JP4899740B2 - 半導体発光素子、半導体発光装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置とその製造方法に関わる。より具体的には、窒化ガリウム系の基板を用いた半導体発光装置において、基板に存在する転位束を基板上に形成する下地層で覆い隠し、その後発光層となる半導体層を形成した半導体発光装置およびその製造方法に関する。

半導体発光装置では、青色を発光するものがIII−Ｖ族窒化物系半導体を用いて実用化されており、色のバリエーションが可能になった。そのため照明用途への実用化が期待されている。この窒化物半導体では、従来サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃）の基板が用いられてきた。これは窒化物半導体と同材質の広い基板を得ることが困難であったからである。

そのため、成長させる窒化物半導体と基板との格子不整合が生じ、基板上に形成する窒化物半導体の結晶性が劣るといった問題があった。

窒化物半導体では、主に結晶成長時に生じる転位点を少なくさせることを目標に開発が行われてきた。そして、転位点の数を大幅に減らした窒化物半導体の基板も得られるようになってきた（特許文献１参照）。
特開２００１−１０２３０７号公報

上記のような基板では、転位点を減少させるためにわざと転位点を集めた転位束という部分が存在する。図１０に、このような基板上に発光層を形成した状態を示す。図１０は半導体発光素子で転位束１１の部分での断面を示す。基板１２には、転位束１１がある。転位束１１は基板作製時に生じた結晶欠陥部の集まりと考えればよい。

この基板１２上にｎ型層２１、活性層２２、ｐ型層２３さらにｐ側電極２５を形成する。ｎ側電極２４はｐ型層形成後、ｐ型層と活性層の一部をエッチングなどで除去し、むき出しにしたｎ型層２１上に形成する。

基板の転位束１１は、各層の形成に影響を及ぼす。各層は結晶異常部１３としてその影響を継承し、ｐ側電極２５上にピット１９と呼ばれる穴ができる。

図１１は、図１０の半導体発光素子をｐ側電極２５を透して上から見た図である。実際にはｐ側電極が透明電極でなければ基板は見えない。図１０はちょうど点線Ｐ１−Ｐ１の断面にあたる。転位束１１の周辺には六角錐状の結晶領域１６が形成されている。ピット１９は、この六角錐状の結晶領域１６の頂上に開いた噴火口のように観測される。

このピットができると、この下に形成される結晶異常部１３が静電破壊等により容易に結晶劣化し、ｐ側電極からｎ側電極への電流がリークしやすくなり、最悪の場合この半導体発光素子が機能しないという課題が発生する。

上記の課題を解決するために本発明は、窒化ガリウム系の基板の上に下地層を形成し、その上にｎ型層、活性層、ｐ型層などからなる発光層を形成する。また、この下地層はピット上に形成される六角錐状の結晶領域の頂点までを含む厚さで形成する。

このようにすると、基板の転位束の影響を下地層で吸収し、転位束を継承するピットを非常に小さくすることができる。すなわち、ピットの発生しない半導体発光素子をえることができ、ｐ側電極とｎ側電極の間の電流リークを抑えることができるという効果がある。従って、歩留まりが向上し、生産性を高くすることが出来る。

（実施の形態１）
次に本発明の実施の形態について図１を参照しながら説明する。なお、図２は本実施の形態の半導体発光素子１１０をｐ側電極から見た図であり、図１は図２のＥ１−Ｅ１の部分の断面図である。

図１に戻って、基板１２は窒化ガリウム系の基板である。具体的には窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などであるが、他に添加元素があってもよい。基板の大きさは数百ミクロンから数ミリの方形が一般的である。転位束１１は基板の結晶成長時にできるもので、高い確率で上記の面積の基板に１つ以上は含まれる場合が多い。

下地層１４は、基板１２と同じ組成の化合物で形成するのが好ましい。しかし、基板上の転位束を埋めることができれば、他の添加元素が含まれていても構わない。

下地層１４は、通常の結晶成長方法を用いることができる。好ましくは気相成長法がよい。窒化ガリウム系の気相成長法としては例えば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などがある。結晶成長はその条件により、成長方向に優劣ができることが知られているが、本発明の下地層１４は基板面に対して垂直方向より水平方向の成長が優位になるような条件で行なう。基板に含まれる転位束を覆い隠すことが目的だからである。

基板面に対して水平方向の成長を促進させるのは、製造方法や製造装置、基板の処理によって変わるので、一意的に規定できず、個々の場合により条件を詰めるしかない。

例えば、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｖ族原料としてアンモニアを反応させて窒化ガリウムを基板上に堆積させるＭＯＣＶＤ法では、ＴＭＧやアンモニアガスの流量、キャリアガスの流量や種類、反応炉の圧力、基板温度などさまざまなパラメータがある。チャンバー構造や基板の事前処理にもよるが、キャリアガス中の水素濃度を高める、アンモニアガスの流量を増やす、反応炉の圧力を低める、基板温度を高めるような条件で、基板に水平な方向の結晶成長を優位にすることができる。

下地層は、基板表面に水平方向に優位に成長させるのであるが、垂直方向にも成長は行われる。つまり、基板に含まれる転位束を被いながら基板垂直方向にも成長する。このとき、転位束を底面の中心にする六角錐状に結晶領域１６が現れる。窒化ガリウム系の結晶が六方晶であるので、Ｃ面方向の成長を抑制されながら成長するためにこのような結晶領域が形成されるものと考えられる。転位束から継承された結晶異常部１３は、六角錐状の結晶領域１６に被い尽くされる。

下地層は、少なくともこの六角錐の頂点１５が形成される厚さまで形成する。六角錐の頂点が観測できるということは、基板の転位束を完全に下地層が被い尽くしたことを意味するからである。

このように六角錐の頂点が形成されるまでの厚さは、上記のように製造条件によって異なるため、特定はできないが、好ましくは５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下の厚さになるように製造条件を求めるのがよい。

下地層の上にはＧａＮのｎ型層２１、ＩｎＧａＮの活性層２２及びＧａＮのｐ型層２３をこの順で積層する。これらの層が発光に寄与するため、以後これらをまとめて発光層２０と呼ぶこともある。次に、ｐ型層および活性層の一部をエッチングし、ｎ型層を露出させる。この露出したｎ型層２１の表面にｎ側電極２４を形成する。ｐ型層２３の表面にはｐ側電極２５を形成する。

なお、窒化ガリウム系青色ＬＥＤのｎ型層、活性層、ｐ型層の各層の構成としては、ここで挙げた例に限定されるものではない。例えば、活性層２２は、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層した多層構造（量子井戸構造）としてもよい。

また、ｐ側電極２５は発光層で発した光を基板１２の側に反射するために反射率の高い銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）等の金属電極を用いてもよい。また、ｐ型層２３とｐ側電極２５のオーミック接触抵抗を小さくするためにｐ型層とｐ側電極の間に白金（Ｐｔ）やニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の電極層を用いればより好ましい。また、ｎ側電極２４はアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等を用いることができる。

また、半導体発光装置として、ｎ側電極とｐ側電極と引出電極の間を接続するのにバンプを用いる場合は、ｐ側電極２５およびｎ側電極２４の表面にバンプとの接着強度を高めるために金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いることが望ましい。これらの電極は真空蒸着法、スパッタリング法などによって、形成することができる。

このように転位束上の結晶異常部１３を下地層で被い尽くすと、ｐｎ電極間での電流リークを抑制することができる。ただし、下地層で転位束を被い尽くしても、六角錐上の結晶領域の頂点からは、結晶異常部が継承される。しかし、下地層中に六角錐の頂点が含まれるようにすれば、実質上ｐｎ電極間の電流リークを防止することができる。また、結晶異常部の影響によりｐ側電極層において若干の盛り上がりが残る。

図３には、ｐ側電極およびｎ側電極にバンプ３１を介して半導体発光素子をサブマウント３０上に搭載した状態を示す。サブマウント３０は、半導体発光素子１１０の支持体である。サブマウントは主としてＳｉツェナーダイオードや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックが用いられる。サブマウント３０は半導体発光素子１１０で発生した熱に対するヒートシンクの役割も果たすので、熱伝導性に優れる材料が好ましい。

またサブマウントは、ｎ側引出電極３３とｐ側引出電極３２を有し、半導体発光素子１１０への電流の供給端子の支持体でもある。引出電極は図３のように電流線４０と４１の接続ポート状の形状でよいが、サブマウントに貫通孔を設け、その中に導電性材料を充填したスルーホールであってもよい。

バンプ３１は、金（Ａｕ）、金−錫合金、半田、インジウム（Ｉｎ）合金、導電性ポリマー等を用いることができる。また、メッキ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法、液滴射出法、ワイヤーバンプ法等によって、引出電極上に作製することができる。バンプはｐ側電極やｎ側電極上に直接形成しても良い。

バンプをサブマウントもしくは半導体発光素子上に形成した後、これらを密着させ、超音波振動を用いた溶着で接着する。このように、半導体発光素子に引出電極を取り付けた状態で半導体発光装置１０が完成する。

（実施の形態２）
図４には、他の半導体発光素子１０９の形態を示す。基板１２上に下地層１４を形成し、ｎ型層２１、活性層２２、ｐ型層２３を形成するのは、実施の形態１と同じである。本実施の形態では、ｐ型層、活性層をエッチングしてむき出したｎ型層上にｎ側電極を作製するのではなく、下地層を形成したのと反対側の基板上にｎ側電極２４を形成する。

図５は、ｐ型層２３から本実施の形態の半導体素子を見た状態を示す。下地層１４中に形成された六角錐状の結晶領域１６を観測することができる。図４は図５の点線Ｅ２−Ｅ２での断面を示す。

図６は図４の半導体発光素子をサブマウント３０上に搭載し、半導体発光装置９とした状態を示す。ｐ側引出電極３２はサブマウント上に形成してある。ｎ側引出電極は、サブマウント上の別の場所に設ける。若しくはｎ側電極とリードフレームを直接導通させるようにしてもよい。この場合はリードフレームがｎ側引出電極となる。ｎ側電極とｎ側引出電極の間は、ワイヤーボンディング４３で接続する。

本実施の形態では、ｐ側電極２５とｎ側電極２４を基板の同じ側の面に作製しないので、ｐ側電極を大きく作製する事ができる。また、サブマウント上のｐ側引出電極とｐ側電極を全面で接着できるので、サブマウントと半導体発光素子の接着は非常に強固にできる。ｐ側電極は、半導体発光装置としての発光効率を上げるために、実施の形態１で説明したように反射率の高い金属電極を用いるのが好ましいが、これに限定されるものではない。

ｐ側電極とｐ側引出電極との間は、金−錫合金や半田、あるいは、銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）の粉末を樹脂などの有機バインダー中に分散させた導電性ペーストといった導電性接着剤３５を用いることもできる。

（実施の形態３）
図７には、また本発明の半導体発光素子の他の実施形態を示す。本実施の形態では、ｐ型層側を主発光面とする。図８は、本実施の形態の半導体発光素子１０８をｐ側電極から見た図である。本実施の形態では、後述するようにｐ型層上に透明電極２６を配し、その一部にパット電極２７を作製するため、図８のように見える。先の実施の形態同様、六角錐の結晶領域１６が、その稜と頂点１５によって確認できる。図７は図８の点線Ｅ３−Ｅ３での断面を示す。

基板上に下地層１４を形成し、ｎ型層２１、活性層２２、ｐ型層２３を形成するのは、実施の形態１と同じである。ｐ側電極２５は、ｐ型層２３上にｐ側透明電極２６を配置し、ｐ側透明電極上にパッド電極２７を配して形成する。このようにｐ側電極は、ｐ型層上に透明電極やパット電極といった複数の構成で形成してもよい。もちろんこの構成は、ｎ側電極に利用してもよい。

透明電極はインジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）を始め、酸化錫にフッ素をわずかに加えた薄膜や酸化インジウムにアンチモンをわずかに加えた薄膜、さらには酸化亜鉛（ＺｎＯ）等も使用することができる。パッド電極には、金、アルミニウムといった導電性の金属やこれらの合金を用いることができる。パッド電極の透明電極に接する側にはロジウムやチタン、ニッケルを設けることでパッド電極と透明電極の接着力を強固にできる。透明電極やパッド電極は蒸着やスパッタリングといった方法で形成することができる。ｎ側電極２４は下地層を設けたのと反対側の基板面に形成される。本実施の形態では、ｎ側電極は主発光面と反対方向にあるので、実施の形態１のｐ側電極のように反射率の高いアルミニウム等の金属電極を用いるのが好ましい。

図９は上記の半導体発光素子１０８をサブマウント上に登載し半導体発光装置８とした状態を示す。ｎ側電極とｎ側引出電極間は導電性接着剤３５を用いることができ、実施の形態２のｐ側電極とｐ側引出電極間との接着と同じである。

また、パット電極とｐ側引出電極（図示せず）との間の関係も実施の形態２におけるｎ側電極とｎ側引出電極との関係と同じである。

本発明は、広い面積の基板を作製した場合に転位束が生じてしまう窒化ガリウム系の基板を半導体発光装置に使用する場合に、転位束の影響を発光層に及ぼさないようにさせることができるため、窒化ガリウム系の半導体発光装置の製造に利用する事が出来る。

第１の実施の形態における半導体発光素子の構成を示す断面図 第１の実施の形態における半導体発光素子をｐ側電極から見た図 第１の実施の形態の半導体発光素子で作製した半導体発光装置を示す図 第２の実施の形態における半導体発光素子の構成を示す断面図 第２の実施の形態における半導体発光素子をｐ側電極から見た図 第２の実施の形態の半導体発光素子で作製した半導体発光装置を示す図 第３の実施の形態における半導体発光素子の構成を示す断面図 第３の実施の形態における半導体発光素子をｐ側電極から見た図 第３の実施の形態の半導体発光素子で作製した半導体発光装置を示す図 従来の半導体発光装置の断面を示す図 従来の半導体発光装置をｐ側電極から見た図

符号の説明

８ 実施の形態３の半導体発光装置
９ 実施の形態２の半導体発光装置
１０ 実施の形態１の半導体発光装置
１１ 転位束
１２ 基板
１３ 結晶異常部
１４ 下地層
１５ 六角錐状結晶領域の頂点
１６ 六角錐状結晶領域
２０ 発光層
２１ ｎ型層
２２ 活性増
２３ ｐ型層
２４ ｎ側電極
２５ ｐ側電極
３０ サブマウント
３１ バンプ
３２ ｐ側引出電極
３３ ｎ側引出電極
３５ 導電性接着剤

Claims (8)

1. 表面に窒化ガリウム系の下地層を形成した窒化ガリウム系の基板と、
   前記下地層の上に形成された窒化ガリウム系のｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層とを有し、
   前記下地層には、前記基板上の転位ピットを底面に有する六角錐状の結晶領域を含む半導体発光素子。
2. 前記六角錐状の結晶領域は頂点を有する六角錐である請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記下地層は前記基板と同じ材質である請求項１又は２のいずれかに記載の半導体発光素子。
4. 表面に窒化ガリウム系の下地層を形成した窒化ガリウム系の基板と、
   前記下地層の上に形成された窒化ガリウム系のｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層と、
   前記ｐ型半導体層上に設けられたｐ側電極と、
   前記ｎ型半導体層上若しくは前記基板の前記下地層が形成されていない面に設けられたｎ側電極と、
   前記ｐ側電極に接続されたｐ側引出電極と、
   前記ｎ側電極に接続されたｎ側引出電極とを有し、
   前記下地層には、前記基板上の転位ピットを底面に有する六角錐状の結晶領域を含む半導体発光装置。
5. 前記六角錐状の結晶領域は頂点を有する六角錐である請求項４記載の半導体発光装置。
6. 前記下地層は前記基板と同じ材質である請求項４又は５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 窒化ガリウム系の基板上に窒化ガリウム系の下地層を、少なくとも前記基板上の転位ピットを底面に有する六角錐状の結晶領域が頂点を有するまで形成する工程と、
   前記下地層の上に窒化ガリウム系のｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を形成する工程と、
   前記ｎ型半導体層上にｎ側電極を形成する工程と、
   前記ｐ型半導体層上にｐ側電極を形成する工程と、
   前記ｎ側電極にｎ側引出電極を形成する工程と、
   前記ｐ側電極にｐ側引出電極を形成する工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
8. 前記ｎ側電極を形成する工程は、前記基板の前記下地層を形成していない面に形成する請求項７記載の半導体発光装置の製造方法。

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