JP5256898B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

III 族窒化物半導体からなる発光素子をガラス封止した発光装置の製造方法に関する。

III 族窒化物半導体からなる発光素子を封止する部材として、従来用いられていたエポキシ等の樹脂に替えてガラスを用いた発光装置が特許文献１、２などに示されている。ガラスを用いると、発光素子との熱膨張率をほぼ等しくすることができ、発光装置の寿命を長くすることができる、等の利点がある。
ＷＯ２００４／０８２０３６ 特開２００８−１２４２６７

しかし、発光素子を４００℃以上の温度でガラス封止を行うと、発光パターンの異常や著しい駆動電圧の上昇が生じる場合がある。すなわち、ガラス封止前には全面発光であったのに、ガラス封止後には発光面の端部のみの発光となったり、輝点状の発光となってしまう場合がある。あるいは、０．３ｍｍ角の発光素子に２０ｍＡ通電した際の駆動電圧が、ガラス封止前においては約３Ｖであったのに、ガラス封止後には０．６Ｖ以上上昇してしまう場合がある。これらの課題は従来知られておらず、その要因は不明である。

そこで本発明は、４００℃以上でのガラス封止後に、発光パターンの異常が生じず、駆動電圧上昇を抑制することができる発光装置の製造方法を提供することにある。

第１の発明は、基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層をＭＯＣＶＤ法によって積層し、ｐ電極、ｎ電極を形成して発光素子を製造する第１工程と、発光素子を実装部材に実装し、発光素子を４００℃以上、６００℃以下の温度でガラスにより封止する第２工程とを有する発光装置の製造方法において、第１工程でのｐ型コンタクト層の形成は、成長温度８７５〜１０００℃で、Ｍｇ濃度が２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ となるよう行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。
発光素子をガラス封止すると、ガラス封止する前に比べて駆動電圧が上昇し、発光が周辺発光に局在するという現象が、本発明者らにより発見された。そしてさらに、本発明者らは、ｐ型コンタクト層の成長温度とＭｇ濃度が、駆動電圧の上昇を抑制でき、且つ、発光素子を全面発光とすることができるための制御条件となることを見いだした。
また、本発明では、ｐ型コンタクト層において、素子として機能し得る範囲でｐ型低抵抗化できる条件が成立する範囲において、ガラス封止により、駆動電圧が所定値以上に上昇し、周辺発光となる成長温度よりも低く、及び、Ｍｇ濃度よりも低くすることで、駆動電圧の上昇を所定値以下として、且つ、素子を全面発光とするようにしている。また、この所定値としては、発光素子として、機能させるために、ガラス封止前の素子の駆動電圧に対して、駆動電圧上昇値（上昇量）が、２０％を選択することができる。

III 族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。

ガラス材料には、ＺｎＯ系ガラス、リン酸系ガラス、フッ素系ガラスなどの低融点ガラスを用いることができる。蛍光体などが混合されていてもよい。

発光素子の基板には、サファイアなどの異種基板や、ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体基板を用いることできる。

第２の発明は、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で、所定の成長温度における最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルのｐ型コンタクト層のＭｇ濃度から、Ｍｇ濃度を減じていった時に初期駆動電圧が上昇を始めるＭｇ濃度を臨界Ｍｇ濃度として決定し、第１工程でのｐ型コンタクト層の形成は、Ｍｇ濃度が臨界Ｍｇ濃度となるよう行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。

ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度と初期駆動電圧との関係は、上記のＭｇ濃度範囲及び上記のｐ型コンタク層の成長温度範囲においては、Ｍｇ濃度が高い程、初期駆動電圧は低下して、下限の飽和値に達すると考えられる。そして、この特性は、ｐ型コンタクト層の成長温度によって変化する。臨界Ｍｇ濃度は、この特性において、Ｍｇ濃度を低下させて行った時に、初期駆動電圧の上昇し出す上限の濃度である。一方、上記のＭｇ濃度範囲においては、Ｍｇ濃度が高い程、ガラス封止した後の発光素子の駆動電圧上昇値が大きくなり、その特性はｐ型コンタクト層の成長温度に依存する。したがって、ｐ型コンタクト層をある成長温度とした状態では、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を臨界Ｍｇ濃度とすることで、駆動電圧上昇値を最小にした状態で、初期駆動電圧を最小値とすることができる。ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、測定誤差などを考慮して、発光素子サンプルの作製により決定した臨界Ｍｇ濃度の０．９〜１．１倍の範囲としてもよい。

第３の発明は、第１の発明において、発光素子の基板はサファイアであり、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度をＭｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で、所定のＭｇ濃度において成長温度を上昇させていった時に、ガラス封止による駆動電圧上昇値が増加し始める成長温度を臨界成長温度として決定し、第１工程でのｐ型コンタクト層の形成を臨界成長温度で行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。
駆動電圧上昇値とｐ型コンタクト層の成長温度との関係は、上記のＭｇ濃度範囲及び上記のｐ型コンタクト層の成長温度範囲においては、成長温度が低い程、駆動電圧上昇値は、低下して、下限の飽和値に達すると考えられる。そして、この特性は、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度によって変化する。臨界成長温度は、この特性において、ｐ型コンタクト層の成長温度を徐々に上昇させて行った時に、駆動電圧上昇値が増加し始める下限の温度を臨界成長温度と定義する。また、サファイア基板を用いた場合のｐ型コンタクト層の結晶性は、上記の温度範囲では、成長温度が高い程、良質である。したがって、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度を所定濃度にした状態では、この臨界成長温度で、ｐ型コンタクト層を成長させると、駆動電圧上昇値を最小にして、且つ、結晶性を良好とすることができる。

第４の発明は、第１の発明において、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルのｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度として、第１工程でのｐ型コンタクト層の形成は、成長温度が標準成長温度で、Ｍｇ濃度が標準Ｍｇ濃度の０．６〜０．８倍となるよう行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。
なお、最も初期駆動電圧が低いＭｇ濃度がある範囲で存在する場合には、そのうちの最小値を上記の標準Ｍｇ濃度とする。

第５の発明は、第１の発明において、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルのｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度として、第１工程でのｐ型コンタクト層の形成は、成長温度が標準成長温度−５０℃〜標準成長温度−２５℃の範囲で、Ｍｇ濃度が標準Ｍｇ濃度となるよう行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。
なお、最も初期駆動電圧が低いＭｇ濃度と成長温度が、ある範囲で存在する場合には、そのうちの最小値を上記の標準Ｍｇ濃度、標準成長温度とする。

第６の発明は、第１の発明において、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルのｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度として、第１工程でのｐ型コンタクト層の形成は、成長温度が標準成長温度−５０℃〜標準成長温度−２５℃の範囲で、Ｍｇ濃度が標準Ｍｇ濃度の０．６〜０．８倍となるよう行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。
なお、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度の定義は、第５の発明と同一である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、第２工程における発光素子のガラスによる封止は、ガラスと発光素子とが接し、ガラスと実装部材とが接合されることによって発光素子が密封されるよう行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、第１工程でのｐ型コンタクト層形成後から、第２工程でのガラス封止までの間に、酸素雰囲気中で４００〜６００℃、０．５〜２．０時間の熱処理を行うことを特徴とする発光装置の製造方法である。

第１の発明のように、発光素子のｐ型コンタクト層を形成することで、ガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑制することができる。また、発光パターンが周辺発光に局在するという減少が解消されて、全面発光が得られた。

特に第２、３の発明のように、複数の発光素子サンプルを作製して臨界Ｍｇ濃度、あるいは臨界成長温度を決定し、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が臨界Ｍｇ濃度となるよう形成、もしくは成長温度を臨界成長温度とすると、駆動電圧上昇の抑制効果がより高くなる。また、周辺発光の問題が解消されて、全面発光が得られた。

また、第４〜６の発明のように、複数の発光素子サンプルを作製して標準Ｍｇ濃度、標準成長温度を決定し、成長温度を標準成長温度−５０℃〜標準成長温度−２５℃の範囲とし、Ｍｇ濃度が標準Ｍｇ濃度の０．６〜０．８倍となるようにｐ型コンタクト層を形成しても、駆動電圧上昇の抑制効果がより高くなる。また、周辺発光の問題が解消されて、全面発光が得られた。

また、第７の発明のように、本発明の製造方法は発光素子がガラスにより密封される場合に適用すると、効果的に駆動電圧の上昇を抑制することができる。また、周辺発光の問題を効果的に解消でき、全面発光を得ることができる。

また、第８の発明によると、駆動電圧の上昇をさらに抑制することができる。

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、発光装置の構成を示す図である。発光装置は、フリップチップ型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子１と、発光素子１を実装するセラミック基板２と、発光素子１を封止するガラス封止部３と、で構成されている。

発光素子１は、図２に示すように、サファイア基板１００上にＡｌＮからなるバッファ層（図示せず）を介してｎ型コンタクト層１０１、ｎ型ＥＳＤ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ＭＱＷ層１０４、ｐ型クラッド層１０５、第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７、が順に積層され、第２ｐ型コンタクト層１０７上にＩＴＯからなる透明電極１１０、透明電極１１０上にｐパッド電極１１１が形成され、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層１０１上にｎ電極１１２が形成された構造である。また、ｐパッド電極１１１上とｎ電極１１２を除いてＳｉＯ２からなる保護膜１１３が形成されている。

ｎ型コンタクト層１０１はｎ⁺ −ＧａＮ、ｎ型ＥＳＤ層１０２はＧａＮ／ｎ−ＧａＮである。ｎ型クラッド層１０３はＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮが複数回繰り返し積層された層であり、ＭＱＷ層１０４はＩｎＧａＮ／ＧａＮが複数回繰り返し積層された層であり、ｐ型クラッド層１０５はｐ−ＩｎＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮが複数回繰り返し積層された層である。第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７はｐ−ＧａＮであり、第２ｐ型コンタクト層１０７のＭｇ濃度は第１ｐ型コンタクト層１０６の１．５〜３倍である。また、第１ｐ型コンタクト層１０６の厚さは５０〜２００ｎｍ、第２ｐ型コンタクト層１０７の厚さは５〜１５ｎｍの範囲であることが望ましい。

セラミック基板２は、アルミナからなり、発光素子１やガラス封止部３とほぼ同等の熱膨張率である。セラミック基板２の発光素子１実装側の面と反対側の面にはそれぞれＷ／Ｎｉ／Ａｕからなる回路パターン２００ａ、ｂが形成されており、ビアホール２０１により両面の回路パターン２００ａ、ｂが電気的に接続されている。発光素子１は、このセラミック基板２にフリップチップ実装されており、ｐパッド電極１１１およびｎ電極１１２がＡｕバンプ２０２を介して回路パターン２００ａと電気的に接続されている。なお、セラミック基板２の材料は、ガラス封止部３とほぼ同等の熱膨張率であればアルミナ以外の材料であってもよい。

ガラス封止部３は、６００℃でのホットプレス加工によってセラミック基板２と接合することで発光素子１を密封している。ガラス封止部３の材料は、ＺｎＯ系ガラス、リン酸系ガラス、フッ素系ガラスなどの低融点ガラスを用いることができる。ガラス材料は透明であってもよいし、蛍光体などが混合されたものであってもよい。また、ガラス材料は発光素子１やセラミック基板２に熱膨張率が近い材料であることが望ましい。

次に、発光装置の製造工程について説明する。

まず、以下の製造工程により発光素子サンプルを作製する。ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板１００上にバッファ層を介してｎ型コンタクト層１０１、ｎ型ＥＳＤ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ＭＱＷ層１０４、ｐ型クラッド層１０５、第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７を順に積層する（図３（ａ））。成長温度は、ｎ型ＥＳＤ層１０２が８４０〜９００℃、ｎ型クラッド層１０３が８００〜９００℃、ＭＱＷ層１０４が７７０〜９００℃、ｐ型クラッド層１０５が８００〜９００℃である。
原料ガスには、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｎ源としてアンモニア、ｎ型ドーパントであるＳｉ源としてシラン、ｐ型ドーパントであるＭｇ源としてＣｐ₂ Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、を用いる。なお、第２ｐ型コンタクト層１０７のＭｇ濃度が第１ｐ型コンタクト層１０６の１．５〜３倍となるよう第２ｐ型コンタクト層１０７を形成する。また、第１ｐ型コンタクト層１０６の厚さは５０〜２００ｎｍ、第２ｐ型コンタクト層１０７の厚さは５〜１５ｎｍとなるよう形成する。

次に、第２ｐ型コンタクト層１０７上にＩＴＯを４２０〜４６０度で蒸着させ、酸素雰囲気で６４０〜６９０度で焼成し、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより所定の形状とすることで透明電極１１０を形成する（図３（ｂ））。なお、透明電極１１０の蒸着、焼成の工程でｐ型不純物は活性化されるが、透明電極１１０の蒸着前に熱処理を行ってｐ型不純物を活性化させてもよい。

次に、透明電極１１０上に所定の形状のマスクを形成してＩＣＰエッチングを行い、ｎ型コンタクト層１０１を露出させる。そして、透明電極１１０上にｐパッド電極１１１、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層１０１上にｎ電極１１２を形成し、アロイ処理する（図３（ｃ））。その後ｐパッド電極１１１、ｎ電極１１２以外の部分に保護膜１１３を形成し、ダイシングによって個々の発光素子に分離する。

以上の製造工程により、第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７のＭｇ濃度を２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度を７８０〜１０００度の範囲でさまざまに変えた複数の発光素子サンプルを作製する。そして、作製した発光素子サンプルの初期駆動電圧を測定し、初期駆動電圧が低くて安定し、かつ格子欠陥であるピットが生じない発光素子サンプルの第１ｐ型コンタクト層１０６のＭｇ濃度を標準Ｍｇ濃度、成長温度を標準成長温度として決定する。

次に、発光素子１を第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７の形成工程以外は発光素子サンプルと同一の製造工程によって作製する。第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７の形成については、成長温度を標準成長温度−５０℃〜標準成長温度の範囲として、第１ｐ型コンタクト層１０６のＭｇ濃度が標準Ｍｇ濃度の０．６〜１．０倍となるように形成する。

より望ましいのは、第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７の成長温度を臨界成長温度とし、第１ｐ型コンタクト層１０６のＭｇ濃度を臨界Ｍｇ濃度となるように形成することである。臨界成長温度とは、上述した発光素子サンプルの成長温度を上昇させていったときに、ガラス封止による駆動電圧上昇が始まる温度である。また、臨界Ｍｇ濃度とは、上述した発光素子サンプルのＭｇ濃度を減じていった時に初期駆動電圧が上昇し始めるＭｇ濃度である。ただし、測定誤差などを考慮して、成長温度は臨界成長温度の０．９〜１．１倍の範囲、Ｍｇ濃度は臨界Ｍｇ濃度の０．９〜１．１倍の範囲としてもよい。

次に、セラミック基板２の回路パターン２００ａの所定の位置にＡｕバンプ２０２を形成し、複数の発光素子１をフリップチップ実装する（図４（ａ））。

次に、板状のガラス封止部３をセラミック基板２に平行であって、発光素子１が実装されている側のセラミック基板２上部に配置し、窒素雰囲気で約６００度に加熱して圧着することで発光素子１を封止する（図４（ｂ））。その後、ダイシングによって個々に分割することで図１に示す発光装置が製造される。

以上のように、この実施例１の発光装置の製造方法では、発光素子１の第１コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７の形成について、成長温度を７８０〜１０００℃の範囲、Ｍｇ濃度を２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲とし、さらに成長温度を標準成長温度−５０℃〜標準成長温度の範囲、第１ｐ型コンタクト層１０６のＭｇ濃度が標準Ｍｇ濃度の０．６〜１．０倍となるようにしているため、ガラス封止後における駆動電圧上昇を抑制することができる。

この実施例１に示した発光装置の製造方法は、以下の実験結果、および考察によって見いだされたものである。

図５は、ガラス封止後における発光素子についての第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７のＭｇ濃度と、２０ｍＡでのガラス封止後の駆動電圧とガラス封止前の駆動電圧の差の関係を示すグラフである。また、図６は、ガラス封止前における発光素子についての第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７のＭｇ濃度と２０ｍＡでの駆動電圧の関係を示すグラフである。発光素子は実施例１の発光素子サンプルの製造工程において透明電極１１０の蒸着温度を４６０℃、焼成温度を６９０℃とし、第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７の成長温度を標準成長温度、標準成長温度よりも２５℃低い温度、標準成長温度よりも５０℃低い温度の３つの条件で、Ｍｇ濃度を標準Ｍｇ濃度、標準Ｍｇ濃度の０．８倍、標準Ｍｇ濃度の０．６倍の３つの条件とした計９つの条件で製造したものである。横軸は標準Ｍｇ濃度に対する比を示しており、標準Ｍｇ濃度は第１ｐ型コンタクト層１０６が５×１０¹⁹／ｃｍ³ 、第２ｐ型コンタクト層１０７が８×１０¹⁹／ｃｍ³ である。また、標準成長温度は１０００℃である。

図５のグラフから、Ｍｇ濃度を下げることで、ガラス封止後の駆動電圧上昇の低減を図ることができるという結果を得た。また、成長温度を下げることでも、同様に駆動電圧上昇の低減を図ることができるという結果を得た。また、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度とした発光素子では発光層の端部のみの発光となったが、それ以外の条件で製造した発光素子ではすべて面発光であり、発光パターンは正常であった。

ただし、図６のグラフのように、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度とした発光素子の駆動電圧上昇ほど著しいものではないが、Ｍｇ濃度を下げすぎると初期の駆動電圧が高まる傾向にあることが分かる。標準Ｍｇ濃度の０．６倍では、標準Ｍｇ濃度の場合の１０％以内ではあるが、初期の駆動電圧が上昇している。また、成長温度を下げても、若干、初期の駆動電圧が上昇する傾向がある。

そして、ガラス封止後の駆動電圧をなるべく低くし、高発光効率の設計とするためには、初期の駆動電圧が上昇しない程度のＭｇ濃度（臨界Ｍｇ濃度）とし、成長温度を標準成長温度よりも下げればよいとわかる。図６のように、成長温度９５０〜１０００℃では、標準Ｍｇ濃度の０．８倍あたりが臨界Ｍｇ濃度となる。また、Ｍｇ濃度を標準Ｍｇ濃度よりも低くするとガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑えることができ、望ましいＭｇ濃度の範囲は、２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲であると推察できる。また、成長温度を標準成長温度以下とすればガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑えることができ、望ましい成長温度は７８０〜１０００℃の範囲であると推察できる。

図７は、ｐ型コンタクト層の成長温度と、熱処理による駆動電圧上昇との関係を示すグラフである。ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は標準Ｍｇ濃度とし、成長温度は８７５〜１０００℃まで２５℃ごとに変化させている。熱処理は、ガラス封止に代替する処理であり、窒素雰囲気で６００℃、１５分間行った。図７のように、成長温度が８７５〜９５０℃の範囲では、駆動電圧上昇値はほぼ一定であるが、９７５℃では９５０℃の約１．８倍の駆動電圧上昇値であり、１０００℃では９５０℃の約２．８倍の駆動電圧上昇値となっている。このように、ｐ型コンタクト層の成長温度を上げていくと、一定であった駆動電圧上昇値が増加し始める臨界成長温度（図７では９５０℃）が存在することがわかった。

平坦なサファイア基板や凹凸加工が施されたサファイア基板を成長基板として用いた場合、低温でIII 族窒化物半導体層を成長させると欠陥が生じやすい。したがって、第１ｐ型コンタクト層１０６の成長温度は、駆動電圧が上昇しない範囲でなるべく高い成長温度（臨界成長温度）とすることが望ましい。

一方、ＧａＮ基板を成長基板として用いる場合は、臨界成長温度以下の低温で成長させても欠陥が生じにくい。そのため、第１ｐ型コンタクト層１０６を９５０℃以下、さらには発光層であるＭＱＷ層１０４の成長温度と等しい、あるいは近い温度で成長温度することができるので、第１ｐ型コンタクト層１０６成長以前に成長させたIII 族窒化物半導体層の熱拡散を抑えることができ、成膜制御の精度を高くすることができ、高効率化を図ることができる。

また、発光装置は、ガラス封止部３と発光素子１が接しており、ガラス封止時に発光素子１はガラスと同等の高温となる。さらに、ガラス封止部３とセラミック基板２とが接合されることによって、発光素子１は密封されている。ガラス封止で駆動電圧上昇が生じる発光素子は、多くの場合、ガラス封止を行わなくても、４００℃以上の窒素雰囲気に、発光素子を１０分放置するだけで、駆動電圧上昇が生じる。しかし、ガラス封止のように発光素子が密封されることで、その上昇度合いは大きくなる。

また、その際、部材が水分や水素を含む場合、その程度がさらに大きくなる傾向がある。例えば、ガラスを溶解するにあたり、乾燥窒素雰囲気で溶解するのに対し、大気中で溶解すると空気中の水分を取り込む。あるいは、蛍光体をガラス中に分散するにあたり、湿式の粉砕方法や沈殿方法による分級を行うとガラスが水分を取り込む。また、セラミック基板では、次亜燐酸水溶液の還元作用を利用するＮｉ無電解めっきなど、一般的なめっき工程による金属回路パターン形成工程では水素発生を伴い、めっき部やセラミック部材が水素を取り込む。

さらに、発光素子の電極形成後に、ＳｉＯ₂ などによる保護膜を設けても良いが、これによっても、駆動電圧上昇の程度が大きくなる傾向がある。発明者らの実験では、ｐ電極１１１、ｎ電極１１２形成後にｐ電極１１１、ｎ電極１１２以外の領域に約３００℃で保護膜を形成した場合と、保護膜を形成しない場合とでガラス封止による駆動電圧の上昇を比較したところ、保護膜を形成した場合の方が、保護膜を形成しない場合に比べて約１．５倍駆動電圧の上昇が大きかった。

そして、これらの場合でも、発光素子のｐ型層の成長温度を低くするなどによって、封止部材などからの水分や水素の影響を受けにくいものとでき、特殊な条件でのガラス製造を行う必要はなく、脱ガス処理などを省くことができる。さらに、保護膜を形成すると、発光素子実装時の短絡などの不良を減らすことができ、生産性を向上することができる。

また、第１ｐ型コンタクト層１０６、第２ｐ型コンタクト層１０７のＭｇ濃度を標準Ｍｇ濃度とし、成長温度を標準成長温度とした発光素子について、駆動電圧上昇のガラス封止温度依存性を調べたところ、ガラス封止温度が高いほど駆動電圧の上昇が大きいことがわかった。

ガラスは結合力が小さいほど軟化温度が低くなり、熱膨張率が大きくなる相関がある。このため、発光素子や、白色で反射率が高く機械強度も高いアルミナと同等の熱膨張率にするには、軟化点を下げる限界が生じるので、相当する加工温度が必要になる。このガラス封止温度に依存した駆動電圧上昇も、発光素子のｐ型層の成長温度を低くするなどによって、駆動電圧を低く抑えたものとできる。

一般に行われている樹脂封止ＬＥＤでは、２００℃未満の加工温度であるため、発光素子自体や封止材料などからの影響による上記問題は生じない。このことから、ｐ型化に関係した問題であると考えられる。

実施例２の発光装置の製造方法は、実施例１の発光素子１において、第１ｐ型コンタクト層１０６を標準Ｍｇ濃度、標準成長温度で形成し、第２ｐ型コンタクト層１０７を形成しないものであり、それ以外は同一の製造工程である。

この実施例２の製造方法により作製した発光装置と、第２ｐ型コンタクト層１０６を標準Ｍｇ濃度、標準成長温度で形成した実施例１の発光装置とを比較したところ、実施例１の発光装置のガラス封止による駆動電圧上昇値は図５のグラフのように１．７６Ｖであったのに対し、実施例２の発光装置の駆動電圧上昇値は０．２６Ｖであった。また、初期の駆動電圧は、実施例１の発光装置では２．９７Ｖであったのに対し、実施例２の発光装置では３．１２Ｖであった。また、ガラス封止後の駆動電圧は、実施例１の発光装置では４．７３Ｖであったのに対し、実施例２の発光装置では３．３８Ｖであった。実施例１の発光装置では、ガラス封止により駆動電圧が約６０％上昇していたが、実施例２の発光装置では１５％以下に抑えることができている。

このように、透明電極１１０に接するＭｇ濃度の高い層を省くことで、初期の駆動電圧はやや高くなるものの、ガラス封止での駆動電圧上昇を抑えることができ、ガラス封止後の駆動電圧を低く抑えることができる。

実施例３の発光装置の製造方法は、以下に示す工程を実施例１の発光装置の製造方法に追加するものである。この追加する工程は、第２ｐ型コンタクト層１０７の形成後からガラス封止前までの間のいずれかにおいて行えば良い。

追加する工程は、酸素雰囲気中で４００〜６００℃、０．５〜２時間の熱処理を行う工程である。実施例１の発光装置の製造方法にこの工程を追加することで、より駆動電圧上昇を抑制することができる。これは、熱処理によって水素を排出することにより、水素がＭｇと再結合して不活性してしまうのを防止できるためと考えられる。熱処理温度が４００℃より低い温度、または熱処理時間が０．５時間よりも短い時間では、不活性化を十分に防止できず、駆動電圧上昇の抑制効果が低いので望ましくない。また６００℃よりも高いと、ガラス封止温度よりも高い熱ダメージを発光素子にかけることになり、電極などの変質が懸念されるため望ましくなく、２時間よりも長い熱処理時間では、十分な不活性化防止効果を得られる以上に余分な熱ダメージを発光素子に与えることになるため望ましくない。

実際に実施例１の発光装置の製造工程において、空気中で６００℃、０．５時間の熱処理工程を、発光素子１の製造後、セラミック基板２に実装前に追加したところ、この熱処理工程を追加しない場合に比べて駆動電圧の上昇が約１／５となっていることが確認できた。

この追加した工程は、透明電極１１０の形成後に行うことで、半導体層の表面に抵抗を大きくする表面酸化被膜が形成されることを防止することができる。あるいは、表面酸化被膜の除去工程を省くことができる。また、発光素子を個々に分離する前に行うことで、一括処理ができ、製造の手間を著しく増やすことのないものとできる。このため、透明電極１１０形成後から発光素子の分離工程前にこの工程を追加することが好ましい。

なお、実施例１〜３では発光素子のｐ電極をＩＴＯからなる透明電極とｐパッド電極としたが、Ａｇなどの高反射な金属を用いてもよい。また、実施例では発光素子をフリップチップ型としたが、フェイスアップ型や上下に電極を設けた構造など他の構造の発光素子であってもよい。

また、発光素子の各層の膜厚や成長温度は、実施例１〜３に示したものに限定されるものではなく、適宜定めればよい。また、発光素子の発光波長は特に限定するものではなく、３６０〜３７０ｎｍのＵＶ光、３７０〜４００ｎｍの近紫外光、４５０〜４８０ｎｍの青色光、５１０〜５３０ｎｍの緑色光など、発光素子の発する光の発光装置としてもよい。あるいは、発光素子の３７０〜４００ｎｍの近紫外光と、蛍光体（Ｌａ₂ Ｏ₂ Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）₁₀（ＰＯ₄ ）₆ Ｃｌ₃ ：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｍｇ）₃ Ｏ・８（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）：Ｅｕ，Ｍｇ）との組み合わせにより、演色性の高い白色の発光装置や単色の発光装置としたり、発光素子の４５０〜４８０ｎｍの青色光と黄色などの蛍光体( ＹＡＧ、（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ、Ｓｒ，Ｇａ₂ Ｓ₄ ：Ｅｕ，Ｐｒ) との組み合わせの白色の発光装置としてもよい。ガラス封止による本発明の発光装置では、青色光のみでなく、近紫外やＵＶ領域の光に対しても劣化しない、あるいは、ガラスは樹脂のように透湿性がないので、ガラスの内部に蛍光体を含有したものでは、外部の水分影響による蛍光体劣化が生じない。これは特に硫化物蛍光体などの耐湿性が低いものに有効である。

本発明の発光装置は、照明装置や表示装置などに応用することができる。

発光装置の構造を示す図。 発光素子１の構造を示す図。 発光素子サンプルの製造工程を示す図。 発光装置の製造工程を示す図。 Ｍｇ濃度とガラス封止後の駆動電圧上昇の関係を示すグラフ。 ガラス封止前におけるＭｇ濃度と駆動電圧の関係を示すグラフ。 ｐ型コンタクト層の成長温度と熱処理後の駆動電圧上昇の関係を示すグラフ。

１：発光素子
２：セラミック基板
３：ガラス封止部
１００：サファイア基板
１０１：ｎ型コンタクト層
１０２：ｎ型ＥＳＤ層
１０３：ｎ型クラッド層
１０４：ＭＱＷ層
１０５：ｐ型クラッド層
１０６：第１ｐ型コンタクト層
１０７：第２ｐ型コンタクト層
１１０：透明電極
１１１：ｐパッド電極
１１２：ｎ電極
２００ａ、ｂ：回路パターン
２０２：Ａｕバンプ

Claims (8)

1. 基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層をＭＯＣＶＤ法によって積層し、ｐ電極、ｎ電極を形成して発光素子を製造する第１工程と、前記発光素子を実装部材に実装し、前記発光素子を４００℃以上、６００℃以下の温度でガラスにより封止する第２工程とを有する発光装置の製造方法において、
   前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層の形成は、成長温度８７５〜１０００℃で、Ｍｇ濃度が２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ となるよう行う、
   ことを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で、所定の成長温度における最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルの前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度から、Ｍｇ濃度を減じていった時に初期駆動電圧が上昇を始めるＭｇ濃度を臨界Ｍｇ濃度として決定し、
   前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層の形成は、Ｍｇ濃度が前記臨界Ｍｇ濃度となるよう行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置の製造方法。
3. 前記発光素子の前記基板はサファイアであり、
   前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度をＭｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で、所定のＭｇ濃度において成長温度を上昇させていった時に、ガラス封止による駆動電圧上昇値が増加し始める成長温度を臨界成長温度として決定し、
   前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層の形成を前記臨界成長温度で行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルの前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度として、
   前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層の形成は、成長温度が前記標準成長温度で、Ｍｇ濃度が前記標準Ｍｇ濃度の０．６〜０．８倍となるよう行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置の製造方法。
5. 前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルの前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度として、
   前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層の形成は、成長温度が前記標準成長温度−５０℃〜前記標準成長温度−２５℃の範囲で、Ｍｇ濃度が前記標準Ｍｇ濃度となるよう行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置の製造方法。
6. 前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、Ｍｇ濃度２×１０¹⁹〜８×１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲、成長温度８７５〜１０００℃の範囲で変化させて複数の発光素子サンプルを作製し、その複数の発光素子サンプル中で最も初期駆動電圧が低い発光素子サンプルの前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度および成長温度を、標準Ｍｇ濃度、標準成長温度として、
   前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層の形成は、成長温度が前記標準成長温度−５０℃〜前記標準成長温度−２５℃の範囲で、Ｍｇ濃度が前記標準Ｍｇ濃度の０．６〜０．８倍となるよう行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置の製造方法。
7. 前記第２工程における前記発光素子のガラスによる封止は、前記ガラスと発光素子とが接し、前記ガラスと前記実装部材とが接合されることによって前記発光素子が密封されるよう行う、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
8. 前記第１工程での前記ｐ型コンタクト層形成後から、前記第２工程でのガラス封止までの間に、酸素雰囲気中で４００〜６００℃、０．５〜２．０時間の熱処理を行う、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。

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