JP2008244073A

JP2008244073A - ＧａＮ系ＬＥＤ素子

Info

Publication number: JP2008244073A
Application number: JP2007081356A
Authority: JP
Inventors: Seichin Kin; 成珍金; Koichi Taniguchi; 浩一谷口; Teruhisa Nakai; 輝久中井; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Hiromitsu Kudo; 広光工藤
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】照明用途に好適に用いることのできる、発光出力に優れたＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供すること。
【解決手段】上面１１０ａ、下面１１０ｂおよび側面１１０ｃを有する透光性基板１１０の上面１１０ａ側に、ＧａＮ系半導体結晶からなり発光ダイオード構造を備え透光性基板１１０よりも高い屈折率を有する半導体膜１２０が積層された、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００において、透光性基板１１０の側面１１０ｃ−２が、透光性基板１１０の上面１１０ａに隣接する斜面１１０ｃ−２１を有しており、半導体膜１２０が透光性基板１１０の上面１１０上から斜面１１０ｃ−２１上にかけて形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体を用いて発光ダイオード構造を構成してなる、ＧａＮ系ＬＥＤ素子に関する。

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。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等の用途で実用化されている。

図９（ａ）に、特許文献１に記載された従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面図を示す。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子３００は、サファイアからなる透光性基板３１０の上面３１０ａ側に、ＧａＮ系半導体結晶からなる半導体膜３２０が積層された構造を有している。半導体膜３２０には、発光層３２２を挟んでｎ型層３２１とｐ型層３２３が積層されてなる発光ダイオード構造が含まれている。透光性基板３１０の側面３１０ｃは、その一部に、当該基板の上面３１０ａに隣接する斜面３１０ｄを備えており、この斜面３１０ｄと半導体膜３２０の側面（傾斜している）とが、連続したひとつの面をなしている。この面上に、ｎ型層３２１に接するように負電極３３０が形成されている。半導体膜３２０上（ｐ型層３２３の表面上）には正電極３４０が形成されている。

サファイア基板上にＧａＮ系半導体結晶からなる半導体膜を形成してなるＬＥＤ素子中には、サファイアの屈折率がＧａＮ系半導体結晶のそれよりも低いために、半導体膜をコアとする板状の導波路構造が形成される。そして、半導体膜中の発光層から放出される光の多くの部分は、この導波路構造に閉じ込められる。すなわち、導波路構造のコア中を伝播する伝播光となる。ＬＥＤ素子３００は、この伝播光を効率よくＬＥＤ素子の外部に取り出すことを目的として発明されたものであり、図９（ｂ）に示すように、伝播光が半導体膜３２０の傾斜した側面上に設けられた負電極３３０によって透光性基板３１０側に向けて反射され、透光性基板３１０の下面３１０ｂに全反射臨界角よりも小さい角度で入射するように構成されている。
特開２００４−１１９９９６号公報

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、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を照明用途において実用化するには、更なる高出力化が必要といわれている。本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、その主たる目的は、照明用途に好適に用いることのできる、発光出力に優れたＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供することにある。

本発明によれば、上記課題を解決するために、次の特徴を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子が提供される。
（１）上面、下面および側面を有する透光性基板の上面側に、ＧａＮ系半導体結晶からなり発光ダイオード構造を備え前記透光性基板よりも高い屈折率を有する半導体膜が積層された、ＧａＮ系ＬＥＤ素子において、前記透光性基板の少なくともひとつの側面が、当該透光性基板の上面に隣接する斜面を有しており、前記半導体膜が前記透光性基板の上面上から前記斜面上にかけて形成されている、ことを特徴とするＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（２）前記半導体膜の表面には前記斜面に沿って段が形成されている、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（３）前記半導体膜を構成するＧａＮ系半導体結晶が、前記透光性基板の上面上においてＣ軸配向しており、前記斜面が該Ｃ軸配向したＧａＮ系半導体結晶のＡ軸に平行である、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（４）前記斜面の傾斜が７０度未満である、前記（３）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（５）前記透光性基板がサファイアＣ面基板であり、前記斜面がサファイアのＭ軸に平行である、前記（３）または（４）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（６）前記斜面の傾斜が約６０度である、前記（５）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。

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。

本発明の好適な実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子は、上面、下面および側面を有する透光性基板の上面側に、ＧａＮ系半導体結晶からなり発光ダイオード構造を備え前記透光性基板よりも高い屈折率を有する半導体膜が積層された、ＧａＮ系ＬＥＤ素子であって、前記透光性基板の少なくともひとつの側面が、当該透光性基板の上面に隣接する斜面を有しており、前記半導体膜が前記透光性基板の上面上から前記斜面上にかけて形成されている、という特徴的な構成を有する。このように構成されたＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造例を図１および図２に示す。図１（ａ）はＬＥＤ素子を半導体膜が形成された側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、このＬＥＤ素子の、図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図であり、図２は、このＬＥＤ素子の、図１（ａ）のＹ−Ｙ線の位置における断面図である。

図１（ｂ）および図２に断面図を示すように、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、サファイアからなる透光性基板１１０の上面１１０ａ側に、ＧａＮ系半導体結晶からなる半導体膜１２０が積層された構造を有している。半導体膜１２０には、発光層１２２を挟んでｎ型層１２１とｐ型層１２３が積層されてなる発光ダイオード構造が含まれている。図３は、透光性基板１１０のみを抜き出して描いた斜視図であるが、透光性基板１１０は２種類の側面１１０−ｃ１、１１０−ｃ２を有しており、そのうち側面１１０−ｃ２の方が、当該基板の上面１１０ａに隣接する斜面１１０−ｃ２１を備えている。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００において、半導体膜１２０は、その殆どが透光性基板の上面１１０ａ上を覆っているが、その一部に、この斜面１１０ｃ−２１上を覆う部分１２０ａを有している。換言すれば、半導体膜１２０は、基板１１０の上面１１０ａから斜面１１０ｃ−２１上にかけて形成されているということができる。また、半導体膜１２０の表面には、斜面１１０ｃ−２１に沿って段１２０ｂが形成されている。負電極１３０は、従来より知られているＧａＮ系ＬＥＤと同様に、半導体膜１２０の一部をエッチングによって除去することにより露出したｎ型層１２１の表面上に形成されている。正電極１４０は、半導体層１２０の表面のうち、段１２０ｂの上側の面上に形成されている。正電極１４０は、ｐ型層１２３上に拡がるように形成された拡散電極１４１と、該拡散電極１４１上の一部に形成されたパッド電極１４２とから構成されている。

ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００が従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子よりも高い発光出力を示す理由について、本発明者等は次のように考えている。即ち、このＬＥＤ素子１００では、透光性基板の上面１１０ａ側に積層された半導体膜１２０の一部が、あたかも、基板の下面１１０ｂ側に向かって曲げられたかのような形状となっているが、そのために、図４（ａ）に示すように、半導体膜１２０中に閉じ込められた伝播光の一部が、この曲げられた部分（図２では１２０ａ）に集まる傾向があり、そして、その先端からＬＥＤ素子の外部に放出され易くなっているものと、本発明者等は推定している。

ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、また、１１０ｃ−２１に沿って、半導体膜１２０の表面に段１２０ｂが形成されているが、この段は、図４（ｂ）に示すように、半導体膜１２０中に閉じ込められた伝播光の一部を散乱させて、伝播光の伝播状態を不安定化させる働きを有すると推定される。伝播状態が不安定化すると、伝播光の導波路構造の外部への漏れ出し、すなわち、ＬＥＤ素子の外部への脱出が起こり易くなる。

次に、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の製造方法について説明する。
（基板の加工）
ウェハサイズのサファイアＣ面基板２１０を準備し、その上面２１０ａに、図５に示すように、斜面２１０ｃ−２１を側壁面とする溝Ｔを、サファイアのＭ軸方向に平行に形成する。なお、図５〜図８では、サファイアのＭ軸方向が紙面に垂直な方向となっている。斜面２１０ｃ−２１は、ＬＥＤ素子１００における斜面１１０ｃ−２１となる。後の工程で、溝Ｔの位置にてウェハを切断することから、溝Ｔの中心間隔Ｌは、作製しようとするＬＥＤ素子の、サファイアのＡ軸方向の幅に合わせて設定する。溝Ｔの深さＤは、例えば、１μｍ〜１００μｍとすることができるが、好ましくは２μｍ〜４０μｍであり、より好ましくは４μｍ〜２０μｍである。溝Ｔが浅過ぎると、ＬＥＤ素子における光取出し効率の改善効果が小さくなる傾向があり、溝Ｔが深過ぎると、１枚の基板上に形成できる素子の数が少なくなるため、ＬＥＤ素子の製造効率が低下する。斜面２１０ｃ−２１の傾斜Ｓは、７０度未満であることが好ましく、より好ましくは６０度以下である。傾斜Ｓが７０度以上では、斜面２１０ｃ−２１上にＧａＮ系半導体結晶が成長し難くなるために、所望の構造を得ることが難しくなる。溝Ｔの断面形状はＶ字形に限定されるものではなく、逆台形などであってもよいが、最も好ましいのはＶ字形である。断面Ｖ字形の溝は、後の工程でウェハを切断する際に、スクライブ溝に代えて用いることができる（割れの起点とすることができる）という利点がある。また、１枚の基板上に形成する素子の数をできるだけ多くする目的にとっても、溝Ｔの断面形状をＶ字形とするのが最も有利である。

溝Ｔの形成方法に限定はないが、ウェットエッチングは同一の断面形状を有する溝を再現性よく形成することができること、また、大量生産に適していることから、最も好ましい方法である。その他、プラズマエッチング、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング、Ｖ字形等の断面を有するダイシングソーを用いた切削加工などの方法も、好ましく用いることができる。ウェットエッチングで用いることのできるエッチング剤としては、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸などが挙げられる。エッチング液は、加熱して用いることが好ましい。特に好ましいエッチング剤としては、リン酸、硫酸またはこれらの混合物が挙げられ、その場合、酸化ケイ素からなるエッチングマスクを好ましく用いることができる。リン酸と硫酸を体積比１：３〜５：１（リン酸：硫酸）で混合したエッチング液を用いることにより、側壁面の傾斜Ｓが約６０度の、サファイアのＭ軸に平行な、断面Ｖ字形の溝を、簡便に形成することができる。この６０度という角度は、ＬＥＤ素子の光取出し効率の改善のうえで好適な角度であるとともに、一枚の基板上に形成する素子の数をできるだけ多くするという観点でも、好ましい角度である。更に、側壁面の傾斜Ｓが６０度のＶ溝は、ウェハを切断する工程において、スクライブ溝の代用として好適に用いることができる。

ＧａＮ系半導体結晶が成長する際に、転位欠陥の低減に有用なラテラル成長が生じるように、サファイア基板の上面２１０ａに酸化ケイ素などからなるマスクを部分的に形成したり、あるいは、溝Ｔよりも浅い凹部を形成して該上面１１０ａの表面を凹凸面にするといったことは、適宜行ってよい。

（半導体膜の形成）
次に、上面２１０ａに溝Ｔを形成したサファイア基板２１０の、該上面側に、周知のＭＯＶＰＥ技術を用いてＧａＮ系半導体結晶からなる半導体膜２２０を成長させる。その場合、まず、定法に従い、水素雰囲気中でのサーマルエッチングにより基板表面のクリーニングを行う。次に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどからなる低温成長バッファ層の形成を行う。次に、ｎ型層を形成するために、キャリアガスに水素を用いて、Ｓｉを添加したＧａＮ結晶を成長させる。このとき、サファイアのＭ軸に平行に形成した溝Ｔによって、ＧａＮ結晶のＭ軸方向の成長（サファイアのＡ軸に平行な方向の成長）が抑制されるために、図６に示すように、基板の上面２１０ａ上には、溝Ｔに面する傾斜した側面（ファセット面）Ｆを有する半導体膜２２０−１が形成される。

ＧａＮ結晶の成長を続けると、やがて、図７に示すように、溝Ｔの側壁面である斜面２１０ｃ−２１上にも半導体膜２２０−２が形成される。サファイア基板の上面２１０ａ上における半導体膜２２０−１の厚さが２μｍ程度となったところで、その表面の平坦性を高くするために成長温度を上げると、斜面２１０ｃ−２１上に形成された半導体膜は、溝Ｔの底および半導体膜２２０−１の側面Ｆ上に向かって成長し始め、やがて、２つの半導体膜２２０−１、２２０−２がつながって、図８に示す断面形状を呈す半導体膜２２０が形成される。ただし、半導体膜２２０−１を構成する結晶と、半導体膜２２０−２を構成する結晶は、異なる方位を有することから、融合してひとつの結晶となることはない。基板の上面２１０ａ上におけるＳｉドープＧａＮ結晶膜の厚さが約５μｍとなったら、ＩｎＧａＮ結晶を成長させて発光層を形成する。発光層はＭＱＷ構造とすることが好ましい。続いて、発光層の上に、Ｍｇを添加したＧａＮ系半導体結晶を成長させて、ｐ型層を形成する。ｐ型層は、ＡｌＧａＮ結晶からなるｐ型クラッド層の上に、ＧａＮ結晶からなるｐ型コンタクト層を積層した、２層構造とする。ＭＯＶＰＥ法による半導体膜２２０の形成が完了した後、必要に応じて、ｐ型層に添加したＭｇの活性化を促進するために、半導体膜２２０に対してアニーリング処理、電子線照射処理などを施すことができる。

（電極の形成、ウェハの分断）
半導体膜２２０上への正電極の形成、ドライエッチングによるｎ型層の部分的な露出、露出させたｎ型層の表面上への負電極の形成は、この分野における周知の方法を用いて行うことができる。正電極に含まれる拡散電極は、光反射性の電極としてもよいし、透光性の電極としてもよい。光反射性の電極には、発光層から放出される光が到達し得る部分（例えば、半導体膜と接する部分）に、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈなどを用いて形成した高反射膜を設けることが好ましい。光反射性の電極は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛などの酸化物半導体を用いて形成した透光性電極の上に、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈなどを用いて形成した高反射膜を積層して構成することもできる。拡散電極を光反射性の電極とする場合には、パッド電極を設けないで、拡散電極の表面をボンディングに用いるようにしてもよい。換言すると、拡散電極にオーミック電極とボンディング用の電極を兼用させてもよい。一方、拡散電極を透光性の電極とする場合は、ＩＴＯなどの酸化物半導体を用いて形成することが好ましい。電極形成が完了したら、負電極およびパッド電極の表面を除く、ウェハの半導体膜側の表面を、透光性の絶縁保護膜で被覆することが好ましい。

負電極および正電極の形成後、サファイア基板２１０の下面に研削加工および／または研磨加工を施して、その厚さを２００μｍ以下、より好ましくは１５０μｍ以下に減じる。そのうえで、ウェハを切断し、チップ状のＬＥＤ素子１００を得る。このとき、溝Ｔをスクライブ溝に代えて用いることができる。即ち、ウェハに外力を加えることによって、ウェハを該溝Ｔの位置で割ることができる。他の方向の切断に関しては、スクライビング、ダイシング、レーザ加工など、この分野で周知の方法を用いて行うことができる。

得られたＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、ＳＭＤ（表面実装）型ＬＥＤパッケージ、砲弾型ランプ、ＬＥＤ素子が直接ユニット基板に実装されるチップオンボード（ＣＯＢ）型ユニットなど、各種の発光装置に用いることができる。ＬＥＤ素子は、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上に直接固定してもよいし、サブマウントを介して固定してもよい。その際、ＬＥＤ素子１００は、半導体膜１２０側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、実装基材の素子載置面上に固定してもよいし、反対に、基板１１０側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、固定してもよい。後者のようにＬＥＤ素子を固定する実装形態は、フリップチップ実装、フェースダウン実装などと呼ばれる。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の好ましい実装形態は、フリップチップ実装である。特に、拡散電極１４１を透光性電極としたうえで、フリップチップ実装することが好ましい。

以上、具体的な実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではない。

本発明のＧａＮ系ＬＥＤ素子において、透光性基板はサファイア基板に限定されるものではない。上記の実施形態において、サファイア基板を、スピネル、酸化ガリウム、酸化亜鉛、ＬＧＯ、ＮＧＯ、ＬＡＯなどからなる基板に置き換えた場合にも、同様の効果が得られる。好ましい実施形態では、ＬＥＤ素子の光取出し効率を高めるために、透光性基板の下面を加工して凹凸面とすることができる。本発明のＧａＮ系ＬＥＤ素子の製造に用いるＧａＮ系半導体結晶の成長方法に限定はなく、ＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）、ＭＢＥ法（分子ビームエピタキシー法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）、その他、公知の気相エピタキシャル成長法を適宜用いることができる。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子を、半導体膜が形成された側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の、図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の、図１（ａ）のＹ−Ｙ線の位置における断面図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子に含まれる透光性基板のみを抜き出して描いた斜視図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子において、発光出力が改善されるメカニズム（推定）を説明するための断面図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の製造工程を説明するための断面図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の製造工程を説明するための断面図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の製造工程を説明するための断面図である。図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の製造工程を説明するための断面図である。図９（ａ）は、従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子において光取出し効率が改善されるメカニズムを説明するための断面図である。

符号の説明

１００、３００ＧａＮ系ＬＥＤ素子
１１０、３１０透光性基板
１２０、３２０半導体膜
１３０、３３０負電極
１４０、３４０正電極

Claims

上面、下面および側面を有する透光性基板の上面側に、ＧａＮ系半導体結晶からなり発光ダイオード構造を備え前記透光性基板よりも高い屈折率を有する半導体膜が積層された、ＧａＮ系ＬＥＤ素子において、
前記透光性基板の少なくともひとつの側面が、当該透光性基板の上面に隣接する斜面を有しており、
前記半導体膜が前記透光性基板の上面上から前記斜面上にかけて形成されている、
ことを特徴とするＧａＮ系ＬＥＤ素子。
前記半導体膜の表面には前記斜面に沿って段が形成されている、請求項１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
前記半導体膜を構成するＧａＮ系半導体結晶が、前記透光性基板の上面上においてＣ軸配向しており、前記斜面が該Ｃ軸配向したＧａＮ系半導体結晶のＡ軸に平行である、請求項１または２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
前記斜面の傾斜が７０度未満である、請求項３に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
前記透光性基板がサファイアＣ面基板であり、前記斜面がサファイアのＭ軸に平行である、請求項３または４に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
前記斜面の傾斜が約６０度である、請求項５に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。