JP2008112957A - ＧａＮ系ＬＥＤチップ - Google Patents

Abstract

【課題】照明用の白色発光装置の励起光源などに好適に用い得る、発光出力に優れたＧａ
Ｎ系ＬＥＤチップを提供すること。
【解決手段】ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０は、透光性基板１１上に、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌは、透光性基板１１側から、ｎ型層１２と、発光層１３と、ｐ型層１４とをこの順に含む積層構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌからｐ型層１４と発光層１３の一部をエッチング除去することにより、ｎ型層１２が部分的に露出しており、その露出面上に負電極１５が形成されている。ｐ型層１４上には、正電極として、非晶質の酸化物半導体からなる透光性電極１６が形成されている。透光性電極１６上には金属製の反射膜１７が形成されている。透光性電極１６は、非晶質の酸化物半導体で形成される代わりに、表面が研磨により平坦化された酸化物半導体膜であってもよい。

【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体で構成された発光素子構造を有するＧａＮ系ＬＥＤチップに関する。

ＧａＮ系半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（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。上記化学式において、３族元素の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、ＧａＮ系半導体に含まれる。ｐｎ接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成したＧａＮ系ＬＥＤは、緑色〜近紫外の光を発生することが可能であり、これまで、信号機やディスプレイ装置等の用途で実用化されている。

透光性基板上に発光素子構造を備えたＧａＮ系半導体層を形成してなるＧａＮ系ＬＥＤチップは、ＳＭＤ（表面実装）型ＬＥＤパッケージにおける基板やリードフレームなどの基体上に、直接またはサブマウントを介して、ＧａＮ系半導体層側の面を該基体に向けて固定することができる。換言すれば、基体上に、ＬＥＤチップの透光性基板側の面を上方に向けて、固定することができる。このようなチップボンディング形式は、フリップチップ実装と呼ばれる。フリップチップ実装は、フェイスダウン実装、アップサイドダウン実装、ジャンクションダウン実装などと呼ばれることもある。フリップチップ実装に適したＧａＮ系ＬＥＤチップとして、ＧａＮ系半導体層の表面に酸化物半導体からなる透光性電極を形成し、その透光性電極の上にＡｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｈ（ロジウム）などの、光反射率の高い金属からなる反射膜を形成したＧａＮ系ＬＥＤチップが知られている（特許文献１）。
特開２００４−１７９３４７号公報 特開２００２−２８０６１１号公報 特開２００３−３１８４４１号公報 ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス，第４５巻，第３９号，２００６年，第Ｌ１０４５〜Ｌ１０４７頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３９，２００６，ｐｐ．Ｌ１０４５−Ｌ１０４７）

省エネルギーなどの観点からＧａＮ系ＬＥＤの照明用途への応用の実現が待望されており、ＧａＮ系ＬＥＤチップの出力向上への要求がますます強くなっている。本発明の目的は、照明用の白色発光装置の励起光源などに好適に用い得る、発光出力に優れたＧａＮ系ＬＥＤチップを提供することである。

上記課題を達成するために、次の特徴を有するＧａＮ系ＬＥＤチップを提供する。

すなわち、本発明の好ましい実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップは、ＧａＮ系半導体層を有するものであり、該ＧａＮ系半導体層上に、非晶質の酸化物半導体からなる透光性電極が形成され、該透光性電極の表面上に反射膜が形成されている。また、本発明の他の好ましい実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップは、ＧａＮ系半導体層を有するものであり、該ＧａＮ系半導体層上に、酸化物半導体からなる透光性電極が形成され、該透光性電極の表面は研磨により平坦化されており、該平坦化された透光性電極の表面上に反射膜が形成されている。これらのＧａＮ系ＬＥＤチップの主要な特徴は、酸化物半導体からなる透光性電極を、表面の平坦性が高いものとしたうえで、その表面上に反射膜を形成しているところにある。反射膜を金属膜とする場合には、透光性電極の表面の平坦性が高い程、反射膜の反射面の面積（微視的な面積）が小さくなるので、該反射面で生じる光吸収に起因する損失を低減することができる。特に、発光層で生じる光がＧａＮ系半導体層の外に出るまでには、反射膜により繰り返し反射を受けることから、１回の反射に伴う損失を低減することは、チップ外に取り出される光の強度向上に大きな効果を持つと考えられる。反射膜を誘電体多層膜とする場合には、透光性電極の表面の平坦性が高い程、その上に形成する誘電体薄膜の膜厚をより厳密に制御することができ、また、多層膜構造の乱れも小さくなるので、反射膜の反射特性が良好なものとなる。

本発明のＧａＮ系ＬＥＤチップは発光出力に優れるので、照明用の白色発光装置の励起光源などの、高出力が要求される用途に、好適に用いることができる。

（実施形態１）
図１は本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ１０は、透光性基板１１上に、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌは、透光性基板１１側から、ｎ型層１２と、発光層１３と、ｐ型層１４とをこの順に含む積層構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌからｐ型層１４と発光層１３の一部をエッチング除去することにより、ｎ型層１２が部分的に露出しており、その露出面上に負電極１５が形成されている。ｐ型層１４上には、正電極として、酸化物半導体からなる透光性電極１６が形成されている。透光性電極１６上には金属製の反射膜１７が形成されている。

透光性基板１１には、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（ＮｄＧａＯ_３）、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ_２）、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ_３）、ＺｒＢ_２、ＴｉＢ_２などからなる単結晶基板を好適に用いることができる。本実施形態では、透光性基板１１とＧａＮ系半導体層Ｌとの間に屈曲した界面が形成されるよう、透光性基板１１の表面を加工して凹凸面としている。透光性基板１１とＧａＮ系半導体層Ｌとの間に屈曲した界面が存在すると、透光性基板１１の屈折率がＧａＮ系半導体層Ｌの屈折率より低い場合であっても、該界面の光散乱作用によって、発光層１３で生じる光のＧａＮ系半導体層Ｌ内への閉じ込めが弱くなる。よって、反射膜１７で反射される光を、効率よくＧａＮ系半導体層Ｌ内から透光性基板１１側に逃がすことができる。

透光性基板１１の表面を凹凸面とする場合の凹凸のパターンは任意であるが、好ましくは、ＧａＮ系半導体結晶が凹凸面上に均一に成長するように、周期性を有するパターンとする。周期的パターンとしては、例えば、ストライプ状の凹部（溝）とストライプ状の凸部（リッジ）とが交互に並んだパターンや、上面形状が円形または正多角形状であるドット状の凹部（窪み）または凸部（突起）が、規則的に配置されたパターンが挙げられる。凹凸の形成は、透光性基板１１の表面に開口部をパターニングしたエッチングマスクを形成し、その上からエッチングを行って該開口部の位置に凹部を形成することにより、行うことができる。凸部の最上部から見た凹部の深さは、例えば、０．２μｍ〜５μｍとすることができる。この深さは、０．５μｍ〜３μｍとすることが好ましく、１μｍ〜２μｍとすることがより好ましい。凹部および凸部をストライプ状とする場合のストライプ幅や、ドット状とする場合のドット幅（幅が最大となる部分における幅）は、例えば、０．２μｍ〜１０μｍとすることができる。この幅は、０．５μｍ〜５μｍとすることが好ましく、１μｍ〜３μｍとすることがより好ましい。凹凸のパターン、断面形状、サイズなどについては、特許文献２や特許文献３を参照することもできる。

ＧａＮ系半導体層Ｌは、ＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）、分子ビームエピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの、気相エピタキシャル成長法を用いて、透光性基板１１上に形成することができる。透光性基板１１がＧａＮ系半導体と格子整合しない材料からなる場合には、透光性基板１１とＧａＮ系半導体層Ｌとの間にバッファ層（図示せず）を介在させる。好ましいバッファ層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどで形成される低温バッファ層である。

ｎ型層１２には、ｎ型不純物として、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｃ（炭素）などをドープする。ｎ型層１２の中でも、負電極１５が接することになる部分には、キャリア濃度が高くなるように、ｎ型不純物を特に高濃度（２×１０^１８ｃｍ^−３以上）にドープすることが好ましい。また、透光性基板１１と直接またはバッファ層を介して接する部分は、ｎ型不純物濃度を低くするか、またはアンドープとすることが、その上に成長させるＧａＮ系半導体の結晶性を高くするうえで好ましい。透光性基板１１の表面を凹凸面とする場合に、該凹凸面の凹部を埋めるようにＧａＮ系半導体結晶を成長させる方法については、特許文献２などを参照することができる。

発光層１３への不純物のドーピングは任意に行うことができる。ｐ型層１４には、ｐ型不純物として、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）などをドープする。ドープしたｐ型不純物を活性化させるためのアニーリング処理や電子線照射処理は、ｐ型層１４の形成後、必要に応じて行うことができる。ｐ型層１４の中でも、透光性電極１６と接することになる部分には、ｐ型不純物を５×１０^１９ｃｍ^−３以上の高濃度にドープすることが好ましい。

ＧａＮ系半導体層Ｌを構成するｎ型層１２、発光層１３、ｐ型層１４の各層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど、任意の結晶組成を有するＧａＮ系半導体で形成することができ、また、それぞれの層を、結晶組成や不純物濃度の異なる層を積層した多層構造とすることができる。発光効率を向上させるためには、発光層１３が、発光層１３よりも大きなバンドギャップを有するクラッド層に挟まれたダブルヘテロ構造が構成されるようにすることが好ましく、また、発光層１３を量子井戸構造（単一量子井戸構造または多重量子井戸構造）とすることが好ましい。ＧａＮ系半導体層Ｌは、ｎ型層１２、発光層１３、ｐ型層１４の他に、追加的な層を有していてもよい。

負電極１５は、少なくともｎ型層１２に接する部分を、ｎ型ＧａＮ系半導体とオーミック接触する材料で形成する。そのような材料は公知であり、例えば、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。ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、酸化インジウム、酸化錫、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、酸化亜鉛などの酸化物半導体（導電性酸化物と呼ばれることもある）も、ｎ型ＧａＮ系半導体と良好なオーミック接触を形成することが知られている。負電極１５の表層部分は金属材料で形成する。チップを実装する際に、負電極１５と外部電極との接着をハンダで行う場合には、負電極１５の表面層を、使用するハンダの種類にあわせて、Ａｕ（金）、Ｓｎ（錫）、その他、ハンダにより濡れ易い金属材料で形成することが好ましい。

透光性電極１６は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、酸化インジウム、酸化錫、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、酸化亜鉛、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などを用いて形成することができる。透光性電極１６は異なる酸化物半導体膜を積層した多層構造とすることもできる。透光性電極１６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、酸化物半導体の種類に応じて、従来公知の方法を適宜用いることができる。酸化物半導体で形成される透光性電極１６のパターニングは、リフトオフ法により行うことができる。他の方法として、ｐ型層１４上の全面に酸化物半導体膜を成膜した後、不要部分をエッチング（湿式または乾式）により除去するパターニング法が挙げられる。

透光性電極１６は、表面の平坦性をできるだけ高くすることが望ましい。例えば、ＩＴＯの薄膜は多結晶質となり易く、通常の方法で成膜したＩＴＯ薄膜の表面には、多結晶構造に基づく３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の微細な凹凸が存在する。このような凹凸が存在すると、反射膜１７を金属膜で形成する場合には、反射面の面積（微視的な面積）が大きくなるために、反射面での光吸収に起因する損失が大きくなる。また、反射膜１７を誘電体多層膜で形成する場合には、誘電体薄膜の膜厚の制御性が悪くなったり、多層膜構造の乱れが大きくなって、反射膜の反射特性が悪くなる。そこで、好ましくは、透光性電極１６を非晶質の酸化物半導体で形成する。非晶質の酸化物半導体膜は、多結晶質のものに比べて表面の平坦性が高いものとなることが知られている。非晶質の酸化物半導体膜を得るには、成膜温度を低温とすればよく、ＩＴＯの場合であれば室温以下とすればよい。非晶質状態が安定で、室温から３５０℃までという幅広い成膜温度範囲にわたって非晶成膜が可能な酸化物半導体として、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）が知られている。ＩＺＯを用いれば、スパッタリングなどの方法によって、表面の平坦度の高い非晶質膜からなる透光性電極を容易に形成することができる。透光性電極１６の表面平坦度を高くする他の方法として、酸化物半導体膜を形成後、膜表面を研磨する方法もある。この方法は、ＩＴＯのような、多結晶質となりやすい酸化物半導体を用いる場合に好適である。この方法を用いる場合には、ｐ型層１４の上面全面に酸化物半導体膜を形成し、その表面の研磨を行った後、エッチングによって所定の電極形状へのパターニングを行う。透光性電極１６の表面は、その表面粗さを触針式表面形状測定装置で測定したときに、算術平均粗さ（Ｒａ）を指標とした凹凸が２０ｎｍ未満となるようにすることが好ましく、１０ｎｍ未満となるようにすることがより好ましく、５ｎｍ未満となるようにすることが更に好ましい。研磨の方法は限定されないが、好ましくはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学的・機械的研磨）である。

本実施形態では反射膜１７を金属で形成している。金属材料の種類に限定はないが、好ましくは、反射率の良好なＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ｒｈ（ロジウム）もしくはＰｔ（白金）の単体、または、これらのいずれかを主体とする合金で形成する。Ｒｈ、Ｐｔ以外の白金族元素であるＩｒ（イリジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）も、好ましく用いることができる。特に好ましくは、ＡｌもしくはＡｇの単体、または、これらのいずれかを主体とする合金である。金属製の反射膜の形成は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法など、公知の金属薄膜の形成技術を用いて行うことができる。金属製の反射膜１７には接点電極（外部電極との接続用の電極）を兼用させることができる。接点電極を兼用させる場合に、反射膜をＡｌやＡｇで形成すると、外部電極との接続に用いるハンダがＡｌやＡｇと反応することによって反射特性が低下するので、これを防ぐために、反射面側の部分をＡｌやＡｇで形成し、その上をバリア層で被覆し、その上に、Ａｕ（金）、Ｓｎ（錫）、その他、ハンダにより濡れ易い金属からなる表面層を形成することが好ましい。バリア層は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ等のいわゆる高融点金属、白金族元素、Ｔｉ、Ｎｉ等の単体または合金を用いて形成することができる。バリア層は、多層構造としてもよい。

ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０をフリップチップ実装して用いようとする場合には、負電極１５と接反射膜１７との間がハンダにより短絡しないよう、ＬＥＤチップのＧａＮ系半導体層Ｌ側の表面を、ボンディング用に露出させておく必要のある接点電極の表面を除いて、絶縁保護膜で被覆することが好ましい。

ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０は、例えば、サファイア基板１１上にＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮ系半導体層Ｌを形成し、続いて、ＩＴＯを用いた透光性電極１６の形成、Ａｌを用いた負電極１５の形成、Ａｌ膜とＴｉ膜とＡｕ膜をこの順に積層した反射膜１７の形成を順次行い（更に、必要に応じて酸化ケイ素からなる絶縁保護膜の形成を行い）、最後に、研削および研磨によりサファイア基板１１の厚さを約１００μｍまで減じたうえ、ダイシング、スクライビング、レーザ加工、その他の公知のウェハ分割技術を用いてウェハを分割することにより、製造することができる。

本実施形態において、透光性基板１１は、ＧａＮ系半導体層Ｌを気相成長させる際に用いた成長用基板であってもよいが、限定されるものではない。例えば、ウェハ分割を行う前の時点で、成長用基板をエッチング、レーザリフトオフ、研磨などの方法により除去して、低融点ガラスからなる基板に置換することができる。低融点ガラスからなる基板は、ＧａＮ系半導体層Ｌに対して熱圧着することにより接合することができる。

（実施形態２）
図２は本発明の他の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ２０は、透光性基板２１上に、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌは、透光性基板２１側から、ｎ型層２２と、発光層２３と、ｐ型層２４とをこの順に含む積層構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌからｐ型層２４と発光層２３の一部をエッチング除去することにより、ｎ型層２２が部分的に露出しており、その露出面上に負電極２５が形成されている。ｐ型層２４上には、正電極として、酸化物半導体からなる透光性電極２６が形成されている。透光性電極２６は、非晶質の酸化物半導体膜であるか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化した酸化物半導体膜である。透光性電極２６上には金属製の反射膜２７と接点電極２８とが形成されている。

本実施形態のＧａＮ系ＬＥＤチップ２０が前記実施形態１に係るＧａＮ系ＬＥＤチップと異なるのは、透光性電極２６上に、金属製の反射膜２７とは別個に、接点電極２８が形成されているところである。このように構成すると、実装の際に用いるハンダと反射膜２７との接触を防止できるので、ハンダとの反応による反射膜２７の反射特性の低下が防止される。更に、ハンダと反射膜２７の接触を完全に防止するためには、金属製の反射膜２７の表面を絶縁保護膜で被覆し、接点電極２８の表面だけを露出させる。反射膜２７の表面を絶縁保護膜で覆う場合には、接点電極２８を反射膜２７と接触するように形成してもよい。接点電極２８の材料に限定はないが、好ましくは、透光性電極２６に接する部分を、白金族、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｉ（ニッケル）など、酸化物半導体との密着性が良好で、かつ耐熱性や化学的安定性の良好な金属で形成する。接点電極２８は多層構造としてもよい。接点電極２８には、表面層として、Ａｕ（金）、Ｓｎ（錫）、その他、ハンダにより濡れ易い金属からなる層を設けることが好ましい。接点電極２８の上面形状に限定はなく、円形や楕円形であってもよいし、正方形、正五角形、正六角形などの正多角形であってもよく、長方形であってもよい。接点電極２８は、小さくし過ぎると、実装時に作業性が悪くなったり、ハンダのはみ出しが起こり易くなるので、適度な大きさが必要である。限定されるものではないが、円形とする場合には、直径を６０μｍ〜１２０μｍとすることができ、方形とする場合には、１辺の長さを６０μｍ〜１２０μｍとすることができる。負電極２５と接点電極２８のいずれか一方の個数を１個、他方の個数を２個として、これらを合わせた電極の個数を３個とし、かつ、その３個の電極を三角形状に配置すると、フリップチップ実装したときに三点支持となるので、チップの姿勢が極めて安定となる。

なお、ＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の例では、接点電極２８の全体を透光性電極２６上に重ねて形成しているが、必須ではない。接点電極２８と透光性電極２６とは、相互間の電気的な接続が達成される程度に接していればよいので、例えば、接点電極２８の一部分だけが透光性電極２６上に重なるように、接点電極２８と透光性電極２６の形状を定めてもよい。

（実施形態３）
図３は本発明の更に他の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ３０は、透光性基板３１上に、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌは、透光性基板３１側から、ｎ型層３２と、発光層３３と、ｐ型層３４とをこの順に含む積層構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌからｐ型層３４と発光層３３の一部をエッチング除去することにより、ｎ型層３２が部分的に露出しており、その露出面上に負電極３５が形成されている。ｐ型層３４上には、正電極として、酸化物半導体からなる透光性電極３６が形成されている。透光性電極３６は、非晶質の酸化物半導体膜であるか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化した酸化物半導体膜である。透光性電極３６上には誘電体多層膜型の反射膜３７と接点電極３８とが形成されている。

本実施形態のＧａＮ系ＬＥＤチップ３０では、反射膜３７が誘電体多層膜となっている。誘電体多層膜の材料や構成に特に限定はなく、公知の誘電体多層膜型反射膜の構成を適宜参照することができる。具体例として、ＳｉＯ_２薄膜とＴａＯ_２薄膜とを数層〜数十層ずつ交互に積層してなる多層膜が挙げられる。ＳｉＯ_２薄膜およびＴａＯ_２薄膜の成膜には蒸着法やスパッタリング法を用いることができる。多層膜が、発光層で生じる光の波長の近傍に、その反射スペクトルの極大値を持つように、ＳｉＯ_２薄膜およびＴａＯ_２薄膜の膜厚を設定する。反射膜３７は、更に、誘電体多層膜上に積層された金属反射層を有していてもよく、反射膜３７をそのように構成すると、誘電体多層膜部分を透過した光をも、確実に透光性基板３１側に反射させることができる。誘電体多層膜上に積層する金属反射層は、接点電極３８の一部を誘電体多層膜上まで延長したものであってもよい。

（実施形態４）
図４は本発明の更に他の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ４０は、導電性を有する透光性基板４１上に、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌは、透光性基板４１側から、ｎ型層４２と、発光層４３と、ｐ型層４４とをこの順に含む積層構造を有している。透光性基板４１とｎ型層４２とは電気的に接続されており、透光性基板４１の裏面上に負電極４５が形成されている。ｐ型層４４上には、正電極として、酸化物半導体からなる透光性電極４６が形成されている。透光性電極４６は、非晶質の酸化物半導体膜であるか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化した酸化物半導体膜である。透光性電極４６上には反射膜４７が形成されている。

本実施形態のＧａＮ系ＬＥＤチップ４０では、透光性基板４１として、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、Ｇａ_２Ｏ_３基板などの導電性基板を用いることにより、素子構造を垂直型としている。これらの基板は、ＧａＮ系半導体層Ｌを気相法で形成する際の成長用基板とすることができる。反射膜４７は金属膜としてもよいし、誘電体多層膜としてもよい。反射膜４７を金属膜とする場合には、反射膜に接点電極を兼用させることもできるし、あるいは、前記実施形態２のように、透光性電極４６上に、反射膜と接点電極とをそれぞれ設けることもできる。また、反射膜４７を誘電体多層膜とする場合には、前記実施形態３のように、透光性電極４６上に反射膜と接点電極とをそれぞれ設ける。反射膜４７を誘電体多層膜とする場合に、反射膜を、誘電体多層膜とその上に積層された金属反射層とから構成してもよく、また、その場合の金属反射層は接点電極の一部を延長したものであってもよいことは、いうまでもない。

（実施形態５）
図５は本発明の更に他の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ５０は、導電性を有する透光性基板５１上に、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構造を有している。ＧａＮ系半導体層Ｌは、透光性基板５１側から、ｐ型層５４と、発光層５３と、ｎ型層５２とをこの順に含む積層構造を有している。透光性基板５１とｐ型層５４とは電気的に接続されており、透光性基板５１の裏面上に正側の接点電極５８が形成されている。ｎ型層５２上には、負電極として透光性電極５６が形成されている。透光性電極５６は、非晶質の酸化物半導体膜であるか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化した酸化物半導体膜である。透光性電極５６上には負側の接点電極を兼用する反射膜５７が形成されている。

窒化物ＬＥＤ５０を製造するには、まず、ｃ面サファイア基板を成長用基板として用い、その上にＭＯＶＰＥ法により、ｎ型層５２、発光層５３、ｐ型層５４を順次成長させて、サファイア基板上にＧａＮ系半導体層Ｌが積層されたＬＥＤウェハを形成する。このとき、ｐ型層５４の表面の５×５μｍ^２の領域をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したときのｒｍｓ粗さが０．５５ｎｍ以下となるようにすることが望ましい。

次に、透光性基板５１を、ウェハボンディングの方法により、ＧａＮ系半導体層Ｌの表面に接合する。透光性基板５１としてＺｎＯ基板を用いる場合の手順については、非特許文献１を参照することができる。即ち、ＺｎＯ基板としては、ハイドロサーマル法で製造された、膜厚５００μｍ、電気抵抗約０．２Ω・ｃｍ、表面の５×５μｍ^２の領域をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したときのｒｍｓ粗さが０．７５ｎｍ以下であるものを好ましく用いることができる。ＺｎＯ基板は、アセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄し、脱イオン水でリンスした後、乾燥させる。ＬＥＤウェハは、アセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄し、ＨＣｌ溶液に１分間浸漬したうえ、脱イオン水でリンスし、乾燥させる。洗浄処理の後、直ぐに、クリーンルーム内でＬＥＤウェハとＺｎＯ基板を重ね合わせ、一軸方向に２ＭＰａの圧力を印加させた状態で、窒素ガス雰囲気中、６００℃、１時間の熱処理を施す。このようにして、ＬＥＤウェハの窒化物半導体層にＺｎＯ基板を接合させることができる。

ウェハボンディングの後、レーザリフトオフ、ウェットエッチング、ドライエッチング、研削、研磨などの方法を用いて、成長用基板として用いたサファイア基板を取り除く。サファイア基板の除去後、露出したｎ型層５２の表面に透光性電極５６を形成する。透光性電極５６は、非晶質の酸化物半導体膜とするか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化する。不要部分をエッチング除去することによって透光性電極５６をパターニングした後、その表面上に反射膜５７を形成する。反射膜５７の形成後、必要に応じてウェハ表面に絶縁保護膜を形成したうえで、ダイシングによりウェハを分割して、ＧａＮ系ＬＥＤチップ５０を得る。

図６は本発明の更に他の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ６０は、導電性基板６１の上に、反射膜６７と透光性電極６６とを挟んで、ＧａＮ系半導体層Ｌが積層された構成を有している。導電性基板６１は透光性を有する基板であってもよいし、不透光性の基板であってもよい。ＧａＮ系半導体層Ｌは積層構造を備えており、導電性基板６１側から順に、ｐ型層６４と、発光層６３と、ｎ型層６２とを有している。透光性電極６６は、ｐ型層６４の表面を下地として成膜されたものであり、非晶質の酸化物半導体膜であるか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化した酸化物半導体膜である。反射膜６７は、透光性電極６６を下地として成膜されたものであり、その反射面はＧａＮ系半導体層Ｌ側を向いている。ＧａＮ系半導体層Ｌ側から透光性電極６６を通して反射膜６７に届く光は、この反射膜６７によって、再びＧａＮ系半導体層Ｌ側に反射される。露出したｎ型層６２の表面上に負電極６５が形成されている。

窒化物ＬＥＤ６０を製造するには、まず、サファイア基板などを成長用基板として用い、その上にＭＯＶＰＥ法により、ｎ型層６２、発光層６３、ｐ型層６４を順次成長させて、成長用基板上にＧａＮ系半導体層Ｌが積層されたＬＥＤウェハを形成する。次に、ｐ型層６４上に、透光性電極６６と反射膜６７を順次形成する。透光性電極６６は、非晶質の酸化物半導体膜とするか、または、成膜後に研磨を行うことによってその表面を平坦化する。反射膜６７は金属材料で形成してもよいし、誘電体多層膜型の反射膜としてもよい。反射膜６７を誘電体多層膜型の反射膜とする場合には、後に反射膜６７上に接合または形成する導電性基板６１を、透光性電極６６に電気的に接続させることができるように、透光性電極６６の表面を反射膜６７で完全に覆ってしまわないようする。そのためには、例えば、反射膜６７に部分的に開口部を形成したり、あるいは、反射膜６７のサイズを透光性電極６６のサイズよりも小さくすればよい。

一実施形態では、導電性基板６１として自立基板を用い、これを反射層６７および透光性電極６６を挟んで、ＧａＮ系半導体層Ｌに接合する。この実施形態で用い得る導電性基板として、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、Ｇａ_２Ｏ_３基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板などの半導体基板や、ＣｕＷ基板などの金属基板が好ましく例示される。導電性基板６１と反射膜６７などとの間の接着には、導電ペースト、ハンダなどの導電性接合材料を用いることができる。

一実施形態では、導電性基板６１を湿式メッキにより形成する。この方法では、反射膜６７を形成した後、該反射膜６７を形成した側のＬＥＤウェハ表面全体に、湿式メッキ用のシード層とする金属薄膜を形成する。シード層は、例えば、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、ＴａＮ／Ａｕで形成することができる。シード層形成後、該シード層上に、電気メッキまたは無電解メッキにより金属層を数十μｍ以上の厚さに堆積して、導電性基板６１とする。導電性基板の材料金属としては、Ａｕ（金）、Ｎｉ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）など、電鋳（ｅｌｅｃｔｏｒｏ ｆｏｒｍｉｎｇ）における電着金属として汎用されている金属が好ましく例示される。

導電性基板６１の形成後、レーザリフトオフ、ウェットエッチング、ドライエッチング、研削、研磨などの方法を用いて、成長用基板を取り除き、ｎ型層６２を露出させる。露出後、ｎ型層６２の表面に負電極６５を形成する。ｎ型層６２上の略全面を覆うように酸化物半導体膜を形成し、その上に、負電極６５を形成してもよい。負電極６５の形成後、必要に応じてウェハ表面に絶縁保護膜を形成したうえで、ダイシングによりウェハを分割して、ＧａＮ系ＬＥＤチップ６０を得る。

上記に説明した各実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップにおいて、金属製の反射膜を採用する場合には、酸化物半導体からなる透光性電極と反射膜との間に、透光性の誘電体膜を介在させてもよい。この誘電体膜を、透光性電極よりも低い屈折率を有する材料で形成することにより、反射膜の反射率を改善することができる。反射膜に入射してきた光の一部が、反射膜の表面に達する前に、透光性電極と誘電体膜との界面で屈折率差により反射されるために、金属製の反射膜による光吸収に起因する損失が低減されるからである。透光性電極の表面の平坦性を高くすることで、乱反射が発生し難くなり、透光性電極と誘電体膜との界面での反射の効率も高くなる。この誘電体膜の好ましい材料としては、１．４〜１．５という低い屈折率を有する酸化ケイ素が挙げられる。その他の好ましい低屈折率材料として、フッ化マグネシウム、フッ化リチウムなどの金属フッ化物や、フッ素樹脂などが挙げられる。フッ化マグネシウムやフッ化リチウムは、１．４以下という低い屈折率を有することが知られている。金属製の反射膜を通して透光性電極に電流を供給する素子構成を採用する場合は、反射膜と透光性電極とが絶縁されないように、この誘電体膜を透光性電極と反射膜との間に部分的に介在させる必要がある。金属製の反射膜を介さないで透光性電極に電流を供給する素子構成を採用する場合には、この誘電体膜により透光性電極と反射膜とが絶縁されてもよい。

上記に説明した各実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップのボンディング形式は、フリップチップ実装に限定されるものではなく、また、ＧａＮ系ＬＥＤチップに含まれる接点電極と外部の電極との接続に用いる材料も、ハンダに限定されるものではなく、ハンダ、導電ペースト、ボンディングワイヤなどの周知の材料の中から、実装形態に応じて適宜選択することができる。非晶質の酸化物半導体で形成したり、あるいは、研磨処理を行うことにより、透光性電極の表面の平坦性を高くすることは、該表面に対する接点電極の密着性を向上させるうえでも、好ましい効果がある。この効果は、特定の構成を有するＧａＮ系ＬＥＤチップに限って生じるものではないことを付記しておく。

（その他の好適な実施形態）
上記実施形態１〜４に係るＧａＮ系ＬＥＤチップにおいて、透光性基板の表面に形成することのできる好適な凹凸パターンとして、ストライプ状の凹部（溝）と凸部（リッジ）が交互に並んだパターンが挙げられるが、このような凹凸パターンを採用すると、透光性基板とＧａＮ系半導体層との間に形成される屈曲界面の光散乱作用に異方性が生じる。すなわち、ＧａＮ系半導体層内を層方向（層の膜厚方向に直交する方向）に伝播する光の成分のうち、基板表面のストライプ状の凹部および凸部の長手方向と直交する方向に伝播する成分は強い散乱を受けるが、該長手方向に平行な方向に伝播する成分は殆ど散乱されない。そこで、ＧａＮ系半導体層の上面形状が方形（正方形または長方形）であるＬＥＤチップにおいて、このような凹凸パターンを採用する場合には、ストライプ状の凹部および凸部の長手方向が、該方形を構成する４つの辺のそれぞれと約４５度（４０度〜５０度）の角度をなすように、凹凸パターンの方向を定めることが好ましい。凹凸パターンの方向をこのように定めると、ストライプ状の凹部および凸部の長手方向に平行に伝播する光成分が、ＧａＮ系半導体層の端面で反射されることによって、その伝播方向を、該長手方向に直交する方向に変えることになる（図７）。つまり、殆ど散乱を受けない方向に伝播する光成分の伝播方向が、反射によって、強い散乱を受ける方向に変化することになる。よって、光のＧａＮ系半導体層内への閉じ込めを弱くすることができる。

本発明は、本明細書に明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で、種々の変形が可能である。

その他、次の事項を付記する。
（１）透光性基板と、該透光性基板上に形成されたＧａＮ系半導体層とを有し、前記ＧａＮ系半導体層は、前記透光性基板側からｎ型層と、発光層と、ｐ型層とをこの順に含む積層構造を備え、前記ｐ型層上には、非晶質の酸化物半導体からなる透光性電極が形成され、該透光性電極の表面上に反射膜が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（２）透光性基板と、該透光性基板上に形成されたＧａＮ系半導体層とを有し、前記ＧａＮ系半導体層は、前記透光性基板側からｎ型層と、発光層と、ｐ型層とをこの順に含む積層構造を備え、前記ｐ型層上には、酸化物半導体からなる透光性電極が形成されており、該透光性電極の表面は研磨により平坦化されており、該透光性電極の表面上に反射膜が形成されている、ＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（３）前記非晶質の酸化物半導体からなる透光性電極が、インジウム亜鉛酸化物で形成されている、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（４）前記酸化物半導体がインジウム錫酸化物である、前記（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（５）前記反射膜が金属製の反射膜である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（６）前記金属製の反射膜が、Ａｇ、Ａｌ、ＲｈもしくはＰｔの単体、または、これらのいずれかを主体とする合金で形成されている、前記（５）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（７）前記透光性電極と、前記金属製の反射膜との間に透光性の誘電体膜が介在されている、前記（５）または（６）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（８）前記誘電体膜の屈折率が１．４以下である、前記（７）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（９）前記誘電体膜がフッ化マグネシウムまたはフッ化リチウムで形成されている、前記（７）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（１０）前記透光性基板の表面が凹凸面とされており、前記ＧａＮ系半導体層が該凹凸面の凹部を埋めるように形成されている、前記（１）〜（９）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
（１１）前記凹凸面は交互に配置されたストライプ状の凹部および凸部を有しており、前記ＧａＮ系半導体層はその上面形状が方形であり、前記ストライプ状の凹部および凸部の長手方向が、該方形を構成する４つの辺のそれぞれと約４５度の角度をなしている、前記（１０）に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。

本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤチップにおいて、ＧａＮ系半導体層内への光の閉じ込めが弱くなるメカニズムを説明するための図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０、６０ ＧａＮ系ＬＥＤチップ
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 基板
１２、２２、３２、４２、５２、６２ ｎ型層
１３、２３、３３、４３、５３、６３ 発光層
１４、２４、３４、４４、５４、６４ ｐ型層
１５、２５、３５、４５、６５ 負電極
１６、２６、３６、４６、５６、６６ 透光性電極
１７、２７、３７、４７、５７、６７ 反射膜
２８、３８、５８ 接点電極
Ｌ ＧａＮ系半導体層

Claims (15)

1. ＧａＮ系半導体層を有するＧａＮ系ＬＥＤチップであって、
   該ＧａＮ系半導体層上に、非晶質の酸化物半導体からなる透光性電極が形成され、
   該透光性電極の表面上に反射膜が形成されている、
   ことを特徴とするＧａＮ系ＬＥＤチップ。
2. ＧａＮ系半導体層を有するＧａＮ系ＬＥＤチップであって、
   該ＧａＮ系半導体層上に、酸化物半導体からなる透光性電極が形成され、
   該透光性電極の表面は研磨により平坦化されており、
   該平坦化された透光性電極の表面上に反射膜が形成されている、
   ことを特徴とするＧａＮ系ＬＥＤチップ。
3. 前記非晶質の酸化物半導体からなる透光性電極がインジウム亜鉛酸化物膜である、請求項１に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
4. 前記酸化物半導体がインジウム錫酸化物である、請求項２に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
5. 前記反射膜が金属製の反射膜である、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
6. 前記金属製の反射膜が、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、ＲｕもしくはＯｓの単体、または、これらのいずれかを主体とする合金で形成されている、請求項５に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
7. 前記透光性電極と前記金属製の反射膜との間に、前記透光性電極よりも低い屈折率を有する材料で形成された透光性の誘電体膜が介在されている、請求項５または６に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
8. 前記誘電体膜の屈折率が１．５以下である、請求項７に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
9. 前記誘電体膜がフッ化マグネシウムまたはフッ化リチウムで形成されている、請求項７に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
10. 前記反射膜が誘電体多層膜である、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
11. 前記反射膜が、更に、前記誘電体多層膜上に積層された金属反射層を有する、請求項１０に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
12. 前記ＧａＮ系半導体層に接合された透光性基板を有し、該透光性基板と、前記ＧａＮ系半導体層と、前記透光性電極と、前記反射膜とをこの順に含む積層構造を備える、請求項１〜１１のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
13. 前記透光性基板の表面が凹凸面とされており、前記ＧａＮ系半導体層が該凹凸面の凹部を埋めるように形成されている、請求項１２に記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
14. 前記凹凸面は交互に配置されたストライプ状の凹部および凸部を有しており、前記ＧａＮ
    系半導体層はその上面形状が方形であり、前記ストライプ状の凹部および凸部の長手方向
    が、該方形を構成する４つの辺のそれぞれと約４５度の角度をなしている、請求項１３に
    記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。
15. 前記ＧａＮ系半導体層に接合された導電性基板を有し、該導電性基板と、前記反射膜と、前記透光性電極と、前記ＧａＮ系半導体層とをこの順に含む積層構造を備えている、請求項１〜１１のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤチップ。

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