JP2019067814A - 窒化物半導体発光素子、窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の向上が期待できる新規な構造の窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】絶縁性基板１と、絶縁性基板１の一面１１上に形成された窒化物半導体積層体２と、第一電極３と、第二電極４とを含む。窒化物半導体積層体２は、絶縁性基板１側から、第一導電型の第一窒化物半導体層２１、窒化物半導体発光層２２、および第二導電型のｐ型窒化物半導体層２４を、この順に含む。第一電極３は、ｎ型窒化物半導体層２１の窒化物半導体発光層２２とは反対側の面の一部２１１に形成されている。第二電極４は、ｐ型窒化物半導体層２４上に形成されている。絶縁性基板１は、一面１１から一面１１とは反対側の裏面１３まで貫通する貫通穴１２を有し、第一電極３は貫通穴１２内に存在し、第二電極４は、平面視で第一電極３と重ならない部分に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関する。

窒化物半導体発光素子は、例えば、基板と、基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体発光層と、窒化物半導体発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ型電極と、ｐ型窒化物半導体層上に形成されたｐ型電極と、で構成されている。
窒化物半導体発光素子の発光効率を高くするための対策としては、窒化物半導体発光素子である半導体チップと外部の放熱材料との接触面積を大きくして放熱性を高めることで、発光効率の低下を抑制することが検討されている。また、ｐ型電極とｎ型電極が半導体チップの表裏面に離れて配置された構造（縦型の窒化物半導体発光素子）とすることで、ｐ型電極とｎ型電極の接触を回避するとともに、それぞれを外部の放熱材料へ全面接触させることも検討されている。

特許文献１には、窒化物半導体発光素子の基板として、通常使用される絶縁性基板（サファイア基板、ＡｌＮ基板など）ではなく、導電性のＳｉＣ基板を用いた縦型の窒化物半導体発光素子（III族窒化物半導体素子）が記載されている。そして、ＳｉＣ基板を用いた場合、高い電気伝導性を有するIII族窒化物半導体素子を形成することは困難であるが、ｎ型ＳｉＣ基板とＡｌ_(1-x-y)Ｇａ_xＩｎ_yＮ層との間にｎ型Ａｌ_(1-x1-y1)Ｇａ_x1Ｉｎ_y1Ｎ／Ａｌ_(1-x2-y2)Ｇａ_x2Ｉｎ_y2Ｎ超格子を挿入することで、この困難を克服して高い電気伝導性を実現できると記載されている。

一方、特許文献２には、サファイア基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層を含み発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層体を形成した後に、この積層体上にｎ型電極およびｐ型電極の一方を設けた後、他方は、サファイア基板に設けた貫通穴内とサファイア基板の裏面に設ける半導体発光素子の製造方法が記載されている。
そして、この方法によれば、半導体積層体のエッチングをしないで両電極が設けられることから、チップ面積の全体に渡って発光領域が形成できるため、輝度が大きくなるとともに、コンタミネーションが避けられることで、発光効率が向上すると記載されている。
特許文献２に記載された半導体発光素子では、平面視で重なるようにｎ型電極とｐ型電極が形成されている。つまり、特許文献２に記載された発光素子は、ｐ型電極とｎ型電極が平面視で重なる配置の縦型の窒化物半導体発光素子である。

特開２００８−７１８３２号公報 特開平８−２５５９２６号公報

本発明の課題は、高価な導電性基板を用いることなく、発光効率の向上が期待できる新規な構造の窒化物半導体発光素子を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明の第一態様の窒化物半導体発光素子は、下記の構成要件(a)と(b)を有する。
(a)絶縁性基板と、絶縁性基板の一面上に形成された窒化物半導体積層体であって、絶縁性基板側から、第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層をこの順に含む窒化物半導体積層体と、第一窒化物半導体層の窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部に形成された第一電極と、第二窒化物半導体層上に形成された第二電極と、を含む。
(b)絶縁性基板は、一面（窒化物半導体積層体が形成される面）から一面とは反対側の裏面まで貫通する貫通穴を有する。第一電極は貫通穴内に存在する。第二電極は、平面視で第一電極と重ならない部分に形成されている。

本発明の第二態様の窒化物半導体発光素子は、下記の構成要件(c)と(d)を有する。
(c)第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層を、この順に含む窒化物半導体積層体と、第一窒化物半導体層の窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部に形成された第一電極と、第二窒化物半導体層上に形成された第二電極と、を含む。
(d)第一窒化物半導体層の窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部（第一電極が形成されている部分）以外は粗面であり、第二電極は、平面視で第一電極と重ならない部分に形成されている。

本発明の第三態様の窒化物半導体発光素子は、下記の構成要件(e)と(f)を有する。
(e)第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層を、この順に含む窒化物半導体積層体と、第一窒化物半導体層の窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部に形成された第一電極と、第二窒化物半導体層上の平面視で前記第一電極と重ならない部分に形成された第二電極と、を含む。
(f)第一窒化物半導体層は、第一導電型のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮ層（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）であり、第一導電体型半導体層の第一電極上の部分のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮのＧａ組成比ｘ１と、平面視で第二電極と重なる部分のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮのＧａ組成比ｘ２とが、(1)式を満たす。０≦ｘ２＜ｘ１≦１…(1)

本発明の第四態様は、下記の構成要件(g)〜(j)を有する窒化物半導体発光素子の製造方法である。
(g)一面から一面とは反対側の裏面まで貫通する貫通穴を有する絶縁性基板を用い、その一面に、第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層を、この順に含む窒化物半導体積層体を形成する工程を含む。
(h)窒化物半導体積層体の平面視で絶縁性基板の貫通穴と重なる部分において、第二窒化物半導体層から窒化物半導体発光層までの全てを除去して第一窒化物半導体層を露出させる工程を含む。
(i)絶縁性基板の裏面（窒化物半導体積層体が形成されている面とは反対側の面）から、貫通穴内に膜形成材料を堆積することで、第一窒化物半導体層の窒化物半導体発光層とは反対側の面であって貫通穴から露出する面に、第一電極を形成する工程を含む。
(j)第二導電体型半導体層上の平面視で第一電極と重ならない部分に第二電極を形成する工程を含む。

本発明の第五態様は、下記の構成要件(K)〜(P)を有する窒化物半導体発光素子の製造方法である。
(K)絶縁性基板の一面に、第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層をこの順に含む窒化物半導体積層体を形成する第一工程を含む。
(L)窒化物半導体積層体の平面視における所定部分において、第二窒化物半導体層から窒化物半導体発光層までの全てを除去して第一窒化物半導体層を露出させる第二工程を含む。
(M)第二工程後の第二窒化物半導体層上に第二電極を形成する第三工程を含む。
(O)第三工程後に絶縁性基板を除去して、第一窒化物半導体層を露出させる第四工程を含む。
(P)第四工程により生じた第一窒化物半導体層の露出面の平面視で所定部分と重なる部分に、第一電極を形成する第五工程を含む。

本発明の窒化物半導体発光素子は、新規な構造の窒化物半導体発光素子であって、発光効率の向上が期待できる。

本発明の第一実施形態の窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第一実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 第一実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 第一実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 第一実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 本発明の第二実施形態の窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 図７のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第三実施形態の窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 図９のＡ−Ａ断面図である。 第三実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する断面図である。 第三実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する断面図である。 第三実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する断面図である。 第三実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する断面図である。 本発明の第四実施形態の窒化物半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の第五実施形態の窒化物半導体発光素子を示す断面図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。

［第一実施形態］
＜構成＞
図１および図２に示すように、第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０は、絶縁性基板１と、絶縁性基板１の一面１１上に形成された窒化物半導体積層体２と、ｎ型電極（第一電極）３と、ｐ型電極（第二電極）４とを有する。
図２に示すように、絶縁性基板１は貫通穴１２を有する。貫通穴１２は、絶縁性基板１の一面１１から裏面（一面とは反対側の面）１３まで貫通している。貫通穴１２は一面１１に対して垂直または略垂直に延びている。貫通穴１２の断面は例えば略円形であり、その直径は１μｍ以下である。窒化物半導体積層体２は、絶縁性基板１側から、ｎ型窒化物半導体層（第一導電型の第一窒化物半導体層）２１、窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層（第二導電型の第二窒化物半導体層）２４が、この順に形成されたものである。

貫通穴１２の存在により、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面（窒化物半導体発光層２２とは反対側の面）の中央部（平面視で貫通穴と重なる部分）２１１は、絶縁性基板１が存在しない面となっている。ｎ型電極３は、絶縁性基板１の貫通穴１２内に存在し、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部２１１に接触している。つまり、ｎ型電極３は、ｎ型窒化物半導体層２１の窒化物半導体発光層２２とは反対側の面の一部（裏面の中央部２１１）に形成されている。
窒化物半導体積層体２の幅方向（図１のＡ−Ａの断面線に沿った方向）中心部に、ｐ型窒化物半導体層２４を開口としてｎ型窒化物半導体層２１を底面２１２とした凹部２０が形成されている。底面２１２の位置は、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さ方向で絶縁性基板１側の面と窒化物半導体発光層２２側の面との間である。

凹部２０の幅は、図１に示すように、平面視で、ｎ型電極３の幅（ｎ型電極３をなす円の直径）より大きな寸法である。つまり、凹部２０は、平面視でｎ型電極３を全て含む領域に形成されている。そして、ｎ型電極３上には、ｎ型窒化物半導体層２１が存在するが、窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層２４は存在しない。
ｐ型窒化物半導体層２４は凹部２０で二つに分離されている。ｐ型窒化物半導体層２４の分離された二カ所にｐ型電極４が形成されている。つまり、ｐ型電極４は、平面視でｎ型電極３と重ならない部分に形成されている。

窒化物半導体発光素子１０は、ピーク波長範囲が３００ｎｍ以下の紫外線光を発光する素子である。ｎ型窒化物半導体層２１は、例えばｎ−Ａｌ_(1-x)Ｇａ_xＮ（０＜ｘ≦０．６）層である。窒化物半導体発光層２２は、例えば、ＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＧａＮからなる電子バリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する層である。ｐ型窒化物半導体層２４は、例えばｐ−ＧａＮ層である。
組成傾斜層２３は、Ａｌ_(1-x)Ｇａ_xＮ（０≦ｘ≦１）組成傾斜層であり、Ｇａ組成比ｘが窒化物半導体発光層２２側（基板側）からｐ型窒化物半導体層２４側（ｐ型電極層側）へ向かって大きくなっている。組成傾斜層２３は正孔を注入しやすい作用をもたらすものである。
なお、上記説明では、第一導電型をｎ型、第二導電型をｐ型としたため、第一電極をｎ型電極とし、第二電極をｐ型電極としているが、第一導電型をｐ型、第二導電型をｎ型として、第一電極をｐ型電極、第二電極をｎ型電極としてもよい。

＜作用、効果＞
窒化物半導体発光素子１０は、ｎ型電極３とｐ型電極４との間に電圧が付与されて電流が供給されることで、窒化物半導体発光層２２から発光する。その際に、窒化物半導体発光素子１０は、ｐ型電極４とｎ型電極３が平面視で重ならない配置となっているため、電子は、ｎ型電極３からｎ型窒化物半導体層２１の幅方向（縦方向ではなく横方向）の両側に移動した後に、各側のｐ型電極４に向かう。つまり、窒化物半導体発光素子１０では、ｐ型電極４とｎ型電極３が平面視で重なる配置の縦型の窒化物半導体発光素子（特許文献２に記載の素子）と比較して、結晶欠陥や転位がより少ない経路を電子が進行するため、発光層の出力低下が抑制されたものとなる。

また、基板の同じ面側に第一電極と第二電極の両方が配置されている従来の窒化物半導体発光素子（特許文献１に記載の構成）と比較して、第二電極を大きくすることができるため、電流密度の集中を抑制することができる。さらには、第二電極を大きくすることで放熱部材への接触面積を大きくできるため放熱性が向上できる効果や、基材に対するフリップチップ工程が不要になることが期待できる効果も得られる。

＜製造方法＞
窒化物半導体発光素子１０の製造方法の一例を、図３〜図６を用いて説明する。
先ず、図３に示すように、一面１１から裏面１３まで一面１１に対して略垂直に貫通する貫通穴１２を有する絶縁性基板１を用意する。
例えば、断面が直径１μｍ以下の略円形である貫通穴１２を有する絶縁性基板１は、絶縁性基板１に貫通穴１２を形成することで得ることができる。貫通穴１２の形成方法としては、窒化物半導体積層体２が形成される一面１１とは反対の面に対して、フォトリソグラフィーによるレジストパターン形成とスパッタリングによる成膜で金属薄膜からなるマスクパターンを形成した後、このマスクパターンを用いたエッチングを行う方法が挙げられる。

また、基板製造時の欠陥などにより、絶縁性基板の一面から裏面まで貫通し、一面に対して垂直または略垂直に延びる貫通穴が形成されているものを使用することもできる。
次に、絶縁性基板１の一面１１に、ｎ型窒化物半導体層２１、窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層２４を、この順に形成する。この成膜方法としては、有機金属気層成長法（ＭＯＣＶＤ法)、ハイドライド気層成長法（ＨＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの方法が採用できる。

なお、ｎ型窒化物半導体層２１の成膜時に、貫通穴１２の上部では、ｎ型窒化物半導体の結晶が貫通穴１２の周縁部から中心部に向けて盛り上がるように成長することで、貫通穴１２の上方が塞がれ、この中央部に結晶の転位が入る。これに伴い、ｎ型窒化物半導体層２１上に形成される窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層２４にも、平面視で貫通穴１２の中央部と重なる位置に結晶の転位が入る。なお、結晶に転位が入ることで発光効率の低下が生じるが、発光層の転位形成部を除去すれば、発光効率の向上が阻害されない。

これにより、絶縁性基板１の一面１１に窒化物半導体積層体２が形成される。また、この状態で、貫通穴１２の存在により、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部２１１が、絶縁性基板１の裏面１３から露出している。図４はこの状態を示す。
次に、窒化物半導体積層体２の幅方向中央部を、平面視でｎ型電極３の幅方向両端部より外側となる幅で除去して、ｎ型窒化物半導体層２１を露出させる。これにより、ｐ型窒化物半導体層２４を開口としてｎ型窒化物半導体層２１を底面２１２とした凹部２０が形成される。図５はこの状態を示す。凹部２０によりｐ型窒化物半導体層２４は第一部分２４ａと第二部分２４ｂに分離されている。

次に、図５の状態の絶縁性基板１の裏面１３から貫通穴１２内に、ｎ型電極３を構成する膜形成材料を堆積する。これにより、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部２１１にｎ型電極３を形成する。図６はこの状態を示す。なお、この堆積工程は、金属材料の蒸着法などにより絶縁性基板１の裏面１３の全体に対して行い、貫通穴１２内以外への堆積物を除去せずに残してもよい。
次に、図６の状態のｐ型窒化物半導体層の第一部分２４ａと第二部分２４ｂに、それぞれｐ型電極４を形成する。この工程は、例えば、図６の状態の第一部分２４ａと第二部分２４ｂの所定領域にのみ金属材料を蒸着する方法で行う。これにより、図１および図２に示す窒化物半導体発光素子１０が得られる。

［第二実施形態］
図７および図８に示すように、第二実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ａは、ｎ型窒化物半導体層２１の組成がｎ型電極３上の部分２１５と他の部分２１６とで異なる。これ以外の点は第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０と同じである。
例えば、ｎ型窒化物半導体層２１はｎ−Ａｌ_(1-x)Ｇａ_xＮ層であり、ｎ型電極３上の部分２１５の組成はＡｌ_(1-x1)Ｇａ_(x1)Ｎであり、他の部分２１６の組成はＡｌ_(1-x2)Ｇａ_(x2)Ｎであり、部分２１５のＧａ組成比ｘ１と部分２１６のＧａ組成比ｘ２が０≦ｘ２＜ｘ１≦１を満たしている。つまり、ｎ型窒化物半導体層２１のｎ型電極３上の部分２１５のＧａ組成比ｘ１と、平面視でｐ型電極４と重なる部分のＧａ組成比ｘ２が０≦ｘ２＜ｘ１≦１を満たしている。

これにより、第二実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ａは、第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０と比較してｎ型電極３のコンタクト抵抗を低くすることができるため、第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０と同じ効果に加えて、低電圧駆動が可能となるという効果も有する。
なお、ｎ型窒化物半導体層２１の組成をｎ型電極３上の部分２１５と他の部分２１６とで異なる上述の組成とする方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法による薄膜成長において、成長温度を１０５０℃以上に設定することにより、絶縁性基板1上でのＧａおよびＡｌ原子の熱拡散を促進させ、ｎ型窒化物半導体層２１の横方向への成長を促進させる方法が挙げられる。

［第三実施形態］
＜構成＞
図９および図１０に示すように、第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ｂは、窒化物半導体積層体２と、ｎ型電極（第一電極）３と、ｐ型電極（第二電極）４と、金属ボール５と、支持基板６と、を有する。
窒化物半導体積層体２は、ｎ型窒化物半導体層（第一導電型の第一窒化物半導体層）２１、窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層（第二導電型の第二窒化物半導体層）２４が、この順に形成されたものである。
ｎ型電極３は、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面（窒化物半導体発光層２２とは反対側の面）の一部である、平面視で窒化物半導体発光素子１０Ｂの中央部２１７に形成されている。ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部２１７は平滑面であり、それ以外の部分２１８は粗面である。

窒化物半導体積層体２の幅方向（図９のＡ−Ａの断面線に沿った方向）中心部に、ｐ型窒化物半導体層２４を開口としてｎ型窒化物半導体層２１を底面２１２とした凹部２０が形成されている。底面２１２の位置は、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さ方向で裏面と窒化物半導体発光層２２側の面との間である。
凹部２０の幅は、図９に示すように、平面視で、ｎ型電極３の幅（ｎ型電極３をなす円の直径）より大きな寸法である。つまり、凹部２０は、平面視でｎ型電極３を全て含む領域に形成されている。そして、ｎ型電極３上には、ｎ型窒化物半導体層２１が存在するが、窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層２４は存在しない。

ｐ型窒化物半導体層２４は凹部２０で二つに分離されている。ｐ型窒化物半導体層２４の分離された二カ所にｐ型電極４が形成されている。つまり、ｐ型電極４は、平面視でｎ型電極３と重ならない部分に形成されている。
窒化物半導体発光素子１０は、ピーク波長範囲が３００ｎｍ以下の紫外線光を発光する素子である。ｎ型窒化物半導体層２１は、例えばｎ−Ａｌ_(1-x)Ｇａ_xＮ（０＜ｘ≦０．６）層である。窒化物半導体発光層２２は、例えば、ＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＧａＮからなる電子バリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する層である。ｐ型窒化物半導体層２４は、例えばｐ−ＧａＮ層である。

組成傾斜層２３は、Ａｌ_(1-x)Ｇａ_xＮ（０≦ｘ≦１）組成傾斜層であり、Ｇａ組成比ｘが窒化物半導体発光層２２側（基板側）からｐ型窒化物半導体層２４側（ｐ型電極層側）へ向かって大きくなっている。組成傾斜層２３は正孔を注入しやすい作用をもたらすものである。
各ｐ型電極４上に複数の金属ボール５が形成され、これらの金属ボール５を介して、両ｐ型電極４上に一枚の支持基板６が固定されている。支持基板６の平面形状は窒化物半導体積層体２の平面形状である長方形よりも少し大きい長方形である。

＜作用、効果＞
窒化物半導体発光素子１０Ｂは、ｎ型電極３とｐ型電極４との間に電圧が付与されて電流が供給されることで、窒化物半導体発光層２２から発光する。その際に、窒化物半導体発光素子１０は、ｐ型電極４とｎ型電極３が平面視で重ならない配置となっているため、電子は、ｎ型電極３からｎ型窒化物半導体層２１の幅方向（縦方向ではなく横方向）の両側に移動した後に、各側のｐ型電極４に向かう。つまり、窒化物半導体発光素子１０では、ｐ型電極４とｎ型電極３が平面視で重なる配置の縦型の窒化物半導体発光素子（特許文献２に記載の素子）と比較して、結晶欠陥や転位がより少ない経路を電子が進行するため、発光層の出力低下が抑制されたものとなる。

また、基板の同じ面側に第一電極と第二電極の両方が配置されている従来の窒化物半導体発光素子（特許文献１に記載の構成）と比較して、第二電極を大きくすることができるため、電流密度の集中を抑制することができる。さらには、第二電極を大きくすることで放熱部材への接触面積を大きくできるため放熱性が向上できる効果や、基材に対するフリップチップ工程が不要になることが期待できる効果も得られる。
また、第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０は絶縁性基板１を有するのに対して、第三実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ｂは基板を有さないため、ｎ型電極３の配置や大きさの自由度が高くなる。そして、窒化物半導体積層体２の裏面のうちｎ型電極３が形成されている中央部２１７以外の部分２１８が粗面となっているため、窒化物半導体発光層２２から発生した光が窒化物半導体積層体２の裏面で反射することで、光取り出し効率が向上できる。
また、窒化物半導体発光素子１０Ｂは、両ｐ型電極４上に金属ボール５を介して支持基板６が固定されていることから、取り扱い時に支持基板６を利用できるため、取り扱いがし易いという効果も有する。ただし、金属ボール５および支持基板６はなくてもよい。

＜製造方法＞
窒化物半導体発光素子１０Ｂの製造方法の一例を、図１１〜図１４を用いて説明する。
先ず、図１１に示すように、絶縁性基板１の一面１１上に、ｎ型窒化物半導体層２１、窒化物半導体発光層２２、組成傾斜層２３、およびｐ型窒化物半導体層２４を、この順に形成する。これにより、絶縁性基板１の一面１１に窒化物半導体積層体２を形成する（第一工程）。
次に、窒化物半導体積層体２の幅方向中央部（平面視における所定部分）を、平面視でｎ型電極３の幅方向両端部より外側となる幅で除去して、ｎ型窒化物半導体層２１を露出させる（第二工程）。これにより、ｐ型窒化物半導体層２４を開口としてｎ型窒化物半導体層２１を底面２１２とした凹部２０が形成される。図１２はこの状態を示す。凹部２０によりｐ型窒化物半導体層２４は第一部分２４ａと第二部分２４ｂに分離されている。

次に、図１２の状態のｐ型窒化物半導体層の第一部分２４ａと第二部分２４ｂに、それぞれｐ型電極４を形成する（第三工程）。この工程は、例えば、図１２の状態の第一部分２４ａと第二部分２４ｂの所定領域にのみ金属材料を蒸着する方法で行う。次に、金属ボール５でｐ型電極４に金属製の支持基板６を結合する。図１３はこの状態を示す。
次に、図１３の状態で、研削・研磨装置の支持部で支持基板６を支持し、絶縁性基板１を研削により除去することでｎ型窒化物半導体層２１を露出させた（第四工程）後、この露出面を研磨する。

次に、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部（凹部２０の底面２１２とは反対側の面）２１７のみを被覆した状態で、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面を例えば化学的な方法で粗面化する。これにより、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部２１７は研磨面のままであり、それ以外の部分２１８が粗面となる。図１４はこの状態を示す。
次に、ｎ型窒化物半導体層２１の裏面の中央部（平面視で所定部分と重なる部分）２１７にｎ型電極３を形成する（第五工程）。この工程は、例えば、金属材料を蒸着する方法で行う。これにより、図９および図１０に示す窒化物半導体発光素子１０Ｂが得られる。

絶縁性基板の除去方法としては、上述の方法以外にレーザリフトオフを採用することもできる。レーザリフトオフでは、例えば波長１９３ｎｍ程度のエキシマレーザ光を絶縁性基板に対して裏面側から照射することにより、絶縁性基板と第一窒化物半導体層との界面に存在する結晶欠陥にエキシマレーザ光を集光して、絶縁性基板を第一窒化物半導体層から剥離する。エキシマレーザ光のエネルギー密度は、例えば約２５０ｍＪ／ｃｍ²以上１００００Ｊ／ｃｍ²以下の範囲とすることができる。エキシマレーザ光の照射は同一カ所に対して1回だけの照射でもよいし、同一カ所に複数回照射しても良い。

絶縁性基板の除去方法の他の例としては、次の二つの方法が挙げられる。一つは、絶縁性基板上に剥離層を形成した上に第一窒化物半導体層を形成し、絶縁性基板を除去する際に、絶縁性基板の側面に衝撃を与えて、剥離層を絶縁性基板とともに第一窒化物半導体層から機械的に切り離す方法である。剥離層としては、例えば、層状の結晶構造を有する窒化ホウ素層や、絶縁性基板の凹凸面に半導体を斜め方向に成長させることで得られる、空洞を有する半導体層が挙げられる。
もう一つは、絶縁性基板の裏面（第一窒化物半導体層が形成される面とは反対面）に応力層を設け、この応力層に機械的な外力を加えることで、第一窒化物半導体層の一部とともに絶縁性基板を除去する方法である。応力層の材料としては、絶縁性基板の裏面側が凹になるような応力が付与できるものであればいずれのものでも良いが、層形成が簡便なことからニッケル（Ｎｉ）を用いることが好ましい。

［第四実施形態］
図１５に示すように、第四実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ｃは、凹部２０を有さない。これ以外の点は第一実施形態の窒化物半導体発光素子１０と同じである。
［第五実施形態］
図１６に示すように、第五実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ｄは、凹部２０を有さない。これ以外の点は第二実施形態の窒化物半導体発光素子１０Ａと同じである。

［実施例１］
以下の方法で、図１および図２の構造を有する窒化物半導体発光素子１０を作製した。
先ず、厚さ１００μｍのＡｌＮ基板のＮ面にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー法により、Ｎ面の中央部に直径が１μｍ程度の円形の被覆部を有するレジストパターンを形成した。次に、レジストパターンの上にスパッタリング法によりＮｉ膜を形成した後、レジストパターンを除去することで、Ｎｉ膜からなるマスクパターンを形成した。次に、ドライエッチング法により、Ｎｉ膜の開口部から露出した部分のＡｌＮ基板にＮ面からＡｌ面まで至る貫通穴を形成した。これにより、図３に示すような、一面１１に対して略垂直に延び、一面１１から裏面１３まで貫通する貫通穴１２を有する絶縁性基板（ＡｌＮ基板）１が得られた。

次に、ＡｌＮ基板のＡｌ面を一面１１とし、この一面１１に、第一実施形態に記載した方法で窒化物半導体積層体２を形成した。具体的には、ｎ型窒化物半導体層２１としてｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を、窒化物半導体発光層２２としてＡｌＧａＮ多重量子井戸層を、組成傾斜層２３としてＡｌＧａＮ層を、ｐ型窒化物半導体層２４としてｐ−ＧａＮ層を成膜して、図4に示す状態とした。なお、ＡｌＧａＮ多重量子井戸層の成膜は、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層の成膜によりＡｌＮ基板の貫通穴を完全に被覆した後に行った。
次に、窒化物半導体積層体２のｐ−ＧａＮ層上にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー法により、貫通穴１２の幅方向両端部より外側となる幅の開口部を有するレジストパターンを形成した。次に、ドライエッチング法により、レジストパターンの開口部から露出した窒化物半導体積層体２の部分を、塩素系ガスでドライエッチングすることで、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を底面２１２とした凹部２０を形成し、図５に示す状態とした。

次に、このＡｌＮ基板のＮ面（絶縁性基板の裏面１３）の全体に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＡｕを蒸着した後に熱処理を行うことで、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＡｕからなる合金膜を蒸着した。これにより、図６に示すように、貫通穴１２の底面となっているｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層の裏面の中央部２１１にｎ型電極３を形成した。なお、ＡｌＮ基板のＮ面にもｎ型電極３と同じ合金膜が形成された。
次に、ｐ−ＧａＮ層上の凹部２０で分離された二カ所に、ＮｉとＡｕを蒸着した後に熱処理を行うことで、ＮｉとＡｕの合金膜からなるｐ型電極４を形成した。
このようにして作製された窒化物半導体発光素子１０のｎ型電極３とｐ型電極４との間に電圧を付与して、１００ｍＡの電流を供給したところ、ピーク波長２７５ｎｍの発光が確認され、その発光強度は４．０ｍＷであった。

［実施例２］
以下の方法で、図９および図１０の構造を有する窒化物半導体発光素子１０Ｂを作製した。
先ず、厚さ１００μｍのサファイア基板の一面１１に、ｎ型窒化物半導体層２１としてｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を、窒化物半導体発光層２２としてＡｌＧａＮ多重量子井戸層を、組成傾斜層２３としてＡｌＧａＮ層を、ｐ型窒化物半導体層２４としてｐ−ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成膜して、図１１に示す状態とした。

次に、窒化物半導体積層体２のｐ−ＧａＮ層上にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー法により、幅方向中央部に開口部を有するレジストパターンを形成した。次に、ドライエッチング法により、レジストパターンの開口部から露出した窒化物半導体積層体２の部分を、塩素系ガスでドライエッチングすることで、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を底面２１２とした凹部２０を形成し、図１２に示す状態とした。
次に、ｐ−ＧａＮ層上の凹部２０で分離された二カ所に、ＮｉとＡｕを蒸着した後に熱処理を行うことで、ＮｉとＡｕの合金膜からなるｐ型電極４を形成した。

次に、ステージ上に金属製の支持基板６を置き、支持基板６上の所定位置に金属ボール５を載せ、その上にｐ型電極４を下側に向けてサファイア基板を載せた後、支持基板６を加圧・加熱する。これにより、金属ボール５でｐ型電極４に金属製の支持基板６を結合して、図１３に示す状態とした。
次に、研削・研磨装置の支持部で支持基板６を支持し、サファイア基板を研削により除去することでｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面を露出させて、この露出面を研磨した。これにより、窒化物半導体積層体２とｐ型電極４とで構成されたウェハが得られた。

次に、このウェハの被研磨面（ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面）に、その中央にのみ直径が１μｍ程度の円形の遮蔽部を有するレジストパターンを形成した。次に、このウェハを０．２ＭのＫＯＨ水溶液に浸し、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面のレジストパターンによる遮蔽部以外の部分を、六角錐の凹凸構造にした。これにより、図１４に示すように、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面の中央部２１７は研磨による平滑面のままであり、それ以外の部分２１８が粗面となった。

次に、レジストパターンを除去した後、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面に、その中央部２１７にのみ開口部を有するレジストパターンを形成した。次に、開口部から露出するｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＡｕを蒸着した後に熱処理を行うことで、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＡｕからなる合金膜を蒸着した。これにより、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層のＮ面の中央部２１７にｎ型電極３を形成した。
このようにして作製された窒化物半導体発光素子１０Ｂのｎ型電極３とｐ型電極４との間に電圧を付与して、１００ｍＡの電流を供給したところ、ピーク波長２７５ｎｍの発光が確認され、その発光強度は３．８ｍＷであった。

［比較例］
先ず、厚さ１００μｍのＡｌＮ基板のＡｌ面を一面１１とし、この一面１１に、ｎ型窒化物半導体層２１としてｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を、窒化物半導体発光層２２としてＡｌＧａＮ多重量子井戸層を、組成傾斜層２３としてＡｌＧａＮ層を、ｐ型窒化物半導体層２４としてｐ−ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成膜して、図１１に示す状態とした。
次に、窒化物半導体積層体２のｐ−ＧａＮ層上にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー法により、幅方向中央部に開口部を有するレジストパターンを形成した。次に、ドライエッチング法により、レジストパターンの開口部から露出した窒化物半導体積層体２の部分を、塩素系ガスでドライエッチングすることで、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を底面２１２とした凹部２０を形成し、図１２に示す状態とした。

次に、凹部２０の底面２１２に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＡｕを蒸着した後に熱処理を行うことで、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＡｕからなる合金膜を蒸着した。これにより、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層にｎ型電極を形成した。
次に、ｐ−ＧａＮ層上の凹部２０で分離された二カ所に、ＮｉとＡｕを蒸着した後に熱処理を行うことで、ＮｉとＡｕの合金膜からなるｐ型電極を形成した。
このようにして作製された窒化物半導体発光素子のｎ型電極とｐ型電極との間に電圧を付与して、１００ｍＡの電流を供給したところ、ピーク波長２７５ｎｍの発光が確認され、その発光強度は２．８ｍＷであった。

１０ 窒化物半導体発光素子
１０Ａ 窒化物半導体発光素子
１０Ｂ 窒化物半導体発光素子
１０Ｃ 窒化物半導体発光素子
１０Ｄ 窒化物半導体発光素子
１ 絶縁性基板
１１ 絶縁性基板の一面
１２ 絶縁性基板の貫通穴
１３ 絶縁性基板の裏面（一面とは反対側の面）
２ 窒化物半導体積層体
２１ ｎ型窒化物半導体層（第一窒化物半導体層）
２１１ ｎ型窒化物半導体層の裏面の中央部（窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部、平面視で貫通穴と重なる部分）
２１５ ｎ型窒化物半導体層のｎ型電極上の部分（第一窒化物半導体層の第一電極上の部分）
２１６ ｎ型窒化物半導体層の他の部分（第一窒化物半導体層の第二電極と重なる部分）
２１７ ｎ型窒化物半導体層の裏面の中央部（窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部、平面視で所定部分と重なる部分）
２１８ ｎ型窒化物半導体層の裏面の中央部以外の部分（粗面）
２２ 窒化物半導体発光層
２３ 組成傾斜層
２４ ｐ型窒化物半導体層（第二窒化物半導体層）
３ ｎ型電極（第一電極）
４ ｐ型電極（第二電極）

Claims (9)

1. 絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板の一面上に形成された窒化物半導体積層体であって、前記絶縁性基板側から、第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層を、この順に含む窒化物半導体積層体と、
   前記第一窒化物半導体層の前記窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部に形成された第一電極と、
   前記第二窒化物半導体層上に形成された第二電極と、
   を含み、
   前記絶縁性基板は、前記一面から前記一面とは反対側の裏面まで貫通する貫通穴を有し、
   前記第一電極は前記貫通穴内に存在し、
   前記第二電極は、平面視で前記第一電極と重ならない部分に形成されている窒化物半導体発光素子。
2. 第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層を、この順に含む窒化物半導体積層体と、
   前記第一窒化物半導体層の前記窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部に形成された第一電極と、
   前記第二窒化物半導体層上に形成された第二電極と、
   を含み、
   前記第一窒化物半導体層の前記窒化物半導体発光層とは反対側の面の前記一部以外は粗面であり、
   前記第二電極は、平面視で前記第一電極と重ならない部分に形成されている窒化物半導体発光素子。
3. 前記第一窒化物半導体層は、前記第一導電型のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮ層（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）であり、
   前記第一窒化物半導体層の前記第一電極上の部分のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮのＧａ組成比ｘ１と、平面視で前記第二電極と重なる部分のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮのＧａ組成比ｘ２とが、下記の(1)式を満たす請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
   ０≦ｘ２＜ｘ１≦１…(1)
4. 第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層を、この順に含む窒化物半導体積層体と、
   前記第一窒化物半導体層の前記窒化物半導体発光層とは反対側の面の一部に形成された第一電極と、
   前記第二窒化物半導体層上の平面視で前記第一電極と重ならない部分に形成された第二電極と、
   を含み、
   前記第一窒化物半導体層は、前記第一導電型のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮ層（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）であり、
   前記第一導電体型半導体層の前記第一電極上の部分のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮのＧａ組成比ｘ１と、平面視で前記第二電極と重なる部分のＡｌ_(1-x-y-z)Ｂ_yＧａ_xＩｎ_zＮのＧａ組成比ｘ２とが、下記の(1)式を満たす窒化物半導体発光素子。
   ０≦ｘ２＜ｘ１≦１…(1)
5. 前記窒化物半導体積層体は、平面視で前記第一電極と重なる部分に、前記第二窒化物半導体層を開口として前記第一窒化物半導体層を底面とした凹部を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 一面から前記一面とは反対側の裏面まで貫通する貫通穴を有する絶縁性基板の前記一面に、第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層をこの順に含む窒化物半導体積層体を形成する工程と、
   前記窒化物半導体積層体の平面視で前記貫通穴と重なる部分において、前記第二窒化物半導体層から前記窒化物半導体発光層までの全てを除去して前記第一窒化物半導体層を露出させる工程と、
   前記絶縁性基板の前記裏面から、前記貫通穴内に膜形成材料を堆積することで、前記第一窒化物半導体層の前記窒化物半導体発光層とは反対側の面であって前記貫通穴から露出する面に、第一電極を形成する工程と、
   前記第二窒化物半導体層上の平面視で前記第一電極と重ならない部分に第二電極を形成する工程と、
   を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 絶縁性基板の一面に、第一導電型の第一窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、および第二導電型の第二窒化物半導体層をこの順に含む窒化物半導体積層体を形成する第一工程と、
   前記窒化物半導体積層体の平面視における所定部分において、前記第二窒化物半導体層から前記窒化物半導体発光層までの全てを除去して前記第一窒化物半導体層を露出させる第二工程と、
   前記第二工程後の前記第二窒化物半導体層上に第二電極を形成する第三工程と、
   前記第三工程後に前記絶縁性基板を除去して、前記第一窒化物半導体層を露出させる第四工程と、
   前記第四工程により生じた前記第一窒化物半導体層の露出面の平面視で前記所定部分と重なる部分に、第一電極を形成する第五工程と、
   を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第四工程と前記第五工程との間に、前記第四工程により生じた前記第一窒化物半導体層の露出面の前記第一電極を形成する部分以外を粗面化する工程を有する請求項７記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記第四工程をレーザリフトオフで行う請求項７または８記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

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