JP2016195187A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも寿命特性の良好な半導体発光素子を提供する。【解決手段】 半導体発光素子は、基板上に、第一半導体層と、活性層と、第二半導体層が形成されており、第一半導体層よりも基板に近い位置に形成された絶縁層と、絶縁層とは基板の面に平行な方向に離間した状態で第一半導体層に接触して形成された第一電極と、第二半導体層に接触し基板の面に直交する方向に関して絶縁層と対向する位置に形成された第二電極と、絶縁層と第一電極に挟まれた領域において第一半導体層に接触して形成された保護層とを有する。【選択図】 図１Ａ
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
近年、窒化物半導体を用いた発光素子の開発が進められている。この発光素子は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、これらｎ型半導体層及びｐ型半導体層に挟まれるように形成された活性層とを含んで構成される。ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に電位差が設けられることで両者間に電流が流れ、活性層内で電子と正孔が再結合して発光する。活性層内で生成されたこの光を有効に利用すべく、種々の研究開発が進められている。
例えば、下記特許文献１には、いわゆる「縦型構造」を有する発光素子が開示されている。縦型構造の素子とは、活性層に対して基板に直交する方向に電圧が印加されることで、活性層が発光する素子を指す。
図６は、特許文献１に開示された発光素子の断面図を模式的に示したものである。従来の発光素子９０は、基板９１上に導電層９２、反射膜９３、絶縁層９４、反射電極９５、半導体層９９、及びｎ側電極１００を備えて構成される。半導体層９９は、ｐ型半導体層９６、活性層９７、及びｎ型半導体層９８が基板９１側から順に積層されて構成される。
絶縁層９４の下層には金属材料からなる反射膜９３が形成されているが、この反射膜９３はオーミック性を有さず電極としての機能を奏さない。一方、反射電極９５は金属材料からなり、ｐ型半導体層９６の間でオーミック接触が実現されることで電極（ｐ側電極）として機能している。
反射電極９５は、活性層９７で生成された光のうち、基板９１に向かう方向（図面下向き）に放射された光を反射させてｎ側半導体層９８側（図面上向き）に取り出すことで、光の取り出し効率を高める目的を兼ねている。反射膜９３も同様の目的で形成されており、反射電極９５が形成されていない箇所を通過して下向きに進行した光を反射させてｎ側半導体層９８側に進行方向を変えることで、光の取り出し効率が高められる。
しかし、本発明者の鋭意研究により、図６に示される従来の半導体発光素子９０によれば、所定の時間以上を点灯させると、急激に光束維持率が低下することが確認された。
本発明は、上記の課題に鑑み、寿命特性の良好な半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明は、ｎ型又はｐ型の第一半導体層、前記第一半導体層の上層に形成された活性層、及び前記活性層の上層に形成され前記第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層を含む半導体層が、基板上に形成されてなる半導体発光素子であって、
前記第一半導体層よりも前記基板に近い位置に形成された絶縁層と、
前記絶縁層とは前記基板の面に平行な方向に離間した状態で、前記第一半導体層に接触して形成された第一電極と、
前記第二半導体層に接触し、前記基板の面に直交する方向に関して前記絶縁層と対向する位置に形成された第二電極と、
前記絶縁層と前記第一電極に挟まれた領域において、前記第一半導体層に接触して形成された保護層とを有することを特徴とする。
前記第一半導体層よりも前記基板に近い位置に形成された絶縁層と、
前記絶縁層とは前記基板の面に平行な方向に離間した状態で、前記第一半導体層に接触して形成された第一電極と、
前記第二半導体層に接触し、前記基板の面に直交する方向に関して前記絶縁層と対向する位置に形成された第二電極と、
前記絶縁層と前記第一電極に挟まれた領域において、前記第一半導体層に接触して形成された保護層とを有することを特徴とする。
本発明者は、従来の半導体発光素子が、所定の時間以上を点灯させると、急激に光束維持率を低下させた理由を以下のように推察している。この内容につき、図６の一部拡大図である図７を参照して説明する。
半導体発光素子９０に電流を供給して点灯させると、ｎ側電極１００の端部近傍（例えば領域１０１）に最も電流が集中する（電流密度が高い）。これにより、当該領域１０１が高温化する。点灯が長時間にわたって継続すると、ｎ側電極１００の端部近傍に位置する半導体層９９が長時間にわたって高温下に晒されることで、半導体層９９の一部が劣化する。更に、劣化した半導体層９９の構成材料が大気中の酸素と結合することで酸化物が生成される。この酸化物は、まだ劣化が進行していない半導体層９９の領域と比べて高抵抗を示すため、点灯時には、当該高抵抗領域を回避するように半導体層９９内を電流が流れ、電流密度が更に上昇する。この結果、半導体層９９の劣化が更に進行する。図７では、半導体層９９の劣化が進行することを破線で模式的に示している。
半導体層９９の劣化は、電流経路に沿って進行し（矢符Ａ１）、やがて絶縁層９４との接触箇所に達する。このとき、半導体層９９と絶縁層９４の界面に応力が発生し、両者間の密着性が低下する。この結果、絶縁層９４と半導体層９９の間に隙間が生じる（領域Ａ２）。すると、半導体層９９の劣化箇所や、絶縁層９４と半導体層９９の隙間を通じて流入した大気が、反射電極９５の面に容易に接触する。
このように、反射電極９５が大気に暴露した状態で半導体発光素子９０の点灯状態が継続すると、反射電極９５の場所に応じた電位差と、反射電極９５の表面に吸着した大気中に含まれる水分の存在により、反射電極９５がイオンマイグレーションを起こす。例えば、反射電極９５がＡｇで構成される場合、以下のような電離が生じる。
（化１）
Ａｇ → Ａｇ+
Ｈ２Ｏ → Ｈ+ ＋ ＯＨ-
Ａｇ → Ａｇ+
Ｈ２Ｏ → Ｈ+ ＋ ＯＨ-
例えば以下の（化２）により、反射電極９５の陽極側（基板９１側）においてＡｇＯＨが析出される。
（化２）
Ａｇ+ ＋ ＯＨ- → ＡｇＯＨ
Ａｇ+ ＋ ＯＨ- → ＡｇＯＨ
例えば以下の（化３）により、ＡｇＯＨは分解されて、反射電極９５の陽極側でＡｇ2Ｏとなり、コロイド状に分散される。
（化３）
２ＡｇＯＨ ←→ Ａｇ2Ｏ ＋ Ｈ２Ｏ
２ＡｇＯＨ ←→ Ａｇ2Ｏ ＋ Ｈ２Ｏ
更に、水分が加えられると、例えば以下の（化４）のような反応が進行し、Ａｇ+が生成されて陰極側（半導体層９９側）に移動する。
（化４）
Ａｇ2Ｏ ＋ Ｈ2Ｏ ←→ ２ＡｇＯＨ ←→ ２Ａｇ+ ＋ ２ＯＨ-
Ａｇ2Ｏ ＋ Ｈ2Ｏ ←→ ２ＡｇＯＨ ←→ ２Ａｇ+ ＋ ２ＯＨ-
以上の（化１）〜（化４）の反応を繰り返し、Ａｇ+が半導体層９９側へと移動してしまう（マイグレーション）。上記反応の進行中において、反射電極９５内においてＡｇとは別の材料が生成される結果、反射電極９５の反射率が低下する。これにより、光束維持率が低下する。
更に、点灯状態が継続されると、上記のマイグレーションが進行し、析出したＡｇによってｐ型半導体層９６とｎ型半導体層９８とを短絡する場合がある。この場合、もはや通電しても点灯しなくなってしまう。
すなわち、本発明者は、従来の半導体発光素子９０に対して長時間点灯を持続すると、絶縁層９４と半導体層９９との密着性が低下して、反射電極９５が大気に暴露され、これによって反射電極９５の構成材料のマイグレーションを招いたことが、光束維持率の低下の原因であると結論付けた。
これに対し、本発明に係る構成によれば、仮に点灯状態が継続されて、電流が集中する第二電極の端部近傍の位置から半導体層の劣化が進行した場合において、この劣化が絶縁層に達して絶縁層と半導体層の密着性が低下したとしても、絶縁層と第一電極に挟まれた領域に保護層が形成されているため、第一電極が大気に暴露されるのを防止できる。この結果、従来の発光素子に比べて、第一電極を構成する材料がマイグレーションを起こしにくくなり、反射率が低下する速度を抑制することができる。更に、このマイグレーションが第二電極まで進行して短絡するのを防止できる。
よって、この構成によれば、従来よりも寿命特性の良好な半導体発光素子が実現される。実際に良好な寿命特性が得られることについては、実施例を参照して後述される。
また、上記の構成において、前記保護層は、前記第一電極に接触して形成されているものとすることができる。
この構成によれば、第一電極が大気に暴露するのを更に防ぐことができ、第一電極の構成材料のマイグレーションを抑制する効果が高められる。
前記保護層は、前記第一電極の面のうち、前記第一半導体層と接触している面以外の面を覆うように形成されていても構わない。
この構成によれば、第一電極の構成材料のマイグレーションを抑制する効果が更に高められる。
前記半導体発光素子は、前記保護層よりも前記基板に近い位置に形成された接合層を有するものとしても構わない。
接合層を構成する材料が第一電極側に拡散すると、第一電極の反射率が低下してしまう。しかし、上記の構成によれば、保護層を備えることで、第一電極の構成材料のマイグレーションを抑制すると共に、接合層の構成材料の拡散を防止することができる。これにより、光取り出し効率が低下する速度を抑制することができる。
第一電極はＡｇを含む材料で構成されるものとしても構わない。Ａｇは活性層から放射される光に対する反射率が高い反面、マイグレーションを起こしやすい材料である。しかし、上記の構成によれば、保護層を備えることでＡｇのマイグレーションが抑制されるため、高い反射率を長時間にわたって維持することができる。これにより、高い光取り出し効率を長期間にわたって維持することのできる半導体発光素子が実現される。
本発明によれば、従来よりも良好な寿命特性を示す半導体発光素子が実現される。
本発明の窒化物半導体発光素子につき、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。また、以下において、「ＡｌＧａＮ」という記述は、ＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０＜ｍ＜１）という記述と同義であり、ＡｌとＧａの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、ＡｌとＧａの組成比が１：１である場合に限定する趣旨ではない。「ＩｎＧａＮ」という記述についても同様である。
［構成］
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１Ｂは光取り出し方向から見たときの平面図に対応し、図１Ａは図１Ｂ内におけるＸ−Ｘ線で切断したときの断面図に対応する。半導体発光素子１は、基板３、半導体層５、第一電極１３、第二電極１５、及び絶縁層２４を含んで構成される。以下では、半導体発光素子１を単に「発光素子１」と適宜略記する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１Ｂは光取り出し方向から見たときの平面図に対応し、図１Ａは図１Ｂ内におけるＸ−Ｘ線で切断したときの断面図に対応する。半導体発光素子１は、基板３、半導体層５、第一電極１３、第二電極１５、及び絶縁層２４を含んで構成される。以下では、半導体発光素子１を単に「発光素子１」と適宜略記する。
（基板３）
基板３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。
基板３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。
（半導体層５）
本実施形態では、半導体層５は、基板３に近い側からｐ型半導体層１１、活性層９及びｎ型半導体層７が順に積層されて形成されている。本実施形態では、ｐ型半導体層１１が「第一半導体層」に対応し、ｎ型半導体層７が「第二半導体層」に対応する。
本実施形態では、半導体層５は、基板３に近い側からｐ型半導体層１１、活性層９及びｎ型半導体層７が順に積層されて形成されている。本実施形態では、ｐ型半導体層１１が「第一半導体層」に対応し、ｎ型半導体層７が「第二半導体層」に対応する。
ｐ型半導体層１１は、例えばＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、又はＣなどのｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層で構成される。窒化物半導体層としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を利用することができる。
活性層９は、例えばＩｎＧａＮで構成される発光層及びｎ型ＡｌＧａＮで構成される障壁層が周期的に繰り返されてなる半導体層で形成される。これらの層はアンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。活性層９は、少なくともエネルギーバンドギャップの異なる２種類の材料からなる層が積層されて構成されていればよい。活性層９の構成材料は、生成したい光の波長に応じて適宜選択される。
ｎ型半導体層７は、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、又はＴｅなどのｎ型不純物がドープされた窒化物半導体層で構成される。この窒化物半導体層としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を利用することができる。なお、ｎ型半導体層７は、ｐ型半導体層１１と異なる組成の材料で構成されているものとしても構わない。
（第一電極１３）
第一電極１３は、ｐ型半導体層１１に接触して形成されており、ｐ型半導体層１１との間でオーミック接触が形成されている。本実施形態では、第一電極１３はｐ側電極を構成する。
第一電極１３は、ｐ型半導体層１１に接触して形成されており、ｐ型半導体層１１との間でオーミック接触が形成されている。本実施形態では、第一電極１３はｐ側電極を構成する。
本実施形態において、第一電極１３は、活性層９から放射される光に対して高い反射率（例えば８０％以上であり、より好ましくは９０％以上）を示す導電性の材料で構成される。より具体的には、例えばＡｇ、Ａｌ、又はＲｈを含む材料で構成される。
（第二電極１５）
第二電極１５は、ｎ型半導体層７の上面に形成されており、例えばＣｒ−Ａｕで構成される。本実施形態では、第二電極１５はｎ側電極を構成する。
第二電極１５は、ｎ型半導体層７の上面に形成されており、例えばＣｒ−Ａｕで構成される。本実施形態では、第二電極１５はｎ側電極を構成する。
図１Ｂに示すように、本実施形態の発光素子１では、基板３とは反対側から、すなわち光取り出し方向から見たときに、第二電極１５は、ｎ型半導体層７によって構成される光取り出し面を取り囲むように形成されている。より詳細には、第二電極１５は、離間した３箇所において、所定の方向に延伸するように構成されている。ただし、この第二電極１５の延伸する本数については、３本に限られるものではなく４本以上であっても構わない。図１Ｂに示した第二電極１５の形状はあくまで一例であって、設計に応じて適宜変更して構わない。
なお、図１Ｂに示す例では、第二電極１５が、一部の箇所において光取り出し方向から見て幅広な領域１５ａを有している。この領域１５ａは、例えばＡｕ、Ｃｕなどで構成されるワイヤ（不図示）が連結されることで、パッド電極を構成するものとしても構わない。このとき、ワイヤの他端はパッケージ基板の給電パターンなどに接続されるものとして構わない。なお、第二電極１５は、この幅広な領域１５ａを必ずしも備えなければならないというものではない。
第一電極１３と第二電極１５の間に電圧を印加することで、活性層９内を電流が流れ、活性層９が発光する。
第一電極１３は、上述したように、活性層９で生成される光に対して高い反射率を示す材料で構成される。図１Ａに示す発光素子１は、活性層９から放射された光をｎ型半導体層７側に取り出すことが想定されている。第一電極１３は、活性層９から基板３側に向けて放射された光をｎ型半導体層７側に向けて反射させることで、光取り出し効率を高める機能を果たしている。
なお、第二電極１５に囲まれた領域において、ｎ型半導体層７が最上面に位置するが、図１Ｂでは、説明の便宜のため、ｎ型半導体層７よりも下層に位置する第一電極１３、絶縁層２４、及び保護層１７も図面上に表示させている。
（絶縁層２４）
絶縁層２４は、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ｚｒ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3などで構成される。この絶縁層２４は、本実施形態では、ｐ型半導体層１１と接触する箇所において、第一電極１３が形成されていない領域の一部に形成されている。より詳細には、絶縁層２４は、基板３の面に直交する方向（以下、一例として「鉛直方向」と記載する。）に関して、第二電極１５に対向する位置に形成されている。
絶縁層２４は、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ｚｒ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3などで構成される。この絶縁層２４は、本実施形態では、ｐ型半導体層１１と接触する箇所において、第一電極１３が形成されていない領域の一部に形成されている。より詳細には、絶縁層２４は、基板３の面に直交する方向（以下、一例として「鉛直方向」と記載する。）に関して、第二電極１５に対向する位置に形成されている。
仮に、鉛直方向に第二電極１５と対向する位置において、ｐ型半導体層１１との接触抵抗が低い層が形成されている場合、発光素子１に対して電圧を印加すると、鉛直方向に第二電極１５と対向する領域内に大部分の電流が流れてしまう。この結果、活性層９の特定の領域のみが発光してしまい、発光効率が低下する。絶縁層２４は、活性層９を流れる電流を基板３の面に平行な方向に拡げることで、活性層９の発光効率を高める機能を有している。
更に、本実施形態では、絶縁層２４は、半導体層５の端部領域において、ｐ型半導体層１１の一部と接触している。絶縁層２４をこのように形成することで、製造方法の項で後述するように、素子分離時におけるエッチングストッパとして機能させることができる。
（導電層２０）
導電層２０は、基板３の上層に形成されている。本実施形態では、導電層２０は、保護層２３、接合層２１、接合層１９及び保護層１７の多層構造で構成されている。
導電層２０は、基板３の上層に形成されている。本実施形態では、導電層２０は、保護層２３、接合層２１、接合層１９及び保護層１７の多層構造で構成されている。
接合層１９及び接合層２１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、これらの接合層１９と接合層２１は、基板３上に形成された接合層２１と、別の基板（後述する成長基板２５）上に形成された接合層１９を対向させた後に、両者を貼り合わせることで形成されたものである。これらの接合層１９及び接合層２１は、単一の層として一体化されているものとしても構わない。
保護層１７は、例えばＴｉ／Ｐｔの多層構造で構成される。図１Ａに示すように、保護層１７は、絶縁層２４と第一電極１３に挟まれた領域内においてｐ型半導体層１１と接触するように構成されている。つまり、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、保護層１７が介在することで、第一電極１３と絶縁層２４は接触せずに離間して配置される。
本実施形態において、保護層１７には２つの機能が存在する。第一の機能は、接合層（１９，２１）を構成する材料が第一電極１３側に拡散するのを防止する機能である。接合層（１９，２１）を構成する材料が第一電極１３に拡散すると、第一電極１３の反射率が低下してしまい、光取り出し効率が低下する。図１Ａに示すように、保護層１７が、接合層（１９，２１）と第一電極１３の間に形成されることで、上記第一の機能が実現される。
保護層１７が有する第二の機能は、第一電極１３が大気暴露するのを防止する機能である。「課題を解決するための手段」の項において、図７を参照して上述したように、長時間にわたって発光素子１の点灯が継続されると、絶縁層２４と半導体層５（より詳細にはｐ型半導体層１１）との密着性が低下するおそれがある。しかし、この密着性が低下した場合においても、第一電極１３と絶縁層２４の間に保護層１７が設けられているため、保護層１７が大気暴露するに留まり、第一電極１３が大気暴露することはない。これにより、第一電極１３を構成する材料のマイグレーションの進行を大幅に抑制することができる。
なお、上記の観点から、保護層１７はｐ型半導体層１１との間で高い密着性を実現することのできる材料で構成されるのが好ましい。かかる観点から、本実施形態の発光素子１では、ＴｉやＰｔといった高密着性を示す材料からなる保護層１７を備えている。なお、密着性の観点からは、保護層１７は、ｐ型半導体層１１と接触する最表面をＴｉで構成するのがより好ましい。
また、保護層１７の構成材料として、更にＮｉを含むものとしても構わない。Ｎｉも高い密着性を有すると共に、Ｔｉの拡散を抑制する機能を有する。保護層１７がＴｉを含む場合において、この保護層１７に含まれるＴｉが第一電極１３側に拡散すると、第一電極１３の反射率を低下するおそれがある。保護層１７の最上面にＮｉを構成することで、Ｔｉが第一電極１３側に拡散するのを抑制する効果が得られる。
保護層２３は、例えば保護層１７と同一の材料で構成され、接合層（１９，２１）を構成する材料が基板３側に拡散するのを抑制する目的で設けられている。ただし、保護層２３は必ずしも備えられていなくても構わない。
なお、図１Ａでは図示していないが、半導体層５の側面に保護膜としての絶縁層を形成しても構わない。
発光素子１によれば、従来よりも光取り出し効率が向上する点については、発光素子１の製造方法の説明を行った後に説明される。
［製造方法］
次に、発光素子１の製造方法の一例につき、図２Ａ〜図２Ｊに模式的に示す工程断面図を参照して説明する。なお、以下で説明する製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例である。
次に、発光素子１の製造方法の一例につき、図２Ａ〜図２Ｊに模式的に示す工程断面図を参照して説明する。なお、以下で説明する製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例である。
（ステップＳ１）
図２Ａに示すように、成長基板２５を準備する。成長基板２５としては、一例としてＣ面を有するサファイア基板を用いることができる。
図２Ａに示すように、成長基板２５を準備する。成長基板２５としては、一例としてＣ面を有するサファイア基板を用いることができる。
準備工程として、成長基板２５のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的な一例としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内に成長基板２５を配置し、処理炉内に流量が例えば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。
（ステップＳ２）
図２Ｂに示すように、成長基板２５の上層に、アンドープ層２７、ｎ型半導体層７、活性層９、及びｐ型半導体層１１を順に形成する。このステップＳ２は、例えば以下の手順で行われる。
図２Ｂに示すように、成長基板２５の上層に、アンドープ層２７、ｎ型半導体層７、活性層９、及びｐ型半導体層１１を順に形成する。このステップＳ２は、例えば以下の手順で行われる。
まず、成長基板２５の上面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、その上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これらの低温バッファ層及び下地層がアンドープ層２７に対応する。具体的なアンドープ層２７の形成方法は、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（ＴＭＧ）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、成長基板２５の表面に、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ＴＭＧ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、低温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。
次に、アンドープ層２７の上層にｎ型半導体層７を形成する。ｎ型半導体層７の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
まず、引き続き炉内温度を１１５０℃とした状態で、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ＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０１３μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に６０分間供給する。これにより、例えばＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎの組成を有し、厚みが２μｍのｎ型半導体層７がアンドープ層２７の上層に形成される。
なお、この後、ＴＭＡ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、ｎ型ＡｌＧａＮ層の上層に、厚みが５ｎｍ程度のｎ型ＧａＮよりなる保護層を有してなるｎ型半導体層７を実現してもよい。
上記の説明では、ｎ型半導体層７に含まれるｎ型不純物をＳｉとする場合について説明したが、ｎ型不純物としては、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ又はＴｅ等を用いることができる。
次に、ｎ型半導体層７の上層に活性層９を形成する。活性層９の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ＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）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ＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、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ＩｎＧａＮよりなる発光層、及び厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層が１５周期積層されてなる活性層９が、ｎ型半導体層７の上層に形成される。
次に、活性層９の上層にｐ型半導体層１１を形成する。ｐ型半導体層１１の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
具体的には、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１０２５℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及びｐ型不純物をドープするための流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、活性層９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、ＴＭＡの流量を４μｍｏｌ／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１１が形成される。
なお、この工程の後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ2Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍ程度で、ｐ型不純物濃度が１×１０20／ｃｍ3程度のｐ型ＧａＮ層を有してなるｐ型半導体層１１を実現してもよい。
（ステップＳ３）
ステップＳ２で得られたウェハに対して活性化処理を行う。具体的な一例としては、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Ｓ２で得られたウェハに対して活性化処理を行う。具体的な一例としては、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Ｓ４）
ｐ型半導体層１１の上面の所定箇所に絶縁層２４を形成する（図２Ｃ参照）。
ｐ型半導体層１１の上面の所定箇所に絶縁層２４を形成する（図２Ｃ参照）。
より具体的には、例えばＡｌ2Ｏ3をスパッタリング法によって２００ｎｍ程度の膜厚で成膜することで絶縁層２４を形成する。なお、成膜する材料は絶縁性材料であればよく、Ａｌ2Ｏ3の他、ＳｉＮやＳｉＯ2でも構わない。
（ステップＳ５）
ｐ型半導体層１１の上面のうち、絶縁層２４が形成されていない領域の一部に第一電極１３を形成する（図２Ｃ参照）。第一電極１３の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
ｐ型半導体層１１の上面のうち、絶縁層２４が形成されていない領域の一部に第一電極１３を形成する（図２Ｃ参照）。第一電極１３の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
ｐ型半導体層１１の上面の所定領域に、導電性材料で構成された材料膜を成膜する。一例としては、スパッタリング法によってｐ型半導体層１１の上面の所定の領域に、膜厚１９５ｎｍ程度のＡｇ及び膜厚５ｎｍ程度のＮｉを成膜する。このとき、成長基板２５の面に平行な方向に関して、絶縁層２４と離間Ｂ１を有するように材料膜を成膜する。
ここで、材料膜に含まれるＡｇは、活性層９から放射される光に対して高い反射率（９０％以上）を示す材料の例である。活性層９から放射される光に対して高い反射率を示す材料であれば、Ａｇ以外の材料（例えばＡｌやＲｈなど）が含まれるものとしても構わない。また、これらの高反射率を示す材料を含む合金で構成されていても構わない。
また、材料膜に含まれるＮｉは、他の層との密着性を高める目的で成膜されているものであるが、十分な密着性が確保されていればこの材料膜にＮｉを含めなくても構わない。また、密着性を確保するための他の材料が含まれるものとしても構わない。
上記の材料膜を成膜した後に、ＲＴＡ装置等を用いてドライエア又は不活性ガス雰囲気中で例えば４００℃〜５５０℃、６０秒〜３００秒間のコンタクトアニール処理を行う。これにより、ｐ型半導体層１１との間でオーミック接触が形成された、第一電極１３が形成される。
なお、本ステップＳ５を、ステップＳ４の前に行っても構わない。
（ステップＳ６）
図２Ｄに示すように、第一電極１３及び絶縁層２４の上面を覆うように、全面に保護層１７を形成する。このとき、ステップＳ５の終了時において、露出しているｐ型半導体層１１の上面にも保護層１７が形成される。
図２Ｄに示すように、第一電極１３及び絶縁層２４の上面を覆うように、全面に保護層１７を形成する。このとき、ステップＳ５の終了時において、露出しているｐ型半導体層１１の上面にも保護層１７が形成される。
より具体的には、例えば電子線蒸着装置（ＥＢ装置）を用いて、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。なお、最上面に膜厚１００ｎｍ程度のＮｉを成膜するものとしても構わない。
（ステップＳ７）
図２Ｅに示すように、保護層１７の上面に接合層１９を形成する。
図２Ｅに示すように、保護層１７の上面に接合層１９を形成する。
より具体的には、保護層１７の上面に、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蒸着させることで接合層１９を形成する。
（ステップＳ８）
成長基板２５とは別に準備された基板３の上面に、ステップＳ６及びＳ７と同様の方法で、保護層２３及び接合層２１を形成する（図２Ｆ参照）。基板３としては、上述したようにＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏ等の導電性基板、又はＳｉ等の半導体基板を利用することができる。なお、保護層２３については形成しないものとしても構わない。
成長基板２５とは別に準備された基板３の上面に、ステップＳ６及びＳ７と同様の方法で、保護層２３及び接合層２１を形成する（図２Ｆ参照）。基板３としては、上述したようにＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏ等の導電性基板、又はＳｉ等の半導体基板を利用することができる。なお、保護層２３については形成しないものとしても構わない。
（ステップＳ９）
図２Ｇに示すように、成長基板２５の上層に形成された接合層１９と、基板３の上層に形成された接合層２１を貼り合わせることで、成長基板２５と基板３の貼り合わせを行う。具体的な一例としては、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、貼り合わせ処理が行われる。
図２Ｇに示すように、成長基板２５の上層に形成された接合層１９と、基板３の上層に形成された接合層２１を貼り合わせることで、成長基板２５と基板３の貼り合わせを行う。具体的な一例としては、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、貼り合わせ処理が行われる。
この工程により、接合層１９及び接合層２１が溶融して接合されることで、基板３と成長基板２５が表裏面に貼り合わされた構造が形成される。つまり、接合層１９と接合層２１は、本ステップ以後においては一体化されているものとして構わない。そして、本ステップＳ９の実行前の段階で保護層２３及び保護層１７が形成されていることで、接合層（１９，２１）の構成材料の拡散が抑制されている。
（ステップＳ１０）
次に、成長基板２５を剥離する（図２Ｈ参照）。より具体的には、成長基板２５を上に向け、基板３を下に向けた状態で、成長基板２５側からレーザ光を照射する。ここで、照射するレーザ光を、成長基板２５の構成材料（本実施形態ではサファイア）を透過し、アンドープ層２７の構成材料（本実施形態ではＧａＮ）によって吸収されるような波長の光とする。これにより、アンドープ層２７でレーザ光が吸収されるため、成長基板２５とアンドープ層２７の界面が高温化してＧａＮが分解され、成長基板２５が剥離される。
次に、成長基板２５を剥離する（図２Ｈ参照）。より具体的には、成長基板２５を上に向け、基板３を下に向けた状態で、成長基板２５側からレーザ光を照射する。ここで、照射するレーザ光を、成長基板２５の構成材料（本実施形態ではサファイア）を透過し、アンドープ層２７の構成材料（本実施形態ではＧａＮ）によって吸収されるような波長の光とする。これにより、アンドープ層２７でレーザ光が吸収されるため、成長基板２５とアンドープ層２７の界面が高温化してＧａＮが分解され、成長基板２５が剥離される。
その後、ウェハ上に残存しているＧａＮ（アンドープ層２７）を、塩酸等を用いたウェットエッチング、又は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７を露出させる。なお、本ステップＳ１０においてアンドープ層２７が除去されて、ｐ型半導体層１１、活性層９、及びｎ型半導体層７が、基板３側からこの順に積層されてなる半導体層５が残存する（図２Ｉ参照）。
（ステップＳ１１）
次に、図２Ｊ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装置を用いて絶縁層２４の上面が露出するまで半導体層５をエッチングする。このとき、上述したように絶縁層２４はエッチングストッパーとして機能する。
次に、図２Ｊ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装置を用いて絶縁層２４の上面が露出するまで半導体層５をエッチングする。このとき、上述したように絶縁層２４はエッチングストッパーとして機能する。
なお、図２Ｊでは、半導体層５の側面が鉛直方向に対して傾斜を有するように図示しているが、これは一例であって、このような形状に限定する趣旨ではない。
（ステップＳ１２）
次に、ｎ型半導体層７の上面の所定の領域、より詳細には、ｎ型半導体層７の上面のうち、第一電極１３に対して鉛直方向に対向しない領域の一部、すなわち絶縁層２４に対して鉛直方向に対向する領域の一部に、第二電極１５を形成する。具体的な方法の一例としては、ｎ型半導体層７の上面のうち、第二電極１５を形成する予定の領域以外をレジスト等でマスクした状態で、ｎ型半導体層７の上面に膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕを蒸着する。その後、マスクを剥離して、窒素雰囲気中で２５０℃、１分間程度のアニール処理を行う。
次に、ｎ型半導体層７の上面の所定の領域、より詳細には、ｎ型半導体層７の上面のうち、第一電極１３に対して鉛直方向に対向しない領域の一部、すなわち絶縁層２４に対して鉛直方向に対向する領域の一部に、第二電極１５を形成する。具体的な方法の一例としては、ｎ型半導体層７の上面のうち、第二電極１５を形成する予定の領域以外をレジスト等でマスクした状態で、ｎ型半導体層７の上面に膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕを蒸着する。その後、マスクを剥離して、窒素雰囲気中で２５０℃、１分間程度のアニール処理を行う。
（ステップＳ１３）
次に、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、基板３の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。その後は、第二電極１５の一部領域に対してワイヤボンディングを行う。以上の工程を経て、図１Ａ及び図１Ｂに示す発光素子１が製造される。
次に、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、基板３の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。その後は、第二電極１５の一部領域に対してワイヤボンディングを行う。以上の工程を経て、図１Ａ及び図１Ｂに示す発光素子１が製造される。
［作用］
上述した発光素子１によれば寿命特性が向上する点につき、データを参照して説明する。
上述した発光素子１によれば寿命特性が向上する点につき、データを参照して説明する。
（実施例）上述したステップＳ１〜Ｓ１３を経て製造された発光素子１を実施例の素子とした。
（参考例）図３に示す発光素子４０を参考例の素子とした。参考例の素子は、ステップＳ５において、絶縁層２４と接触するように第一電極１３を形成した点が、実施例の素子異なる。言い換えれば、参考例の素子は、図２Ｃにおける離間Ｂ１が存在しないように第一電極１３を形成した点が、実施例の素子と異なる。
同一のウェハから製造された複数個の発光素子４０（参考例）及び、同一のウェハから製造された複数個の発光素子１（実施例）に対して、それぞれ供給電流５００ｍＡの下でて連続点灯をして光束維持率を測定した。この結果を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。これらの図は、連続点灯を行った時間に応じて光束を測定し、初期光束に対する比率を算出してグラフ化したものであり、図４Ａが参考例の結果に対応し、図４Ｂが実施例の結果に対応する。
図４Ａによれば、参考例の素子は、連続点灯時間が１０００時間を超えると光束維持率の低下が現れ始めている。そして、２０００時間以上が経過すると、その低下速度が高い素子が含まれている。なお、参考例の各素子においては、連続点灯時間が４０００時間を経過すると、光束維持率が７０％を下回っている。
これに対し、図４Ｂによれば、実施例の各素子は、連続点灯時間が１０００時間を経過するまでについては、参考例の各素子とほぼ同様の光束維持率の変化を示すが、以後、５０００時間経過時まで、光束維持率がほぼ一定に保たれている。図４Ｂによれば、連続点灯時間が５０００時間を経過した時点においても、実施例の各素子は光束維持率が８０％を超えていることが確認される。
この結果からも、第一電極１３と絶縁層２４の間に保護層１７を介在させたことで、第一電極１３を構成する材料のマイグレーションが防止され、寿命特性が向上していることが確認される。
［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。
以下、別実施形態につき説明する。
〈１〉 上記の実施形態では、保護層１７に、接合層（１９，２１）を構成する材料の拡散を防止する機能と、第一電極１３が大気に暴露されるのを防止する機能を兼ね備えさせていた。しかし、例えば、図５Ａ又は図５Ｂに示す発光素子１のように、後者の機能を実現させるための保護層１７とは別の材料で、前者の機能を実現させるための保護層１７ａを備えるものとしても構わない。この場合、保護層２３は、保護層１７ａと同一の材料としても構わない。
図５Ａ又は図５Ｂに示す発光素子１を製造するに際しては、例えばステップＳ６において、ｐ型半導体層１１と第一電極１３の間に介在するように保護層１７を形成した後、更に保護層１７の上面を覆うように保護層１７ａを形成すればよい。
〈２〉 上記の実施形態では、保護層１７が第一電極１３に接触するように構成されているが、保護層１７と第一電極１３の間に別の層が介在していても構わない。このような構成であっても、保護層１７が存在することで第一電極１３が大気に暴露する事態が防止される。
〈３〉 上記の実施形態では、絶縁層２４がｐ型半導体層１１と接触するように構成されていたが、ｐ型半導体層１１と絶縁層２４の間に別の層が介在していても構わない。このような構成であっても、活性層９内を流れる電流を、基板３の面に平行な方向に拡げる効果が実現される。
〈４〉 上記の実施形態では、半導体層５の端部領域、及び第二電極１５に対して基板３の面に直交する方向に対向する領域に絶縁層２４を有する構成とした。ここで、前者の領域に形成される絶縁層と、後者の領域に形成される絶縁層は、別の材料で構成されていても構わない。
〈５〉 上記の実施形態では、第一電極１３と絶縁層２４の膜厚がほぼ同等である構成（図１Ａ参照）を例示して説明した。しかし、第一電極１３と絶縁層２４の層の厚みの関係は設計に応じて適宜設定されるものとして構わない。
〈６〉 図１Ａ、図５Ａ又は図５Ｂに示した発光素子１において、更に光取り出し効率を向上させる目的でｎ型半導体層７の上面に微細な凹凸形状を形成するものとしても構わない。
〈７〉 上記の実施形態で説明した保護層１７を構成する材料は、第一電極１３を構成する材料と比較して、活性層９から放射される光に対する反射率が低い。このため、光取り出し面から見た場合において、ｐ型半導体層１１に接触する保護層１７の面積が広くなればなるほど、ｐ型半導体層１１に接触する第一電極１３の面積が狭くなるため、光取り出し効率が低下する。このため、保護層１７は、基板３の面に平行な方向に係る幅をなるべく狭くするのが好ましい。例えば、光取り出し面を構成するｎ型半導体層７の幅に対して、保護層１７の幅は数％未満とするのが好ましく、１％未満とするのがより好ましい。
〈８〉 上記の実施形態では、半導体層５を構成する層のうち、基板３に近い側をｐ型半導体層１１、基板３から遠い側をｎ型半導体層７として説明したが、これらの導電型を反転させても構わない。
また、上記の実施形態では、発光素子１が窒化物半導体からなる素子である場合について説明したが、ＧａＡｓ系の発光素子等、他の化合物半導体からなる発光素子に対しても本発明は適用が可能である。
１ ： 半導体発光素子
３ ： 基板
７ ： ｎ型半導体層
９ ： 活性層
１１ ： ｐ型半導体層
１３ ： 第一電極
１５ ： 第二電極
１５ａ ： パッド電極
１７ ： 保護層
１７ａ ： 保護層
１９ ： 接合層
２０ ： 導電層
２１ ： 接合層
２３ ： 保護層
２４ ： 絶縁層
２５ ： 成長基板
２７ ： アンドープ層
４０ ： 参考例の半導体発光素子
９０ ： 従来の半導体発光素子
９１ ： 基板
９２ ： 導電層
９３ ： 反射膜
９４ ： 絶縁層
９５ ： 反射電極
９６ ： ｐ型半導体層
９７ ： 活性層
９８ ： ｎ型半導体層
９９ ： 半導体層
１００ ： ｎ側電極
１０１ ： ｎ側電極の近傍領域
３ ： 基板
７ ： ｎ型半導体層
９ ： 活性層
１１ ： ｐ型半導体層
１３ ： 第一電極
１５ ： 第二電極
１５ａ ： パッド電極
１７ ： 保護層
１７ａ ： 保護層
１９ ： 接合層
２０ ： 導電層
２１ ： 接合層
２３ ： 保護層
２４ ： 絶縁層
２５ ： 成長基板
２７ ： アンドープ層
４０ ： 参考例の半導体発光素子
９０ ： 従来の半導体発光素子
９１ ： 基板
９２ ： 導電層
９３ ： 反射膜
９４ ： 絶縁層
９５ ： 反射電極
９６ ： ｐ型半導体層
９７ ： 活性層
９８ ： ｎ型半導体層
９９ ： 半導体層
１００ ： ｎ側電極
１０１ ： ｎ側電極の近傍領域
Claims (5)
- ｎ型又はｐ型の第一半導体層、前記第一半導体層の上層に形成された活性層、及び前記活性層の上層に形成され前記第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層を含む半導体層が、基板上に形成されてなる半導体発光素子であって、
前記第一半導体層よりも前記基板に近い位置に形成された絶縁層と、
前記絶縁層とは前記基板の面に平行な方向に離間した状態で、前記第一半導体層に接触して形成された第一電極と、
前記第二半導体層に接触し、前記基板の面に直交する方向に関して前記絶縁層と対向する位置に形成された第二電極と、
前記絶縁層と前記第一電極に挟まれた領域において、前記第一半導体層に接触して形成された保護層とを有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記保護層は、前記第一電極に接触して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。
- 前記保護層は、前記第一電極の面のうち、前記第一半導体層と接触している面以外の面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
- 前記保護層よりも前記基板に近い位置に形成された接合層を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子
- 前記第一電極はＡｇを含む材料で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
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| US11152531B2 (en) | 2019-05-30 | 2021-10-19 | Nichia Corporation | Method of manufacturing semiconductor device |
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