JP5318353B2 - ＧａＮ系ＬＥＤ素子および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体を用いて発光素子構造を構成したＧａＮ系ＬＥＤ素子、および、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を用いた発光装置に関する。

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）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｐｎ接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成したＧａＮ系ＬＥＤは、緑色〜近紫外の光を発生することが可能であり、これまで、信号機やディスプレイ装置等の用途で実用化されている。

発光層と該発光層を挟むｐ型層およびｎ型層とを少なくとも含む複数のＧａＮ系半導体層からなる積層体を備えたＧａＮ系ＬＥＤ素子において、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などからなる導電性酸化物膜を透光性電極としてｐ型層上に形成し、この透光性電極にｐ型層に達する複数の貫通孔を設けることにより、発光効率の向上が可能であることが知られている（特許文献１）。
特開２００５−１２３５０１号公報

現在、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を照明用途に適用するための研究開発が盛んである。導電性酸化物膜が透光性電極として用いられるようになって、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の出力はかなり高くなったものの、照明分野における実用化のためには、更なる高出力化が必要といわれている。

本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その主な目的は、導電性酸化物膜を透光性電極として用いた、発光出力に優れたＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明は、次の特徴を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子および発光装置を提供する。
（１）発光層と該発光層を挟むｐ型層およびｎ型層とを少なくとも含む複数のＧａＮ系半導体層からなる積層体を備えたＧａＮ系ＬＥＤ素子において、ＧａＮ系半導体からなる板状体と、該板状体の表面に形成された導電性酸化物膜とを有し、該導電性酸化物膜には複数の開口部が形成されており、該開口部に露出する前記板状体の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（２）前記凹凸の凸部が、頂部に前記導電性酸化物膜と同じ材料からなる部分を有する、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（３）前記導電性酸化物膜がＩＴＯ膜である、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（４）前記板状体がＧａＮ系半導体基板であり、該ＧａＮ系半導体基板上に前記積層体が形成されている、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（５）前記板状体が前記積層体である、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系半導体素子。
（６）前記導電性酸化物膜がｐ型層の表面に形成されている、前記（５）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（７）前記凹凸の凹部が前記発光層に達している、前記（６）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（８）前記導電性酸化物膜がｎ型層の表面に形成されている、前記（５）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（９）透光性基板上に前記積層体が形成されている、前記（５）〜（８）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１０）前記（９）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子をフリップチップ実装してなる発光装置。

本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子は、発光出力に優れたものとなるので、照明用途をはじめとする、高出力が要求される用途において、好適に用いることができる。

本発明を説明する際に、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を構成する部材が透光性である、あるいは、透光性を有しているという場合は、当該ＧａＮ系ＬＥＤ素子に通電したときに発光層から放出される光に対して、当該部材が透過性を示すことを意味する。透光性は、透過率が１００％であることを意味するものではないし、また、曇りなく透き通っていることを意味するものでもない。

（実施形態１）
本発明の好適な実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子は、発光層と該発光層を挟むｐ型層およびｎ型層とを少なくとも含む複数のＧａＮ系半導体層からなる積層体を備えたＧａＮ系ＬＥＤ素子であって、ＧａＮ系半導体からなる板状体と、該板状体の表面に形成された導電性酸化物膜とを有し、該導電性酸化物膜には複数の開口部が形成されており、該開口部に露出する前記板状体の表面に凹凸が設けられている、という特徴的な構成を有している。このように構成された、本発明の実施形態１に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面図を図１に示す。

図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子１０は、ｎ型のＧａＮ系半導体からなる基板１１上に、ＧａＮ系半導体からなるｎ型層１２−１、発光層１２−２およびｐ型層１２−３を、この順に形成して、積層体１２を形成することにより構成されている。基板１１の裏面には、負側のオーミック電極としてＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などからなる第１の導電性酸化物膜Ｔ１１が形成され、その上の一部には負側のパッド電極Ｐ１１が形成されている。ｐ型層１２−３の表面には、正側のオーミック電極としてＩＴＯなどからなる第２の導電性酸化物膜Ｔ１２が形成され、その上の一部には正側のパッド電極Ｐ１２が形成されている。第１の導電性酸化物膜Ｔ１１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１２は多結晶構造を有しており、その表面には結晶粒界に応じた微細な凹凸が存在している。第１の導電性酸化物膜Ｔ１１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１２には、それぞれ、複数の開口部が設けられており、第１の導電性酸化物膜Ｔ１１の開口部に露出した基板１１の表面、および、第２の導電性酸化物膜Ｔ１２の開口部に露出したｐ型層１２−３の表面は、いずれも凹凸状を呈している。

ＧａＮ系ＬＥＤ素子１０では、発光層１２−２から放出された光が、素子の基板１１側の面および積層体１２側の面のいずれからも、効率よく外部に取出される。これは、第１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１１、Ｔ１２の光透過性が、開口部を設けたことにより特に良好となっていること、ならびに、開口部に露出した基板１１および積層体１２の表面に凹凸を設けたことにより、基板または積層体の内部からこの表面に入射する光が、この表面で全反射され難くなっていることによる。また、基板１１または積層体１２の内部からこの表面に入射する光が、この凹凸によって散乱されることによる、光取出し効率の向上の効果も期待できる。積層体１２に形成する凹凸は、凹部の最も深い部分が、発光層１２−２に達するものであってもよく、更に、ｎ型層１２−１に達するものであってもよい。その場合、凸部の頂部がｐ型層１２−３に由来する部分を含まなくなるようにしてもよい。

第１の導電性酸化物膜Ｔ１１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１２に形成される開口部の形状に限定はなく、円形、方形、多角形、不定形などであってもよいし、帯状に伸びる形状であってもよい。開口部の形状や配置は規則的、周期的であってもよいし、不規則的あるいは非周期的であってもよい。開口部は貫通孔に限定されるものではなく、従って、第１の導電性酸化物膜Ｔ１１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１２は、例えば、櫛状パターンや、樹枝状パターンを呈するものであってもよい。基板１１上において、第１の導電性酸化物膜Ｔ１１が広がっている領域の面積に対する、該第１の導電性酸化物膜に形成する開口部の総面積の比を「第１の開口比」と呼ぶものとすると、第１の開口比は、例えば、５％〜９５％とすることができる。また、ｐ型層１２−３上において、第２の導電性酸化物膜Ｔ１２が広がっている領域の面積に対する、該第２の導電性酸化物膜に形成する開口部の総面積の比を「第２の開口比」と呼ぶものとすると、第２の開口比は、例えば、５％〜９５％とすることができる。

ＧａＮ系ＬＥＤ素子１０では、第１の導電性酸化物膜Ｔ１１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１２の両方に開口部が形成され、該開口部に露出したＧａＮ系半導体の表面に凹凸が設けられているが、第１の導電性酸化物膜Ｔ１１および第２の導電性酸化物膜Ｔ１２のいずれか一方のみに開口部を形成し、該開口部にＧａＮ系半導体の表面を凹凸状に露出させてもよい。基板１１として、サファイア基板などの絶縁性基板を用いることもできるが、その場合、負電極はｎ型層１２−１の表面に形成する必要がある。

ＧａＮ系ＬＥＤ素子１０を用いて発光装置を構成する場合、ＬＥＤ素子の積層体１２側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、素子１０を基板、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などの実装基材の表面上に固定することができる。また、反対に、基板１１側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、素子１０を実装基材の表面上に固定することもできる。後者の実装形態をフリップチップ実装という。フリップチップ実装は、フェイスダウン実装、ジャンクションダウン実装などと呼ばれることもある。

次に、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１０の製造方法を、具体的な実施例を用いて説明する。

ｎ型導電性のＧａＮ基板を準備し、通常のＭＯＶＰＥ装置（有機金属化合物気相成長装置）の成長炉内に設置する。基板温度を１０００℃に設定して、Ｓｉを濃度２×１０^１８ｃｍ^−３となるように添加したｎ型ＧａＮ層を４μｍの厚さに成長させる。次に、基板温度を７５０℃に下げて、井戸層とする膜厚２ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層と、障壁層とする膜厚８ｎｍのアンドープＧａＮ層とを交互に１０層ずつ成長させて、ＭＱＷ構造の発光層を形成する。次に、基板温度を再び１０００℃に上げて、Ｍｇを濃度５×１０^１９ｃｍ^−３となるように添加したｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層を５０ｎｍの厚さに成長させる。続いて、Ｍｇを濃度１×１０^２０ｃｍ^−３となるように添加したｐ型ＧａＮ層を１５０ｎｍの厚さに成長させる。ｐ型ＧａＮ層の形成後、アンモニアを成長炉内に供給しながら基板温度を室温まで下げて、ウェハをＭＯＶＰＥ装置から取り出す。このウェハに対して、ＲＴＡ装置を用いてアニーリング処理を施し、ｐ型層に添加したＭｇを活性化させる。

ＧａＮ系半導体層の形成完了後、ＧａＮ基板の裏面上およびｐ型ＧａＮ層上に、それぞれ、ＩＴＯを約０．２μｍの厚さに成膜する。好ましくは、ＩＴＯの膜厚は、発光層から放出される光の波長に応じて、無反射膜条件が達成されるように調節する。ＩＴＯの成膜方法に限定はなく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法その他、公知のＩＴＯの成膜方法を用いることができる。電子ビーム蒸着法を用いる場合、基板温度は３００℃以上とすることが好ましい。成膜後、更に、５００℃で１０分間熱処理を行うことにより、ＩＴＯの結晶化を促進させる。

次に、ＧａＮ基板の裏面上に形成したＩＴＯ膜の上にレジストマスクを形成し、フォトリソグラフィ技法を用いて、このレジストマスクに開口部を形成する。この開口部は、ＩＴＯ膜に設けようとする開口部の形状にパターニングする。この開口部は、例えば、直径５μｍ程度の円形とすることができる。次に、塩酸、王水などの酸を用いて、レジストマスクの開口部に露出したＩＴＯ膜の表面をエッチングし、ＩＴＯ膜の膜厚を部分的に減少させる。なお、この酸によるエッチングの工程は省略することもできる。その後、Ｃｌ_２、ＳｉＣｌ_４、ＢＣｌ_３などの、塩素を含む化合物をエッチングガスに用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、レジストマスクの開口部に露出したＩＴＯ膜を除去し、ＧａＮ基板の表面を露出させる。このとき、熱処理によって結晶化を促進させたＩＴＯ膜の表面が、多結晶構造を反映した、大きな起伏を有する凹凸面となっていること、また、恐らくはＩＴＯ膜のエッチング速度が一様でない（結晶粒界部のエッチング速度の方が速い）ことから、ＩＴＯ膜のエッチングが進むにつれて、レジストマスクの開口部に露出したＧａＮ基板の表面に、サブミクロンサイズの微細なＩＴＯ結晶が分散した状態が生じ、この微細なＩＴＯ結晶が微小マスクとして働くことにより、ＧａＮ基板の表面が不均一にエッチングされて、サブミクロンサイズの微細な凹凸が形成される。ＲＩＥ後、レジストマスクを除去し、ＩＴＯ膜上にＴｉ／Ａｕからなるパッド電極を形成する。

続いて、ｐ型ＧａＮ層上に成膜したＩＴＯにも同様にして開口部の形成を行い、ＲＩＥを用いて、該開口部にｐ型ＧａＮ層の表面を凹凸状に露出させる。その後、該ＩＴＯ膜上にＴｉ／Ａｕからなるパッド電極を形成する。

その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、ウェハ両面のパッド電極上を除く領域に、酸化ケイ素からなる絶縁保護膜を形成する。最後に、ダイシング、スクライビング、レーザ加工などの、この分野で通常用いられているウェハ分割方法を用いてウェハを切断し、チップ状のＧａＮ系ＬＥＤ素子を得る。

（第２の実施形態）
本発明の実施形態２に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面図を図２に示す。

図２に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子２０では、導電性を有する基板２１上に、ＧａＮ系半導体からなるｐ型層２２−３、発光層２２−２およびｎ型層２２−１をこの順に含む積層体２２が形成されている。基板２１の裏面には正側のパッド電極Ｐ２２が形成されている。ｎ型層２２−１の表面には、負側のオーミック電極としてＩＴＯなどからなる導電性酸化物膜Ｔ２１が形成され、その上の一部には負側のパッド電極Ｐ２１が形成されている。導電性酸化物膜Ｔ２１は多結晶構造を有しており、その表面には結晶粒界に応じた微細な凹凸が存在している。導電性酸化物膜Ｔ２１には複数の開口部が設けられており、該開口部に露出したｎ型層２２−１の表面には凹凸が設けられている。

ＧａＮ系ＬＥＤ素子２０を形成するには、サファイア基板の上にエピタキシャル成長法によりｎ型層２２−１、発光層２２−２、ｐ型層２２−３をこの順に形成して積層体２２を得た後、ｐ型層の表面に、別途準備した導電性の基板２１をウェハボンディングの技術を用いて貼り合わせる。あるいは、同様の方法で積層体２２を形成した後、ｐ型層２２−３の表面にオーミック電極とシード層を順次形成し、電解メッキまたは無電解メッキによってシード層上に金属層を５０μｍ以上の厚さに堆積させ、該金属層を基板２１とする。基板２１を貼り合わせた後、あるいは、基板２１をメッキ法により形成した後、エッチング、研削、研磨、レーザリフトオフなどの方法を用いて積層体２２からサファイア基板を取り除く。サファイア基板の除去により露出したｎ型層２−１の表面に、導電性酸化物膜Ｔ２１の形成を行う。実施形態１の場合と同様にして、導電性酸化物膜Ｔ２１に開口部を形成し、該開口部に露出するｎ型層２２−１の表面に凹凸を設ける。その後、パッド電極Ｐ２１の形成を行う。

本発明は、本明細書に明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨
を損なわない範囲内で、種々の変形が可能である。

本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０、２０ ＧａＮ系ＬＥＤ素子
１１、２１ 基板
１２、２２ 積層体
１２−１、２２−１ ｎ型層
１２−２、２２−２ 発光層
１２−３、２２−３ ｐ型層
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１ 導電性酸化物膜

Claims (4)

1. 発光層と該発光層を挟むｐ型層およびｎ型層とを少なくとも含む複数のＧａＮ系半導体層からなる積層体を備えたＧａＮ系ＬＥＤ素子において、
   第１表面を有するＧａＮ系半導体基板の該第１表面に導電性酸化物膜が形成され、
   該導電性酸化物膜には開口部が形成され、
   該第１表面のうち該開口部に露出する部分に凹凸が設けられ、
   該第１表面のうち該導電性酸化物膜に覆われた部分は該凹凸が設けられた部分に比べて平坦であり、
   該ＧａＮ系半導体基板の該第１表面とは反対側の表面上に前記積層体が配置されていることを特徴とするＧａＮ系ＬＥＤ素子。
2. 発光層と該発光層を挟むｐ型層およびｎ型層とを少なくとも含む複数のＧａＮ系半導体層からなる積層体を備えたＧａＮ系ＬＥＤ素子において、
   該ｎ型層が第１表面を有し、該第１表面に導電性酸化物膜が形成され、
   該導電性酸化物膜には開口部が形成され、
   該第１表面のうち該開口部に露出する部分に凹凸が設けられ、
   該第１表面のうち該導電性酸化物膜に覆われた部分は該凹凸が設けられた部分に比べて平坦であり、
   該ｎ型層の該第１表面とは反対側の表面上に前記発光層およびｐ型層が積層されていることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
3. 前記開口部が前記導電性酸化物膜に設けられた貫通孔である、請求項１または２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
4. 前記導電性酸化物膜がＩＴＯ膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。

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