JP2014060294A - Led素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光層内を流れる電流の水平方向への広がりを確保して高い発光効率を実現しつつ、製造時に層界面での亀裂や剥がれの発生を防ぐLED素子を実現する。
【解決手段】支持基板11の上層に形成された導電層20、導電層20の上層に形成された、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成されている導電性酸化膜層38、導電層20の一部上面及び導電性酸化膜層38の一部上面に底面を接触して形成された、p型半導体で構成される第1半導体層32、第1半導体層32の上層に形成され第1半導体層32よりも低濃度のp型半導体で構成される第2半導体層31、第2半導体層31の上層に形成された発光層33、発光層33の上層に形成されたn型半導体で構成される第3半導体層35、及び導電性酸化膜層38と鉛直方向に対向する位置に第3半導体層35の一部上面に底面を接触して形成された電極42を有する。
【選択図】 図1
【解決手段】支持基板11の上層に形成された導電層20、導電層20の上層に形成された、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成されている導電性酸化膜層38、導電層20の一部上面及び導電性酸化膜層38の一部上面に底面を接触して形成された、p型半導体で構成される第1半導体層32、第1半導体層32の上層に形成され第1半導体層32よりも低濃度のp型半導体で構成される第2半導体層31、第2半導体層31の上層に形成された発光層33、発光層33の上層に形成されたn型半導体で構成される第3半導体層35、及び導電性酸化膜層38と鉛直方向に対向する位置に第3半導体層35の一部上面に底面を接触して形成された電極42を有する。
【選択図】 図1
Description
本発明はLED素子及びその製造方法に関し、特に窒化物半導体で構成された縦型LED素子及びその製造方法に関する。
従来、窒化物半導体を用いたLEDにおいては、主としてGaNが利用されている。この場合、格子整合の観点からサファイア基板上にエピタキシャル成長させて欠陥の少ないGaN膜を形成することで、窒化物半導体からなるLED素子を形成していた。ここで、サファイア基板は絶縁材であることから、GaN系LEDへの給電には、p層の一部を削ってn層を露出させ、p層及びn層の各層に給電用電極を形成していた。このように給電用の電極が同じ向きに配置されている構造のLEDを横型構造と呼び、例えば下記特許文献1にこのような技術が開示されている。
一方で、LED素子の発光効率の改善や光取り出しの効率化を目的として、p層とn層を表裏面に配置して給電する、いわゆる縦型構造のLEDの開発が進められている。この縦型構造のLEDを製造する際には、サファイア基板上に下から順にn層、p層を配置し、当該p層側にシリコン(Si)や銅タングステン(CuW)からなる支持基板を接合した後、サファイア基板が除去される。この場合、素子表面はn層側となり、このn層に給電用電極としてボンディング電極を設け、このボンディング電極に給電線であるワイヤを繋ぐ(ワイヤボンディング)ことで電力供給を行っている。例えば下記特許文献2にはこのような技術が開示されている。
また、この特許文献2には、発光効率を高める目的で、p層側の電極上層に、ボンディング電極に対して下方に対向する位置に絶縁層を設ける構成が開示されている。
絶縁層が形成されていない場合、p層側の電極とボンディング電極(これはn層側の電極でもある)の間に電圧が印加されると、p層側の電極(以下、「p側電極」と呼ぶ。)からボンディング電極(以下、「n側電極」と呼ぶ。)にほぼ最短距離で向かう鉛直方向の電流経路が形成される。これらの両電極間に発光層を含む半導体層が形成されているため、発光層内においてもこれら両電極に挟まれた箇所に集中して電流が流れてしまう。この結果、水平方向に関し発光層内の広い範囲に電流が流れず、発光領域が限定的になり、LED素子から取り出される光量は極めて少ないものとなってしまう。
特許文献2に開示されているように、鉛直方向に関してn側電極に対向する位置に係るp側電極の上層に絶縁層を設けることで、半導体層と接するp側電極の位置とn側電極とが、発光層を含む半導体層を介して鉛直方向に対向する位置関係に配置されるという状況が回避される。このとき、両電極間に電圧が印加された場合に、発光層内において水平方向に一定の広がりを有した電流経路を介して、p側電極からn側電極に向かって電流が流れる。これにより、発光層内を電流が流れる領域が水平方向に広がり、LED素子の発光効率が高まる。
しかしながら、本発明者の鋭意研究により、発光層内の水平方向に広い領域に電流が流れるように、電極の対向位置に絶縁層を形成してLED素子を製造すると、絶縁層とp側電極の界面で亀裂や剥がれが生じる可能性があることが分かった。
前述の絶縁物としては一般的にSiO2が用いられるが、SiO2の熱膨張係数は5×10−7/K程度の低い値を示す。一方、p側電極としては一般的にAgが用いられるが、Agの熱膨張係数は2×10−5/K程度であり、両者には40倍程度の乖離がある。
ところで、p層側に支持基板を接合する際には、素子に対して高い温度が与えられる。このとき、熱膨張係数の高いp側電極(Ag)と、このp側電極に接する熱膨張係数の低い絶縁層(SiO2)とでは、膨張の度合いに大きな差がある。従って、加熱工程が終了し、素子が冷却されると、p側電極の圧縮応力と絶縁層の圧縮応力の差に起因して、この界面で亀裂や剥がれが生じ得る。この亀裂や剥がれが生じてしまうと、そもそもLED素子自体が正常に動作しなくなるため、発光層内を流れる電流の水平方向への広がりを持たせて発光効率を高めるという絶縁層形成の本来の目的が果たせない。
一方、このSiO2の成膜を行わない構成とすれば、上記のような界面での亀裂や膜剥がれといった問題は解消するが、発光層内の限定的な箇所に電流が流れるために発光箇所が限定的となり、LED素子から取り出される光量は極めて少ないものとなってしまう。
本発明は、上記の課題に鑑み、発光層内を流れる電流の水平方向への広がりを確保して高い発光効率を実現しつつ、製造時に層界面での亀裂や剥がれといった事態を招くことのないLED素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のLED素子は、窒化物半導体を含むLED素子であって、
導電体又は半導体で構成された支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された導電層と、
前記導電層の上層に形成された導電性酸化膜層と、
前記導電層の一部上面及び前記導電性酸化膜層の一部上面に底面を接触して形成された、p型窒化物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層の上層に形成され、前記第1半導体層よりも低濃度のp型窒化物半導体で構成される第2半導体層と、
前記第2半導体層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される発光層と、
前記発光層の上層に形成された、n型窒化物半導体で構成される第3半導体層と、
前記導電性酸化膜層と鉛直方向に対向する位置に、前記第3半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極を有し、
前記導電性酸化膜層が、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成されていることを特徴とする。
導電体又は半導体で構成された支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された導電層と、
前記導電層の上層に形成された導電性酸化膜層と、
前記導電層の一部上面及び前記導電性酸化膜層の一部上面に底面を接触して形成された、p型窒化物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層の上層に形成され、前記第1半導体層よりも低濃度のp型窒化物半導体で構成される第2半導体層と、
前記第2半導体層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される発光層と、
前記発光層の上層に形成された、n型窒化物半導体で構成される第3半導体層と、
前記導電性酸化膜層と鉛直方向に対向する位置に、前記第3半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極を有し、
前記導電性酸化膜層が、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、p型の第1半導体層に接触する部分に形成される導電性酸化膜層と、その下層に形成される導電層との熱膨張係数の差を小さくすることができる。これにより、製造プロセスにおいて加熱処理が施される場合においても、熱膨張係数の差に起因して、導電層と導電性酸化膜層の界面に亀裂や剥がれが生じるということがない。
なお、この導電性酸化膜層は、熱膨張係数3×10−6/K以上で8×10−6/K以下の材料で構成されるのがより好ましい。
また、鉛直方向に関して、n型の第3半導体層の上層に形成される電極(以下、適宜「n側電極」と呼ぶ。)に対向する位置において、p型の第1半導体層の下層に導電性酸化膜層が形成される。導電性酸化膜層は、SiO2などの絶縁層と比べると比抵抗が小さいものの、第1半導体層の下層に形成される導電層(例えばAg、以下適宜「p側導電層」と呼ぶ。)と比べると2桁程度比抵抗を大きくすることが可能である。このため、p側導電層とn側電極の間に電圧が印加されると、p型の第1半導体層に接触する箇所に形成されたp側導電層から発光層を介してn側電極に向かう電流経路に沿って電流が流れる。p側導電層は、n側電極と鉛直方向に対向する箇所には、その上層に導電性酸化膜層が形成されている。つまり、p側導電層は、n側電極と鉛直方向に対向しない位置において、第1半導体層と接触することとなる。この結果、p側導電層とn側電極の間に電圧が印加された場合、発光層内において水平方向に一定の広がりを有した電流経路を介して電流を流すことができ、水平方向に関し発光層内を電流が流れる領域が広がってLED素子の発光効率が高まる。
つまり、上記構成によれば、発光層内を流れる電流の水平方向への広がりを確保しながら、製造時に層界面での亀裂や剥がれといった事態の招来を防ぐことができる。
上記のLED素子は、以下の工程を経て形成することが可能である。すなわち、
サファイア基板を準備する工程(a)、
前記サファイア基板の上層に、前記第3半導体層、前記発光層、前記第2半導体層、前記第1半導体層を下からこの順に形成する工程(b)、
前記第1半導体層の上層の第1所定箇所に、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成される導電性酸化膜層を形成する工程(c)、
露出している前記第1半導体層の上面及び前記導電性酸化膜層の上面を覆うように導電層を形成する工程(d)、
前記導電層の上面に、直接又は別の導電層を介して導電体又は半導体で構成された支持基板の底面を貼り合せる工程(e)、
前記支持基板を底面、前記サファイア基板を上面に位置させた状態で、上方からレーザを照射して前記サファイア基板を剥離して前記第3半導体層の上面を露出させる工程(f)、
及び、前記第1所定箇所の上方位置における前記第3半導体層の上層に電極を形成する工程(g)である。
サファイア基板を準備する工程(a)、
前記サファイア基板の上層に、前記第3半導体層、前記発光層、前記第2半導体層、前記第1半導体層を下からこの順に形成する工程(b)、
前記第1半導体層の上層の第1所定箇所に、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成される導電性酸化膜層を形成する工程(c)、
露出している前記第1半導体層の上面及び前記導電性酸化膜層の上面を覆うように導電層を形成する工程(d)、
前記導電層の上面に、直接又は別の導電層を介して導電体又は半導体で構成された支持基板の底面を貼り合せる工程(e)、
前記支持基板を底面、前記サファイア基板を上面に位置させた状態で、上方からレーザを照射して前記サファイア基板を剥離して前記第3半導体層の上面を露出させる工程(f)、
及び、前記第1所定箇所の上方位置における前記第3半導体層の上層に電極を形成する工程(g)である。
なお、導電層の最上層、すなわち、第1半導体層と接触する箇所に形成される層を反射電極とするのが好適である。反射電極は、例えばAg、Ag系の金属(NiとAgの合金)、Alなどを利用することができる。発光層から下方(支持基板側)に放射された光を上方へ再反射させることで、光の取り出し効率を高めることができる。
このとき、導電性酸化膜層としては透明電極とするのが好適である。透明電極は、例えばITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、In2O3、SnO2などを利用することができる。導電性酸化膜層を透明電極とすることで、発光層から下方に放射された光を、導電性酸化膜層内で大きく減衰させることなく下層の反射電極まで到達させることができ、更にこの反射電極からの反射光を高効率で上方へと導くことができる。加えて、導電性酸化膜層で構成されているため、絶縁層と比べ熱伝導率が良く、LED動作時に発生する熱を逃がす能力に優れており、長寿命化にも適している。
上記構成のLED素子は、
前記工程(c)を、前記導電性酸化膜層としての透明電極を形成する工程とし、
前記工程(d)を、前記第1半導体層の上面及び前記導電性酸化膜層の上面を覆うように反射電極を形成する工程と、前記反射電極の上層に保護層を形成する工程と、前記保護層の上層にハンダ層を形成する工程を有して、前記反射電極、前記保護層、及び前記ハンダ層を含む前記導電層を形成する工程とすることで実現できる。
前記工程(c)を、前記導電性酸化膜層としての透明電極を形成する工程とし、
前記工程(d)を、前記第1半導体層の上面及び前記導電性酸化膜層の上面を覆うように反射電極を形成する工程と、前記反射電極の上層に保護層を形成する工程と、前記保護層の上層にハンダ層を形成する工程を有して、前記反射電極、前記保護層、及び前記ハンダ層を含む前記導電層を形成する工程とすることで実現できる。
また、本発明のLED素子は、上記の特徴に加えて、前記導電性酸化膜層と前記第1半導体層の界面にショットキーバリア層が形成されていることを別の特徴とする。
このような構成としたとき、導電層(p側導電層)と第1半導体層が接触する箇所における抵抗値に比べて、導電性酸化膜層と第1半導体層が接触する箇所における抵抗値を更に大きくすることができる。これにより、p側導電層とn側電極の間に電圧が印加された場合、導電性酸化膜層からn側電極へと鉛直上方に向かう電流の量を更に減らすことができる。つまり、n側電極と鉛直方向に対向しない位置のp側導電層から、発光層を介してn側電極に向かって大部分の電流を流すことができるので、発光層内を流れる電流を水平方向に更に広げることができ、発光効率が更に高められる。
特に、高濃度p型の第1半導体層と、この層に接触する層(導電層又は導電性酸化膜層)の間の抵抗値が、電圧印加時に発光層内を流れる電流の経路を大きく左右する。上記の構成とした場合、導電性酸化膜層と第1半導体層の接触領域に係る抵抗値を、導電層と第1半導体層の接触領域に係る抵抗値よりも著しく大きくすることが可能となる。
このショットキーバリア層は、例えば厚みを3〜5nm程度と極めて薄く形成することでも上記の効果が得られる。この厚みは、高濃度p型の第1半導体層の層厚とほぼ同等の厚みとしても構わない。
上記構成のLED素子は、前記工程(c)を、前記導電性酸化膜層を形成する材料をスパッタリングする工程とし、当該スパッタリング工程によって前記第1半導体層と前記導電性酸化膜層の界面にショットキーバリア層を形成することで実現できる。つまり、この方法によれば、導電性酸化膜層の形成に並行して第1半導体層の表面にショットキーバリア層を形成することができる。
なお、ショットキーバリア層は、第1半導体層と導電性酸化膜層の界面に形成されていれば、発光層内を流れる電流を水平方向に広げる効果が得られる。このため、工程(c)においては、スパッタリング工程の開始当初のみ高エネルギーにてターゲットにイオンを衝突させ、その後は印加エネルギーを当初より低下させた状態で引き続きターゲットにイオンを衝突させる態様としても構わない。
また、ショットキーバリア層を有するLED素子を製造するに際しては、前記工程(b)の後、前記導電性酸化膜層を形成する予定の前記第1所定箇所に係る前記第1半導体層の表面を逆スパッタ処理してショットキーバリア層を形成する工程(h)を行った後に、前記工程(c)を行うことでも実現できる。
また、本発明のLED素子は、上記の特徴に加えて、
前記支持基板及び前記導電層は、前記第1半導体層、前記第2半導体層、前記発光層、前記第3半導体層を含むLED層よりも水平方向に広がりを有して形成され、
前記LED層よりも水平方向に突出した位置において、前記導電性酸化膜層又は前記導電層の上面に底面を接触して形成された絶縁層を有していることを別の特徴とする。
前記支持基板及び前記導電層は、前記第1半導体層、前記第2半導体層、前記発光層、前記第3半導体層を含むLED層よりも水平方向に広がりを有して形成され、
前記LED層よりも水平方向に突出した位置において、前記導電性酸化膜層又は前記導電層の上面に底面を接触して形成された絶縁層を有していることを別の特徴とする。
ウェハ上に形成されるLED素子は、例えば上述した工程(g)の後に、素子分離工程を経て隣接LED素子と電気的に分離される。具体的には、前記LED層の端部をエッチングすることで、隣接素子と分離される。
このとき、上述したように、第1半導体層の下層に導電性酸化膜層が形成されていると、本来であれば導電性酸化膜層の上面が露出した時点でエッチングを終了すればよいが、実際にはそれが困難であるため、導電性酸化膜層も一部エッチングされてしまう。このとき、エッチングされた導電性酸化膜層の材料の一部が、LED層の側面に付着し、リーク電流の発生などの原因になる可能性がある。
そこで、n側電極の鉛直下方の位置には、上記と同様に第1半導体層の下層に導電性酸化膜層を形成する一方、n側電極よりも外周領域に係る位置には、第1半導体層の下層に絶縁層を形成しておく。この状態で、素子分離工程の際に、LED層の端部がエッチングされると、エッチング対象となるLED層の下層には絶縁層が形成されているため、材料の一部がLED層の側面に付着しても上述したようなリーク電流が生じるおそれはない。また、絶縁層はエッチングストッパーとしても機能させることができるので、絶縁層の上面が露出した時点で容易にエッチングを終了させることができる。
なお、絶縁層は、底面が導電性酸化膜層の上面に接触するように形成されても構わないし、導電層の上面に接触するように形成されても構わない。
上記構成のLED素子は、前記工程(b)の後、前記工程(c)の前に、前記第1半導体層の上層の端部に係る第2所定箇所に絶縁層を形成する工程(i)を実行し、前記工程(f)の後、前記工程(g)の前に、前記第2所定箇所の上方に形成された前記第3半導体層、前記発光層、前記第2半導体層、及び前記第1半導体層をエッチングして前記絶縁層の上面を露出する工程(j)を実行することで実現できる。
本発明によれば、発光層内を流れる電流の水平方向への広がりを確保しながら、製造時に層界面での亀裂や剥がれといった事態の招来を防ぐことのできるLED素子が実現できる。
本発明のLED素子及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
[構造]
本発明のLED素子1の構造につき、図1を参照して説明する。図1はLED素子1の概略断面図である。
本発明のLED素子1の構造につき、図1を参照して説明する。図1はLED素子1の概略断面図である。
LED素子1は、支持基板11、導電層20、導電性酸化膜層38、LED層30及び電極42を含んで構成される。LED層30は、高濃度のp型半導体層32(「第1半導体層」に対応)、p型半導体層32よりも低濃度のp型半導体層31(「第2半導体層」に対応)、発光層33、及びn型半導体層35(「第3半導体層」に対応)が下からこの順に積層されて形成されている。
(支持基板11)
支持基板11は、例えばCuW、W、Moなどの導電性基板、又はSiなどの半導体基板で構成される。
支持基板11は、例えばCuW、W、Moなどの導電性基板、又はSiなどの半導体基板で構成される。
(導電層20)
支持基板11の上層には、多層構造からなる導電層20が形成されている。この導電層20は、本実施形態では、ハンダ層13、ハンダ層15、保護層17及び反射電極19を含む。
支持基板11の上層には、多層構造からなる導電層20が形成されている。この導電層20は、本実施形態では、ハンダ層13、ハンダ層15、保護層17及び反射電極19を含む。
ハンダ層13及びハンダ層15は、例えばAu−Sn、Au−In、Au−Cu−Sn、Cu−Sn、Pd−Sn、Snなどで構成される。後述するように、これらのハンダ層13とハンダ層15は、支持基板11上に形成されたハンダ層13と、別の基板上に形成されたハンダ層15を対向させた後に、両者を貼り合せることで形成されたものである。
保護層17は、例えばPt系の金属(TiとPtの合金)、W、Moなどで構成される。後述するように、ハンダ層を介した貼り合わせの際、ハンダを構成する材料が後述する反射電極19側に拡散し、反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。
反射電極19は、例えばAg系の金属(NiとAgの合金)、Al、Rhなどで構成される。本素子1は、LED層30の発光層33から放射された光を、図1の上方向に取り出すことを想定しており、反射電極19は、発光層33から下向きに放射された光を上向きに反射させることで発光効率を高める機能を果たしている。
なお、導電層20は、一部においてLED層30、より詳細には高濃度のp型半導体層32と接触しており、支持基板11と電極42の間に電圧が印加されると、支持基板11、導電層20、LED層30を介して電極42へと流れる電流経路が形成される。
(導電性酸化膜層38)
導電性酸化膜層38は、例えばITO、IZO、In2O3、SnO2、IGZO(InGaZnOx)などの酸化物導電性材料で構成される。この導電性酸化膜層38は、上面がp型半導体層32の底面と接触している。この導電性酸化膜層38の機能については後述される。なお、この導電性酸化膜層38としては、透光性の酸化物導電性材料を用いるのがより好ましい。
導電性酸化膜層38は、例えばITO、IZO、In2O3、SnO2、IGZO(InGaZnOx)などの酸化物導電性材料で構成される。この導電性酸化膜層38は、上面がp型半導体層32の底面と接触している。この導電性酸化膜層38の機能については後述される。なお、この導電性酸化膜層38としては、透光性の酸化物導電性材料を用いるのがより好ましい。
(LED層30)
上述したように、LED層30は、高濃度のp型半導体層32、低濃度のp型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35が下からこの順に積層されて形成される。
上述したように、LED層30は、高濃度のp型半導体層32、低濃度のp型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35が下からこの順に積層されて形成される。
p型半導体層32は、例えばGaNで構成される。また、p型半導体層31は、例えばAlmGa1−mN(0≦m<1)で構成される。いずれの層も、Mg、Be、Zn、Cなどのp型不純物がドープされている。
発光層33は、例えばGaInNからなる井戸層とAlGaNからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する半導体層で形成される。これらの層はノンドープでもp型又はn型にドープされていても構わない。
n型半導体層35は、例えばAlnGa1−nN(0≦n<1)で構成される層(電子供給層)とGaNで構成される層(保護層)を含む多層構造で構成される。少なくとも保護層には、Si、Ge、S、Se、Sn、Teなどのn型不純物がドープされており、特にSiがドープされているのが好ましい。
n型半導体層35は、上面に凹凸が形成されている。これは発光層33から上方に向けて放射された光(及び反射電極19から上向きに放射される反射光)が、n型半導体層35の表面で下向きに反射される光量を減らして、素子外への取り出し光量を高めることを目的としたものである。
(電極42、絶縁層41)
電極42はn型半導体層35の上層に形成され、例えばCr−Auで構成されるn型電極で構成される。特に、LED素子1においては、導電性酸化膜層38と鉛直方向に対向する位置に係るn型半導体層35の上層に電極42が形成されている。
電極42はn型半導体層35の上層に形成され、例えばCr−Auで構成されるn型電極で構成される。特に、LED素子1においては、導電性酸化膜層38と鉛直方向に対向する位置に係るn型半導体層35の上層に電極42が形成されている。
電極42のうち、端部に形成されている電極については、例えばAu、Cuなどで構成されるワイヤが連絡されており(不図示)、このワイヤの他方は、LED素子1が配置されている基板の給電パターンなどに接続される(不図示)。
絶縁層41は、例えばSiO2、SiN、Zr2O3、AlN、Al2O3などで構成され、LED層30の上面や側面、及びワイヤが連絡されていない電極42の周辺に積層されている。絶縁層41は、LED層30や電極42の表面の保護膜として機能する。
[導電性酸化膜層38の機能]
次に、LED素子1が備える導電性酸化膜層38の機能について説明する。導電性酸化膜層38は、プロセス時において膜剥がれの問題を生じさせずにLED層30の発光領域を拡大する目的で設けられている。
次に、LED素子1が備える導電性酸化膜層38の機能について説明する。導電性酸化膜層38は、プロセス時において膜剥がれの問題を生じさせずにLED層30の発光領域を拡大する目的で設けられている。
まず、導電性酸化膜層38が形成されない場合を想定する。このとき、電極42と鉛直方向に対向する位置において、p型半導体層32と反射電極19が接触する。この構成の下で、反射電極19と電極42の間に電圧が印加されると、背景技術の項で説明したように、反射電極19から電極42にほぼ最短距離で向かう電流経路が形成されてしまう。この結果、LED層30内では電極42に対向する領域に集中的に電流が流れ、当該領域内の発光層33が集中的に発光し、他の箇所の発光層33の発光は弱くなってしまう。従って、発光層33は鉛直方向に関して反射電極19と電極42に挟まれた領域内で限定的に発光し、LED素子から取り出される光量が極めて少ないものとなってしまう。
これに対し、図1に示すように、LED素子1は、鉛直方向に関して電極42に対向する位置において、p型半導体層32の下層に導電性酸化膜層38が形成されている。導電性酸化膜層38は、SiO2等の絶縁層と比べると比抵抗が小さいものの、Agなどで構成される反射電極19と比べると2桁程度比抵抗を大きくすることができる。反射電極19は、電極42と鉛直方向に対向しない位置においてp型半導体層32と接触する一方、電極42と鉛直方向に対向する位置では導電性酸化膜層38に接触し、p型半導体層32とは接触していない。
よって、反射電極19と電極42の間に電圧が印加されると、電極42の直下には位置しない、p型半導体層32と接触する箇所における反射電極19から、発光層33を介して電極42に向かう電流経路に沿って電流が流れる。よって、発光層33内において水平方向に一定の広がりを有した電流経路を介して電流を流すことができる。これにより、水平方向に関し発光層33内を電流が流れる領域が広がるため、LED素子1は高い発光効率が実現される。
次に、膜剥がれの防止効果について、図2A及び図2Bを参照して説明する。図2Aは、図1に示す導電性酸化膜層38の箇所に成膜する材料を異ならせてLED素子を製造した場合における膜剥がれの有無を示す表であり、図2Bはそれぞれの材料を用いた場合の素子分離前のウェハの上面写真である。なお、図2Bの写真は、SAT(Scanning Acoustic Tomograph:超音波映像装置)にて撮影されたものである。
なお、図2Aに示す表は、上から熱膨張係数の高い順に材料を並べている。
導電性酸化膜層38としてIn2O3を用いてLED素子1を製造したものを実施例1とした。また、同様に、導電性酸化膜層38としてSnO2を用いてLED素子1を製造したものを実施例2とし、ITOを用いてLED素子1を製造したものを実施例3とした。
一方、図1に示す導電性酸化膜層38の箇所にSiO2を形成してLED素子1を製造したものを、比較例1とした。この比較例1は、発光層33内の水平方向に広い領域に電流が流れるように、電極42の対向位置に絶縁層を形成する従来構成のLED素子を想定したものである。
また、図1に示す導電性酸化膜層38の箇所に反射電極19と同種のAgを形成した構成を、参考例1とした。この参考例1は、発光層33内の水平方向に広い領域に電流を流すための処置を行なっていない、従来構成のLED素子を想定したものである。
また、図1に示す導電性酸化膜層38の箇所にSiを形成した構成を、参考例2とした。この参考例2は、ITOよりも低く、SiO2よりも高い熱膨張係数を示す材料を同箇所に形成することで、反射電極38との界面での亀裂や剥がれの有無と熱膨張係数の関係を調べるために形成されたLED素子である。
図2Bでは、ITO(実施例3)、SiO2(比較例1)、Ag(参考例1)、Si(参考例2)の4つのパターンにつき、写真を掲載している。図2Bによれば、比較例1の写真には回路パターンなどの内部構造が映し出されており、内部に空洞が形成されていることが示唆される。これに対し、参考例1、参考例2、及び実施例3の写真は、いずれも比較例1のような映り込みが見られず、内部に空洞が形成されていないことが分かる。
つまり、比較例1の場合には、界面での亀裂や膜剥がれが生じているのに対し、参考例1、参考例2、及び実施例3の場合には、界面での亀裂や膜剥がれが生じていない。なお、図2Bには掲載していないが、実施例1や実施例2においても、実施例3と同様の写真が得られており、これらの場合にも膜剥がれが生じていないことが分かる。
上述したように、参考例1は、発光層33内の水平方向に広い領域に電流を流すための処置を行なっていない、従来構成のLED素子を想定している。これに対し、比較例1は、図1に示す導電性酸化膜層38の箇所にSiO2を成膜することで前記の処置を施した従来構成のLED素子を想定している。参考例1では亀裂や膜剥がれが確認できていないのに対し、比較例1では亀裂や膜剥がれが確認されている。これにより、図1に示す導電性酸化膜層38の箇所に成膜したSiO2が、亀裂や膜剥がれの原因であることが分かる。SiO2は半導体層と密着性が高いので、上面のp型半導体層32との界面ではなく、下層の反射電極19(Ag)との界面で亀裂や膜剥がれが生じていることが示唆される。
導電性酸化膜層38の箇所にSiを成膜した参考例2では、亀裂や膜剥がれが確認されていない。また、実施例1〜3のいずれにおいても、亀裂や膜剥がれが確認されていない。
ここで、反射電極19を構成するAgとSiO2とでは、熱膨張係数がほぼ50倍近く異なっている。このため、製造時に素子が加熱された際、反射電極19は大きく熱膨張する一方、SiO2は反射電極19に比べてあまり膨張しない。このため、加熱処理後に素子が冷却されると、熱膨張していた反射電極19が大きく収縮する一方、SiO2は反射電極19に比べてほとんど収縮しないので、これらの界面で応力が発生して亀裂や剥がれが生じることが考えられる。つまり、反射電極19の上層に、この反射電極19を構成する材料(ここではAg)との熱膨張係数の差が大きい材料が形成された場合に、界面での亀裂や剥がれといった問題が生じることが分かる。
以上を踏まえると、導電性酸化膜層38は、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成されるのが好ましく、3×10−6/K以上で8×10−6/K以下の材料で構成されるのがより好ましい。更に、透光性を有し、比抵抗の比較的大きな導電性酸化膜材料で構成されるのがより好ましく、この例としては、上述したITO、IZO、In2O3、SnO2などが挙げられる。
[別構成]
以下、LED素子1の別構成につき、説明する。
以下、LED素子1の別構成につき、説明する。
(別構成1)
図3Aは本素子の別の概略断面図である。図1に示すLED素子1と比較して、図3Aに示すLED素子1Aは、導電性酸化膜層38とp型半導体層32の界面にショットキーバリア層32Aが形成されている点が異なる。
図3Aは本素子の別の概略断面図である。図1に示すLED素子1と比較して、図3Aに示すLED素子1Aは、導電性酸化膜層38とp型半導体層32の界面にショットキーバリア層32Aが形成されている点が異なる。
このショットキーバリア層32Aは、高抵抗な領域を形成しており、その厚みは極めて薄い。p型半導体層32と導電性酸化膜層38の界面にこのようなショットキーバリア層32Aが形成されることで、電極42の鉛直下方位置における反射電極19とp型半導体層32の間の抵抗値を更に上昇させることができる。よって、電極42の鉛直下方の位置に当たらない、つまり、反射電極19とp型半導体層32が接触している箇所における両者間の抵抗値は、電極42の鉛直下方位置における両者間の抵抗値より極めて小さくなる。
この結果、反射電極19と電極42の間に電圧が印加されると、電極42に鉛直方向に対向する位置の反射電極19から電極42に対して鉛直上方に向かう電流量は更に少なくなり、電極42と鉛直方向に対向しない位置の反射電極19から電極42に向かって大部分の電流を流すことができる。よって、発光層33内の水平方向の電流広がりが更に実現され、発光効率が更に高められる。
(別構成2)
図3Bは本素子の別の概略断面図である。図1に示すLED素子1と比較して、図3Bに示すLED素子1Bは、絶縁層41の下層に絶縁層39が設けられている。
図3Bは本素子の別の概略断面図である。図1に示すLED素子1と比較して、図3Bに示すLED素子1Bは、絶縁層41の下層に絶縁層39が設けられている。
絶縁層41は、LED層30の上面及び側面に形成されて、LED層30の保護膜として機能している。この絶縁層41は、後述するように、隣接するLED素子と分離するためにLED層30をエッチングした後に、成膜される。
このとき、図1に示すLED素子1のように、p型半導体層32の下層に導電性酸化膜層38が形成されている場合、素子分離を行うためには、本来導電性酸化膜層38の上面が露出した時点でエッチングを終了すればよいが、実際にはそれが困難であるため、導電性酸化膜層38も一部エッチングされてしまう。このとき、エッチングされた導電性酸化膜層38の材料の一部が、LED層30の側面に付着し、リーク電流などの原因になる可能性がある。このような現象が生じると、耐圧が低下し、電気的特性が悪化するなどの不具合を招く。
これに対し、図3Bに示すLED素子1Bの構成としたことで、素子分離工程の際に、LED層30の端部がエッチングされると、エッチング対象となるLED層30の下層には絶縁層39が形成されているため、材料の一部がLED層30の側面に付着しても上述したようなリーク電流が生じるおそれがなくなる。
なお、図3Bに示すLED素子1Bでは、絶縁層39が導電性酸化膜層38の上面に形成される構成としているが、導電層20の上面に形成されていても構わない(図3C参照)。
また、図3Dに示すLED素子1Cのように、ショットキーバリア層32Aを更に備える構成としても構わない(図3D参照)
[LED素子1の製造方法]
次に、本発明のLED素子1の製造方法につき、図4A〜図4Mに示す工程断面図、及び図5に示すフローチャートを参照して説明する。また、以下の説明に示すステップ番号は、図5のフローチャートのステップ番号に対応している。なお、LED素子1A及び1Bの製造方法については後述する。
次に、本発明のLED素子1の製造方法につき、図4A〜図4Mに示す工程断面図、及び図5に示すフローチャートを参照して説明する。また、以下の説明に示すステップ番号は、図5のフローチャートのステップ番号に対応している。なお、LED素子1A及び1Bの製造方法については後述する。
また、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない
(ステップS1)
図4Aに示すように、サファイア基板61上にLEDエピ層40を形成する。このステップS1は工程(a)及び工程(b)に対応しており、例えば以下の手順により行われる。
図4Aに示すように、サファイア基板61上にLEDエピ層40を形成する。このステップS1は工程(a)及び工程(b)に対応しており、例えば以下の手順により行われる。
〈サファイア基板61の準備〉
まず、c面サファイア基板61のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板61を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。このサファイア基板61を準備する工程が工程(a)に対応する。
まず、c面サファイア基板61のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板61を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。このサファイア基板61を準備する工程が工程(a)に対応する。
〈ノンドープ層36の形成〉
次に、c面サファイア基板61の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がノンドープ層36に対応する。
次に、c面サファイア基板61の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がノンドープ層36に対応する。
ノンドープ層36のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を480℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ5slmの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が50μmol/minのトリメチルガリウム及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に68秒間供給する。これにより、c面サファイア基板の表面61に、厚みが20nmのGaNよりなる低温バッファ層を形成する。
次に、MOCVD装置の炉内温度を1150℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が100μmol/minのトリメチルガリウム及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に30分間供給する。これにより、第1バッファ層の表面に、厚みが1.7μmのGaNよりなる下地層を形成する。
〈n型半導体層35の形成〉
次に、ノンドープ層36の上層にAlnGa1−nN(0≦n<1)の組成からなる電子供給層を形成し、更にその上層にn型GaNよりなる保護層を形成する。これら電子供給層及び保護層がn型半導体層35に対応する。
次に、ノンドープ層36の上層にAlnGa1−nN(0≦n<1)の組成からなる電子供給層を形成し、更にその上層にn型GaNよりなる保護層を形成する。これら電子供給層及び保護層がn型半導体層35に対応する。
n型半導体層35のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、MOCVD装置の炉内圧力を30kPaとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が94μmol/minのトリメチルガリウム、流量が6μmol/minのトリメチルアルミニウム、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.025μmol/minのテトラエチルシランを処理炉内に30分間供給する。これにより、Al0.06Ga0.94Nの組成を有し、Si濃度が1×1019/cm3で厚みが1.7μmの電子供給層をノンドープ層36の上層に形成する。
その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを6秒間供給することにより、電子供給層の上層に厚みが5nmのn型GaNよりなる保護層を形成する。
なお、n型半導体層35に含まれるn型不純物としては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、硫黄(S)、セレン(Se)、錫(Sn)及びテルル(Te)などを用いることができる。これらの中では、特にシリコン(Si)が好ましい。
〈発光層33の形成〉
次に、n型半導体層35の上層にGaInNで構成される井戸層及びn型AlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層33を形成する。
次に、n型半導体層35の上層にGaInNで構成される井戸層及びn型AlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層33を形成する。
発光層33のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、MOCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を830℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が1slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのトリメチルガリウム、流量が12μmol/minのトリメチルインジウム及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に48秒間供給するステップを行う。その後、流量が10μmol/minのトリメチルガリウム、流量が1.6μmol/minのトリメチルアルミニウム、0.002μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に120秒間供給するステップを行う。以下、これらの2つのステップを繰り返すことにより、厚みが2nmのGaInNよりなる井戸層及び厚みが7nmのn型AlGaNよりなる障壁層による15周期の多重量子井戸構造を有する発光層33が、n型半導体層35の表面に形成される。
〈p型半導体層31、p型半導体層32の形成〉
次に、発光層33の上層に、AlmGa1−mN(0≦m<1)で構成されるp型半導体層31を形成し、更にその上層に高濃度のp型半導体層32を形成する。p型半導体層32はコンタクト層に対応する。
次に、発光層33の上層に、AlmGa1−mN(0≦m<1)で構成されるp型半導体層31を形成し、更にその上層に高濃度のp型半導体層32を形成する。p型半導体層32はコンタクト層に対応する。
p型半導体層31及びp型半導体層32の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、MOCVD装置の炉内圧力を100kPaに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が25slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を1050℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が35μmol/minのトリメチルガリウム、流量が20μmol/minのトリメチルアルミニウム、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.1μmol/minのビスシクロペンタジエニルを処理炉内に60秒間供給する。これにより、発光層33の表面に、厚みが20nmのAl0.3Ga0.7Nの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、トリメチルアルミニウムの流量を9μmol/minに変更して原料ガスを360秒間供給することにより、厚みが120nmのAl0.13Ga0.87Nの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりp型半導体層31が形成される。
更にその後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、ビスシクロペンタジエニルの流量を0.2μmol/minに変更して原料ガスを20秒間供給する。これにより、厚みが5nmのp型GaNよりなるp型半導体層32が形成される。
なお、p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カーボン(C)などを用いることができる。
このようにしてサファイア基板61上に、ノンドープ層36、n型半導体層35、発光層33、p型半導体層31、及び(高濃度)p型半導体層32からなるLEDエピ層40が形成される。
(ステップS2)
次に、ステップS1で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
次に、ステップS1で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
(ステップS3)
次に、図4Bに示すように、p型半導体層32の上層の所定箇所(第1所定箇所)に導電性酸化膜層38を形成する。より具体的には、導電性酸化膜層38の非形成領域に係るp型半導体層32の上層をマスクしておき、ITO、IZOなどの酸化物導電性透光性材料をスパッタリング法によって200nm成膜する。
次に、図4Bに示すように、p型半導体層32の上層の所定箇所(第1所定箇所)に導電性酸化膜層38を形成する。より具体的には、導電性酸化膜層38の非形成領域に係るp型半導体層32の上層をマスクしておき、ITO、IZOなどの酸化物導電性透光性材料をスパッタリング法によって200nm成膜する。
ここで成膜される酸化物導電性透光性材料としては、熱膨張係数が1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料であるものを利用する。より好ましくは、熱膨張係数が3×10−6/K以上で8×10−6/K以下の材料であるものを利用する。
このステップS3は工程(c)に対応する。
(ステップS4)
図4Cに示すように、p型半導体層32及び導電性酸化膜層38の上面を覆うように、導電層20を形成する。ここでは、反射電極19、保護層17、及びハンダ層15を含む多層構造の導電層20を形成する。
図4Cに示すように、p型半導体層32及び導電性酸化膜層38の上面を覆うように、導電層20を形成する。ここでは、反射電極19、保護層17、及びハンダ層15を含む多層構造の導電層20を形成する。
導電層20のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、スパッタ装置にてp型半導体層32及び導電性酸化膜層38の上面を覆うように、膜厚0.7nmのNi及び膜厚120nmのAgを全面に成膜して、反射電極19を形成する。次に、RTA装置を用いてドライエアー雰囲気中で400℃、2分間のコンタクトアニールを行う。
次に、電子線蒸着装置(EB装置)にて反射電極19の上面(Ag表面)に、膜厚100nmのTiと膜厚200nmのPtを3周期成膜することで、保護層17を形成する。更にその後、保護層17の上面(Pt表面)に、膜厚10nmのTiを蒸着させた後、Au80%Sn20%で構成されるAu−Snハンダを膜厚3μm蒸着させることで、ハンダ層15を形成する。
なお、このハンダ層15の形成ステップにおいて、サファイア基板61とは別に準備された支持基板11の上面にもハンダ層13を形成するものとして構わない(図4D参照)。このハンダ層13は、ハンダ層15と同一の材料で構成されるものとしてよく、次のステップにおいてハンダ層13と接合されることで、サファイア基板61と支持基板11が貼り合せられる。なお、この支持基板11としては、構造の項で前述したように、例えばCuWが用いられる。
なお、このステップS4は工程(d)に対応している。
(ステップS5)
次に、図4Eに示すように、サファイア基板61と支持基板11とを貼り合せる。より具体的には、280℃の温度、0.2MPaの圧力下で、ハンダ層15と支持基板11の上層に形成されたハンダ層13とを貼り合せる。なお、このステップS5は工程(e)に対応している。
次に、図4Eに示すように、サファイア基板61と支持基板11とを貼り合せる。より具体的には、280℃の温度、0.2MPaの圧力下で、ハンダ層15と支持基板11の上層に形成されたハンダ層13とを貼り合せる。なお、このステップS5は工程(e)に対応している。
(ステップS6)
次に、図4Fに示すように、サファイア基板61を剥離する。より具体的には、サファイア基板61を上に、支持基板11を下に向けた状態で、サファイア基板61側からKrFエキシマレーザを照射して、サファイア基板61とLEDエピ層40の界面を分解させることでサファイア基板61の剥離を行う。サファイア61はレーザが通過する一方、その下層のGaNはレーザを吸収するため、この界面が高温化してGaNが分解される。これによってサファイア基板61が剥離される。
次に、図4Fに示すように、サファイア基板61を剥離する。より具体的には、サファイア基板61を上に、支持基板11を下に向けた状態で、サファイア基板61側からKrFエキシマレーザを照射して、サファイア基板61とLEDエピ層40の界面を分解させることでサファイア基板61の剥離を行う。サファイア61はレーザが通過する一方、その下層のGaNはレーザを吸収するため、この界面が高温化してGaNが分解される。これによってサファイア基板61が剥離される。
その後、ウェハ上に残存しているGaNを、塩酸などを用いたウェットエッチング、ICP装置を用いたドライエッチングによって除去し、n型半導体層35を露出させる。なお、本ステップS9においてノンドープ層36が除去されて、p型半導体層32、p型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35がこの順に積層されてなるLED層30が残存する。
なお、このステップS6は工程(f)に対応している。
(ステップS7)
次に、図4Gに示すように隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ICP装置を用いて導電性酸化膜層38が露出するまでLED層30をエッチングする。これにより、隣接領域のLED層30同士が分離される。
次に、図4Gに示すように隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ICP装置を用いて導電性酸化膜層38が露出するまでLED層30をエッチングする。これにより、隣接領域のLED層30同士が分離される。
(ステップS8)
次に、図4Hに示すようにn型半導体層35の表面に凹凸を形成する。具体的には、KOH等のアルカリ溶液を浸すことで凹凸形成を行う。このとき、後に電極42を形成する箇所に対しては、凹凸を形成しないものとしても構わない。これらの箇所に凹凸を形成しないことで、電極を形成する箇所のn型半導体層35の表面がなだらかとなる。電極形成箇所のn型半導体層35の表面をなだらかにすることで、特に電極42の形成後、ワイヤボンディングを行う際に電極42とn型半導体層35の界面にボイドが発生するのを防ぐ効果が得られる。
次に、図4Hに示すようにn型半導体層35の表面に凹凸を形成する。具体的には、KOH等のアルカリ溶液を浸すことで凹凸形成を行う。このとき、後に電極42を形成する箇所に対しては、凹凸を形成しないものとしても構わない。これらの箇所に凹凸を形成しないことで、電極を形成する箇所のn型半導体層35の表面がなだらかとなる。電極形成箇所のn型半導体層35の表面をなだらかにすることで、特に電極42の形成後、ワイヤボンディングを行う際に電極42とn型半導体層35の界面にボイドが発生するのを防ぐ効果が得られる。
(ステップS9)
次に、図4Iに示すように、n型半導体層35の上面に電極42を形成する。より具体的には、膜厚100nmのCrと膜厚3μmのAuからなる電極を形成後、窒素雰囲気中で250℃1分間のシンタリングを行う。なお、このステップS9は工程(g)に対応している。
次に、図4Iに示すように、n型半導体層35の上面に電極42を形成する。より具体的には、膜厚100nmのCrと膜厚3μmのAuからなる電極を形成後、窒素雰囲気中で250℃1分間のシンタリングを行う。なお、このステップS9は工程(g)に対応している。
(ステップS10)
次に、露出されている素子側面、及びワイヤボンディングを行う予定の電極42以外の上面を絶縁層41で覆う。より具体的には、EB装置にてSiO2膜を形成する。なおSiN膜を形成しても構わない。これにより、図1に示されるLED素子1が形成される。
次に、露出されている素子側面、及びワイヤボンディングを行う予定の電極42以外の上面を絶縁層41で覆う。より具体的には、EB装置にてSiO2膜を形成する。なおSiN膜を形成しても構わない。これにより、図1に示されるLED素子1が形成される。
その後の工程としては、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、支持基板11の裏面を例えばAgペーストにてパッケージと接合して一部の電極42に対してワイヤボンディングを行う。
[LED素子1Aの製造方法]
次に、図3Aに示すLED素子1Aの製造方法につき説明する。
次に、図3Aに示すLED素子1Aの製造方法につき説明する。
LED素子1の製造方法と同様に、上述したステップS1〜S2を行う。
そして、ステップS3において、300W以上の高出力で酸化物導電性透光性材料をスパッタリングして堆積する。これにより、導電性酸化膜層38を堆積しながら、p型半導体層32の表面付近をアモルファス状に変化させることが可能となり、p型半導体層32と導電性酸化膜層38の界面にショットキーバリア層32Aが形成される(図4J参照)。
別の方法として、ステップS2の後、p型半導体層32側を負の電位とした状態で、正イオン(例えばAr+)をp型半導体層32の表面に衝突させる逆スパッタを行う(工程(h)に対応)。この工程により、前記と同様に、p型半導体層32の表面付近をアモルファス状に変化させることが可能となる。その後、ステップS3と同様に、p型半導体層32の上層に導電性酸化膜層38を堆積させる。この方法によっても、p型半導体層32と導電性酸化膜層38の界面にショットキーバリア層32Aが形成される。
ステップS4以後は、LED素子1と同様であるため説明を割愛する。
[LED素子1Bの製造方法]
次に、図3Bに示すLED素子1Bの製造方法につき説明する。
次に、図3Bに示すLED素子1Bの製造方法につき説明する。
LED素子1の製造方法と同様に、上述したステップS1〜S2を行う。
次に、図4Kに示すように、p型半導体層32の上層の所定箇所(第2所定箇所)に絶縁層39を形成する(ステップS2A)。この第2所定箇所は、後のステップS7において素子分離時にエッチングされる対象となるウェハ上の領域、すなわち素子の外周部に対応する。このステップS2Aが工程(i)に対応する。
その後、図4Lに示すように、上記ステップS3と同様に導電性酸化膜層38を形成する。以下のステップは、LED素子1と同様である。
なお、LED素子1Bの製造時においては、LED素子1の場合とは異なり、ステップS7が、導電性酸化膜層38ではなく絶縁層39が露出するまでLED層30をエッチングする工程となる(工程(j)に対応:図4M参照)。本方法によれば、ステップS7の開始時点で、エッチングを行う箇所におけるLED層30の直下には絶縁層39が形成されているので、この絶縁層39がエッチングストッパー層としても機能する。つまり、絶縁層39の上面が露出した時点で、エッチング工程を容易に停止させることができる。また、導電性酸化膜層38がエッチングされることがないため、エッチングによって導電性材料がLED層30の側壁に付着するというおそれもない。
[別実施形態]
以下、別実施形態について説明する。
以下、別実施形態について説明する。
〈1〉 上述の実施形態では、保護層17をサファイア基板61側に形成したが、支持基板11側に形成しても構わない。すなわち、図4Dに示す構成に代えて、支持基板11の上層に保護層17を形成し、その上層にハンダ層13を形成したものを、ステップS8においてサファイア基板61と貼り合せても構わない。
〈2〉 上述の実施形態では、サファイア基板61と支持基板11の両者にハンダ層を形成したが(ハンダ層13、15)、どちらか一方にのみハンダ層を形成した後に両基板を貼り合せても構わない。
〈3〉 図1、図3A〜図3Dに示した構造、並びに図4A〜図4M及び図5に示した製造方法は、好ましい実施形態の一例であって、これらの構成やプロセスの全てを備えなければならないというものではない。例えばハンダ層13とハンダ層15は、2つの基板の貼り合せを効率的に行うべく形成されたものであって、2基板の貼り合せが実現できるのであればLED素子1(1A,1B,1C)の機能を実現する上で必ずしも必要なものではない。
反射電極19は、発光層33から放射される光の取り出し効率を更に向上させる意味においては備えるのが好適であるが、必ずしも備えなければならないというものではない。保護層17、n型半導体層35の表面の凹凸なども同様である。
1,1A,1B,1C : 本発明のLED素子
11 : 支持基板
13 : ハンダ層
15 : ハンダ層
17 : 保護層
19 : 反射電極
20 : 導電層
30 : LED層
31 : (低濃度)p型半導体層
32 : (高濃度)p型半導体層<コンタクト層>
32A : ショットキーバリア層
33 : 発光層
35 : n型半導体層
36 : ノンドープ層
38 : 導電性酸化膜層
39 : 絶縁層
40 : LEDエピ層
41 : 絶縁層
42 : 電極
61 : サファイア基板
11 : 支持基板
13 : ハンダ層
15 : ハンダ層
17 : 保護層
19 : 反射電極
20 : 導電層
30 : LED層
31 : (低濃度)p型半導体層
32 : (高濃度)p型半導体層<コンタクト層>
32A : ショットキーバリア層
33 : 発光層
35 : n型半導体層
36 : ノンドープ層
38 : 導電性酸化膜層
39 : 絶縁層
40 : LEDエピ層
41 : 絶縁層
42 : 電極
61 : サファイア基板
Claims (10)
- 窒化物半導体を含むLED素子であって、
導電体又は半導体で構成された支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された導電層と、
前記導電層の上層に形成された導電性酸化膜層と、
前記導電層の一部上面及び前記導電性酸化膜層の一部上面に底面を接触して形成された、p型窒化物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層の上層に形成され、前記第1半導体層よりも低濃度のp型窒化物半導体で構成される第2半導体層と、
前記第2半導体層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される発光層と、
前記発光層の上層に形成された、n型窒化物半導体で構成される第3半導体層と、
前記導電性酸化膜層と鉛直方向に対向する位置に、前記第3半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極を有し、
前記導電性酸化膜層が、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成されていることを特徴とするLED素子。 - 前記導電性酸化膜層と前記第1半導体層の界面にショットキーバリア層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のLED素子。
- 前記支持基板及び前記導電層は、前記第1半導体層、前記第2半導体層、前記発光層、及び前記第3半導体層を含むLED層よりも水平方向に広がりを有して形成され、
前記LED層よりも水平方向に突出した位置において、前記導電性酸化膜層又は前記導電層の上面に底面を接触して形成された絶縁層を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載のLED素子。 - 前記導電層は最上層に反射電極を有し、当該反射電極の上面が前記第1半導体層の一部底面及び前記導電性酸化膜層の底面に接触して形成され、
前記導電性酸化膜層が透明電極で構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED素子。 - 前記導電性酸化膜層が、熱膨張係数3×10−6/K以上で8×10−6/K以下の材料で構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のLED素子。
- p型窒化物半導体で構成される第1半導体層、前記第1半導体層よりも低濃度のp型窒化物半導体で構成される第2半導体層、窒化物半導体で構成される発光層、及びn型窒化物半導体で構成される第3半導体層を含むLED素子の製造方法であって、
サファイア基板を準備する工程(a)と、
前記サファイア基板の上層に、前記第3半導体層、前記発光層、前記第2半導体層、前記第1半導体層を下からこの順に形成する工程(b)と、
前記第1半導体層の上層の第1所定箇所に、熱膨張係数1×10−6/K以上で1×10−5/K以下の材料で構成される導電性酸化膜層を形成する工程(c)と、
露出している前記第1半導体層の上面及び前記導電性酸化膜層の上面を覆うように導電層を形成する工程(d)と、
前記導電層の上面に、直接又は別の導電層を介して導電体又は半導体で構成された支持基板の底面を貼り合せる工程(e)と、
前記支持基板を底面、前記サファイア基板を上面に位置させた状態で、上方からレーザを照射して前記サファイア基板を剥離して前記第3半導体層の上面を露出させる工程(f)と、
前記第1所定箇所の上方位置における前記第3半導体層の上層に電極を形成する工程(g)を有することを特徴とするLED素子の製造方法。 - 前記工程(c)は、前記導電性酸化膜層を形成する材料をスパッタリングする工程であって、当該スパッタリング工程によって前記第1半導体層と前記導電性酸化膜層の界面にショットキーバリア層を形成することを特徴とする請求項6に記載のLED素子の製造方法。
- 前記工程(b)の後、前記工程(c)にて前記導電性酸化膜層を形成する予定の前記第1所定箇所に係る前記第1半導体層の表面を逆スパッタ処理してショットキーバリア層を形成する工程(h)を有し、
前記工程(h)の後、前記工程(c)を行うことを特徴とする請求項6に記載のLED素子の製造方法。 - 前記工程(b)の後、前記工程(c)の前に、前記第1半導体層の上層の端部に係る第2所定箇所に絶縁層を形成する工程(i)と、
前記工程(f)の後、前記工程(g)の前に、前記第2所定箇所の上方に形成された前記第3半導体層、前記発光層、前記第2半導体層、及び前記第1半導体層をエッチングして前記絶縁層の上面を露出する工程(j)を有することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載のLED素子の製造方法。 - 前記工程(c)が、前記導電性酸化膜層として透明電極を形成する工程であって、
前記工程(d)は、前記第1半導体層の上面及び前記導電性酸化膜層の上面を覆うように反射電極を形成する工程と、前記反射電極の上層に保護層を形成する工程と、前記保護層の上層にハンダ層を形成する工程を有して、前記反射電極、前記保護層、及び前記ハンダ層を含む前記導電層を形成する工程であることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のLED素子の製造方法。
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