JP2014179654A - GaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】垂直型GaN−LEDの側面及び/または下面に10ミクロン以上の厚い金属保護膜層1100を形成して外部の衝撃から素子を保護することができ、チップ分離を容易に行うことができる他、サファイア基板の代わりに金属基板を用いて素子動作時に生じる熱放出を容易に行うことができることから、高出力素子に用いて好適であり、しかも、光出力特性が向上した素子を製造することができ、金属支持層1900を形成してチップの分離時に素子が歪んだり衝撃により損傷されたりするような現象を防ぐことができ、p型電極1200をp−GaN1300上に網目状に部分的に形成して活性層1400において形成した光子がn−GaN層1500に向かって放射されることを極大化させることができる。
【選択図】図58
Description
ド(Light Emitting Diode;LED)及びその製造方法に関し、さら
に詳しくは、垂直型構造のGaNLED素子及びその製造方法に関する。
うるという見込みが支配的になるに伴い、高出力GaN−LEDに関する研究が盛んに行
われている。
イア基板10の上にn型GaN12、未ドープのInGaN(活性層)14、及びp型G
aN16がこの順序に成長された薄膜層を有する基板である。サファイア基板10は不導
体であるため、LED素子は、通常、図2に示すように、水平型構造を有することになる
。このとき、図面符号18はp型透明電極を、20はp型パッドを、22はn型電極を、
そして24はn型パッドをそれぞれ示している。
esistance)が高いことに起因して光出力が低下するという欠点がある。また、
素子の動作時に発生する熱をサファイア基板10を介してスムーズに除去し切れないが故
に、素子の熱的安定性が低下して高出力動作に不具合が生じることがある。
を用いたフリップチップ型LEDが提案されている。図3に示すフリップチップ構造のL
EDの場合、活性層14から出た光がサファイア基板10を介して外部に抜け出るために
、透明電極18の代わりに厚いp型オーミック電極19を使用することが可能になり、電
流拡散抵抗を下げることができる。
ウント(conducting mount)をそれぞれ示している。しかしながら、フ
リップチップ構造は、フリップチップ形態にパッケージングを行うことを余儀なくされる
が故に製造工程が複雑化し、しかも、活性層14から放射した光がサファイア基板10を
介して外部に抜け出る間に多量の光がサファイアに吸収されるが故に光効率特性が下がる
という問題点があった。
N−LEDの下部に多重金属支持層を形成してチップ分離を容易に行うことができ、しか
も、素子の側面に絶縁膜と金属保護膜層をこの順に積層形成してエピタキシャル成長した
GaN基板を保護することのできるGaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提
供することにある。
これらの間に反射膜を挿置することにより活性層において形成した光子がn−GaN層に
向かって放出されることを極大化させることのできるGaN系化合物半導体発光素子及び
その製造方法を提供することにある。
さらに、本発明のさらに他の目的は、サファイア基板の代わりに金属基板、伝導層基板若
しくは伝導性セラミック基板を用いて素子の動作時に発生する熱を効率よく外部に放出さ
せることができる結果、高出力に用いて好適なGaN系化合物半導体発光素子及びその製
造方法を提供することにある。
介して放射されるために光子の放射経路が短くなる結果、放射中に吸収される光子の数を
低減させることのできるGaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供すること
にある。
さらに、本発明のさらに他の目的は、n−GaN層に高濃度ドープを行うことができ(>
1019/cm3)、n−GaN層の電気伝導度を高めて光出力特性を高めることのでき
るGaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
層の上に形成されたp型反射膜電極と、前記p型反射膜電極の上にこの順序に積層形成さ
れたp型半導体層、活性層及びn型半導体層と、前記n型半導体層の上に形成されたn型
電極とを備えていることを特徴とする発光素子を提供する。
膜と、前記反射膜の上部領域に網目状に形成されたp型反射膜電極と、前記p型反射膜電
極を備える前記反射膜の上部にこの順序に積層形成されたp型半導体層、活性層、及びn
型半導体層と、前記n型半導体層上の所定の領域に形成されたn型電極とを備えているこ
とを特徴とする発光素子を提供する。
び前記n型半導体層を保護する金属保護膜層とをさらに備えてもよい。
好ましくは、前記金属支持層は、多重の支持層構造を有している。
前記n型半導体層、前記活性層及び前記p型半導体層の側面又は下部の少なくともいずれ
か一方の一部の領域に形成された保護膜をさらに備えてもよい。前記p型半導体層、前記
活性層、及び前記n型半導体層層を包み込む反射防止層をさらに備えてもよい。
、及び貼り合わせ金属層を備えている。このとき、前記コンタクト金属層は、Ni、Ir
、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、V、Co、Os、Re及びRhのうち少な
くともいずれか1種から形成する。前記反射金属層は、Al、Agから形成する。前記拡
散防止層は、Ru、Ir、Re、Rh、Os、V、Ta、W、ITO(Indium T
in Oxide)、IZO(Indium Zinc oxide)、RuO2、VO2
、MgO、IrO2、ReO2、RhO2、OsO2、Ta2O3及びWO2のうち少な
くともいずれか1種から形成する。前記貼り合わせ金属層は、第1及び第2の貼り合わせ
金属層から形成され、前記第1の貼り合わせ金属層は、Ni、Cr、Ti、Pd、Ru、
Ir、Rh、Re、Os、V及びTaのうち少なくともいずれか1種から形成し、前記第
2の貼り合わせ金属層は、Au、Pd及びPtのうち少なくともいずれか1種から形成す
る。
成された活性層及びn型半導体層と、前記n型半導体層の上に形成されたn型電極と、少
なくとも前記n型半導体層の側面に形成された絶縁膜と、前記p型半導体層及びn型半導
体層を保護する金属保護膜層とを備えていることを特徴とする発光素子を提供する。
前記p型半導体層の下部とに形成されている。
そして、前記p型半導体層の下部の一部に形成された絶縁層をさらに備えてもよい。好ま
しくは前記絶縁層が前記活性層の側面まで延在している。
前記n型半導体層の上に形成された反射防止膜層をさらに備えてもよい。
電極は、コンタクト金属層、反射金属層、拡散防止層、及び貼り合わせ金属層を備えてい
る。前記コンタクト金属層は、Ni、Ir、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、
V、Co、Os、Re及びRhのうち少なくともいずれか1種から形成する。前記反射金
属層は、Al、Agから形成する。前記拡散防止層は、Ru、Ir、Re、Rh、Os、
V、Ta、W、ITO、IZO、RuO2、VO2、MgO、IrO2、ReO2、Rh
O2、OsO2、Ta2O3及びWO2のうち少なくともいずれか1種から形成する。前
記貼り合わせ金属層は、第1の貼り合わせ金属層及び第2の貼り合わせ金属層により形成
するが、前記第1の貼り合わせ金属層は、Ni、Cr、Ti、Pd、Ru、Ir、Rh、
Re、Os、V及びTaのうち少なくともいずれか1種から形成し、前記第2の貼り合わ
せ金属層は、Au、Pd及びPtのうち少なくともいずれか1種から形成する。
半導体層をこの順序に積層形成するステップと、前記p型半導体層、前記活性層、前記n
型半導体層、及び前記基板の一部をエッチングして素子間を分離するステップと、分離さ
れた前記p型半導体層の上にp型反射膜電極を形成し、全体構造上に第1の金属支持層を
形成するステップと、前記基板を除去するステップと、前記n型半導体層の上にn型電極
を形成するステップとを有することを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
層、p型反射膜電極、及び第1の金属支持層をこの順序に積層形成するステップと、前記
基板を除去するステップと、前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層の一
部をエッチングして素子間を分離するステップと、前記n型半導体層の上にn型電極を形
成するステップとを有することを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
成し、前記第1及び第2の金属支持層を電気メッキにより形成するか、あるいは、熱蒸着
器、電子線蒸着器、レーザー蒸着器、スパッタ、MOCVDなどの真空蒸着器により形成
する。
、Ta、Ag、Pt及びCrのうち少なくともいずれか1種の金属から形成するか、ある
いは、NbドープのSrTiO3、AlドープのZnO、ITO(Indium Tin
Oxide)またはIZO(Indium Zinc Oxide)などの伝導性セラミッ
ク基板やBドープのSi、AsドープのSi、不純物ドープのダイヤモンドなどの不純物
ドープの半導体基板のうちいずれか1種の基板から形成し、かつ、前記第1の金属支持層
と第2の金属支持層の総厚さが0.5〜200mmである。
及び前記n型半導体層を保護する保護膜を形成するステップをさらに有してもよい。
加えて、前記素子間を分離するステップ後に、分離された前記p型半導体層、前記活性層
、及び前記n型半導体層を包み込む反射防止層を形成するステップをさらに有してもよい
。
好ましくは前記n型半導体層の上部に形成された前記反射防止層の一部を除去した後、前
記反射防止層が除去された領域に前記n型電極を形成する。
半導体層をこの順序に積層形成するステップと、前記p型半導体層の一部を除く前記n型
半導体層の側面に絶縁膜を形成するステップと、前記絶縁膜が形成されていない前記p型
半導体層の上にp型電極を形成するステップと、前記p型半導体層及び前記n型半導体層
を包み込むように金属保護膜層を形成するステップと、前記基板を除去するステップと、
前記n型半導体層の上にn型電極を形成するステップとを有することを特徴とする垂直型
半導体発光素子の製造方法を提供する。
体層の上に反射膜を形成するステップをさらに含んでもよい。
前記p型半導体層の上に反射膜を形成するステップ後に、前記p型電極が形成される領域
の前記反射膜を除去するステップと、前記反射膜が除去された領域に前記p型電極を形成
するステップとをさらに有してもよい。
前記金属保護膜層を形成するステップ後に、前記金属保護膜層が形成された前記p型半導
体層の上に金属支持層を形成するステップをさらに有してもよい。
ップと、前記反射防止膜の一部を除去して前記n型半導体基板の一部を露出させるステッ
プとをさらに有してもよい。
もちろん好ましくは、前記p型半導体層の一部を除く前記n型半導体層の側面に絶縁膜を
形成するステップは、前記p型半導体層及び前記n型半導体層を包み込むように前記絶縁
膜を形成するステップと、前記p型半導体層上の前記絶縁膜の一部を除去するステップと
を含む。
することにより、チップ分離を容易に行うことができる。
また、素子の側面及び下面に10ミクロン以上の厚い金属保護膜層を形成することにより
、外部の衝撃から素子を保護することができる。
さらに、p型反射膜電極をp−GaNの上に網目状に部分的に形成し、これらの間に反射
膜を挿置することにより、活性層において発生した光子がn−GaN層に向かって放射さ
れることを極大化させることができる。
用することにより素子動作時に発生する熱放出を容易に行うことができるので、高出力素
子に用いて好適であり、InGaN層から発せられた光子がn−GaN層を介して放射さ
れるために光子が放射される経路が短くなる結果、放射中に吸収される光子の数を低減す
ることができ、さらには、n−GaN層へのドープを高濃度にて行うことができるので(
>1019/cm3)電気伝導度が大きくなり、電流拡散抵抗が高くなる結果、光出力特
性を高めることができる。
さらに、サファイア基板からレーザーを用いてLED構造のGaN薄膜層を分離する技術
と、分離された薄膜層の上に垂直型GaNLEDを作る製造工程を提供することができる
。
本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、
これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野にお
ける通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
図中、同じ符号は同じ要素を示す。
7は、本実施形態の変形例による垂直型GaN−LEDの断面図である。
この実施形態による図4に示す垂直型GaN−LEDは、最下面に金属支持層100を形
成し、その上に反射膜電極(p型反射膜オーミック電極)110が、そしてその上にp型
半導体層120、InGaN活性層(活性層)130、n型半導体層140がこの順に積
層されている。
層100として二重金属支持層(第1の金属支持層101及び第2の金属支持層102)
を採用して形成しておりチップ分離を容易にするというメリットがある。
に部分的に形成し、これらの間に反射膜103を挿置することによりi−InGaN(活
性層)130において発生した光子がn型半導体層140に向かって放射されることを極
大化させることができる。
金属支持層(第1の金属支持層101及び第2の金属支持層102)を使用していること
から、チップ分離を容易にするというメリットがある。
なお、図面符号150は、n型オーミック電極を、160は反射防止層を、そして162
は保護膜をそれぞれ示している。
図8〜図15は、本発明の第1の実施形態による垂直型LED素子の製造工程を説明する
ための一連工程断面図である。
n型半導体層140、InGaN活性層130、p型半導体層120薄膜をこの順に成長
させる。薄膜の総厚さは略4ミクロンであり、薄膜は金属−有機物化学蒸着法(meta
l−organic chemical vapor deposition、MOCVD
)により蒸着する。
常、フォトレジストまたはSiO2によりマスキングした後、Cl2ガスを流しながらド
ライエッチング法によりエッチングする。
、エッチング済みの基板上にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0ミクロンの厚さ
にPECVD(plasma−enhanced chemical vapor dep
osition)法により蒸着する。p型反射膜オーミック電極110の形成のために、
微細パターンを形成し、フォトレジスト膜をマスクとしてBOE(buffered o
xide etchant)またはCF4ガスを用いてドライエッチング法によりエッチ
ングした後、オーミック金属層を蒸着する。通常、NiとAuを数十から数百ナノメート
ルの厚さに電子線蒸着装置により蒸着して使用するが、図4〜図7に示す垂直型LEDの
場合には反射度が重要であるため、Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agな
どの金属を使用する。次いで、300〜600℃の温度条件下で熱処理を実行し、p型反
射膜オーミック電極110を形成する。
する工程を示している。金属支持層100は、電気メッキ法、またはスパッタリング、電
子線蒸着、熱蒸着などの真空蒸着法、あるいは、金属基板をp型電極の上に載置して約3
00℃の温度条件下で圧力を加えながら押し付ける基板拡散貼り合わせ法を用いて形成す
る。サファイアを介してレーザーを照射すると、レーザーがGaN層に吸収され、GaN
層は、Ga金属とN2ガスに分解される。このとき、金属支持層100は、レーザー照射
によりサファイア基板200が分離除去されるとき、約4ミクロンの薄いGaN薄膜層が
破損されることを防ぐ役目をする。
に付着している様子を示している。
せるために、n型半導体層140の上に反射防止層160をコートしたときの断面図であ
る。反射防止層160としては、SiO2またはSi3N4などが使用され、これらの膜
は、PECVDにより蒸着する。
た後の断面図である。n型電極は、Ti/AlやCr/Au層、またはTi/AlやCr
/Au層層の上にCr/AuもしくはNi/Au層を電子線蒸着装置により蒸着して形成
する。
図15は、チップを分離した後の状態の断面図である。チップは、ダイシングやレーザー
カット法により分離する。
めの一連工程断面図である。
図16は、図8に示すように、所定のGaN層が形成されたサファイア基板200を設け
る。次に、トレンチエッチングを行う前に、まず、p型反射膜オーミック電極110と金
属支持層100を形成した後(図17及び図18)、レーザーを照射してサファイア基板
200を分離除去する(図19)。
行う(図20)。次いで、反射防止層160をコートした後(図21)、n型電極150
を形成し(図22)、チップ分離を行うことにより(図23)、垂直型LED構造を完成
する。
る図24〜図26に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を説明する。
先ず、上記の図8〜図11に示した基板、すなわち、第2の金属支持層102が形成され
た基板を設ける。次いで、チップの面積に相当する領域にフォトレジスト膜によりパター
ンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクにして第1の金属支持層101を形成する(
図24)。次いで、サファイア基板200の分離除去のために、レーザーを照射する(図
25)。すなわち、図12に示す工程とこれに続く工程を行うことにより、図5に示す構
造を有する垂直型LED素子が得られる。
、図12に示す工程によりチップの面積に相当する領域にフォトレジスト膜によりパター
ンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクとして第2の金属支持層101を形成する工
程を示している。
次いで、サファイア基板200の分離除去のために、レーザーを照射する。後続する工程
は、図12に続く工程と同様である。二重金属支持層を使用していることから、図26に
示すように、ブレイキング(breaking)が容易であり、チップ分離が容易になる
というメリットがある。その結果、最終的に、図5に示す構造を有する垂直型LED素子
が得られる。
面図である図27〜図29に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を説
明する。
図27は、上述の図16〜図19に示した工程により第2の金属支持層101をさらに形
成した後、サファイア基板をレーザーにより分離除去した後の断面図である。具体的には
、図19に示す工程とこれに続く工程を行うことにより、図5に示す構造を有する垂直型
LED素子が得られる。
ている。後続する工程は、図21に続く工程と同様である。二重金属支持層を使用してい
ることから、図29に示すように、ブレイキングが容易であり、チップ分離が容易になる
というメリットがある。その結果、最終的に、図5に示す構造を有する垂直型LED素子
が得られる。
断面図である図30〜図33に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を
説明する。
図30は、図9に示した工程まで行った後、全面にSiO2の保護膜162を0.05〜
5.0ミクロンの厚さでPECVD法により蒸着する。次いで、網目状の微細パターンを
形成した後、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエ
ッチング方法によりSiO2の保護膜162をエッチングし、その後、SiO2が除去さ
れた部分上にp型反射膜オーミック金属を蒸着し、熱処理を施してp型反射膜オーミック
電極110を形成する。
使用することができるが、図4〜図7に示す垂直型LED素子の場合には反射度が重要で
あるため、Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agなどの金属を使用する。
次いで、300〜600℃の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて
熱処理を施すことにより電極を形成する。
はAl系の反射膜103を蒸着する。図32は、数ミクロン〜数十ミクロンの厚さの金属
支持層100を形成し、レーザーを照射する工程を示している。
真空蒸着法、あるいは、金属基板をp型電極上に載置して約300℃の温度条件下で圧力
を加えながら押し付ける基板拡散貼り合わせ法を用いて形成する。レーザーをサファイア
を介して照射すると、レーザーがGaN層に吸収され、GaN層は、Ga金属とN2ガス
に分解される。このとき、金属支持層100は、レーザー照射によりサファイア基板20
0が分離除去されるときに約4ミクロンの薄いGaN薄膜層が破損されることを防ぐ。
後続する工程は、図12〜図14に示す工程と同様である。図33は、チップを分離した
後の断面図である。
断面図である図34〜図37に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を
説明する。
図34は、図16に示した所定の基板の上にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0
ミクロンの厚さにPECVD法により蒸着する工程を示している。
またはCF4ガスを用いてドライエッチング方法によりSiO2の保護膜162をエッチ
ングし、その後、SiO2が除去された部分上にp型反射膜オーミック金属を蒸着し、熱
処理を施してp型反射膜オーミック電極110を形成する工程を示している。
NiとAuを数十〜数百ナノメートルの厚さに電子線蒸着装置により蒸着して使用するこ
とができるが、図4〜図7に示す垂直型LEDの場合には反射度が重要であるため、Ni
/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agなどの金属を使用する。次いで、300〜
600℃の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて熱処理を施すこと
により電極を形成する。次いで、p型反射膜オーミック電極110の上にAgまたはAl
系の反射膜103を蒸着する。
する工程を示す。金属支持層100は、電気メッキ方法、またはスパッタリング、電子線
蒸着、熱蒸着などの真空蒸着法、あるいは、金属基板をp型電極上に載置して300℃の
温度条件下で圧力を加えながら押し付ける基板拡散貼り合わせ方法を用いて形成する。レ
ーザーをサファイアを介して照射すると、レーザーがGaN層に吸収され、GaN層はG
a金属とN2ガスに分解される。このとき、金属支持層100はレーザー照射によりサフ
ァイア基板200が分離除去されるときに約4ミクロンの薄いGaN薄膜層が破損される
ことを防ぐ。後続する工程は、図20〜図22に示す工程と同様である。図37は、チッ
プを分離した後の断面図である。
面図である図38〜図41に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を説
明する。
図38は、図9に示した工程まで行った後、全面にSiO2の保護膜162を0.05〜
5.0ミクロンの厚さにPECVD方法により蒸着する工程を示している。次いで、網目
状の微細パターンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガ
スを用いてドライエッチング方法によりSiO2をエッチングし、その後、SiO2が除
去された部分上にp型反射膜オーミック金属を蒸着し、熱処理を施してp型反射膜オーミ
ック電極110を形成する工程を示している。
て使用することができるが、図4から図7に示す垂直型LEDの場合には反射度が重要で
あるため、Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agなどの金属を使用する。次
いで、300〜600℃の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて熱
処理を施すことにより電極を形成する。
03を蒸着する工程を示している。次いで、図40に示すように、数ミクロン〜数十ミク
ロンの厚さの第1の金属支持層102を作り、チップの面積に相当する領域にフォトレジ
スト膜によりパターンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクとして第2の金属支持層
101を形成する。次いで、レーザーを照射してサファイア基板200を分離する。
着などの真空蒸着法、あるいは、金属基板をp型電極上に載置して300℃の温度条件下
で圧力を加えながら押し付ける基板拡散貼り合わせ方法を用いて形成する。第2の金属支
持層101は、電気メッキ方法、またはスパッタリング、電子線蒸着、熱蒸着などの真空
蒸着法を用いて形成する。レーザーをサファイアを介して照射すると、レーザーがGaN
層に吸収され、GaN層はGa金属とN2ガスに分解される。このとき、金属支持層は、
レーザー照射によりサファイア基板200が分離除去されるとき、約4ミクロンの薄いG
aN薄膜層が破損されることを防ぐ。
後続する工程は、図12、図13、図14に示す工程と同様である。図41は、チップを
分離した後の断面図である。
断面図である図42〜図45に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を
説明する。
図42は、図16に示した所定の基板上にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0ミ
クロンの厚さにPECVD方法により蒸着する工程を示している。次いで、網目状の微細
パターンを形成し、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてド
ライエッチング方法によりSiO2をエッチングした後、SiO2が除去された部分上に
p型反射膜オーミック金属を蒸着し、次いで、熱処理を施してp型反射膜オーミック電極
110を形成する。
することができるが、図4〜図7に示す垂直型LEDの場合には反射度が重要であるため
、Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agなどの金属を使用する。次いで、3
00〜600℃の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて熱処理を施
すことにより電極を形成する。次いで、網目状のp型反射膜オーミック電極110の上に
AgまたはAl系の反射膜103を蒸着する。
面積に相当する領域にフォトレジスト膜によりパターンを形成した後、フォトレジスト膜
をマスクとして第2の金属支持層101を形成する工程を示している。次いで、レーザー
を照射してサファイア基板200を分離除去する。
第1の金属支持層102は、電気メッキ方法、またはスパッタリング、電子線蒸着、熱蒸
着などの真空蒸着法、あるいは、金属基板をp型電極上に載置して300℃の温度条件下
で圧力を加えながら押し付ける基板拡散貼り合わせ方法を用いて形成する。第2の金属支
持層101は、電気メッキ方法、またはスパッタリング、電子線蒸着、熱蒸着などの真空
蒸着法を用いて形成する。レーザーをサファイアを介して照射すると、レーザーがGaN
層に吸収され、GaN層はGa金属とN2ガスに分解される。このとき、金属支持層は、
レーザー照射によりサファイア基板200が分離除去されるときに約4ミクロンの薄いG
aN薄膜層が破損されることを防ぐ。
20、図21、図22に示す工程と同様である。図45は、チップを分離した後の断面図
である。
造時における種々の工程により製造可能である。すなわち、それぞれの層は種々の蒸着工
程により製造することができ、エッチングについてもドライ/ウェットを用いたエッチン
グ工程を行うことができ、パターニング工程に際しても、フォトレジスト膜の代わりに別
途のバリア膜を使用することができる。
図46に示すように、n型電極のパッドの周りに「X」字状の枝(branch)を付け
ると、電流の拡散抵抗を低減することができて電子を均一に注入することができ、結果と
して、光出力を高めることができる。もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく
、光出力の向上のためにn型電極として種々の形状のものが採用可能である。
具体的には、図47は、本発明の図8〜図15に示した工程によりサファイアを分離除去
した2インチLED基板と、その上に配設されたLED素子を走査型電子顕微鏡(SEM
)により観察した写真である。この図47より、2インチ基板の全てが完璧にサファイア
から分離除去されており、しかも、その内に作り込まれた素子がいずれも良好な状態を維
持していることが確認できる。
水平型LED素子における電気的、光学的な特性を比較した結果を示すグラフである。
図48は、水平型LED素子と垂直型LED素子における電流−電圧特性の比較グラフで
ある。注入電流が20mAであるときに垂直型LEDの順方向電圧は3.3Vであり、水
平型LED素子の3.5Vに比べて0.2V程度低いことが分かる。これは、垂直型構造
のLED素子の方が電力消費が低いことを示唆している。
。この図49より、光出力特性が2.5倍以上高くなっていることが分かる。これは、同
じ電力が消費されるとしたとき、垂直型構造のLED素子の方が2.5倍ほどさらに明る
い光を放射することを示唆している。
よる光出力特性の比較グラフである。
図2に示す水平型LED素子と、図8〜図15に示した工程により図4に示した垂直型L
ED素子を作り、注入電流による光の光出力特性を調べてみた。図50に示すように、垂
直型LED素子の方が、水平型LED素子に比べて、約2.5倍ほどさらに明るい光を放
射することが分かる。
D素子と、図8〜図15に示す製造工程により製造した垂直型LED素子における電気的
、光学的な特性を比較した結果を示すグラフである。
ここで、反射膜としては、純度99%以上のAgを500nmの厚さに熱蒸着したAg膜
を使用している。
5に示す工程により製作した垂直型LED素子における素子の電流−電圧特性の比較グラ
フである。注入電流が20mAであるときに、両素子ともに順方向電圧は3.3Vである
ことが分かる。
5に示した工程により製造した垂直型LED素子における光出力特性の比較グラフである
。この図52より、光出力特性が少なくとも20%程度改善されていることが確認できる
。これは、Ag膜の反射度が98%以上であることに起因する。すなわち、図30〜図3
3に示す工程により、垂直型LED素子の光特性を少なくとも20%程度改善することが
可能になることが分かる。
、金属保護膜層をp型電極の上と素子の側面にコートしてGaNエピタキシャル成長した
基板を保護することができる。以下、金属保護膜層を備える本発明の第2の実施形態によ
る垂直型LED素子について説明する。
58は、本実施形態の変形例による垂直型LED素子の断面図である。
図53を参照すると、本実施形態の垂直型GaN−LED構造は、まず、素子の側面、す
なわち、p型半導体層1300、活性層1400、及びn型半導体層1500からなる素
子の側面に絶縁膜1700をコートした後、金属保護膜層1100をp型電極1200の
下と絶縁膜1700の側面にコートして、厚さが僅か4〜5ミクロンであるGaNピタキ
シャル成長した基板を保護できる構造であることを特徴としている。
0が形成され、その上にp型電極1200、p型半導体層1300、活性層1400、n
型半導体層1500、及びn型電極1600層がこの順に積層されている。
図54に示すように、本実施形態の変形例による2番目の垂直型GaN−LED構造は、
第2の実施形態による1番目の構造を基本とし、光が発せられるn型半導体層の上に反射
防止膜1800をコートして光特性を改善し耐久性を高めることを特徴とする。
下に厚い金属支持層1900をコートしてチップ分離を容易にするというメリットがある
。このとき、下の金属支持層1900が一種の橋柱の役目を果たすために中空スペースを
提供して力学的に両橋柱間を圧力が働くような形状になり、チップ分離を容易に行うこと
ができる。
、p型電極1200をp型半導体層1300の上に網目状に部分的に形成し、これらの間
に反射膜2000を挿置することにより活性層1400において形成した光子がn型半導
体層1500に向かって放射されることを極大化させることができるという特徴がある。
とし、光が発せられるn型半導体層1500の上に反射防止膜1800をコートして光特
性を改善し耐久性を高めることを特徴とする。
属保護膜層1100の下に厚い金属支持層1900をコートしてチップ分離を容易にする
というメリットがある。
1300と、その上部に形成された活性層1400、及びn型半導体層1500と、n型
半導体層1500の上に形成されたn型電極1600と、p型半導体層1300、活性層
1400及びn型半導体層1500を保護する金属保護膜層1100とを備えている。
導体層1500の側方とp型半導体層1300の下方に形成されている。また、金属保護
膜層1100とp型半導体層1300との間に形成されたp型電極1200をさらに備え
ている。p型電極1200は、網目状に形成することが好ましい。また、n型半導体層1
500、活性層1400、及びp型半導体層1300の側方と金属保護膜層1100との
間には絶縁膜1700をさらに形成している。さらに、p型半導体層1300と金属保護
膜層1100との間に反射膜2000をさらに形成してもよく、金属保護膜層1100の
下部に金属支持層1900をさらに形成してもよい。
層1300、活性層1400、n型半導体層1500、及びn型電極1600がこの順に
積層され、p型半導体層1300、活性層1400、及びn型半導体層1500の側面を
保護する絶縁膜1700が形成され、絶縁膜1700とp型電極1200の周りに金属保
護膜層1100が形成されている。このとき、絶縁膜1700は、n型半導体層1500
の側面にのみ形成されていてもよく、p型半導体層1300の側面にのみ形成されていて
もよい。
LED素子のn型半導体層1500の上に反射防止膜1800が形成されて光の反射を防
ぐというメリットがある。
図55に示す垂直型GaN−LED素子は、図54に示した垂直型GaN−LED素子の
金属保護膜層1100の下部に金属支持層1900が形成されている。
れた網目状のp型電極1200と、p型電極1200の上にこの順序で積層されたp型半
導体層1300、活性層1400、n型半導体層1500及びn型電極1600と、p型
半導体層1300、活性層1400及びn型半導体層1500の側方に形成された絶縁膜
1700と、絶縁膜1700と反射膜2000の周りを包み込むように形成された金属保
護膜層1100とを備えている。このとき、絶縁膜1700は、図のごとく、p型半導体
層1300の下部面に部分的に形成されていてもよい。
体層1500の上部に反射防止膜1800が形成されている。
図58に示す垂直型LED素子は、図57に示した垂直型LED素子の金属保護膜層11
00の下部に金属支持層1900が形成されている。
と90%以上の高反射度を有するオーミック電極層であることが好ましい。かかるオーミ
ック電極層としてのp型電極1200は、コンタクト金属層1210、反射金属層122
0、拡散防止層1230及び貼り合わせ金属層1240、1250を備える。p型電極1
200の総厚さは、300Å〜23000Åにするが、好ましくは、2000Å〜500
0Åにする。
、200Å以内に形成する。上述のコンタクト金属層1210の厚さは、光の吸収量を制
御する目的で、上述の厚さの範囲内に収める。また、コンタクト金属層1210は、多層
の薄膜で形成してもよい。
コンタクト金属層1210は、Ni、Ir、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、
V、Co、Os、Re及びRhのうち少なくともいずれか1種から形成し、好ましくは、
Ni、Ir及びPtが積層された金属から形成する。
0Å〜2000Åの厚さに形成する。反射金属層1220はAl及び/またはAgから形
成し、好ましくは、Agから形成する。
〜800Åの厚さに形成する。拡散防止層1230は、Ru、Ir、Re、Rh、Os、
V、Ta、W、ITO、IZO、RuO2、VO2、MgO、IrO2、ReO2、Rh
O2、OsO2、Ta2O3及びWO2のうち少なくともいずれか1種から形成し、好ま
しくは、Ruから形成する。
り合わせ金属層1250により形成するが、第1の貼り合わせ金属層1240は100Å
〜3000Åの厚さに形成し、好ましくは、1000Å以内に形成する。第1の貼り合わ
せ金属層1240は、Ni、Cr、Ti、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、V及び
Taのうち少なくともいずれか1種から形成し、好ましくは、Niから形成する。
第2の貼り合わせ金属層1250は、100Å〜9000Åの厚さに形成するが、好まし
くは、1000Å以内に形成する。第2の貼り合わせ金属層1250は、Au、Pd及び
Ptのうち少なくともいずれか1種から形成し、好ましくは、Auから形成する。
止層1230をこの順に積層した後、熱処理を施し、続けて、第1及び第2の貼り合わせ
金属層1240、1250を積層して形成するか、あるいは、コンタクト金属層1210
、反射金属層1220、拡散防止層1230、第1及び第2の貼り合わせ金属層1240
、1250を形成した後に熱処理を施して形成する。
これにより、p型半導体層1300の上にMe(=Ir、Ni、Pt)/Ag/Ru/N
i/Auがこの順に積層されて、反射膜特性と低いコンタクト抵抗特性を両立できるp型
電極を形成することができる。
法を説明する。
図59〜図66は、本発明の第2の実施形態による垂直型LED素子の製造方法を説明す
るための一連工程断面図である。
にn型半導体層1500、活性層1400、p型半導体層1300薄膜をこの順に成長さ
せる。薄膜の総厚さは略4ミクロンであり、薄膜は金属−有機物化学蒸着法(MOCVD
)により蒸着する。
LiAl2O3、BN、AlN及びGaNのうち少なくともいずれか1種の基板を使用す
る。この実施形態においては、サファイア基板を使用している。この実施形態においては
、上述の基板1000の上に、n型半導体層1400の形成時に緩衝の役割を果たすバッ
ファ層をさらに形成してもよい。n型半導体層1400としては、n型不純物が注入され
た窒化ガリウム(GaN)膜を使用することが好ましいが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、種々の半導体性質を持つ物質層が採用可能である。
層1400を形成している。また、p型半導体層1300としても、p型不純物が注入さ
れた窒化ガリウム膜を使用する。この実施形態においては、p型AlxGa1−xN(0
≦x≦1)膜を備えるp型半導体層1300を形成する。
この代わりに、半導体層膜としてInGaN膜を使用してもよい。また、上述のn型半導
体層1500及びp型半導体層1300は多層膜に形成してもよい。以上において、n型
の不純物としてSiを使用し、p型の不純物としては、InGaAlPの使用時にはZn
を使用し、窒化物系であるときにはMgを使用している。
層とバリア層が反復的に形成された多層膜を使用する。上述のバリア層と量子井戸層とし
ては、2元化合物GaN、InN、AlN、3元化合物InxGa1−xN(0≦x≦1
)、AlxGa1−xN(0≦x≦1)、及び4元化合物AlxInyGa1−x−yN
(0≦x+y≦1)を使用することができる。もちろん、上述の2元ないし4元化合物に
所定の不純物を注入してn型半導体層1500及びp型半導体層1300を形成してもよ
い。
通常、フォトレジスト膜またはSiO2によりマスキングした後、Cl2ガスを流しなが
らドライエッチング方法によりエッチングする。ドライエッチングによりエッチングした
後、エッチングマスクを除去し、その後、全面に絶縁膜1700を蒸着して素子の側面に
絶縁膜1700を蒸着する。
エッチングした後、その上にp型電極(p型反射膜オーミック電極)1200を形成する
工程を示している。素子の分離のために、エッチング済みの基板上にSiO2保護膜17
00を0.05〜5.0ミクロンの厚さにPECVD方法により蒸着する。p型反射膜オ
ーミック電極1200の形成のために、微細パターンを形成し、フォトレジスト膜をマス
クとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエッチング方法によりエッチングした後
、オーミック金属層を蒸着する。
l:HNO3=3:1)水溶液にp型半導体層1300を10分間浸漬した後、脱イオン
水による洗浄、窒素による乾燥を行うことにより実施される。
処理した後、電子線蒸着装置内に挿入し、金属電極/Ag/Ru/Ni/Au(Me=I
r、Ni、Pt)層1210、1220、1230、1240、1250をこの順に蒸着
してオーミック電極を形成する。そして、オーミック電極に対して、急速熱処理装置を用
い、酸素雰囲気下または酸素を5%以上含む雰囲気下で100〜700℃の温度条件下、
10秒以上熱処理を施す。好ましくは、5〜100%の酸素入り雰囲気下で100〜70
0℃の温度条件下、約10〜100秒間熱処理を施す。次いで、電気的な特性を測定して
オーミック電極のコンタクト抵抗を計算する。
1210、Ag層1220、Ru層1230をこの順に蒸着する。次いで、酸素雰囲気下
で熱処理を施す。このとき、反射金属層としてのAg層1220の上に拡散防止層として
のRu層1230が形成され、熱処理に際してAg層1220が拡散または酸化されるよ
うな現象を防ぐことができる。次いで、Ru層1230の上にNi層1240及びAu層
1250を蒸着してオーミック電極を形成する。
、Ru層1230、Ni層1240及びAu層1250をこの順に積層した後、酸素雰囲
気下で熱処理を施し、緻密なオーミック電極を形成してもよい。オーミック電極の形成後
、所定のパターニング工程によりp型半導体層1300上のオーミック電極を所望のパタ
ーンにしてもよい。もちろん、n型窒化物層の上に上述のオーミック電極を形成してもよ
い。
。上述においては、全体の構造に絶縁膜1700を形成した後、p型半導体層1300の
上に形成された絶縁膜1700の一部をエッチングしているが、本発明はこれに限定され
るものではない。すなわち、p型半導体層1300の上部に所定のマスクを形成してその
一部を保護した後、全体の構造の上に絶縁膜1700を形成し、その後、n型半導体層1
500と活性層1400の側方に形成された絶縁膜1700部分を除いた絶縁膜1700
を除去してもよい。
を照射する工程を示している。金属保護膜層1100は、電気メッキ方法、またはスパッ
タリング、電子線蒸着、熱蒸着などの真空蒸着法を用いて形成する。レーザーをサファイ
アを介して照射すると、レーザーがGaN層に吸収され、GaN層はGa金属とN2ガス
に分解される。このとき、金属保護膜層1100はレーザー照射によりサファイア基板1
000が分離除去されるときに約4ミクロンの薄いGaN薄膜層が破損されることを防ぐ
。このとき、絶縁膜の一部も一緒に分離除去されることがある。
1100により包み込むように保護されている様子を示している。
次いで、図64に示すように、活性層(i−InGaN)1400から発生した光子を基
板の外部に円滑に放射させるために、n型半導体層1500の上に反射防止層1800を
コートする。反射防止膜1800としては、SiO2、Si3N4、ITO、IZOなど
が使用され、これらの膜はPECVD、スパッタリングまたは電子線蒸着法により蒸着す
る。
形成した後の断面図である。n型電極1600は、Ti/AlやCr/Au、またはこれ
ら層の上にCr/AuやNi/Au層を電子線蒸着装置により蒸着して使用する。
図66は、チップを分離した後の断面図である。このとき、チップは、ダイシングやレー
ザーカット方法により分離する。
ための工程断面図である。
図67〜図69に示す工程は、上述の図59〜図61に示す工程とほとんど同様である。
すなわち、基板1000の上に所定のGaN層、すなわち、PN接合構造の層を形成する
。次いで、素子間を分離し、分離された素子を保護する絶縁膜1700をその段差に沿っ
て形成する。絶縁膜1700の一部をパターニングしてp型半導体層1300の一部を露
出させた後、露出したp型半導体層1300の上にp型電極1200を形成する。
を形成し、p型半導体層1300の上方の金属保護膜層1100の上に金属支持層190
0を形成する。好ましくは、金属保護膜層1100の上に10〜50ミクロンの厚さの金
属支持層1900を形成する。
1500の上に反射防止膜1800を形成し、反射防止膜1800の一部をパターニング
してn型半導体層1500の一部を露出させる。次いで、露出されたn型半導体層150
0の上にn型電極1600を形成する。その後、チップを分離して垂直型LED構造を完
成する。
図である図75〜図82に基づき、これら変形例による垂直型LED素子の製造工程を説
明する。
図75及び図76に示すように、基板1000の上にPN接合構造の複数の半導体層を形
成する。SiO2系の絶縁膜1700を0.05〜5.0ミクロンの厚さにPECVD方
法により蒸着する。次いで、フォトレジスト膜を用いて網目状の微細パターンを形成し、
フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエッチング方法
によりSiO2をエッチングすることにより、p型半導体層1300を網目状に露出させ
る。
0の上にp型反射オーミック電極層(p型電極)1200を蒸着する。p型電極1200
が形成されたp型半導体層1300の上に反射膜2000を形成する。p型オーミック電
極(p型電極)1200は、オーミック金属を蒸着し、熱処理を施して形成する。
用するが、本実施形態の垂直型LEDの場合には反射度が重要であるため、Ni/Ag、
Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agなどの金属を使用する。次いで、300〜600℃
の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて熱処理を施すことにより電
極を形成する。その後、網目状のp型オーミック電極(p型電極)1200上にAgまた
はAl系の反射膜2000を蒸着する。
図78〜図82に示す工程は、図59〜図74に示した工程と同様であるため、その説明
は省略する。
83〜図90に基づき、この変形例による垂直型LED素子の製造工程を説明する。
図83〜図85に示す工程は、上述の図75〜図77に示す工程と同様である。
成した後、金属保護膜層1100の上部に金属支持層1900を形成する工程を示してい
る。図のごとく、トレンチが形成された領域には金属支持層1900を形成しないことに
より、後続する個々の素子間を分離する工程を容易に行うことができる。図87〜図90
は、図59〜図82に示した工程と同様であるため、その説明を省略する。
ように形成されている。また、金属保護膜層1100の下部に金属支持層1900を形成
してチップの分離時に素子が歪んだり衝撃により損傷されたりするような現象を極力抑え
ることができる。
O2、VO2、ZrO2、Ce2O3、HfO2、NbO2、Ta2O5、Y2O3、V
2O3及びWO3のうち少なくともいずれか1種の酸化物薄膜を使用する。このとき、酸
化膜として100nm〜100μmの厚さのものを使用する。また、GaN、AlGaN
、AlN、SiC、ダイヤモンドなどの広いバンドギャップを有する1種または2種以上
の薄膜状の半導体を交互に積層して100nm〜100μmの厚さの絶縁膜を形成する。
Al、Ta、Ag、Pt及びCrのうち少なくともいずれか1種の金属から0.5〜20
0mmの厚さに形成する。さらに、金属保護膜層1100及び金属支持層1900は、N
bドープのSrTiO3、AlドープのZnO、ITO、IZOなどの伝導性セラミック
膜や、BドープのSi、AsドープのSi、不純物ドープのダイヤモンドなどの不純物ド
ープの半導体を真空蒸着して形成することができる。
W、Cu、Cr、Pd、V、Co、Nb、Zr及びAlのうち少なくともいずれか1種の
物質から5〜2000nmの厚さに形成する。もし、p型電極1200を2層に形成する
場合、1番目の層にはNi、Pt、Ru、Ir、Rh、Ta、Mo、Ti、Ag、W、C
u、Cr、Pd、V、Co、Nb、In及びZrのうち少なくともいずれか1種の物質を
使用し、2番目の層にはAg及び/またはAlを使用する。
このとき、1番目の層は5〜1000nmの厚さに形成し、2番目の層は10〜1000
nmの厚さに形成する。
るために、窒素雰囲気、酸素雰囲気または空気雰囲気下で300〜600℃の温度条件下
、30秒〜30分間熱処理を施す。また、p型電極1200の形成前に反射膜2000を
p型半導体層1300上に形成した後、p型電極1200が形成される部分をエッチング
してp型電極1200を形成する。
00を、Agと他の金属を10%未満含む合金またはAlと他の金属を10%未満含む合
金から形成してもよい。
さらに、反射防止膜1800は、ITO、ZnO、SiO2、Si3N4及びIZOのう
ち少なくともいずれか1種から10〜5000nmの厚さに形成する。
101 第1の金属支持層
102 第2の金属支持層
103、2000 反射膜
110 (p型)反射膜電極(p型反射膜オーミック電極)
120、1300 p型半導体層
130、1400 InGaN活性層(活性層)
140、1500 n型半導体層
150、1600 n型オーミック電極(n型電極)
160 反射防止膜(層)
162 保護膜
200、1000 (サファイア)基板
1100 金属保護膜層
1200 p型電極
1210 コンタクト金属層
1220 反射金属層
1230 拡散防止層
1240、1250 貼り合わせ金属層
1700 絶縁膜
1800 反射防止膜
1900 金属支持層
Claims (7)
- p型半導体層と、
前記p型半導体層の上に形成された活性層およびn型半導体層と、
前記n型半導体層の上に形成されたn型電極と、
少なくとも、前記n型半導体層の側面に、形成された絶縁膜と、
前記p型半導体層および前記n型半導体層を保護する金属保護膜層と、
を備える発光素子。 - 前記金属保護膜層は、前記p型半導体層および前記n型半導体層の側面と前記p型半導体層の底面に形成されている請求項1に記載の発光素子。
- さらに、前記p型半導体層の底面の一部に形成された絶縁層を備える請求項1に記載の発光素子。
- 前記絶縁層は、前記活性層の側面に延びている請求項3に記載の発光素子。
- さらに、前記n型半導体層の上に形成された反射防止膜層を備える請求項1に記載の発光素子。
- さらに、前記p型半導体層の下に形成されたp型電極を備える請求項1に記載の発光素子。
- 前記p型電極は、コンタクト金属層、反射金属層、拡散防止層および貼り合わせ金属層を含む請求項6に記載の発光素子。
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