JP2011014936A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率に優れ、かつ良好な配光均一性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子において、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有し、透光性膜表面の凹凸の形状がドット状または格子状であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に光取り出し効率に優れ、かつ良好な配光均一性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その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）等によって形成される。

ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。そのために、電極直下の半導体にしか電流が注入されず、発光層で発光した光は電極に遮られて外部に取り出されない。そこで、この系の発光素子では、通常、正極として透明電極が用いられ、正極を通して光が取り出される。

従来の正極は、ＮｉやＣｏの酸化物とコンタクト金属としてＡｕなどを組み合わせた層構造（例えば特許文献１参照）であった。近年ではＩＴＯなど、より導電性の高い酸化物を使用することにより、コンタクト金属の膜厚を極力薄くして透光性を高めた層構造が正極として採用されている。

ＩＴＯなどの導電性透明材料の層は、ＮｉやＣｏなどの酸化物の層に比較すると、光の透過率が高く、比較的厚く形成することができる。例えば、ＮｉやＣｏの酸化物が膜厚１０から５０ｎｍ程度なのに対し、２００ｎｍから５００ｎｍなどの膜厚が利用される。

一方、半導体結晶から大気中への光取出し量を増大させる手法として、半導体の光取り出し面に凹凸加工を施す技術がある。半導体面にこのような加工を施すには、ドライエッチング、ウエットエッチングによる方法や、ダイシング、ダイヤモンド針によるスクライビング、レーザスクライビングなどによる方法が採られる。しかし半導体材料に加工を施すことは、半導体層に負荷を掛けダメージを残すため、外部量子効率（光取出し効率）を向上させても、内部量子効率を減少させてしまい、発光強度の増大が得られなかった。さらに、場合によってはリーク電流の発生など発光素子の破壊を伴って、発光素子の歩留まりが低下することがあった。

そこで、光取り出し効率を増大させるための凹凸を設ける層を半導体層上に形成し、光取出し効率を向上させる技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。この技術によれば、半導体層そのものに凹凸加工を施すのではなく、半導体層上の透明の材料からなる層に凹凸加工を施すので、半導体にダメージを与えることなく光取り出し効率の増大を図ることができる。

上記特許文献２には、半導体層の上に透明な導電性材料の層を形成し、この層に設けた凹凸形状としては、主に曲面から構成される凹凸が開示されている。また、平面から構成された凹凸としては、基板面に対して垂直な面を持つ平面から構成された凹凸が開示されている。

しかし、曲面から構成された凹凸では、光取り出し面の正面方向に発光が集光されてしまい、配光均一性を損なう、と言う問題点がある。配光が均一でないチップは、ディスプレイ用途やバックライト用途などの用途に使用するには不都合である。

一方、基板面に対して垂直な平面から構成される凹凸では、垂直面同士の間での多重反射を生じてしまい、思うように光の取出し効率が向上しないという問題点がある。
また、曲面から構成される凹凸に関しては、加工工程の制御が非常に難しく、実際には狙った形状とすることが困難であるという問題点がある。

上記特許文献２には、凹凸を設ける層を構成する透明材料として、ポリカーボネイト、窒化シリコン、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化アンチモン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタン、硫化亜鉛および酸化ビスマスなどが開示されている。

特許第２８０３７４２号公報 特開２０００−１９６１５２号公報

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、光取り出し効率に優れ、かつ良好な配光均一性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。
本発明において透明あるいは透光性とは、３００〜６００ｎｍの波長領域における光に対して透光性であることを意味する。

本発明は、下記の発明を提供する。
（１）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子において、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有していることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（２）透光性膜が導電性を有する上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（３）透光性膜が正極の一部として機能している上記２項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（４）透光性膜が半導体と接触しており、正極コンタクトメタル層として機能している上記３項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（５）透光性膜が半導体と接触しておらず、正極電流拡散層として機能している上記３項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（６）透光性膜が、ＩＴＯ、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｎＡｌＯおよびＳｎＯ₂からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からなる上記２〜５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（７）透光性膜が、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｎＡｌＯおよびＳｎＯ₂からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からなる上記６項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（８）透光性膜が導電性を有しない上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（９）透光性膜が保護膜として機能している上記８項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１０）透光性膜が、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄およびＣａＦ₂からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からなる上記８または９項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１１）透光性膜がＳｉＯ₂からなる上記１０項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１２）透光性膜表面の凹凸の形状がストライプ状である上記１〜１１項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１３）透光性膜表面の凹凸の形状がドット状または格子状である上記１〜１１項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１４）透光性膜表面の凹凸を構成する傾斜した平面が、基板面に対して５°から８５°の角度を成す上記１〜１１項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１５）透光性膜表面の凹凸の高低差が０．３〜８５μｍである上記１〜１４項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１６）透光性膜表面の凹凸の最大幅が１〜５００μｍである上記１２〜１５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有している。この透光性膜に電極を兼ねさせる事で、光取り出し面の層数を減少させ、光透過率を良くする事ができる。また同様に、この透光性膜に保護膜を兼ねさせる事で、光取り出し面の層数を減少させ、光透過率を良くする事ができる。

基板面に対して傾斜した平面から構成される凹凸とすることで、基板面に対して垂直な平面から構成される凹凸に比べ、光取り出し効率を上げることが可能である。また、曲面から構成される凹凸に比べて、配光均一性が改良され、かつ、加工が容易であり収率が向上する。

実施例１で作製した本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。 実施例１で作製した本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面を示した模式図である。 実施例３で作製した本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。 透光性膜の表面に存在する凹凸パターンの一例を示した平面図である。 図４のＸＹ切断断面図である。 透光性膜の表面に存在する凹凸パターンの別の一例を示した平面図である。 図６のＸＹ切断断面図である。 透光性膜の表面に存在する凹凸パターンの別の一例を示した平面図である。 図８のＸＹ切断断面図である。 本発明で、テーパの付いたレジストを用いたドライエッチングで加工を行なう手順を示した模式図である。

発光素子の発光効率は、外部量子効率（光取出し効率）と内部量子効率を掛け合わせたものとして表現される。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換される割合である。一方の外部量子効率とは、半導体結晶内部で発生した光の内、外部へ取り出すことのできる割合である。

半導体結晶表面に凹凸加工を施すことで、外部量子効率を向上することが可能である。しかし、ＧａＮ系化合物半導体発光素子では、ｐ型半導体層を０．３μｍ以下などと薄く作製することが一般的であるため、発光素子機能を有する結晶そのものに凹凸加工を施すと、結晶にダメージを与え内部量子効率を下げる可能性がある。

そこで、凹凸加工を施すための透明な材料を光取り出し面に成膜し、その膜に凹凸加工を施すことにより、内部量子効率をさげることなく、光取出し効率を向上することが可能である。さらに、透明な材料は、保護膜を兼ねたり、透光性正極を兼ねたりすることができる。

本明細書で用いる透光性および透明という用語は、必ずしも１００％の光透過率を全波長域で発揮することを意味するものではなく、半導体内部で発生した光を外部に取り出す機能を有することを意味する。従って、発光波長における光透過率にして５０％以上であるように、材料と膜厚を制御して作製した膜に対して、この用語を使用する。

図１は、本発明の透光性膜を正極として形成した場合である実施例１で作製された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。１０が正極であり、コンタクトメタル層１１、透光性膜からなる電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３から構成されている。透光性膜からなる電流拡散層１２の最表面に凹凸加工処理が施されている。１は基板である。２はＧａＮ系化合物半導体層であり、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５から構成される。６はバッファ層であり、２０は負極である。

この場合の透光性膜を構成する材料は、導電性の透明材料であればどのようなものを用いても良い。例えば、前記特許文献２に列挙されたものも使用出来る。中でも、導電率の高い透明材料、例えばＩＴＯ、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｎＡｌＯおよびＳｎＯ₂などが望ましい。使用する透明材料としては、屈折率が半導体材料の屈折率と、素子を封止する樹脂などの材料の屈折率との間の値をとることが望ましい。

特に、ＺｎＯは優れた透明性と導電率を持つ安価な材料であり、屈折率も１．９〜２．１と窒化ガリウム系化合物半導体材料と真空、空気または素子を封止する樹脂との中間の値に近いため、本発明に用いるのに適した材料である。

透光性膜の厚さは、１０ｎｍから１００μｍであることが好ましい。１０ｎｍ未満では、光取り出し効率の向上に有効な凹凸加工ができない。１００μｍを超えると、光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。５０ｎｍ〜１μｍがさらに好ましい。

図１に示したコンタクトメタル層１１は、必ずしも必要ではない。半導体層に対して透光性膜がオーミック接触可能な場合、半導体表面にはコンタクトメタル層を設けなくとも良い。１２がコンタクトメタル層と電流拡散層を兼ねることになる。むしろ、コンタクトメタル層を特別に設けずにオーミック接触が取れる場合、コンタクトメタル層で発生する光透過率の低下を抑えることができるので、より効率の良い発光の取出しが実現できる。

正極の構成の例をいくつか挙げると、第一に、ｐ型半導体層上に５Å程度のＰｔからなるコンタクトメタル層を形成し、その上に膜厚１〜２μｍのＩＴＯの電流拡散層を積層する構造がある。凹凸加工は、このＩＴＯに施される。同様に、コンタクトメタル層としてＮｉを用い、電流拡散層としてＺｎＯを用いる構造なども考えられる。
また、ＩＴＯなどの場合、コンタクトメタル層を形成せず、半導体に直接接触させても良く、前述のように、より効率の良い発光の取出しが実現できる。

図３は、本発明の透光性膜を保護膜として形成した場合である実施例３で作製された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。図１と同様に、１０が正極であり、コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３から構成されている。１は基板である。２はＧａＮ系化合物半導体層であり、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５から構成される。６はバッファ層であり、２０は負極である。１４は透光性膜からなる保護膜であり、その最表面に凹凸加工処理が施されている。

この場合の透光性膜を構成する材料は、非導電性の透明材料であればどのようなものを用いても良い。例えば、前記特許文献２に列挙されたものも使用出来る。中でも、導電率の低い透明材料、例えばＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄およびＣａＦ₂などが好ましい。使用する透明材料としては、屈折率が半導体材料の屈折率と、発光素子を封止する樹脂などの材料の屈折率との間の値をとることが望ましい。

透光性膜からなる保護膜の厚さは、１０ｎｍから１００μｍであることが好ましい。１０ｎｍ未満では、光取り出し効率の向上に有効な凹凸加工ができない。１００μｍを超えると、光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。５０ｎｍ〜１μｍがさらに好ましい。

この場合の正極と保護膜の構成の例をいくつか挙げると、第一に、ｐ型半導体層上に５Å程度のＰｔからなるコンタクトメタル層を形成し、その上に膜厚２０Å程度のＡｕからなる電流拡散層を形成して正極となし、その上にＳｉＯ₂からなる保護膜を積層する構造がある。凹凸加工は、このＳｉＯ₂層に施される。同様に、正極はコンタクトメタル層としてＡｕを用い、電流拡散層としてＮｉＯを用いる構造なども考えられ、保護膜としてはＣａＦ₂なども使用できる。この場合、ＣａＦ₂の最表面に凹凸加工を施す。

透光性膜の成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。真空蒸着には加熱方法に抵抗加熱方式や電子線過熱方式などがあるが、金属以外の材料の蒸着には、電子線加熱方式が適している。また、原料となる化合物を液状とし、これを表面に塗布した後然るべき処理により酸化物膜とする方法も用いることができる。

透光性膜表面に凹凸を設けるには、一旦平坦な表面を有する透光性膜を成膜した後、透光性膜の一部を削除して凹部を形成する方法と透光性膜を部分的にさらに積層して凸部を形成する方法がある。また、透光性膜を形成する際の成膜条件を制御することで凹凸を形成することも可能である。これらの中でも、一旦平坦な表面を有する透光性膜を成膜した後、透光性膜の一部を削除して凹部を形成する方法が、基板面に対して傾斜した平面から構成される凹凸を形成し易いので好ましい。

本発明において、「基板面に対して傾斜した平面から構成される凹凸」とは、凹部または凸部を構成する透光性膜表面の少なくとも一部が基板面に対して傾斜した平面であればよい。

例えば、透光性膜表面に存在する凹凸が、図４（平面図）および図５（図４のＸＹ切断断面図）に示したように凸部がストライプ状に存在しているパターンの場合、凸部を構成する透光性膜表面Ａ、ＢおよびＣのうちＡおよびＣが基板面に対して傾斜した平面となっている。勿論、基板面に平行な面Ｂが存在せず、凸部がＡおよびＣ面のみで構成されていてもよいし、ＡおよびＣ面のうちどちらかが基板面に対して垂直であってもよい。凸部を構成する全ての面が基板面に対して傾斜した平面であることが、光取り出し効率および配光均一性の向上にとって好ましい。

基板面に対して傾斜した平面の角度は基板面に対して５度から８５度の範囲であることが好ましい。５度以下または８５度以上では光取り出し効率が向上し難い。好ましくは１５度から７５度の範囲であり、特に好ましくは３０度から６０度の範囲である。

透光性膜表面に存在する凹凸はどのようなパターンを取る事も可能である。中でも、上述したストライプ状とすることは、加工のしやすさの面から望ましい。その際、ストライプ状の凹部または凸部の幅はその最大部で１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のストライプを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。ピッチは１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のストライプを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。

一方、凹凸の形状を図６（平面図）および図７（図６のＸＹ切断断面図）に示したようなドット状の凸部とすることは、光を発光素子の周囲のどの方向からも均等に取り出すことができるため、配光均一性の面から好ましい。上記のストライプ状では、ストライプに平行な方向と直角な方向で、取り出される光の強度が異なるため、配光均一性ではドット状に劣る。

ドット状の凸部の幅および長さは、その最大部で１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のドットを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。ピッチは１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のドットを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。

さらに、凹凸の形状を図８（平面図）および図９（図８のＸＹ切断断面図）に示したような格子状の凸部とすることは、凹凸加工のし易さと配光均一性の両方を兼ね備えさせることができるので、最も望ましい。その際、凸部の幅はその最大部で１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数の凸部を作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。ピッチは１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数の凸部を作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。

透光性膜表面に存在する凹凸の断面形状は、基板面に対して傾斜した面を有すれば、どのような形状を持つこともできる。最も一般的なのは、単一の角度の面で形成される、三角形或いはＶ字型の形状であるが、その他、２種類の角度の面で形成される五角形、３種類の角度の面で形成される七角形の形状であっても良い。しかしながら、多種類の角度で形成される形状を取る断面は形成することが難しく、収率を落とす可能性が高い。最も有効なのは、三角形或いはＶ字型の形状である。また、三角形或いはＶ字型の先端部が切り落とされて基板面に対して平行な面となった台形でもよい。

また、凹凸の高低差は透光性膜の厚さの範囲内で任意に決めればよく、０．３〜８５μｍの範囲が好ましく、０．５〜３０μｍの範囲がさらに好ましく、１〜１０μｍの範囲が特に好ましい。０．３μｍ未満では、光取り出し効率が十分改良されない。一方、あまり高低差を大きくすると、加工コストが増大する。

透光性膜表面に凹凸を形成するための凹凸加工は、別に制限されず、どのような方法を用いてもよい。例えば、フォトリソグラフィーとして知られる方法を用いてパターニングし、その後ドライエッチングまたはウエットエッチングを用いて凹部を形成し、残った部分を凸部とすることができる。また、ダイヤモンド針を押し付けて線を引くスクライブや、レーザ光を当てて熱を発生させることで加工を施すレーザースクライブの手法を応用しても良い。

以下に、凹凸加工の方法の一例を示す。凹凸加工の方法としては、前述のように従来あるどのような手法を用いても良く、これらの例に限定されるものではない。

まず、窒化ガリウム系化合物半導体積層体の光取り出し面であるｐ型半導体層上にＩＴＯの膜を一様な膜厚で形成する。その後、全面にレジストを塗布し、形成したいパターンに露光する。この際、露光のための光として平行光でない光束を使用する。平行光でない光は、パターンの縁から内側に少量入り込むことができるので、この現象を利用して、露光した光量に応じて、レジスト膜のパターンの縁にテーパーを形成することが可能である。平行光でない光束は、露光装置の光源の位置や試料の位置をずらすことによって、いわゆる「ピントが合っていない」状態にすることで実現できる。

他に、光取り出し面に透明材料の膜を一様な膜厚で形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層体の全面にレジストを塗布する際に、レジストを通常よりも厚く形成することで、レジストが感光する光の量がパターンの縁において不十分となり、レジスト膜のパターンの縁にテーパーを形成するなどの方法もある。同様のことは、感光時の光の量を減量したり、感光時間を短くすることによっても実現することが可能である。

このような縁部にテーパーが形成されたレジスト膜を保護膜としてドライエッチングを施すと、エッチングによってレジスト膜も膜厚を減少させるので、形成された凹部の縁にもテーパーが形成される。図１０はこの工程を経時的に示した図である。このような方法で、基板面に対して傾斜した平面からなる凹部（残された部分から見ると凸部）を形成することが可能である。

また、凹凸加工にはスクライブと呼ばれる方法を用いることもできる。窒化ガリウム系化合物半導体積層体の光取り出し面であるｐ型半導体層上に一定の膜厚で形成したＳｉＯ₂の透光性膜などを、先端を希望するテーパーの形状としたダイヤモンド針で縦方向および／または横方向にけがく事で、ストライプ状または格子状の例えばＶ字型をした凹部（残された部分から見るとストライプ状またはドット状の凸部）をＳｉＯ₂透光性膜表面に形成することが可能である。

同様の形状の凹凸加工は、レーザを照射することで透光性膜を融解して溝を穿つ、レーザースクライブという方法を用いることでも可能である。

なお、発光素子の配光均一性は市販の配光特性測定器（例えば、オプトサイエンス（OPT SCIENCE）社製のＬＥＤ−１１００）で測定することができる。この装置は、電流を流して発光素子を発光させた状態で固定し、この発光素子に対して同じ距離を保つように規定された、発光素子上部空間の軌道上を、ＣＣＤ、受光素子または光電芝居増感などの光強度測定器が動くようになっている。この光強度測定器が動きながら発光強度を測定し、発光素子が固定されている平面からの角度と発光強度との関係を求めるものである。上記軌道の方向を変えて測定することにより、配光の均一性を評価できる。

本発明において、基板面に対して傾斜した凹凸を有する透光性膜を備えた正極には、上述したように、電気的なコンタクトを取る目的で、半導体（ｐ型半導体層）表面と接触するコンタクトメタル層を設けることができる。コンタクトメタル層に要求される性能としては、ｐ型半導体層との接触抵抗が小さいことと、光透過性が良いことがある。

コンタクトメタル層の材料はｐ型半導体層との接触抵抗の観点から、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等の金属またはそれらを含む合金が好ましい。これらの中でもＮｉは、仕事関数が高く、高温熱処理を施した際に半導体の表面の酸化物層を除去し、Ｎｉ自体も酸化されて透明となり、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層へのコンタクトメタルとして、特に好ましい。また、Ｐｔは、仕事関数が高く、高温熱処理を施さなくとも、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層に対して良好なオーミック接触を得ることが可能なので、好ましい。

コンタクトメタル層の膜厚としては、０．１〜７．５ｎｍの範囲が好ましい。０．１ｎｍ未満では安定した薄層が得られ難い。７．５ｎｍを超えると透光性が低下する。０．１〜５ｎｍがさらに好ましい。また、その後の電流拡散層の積層による透光性の低下と成膜の安定性を考慮すると、０．５〜２．５ｎｍの範囲が特に好ましい。

また、コンタクトメタル層を格子状としたり、ボールアップによって飛び飛びの島状としたりすることもできる。このようにコンタクトメタル層に薄い領域と厚い領域を形成することにより、光透過率の高い薄い領域からの光取出しを増大させることができる。

凹凸加工を施す透光性膜の材料として、導電性の材料を使う場合（正極そのものを構成）でも導電性のない材料を使う場合（保護膜を構成）でも、どちらの場合でも電流を注入するためのワイヤを接続するボンディングパッドを形成することができる。ボンディングパッドは、透光性の材料が導電性の場合には、これに接続するように形成し、そうでない場合は電極層に接続されるように形成する。

ボンディングパッド部を構成するボンディングパッド層については、各種の材料を用いた各種の構造のものが知られており、これら周知のものを特に制限されることなく用いることが出来る。但し、電流拡散層との密着性の良い材料を用いることが望ましく、厚さはボンディング時の応力に対してコンタクトメタル層あるいは電流拡散層へダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料とすることが望ましい。

上述の正極を設ける、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した構造体は、図１に示したような、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を形成した構造体が従来より多数知られており、これら周知の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造体を含めて、発光素子に適した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造体であれば何ら制限無く用いることができる。

基板には、サファイア単結晶（Ａｌ₂Ｏ₃；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ₂単結晶、ＬｉＧａＯ₂単結晶、ＭｇＯ単結晶、Ｇａ₂Ｏ₃単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ₂などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層は各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。

それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。

これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）または窒素（Ｎ₂）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄）またはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ₄）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇ）を用いる。

基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型半導体層に接して負極を形成するために、発光層およびｐ型半導体層の一部を除去して、ｎ型半導体層を露出させる。その後残したｐ型半導体層上に上述の透光性正極を形成し、露出させたｎ型半導体層上に負極を形成する。負極としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を含め、各種組成および構造の負極を何ら制限無く用いることができる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、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）
図１は本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図であり、図２はその平面を示した模式図である。サファイアからなる基板（１）上に、ＡｌＮからなるバッファ層（６）を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層（２）を積層した。窒化ガリウム系化合物半導体層（２）は、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層および厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層（３）、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ２．５ｎｍのＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ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（４）、および厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層と厚さ０．１８μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎコンタクト層がこの順序で積層されたｐ型半導体層（５）からなっている。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上に、厚さ１ｎｍのＮｉコンタクトメタル層（１１）、厚さ２μｍのＺｎＯ電流拡散層（１２）およびＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ５層構造（厚さはそれぞれ５０／２０／１０／１００／２００ｎｍ）のボンディングパッド層（１３）よりなる正極（１０）を形成した。電流拡散層（１２）の表面には、図２に示されるようなドット状パターンの斜め面を有する凸部を設けた。ｎ型ＧａＮコンタクト層上にＴｉ／Ａｕの二層構造の負極（２０）を形成した。光取り出し面は半導体側とした。

この構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。

窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図１の３〜６）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。また、正極および負極は次の手順で形成した。

初めに反応性イオンエッチング法によって負極を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層を下記手順により露出させた。

まず、エッチングマスクをｐ型半導体層上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、正極領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０^-4Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。

次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０^-4Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ₂を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。

次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、Ｎｉからなるコンタクトメタル層およびＺｎＯからなる電流拡散層を形成した。コンタクトメタル層および電流拡散層の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上に初めにＮｉを１ｎｍ、次にＺｎＯを２μｍ積層した。

真空室から取り出した後、引き続き、ＺｎＯ層の表面に光取り出し加工を施した。
まず、公知のフォトリソグラフィーの技術を用いてドット状のパターンのレジスト膜を形成した。レジストはポジ型と呼ばれる露光部分が現像処理で溶け出すものを使用し、レジストへの露光の時間を通常用いるよりも短くして、マスクパターンの縁の部分に露光不足の領域を作り出した。これを露光することにより、斜めの縁を有するレジストパターンを作製した。

このようにして作製したレジストパターンつきの基板に、ドライエッチングを用いて斜めの面を形成した。ドット状の凸部は、四角錐の頂上を切ったような形状で、台形の断面を持っていて、上面は一辺が２μｍ下面は一辺が３μｍの四角形で形成されている。高さは１．７μｍ程度であり、５μｍの間隔でチップの辺に平行に並んでいる。ドット状の凸部を構成する斜めの面の基板に対してなす角度は約６０°であった。

さらにその後、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに同様な手法で電流拡散層上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、ボンディングパッド層を形成した。このようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層上に正極を形成した。

次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。

このようにして正極および負極を形成したウエーハを、基板裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板の板厚を薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れたあと、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。続いてこれらのチップを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の測定をしたところ３．３Ｖであった。

その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は１０ｍＷを示した。またその発光面の発光分布は正極上の全面で発光しているのが確認できた。

この缶パッケージした状態で配光性を測定した。測定にはオプトサイエンス社製のＬＥＤ−１１００を用いた。チップの上方に設置したディテクタを、先ず、チップの一つの辺に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿って動かし、発光の強度を測定した。次に、その辺と直交する辺に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿って動かし、発光の強度を測定した。ディテクタとチップ中心を結んだ線が基板面となす角度に対する発光強度の分布は両者に差がなかった。

（実施例２）
本実施例では、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上にＧｅをドープしたトンネル層を設けたこと、コンタクトメタル層を設けずに電流拡散層を厚さ１μｍのＩＴＯとしたこと、および電流拡散層表面の凹凸のパターンをストライプ状としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

なお、トンネル層とはｐ型半導体層の表面に接触して設けられた、厚さ１〜５０ｎｍ程度の非常に薄いｎ型半導体層のことで、正極との接触抵抗を低減させる効果がある。

また、ストライプ状の凹凸加工は、Ｖ字形状をしたダイヤモンド針で電流拡散層表面をけがく事で行なった。ストライプは、Ｖ字状の断面をした凹部を形成しており、その開口部の幅は１μｍ程度、深さは０．５μｍ程度、ピッチは１０μｍ程度で、チップの一辺に平行に並んでいる。得られた発光素子の断面をＳＥＭ（走査式電子顕微鏡）で観察したところ、Ｖ字状の断面を構成する斜めの面は、基板に対して４５°の角度を有していた。

得られた発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧は３．３Ｖと同じであったが、発光出力は１１ｍＷであった。さらに、缶パッケージした状態で実施例１と同様にして、配光均一性を測定した。発光強度は、ストライプ状凹凸に平行な方向と直角な方向とで、約４０％程度の差があり、ストライプ状凹凸に直角の方向の方が強かった。

（実施例３）
本実施例では、コンタクトメタル層を厚さ５ÅのＰｔとしたこと、電流拡散層を厚さ５０ÅのＡｕとしたこと、電流拡散層上に厚さ２．２μｍのＳｉＯ₂からなる保護膜を形成したこと、その保護膜に格子状の凸部を形成したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

格子状の凸部は、実施例１と同様にテーパーを有するレジストを用いたドライエッチング法によって形成した。具体的には、四角錐を逆さにした形状の凹部を、ＳｉＯ２の膜に形成した。上面は一辺が４μｍの四角形で形成されている。深さは２μｍ程度であり、８μｍの間隔でチップの辺に平行に並んでいる。

この試料の断面を作製し、ＳＥＭ（走査式電子顕微鏡）で観察したところ、格子を構成する斜めの面は、基板に対して約７５°の角度を有していた。この発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧は３．３Ｖと同じであったが、発光出力は９ｍＷであった。
この、缶パッケージした状態で実施例１と同様にして、配光性を測定した。チップのどの辺の方向から見ても、発光強度には変わりがなかった。

（比較例１）
電流拡散層上に施す加工を、断面が長方形であるような四角柱のドットとしたこと以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。この発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧は３．３Ｖと同じであったが、発光出力は８ｍＷであった。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は優れた光取出し効率を有するので、この発光素子から高輝度のＬＥＤランプを作製することができる。また、優れた配光均一性を有するので、ディスプレイ用途およびバックライト用途として有用である。

１ 基板
２ ＧａＮ系化合物半導体層
３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体層
６ バッファ層
１０ 正極
１１ コンタクトメタル層
１２ 電流拡散層
１３ ボンディングパッド層
１４ 保護膜
２０ 負極

Claims (1)

1. 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子において、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有し、透光性膜表面の凹凸の形状がドット状または格子状であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

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