JP2008160063A - 窒化物半導体発光ダイオード素子 - Google Patents

Abstract

【課題】照明用途や自動車のヘッドライト用途に好適に使用することのできる、新規な構造を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を提供すること。
【解決手段】窒化物半導体発光ダイオード素子１０は、底面および上面を有し、ｐｎ接合型の発光素子構造を備えた、窒化物半導体層１２を含む。窒化物半導体層１２の底面側には導電性の保持基板１１が接合されており、窒化物半導体層１２の上面側には、窒化物半導体層の成長に用いられた透光性の半導体基板１３が接合されている。窒化物半導体層１２の内部で生じる光が、半導体基板１３の表面から取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子構造の主要部を窒化物半導体で構成した窒化物半導体発光ダイオード素子（以下「窒化物ＬＥＤ」ともいう。）に関する。

窒化物半導体は、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、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものを含む。窒化物半導体は、３族窒化物半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）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、窒化物半導体に含まれる。

発光出力の向上を目的として、ｐｎ接合型の発光素子構造を備えた窒化物半導体層に導電性の保持基板を接合してなる、垂直型の素子構造を有する窒化物ＬＥＤが開発されている（特許文献１、特許文献２）。
米国特許公開公報２００６／０１５４３８９号公報 特開２００６−１５６９５０号公報 特表２００６−５０１６５６号公報 特開２００５−３０２８０４号公報 特開２００６−５４２９５号公報 特開２００３−２１８３８３号公報 特開２００６−２６１６５９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） ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス，第４４巻，第１０号，２００５年，第７４１４〜７４１７頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．１０，２００５，ｐｐ．７４１４−７４１７）

照明用途や自動車のヘッドライト用途に好適に使用することのできる、発光出力の高い窒化物半導体発光ダイオード素子が求められている。

本発明の主な目的は、照明用途や自動車のヘッドライト用途に好適に使用することのできる、新規な構造を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することである。

上記の目的を達成するために、次の特徴を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を提供する。
（１）底面および上面を有し、ｐｎ接合型の発光素子構造を備えた、窒化物半導体層を含み、該窒化物半導体層の底面側には導電性の保持基板が接合されており、該窒化物半導体層の上面側には、該窒化物半導体層の成長に用いられた透光性の半導体基板が接合されており、該窒化物半導体層の内部で生じる光が、該半導体基板の表面から取り出される、窒化物半導体発光ダイオード素子。
（２）前記半導体基板が窒化物半導体基板である、前記（１）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（３）前記半導体基板が、前記窒化物半導体層よりも高い屈折率を有している、前記（１）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（４）前記半導体基板がＳｉＣ基板である、前記（３）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（５）前記半導体基板の表面に、凸部および／または凹部が形成されている、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（６）前記半導体基板の表面に凸部が形成されており、該凸部を前記窒化物半導体層の厚さ方向に直交する平面で切断したときにできる断面の面積が、前記窒化物半導体層から離れるにつれて減少している、前記（５）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（７）前記凸部の高さが５０μｍ以上である、前記（６）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（８）前記半導体基板の表面に、微細な凹凸構造が形成されている、前記（５）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（９）前記凹凸構造が、錐体状、錘台状または半球状の突起が密集した構造である、前記（８）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１０）前記半導体基板の表面に、平坦な頂面を有する凸部が複数形成されており、該凸部のそれぞれの平坦な頂面上に電極が形成されている、前記（５）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１１）前記半導体基板の表面が角錐台状またはドーム状に加工されている、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１２）前記保持基板が透光性を有しており、かつ、前記窒化物半導体層と光学的に結合されている、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１３）前記保持基板がウェハボンディングにより前記窒化物半導体層に直接接合されている、前記（１２）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１４）前記保持基板が、前記窒化物半導体層よりも低い屈折率を有している、前記（１２）または（１３）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１５）前記保持基板がＺｎＯ基板である、前記（１４）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１６）前記保持基板の表面に反射膜が形成されている、前記（１２）〜（１５）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１７）前記保持基板が反射膜を介して前記窒化物半導体層に接合されている、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１８）前記保持基板が、前記窒化物半導体層の上に湿式メッキまたは乾式メッキにより形成された金属層である、前記（１）〜（１１）または（１７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。

本発明を実施した窒化物半導体発光ダイオード素子は、発光出力の高いものとなるので、照明用途や自動車のヘッドライト用途に好適に使用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物ＬＥＤの構造を示す断面図である。この窒化物ＬＥＤ１０は、ｐｎ接合型の発光素子構造を構成するｐ型ＧａＮ層１２ａおよびｎ型ＧａＮ層１２ｂを備えた、窒化物半導体層１２を有している。好ましくは、ｐｎ接合部にはＩｎＧａＮからなる活性層が設けられる。窒化物半導体層１２の底面には、保持基板であるＺｎＯ基板１１が、ウェハボンディングにより直接接合されている。窒化物半導体層１２の上面には、透光性の半導体基板である、ＧａＮ基板１３が接合されている。ここでいう「透光性」とは、窒化物半導体層１２の内部で生じる光を、透過させる性質のことである。このＧａＮ基板１３は、窒化物半導体層１２の成長に用いられたものである。ＧａＮ基板１３と窒化物半導体層１２との間には、バッファ層（例えば、ＧａＮからなる低温バッファ層）が介在されていてもよい。ＺｎＯ基板１１の表面（下面）には、ＴｉとＡｕを積層してなる正電極１４が形成されている。ＺｎＯ基板１１の表面と正電極１４との間には、反射膜Ｒが部分的に介在されている。反射膜Ｒは金属膜であってもよいし、誘電体膜（単層膜または多層膜）であってもよく、また、これらを複合したものであってもよい。ＧａＮ基板１３の上面は加工されており、断面台形状の凸部が複数形成されている。この凸部は錘台状（円錐台、角錐台）であってもよいし、平坦な頂面を有するリッジ状であってもよい。各凸部の頂面上には、ＴｉＷとＡｕを積層してなる負電極１５が形成されている。

図１に示すＬＥＤ素子１０は、次のようにして製造することができる。
まず、両面が平坦な通常のＧａＮ基板１３上に、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法など、公知の気相エピタキシャル成長法を用いて、ｎ型ＧａＮ層１２ｂ、ｐ型ＧａＮ層１２ａを、順次成長させて積層し、窒化物半導体層１２を形成する。ｐ型層１２ａに添加した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適宜行うことができる。

窒化物半導体層１２の形成後、ｐ型ＧａＮ層１２ａの表面にＺｎＯ基板１１を直接ウェハボンディングにより接合する。接合方法の詳細については、非特許文献１を参照することができる。接合後、ＺｎＯ基板１１の表面に、反射膜Ｒと正電極１４を順次形成する。なお、反射膜Ｒは省略することもできる。あるいは、正電極１４に反射膜を兼用させることも可能であり、その場合、正電極１４を光反射性の良好な金属（銀白色の外観を呈する金属）で形成することが好ましいのはいうまでもない。

次に、ＧａＮ基板１３の表面を加工して凸部を形成する。この加工は、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより行ってもよいし、あるいは、機械的な加工（例えば、断面Ｖ字型のブレードを用いた切削加工）により行ってもよい。その後、該凸部の頂面上に、負電極１５を形成する。最後に、ダイシング、スクライビング、レーザ溶断などの方法を用いて、ウェハ上に形成された素子を切り離し、チップにする。

図１に示す窒化物ＬＥＤ１０では、窒化物半導体層１２とＧａＮ基板１３との間に屈折率差がないために、窒化物半導体層１２内をその底面側から上面側に向かって進む光が、窒化物半導体層１２とＧａＮ基板１３との界面で反射されることなく、ＧａＮ基板１３の内部に進み、凸部が形成されたＧａＮ基板１３の表面から効率的に素子外部に取り出される。
同様の効果が、ＧａＮ基板１３を、窒化物半導体層１２に近い屈折率を有するＡｌＧａＮ基板などの窒化物半導体基板に置き換えた場合や、窒化物半導体層１２よりも高い屈折率を有する基板であるＳｉＣ基板などに置き換えた場合においても得られる。一方、ＧａＮ基板１３をＺｎＯ基板、Ｇａ_２Ｏ_３基板などの透光性半導体基板に置き換えた場合には、ＺｎＯやＧａ_２Ｏ_３の屈折率が窒化物半導体層１２よりも低いことから、窒化物半導体層１２内をその底面側から上面側に向かって進む光の一部は、窒化物半導体層１２とこれらの基板との界面で反射されることになる。しかし、ＺｎＯ基板の場合には、その表面にウェットエッチングによって錐体状または錘台状の凸部を容易に形成することができるという利点がある（非特許文献１）。

窒化物ＬＥＤ１０では、直接的なウェハボンディングにより接合されることにより、ＺｎＯ基板１１と窒化物半導体層１２とが光学的に結合された状態となっている。よって、窒化物半導体層１２内をその上面側から底面側に向かって進む光の一部は、窒化物半導体層１２とＺｎＯ基板１１との界面を通過して、ＺｎＯ基板１１の内部に進み、反射膜Ｒにより反射される。また、ＺｎＯ基板１１の屈折率は窒化物半導体層１２の屈折率よりも低いので、窒化物半導体層１２内をその上面側から底面側に向かって進む光の一部は、窒化物半導体層１２とＺｎＯ基板１１との界面で反射を受けることになる。反射膜Ｒや上記界面で反射されて進行方向を変えた光は、ＧａＮ基板１３の内部に進み、凹凸面とされたＧａＮ基板１３の表面から効率的に素子外部に取り出される。

図１に示す窒化物ＬＥＤ１０において、ＧａＮ基板１３の表面に形成する凸部の高さｈ（凹部の底部から凸部の頂部までの高さ）は、加工する前のＧａＮ基板１３の厚さと同程度まで大きくすることができる。よって、この凸部の高さは、加工前のＧａＮ基板１３の厚さにもよるが、５０μｍ以上とすることができ、好ましくは、１００μｍ以上とすることができる。この凸部の高さを大きくする程、光がこの凸部の側面から素子外部に取り出される確率が高くなるので、素子の発光出力が向上する。この凸部は、窒化物半導体層１２の厚さ方向に直交する平面で切断したときにできる断面の面積が、窒化物半導体層１２から離れるにつれて減少する形状に形成することが好ましい。特に、窒化物半導体層１２の厚さ方向に平行な少なくともひとつの平面で切断したときの断面形状が、台形状、三角形状または半円状となるように、形成することが好ましい。凸部の表面に電極を形成する場合には、凸部の頂面に電極を形成することができるように、平坦な頂部を有する形状に凸部を形成することが好ましい。窒化物ＬＥＤ１０では、複数の凸部のそれぞれの頂面上に負電極１５を形成しているので、窒化物半導体層１２に対して均一に電流を注入することができる。

図１に示す窒化物ＬＥＤ１０では、負電極１５をＧａＮ基板１３の表面に設けた凸部の頂面上に形成しているが、負電極は他の位置に形成することもできる。例えば、図２に示す窒化物ＬＥＤ２０では、ＧａＮ基板２３の表面に凸部を形成しているが、負電極２５を凸部上ではなく、凸部に隣接した平坦部上に形成している。この窒化物ＬＥＤ２０では、窒化物半導体層２２の内部を厚さ方向に流れる電流が特定の領域に集中しないよう、負電極２５の位置と、正電極２４がＺｎＯ基板２１の下面と接触する位置とを、水平方向にずらしている。

ＧａＮ基板の表面から光が外部に取り出される確率を高くするためには、図３に示す窒化物ＬＥＤ３０のようにＧａＮ基板３３の表面を角錐台状に加工したり、あるいは、ドーム状に加工してもよい。ＧａＮ基板の表面を角錐台状に加工する方法については、特許文献３などを参照することができる。また、ＧａＮ基板の表面をドーム状に加工する方法については、特許文献４、特許文献５などを参照することができる。なお、図３に示す窒化物ＬＥＤ３０でも、負電極３５の位置と、正電極３４がＺｎＯ基板３１の下面と接触する位置とを、水平方向にずらしている。

ＧａＮ基板の表面から光が外部に取り出される確率を高くするためには、図４に示す窒化物ＬＥＤ４０のように、ＧａＮ基板４３の表面に微細な凹凸構造を設けることも有効である。微細な凹凸構造とは、凹部と凸部との高低差が最大でも５μｍであるような凹凸構造である。凹凸の構造に限定はなく、連続した凸部と孤立した凹部とからなる構造（例えば、平坦面のところどころに、半球状、円柱状、円錐状、円錐台状、角柱状、角錐状、角錐台状などの形状を有する孔が開口した構造）、連続した凹部と孤立した凸部とからなる構造（例えば、平坦面のところどころに、半球状、円柱状、円錐状、円錐台状、角柱状、角錐状、角錐台状などの形状を有する突起が存在する構造）、リッジ状の凸部と溝状の凹部とが交互に並んでいる構造（凸部と凹部の断面の形状として半円状、三角形状、台形状、方形状等が挙げられ、また凸部と凹部が直線的に伸びているものや曲線的に伸びているもの、凸部または凹部が分岐を有しているもの等が挙げられる。）、これらが混合した構造など、各種の構造が例示される。好ましい凹凸構造は、微細な錐体状（円錐、角錐）、錘台状（円錐台、角錐台）または半球状の突起が密集した構造であり、とりわけ、この突起の高さが０．１μｍ〜１μｍ程度である構造である。

ＧａＮ基板などの表面に微細な凹凸構造を形成するには、例えば、加工しようとする表面上にポリマー、金属などからなるミクロンオーダーまたはサブミクロンオーダーの粒径を有する微粒子を堆積し、これをマスク（ランダムエッチングマスク）としてエッチングを行う。フォトリソグラフィ技法により、微細なマスク、あるいは、微細な開口を有するマスクを形成し、エッチングを行う方法も好適に用いることができる。この場合、フォトレジストをマスク材料に用いることができる。エッチングの方法に限定はなく、公知の方法を適宜用いることができ、プラズマエッチングや反応性イオンエッチングなどのドライエッチング、エッチング液を用いたウェットエッチングのいずれも採用可能である。エッチング以外の方法として、比較的粗い研磨粒子を用いて研磨する方法のような、機械的な加工方法も採用可能である。

ＧａＮなどの表面に、微細な錐体状または錘台状の突起が密集した構造を形成する方法については、特許文献６、特許文献７などを参照することができる。また、ＳｉＣの表面にこのような構造を形成する方法については、非特許文献２を参照することができる。

一実施形態では、窒化物半導体層の底面側に接合される導電性の保持基板は、透光性を有さないものであってもよい。かかる保持基板として、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷなどの各種の金属（合金を含む）からなる基板の他、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板、ＺｒＢ_２基板、ＴｉＢ_２基板などの半導体基板が例示される。このような保持基板は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉなどの光反射性の良好な金属を用いて形成した反射膜を介して、窒化物系半導体層の底面側に接合することが望ましい。接合方法としては、ハンダ、共晶合金、導電性ペーストなどの導電性接着材料を用いたウェハボンディングが挙げられる。
一実施形態では、窒化物半導体層上に電解メッキにより数十μｍ以上の厚さに堆積した金属層を保持基板として用いることも可能である。この実施形態に係る窒化物ＬＥＤを製造するには、まず、透光性の半導体基板上に、発光素子構造が構成されるように、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層を順次成長させて積層する。次に、ｐ型窒化物半導体層の上面にオーミック電極を形成する。そして、そのオーミック電極の表面を覆うように、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着などの気相法によりシード層を形成し、このシード層上に電解メッキにより保持基板とする金属層を堆積する。好ましくは、オーミック電極をＩＴＯ（酸化インジウム錫）などの透明導電膜で形成し、そのオーミック電極の表面をＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉなどからなる反射膜で覆ったうえで、上記のシード層を形成する。電解メッキにより形成する金属層の好ましい材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇなどが例示される。電解メッキにより形成した金属層を保持基板とする窒化物ＬＥＤの製造方法については、特許文献１などを参照することもできる。この実施形態の変形例として、電解メッキの代わりに無電解メッキを用いて、保持基板とする金属層を形成してもよい。また、湿式メッキではなく、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着などの乾式メッキによって、保持基板とする金属層を形成することもできる。

本発明は、上記に明示的に示した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。

本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０ 窒化物半導体発光ダイオード素子
１１、２１、３１、４１ 保持基板
１２、２２、３２、４２ 窒化物半導体層
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ ｐ型層
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ ｎ型層
１３、２３、３３、４３ 透光性の半導体基板
１４、２４、３４、４４ 正電極
１５、２５、３５、４５ 負電極
Ｒ 反射膜

Claims (18)

1. 底面および上面を有し、ｐｎ接合型の発光素子構造を備えた、窒化物半導体層を含み、
   該窒化物半導体層の底面側には導電性の保持基板が接合されており、
   該窒化物半導体層の上面側には、該窒化物半導体層の成長に用いられた透光性の半導体基板が接合されており、
   該窒化物半導体層の内部で生じる光が、該半導体基板の表面から取り出される、窒化物半導体発光ダイオード素子。
2. 前記半導体基板が窒化物半導体基板である、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
3. 前記半導体基板が、前記窒化物半導体層よりも高い屈折率を有している、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
4. 前記半導体基板がＳｉＣ基板である、請求項３に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
5. 前記半導体基板の表面に、凸部および／または凹部が形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
6. 前記半導体基板の表面に凸部が形成されており、該凸部を前記窒化物半導体層の厚さ方向に直交する平面で切断したときにできる断面の面積が、前記窒化物半導体層から離れるにつれて減少している、請求項５に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
7. 前記凸部の高さが５０μｍ以上である、請求項６に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
8. 前記半導体基板の表面に、微細な凹凸構造が形成されている、請求項５に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
9. 前記凹凸構造が、錐体状、錘台状または半球状の突起が密集した構造である、請求項８に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
10. 前記半導体基板の表面に、平坦な頂面を有する凸部が複数形成されており、該凸部のそれぞれの平坦な頂面上に電極が形成されている、請求項５に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
11. 前記半導体基板の表面が角錐台状またはドーム状に加工されている、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
12. 前記保持基板が透光性を有しており、かつ、前記窒化物半導体層と光学的に結合されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
13. 前記保持基板がウェハボンディングにより前記窒化物半導体層に直接接合されている、請求項１２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
14. 前記保持基板が、前記窒化物半導体層よりも低い屈折率を有している、請求項１２または１３に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
15. 前記保持基板がＺｎＯ基板である、請求項１４に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
16. 前記保持基板の表面に反射膜が形成されている、請求項１２〜１５のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
17. 前記保持基板が反射膜を介して前記窒化物半導体層に接合されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
18. 前記保持基板が、前記窒化物半導体層の上に湿式メッキまたは乾式メッキにより形成された金属層である、請求項１〜１１または１７のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。

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