JP4211329B2 - 窒化物半導体発光素子および発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、GaN系化合物半導体を用いて発光素子が、青色系の発光が可能の発光素子として広く用いられるようになって来ている。このGaN系化合物半導体発光素子は、絶縁基板であるサファイア基板の上にGaN系化合物半導体層を成長させて構成している関係上、同一面側にp型電極とn型電極とを形成する必要があった(例えば、特許文献1参照)。この同一面側にp型電極とn型電極とを形成した窒化物半導体発光素子は、n型電極を形成するためにp型半導体層と発光層の一部を除去する必要があるので、必然的に発光領域の面積が小さくなるという問題があった。
【0003】
そこで、最近では、サファイア基板の上に必要なGaN系化合物半導体層を成長させて、その上に反り防止層を形成した後、サファイア基板を研磨により除去する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この特許文献2に開示された方法によれば、両面に電極(一方の面にn型電極、他方の面にp型電極)が形成された窒化物半導体発光素子を作成することが可能である。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−330629号公報(図1〜図3)
【特許文献2】
特開2001−313422号公報(第6頁右欄8行〜第7頁左欄42行、図8,図9)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献2に開示された方法は、個々の素子に分割した際に切断面(分割後の素子の側面)でp側の層とn側の層とが短絡しやすいという問題があった。
そこで、本発明は、側面における短絡を防止することができる窒化物半導体発光素子の構造及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る第1の窒化物半導体発光素子は、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層の間に、窒化物半導体からなる発光層を有してなる窒化物半導体発光素子において、少なくとも上記p型窒化物半導体層と上記発光層を含むように台形錐形状の積層体が、積層体ごとにn型窒化物半導体が分離されて複数個形成され、該複数の積層体は側面が絶縁されるように同一の金属部材に埋め込まれて保持されたことを特徴とする。
また、
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、上記積層体の傾斜側面が、上記窒化物半導体発光素子の側面から離れて設けられていてもよい。
以上のように構成された窒化物半導体発光素子において、上記積層体は側面が絶縁されるように金属部材に埋め込まれていて、切断時又は切断後に積層体の側面が損傷を受けることがないので、信頼性を向上させることができる。
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、両側に電極を形成することができるので、一方の面に正負の電極を設けた従来の窒化物半導体発光素子に比較して発光領域を大きくとることができる。
【0007】
本発明に係る窒化物半導体素子では、上記積層体の側面は、該積層体の傾斜側面に上記絶縁膜を介して対向する反射層による光反射機能を有し、上記反射層が、上記傾斜側面を覆う上記絶縁膜、又は該絶縁膜上の第1金属膜であってもよい。
【0008】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、上記金属部材の上記積層体の反対側に位置する面が、平坦な面であってもよい。
【0009】
さらに、本発明の窒化物半導体発光素子において、上記共通のn型窒化物半導体層の対向する2つの面のうちの上記積層体の反対側に位置する面に、上記複数の積層体に対する共通の透明電極が形成されていてもよい。
【0010】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、上記複数の積層体が、上記金属部材側の上底面に上記p型窒化物半導体層とオーミック接触するように上記各々の積層体と上記金属部材の間に形成されたp型電極と、該複数の積層体の間を接続する配線電極とを有していてもよい。
【0011】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、上記積層体は上記n型窒化物半導体層の一部を含んで構成されていてもよい。
【0012】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、上記金属部材は、Ti、Ag、Al、Ni、Pt、Au、Rh、Cu、W等からなる群から選択された金属又はその金属を少なくとも含む合金からなることが好ましい。
【0014】
また、本発明に係る発光素子の製造方法では、上記第3工程において、上記金属部材をメッキにより形成することが好ましい。また、上記金属部材はNiからなるメッキ層であることが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態1.
本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子は、図1に示すように、発光領域を構成する窒化物半導体層の一部が金属部材1に埋め込まれるように設けられ、その金属部材1によって、発光素子全体の形状が保持されている。
【0016】
本実施の形態1の窒化物半導体発光素子においては、n型窒化物半導体層11とp型窒化物半導体層13の間に発光層12を設けることによりダブルへテロ構造の発光領域が構成されており、そのp型窒化物半導体層と発光層とn型窒化物半導体層の一部は台形錐形状(裁頭錐体形状)に加工されている。すなわち、本発明は、少なくともp型窒化物半導体層と発光層が含まれるように台形錐形状の積層体が形成される。また、積層体2において、p型窒化物半導体層13上のほぼ全面にはp型オーミック電極22が形成され、p型オーミック電極22の周辺部と積層体2の傾斜した側面2a及びその側面2aに連続したn型窒化物半導体層11を覆うように絶縁層3が形成されている。
【0017】
そして、以上のように構成された積層体2が金属部材1に埋め込まれるようにして保持されている。尚、積層体2の側面は、絶縁層3を介して金属部材1に埋め込まれ、積層体2のp型オーミック電極22が形成された面はp型オーミック電極22を介して金属部材1に対向している。また、n型窒化物半導体層21の対向する2つの面のうちの積層体2の反対側に位置する面には透明電極21が形成され、その透明電極21の一部にはnパッド電極23が形成されている。
【0018】
以上のように構成された実施の形態1の窒化物半導体発光素子において、積層体2の発光層12で発光された光は、金属部材1の反対側から透明電極21を介して出射される。
【0019】
次に、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。本製造方法ではまず、図2に示すように、サファイア基板10の上に例えばバッファ層(図示せず)を介してn型窒化物半導体層11、発光層12及びp型窒化物半導体層13をその順番に成長させる。
次に、素子間において、n型窒化物半導体層が露出するまでエッチングすることにより、台形錐形状の積層体2を形成する(図3)。
この台形錐形状の積層体2は、例えば、マスクを所定の台形錐形状に形成しておいて、そのマスクを用いてエッチングすることによりそのマスクの形状に対応した台形錐形状に加工できる。
【0020】
具体的には、まず、図11(a)に示すように、p型窒化物半導体層13上に、断面が台形形状のマスクM1を形成する。このマスクM1は反応性イオンエッチングにより一定のレートでエッチング可能な材料を用いて形成する。
次に、反応性イオンエッチングにより、マスクM1の上からサファイア基板10上に形成された半導体層(p型窒化物半導体層13、発光層12及びn型窒化物半導体層11)エッチングする。このエッチング工程においては、半導体層とともにマスクM1そのものもエッチングにより少しづつ除去される。尚、図11(b)において、破線と実線の間のR1の符号を付した部分が除去された部分である。
このエッチングを積層部2の周りにn型窒化物半導体層11の表面が露出されるまで続ける(図11(c))。
このようにすると、マスクM1の形状に対応した台形錐形状の積層部2が形成される。
本方法では、マスク材料と窒化物半導体材料のRIEによるエッチング率を考慮して、マスクM1形状を設定することにより、所望の台形錐形状の積層部2を形成できる。
【0021】
上述の方法により積層体2を加工するエッチング手段としては、反応性イオンエッチングの他、反応性イオンビームエッチング、イオンミリング等のドライエッチングを用いることができる。
また、台形錐形状の積層部2の加工は、例えばウェットエッチングなどの等方性エッチング手段を用いて、アンダーカッティング(サイドエッチング)現象を利用するようにしてもよい。このアンダーカッティングを利用すると、台形錐形状の加工を簡単にできるが、加工精度は上述したドライエッチングを使用した方法に比較して劣る。
【0022】
また、積層体2の傾斜した側面2aの傾斜角(サファイア基板10の主面との為す角度)は、n型窒化物半導体層を介して出力される光の取り出し効率を高くするために、30度〜80度の範囲に設定されることが好ましくより好ましくは45度に設定する。
また、本発明において、裁頭錐体は、円錐台形錐体、角錐(四角錐、六角錐他)台形錐体等、種々の台形錐体が適用できる。
【0023】
以上のようにして、台形錐形状の積層部2を形成した後、積層部2の上底面(p型窒化物半導体層13の表面)のほぼ全面にp型オーミック電極22を形成する。
ここで、本明細書において、上底面とは、台形錐形状における互いに平行に対向する2つの面のうちの小さい方の面のことを言い、積層体2の底面という場合は、対向する2つの面のうちの大きい方の面のことを言う。
p型オーミック電極22は、Ni/Au、Ni/Pt、Pd/Ptからなる電極を用いることもできるが、本発明では、Rh/Au、Rh/Pt等のように、Rh層をp型窒化物半導体層13に接する層として形成した電極を用いることが好ましい。このように、Rhをp型窒化物半導体層13に接する第1層として形成すると、金属部材1を形成した後に、p型オーミック電極22がp型窒化物半導体層13から剥離するのを防止できる。
尚、(/)で表記した組み合わせは、(/)の前に記載した金属をp型窒化物半導体層13に接する第1層として形成し、その第1層の上に形成した第2層を(/)の後ろに記載した金属で形成したことを意味している。
【0024】
各積層体2のp型窒化物半導体層上にp型オーミック電極22を形成した後、図5に示すように、各p型オーミック電極22の中央部(周辺部を除いた部分をいう。)を除いて基板上全体を覆うように、絶縁膜3を形成する。
この絶縁膜3は、例えば、SiO2、TiO2、Al2O3、Si3N4、ZrO2等の無機絶縁膜を用いて好適に形成することができるが、有機絶縁膜を用いて形成してもよい。
その後、必要に応じて複数の積層部2の間を接続する配線電極24を形成する(図6)。
次に、反射層24を形成する。この反射層24はAg、Pt、Rh、Al等の光反射性の高い材料を用いて形成される。尚、複数の積層部により1つの発光素子を構成する場合には、この反射層24が配線用の電極を兼ねるようにしても良い。特に、台形錐形状の積層体の側面が傾斜しており、これに対向するように反射層が設けられているので、光の利用効率が飛躍的に向上する。
尚、本発明では、絶縁膜3が反射層を兼ねるようにしてもよい。
反射層として用いることができる絶縁膜3の具体的な材料としては、SiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、Nb2O5、Y2O3
が挙げられ、より好ましくは、これらの材料のなかから、2つの屈折率の異なる材料を組み合わせて交互に形成することにより多層構造の反射層を兼ねた絶縁膜3を形成する。例えば、TiO2/SiO2、を組み合わせて10〜20層積層することにより、多層構造の反射層を形成する。
【0025】
次に、例えば、メッキ等により金属部材1を全面に形成する(図7)。本発明において、この金属部材1は、後の工程でサファイア基板10を除去した後に発光素子の形状を保持することを第一義的な目的とするものであり、そのために厚く(好ましくは、50μm以上、より好ましくは、100〜200μmの範囲)形成する必要がある。
本発明において、金属部材1は、第1にこの目的を果たすことができればよく、そのためには、例えば、Ti、Ag、Al、Ni、Pt、Au、Rh、Cu、W等の種々の金属を用いることができる。
【0026】
また、本実施の形態1において、金属部材1は、反射膜24との密着性のよいことが要求される。また、反射膜24が形成されていない場合は、金属部材1は、絶縁膜3とp型オーミック電極22、とりわけ絶縁膜3との密着性が良いことが要求される。その場合、上述した材料により構成される絶縁膜3との密着性の良い材料として、Ti、W、Al、Niが挙げられる。
【0027】
また、金属部材1そのものを反射率の高い材料で形成することにより、反射層24を省略するようにしてもよい。そのような金属材料として、Ag、Al、Pt、Rhが挙げられる。
【0028】
また、本発明では、発光素子の形状を保持するという第一義的な機能のほか、光反射機能等を果たすために、金属部材1は、それぞれの機能を有する複数の層を積層した多層構造としてもよい。例えば、下地層として、発光した光に対する反射率が高くかつ絶縁膜3、p型オーミック電極22などとの密着性が良い第1金属膜を形成し、その上に厚く形成することが可能な第2金属膜を形成するようにして、金属部材1を構成することができる。
【0029】
また、本発明では、金属部材1は、比較的厚く形成する必要があるので、成膜速度の速い無電解メッキ、や電気メッキを用いて形成することが好ましい。
具体的には、Ni、Cu、Al、Au等の電気メッキ、Ni、Cu等の無電解メッキを用いることができる。
特に、無電解Niメッキは、Au、Cu、Agに比較して強度が高いためにウエハの反りを小さくできかつ電気接点が不用な点で好ましく、さらにNiはメッキ層の均一性、析出速度、ハンダ濡れ性、バンプ強度、耐食性の点においても優れた材料である。
【0030】
次に、図8に示すように、基板10の側からレーザを照射することによりサファイア基板10を除去する。この段階では、比較的厚い金属部材1が形成されているので、基板10を除去する方法としては、レーザ照射の他、研磨やエッチング等の種々の方法を用いることができる。
【0031】
そして、基板10が除去されて露出したn型窒化物半導体層11の表面に透明電極であるn型電極21を形成する(図9)。このn型電極21はW/Al、V/Al、W/Pt/Au、ZnO、ITO、Mo等により形成することができる。光の取り出し効率を高くするためには、ZnOやITOを用いることが好ましく、安価で入手しやすい材料であるという点で、ITOを用いることがさらに好ましい。
このITOを用いて透明電極21を形成する場合、抵抗値を下げるため、熱処理を施すことが好ましく、その好ましい熱処理温度は、100℃〜500℃であり、より好ましい熱処理温度は、200℃〜400℃である。
【0032】
次に、各積層体2に対応してそれぞれnパッド電極23を形成し、そのnパッド電極23の周辺部と透明電極21とを覆う絶縁膜4を形成する。
そして、ウエハを積層部の間で分割することにより個々の発光素子とする。
ここで、本発明では、個々の素子に分割する際の分割位置は、少なくとも積層体2の傾斜側面2aから離れた位置とし、その傾斜側面2aと分割後の素子の側面とが離れるようにする。
【0033】
以上のように構成された本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子は、素子に分割する際の分割位置が積層体2の傾斜側面2aから離れているので、積層体2の傾斜側面2aのPN接合面が損傷を受けることがない。
また、素子に分割する際の分割位置が積層体2の傾斜側面2aから離れているので、金属部材1を切断する際の切断屑によるPN接合面の短絡を防止できる。
【0034】
また、本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子では、積層体2の両側に電極を形成しているので、同一面側に電極を形成した素子のように一方の電極を形成するために発光層の一部を除去する必要はない。これにより、発光層の面積を小さくすることなく発光領域を確保できるので、発光効率を向上させることができる。
【0035】
また、本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子では、積層体2の両側に電極を形成しているので、容易に発光層全体に電流を均一に流すことができ、発光層全体を均一にかつ効率よく発光させることができる。
特に、複数の積層部により1つの発光素子を構成するようにした場合には、比較的広い面積において、発光面内における均一性に優れた発光素子を提供できる。
【0036】
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子においては、n型窒化物半導体層のほぼ全面に透明電極21を形成しているので、発光層全体に均一に電流を他注入することができ、発光層全体を均一に発光させることができる。
しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、透明電極21に代えてn型窒化物半導体層のほぼ全面に網目状(格子状)のn型電極を形成し、その格子の間から光を出力するようにしても良いし、n型窒化物半導体層の一部にn型電極を形成するようにしてもよい。
n型窒化物半導体はp型窒化物半導体に比較して抵抗値を小さくできることからn型窒化物半導体層内を電流が拡散しやすく、格子状のn型電極を用いた場合であっても、格子(電極が形成されていない部分の面積)を大きくでき、電極により光をあまり遮ることなく出射できる。また、n型窒化物半導体層の一部にn型電極を形成するようにした場合であっても、比較的広範囲の発光層に電流を注入することが可能である。
【0037】
変形例.
以上の実施の形態1では、n型窒化物半導体層11を厚さ方向に途中までエッチングすることにより、上記積層体を上記n型窒化物半導体層の少なくとも一部を含むように構成した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、図12に示すように、p型窒化物半導体層13と発光層12のみをエッチングするようにして積層部102aを形成するようにしても良いし、図13に示すように、p型窒化物半導体層13と発光層12をエッチングした後さらに連続してn型窒化物半導体層11をサファイア基板が露出するまでエッチングすることにより、p型窒化物半導体層13、発光層12及びn型窒化物半導体層11により積層部102bを形成するようにしてもよい。
【0038】
実施の形態2.
本発明に係る実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、図14に示すように、1つ例に4つの積層体102aを配列した発光素子である。
すなわち、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、図17に示すように、縦横4つずつ、合計16個の四角錐台形状の積層体102a(p型窒化物半導体層と発光層により構成)をn型窒化物半導体層11の一方の面に配列して比較的大面積の発光素子を構成している。
また、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体層11の他方の面の全面には、全ての積層体102aに共通の透明電極23がn型オーミック電極として形成され、その中央部に1つのnパッド電極23が形成されている。
また、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、16個の積層体102aで1つの発光素子を構成するように、かつ分割位置が少なくとも積層体2の傾斜側面2aから離れた位置となるように積層部の間において分割されている。
【0039】
以上のように構成された実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、素子に分割する際の分割位置が積層体2の傾斜側面2aから離れているので、積層体2の傾斜側面2aのPN接合面が損傷を受けることがなく、かつ金属部材1を切断する際の切断屑によるPN接合面の短絡も防止できる。
【0040】
また、本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子では、実施の形態1の窒化物半導体発光素子と同様の理由で、発光効率を向上させることができ、発光層全体を均一にかつ効率よく発光させることができる。
【0041】
以上の実施の形態2の窒化物半導体発光素子では、n型窒化物半導体層11を含まずに、p型窒化物半導体層13と発光層12とが積層された積層体102aを用いて発光素子を構成した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、図15に示すように、n型窒化物半導体層11とp型窒化物半導体層13と発光層12とが積層された積層体102bを用いて構成してもよい。
【0042】
以上の実施の形態2の窒化物半導体発光素子では、1つの発光素子内では積層体ごとに分離することなく、発光素子間においてn型窒化物半導体層11が分離されるようにウエハ上に形成した後、n型窒化物半導体層11が分離された部分で素子ごとに分割するようにしてもよい(図16)。
【0043】
また、実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、四角錐台形状の積層体102aを用いて構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、円錐台形状の積層体102bを用いて構成するようにしてもよい(図18)。
【0044】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層の間に、窒化物半導体からなる発光層を有してなる窒化物半導体発光素子において、上記p型窒化物半導体層と上記発光層を含むように台形錐形状の積層体を形成し、該積層体を側面が絶縁されるように金属部材に埋め込んでいるので、切断時又は切断後に積層体の側面が損傷を受けることがない。したがって、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図2】 本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子の製造方法において、サファイア基板上に半導体層を形成した後の断面図である。
【図3】 実施の形態1の製造方法において、サファイア基板上に半導体層をエッチングして積層体を形成した後の断面図である。
【図4】 実施の形態1の製造方法において、各積層体の上にp型電極を形成した後の断面図である。
【図5】 実施の形態1の製造方法において、絶縁層3を形成した後の断面図である。
【図6】 実施の形態1の製造方法において、反射層24を形成した後の断面図である。
【図7】 実施の形態1の製造方法において、金属部材1を形成した後の断面図である。
【図8】 実施の形態1の製造方法において、サファイア基板を剥離した後の断面図である。
【図9】 実施の形態1の製造方法において、サファイア基板を剥離した後にn型窒化物半導体層の上に透明電極を形成した後の断面図である。
【図10】 実施の形態1の製造方法において、透明電極を形成した後にnパッド電極と絶縁膜4を形成した後の断面図である。
【図11】 実施の形態1の製造方法において、台形錐形状の積層体の形成方法を示す断面図である。
【図12】 実施の形態1の変形例の窒化物半導体素子の断面図である。
【図13】 実施の形態1の図12とは別の変形例の窒化物半導体素子の断面図である。
【図14】 実施の形態2の窒化物半導体素子の断面図である。
【図15】 実施の形態2の変形例1の窒化物半導体素子の断面図である。
【図16】 実施の形態2の変形例2の窒化物半導体素子の断面図である。
【図17】 実施の形態2の窒化物半導体素子の平面図である。
【図18】 実施の形態2の変形例3の窒化物半導体素子の平面図である。
【符号の説明】
1…金属部材、
2…積層体、
2a…側面、
3…絶縁層、
10…サファイア基板、
11…n型窒化物半導体層、
12…発光層、
13…p型窒化物半導体層、
21…透明電極、
22…p型オーミック電極、
23…nパッド電極、
M1…マスク。
Claims (8)
- n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層の間に、窒化物半導体からなる発光層を有してなる窒化物半導体発光素子において、
少なくとも上記p型窒化物半導体層と上記発光層を含むように台形錐形状の積層体が、積層体ごとにn型窒化物半導体が分離されて複数個形成され、該複数の積層体は側面が絶縁されるように同一の金属部材に埋め込まれて保持されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 上記積層体の傾斜側面が、上記窒化物半導体発光素子の側面から離れて設けられている請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記積層体の側面は、該積層体の傾斜側面に上記絶縁膜を介して対向する反射層による光反射機能を有し、
上記反射層が、上記傾斜側面を覆う上記絶縁膜、又は該絶縁膜上の第1金属膜である請求項1又は2記載の窒化物半導体発光素子。 - 上記金属部材の上記積層体の反対側に位置する面が、平坦な面である請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記共通のn型窒化物半導体層の対向する2つの面のうちの上記積層体の反対側に位置する面に、上記複数の積層体に対する共通の透明電極が形成されている請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記複数の積層体が、上記金属部材側の上底面に上記p型窒化物半導体層とオーミック接触するように上記各々の積層体と上記金属部材の間に形成されたp型電極と、該複数の積層体の間を接続する配線電極とを有する請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記積層体は上記n型窒化物半導体層の一部を含んで構成されている請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記金属部材は、Ti、Ag、Al、Ni、Pt、Au、Rh、Cu、W等からなる群から選択された金属又はその金属を少なくとも含む合金からなる請求項1〜7のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
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