JP2008205005A - Gallium-nitride-based light emitting device element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GaN系半導体を用いて発光素子構造を構成したGaN系LED素子に関する。 The present invention relates to a GaN-based LED element having a light-emitting element structure using a GaN-based semiconductor.
GaN系半導体は、化学式AlaInbGa1−a−bN(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。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素子は、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などの用途で実用化されている。現在、GaN系LED素子を照明用途に適用するための研究開発が盛んとなっているが、実用化のためには更なる高出力化が必要とされている。 A GaN-based semiconductor is a compound semiconductor represented by the chemical formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1), and is a group III nitride semiconductor Also called a nitride-based semiconductor. A GaN-based LED element in which a light-emitting element structure such as a pn junction structure, a double hetero structure, or a quantum well structure is formed of a GaN-based semiconductor can generate green to near-ultraviolet light. It has been put to practical use in applications such as equipment. At present, research and development for applying GaN-based LED elements to lighting applications are actively performed, but higher output is required for practical use.
導電性基板と、該基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる積層体とを有し、該積層体に、前記基板から最も離れた位置に配置されたn型層と、該n型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記n型層とで前記発光層を挟むように配置されたp型層とが含まれているGaN系LED素子が公知である(特許文献1、特許文献2、非特許文献1)。かかる構成を有するGaN系LED素子において、n型層上に形成するパッド電極が発光層から放出される光の取出しを阻害することが、LED素子の高出力化を妨げる要因のひとつとして指摘されている(特許文献2)。なお、パッド電極とは、ボンディングワイヤ、導電性ペースト、ろう材(例えば、ハンダ、共晶金属)などといった、外部電極との接続に用いられる材料が、接合される電極である。
本発明は上記の事情に鑑みなされたものであり、その主な目的は、パッド電極による光の遮蔽および/または吸収を軽減し得る構造を備えたGaN系LED素子を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object thereof is to provide a GaN-based LED element having a structure capable of reducing light shielding and / or absorption by a pad electrode.
上記目的を達成するために、本発明は、次の特徴を有するGaN系LED素子を提供するものである。
(1)導電性基板と、該導電性基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる積層体とを有し、該積層体には、前記導電性基板から最も離れた位置に配置されたn型層と、該n型層と前記導電性基板との間に配置された発光層と、前記n型層とで前記発光層を挟むように配置されたp型層とが含まれているGaN系LED素子において、前記n型層の上にはパッド電極が形成されており、前記積層体の前記導電性基板側の面には、前記パッド電極と向かい合うようにして、底面を有する扁平孔が、少なくとも前記発光層に達する深さに形成されている、ことを特徴とするGaN系LED素子。
(2)前記扁平孔が、前記発光層が完全に除去される深さに形成されている、前記(1)に記載のGaN系LED素子。
(3)前記n型層の上方から見たとき、前記パッド電極または前記パッド電極の本体部が、前記扁平孔の底面の外周線の内側に収まるように形成されている、前記(1)または(2)に記載のGaN系LED素子。
(4)前記扁平孔の底面がテクスチャ化されている、前記(1)〜(3)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(5)前記積層体の前記導電性基板側の面には、前記扁平孔に加えて、光反射用凹部が形成されている、前記(1)〜(4)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(6)該光反射用凹部は、少なくとも前記発光層に達する深さを有し、かつ、当該凹部を前記積層体の積層方向に直交する平面で切断したときの断面積が、前記導電性基板から離れるにつれて減少するように、側壁面を傾斜させた凹部である、前記(5)に記載のGaN系LED素子。
(7)前記積層体の前記導電性基板側の面の面積が、前記積層体の前記導電性基板側の面とは反対側の面の面積よりも小さくなるように、前記積層体の端面の少なくとも一部を傾斜させた、前記(1)〜(6)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(8)前記積層体の前記導電性基板側の面の面積が、前記積層体の前記導電性基板側の面とは反対側の面の面積よりも小さくなるように、前記発光層の端面を傾斜させた、前記(7)に記載のGaN系LED素子。
(9)前記導電性基板が金属からなる、前記(1)〜(8)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(10)前記導電性基板が半導体からなる、前記(1)〜(8)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
In order to achieve the above object, the present invention provides a GaN-based LED element having the following characteristics.
(1) It has a conductive substrate and a laminate composed of a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the conductive substrate, and the laminate is disposed at a position farthest from the conductive substrate. And an n-type layer, a light-emitting layer disposed between the n-type layer and the conductive substrate, and a p-type layer disposed so as to sandwich the light-emitting layer between the n-type layer and the n-type layer. In the GaN-based LED element, a pad electrode is formed on the n-type layer, and a flat surface having a bottom surface is provided on a surface of the laminate on the conductive substrate side so as to face the pad electrode. A GaN-based LED element, wherein the hole is formed at a depth reaching at least the light emitting layer.
(2) The GaN-based LED element according to (1), wherein the flat hole is formed to a depth at which the light emitting layer is completely removed.
(3) When viewed from above the n-type layer, the pad electrode or the main body of the pad electrode is formed so as to fit inside the outer peripheral line of the bottom surface of the flat hole, (1) or The GaN-based LED element according to (2).
(4) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (3), wherein the bottom surface of the flat hole is textured.
(5) The GaN-based material according to any one of (1) to (4), wherein a light reflecting recess is formed in addition to the flat hole on the surface of the laminate on the conductive substrate side. LED element.
(6) The concave portion for light reflection has a depth reaching at least the light emitting layer, and a cross-sectional area when the concave portion is cut along a plane perpendicular to the stacking direction of the laminate is the conductive substrate. The GaN-based LED element according to (5), wherein the GaN-based LED element is a concave portion whose side wall surface is inclined so as to decrease as the distance from the surface increases.
(7) The end surface of the laminate is configured such that the area of the surface of the laminate on the side of the conductive substrate is smaller than the area of the surface of the laminate on the side opposite to the surface of the conductive substrate. The GaN-based LED element according to any one of (1) to (6), wherein at least a part is inclined.
(8) The end face of the light emitting layer is made so that the area of the surface of the laminate on the side of the conductive substrate is smaller than the area of the surface of the laminate on the side opposite to the surface of the conductive substrate. The GaN-based LED element according to (7), which is inclined.
(9) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (8), wherein the conductive substrate is made of metal.
(10) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (8), wherein the conductive substrate is made of a semiconductor.
本発明の実施形態に係るGaN系LED素子は、発光出力に優れたものとなるので、照明用途をはじめとする、高出力が要求される用途において、好適に用いることができる。 Since the GaN-based LED element according to the embodiment of the present invention is excellent in light emission output, it can be suitably used in applications that require high output, such as illumination applications.
(実施形態1)
本発明の好適な実施形態に係るGaN系LED素子は、導電性基板と、該導電性基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる積層体とを有し、該積層体には、前記導電性基板から最も離れた位置に配置されたn型層と、該n型層と前記導電性基板との間に配置された発光層と、前記n型層とで前記発光層を挟むように配置されたp型層とが含まれているGaN系LED素子であって、前記n型層の上にはパッド電極が形成されており、前記積層体の前記導電性基板側の面には、前記パッド電極と向かい合うようにして、底面を有する扁平孔が、少なくとも前記発光層に達する深さに形成されている、という特徴的な構成を有している。このように構成された、本発明の実施形態1に係るGaN系LED素子の断面構造を図1に示す。図1に示すGaN系LED素子1は、金属で形成された導電性基板11と、その上に形成された、複数のGaN系半導体層からなる積層体12とを有している。積層体12には、導電性基板11側から順に、p型層12−1、発光層12−2、n型層12−3が含まれている。n型層12−3上にはパッド電極P14が形成されている。積層体12の導電性基板11側の面には、パッド電極P14に向かい合うようにして、底面H11を有する扁平孔H1が、n型層12−3に達する深さに形成されている。p型層12−1の表面にはコンタクト層P11が形成されている。積層体12の導電性基板11側の表面上および端面上には、コンタクト層P11が形成された領域を除き、絶縁膜P12が形成されている。コンタクト層P11および絶縁膜P12の表面と保持基板11の間には、薄膜金属層P13が挟まれている。
(Embodiment 1)
A GaN-based LED element according to a preferred embodiment of the present invention includes a conductive substrate and a stacked body composed of a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the conductive substrate. The n-type layer disposed farthest from the conductive substrate, the light-emitting layer disposed between the n-type layer and the conductive substrate, and the n-type layer sandwich the light-emitting layer. And a p-type layer disposed on the n-type layer, a pad electrode is formed on the surface of the laminate on the conductive substrate side. The flat hole having the bottom surface is formed at a depth reaching at least the light emitting layer so as to face the pad electrode. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the GaN-based LED element according to
GaN系LED素子1では、導電性基板1が金属で形成されており、光透過性を有さないので、発光層12−2から放出される光は、n型層12−3の表面側から取出される。積層体12の導電性基板11側の面には、パッド電極14と向かい合うように扁平孔H1が形成されており、パッド電極14の直下では発光が生じないようになっている。パッド電極の直下での発光を許した場合、発生した光はパッド電極による遮蔽および吸収を強く受けるために、LED素子の外部に効率よく取出すことができず、この発光に費やされたエネルギーは損失となる。GaN系LED素子1では、パッド電極の直下での発光が生じないようにすることにより、損失を低減し、出力を改善している。
In the GaN-based
GaN系LED素子1では、パッド電極14の直下での発光を抑制するために、扁平孔H1の形成によってパッド電極14の直下から発光層12−2を除去している。発光層は自らが発生した光に対して吸収体として作用することから、発光層から不要な部分(発光させない部分)を除去することによって損失を低減し、LED素子の発光出力を改善することができる。この効果を得るには、扁平孔を少なくとも発光層に達する深さに形成すればよいが、好ましくは、GaN系LED素子1のように、扁平孔をn型層に達する深さに形成して、扁平孔を形成した部分の発光層を完全に除去する。発光層のIn(インジウム)含有量をクラッド層よりも高くし、あるいは、発光層のAl(アルミニウム)含有量をクラッド層よりも低くして、ダブルヘテロ構造を構成したLED素子では、発光層をコアとする板状の導波路構造が形成され、光が発光層に強く閉じ込められる傾向が生じるので、GaN系LED素子1のように発光層から不要な部分を除去することによる出力の改善効果がとりわけ顕著となる。
In the GaN-based
扁平孔H1の深さは、p型層12−1の厚さにもよるが、例えば、0.1μm〜2μmとすることができる。一方、扁平孔H1の幅は、例えば、10μm〜200μmとすることができる。この程度の深さを有する扁平な孔は、RIE(反応性イオンエッチング)などのドライエッチング技術、または、ウェットエッチング技術を用いて、GaN系半導体の表面に容易に形成することができる。扁平孔H1は、その形状のために、積層体の内部を層方向に伝播する光を、パッド電極P14のあるn型層12−3の表面側に向けて反射させる作用が小さい。 The depth of the flat hole H1 depends on the thickness of the p-type layer 12-1, but can be, for example, 0.1 μm to 2 μm. On the other hand, the width of the flat hole H1 can be, for example, 10 μm to 200 μm. A flat hole having such a depth can be easily formed on the surface of the GaN-based semiconductor using a dry etching technique such as RIE (reactive ion etching) or a wet etching technique. Due to the shape of the flat hole H1, the effect of reflecting the light propagating in the layer direction inside the stacked body toward the surface side of the n-type layer 12-3 having the pad electrode P14 is small.
GaN系LED素子1では、n型層12−3の上方から見たときの、扁平孔H1の形状およびサイズと、パッド電極P14の形状およびサイズを略同一としているが、かかる構成は必須ではない。n型層12−3の上方から見て、扁平孔H1とパッド電極P14に重なった部分があれば、上記の出力改善効果が得られ、重なった部分の面積が大きい程、その効果は大きくなる。従って、好ましい実施形態では、図2(a)に示すように、n型層12−3の上方から見たとき、パッド電極P14が破線で示す扁平孔H1の底面H11の外周線の内側に収まるように構成する。このように構成すると、扁平孔H1の側壁面が傾斜していても、該側壁面で反射されて、n型層12−3の表面に垂直に近い角度で入射する光が、パッド電極P14による遮蔽や吸収を受けるのを防止することもできる。図2(b)に示すように、パッド電極P14が、ボンディングワイヤやろう材などとの接合に主として用いられる本体部P14aと、該本体部から伸びる、電流を面方向に広げるための延長部P14bとから構成されている場合には、本体部14aが扁平孔H1の底面H11の外周線の内側に収まるように構成すればよい。
In the GaN-based
好ましい実施形態では、図3に示すように、扁平孔H1の底面H11をテクスチャ化してもよい。底面H11をテクスチャ化して、発光層12−2から放出される光の波長と同程度以上の凹凸を形成すると、底面H11(n型層12−3と絶縁膜P12との界面)で乱反射が発生するので、多重反射が抑制され、LED素子の発光出力が改善される。LED素子の発光波長が400nmである場合を例にすると、空気中での波長が400nmとなる光は、屈折率約2.5であるGaN系半導体の内部では波長が約160nmであるから、扁平孔H1の底面H11の表面粗度をその半分の80nmよりも大きくすれば、好ましく乱反射を発生させることができる。 In a preferred embodiment, as shown in FIG. 3, the bottom surface H11 of the flat hole H1 may be textured. When the bottom surface H11 is textured to form irregularities that are equal to or greater than the wavelength of the light emitted from the light emitting layer 12-2, irregular reflection occurs at the bottom surface H11 (the interface between the n-type layer 12-3 and the insulating film P12). Thus, multiple reflections are suppressed, and the light emission output of the LED element is improved. Taking the case where the emission wavelength of the LED element is 400 nm as an example, the light having a wavelength of 400 nm in air has a wavelength of about 160 nm inside a GaN-based semiconductor having a refractive index of about 2.5. If the surface roughness of the bottom surface H11 of the hole H1 is larger than half of 80 nm, irregular reflection can be preferably generated.
好ましい実施形態では、図4に示すように、積層体12の導電性基板11側の面に、扁平孔H1に加えて、光反射用凹部R1を形成してもよい。光反射用凹部R1の主な目的は、積層体12の内部を層方向に伝播する光を反射させて、n型層12−3の表面に全反射臨界角よりも小さな角度で入射するように、その進行方向を変化させることである。この目的が好ましく達成されるように、図4の例では、積層体12の積層方向に直交する平面で切断したときの光反射用凹部R1の断面積が、導電性基板11から離れるにつれて減少するように、光反射用凹部R1の側壁面を傾斜させている。この傾斜は30度〜60度とすることが好ましく、約45度(40度〜50度)とすることがより好ましい。特に、ダブルヘテロ構造を構成したLED素子では、前述のように発光層をコアとする板状の導波路構造が形成されることから、このコアを伝播する光を反射させるために、光反射用凹部は少なくとも発光層に達する深さに形成することが好ましく、更に、図4に示す例のように、発光層を超えてn型層に達する深さに形成することがより好ましい。その他、光反射用凹部には、光の乱反射を発生させる効果も期待できる。LED素子の内部に光の乱反射を発生させ得る表面または界面が存在すると、多重反射が抑制されるために、発光出力が改善される。
In a preferred embodiment, as shown in FIG. 4, a light reflecting recess R <b> 1 may be formed on the surface of the laminate 12 on the
光反射用凹部は、線状の凹部(溝)であってもよいし、ドット状の凹部(孔)であってもよい。好ましくは、光反射用凹部は線状の凹部とした方が、GaN系半導体層内を層方向に伝播する光が、光反射用凹部に出会い、反射を受ける確率が高くなる。線状の光反射用凹部とドット状の光反射用凹部の両方を設けることもできる。線状の光反射用凹部は、直線状であってもよいし曲線状であってもよく、折れ曲がっていてもよい。また、線状の光反射用凹部は、環状になっていてもよいし、分岐や交差部を有していてもよい。光反射用凹部は、その内壁面が積層体の端面と連続するように形成してもよい。光反射用凹部を線状とする場合もドット状とする場合も、その断面形状をV字形とすると、光反射用凹部の内壁面に占める、傾斜した側壁面の比率が最も大きくなるので、発光出力の改善効果が高くなる。V字形の断面を有する線状の凹部とは、いわゆるV溝のことである。また、V字形の断面を有するドット状凹部とは、例えば、錐体形(例えば、円錐形、角錐形)の孔のことである。V字形の次に好ましい光反射用凹部の断面形状は、台形である。 The light reflecting recess may be a linear recess (groove) or a dot-like recess (hole). Preferably, if the light reflecting recess is a linear recess, the probability that light propagating in the layer direction in the GaN-based semiconductor layer will encounter the light reflecting recess and receive reflection is increased. Both a linear light reflecting recess and a dot light reflecting recess may be provided. The linear light reflecting recess may be linear, curved, or bent. Further, the linear light reflecting recess may be annular, or may have a branch or an intersection. The light reflecting recess may be formed such that its inner wall surface is continuous with the end face of the laminate. Whether the light reflecting recess is linear or dot-shaped, if the cross-sectional shape is V-shaped, the ratio of the inclined side wall surface occupying the inner wall surface of the light reflecting recess is the largest. The improvement effect of output becomes high. A linear recess having a V-shaped cross section is a so-called V-groove. Moreover, the dot-shaped recessed part which has a V-shaped cross section is a hole of a cone shape (for example, cone shape, a pyramid shape), for example. The cross-sectional shape of the light reflecting recess that is preferred next to the V shape is a trapezoid.
好ましい実施形態では、図5に示すように積層体12の端面を傾斜させてもよい。傾斜は、積層体12の導電性基板11側の面の面積が、その反対側の面(n型層12−3の表面)の面積よりも小さくなるように設ける。それによって、積層体12の内部を層方向に伝播する光を傾斜した端面で反射させて、n型層12−3の表面に全反射臨界角以内の角度で入射させることができる。この傾斜は30度〜60度とすることが好ましく、約45度(40度〜50度)とすることがより好ましい。特に、ダブルヘテロ構造を構成したLED素子では、前述のように発光層をコアとする板状の導波路構造が形成されることから、図5の例のように、発光層の端面を傾斜させることが好ましい。
In a preferred embodiment, the end face of the laminate 12 may be inclined as shown in FIG. The inclination is provided so that the area of the surface of the laminate 12 on the
次に、GaN系LED素子窒化物LED1の製造方法を説明する。
まず、図6(a)に示すように、サファイア基板、SiC基板、GaN基板、Si基板、GaAs基板など、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に適した結晶基板を成長用基板13として準備し、MOVPE法、HVPE法、MBE法などを用いて、その上にn型層12−3、発光層12−2、p型層12−1を順次成長させて積層し、積層体12を形成する。n型層12−3、発光層12−2、p型層12−3の各層は多層構造としてよい。n型層12−3は、その上に成長させる発光層12−2の結晶性が良好となるように、2μm以上の膜厚に形成することが好ましい。また、n型層12−3には、膜厚1μm以上の高キャリア濃度層(キャリア濃度:1×1018cm−3以上)を設けることが好ましい。発光層12−2は井戸層をInGaN、InGaAlNなどで形成した、多重量子井戸構造とすることが好ましい。p型層12−1の最上部は、コンタクト層層P11との接触抵抗が低くなるよう、Mg(マグネシウム)を高濃度(5×1019cm−3以上)にドープしたGaN、AlGaNまたはInGaNで形成することが好ましい。また、n型層12−3およびp型層12−1のうち、発光層12−2に隣接する部分につい
ては、ダブルヘテロ構造が構成されるように、結晶組成を定めることが好ましい。ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)などの、結晶品質の改善効果のある結晶成長法は適宜用いてよい。積層体12内には、歪緩和のための超格子層など、各種の機能層を適宜導入することができる。
Next, a method for manufacturing the GaN-based LED element nitride LED1 will be described.
First, as shown in FIG. 6A, a crystal substrate suitable for epitaxial growth of a nitride semiconductor crystal, such as a sapphire substrate, a SiC substrate, a GaN substrate, a Si substrate, or a GaAs substrate, is prepared as a
次に、図6(b)に示すように、積層体12にエッチングを施して扁平孔H1を形成するとともに、扁平孔H1を形成しないp型層12−1上の領域にコンタクト層P11を形成する。好ましくは、先にコンタクト層P11を形成し、その後で扁平孔H1を形成する。コンタクト層P11は、p型窒化物半導体と低接触抵抗の接合を形成する金属で形成することができる。具体的には、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Au(金)、白金族(Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)などが例示される。コンタクト層P11は、また、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)、酸化亜鉛などの導電性酸化物で形成することができる。コンタクト層P11には、p型窒化物半導体に対するオーミック電極として知られている薄膜が利用可能である。
Next, as shown in FIG. 6B, the
扁平孔H1はRIE(反応性イオンエッチング)などのドライエッチング、あるいはウェットエッチングにより、形成することができる。特に、Cl2、SiCl4、BCl3などの、塩素を含む物質をエッチングガスに用いたRIEが好ましい。ここで、コンタクト層P11を、結晶化を促進した多結晶質の導電性酸化物膜で形成し、その上からRIE処理を行って扁平孔H1を形成すると、扁平孔H1の底面をテクスチャ化することができる。そのような導電性酸化物膜として、例えば、成膜後、500℃、10分間以上の熱処理をしたITO膜が例示される。このITO膜は、表面が粗い凹凸面となるために、不均一なエッチングマスクとして作用し、その結果、扁平孔H1の底面がテクスチャ化されるものと考えられる。加工時間を短縮するために、予め、塩酸、王水などを用いた酸処理によって導電性酸化物膜の膜厚を減少させておいたうえで、その上から、RIE処理を行ってもよい。 The flat hole H1 can be formed by dry etching such as RIE (reactive ion etching) or wet etching. In particular, RIE using a substance containing chlorine, such as Cl 2 , SiCl 4 , and BCl 3, as an etching gas is preferable. Here, when the contact layer P11 is formed of a polycrystalline conductive oxide film that promotes crystallization, and the RIE process is performed thereon to form the flat hole H1, the bottom surface of the flat hole H1 is textured. be able to. As such a conductive oxide film, for example, an ITO film subjected to heat treatment at 500 ° C. for 10 minutes or more after film formation is exemplified. Since the ITO film has a rough surface, the ITO film acts as a non-uniform etching mask, and as a result, the bottom surface of the flat hole H1 is considered to be textured. In order to shorten the processing time, the thickness of the conductive oxide film may be reduced in advance by acid treatment using hydrochloric acid, aqua regia, or the like, and then RIE treatment may be performed.
光反射用凹部を設ける場合には、この段階で、光反射用凹部の形成を行う。光反射用凹部はドライエッチング技術を用いて好ましく形成することができる。 When providing the light reflecting recess, the light reflecting recess is formed at this stage. The light reflecting recess can be preferably formed using a dry etching technique.
次に、図6(c)に示すように、メサ構造の形成を行う。すなわち、ウェハ上において隣接する素子部どうしの間を分離するべく、積層体12に対して、p型層12−1側からエッチングを行い、n型層12−3に達する溝を形成する。好ましくは、この例のように、溝の底部に成長用基板13が露出するようにする。エッチングの方法としては、RIE(反応性イオンエッチング)が好適に用い得る。RIEで用いるエッチングマスクの縁部にテーパを設けることにより、積層体12の端面を傾斜させることができる。その他、断面V字形のブレードを用いた切削加工により積層体12の端面を傾斜させることなどもできる。
Next, as shown in FIG. 6C, a mesa structure is formed. That is, in order to separate the adjacent element portions on the wafer, the
次に、図7(d)に示すように、コンタクト層P11の表面上を除く、積層体12側のウェハ表面を絶縁膜P12で覆う。絶縁膜P12は透光性の材料で形成する。絶縁膜P12は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属フッ化物などの無機材料で形成することが好ましく、具体的な材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、スピネル、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、フッ化マグネシウム、フッ化リチウムなどが例示される。フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどの、屈折率の低い材料で絶縁膜P12を形成すると、積層体12と絶縁膜P12の界面の光反射性を良好にすることができる。絶縁膜P12は多層膜とすることもできる。好ましくは、絶縁膜P12をプラズマCVD法を用いて形成すると、積層体12の端面の被覆を確実に行うことができる。
Next, as shown in FIG. 7D, the wafer surface on the
次に、図7(e)に示すように、積層体12側のウェハ表面の全体を覆うように、薄膜金属層P13を形成する。薄膜金属層P13は、後の工程で導電性基板11を電気メッキで形成するために設ける、メッキ下地層である。薄膜金属層P13は、導電性基板11を無電解メッキで形成する場合にも、形成することが好ましい。薄膜金属層P13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。導電積基板11を、蒸着、スパッタリング、CVDのような乾式メッキで形成する場合には、薄膜金属層P13の形成は必須ではないが、そのような場合においても、導電性基板11を構成する金属と、コンタクト層P11との間で、好ましくない相互作用(合金化反応など)が発生しないようにするためのバリア層として、薄膜金属層P13を形成することができる。好ましい実施形態では、コンタクト層P11を透光性となるように形成したうえ、コンタクト層P11および絶縁膜P12と、薄膜金属層P13との間に、高反射膜として機能する、Al、Ag、白金族、Niなどからなる、銀白色の外観を呈する金属層を挿入する。
Next, as shown in FIG. 7E, a thin film metal layer P13 is formed so as to cover the entire wafer surface on the
次に、図7(f)に示すように、導電性基板11を形成する。導電性基板11は、好ましくは、電気メッキまたは無電解メッキにより、薄膜金属層P13上に金属層を堆積して形成する。無電解メッキを用いる場合には、成長用基板13側のウェハ表面にポリイミド層などをコーティングしておく。導電性基板11を電気メッキで形成する場合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。
Next, as shown in FIG. 7F, a
次に、図8(g)に示すように、成長用基板13を除去する。成長用基板13の除去には、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、結晶基板とその上にエピタキシャル成長したGaN系半導体結晶層とを分離するための公知の方法を、任意に用いてよい。
Next, as shown in FIG. 8G, the
成長用基板13の除去後、図8(h)に示すように、露出したn型層12−3の表面に、扁平孔H1と向かい合うように、パッド電極P14を形成する。n型層12−3の内部に高キャリア濃度層を設けた場合には、エッチングなどの方法により該高キャリア濃度層を露出させたうえで、その表面上にパッド電極P14を形成する。n型層12−3の表面に導電性酸化物膜を形成し、その上にパッド電極P14を形成してもよい。パッド電極P14をn型層12−3の表面に直接形成する場合には、接触抵抗が低くなるように、n型層と接する部分を、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、W(タングステン)、V(バナジウム)などの単体、または、これらから選ばれる1種以上の金属を含む合金を用いて形成することが望ましい。パッド電極P14をn型層12−3上に形成した導電性酸化物膜の上に形成する場合には、パッド電極P14の材料は特に限定されないが、好ましくは、導電性酸化物膜に接する部分を、白金族(Rh、Pt、Pd、Ir、Ru、Os)、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Ag(銀)、Al(アルミニウム)などを用いて形成する。パッド電極P14には、表層として、Ag(銀)、Au(金)、Sn(錫)、In(インジウム)、Bi(ビスマス)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)などからなる層を設けることが好ましい。パッド電極P14の膜厚は、例えば、0.2μm〜10μmとすることができ、好ましくは、0.5μm〜2μmである。
After the
パッド電極P14の形成後、パッド電極上の領域を除くウェハ表面に絶縁保護膜を形成することが好ましい。最後に、公知のダイシング法を用いてウェハを切断することにより、チップ状のLED素子(ダイス)を得ることができる。 After the formation of the pad electrode P14, an insulating protective film is preferably formed on the wafer surface excluding the region on the pad electrode. Finally, a chip-like LED element (die) can be obtained by cutting the wafer using a known dicing method.
GaN系LED素子1の製造方法については、以上に説明した他に、特許文献1などを参照することができる。
In addition to the above-described method for manufacturing the GaN-based
(実施形態2)
図9に、本発明の実施形態2に係るGaN系LED素子の断面図を示す。この図に示すGaN系LED素子2では、半導体からなる導電性基板21の上に、複数のGaN系半導体層からなる積層体22が形成されている。導電性基板21と積層体22との接合は直接的ウェハボンディング(Direct Wafer Bonding)により行われている。積層体22は、導電性基板21側から順に、p型層22−1、発光層22−2、n型層22−3を有している。積層体22の導電性基板21側の面には、底面を有する扁平孔H2が、n型層22−3に達する深さに形成されている。n型層22−3上には、扁平孔H2に向かい合うようにして、負側のパッド電極P24が形成されている。導電性基板21の裏面には正側のパッド電極P25が形成されている。導電性基板21を構成する半導体は、直接的ウェハボンディングにより窒化物半導体と接合し得るものであればよい。好ましくは、導電性基板21を構成する半導体は、発光層22−2で生じる光を強く吸収しないように、発光層22−2のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体とする。発光層22−2の発光波長が400nm以上の場合、導電性基板21を構成する半導体として、ZnO(酸化亜鉛)が好ましく例示される。
(Embodiment 2)
FIG. 9 shows a cross-sectional view of a GaN-based LED element according to
GaN系LED素子2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MOCVD法により、n型層22−3、発光層22−2、p型層22−1を順次成長させて、サファイア基板上に積層体22が積層されたLEDウェハを形成する。このとき、p型層22−1の表面の5×5μm2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。
In order to manufacture the GaN-based
次に、LEDウェハの積層体22にエッチングを施して扁平孔H2を形成する。
Next, the
次に、半導体からなる導電性基板21を、直接的ウェハボンディングの方法により、積層体22の表面に接合する。導電性基板21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5×5μm2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ウェハの積層体22にZnO基板を接合させることができる。
Next, the
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22−3の表面に、扁平孔H2と向かい合うように、負側のパッド電極P24を形成するとともに、導電性基板21の裏面に正側のパッド電極P25を形成する。その後、公知のダイシング法を用いてウェハを切断することにより、チップ状の素子(ダイス)を得ることができる。
After the wafer bonding, the sapphire substrate used as the growth substrate is removed by using methods such as laser lift-off, wet etching, dry etching, grinding, and polishing. After removing the sapphire substrate, a negative pad electrode P24 is formed on the exposed surface of the n-type layer 22-3 so as to face the flat hole H2, and a positive pad electrode P25 is formed on the back surface of the
この実施形態2においても、図10に示すように、扁平孔H2の底面H21をテクスチャ化することができる。また、積層体22の導電性基板21側の面に、扁平孔H2に加えて光反射用凹部R2を形成することができる。また、積層体22の導電性基板21側の面の面積が、反対側の面の面積よりも小さくなるように、積層体22の端面の少なくとも一部を傾斜させることができる。
Also in this
GaN系LED素子2を基板、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などの実装基材に固定して発光装置を構成する場合、GaN系LED素子2導電性基板側21側の面が実装基材の表面を向くように固定することができる。導電性基板21が透光性を有している場合には、n型層22−3の表面が実装基材の表面を向くように固定することも可能である。
When the GaN-based
(その他の実施形態)
本発明の一実施形態に係るGaN系LEDは、導電性基板と、複数のGaN系半導体層からなる積層体とが、導電ペースト、ろう材(ハンダ、共晶合金を含む)などの導電性接着剤を用いて接合されたものであってもよい。
(Other embodiments)
In a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention, a conductive substrate and a laminate composed of a plurality of GaN-based semiconductor layers are bonded to each other by a conductive paste, brazing material (including solder, eutectic alloy), or the like. What was joined using the agent may be used.
本発明は、本明細書に明示的に記載され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。 The present invention is not limited to the embodiments explicitly described in the present specification, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
1、2 GaN系LED素子
11、21 導電性基板
12、22 積層体
H1、H2 扁平孔
P14、P24 パッド電極
1, 2 GaN-based
Claims (10)
前記n型層の上にはパッド電極が形成されており、
前記積層体の前記導電性基板側の面には、前記パッド電極と向かい合うようにして、底面を有する扁平孔が、少なくとも前記発光層に達する深さに形成されている、
ことを特徴とするGaN系LED素子。 A conductive substrate, and a laminate composed of a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the conductive substrate, and the laminate includes an n-type disposed at a position farthest from the conductive substrate. A GaN-based layer comprising: a layer; a light-emitting layer disposed between the n-type layer and the conductive substrate; and a p-type layer disposed so as to sandwich the light-emitting layer between the n-type layer In the LED element,
A pad electrode is formed on the n-type layer,
A flat hole having a bottom surface is formed at a depth reaching at least the light emitting layer on the surface of the laminate on the conductive substrate side so as to face the pad electrode.
A GaN-based LED element characterized by the above.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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RD05 | Notification of revocation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425 Effective date: 20090710 |