JP2011061036A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】III 族窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させること。
【解決手段】発光素子１００は、支持体１０１と、支持体１０１上に低融点金属層１０２を介して接合されたｐ電極１０３と、ｐ電極１０３上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるｐ型層１０４、活性層１０５、ｎ型層１０６と、ｎ型層１０６表面に形成された凹部１０８と、凹部１０８の底面１０８ａ上に形成されたｎ電極１０７と、によって構成されている。凹部１０８は、配線状の平面パターンに形成されている。凹部１０８によって、ｎ電極１０７直下の領域に光が入り込みにくい構造となっており、ｎ電極１０７による光の反射、吸収が低減されるため、光取り出し効率が向上している。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板リフトオフ法によって成長基板を除去され、支持体と接合されたIII 族窒化物半導体発光素子に関するものである。

III 族窒化物半導体の成長基板として、一般的にサファイア基板が用いられている。しかし、サファイアは導電性や熱伝導性に問題があり、明確な劈開面がなく加工が容易でない。そこで、これらの問題を解決する技術として、成長基板上にIII 族窒化物半導体を成長させた後に成長基板を除去する技術（基板リフトオフ）が開発されている。

その技術の１つがレーザーリフトオフ法である。これは、III 族窒化物半導体層と支持基板とを接合した後、成長基板とIII 族窒化物半導体との界面にレーザーを照射してIII 族窒化物半導体層を分解させて成長基板を分離除去する方法である。また、別の技術として、III 族窒化物半導体層の成長基板に近い層に薬液に溶解可能な層を導入し、III 族窒化物半導体層と支持基板とを接合した後に、所望の薬液により上記薬液に溶解可能な層を溶解して成長基板を除去する方法（ケミカルリフトオフ法）も知られている。

特許文献１には、レーザーリフトオフによって成長基板が除去され、支持基板と接合されたIII 族窒化物半導体発光素子において、成長基板の除去によって露出したバッファ層の一部をドライエッチングにより除去してｎ型層を平坦に露出させ、その露出したｎ型層上にｎ電極を設け、残されたバッファ層表面には凹凸を設けた構造のIII 族窒化物半導体発光素子が示されている。

特開２００８−４７８５８

しかし、成長基板が除去され支持基板と接合された従来のIII 族窒化物半導体発光素子では、ｎ電極による反射、吸収によって光取り出しが阻害されてしまい、光取り出し効率を悪化させていた。

また、特許文献１に示されたIII 族窒化物半導体発光素子では、バッファ層の一部を除去する旨の記載はあるが、これはｎ型層を露出させるためのものであり、ｎ型層をエッチングして凹部を形成することは示唆されていない。また、特許文献１にはｎ電極の平面パターンについて具体的な記述はない。

本発明の目的は、成長基板が除去され支持体と接合されたIII 族窒化物半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させることにある。

第１の発明は、導電性の支持体と、支持体上に位置するｐ電極と、ｐ電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるｐ型層、活性層、ｎ型層と、ｎ型層上に位置するｎ電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、ｎ型層のｎ電極形成側の表面に、配線状のパターンの凹部を有し、ｎ電極は、凹部底面に露出したｎ型層上に、凹部側面から離間して設けられていることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第２の発明は、導電性の支持体と、支持体上に位置するｐ電極と、ｐ電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるｐ型層、活性層、ｎ型層と、ｎ型層上に位置するｎ電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、ｎ電極は配線状のパターンであり、ｎ型層のｎ電極形成側の表面に、ｎ電極の外周に沿ったパターンの凹部を有している、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

ここで本発明においてIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。

また、本発明において、凹部の深さは、ｎ型層の厚さの１０〜９０％であることが望ましい。ｎ型層の厚さの１０％よりも浅いと、ｎ電極直下に光を侵入させない効果が十分でなく、ｎ型層の厚さの９０％よりも深いと、凹部によって電流の拡散性が阻害されてしまい、発光の均一性を十分に高めることができない。より望ましい凹部の深さは、ｎ型層の厚さの３０〜７０％である。また、凹部側面は素子面に対して垂直であってもよいし、傾斜していてもよい。

また、第１の発明において凹部およびｎ電極のパターン、第２の発明においてｎ電極のパターンは、配線状のパターンであれば任意のパターンでよいが、発光の均一性を高めるために対称性を有したパターンとすることが望ましい。たとえば、素子の平面形状が矩形である場合、矩形の２つの対角近傍に設けられたｎ電極のパッド部と、パッド部から延伸する配線状部とを有したｎ電極とし、その配線状部を格子状、ストライプ状、放射状などの対称性のあるパターンとするとよい。また、凹部パターンの面積が発光素子の面積に占める割合は、５〜３０％とすることが望ましい。５％より小さい割合では、凹部底面に形成されるｎ電極パターンの面積が狭く、素子面方向への電流拡散性を十分に高めることができない。また、３０％より大きい割合では、光出力を低下させてしまう。

凹部の形成されていないｎ型層表面には、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、リン酸などの水溶液によるウェットエッチングによって微細な凹凸を設け、光取り出し効率を向上させることが望ましい。微細な凹凸は、凹部底面に形成されていてもよい。

凹部内部は、空気層としてもよいし、III 族窒化物半導体よりも屈折率の低い誘電体などで埋めてもよい。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ｐ型層のｐ電極形成側の表面であって、ｎ電極と素子面に垂直な方向において対向する領域は、高抵抗領域である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

ここで高抵抗領域は、ｐ型層へのプラズマ照射、イオン注入、薬液処理などによってｐ型層表面の一部領域を高抵抗化した領域、またはｐ型層表面の一部領域上に絶縁膜やコンタクト抵抗の高い金属層を形成するなどした領域を意味する。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、凹部の深さは、ｎ型層の厚さの１０〜９０％である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第１、２の発明によれば、凹部側面において光が反射されたり、凹部側面から外部へ光が放射されるので、ｎ電極の下部領域に光が入り込みにくくなり、ｎ電極により光が反射、吸収されて光取り出しが阻害されることが減少する。その結果、光取り出し効率が向上する。

また、第３の発明によると、ｎ電極直下の領域における発光を抑制することができ、効率的に光を取り出せる領域のみを発光させることができるので、光出力のさらなる向上を図ることができる。

また、第４の発明によると、凹部形成によるｎ電極の下部領域への光の入り込みがさらに減少し、光取り出し効率をさらに向上させることができる。

実施例１の発光素子１００の構成について示した図。 実施例１の発光素子１００の製造工程について示した図。 実施例１の発光素子１００の製造工程について示した図。 実施例１の発光素子１００の製造工程について示した図。 実施例１の発光素子１００の製造工程について示した図。 実施例１の発光素子１００の製造工程について示した図。 実施例１の発光素子１００の製造工程について示した図。 実施例２の発光素子２００の構成について示した図。 ｎ電極１０７の平面パターンの一例を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光素子１００の構成を示した断面図である。発光素子１００は、レーザーリフトオフによって成長基板が除去され支持体１０１と接合された構造の発光素子であり、支持体１０１と、支持体１０１上に低融点金属層１０２を介して接合されたｐ電極１０３と、ｐ電極１０３上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるｐ型層１０４、活性層１０５、ｎ型層１０６と、ｎ型層表面に形成された凹部１０８と、凹部１０８底面１０８ａに形成されたｎ電極１０７と、によって構成されている。

支持体１０１には、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどからなる導電性基板を用いることができる。低融点金属層１０２には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層を用いることができ、低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。なお、低融点金属層１０２を用いて支持体１０１とｐ電極１０３とを接合するのではなく、ｐ電極１０３上に直接めっきやスパッタなどによってＣｕなどの金属層を形成して支持体１０１としてもよい。ｐ電極１０３には、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属や、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｕ合金などを用いることができる。また、ＩＴＯなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。

ｐ型層１０４、活性層１０５、ｎ型層１０６は、従来より発光素子の構成として知られている任意の構成でよい。ｐ型層１０４は、たとえば、支持体１０１側から順に、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層が積層された構造である。活性層１０５は、たとえば、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。ｎ型層１０６は、たとえば、活性層１０５側から順に、ＧａＮからなるｎクラッド層、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、が積層された構造である。

ｎ型層１０６表面には、凹部１０８が形成されている。凹部１０８の素子面に垂直な方向における断面は、素子面に平行な底面１０８ａと、対向する２つの側面１０８ｂとで構成された台形状である。凹部１０８の底面１０８ａ上には、ｎ電極１０７が形成されている。ｎ電極１０７は、凹部１０８の側面１０８ｂから離間して設けられている。このｎ電極１０７と側面１０８ｂとの間は空気層としてもよいし、III 族窒化物半導体よりも屈折率の低い誘電体などの材料によって埋められていてもよい。また、凹部１０８の側面１０８ｂは、凹部１０８底面１０８ａに対して垂直であってもよいし、傾斜を有していてもよい。

凹部１０８およびｎ電極１０７は、配線状のパターンであれば任意のパターンでよいが、素子面方向への電流の拡散性を向上させ、発光の均一性を向上させるために、対称性を有したパターンが望ましい。

図４は、発光素子１００の平面形状を正方形とした場合における、対称性を有したｎ電極１０７のパターンの一例を示した図である。図４に示すｎ電極１０７は、正方形の２つの対角近傍の位置に設けられたパッド部１０７ａと、パッド部１０７ａから延伸する配線状部１０７ｂとからなる。配線状部１０７ｂは、正方形の辺に平行な線で構成された格子状のパターンである。このｎ電極１０７は、正方形の対角線に対して線対称なパターンとなっており、発光の均一性向上を図ることができる。

ｎ電極１０７の材料には、Ｖ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｕなど、従来よりIII 族窒化物半導体発光素子のｎ電極材として知られている任意の材料を用いることができる。ただし、ｎ型層１０６のｎ電極１０７接合側の面は、成長基板が除去された側の面であり、III 族窒化物半導体の−ｃ面（Ｎ極性面）である。上記従来のｎ電極材は、＋ｃ面（Ｇａ極性面）に対しては低コンタクトであるが、−ｃ面に対しては必ずしも低コンタクトであるとは限らないため、より低いコンタクト抵抗を実現することができる他の材料を用いてもよい。

ｐ型層１０４のｐ電極１０３接合側表面であって、ｎ電極１０７と素子面に垂直な方向において対向する領域には、高抵抗領域１０９が形成されている。高抵抗領域１０９は、プラズマ照射、イオン注入、薬液処理などによってｐ型層１０４を高抵抗化することで形成することができる。また、ｐ型層１０４表面に絶縁膜や高コンタクト抵抗の金属膜を形成することで高抵抗領域１０９としてもよい。この高抵抗領域１０９は、ｎ電極１０７直下の活性層１０５の領域を発光させないようにするものである。ｎ電極１０７直下は、ｎ電極１０７による光の反射、吸収のため効率的に光を取り出すことが難しい領域であるから、この領域を発光させず、効率的に光を取り出すことができる領域のみを発光させることで、光出力を向上させることができる。

ｎ型層１０６のｎ電極１０７と接合している側の表面には、凹部１０８が形成されている領域を除いて微細な凹凸１１３が形成されている。微細な凹凸１１３は、微小な六角推が多数形成されたものであり、その六角推の側面は、素子面に対して約６０度の角を成している。この微細な凹凸１１３により、光取り出し効率を向上させている。

この発光素子１００では、ｎ型層１０６の表面に凹部１０８が形成されており、凹部１０８の側面１０８ｂに到達した光は、その側面１０８ｂにおいて光が反射されたり、側面１０８ｂから外部へと光が放射される。したがって、凹部１０８の底面１０８ａ下の領域には光が入り込みにくい構造となっている。ｎ電極１０７はこの凹部１０８の底面１０８ａ上に設けられており、ｎ電極１０７による光の反射、吸収が、従来の発光素子の構造、すなわち凹部１０８を設けずｎ型層１０６表面上にｎ電極１０７を設けた構造、に比べて抑えられている。その結果、発光素子１００は従来の発光素子に比べて光取り出し効率が向上している。

なお、光取り出し効率のさらなる向上のために、凹部１０８の深さは、ｎ型層１０６の厚さの１０〜９０％とすることが望ましい。ｎ型層１０６の厚さの１０％よりも浅いと、ｎ電極１０７の下部領域に入り込む光が増大し、ｎ電極によって光が反射、吸収されて光取り出しが阻害される可能性も高くなるので望ましくない。また、ｎ型層１０６の厚さの９０％よりも深いと、ｎ電極１０７の素子面方向への電流拡散が十分でなく、発光の均一性を悪化させてしまう。より望ましい凹部１０８の深さは、ｎ型層１０６の厚さの３０〜７０％である。

次に、発光素子１００の製造工程について、図２を参照に説明する。

まず、サファイア基板１１４上に、ＭＯＣＶＤ法によってIII 族窒化物半導体からなるｎ型層１０６、活性層１０５、ｐ型層１０４を順に積層させる（図２．Ａ）。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ）、キャリアガスとしてＨ₂ 、Ｎ₂ である。サファイア基板１１４以外にもＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、などをIII 族窒化物半導体の成長基板として用いることができる。

次に、ｐ型層１０４上の、のちに素子面に垂直な方向においてｎ電極１０８と対向する領域に、高抵抗領域１０９を形成する（図２．Ｂ）。高抵抗領域１０９は、プラズマ照射、イオン注入、薬液処理、などによってｐ型層１０４を高抵抗化することで形成することができる。また、ｐ型層１０４上に絶縁膜や高コンタクト抵抗の金属膜を成膜することで高抵抗領域１０９としてもよい。

次に、ｐ型層１０４上の端部を除いたほぼ全面に、蒸着法によってｐ電極１０３を形成し、さらにｐ電極１０３上に低融点金属層１０２を形成する（図２．Ｃ）。

次に、支持体１０１を用意し、低融点金属層１０２を介して、支持体１０１とｐ電極１０３を接合する（図２．Ｄ）。なお、ｐ電極１０３と低融点金属層１０２との間に図示しない拡散防止層をあらかじめ形成しておき、低融点金属層１０２の金属がｐ電極１０３側に拡散するのを防止するとよい。

そして、サファイア基板１１４側からレーザー光を照射して、レーザーリフトオフにより、サファイア基板１１４を分離除去する（図２．Ｅ）。

次に、露出したｎ型層１０６の表面に、凹部１０８のパターン形状の窓を開けたマスクを形成する。そして、Ｃｌプラズマ等を用いてマスクが形成されていない領域をドライエッチングし、所定の配線状のパターンの凹部１０８を形成する。その後マスクをバッファードフッ酸等により除去する（図２．Ｆ）。

次に、凹部１０８の底面に、フォトリソグラフィ、蒸着、リフトオフによってｎ電極１０７を形成する。次に、凹部１０８、ｎ電極１０７を覆うレジストなどのマスクを形成し、マスクに覆われていないｎ型層１０４表面を、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム）水溶液によってウェットエッチングし、微細な凹凸１１３を形成する。そして、支持体１０１を研磨して薄くし、支持体１０１の低融点金属層１０２側とは反対側の表面に裏面電極（図示しない）を形成し、レーザーダイシングによるチップ分離を行って図１に示す発光素子１００が製造される。

なお、上記発光素子１００の製造工程において、先にウェットエッチングによりｎ型層１０６表面に微細な凹凸１１３を設けたあとに、ドライエッチングにより凹部１０８を形成し、その後に凹部１０８の底面１０８ａにｎ電極１０７を形成してもよい。また、凹部１０８を形成した後、微細な凹凸１１３を設け、その後にｎ電極１０７を形成してもよい。また、微細な凹凸１１３の形成には、ＴＭＡＨ以外にＫＯＨやＮａＯＨなどの水溶液やリン酸を用いることもできる。

図３は、実施例２の発光素子２００の構成を示した断面図である。発光素子１００では、ｎ型層１０６表面に凹部１０８を形成し、その凹部１０８の底面１０８ａにｎ電極１０７を形成したが、実施例２の発光素子２００では、ｎ電極２０７をｎ型層１０６表面上に配線状のパターンに形成し、ｎ電極２０７の外周に沿って凹部２０８を設けた構成としている。それ以外の構成については発光素子１００と同様である。ｎ電極２０７のパターンも、実施例１のｎ電極１０７のパターンと同様に、配線状のパターンであれば任意のパターンでよいが、素子面方向への電流の拡散性を向上させ、発光の均一性を向上させるために、対称性を有したパターンが望ましい。たとえば、図４に示したｎ電極１０７のパターンは、ｎ電極２０７のパターンとしても採用可能である。

この発光素子２００は、ｎ電極２０７の外周に沿って凹部２０８が設けられており、凹部２０８の側面あるいは底面において光が反射されたり、外部へ光が取り出されたりする。そのため、ｎ電極２０７直下の領域に光が入り込みにくい構造となっている。したがって、実施例１の発光素子１００と同様に、ｎ電極１０７によって光が反射、吸収されることが減少するため、光取り出し効率が向上している。

また、上記実施例１、２では、凹部底面には微細な凹凸を設けていないが、凹部底面に微細な凹凸を設けてもよい。ただし、実施例１の場合においては、微細な凹凸上にｎ電極が形成されることとなり、ｎ電極と微細な凹凸との間で光が多重反射して減衰してしまい、光取り出し効率が悪化してしまうおそれがある。そのため、実施例１においては凹部底面には微細な凹凸を設けず、平坦なままとすることが望ましい。

また、実施例では、サファイア基板の除去にレーザーリフトオフを用いているが、サファイア基板とｎ型層との間に薬液に溶解させることができるバッファ層を形成し、支持体との接合後に薬液によってバッファ層を溶解させてサファイア基板を分離除去するケミカルリフトオフを用いてもよい。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置や表示装置などに用いることができる

１０１：支持体
１０２：低融点金属層
１０３：ｐ電極
１０４：ｐ型層
１０５：活性層
１０６：ｎ型層
１０７、２０７：ｎ電極
１０８、２０８：凹部
１０９：高抵抗領域
１１３：微細な凹凸

Claims (4)

1. 導電性の支持体と、前記支持体上に位置するｐ電極と、前記ｐ電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるｐ型層、活性層、ｎ型層と、前記ｎ型層上に位置するｎ電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記ｎ型層の前記ｎ電極形成側の表面に、配線状のパターンの凹部を有し、
   前記ｎ電極は、前記凹部底面に露出した前記ｎ型層上に、前記凹部側面から離間して設けられている、
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. 導電性の支持体と、前記支持体上に位置するｐ電極と、前記ｐ電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるｐ型層、活性層、ｎ型層と、前記ｎ型層上に位置するｎ電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記ｎ電極は配線状のパターンであり、
   前記ｎ型層の前記ｎ電極形成側の表面に、前記ｎ電極の外周に沿ったパターンの凹部を有している、
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
3. 前記ｐ型層の前記ｐ電極形成側の表面であって、前記ｎ電極と素子面に垂直な方向において対向する領域は、高抵抗領域である、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
4. 前記凹部の深さは、前記ｎ型層の厚さの１０〜９０％である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。

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