JP2010153581A - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法、ランプ - Google Patents

半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法、ランプ Download PDF

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Abstract

【課題】電極の接合性に優れている半導体発光素子、その製造方法およびランプを提供する。
【解決手段】基板101と、積層半導体層20と、積層半導体層20の上面106cに形成された一方の電極111と、積層半導体層20の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面104c上に形成された他方の電極108とを具備する半導体発光素子であって、一方の電極111が、底面に積層半導体層20の上面106cの露出された穴部を有する透明電極109と、穴部の底面上および内壁上に形成された接合層110と、接合層110を覆うように形成されたボンディングパッド電極120とを備える半導体発光素子1とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法、ランプに関するものであり、特に、電極の接合性に優れているとともに光取り出し性に優れた半導体発光素子及びその製造方法、これを備えたランプに関するものである。
近年、短波長光発光素子用の半導体材料として、GaN系化合物半導体が注目を集めている。一般に、GaN系化合物半導体は、サファイア単結晶や種々の酸化物、III−V族化合物などからなる基板上に、有機金属気相化学反応法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)等の薄膜形成手段を用いて形成される。
GaN系化合物半導体からなる薄膜は、薄膜の面内方向への電流拡散が小さいという特性がある。さらに、p型のGaN系化合物半導体は、n型のGaN系化合物半導体に比べて抵抗率が高いという特性がある。そのため、p型のGaN系化合物半導体の表面に金属からなるp型電極を積層しただけでは、p型半導体層の面内方向への電流の広がりがほとんど無い。したがって、例えば、GaN系化合物半導体を用いた半導体発光素子として、n型半導体層、発光層、p型半導体層からなるLED構造を有する積層半導体層を形成し、最上部のp型半導体層上にp型電極を形成した場合、発光層のうちp型電極の直下に位置する部分に配置された発光層しか発光しない。
p型電極の直下で発生した発光を半導体発光素子の外部に取り出す方法としては、p型電極として透明なものを用い、p型電極の直下で発生した光をp型電極に透過させて半導体発光素子の外部に光を取り出す方法が挙げられる。透明なp型電極としては、ITO等の金属酸化物を用いる方法や、数10nm程度の金属薄膜を用いる方法が知られている。例えば、特許文献1には、数10nm程度の金属薄膜を用いる方法が開示されている。しかし、ITO等の金属酸化物からなる透明電極や、数10nm程度の金属薄膜からなるオーミック電極は、電極自体の強度が低いという問題があった。
また、電極自体の強度を向上させるために、ITO等の金属酸化物からなる透明電極や、数10nm程度の金属薄膜からなるp型電極上に、ある程度の厚みを有する金属材料からなるボンディングパッド電極を配置したものがある。しかし、ボンディングパッド電極は、透明ではなく光を遮るものであるため、半導体発光素子の外部に光を取り出せないという問題があった。
この問題を解消するために、例えば、特許文献2には、Ag、Al等の反射膜からなるボンディングパッド電極をp型電極上に積層する方法が開示されている。ボンディングパッド電極を反射膜からなるものとすることにより、p型電極を透過した光をボンディングパッド電極によって発光素子内に反射させて、ボンディングパッド電極の形成領域以外の箇所から光を外部に取り出すことができるものとなる。
特許第2803742号公報 特開2006−66903号公報
しかしながら、ITO等の金属酸化物からなる透明電極上に、Ag、Al等の反射膜からなるボンディングパッド電極を設けた場合、ボンディングパッド電極にボンディングワイヤを接合する時の引張応力によって、透明電極からボンディングパッド電極が剥がれてしまう場合があった。そして、透明電極からボンディングパッド電極が剥離することにより、これを用いたランプを製造する場合における歩留まりを低下させてしまう場合があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、電極の接合性に優れている半導体発光素子、およびその製造方法、これを用いた光取り出し性に優れ、歩留まりよく製造できるランプを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
(1)基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子であって、前記一方の電極が、底面に前記積層半導体層の上面の露出された穴部を有する透明電極と、前記穴部の底面上および内壁上に形成された接合層と、前記接合層を覆うように形成されたボンディングパッド電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。
(2)前記積層半導体層と前記接合層との接合抵抗率が、前記透明電極と前記接合層との接合抵抗率よりも大きいことを特徴とする(1)に記載の半導体発光素子。
(3)前記接合層が、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re、Rh、Ir、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなるものであり、最大厚みが10Å以上400Å以下の範囲の薄膜であることを特徴とする(1)または(2)に記載の半導体発光素子。
(4)前記ボンディングパッド電極が、Au、Alまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなるボンディング層を含むことを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(5)前記ボンディングパッド電極が、前記接合層を覆うように形成された金属反射層と、前記金属反射層を覆うように形成されたボンディング層とからなり、前記金属反射層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Tiのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものであることを特徴とする(4)に記載の半導体発光素子。
(6)前記透明電極が、In、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ce、Sn、Niのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透明な導電性材料から構成されることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(7)前記積層半導体層が、窒化ガリウム系半導体を主体として構成されていることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(8)前記積層半導体層が、前記基板側からn型半導体層、発光層、p型半導体層の順に積層されてなり、前記発光層が多重量子井戸構造であることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(9)(1)〜(8)のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、前記半導体発光素子が配置されるとともに前記半導体発光素子の一方の電極とワイヤボンディングされる第1フレームと、前記半導体発光素子の他方の電極とワイヤボンディングされる第2フレームと、前記半導体発光素子を取り囲んで形成されるモールドと、を備えたことを特徴とするランプ。
(10)基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子の製造方法であって、前記一方の電極を製造する工程が、前記積層半導体層の上面に透明電極を形成する工程と、前記透明電極に、底面に前記積層半導体層の上面の露出された穴部を形成する工程と、前記穴部の底面上および内壁上に接合層を形成する工程と、前記接合層を覆うようにボンディングパッド電極を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
(11)(9)に記載のランプが組み込まれている電子機器。
(12)(11)に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
本発明の半導体発光素子は、前記一方の電極が、底面に前記積層半導体層の上面の露出された穴部を有する透明電極と、前記穴部の底面上および内壁上に形成された接合層と、前記接合層を覆うように形成されたボンディングパッド電極とを備えているものであるので、透明電極の穴部内に接合層が埋め込まれるように形成されることにより透明電極および積層半導体層と接合層との高い接合力が得られることと、ボンディングパッド電極が接合層を覆うように形成されていることによりボンディングパッド電極と接合層との高い接合力が得られることとによって、透明電極および積層半導体層とボンディングパッド電極との十分に高い接合力が得られ、優れた接合性を有する一方の電極を備えたものとなる。
また、本発明のランプは、優れた接合性を有する電極を備えた本発明の半導体発光素子を備えたものであるので、歩留まりよく製造できる優れたものとなる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、一方の電極を製造する工程が、積層半導体層の上面に透明電極を形成する工程と、前記透明電極に、底面に前記積層半導体層の上面の露出された穴部を形成する工程と、前記穴部の底面上および内壁上に接合層を形成する工程と、前記接合層を覆うようにボンディングパッド電極を形成する工程とを備えているので、接合性に優れた一方の電極を有する本発明の半導体発光素子を容易に製造できる。
以下、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面に図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体発光素子等の寸法関係とは異なっている場合がある。
(実施形態1:半導体発光素子)
図1〜図4は、本発明の半導体発光素子の一例を示した図であって、図1は半導体発光素子の断面模式図であり、図2は図1に示す半導体発光素子の平面模式図であり、図3は図1に示す半導体発光素子を構成する積層半導体層の拡大断面模式図であり、図4は図1に示す半導体発光素子を構成するp型電極の拡大断面模式図である。
本実施形態の半導体発光素子1は、図1に示すように、基板101と、基板101上に形成された積層半導体層20と、積層半導体層20の上面106cに形成されたp型電極111(一方の電極)と、積層半導体層20の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面104c上に形成されたn型電極108(他方の電極)とを備えている。
図1に示すように、積層半導体層20は、基板101側から、n型半導体層104、発光層105、p型半導体層106がこの順に積層されているものである。そして、本実施形態の半導体発光素子1では、p型電極111とn型電極108との間に電圧を印加して電流を通じることで、発光層105から発光が得られる構成とされている。また、本実施形態の半導体発光素子1は、p型電極111の形成された側から光を取り出すフェイスアップマウント型の発光素子である。
<基板>
基板101としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、c面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
なお、上記基板の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こす酸化物基板や金属基板等を用いた場合、アンモニアを使用せずにバッファ層102を成膜することができ好ましい。
<積層半導体層>
本実施形態の半導体発光素子1の積層半導体層20は、III族窒化物半導体からなるものであり、図1に示すように、基板101上に、バッファ層102、下地層103、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層がこの順で積層されてなるものである。n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層は、図3に示すように、それぞれ複数の半導体層から構成されている。
<バッファ層>
バッファ層102は、基板101と下地層103との格子定数の違いを緩和し、基板101の(0001)C面上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。なお、本発明においては、バッファ層102を形成することが好ましいが、バッファ層102がなくても良い。
バッファ層102の厚みは、例えば、0.01〜0.5μmのものとすることができる。バッファ層102の厚みが0.01μm未満であると、バッファ層102による基板101と下地層103との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層102の厚みが0.5μmを超えると、バッファ層102としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層102の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
バッファ層102は、III族窒化物半導体からなるものであり、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるものや、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるものであることが好ましい。バッファ層102をなすIII族窒化物半導体の結晶は、多結晶構造を有するものであってもよいし、単結晶構造を有するものであってもよい。III族窒化物半導体の結晶は、成長条件を制御することにより、上方向だけでなく、面内方向にも成長して単結晶構造を形成する。このため、バッファ層102の成膜条件を制御することにより、単結晶構造のIII族窒化物半導体の結晶からなるバッファ層102とすることができる。このような単結晶構造を有するバッファ層102を基板101上に成膜した場合、バッファ層102のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたIII族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
また、バッファ層102は、III族窒化物半導体からなる六方晶系の結晶構造を持つものであってもよい。また、バッファ層102をなすIII族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
また、バッファ層102は、MOCVD法で形成することができるが、スパッタ法により形成してもよい。バッファ層102をスパッタ法によりした場合、バッファ層102の形成時における基板101の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板101を用いた場合でも、基板101にダメージを与えることなく基板101上への各層の成膜が可能となり、好ましい。
<下地層>
バッファ層102の上に単結晶の下地層103を積層すると、より一層結晶性の良い下地層103が積層できる。下地層103としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)が挙げられるが、AlxGa1−xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層103を形成できるため好ましい。
下地層103の膜厚は0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1−xN層が得られやすい。
下地層103の結晶性を良くするためには、下地層103は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、p型あるいはn型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
<n型半導体層>
図3に示すように、n型半導体層104は、nコンタクト層104aとnクラッド層104bとから構成されるのが好ましい。なお、nコンタクト層104aはnクラッド層104bを兼ねることも可能である。
nコンタクト層104aは、n型電極108を設けるための層である。nコンタクト層104aとしては、AlxGa1−xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
また、nコンタクト層104aには、n型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1020/cm、好ましくは1×1018〜1×1019/cmの濃度で含有すると、n型電極108との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
nコンタクト層104aの膜厚は、0.5〜5μmとされることが好ましく、1〜3μmの範囲に設定することがより好ましい。nコンタクト層104aの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
nクラッド層104bは、発光層105へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。nクラッド層104bは、AlGaN、GaN、GaInNなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。nクラッド層104bをGaInNで形成する場合には、発光層105のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
nクラッド層104bの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.005〜0.5μmであり、より好ましくは0.005〜0.1μmである。nクラッド層104bのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cmが好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cmである。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
なお、nクラッド層104bが、超格子構造を含む層である場合には、100オングストローム以下の膜厚を有するIII族窒化物半導体からなるn側第1層と、該n側第1層と組成が異なるとともに100オングストローム以下の膜厚を有するIII族窒化物半導体からなるn側第2層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、nクラッド層104bは、n側第1層とn側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよい。また、好ましくは、前記n側第1層又はn側第2層の何れかが、活性層(発光層105)に接する構成とすれば良い。
n側第1層及びn側第2層は、例えばAlを含むAlGaN系(単にAlGaNと記載することがある)、Inを含むGaInN系(単にGaInNと記載することがある)、GaNの組成とすることができる。また、n側第1層及びn側第2層は、GaInN/GaNの交互構造、AlGaN/GaNの交互構造、GaInN/AlGaNの交互構造、組成の異なるGaInN/GaInNの交互構造(ここでの「組成の異なる」との説明は、各元素組成比が異なることを指す。以下同様である。)、組成の異なるAlGaN/AlGaNの交互構造であってもよい。
n側第1層及びn側第2層の超格子層は、それぞれ60オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ40オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ10オンストローム〜40オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するn側第1層とn側第2層の膜厚が100オングストロームを超えると、結晶欠陥が入りやすくなり好ましくない。
また、n側第1層及びn側第2層は、それぞれドープした構造であってもよく、ドープ構造/未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、nクラッド層104bとして、GaInN/GaNの交互構造又は組成の異なるGaInN/GaInNの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてSiが好適である。なお、上記の超格子構造を構成するn側第1層及びn側第2層は、組成が同じで、ドーピングを適宜ON、OFFしながら作製されたものであってもよい。
<発光層>
発光層105は、図3に示すように、多重量子井戸構造を有している。図3に示す発光層105の多重量子井戸構造では、Ga1−yInyN(0<y<0.4)を井戸層105bとし、井戸層105bよりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1−zN(0≦z<0.3)を障壁層105aとしている。井戸層105bおよび障壁層105aには、不純物がドープされていてもよいし、されていなくてもよい。井戸層105bの膜厚は、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば1〜10nmとすることができ、発光出力の点で好ましくは2〜6nmとされる。なお、発光層105は、多重量子井戸構造であってもよいが、単一量子井戸構造であってもよい。
<p型半導体層>
図3に示すように、p型半導体層106は、pクラッド層106aとpコンタクト層106bとから構成されている。なお、pコンタクト層106bがpクラッド層106aを兼ねることも可能である。
pクラッド層106aは、発光層105へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。pクラッド層106aとしては、発光層105のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層105へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AlxGa1−xN(0<x≦0.4)のものが挙げられる。pクラッド層106aが、このようなAlGaNからなると、発光層105へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
pクラッド層106aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
また、pクラッド層106aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cmが好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cmである。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
また、pクラッド層106aは、超格子構造を含む層であってもよい。pクラッド層106aを、超格子構造を含む層とする場合には、100オングストローム以下の膜厚を有するIII族窒化物半導体からなるp側第1層と、該p側第1層と組成が異なるとともに100オングストローム以下の膜厚を有するIII族窒化物半導体からなるp側第2層とが積層された構造を含むものとすることができ、p側第1層とp側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
p側第1層及びp側第2層は、それぞれ異なる組成、例えば、AlGaN、GaInN又はGaNの内の何れの組成であっても良い、また、GaInN/GaNの交互構造、AlGaN/GaNの交互構造、又はGaInN/AlGaNの交互構造であっても良い。 本発明においては、p側第1層及びp側第2層は、AlGaN/AlGaN又はAlGaN/GaNの交互構造であることが好ましい。
上記p側第1層及びp側第2層の超格子層は、それぞれ60オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ40オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ10オングストローム〜40オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するp側第1層とp側第2層の膜厚が100オングストローム超だと、結晶欠陥等を多く含む層となり、好ましくない。
上記p側第1層及びp側第2層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造/未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを何ら制限無く適用できる。例えば、pクラッド層として、AlGaN/GaNの交互構造又は組成の異なるAlGaN/AlGaNの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてMgが好適である。また、上述のような超格子構造を構成するp側第1層及びp側第2層は、組成が同じで、ドーピングを適宜ON、OFFしながら作製されたものであってもよい。
pコンタクト層106bは、正極であるp型電極111を設けるための層である。pコンタクト層106bは、AlxGa1−xN(0≦x≦0.4)からなるものであることが好ましい。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびp型電極111との良好なオーミック接触の点で好ましい。
pコンタクト層106bは、p型不純物(ドーパント)を1×1018〜1×1021/cmの濃度、好ましくは5×1019〜5×1020/cmの濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgが挙げられる。
pコンタクト層106bの膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmが好ましく、より好ましくは0.05〜0.2μmである。pコンタクト層106bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
<p型電極>
p型電極111は、図4に示すように、透明電極109と、接合層110と、ボンディングパッド電極120とを備えている。
図4に示すように、透明電極109には、底面109bに積層半導体層20の上面106cの露出された穴部109aが設けられている。また、図1に示すように、透明電極109の上面109cにおける穴部109aの形成されていない領域には、透明電極109を覆うように透明保護膜10aが形成されている。言い換えると、穴部109aの形成されている領域は、透明保護膜10aの一部が開口されてなる開口部10dとされている。そして、開口部10dから露出された穴部109aの底面109b上および内壁109d上には、穴部109aおよび開口部10dを覆うように接合層110が形成されている。
また、本実施形態の半導体発光素子1においては、積層半導体層20と接合層110との接合抵抗率が、透明電極109と接合層110との接合抵抗率よりも大きいものとされている。このことにより、透明電極109と接合層110とがオーミック接触され、接合層110と積層半導体層20の上面106cとがオーミック接触されない場合もある。この場合、本実施形態の半導体発光素子1においては、透明電極109の穴部109aの内壁109dの近傍に位置する発光層105に十分な量の電流が供給され、穴部109aの内壁109dの近傍に位置する発光層105において強い発光が得られ、穴部109aの内壁109dから外側に向かって放射状に発光層105からの発光が弱くなる発光分布が形成される。また、本実施形態の半導体発光素子1においては、平面視で透明電極109の穴部109aの内側に位置する発光層105に供給される電流の量がわずかとなり、平面視で透明電極109の穴部109aの内側に位置する発光層105からの発光が小さくなる場合もある。
また、接合層110上には接合層110を覆うように、ボンディングパッド電極120が形成されている。図4に示すように、接合層110の外縁部およびボンディングパッド電極120(金属反射層117およびボンディング層119)の外縁部は、透明保護膜10a上に配置されている。また、ボンディングパッド電極120は、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに備えている。また、本実施形態の半導体発光素子1においては、図4に示すように、ボンディングパッド電極120の外縁部が、縁部保護膜10bに覆われている。
「透明電極」
透明電極109は、図1に示すように、p型半導体層106の上面106cに設けられており、図4に示すように、底面109bに積層半導体層20の上面106cの露出された穴部109aを有している。透明電極109の穴部109aの平面形状は、円形状、多角形状など任意の形状とすることができ、特に限定されないが、ボンディング作業のしやすいものとするために、図2に示すように、円形状であることが好ましい。
また、透明電極109は、図2に示すように、平面視したときに、p型半導体層106の上面106cのほぼ全面を覆うように形成されているが、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
また、透明電極109の穴部109aは、p型半導体層106の上面106c上のどこに形成してもよい。例えば、n型電極108から最も遠い位置に形成してもよいし、半導体発光素子1の中心に形成してもよい。しかし、あまりにもn型電極108に近接した位置に形成すると、穴部109a上に形成されるボンディングパッド電極120にワイヤをボンディングした際に、ワイヤ間、ボール間のショートを生じてしまうため好ましくない。
透明電極109は、p型半導体層106との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透明電極109は、発光層105からの光をp型電極111の形成された側に効率よく取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。さらにまた、透明電極109は、p型半導体層106の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
以上のことから、透明電極109を構成する材料としては、In、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ce、Sn、Niのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透明な導電性材料を用いることが好ましい。
また、導電性の酸化物としては、ITO(酸化インジウム錫(In−SnO))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In−ZnO))、AZO(酸化アルミニウム亜鉛(ZnO−Al))、GZO(酸化ガリウム亜鉛(ZnO−Ga))、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等を用いることが好ましい。
透明電極109は、結晶化された構造のものを使用することが、接合層110との接着性や透光性の点において好ましい。特に六方晶構造又はビックスバイト構造を有するIn結晶を含む透明電極(例えば、ITOやIZO等)を好ましく使用することができる。
透明電極109が、結晶化されたIZOからなるものである場合、ビックスバイト結晶構造のIn結晶を含むIZOであってもよいし、六方晶構造のIn結晶を含むIZOであってもよい。特に、六方晶構造のIn結晶を含むIZOがよい。結晶化したIZO膜は、アモルファス状態のIZO膜に比べて、接合層110やp型半導体層106との密着性が良いため、非常に好ましい。
また、IZO膜としては、比抵抗が最も低くなる組成を使用することが好ましい。例えば、IZO中のZnO濃度は1〜20質量%であることが好ましく、5〜15質量%の範囲であることが更に好ましい。10質量%であると特に好ましい。
また、IZO膜の膜厚は、低比抵抗、高光透過率を得ることができる35nm〜10000nm(10μm)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、IZO膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
「接合層」
接合層110は、積層半導体層20および透明電極109に対するボンディングパッド電極120の接合強度を高めるために、積層半導体層20および透明電極109とボンディングパッド電極120との間に積層される。
図4に示すように、接合層110は、透明電極109の穴部109a内および透明保護膜10aの開口部10d内に、埋め込まれるように形成されている。本実施形態においては、接合層110が、穴部109aの底面109b(積層半導体層20の上面106c)上および内壁109d上と透明保護膜10aの端部10cとを覆うように連続して形成されていることにより、積層半導体層20および透明電極109と接合層110との高い接合力が得られるようになっている。
また、接合層110の厚みは、穴部109a内および透明保護膜10aの開口部10dの内壁面上では略均一とされている。そして、開口部10dの外側では、接合層110の厚みは、外側に向けて膜厚が漸次薄くなっており、接合層110の外周部110dには、傾斜面110cが形成されている。
また、接合層110は、透光性を有していることが好ましい。接合層110が透光性を有しているものである場合、ボンディングパッド電極120に照射される発光層105からの光を損失なく透過させることができる。より詳細には、接合層110が透光性を有している場合、発光層105からの発光の一部は、透明電極109及び接合層110を透過して、接合層110とボンディングパッド電極120との界面においてボンディングパッド電極120(本実施形態においては金属反射層117)によって反射されるものとなる。ボンディングパッド電極120によって反射された光は、再度、積層半導体層20の内部に導入されて、透過と反射を繰り返した後に、ボンディングパッド電極120の形成領域以外の箇所から半導体発光素子1の外部に取り出される。したがって、接合層110が透光性を有しているものである場合、発光層105からの光をより一層効率よく半導体発光素子1の外部に取り出すことができる。
接合層110は、積層半導体層20との接合抵抗率が、透明電極109との接合抵抗率よりも大きくなる材料からなるものである。具体的には、接合層110は、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re、Rh、Ir、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなるものであることが好ましい。例えば、透明電極109をIZOからなるものとし、積層半導体層20の上面106cをp−GaN(Mgドーピング)からなるpコンタクト層106b とし、接合層110を上記の材料からなるものとすることにより、接合層110と積層半導体層20との接合抵抗率が、接合層110と透明電極109との接合抵抗率よりも大きいものとなり、しかも積層半導体層20および透明電極109に対するボンディングパッド電極120の接合強度および透光性に優れたものとなる。
また、接合層110は、Cr、Ti、W、Mo、Zr、Hf、Co、Rh、Ir、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなるものであることがより好ましく、Cr、Ti、W、Mo、Rh、Co、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなるものであることがさらに好ましい。特に、接合層110の材料として、Cr、Ti、Mo、Ni、Co等の金属を用いることにより、積層半導体層20および透明電極109に対するボンディングパッド電極120の接合強度を格段に高めることができる。
また、接合層110の材料としては、例えば、透明電極109がIZOやITO等の金属酸化物等からなり、ボンディングパッド電極120がAg、Al等からなる場合には、金属酸化物に対してもAg、Alに対しても優れた接合性が得られるCrを用いることが特に好ましい。
また、接合層110は、最大厚みが10Å以上400Å以下の範囲の薄膜であることが好ましい。接合層110の最大厚みを上記範囲とすることにより、発光層105からの光を遮ることなく効果的に透過させることができる優れた透光性を有するものとすることができる。なお、上記の最大厚みが10Å未満になると、接合層110の強度が低下し、これにより積層半導体層20および透明電極109に対するボンディングパッド電極120の接合強度が低下するので好ましくない。
「ボンディングパッド電極」
ボンディングパッド電極120は、金属反射層117とボンディング層119とが、透明電極109側から順に積層された積層体からなる。なお、ボンディングパッド電極120は、ボンディング層119のみからなる単層構造や金属反射層117のみからなる単層構造であってもよいし、金属反射層117とボンディング層119との間にバリア層を挿入して、三層構造としたものであってもよい。なお、接合層110、金属反射層117、ボンディング層119、バリヤ層を構成する金属元素においては、同一の金属元素を含んでいてもよいし、それぞれ異なる金属元素の組み合わせであってもよい。
本実施形態において、ボンディングパッド電極120の反射率は、金属反射層117を構成する材料によって大きく変わるが、反射率60%以上であることが望ましく、反射率80%以上であることがより望ましく、反射率90%以上であればなお良い。反射率は、分光光度計等で比較的容易に測定することが可能である。しかし、ボンディングパッド電極120そのものは面積が小さいために反射率を測定することは難しい。そこで、例えばボンディングパッド電極を形成するチャンバ内に、透明なガラス製の面積の大きい「ダミー基板」を入れ、ボンディングパッド電極を形成すると同時に、ダミー基板上に同じボンディングパッド電極を作成し、ダミー基板上に形成されたボンディングパッド電極の反射率を測定するなどの方法を用いて測定することができる。
ボンディングパッド電極120の面積は、大きいほどボンディング作業を容易に行うことができるため好ましい。しかし、平面視でボンディングパッド電極120と重なり合う発光層105は、ボンディングパッド電極120から供給される電流の量がわずかとなり、発光層105における発光量がわずかとなる部分である。したがって、ボンディングパッド電極120の面積が大きいと、発光層105からの発光量が不十分となる恐れがある。具体的に例えば、ボンディングパッド電極120の面積が透明電極109上の面積の半分を超える場合、平面視でボンディングパッド電極120と重なり合う発光層105の発光量が少ないため、出力が著しく低下する。逆に、ボンディングパッド電極120の面積が小さすぎると、ボンディング作業がしにくくなり、製品の歩留まりが低下する。したがって、ボンディングパッド電極120の面積は、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度の大きさであることが好ましく、具体的には、上面の直径が100μm程度であって、透明保護膜10a側に近づくほど直径の大きくなる略円柱状の形状であることが好ましい。
<金属反射層>
金属反射層117は接合層110を覆うように形成されている。金属反射層117の外周部には、外側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面117cが形成されている。したがって、金属反射層117は、接合層110の傾斜面110cの透明保護膜10a側の最先端部、すなわち接合層110を平面視したときの輪郭線を形づくる境界部上を完全に覆うように形成されている。つまり、金属反射層117は、平面視したときに接合層110を覆って、更に接合層110の外側にまで張り出すように形成されており、接合層110のいかなる部分も金属反射層117の下から露出しないようにされている。
図1に示す金属反射層117は、反射率の高い金属からなるものであり、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の白金族金属、Al、Ag、Tiおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成されることが好ましい。金属反射層117を上記の材料からなるものとすることにより、発光層105からの光を効果的に反射させることができる。上記の材料の中でも、Al、Ag、Ptおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金は、入手のし易さ、取り扱いの容易さなどの点で優れている。また、Rh、Pd、Ir、Ptおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金は、光の反射性の点から金属反射層117として好適に使用される。
また、金属反射層117は、接合層110よりも最大膜厚が厚くなるように形成されることが好ましい。金属反射層117を接合層110よりも最大膜厚の厚いものとすることで、金属反射層117によって、より確実にかつ完全に接合層110が覆われたものとなる。
また、金属反射層117は、最大厚さが20〜3000nmであることが望ましい。金属反射層117の厚みが上記範囲よりも薄いと、充分に反射の効果が得らない場合がある。また、金属反射層117の厚みが上記範囲よりも厚い場合、特に利点は生じず、工程時間の長時間化と材料の無駄を生じるのみである。金属反射層117の厚みは、更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
<ボンディング層>
ボンディング層119は、金属反射層117を覆うように形成されている。また、ボンディング層119の外周部(すなわちボンディングパッド電極120の外周部120d)には、外側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面119cが形成されている。したがって、ボンディング層119は、金属反射層117の傾斜面117cの透明保護膜10a側の最先端部、すなわち金属反射層117を平面視したときの輪郭線を形づくる境界部上を完全に覆うように形成されている。つまり、ボンディング層119は、平面視したときに金属反射層117を覆って、更に金属反射層117の外側にまで張り出すように形成されており、金属反射層117のいかなる部分もボンディング層119の下から露出しないようにされている。
図1に示すボンディング層119は、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金からなることが好ましい。AuおよびAlはボンディングボールとして使用されることが多い金ボールとの密着性の良い金属であるので、ボンディング層119として、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金を用いることにより、ボンディングワイヤとの密着性に優れたボンディング層119とすることができる。中でも、特に望ましいのはAuである。
また、ボンディング層119の最大厚みは、接合層110および金属反射層117に比較して、厚くなるように形成することが好ましい。ボンディング層119を接合層110および金属反射層117に比較して最大膜厚の厚いものとすることで、ボンディング層119によって、より確実にかつ完全に金属反射層117が覆われたものとなる。
また、ボンディング層119の最大厚みは、50nm以上2000nm以下の範囲のであることが好ましく、更に望ましくは100nm以上1500nm以下である。ボンディング層119の最大厚みが薄すぎるとボンディングボールとの密着性が不十分となる場合がある。また、ボンディング層119の最大厚みを上記範囲よりも厚くしても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。
<バリア層>
バリア層は、金属反射層117とボンディング層119との間に配置され、ボンディングパッド電極120全体の強度を強化するものである。バリア層は、比較的強固な金属材料からなるものとされるか、または、充分に厚い膜厚を有するものとされる。バリア層の材料としては、Ti、CrまたはAlなどを用いることできるが、強度に優れたTiを用いることが望ましい。また、バリア層の最大厚さは20〜3000nmであることが望ましい。バリア層の厚みが薄すぎると充分な強度強化の効果が得られない場合がある。また、バリア層の厚みが厚すぎても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。バリア層の厚みは、更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
なお、金属反射層117が、機械的に強固なものである場合には、敢えてバリア層を形成する必要はない。例えば、金属反射層117がAlまたはPtからなるものである場合には、バリア層は必ずしも必要ではない。
「透明保護膜」
透明保護膜10aは、透明電極109および接合層110を保護するものである。透明保護膜10aは、図1および図2に示すように、透明電極109の上面109cにおける穴部109aの形成されていない領域を覆うように形成されており、穴部109aの形成されている領域が開口部10dとされている。本実施形態においては、図4に示すように、接合層110が開口部10dの内壁面に接して形成されているとともに、接合層110の外縁部が透明保護膜10a上に接して配置されており、透明保護膜10aによって、接合層110の透明保護膜10aに接している部分における空気または水分の接触が防止されている。
また、本実施形態においては、図4に示すように、ボンディングパッド電極120を構成する金属反射層117およびボンディング層119の外縁部が、透明保護膜10a上に接して配置されており、透明保護膜10aとボンディングパッド電極120とによって、積層半導体層20および透明電極109に接していない接合層110の外面全面を取り囲んでおり、接合層110と空気または水分との接触が効果的に防止されている。
透明保護膜10aは、透明で、透明電極109、接合層110、ボンディングパッド電極120の各層との密着性に優れた材料からなるものとされることが好ましく、具体的にはSiOからなるものとされることが好ましい。
透明保護膜10aの厚みは、20〜500nmとすることが好ましく50〜300nmとすることがより好ましい。透明保護膜10aの厚みが上記範囲未満であると、透明電極109および接合層110を保護する効果が十分に得られない恐れがある。また、透明保護膜10aの厚みが上記範囲を超えると、透明性が低下して、光の取り出し性に支障を来たす場合がある。また、透明保護膜10aの厚みが上記範囲を超えると、開口部10dの深さと穴部109aの深さとを合わせた深さが深くなり、穴部109aや開口部10dの内壁面と接合層110との密着性に支障を来たす恐れが生じる。
「縁部保護膜」
縁部保護膜10bは、接合層110と空気または水分との接触を防止するとともに、半導体発光素子1からのボンディングパッド電極120の剥離を防止してボンディングパッド電極120の接合力を向上させるものである。縁部保護膜10bは、図1および図2に示すように、平面視したときにボンディングパッド電極120の中央部を露出させる略ドーナッツ状の形状とされている。また、縁部保護膜10bは、図2および図4に示すように、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分に跨って配置されており、ボンディングパッド電極120の外縁部を覆っている。したがって、本実施形態においては、図4に示すように、ボンディングパッド電極120の外縁部は、透明保護膜10aと縁部保護膜10bとの間に挟みこまれている。
縁部保護膜10bは、ボンディングパッド電極120と透明保護膜10aとの境界部分を中心として面積を広くするほど、縁部保護膜10bを設けることによる効果が大きくなる。しかし、縁部保護膜10bの面積を大きくすると、縁部保護膜10bから露出されるボンディングパッド電極120の面積が小さくなって、ボンディング作業の作業性に支障をきたす恐れや、縁部保護膜10bがボンディングパッド電極120の形成されていない領域の透明度を低下させて、光の取り出し性に支障を来たす恐れがある。したがって、縁部保護膜10bは、ボンディングパッド電極120と透明保護膜10aとの境界部分を完全に覆い、かつ、ボンディングパッド電極120の頂部を完全に露出するものであることが好ましい。具体的には、縁部保護膜10bは、ボンディングパッド電極120と縁部保護膜10bとの境界部分を中心として5〜10μmの幅を有するものであることが好ましい。
縁部保護膜10bは、透明で、透明保護膜10aおよびボンディングパッド電極120との密着性に優れた材料からなるものとされることが好ましく、透明保護膜10aと同じ材料で形成されることがより好ましい。具体的には、透明保護膜10aおよび縁部保護膜10bをSiOからなるものすることができる。縁部保護膜10bと透明保護膜10aとが同じ材料で形成されている場合、縁部保護膜10bと透明保護膜10aとの密着性が非常に良好なものとなるので、縁部保護膜10bを設けることによる効果をより一層向上させることができる。
<n型電極>
n型電極108は、図1に示すように、n型半導体層104の露出面104cに形成されている。n型半導体層104の露出面104cは、エッチング等の手段によって発光層105およびp半導体層106の一部を切り欠き除去して形成されたものである。
n型電極108は、図2に示すように、平面視したときに、円形状とされているが、このような形状に限定されるわけではなく、多角形状など任意の形状とすることができる。また、n型電極108はボンディングパットを兼ねており、ボンディングワイヤを接続することができる構成とされている。なお、n型電極108としては、周知の各種組成や構造を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
(半導体発光素子の製造方法)
次に、本発明の半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、図1に示す半導体発光素子1の製造方法である。
図1に示す半導体発光素子1を製造するには、まず、基板101上に積層半導体層20を形成する。積層半導体層20は、MOCVD法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、MOCVD法よりも優れた結晶性を有するものが得られる。
「積層半導体層の形成」
本実施形態において積層半導体層20を形成するには、まず、サファイア基板等の基板101を用意し、基板101の前処理を施す。基板101の前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板101を配置し、バッファ層102を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板101をArやNのプラズマ中に曝す事によって上面を洗浄する前処理を行なってもよい。ArガスやNガスなどのプラズマを基板101に作用させることで、基板101の上面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。
次に、基板101の上面に、スパッタ法によって、バッファ層102を積層する。スパッタ法によって、単結晶構造を有するバッファ層102を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が50%〜100%、望ましくは75%となるようにすることが望ましい。
また、スパッタ法によって、柱状結晶(多結晶)有するバッファ層102を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が1%〜50%、望ましくは25%となるようにすることが望ましい。なお、バッファ層102は、上述したスパッタ法だけでなく、MOCVD法で形成することもできる。
バッファ層102を形成した後、バッファ層102の形成された基板101の上面に、単結晶の下地層103を形成する。下地層103は、スパッタ法を用いて成膜することが望ましい。スパッタ法を用いる場合には、MOCVD法やMBE法等と比較して、装置を簡便な構成とすることが可能となる。下地層103をスパッタ法で成膜する際には、窒素等のV族原料をリアクタ内に流通させるリアクティブスパッタ法によって成膜する方法とすることが好ましい。
下地層103の形成後、nコンタクト層104a及びnクラッド層104bを積層してn型半導体層104を形成する。nコンタクト層104a及びnクラッド層104bは、スパッタ法で形成してもよく、MOCVD法で形成してもよい。
次に、発光層105を形成する。発光層105の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法を用いてもよいが、特にMOCVD法を用いることが好ましい。具体的には、障壁層105aと井戸層105bとを交互に繰り返して積層し、且つ、n型半導体層104側及びp型半導体層106側に障壁層105aが配される順で積層すればよい。
また、p型半導体層106の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法でもよく、pクラッド層106aとpコンタクト層106bとを順次積層すればよい。
「電極の形成」
このようにして積層半導体層20の形成を形成した後、n型電極108とp型電極111とを形成する。
<n型電極形成工程>
まず、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングし、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層104aの一部を露出させる。次に、スパッタ法などにより、nコンタクト層104aの露出面104cにn型電極108を形成する。
<p型電極形成工程>
次に、図5を用いて、p型電極111を製造する工程について説明する。図5は、p型電極を製造する工程を説明するための工程図であり、p型電極111の製造される領域の一部のみを拡大して示した拡大断面図である。
図5(a)に示すように、本実施形態のp型電極111を製造するには、まず、積層半導体層20のp型半導体層106上に透明電極109を形成する。透明電極109は、n型電極108の形成されたnコンタクト層104aの露出面104cなど、透明電極109の形成される領域以外の領域を覆うマスクを形成した後、p型半導体層106上にスパッタ法などの公知の方法を用いて形成し、その後、マスクを除去する方法などにより形成される。なお、透明電極109は、n型電極108を形成した後に形成してもよいが、n型電極108を形成するための積層半導体層20のエッチングの前に形成してもよい。
次に、図5(a)に示すように、透明電極109の上面109cに透明保護膜10aを形成し、透明保護膜10a上にレジスト21を塗布して乾燥させる。
次に、ボンディングパッド電極120を形成する部分に対応する部分のレジスト21を除去することによって、透明保護膜10aの形成された透明電極109の上面109cに、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部23aを備えた図5(b)に示す逆テーパー型のマスク23を形成する。逆テーパー型のマスク23を形成する方法としては、n型フォトレジストを用いる方法やイメージ反転型フォトレジストを用いる方法などが挙げられる。本実施形態では、図6を用い、イメージ反転型フォトレジストを用いて図5(b)に示すマスクを形成する方法を説明する。図6は、図5(b)に示すマスクの製造工程を説明するための工程図であり、1つのp型電極111の形成される領域のみを示した拡大断面図である。
本実施形態では、レジスト21として、イメージ反転型フォトレジストである不溶性のレジストを用いる。イメージ反転型フォトレジストとしては、例えば、AZ5200NJ(製品名:AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)などが用いられる。
次に、図6(a)に示すように、レジスト21上方の所定の位置をカバーするようにマスク25を配置し、図6(a)において矢印で示すように、マスク25側からレジスト21側へ所定の強さ及び波長の光を照射する。このことにより、光が照射された部分のレジスト21を光反応させて、可溶部22とする。この光反応は光の強さに応じて進行するので、光照射面側では光反応の進行が早く、透明電極109側では光反応の進行が遅くなる。そのため、図6(a)に示すように、可溶部22は、断面視したときに、側面が下方に向かうほど内側に後退した逆テーパー形状(逆傾斜形状)となるように形成される。また、マスク25でカバーされた部分のレジスト21は、不溶性のレジスト(不溶部)21として残され、断面視したときに側面が上方に向かうほど内側に後退したテーパー形状(傾斜形状)となるように形成される。
次に、ホットプレートやオーブンなどの加熱装置を用いて、加熱することにより、図6(b)に示すように、可溶部22を熱反応させて、架橋高分子からなる硬化部(マスク)23とする。
その後、図6(c)に示すように、マスクを用いずに、不溶性のレジスト21および架橋高分子からなる硬化部(マスク)23の表面側に所定の強さ及び波長の光を照射することにより、図6(a)を用いて説明した光反応により可溶部22に変換されなかった不溶性のレジスト21を光反応させて、可溶部22とする。
最後に、所定の現像液を用いて、図6(c)に示す可溶部22を溶解除去することにより、図6(d)に示すように、側面が下方に向かうほど内側に後退した開口部23aを有する逆テーパー形状(逆傾斜形状)の架橋高分子からなるマスク23が得られる。
続いて、図5(b)に示すマスク23の開口部23aから露出する透明保護膜10aを、透明電極109の上面109cに垂直な方向からRIE(反応性イオンエッチング)することにより除去して、図5(c)に示すように、開口部10dを形成し、開口部10dから透明電極109の上面109cを露出させる。RIE(反応性イオンエッチング)は、直進性が高く、回り込みが少ないエッチング方法であるので、エッチング方向(図5においては上方)から見てマスク23の影となる領域の透明保護膜10aは、ほとんどエッチング除去されず、図5(c)に示すように、透明保護膜10aの端部10cが残される。
次に、図5(c)に示すように、透明保護膜10aの開口部10dから露出する透明電極109をエッチングすることにより、透明電極109に穴部109aを形成する。穴部109aを形成することにより、透明電極109から現れた穴部109aの内壁109dは、透明電極109の上面109cと比較して、接合層110との密着性に優れている。
ここでエッチングされる透明電極109が、例えば、アモルファス状態のIZO膜である場合、エッチング性に優れ、容易に特定形状の穴部109aを形成することができる。アモルファス状態のIZO膜は、周知のエッチング液(例えば、ITO−07Nエッチング液(関東化学社製))を用いて容易に精度良くエッチングすることが可能である。また、アモルファス状態のIZO膜のエッチングは、ドライエッチング装置を用いて行なっても良い。このときのエッチングガスとしては、Cl、SiCl、BCl等を用いることができる。
また、アモルファス状態のIZO膜は、熱処理を行なうことにより、六方晶構造のIn結晶を含むIZO膜や、ビックスバイト構造のIn結晶を含むIZO膜にすることが好ましい。熱処理等によりアモルファス状態から上記の結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのIZO膜よりも接合層110との密着性および透光性の優れた透明電極109とすることができる。しかし、六方晶構造のIn結晶を含むIZO膜はエッチングし難いものであるので、上述のエッチング処理の後に熱処理することが好ましい。
アモルファス状態のIZO膜を結晶化させる場合、成膜条件や熱処理条件などが異なるとIZO膜中の結晶構造が異なる。IZO膜を結晶化させるための熱処理は、Oを含まない雰囲気で行なうことが望ましく、Oを含まない雰囲気としては、N雰囲気などの不活性ガス雰囲気や、またはNなどの不活性ガスとHの混合ガス雰囲気などを挙げることができ、N雰囲気、またはNとHの混合ガス雰囲気とすることが望ましい。なお、IZO膜の熱処理をN雰囲気、またはNとHの混合ガス雰囲気中で行なうと、例えば、IZO膜を六方晶構造のIn結晶を含む膜に結晶化させるとともに、IZO膜のシート抵抗を効果的に減少させることが可能である。
また、IZO膜を結晶化させるための熱処理温度は、500℃〜1000℃が好ましい。500℃未満の温度で熱処理を行なった場合、IZO膜を十分に結晶化できない恐れが生じ、IZO膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。また、1000℃を超える温度で熱処理を行なった場合には、IZO膜は結晶化されているが、IZO膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。また、1000℃を超える温度で熱処理を行なった場合、IZO膜の下にある半導体層を劣化させる恐れもある。
次に、図5(d)に示すように、スパッタ法により、穴部109aの底面109b上および内壁109d上を覆うように接合層110を形成する。このとき、スパッタ条件を制御したスパッタ法を用いることにより、接合層110のカバレッジ性を高くすることができる。これにより、接合層110は、穴部109aの底面109b上および内壁109d上の全面と、透明保護膜10aの開口部10dの内壁面上の全面と、透明保護膜10aの端部10cの一部とを覆うように形成され、接合層110の外周部110dに、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面110cが形成される。
なお、接合層110を形成する前には、接合層110の形成される穴部109aの底面109b(積層半導体層20の上面106c)や内壁109dの表面を洗浄する前処理を施しても良い。ここでの洗浄の方法としてはプラズマなどに曝すドライプロセスによる方法や、薬液に接触させるウェットプロセスによる方法などが挙げられるが、工程の簡便さの観点よりドライプロセスによる方法を用いることが望ましい。
次に、スパッタ法により、金属反射層117を形成する。このとき、接合層110の形成の場合と同様に、スパッタ条件を制御したスパッタ法を用いる。このことにより、金属反射層117のカバレッジ性を高くすることができ、接合層110を覆い、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面117cを外周部に有する金属反射層117が形成される。
次に、スパッタ法により、ボンディング層119を形成する。このとき、スパッタ条件を制御したスパッタ法を用いる。このことにより、ボンディング層119のカバレッジ性を高くすることができ、マスク23の開口部23aの内壁形状に沿って外周部の形状が形成され、金属反射層117を覆い、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有するボンディング層119(ボンディングパッド電極120)が形成される。
その後、レジスト剥離液に浸漬することにより、架橋高分子からなるマスク23を剥離する。これにより、図5(e)に示すように、金属反射層117とボンディング層119とからなるボンディングパッド電極120が形成される。
本実施形態においては、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部23aを備えたマスク23を形成し、接合層110、金属反射層117およびボンディング層119をカバレッジ性の高いスパッタ法により形成するので、スパッタ方向から見てマスク23の影となる領域では、接合層110、金属反射層117およびボンディング層119を構成する各層の膜厚に応じて傾斜角度の異なる層が形成される。これにより、接合層110、金属反射層117およびボンディング層119の外周部にそれぞれ、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面110c、117c、119cが形成される。
次に、従来から公知の方法を用いて、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部を露出させる略ドーナッツ状の形状であって、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分に跨ってボンディングパッド電極120の外縁部を覆う縁部保護膜10bを形成する。
ここで、本実施形態においては、ボンディングパッド電極120が、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cが外周部120dに形成されているものであるので、縁部保護膜10bがボンディングパッド電極120の傾斜面119cに容易に均一な厚みで形成されるものとなる。このことにより、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分上に、縁部保護膜10bの形成されない部分が生じることが防止され、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分に跨る縁部保護膜10bを、均一な膜厚で容易に密着させて形成できる。
このようにして、図1〜図3に示すp型電極111を備える半導体発光素子1が形成される。
本実施形態の半導体発光素子1においては、p型電極111が、底面109bに積層半導体層20の上面106cの露出された穴部109aを有する透明電極109と、穴部109の底面109b上および内壁109d上に形成された接合層110と、接合層110を覆うように形成されたボンディングパッド電極120とを備え、積層半導体層20と接合層110との接合抵抗率が、透明電極109と接合層110との接合抵抗率よりも大きいものであるので、ボンディングパッド電極120からの電流が、接合層110を介して主に透明電極109の穴部109aの内壁109dから透明電極109の面内方向に拡散して積層半導体層20の上面に供給されるものとなり、積層半導体層20に供給される電流のうち、透明電極109を介して供給される量が、積層半導体層20に接する接合層110から直接供給される量と比較して多いものとなる。
したがって、本実施形態の半導体発光素子1においては、平面視で透明電極109の穴部109aの内側に位置する発光層105に供給される電流の量がわずかとなり、平面視で透明電極109の穴部109bの内側に位置する発光層105からの発光はわずかとなる。その結果、透明電極109の穴部109aの底面109b上および内壁109d上に形成された接合層110を覆うボンディングパッド電極120が、透光性がなく光を遮るものであったとしても、発光層105で発光した光のうち、ボンディングパッド電極120に遮られて半導体発光素子1の外部に取り出せない光の割合が非常に少ないものとなり、光取り出し効率が高く光取り出し性に優れたものとなる。
しかも、本実施形態の半導体発光素子1においては、透明電極109の穴部109aの底面109b(積層半導体層20の上面106c)上および内壁109d上に接合層110が形成されており、接合層110を覆うようにボンディングパッド電極120が形成されているので、接合層110によって、透明電極109および積層半導体層20とボンディングパッド電極120との十分に高い接合力が得られ、優れた接合性を有するp型電極111を備えるものとなる。
さらに、本実施形態の半導体発光素子1によれば、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有するボンディングパッド電極120が、接合層110を覆うように形成されているので、接合層110への外部からの空気や水分の侵入を効果的に防止することができ、優れた耐食性が得られるものとなる。
ここで、本実施形態の半導体発光素子1の効果を、例えば、図11に示すp型電極を備えた半導体発光素子を例に挙げて説明する。なお、図11においては、半導体発光素子に備えられたp型電極のみを示し、基板および積層半導体層の図示を省略している。図11に示すp型電極201では、本実施形態の半導体発光素子1と異なり、縁部保護膜10bが形成されていないし、透明電極109に穴部109aが形成されておらず、接合層210、ボンディングパッド電極220を構成する金属反射層217およびボンディング層219の側面が透明電極109の上面109cに対してほぼ垂直に形成されている。
図11に示すp型電極201では、外部の空気または水分が、透明保護膜10aと金属反射層217との間から容易に侵入し、接合層210へ到達する。空気または水分が接合層210へ到達すると、接合層210が劣化して半導体発光素子の素子寿命を短くするという問題を生じる。特に、接合層210がCrからなるものである場合には、接合層210へ到達した空気または水分によってCrが容易に酸化または水酸化反応し、接合層210が分解消失されるため、この問題が顕著となる。さらに、Crの酸化または水酸化反応は、図11に示すp型電極201を備えた半導体発光素子にバイアスが印加されることにより加速されるので、簡単に接合層210が分解消失されてしまう恐れがあった。
これに対し、本実施形態の半導体発光素子1においては、接合層110を覆うように形成され、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cが外周部120dに形成されているボンディングパッド電極120を備えているので、接合層110のいかなる部分もボンディングパッド電極120の下から露出しないようにされている。したがって、本実施形態の半導体発光素子1によれば、半導体発光素子1の外部の空気または水分が接合層110へ侵入することを効果的に防止でき、接合層110がCrからなるものである場合であっても、優れた耐食性と、接合層110による積層半導体層20および透明電極109とボンディングパッド電極120との優れた接合性とが得られる。
また、本実施形態の半導体発光素子1において、接合層110を、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re、Rh、Ir、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなり、最大厚みが10Å以上400Å以下の範囲である薄膜とした場合、積層半導体層20および透明電極109とボンディングパッド電極120との間の接合性をより一層向上させることができる。
さらに、本実施形態の半導体発光素子1においては、透明電極109の上面109cにおける穴部109aの形成されていない領域を覆うように透明保護膜10aが形成されており、接合層110の外縁部およびボンディングパッド電極120の外縁部が、透明保護膜10a上に配置されているので、より一層優れた耐食性および接合性が得られる。
また、本実施形態の半導体発光素子1においては、ボンディングパッド電極120が、金属反射層117とボンディング層119とからなるものであり、接合層110のいかなる部分も金属反射層117の下から露出しないようにされているとともに、金属反射層117のいかなる部分もボンディング層119の下から露出しないようにされており、金属反射層117およびボンディング層119により接合層110が二重に覆われている。さらに、本実施形態の半導体発光素子1においては、ボンディングパッド電極120の外縁部が、透明保護膜10a上に配置されている。よって、本実施形態の半導体発光素子1においては、透明保護膜10aとボンディング層119との接合面と、透明保護膜10aと金属反射層117との接合面とを通過しなければ、半導体発光素子1の外部の空気または水分が接合層110へ侵入することはできない。したがって、本実施形態においては、半導体発光素子1の外部の空気または水分が接合層110へ侵入することを、より効果的に防止できる。
また、本実施形態の半導体発光素子1においては、ボンディングパッド電極120の外縁部を覆い、ボンディングパッド電極120上の一部を露出させる縁部保護膜10bが形成されているので、より一層優れた耐食性および接合性が得られる。
しかも、本実施形態の半導体発光素子1によれば、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有するボンディングパッド電極120が、接合層110を覆うように形成されているので、ボンディングパッド電極120の外周部120dと、ボンディングパッド電極120の外周部120dの下面(本実施形態においては、透明保護膜10a))との接触面積が十分に確保されたものとなり、優れた接合性が得られるとともに、ボンディングパッド電極120の外周部120dとその下面との間を介して、外部から接合層110へ空気や水分が侵入することを効果的に防止することができ、優れた耐食性が得られる。
また、本実施形態の半導体発光素子1の製造方法は、p型電極111を製造する工程が、積層半導体層20の上面106cに透明電極109を形成する工程と、透明電極109に、底面109bに積層半導体層20の上面106cの露出された穴部109aを形成する工程と、穴部109aの底面109b上および内壁109d上に、積層半導体層20との接合抵抗率が透明電極109との接合抵抗率よりも大きくなる材料からなる接合層110を形成する工程と、接合層110を覆うようにボンディングパッド電極120を形成する工程とを備えているので、p型電極111の接合性に優れているとともに光取り出し性に優れた本実施形態の半導体発光素子1を容易に製造できる。
また、本実施形態の半導体発光素子1の製造方法は、透明保護膜10aの開口部10dから露出する透明電極109の上面109cをエッチングすることにより穴部109aを形成する工程と、穴部109aの底面109b上および内壁109d上に接合層110を形成する工程とを備えているので、穴部109aを形成することにより透明電極109から現れた穴部109aの内壁109dに接して接合層110が形成されることになる。穴部109aを形成することにより透明電極109から現れた穴部109aの内壁109dは、透明電極109の上面109cと比較して、接合層110との密着性に優れているので、本実施形態の製造方法によれば、透明電極109の上面109cに接合層110を形成する場合と比較して、接合層110の密着性に優れたp型電極111が得られる。
(実施形態2:半導体発光素子)
図7は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子を構成するp型電極の拡大断面模式図である。図7に示す本実施形態の半導体発光素子が、図1に示す半導体発光素子1と異なるところは、透明保護膜10aおよび縁部保護膜10bが形成されていないことのみであり、それ以外は図1に示す半導体発光素子1と同様とされている。したがって、実施形態1と同じ部材には同じ符号付し、説明を省略する。
また、本実施形態の半導体発光素子を構成するp型電極112は、透明保護膜10aおよび縁部保護膜10bを形成しないことを除き、図1に示すp型電極111と同様にして形成できる。
図7に示す本実施形態の半導体発光素子のように、透明保護膜10aおよび縁部保護膜10bを設けない場合でも、p型電極112が、底面109bに積層半導体層20の上面106cの露出された穴部109aを有する透明電極109と、穴部109の底面109b上および内壁109d上に形成された接合層110と、接合層110を覆うように形成されたボンディングパッド電極120とを備え、積層半導体層20と接合層110との接合抵抗率が、透明電極109と接合層110との接合抵抗率よりも大きいものであるので、ボンディングパッド電極120からの電流が、接合層110を介して主に透明電極109の穴部109aの内壁109dから透明電極109の面内方向に拡散して積層半導体層20の上面に供給されるものとなり、積層半導体層20に供給される電流のうち、透明電極109を介して供給される量が、積層半導体層20に接する接合層110から直接供給される量と比較して多いものとなる。
したがって、本実施形態の半導体発光素子においても、ボンディングパッド電極120が、透光性がなく光を遮るものであったとしても、発光層105で発光した光のうち、ボンディングパッド電極120に遮られて半導体発光素子1の外部に取り出せない光の割合が非常に少ないものとなり、光取り出し効率が高く光取り出し性に優れたものとなる。
さらに、本実施形態の半導体発光素子においても、接合層110によって、透明電極109および積層半導体層20とボンディングパッド電極120との十分に高い接合力が得られ、優れた接合性を有するp型電極111が備えられたものとなる。
さらに、本実施形態の半導体発光素子においても、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有するボンディングパッド電極120が、接合層110を覆うように形成されているので、接合層110への外部からの空気や水分の侵入を効果的に防止することができ、優れた耐食性が得られるものとなる。
(実施形態3:半導体発光素子)
図8は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子の断面模式図である。図8に示す本実施形態の半導体発光素子1aが、図1に示す半導体発光素子1と異なるところは、透明保護膜10aが形成されておらず、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部の露出させる領域を除き、透明電極109の上面109c全面に上面保護膜10が設けられているところである。それ以外は図1に示す半導体発光素子1と同様とされている。したがって、実施形態1と同じ部材には同じ符号付し、説明を省略する。
上面保護膜10は、図1に示す半導体発光素子1における透明保護膜10aと同様の材料からなる同様の厚みを有するものとすることができる。
図8に示す半導体発光素子1aを製造するには、まず、図1に示す半導体発光素子1と同様にして積層半導体層20の形成を形成した後、n型電極108を形成する。
その後、以下に示すようにしてp型電極111aを製造する。図9は、p型電極を製造する工程を説明するための工程図であり、p型電極111aの製造される領域の一部のみを拡大して示した拡大断面図である。
図9(a)に示すように、本実施形態のp型電極111aを製造するには、まず、図1に示す半導体発光素子1と同様にして、p型半導体層106上に透明電極109を形成する。
次に、図9(a)に示すように、透明保護膜10a上にレジスト21を塗布して乾燥させ、図1に示す半導体発光素子1と同様にして、透明電極109の上面109cに、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部23aを備えた図9(b)に示す逆テーパー型のマスク23を形成する。
続いて、図9(b)に示すマスク23の開口部23aから露出する透明電極109を、図1に示す半導体発光素子1と同様にしてエッチングすることにより、図9(c)に示すように、透明電極109に穴部109aを形成する。
次に、図9(d)に示すように、図1に示す半導体発光素子1と同様にして、接合層110、金属反射層117、ボンディング層119を形成する。その後、図1に示す半導体発光素子1と同様にして、マスク23を剥離する。これにより、図9(e)に示すように、金属反射層117とボンディング層119とからなるボンディングパッド電極120が形成される。本実施形態においても、図1に示す半導体発光素子1と同様に、接合層110、金属反射層117およびボンディング層119の外周部にそれぞれ、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面110c、117c、119cが形成される。
次に、従来から公知の方法を用いて、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部を露出させる領域を除く、透明電極109の上面109c全面に、上面保護膜10を形成する。このようにして、図8に示すp型電極111aを備える半導体発光素子1aが形成される。
本実施形態の半導体発光素子1aにおいても、図1に示す半導体発光素子1と同様に、光取り出し効率が高く、光取り出し性に優れ、接合性および耐食性に優れたものとなる。
また、本実施形態の半導体発光素子1aにおいては、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部を露出させる領域を除く、透明電極109の上面109c全面に上面保護膜10が設けられているので、非常に優れた耐食性および接合性が得られる。
(実施形態4:ランプ)
図10は、本発明のランプの一例を示す断面概略図である。図10に示すように、本実施形態のランプ3は、砲弾型であり、半導体発光素子として図1に示す本発明の半導体発光素子1が実装されたものである。なお、ランプ3は、例えば、半導体発光素子1と蛍光体とを組み合わせてなるものであり、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、半導体発光素子1と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変えることができることが知られているが、このような技術を本実施形態のランプにおいても何ら制限されることなく採用することが可能である。
本実施形態のランプ3は、図10に示すように、半導体発光素子1のp型電極111のボンディングパッド電極120にワイヤ33で接合されたフレーム31と、半導体発光素子1のn型電極108(ボンディングパッド)にワイヤ34で接合された他方のフレーム32と、半導体発光素子1の周辺を取り囲んで形成された透明な樹脂からなるモールド35とを備えている。
また、本実施形態のランプ3は、半導体発光素子として、優れた接合性および耐食性を有する電極を備え、光取り出し性に優れた図1に示す半導体発光素子1を備えたものであるので、耐食性に優れ、発光効率が高く、歩留まりよく製造できる優れたものとなる。
本実施形態のランプ3は、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
また、本発明の半導体発光素子から作製したランプ3は、前述のような優れた効果があるので、この技術によって作製したランプを組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置類は、製品としての使用上の高い信頼性を与えることができる。特に、バックライト、携帯電話、ディスプレイ、ゲーム機、照明などの、バッテリ駆動させる機器類において、高信頼性のある発光素子を具備した製品を提供することができ、好ましい。
「実施例」
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1)<半導体発光素子の作製>
p型電極(透明電極、接合層、ボンディングパッド電極(金属反射層、バリア層、ボンディング層)およびn型電極が表1に示す構成である図1〜図3に示す窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子を次のようにして製造した。
Figure 2010153581
「積層半導体層の形成」
まず、サファイアからなる基板101上に、AlNからなるバッファ層102を介して、厚さ8μmのアンドープGaNからなる下地層103を形成した。次に、厚さ2μmのSiドープn型GaNからなるnコンタクト層104a、厚さ250nmのn型In0.1Ga0.9Nからなるnクラッド層104bを形成した。その後、厚さ16nmのSiドープGaN障壁層および厚さ2.5nmのIn0.2Ga0.8N井戸層を5回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層105を形成した。さらに、厚さ10nmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nからなるpクラッド層106a、厚さ150nmのMgドープp型GaNからなるpコンタクト層106bを順に形成した。
なお、積層半導体層20の形成は、MOCVD法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
「電極の形成」
このようにして積層半導体層20を形成した後、フォトリソグラフィーの手法によってパターニングし、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層104aの一部を露出させた。次に、スパッタ法により、nコンタクト層104aの露出面104cに順次Ti/Pt/Auからなるn型電極108を形成した。
その後、以下に示すようにp型電極111を形成した。まず、p型GaNコンタクト層106b上に、厚さ250nmのIZOからなる透明電極109を形成し、透明電極109上に厚さ100nmのSiOからなる透明保護膜10aを形成した。
次に、イメージ反転型フォトレジストとしてAZ5200NJ(製品名:AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)を用いて、透明保護膜10aの形成された透明電極109の上面に、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部23aを備えた逆テーパー型のマスク23を形成した。
続いて、マスク23の開口部23aから露出する透明保護膜10aを、透明電極109の上面109cに垂直な方向からRIE(反応性イオンエッチング)することにより除去して、開口部10dを形成し、開口部10dから透明電極109の上面109cを露出させた。
次に、マスク23の開口部23aから露出する透明電極109を、ドライエッチングすることにより、穴部109aを形成した。その後、窒素雰囲気中、650℃の温度で熱処理を行ない、アモルファス状態のIZO膜を結晶化させた。
次に、スパッタ法により、透明電極109の穴部109aの底面109b上および内壁109d上を覆うように、最大膜厚10nmのCrからなる接合層110を形成した。次に、スパッタ法により、接合層110を覆い、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面117cを外周部に有する最大膜厚100nmのPtからなる金属反射層117を形成した。続いて、スパッタ法により、マスク23の開口部23aの内壁形状に沿って外周部の形状が形成され、金属反射層117を覆い、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有する最大膜厚1100nmのAuからなるボンディング層119を形成した。このことにより、金属反射層117とボンディング層119とからなるボンディングパッド電極120を形成した。
その後、レジスト剥離液に浸漬することにより、マスク23を剥離した。次に、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部を露出させる略ドーナッツ状の形状であって、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分に跨ってボンディングパッド電極120の外縁部を覆う幅5μm、最大厚さ250nmのSiOからなる縁部保護膜10bを形成した。このようにして、図1〜図3に示すp型電極111を備える実施例1の半導体発光素子1を得た。
(実施例2〜18)
p型電極(透明電極、接合層、ボンディングパッド電極(金属反射層、バリア層、ボンディング層)およびn型電極を表1に示す構成のものとしたこと以外は、実施例1の半導体発光素子1と同様である実施例2〜18の半導体発光素子を製造した。
(比較例1)
縁部保護膜10bが形成されていないことと、透明電極109に穴部109aが形成されていないことと、接合層210、ボンディングパッド電極220を構成する金属反射層217およびボンディング層219の側面が透明電極109の上面109cに対してほぼ垂直に形成されていること以外は、実施例1の半導体発光素子1と同様である図11に示す半導体発光素子を製造した。
<半導体発光素子の評価>
実施例1〜18および比較例1の半導体発光素子について、プローブ針による通電で電流印加値20mAにおける順方向電圧を測定した。その結果を表2に示す。
表2に示すように、実施例1〜18の順方向電圧は3.0Vまたは3.1Vであり、比較例1の順方向電圧は3.0Vであった。
Figure 2010153581
その後、実施例1〜18および比較例1の半導体発光素子をTO−18缶パッケージに実装してテスターによって印加電流20mAにおける発光出力を計測した。その結果を表2に示す。
表2に示すように、実施例1〜18の発光出力は19.5〜23mWの範囲であり、比較例1の発光出力は、21mWであった。
また、実施例1〜18および比較例1における発光面の発光分布を調べた。その結果、実施例1〜18では、均一に発光していた。これに対し、比較例1では、発光層のうちp型電極の周辺に位置する部分に配置された発光層しか発光していなかった。
更に、実施例1〜18および比較例1において作製したボンディングパッド電極の反射率を測定した。反射率の測定は、ボンディングパッド電極を形成する時にチャンバに入れたガラス製のダミー基板に形成されたボンディングパッド電極と同じ薄膜について、分光光度計を用いて460nmの波長領域で測定した。その結果を表2に示す。
また、実施例1〜18および比較例1の半導体発光素子(チップ)について、ボンディングテストを行った。その結果を表2に示す。
表2に示すように、実施例1、3、6、10〜18では、100,000チップ中、パッド剥れ(ボンディング不良数)は0であった。また、その他の実施例についてもボンディング不良数は5以下であり、非常に少なかった。これに対し、比較例1では、100,000チップ中、ボンディング不良数は50であった。
<チップの高温高湿度試験>
実施例1〜18および比較例1の半導体発光素子(チップ)を高温高湿器(いすゞ製作所、μーSERIES)内に入れ、温度85℃、相対湿度85RH%の環境下で100個のチップに対して発光試験(チップへの通電量5mA、2000時間)を行った。その結果を表2に示す。
表2に示すように、実施例3、6、11〜18では、不良数が0であった。また、その他の実施例についても不良数は10以下であり、非常に少なかった。これに対し、比較例1では、不良数は65であった。
<耐食性試験>
電流印加値20mA、順方向電圧3.0〜3.1Vで発光させた状態で、実施例1〜18および比較例1の半導体発光素子を水槽の水中に沈めた。
実施例1〜18では、半導体発光素子を水槽の水中に沈めた状態のまま10分間保持した後、水中から引き上げて、再び発光特性を測定した。その結果、実施例1〜18では、水中に沈める前と水中に沈める後とで発光特性はほとんど変わらず良好であった。
これに対し、比較例1では、半導体発光素子を水槽の水中に沈めた状態のまま数秒間保持しただけで光らなくなった(不良)。
本発明は、半導体発光素子並びにその製造方法及びランプに関するものであって、特に、接合性及び耐食性を向上させた電極を備えた半導体発光素子並びにその製造方法及びランプを製造・利用する産業において利用可能性がある。
図1は本発明の半導体発光素子の一例を示した図であって、半導体発光素子の断面模式図である。 図2は図1に示す半導体発光素子の平面模式図である。 図3は図1に示す半導体発光素子を構成する積層半導体層の拡大断面模式図である。 図4は図1に示す半導体発光素子を構成するp型電極の拡大断面模式図である。 図5は、p型電極を製造する工程を説明するための工程図であり、p型電極の製造される領域の一部のみを拡大して示した拡大断面図である。 図6は、図5(b)に示すマスクの製造工程について説明するための工程図であり、1つのp型電極の形成される領域のみを示した拡大断面図である。 図7は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子を構成するp型電極の拡大断面模式図である。 図8は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子の断面模式図である。 図9は、p型電極を製造する工程を説明するための工程図であり、p型電極の製造される領域の一部のみを拡大して示した拡大断面図である。 図10は、本発明のランプの一例を示す断面概略図である。 図11は、本発明の半導体発光素子の効果を説明するための図であって、p型電極の拡大断面模式図である。
符号の説明
1、1a…半導体発光素子、3…ランプ、10a…透明保護膜、10b…縁部保護膜、10c…端部、10d…開口部、20…積層半導体層、21…レジスト、22…可溶部、23、25…マスク、23a…開口部、31、32…フレーム、33、34…ワイヤ、35…モールド、101…基板、102…バッファ層、103…下地層、104…n型半導体層、104a…nコンタクト層、104b…nクラッド層、104c…露出面、105…発光層、105a…障壁層、105b…井戸層、106…p型半導体層、106a…pクラッド層、106b…pコンタクト層、106c…上面、108…n型電極(他方の電極)、109…透明電極、109a…穴部、109b…底面、109c…上面、109d…内壁、110…接合層、110c…傾斜面、110d…外周部、111、112…p型電極(一方の電極)、117…金属反射層、117c…傾斜面、119…ボンディング層、119c…傾斜面、120…ボンディングパッド電極、120d…外周部。

Claims (12)

  1. 基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子であって、
    前記一方の電極が、底面に前記積層半導体層の上面の露出された穴部を有する透明電極と、前記穴部の底面上および内壁上に形成された接合層と、前記接合層を覆うように形成されたボンディングパッド電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記積層半導体層と前記接合層との接合抵抗率が、前記透明電極と前記接合層との接合抵抗率よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
  3. 前記接合層が、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re、Rh、Ir、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなるものであり、最大厚みが10Å以上400Å以下の範囲の薄膜であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子。
  4. 前記ボンディングパッド電極が、Au、Alまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなるボンディング層を含むことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  5. 前記ボンディングパッド電極が、前記接合層を覆うように形成された金属反射層と、前記金属反射層を覆うように形成されたボンディング層とからなり、
    前記金属反射層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Tiのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものであることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。
  6. 前記透明電極が、In、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ce、Sn、Niのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透明な導電性材料から構成されることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  7. 前記積層半導体層が、窒化ガリウム系半導体を主体として構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  8. 前記積層半導体層が、前記基板側からn型半導体層、発光層、p型半導体層の順に積層されてなり、前記発光層が多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、前記半導体発光素子が配置されるとともに前記半導体発光素子の一方の電極とワイヤボンディングされる第1フレームと、前記半導体発光素子の他方の電極とワイヤボンディングされる第2フレームと、前記半導体発光素子を取り囲んで形成されるモールドと、を備えたことを特徴とするランプ。
  10. 基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子の製造方法であって、
    前記一方の電極を製造する工程が、前記積層半導体層の上面に透明電極を形成する工程と、
    前記透明電極に、底面に前記積層半導体層の上面の露出された穴部を形成する工程と、
    前記穴部の底面上および内壁上に接合層を形成する工程と、
    前記接合層を覆うようにボンディングパッド電極を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  11. 請求項9に記載のランプが組み込まれている電子機器。
  12. 請求項11記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
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