JP2014053593A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧を上昇させずに光取り出し効率を向上させることが出来る半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、少なくとも第１導電型半導体層、発光層および第２導電型半導体層がこの順で積層され、発光層からの光が第１導電型半導体層側から放射するフリップチップ型の半導体発光素子である。この半導体発光素子は、第２導電型半導体層上に設けられた透明電極と、透明電極上に設けられ、屈折率の異なる誘電体からなる層が交互に積層された多重反射膜と、多重反射膜上に設けられ、発光層からの光に対して高反射率を有する金属からなり、少なくとも一部が透明電極に接するように設けられた電極と、電極上に設けられた接合電極１７ａとを備える。接合電極１７ａが電極と接する接触部と、電極が透明電極と接する接触部Ｒとは平面視において異なる位置に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特にフリップチップ型の半導体発光素子及びその製造方法に関する。

近年、窒化物半導体素子を発光素子として用いた青色発光素子と蛍光体とを備えた白色発光装置が、大型液晶テレビのバックライトおよび照明用の光源等に用いられるようになりつつある。このような大型液晶テレビおよび照明等の製品には、一度に大量の白色発光装置を使用する。そのため、これらの製品に用いられる青色発光素子には、良質に大量生産できることが求められている。

このような、大型液晶テレビのバックライトおよび照明用の光源等に用いられる窒化物半導体発光素子は、従来の窒化物半導体発光素子のような２０ｍＡ程度の比較的低電流領域ではなく、例えば８０ｍＡ以上の大電流領域で駆動されるのが一般的となりつつある。

しかしながら、上記従来の窒化物半導体発光素子を大電流、高温で駆動すると、発光効率の低下を招くことがあることが問題となっていた。これにより、単位電力当たりの電力効率の低下を招くことがあった。

上記従来の窒化物半導体発光素子は熱伝導率の悪いサファイア基板等の絶縁性の基板上に形成され、このサファイア基板が実装基板に固定されていた。そのため、特に大電流駆動時における窒化物半導体発光素子の放熱が課題となっていた。

そこで、上記放熱特性が改善された窒化物半導体発光素子として、例えば、特許文献１に示すような、フリップチップタイプの窒化物半導体発光素子が提案されている。

特許文献１には、フリップチップ型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子について開示されている。図２０は、フリップチップ型の半導体発光素子について示しており、この半導体発光素子では、サファイア基板などの透光性基板３２の側から光が外部に出力される。透光性基板３２の上には、バッファ層３１、ｎ型コンタクト層３０、歪み緩和層２９、発光層２８およびｐ型クラッド層２７などのＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層が積層されており、最上層がｐ型コンタクト層２６である。このｐ型コンタクト層２６の上に、順次、透明導電膜２５、誘電体からなる多重反射膜（ＤＢＲ）２４および金属からなる反射膜２３が形成されている。ｎ型コンタクト層３０上にはｎ電極２１が形成されている。ｎ電極２１と対角の位置にある透明導電膜２５の上面には多重反射膜（ＤＢＲ）２４と反射膜２３とが形成されていない露出部が設けられており、この露出部上にｐ電極である電極層２２が形成されている。

特許文献１には、前記多重反射膜により反射膜と透明導電膜との界面反応が抑制されるので、透明導電膜の透過率および反射膜の反射率の低下を防止することができ、よって、透光性基板を通して外部に出力される光の取出し効率が向上するという技術が開示されている。

特開２００６−１２０９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ｐ電極である電極層の上面に、外部との接続用の接合電極を形成している。そのため、接合電極の形成時や接合電極を介して発光素子を実装基板などへ搭載する時などに加わる応力等により、透明導電膜に歪みやクラックが入る可能性がある。これが原因で、発光素子の動作電圧の上昇を招くという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発光素子の動作電圧を上昇させずに、光の取り出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体発光素子は、少なくとも第１導電型半導体層、発光層および第２導電型半導体層がこの順で積層され、発光層からの光が第１導電型半導体層側から放射するフリップチップ型の半導体発光素子である。半導体発光素子は、第２導電型半導体層上に設けられた透明電極と、透明電極上に設けられ、屈折率の異なる誘電体からなる層が交互に積層された多重反射膜と、多重反射膜上に設けられ、発光層からの光に対して高反射率を有する金属からなり、少なくとも一部が透明電極に接するように設けられた電極と、電極上に設けられた接合電極とを備える。接合電極が電極と接する接触部と、電極が透明電極と接する接触部とは平面視において異なる位置に形成される。

電極が透明電極と接する接触部は、複数個形成されていることが好ましい。電極は、ｐ側電極及びｎ側電極のいずれか一方であることが好ましい。ｐ側電極及びｎ側電極の他方は、第１導電型半導体層とのオーミック接続電極を兼ねることが好ましい。

第１導電型半導体層に対して発光層とは反対側には、透光性を有する基板が設けられていることが好ましい。

第１導電型半導体層、発光層および第２導電型半導体層を含む半導体層を備えていることが好ましく、透明電極から最も離れて位置する半導体層の面は、凹凸形状を有することが好ましい。

接合電極は、電極上に設けられた絶縁膜をテーパー状に加工して形成された開口部において電極と接することが好ましい。接合電極は、導電性バンプであることが好ましい。接合電極は、多層金属膜により形成されていることが好ましい。

電極が透明電極と接する接触部の下方であって少なくとも第２導電型半導体層と透明電極との間には、電流非注入層が第２導電型半導体層に接して設けられていることが好ましい。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、少なくとも第１導電型半導体層、発光層および第２導電型半導体層がこの順で積層されてなる半導体層を備え、発光層からの光が第１導電型半導体層側から放射するフリップチップ型半導体発光素子を製造する方法である。本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体層を形成する工程と、第２導電型半導体層上に、透明電極を形成する工程と、透明電極上に、屈折率の異なる誘電体からなる層が交互に積層された多重反射膜を形成する工程と、少なくとも一部が透明電極に接するように、多重反射膜上に、発光層からの光に対して高反射率を有する金属からなる電極を形成する工程と、電極上に、接合電極を形成する工程とを備える。接合電極を形成する工程は、平面視において、電極が透明電極と接する接触部とは異なる位置に、接合電極が電極と接する接触部を形成する工程を有する。

半導体層を形成する工程は、透光性を有する基板上に半導体層を形成する工程を有することが好ましい。半導体層を形成する工程の後に、基板を除去する工程を行なうことが好ましい。

透明電極から最も離れて位置する半導体層の面を凹凸形状に加工する工程をさらに含むことが好ましい。

接合電極を形成する工程は、蒸着リフトオフ法、スパッタ法、メッキ法または印刷法により接合電極を形成することが好ましい。

本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法によれば、動作電圧を上昇させずに、光の取り出し効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一製造工程を説明する平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の一断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。 従来技術に関する断面図である。

以下、本発明の実施形態として、本発明をＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）に適用した場合を例示する。ただし、本発明が適用可能な半導体発光素子は、ＬＥＤに限られない。例えばレーザダイオードなど、半導体発光素子の全般に対して、本発明を適用することが可能である。

尚、本実施形態に係る発明の図面において、長さ、幅、及び厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。以下では、同一の構成については同一の符号を付してその説明は省略するものとする。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の平面図であり、図２〜図４は、図１に示す平面図においてＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の断面で切断したときの断面図を示している。上記各図面を用いて、本実施形態により得られる半導体発光素子の説明を行う。尚、図１〜図４で示す各部材の詳細については後述するものとする。

図１において、１０ａはｐ側電極、１７ａはｐ側接合電極、１７ｂはｎ側接合電極であり、図１中に示すＲは、ｐ側電極１０ａと透明電極５とが接触する接触部である。ｐ側接合電極１７ａおよびｎ側接合電極１７ｂのそれぞれは、導電性を有し、半導体発光素子とリードパターンとを接続するバンプの機能を有する導電性バンプであることが好ましい。

図２は、図１におけるＡ−Ａ’で切断したときの断面図を示していて、１は基板、２はn型窒化物半導体層、３は発光層、４はｐ型窒化物半導体層、５は透明電極、８は多重反射膜、１１は絶縁膜である。１０ａはｐ側電極、１０ｂはｎ側電極である。また、図２中のＲは、ｐ側電極１０ａと透明電極５とが接触する接触部であり、この接触部は、応力等が透明電極５に直接かかることを防止するために、ｐ側接合電極１７ａの下面とは異なる位置に形成している。つまり、平面視したときには、ｐ側接合電極１７ａがｐ側電極１０ａと接する接触部と、ｐ側電極１０ａが透明電極５と接する接触部とが異なる位置に形成されるということである。

図３は、主にｐ側接合電極１７ａを通過するように、図１におけるＢ−Ｂ’で切断したときの断面図を示している。１５は金属バリア層である。また、図４は、主にｎ側接合電極１７ｂを通過するように、図１におけるＣ−Ｃ’で切断したときの断面図である。

上述したように、ｐ側接合電極を多重反射膜を介してｐ側電極上に形成し、ｐ側接合電極の下面以外の部分、すなわちｐ側接合電極の直下以外の部分において、ｐ側電極と透明電極とを接触させている。そのため、ｐ側接合電極の形成時やｐ側接合電極を介して半導体発光素子を実装基板などへ搭載する際などにおいて、透明導電膜に対して応力が加わることを防止できる。よって、透明導電膜に歪みやクラックが入ることを防止できるので、発光素子の動作電圧の上昇を防止することができる。本実施形態に係る半導体発光素子の構成部材の材料などについては、以下において半導体発光素子の製造方法を説明しながら示す。

以下、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例について、主に半導体層を形成するまでを図５を用いて説明する。半導体発光素子の電極部分等の成膜に係る工程の詳細については後述する。図５は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図である。

最初に、図５（ａ）に示すように、サファイアなどからなる透光性を有する基板１を用意する。そして、図５（ｂ）に示すように、基板１の一方の主面（以下、表面とする）を凹凸形状に加工する。例えば、このような凹凸形状は、凹部（溝）を形成すべき部分を除いて基板１の表面上にフォトレジストマスクを形成し、ＢＣｌ₃またはＣｌ₂などとＡｒなどとの混合ガスなどのハロゲン系ガスを用いたＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）等のエッチングを行うことで形成することができる。

基板１は、例えばＧａＮ、ＳｉＣまたはＺｎＯなどからなる導電性基板であっても良い。尚、基板１がサファイアからなる場合、後述する電極部分の成膜後に、レーザーリフト法など種々の好適な周知技術を用いて基板１を除去しても良い。つまり、本実施形態に係る半導体発光素子は、基板１を備えていなくても良い。

次に、図５（ｃ）に示すように、凹凸状になった基板１の表面上に、例えばｎ型のＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２、例えばＧａＮからなる障壁層と例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層とが交互に積層されるとともに最初及び最後の層が障壁層となる多重量子井戸構造を備えた発光層３、および、例えばｐ型のＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層４をこの順番で積層する。このようにして、基板１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、発光層３およびｐ型窒化物半導体層４を有する半導体層が形成される。よって、ｎ型窒化物半導体層２側に位置する半導体層の表面（透明電極５から最も離れて位置する半導体層の面）は凹凸形状を有することとなる。

上記多重量子井戸構造における各井戸層の組成は、半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されることが好ましく、例えばＡｌ_aＧａ_bＩｎ_(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であることが好ましく、より好ましくはＡｌを含まないＩｎ_cＧａ_(1-c)Ｎ（０＜ｃ≦１）である。例えば、波長が３７５ｎｍ以下の紫外光を本実施形態に係る半導体発光素子が発光する場合、ＭＱＷ発光層のバンドギャップエネルギーを大きくする必要があり、よって、各井戸層の組成はＡｌを含むこととなる。

また、最初の障壁層及び最後の障壁層を含む各障壁層を構成する材料は、それぞれ、各井戸層を構成する材料よりもバンドギャップエネルギーが大きい方が好ましい。具体的には、Ａｌ_dＧａ_eＩｎ_(1-d-e)Ｎ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ≦１）からなることが好ましく、Ａｌを含まないＩｎ_fＧａ_(1-f)Ｎ（０＜ｆ≦１、ｃ＞ｆ）からなることがより好ましく、格子定数が井戸層を構成する材料とほぼ同一であるＡｌ_gＧａ_hＩｎ_(1-g-h)Ｎ（０≦ｇ＜１、０＜ｈ≦１）からなることがさらに好ましい。

ｎ型窒化物半導体層２、発光層３及びｐ型窒化物半導体層４は、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって形成可能である。

上記ｎ型窒化物半導体層２は、単層であっても良いし、下地層、コンタクト層、クラッド層、中間層、歪み緩和層または超格子層などの組成またはドーパント濃度などが異なる複数の窒化物半導体層が組み合わせられたものであっても良い。

上記ｐ型窒化物半導体層４は、単層であっても良いし、中間層、蒸発防止層、超格子層、クラッド層またはコンタクト層などの組成またはドーパント濃度などが異なる複数の窒化物半導体層が組み合わせられたものであっても良い。

ｎ型窒化物半導体層２に含まれるｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉを用いることができ、ｐ型窒化物半導体層４に含まれるｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇを用いることができる。

尚、このｐ型窒化物半導体層４の形成後、ｐ型ドーパンドを活性化させるべくアニールを行ってもよい。また、ｎ型窒化物半導体層２、発光層３及びｐ型窒化物半導体層４を構成するＧａＮまたはＩｎ_xＧａ_(1-x)Ｎに、Ａｌなどの他の元素が含まれていても良い。

次に、図５（ｄ）に示すように、ｐ型窒化物半導体層４上に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極５を形成する。この透明電極５は、例えばスパッタリング法などによって形成することができる。形成された透明電極５の厚さは、例えば１３０ｎｍであることが好ましい。

本実施形態における半導体発光素子の製造方法では、後の工程でｎ型窒化物半導体層２上に電極（ｎ側電極１０ｂ）を形成するため、当該電極を形成する領域においてはｎ型窒化物半導体層２を露出させる必要がある。そこで、図５（ｅ）に示すように、当該領域における透明電極５と、ｐ型窒化物半導体層４と、発光層３と、ｎ型窒化物半導体層２の一部とを除去する。

透明電極５は、例えば王水等によるエッチングによって除去することができる。また、ｐ型窒化物半導体層４、発光層３及びｎ型窒化物半導体層２は、例えばＳｉＣｌ₄ハロゲン系ガスを用いたＩＣＰ等のエッチングによって除去することができる。ただし、これらのエッチングを行う場合、除去すべき部分を除いてフォトレジストマスクを形成する必要がある。尚、エッチングで使用したフォトレジストマスクは、当該エッチングの終了後に除去する。

次に、主に電極部分の成膜工程について工程図を用いて説明する。図６（ａ）は、透明電極５上にフォトレジストマスク６を形成した後の半導体発光素子の平面図を示している。図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。尚、Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’は、それぞれ、後述するｐ側接合電極１７ａ、ｐ側電極１０ａと前記透明電極５とが接触する接触部、ｎ側接合電極１７ｂの断面を主に示すための切断線である。

図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、ｐ型窒化物半導体層４上に形成されたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極５上に、フォトレジストマスク６を形成する。

図７（ａ）は、テーパーエッチング後の半導体発光素子の平面図を示している。図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図７（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図７（ｂ）、（ｄ）に示すように、ｎ型窒化物半導体層２が露出するまで、フォトレジストマスク６から露出したｐ型窒化物半導体層４および発光層３をテーパー状にエッチングする（テーパーエッチング）。これにより、フォトレジストマスク６から露出した部分には、側面がｐ型窒化物半導体層４の厚さ方向に対して傾斜するメサ部が形成される。このテーパーエッチングは、例えばＣｌ₂ガスをエッチングガスに用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により行うことが好ましい。このテーパーエッチングを行った後にフォトレジストマスク６を除去する。

図８（ａ）は、多重反射膜８の形成後にフォトレジストマスク７のリフトオフを行った後の平面図を示している。図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図８（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すようなフォトレジストマスク７のパターンを形成し、発光層３からの光を基板１側に向かって反射させる多重反射膜８であるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を蒸着などにより形成する。多重反射膜８は、屈折率の異なる誘電体からなる層が交互に積層されてなり、たとえば高屈折率を有する誘電体からなる層と低屈折率を有する誘電体からなる層との多層構造からなる。多重反射膜８は、厚さが下部（ｎ型窒化物半導体層２側）から上部（ＤＢＲの表層側）にかけて少しずつ変化するチャープ構造をとることが好ましい。より具体的には、多重反射膜８は、下部から上部へ向かって、厚さが５５６ｎｍのＳｉＯ₂膜、厚さが６０ｎｍのＴｉＯ₂膜、厚さが７８ｎｍのＳｉＯ₂膜、厚さが７８ｎｍのＴｉＯ₂膜および厚さが５５ｎｍのＳｉＯ₂膜が順に積層されて構成されていることが好ましい。多重反射膜８の形成後に、フォトレジストマスク７をリフトオフする。

図９（ａ）は、電極（ｐ側電極１０ａおよびｎ側電極１０ｂの両方を示す場合には「電極」と記す）の形成後に、フォトレジストマスク９のリフトオフを行った後の平面図を示している。図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図９（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

多重反射膜８であるＤＢＲは、特定の角度範囲から入射する光に対しては高い反射率を有するが、それ以外の角度範囲から入射する光に対しては高い反射率を有さず、透過させる。そのため、ＤＢＲにより反射されなかった光を基板１側に向かって反射させる目的で反射膜を兼ねる電極を形成する。図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すようにフォトレジストマスク９のパターンを形成してから、反射膜を兼ねる電極を蒸着などにより形成する。１０ａがｐ側電極で、１０ｂがｎ側電極である。尚、本実施形態では、ｐ側電極１０ａが透明電極５およびｐ側接合電極１７ａのそれぞれに接しており、ｎ側電極１０ｂが反射膜だけでなくｎ型窒化物半導体層２とのオーミック接続電極も兼ねている。

電極は、発光層３からの光に対して高反射率を有する金属からなり、例えばＡｌからなることが好ましい。これにより、電極は、紫外〜赤色までの波長の光を比較的高効率（比較的高い反射率）で反射させることができる。電極は、Ａｇからなっても良い。これにより、窒化物半導体発光素子が発する近紫外〜青色領域の光を高効率（高い反射率）で反射させることが可能である。しかし、マイグレーションを起こし易い為、取り扱いに注意が必要である。

また、図９（ｃ）において、Ｒは、ｐ側電極１０ａと透明電極５とが接触する接触部である。半導体発光素子の製造工程において、この接触部が後述するｐ側接合電極１７ａの下面に形成されることを防止することにより、透明電極５に対してｐ側接合電極１７ａによる応力等が直接かからないようにしている。言い換えるならば、平面視したときには、ｐ側接合電極１７ａがｐ側電極１０ａと接する接触部と、ｐ側電極１０ａが透明電極５と接する接触部とが異なる位置に形成されるということである。なお、ｐ側電極１０ａと透明電極５とが接触する接触部は複数個形成されることが好ましい。これにより、半導体発光素子において抵抗を低く抑えることができる。電極の形成後に、フォトレジストマスク９をリフトオフする。

図１０（ａ）は、絶縁膜１１の形成後の平面図を示している。図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１０（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、層間膜として絶縁膜１１をプラズマＣＶＤ法などにより形成する。

尚、絶縁膜１１としては、例えばＳｉＯ₂膜、ＺｎＯ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＡｉＮ膜、ＡｌＯＮ膜またはＳｉＮ膜などが用いられる。

図１１（ａ）は、絶縁膜１１のエッチング後であってフォトレジストマスク１２を除去する前の平面図を示している。図１１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１１（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図１１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、絶縁膜１１上にフォトレジストマスク１２を形成し、ＩＣＰ等のドライエッチングによりフォトレジストマスク１２から露出する絶縁膜１１を除去する。これにより、絶縁膜１１には凹部１３が形成される。凹部１３は、電極と後述するｐ側接合電極１７ａまたはｎ側接合電極１７ｂとの電気的導通を得るために形成される。絶縁膜１１のエッチングの後に、フォトレジストマスク１２を除去する。ここで、凹部１３は、絶縁膜１１をテーパー状に加工して形成された開口部であることが更に好ましい。これにより、後述する金属バリア層１５を形成する際に、絶縁膜１１の角部において金属バリア層１５が形成され難くなることを防止でき、いわゆる「段落切れ」の発生を抑制する効果を有する。

図１２（ａ）は、フォトレジストマスク１４の形成後の平面図を示している。図１２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１２（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図１２（ｂ）に示すように、チップの端を除いてフォトレジストマスク１４を形成し、ＩＣＰ等のドライエッチングによりフォトレジストマスク１４から露出する絶縁膜１１を除去する。これにより、チップ分割用溝が形成される。絶縁膜１１のエッチングの後にフォトレジストマスク１４を除去する。

図１３（ａ）は、金属バリア層１５を形成した後の平面図を示している。図１３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１３（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図１３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、金属バリア層１５として、タングステンを主要成分とする合金膜であるＴｉＷをスパッタリング法により形成する。金属バリア層１５は、たとえばＡｌからなる前記電極と後述するｐ側接合電極１７ａまたはｎ側接合電極１７ｂとが相互拡散することを防止するために設けられる層である。また、金属バリア層１５は、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ｔｉ層、Ｗ層、Ａｌ層およびＰｔ層のうちの２以上の層が積層されてなる金属多層膜であってもよい。金属バリア層１５は、Ｎｉ／Ａｕ層であることが好ましく、これにより、金属バリア層１５は、Ａｌと相互拡散し易くなり、後述するｐ側接合電極１７ａまたはｎ側接合電極１７ｂに共晶接合し易くなる。

図１４（ａ）は、ｐ側接合電極１７ａおよびｎ側接合電極１７ｂの形成後であってフォトレジストマスク１６を除去する前の平面図を示している。図１４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１４（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。

図１４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、フォトレジストマスク１６を形成し、厚さが３μｍのＡｕ層からなる接合電極（ｐ側接合電極１７ａおよびｎ側接合電極１７ｂの両方を示す場合には「接合電極」と記す）を蒸着リフトオフ法、スパッタ法、メッキ法、ペースト法または印刷法により形成する。接合電極は、互いに異なる金属からなる２種以上の金属膜が積層されてなる多層金属膜であることが好ましく、たとえばＮｉ／Ａｕ層、ＴｉＷ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ａｇ層またはＮｉ／ＡｕＳｎ層であることが好ましい。紙面に向かって左側に形成される接合電極がｐ側接合電極１７ａであり、紙面に向かって右側に形成される接合電極がｎ側接合電極１７ｂである。接合電極を形成した後に、フォトレジストマスク１６を除去し、接合電極の下面以外の部分に形成された金属バリア層１５をエッチングして絶縁膜１１を露出させる。これにより、図１５（ａ）〜（ｄ）に示す半導体発光素子が得られる。図１５（ａ）は、得られた半導体発光素子の平面図を示している。図１５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１５（ａ）において示すＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’で切断した切断面に係る断面図である。得られた半導体発光素子では、ｐ側接合電極１７ａは凹部１３において金属バリア層１５を挟んでｐ側電極１０ａ上に設けられ、ｎ側接合電極１７ｂは凹部１３において金属バリア層１５を挟んでｎ側電極１０ｂ上に設けられる。上述のように、凹部１３が絶縁膜１１をテーパー状に加工して形成された開口部であれば、絶縁膜１１の角部において金属バリア層１５が形成され難くなることを防止できる。よって、ｐ側接合電極１７ａとｐ側電極１０ａとの間の電気抵抗を低く維持することができ、ｎ側接合電極１７ｂとｎ側電極１０ｂとの間の電気抵抗を低く維持することができる。

上述したように、本実施形態に係る半導体発光素子では、ｐ側接合電極を多重反射膜を介してｐ側電極（反射膜を兼ねる）に接続し、ｐ側接合電極とｐ側電極との接続部以外の部分でｐ側電極と透明電極とを接触させている。よって、透明電極に対して応力をかけることなく、ｐ側電極と透明電極との電気的導通を得ることができる。

また、このような構成にすることにより、ｐ側接合電極の位置や数量にかかわらず、ｐ側接合電極の数量よりも多くの箇所で、反射膜を兼ねるｐ側電極の反射率を損なうことなく、ｐ側電極（ｐ側電極は、電流拡散効果が高く、発光層からの光の反射膜を兼ねる）と透明電極（透明電極は、ｐ型窒化物半導体層とのオーミック接続が比較的容易で、発光層の光に対して高い透光性を有する）とを接続させることができる。よって、透明電極とｐ型窒化物半導体層とのオーミック接続部での電極の反射率の低下を抑制できるので、電流を発光層により均一に供給でき、均一な発光が可能になる。したがって、光の取り出し効率を向上させることができる。

尚、本実施形態では、ｎ側電極１０ｂがｎ側接合電極１７ｂに接していても良い。その場合には、ｐ側電極１０ａが反射膜だけでなくｐ型窒化物半導体層４とのオーミック電極も兼ねていることが好ましい。また、基板１上には、ｐ型窒化物半導体層４、発光層３およびｎ型窒化物半導体層２が順に設けられていても良い。

＜第２の実施形態＞
図１６に第２の実施形態に係る半導体発光素子の一断面図を示す。本実施形態は、電極が透明電極５と接する接触部の下方であってｐ型窒化物半導体層４と透明電極５との間に電流非注入層５１がｐ型窒化物半導体層４に接して形成されていることを除いては、上記第１の実施形態と同一である。電流非注入層５１は、本実施形態に係る半導体発光素子に電圧を印加したときであっても電流が流れない部分であり、フォトリソグラフィ法などを用いてＳｉＯ₂などで形成されることが好ましい。

電流非注入層が設けられていない場合、電極が透明電極と接する接触部は、多重反射膜を有さないので、発光層からの光を透過または吸収しやすい構造となる。また、電流は、電極が透明電極と接する接触部の直下のｐ型窒化物半導体層に流れやすく、透明電極中に拡散し難くなる。しかし、本実施形態では、電流非注入層５１が設けられているので、電極が透明電極５と接する接触部の直下における電流集中が抑制される。また、発光層３からの光を反射率の高い電流非注入層５１で反射させることができるので、電極が透明電極５と接する接触部における光の透過および吸収が抑制される。

本願発明のフリップチップタイプの半導体発光素子を実装した白色半導体発光装置の例を図１７〜図１９に示す。

図１７、１８は、本実施形態に係るフリップチップタイプの半導体発光素子を実装した白色半導体発光装置の平面図であり、図１９は、図１７においてＤ−Ｄ’で切断した断面図である。図１７は当該半導体発光装置における下面図で、図１８はその上面図である。

図１９に示すように、半導体発光素子は、基板１の裏面側を上面として、半導体層が形成された基板１の面側を下面として、透明封止材２０で封止されている。このような半導体発光素子は、例えばセラミックや樹脂パッケージなどの基体上に設けられており、ｐ側接合電極１７ａ及びｎ側接合電極１７ｂを介して上記基体に電気的に接続されている。

基体１９の形状としては、用途に応じて選択することができる。基体１９は、たとえば、平面板状であっても良いし、細長い棒状であっても良いし、窪みを有し且つその窪みの側面がリフレクタとして作用するバスタブ状であっても良い。基体１９には、外部との接続用の配線であるリードパターン１８ａ，１８ｂが形成されており、この配線を通して外部より電流が供給される。

尚、実装の簡便性や放熱特性、外部光出力の向上などの観点から、半導体発光素子と基体１９との間にサブマウントを設けても良い。基体１９上に実装された半導体発光素子は、当該半導体発光素子からの光を他の波長の光に変換する蛍光体を含む樹脂によりコーティングされていることが好ましく、半導体発光素子が発する光と蛍光体が発する光とが混色されて白色光を放射する。

以上の様に、本発明の電極構成を用いることにより、ｐ側接合電極の形成時や発光素子を実装基板などへ搭載する際などに加わる応力等により、透明電極に歪みやクラックが入ることを防止できる。よって、発光素子の動作電圧を上昇させずに、光の取り出し効率を向上することが可能となる。

１ 基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３，２８ 発光層、４ ｐ型窒化物半導体層、５ 透明電極、６，７，９，１２，１４，１６ フォトレジストマスク、８ 多重反射膜、１０ａ ｐ側電極、１０ｂ ｎ側電極、１１ 絶縁膜、１３ 凹部、１５ 金属バリア層、１７ａ ｐ側接合電極、１７ｂ ｎ側接合電極、１８ａ，１８ｂ リードパターン、１９ 基体、２０ 透明封止材、２１ ｎ電極、２２ 電極層（ｐ電極）、２３ 反射膜、２５ 透明導電膜、２６ ｐ型コンタクト層、２７ ｐ型クラッド層、２９ 歪み緩和層、３０ ｎ型コンタクト層、３１ バッファ層、３２ 透光性基板、５１ 電流非注入層。

Claims (13)

1. 少なくとも第１導電型半導体層、発光層および第２導電型半導体層がこの順で積層され、前記発光層からの光が前記第１導電型半導体層側から放射するフリップチップ型の半導体発光素子であって、
   前記第２導電型半導体層上に設けられた透明電極と、
   前記透明電極上に設けられ、屈折率の異なる誘電体からなる層が交互に積層された多重反射膜と、
   前記多重反射膜上に設けられ、前記発光層からの光に対して高反射率を有する金属からなり、少なくとも一部が前記透明電極に接するように設けられた電極と、
   前記電極上に設けられた接合電極とを備え、
   前記接合電極が前記電極と接する接触部と、前記電極が前記透明電極と接する接触部とは平面視において異なる位置に形成される半導体発光素子。
2. 前記電極が前記透明電極と接する接触部は、複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記電極は、ｐ側電極及びｎ側電極のいずれか一方であり、前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極の他方は、前記第１導電型半導体層とのオーミック接続電極を兼ねることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１導電型半導体層に対して前記発光層とは反対側には、透光性を有する基板が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記第１導電型半導体層、前記発光層および前記第２導電型半導体層を含む半導体層を備え、
   前記透明電極から最も離れて位置する半導体層の面は、凹凸形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 前記接合電極は、前記電極上に設けられた絶縁膜をテーパー状に加工して形成された開口部において、前記電極と接することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 前記接合電極は、導電性バンプであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
8. 前記接合電極は、多層金属膜により形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
9. 前記電極が前記透明電極と接する接触部の下方であって少なくとも前記第２導電型半導体層と前記透明電極との間には、電流非注入層が前記第２導電型半導体層に接して設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子。
10. 少なくとも第１導電型半導体層、発光層および第２導電型半導体層がこの順で積層されてなる半導体層を備え、前記発光層からの光が前記第１導電型半導体層側から放射するフリップチップ型半導体発光素子を製造する方法であって、
    前記半導体層を形成する工程と、
    前記第２導電型半導体層上に、透明電極を形成する工程と、
    前記透明電極上に、屈折率の異なる誘電体からなる層が交互に積層された多重反射膜を形成する工程と、
    少なくとも一部が前記透明電極に接するように、前記多重反射膜上に、前記発光層からの光に対して高反射率を有する金属からなる電極を形成する工程と、
    前記電極上に、接合電極を形成する工程とを備え、
    前記接合電極を形成する工程は、平面視において、前記電極が前記透明電極と接する前記接触部とは異なる位置に、前記接合電極が前記電極と接する接触部を形成する工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
11. 前記半導体層を形成する工程は、透光性を有する基板上に前記半導体層を形成する工程を有し、
    前記半導体層を形成する工程の後に、前記基板を除去する工程を行なうことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法。
12. 前記透明電極から最も離れて位置する半導体層の面を凹凸形状に加工する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法。
13. 前記接合電極を形成する工程は、蒸着リフトオフ法、スパッタ法、メッキ法または印刷法により前記接合電極を形成することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

Images