JP5818031B2 - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ素子に関し、特に窒化物半導体で構成された縦型ＬＥＤ素子に関する。

従来、窒化物半導体を用いたＬＥＤ（発光ダイオード）素子においては、主としてＧａＮが利用されている。この場合、格子整合の観点からサファイア基板上にエピタキシャル成長させて欠陥の少ないＧａＮ膜を形成することで、窒化物半導体からなるＬＥＤ素子を形成していた。ここで、サファイア基板は絶縁材であることから、ＧａＮ系ＬＥＤへの給電には、ｐ層の一部を削ってｎ層を露出させ、ｐ層及びｎ層の各層に給電用電極を形成していた。このように給電用の電極が同じ向きに配置されている構造のＬＥＤを横型構造と呼び、例えば下記特許文献１にこのような技術が開示されている。

一方で、ＬＥＤ素子の発光効率の改善や光取り出しの効率化を目的として、ｐ層とｎ層を表裏面に配置して給電する、いわゆる縦型構造のＬＥＤの開発が進められている。この縦型構造のＬＥＤを製造する際には、サファイア基板上に下から順にｎ層、ｐ層を配置し、当該ｐ層側にＳｉやＣｕＷからなる支持基板を接合した後、サファイア基板が除去される。この場合、素子表面はｎ層側となり、このｎ層にボンディング電極を設け、この電極に給電線であるワイヤを繋ぐ（ワイヤボンディング）ことで電流供給を行っている。例えば下記特許文献２にはこのような技術が開示されている。

また、この特許文献２には、発光効率を高める目的で、ｐ層側の電極上層において、ボンディング電極に対して下方に対向する位置に絶縁層を設ける構成が開示されている。

絶縁層が形成されていない場合、ｐ層側の電極とボンディング電極（これはｎ層側の電極でもある）の間に電圧が印加されると、ｐ層側の電極（以下、「ｐ側電極」と呼ぶ。）からボンディング電極（以下、「ｎ側電極」と呼ぶ。）にほぼ最短距離で向かう、基板面に対して直交方向（以下、「鉛直方向」と呼ぶ。）の電流経路が形成される。これらの両電極間に発光層を含む半導体層（ＬＥＤ層）が形成されているため、発光層内においてもこれら両電極に挟まれた箇所に集中して電流が流れてしまう。この結果、水平方向に関し発光層内の広い範囲に電流が流れずに発光領域が限定的になり、ＬＥＤ素子から取り出される光量は極めて少ないものとなってしまう。

特許文献２に開示されているように、鉛直方向に関し、ｎ側電極に対向する位置に係るｐ側電極の上層に絶縁層を設けることで、ｐ側電極の位置とｎ側電極が、発光層を含む半導体層を介して鉛直方向に対向する位置関係に配置されるという状況が回避される。このとき、両電極間に電圧が印加された場合に、発光層内において水平方向に一定の広がりを有した電流経路を介して、ｐ側電極からｎ側電極に向かって電流が流れる。これにより、発光層内を電流が流れる領域が水平方向に拡がり、ＬＥＤ素子の発光効率が高まる。

特許第２９７６９５１号明細書 特許第４２０７７８１号明細書 特開２００６−３２８２０６号公報 特開２００９−１９２０５号公報

図１０は、特許文献２に記載されたＬＥＤ素子の概略断面図である。ＬＥＤ素子９０は、支持基板１１、導電層２０、反射電極１９、絶縁層４１、ＬＥＤ層（半導体層）３０及び電極４２を含んで構成される。ＬＥＤ層３０は、ｐ型半導体層３１、発光層３３、及びｎ型半導体層３５が下からこの順に積層されて形成されている。また、導電層２０は、ハンダ層１３、ハンダ層１５、及び保護層１７を有している。

前述したように、絶縁層４１は、ＬＥＤ層３０を介して電極４２と鉛直方向に対向する位置関係に配置される。もし絶縁層４１がなく、当該位置にも導電部材（反射電極１９又は導電層２０）が形成されていたら、大部分の電流が電極４２と当該箇所に位置する導電部材の間を鉛直方向に流れる。発光層３３内においても、これらの間に挟まれた箇所に大部分の電流が流れる結果、発光層３３全面を効率的に光らせることができなくなる。絶縁層４１は、電流の流れを水平方向に拡げることで、発光層３３を全体的に光らせる機能を有している。

また、ＬＥＤ素子９０においては、光の取り出し口が電極４２側、すなわち図１０における上方となる。発光層３３からの光は、上方のみならず下方にも放射される。このため、下方に放射された光を上方に反射させ、光の取り出し効率を向上させるために、反射電極１９が形成されている。この反射電極１９としては、反射率の高い金属材料、例えばＡｇやＡｇ系合金が用いられる。

そして、ハンダ層１３及び１５を構成するハンダ材料が、この反射電極１９側に拡散して反射率を低下させないよう、反射電極１９とハンダ層（１３，１５）の間には導電性の保護層１７が設けられている。

しかし、ＬＥＤ素子９０の構成の場合、点灯動作を継続して行うと、ＬＥＤ層３０内においてリーク電流が発生し、場合によっては短絡することが分かった。本発明者の鋭意研究により、この現象は、反射電極１９を構成するＡｇ成分がマイグレーションによりＬＥＤ層３０内へと拡散したことに起因するものであることを突き止めた。

本発明は、上記の課題に鑑み、継続点灯動作を行なってもマイグレーションが抑制され、リーク電流の発生を抑制できるＬＥＤ素子を提供することを目的とする。

本発明に係るＬＥＤ素子は、
導電体又は半導体で構成された支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された導電層と、
前記導電層の上層に形成された反射電極と、
前記反射電極の上層に形成されたｐ型窒化物半導体層で構成される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上層に形成された、窒化物半導体層で構成される発光層と、
前記発光層の上層に形成された、ｎ型窒化物半導体層で構成される第２半導体層と、
少なくとも前記反射電極の外側面を覆うように形成された、防水機能を有する絶縁層を有することを特徴とする。

上記構成によれば、反射電極の外側面が防水性の絶縁層で覆われているため、反射電極の表面に、外部雰囲気中の水分が付着することが抑制される。これにより、長時間動作時においても、反射電極の金属成分が電離して、当該金属イオンが発光層側へと移動するマイグレーションの抑制が図れる。

なお、前記反射電極を、Ａｇを含む金属で形成した場合、Ａｇ^＋イオンの移動度が高く、マイグレーションの問題が顕在化しやすいことから、上記構成とした場合に、マイグレーション抑制の効果が大きく現れる。

ここで、上記特徴に加えて、前記絶縁層の一部を、前記反射電極の上面と前記第１半導体層の底面の間に位置させ、前記絶縁層と前記支持基板の基板面に垂直な方向に対向する位置に、前記第２半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極を備える構成とするのが好ましい。

この構成によると、絶縁層が、マイグレーションを抑制させる機能と、電流を支持基板の基板面に平行な方向に拡げて発光層の全体で発光させ光出力を向上させる機能の両者を同時に奏する。

また、ＬＥＤ素子は、前記反射電極の一部上面に底面を接触して形成された導電性酸化膜層と、
前記導電性酸化膜層と前記支持基板の基板面に垂直な方向に対向する位置に、前記第２半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極を備え、
前記第１半導体層は、前記反射電極の一部上面及び前記導電性酸化膜層の上面に底面を接触するように配置され、
前記絶縁層が、前記反射電極及び前記導電性酸化膜層の外側面を覆うように形成されることを別の特徴とする。

この構成によれば、電極の対向位置に形成された導電性酸化膜層の存在によって、電流を支持基板の基板面に平行な方向に拡げて発光層の全体で発光させ光出力を向上させる効果が得られる。そして、絶縁層は、反射電極の外側面を覆うことで、マイグレーションの抑制機能を有する。

更に、この絶縁層は、導電性酸化膜層の外側面も覆う構成としている。これにより、製造時の素子分離工程において、導電性酸化膜層が露出することがないため、この材料が巻き上げられて第１半導体層、発光層又は第２半導体層の側面に付着することに由来したリーク電流や短絡の発生を防止できる。

ここで、前記発光層が、波長が４００ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体層で構成されている場合には、マイグレーションの抑制のために前記絶縁層を形成する効果が大きく現れる。この理由については、「発明を実施するための形態」の項にて後述される。

本発明のＬＥＤ素子によれば、マイグレーション由来のリーク電流の発生が抑制され、発光効率の高いＬＥＤ素子が実現できる。

第１実施形態のＬＥＤ素子の概略断面図である。 第１実施形態と従来構造のＬＥＤ素子に対し、長時間動作後の逆バイアス印加時における電流電圧特性を示すグラフである。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 第２実施形態のＬＥＤ素子の概略断面図である。 第２実施形態と検討用のＬＥＤ素子に対し、初期の逆バイアス印加時における電流電圧特性を示すグラフである。 検討用のＬＥＤ素子の概略断面図である。 第２実施形態のＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 第２実施形態のＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 第２実施形態のＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 第２実施形態のＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 別実施形態のＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 別実施形態のＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 従来のＬＥＤ素子の概略断面図である。

本発明のＬＥＤ素子につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

＜第１実施形態＞
ＬＥＤ素子の第１実施形態につき、説明する。

［構造］
図１は、ＬＥＤ素子１の概略断面図である。なお、図１０に示すＬＥＤ素子９０と同一の部材については、同一の符号を付している。

ＬＥＤ素子１は、支持基板１１、導電層２０、反射電極１９、絶縁層３、ＬＥＤ層３０及び電極４２を含んで構成される。ＬＥＤ層３０は、ｐ型半導体層３１（「第１半導体層」に対応）、発光層３３、及びｎ型半導体層３５（「第２半導体層」に対応）が下からこの順に積層されて形成されている。また、導電層２０は、ハンダ層１３、ハンダ層１５、及び保護層１７を有している。

（支持基板１１）
支持基板１１は、例えばＣｕＷ，Ｗ，Ｍｏなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。

（導電層２０）
支持基板１１の上層には、多層構造からなる導電層２０が形成されている。この導電層２０は、本実施形態では、ハンダ層１３、ハンダ層１５及び保護層１７を含む。

ハンダ層１３及びハンダ層１５は、例えばＡｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｉｎ，Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ｐｄ−Ｓｎ，Ｓｎなどで構成される。後述するように、これらのハンダ層１３とハンダ層１５は、支持基板１１上に形成されたハンダ層１３と、別の基板上に形成されたハンダ層１５を対向させた後に、両者を貼り合せることで形成されたものである。

保護層１７は、例えばＰｔ系の金属（ＴｉとＰｔの合金），Ｗ，Ｍｏなどで構成される。後述するように、ハンダ層を介した貼り合わせの際、ハンダを構成する材料が後述する反射電極１９側に拡散し、反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。

（反射電極１９）
反射電極１９は、例えばＡｇ，Ａｇ系合金（ＮｉとＡｇの合金），Ａｌ，Ｒｈなどで構成されるが、反射率の観点からはＡｇ又はＡｇ系合金が好ましい。本発明のＬＥＤ素子１は、発光層３３から放射された光を、図１の上向き（電極４２側）に取り出すことを想定しており、反射電極１９は、発光層３３から下向きに放射された光を上向きに反射させることで発光効率を高める機能を果たしている。

なお、反射電極１９は、底面を導電層２０と接触しており、一部上面をＬＥＤ層３０、より詳細にはｐ型半導体層３１と接触している。支持基板１１と電極４２の間に電圧が印加されると、支持基板１１、導電層２０、反射電極１９、ＬＥＤ層３０を介して電極４２へと流れる電流経路が形成される。

（絶縁層３）
絶縁層３は、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，Ｚｒ_２Ｏ_３，ＳｉＮ，ＳｉＯ_２などで構成され、特にＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮで構成されるのが好ましい。この絶縁層３は、上面がｐ型半導体層３１の底面と接触している。また、支持基板１１の基板面に平行な方向に関し、反射電極１９の外側面を覆うように形成されている。この絶縁層３の機能については後述される。なお、この絶縁層３としては、大気に含まれる水分等、外部からの水分の侵入を防止できる材料が用いられる。

（ＬＥＤ層３０）
上述したように、ＬＥＤ層３０は、ｐ型半導体層３１、発光層３３及びｎ型半導体層３５が下からこの順に積層されて形成される。

ｐ型半導体層３１は、例えばＡｌＧａＮで構成され、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。

発光層３３は、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層とＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する窒化物半導体層で形成される。これらの層はノンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。

ｎ型半導体層３５は、例えばＡｌＧａＮで構成される層（電子供給層）とＧａＮで構成される層（保護層）を含む多層構造で構成される。少なくとも保護層には、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。

（電極４２）
電極４２はｎ型半導体層３５の上層に形成され、例えばＣｒ−Ａｕで構成されるｎ型電極で構成される。特に、ＬＥＤ素子１においては、絶縁層３に対して、支持基板１１の基板面に直交する方向（鉛直方向）に対向する位置に係るｎ型半導体層３５の上層に電極４２が形成されている。

電極４２のうち、端部に形成されている電極については、例えばＡｕ，Ｃｕなどで構成されるワイヤが連絡されており（不図示）、このワイヤの他方は、ＬＥＤ素子１が配置されている基板の給電パターンなどに接続される（不図示）。

［絶縁層３の機能］
次に、ＬＥＤ素子１が備える絶縁層３の機能について説明する。本実施形態では、絶縁層３は、電流を水平方向に拡げることで発光層３３の全体での発光に寄与させる第１の機能に加えて、継続点灯動作を行なっても反射電極１９を構成する金属材料のマイグレーションの発生を抑制する第２の機能を奏する。

第１の機能については、図１０を参照して説明したＬＥＤ素子９０の絶縁層４１の機能と同じであるため、説明を省略する。

第２の機能につき、図２を参照して説明する。図２は、図１０に示す従来構成のＬＥＤ素子９０と、図１に示す本実施形態のＬＥＤ素子１について、それぞれ５００時間動作させた後における、逆バイアス印加時の電流電圧特性を示したグラフである。

マイグレーションは、ＬＥＤ素子の動作時間が長くなると顕在化する現象である。通常、逆バイアス電圧を印加した時点では、ＬＥＤ層３０にはほとんど電流は流れない。しかし、マイグレーションが生じると、ＬＥＤ層３０に導電材料が流入する結果、逆バイアス印加時においても大きなリーク電流が流れる。図２によれば、従来のＬＥＤ素子９０においては、−５Ｖの電圧印加時にＬＥＤ素子１よりも３桁以上大きい電流がＬＥＤ層３０を介して流れており、リーク電流が生じていることが分かる。これに対し、本発明のＬＥＤ素子１では、このリーク電流が大幅に抑制されている。

ＬＥＤ素子９０の構成によってマイグレーション現象が生じる理由は、以下によるものと推察される。

ＬＥＤ素子９０の構成において、反射電極１９の外側面は露出状態にあり、周辺雰囲気に晒されている。この状態の下で、ＬＥＤ素子９０の点灯状態が継続すると、反射電極１９間の電位差と、周辺雰囲気から反射電極１９の表面に吸着した水分の存在により、以下の（化１）のような電離が生じる。

（化１）
Ａｇ → Ａｇ^＋
Ｈ_２Ｏ → Ｈ^＋ ＋ ＯＨ⁻

以下の（化２）により、反射電極１９の陽極側（支持基板１１側）においてＡｇＯＨが析出される。

（化２）
Ａｇ^＋ ＋ ＯＨ⁻ → ＡｇＯＨ

以下の（化３）により、このＡｇＯＨは分解されて、反射電極１９の陽極側でＡｇ_２Ｏとなり、コロイド状に分散される。

（化３）
２ＡｇＯＨ ←→ Ａｇ_２Ｏ ＋ Ｈ_２Ｏ

更に、水分が加えられると、以下の（化４）のような反応が進行し、Ａｇ^＋が生成されて陰極側（ＬＥＤ層３０側）に移動する。

（化４）
Ａｇ_２Ｏ ＋ Ｈ_２Ｏ ←→ ２ＡｇＯＨ ←→ ２Ａｇ^＋ ＋ ２ＯＨ⁻

以上の（化１）〜（化４）の反応を繰り返し、Ａｇ^＋がＬＥＤ層３０側へと移動して、Ａｇのデンドライト状の析出が進行する。これにより、ＬＥＤ層３０内に導電材料のＡｇが析出し、リーク電流の原因を作り出す。場合によっては、ｐ型半導体層３１とｎ型半導体層３５がこのＡｇによって短絡してしまう。

これに対し、ＬＥＤ素子１の構成によれば、反射電極１９の側面が絶縁層３で覆われている。このため、反射電極１９の表面が周辺雰囲気に晒されておらず、周辺雰囲気に含まれる水分が反射電極１９の表面に付着することがない。また、絶縁層３は防水性を有しているため、絶縁層３を介して周辺雰囲気内の水分が反射電極１９の表面に取り込まれることもない。

よって、ＬＥＤ素子１の構成によれば、上記（化１）の反応が抑制されるため、（化１）〜（化４）を経て反射電極１９のＡｇ成分がＬＥＤ層３０内に進行する現象が抑制される。

ＬＥＤ素子９０において、マイグレーションの発生を防止する目的で、反射電極１９を含む素子の周辺を絶縁性の樹脂で覆って反射電極１９を周辺雰囲気に晒さないようにする方法も考えられる。しかし、一般的なエポキシ系樹脂に紫外線が当たると黄変現象が生じ、透過率が低下してしまうことが知られている（上記特許文献３参照）。このような現象が生じると、光の取り出し効率が大幅に低下してしまう。よって、光取り出し効率の観点から、このような樹脂でＬＥＤ素子９０を覆うことはできない。

また、一部のシリコーン系樹脂は、耐紫外線特性を有するものがある。このような樹脂によれば、紫外線が照射されても、透過率があまり低下しないため、光取り出し効率の問題は解消する。しかし、この樹脂は透湿性を有していることが知られている（上記特許文献４参照）。つまり、このような樹脂でＬＥＤ素子９０を覆ったとしても、この樹脂を介して反射電極１９の表面に周辺雰囲気内の水分が付着してしまう。

上記ＬＥＤ素子１の構成によれば、紫外や近紫外の波長の光（波長が４００ｎｍ以下の光）を放射する素子として設計された場合においても、マイグレーションの発生が防止される。また、その構造としても、単に絶縁層３で反射電極１９の外側面を覆うのみでよいため、ＬＥＤ素子９０と比較しても追加的に複雑なプロセスを要求されるものではない。

［製造プロセス］
次に、このようなＬＥＤ素子１の製造プロセスの一例につき、図３Ａ〜図３Ｈに示す工程断面図及び図１を参照して説明する。

（ステップＳ１）
図３Ａに示すように、サファイア基板６１上にＬＥＤエピ層４０を形成する。このステップＳ１は例えば以下の手順により行われる。

（サファイア基板６１の準備）
まず、ｃ面サファイア基板６１のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板６１を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

（アンドープ層３６の形成）
次に、ｃ面サファイア基板６１の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層３６に対応する。

アンドープ層３６のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、ｃ面サファイア基板の表面６１に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。

（ｎ型半導体層３５の形成）
次に、アンドープ層３６の上層にＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮの組成からなる電子供給層を形成し、更にその上層にｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成する。これら電子供給層及び保護層がｎ型半導体層３５に対応する。

ｎ型半導体層３５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給する。これにより、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３で厚みが１．７μｍの電子供給層をアンドープ層３６の上層に形成する。

その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給することにより、電子供給層の上層に厚みが５ｎｍのｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成する。

なお、ｎ型半導体層３５に含まれるｎ型不純物としては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ及びＴｅなどを用いることができる。これらの中では、特にＳｉが好ましい。

（発光層３３の形成）
次に、ｎ型半導体層３５の上層にＩｎＧａＮで構成される井戸層及びｎ−ＡｌＧａＮで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する発光層３３を形成する。

発光層３３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる井戸層及び厚みが７ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する発光層３３が、ｎ型半導体層３５の表面に形成される。

（ｐ型半導体層３１の形成〉
次に、発光層３３の上層に、Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＮで構成されるｐ型半導体層３１を形成する。

ｐ型半導体層３１の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルを処理炉内に６０秒間供給する。これにより、発光層３３の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、トリメチルアルミニウムの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型半導体層３１が形成される。

なお、必要に応じて、このｐ型半導体層３１の上層に、高濃度のｐ型コンタクト層を形成するものとしても構わない。この場合においては、ｐ型半導体層３１の形成後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、ビスシクロペンタジエニルの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給する。これにより、厚みが５ｎｍのｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層が形成される。

なお、ｐ型不純物としては、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどを用いることができる。

このようにしてサファイア基板６１上に、アンドープ層３６、ｎ型半導体層３５、発光層３３、ｐ型半導体層３１を含むＬＥＤエピ層４０が形成される。

（ステップＳ２）
次に、ステップＳ１で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。

（ステップＳ３）
次に、図３Ｂに示すように、ｐ型半導体層３１の上層の所定箇所に絶縁層３を形成する。より具体的には、絶縁層３の非形成領域に係るｐ型半導体層３１の上層をマスクしておき、Ａｌ_２Ｏ_３などの防水性絶縁材料をスパッタリング法によって成膜する。更に、別のマスクを用いて外周に近い側のみ同様の方法で成膜する。成膜する絶縁層３の材料としては、防水性能と絶縁性能を有するものであれば、Ａｌ_２Ｏ_３に限られない。

ここでは、ｐ型半導体層３１の上層のうち、外周に近い箇所ｄ１の絶縁層３の膜厚を３００ｎｍ程度とし、その内側の箇所ｄ２の絶縁層３の膜厚を１００ｎｍ程度としている。

（ステップＳ４）
次に、図３Ｃに示すように、ｐ型半導体層３１の上面及び膜厚の薄い内側に係る絶縁層３の上面を覆うように、反射電極１９を形成する。ここで、反射電極１９の膜厚を、膜厚の薄い内側に係る絶縁層３の上面に形成された反射電極１９の上面が、外周に近い箇所の絶縁層３の上面の高さ位置よりも低くなるようにする。これにより反射電極１９は、素子外周に形成された絶縁層３よりも内側に位置するように形成される。

反射電極１９のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、スパッタ装置にてｐ型半導体層３１の上面及び膜厚の薄い内側に係る絶縁層３の上面を覆うように、膜厚０．７ｎｍのＮｉ及び膜厚１５０ｎｍのＡｇを成膜して、反射電極１９を形成する。次に、ＲＴＡ装置を用いてドライエアー雰囲気中で４００℃、２分間のコンタクトアニールを行う。

（ステップＳ５）
次に、図３Ｄに示すように、反射電極１９の上面を覆うように保護層１７を形成し、その上層にハンダ層１５を形成する。保護層１７及びハンダ層１５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。

まず、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）にて反射電極１９の上面に、膜厚１００ｎｍのＴｉと膜厚２００ｎｍのＰｔを２周期成膜することで、保護層１７を形成する。更にその後、保護層１７の上面に、膜厚１０ｎｍのＴｉを蒸着させた後、Ａｕ８０％／Ｓｎ２０％で構成されるＡｕ−Ｓｎハンダを膜厚３μｍ蒸着させることで、ハンダ層１５を形成する。

なお、このハンダ層１５の形成ステップにおいて、サファイア基板６１とは別に準備された支持基板１１の上面にもハンダ層１３を形成するものとして構わない（図３Ｅ参照）。このハンダ層１３は、ハンダ層１５と同一の材料で構成されるものとしてよく、次のステップにおいてハンダ層１３と接合されることで、サファイア基板６１と支持基板１１が貼り合せられる。なお、この支持基板１１としては、構造の項で前述したように、例えばＣｕＷが用いられる。

（ステップＳ６）
次に、図３Ｆに示すように、サファイア基板６１と支持基板１１とを貼り合せる。より具体的には、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、ハンダ層１５と支持基板１１の上層に形成されたハンダ層１３とを貼り合せる。

（ステップＳ７）
次に、図３Ｇに示すように、サファイア基板６１を剥離する。より具体的には、サファイア基板６１を上に、支持基板１１を下に向けた状態で、サファイア基板６１側からＫｒＦエキシマレーザを照射して、サファイア基板６１とＬＥＤエピ層４０の界面を分解させることでサファイア基板６１の剥離を行う。サファイア６１はレーザが通過する一方、その下層のＧａＮはレーザを吸収するため、この界面が高温化してＧａＮが分解される。これによってサファイア基板６１が剥離される。

その後、ウェハ上に残存しているＧａＮを、塩酸などを用いたウェットエッチング、ＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって除去し、ｎ型半導体層３５を露出させる。なお、本ステップＳ７においてアンドープ層３６が除去されて、ｐ型半導体層３１、発光層３３、及びｎ型半導体層３５が下からこの順に積層されてなるＬＥＤ層３０が残存する。

（ステップＳ８）
次に、図３Ｈに示すように隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて絶縁層３の上面が露出するまでＬＥＤ層３０をエッチングする。これにより、隣接領域のＬＥＤ層３０同士が分離される。

（ステップＳ９）
次に、図１に示すように、ｎ型半導体層３５の上面のうち、支持基板１１の基板面に垂直な方向に絶縁層３と対向する位置に電極４２を形成する。より具体的には、膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕからなる電極を形成後、窒素雰囲気中で２５０℃１分間のシンタリングを行う。

その後の工程としては、露出されている素子側面、及びワイヤボンディングを行う予定の電極４２以外の上面を絶縁層で覆う。より具体的には、ＥＢ装置にてＳｉＯ_２，ＳｉＮを成膜する。その後、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、支持基板１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合して一部の電極４２に対してワイヤボンディングを行う。

なお、ステップＳ８の後、光取り出し効率を向上させる目的で、ｎ型半導体層３５の表面に凹凸を形成するプロセスを行なっても構わない。具体的には、ＫＯＨなどのアルカリ溶液を浸すことで凹凸形成を行う。このとき、次のステップＳ９で電極４２を形成する箇所に対しては、凹凸を形成しないものとしても構わない。これらの箇所に凹凸を形成しないことで、電極を形成する箇所のｎ型半導体層３５の表面がなだらかとなる。電極形成箇所のｎ型半導体層３５の表面をなだらかにすることで、特に電極４２の形成後、ワイヤボンディングを行う際に電極４２とｎ型半導体層３５の界面にボイドが発生するのを防ぐ効果が得られる。

＜第２実施形態＞
ＬＥＤ素子の第２実施形態につき、説明する。なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と異なる箇所のみを説明する。

［構造］
図４は、第２実施形態のＬＥＤ素子１Ａの概略断面図である。図１に示すＬＥＤ素子１と比較して、反射電極１９の上層に導電性酸化膜層４を備える点が異なる。

導電性酸化膜層４は、例えばＩＴＯ，ＩＺＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_ｘ）などの酸化物導電性材料で構成される。この導電性酸化膜層４は、上面がｐ型半導体層３１の底面と接触している。この導電性酸化膜層４としては、透光性の酸化物導電性材料を用いるのがより好ましい。

また、電極４２は、ｎ型半導体層３５の上層のうち、この導電性酸化膜層４と支持基板１１の基板面に垂直な方向（鉛直方向）に対向する位置に配置される。

この導電性酸化膜層４は、第１実施形態において上述した絶縁層３の第１の機能を奏する。導電性酸化膜層４は、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁層と比べると比抵抗が小さいものの、Ａｇなどで構成される反射電極１９と比べると２桁程度比抵抗を大きくすることができる。反射電極１９は、電極４２と鉛直方向に対向しない位置においてｐ型半導体層３１と接触する一方、電極４２と鉛直方向に対向する位置では導電性酸化膜層４に接触し、ｐ型半導体層３１とは接触していない。

よって、反射電極１９と電極４２の間に電圧が印加されると、電極４２の直下には位置しない、ｐ型半導体層３１と接触する箇所における反射電極１９から、発光層３３を介して電極４２に向かう電流経路に沿って電流が流れる。よって、発光層３３内において水平方向に一定の広がりを有した電流経路を介して電流を流すことができる。これにより、水平方向に関し発光層３３内を電流が流れる領域が広がるため、ＬＥＤ素子１Ａは高い発光効率が実現される。

そして、この構成において、絶縁層３は、支持基板１１の基板面に平行な方向に関し、反射電極１９及び導電性酸化膜層４の外側面を覆うように形成されている。反射電極１９の外側面を覆う構成であるため、第１実施形態と同様にマイグレーションの抑制機能を実現できる。更に、導電性酸化膜層４の外側面を覆うことで、導電性酸化膜層４の材料がＬＥＤ層３０の表面に付着することに起因するリーク電流の抑制機能も実現する。

図５は、図２と同様に、ＬＥＤ素子１Ａに対して逆バイアス印加時の電流電圧特性を示したグラフである。なお、図６に示すＬＥＤ素子２を検討用素子として用いた。この素子は、図１０に示す従来のＬＥＤ素子９０のうち、絶縁層４１に代えて導電性酸化膜層４を形成したものである。

ＬＥＤ素子１Ａ及び検討用のＬＥＤ素子２においても、製造する際には、第１実施形態で上述したステップＳ８の素子分離工程が必須となる。ＬＥＤ素子２の場合、この素子分離工程は、導電性酸化膜層４が露出するまでＬＥＤ層３０をエッチングする工程となる。本来、導電性酸化膜層４の上面が露出した時点でエッチングを終了すればよいが、実際にはそれが困難であるため、導電性酸化膜層４も一部エッチングされてしまう。このとき、エッチングされた導電性酸化膜層４の材料の一部が、ＬＥＤ層３０の側面に付着し、リーク電流などの原因になる可能性がある。このような現象が生じると、耐圧が低下し、電気的特性が悪化するなどの不具合を招く。

導電性酸化膜層４がＬＥＤ層３０の側面に付着していた場合、ＬＥＤ素子の初期段階からリーク電流の発生が顕在化する。このため、図５では、図２とは異なり、初期時において、ＬＥＤ素子１Ａ及び検討用のＬＥＤ素子２に対して逆バイアスを印加し、電流電圧特性を測定している。

図５によれば、検討用のＬＥＤ素子２においては、−５Ｖの電圧印加時に、ＬＥＤ素子１Ａよりも５桁以上大きい電流がＬＥＤ層３０を介して流れており、リーク電流が生じていることが分かる。これに対し、本発明のＬＥＤ素子１Ａでは、このリーク電流が大幅に抑制されている。

本発明のＬＥＤ素子１Ａにおいては、導電性酸化膜層４の外側面を覆うように絶縁層３が形成されている。よって、上述した素子分離工程は、導電性酸化膜層４ではなく、この絶縁層３が露出するまでＬＥＤ層３０をエッチングする工程となる。従って、素子分離工程において導電性酸化膜層４の材料が巻き上がることがないため、ＬＥＤ層３０の側面にこの導電材料が付着することに起因するリーク電流を防止する効果が得られている。

更に、ＬＥＤ素子１Ａが備える絶縁層３は、ＬＥＤ素子１と同様に、反射電極１９の外側面も覆うように形成されている。このため、ＬＥＤ素子１と同様、反射電極１９のマイグレーションによるリーク電流の抑制機能も実現する。

［製造プロセス］
次に、このようなＬＥＤ素子１Ａの製造プロセスの一例につき、第１実施形態と異なる箇所のみを説明する。

ＬＥＤ素子１と同様に、ステップＳ１及びＳ２を実行する。次に、ステップＳ３において、図７Ａに示すように、ｐ型半導体層３１の上層のうちの外周に近い箇所にのみ絶縁層３を形成する。例えば、その膜厚を３００ｎｍ程度とする。

次に、図７Ｂに示すように、ｐ型半導体層３１の上層の所定箇所、より詳細には外側面が絶縁層３に接触するように導電性酸化膜層４を形成する。このとき、導電性酸化膜層４の膜厚を、その上面の位置が絶縁層３の上面の高さ位置よりも低くなるようにする。これにより導電性酸化膜層４は、素子外周に形成された絶縁層３よりも内側に位置するように形成される。

次に、図７Ｃに示すように、ｐ型半導体層３１の上面及び導電性酸化膜層４の上面を覆うように反射電極１９を形成する。ここで、反射電極１９の膜厚を、導電性酸化膜層４の上面に形成された反射電極１９の上面が、絶縁層３の上面の高さ位置よりも低くなるようにする。これにより反射電極１９は、素子外周に形成された絶縁層３よりも内側に位置するようにされる。

以後、第１実施形態と同様にステップＳ５〜Ｓ７を実行する。

次に、ステップＳ８と同様、図７Ｄに示すように隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて絶縁層３が露出するまでＬＥＤ層３０をエッチングする。これにより、隣接領域のＬＥＤ層３０同士が分離される。なお、この工程において、上述したように、導電性酸化膜層４が露出することがないので、導電性材料が巻き上げられてＬＥＤ層３０の側面に付着するという現象が抑制される。

以後は、第１実施形態と同様のステップを経て、図４に示すＬＥＤ素子１Ａが形成される。

＜別実施形態＞
以下に、別実施形態につき説明する。

〈１〉 図８に示すＬＥＤ素子１Ｂのように、図１のＬＥＤ素子１に対して、ｎ型半導体層３５の上面に追加の電極４３を備える構成としても構わない。この電極４３は、ｎ型半導体層３５の上面に例えば網目状に形成されることで、ＬＥＤ層３０に流れる電流を支持基板１１の基板面に平行な方向に拡げる機能を有する。この構成の場合、反射電極１９の上層において、電極４３と支持基板１１の基板面に垂直な方向に対向する位置にも絶縁層３が形成される。この位置の絶縁層３は、上述したステップＳ３における外周よりも内側に位置する膜厚ｄ２と同等とすればよい。

更に、図９に示すＬＥＤ素子１Ｃのように、第２実施形態のＬＥＤ素子１Ａに対しても、同様にｎ型半導体層３５の上面に追加の電極４３を備える構成としても構わない。この場合、図７Ｂに示すステップにおいて、図９上において電極４３と支持基板１１の基板面に垂直な方向に対向する位置となる箇所にも導電性酸化膜層４を形成するものとすればよい。

〈２〉 上述の実施形態では、保護層１７をＬＥＤエピ層４０側に形成したが、支持基板１１側に形成しても構わない。すなわち、図３Ｅに示す構成に代えて、支持基板１１の上層に保護層１７を形成し、その上層にハンダ層１３を形成したものを、ステップＳ６においてサファイア基板６１と貼り合せても構わない。

〈３〉 上述の実施形態では、サファイア基板６１と支持基板１１の両者にハンダ層を形成したが（ハンダ層１３、１５）、どちらか一方にのみハンダ層を形成した後に両基板を貼り合せても構わない。

〈４〉 各工程断面図を参照して上述した製造方法は、好ましい実施形態の一例であって、これらのプロセスの全てを備えなければならないというものではない。例えばハンダ層１３とハンダ層１５は、２つの基板の貼り合せを効率的に行うべく形成されたものであって、２基板の貼り合せが実現できるのであればＬＥＤ素子１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）の機能を実現する上で必ずしも必要なものではない。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ ： 本発明のＬＥＤ素子
２ ： 検討用素子
３ ： 絶縁層
４ ： 導電性酸化膜層
１１ ： 支持基板
１３ ： ハンダ層
１５ ： ハンダ層
１７ ： 保護層
１９ ： 反射電極
２０ ： 導電層
３０ ： ＬＥＤ層
３１ ： ｐ型半導体層
３３ ： 発光層
３５ ： ｎ型半導体層
３６ ： アンドープ層
４０ ： ＬＥＤエピ層
４２ ： 電極
４３ ： 電極
６１ ： サファイア基板

Claims (4)

1. 導電体又は半導体で構成された支持基板と、
   前記支持基板の上層に形成された導電層と、
   前記導電層の上層に形成された反射電極と、
   前記反射電極の上層に形成されたｐ型窒化物半導体層で構成される第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上層に形成された、窒化物半導体層で構成される発光層と、
   前記発光層の上層に形成された、ｎ型窒化物半導体層で構成される第２半導体層と、
   少なくとも前記反射電極の外側面を覆うように形成され、防水機能を有し、厚みの異なる領域を有する絶縁層と、
   前記第２半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極とを有し、
   前記絶縁層は、厚みの厚い第１領域が前記支持基板の基板面に平行な方向に関して前記第１半導体層よりも外側に位置し、且つ、前記第１半導体層の端部領域において前記支持基板の基板面に垂直な方向に関して前記電極と対向するように形成され、
   前記反射電極は、前記電極に対して前記支持基板の基板面に垂直な方向に対向する位置において、当該反射電極の一部が前記絶縁層のうちの前記第１領域よりも厚みの薄い第２領域の下層に位置し、且つ、前記支持基板の基板面に平行な方向に関して異なる位置において、前記絶縁膜の前記第１領域が構成する側面と、前記絶縁膜の前記第２領域が構成する側面とに接触するように形成されていることを特徴とするＬＥＤ素子。
2. 導電体又は半導体で構成された支持基板と、
   前記支持基板の上層に形成された導電層と、
   前記導電層の上層に形成された反射電極と、
   前記反射電極の上層に形成されたｐ型窒化物半導体層で構成される第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上層に形成された、窒化物半導体層で構成される発光層と、
   前記発光層の上層に形成された、ｎ型窒化物半導体層で構成される第２半導体層と、
   少なくとも前記反射電極の外側面を覆うように形成された、防水機能を有する絶縁層と、
   前記第２半導体層の一部上面に底面を接触して形成された電極と、
   前記反射電極の一部上面に底面を接触して形成された導電性酸化膜層とを備え、
   前記第１半導体層は、前記反射電極の一部上面及び前記導電性酸化膜層の上面に底面を接触するように配置され、
   前記絶縁層が、前記反射電極及び前記導電性酸化膜層の外側面を覆うように形成されており、
   前記反射電極は、前記電極に対して前記支持基板の基板面に垂直な方向に対向する位置において、当該反射電極の一部が前記導電性酸化膜層の下層に位置するように形成されていることを特徴とするＬＥＤ素子。
3. 前記発光層は、波長が４００ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ素子。
4. 前記反射電極は、Ａｇを含む金属で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。

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