JP4148264B2 - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この半導体素子は、発光素子として、上記基板11の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能である。さらに、前記反射層16と第2の伝導型半導体層との間に透光性導電層17が形成されており、前記透光性導電層17と前記反射層16との界面に凹凸面22が形成されている。この構成によって、活性層14から第2の伝導型半導体層に照射される光を凹凸面22で反射、散乱させて、外部への光の取り出し効率を高めることができる。特に、透光性導電層17と前記反射層16との界面で凹凸を形成しているため、第2の伝導型半導体層の特性を悪化させずに表面を加工することが困難な問題を解消している。
5…p側透明電極;7…p側電極;8…n側電極;9…LEDチップ;10…サブマウント
11…基板;12…バッファ層
13…n型窒化物半導体層;14…活性層;15…p型窒化物半導体層
16…反射層;17…透光性導電層
18…n側パッド電極;19…p側パッド電極
20…バンプ;21…ワイヤー
22、22B、22C、22D…凹凸面
23…窒化物半導体層;24…金属膜
25…窒化物半導体層と金属膜との界面;26…窒化物半導体層と透光性導電層との界面
27…透光性導電層と金属膜との界面;28…傾斜面
29…誘電体反射層;30…補助電極
(実施の形態1)
基板11は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる透光性基板で、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、また炭化珪素(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、デバイス加工が出来る程度の厚膜(数十μm以上)であればGaNやAlN等の窒化物半導体基板を用いることもできる。異種基板はオフアングルしていてもよく、サファイアC面を用いる場合には、0.01°〜3.0°、好ましくは0.05°〜0.5°の範囲とする。またさらに基板としてサファイア等の窒化物半導体と異なる材料を用いるとき、基板に凹凸を形成した上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させてもよい。これにより、窒化物半導体層と異種基板との界面で反射する光を減らすことができ、また界面で反射した光も工程に基板側から出されるようになるので、好ましい。この凹凸の段差としては、少なくとも発光層からの光の波長よりも大きくかつ、発光層を成長する際に平坦な面が得られる程度の段差を設ければよい。
窒化物半導体としては、一般式がInxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)であって、BやP、Asを混晶してもよい。また、n型窒化物半導体層13、p型窒化物半導体層15は、単層、多層を特に限定しない。また、窒化物半導体層にはn型不純物、p型不純物を適宜含有させる。n型不純物としては、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、Snを、最も好ましくはSiを用いる。また、p型不純物としては、特に限定されないが、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Ca等が挙げられ、好ましくはMgが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体を形成することができる。前記窒化物半導体層には活性層14を有し、該活性層14は単一(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)とする。以下に窒化物半導体の詳細を示す。
(1)GaNよりなるバッファ層(膜厚:200Å)、Siドープn型GaNよりなるn型コンタクト層(4μm)、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる単一量子井戸構造の発光層(30Å)、Mgドープp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層(0.2μm)、Mgドープp型GaNよりなるp型コンタクト層(0.5μm)。
このようにして成長されたp型窒化物半導体層15上に、透光性導電層17を形成する。なお透光性とは、発光素子の発光波長を透過できるという意味であって、必ずしも無色透明を意味するものではない。透光性導電層17は、オーミック接触を得るために、好ましくは酸素を含むものとする。酸素を含む透光性導電層17には数々の種類があるが、特に好ましくは亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物とする。具体的には、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等、Zn、In、Snの酸化物を含む透光性導電層17を形成することが望ましく、好ましくはITOを使用する。またさらに、Ni等の金属を透光性を有するように薄膜で形成後、ITOを形成した透光性導電層17としてもよい。
透光性導電層17の表面に、凹凸面22を形成する。凹凸面22の形成は、レジストパターンの上からRlE(reactiveion etching)やイオンミリング(ion milling)等の方法によりエッチング等で行う。図3の例では、等脚台形状の傾斜面を備えるメサ型のディンプルを複数設けたパターンの凹凸面22としている。このような凹凸パターンの形成によって、光の取り出し効率が改善される様子を図4に基づいて説明する。図4(a)、(b)は、上面を主光取り出し面、下面を反射面、すなわち下方に向かう光を上側から取り出すために光を反射させる面とする発光素子を示している。図4(a)に示すように、発光部を備える発光素子の反射面が平坦の場合は、反射面で反射される光は入射角と出射角が等しくなるので、主光取出し面の法線に対して臨界角よりも大きい角度で入射した光は、全反射するため発光素子の上面から取り出せなくなる。
以上のようにして凹凸面22が形成された透光性導電層17上に、反射層16を形成する。反射層16は、例えば金属膜で形成できる。金属膜は、酸素を含有する透光性導電層17との接続を良好に行うため、一部が酸化されていることが好ましい。このように金属膜の反射層を透光性導電層17を介して窒化物半導体層と接続することにより、透光性導電層17は半導体層と良好なオーミック接続を行うことができる。
また反射層16を誘電体で構成することもできる。誘電体は、好ましくは酸化物の積層構造とする。酸化物は金属よりも化学的に安定しているので、金属膜の反射層に比べてより信頼性高く使用することができる。また反射率を98%以上、100%に近い値とでき、反射層での光の吸収による損失を極減できる。
本実施の形態において、パッド電極は、反射層の表面に設けてもよいし、設けなくてもよい。また反射層として機能する層を含めて設けてもよく、p型窒化物半導体層15側及びn型窒化物半導体層13側のうち、一方の窒化物半導体層側に設けられた透光性導電層17及び他方の窒化物半導体層に対して形成される。また本発明に係る他の実施の形態におけるパッド電極の一部は、透光性導電層17に設けた貫通孔内に延在させて窒化物半導体層に直接設けたり、あるいは透光性導電層17の外縁にて窒化物半導体層に直接設けてもよい。このように、パッド電極の一部が窒化物半導体層に直接設けられることによってパッド電極の剥離を防止することができる。
(実施の形態2)
Claims (24)
- 対向する一対の主面を有する基板(11)と、
前記基板(11)の一方の主面上に第1の伝導型半導体層と、
前記第1の伝導型半導体層上に第2の伝導型半導体層と、
前記第1の伝導型半導体層と第2の伝導型半導体層との間に形成される活性層(14)と、
前記第2の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層(14)から前記第2の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層(16)と、
を備え、上記基板(11)の他方の主面を主光取出し面とする半導体素子であって、
前記反射層(16)と第2の伝導型半導体層との間に透光性導電層(17)が形成されており、前記透光性導電層(17)と前記反射層(16)との界面に凹凸面(22)が形成されてなることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1に記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)と前記第2の伝導型半導体層との界面が略平滑面であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1又は2に記載の半導体素子であって、
前記凹凸面(22)が傾斜面を備えており、該傾斜面の傾斜角度が主光取出し面の法線に対して60°以下であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から3のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記凹凸面(22)が連続したシリンドリカルレンズ状であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から4のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)は、少なくとも亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムよりなる群から選択された少なくとも一種の元素Cを含む酸化物膜であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項5に記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は元素Cに加えて、微量元素Dを含むことを特徴とする半導体素子。
- 請求項6に記載の半導体素子であって、前記微量元素Dは、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする半導体素子。
- 請求項7に記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Dが、前記酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Dの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子。
- 請求項7又は8に記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Dが、前記界面に対向する面近傍の微量元素Dの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子。
- 請求項6から9のいずれかに記載の半導体素子であって、前記酸化物膜は元素Cに対して20%以下の元素Dを含むことを特徴とする半導体素子。
- 請求項1から10のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)はITOからなることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から11のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)が、アルミニウム、チタン、白金、ロジウム、銀、パラジウム、イリジウム、ケイ素、亜鉛から選択される少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から12のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)が、アルミニウムを含む金属膜であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から12のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)がSi、Zn、又はTiの少なくともいずれかを含む誘電体であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から14のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)の膜厚が、前記活性層(14)から放出される光の波長λに対してλ/4のおよそ整数倍であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から15のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記透光性導電層(17)の膜厚が1μm以下であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から16のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記反射層(16)を、前記基板(11)の主面と交差する面にも形成してなることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から17のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記半導体層の、前記基板(11)の主面と交差する面の少なくとも一部を傾斜させてなることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から18のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記第1伝導型半導体層はn型半導体層であり、第2伝導型半導体層はp型半導体層であることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から19のいずれかに記載の半導体素子であって、
前記第1伝導型半導体層及び第2伝導型半導体層は、窒化物半導体層であることを特徴とする半導体素子。 - 対向する一対の主面を有する基板(11)と、
前記基板(11)の一方の主面上に積層される第1の伝導型半導体層と、
前記第1の伝導型半導体層上に積層される第2の伝導型半導体層と、
前記第1の伝導型半導体層と第2の伝導型半導体層との間に形成される活性層(14)と、
前記第2の伝導型半導体層上に形成され、前記活性層(14)から前記第2の伝導型半導体層に向かう光を反射させるための反射層(16)と、
を備え、上記基板(11)の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能な半導体素子の製造方法であって、
基板(11)上に、第1の伝導型半導体層と、活性層(14)と、第2の伝導型半導体層を積層するステップと、
前記第2の伝導型半導体層上に透光性導電層(17)を形成するステップと、
前記透光性導電層(17)に凹凸面(22)を形成するステップと、
前記凹凸面(22)の形成された透光性導電層(17)上に反射層(16)を形成するステップと、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項21に記載の半導体素子の製造方法であって、
前記透光性導電層(17)は、少なくとも亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムよりなる群から選択された少なくとも一種の元素Cと、微量元素Dは、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも一種の元素とを含む酸化物膜であることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項22に記載の半導体素子の製造方法であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Dが、前記酸化物膜の他の部分の膜中微量元素Dの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子の製造方法。
- 請求項22又は23に記載の半導体素子の製造方法であって、前記酸化物膜は、前記半導体層との界面近傍における前記微量元素Dが、前記界面に対向する面近傍の微量元素Dの濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子の製造方法。
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