JP5246199B2

JP5246199B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP5246199B2
Application number: JP2010080462A
Authority: JP
Inventors: 俊也上村; 潤伊藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011216524A

Description

本発明は、III 族窒化物半導体発光素子に関するものであり、特にセラミック基板上に素子構造を有するものに関する。

III 族窒化物半導体の成長基板として、一般的にサファイア基板が用いられている。しかし、サファイアは熱伝導性が低いため、サファイア基板上に素子構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子は、高電流域でのリニアリティや長期駆動時の耐久性が低かった。また、サファイアはへき開性がなく、物理的・化学的な強度が高いため、素子分離工程ではサファイア基板を薄膜化する工程など煩雑な工程を必要とし、製造コストの増大を招いていた。また、サファイア基板自体が高価であることも製造コストの増加の一因である。

サファイア基板の加工性などの問題を解決する技術として、基板リフトオフの技術が開発されており、その技術の１つがレーザリフトオフ法である。これは、III 族窒化物半導体層と支持基板とを接合した後、成長基板とIII 族窒化物半導体との界面にレーザーを照射してIII 族窒化物半導体層を分解させて成長基板を分離除去する方法である。また、ケミカルリフトオフと呼ばれる技術も開発されており、これはIII 族窒化物半導体層の成長基板に近い層に薬液に溶解可能な層を導入し、III 族窒化物半導体層と支持基板とを接合した後に、所望の薬液により上記薬液に溶解可能な層を溶解して成長基板を除去する方法である。

また、特許文献１では、レーザリフトオフ法を用いる場合において、ＡｌＮまたはＳｉＣからなるセラミック基板の両面に電極層を設け、その両面の電極層をビアを介して電気的に接続した構成の支持基板を用いている。このような支持基板を用いることで、熱伝導性の問題を解消し、かつ基板主面に垂直な方向に導通を取ることができるようにしている。

また、III 族窒化物半導体の成長基板として、サファイア基板よりも安価で大口径なＳｉ基板を用いることも提案されている。

特開２００９−１７６９６６

しかし、特許文献１の方法では、サファイア基板の加工性、熱伝導性の問題は解決できるが、成長基板には通常サファイア基板を用いるため製造コストが増大してしまう問題は解決できない。さらに、特許文献１のように支持基板としてセラミック基板を用いる場合、膜厚方向に導通をとるための加工をセラミック基板に施す必要があり、その結果、製造工程が増えて製造コストを増加させている。また、レーザーリフトオフ装置が高く、歩留まりが低いことも製造コストを増大させている。

一方、Ｓｉ基板上に素子構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子では、高価なサファイア基板を用いないため製造コストを低減できる反面、Ｓｉ基板による光吸収があるため光取り出し効率が低いという問題があった。

そこで本発明の目的は、低コストで光取り出し効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現することである。

第１の発明は、支持体と、支持体上に位置するｐ電極と、ｐ電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるｐ型層、活性層、ｎ型層と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、支持体は、セラミック基板であり、ｐ型層のｐ電極側表面からｎ型層に達する深さである第１の溝と、第１の溝により露出したｎ型層に接し、第１の溝の側面には接しない補助電極と、補助電極、および第１の溝の底面、側面を覆う透光性を有した絶縁膜と、補助電極の一部に素子面に垂直な方向において対向する領域に位置し、ｎ型層のｐ電極側とは反対側の表面から補助電極に達する深さである第２の溝と、第２の溝により露出した補助電極上に接して位置するｎパッド電極と、補助電極に素子面に垂直な方向において対向しない領域に位置し、ｎ型層のｐ電極側とは反対側の表面からｐ電極に達する深さである第３の溝と、第３の溝により露出したｐ電極上に接して位置するｐパッド電極とを有し、第１の溝および補助電極は同一の平面パターンを有し、補助電極は、発光領域の周辺を囲む配線状部分と、その配線状部分の内部に配線状の格子状部分とを有し、配線状部分の第１の溝の側面により発光層からの発光を内側のｎ型層側へ反射させるようにしたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素（第３Ｂ族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素（第５Ｂ族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。

セラミック基板は、熱伝導性が高く、熱膨張係数がIII 族窒化物半導体に近い材料が望ましく、たとえばＡｌＮやＳｉＣである。

ｎパッド電極およびｐパッド電極は、パッド部のみからなるのであれば任意の形状でよく、たとえば円形や正方形などである。また、パッドの個数も任意でよいが、電流拡散性の点から、素子の形状に対して対称性を有した配置とすることが望ましい。また、ｎパッド電極は、補助電極となるべく広い面積で接触していることが望ましく、平面視においてｎパッド電極の形状が補助電極の形状に含まれていることが望ましい。補助電極とｎパッド電極との間の導通が容易となるからである。

第１の溝および補助電極は任意のパターンでよいが、発光の均一性を高めるために対称性を有した配線状のパターンが望ましい。たとえば、格子状、ストライプ状、放射状の配線パターンや、それらを複合させた配線パターンなどである。第１の溝のパターンと補助電極のパターンは一致していなくてもよく、補助電極のパターンが第１の溝のパターンの一部であってもよい。ｎパッド電極と素子面に垂直な方向において対向する位置に、そのｎパッド電極を含む形状で補助電極の一部を設けることが望ましい。また、第１の溝および補助電極の一部を、発光領域の外側を囲う配線パターンとするとよい。ここで発光領域は、発光素子に電圧を印加して発光させたときに発光している領域であり、発光層形成領域とｐ電極がｐ電極に直接接している領域とが重なる領域にほぼ一致した領域である。第１の溝および補助電極の一部をこのようなパターンとすると、従来は素子側面から放射されていた光を第１の溝の側面によってｎ型層側へ反射させることができるので、素子側面からの光の放射が減少し、上面からの放射が増加するが、一般に素子側面から放射される光は有効活用されることがないため、実質的な高効率化を図ることができる。また、第１の溝は、素子領域の外周に形成される素子分離用の溝を兼ねていてもよい。

第１の溝の側面は、第１の溝の素子面方向における断面積がｎ型層側に向かって減少するように傾斜を持たせることが望ましい。素子面方向に伝搬する光を第１の溝の側面によってｎ型層側へ反射させることができ、光取り出し効率をより向上させることができるからである。第１の溝の側面が素子面に対して成す角度は、３０〜８５°が望ましい。３０°未満の角度、または８５°より大きい角度では、十分に光取り出し効率を向上させることができないからである。さらに望ましい角度は４０〜８０°である。

補助電極の材料は、従来よりIII 族窒化物半導体のｎ型層の＋ｃ面（Ｇａ極性面）にコンタクトをとるためのｎ電極材として知られている任意の材料を用いることができる。たとえば、Ｖ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕなどの材料を補助電極に用いることができる。ｎパッド電極の材料は、ｎパッド電極が補助電極と直接接合するため、任意の導電材料を用いることができる。補助電極と同じ材料を用いてもよい。特に、ｎパッド電極を２層以上の構成とし、その２以上の層のうち補助電極と接する層を窒素反応性を有する材料とすることが望ましい。補助電極に対して強固な密着性が得られる。窒素反応性を有する材料は、たとえばＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒなどである。ｐパッド電極の材料は、ｐパッド電極がｐ電極と直接接合するため、任意の導電材料を用いることができる。特に、ｎパッド電極とｐパッド電極を同一の材料とするのが望ましい。ｎパッド電極とｐパッド電極とを同時に形成することができ、さらなるIII 族窒化物半導体発光素子の低コスト化を図ることができる。

ｎ型層表面には、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、リン酸などの水溶液によるウェットエッチングによって微細な凹凸を設け、光取り出し効率を向上させることが望ましい。また、微細なマスクパターン形成後にドライエッチングをすることによって、発光波長オーダーあるいはそれよりも小さいオーダーの微細な凹凸を有する構造体をｎ型層表面に形成してもよい。

絶縁膜は、電流のリークやショートを防止するために設けるものである。絶縁膜には発光素子の発光波長に対する透光性と絶縁性とを有した材料であれば任意の材料を用いることができ、たとえば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＯ₂などを用いることができる。絶縁膜を介して第１の溝の側面には高反射層を設けることが望ましい。また、高反射な材料からなるｐ電極が上記高反射層であってもよい。また、絶縁膜を介して第１の溝の側面に誘電体多層膜を設けたり、絶縁膜自体を誘電体多層膜としたりして、反射率を高めた構造としてもよい。

ｐ電極とセラミック基板は低融点金属層を介して接合することができる。低融点金属層には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層を用いることができる。また、低融点金属ではないがＡｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。

第２の発明は、第１の発明において、第１の溝の側面は、溝の素子面方向における断面積がｎ型層側に向かって減少する傾斜を有する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、補助電極は、配線状部分の一つの角部において、平面視においてｎパッド電極の形状を含み且つｎパッド電極が接合される領域を有し、角部の対角位置にｐパッド電極が形成されていることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、セラミック基板は、ＡｌＮまたはＳｉＣからなることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、補助電極は、Ｖ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕから成ることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第１の発明によるIII 族窒化物半導体発光素子では、支持体としてセラミック基板を用いており、III 族窒化物半導体層のセラミック基板側とは反対側に、ｎパッド電極とｐパッド電極とが設けられた構成となっている。したがって、特許文献１のようにセラミック基板を加工して膜厚方向に導通を取ることができる構造とする必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、補助電極によって素子面方向に効率的に電流を拡散させることができ、発光の均一性を高めることができる。また、また、補助電極を設けたことによりｎ電極はパッド部のみとすることができ、ｎパッド電極は発光領域上に位置しないので、ｎパッド電極の存在による光取り出しの阻害はなく、光取り出し効率を向上させることができる。

また、補助電極による素子面方向への電流の拡散性がより向上し、発光の均一性をより高めることができる。

また、第２の発明によると、第１の溝の側面によって素子の面内に閉じ込められていた光を上方へ反射させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。

また、第３の発明によると、ｎパッド電極が広い面積で補助電極に接するため、補助電極とｎパッド電極間の導通が容易となり、その結果としてｎパッド電極の面積を減らすことができるため、発光領域を拡大させて光出力の向上を図ることができる。

また、第４の発明のように、セラミック基板として、熱伝導性が高く、熱膨張係数がIII 族窒化物半導体に近いＡｌＮやＳｉＣを用いることができ、外部に効率的に放熱することができるため、高電流域でのリニアリティ、および長期駆動時の耐久性を向上させることができる。

また、第５の発明のように、補助電極の材料として、Ｖ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｕを用いることができる。

実施例１の発光素子１００を上方から見た平面図。発光素子１００の、図１におけるＡ−Ａでの断面図。補助電極１０９のパターンを示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。発光素子１００の製造工程を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光素子１００を上方から見た平面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａでの断面図である。図２に示すように、発光素子１００は、セラミック基板１０１と、セラミック基板１０１上に低融点金属層１０２を介して接合されたｐ電極１０３と、ｐ電極１０３上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるｐ型層１０４、活性層１０５、ｎ型層１０６と、ｎパッド電極１０７と、補助電極１０９と、ｐパッド電極１１４と、によって構成されている。また、図１に示すように、発光素子１００は、平面視で正方形であり、ｎパッド電極１０７とｐパッド電極１１４は同一面側に形成されている。

セラミック基板１０１は支持体として機能し、熱伝導性が高く熱膨張係数がIII 族窒化物半導体に近い材料からなる。たとえばＡｌＮやＳｉＣである。

低融点金属層１０２には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層を用いることができ、低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。

ｐ電極１０３は、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属である。他にｐ電極１０３の材料として、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｕ合金などを用いることもでき、ＩＴＯなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。

ｐ型層１０４、活性層１０５、ｎ型層１０６は、従来より発光素子の構成として知られている任意の構成でよい。ｐ型層１０４は、たとえば、セラミック基板１０１側から順に、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層が積層された構造である。活性層１０５は、たとえば、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。ｎ型層１０６は、たとえば、活性層１０５側から順に、ＧａＮからなるｎクラッド層、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、が積層された構造である。

ｐ型層１０４のｐ電極１０３と接合している側の表面には、第１の溝１０８が形成されている。この第１の溝１０８は、ｐ型層１０４、活性層１０５を貫通し、ｎ型層１０６に達する深さである。第１の溝１０８の側面は、ｐ型層１０４からｎ型層１０６に向かうにつれ素子面方向の断面積が減少するよう傾斜しており、第１の溝１０８の底面は素子面に平行である。

第１の溝１０８側面の傾斜角度は、素子面方向に対して３０〜８５度であることが望ましく、４０〜８０度であるとより望ましい。光取り出し効率をより向上させることができるからである。

第１の溝１０８の底面にはｎ型層１０６が露出しており、補助電極１０９はこのｎ型層１０６が露出した第１の溝１０８の底面に接し、第１の溝１０８の側面には接しないよう形成されている。また、第１の溝１０８の側面、補助電極１０９の形成されていない第１の溝１０８の底面、補助電極１０９に連続してＳｉＯ₂からなる絶縁膜１１０が形成されている。この絶縁膜１１０は、第１の溝１０８の側面とｐ電極１０３との間、および補助電極１０９とｐ型層１０４との間での短絡を防止するために設けたものである。補助電極１０９には、従来よりIII 族窒化物半導体のｎ型層の＋ｃ面にコンタクトをとるｎ電極材として使用されているものを用いることができる。たとえば、Ｖ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕなどの材料を用いることができる。

なお、絶縁膜１１０は、発光素子１００の発光波長に対する透光性と絶縁性を有した材料からなるものであればよく、ＳｉＯ₂以外に、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＯ₂などを用いることができる。

第１の溝１０８の側面と補助電極１０９との間には絶縁膜１１０を介して隙間が生じているが、この隙間は高反射な金属からなるｐ電極１０３で埋められており、第１の溝１０８の側面における光の反射率を高め、より効率的に光をｎ型層１０６側へ反射できる構造としている。ｐ電極１０３で隙間を埋めるのに替えて、第１の溝１０８の側面に絶縁膜１１０を介して高反射率で絶縁膜１１０との密着性のよい金属膜（たとえばＡｌやＣｒ）を別途設けたり、屈折率のことなる複数の誘電体からなる誘電体多層膜を形成することにより、光取り出し効率を向上させてもよい。また絶縁膜１１０自体を誘電体多層膜としてもよい。

第２の溝１１１は、図１に示すように、ｎ型層１０６の活性層１０５側とは反対側の表面であって、正方形の発光素子１００の外周部分と、１つの角部１００ａに形成されている。ただし、その角部１００ａの対角位置にある角部１００ｂには、第２の溝１１１は形成されていない。この第２の溝１１１は、補助電極１０９が露出する深さであり、角部１００ａでは、第２の溝１１１の底面に補助電極１０９が露出している。

第３の溝１１５は、図１に示すように、ｎ型層１０６の活性層１０５側とは反対側の表面であって、第２の溝１１１が形成されない角部１００ｂに形成されている。また、この角部１００ｂには、後述するように補助電極１０９も形成されていない。この第３の溝１１５は、ｎ型層１０６、活性層１０５、ｐ型層１０４を貫通してｐ電極１０３に達する深さであり、その第３の溝１１５の底面には、ｐ電極１０３が露出している。

ｎパッド電極１０７は、１つの正方形のパッドであり、図１に示すように、正方形の発光素子１００の角部１００ａであって、その角部１００ａに形成された第２の溝１１１の底面に形成されている。そして、第２の溝１１１の底面に露出した補助電極１０９とｎパッド電極１０７は直接に接続している。そのため、ｎパッド電極１０７には任意の導電材料を用いることができる。補助電極１０９と同じ材料を用いてもよい。特に、ｎパッド電極１０７を２層以上の構成とし、その２以上の層のうち補助電極１０９と接する層を窒素反応性を有する材料とすることが望ましい。補助電極１０９に対して強固な密着性が得られる。窒素反応性を有する材料は、たとえばＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒなどである。

ｐパッド電極１１４は、１つの正方形のパッドであり、図１に示すように、正方形の発光素子１００の角部１００ａの対角に位置する角部１００ｂであって、その角部１００ｂに形成された第３の溝１１５の底面に形成されている。そして、第３の溝１１５の底面に露出したｐ電極１０３とｐパッド電極１１４は直接に接続している。ｐパッド電極１１４には任意の材料を用いることができ、特にｎパッド電極１０７と同一の材料を用いることが望ましい。ｎパッド電極１０７とｐパッド電極１１４を同時に形成することができ、製造工程数を簡略化することができるので、発光素子１００のコストをより低減することができる。

第３の溝１１５を設けたことにより、第３の溝１１５側面には、ｐ型層１０４、活性層１０５、ｎ型層１０６が露出する。そこで、第３の溝１１５側面、ｎ型層１０６表面（活性層１０５側とは反対側の表面）、第２の溝１１１側面に連続して、保護膜１１６を設けている。この保護膜１１６により、第３の溝１１５側面においてｐ型層１０４とｎ型層１０６との間で電流がリークしてしまうのを防止するとともに、第３の溝１１５側面、ｎ型層１０６表面、第２の溝１１１側面での物理的なダメージや汚れの付着を防止している。保護膜１１６の材料は、絶縁膜１１０と同様に、発光素子１００の発光波長に対する透光性と絶縁性を有した材料からなるものであればよく、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＯ₂などを用いることができる。

図３は、補助電極１０９の平面パターンを示した図である。第１の溝１０８の平面パターンも補助電極１０９の平面パターンとほぼ同様の形状である。補助電極１０９は、図１、図３に示されているように、素子面に垂直な方向においてｎパッド電極１０７に対向する位置（正方形の発光素子１００の角部１００ａ）に、そのｎパッド電極１０７を平面視で内包するような大きさの正方形部分１０９ａを有している。さらに補助電極１０９は、その正方形部分１０９ａに連続して、正方形の発光素子１００の辺に平行な配線で構成される格子状部分１０９ｂを有している。さらに補助電極１０９は、発光素子１００の発光領域の外周１１２を囲む正方形の配線状部分１０９ｃを有している。ただし、素子面に垂直な方向においてｐパッド電極１１４に対向する領域（正方形の発光素子１００の角部であって、ｎパッド電極１０７が設けられた角部１００ａとは対角位置の角部１００ｂ）には、補助電極１０９は設けられていない。なお、発光領域の外周１１２は、図１において２点鎖線で示した部分であり、発光領域はｐ電極１０３が直接ｐ型層１０４に接している領域であって、かつ、活性層１０５の形成領域である領域にほぼ一致した領域である。

上記のように補助電極１０９の一部として正方形部分１０９ａを設けることで、補助電極１０９からｎパッド電極１０７へ円滑に電流が流れるようにしている。また、補助電極１０９の一部として発光領域の外周を囲む配線状部分１０９ｃを設けたのは、以下の理由による。配線状部分１０９ｃを形成する場合、この配線状部分１０９ｃは第１の溝１０８の底面に形成されるものであるから、当然に第１の溝１０８の一部も発光領域の外周１１２を囲む正方形の配線状に形成される。従来、素子の側面から放射されていた光は、実施例１の発光素子１００ではこの発光領域の外周を囲む第１の溝１０８の側面によってｎ型層１０６側へと反射される。一般に素子の側面から放射される光は有効活用されることがないものであるから、配線状部分１０９ｃによってｎ型層１０６側へ反射させる構造の発光素子１００では、実質的な効率が向上している。

ｎ型層１０６の活性層１０５側とは反対側の表面には、微細な凹凸が形成されていることが望ましい。この微細な凹凸により、光取り出し効率を向上させることができる。微細な凹凸はウェットエッチングにより形成することができ、側面が素子面方向に対して約６０度の角度を成した微小な六角錐を多数形成することができる。また、微細なマスクパターン形成後にドライエッチングをすることによって、発光波長オーダーあるいはそれよりも小さいオーダーの微細な凹凸を有する構造体を、ｎ型層１０６の活性層１０５側とは反対側の表面に形成してもよい。

この発光素子１００では、ｐ型層１０４側からｎ型層１０６に達する第１の溝１０８を形成し、その第１の溝１０８底面に補助電極１０９を設けている。ここで、第１の溝１０８底面は、III 族窒化物半導体であるｎ型層１０６の＋ｃ面であり、補助電極１０９は第１の溝１０８底面に十分低抵抗にコンタクトを取ることができる。また、補助電極１０９の一部は、ｎ電極１０７に直接に接している。そのため、ｎ電極１０７から供給されて補助電極１０９に達した電子は、配線状に形成された補助電極１０９を流れて素子面方向へ広く拡散させることができ、発光の均一性を高めることができる。また、ｎ型層１０６のシート抵抗に基づく電圧降下が低減されるため、駆動電圧を低下させることができる。また、ｎ電極としてｎパッド電極１０７のみを有し、ｎパッド電極１０７は補助電極１０９上に設けられているため、ｎパッド電極１０７は発光領域上には一切位置していない。そのため、ｎパッド電極１０７が光取り出しを妨げることはなく、従来の発光素子に比べて光取り出し効率が向上している。また、活性層１０５周辺領域において素子面方向に伝播し、素子面内に閉じ込められていた光成分は、第１の溝１０８の傾斜した側面に沿う絶縁膜１１０とｐ電極１０３との界面において反射され、ｎ型層１０６側へと方向が変化する。そのため、ｎ型層１０６の活性層１０５側とは反対側の表面から外部へと放射される光成分が増加し、光取り出し効率が向上している。

さらにこの発光素子１００では、ｎパッド電極１０７とｐパッド電極１１４が同一面側に設けられた構成であり、素子面に垂直な方向に導通を取る構成ではないため、支持体であるセラミック基板１０１に導通を取るための加工を施す必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、セラミック基板１０１として熱伝導性が高く、熱膨張係数がIII 族窒化物半導体に近い材料を用いているため、素子外部へ効率的に放熱することができ、高電流域でのリニアリティ、長期駆動時の耐久性が向上している。

次に、発光素子１００の製造工程について、図４．Ａ〜図４．Ｉを参照に説明する。

まず、（１１１）面を主面とするＳｉ基板１２０上に、ＭＯＣＶＤ法によってバッファ層（図示しない）を介してIII 族窒化物半導体からなるｎ型層１０６、活性層１０５、ｐ型層１０４を順に積層させる（図４．Ａ）。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅Ｈ₅）₂）、キャリアガスとしてＨ₂とＮ₂である。

次に、ｐ型層１０４上に、第１の溝１０８を形成する領域に窓を開けたパターンのＳｉＯ₂からなるマスクを形成し、塩素系ガスプラズマを用いたドライエッチングを行う。これにより、補助電極１０９のパターン形状にほぼ一致したｎ型層１０６に達する深さの第１の溝１０８が形成される。その後、マスクはバッファードフッ酸等により除去する（図４．Ｂ）。

次に、第１の溝１０８の底面に接し、かつ、第１の溝１０８の側面には接しないようにして第１の溝１０８の側面から距離をとって、補助電極１０９を形成する（図４．Ｃ）。補助電極１０９のアロイ処理は、補助電極１０９形成後のいずれのタイミングで行ってもよく、補助電極１０９のアロイ化のみを目的に行ってもよいし、のちに形成するｐ電極１０３とともにアロイ化を行ってもよい。

続いて、第１の溝１０８の側面、補助電極１０９が形成されていない第１の溝１０８の底面、補助電極１０９の側面、補助電極１０９の上面に連続して膜状に絶縁膜１１０を形成し、絶縁膜１１０によって補助電極１０９、および第１の溝１０８の側面を覆う（図４．Ｄ）。このように、第１の溝１０８の形成により、その第１の溝１０８側面にジャンクションが露出するが、すぐに絶縁膜１１０によって保護することができ、電流リークを確実に防止することが可能である。

次に、ｐ電極１０３をスパッタ法によってｐ型層１０４上および絶縁膜１１０上に形成し、さらにその上に低融点金属層１０２を形成する（図４．Ｅ）。

次に、セラミック基板１０１を用意し、低融点金属層１０２を介して、セラミック基板１０１とｐ電極１０３を接合する（図４．Ｆ）。なお、ｐ電極１０３と低融点金属層１０２との間に図示しない拡散防止層をあらかじめ形成しておき、低融点金属層１０２の金属がｐ電極１０３側に拡散するのを防止するとよい。

次に、濃度２２％のＴＭＡＨ水溶液によるウェットエッチングによってＳｉ基板１２０を除去する（図４．Ｇ）。このとき、支持体であるセラミック基板１０１もＴＭＡＨ水溶液に晒されるが、セラミック基板１０１の材料としてＴＭＡＨ水溶液に耐性のある材料を用いることでＳｉ基板１２０のみを除去することができる。

次に、Ｓｉ基板１２０の除去により露出したｎ型層１０６表面に、第２の溝１１１、および第３の溝１１５を形成する領域に窓を開けたパターンのＳｉＯ₂からなるマスクを形成し、塩素系ガスプラズマを用いたドライエッチングを行う。これにより、補助電極１０９に達する深さの第２の溝１１１、およびｐ電極１０３に達する深さの第３の溝１１５を形成する。この際、補助電極１０９中、およびｐ電極１０３中にＰｔ層などのエッチングストッパとして機能する層を設け、深さの異なる第２の溝１１１と第３の溝１１５とを同時に形成することができる。もちろん、第２の溝１１１と第３の溝１１５とを別々に形成してもよい。その後、マスクはバッファードフッ酸等により除去する（図４．Ｈ）。

次に、第３の溝１１５の側面に露出したｎ型層１０６とｐ型層１０４との間での電流リークを防止するため、第３の溝１１５の側面に保護膜１１６を形成する。そして、第２の溝１１１の底面に露出する補助電極１０９上と、第３の溝１１５の底面に露出するｐ電極１０３上に、それぞれｎパッド電極１０７、ｐパッド電極１１４をリフトオフ法によって同時に形成する（図４．Ｉ）。保護膜１１６の形成は、ｎパッド電極１０７、ｐパッド電極１１４の形成後であってもよい。次に、素子分離部分（図４．Ｉにおいて点線で示した部分）で素子分離し、個々の発光素子１００が製造される。

以上の発光素子１００の製造工程では、III 族窒化物半導体の成長基板としてＳｉ基板１２０を用い、レーザーリフトオフではなくウェットエッチングによってＳｉ基板１２０を除去しているため、サファイア基板を用いる従来の発光素子に比べて安価に製造することができる。これは、Ｓｉ基板１２０を溶解する薬液には侵されないセラミック基板１０１を支持体として用いることによって実現できたものである。

なお、補助電極のパターンは、実施例１に示したものに限るものではなく、任意のパターンでよい。また、ｎパッド電極、ｐパッド電極の形状、パッドの個数やその配置パターンも任意である。ただし、素子面方向の電流の拡散性を向上させ、発光の均一性を高めるために、ｎパッド電極、ｐパッド電極は対象性を有した配置とすることが望ましく、補助電極は対称性を有したパターンが望ましい。また、平面視においてｎパッド電極が補助電極のパターンに含まれるようにし、ｎパッド電極が補助電極に広く接するようにすることが望ましい。また、補助電極の一部は発光領域の外周を囲む配線状部分を有していることが望ましい。

また、実施例１の発光素子の製造工程において、III 族窒化物半導体の成長基板としてＳｉ基板を用いたが、従来と同様にサファイア基板を成長基板として用い、その後にレーザーリフトオフで除去する製造工程でもよい。この場合も、支持体であるセラミック基板には特に加工を施す必要がなく、その分従来よりも安価に発光素子を製造することができる。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置や表示装置などに用いることができる。

１０１：セラミック基板
１０２：低融点金属層
１０３：ｐ電極
１０４：ｐ型層
１０５：活性層
１０６：ｎ型層
１０７：ｎパッド電極
１０８：第１の溝
１０９：補助電極
１１０：絶縁膜
１１１：第２の溝
１１４：ｐパッド電極
１１５：第３の溝
１１６：保護膜

Claims

支持体と、前記支持体上に位置するｐ電極と、前記ｐ電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるｐ型層、活性層、ｎ型層と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記支持体は、セラミック基板であり、
前記ｐ型層の前記ｐ電極側表面から前記ｎ型層に達する深さである第１の溝と、
前記第１の溝により露出した前記ｎ型層に接し、前記第１の溝の側面には接しない補助電極と、
前記補助電極、および前記第１の溝の底面、側面を覆う透光性を有した絶縁膜と、
前記補助電極の一部に素子面に垂直な方向において対向する領域に位置し、前記ｎ型層の前記ｐ電極側とは反対側の表面から前記補助電極に達する深さである第２の溝と、
前記第２の溝により露出した前記補助電極上に接して位置するｎパッド電極と、
前記補助電極に素子面に垂直な方向において対向しない領域に位置し、前記ｎ型層の前記ｐ電極側とは反対側の表面から前記ｐ電極に達する深さである第３の溝と、
前記第３の溝により露出した前記ｐ電極上に接して位置するｐパッド電極と
を有し、
前記第１の溝および前記補助電極は同一の平面パターンを有し、前記補助電極は、発光領域の周辺を囲む配線状部分と、その配線状部分の内部に配線状の格子状部分とを有し、
前記配線状部分の第１の溝の側面により前記発光層からの発光を内側の前記ｎ型層側へ反射させるようにしたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
前記第１の溝の側面は、前記第１の溝の素子面方向における断面積が前記ｎ型層側に向かって減少する傾斜を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記補助電極は、前記配線状部分の一つの角部において、平面視においてｎパッド電極の形状を含み且つｎパッド電極が接合される領域を有し、前記角部の対角位置に前記ｐパッド電極が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記セラミック基板は、ＡｌＮまたはＳｉＣからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記補助電極は、Ｖ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕから成ることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。