JP3973799B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されており、青色や緑色の発光ダイオードの分野での実用化や青紫色のレーザダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系半導体薄膜結晶を成長させるのが近来では主流である。この方法は、窒化ガリウム系半導体としてのサファイアやＳｉＣ、ＧａＮ等からなる基板を設置した反応管内に、３族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と称す）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と称す）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と称す）等）と、５族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等とを供給し、基板温度をおよそ７００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と発光層とｐ型層とを成長させてこれらを積層形成するというものである。ｎ型層の成長時にはｎ型不純物原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）やゲルマン（ＧｅＨ4）等を、ｐ型層の成長時にはｐ型不純物原料ガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）等を３族元素の原料ガスと同時に流しながら成長させる。
【０００４】
この成長形成の後、ｎ型層の表面およびｐ型層の表面にそれぞれｎ側電極およびｐ側電極を形成し、チップ状に分離することによって、発光素子を得ることができる。そして、これらの発光素子をリードフレーム等に固定し、最後にエポキシ樹脂等で封止することにより、発光ダイオードとして完成させる。
【０００５】
最近の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｐ型層の表面からｐ型層、発光層およびｎ型層の一部をエッチングにより除去して露出させたｎ型層の表面にｎ側電極を、ｐ型層の表面にｐ側電極として発光層からの光を透過することができる程度の肉薄の光透過性電極をそれぞれ形成し、この光透過性電極の側を主光取り出し面側とする素子構造が主流である。このような構成によれば、素子の同一面側にｐ側電極及びｎ側電極を設ける場合においてもｐ側電極及びｎ側電極間における短絡を防止することができるとともに、素子サイズを小さくすることができる。
【０００６】
しかし、上記のようにサファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層させた素子構造においては、次のような問題がある。すなわち、結晶成長用の基板と窒化ガリウム系化合物半導体との屈折率の違い、および窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とそれを封止する樹脂等との屈折率の違いにより、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの界面で多重反射されて干渉したり、反射光が窒化ガリウム系化合物半導体内部で吸収され発光を効率良く外部に取り出せないという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するものとして、特開平６−２９１３６８号公報において、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体の最上層の表面が非鏡面とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が提案されている。この発光素子によれば、サファイア基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との界面で反射した光が非鏡面とされた最上層で散乱するため、窒化ガリウム系化合物半導体内部での多重反射が抑制され、光の干渉が少なくなり発光効率が向上するとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように窒化ガリウム系化合物半導体の最上層を非鏡面とする構成においても、以下のような問題がある。すなわち、この最上層の側を発光素子の主光取り出し面側とする場合、この最上層の上に発光層からの光を透過させる程度に肉薄の光透過性電極を形成することとなるが、非鏡面の最上層に極薄の電極を膜厚均一に形成することは非常に困難となり、当該電極から窒化ガリウム系化合物半導体に均一に電流を供給することができず、かえって発光効率を低下させる原因となるという問題がある。
【０００９】
本発明において解決すべき課題は、光透過性電極を形成した面を主光取り出し面側とし、発光効率を向上させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光透過性電極が形成されるコンタクト層に光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、発光層から発せられ、発光素子内部をコンタクト層に平行な方向（横方向）に伝播する光が、凹部より発光素子の外部に取り出されやすくなる。すなわち、発光層からの光の取り出し効率が改善され、全体として発光効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、凹部の形成を第一導電型コンタクト層を露出させるためのエッチングの工程と同一工程で行うことを特徴とする。
【００１３】
このような製造方法によれば、凹部形成のための工程を新たに付加することなく簡便に凹部形成を行うことができるため、マスクパターンの変更という微小な工程変更だけで発光効率を向上させることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とが積層され、さらに前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極が形成される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としたものである。これにより、発光層から発せられ、発光素子内部を横方向に伝播する光が、凹部より発光素子外部へ取り出されやすくなる。すなわち、発光素子外部への光の取り出し効率を改善することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記凹部は、前記発光層に達する深さまで形成されることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としたものである。これにより、ダブルヘテロ構造とした発光素子の光が比較的屈折率の小さい発光層を中心に伝播しやすいため、その発光層に達する深さまで形成された凹部より効率よく光を取り出すことができ、発光素子外部への光の取り出し効率をより高めることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記凹部の内面が、絶縁性膜により覆われることを特徴とする請求項１または２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としたものである。このような絶縁性膜を介することによって、窒化物ガリウム系化合物半導体の屈折率とこれを封止する樹脂等との屈折率との違いを緩和し、発光素子外部への光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、凹部が第一導電型コンタクト層から第二導電型コンタクト層に渡って形成されている場合においては、これらの短絡を防止することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とを成長させる工程と、前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極を形成する工程と、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部を形成するための開口を有するパターンを形成したマスクを前記光透過性電極上に形成する工程と、前記マスクを用いて前記第二導電型コンタクト層側から前記発光層に達する深さまでエッチングを行う工程とを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法としたものである。これにより、光透過性電極形成工程における凹部への電極材料の侵入による第一導電型コンタクト層と第二導電型コンタクト層との短絡を防止し、凹部に対応した孔を有する光透過性電極の形成の簡略化を行うことができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とを成長させる工程と、前記第一導電型コンタクト層の表面を露出させる工程と、この露出させた第一導電型コンタクト層上に電極を形成する工程とを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、さらに、前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極を形成する工程と、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部を形成するための開口を有するパターンを形成したマスクを前記光透過性電極上に形成する工程と、前記マスクを用いて前記第二導電型コンタクト層側から前記発光層に達する深さまでエッチングを行う工程とを含み、前記エッチングを行う工程は、前記第一導電型コンタクト層の表面を露出させる工程と同一工程で行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法としたものである。凹部の形成を第一導電型コンタクト層を露出させるためのエッチングの工程と同一工程で行うことにより、凹部形成を新たな工程を付加することなく、簡便に行うことができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す縦断面図である。
【００２１】
図１において、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイアからなる基板１上に、バッファ層２と、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３と、ＩｎＧａＮからなる発光層４と、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５と、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層６とが順に積層された構造である。なお、本実施の形態においては、ｎ型を第一導電型と、ｐ型を第二導電型としている。
【００２２】
さらに、ｐ型コンタクト層６上のほぼ全面に光透過性電極７が形成され、光透過性電極７上にはワイヤボンディングのためのｐ側電極８が形成されている。一方、ｎ側電極９は、ｐ型コンタクト層６の表面からｎ型コンタクト層３に達する深さまでエッチングすることによって露出させたｎ型コンタクト層３の表面に形成されている。
【００２３】
そして、ｐ型コンタクト層６には、光透過性電極７側から発光層４へ向かって窪む凹部１１が複数個形成されている。この凹部１１は、光透過性電極７を貫いて、ｐ型コンタクト層６からｎ型コンタクト層３に達する深さまで形成されている。さらに、凹部１１の内面と光透過性電極７の表面は、絶縁成膜１０によって覆われている。
【００２４】
上記構成の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ側電極８に正の電圧を、ｎ側電極９に負の電圧をそれぞれ印加すると、ｐ型コンタクト層６を介してｐ型クラッド層５からは正孔が、ｎ型クラッド層を兼用して形成されたｎ型コンタクト層３からは電子がそれぞれ発光層４に注入され、これらの正孔と電子の再結合により発光層４のバンドギャップに対応したエネルギーを有する光が発光層４より発せられる。
【００２５】
凹部１１が形成されていない従来の発光素子構造の場合には、発光層４から発せられた光のうち上方へ向かう光は、光透過性電極７を介して発光素子外部へ取り出されるが、他の一部の光は発光素子内部を横方向へ伝播し窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６内部への吸収等により減衰した後、発光素子の側面から発光素子外部へ取り出されることとなる。
【００２６】
これに対し、本実施の形態における発光素子構造の場合には、発光層４から発せられる光のうち横方向へ伝播する光が凹部１１より発光素子外部へ取り出されやすくなるとともに、光が発光素子内部を伝播する際の吸収等による減衰が低減されるため、全体として発光素子外部への光取り出し効率を向上させることができる。さらに、凹部１１の内面が、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率と、これを封止する封止樹脂または封止雰囲気の屈折率との間の屈折率を有する絶縁性膜１０により覆われることにより、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率とこれを封止する樹脂等との屈折率との違いが緩和され、発光素子外部への光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。
【００２７】
また、凹部１１はｐ型コンタクト層６からｎ型コンタクト層３に達する深さとして、発光素子内部を横方向に伝播する光を凹部１１が形成されたコンタクト層全体から取り出すことができるようにしている。なお、この凹部１１の深さは発光素子内部を横方向へ伝播する光が到達して取り出される程度、すなわち発光層４に必ずしも達する必要はないが発光層４のすぐ近く、例えばｐ型クラッド層５に達する程度とすればよい。
【００２８】
特に、この凹部１１の深さは、発光層４に達する深さとするのがより望ましい。例えば、本実施の形態のように、ＩｎＧａＮからなる発光層４をこれよりも屈折率の高いＧａＮやＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層３およびｐ型クラッド層５で挟んでダブルヘテロ構造とする場合、光は比較的屈折率の小さい発光層４を中心に伝播しやすく、その発光層４に達する程度の深さとした場合には凹部１１より効率良く光を取り出すことが可能となるからである。
【００２９】
さらに、凹部１１の内側面は、深さ方向（光透過性電極７側から発光層４側へ向かう方向）に進むにつれて細くなるようにテーパーが形成されるのが望ましい。これにより、凹部１１の側面から出射した光がこのテーパー付きの凹部１１の側壁に反射しながら凹部１１上方に導かれ、発光素子外部へと取り出されやすくなる。
【００３０】
ここで、図２は図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面図である。図２に示すように、ｐ型コンタクト層６のほぼ全面に形成された光透過性電極７の領域内に、凹部１１が複数個形成されている。
【００３１】
ｐ側電極８に正の電圧を、ｎ側電極９に負の電圧をそれぞれ印加すると、ｐ側電極８から注入された電流は光透過性電極７のほぼ全体に広がり、ｐ型コンタクト層６を介して発光層４へ注入される。これにより発せられる発光層４からの光のうち、光透過性電極７の下方より発せられた光は光透過性電極７を介して発光素子外部へ取り出され、その一部は光透過性電極７を通過する際に一部吸収されて減衰する。一方、凹部１１が形成された領域には光透過性電極７は存在しないため、凹部１１より発光素子外部へ取り出される光は光透過性電極７によって吸収されることがなく、減衰せずに取り出される。
【００３２】
凹部１１の開口の大きさは、凹部１１を形成する数にもよるが、開口を大きくするとそれに伴い光透過性電極７の面積が小さくなるため発光層４へ注入される電流密度が高くなる。一方、開口を小さくすると開口の形成が困難となるため、凹部１１の深さを制御しにくくなる。したがって、凹部１１の開口の大きさとその数には適当な範囲が存在するが、本発明者らの知見によれば、発光素子サイズを約３５０μｍ×３５０μｍとする場合、凹部１１の開口の大きさを０．５μｍφから５μｍφの範囲とし、その総面積が光透過性電極７の面積の０．１％から５０％の範囲となるように凹部１１の個数を調整するときに光取り出し効率の向上が顕著に認められている。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図３から図５は、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造工程を示す縦断面図である。なお、本実施の形態においては、チップ状に分割された素子状態での製造工程を説明するが、実際の製造工程においては、図面に示す発光素子が二次元的に配列されたウエハ状態で各工程が実施される。
【００３５】
図３に示すように、まず、サファイアからなる基板１上に有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層２とｎ型コンタクト層３と発光層４とｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６とを順に成長させたウエハを準備した後、蒸着法とフォトリソグラフィ法を用いてｐ型コンタクト層６上に光透過性電極７を形成する。
【００３６】
次に、図４に示すように、光透過性電極７と露出したｐ型コンタクト層６上に熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなる絶縁膜２１を堆積させる。さらに、この絶縁膜２１にフォトリソグラフィ法を用い、光透過性電極７に複数の凹部１１を形成するための複数の孔１２およびｎ型コンタクト層３の表面の一部を露出させるための空間１３を形成し、次のエッチングのためのマスクとする。
【００３７】
このマスクを用いて反応性イオンエッチング等により、図５に示すように、露出させたｐ型コンタクト層６の表面側からｎ型コンタクト層３に達するまでエッチングを行うことによって、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させるとともに光透過性電極７の上に形成した孔１２からｎ型コンタクト層３に達する深さまで凹部１１を形成する。
【００３８】
その後、光透過性電極７上の絶縁膜２１の一部をエッチングにより除去させ、露出させた光透過性電極７の表面上および露出させたｎ型コンタクト層３の表面上に、それぞれｐ側電極８およびｎ側電極９を蒸着法およびフォトリソグラフィ法により形成する。さらに、熱ＣＶＤ法とフォトリソグラフィ法により光透過性電極７と凹部１１の内面を被覆するＳｉＯ2等からなる絶縁性膜１０を形成する。そして、ダイシングまたはスクライブ等によりチップ状に分離することにより、図１に示す窒化ガリウム系化合物発光素子が得られる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施例において、窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法としては有機金属気相成長法を用いるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。
【００４０】
（実施例）
まず、表面が鏡面に仕上げられたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１０００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除いた。
【００４１】
次に、基板１の表面温度を５５０℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスと、アンモニアと、ＴＭＡを含むＴＭＡ用のキャリアガスとを流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さで成長させた。
【００４２】
その後、ＴＭＡのキャリアガスを止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスとを流しながら、新たにＴＭＧを含むＴＭＧ用のキャリアガスと、ＳｉＨ4ガスとを流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層３を２μｍの厚さで成長させた。
【００４３】
ｎ型コンタクト層３を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ4ガスを止めて基板１温度を７５０℃にまで降下させ、７５０℃において、主キャリアガスとしての窒素ガスを流し、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＩを含むＴＭＩ用のキャリアガスとを流しながら、アンドープのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる単一量子井戸構造の発光層４を３ｎｍの厚さで成長させた。
【００４４】
発光層４を成長後、ＴＭＩ用のキャリアガスを止め、ＴＭＧ用のキャリアガスを流しながら基板１温度を１０５０℃に向けて昇温させながら、引き続き図示しないアンドープのＧａＮを４ｎｍの厚さで成長させた。基板１温度が１０５０℃に達したら、新たに主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスと、ＴＭＡ用のキャリアガスと、Ｃｐ2Ｍｇを含むＣｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとを流しながら、ＭｇをドープさせたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させた。
【００４５】
ｐ型クラッド層５を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスを止め、引き続きＭｇをドープさせたＧａＮからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させた。
【００４６】
ｐ型コンタクト層６を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスと、Ｃｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとを止め、主キャリアガスとアンモニアとをそのまま流しながら、基板１の温度を室温程度にまで冷却させて、基板１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを反応管から取り出した。
【００４７】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層２、ｎ型コンタクト層３、発光層４、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６の積層構造に対し、その表面上に蒸着法により、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とをそれぞれ５ｎｍの厚さで全面に積層した後、フォトリソグラフィ法とウェットエッチング法により、光透過性電極７を形成した。
【００４８】
この後、光透過性電極７と露出したｐ型コンタクト層６の上に熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなる絶縁膜２１を０．５μｍの厚さで堆積させ、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法により、絶縁膜２１に複数の孔１２および空間１３を形成し、光透過性電極７に複数の凹部１１を形成するとともにｐ型コンタクト層６の表面の一部を露出させるための絶縁膜２１からなるマスクを形成した。ここで、孔１２は開口直径約２μｍの円形とし、後にｐ側電極５（パッド電極）を形成する領域を除いて１０μｍの間隔で碁盤の目状に配置した。
【００４９】
次に、上記マスクを用いて、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、露出させたｐ型コンタクト層６の表面側からｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４を約０．３μｍの深さで除去して、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させるとともに、光透過性電極７上の絶縁膜２１に形成した孔１２から、光透過性電極７とｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４とをエッチングして、ｎ型コンタクト層３に達する深さの凹部１１を形成した。凹部１１は、開口の口径が約２μｍ、底部の径が約１μｍの空洞として形成された。
【００５０】
その後、一旦、絶縁膜２１をウェットエッチング法により除去して、蒸着法およびフォトリソグラフィ法により、光透過性電極７の表面上の凹部１１が形成されていない領域と、露出させたｎ型コンタクト層３の表面上とに、０．１μｍ厚のチタン（Ｔｉ）と０．５μｍ厚のＡｕとを積層して、それぞれｐ側電極８とｎ側電極９とを形成した。さらに、熱ＣＶＤ法とフォトリソグラフィ法により、光透過性電極７の表面と凹部１１の内面とを被覆する０．２μｍ厚のＳｉＯ2からなる絶縁性膜１０を形成した。
【００５１】
この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離した。このチップを電極形成面側を上向きにしてステムに接着した後、チップのｐ側電極８とｎ側電極９とをそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。
【００５２】
この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク波長４７０ｎｍの青色で発光した。このときの発光出力は２．０ｍＷであり、順方向動作電圧は３．５Ｖであった。
【００５３】
なお、本実施例では、凹部１１を形成する際に、凹部１１の光透過性電極７を窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造と同一工程で反応性イオンエッチング法で除去したが、凹部１１の光透過性電極７を事前に単独に除去しても構わない。例えば、ウェハー全面に形成したＮｉとＡｕの積層をウェットエッチングして光透過性電極７をパターニングするときに同時に凹部１１の光透過性電極７を除去することもできる。
【００５４】
また、本実施例において、凹部１１の開口の形状を円形としたが、これに限定されるものではなく、凹部１１の形成に支障のない範囲で任意の形状をとることができる。
【００５５】
（比較例）
上記実施例との比較のために、凹部１１を形成しない窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００５６】
具体的には、上記実施例において、光透過性電極７の上の絶縁膜２１に孔１２を形成せずに、光透過性電極７を絶縁膜２１で全面覆った状態で塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、露出させたｐ型コンタクト層６の表面側から、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４とを約０．３μｍの深さで除去して、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させた。他は、実施例と同様の手順により発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク波長と順方向動作電圧は実施例と同様であったが、発光出力は１．２ｍＷと低かった。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光透過性電極が形成されるコンタクト層に光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることにより、発光層から発せられた光のうち横方向へ進む光が凹部から発光素子外部へ取り出されるため全体として光取り出し効率が向上し、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光効率を格段に向上させることができる。
【００５８】
また、凹部の形成を第一導電型コンタクト層を露出させるためのエッチングの工程と同一工程で行うことにより、凹部形成のための工程を新たに付加することなく簡便に凹部形成を行うことができるため、マスクパターンの変更という微小な工程変更だけで発光効率を向上させることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す縦断面図
【図２】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面図
【図３】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程を示す縦断面図
【図４】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程を示す縦断面図
【図５】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程を示す縦断面図
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型コンタクト層
４ 発光層
５ ｐ型クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ 光透過性電極
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０ 絶縁性膜
１１ 凹部
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されており、青色や緑色の発光ダイオードの分野での実用化や青紫色のレーザダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系半導体薄膜結晶を成長させるのが近来では主流である。この方法は、窒化ガリウム系半導体としてのサファイアやＳｉＣ、ＧａＮ等からなる基板を設置した反応管内に、３族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と称す）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と称す）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と称す）等）と、５族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等とを供給し、基板温度をおよそ７００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と発光層とｐ型層とを成長させてこれらを積層形成するというものである。ｎ型層の成長時にはｎ型不純物原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）やゲルマン（ＧｅＨ4）等を、ｐ型層の成長時にはｐ型不純物原料ガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）等を３族元素の原料ガスと同時に流しながら成長させる。
【０００４】
この成長形成の後、ｎ型層の表面およびｐ型層の表面にそれぞれｎ側電極およびｐ側電極を形成し、チップ状に分離することによって、発光素子を得ることができる。そして、これらの発光素子をリードフレーム等に固定し、最後にエポキシ樹脂等で封止することにより、発光ダイオードとして完成させる。
【０００５】
最近の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｐ型層の表面からｐ型層、発光層およびｎ型層の一部をエッチングにより除去して露出させたｎ型層の表面にｎ側電極を、ｐ型層の表面にｐ側電極として発光層からの光を透過することができる程度の肉薄の光透過性電極をそれぞれ形成し、この光透過性電極の側を主光取り出し面側とする素子構造が主流である。このような構成によれば、素子の同一面側にｐ側電極及びｎ側電極を設ける場合においてもｐ側電極及びｎ側電極間における短絡を防止することができるとともに、素子サイズを小さくすることができる。
【０００６】
しかし、上記のようにサファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層させた素子構造においては、次のような問題がある。すなわち、結晶成長用の基板と窒化ガリウム系化合物半導体との屈折率の違い、および窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とそれを封止する樹脂等との屈折率の違いにより、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの界面で多重反射されて干渉したり、反射光が窒化ガリウム系化合物半導体内部で吸収され発光を効率良く外部に取り出せないという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するものとして、特開平６−２９１３６８号公報において、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体の最上層の表面が非鏡面とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が提案されている。この発光素子によれば、サファイア基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との界面で反射した光が非鏡面とされた最上層で散乱するため、窒化ガリウム系化合物半導体内部での多重反射が抑制され、光の干渉が少なくなり発光効率が向上するとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように窒化ガリウム系化合物半導体の最上層を非鏡面とする構成においても、以下のような問題がある。すなわち、この最上層の側を発光素子の主光取り出し面側とする場合、この最上層の上に発光層からの光を透過させる程度に肉薄の光透過性電極を形成することとなるが、非鏡面の最上層に極薄の電極を膜厚均一に形成することは非常に困難となり、当該電極から窒化ガリウム系化合物半導体に均一に電流を供給することができず、かえって発光効率を低下させる原因となるという問題がある。
【０００９】
本発明において解決すべき課題は、光透過性電極を形成した面を主光取り出し面側とし、発光効率を向上させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光透過性電極が形成されるコンタクト層に光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、発光層から発せられ、発光素子内部をコンタクト層に平行な方向（横方向）に伝播する光が、凹部より発光素子の外部に取り出されやすくなる。すなわち、発光層からの光の取り出し効率が改善され、全体として発光効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、凹部の形成を第一導電型コンタクト層を露出させるためのエッチングの工程と同一工程で行うことを特徴とする。
【００１３】
このような製造方法によれば、凹部形成のための工程を新たに付加することなく簡便に凹部形成を行うことができるため、マスクパターンの変更という微小な工程変更だけで発光効率を向上させることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とが積層され、さらに前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極が形成される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としたものである。これにより、発光層から発せられ、発光素子内部を横方向に伝播する光が、凹部より発光素子外部へ取り出されやすくなる。すなわち、発光素子外部への光の取り出し効率を改善することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記凹部は、前記発光層に達する深さまで形成されることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としたものである。これにより、ダブルヘテロ構造とした発光素子の光が比較的屈折率の小さい発光層を中心に伝播しやすいため、その発光層に達する深さまで形成された凹部より効率よく光を取り出すことができ、発光素子外部への光の取り出し効率をより高めることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記凹部の内面が、絶縁性膜により覆われることを特徴とする請求項１または２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としたものである。このような絶縁性膜を介することによって、窒化物ガリウム系化合物半導体の屈折率とこれを封止する樹脂等との屈折率との違いを緩和し、発光素子外部への光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、凹部が第一導電型コンタクト層から第二導電型コンタクト層に渡って形成されている場合においては、これらの短絡を防止することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とを成長させる工程と、前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極を形成する工程と、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部を形成するための開口を有するパターンを形成したマスクを前記光透過性電極上に形成する工程と、前記マスクを用いて前記第二導電型コンタクト層側から前記発光層に達する深さまでエッチングを行う工程とを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法としたものである。これにより、光透過性電極形成工程における凹部への電極材料の侵入による第一導電型コンタクト層と第二導電型コンタクト層との短絡を防止し、凹部に対応した孔を有する光透過性電極の形成の簡略化を行うことができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とを成長させる工程と、前記第一導電型コンタクト層の表面を露出させる工程と、この露出させた第一導電型コンタクト層上に電極を形成する工程とを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、さらに、前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極を形成する工程と、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部を形成するための開口を有するパターンを形成したマスクを前記光透過性電極上に形成する工程と、前記マスクを用いて前記第二導電型コンタクト層側から前記発光層に達する深さまでエッチングを行う工程とを含み、前記エッチングを行う工程は、前記第一導電型コンタクト層の表面を露出させる工程と同一工程で行うことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法としたものである。凹部の形成を第一導電型コンタクト層を露出させるためのエッチングの工程と同一工程で行うことにより、凹部形成を新たな工程を付加することなく、簡便に行うことができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す縦断面図である。
【００２１】
図１において、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイアからなる基板１上に、バッファ層２と、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３と、ＩｎＧａＮからなる発光層４と、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５と、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層６とが順に積層された構造である。なお、本実施の形態においては、ｎ型を第一導電型と、ｐ型を第二導電型としている。
【００２２】
さらに、ｐ型コンタクト層６上のほぼ全面に光透過性電極７が形成され、光透過性電極７上にはワイヤボンディングのためのｐ側電極８が形成されている。一方、ｎ側電極９は、ｐ型コンタクト層６の表面からｎ型コンタクト層３に達する深さまでエッチングすることによって露出させたｎ型コンタクト層３の表面に形成されている。
【００２３】
そして、ｐ型コンタクト層６には、光透過性電極７側から発光層４へ向かって窪む凹部１１が複数個形成されている。この凹部１１は、光透過性電極７を貫いて、ｐ型コンタクト層６からｎ型コンタクト層３に達する深さまで形成されている。さらに、凹部１１の内面と光透過性電極７の表面は、絶縁成膜１０によって覆われている。
【００２４】
上記構成の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ側電極８に正の電圧を、ｎ側電極９に負の電圧をそれぞれ印加すると、ｐ型コンタクト層６を介してｐ型クラッド層５からは正孔が、ｎ型クラッド層を兼用して形成されたｎ型コンタクト層３からは電子がそれぞれ発光層４に注入され、これらの正孔と電子の再結合により発光層４のバンドギャップに対応したエネルギーを有する光が発光層４より発せられる。
【００２５】
凹部１１が形成されていない従来の発光素子構造の場合には、発光層４から発せられた光のうち上方へ向かう光は、光透過性電極７を介して発光素子外部へ取り出されるが、他の一部の光は発光素子内部を横方向へ伝播し窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６内部への吸収等により減衰した後、発光素子の側面から発光素子外部へ取り出されることとなる。
【００２６】
これに対し、本実施の形態における発光素子構造の場合には、発光層４から発せられる光のうち横方向へ伝播する光が凹部１１より発光素子外部へ取り出されやすくなるとともに、光が発光素子内部を伝播する際の吸収等による減衰が低減されるため、全体として発光素子外部への光取り出し効率を向上させることができる。さらに、凹部１１の内面が、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率と、これを封止する封止樹脂または封止雰囲気の屈折率との間の屈折率を有する絶縁性膜１０により覆われることにより、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率とこれを封止する樹脂等との屈折率との違いが緩和され、発光素子外部への光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。
【００２７】
また、凹部１１はｐ型コンタクト層６からｎ型コンタクト層３に達する深さとして、発光素子内部を横方向に伝播する光を凹部１１が形成されたコンタクト層全体から取り出すことができるようにしている。なお、この凹部１１の深さは発光素子内部を横方向へ伝播する光が到達して取り出される程度、すなわち発光層４に必ずしも達する必要はないが発光層４のすぐ近く、例えばｐ型クラッド層５に達する程度とすればよい。
【００２８】
特に、この凹部１１の深さは、発光層４に達する深さとするのがより望ましい。例えば、本実施の形態のように、ＩｎＧａＮからなる発光層４をこれよりも屈折率の高いＧａＮやＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層３およびｐ型クラッド層５で挟んでダブルヘテロ構造とする場合、光は比較的屈折率の小さい発光層４を中心に伝播しやすく、その発光層４に達する程度の深さとした場合には凹部１１より効率良く光を取り出すことが可能となるからである。
【００２９】
さらに、凹部１１の内側面は、深さ方向（光透過性電極７側から発光層４側へ向かう方向）に進むにつれて細くなるようにテーパーが形成されるのが望ましい。これにより、凹部１１の側面から出射した光がこのテーパー付きの凹部１１の側壁に反射しながら凹部１１上方に導かれ、発光素子外部へと取り出されやすくなる。
【００３０】
ここで、図２は図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面図である。図２に示すように、ｐ型コンタクト層６のほぼ全面に形成された光透過性電極７の領域内に、凹部１１が複数個形成されている。
【００３１】
ｐ側電極８に正の電圧を、ｎ側電極９に負の電圧をそれぞれ印加すると、ｐ側電極８から注入された電流は光透過性電極７のほぼ全体に広がり、ｐ型コンタクト層６を介して発光層４へ注入される。これにより発せられる発光層４からの光のうち、光透過性電極７の下方より発せられた光は光透過性電極７を介して発光素子外部へ取り出され、その一部は光透過性電極７を通過する際に一部吸収されて減衰する。一方、凹部１１が形成された領域には光透過性電極７は存在しないため、凹部１１より発光素子外部へ取り出される光は光透過性電極７によって吸収されることがなく、減衰せずに取り出される。
【００３２】
凹部１１の開口の大きさは、凹部１１を形成する数にもよるが、開口を大きくするとそれに伴い光透過性電極７の面積が小さくなるため発光層４へ注入される電流密度が高くなる。一方、開口を小さくすると開口の形成が困難となるため、凹部１１の深さを制御しにくくなる。したがって、凹部１１の開口の大きさとその数には適当な範囲が存在するが、本発明者らの知見によれば、発光素子サイズを約３５０μｍ×３５０μｍとする場合、凹部１１の開口の大きさを０．５μｍφから５μｍφの範囲とし、その総面積が光透過性電極７の面積の０．１％から５０％の範囲となるように凹部１１の個数を調整するときに光取り出し効率の向上が顕著に認められている。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図３から図５は、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造工程を示す縦断面図である。なお、本実施の形態においては、チップ状に分割された素子状態での製造工程を説明するが、実際の製造工程においては、図面に示す発光素子が二次元的に配列されたウエハ状態で各工程が実施される。
【００３５】
図３に示すように、まず、サファイアからなる基板１上に有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層２とｎ型コンタクト層３と発光層４とｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６とを順に成長させたウエハを準備した後、蒸着法とフォトリソグラフィ法を用いてｐ型コンタクト層６上に光透過性電極７を形成する。
【００３６】
次に、図４に示すように、光透過性電極７と露出したｐ型コンタクト層６上に熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなる絶縁膜２１を堆積させる。さらに、この絶縁膜２１にフォトリソグラフィ法を用い、光透過性電極７に複数の凹部１１を形成するための複数の孔１２およびｎ型コンタクト層３の表面の一部を露出させるための空間１３を形成し、次のエッチングのためのマスクとする。
【００３７】
このマスクを用いて反応性イオンエッチング等により、図５に示すように、露出させたｐ型コンタクト層６の表面側からｎ型コンタクト層３に達するまでエッチングを行うことによって、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させるとともに光透過性電極７の上に形成した孔１２からｎ型コンタクト層３に達する深さまで凹部１１を形成する。
【００３８】
その後、光透過性電極７上の絶縁膜２１の一部をエッチングにより除去させ、露出させた光透過性電極７の表面上および露出させたｎ型コンタクト層３の表面上に、それぞれｐ側電極８およびｎ側電極９を蒸着法およびフォトリソグラフィ法により形成する。さらに、熱ＣＶＤ法とフォトリソグラフィ法により光透過性電極７と凹部１１の内面を被覆するＳｉＯ2等からなる絶縁性膜１０を形成する。そして、ダイシングまたはスクライブ等によりチップ状に分離することにより、図１に示す窒化ガリウム系化合物発光素子が得られる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施例において、窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法としては有機金属気相成長法を用いるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。
【００４０】
（実施例）
まず、表面が鏡面に仕上げられたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１０００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除いた。
【００４１】
次に、基板１の表面温度を５５０℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスと、アンモニアと、ＴＭＡを含むＴＭＡ用のキャリアガスとを流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さで成長させた。
【００４２】
その後、ＴＭＡのキャリアガスを止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスとを流しながら、新たにＴＭＧを含むＴＭＧ用のキャリアガスと、ＳｉＨ4ガスとを流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層３を２μｍの厚さで成長させた。
【００４３】
ｎ型コンタクト層３を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ4ガスを止めて基板１温度を７５０℃にまで降下させ、７５０℃において、主キャリアガスとしての窒素ガスを流し、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＩを含むＴＭＩ用のキャリアガスとを流しながら、アンドープのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる単一量子井戸構造の発光層４を３ｎｍの厚さで成長させた。
【００４４】
発光層４を成長後、ＴＭＩ用のキャリアガスを止め、ＴＭＧ用のキャリアガスを流しながら基板１温度を１０５０℃に向けて昇温させながら、引き続き図示しないアンドープのＧａＮを４ｎｍの厚さで成長させた。基板１温度が１０５０℃に達したら、新たに主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスと、ＴＭＡ用のキャリアガスと、Ｃｐ2Ｍｇを含むＣｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとを流しながら、ＭｇをドープさせたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させた。
【００４５】
ｐ型クラッド層５を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスを止め、引き続きＭｇをドープさせたＧａＮからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させた。
【００４６】
ｐ型コンタクト層６を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスと、Ｃｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとを止め、主キャリアガスとアンモニアとをそのまま流しながら、基板１の温度を室温程度にまで冷却させて、基板１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを反応管から取り出した。
【００４７】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層２、ｎ型コンタクト層３、発光層４、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６の積層構造に対し、その表面上に蒸着法により、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とをそれぞれ５ｎｍの厚さで全面に積層した後、フォトリソグラフィ法とウェットエッチング法により、光透過性電極７を形成した。
【００４８】
この後、光透過性電極７と露出したｐ型コンタクト層６の上に熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなる絶縁膜２１を０．５μｍの厚さで堆積させ、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法により、絶縁膜２１に複数の孔１２および空間１３を形成し、光透過性電極７に複数の凹部１１を形成するとともにｐ型コンタクト層６の表面の一部を露出させるための絶縁膜２１からなるマスクを形成した。ここで、孔１２は開口直径約２μｍの円形とし、後にｐ側電極５（パッド電極）を形成する領域を除いて１０μｍの間隔で碁盤の目状に配置した。
【００４９】
次に、上記マスクを用いて、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、露出させたｐ型コンタクト層６の表面側からｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４を約０．３μｍの深さで除去して、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させるとともに、光透過性電極７上の絶縁膜２１に形成した孔１２から、光透過性電極７とｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４とをエッチングして、ｎ型コンタクト層３に達する深さの凹部１１を形成した。凹部１１は、開口の口径が約２μｍ、底部の径が約１μｍの空洞として形成された。
【００５０】
その後、一旦、絶縁膜２１をウェットエッチング法により除去して、蒸着法およびフォトリソグラフィ法により、光透過性電極７の表面上の凹部１１が形成されていない領域と、露出させたｎ型コンタクト層３の表面上とに、０．１μｍ厚のチタン（Ｔｉ）と０．５μｍ厚のＡｕとを積層して、それぞれｐ側電極８とｎ側電極９とを形成した。さらに、熱ＣＶＤ法とフォトリソグラフィ法により、光透過性電極７の表面と凹部１１の内面とを被覆する０．２μｍ厚のＳｉＯ2からなる絶縁性膜１０を形成した。
【００５１】
この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離した。このチップを電極形成面側を上向きにしてステムに接着した後、チップのｐ側電極８とｎ側電極９とをそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。
【００５２】
この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク波長４７０ｎｍの青色で発光した。このときの発光出力は２．０ｍＷであり、順方向動作電圧は３．５Ｖであった。
【００５３】
なお、本実施例では、凹部１１を形成する際に、凹部１１の光透過性電極７を窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造と同一工程で反応性イオンエッチング法で除去したが、凹部１１の光透過性電極７を事前に単独に除去しても構わない。例えば、ウェハー全面に形成したＮｉとＡｕの積層をウェットエッチングして光透過性電極７をパターニングするときに同時に凹部１１の光透過性電極７を除去することもできる。
【００５４】
また、本実施例において、凹部１１の開口の形状を円形としたが、これに限定されるものではなく、凹部１１の形成に支障のない範囲で任意の形状をとることができる。
【００５５】
（比較例）
上記実施例との比較のために、凹部１１を形成しない窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００５６】
具体的には、上記実施例において、光透過性電極７の上の絶縁膜２１に孔１２を形成せずに、光透過性電極７を絶縁膜２１で全面覆った状態で塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、露出させたｐ型コンタクト層６の表面側から、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４とを約０．３μｍの深さで除去して、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させた。他は、実施例と同様の手順により発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク波長と順方向動作電圧は実施例と同様であったが、発光出力は１．２ｍＷと低かった。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光透過性電極が形成されるコンタクト層に光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることにより、発光層から発せられた光のうち横方向へ進む光が凹部から発光素子外部へ取り出されるため全体として光取り出し効率が向上し、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光効率を格段に向上させることができる。
【００５８】
また、凹部の形成を第一導電型コンタクト層を露出させるためのエッチングの工程と同一工程で行うことにより、凹部形成のための工程を新たに付加することなく簡便に凹部形成を行うことができるため、マスクパターンの変更という微小な工程変更だけで発光効率を向上させることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す縦断面図
【図２】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面図
【図３】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程を示す縦断面図
【図４】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程を示す縦断面図
【図５】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造工程を示す縦断面図
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型コンタクト層
４ 発光層
５ ｐ型クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ 光透過性電極
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０ 絶縁性膜
１１ 凹部
Claims (1)
- 窒化ガリウム系化合物からなるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上面に配置され、窒化ガリウム系化合物からなる発光層と、
前記発光層の上面に配置され、窒化ガリウム系化合物からなるｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の上方に配置された光透過性電極と、
前記光透過性電極の上面に配置されたｐ型電極と、
を備え、前記光透過性電極上面から前記ｎ型半導体層に達する深さまで開口の形状を円形とした凹部が形成され、かつ、前記凹部は複数個形成され、絶縁性膜により覆われている窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
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