

さらに、この例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。また、活性層４も、前述のＭＱＷ構造に限らず、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）またはバルク構造にすることもできる。

この半導体積層部６のチップ周囲およびｎ側電極の形成部分をエッチングして、ｎ形層３を露出させる。この際、前述のように、エッチングされずに残存するメサ状半導体積層部６ａの平面の外形形状が、９０°以下の角部を有しないで、そのようなコーナー部は曲線形状になるようにエッチングをする。具体的には、エッチングをするパターンのマスクを形成する際に、そのようなコーナー部が丸くなるようにマスクのパターニングをしておくことにより、従来と同様のドライエッチング工程を行うだけで、角部がなく、曲線で形成されたコーナー部のメサ状半導体積層部６ａが形成される。ドライエッチングは、たとえば塩素と四塩化珪素のガスをエッチャントとして、プラズマエッチングを行うことにより形成することができる。

この半導体積層部６上に、たとえばＧａをドープして比抵抗を５×１０^-4Ω・ｃｍ程度としたＺｎＯからなる透光性導電層７が０.１〜１０μｍ程度、たとえば０.５μｍ程度設けられている。そして、積層された半導体積層部６の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層３上に、オーミックコンタクト用のｎ側電極９が、０.０１μｍ程度の厚さのＴｉ膜と０.２５μｍ程度の厚さのＡｌ膜とを積層した後６００℃程度でシンターすることにより合金層として形成され、透光性導電層７の上の一部に、０.１μｍ程度厚のＴｉ膜と０.３μｍ程度厚のＡｕ膜との積層構造によりｐ側電極８が形成されている。そして、表面にｐ側電極８およびｎ側電極９の表面を除いて、全面に図示しないＳｉＯ₂などのパシベーション膜を設けられている。透光性導電層７は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。

本発明によれば、エッチングの際に９０°以下の角部が形成されないようにパターニングされているため、ドライエッチングのプラズマに過度に晒される部分が殆どなく、部分的に半導体層に大きなダメージを受ける部分が発生するということがない。

つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ₂ と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡ)、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ₄ 、ｐ形にする場合のドーパントガスとしてのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）またはジメチル亜鉛(ＤＭＺｎ)などの必要なガスを供給して順次成長する。

まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０.００５〜０.１μｍ程度成膜した後、温度を６００〜１２００℃程度の高温に上げて、ｎ形ＧａＮからなるｎ形層(障壁層)３を１〜１０μｍ程度成膜する。つぎに、成長温度を４００〜６００℃の低温に下げて、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 (ＭＱＷ)構造の活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。ついで、成長装置内の温度を６００〜１２００℃程度に上げ、ＧａＮからなるｐ形層５を０.２〜１μｍ程度それぞれ積層する。

その後、表面にＳｉＮなどの保護膜を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１０〜６０分程度のアニールを行い、ホトレジストを全面に塗布して、ホトリソグラフィ工程によりパターニングをして半導体積層部６のエッチングする部分（チップ周囲およびｎ側電極形成部分）を露出させる。この際、平面形状で９０°以下の角部が形成されないように、９０°以下の角部になりそうなところは曲線形状になるようにホトレジスト膜をパターニングしてマスクを形成する。その後、誘導結合型プラズマエッチング装置に入れて、たとえば塩素ガスと四塩化珪素ガスを流して、ＲＦパワーを導入することにより、チップ周囲など、所望の領域を所望の形状でエッチングすることができる。

その後、たとえばＧａドープのＺｎＯ層をＭＢＥ、スパッタ、真空蒸着、ＰＬＤ、イオンプレーティングなどの方法により０.５μｍ程度成膜することにより透光性導電層７を形成する。そして、リフトオフ法により、前述のエッチングにより露出したｎ形層３の表面に０.０１μｍ厚のＴｉ膜と０.２５μｍ厚のＡｌ膜を形成し、６００℃程度の熱処理をすることによりシンターして合金化し、ｎ側電極９とする。また、透光性導電層７上の一部に同様にリフトオフ法により、Ｔｉ膜を０.１μｍ厚、Ａｕ膜を０.３μｍ成膜してｐ側電極８を形成する。その結果、図１に示される構造のＬＥＤチップが形成される。

前述の例では、基板として絶縁性基板であるサファイア基板の例であったため、ｎ側電極９を形成するのに、半導体積層部６の一部をエッチングしてｎ形層３を露出させ、それと同時にチップ周囲のエッチングを行った。しかし、基板がたとえばＳｉＣのような半導体基板の場合でも、前述のようにチップに分割する際に、窒化物半導体ではクラックが入りやすいため、分割部をドライエッチングにより予めエッチングすることが好ましい。この場合でも、そのエッチングにより残存するメサ状半導体積層部６ａの平面形状に角部が形成されないようにドライエッチングをする必要がある。その例が、図３に示されている。この例では、基板１が絶縁性基板ではなく、半導体であるため、半導体積層部６の一部をエッチングにより除去して露出するｎ形層３に電極を形成するのではなく、半導体基板１の裏面にｎ側電極９が形成されており、メサ状半導体積層部６ａの平面形状は四角形状の角部が円弧のような曲線で形成されているだけで、後は前述の例と同じである。

すなわち、ＳｉＣ基板１上に、前述と同様に、低温バッファ層２、ｎ形層３、活性層４、ｐ形層５からなる半導体積層部６が形成され、そのチップ周囲がエッチングされている。この場合、ｐ側電極８はチップのほぼ中央部の透光性導電層７の表面に前述の材料で形成され、ｎ側電極９は、ＳｉＣ基板１裏面の全面に、たとえばＮｉ膜を成膜することにより形成される。

本発明による半導体発光素子の一実施形態の平面および断面の説明図である。 本発明による半導体発光素子がダメージを受けにくいことを説明する説明図である。 本発明による半導体発光素子の他の実施形態を示す平面および断面の説明図である。 従来の窒化物半導体発光素子の一例の断面および平面の説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ 低温バッファ層
３ ｎ形層
４ 活性層
５ ｐ形層
６ 半導体積層部
６ａ メサ状半導体積層部
７ 透光性導電層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極

Claims (4)

1. 基板と、該基板上に設けられ、窒化物半導体からなり第１導電形層および第２導電形層を含む半導体積層部と、該半導体積層部の上に設けられる透光性導電層と、該透光性導電層上に設けられ、前記半導体積層部の表面側に設けられる第１導電形層に電気的に接続して設けられる第１電極と、前記半導体積層部の下層側の第２導電形層に電気的に接続して設けられる第２電極とからなり、前記半導体積層部の少なくともチップ周囲がエッチングされることによりメサ状半導体積層部が形成され、該メサ状半導体積層部が、平面形状で９０°以下の角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になるようにエッチングされてなる半導体発光素子。
2. 前記透光性導電層が、外周部に角部を有しないで、そのコーナー部が曲線になるように形成されてなる請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記基板が絶縁性基板からなり、前記第２電極が前記半導体積層部のエッチングにより露出する前記第２導電形層の表面に設けられ、平面形状で前記メサ状半導体積層部の前記第２電極と対向する部分は、９０°より大きいコーナー部でも角部が形成されないで曲線になるように前記半導体積層部がエッチングされ、周囲全体で角部がなくコーナー部が曲線になるように形成されてなる請求項１または２記載の導体発光素子。
4. 前記基板が半導体基板からなり、前記メサ状半導体積層部の平面形状が四角形の角部が円弧形状にされた形状で、前記基板の裏面に前記第２電極が形成されてなる請求項１または２記載の半導体発光素子。

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