JP5304855B2 - ＧａＮ系発光ダイオードおよびそれを用いた発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップ実装して用いるのに適したＧａＮ系発光ダイオードと、フリップチップ実装されたＧａＮ系発光ダイオードを含む発光装置に関する。

ＧａＮ系発光ダイオード（以下「ＧａＮ系ＬＥＤ」ともいう。）は、ＧａＮ系半導体からなる発光層を挟んでｐ型およびｎ型のＧａＮ系半導体が接合されてなる、ｐｎ接合ダイオード構造を有する半導体発光素子であり、発光層を構成するＧａＮ系半導体の組成を選択することによって、赤色〜紫外に至る光を発光させることが可能である。

ＧａＮ系半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、
０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される三族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものが例示される。また、上記化学式において、３族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）などで置換したものも、ＧａＮ系半導体に含まれる。

ＧａＮ系ＬＥＤは、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法等の気相成長法を用いて、サファイア等からなる結晶基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、発光層、ｐ型ＧａＮ系半導体層をこの順に含む積層体を、ｎ型ＧａＮ系半導体層側から成長し、その後、ｎ型ＧａＮ系半導体層に給電するための電極と、ｐ型ＧａＮ系半導体層に給電するための電極とを形成することによって、作製することができる。
なお、本明細書では、ＧａＮ系半導体層を気相成長法により製造する際に、結晶基板が下側にあり、その上にＧａＮ系半導体層が積み重ねられるものとみなして、この上下の区別を、素子構造の説明においても適用する。また、上下方向（結晶基板やＧａＮ系半導体層の厚み方向でもある。）と直交する方向を、横方向と呼ぶ。また、ｐ型ＧａＮ系半導体層を単にｐ型層とも呼び、ｎ型ＧａＮ系半導体層を単にｎ型層とも呼ぶ。

図１０は、特開２００４−１７９３４７号公報（特許文献１）に開示された、従来のＧａＮ系ＬＥＤの構造を示す模式図である。図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸ−Ｙ線における断面図である。図１０において、１１はサファイアからなる結晶基板、１２はＳｉドープＧａＮコンタクト層とその上に積層されたＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層とからなるｎ型層、１３はＩｎＧａＮからなるＭＱＷ（多重量子井戸）構造の発光層、１４はＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層とその上に積層されたＭｇドープＧａＮコンタクト層とからなるｐ型層、Ｐ１１はＴｉ（チタン）とＡｌ（アルミニウム）とを積層してなる下部電極、Ｐ１２ａとＰ１２ｂは上部電極を構成しており、Ｐ１２ａはＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる透明層、Ｐ１２ｂはＡｇ（銀）、Ａｌ、Ｒｈ（ロジウム）などからなる反射層である。
図１０に示す素子では、発光層１３で発生される光が、結晶基板１１の下面側から取り出される。そのため、この素子の実装形式としては、実装用基材の表面に設けられた正負のリード電極に対し、下部電極Ｐ１１と、上部電極の反射層Ｐ１２ａとを、それぞれ、Ａｕ−Ｓｎハンダなどで接合することにより固定する、フリップチップ実装が適している。

特開２００４−１７９３４７号公報

図１０に示すＧａＮ系ＬＥＤの発光層１３で発生する光には、必ず、素子内部を上方に向かう成分、すなわち、結晶基板１１の下面とは逆方向に向かう成分が含まれる。また、最初は素子内部を下方に向かって進んだ光が、素子内部に存在する屈折率界面や、素子内外を隔てる界面で反射されることにより、進行方向を上方に変えることもある。素子内部を上方に向かって進む光が、ｐ型層１４の側から、ｐ型層１４と透明層Ｐ１２ａとの界面に入射するとき、ＩＴＯの屈折率（約２）がＧａＮの屈折率（約２．５）の約８０％であることから、スネルの法則により、入射角が約５３度よりも大きな光は該界面で全反射され、入射角がこれよりも小さな光が、透明層Ｐ１２ａの内部に進入する。
図１０に示す従来のＧａＮ系ＬＥＤでは、この透明層Ｐ１２ａの内部に進入した光を、金属製の反射層Ｐ１２ｂによって反射し、結晶基板１１の方向に向かわせることにより、光取り出し効率を向上させようとしており、そのために、反射層Ｐ１２ｂが、光反射性の良好なＡｇ、Ａｌ、Ｒｈなどで形成される。
しかしながら、金属製の反射部材による反射には比較的大きな損失が伴うことから、素子内部で多重反射が発生し易い発光ダイオードにおいて、反射部材を構成する金属材料の選択により光取り出し効率を向上させることには限界がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、素子の内部を、光取り出し方向とは反対の方向に進行する光を、より効率的に反射させる構造を備えた、光取り出し効率の改善されたＧａＮ系ＬＥＤを提供することを目的とする。

（１）ｎ型ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層とをこの順に含む積層体と、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、前記発光層で発生される光を透過するｎ型半導体からなる半導体電極層と、前記半導体電極層の表面に部分的に形成された金属電極と、前記金属電極を挟んで前記半導体電極層の表面に形成された、前記半導体電極層よりも低屈折率の透明絶縁膜と、前記透明絶縁膜の表面に形成された金属製の反射膜と、を有するＧａＮ系発光ダイオード。
（２）前記半導体電極層が、酸化物半導体からなる、前記（１）に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（３）前記酸化物半導体がＩＴＯである、前記（２）に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（４）前記半導体電極層が、ＧａＮ系半導体からなる、前記（１）に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（５）前記透明絶縁膜がＳｉＯ_２からなる、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（６）前記反射膜の、発光層で発生される光を反射する部分が、ＡｇまたはＡｌからなる、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（７）前記金属電極が、発光層で発生される光を反射する、ＡｇまたはＡｌからなる部分を有する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（８）実装用基材と、その表面にフリップチップ実装された、前記（１）〜（７）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオードとを含む、発光装置。

前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に形成される半導体電極層の表面に、金属製の反射部材が直接形成されるのではなく、該表面に部分的に形成された金属電極を挟んで、該半導体電極層よりも低屈折率の透明絶縁膜が形成され、その表面に金属製の反射膜が形成される。従って、ｐ型ＧａＮ系半導体層側から半導体電極層の内部に進入する光の少なくとも一部は、金属電極や金属製の反射膜により反射されるのではなく、該半導体電極層と該透明絶縁膜との界面で全反射されることになる。絶縁体材料が有する高い光透過率のために、この全反射に伴う損失や、透明絶縁膜の内部に入射する一部の光が、該透明絶縁膜内を伝播する際に受ける損失は小さく、そのために、金属製の反射部材による反射を主に利用していた従来のＧａＮ系ＬＥＤに比べて、光取り出し効率が改善される。

本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造を説明する図である。 図１に示すＧａＮ系発光ダイオードの製造工程を説明する図である。 図１に示すＧａＮ系発光ダイオードの製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードのフリップチップ実装例を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造および製造工程を説明する図である。 従来技術に係るＧａＮ系発光ダイオードの構造を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造を示す模式図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｙ線における断面図である。
図１において、１は結晶基板、２はｎ型層、３は発光層、４はｐ型層、Ｐ１は下部電極、Ｐ２ａとＰ２ｂは上部電極で、Ｐ２ａは半導体電極層、Ｐ２ｂは金属電極、Ｉｎｓは透明絶縁膜、Ｒは反射膜である。図１（ａ）における破線は、反射膜Ｒと透明絶縁膜Ｉｎｓの下に隠れている金属電極Ｐ２ｂの輪郭線を示しており、一点鎖線は、反射膜Ｒの下に隠れている、透明絶縁膜Ｉｎｓに設けられた開口部の輪郭線を表している。

図１に示す素子の各部の詳細構成は次の通りである。
結晶基板１はサファイア基板であり、素子分離後の寸法は、例えば、縦横それぞれ約３５０μｍ、厚さ１００μｍである。
ｎ型層２は、Ｓｉ（ケイ素）を５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープした、膜厚３μｍのＧａＮ層である。
発光層３は、膜厚８ｎｍのＧａＮ障壁層と膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を、各１０層交互に積層してなる、ＭＱＷ層である。
ｐ型層４は、下層側から順に、Ｍｇ（マグネシウム）を５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープした膜厚３０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層と、Ｍｇを５×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドープした膜厚２００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を積層したものである。
下部電極Ｐ１は、下層側から順に、膜厚２０ｎｍのＴｉ、膜厚１００ｎｍのＡｌ、膜厚１００ｎｍのＰｔ、膜厚１００ｎｍのＡｕ、膜厚１００ｎｍのＰｔ、膜厚１００ｎｍのＡｕ、膜厚１００ｎｍのＰｔ、膜厚４００ｎｍのＡｕを積層し、熱処理したものである。
半導体電極層Ｐ２ａは、膜厚１５０ｎｍのＩＴＯである。
金属電極Ｐ２ｂは、膜厚１００ｎｍのＡｌである。
透明絶縁膜Ｉｎｓは、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２である。
反射膜Ｒは、下層側から順に、膜厚１００ｎｍのＡｌ、膜厚１００ｎｍのＰｔ、膜厚１００ｎｍのＡｕを積層したものである。この反射膜Ｒは上部電極に対するボンディング用の電極を兼ねている。

図１に示すＧａＮ系ＬＥＤは、次の方法で作製することができる。
（結晶成長）
結晶基板１として、直径２インチ、厚さ４００μｍのｃ面サファイア基板を用い、その成長面上に、ＭＯＶＰＥ法など、公知のＧａＮ系半導体結晶の成長方法を適宜用いて、ｎ型層２、発光層３、ｐ型層４を順次形成する。好ましくは、ｎ型層２を成長する前に、結晶基板１の表面に、ｎ型層２の成長温度よりも低温で、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどからなる低温バッファ層を成長する。結晶成長の終了後、必要に応じて、ｐ型層４に添加したＭｇを活性化するために、不活性ガス雰囲気中にて熱処理を行う。

（上部電極の形成）
ｐ型層４の表面全体に、半導体電極層Ｐ２ａを形成する。ＩＴＯからなる半導体電極層Ｐ２ａの形成には、スパッタリング、真空蒸着、スプレー熱分解、クラスタービーム蒸着、パルスレーザ蒸着、イオンプレーティング、ゾル−ゲル法、レーザアブレーション、その他、公知のＩＴＯ薄膜の作製法を適宜用いることができる。
図２（ａ）は、このようにして半導体電極層Ｐ２ａの形成まで行ったウェハの上面図である。便宜上、ひとつの素子に相当する領域のみを図示しているが、素子分離前の工程はウェハの状態で行われる。図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３（ｄ）〜（ｆ）も同様である。
半導体電極層Ｐ２ａの形成後、その表面に、図２（ｂ）に示すように、Ａｌからなる金属電極Ｐ２ｂを部分的に形成する。金属電極Ｐ２ｂのパターニングは、公知のフォトリソグラフィ技法を用いた、リフトオフ法により行うことができる。リフトオフ法では、まず、半導体電極層Ｐ２ａの表面全体にフォトレジスト膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ技法を用いて、フォトレジスト膜に、形成しようとする金属電極Ｐ２ｂの形状に開口部を形成し、該開口部に半導体電極層Ｐ２ａの表面を露出させる。次に、このフォトレジスト膜をマスクとして、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等、公知の金属薄膜の作製方法を適宜用いて、金属電極Ｐ２ｂの電極膜を形成する。その後、半導体電極層Ｐ２ａの表面に、前記開口部の形状に形成された電極膜を残して、フォトレジスト膜をリフトオフする。
他の方法として、先に、金属電極Ｐ２ｂの電極膜を半導体電極層Ｐ２ａの表面に全面的に形成し、その後、フォトリソグラフィ技法により所定形状にパターニングしたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして、不要部分をエッチング除去することにより、金属電極Ｐ２ｂを所定の形状に形成することもできる。
なお、透明絶縁膜Ｉｎｓ、反射膜Ｒ、下部電極Ｐ１、ｐ側ボンディング電極Ｐ２ｃのパターニングも、同様の方法で行うことができる。

（ドライエッチング）
塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、半導体電極層Ｐ２ａの表面側から、半導体電極層Ｐ２ａ、ｐ型層４、発光層３の一部を除去し、図２（ｃ）に示すように、ｎ型層２の表面を露出させる。

（透明絶縁膜の形成）
図３（ｄ）示すように、金属電極Ｐ２ｂを間に挟んで、半導体電極層Ｐ２ａの表面に、ＳｉＯ_２からなる透明絶縁膜Ｉｎｓを形成する。図３（ｄ）に示す破線は、透明絶縁膜Ｉｎｓの下に隠れた金属電極Ｐ２ｂの輪郭線であり、図３（ｅ）（ｆ）においても同様である。透明絶縁膜Ｉｎｓの形成には、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、ゾル−ゲル法等、公知のＳｉＯ_２薄膜の作製方法を適宜用いることができる。後工程で、反射膜Ｒを、金属電極Ｐ２ｂと接触するように形成するために、透明絶縁膜Ｉｎｓには金属電極Ｐ２ｂの表面が露出する開口部が設けられる。

（反射膜の形成）
透明絶縁膜Ｉｎｓの表面に、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等、公知の金属薄膜の作製方法を適宜用いて、図３（ｅ）に示すように、反射膜Ｒを形成する。反射膜Ｒは、透明絶縁膜Ｉｎｓに形成された開口部において、金属電極Ｐ２ｂと電気的に接続されるように形成される。図３（ｅ）に示す一点鎖線は、反射膜Ｒの下に隠れた前記開口部の輪郭線であり、図３（ｆ）においても同様である。

（下部電極の形成）
前記ドライエッチング工程で露出されたｎ型層２の表面に、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等、公知の金属薄膜の作製方法を適宜用いて、図３（ｆ）に示すように、下部電極Ｐ１を形成する。
この後、図示していないが、電極ボンディングのために露出させておく必要のある、下部電極Ｐ１および反射膜Ｒの表面の一部を残して、素子の上面側を、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等からなる、絶縁保護膜で被覆することが好ましい。その際、該絶縁保護膜で被覆しようとする下部電極Ｐ１や反射膜Ｒの表面が、Ａｕのように酸化し難い金属からなる場合には、該絶縁保護膜を形成する前に、該表面に膜厚１０ｎｍ程度のＴｉ薄膜やＮｉ薄膜を形成しておくと、該絶縁保護膜との密着性が良好となる。

（熱処理）
電極と半導体との接触抵抗を低下させるために、ウェハ全体を熱処理し、電極とＧａＮ系半導体との密着を促進させる。このような熱処理は、半導体の表面にオーミック電極を形成する際に行われる通常の処理であり、熱処理の温度と時間は、電極の材料にもよるが、温度は３５０℃〜９００℃、時間は１分間〜６０分間とすることができる。

（素子分離）
結晶基板１の下面を研削および／または研磨することにより、その厚さを１００μｍ以下となるまで薄くした後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断など、公知の素子分離方法を適宜用いて、素子分離を行う。
以上が、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤの作製方法である。

図１に示すＧａＮ系ＬＥＤでは、発光層３から直接、または、結晶基板１とｎ型層２との界面等で反射されることにより、素子内部を上方に向かって進行する光のうち、一部は金属電極Ｐ２ｂにより下方に反射されるが、残りの大部分は、ｐ型層４と半導体電極層Ｐ２ａとの界面に入射する。このうち、この界面に約５３度よりも小さな入射角で入射する光が、半導体電極層Ｐ２ａの内部に進入する。前述のように、ＧａＮとＩＴＯとの界面にＧａＮ側から入射する光は、入射角が約５３度よりも大きいと全反射されるからである。
半導体電極層Ｐ２ａの内部に進入する光のうち、透明絶縁膜Ｉｎｓとの界面に約４９度よりも大きな入射角で入射する光は、ＳｉＯ_２の屈折率（約１．５）がＩＴＯの屈折率の約７５％であることから、スネルの法則に従い、この界面で全反射される。従って、ｐ型層４と半導体電極層Ｐ２ａとの界面で生じる屈折を考慮すると、ｐ型層４から、ｐ型層４と半導体電極層Ｐ２ａとの界面に、約５３度よりも小さな入射角で入射する光が、半導体電極層Ｐ２ａの内部に進入し、そのうち、該入射角が約３６度よりも大きい光は、半導体電極層Ｐ２ａと透明絶縁膜Ｉｎｓとの界面で全反射されることになる。

図１に示すＧａＮ系ＬＥＤでは、図１０に示す従来のＧａＮ系ＬＥＤと異なり、この、ｐ型層４と半導体電極層Ｐ２ａとの界面に約３６度〜約５３度の入射角で入射する光を、金属製の反射部材（図１０の素子においては反射層Ｐ１２ｂ）で反射させるのではなく、半導体電極層Ｐ２ａと透明絶縁膜Ｉｎｓとの界面で全反射させるので、光取り出し効率が改善される。これは、絶縁体であるＳｉＯ_２の光吸収が小さいために、透明絶縁膜Ｉｎｓとの界面での全反射に伴う損失が、金属製の反射部材の表面での反射に伴う損失と比べて、小さくなるからである。
発光ダイオードの内部では多重反射が発生し易いという事情から、このような、素子内部での光反射に伴う損失を低減することは、光取り出し効率の改善に大きな効果を有する。

図４は、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤを、実装用基材の表面にフリップチップ実装したところを示す模式図である。
図４において、Ｓは実装用基材であり、ＡｌＮ等からなる絶縁性の基板Ｓ１の実装面側に、Ａｕからなるリード電極Ｓ２、Ｓ３のパターンが形成されたものである。ＧａＮ系ＬＥＤは、上面側を実装用基材Ｓの実装面に向けて、下部電極Ｐ１がリード電極Ｓ２に、反射膜Ｒがリード電極Ｓ３に、それぞれ、導電性接合材料Ｃで接合されることにより固定されている。ここで、導電性接合材料Ｃは、例えば、Ａｕ−Ｓｎハンダ等のろう材や、導電体微粒子が樹脂バインダに分散されてなる導電性ペーストである。

以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、本発明は前記実施形態に限定されない。

本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤに用いる結晶基板は、ＧａＮ系半導体結晶の成長に適用可能な基板であって、かつ、発光層で発生される光を透過する透明基板であればよく、サファイアの他、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、スピネル、ＮＧＯ等からなる基板が例示される。ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ等からなるｎ型の半導体基板を用いた場合には、結晶基板の下面に下部電極を形成することができるため、ドライエッチングによりｎ型層を露出させる工程が不要となる。また、フリップチップ実装の際には、上部電極のみを導電性接合材料で実装用基材のリード電極に固定すればよく、基板下面に形成される下部電極にはワイヤボンディングを行うことができるため、実装工程で、導電性接合材料による電極間の短絡が発生し難くなり、歩留りの改善が期待できる。
結晶基板の下面および／または上面には、発光層で発生される光を散乱させ得る凹凸構造を設けると、素子の光取り出し効率が更に改善される。

本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤは、ｐｎ接合型の発光素子構造が形成されるように、ｎ型層、発光層、ｐ型層が順に積層された積層体を含むが、各層の結晶組成、厚さ、不純物濃度、キャリア濃度などは、従来公知の技術を適宜参照して、設計することができる。この積層体と結晶基板との間や、この積層体の内部には、結晶層の歪を緩和する機能、不純物の望ましくない拡散を抑制する機能、発光層の分解を防止する機能、発光層で発生される光を散乱させる機能、その他、種々の機能を有する層を、適宜設けることができる。

本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤにおいて、半導体電極層の材料は、発光層で発生される光を透過するｎ型半導体であればよく、ＩＴＯの他、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛など、ｎ型伝導性を示す各種の酸化物半導体を用いることができる。また、ｎ型ＧａＮ系半導体を用いることもできる。ｎ型ＧａＮ系半導体を用いる場合には、半導体電極層の成長を、ｐ型層の成長と連続して、同じ方法を用いて、同じ製造装置内で行うこともできる。
いずれの材料で半導体電極層を形成する場合も、ｐ型層との接合障壁が薄くなるように、キャリア濃度は高くすることが望ましい。また、接合界面にＡｕなどの金属からなる透明または島状の薄膜を介在させるなど、半導体電極層とｐ型層と接合部の抵抗を低下させるための公知の構造を適宜採用することができる。

本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤにおいて、下部電極、金属電極は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ｙ（イットリウム）などの単体や合金で形成することができ、積層構造を採用することもできる。また、下部電極とｎ型層との間には酸化物半導体層を介在させることもできる。下部電極を、ｎ型の半導体基板の下面に設ける場合も同様である。

金属電極は、これを挟んで積層される半導体電極層と透明絶縁膜とが接触し得るように、半導体電極層の表面に部分的に形成する。図１に示す素子では、金属電極Ｐ２ｂが粗い格子状のパターンに形成されているが、金属電極の形状はこれに限定されず、他のネット状パターンとしてもよいし、ストライプ状、櫛状、放射状、環状、ミアンダ状、渦巻き状、樹枝状等に形成してもよく、これらが複合されたパターンとしてもよい。
金属電極のパターンは、半導体電極層のシート抵抗に応じて、該シート抵抗が高い場合には、半導体電極層の表面上に金属電極の電極膜が密に分散されるように、該シート抵抗が低い場合には、該表面上に該電極膜が疎に分散されるように、形成することが好ましい。これは、半導体電極層のシート抵抗が高い場合には、横方向の電流拡散を金属電極で補う必要性が生じる一方、該シート抵抗が低い場合にはその必要がなく、それよりも光反射性の改善のために、半導体電極層と透明絶縁膜との界面の面積を大きくすることが好ましいためである。

金属電極の膜厚に特に限定はないが、素子の光取出し効率を向上させるためには、十分な光反射性が生じる膜厚に形成することが望ましい。従って、金属電極の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上、より好ましくは５０ｎｍ以上、特に好ましくは１００ｎｍ以上である。膜厚が一定の値より大きくなると効果が飽和し、それ以上の膜厚とすることは材料の浪費となる。このことから、金属電極の好ましい膜厚は１μｍ以下である。

下部電極の膜厚は、実装の際に受ける衝撃に耐えることができ、かつ、剥離が生じ難くなる厚さであればよく、例えば、２００ｎｍ〜３μｍとすることができる。下部電極の上面と、上部電極に対するボンディング用電極の上面の高さがほぼ同じとなる厚さを選択することもできる。
図１に示す素子の下部電極Ｐ１は、最上層部分がろう材との濡れ性の良好なＡｕで形成されているが、このＡｕが、下層部分に含まれるＡｌと合金化反応を生じると、下部電極の特性、ひいては素子の特性が劣化する恐れがある。そこで、これを抑制するために、Ａｌの上にＡｕを直接積層せず、Ａｌ層とＡｕ層の間には、高融点金属（Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、白金族から選ばれる単体または、それらの合金）のひとつであるＰｔからなる層を、バリア層として介在させている。

下部電極や金属電極が、発光層で発生される光を反射し得るように構成されている場合、該反射に伴う損失が小さくなるよう、これらの電極の、少なくとも、該光を反射する部分は、光反射性の良好な金属であるＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄなどで形成することが好ましい。ＡｇとＡｌは、ＧａＮ系ＬＥＤの典型的な発光波長である、緑色〜近紫外にかけての波長領域での反射率が特に高いことから、最も好ましい材料である。

本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤにおいて、透明絶縁膜の材料は、発光層で発生される光を透過し、かつ、その屈折率が半導体電極層の屈折率よりも小さい材料であればよいが、熱的、化学的な安定性の点からは、無機絶縁体を用いることが好ましい。このような無機絶縁体として、ＳｉＯ_２の他に、Ａｌ_２Ｏ_３、スピネル、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ等、各種の金属酸化物、金属窒化物が使用可能であり、半導体電極層の材料に応じて、それよりも屈折率の小さいものを適宜選択すればよい。
半導体電極層と透明絶縁膜との界面で、屈折率差による反射が十分に生じるように、透明絶縁膜の屈折率は、半導体電極層の屈折率の８５％以下とすることが好ましく、８０％以下とすることがより好ましく、７５％以下とすることが特に好ましい。屈折率が低いＳｉＯ_２は、半導体電極層の材料によらず、透明絶縁膜の最も好ましい材料のひとつである。

透明絶縁膜の厚さは、本発明の効果が生じる厚さであればよく、特に限定はないが、半導体電極層と透明絶縁膜の界面で光が全反射される際に、透明絶縁膜の内部に染み出す光が、反射膜により受ける吸収が小さくなるよう、透明絶縁膜の厚さは１００ｎｍ以上とすることが好ましく、２００ｎｍ以上とすることがより好ましく、３００ｎｍ以上とすることが特に好ましい。

透明絶縁膜は、半導体電極層の上面部のみならず、その一部を延長して、ドライエッチングにより露出された半導体電極層、ｐ型層、発光層の端面を覆うように形成してもよい。このような実施形態に係る素子の断面構造例を、図５に示す。図５に示す素子では、下部電極Ｐ１が形成された部分を除き、ドライエッチングにより露出されたｎ型層２の表面をも覆うように、透明絶縁膜Ｉｎｓの一部が延長して形成されている。

本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤにおいて、反射膜は、光反射性を有する金属膜であればよい。膜厚を２０ｎｍよりも薄くすると、金属膜であってもかなりの光透過性を示すことから、反射膜の膜厚は３０ｎｍ以上とすることが好ましい。反射膜のより好ましい厚さは５０ｎｍ以上であり、特に好ましい厚さは１００ｎｍ以上である。反射膜の、少なくとも、発光層で発生される光を反射する部分は、光反射性の良好な金属であるＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄなどで形成することが好ましく、特に、ＡｇまたはＡｌで形成することが好ましい。
金属電極や反射膜の材料にＡｇやＡｌを用いる場合、光反射性の観点からはＡｇやＡｌの単体を用いることが好ましいが、化学的安定性や耐熱性を向上させるために各種の元素を添加したＡｇ合金やＡｌ合金も、好適に用い得る。光反射性を大きく損なうことなく、化学的安定性や耐熱性を改善したＡｇ合金やＡｌ合金が、液晶表示装置など、各種のディスプレー装置の配線材料用に開発されているが、そのようなＡｇ合金やＡｌ合金は、金属電極や反射膜の材料として好適に用いることができる。

図１に示す素子の反射膜Ｒは、上部電極に対するボンディング用の電極を兼ねているために、その最上層部分がろう材との濡れ性の良好なＡｕで形成されている。一方、最下層部分はＡｌで形成されていることから、ＡｌとＡｕの合金化反応によって反射膜Ｒの光反射性が低下しないよう、最下層部分と最上層部分との間には、Ｐｔからなる層がバリア層として設けられている。

反射膜は、上部電極とではなく、下部電極と電気的に接続されるように、もしくは、下部電極と一体的に、形成することもできる。その場合、反射膜を、下部電極に対するボンディング用の電極として利用することもできる。
図６（ａ）（ｂ）は、このような実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造例を示す模式図であり、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｙ線における断面図である。図６に示す素子では、反射膜Ｒと下部電極Ｐ１とが一体的に形成されているが、それによって素子のｐ型層側とｎ型層側が短絡されないように、透明絶縁膜Ｉｎｓの一部が、ドライエッチングにより露出された半導体電極層Ｐ２ａ、ｐ型層４および発光層３の端面を覆うように、延長して形成されている。この実施形態では、透明絶縁膜で隔てられた反射膜と上部電極とが短絡するのを確実に防止するために、透明絶縁膜を、ピンホールが発生し難いプラズマＣＶＤ法を用いて形成することが好ましい。
また、図６において、Ｐ２ｃは、上部電極の一部をなすｐ側ボンディング電極であり、透明絶縁膜Ｉｎｓに設けられた開口部の位置に、金属電極Ｐ２ｂと接触するように形成されている。ｐ側ボンディング電極Ｐ２ｃの材料に特に限定はないが、少なくとも表面部分を、ろう材との濡れ性の良好なＡｕ、Ｓｎ、Ｉｎ等で形成することが好ましい。
このような、反射膜と下部電極とを接続または一体化する実施形態は、反射膜の材料にＡｇを用いる場合に特に適している。Ａｇは光反射性の最も優れた金属であるが、高電位状態に置かれると電気化学的マイグレーションを生じ易いという問題があるのに対し、この実施形態では、反射膜が低電位側の電極である下部電極と接続されるために、この問題が軽減される。

反射膜の一部を下部電極と接続または一体化し、他の一部を、上部電極に対するボンディング電極と兼用させることもできる。このような実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造例を、図７に模式的に示す。図７（ａ）は素子の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＸ−Ｙ線における断面図である。図７に示す素子では、反射膜Ｒ１が下部電極Ｐ１と一体的に形成されており、反射膜Ｒ２が上部電極Ｐ２ａ、Ｐ２ｂに対するボンディング用の電極を兼用している。

反射膜は、下部電極、上部電極のいずれからも独立させて形成することもできる。このような実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造例を、図８に模式的に示す。図８（ａ）は素子の上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＸ−Ｙ線における断面図である。
図８（ａ）において、破線は、反射膜Ｒと透明絶縁膜Ｉｎｓの下に隠れている金属電極Ｐ２ｂの輪郭線を示している。この金属電極Ｐ２ｂは、その上にｐ側ボンディング電極Ｐ２ｃが積層された方形の部分と、該方形の部分から伸びた二本のストライプ状の部分とから構成されている。

本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ＧａＮ系半導体層の成長に用いられる結晶基板が、最終的に素子から除去される。このような実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造および製造工程の例を、図９を用いて説明する。図９（ａ）〜（ｃ）は、いずれも断面図であり、便宜上、ひとつの素子に相当する領域のみを表示しているが、素子分離前の工程はウェハの状態で行われる。
図９（ａ）は、結晶基板１の成長面上に、ｎ型層２、発光層３、ｐ型層４が順次成長され、更に、半導体電極層Ｐ２ａ、金属電極Ｐ２ｂ、透明絶縁膜Ｉｎｓ、反射膜Ｒが形成されたところを示す。各部分の構成は、結晶基板を除去しない実施形態において採用し得る構成と同じである。
図９（ｂ）は、反射膜Ｒの上に、導電性接合材料（図示せず）を介して、保持基板Ｂが接合されたところを示す。導電性接合材料は、例えば、ろう材や、導電性ペーストである。保持基板Ｂは、導電性基板であればよく、各種の半導体基板や、金属基板を用いることができる。保持基板Ｂを接合することにより、結晶基板１を除去した後も、ウェハや素子のハンドリングを通常の方法により行うことができる。保持基板Ｂを導電性接合材料で接合する代わりに、反射膜Ｒの表面に、メッキ法によってＮｉなどの金属の厚膜を堆積させ、これを保持基板Ｂとして用いることもできる。
図９（ｃ）は、結晶基板１が除去され、露出されたｎ型層２の表面に、下部電極Ｐ１が形成されたところを示す。結晶基板１の除去は、従来公知の技術を用いて行うことができ、例えば、研削・研磨により結晶基板１を摩滅させる方法、レーザリフトオフの技術を用いて結晶基板１をｎ型層２から剥離させる方法、結晶基板１そのものを、または結晶基板１とｎ型層２との間に予め形成されたバッファ層（図示せず）を、選択的に溶解することにより、結晶基板１を消失させる、またはｎ型層２から剥離する方法などが用い得る。結晶基板１の除去により露出されるｎ型層２の表面は、下部電極Ｐ１を形成する前に、必要に応じて研磨やエッチングを行い、清浄化する。その後は、従来公知の方法を用いて、素子分離を行う。
レーザリフトオフの技術を用いると、結晶基板を除去することなく、通常の方法で作製した素子をフリップチップ実装した後、実装された素子から結晶基板を剥離除去することもできる。

１ 結晶基板
２ ｎ型ＧａＮ系半導体層
３ 発光層
４ ｐ型ＧａＮ系半導体層
Ｐ１ 下部電極
Ｐ２ａ 半導体電極層
Ｐ２ｂ 金属電極
Ｐ２ｃ ｐ側ボンディング電極
Ｉｎｓ 透明絶縁膜
Ｒ 反射膜

Claims (6)

1. ｎ型ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層とをこの順に含む積層体と、
   前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、前記発光層で発生される光を透過するｎ型導電性の酸化物半導体電極層と、
   前記酸化物半導体電極層の表面に部分的に形成された金属電極と、
   前記金属電極を挟んで前記酸化物半導体電極層の表面に形成された、前記酸化物半導体電極層よりも低屈折率の透明絶縁膜と、
   前記透明絶縁膜の表面に形成された金属製の反射膜と、
   前記透明絶縁膜とで前記反射膜を挟むように配置された導電性の保持基板と、
   を有するＧａＮ系発光ダイオード。
2. 前記酸化物半導体電極層がＩＴＯからなる、請求項１に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
3. 前記透明絶縁膜がＳｉＯ _２ からなる、請求項１または２に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
4. 前記反射膜の、発光層で発生される光を反射する部分が、ＡｇまたはＡｌからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
5. 前記金属電極が、発光層で発生される光を反射する、ＡｇまたはＡｌからなる部分を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧａＮ系発光ダイオード。
6. 結晶基板上に形成された積層体であって、該結晶基板側からｎ型ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層とをこの順に含む積層体を準備するステップと、
   前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に、前記発光層で発生される光を透過するｎ型伝導性の酸化物半導体電極層を形成するステップと、
   前記酸化物半導体電極層の表面に金属電極を部分的に形成するステップと、
   前記酸化物半導体電極層の上に、前記金属電極を挟んで、前記酸化物半導体電極層よりも低屈折率の透明絶縁膜を形成するステップと、
   前記透明絶縁膜の表面に金属製の反射膜を形成するステップと、
   前記反射膜の、前記透明絶縁膜側の面とは反対側の面上に、導電性の保持基板を設けるステップと、
   を有するＧａＮ系発光ダイオードの製造方法。

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