JP4843235B2

JP4843235B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法

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Application number: JP2005077105A
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Inventors: 克輝楠木; 和弘三谷; 隆宇田川
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Description

本発明は、少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものである。

従来から、青色帯または緑色帯の短波長光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等のIII族窒化物半導体発光素子は、例えば、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）を発光層として利用して構成されている（例えば特許文献１参照）。また、発光部は、発光層の両側に、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体からなるクラッド層を配置して構成されている。この様な２重異種接合（ダブルヘテロ：ＤＨ）構造の発光部を構成するためのクラッド層は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_XＧａ_YＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）から構成されるものとなっている。
特公昭５５−３８３４号公報

上記の様な、発光層を、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との中間に挟持してなるＤＨ構造の発光部を備えたｐｎ接合型ＤＨ構造のIII族窒化物半導体発光素子を構成するための積層構造体は、従来からもっぱら、サファイア（α―Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）や炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶を基板として形成されている。発光層からの発光を透過できる光学的透明性を有し、且つ高温を要するIII族窒化物半導体層の結晶成長にも耐え得る耐熱性を有するからである。そして、従来のIII族窒化物半導体発光素子は、発光素子用途の積層構造体を形成するために用いた上記の様な基板を、素子化工程以後も積層構造体を機械的に支持する板状体として残存させて作製されるのが通例である。

しかし、例えばサファイアの結晶からなる基板やＳｉＣ結晶基板を残存させてなるIII族窒化物半導体発光素子は、積層構造体を機械的な支持力を維持するには適するが、短波長の紫外線に関しては、光の吸収が起きる故に、発光効率が落ちることが欠点となっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、基板のような機械的に支持する機能を備えるとともに、短波長の紫外線に対する光の吸収を低減でき、発光効率を向上させることができるようにしたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

１）第１の発明は、少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなる紫外光を発光するIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板を除去し、上記結晶基板除去により露出された露出面に、発光層から放射される光に対し透明な材料からなる板状体を陽極接合法による貼り合わせにより形成し、上記発光層から放射された光が板状体から取り出されるようにしており、該板状体は蛍光ガラスである、ことを特徴としている。
２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記積層構造体からの結晶基板の除去は、積層構造体と結晶基板との接合界面領域にレーザ光を照射して行われる、ことを特徴としている。

本発明では、積層構造体を設けるために使用された結晶基板を除去した後の露出面に、発光層から放射される光に対し透明な材料からなる板状体を形成したので、その板状体で機械的に支持するとともに、短波長の紫外線に対する光の吸収を低減でき、発光効率を向上させることができる。

また、板状体に積層構造体の熱膨張率とほぼ同じ熱膨張率を持つ材料を選ぶことができ、したがって、電流を長時間に亘り通流しても、積層構造体に熱応力に因る亀裂は発生せず、信頼性を向上させることができる。

また、発光素子をサブマウントに搭載するだけでＬＥＤランプとすることができるようにしたので、簡易にＬＥＤランプを製造することができる。

以下にこの発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、結晶基板上に形成された、（ａ）第一の伝導型の第一のIII族窒化物半導体層と、（ｂ）第二の伝導型の第二のIII族窒化物半導体層と、（ｃ）第一及び第二のIII族窒化物半導体との中間に挟持したIII族窒化物半導体からなる発光層とを備えた発光素子用途の積層構造体から構成する。なお、第一および第二のIII族窒化物半導体層は、クラッド層やコンタクト層としての機能を有している。

積層構造体を形成するための結晶基板には、サファイアや酸化リチウム・ガリウム（組成式ＬｉＧａＯ₂）等の酸化物単結晶、３Ｃ結晶型の立方晶単結晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）、４Ｈまたは６Ｈ結晶型の六方晶単結晶ＳｉＣ（４Ｈ−ＳｉＣ，６Ｈ−ＳｉＣ）、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）、燐化ガリウム（ＧａＰ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等のIII−Ｖ族半導体単結晶等を利用できる。

積層構造体をなす第一のIII族窒化物半導体層を、それとは格子整合の関係に無い結晶基板上に設ける場合、格子ミスマッチを緩和する緩衝（buffer）層を介して設ける。例えばサファイア基板上に、ＧａＮ系の第一のIII族窒化物半導体層を成長させるのに際し、基板表面上に、シーディングプロセス（ＳＰ）手法（特開２００３−２４３３０２号公報参照）等により設けたＧａＮ緩衝層を介して第一のIII族窒化物半導体層を積層する。ＧａＮに代替してＡｌＮから低温緩衝層を構成しても基板との格子ミスマッチを緩和するのに効果を上げられる。ＡｌＮから構成する場合、低温緩衝層の層厚は１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下の範囲、好ましくは２ｎｍ以上で５０ｎｍ以下の範囲、更に好ましくは２ｎｍ以上で５ｎｍ以下の範囲とする。

低温緩衝層の表面は、微少な凹凸があるよりは平坦な方が適する。例えば、表面粗さは、Ｒａにして０．１０μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下であるのが好適である。この様な粗さの小さい表面の低温緩衝層は、例えば３５０℃〜４５０℃の低温での成長時に結晶基板との界面に単結晶層を設けることで得られる。表面粗さは例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの測定機器を用いて求められる。粗さの少ない平坦な表面を有する低温緩衝層は、表面の平坦性に優れる上層を積層するのに優位に作用する。例えば、粗さの小さなＧａＮ低温緩衝層の表面上には、凹凸が無く平滑で平坦な表面の下地層を成長できる。

緩衝層上に設けられた、表面が平坦な下地層、例えばＧａＮ層は、表面の平坦性に優れる第一または第二の電気伝導型のIII族窒化物半導体層をもたらすのに貢献できる。此処で、第一のIII族窒化物半導体層がｎ型層であれば、第二のIII族窒化物半導体層は反対の電気伝導型のｐ型層である。表面の平坦性に優れる第一および第二のIII族窒化物半導体層をもたらすのに優位となる下地層の層厚は、ＧａＮ層の場合を例にすれば、０．５μｍ以上で５μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以上で３μｍ以下の範囲であるのが適切である。表面の平坦な第一または第二のIII族窒化物半導体層は、平坦性に優れる極薄膜の井戸層からなる量子井戸構造を積層するのに好都合なｎ型またはｐ型クラッド層として利用できる。また、密着性に優れる入力、出力電極を形成するために好都合なｎ型またはｐ型コンタクト層として利用できる。

第一及び第二のIII族窒化物半導体層としては、不純物を故意に添加していないアンドープ層を利用できる。また、電気伝導型やキャリア濃度、抵抗値を制御するために不純物を故意に添加（ドーピング）したｎ型またはｐ型のIII族窒化物半導体層を利用できる。層内の原子濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下となる様にｎ型またはｐ型不純物がドーピングされた第一及び第二のIII族窒化物半導体層は、例えば、順方向電圧が低く、動作上信頼性のある発光素子を得るためのクラッド層を構成に適する。クラッド層とする第一または第二のIII族窒化物半導体層は、発光層の構成材料より大きな禁止帯幅の材料から構成する必要はあるものの、必ずしも同一のIII族窒化物半導体材料から構成する必要はない。例えば、ｎ型クラッド層をｎ型Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）から構成し、ｐ型クラッド層をｐ型Ａｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，Ｘ＋Ｙ＝１）から構成する例を上げられる。異なる材料のIII族窒化物半導体からなる第一または第二の電気伝導型のクラッド層を利用すれば、発光層に対し、バンド（band）構造上、非対称型の発光部を構成できる。

上記の原子濃度の範囲に於いて、高濃度に不純物を含み、低抵抗とした第一および第二のIII族窒化物半導体層はコンタクト層として有用である。キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である低抵抗のIII族窒化物半導体層は、低接触抵抗のオーミック電極を形成するのに特に優位である。低抵抗のｎ型III族窒化物半導体層を得るのに利用できるｎ型不純物としては、珪素（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の第IV族、またはセレン（Ｓｅ）等の第VI元素がある。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリウム（Ｂｅ）等の第II族元素を使用できる。コンタクト層の層厚は、オーミック電極を構成する材料が拡散して侵入する深さ以上であるのが望ましい。合金化（アロイング）熱処理を施してオーミック電極を形成する場合は、所謂、アロイフロント（alloy front）の深さ以上の厚さとするのが適する。例えば、１０ｎｍ以上とするのが適する。

第１および第２のIII族窒化物半導体層の中間に設ける発光層は、例えば窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）から構成する。また例えば、窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-aＰ_a：０≦ａ＜１）等の窒素（Ｎ）と窒素とは別の第Ｖ族元素とを含むＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-aＭ_a（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦ａ＜１である。）から構成する。発光層は単一層（ＳＱＷ）から構成しても構わないし、或いは多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成しても構わない。量子井戸構造をなす井戸層を例えば、Ｇａ_YＩｎ_ZＮから構成する場合にあって、インジウム（Ｉｎ）組成比（＝Ｚ）は、所望する発光波長に鑑み調整する。より長波長の発光を期する程、インジウム組成比はより大とする。Ｇａ_YＩｎ_ZＮを井戸層とする多重量子井戸構造の発光層の全体の層厚は、好ましくは１００ｎｍ以上で５００ｎｍ以下であるのが好適である。

発光層の量子井戸構造は、第一または第二のIII族窒化物半導体層に接合する層を、障壁層または井戸層として形成できる。量子井戸構造の始端（最下底層）は障壁層または井戸層の何れであっても構わない。同じく、量子井戸構造の終端（最表層）をなすのは障壁層または井戸層の何れであっても構わない。始端層と終端層は組成が相違しても差し支えない。アンドープのため結晶性に優れる井戸層と、不純物をドーピングした障壁層とから構成した量子井戸構造は、ピエゾ（piezo）効果に因る悪影響を回避して、強度的に優れ、且つ発光波長の安定したIII族窒化物半導体発光素子を得るのに寄与できる。井戸層および障壁層は、Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）に加え、ＧａＮ_1-aＰ_a（０≦ａ＜１）等のＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-aＭ_a（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦ａ＜１である。）の薄膜から構成できる。

積層構造体をなすIII族窒化物半導体各層は、例えば、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）手段、ハイドライド（水素化物;hydride）気相成長（ＶＰＥ）手段、および分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）手段等の気相成長手段に依り成長できる。量子井戸構造発光層の井戸層をなす数ｎｍから、第一または第二のIII族窒化物半導体層に適するμｍのオーダーの広い膜厚の範囲の層を得るのには、ＭＯＣＶＤ手段やＭＢＥ手段が適する。その中で特に、窒素以外の揮発性の高い砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）を含むIII族窒化物半導体層を気相成長させるのには、ＭＯＶＰＥ手段が適する。常圧（略大気圧）または減圧方式のＭＯＣＶＤ手段を利用できる。

本発明では、発光素子用途の積層構造体を構成するために利用した結晶基板を除去して構成するため、光学的に透明な結晶を基板とする必要は無い。むしろ、先在する基板（積層構造体を形成するために利用した結晶基板）を除去する必要があるため、湿式手法、または高周波プラズマエッチング手法等の乾式手法に依るエッチング手段、或いはレーザー（laser）照射手法等に依る手段で容易に簡便に剥離できる結晶を基板とするのが好まれる。レーザー照射手段で剥離するのに都合が良いのは、積層構造体の構成層とは顕著に相違する熱膨張率を有する結晶基板である。

また、本発明では、積層構造体の最表層に、先在する結晶基板を除去した後、積層構造体の機械的な支持力低下を補強するために、機械的強度のある板状体を貼付して設ける。貼付する板状体として、発光層から放射される光に対し透明な材料からなる板状体、例えばガラスを例示できる。

積層構造体と板状体との接合は、貼り付けを行う積層構造体の表面或いは板状体の積層構造体と接合する表面を予めきれいに洗浄することにより、双方の貼り合わせが簡易となる。例えば、板状体とIII族窒化物半導体層（積層構造体）とを頑固に貼り合わせるのには、貼り合わせ時に、例えば１ｋｇ／ｃｍ²〜５ｋｇ／ｃｍ²の外圧で加圧するか、或いは５００℃から１０００℃の高温に加温する、もしくは、温度・圧力・電圧をかけ陽極接合法を用いることにより、貼り合わせを容易となすことができる。この場合は、板状体と発光層との間に、接合を強固にする、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮなどの層を形成するとより特性に悪影響を与えずに接合することが可能である。

また、表面にシリコーン樹脂などの接着層を形成後、板状体を貼り合わせることも可能である。

積層構造体を形成するために使用した基板を除去するのには、研磨手段や剥離手段が利用できる。例えば、サファイア基板は、シリカ、アルミナ、またはダイヤモンド微粉を主体とした研磨紛を利用して研磨できる。

積層構造体から、それを形成するのに利用した結晶基板を剥離するのには、レーザ照射手段が適する。剥離するために照射するのに適するレーザー光は、パルスレーザ光、炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザ光、エキシマレーザ光等を利用できる。特に、励起ガスとして弗化アルゴン（ＡｒＦ）や弗化クリプトン（ＫｒＦ）等を用いるエキシマレーザを用いることが好ましい。レーザ光の波長は、１９３ｎｍ或いは２４８ｎｍであるのが好ましい。レーザ光を照射して結晶基板を剥離する場合、結晶基板の厚さが厚いと、レーザ光が吸収され易くなり、効率的に剥離させる領域を加熱できない。従って、レーザ光を照射して積層構造体と結晶基板とを効率的に剥離させるのには、結晶基板の厚さは１００μm〜３００μｍとしておくのが適当である。また、結晶基板の表面に凹凸、細かな傷などがあった場合にはレーザ光の吸収がかわり、剥離にむらが起き易い。

以上述べたように、本発明の実施形態では、積層構造体を設けるために使用された結晶基板を除去した後の露出面に、発光層から放射される光に対し透明な材料からなる板状体を形成したので、その板状体で機械的に支持するとともに、短波長の紫外線に対する光の吸収を低減でき、発光効率を向上させることができる。

なお上記の説明では、積層構造体を形成するために利用した結晶基板を完全に除去して板状体を設けるようにしたが、この結晶基板は必ずしも完全に除去する必要はなく、厚さを薄くする程度に止めても良い。

積層構造体を形成するために利用した結晶基板の厚さを薄くすることにより、結晶基板から透過する光が吸収されるのを低減することができ、外部への発光の取り出し効率に優れ、且つ、静電耐圧に優れるIII族窒化物半導体発光素子を得ることができるようになる。そのためには、光学的に透明で、且つｎ型またはｐ型の導電性単結晶を基板とするのが好適である。残存させる結晶基板は、積層構造体を機械的に支持する作用とともに、発光層からの発光を外部へ透過する作用を併せ持っている。残存させる結晶基板の厚さをより薄くすれば、発光の透過率は増加し、外部への発光の取り出し効率に優れるIII族窒化物半導体発光素子を得るのに優位とはなる。一方で、薄層化に伴い、結晶基板の積層構造体を支持する作用は低減される。従って、双方の兼ね合いから、残存させる結晶基板の厚さは１００μｍ〜３００μｍが適当である。

板状体として、ガラス基板を積層構造体の最表層に貼付して、III族窒化物半導体発光素子を構成する場合を例にして、本発明の内容を説明する。

図１はサファイア基板上に形成した積層構造体の断面構造を模式的に示す図、図２は図１の積層構造体からチップ化して作成した本発明に係るＬＥＤの断面構造を模式的に示す図、図３はＬＥＤの平面図、図４はＬＥＤをマウントして構成したＬＥＤランプを示す断面図である。

先ず図１に示すように、厚さを約３５０μｍとする電気絶縁性のサファイア基板１００の（０００１）結晶面上に、シーディングプロセス（ＳＰ）手段を用いて、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０１を、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法により９００℃で形成した。ＡｌＮ層１０１の層厚は５ｎｍとした。ＡｌＮ層１０１上には、１０５０℃で層厚を１８ｎｍとする窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる緩衝層１０２を形成した。

ＧａＮ緩衝層１０２上には、珪素（Ｓｉ）を層内の原子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となる様に、アルミニウム組成比を０．０１とするｎ型窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ）からなるｎ型のコンタクト層１０３を形成した。コンタクト層１０３は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、１０５０℃で成長させた。ｎ型コンタクト層１０３の層厚は約２．５μｍとした。

ｎ型Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎコンタクト層１０３上には、ｎ型Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなるｎ型クラッド層１０４を積層した。ｎ型クラッド層１０４は、Ｓｉを、層内の原子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となる様にドーピングして形成した。一般的な減圧ＭＯＣＶＤ法で成長させたｎ型クラッド層１０４の層厚は、約０．５μｍとした。

上記のｎ型Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎクラッド層１０４上には、ｎ型Ａｌ_XＧａ_YＮからなる障壁層と、ｎ型Ｇａ_YＩｎ_ZＮからなる井戸層とから構成した多重量子井戸構造のｎ型発光層１０５を積層した。井戸層のインジウム（Ｉｎ）組成比（＝Ｚ）は、上記の量子井戸構造から波長を３６０ｎｍから３７０ｎｍとする紫外光が放射される様に調整した。井戸層の層厚は約５ｎｍとし、障壁層の層厚は１５ｎｍとして、量子井戸構造を構成した。

多重量子井戸構造の発光層１０５上には、ｐ型不純物のＭｇを故意に添加した（ドーピング）した、２．５ｎｍの層厚のｐ型Ａｌ_X1Ｇａ_Y1Ｎクラッド層１０６を形成した。アルミニウム組成比（＝Ｘ₁）は約０．１０（＝１０％）とした。Ｍｇは、同層１０６内で原子濃度が約５×１０¹⁸となる様にドーピングした。ｐ型クラッド層１０６上には、ＭｇをドーピングしたＡｌ組成比がより小さいＡｌ_X2Ｇａ_Y2Ｎ（Ｘ₁＞Ｘ₂≧０）からなるｐ型コンタクト層１０７を形成した。コンタクト層１０７の内部のＭｇの原子濃度は、約２×１０¹⁹／ｃｍ^-3とした。

ｐ型コンタクト層１０７の表面には、ｐ型オーミック電極膜１０８として、白金（Ｐｔ）の薄膜を一般的な高周波スパッタリング手段に依り形成した。ｐ型オーミック電極膜１０８上には、前記の多重量子井戸構造の発光層１０５からの発光を、結晶基板１００側へ反射させるため金属反射膜１０９を設けた。金属反射膜１０９は、ロジウム（Ｒｈ）被膜から構成した。

またｎ型コンタクト層１０３には、マスクでカバーし、ドライエッチングプロセスで掘り込んだ面にＣｒ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ型オーミック電極１１３を形成した（図３）。このｎ型オーミック電極１１３の最表層は、金（Ａｕ）である。

金属反射膜１０９の上には、接合用の金膜１１０を形成し、サファイア基板１００から金属反射膜１０９までの積層構造体１１を前段階として構成した。

その後、今迄積層構造体１１を機械的に支持していたサファイア基板１００の裏面を研削した。サファイア基板１００の裏面は、平均粒径が０．５μｍの酸化珪素細粒を含むコロイダル状シリカを用いて、１３０μｍ〜１５０μｍの厚さに亘り研磨した。この研磨により、サファイア基板１００の厚さを、２１０±１０μｍと薄くした。

サファイア基板１００の裏面を研削した後、反対側の金属反射膜１０９にはガラスを水溶性接着材を用いて貼り合わせ、積層構造体１１の機械的支持力を一時的に補強した。

薄く研磨したサファイア基板１００の表面から、サファイア基板１００とＧａＮ緩衝層１０２との接合界面に焦点を合わせて、波長を２４８ｎｍとするエキシマレーザ光を照射した。これにより、サファイア基板１００とその上の積層構造体１１との熱膨張率に差異があることを利用して、ＡｌＮ層１０１およびＧａＮ緩衝層１０２の部分から、研磨して既に薄層化したサファイア基板１００を剥離した。

その面に３７０ｎｍ付近の紫外線に対し、ＲＧＢの３色を発光する蛍光体ガラスを板状体１１１として陽極接合法を用いて貼り合わせた。陽極接合法における電圧は３４０Ｖとし、温度は比較的低温の３００℃程度で良好な接合が可能となった。蛍光体をガラスに分散させる方法としては、スピンコート法により、ガラス表面に蛍光体を塗布する方式を用いた。微粉をガラスに分散させるその他の方法としては、ゾルゲル法により、１０ｎｍ以下の微粉をガラスに分散させる方法が微粉の凝集が防止でき、極めて特性の良いものが製作可能である。

しかる後に、積層構造体１１の金属反射膜１０９の表面側に一時的に設けたガラスを外し、電極表面を洗浄してＬＥＤウェーハを完成させた。

次に、一般的なレーザスクライブ法により、素子分割用の割り溝を半導体側に設けた。その後、この溝に対し、一般的なブレーカーを利用して機械的圧力を加え、一辺の長さを約３５０μｍとする平面視略正方形の個別のIII族窒化物半導体発光素子（チップ）１２（以下、「ＬＥＤ１２」という）に分離した。これにより、サファイア基板１００を削除して、積層構造体１１に貼付した板状体１１１の蛍光ガラス体に積層構造体１１の機械的支持を担わせた、ｐｎ接合型ＤＨ構造の白色III族窒化物半導体ＬＥＤ１２（図２、図３）を完成させた。

ＬＥＤ１２は、貼付した板状体１１１を利用して、その全面に亘って、素子を形成したため、極めて演色性の良い、高輝度白色ＬＥＤ素子を作ることができた。

次に、このＬＥＤ１２を利用してＬＥＤランプ１０を構成した。ＬＥＤ１２（積層構造体１１）の表面側に設けたｐ型オーミック電極１０８（金属反射膜１０９、金膜１１０）、ｎ型オーミック電極１１３を、図４に示すように、Ｓｉサブマウント２３上にＡｕボールバンプ２１を形成してマウントした。また、ｐ型オーミック電極１０８（金属反射膜１０９、金膜１１０）とｎ型オーミック電極１１３との間に素子駆動電流を通流できる回路構成とした。

ｐ型オーミック電極１０８（金属反射膜１０９、金膜１１０）とｎ型オーミック電極１１３の各表面を金（Ａｕ）膜としてあるため、簡易にボンディングができた。その後、紫外線に因る劣化を防止するための防止剤を含ませた半導体封止用途のエポキシ樹脂２２で封止し、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ１０を完成させた。

ｎ型オーミック電極１１３及びｐ型オーミック電極１０８（金属反射膜１０９、金膜１１０）間に順方向に素子駆動電流を流すと、駆動電流を発光層１０５の広範囲な領域に平面的に拡散できた。素子駆動電流を２０ｍＡ流してＬＥＤ１２を発光させたとき、発光出力は、波長を約３７０ｎｍの紫外線光について測定したところ、約２０ルーメン/ワット（ｌｍ／Ｗ）に達した。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧Ｖｆは約３．４Ｖと低値であった。

このように、積層構造体１１を設けるために使用されたサファイア基板１００を除去した後の露出面に、発光層１０５から放射される光に対し透明な材料からなる板状体１１１を形成したので、その板状体１１１で機械的に支持するとともに、短波長の紫外線に対する光の吸収を低減でき、発光効率を向上させることができた。

また、駆動電流を発光層１０５の広範囲な領域に平面的に拡散でき、発光領域が拡張されて発光出力の強いＬＥＤとなった。

また、板状体１１１に積層構造体１１の熱膨張率とほぼ同じ熱膨張率を持つ材料を選ぶことができ、したがって、電流を長時間に亘り通流しても、積層構造体１１に熱応力に因る亀裂は発生せず、信頼性を向上させることができた。

また、ＬＥＤ１２は、板状体１１１として、屈折率が１．５のガラスを使用したため、光の取り出し効率が増し、極めて発光特性に良好な素子ができた。すなわち、板状体１１１の屈折率１．５は積層構造体１１の主な材料であるＧａＮとエポキシ樹脂の中間の値であり、板状体１１１とＧａＮ（積層構造体１１）との界面、また板状体１１１とエポキシ樹脂２２との界面での反射が減少するため、光の取り出し効率を改善することができる。

本発明の構成からなるＬＥＤ１２を利用すれば、成長に用いた基板の特性に囚われずに、光の取り出し効率、多色発光、静電対策などのさまざまな特性に対し、好適な材料を選択し、発光素子を完成させることができる。また、このＬＥＤランプ１０は、紫外線に対し、耐性の強い蛍光ガラスで表面を覆っているため、樹脂の変質の少ない信頼性の良いランプができた。

サファイア基板上に形成した積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。図１の積層構造体からチップ化して作成した本発明に係るＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。ＬＥＤの平面図である。ＬＥＤをマウントして構成したＬＥＤランプを示す断面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤランプ
１１積層構造体
１００サファイア基板
１０１ＡｌＮ層
１０２ＧａＮ緩衝層
１０３ＧａＮコンタクト層
１０４ｎ型クラッド層
１０５量子井戸構造発光層
１０６ｐ型クラッド層
１０７ｐ型コンタクト層
１０８ｐ型オーミック電極
１０９金属反射膜
１１０金膜
１１１板状体
１１３ｎ型オーミック電極
２１Ａｕボールバンプ
２２エポキシ樹脂
２３Ｓｉサブマウント

Claims

少なくとも、互いに電気伝導型が異なる２つのIII族窒化物半導体層と、その中間に設けられたIII族窒化物半導体からなる発光層とを積層した積層構造体からなる紫外光を発光するIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
上記積層構造体を設けるために使用された結晶基板を除去し、
上記結晶基板除去により露出された露出面に、発光層から放射される光に対し透明な材料からなる板状体を陽極接合法による貼り合わせにより形成し、
上記発光層から放射された光が板状体から取り出されるようにしており、
該板状体は蛍光ガラスである、
ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
上記積層構造体からの結晶基板の除去は、積層構造体と結晶基板との接合界面領域にレーザ光を照射して行われる、請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。