JPWO2006082687A1 - GaN-based light emitting diode and light emitting device - Google Patents

GaN-based light emitting diode and light emitting device Download PDF

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隆秀 城市
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博昭 村田
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Abstract

発光効率が改善されたGaN系発光ダイオードと、それを用いた発光装置を提供する。n型GaN系半導体層2の上に、GaN系半導体からなる発光層3と、p型GaN系半導体層4とが、この順に形成され、p型GaN系半導体層4の表面には、p型オーミック電極P2が、窓部を有するパターンに形成されており、前記窓部を通して前記発光層から届く光を反射する金属製の反射層P5が、p型GaN系半導体層4とで、p型オーミック電極P2を挟むように形成され、反射層P5とp型オーミック電極P2との間には、絶縁体からなる保護膜P4が介在されている、GaN系発光ダイオード。当該GaN系発光ダイオードの好ましい実施態様においては、反射層P5の最表面層をボンディング層として、または、反射層P5の上に、さらに、ボンディング層を形成して、このボンディング層と実装用基材とを、導電性接合材料で接合する。Provided are a GaN-based light emitting diode with improved luminous efficiency and a light emitting device using the same. On the n-type GaN-based semiconductor layer 2, a light-emitting layer 3 made of a GaN-based semiconductor and a p-type GaN-based semiconductor layer 4 are formed in this order. The ohmic electrode P2 is formed in a pattern having a window portion, and a metal reflective layer P5 that reflects light reaching from the light emitting layer through the window portion is a p-type ohmic contact with the p-type GaN-based semiconductor layer 4. A GaN-based light emitting diode, which is formed so as to sandwich the electrode P2, and a protective film P4 made of an insulator is interposed between the reflective layer P5 and the p-type ohmic electrode P2. In a preferred embodiment of the GaN-based light emitting diode, the outermost surface layer of the reflective layer P5 is used as a bonding layer, or a bonding layer is further formed on the reflective layer P5. Are bonded with a conductive bonding material.

Description

本発明は、発光効率が改善されたGaN系発光ダイオードと、それを用いた発光装置に関する。  The present invention relates to a GaN-based light emitting diode with improved luminous efficiency and a light emitting device using the same.

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AlInGa1−a−bN(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、三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)法などの気相成長方法を用いて、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系半導体層を順に積層し、その後、n型GaN系半導体層とp型GaN系半導体層のそれぞれに電極を形成することによって製造することができる。
なお、本明細書では、GaN系半導体層の気相成長時に、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(基板や半導体層の厚み方向でもある。)と直交する方向を、横方向とも呼ぶ。
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。
また、p型GaN系半導体に対するオーミック電極をp型オーミック電極とも呼び、n型GaN系半導体に対するオーミック電極をn型オーミック電極とも呼ぶ。
透明基板の上に、n型層、発光層、p型層が順に積層され、p型層の上に、発光層で発生される光が透過するように形成されたp型オーミック電極と、反射層とが設けられたGaN系LEDが公知である(特開2004−119996号公報)。
A GaN-based light emitting diode (hereinafter also referred to as a “GaN-based LED”) is a semiconductor light emitting device having a pn junction diode structure in which p-type and n-type GaN-based semiconductors are joined with a light-emitting layer made of a GaN-based semiconductor interposed therebetween. By selecting the composition of the GaN-based semiconductor that constitutes the light-emitting layer of the device, light ranging from red to ultraviolet can be emitted.
A GaN-based semiconductor is a compound semiconductor made of a group III nitride determined by the chemical formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). For example, those having an arbitrary composition such as GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, and InN are exemplified. Further, in the above chemical formula, a part of the group III element is substituted with boron (B), thallium (Tl), or the like, and a part of N (nitrogen) is phosphorus (P), arsenic (As), antimony ( Those substituted with Sb) or bismuth (Bi) are also included in the GaN-based semiconductor.
A GaN-based LED is formed on a crystal substrate made of sapphire or the like by using a vapor phase growth method such as an organic metal compound vapor phase growth (MOVPE) method, a hydride vapor phase growth (HVPE) method, or a molecular beam epitaxy (MBE) method. An n-type GaN-based semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type GaN-based semiconductor layer are sequentially stacked, and then an electrode is formed on each of the n-type GaN-based semiconductor layer and the p-type GaN-based semiconductor layer. .
In this specification, when vapor-phase growth of the GaN-based semiconductor layer, it is assumed that the crystal substrate is on the lower side and the GaN-based semiconductor layer is stacked thereon, and this distinction between the upper and lower sides is described for the element structure. This also applies to A direction orthogonal to the vertical direction (also the thickness direction of the substrate and the semiconductor layer) is also referred to as a horizontal direction.
The p-type GaN-based semiconductor layer is also simply referred to as a p-type layer, and the n-type GaN-based semiconductor layer is also simply referred to as an n-type layer.
An ohmic electrode for a p-type GaN-based semiconductor is also called a p-type ohmic electrode, and an ohmic electrode for an n-type GaN-based semiconductor is also called an n-type ohmic electrode.
A p-type ohmic electrode formed by laminating an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer in order on a transparent substrate, and transmitting light generated in the light-emitting layer on the p-type layer, and a reflection A GaN-based LED provided with a layer is known (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-119996).

特開2004−119996号公報に記載されたGaN系LEDでは、p型層の表面にPd(パラジウム)からなるp型オーミック電極が部分的に形成され、その上を、Al(アルミニウム)からなる反射層が直接覆っている。Alは、GaN系LEDの典型的な発光波長である、緑色〜近紫外領域での反射率が最も高い金属のひとつであるため、このような構造の採用によりGaN系LEDの光取り出し効率が向上することが期待される。しかし、一方で、この構造では、オーミック電極の形成時に通常行う熱処理によって、Alがp型オーミック電極の内部や、p型オーミック電極とp型層との界面に拡散して、p型オーミック電極とp型層との間の接触抵抗が上昇することが懸念される。この接触抵抗が上昇すると、LEDの動作電圧が上昇して変換効率が低下するので、光取り出し効率が高くなっても、全体としての発光効率が低下することになる。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、発光効率の改善されたGaN系LEDを提供することを目的とする。
本発明は以下の特徴を有する。
(1)n型GaN系半導体層と、該n型GaN系半導体層の上に形成された、GaN系半導体からなる発光層と、該発光層の上に形成されたp型GaN系半導体層と、該p型GaN系半導体層の表面に、窓部を有するパターンに形成されたp型オーミック電極と、該p型オーミック電極を該p型GaN系半導体層とで挟むように形成された、該窓部を通して該発光層から届く光を反射する、金属製の反射層と、該反射層と該p型オーミック電極との間に介在された、絶縁体からなる保護膜と、を有するGaN系発光ダイオード。
(2)前記反射層の最表面層がボンディング層であるか、または、前記反射層の上に、更に、金属製のボンディング層が形成されている、前記(1)記載のGaN系発光ダイオード。
(3)前記ボンディング層が、Au、Au合金、SnまたはSn合金からなる層である、前記(2)記載のGaN系発光ダイオード。
(4)前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がAg、Ag合金、Al、Al合金、または白金族元素で形成されている、前記(3)記載のGaN系発光ダイオード。
(5)前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がAg、Ag合金、AlまたはAl合金で形成されており、更に、該部分と前記ボンディング層との間には、バリア層が介在されている、前記(3)記載のGaN系発光ダイオード。
(6)前記保護膜の膜厚が0.1μm〜1μmである、前記(2)記載のGaN系発光ダイオード。
(7)前記保護膜が、前記p型GaN系半導体層よりも低い屈折率を有する、前記(1)記載のGaN系発光ダイオード。
(8)前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がAg、Ag合金、AlまたはAl合金で形成されており、かつ、前記p型オーミック電極が、Auを含むp型オーミック電極である、前記(1)記載のGaN系発光ダイオード。
(9)前記p型オーミック電極が、前記保護膜と接する部位に、Ni、TiまたはCrからなる部分を含む、前記(1)記載のGaN系発光ダイオード。
(10)前記p型オーミック電極の膜厚が60nm〜1μmである、前記(1)記載のGaN系発光ダイオード。
(11)前記p型オーミック電極の膜厚が100nm以上である、前記(10)記載のGaN系発光ダイオード。
(12)前記窓部を有するパターンに占める窓部の面積比が60〜80%であり、かつ、前記発光層が発光波長420nm以下のInGa1−xN(x=0の場合を含む。)からなる、前記(1)記載のGaN系発光ダイオード。
(13)前記(2)に記載のGaN系発光ダイオードが、実装用基材の実装面上に、前記ボンディング層を該実装面に向けて固定されており、該ボンディング層と該実装用基材とが導電性接合材料により接合されている、発光装置。
(14)前記導電性接合材料による接合が、ろう接により形成されたものである、前記(13)記載の発光装置。
(15)前記導電性接合材料による接合が、共晶接合により形成されたものである、前記(13)記載の発光装置。
In the GaN-based LED described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-119996, a p-type ohmic electrode made of Pd (palladium) is partially formed on the surface of the p-type layer, and a reflection made of Al (aluminum) is formed thereon. The layer directly covers. Since Al is one of the metals with the highest reflectance in the green to near-ultraviolet region, which is a typical emission wavelength of GaN-based LEDs, adoption of such a structure improves the light extraction efficiency of GaN-based LEDs. Is expected to do. However, on the other hand, in this structure, Al diffuses in the inside of the p-type ohmic electrode or the interface between the p-type ohmic electrode and the p-type layer by the heat treatment usually performed at the time of forming the ohmic electrode. There is a concern that the contact resistance with the p-type layer increases. When this contact resistance increases, the operating voltage of the LED increases and the conversion efficiency decreases, so that the overall light emission efficiency decreases even when the light extraction efficiency increases.
An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and provide a GaN-based LED with improved luminous efficiency.
The present invention has the following features.
(1) An n-type GaN-based semiconductor layer, a light-emitting layer made of a GaN-based semiconductor formed on the n-type GaN-based semiconductor layer, and a p-type GaN-based semiconductor layer formed on the light-emitting layer A p-type ohmic electrode formed in a pattern having a window on the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer, and the p-type ohmic electrode sandwiched between the p-type GaN-based semiconductor layer, GaN-based light emission having a metal reflective layer that reflects light that reaches the light-emitting layer through the window, and a protective film made of an insulator interposed between the reflective layer and the p-type ohmic electrode diode.
(2) The GaN-based light emitting diode according to (1), wherein the outermost surface layer of the reflective layer is a bonding layer, or a metal bonding layer is further formed on the reflective layer.
(3) The GaN-based light emitting diode according to (2), wherein the bonding layer is a layer made of Au, Au alloy, Sn, or Sn alloy.
(4) The GaN-based light emitting diode according to (3), wherein the reflective layer is formed of Ag, an Ag alloy, Al, an Al alloy, or a platinum group element at least at a portion that reflects light reaching from the light emitting layer. .
(5) In the reflective layer, at least a portion that reflects light reaching the light emitting layer is formed of Ag, an Ag alloy, Al, or an Al alloy, and a barrier is provided between the portion and the bonding layer. The GaN-based light emitting diode according to (3), wherein a layer is interposed.
(6) The GaN-based light emitting diode according to (2), wherein the protective film has a thickness of 0.1 μm to 1 μm.
(7) The GaN-based light-emitting diode according to (1), wherein the protective film has a lower refractive index than the p-type GaN-based semiconductor layer.
(8) The reflective layer is formed of Ag, Ag alloy, Al, or Al alloy at least at a portion that reflects light reaching from the light emitting layer, and the p-type ohmic electrode includes p-type ohmic The GaN-based light emitting diode according to (1), which is an electrode.
(9) The GaN-based light emitting diode according to (1), wherein the p-type ohmic electrode includes a portion made of Ni, Ti, or Cr at a portion in contact with the protective film.
(10) The GaN-based light emitting diode according to (1), wherein the p-type ohmic electrode has a thickness of 60 nm to 1 μm.
(11) The GaN-based light emitting diode according to (10), wherein the thickness of the p-type ohmic electrode is 100 nm or more.
(12) The area ratio of the window part in the pattern having the window part is 60 to 80%, and the light emitting layer includes a case of In x Ga 1-x N (x = 0) having an emission wavelength of 420 nm or less. GaN-based light emitting diode according to (1).
(13) The GaN-based light emitting diode according to (2) is fixed on the mounting surface of the mounting base material with the bonding layer facing the mounting surface. The bonding layer and the mounting base material And a light-emitting device, which are bonded by a conductive bonding material.
(14) The light emitting device according to (13), wherein the bonding by the conductive bonding material is formed by brazing.
(15) The light emitting device according to (13), wherein the bonding by the conductive bonding material is formed by eutectic bonding.

図1は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す図であり、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2は、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3は、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4は、p型オーミック電極のパターン(窓部を有するパターン)を例示する図である。
図5は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す断面図である。
図6は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す断面図である。
図7は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す上面図である。
図8は、図1に示すGaN系発光ダイオードの実装例を示す断面図である。
図9は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す断面図である。
図10は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す断面図である。
図11は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードの製造工程を説明する図である。
図12は、本発明の実施形態に係るGaN系発光ダイオードを示す断面図である。
図13は、従来技術に係るGaN系発光ダイオードを示す断面図である。
1A and 1B are diagrams showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XY in FIG. is there.
FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process of the GaN-based light emitting diode shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining a manufacturing process of the GaN-based light emitting diode shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a p-type ohmic electrode pattern (pattern having a window).
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a top view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a mounting example of the GaN-based light emitting diode shown in FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a manufacturing process of the GaN-based light emitting diode according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to the prior art.

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n型オーミック電極、P2はp型オーミック電極、P3はp側ボンディング電極、P4は絶縁体からなる保護膜、P5は反射層である。
結晶基板1は、例えば、サファイア基板である。
n型層2は、例えば、Si(ケイ素)を5×1018cm−3の濃度でドープした、膜厚3μmのGaN層である。
発光層3は、例えば、膜厚8nmのGaN障壁層と膜厚2nmのInGaN井戸層を、各10層積層してなるMQW(多重量子井戸)層である。
p型層4は、例えば、発光層3と接する側を、Mg(マグネシウム)を1×1019cm−3の濃度でドープした膜厚30nmのAl0.1Ga0.9N層とし、p型オーミック電極P2と接する側を、Mg(マグネシウム)を5×1019cm−3の濃度でドープした膜厚200nmのGaN層とした、積層体である。
結晶基板1とn型層2との間には、GaN、AlGaNなどからなるバッファ層(図示せず)を設けることが好ましい。
n型オーミック電極P1は、例えば、n型層2と接する側から順に、膜厚30nmのAl、膜厚100nmのPd(パラジウム)、膜厚100nmのAu(金)、膜厚100nmのPt(白金)、膜厚400nmのAuを積層し、熱処理することにより形成される。
p型オーミック電極P2は、例えば、p型層4と接する側から順に、膜厚20nmのPd、膜厚100nmのAu、膜厚10nmのNi(ニッケル)を積層し、熱処理することにより形成される。このような厚さの電極膜は、不透明となるので、p型オーミック電極P2は、発光層3で発生される光が透過し得るように、窓部を有するパターンに形成されている。窓部とは、電極膜が存在しない部分である。図1の例では、p型オーミック電極P2が格子状パターンに形成されている。格子状パターンの寸法は、例えば、窓部が一辺8μmの正方形とされ、隣り合う窓部の間隔(電極膜部分の幅)が縦横それぞれ2μmとされる。
なお、p型オーミック電極P2の最表面に形成されるNi薄膜は、保護膜P4との密着性を向上させるための密着強化層である。このような密着強化層には、Ti(チタン)層やCr(クロム)層を用いることもできる。
p側ボンディング電極P3は、例えば、p型層4およびp型オーミック電極P2と接する側から順に、膜厚20nmのTi、膜厚600nmのAuを積層し、熱処理することにより形成される。
絶縁体からなる保護膜P4は、例えば、プラズマCVD法で製膜された、膜厚300nmのSiOである。
反射層P5は、例えば、保護膜P4と接する側から順に、膜厚100nmのAl、膜厚100nmのPd、膜厚100nmのAuが積層された積層体である。
図1に示すGaN系LEDにおいて、発光層3で生じる光は、主に結晶基板1の下面から素子外に出射される。発光層3から直接、または、内部反射を経て、素子内を上方に進んだ光は、p型オーミック電極P2の下面や、反射層P5の下面で反射を受け、進行方向を下方に変える。保護膜P4をSiOで形成すると、SiOの屈折率はGaN系半導体と比べて低いので、p型層4と保護膜P4との界面では、屈折率差による反射が発生し、光取り出し効率の改善効果がより高まる。SiOは、絶縁体であるために光吸収が小さく、そのために、発光層で発生される光が保護膜P4を透過する際や、p型層4と保護膜P4との界面で反射される際に受ける損失は、極めて低いものとなる。
次に、図1に示すGaN系LEDの製造工程を説明する。
まず、結晶基板1の成長面上に、MOVPE法、HVPE法、MBE法等を用いて、バッファ層、n型層2、発光層3、p型層4を順次成長する。p型層4を成長した後、必要に応じて、該p型層4を低抵抗化するために、アニーリング等の処理を行う。
図2(a)は、p型層4の成長が完了し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表示しているが、実際の工程はウェハ単位で行われる。図2(b)および(c)、図3(d)〜(f)も同様である。
p型層4の成長が完了したウェハに対して、まず、図2(b)に示すように、p型オーミック電極P2を形成する。電極膜の形成には、公知の蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを用いることができる。電極膜のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ技法を用いて行うことができる。例えば、p型層4の表面にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより、形成しようとする電極の形状に開口部をパターニングした後、電子ビーム蒸着法を用いて電極膜を製膜し、最後にフォトレジスト膜をリフトオフする方法である。また、先に電極膜を全面に形成し、後から不要な部分をエッチング除去する方法も可能である。
n型オーミック電極P1、p側ボンディング電極P3、保護膜P4、反射層P5のパターニングも、同様の方法により行うことができる。
p型オーミック電極P2を形成したら、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、p型層4の表面側から、p型層4と発光層3の一部を除去し、図2(c)に示すように、n型層2を露出させる。この工程は、後述するn型オーミック電極P1の形成の直前に行ってもよい。
次に、図3(d)に示すように、p型オーミック電極P2の一部を覆って、絶縁体からなる保護膜P4を形成する。製膜法としては、保護膜の種類に応じて、CVD法、スパッタリング法、蒸着法等、公知の製膜法を適宜用いることができる。ゾル−ゲル法などの湿式法を用いることも妨げられない。保護膜P4をSiOで形成する場合に好ましい製膜法は、ピンホールが発生し難いプラズマCVD法である。
次に、図3(e)に示すように、保護膜P4の表面に反射層P5を形成する。反射層P5の形成には、公知の蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを用いることができる。なお、図3(e)では、反射層P5を、その縁部が、保護膜P4の縁部を越えないように形成しているが、このような構成は必須ではなく、反射層P5は、保護膜P4とちょうど重なるように形成してもよいし、保護膜P4の縁部を超えて、p型層4の表面と接するように形成してもよい。
次に、図3(f)に示すように、n型オーミック電極P1と、p側ボンディング電極P3をそれぞれ形成する。n型オーミック電極P1は、先に反応性イオンエッチングにより露出させておいた、n型層2の表面に形成する。p側ボンディング電極P3は、p型オーミック電極P2の露出した部分に、電気的に接続されるように形成する。これらの電極は、いずれから先に形成しても構わない。製膜には、公知の蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを用いることができる。
n型オーミック電極P1とp側ボンディング電極P3の形成が完了した後、ウェハ全体を、400℃で、5分間、熱処理し、電極とGaN系半導体層との密着を促進させる。この熱処理には、保護膜P4と反射層P5との密着性を向上させる効果も有る。
なお、n型オーミック電極とp型オーミック電極については、半導体との接触抵抗を下げるために、このような熱処理を行うことが望ましいが、電極材料の中には、熱処理を行わなくても、実用上十分に低い接触抵抗が得られるものもあり、そのような電極材料を用いる場合には、熱処理は必須ではない。また、n型オーミック電極とp型オーミック電極以外の部材については、熱処理は必須ではない。
熱処理後、必要に応じて結晶基板1の下面を研削および/または研磨して、結晶基板1の厚さを薄くした後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断などの方法を用いて素子分離を行う。
以上、本発明の実施形態に係るGaN系LEDの構成および製造工程を、図1〜図3を用いて説明したが、本発明は前記例示に係る構成に限定されるものではない。
結晶基板は、GaN系半導体のエピタキシャル成長に使用可能な基板であればよく、サファイア基板の他に、Si、SiC、GaN、AlGaN、ZnO、AlN、GaAs、GaP、ZrB、TiB、スピネル、NGO(NdGaO)、LGO(LiGaO)、LAO(LaAlO)等からなる基板や、これらの材料からなる結晶層を表層として有する基板が、好ましい結晶基板として例示される。
結晶基板の結晶成長面を加工して凹凸面としたり、該面上に、GaN系半導体結晶の成長を阻害するマスクを部分的に形成することにより、GaN系半導体結晶の横方向成長を発生させることができる。横方向成長した結晶は、転位密度の低い高品質の結晶となる。
GaN系半導体の成長に用いた結晶基板は、素子を製造する途中の工程において、もしくはチップ化した素子を実装した後に、除去することもできる。
n型層、発光層およびp型層からなる積層構造は、n型層に注入されたn型キャリアと、p型層に注入されたp型キャリアが、発光層で再結合して発光が生じるように構成されていればよく、各層の結晶組成、層厚、添加される不純物の種類および濃度等については、従来公知の技術を適宜参照すればよい。好ましくは、発光層を、それよりもバンドギャップの大きなn型層とp型層とで挟んだダブルヘテロ構造とする。また、発光層は、単一量子井戸(SQW)構造や、多重量子井戸(MQW)構造とすることが好ましい。n型層やp型層は、クラッド層、コンタクト層などの、異なる機能を有する層を積層した、多層構造とすることができる。
p型オーミック電極には、p型GaN系半導体に対する低接触抵抗の電極として、従来より知られている電極を、適宜用いることができる。
Auを含むp型オーミック電極は、GaN系半導体との接触抵抗が特に低くなることが知られており、最も好ましいp型オーミック電極である。例えば、Au単体からなるAu電極や、Auを主成分とする合金からなるAu合金電極や、Ni、Pd、Rh(ロジウム)、Pt、Tiなどから選ばれるひとつ以上の金属と、Auとを積層し、熱処理してなるAu系電極である。
このようなAuを含むp型オーミック電極は、Auの融点が比較的低いために、反射層の構成材料の拡散による影響を受け易い。従って、p型オーミック電極と反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、Auを含むp型オーミック電極を使用する場合に、とりわけ有効となる。
特に、AlとAuは、比較的低温でも反応して金属間化合物を形成するために、Auを含むp型オーミック電極とAlからなる反射層とを直接積層すると、オーミック電極の形成時に通常行う熱処理によって、p型オーミック電極の特性が著しく劣化してしまう問題がある。従って、p型オーミック電極と反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、Auを含むp型オーミック電極と、Alからなる反射層とを組み合わせる場合に、とりわけ有効である。
その他の好ましいp型オーミック電極としては、白金族元素の単体または合金からなる電極、白金族元素から選ばれる二種以上を積層した電極が例示される。白金族元素は、可視〜近紫外の光に対する反射性が優れているために、このようなp型オーミック電極を用いると、LEDの光取り出し効率が良好となる。
p型オーミック電極の最上層が、Auや白金族元素からなる層であると、絶縁体からなる保護膜との密着性が低くなり、保護膜が剥離し易くなる。そこで、p型オーミック電極のうち、保護膜と接する部位は、Ni、Ti、Cr等で形成することが好ましい。Ni、Ti、Cr等の金属は、金属酸化物や金属窒化物に対して、良好な密着性を示す。保護膜の剥離を抑制することで、素子の特性が安定化し、信頼性が向上する。
p型オーミック電極を、窓部を有するパターンに形成することにより、該電極による光吸収が小さくなり、該吸収による損失が低減されるので、素子の光取出し効率が向上する。
p型オーミック電極の膜厚に限定はなく、金属薄膜が高い透明性を示す厚さである20nm未満とすることも妨げられない。しかし、このような厚さのp型オーミック電極を、更に窓部を有するパターンに形成すると、シート抵抗が高くなり過ぎて、チップのサイズにもよるが、チップの隅まで電流が十分に拡散しなくなるという問題が生じる。
p型オーミック電極のシート抵抗を低くして、電流が横方向によく拡散するようにするためには、電極膜の膜厚は60nm以上とすることが好ましく、100nm以上とすることがより好ましい。100nm以上とすると、電極膜部分に入射する光の多くが、電極膜を透過せずに、反射されることになるので、素子の光取り出し効率改善のうえでも好ましい。光がp型オーミック電極の電極膜を透過すると、該透過に伴う吸収損失に加えて、透過した光が反射層で反射される際の、反射損失が発生することになる。
また、本発明のGaN系LEDでは、p型オーミック電極を、窓部を有するパターンに形成するので、電極を構成する金属と、これを挟むp型層および保護膜との熱膨張率差に起因して生じる該電極の劣化を抑制するためにも、p型オーミック電極の膜厚を、上記のように、60nm以上とすることが好ましく、100nm以上とすることがより好ましい。
これは、p型オーミック電極に適した金属の線膨張率が、おおよそ1×10−5−1〜2×10−5−1の範囲にあるのに対して、GaN系半導体の線膨張率は、GaNの場合で5.6×10−6−1といわれているように、この範囲よりも小さく、また、保護膜の材料となる金属酸化物や金属窒化物の線膨張率も、多くは1×10−5−1以下だからである。このように、自身より線膨張率の小さい材料からなるp型層および保護膜に挟まれたp型オーミック電極は、製造工程中や素子の使用時に加熱を受けると、その後、室温に冷却される際に、強い引張応力を受けることになる。このときに、電極膜の膜厚が小さい程、ストレスマイグレーション現象などによって、電極膜の大きな変形や、破壊が生じ易くなる。とりわけ、窓部を有するパターンに形成されたp型オーミック電極では、構造上、電極膜の大規模な変形や破壊によって、その電流拡散機能が大きく影響を受ける。電極の電流拡散機能が低下すると、素子の動作電圧の上昇や、電流が一部に集中することによる発光の不均一化や局所的な発熱、この発熱による発光効率の低下、素子寿命の低下といった問題が発生する。
この、p型オーミック電極の膜厚を大きくすることによる効果は、その上に形成する保護膜の材料にSiOを用いる場合に顕著となる。なぜなら、SiOは、好適な保護膜の材料の中でも、とりわけ線膨張率が小さい材料だからである。
また、この効果は、p型オーミック電極に、保護膜との密着性を強化するための、Ni、Ti、Cr等からなる部分を設けた場合に、顕著となる。なぜなら、保護膜との密着性を高める程、上記の熱膨張率差に起因してp型オーミック電極が保護膜から受ける応力が、強くなるからである。
一方で、p型オーミック電極の膜厚を大きくし過ぎると、電極膜がp型層の表面から剥離し易くなる傾向があるので、p型オーミック電極の膜厚は、1μm以下とすることが好ましく、500nm以下とすることがより好ましく、300nm以下とすることが特に好ましい。
p型オーミック電極の膜厚を小さくすると、LEDの製造工程において、p型層上に窓部を有するパターンに形成されたp型オーミック電極の、更にその上に、フォトレジスト膜を形成したときに、該フォトレジスト膜の剥離や脱落といった不良の発生が抑制され、歩留りが向上するという効果もある。フォトレジスト膜をこのように形成する工程は、例えば、図2(b)に示す状態から、p型層4の表面にドライエッチングを施して、図2(c)に示すようにn型層2を露出させる工程である。この工程では、エッチングマスクとしてフォトレジスト膜を用いることができ、その場合には、エッチング加工しようとするp型層4の表面を除く部分を、フォトレジスト膜で覆うことになる。すなわち、このフォトレジスト膜は、p型層4の表面と、その上に窓部を有するパターンに形成されたp型オーミック電極P2とからなる凹凸面(p型オーミック電極P2の窓部が凹部となり、電極膜部分が凸部となる)を下地面として形成することになるが、p型オーミック電極P2の膜厚が小さい程、該下地面が平坦面に近くなるために、フォトレジスト膜の密着性が良好となり、その剥離や脱落が抑えられる。
この効果を得るためには、p型オーミック電極の膜厚を500nm以下とすることが好ましく、300nm以下とすることがより好ましい。p型オーミック電極の膜厚をこのように小さくすると、同様の効果によって、p型オーミック電極を覆って形成した保護膜の上にフォトレジスト膜を製膜した場合の、該フォトレジスト膜の剥離および脱落も抑制できる。
窓部を有するパターンとしては、電極膜がネット状、分岐状、櫛状、放射状、渦巻き状、ミアンダ状などを呈するパターンが例示される。図4(a)は方形の窓部を有するネット状パターンの一例、図4(b)は円形の窓部を有するネット状パターンの一例、図4(c)は多重環状パターンと放射状パターンとを組み合わせたネット状パターンの一例、図4(d)はミアンダ状パターンの一例、図4(e)は櫛状パターンの一例、図4(f)は分岐状パターンの一例である。格子状パターンは、ネット状パターンのひとつである。これらのパターンは、混在させることもできる。
いずれのパターンの場合も、電極膜部分や窓部を細かく形成することが好ましく、電極膜部分や窓部が帯状に形成される場合の帯幅や、ドット状に形成される場合のドットの縦横の幅は、1μm〜50μmとすることが好ましく、2μm〜25μmとすることがより好ましく、2μm〜15μmとすることが特に好ましい。
p型オーミック電極を、窓部を有するパターンに形成する場合、該パターンに占める窓部の面積比は20%〜80%の範囲とすることが好ましい。窓部の面積比が大きいほど、光取り出し効率は高くなるが、一方で、電極膜部分の面積が小さくなるために、発光層には局所的に高い電流密度で電流が流れることになる。InGa1−xN(0≦x≦1)を発光層に用いた素子では、そのIn組成xが低い程、すなわち、発光波長が短い程、電流密度の増加に伴う発光効率の低下が小さく、また、発光波長のシフトも小さいので、高電流密度での駆動に適していることが知られているが、このことから、本発明に係るGaN系LEDでも、発光層がInGa1−xN(x=0の場合を含む。)からなり、発光波長が紫色〜近紫外(約420nm〜約365nm)の領域にあるものでは、窓部の面積比を60%〜80%として、一部の発光層を高電流密度で動作させることが、発光効率改善のうえで有利となる。
なお、窓部の面積比を60%以上とすると、電極パターン中に、電極膜の幅の狭い部分が多く含まれることになるため、p型層および保護膜との熱膨張率差に起因する熱ストレスによる、電極膜の変形や破壊が生じ易くなるとともに、該変形や破壊が生じた場合の、電極の電流拡散機能の低下が著しくなる。この問題を防止するためには、p型オーミック電極の膜厚を100nm以上とすることが好ましい。
図5は、本発明の一実施形態に係るGaN系LEDの断面図である。この図5に示す素子では、保護膜P4が、p型オーミック電極P2の窓部に露出したp型層4の表面を全て覆っておらず、窓部の中央部では、p型層4の表面と反射層P5とが接しているが、このような態様でも、反射層P5の構成材料が拡散することによるp型オーミック電極P2の特性劣化を、抑制することができる。
図1や図5に示す素子において、絶縁体からなる保護膜P4をp型層4よりも屈折率の低い材料で形成すると、p型層4と保護膜P4との界面で、屈折率差による光反射が生じる。このような反射は、一般に、金属表面での反射に比べて損失が小さいために、LEDの光取り出し効率改善のうえで好ましい。従って、保護膜P4は、p型層4よりも屈折率の低い絶縁体で形成し、かつ、図1に示す素子のように、p型オーミック電極P2の窓部に露出したp型層4と、反射層P5との間を、該保護膜P4で完全に隔てるように、形成することが好ましい。
絶縁体からなる保護膜の材料としては、SiOの他に、SiN、ZnO、TiOなどが例示される。すなわち、かかる保護膜には、絶縁性の金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物が適しており、上記以外にも、Al、AlN、ZrOなどが例示される。これらの絶縁体を積層して用いることもできる。これらの絶縁体からなる保護膜は光吸収が小さいために、光が保護膜の内部を透過する際や、p型層と保護膜との界面で反射される際に受ける損失を、小さなものとすることができる。
保護膜の膜厚は、本発明の目的が達成される膜厚であればよく、特に限定はされないが、ピンホールのない膜を確実に形成するには、0.1μm以上とすることが好ましく、0.2μm以上とすることがより好ましく、0.3μm以上とすることが特に好ましい。
保護膜の膜厚を3μm以下とすると、そのパターニングを簡便なリフトオフ法を用いて行うことが、容易となる。
一方で、絶縁体は熱伝導性が良好とはいえないことから、反射層の最表面層をボンディング層として、または、反射層の上に更にボンディング層を形成して、このボンディング層と実装用基材とを接合して実装する場合には、該実装方法によって得られる素子の放熱性の改善効果が大きくなるように、保護膜の膜厚は1μm以下とすることが好ましく、0.5μm以下とすることがより好ましく、0.3μm以下とすることが特に好ましい。
図6は、本発明の一実施形態に係るGaN系LEDの断面図である。この図6に示す素子では、保護膜P4が、n型層2を露出させる際のエッチングにより露出した発光層3の端面を覆うように、延長して形成されている。すなわち、保護膜P4が、発光層3の端面保護膜を兼用している。
反射層は、発光層で発生される光の波長において、p型オーミック電極よりも反射率の高い材料で形成することが望ましい。好ましい反射層の材料は、可視短波長域〜近紫外領域における反射率の高いAg(銀)、Al、Rh、Ptなどであり、とりわけ、Ag、Alである。Rh、Pt以外の白金族元素(Ir、Pd、Ru、Os)も好適に使用できる。反射層は、少なくとも、p型オーミック電極に設けられた窓部を通して発光層から届く光を反射する部分を、これらの反射率の高い金属で形成すればよい。例えば、図1に示す素子では、反射層のこの部分のみをAlで形成している。反射層を、これらの反射率の高い金属のみで形成することもできる。
Agは、陽極に用いると、電気化学的なマイグレーションを起こし易いという問題があるため、Agからなる反射層をp型オーミック電極の上に直接形成することは、p型オーミック電極の劣化またはLEDの劣化を引き起こす原因となる恐れがある。
Alは、その線膨張率が、GaN系半導体の線膨張率の約4倍であるために、従来のように、Alからなる反射層をp型層の上に直接形成すると、熱膨張率差により発生する熱ストレスにより、反射層の変形が生じ易い。この変形がp型オーミック電極に波及すると、p型オーミック電極とp型層との接触状態が悪化し、p型オーミック電極の接触抵抗が上昇する。また、Alは、融点が低いことから電極の熱処理時に拡散し易く、更に、上記の熱ストレスに起因したストレスマイグレーションも起こし易い。p型オーミック電極とp型層との界面に拡散したAlは、p型オーミック電極の接触抵抗を上昇させる。また、Alは、p型オーミック電極の材料となる金属との間で金属間化合物を形成する性質がある。
これらのことから、Alからなる反射層をp型オーミック電極の上に直接形成することは、p型オーミック電極の劣化を引き起こす原因となる恐れがある。
このようなことから、特に、AgまたはAlからなる反射層を用いる場合に、p型オーミック電極と反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、有効である。
反射層をAgやAlで形成する場合、反射率の点では単体を用いることが好ましいが、耐熱性や耐候性を向上させるために、発光層で発生される光の波長における反射率が著しく低下しない範囲(例えば、単体の80%未満とならない範囲)で、他の元素を添加した合金を用いることもできる。このような合金として、各種の半導体発光装置や液晶表示装置などの配線用として開発されている、高反射性のAg合金やAl合金を、好ましく用いることができる。好適なAl合金としては、Alに、Ti、Si、Nd、Cu等を添加した合金が例示される。
AgやAlの合金からなる反射層を形成する方法としては、合金スパッタリングなどの他、添加しようとする元素からなる薄膜を保護膜の表面に形成し、その上からAlやAgを積層した後、熱処理する方法を用いることもできる。
図1の素子では、上面側から見たとき、n型オーミック電極P1とp側ボンディング電極P3が共に長方形状とされ、方形状の素子の対向する2辺のそれぞれに沿って形成されているが、n型オーミック電極とp側ボンディング電極の形状や配置は、これに限定されない。例えば、これらの電極の形状は、図7(a)に示す素子のように正方形状や、図7(b)に示す素子のように円形状であってもよく、また、配置は、図7(a)に示す素子のように、対角配置としてもよい。
p型層の表面からエッチングを行うことによりn型層を露出させ、露出されたn型層の表面にn型オーミック電極を形成する素子構成における、n型オーミック電極、p型オーミック電極、p側ボンディング電極の形状については、特開2000−164930号公報などを参照することもできる。
なお、結晶基板として、SiC基板、ZnO基板、GaN基板など、透明な導電性基板を用いることができるが、その場合には、n側のオーミック電極を結晶基板の下面に形成することができる。
n型オーミック電極には、n型GaN系半導体に対する低接触抵抗の電極として、従来より知られている電極を、適宜用いることができる。そのような電極として、例えば、n型層と接する部分が、Al、Ti、Cr、W、または、これらの合金からなる電極が挙げられる。
好ましいn型オーミック電極として、n型層と接する部分がAlからなるものが挙げられるが、このようなn型オーミック電極は、反射層と同じ断面構造とすることができる。その場合、n型オーミック電極と反射層とを同時に形成することができるので、製造工程の数を少なくすることができる。
n型オーミック電極は、層厚を200nm程度以上に形成すれば、ボンディング電極を兼用させることができるが、必要に応じて、n型オーミック電極の上に、別途、n側のボンディング電極を形成してもよい。
図8は、図1に示すGaN系LEDの実装例を示す断面図である。
図8において、Sは実装用基材であり、例えば、AlNからなる基板S1の表面に、Auからなるリード電極S2、S3、S4のパターンが形成されたものである。GaN系LEDは、反射層P5を実装用基材S側に向けて、n型オーミック電極P1をリード電極S2に、p側ボンディング電極P3をリード電極S3に、反射層P5をリード電極S4に、それぞれ導電性接合材料Cで接合することにより、実装用基材Sに固定されている。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。
図8に示す例においては、LEDの反射層P5が電極としての機能を有さないために、実装用基材Sのリード電極S4は電極として働くものではないが、ここでは便宜上、リード電極と呼んでいる。反射層P5を実装用基材Sと接合しているのは、LEDで発生する熱を逃がすためであるが、この目的において、導電性接合材料は、好適な接合材料となる。なぜなら、導電性接合材料は、ろう材のように、それ自体が金属材料からなるか、または、導電性ペーストのように、金属、カーボン等の微粒子を高含有率で含むために、熱伝導性が良好であるからである。
なお、本発明では、図8における反射層P5の最表面層のように、素子を実装する際に、接合材料との接合に用いる層を、ボンディング層という。
図8において、反射層P5がリード電極S4と接合されているのは、LEDで発生する熱を基材Sに逃がすためである。この目的のためには、導電性接合材料Cとしてろう材を用いることが、特に好ましい。
この図8の例のように、反射層P5の最表面層をボンディング層として、該ボンディング層と実装用基材Sとを導電性接合材料で接合すると、LEDの動作時に発光層で発生する熱が、効率よく実装用基材に伝達されるために、素子の温度上昇が抑えられる。これによって、発光効率の低下や波長変動が抑制され、また、素子の寿命や信頼性が改善される。
このような効果は、反射層の上に、更に、金属製のボンディング層を形成して、そのボンディング層と実装用基材とを導電性接合材料で接合することによっても、得ることができる。
図8の例において、導電性接合材料として、ろう材を用いる場合、反射層P5の最表面層(=ボンディング層)を、ろう材との濡れ性が良好となるように、Auで形成することが好ましい。Auは酸化され難いために、Auからなる表面は、各種のろう材に対して良好な濡れ性を示す。ボンディング層の表面が、ろう材に対して良好な濡れ性を有すると、ボンディング層とろう材とが隙間なく密着した接合界面が形成されるので、該界面の熱抵抗が小さくなる。
ろう材として最もよく用いられているのは共晶ハンダであり、共晶ハンダの成分金属としては、Sn(錫)がよく用いられる。ボンディング層を、SnやSn合金(使用するSn系共晶ハンダと同じ成分を含むSn合金)で形成すると、Snを成分とする共晶ハンダを用いた際に、ボンディング層と該共晶ハンダを密に接合させることができる。
また、Au−Si合金、Au−Ge合金、Au−Sn合金、Au−Sb合金等の、Au合金系のハンダは、電気伝導性および熱伝導性が良好であり、かつ化学的にも安定であることから、半導体部品の接合用に多用されている。ボンディング層を、AuやAu合金(使用するAu合金系ハンダと同じ成分を含むAu合金)で形成すると、Au合金系ハンダを用いた際に、ボンディング層とAu合金系ハンダを密に接合させることができる。
ボンディング層とリード電極とは、共晶接合させることもできる。共晶接合では、例えば、ボンディング層をAu層として、リード電極の表面にはSn層を形成しておき、これらの層を接触させた状態で、熱、振動等の形でエネルギーを加え、接触部にAu−Sn共晶合金を生成させることにより、接合を行う。共晶接合も、金属材料による接合であるため、素子の放熱性向上にとって好ましい接合方法である。
ろう付けの際、反射層P5は高温に曝されるが、このときの熱により生じる、反射層P5に含まれるAl層とAu層との間での合金化反応を抑制するために、これらの層の間に、Auよりも融点の高い金属材料からなるバリア層を介在させることが好ましい。AuとAlの反応が生じると、Al層の反射性が低下する他、強度の劣る合金層が形成されたり、ボイドが形成されるために、素子の寿命や信頼性が低下するからである。このような反応は、素子の使用温度や、それ以下の低温でも、徐々に進行するが、バリア層の介在により、これを抑えることができる。Al層の代わりにAl合金層、Au層の代わりにAu合金層を用いた場合も同様である。
バリア層は、当該バリア層により隔てようとする2つの層を構成する金属のうち、融点の高い方の金属よりも、更に高い融点を有する金属からなる層を含むように形成する。好ましいバリア層の材料としては、W、Mo、Ta、Nb、V、Zr等のいわゆる高融点金属、白金族元素、Ti、Ni等の単体または合金が挙げられる。バリア層は、これらの材料からなる層が複数積層されてなる、多層膜であってもよい。Pt層とAu層を交互に積層した多層膜は、バリア層として好適である。
反射層P5の構成によるが、Al(合金)層とSn(合金)層との間、Ag(合金)層とAu(合金)層との間、Ag(合金)層とSn(合金)層との間にも、同様の理由から、バリア層を介在させることが好ましい。
反射層P5とp型オーミック電極P2とは、静電気等による保護膜P4の破壊や、それに伴うLEDの劣化を防ぐために、電気的に短絡させてもよい。この短絡は、実装用基材S側で、リード電極S3とリード電極S4とを短絡することにより行うこともできる。
図9は、本発明の一実施形態に係るGaN系LEDの断面図である。この図9の素子では、素子内でp型オーミック電極P2と反射層P5とが短絡されている。具体的には、p側ボンディング電極P3が、反射層P5の表面上まで延長して形成されている。このGaN系LEDは、反射層P5の上に重ねて形成された層状のp側ボンディング電極P3の最表面層をボンディング層とすることにより、放熱性よく実装することができる。
図9に示す素子では、p型オーミック電極P2と反射層P5とを短絡させるにあたり、反射層P5が、保護膜P4を介さずに、p型オーミック電極P2の上に積層された部分が生じない構造が採用されている。このような構造は、反射層がAl層またはAg層を含む場合に、とりわけ好ましいものとなる。理由は、p型オーミック電極の上に、保護膜を介さずにAl層やAg層を設けると、AlやAgの拡散が生じ、p型オーミック電極の材料と反応したり、p型オーミック電極とp型層の界面に侵入し易いからである。というのも、p型オーミック電極は、素子の発熱部である活性層と、薄いp型層で隔てられるだけであることから、長期間にわたり、比較的高い温度に曝されることになるからである。特に、Auを含むp型オーミック電極の上にAl層を形成する際には、好ましくない性質を有する合金の生成を抑えるために、必ず保護膜を介在させるようにすることが望ましい。
図10は、本発明の一実施形態に係るGaN系LEDの断面図である。この図10の素子では、素子内でn型オーミック電極P1と反射層P5とが短絡されている。具体的には、n型オーミック電極P1が、反射層P5の表面上まで延長して形成されている。このGaN系LEDは、反射層P5の上に重ねて形成された層状のn型オーミック電極P1の最表面層をボンディング層とすることにより、放熱性よく実装することができる。
特に、反射層にAgを用いる場合には、反射層の電位が高くなると、Agの電気化学的マイグレーションの問題が発生する恐れがある。そこで、これを防止するために、図10に示す素子のように、反射層をn型GaN系半導体に電流を供給するための電極と短絡させることが好ましい。
図11は、本発明の一実施形態である、GaN系半導体層の成長に用いた結晶基板を、最終的に素子から除去する態様を説明する図である。
図11(a)は、結晶基板1上に、n型層2、発光層3、p型層4を成長し、更に、p型オーミック電極P2、保護膜P4、反射層P5を形成したウェハの断面図である。反射層P5は、素子の周縁部において、p型オーミック電極P2と電気的に接続されている。
ここで、p型オーミック電極P2と反射層P5との接続部には、それぞれを構成する金属材料の間での合金化反応を抑制するためのバリア層を介在させてもよい。また、反射層P5を多層構造として、その最下層をAlまたはAgで、その最上層をAu(合金)またはSn(合金)で形成するとともに、その間にバリア層を介在させ、該最下層は保護膜P4の表面上だけに形成し、バリア層と最上層の少なくとも一方を、p型オーミック電極P2の露出部上に延長して形成してもよい。
図11(b)は、反射層P5の上に、導電性接合材料C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C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、例えば、Si基板、GaAs基板、GaP基板、SiC基板、GaN基板、ZnO基板、各種の金属基板などである。また、導電性接合材料Cを用いて保持基板Bを接合する代わりに、反射層P5を電極とする電気メッキにより、Niなどの金属からなる厚膜を堆積させ、これを保持用の基板として用いることもできる。
該反射層P5と導電性基板とを、Au系またはSn系のろう材で接合したり、共晶接合により接合するには、反射層P5の最上層をAu(合金)またはSn(合金)で形成することが好ましい。
図11(c)は、結晶基板1が除去され、露出したn型層2の表面に、n型オーミック電極P1が形成されたところを示す。結晶基板1の除去は、結晶基板1の全部または大部分を、研削・研磨により摩滅させたり、レーザリフトオフの技術を用いて、結晶基板1とn型層2との界面を剥離させることにより、行うことができる。n型オーミック電極P1は、n型層の下方からのエッチングにより露出させたn型層の露出面に形成してもよい。
本発明の他の好適な実施形態では、欧州特許出願公開公報EP1184897A1に開示されたGaN系半導体結晶の成長方法であるLEPS(Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate)を用いてGaN系半導体層の成長を行い、p型層の表面に形成される、貫通転位密度が相対的に低い領域の上に、p型オーミック電極の電極膜部分を選択的に形成する。このようにすることによって、発光層における発光効率(内部量子効率)を高めることができる。
LEPSの一態様では、C面サファイア基板の表面に、サファイアの〈11−20〉方向(基板上に成長されるGaN系半導体結晶の〈1−100〉方向となる)に伸びる多数のストライプ状凹部(溝)をエッチングにより形成することによって、該表面にストライプ状の凹凸パターンを形成し、その上にGaN系半導体結晶を成長させる。すると、凸部の表面を起点とする横方向の結晶成長が起こり、やがて、各凸部から成長した結晶が合体して、平坦な表面を有する結晶層が得られる。この結晶層をベース層として、その上に、n型層、発光層、p型層を順次成長して、LEDウェハを作製すると、p型層の表面に、貫通転位の密度が特に低いストライプ状の領域が現れる。それは、サファイア基板の表面に形成された凹部の上方の領域、すなわち、サファイア基板の凸部から横方向成長した結晶がベース層を構成している部分の、上方の領域である。該領域における貫通転位の密度は、10cm−2台またはそれ以下という、低い値となり得る。
このp型層の表面に、例えば、図4(e)に示す櫛状パターンを有するp型オーミック電極を、その櫛の歯の部分に相当するストライプ状の部分のそれぞれが、貫通転位密度の低いストライプ状領域、即ち、サファイア基板の凹部の上方の領域に配置されるように、設けることができる。このようにすると、p型オーミック電極からp型層を経て発光層に供給される電流の殆どを、貫通転位密度の低い領域に集中させることができるので、発光層におけるキャリアの発光再結合の確率が高くなり、発光効率が向上する。
この効果は、とりわけ、発光層がIn組成xの低いInGa1−xN(x=0の場合を含む。)からなる、発光波長が紫色(約420nm)〜近紫外のLEDで顕著となる。その理由は、In組成の低いGaN系半導体からなる発光層においては、転位が発光効率に及ぼす悪影響が大きくなるからである。
このLEPSを利用した実施形態では、p型オーミック電極の電極膜部分の面積の60%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上を、低転位密度領域となる、基板の凹部の上方の領域に形成することが好ましい。
ここで、p型オーミック電極のパターンは、櫛状パターンに限定されない。また、基板表面に形成する凹凸パターンも、ストライプ状に限定されない。該凹凸パターンは、凹部と凸部の境界線の方向が、基板上に成長されるGaN系半導体結晶の〈1−100〉方向となるパターンであればよく、例えば、凸部が島状に形成されたパターンとすることができる。また、該境界線の方向が他の方向であっても、Mgをドープすることなどによって、GaN系半導体結晶の横方向成長速度を高くすることができ、それによって、基板の凹部の上方に貫通転位密度の低い領域を形成させることができる。
ところで、この実施形態において、基板の凸部から横方向成長した結晶が、凹部に成長した結晶とつながる前に、隣の凸部から横方向成長した結晶と合体し、その結果、基板の凹部と、基板上に成長したGaN系半導体結晶層との間に、空隙が残る場合がある。このような空隙は、その内部が屈折率の低い気体物質で満たされているため、発光層から届く光を反射し易く、発光層で発生される光を、該基板の下面側から取り出すうえで障害となる。この問題は、図11に示す実施形態のように、反射層の上に新たな保持基板を接合して、LEPSに用いた基板(表面に凹凸パターンを形成した基板)を除去することにより、解決することができる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
1A and 1B are schematic views showing the structure of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XY in FIG. It is.
In FIG. 1, 1 is a crystal substrate, 2 is an n-type layer, 3 is a light emitting layer, 4 is a p-type layer, P1 is an n-type ohmic electrode, P2 is a p-type ohmic electrode, P3 is a p-side bonding electrode, and P4 is insulated. A protective film P5, which is a body, is a reflective layer.
The crystal substrate 1 is a sapphire substrate, for example.
For example, the n-type layer 2 is made of 5 × 10 5 of Si (silicon). 18 cm -3 3 μm thick GaN layer doped at a concentration of
The light emitting layer 3 is, for example, an MQW (multiple quantum well) layer formed by laminating 10 layers each of an GaN barrier layer having a thickness of 8 nm and an InGaN well layer having a thickness of 2 nm.
The p-type layer 4 has, for example, 1 × 10 Mg (magnesium) on the side in contact with the light emitting layer 3. 19 cm -3 30 nm thick Al doped at a concentration of 0.1 Ga 0.9 The N layer and the side in contact with the p-type ohmic electrode P2 are 5 × 10 5 Mg (magnesium). 19 cm -3 A GaN layer having a film thickness of 200 nm doped with a concentration of
A buffer layer (not shown) made of GaN, AlGaN or the like is preferably provided between the crystal substrate 1 and the n-type layer 2.
The n-type ohmic electrode P1 is, for example, in order from the side in contact with the n-type layer 2, 30 nm thick Al, 100 nm thick Pd (palladium), 100 nm thick Au (gold), and 100 nm thick Pt (platinum). ), An Au film having a thickness of 400 nm is stacked and heat-treated.
The p-type ohmic electrode P2 is formed by, for example, sequentially stacking Pd with a thickness of 20 nm, Au with a thickness of 100 nm, and Ni (nickel) with a thickness of 10 nm from the side in contact with the p-type layer 4 and performing heat treatment. . Since the electrode film having such a thickness becomes opaque, the p-type ohmic electrode P2 is formed in a pattern having a window portion so that light generated in the light emitting layer 3 can be transmitted. The window portion is a portion where no electrode film is present. In the example of FIG. 1, the p-type ohmic electrode P2 is formed in a lattice pattern. The size of the lattice pattern is, for example, a square having a window portion of 8 μm on a side, and the interval between adjacent window portions (the width of the electrode film portion) is 2 μm vertically and horizontally.
Note that the Ni thin film formed on the outermost surface of the p-type ohmic electrode P2 is an adhesion reinforcing layer for improving the adhesion with the protective film P4. A Ti (titanium) layer or a Cr (chromium) layer can also be used for such an adhesion reinforcing layer.
The p-side bonding electrode P3 is formed, for example, by laminating 20 nm-thick Ti and 600 nm-thick Au sequentially from the side in contact with the p-type layer 4 and the p-type ohmic electrode P2 and heat-treating them.
The protective film P4 made of an insulator is, for example, a 300 nm thick SiO film formed by a plasma CVD method. 2 It is.
The reflective layer P5 is, for example, a stacked body in which Al having a thickness of 100 nm, Pd having a thickness of 100 nm, and Au having a thickness of 100 nm are stacked in this order from the side in contact with the protective film P4.
In the GaN-based LED shown in FIG. 1, light generated in the light emitting layer 3 is emitted out of the element mainly from the lower surface of the crystal substrate 1. Light that travels upward from the light emitting layer 3 directly or through internal reflection is reflected on the lower surface of the p-type ohmic electrode P2 and the lower surface of the reflective layer P5, and changes the traveling direction downward. Protective film P4 is made of SiO 2 When formed with SiO 2 Since the refractive index of is lower than that of the GaN-based semiconductor, reflection due to the difference in refractive index occurs at the interface between the p-type layer 4 and the protective film P4, and the effect of improving the light extraction efficiency is further increased. SiO 2 Is an insulator and therefore has a small light absorption. Therefore, when light generated in the light emitting layer is transmitted through the protective film P4 or reflected at the interface between the p-type layer 4 and the protective film P4. The loss received is extremely low.
Next, a manufacturing process of the GaN-based LED shown in FIG. 1 will be described.
First, a buffer layer, an n-type layer 2, a light emitting layer 3, and a p-type layer 4 are sequentially grown on the growth surface of the crystal substrate 1 by using MOVPE, HVPE, MBE, or the like. After the p-type layer 4 is grown, an annealing process or the like is performed as necessary to reduce the resistance of the p-type layer 4.
FIG. 2A is a top view of the wafer after the growth of the p-type layer 4 is completed. For convenience, only the region corresponding to one element is displayed, but the actual process is performed in units of wafers. The same applies to FIGS. 2B and 2C and FIGS. 3D to 3F.
First, as shown in FIG. 2B, a p-type ohmic electrode P2 is formed on the wafer in which the growth of the p-type layer 4 is completed. A known vapor deposition method, sputtering method, CVD method, or the like can be used to form the electrode film. The patterning of the electrode film can be performed using a normal photolithography technique. For example, after forming a photoresist film on the surface of the p-type layer 4 and patterning the opening in the shape of the electrode to be formed by photolithography, the electrode film is formed using an electron beam evaporation method. In this method, the photoresist film is lifted off. Further, a method of forming an electrode film on the entire surface first and etching away unnecessary portions later is also possible.
Patterning of the n-type ohmic electrode P1, the p-side bonding electrode P3, the protective film P4, and the reflective layer P5 can also be performed by the same method.
After the p-type ohmic electrode P2 is formed, the p-type layer 4 and a part of the light-emitting layer 3 are removed from the surface side of the p-type layer 4 by a reactive ion etching method using chlorine gas, and FIG. As shown, the n-type layer 2 is exposed. This step may be performed immediately before the formation of an n-type ohmic electrode P1 described later.
Next, as shown in FIG. 3D, a protective film P4 made of an insulator is formed so as to cover a part of the p-type ohmic electrode P2. As the film forming method, a known film forming method such as a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, or the like can be appropriately used depending on the type of the protective film. It is not hindered to use a wet method such as a sol-gel method. Protective film P4 is made of SiO 2 A preferable film forming method in the case of forming by is a plasma CVD method in which pinholes are hardly generated.
Next, as shown in FIG. 3E, a reflective layer P5 is formed on the surface of the protective film P4. A known vapor deposition method, sputtering method, CVD method or the like can be used to form the reflective layer P5. In FIG. 3E, the reflective layer P5 is formed such that the edge thereof does not exceed the edge of the protective film P4. However, such a configuration is not essential, and the reflective layer P5 You may form so that it may overlap with the protective film P4, and you may form so that the surface of the p-type layer 4 may be exceeded exceeding the edge part of the protective film P4.
Next, as shown in FIG. 3F, an n-type ohmic electrode P1 and a p-side bonding electrode P3 are formed. The n-type ohmic electrode P1 is formed on the surface of the n-type layer 2 previously exposed by reactive ion etching. The p-side bonding electrode P3 is formed so as to be electrically connected to the exposed portion of the p-type ohmic electrode P2. Any of these electrodes may be formed first. A known vapor deposition method, sputtering method, CVD method, or the like can be used for film formation.
After the formation of the n-type ohmic electrode P1 and the p-side bonding electrode P3 is completed, the entire wafer is heat-treated at 400 ° C. for 5 minutes to promote adhesion between the electrode and the GaN-based semiconductor layer. This heat treatment also has an effect of improving the adhesion between the protective film P4 and the reflective layer P5.
It should be noted that n-type ohmic electrodes and p-type ohmic electrodes are preferably subjected to such heat treatment in order to reduce the contact resistance with the semiconductor. However, some electrode materials can be used without heat treatment. In addition, there are some which can obtain a sufficiently low contact resistance, and when such an electrode material is used, heat treatment is not essential. Further, heat treatment is not essential for members other than the n-type ohmic electrode and the p-type ohmic electrode.
After the heat treatment, the lower surface of the crystal substrate 1 is ground and / or polished as necessary to reduce the thickness of the crystal substrate 1, and then element isolation is performed using a method such as scribing, dicing, or laser fusing.
As mentioned above, although the structure and manufacturing process of GaN-type LED which concern on embodiment of this invention were demonstrated using FIGS. 1-3, this invention is not limited to the structure which concerns on the said illustration.
The crystal substrate may be any substrate that can be used for epitaxial growth of a GaN-based semiconductor. In addition to a sapphire substrate, Si, SiC, GaN, AlGaN, ZnO, AlN, GaAs, GaP, ZrB 2 TiB 2 Spinel, NGO (NdGaO 3 ), LGO (LiGaO 2 ), LAO (LaAlO 3 And the like, and substrates having a crystal layer made of these materials as surface layers are exemplified as preferred crystal substrates.
A lateral growth of the GaN-based semiconductor crystal is generated by processing the crystal growth surface of the crystal substrate into an uneven surface or partially forming a mask on the surface that inhibits the growth of the GaN-based semiconductor crystal. be able to. The crystal grown in the lateral direction becomes a high-quality crystal having a low dislocation density.
The crystal substrate used for the growth of the GaN-based semiconductor can also be removed in the process of manufacturing the element or after mounting the chip-shaped element.
In a stacked structure including an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer, light is emitted by recombination of the n-type carrier injected into the n-type layer and the p-type carrier injected into the p-type layer in the light-emitting layer. As long as it is configured as described above, conventionally known techniques may be referred to as appropriate for the crystal composition of each layer, the layer thickness, the kind and concentration of added impurities, and the like. Preferably, the light emitting layer has a double hetero structure sandwiched between an n-type layer and a p-type layer having a larger band gap. The light emitting layer preferably has a single quantum well (SQW) structure or a multiple quantum well (MQW) structure. The n-type layer and the p-type layer can have a multilayer structure in which layers having different functions such as a clad layer and a contact layer are stacked.
As the p-type ohmic electrode, a conventionally known electrode can be appropriately used as an electrode having a low contact resistance with respect to the p-type GaN-based semiconductor.
A p-type ohmic electrode containing Au is known to have a particularly low contact resistance with a GaN-based semiconductor, and is the most preferable p-type ohmic electrode. For example, Au is laminated with Au electrode made of Au alone, Au alloy electrode made of an alloy mainly composed of Au, one or more metals selected from Ni, Pd, Rh (rhodium), Pt, Ti, etc. And an Au-based electrode obtained by heat treatment.
Such a p-type ohmic electrode containing Au is susceptible to the diffusion of the constituent material of the reflective layer because the melting point of Au is relatively low. Therefore, the configuration of the present invention in which the protective film is interposed between the p-type ohmic electrode and the reflective layer is particularly effective when a p-type ohmic electrode containing Au is used.
In particular, when Al and Au react even at a relatively low temperature to form an intermetallic compound, a p-type ohmic electrode containing Au and a reflective layer made of Al are directly laminated, so that heat treatment normally performed at the time of forming the ohmic electrode Therefore, there is a problem that the characteristics of the p-type ohmic electrode are remarkably deteriorated. Therefore, the configuration of the present invention in which the protective film is interposed between the p-type ohmic electrode and the reflective layer is particularly effective when the p-type ohmic electrode containing Au and the reflective layer made of Al are combined.
Other preferable p-type ohmic electrodes include an electrode made of a platinum group element alone or an alloy, and an electrode in which two or more kinds selected from platinum group elements are laminated. Since the platinum group element has excellent reflectivity with respect to visible to near-ultraviolet light, the use of such a p-type ohmic electrode improves the light extraction efficiency of the LED.
When the uppermost layer of the p-type ohmic electrode is a layer made of Au or a platinum group element, the adhesion with the protective film made of an insulator is lowered, and the protective film is easily peeled off. Therefore, it is preferable that the portion of the p-type ohmic electrode that is in contact with the protective film is formed of Ni, Ti, Cr, or the like. Metals such as Ni, Ti, and Cr show good adhesion to metal oxides and metal nitrides. By suppressing the peeling of the protective film, the characteristics of the element are stabilized and the reliability is improved.
By forming the p-type ohmic electrode in a pattern having a window portion, light absorption by the electrode is reduced and loss due to the absorption is reduced, so that the light extraction efficiency of the element is improved.
There is no limitation on the film thickness of the p-type ohmic electrode, and it is not impeded that the metal thin film has a thickness of less than 20 nm, which is highly transparent. However, when a p-type ohmic electrode having such a thickness is formed in a pattern having a window portion, the sheet resistance becomes too high, and the current is sufficiently diffused to the corner of the chip depending on the chip size. The problem of disappearing arises.
In order to reduce the sheet resistance of the p-type ohmic electrode and allow the current to diffuse well in the lateral direction, the thickness of the electrode film is preferably 60 nm or more, and more preferably 100 nm or more. When the thickness is 100 nm or more, most of the light incident on the electrode film portion is reflected without passing through the electrode film, which is preferable for improving the light extraction efficiency of the device. When light passes through the electrode film of the p-type ohmic electrode, in addition to absorption loss accompanying the transmission, a reflection loss occurs when the transmitted light is reflected by the reflective layer.
In addition, in the GaN-based LED of the present invention, the p-type ohmic electrode is formed in a pattern having a window portion, which is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the metal constituting the electrode and the p-type layer and protective film sandwiching the metal. In order to suppress the deterioration of the electrode, the thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 60 nm or more, more preferably 100 nm or more, as described above.
This is because the linear expansion coefficient of a metal suitable for a p-type ohmic electrode is approximately 1 × 10. -5 K -1 ~ 2x10 -5 K -1 In contrast, the linear expansion coefficient of the GaN-based semiconductor is 5.6 × 10 6 in the case of GaN. -6 K -1 It is said that the linear expansion coefficient of the metal oxide or metal nitride that is smaller than this range and that is the material of the protective film is often 1 × 10. -5 K -1 Because it is below. Thus, when the p-type ohmic electrode sandwiched between the p-type layer and the protective film made of a material having a smaller linear expansion coefficient than itself is heated during the manufacturing process or when the device is used, it is cooled to room temperature. In that case, it will receive a strong tensile stress. At this time, the smaller the film thickness of the electrode film, the more easily the electrode film is easily deformed or broken due to the stress migration phenomenon. In particular, in a p-type ohmic electrode formed in a pattern having a window portion, the current diffusion function is greatly affected by a large-scale deformation or destruction of the electrode film. If the current spreading function of the electrode is reduced, the operating voltage of the element will increase, light emission will become uneven due to the current being concentrated in part, local heat generation, light emission efficiency will decrease due to this heat generation, element life will decrease, etc. A problem occurs.
The effect of increasing the thickness of the p-type ohmic electrode is that the protective film material formed thereon is made of SiO. 2 This is noticeable when using. Because SiO 2 This is because, among suitable protective film materials, the material has a particularly low linear expansion coefficient.
In addition, this effect becomes prominent when a portion made of Ni, Ti, Cr or the like is provided on the p-type ohmic electrode to enhance the adhesion to the protective film. This is because the stress that the p-type ohmic electrode receives from the protective film due to the difference in thermal expansion coefficient increases as the adhesion with the protective film increases.
On the other hand, if the film thickness of the p-type ohmic electrode is too large, the electrode film tends to be peeled off from the surface of the p-type layer. Therefore, the film thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 1 μm or less. , 500 nm or less is more preferable, and 300 nm or less is particularly preferable.
When the film thickness of the p-type ohmic electrode is reduced, when a photoresist film is formed on the p-type ohmic electrode formed in a pattern having a window on the p-type layer in the LED manufacturing process. Further, the occurrence of defects such as peeling and dropping of the photoresist film is suppressed, and the yield is improved. In the step of forming the photoresist film in this way, for example, dry etching is performed on the surface of the p-type layer 4 from the state shown in FIG. 2B, and the n-type layer 2 is then formed as shown in FIG. This is a step of exposing. In this step, a photoresist film can be used as an etching mask. In that case, the portion except the surface of the p-type layer 4 to be etched is covered with the photoresist film. That is, this photoresist film has a concave-convex surface composed of the surface of the p-type layer 4 and the p-type ohmic electrode P2 formed in a pattern having a window portion thereon (the window portion of the p-type ohmic electrode P2 becomes a concave portion). , The electrode film portion becomes a convex portion), but the lower the film thickness of the p-type ohmic electrode P2, the closer the underlying surface becomes to a flat surface. The property is improved, and the peeling and dropping are suppressed.
In order to obtain this effect, the thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 500 nm or less, and more preferably 300 nm or less. When the film thickness of the p-type ohmic electrode is reduced in this way, the photoresist film is peeled off when the photoresist film is formed on the protective film formed to cover the p-type ohmic electrode and Dropout can also be suppressed.
Examples of patterns having window portions include patterns in which the electrode film has a net shape, a branched shape, a comb shape, a radial shape, a spiral shape, a meander shape, and the like. 4A shows an example of a net-like pattern having a rectangular window, FIG. 4B shows an example of a net-like pattern having a circular window, and FIG. 4C shows a multiple annular pattern and a radial pattern. FIG. 4D is an example of a meander pattern, FIG. 4E is an example of a comb pattern, and FIG. 4F is an example of a branch pattern. The lattice pattern is one of the net patterns. These patterns can also be mixed.
In any of the patterns, it is preferable to form the electrode film portion and the window portion finely. The band width when the electrode film portion and the window portion are formed in a band shape, and the vertical and horizontal directions of the dot when formed in a dot shape. Is preferably 1 μm to 50 μm, more preferably 2 μm to 25 μm, and particularly preferably 2 μm to 15 μm.
When forming a p-type ohmic electrode in the pattern which has a window part, it is preferable to make the area ratio of the window part which occupies this pattern into the range of 20%-80%. The larger the window area ratio, the higher the light extraction efficiency. On the other hand, since the area of the electrode film portion becomes smaller, a current flows locally at a high current density in the light emitting layer. In x Ga 1-x In an element using N (0 ≦ x ≦ 1) in the light emitting layer, the lower the In composition x, that is, the shorter the light emission wavelength, the smaller the decrease in light emission efficiency associated with the increase in current density. It is known that it is suitable for driving at a high current density because the shift of the light emitting layer is small. x Ga 1-x N (including the case where x = 0) and the emission wavelength is in the range of violet to near ultraviolet (about 420 nm to about 365 nm), the window area ratio is 60% to 80%, It is advantageous to improve the light emission efficiency to operate the light emitting layer at a high current density.
If the area ratio of the window portion is 60% or more, the electrode pattern includes many narrow portions of the electrode film, resulting in a difference in thermal expansion coefficient between the p-type layer and the protective film. The electrode film is likely to be deformed or broken due to thermal stress, and the current spreading function of the electrode is significantly reduced when the deformation or breakage occurs. In order to prevent this problem, the thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 100 nm or more.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention. In the element shown in FIG. 5, the protective film P4 does not cover the entire surface of the p-type layer 4 exposed at the window portion of the p-type ohmic electrode P2, and the surface of the p-type layer 4 at the central portion of the window portion. Although the reflective layer P5 is in contact with the reflective layer P5, deterioration of the characteristics of the p-type ohmic electrode P2 due to diffusion of the constituent material of the reflective layer P5 can be suppressed even in such an aspect.
In the element shown in FIGS. 1 and 5, when the protective film P4 made of an insulator is formed of a material having a refractive index lower than that of the p-type layer 4, a difference in refractive index occurs at the interface between the p-type layer 4 and the protective film P4. Light reflection occurs. Such reflection is generally preferable for improving the light extraction efficiency of the LED because the loss is smaller than the reflection on the metal surface. Therefore, the protective film P4 is formed of an insulator having a refractive index lower than that of the p-type layer 4, and the p-type layer 4 exposed in the window portion of the p-type ohmic electrode P2 as in the element shown in FIG. The reflective layer P5 is preferably formed so as to be completely separated by the protective film P4.
As a material for the protective film made of an insulator, SiO 2 In addition to SiN x ZnO 2 TiO 2 Etc. are exemplified. That is, an insulating metal oxide, metal nitride, or metal oxynitride is suitable for such a protective film. 2 O 3 , AlN, ZrO 2 Etc. are exemplified. These insulators can be stacked and used. Since the protective film made of these insulators has low light absorption, the loss received when light is transmitted through the protective film or reflected at the interface between the p-type layer and the protective film is small. can do.
The thickness of the protective film is not particularly limited as long as the object of the present invention is achieved, but is preferably 0.1 μm or more in order to reliably form a film without a pinhole. , 0.2 μm or more is more preferable, and 0.3 μm or more is particularly preferable.
When the thickness of the protective film is 3 μm or less, it becomes easy to perform the patterning using a simple lift-off method.
On the other hand, since the thermal conductivity of the insulator is not good, the outermost surface layer of the reflective layer is used as a bonding layer, or a bonding layer is further formed on the reflective layer, and this bonding layer is used for mounting. When the substrate is bonded and mounted, the thickness of the protective film is preferably 1 μm or less, and 0.5 μm or less so that the effect of improving the heat dissipation of the element obtained by the mounting method is increased. More preferably, it is more preferably 0.3 μm or less.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention. In the element shown in FIG. 6, the protective film P4 is formed to extend so as to cover the end face of the light emitting layer 3 exposed by etching when the n-type layer 2 is exposed. That is, the protective film P4 also serves as the end face protective film of the light emitting layer 3.
The reflective layer is preferably formed of a material having a higher reflectance than the p-type ohmic electrode at the wavelength of light generated in the light emitting layer. A preferable material for the reflective layer is Ag (silver), Al, Rh, Pt or the like having a high reflectance in the visible short wavelength region to the near ultraviolet region, and particularly Ag and Al. Platinum group elements (Ir, Pd, Ru, Os) other than Rh and Pt can also be suitably used. The reflection layer may be formed of a metal having high reflectivity at least a portion that reflects light reaching from the light emitting layer through a window provided in the p-type ohmic electrode. For example, in the element shown in FIG. 1, only this portion of the reflective layer is formed of Al. It is also possible to form the reflective layer only with these highly reflective metals.
When Ag is used as an anode, there is a problem that electrochemical migration is likely to occur. Therefore, forming a reflective layer made of Ag directly on a p-type ohmic electrode may cause deterioration of the p-type ohmic electrode or LED. May cause deterioration.
Since the linear expansion coefficient of Al is about four times the linear expansion coefficient of GaN-based semiconductors, when a reflective layer made of Al is formed directly on a p-type layer as in the prior art, the difference in thermal expansion coefficient is different. The reflective layer is likely to be deformed by the thermal stress generated by. When this deformation spreads to the p-type ohmic electrode, the contact state between the p-type ohmic electrode and the p-type layer deteriorates, and the contact resistance of the p-type ohmic electrode increases. In addition, Al has a low melting point, so that it is easily diffused during heat treatment of the electrode, and stress migration due to the thermal stress is also likely to occur. Al diffused at the interface between the p-type ohmic electrode and the p-type layer increases the contact resistance of the p-type ohmic electrode. Further, Al has a property of forming an intermetallic compound with a metal that is a material of the p-type ohmic electrode.
For these reasons, forming the reflective layer made of Al directly on the p-type ohmic electrode may cause deterioration of the p-type ohmic electrode.
For this reason, in particular, when a reflective layer made of Ag or Al is used, the configuration of the present invention in which a protective film is interposed between the p-type ohmic electrode and the reflective layer is effective.
When the reflective layer is formed of Ag or Al, it is preferable to use a single substance in terms of reflectivity, but in order to improve heat resistance and weather resistance, the reflectivity at the wavelength of light generated in the light-emitting layer is significantly reduced. An alloy to which other elements are added can also be used within a range that does not (for example, a range that does not become less than 80% of the simple substance). As such an alloy, a highly reflective Ag alloy or Al alloy, which has been developed for wiring of various semiconductor light emitting devices and liquid crystal display devices, can be preferably used. As a suitable Al alloy, an alloy obtained by adding Ti, Si, Nd, Cu or the like to Al is exemplified.
As a method of forming a reflective layer made of an alloy of Ag or Al, in addition to alloy sputtering, etc., a thin film made of an element to be added is formed on the surface of the protective film, and after laminating Al or Ag, A heat treatment method can also be used.
In the element of FIG. 1, when viewed from the upper surface side, the n-type ohmic electrode P1 and the p-side bonding electrode P3 are both rectangular and are formed along two opposing sides of the rectangular element. The shape and arrangement of the n-type ohmic electrode and the p-side bonding electrode are not limited to this. For example, the shape of these electrodes may be a square shape as in the element shown in FIG. 7A or a circular shape as in the element shown in FIG. 7B. Like the element shown to (a), it is good also as diagonal arrangement | positioning.
Etching from the surface of the p-type layer exposes the n-type layer and forms an n-type ohmic electrode on the exposed surface of the n-type layer, in an n-type ohmic electrode, p-type ohmic electrode, p-side JP, 2000-164930, A, etc. can also be referred for the shape of a bonding electrode.
Note that a transparent conductive substrate such as a SiC substrate, a ZnO substrate, or a GaN substrate can be used as the crystal substrate. In that case, an n-side ohmic electrode can be formed on the lower surface of the crystal substrate.
As the n-type ohmic electrode, an electrode conventionally known as an electrode having a low contact resistance with respect to the n-type GaN-based semiconductor can be appropriately used. As such an electrode, for example, an electrode in which a portion in contact with the n-type layer is made of Al, Ti, Cr, W, or an alloy thereof can be given.
A preferable n-type ohmic electrode is one in which a portion in contact with the n-type layer is made of Al. Such an n-type ohmic electrode can have the same cross-sectional structure as the reflective layer. In that case, since the n-type ohmic electrode and the reflective layer can be formed simultaneously, the number of manufacturing steps can be reduced.
The n-type ohmic electrode can be used as a bonding electrode if the layer thickness is about 200 nm or more, but if necessary, an n-side bonding electrode is separately formed on the n-type ohmic electrode. May be.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a mounting example of the GaN-based LED shown in FIG.
In FIG. 8, S is a mounting base material, for example, a pattern of lead electrodes S2, S3, S4 made of Au formed on the surface of a substrate S1 made of AlN. In the GaN-based LED, the reflective layer P5 is directed to the mounting substrate S side, the n-type ohmic electrode P1 is the lead electrode S2, the p-side bonding electrode P3 is the lead electrode S3, the reflective layer P5 is the lead electrode S4, Each is bonded to the mounting substrate S by bonding with the conductive bonding material C. The conductive bonding material C is, for example, a conductive paste in which a brazing material such as Au—Sn solder or conductive fine particles are dispersed in a resin binder.
In the example shown in FIG. 8, since the reflective layer P5 of the LED does not have a function as an electrode, the lead electrode S4 of the mounting substrate S does not function as an electrode. I'm calling. The reason why the reflective layer P5 is bonded to the mounting substrate S is to release heat generated by the LED. For this purpose, the conductive bonding material is a suitable bonding material. This is because the conductive bonding material is made of a metal material itself, like a brazing material, or contains a high content of fine particles of metal, carbon, etc. like a conductive paste. This is because is good.
In the present invention, a layer used for bonding with a bonding material when an element is mounted, such as the outermost surface layer of the reflective layer P5 in FIG. 8, is referred to as a bonding layer.
In FIG. 8, the reason why the reflective layer P5 is joined to the lead electrode S4 is to release heat generated by the LED to the base material S. For this purpose, it is particularly preferable to use a brazing material as the conductive bonding material C.
As in the example of FIG. 8, when the outermost surface layer of the reflective layer P5 is used as a bonding layer and the bonding layer and the mounting substrate S are bonded with a conductive bonding material, the heat generated in the light emitting layer during LED operation. However, since it is efficiently transmitted to the mounting substrate, the temperature rise of the element is suppressed. As a result, a decrease in light emission efficiency and wavelength variation are suppressed, and the lifetime and reliability of the element are improved.
Such an effect can also be obtained by forming a metal bonding layer on the reflective layer and bonding the bonding layer and the mounting substrate with a conductive bonding material.
In the example of FIG. 8, when a brazing material is used as the conductive bonding material, the outermost surface layer (= bonding layer) of the reflective layer P5 is formed of Au so that the wettability with the brazing material is good. Is preferred. Since Au is not easily oxidized, the surface made of Au shows good wettability with respect to various brazing materials. If the surface of the bonding layer has good wettability with respect to the brazing material, a bonding interface is formed in which the bonding layer and the brazing material are in close contact with each other without any gap, and the thermal resistance of the interface is reduced.
Eutectic solder is most often used as the brazing material, and Sn (tin) is often used as the component metal of the eutectic solder. When the bonding layer is formed of Sn or Sn alloy (Sn alloy containing the same component as the Sn-based eutectic solder to be used), the bonding layer and the eutectic solder are formed when eutectic solder containing Sn as a component is used. It can be tightly joined.
In addition, Au alloy-based solders such as Au-Si alloy, Au-Ge alloy, Au-Sn alloy, Au-Sb alloy, etc. have good electrical and thermal conductivity and are chemically stable. For this reason, it is widely used for joining semiconductor components. When the bonding layer is formed of Au or an Au alloy (an Au alloy containing the same components as the Au alloy solder used), the bonding layer and the Au alloy solder are closely bonded when using the Au alloy solder. Can do.
The bonding layer and the lead electrode can be eutectic bonded. In eutectic bonding, for example, an Au layer is used as the bonding layer, and an Sn layer is formed on the surface of the lead electrode. With these layers in contact, energy is applied in the form of heat, vibration, etc. Bonding is performed by forming an Au—Sn eutectic alloy in the part. Eutectic bonding is also a preferable bonding method for improving the heat dissipation of the element because it is bonding with a metal material.
During brazing, the reflective layer P5 is exposed to a high temperature. In order to suppress the alloying reaction between the Al layer and the Au layer included in the reflective layer P5, which is caused by the heat at this time, these layers are controlled. It is preferable to interpose a barrier layer made of a metal material having a higher melting point than Au between the layers. This is because when the reaction between Au and Al occurs, the reflectivity of the Al layer is lowered, and an alloy layer with inferior strength is formed and voids are formed, so that the lifetime and reliability of the device are lowered. Such a reaction gradually progresses even at the operating temperature of the device or at a lower temperature, but this can be suppressed by the intervention of the barrier layer. The same applies when an Al alloy layer is used instead of the Al layer and an Au alloy layer is used instead of the Au layer.
The barrier layer is formed so as to include a layer made of a metal having a higher melting point than a metal having a higher melting point among the metals constituting the two layers to be separated by the barrier layer. Preferred barrier layer materials include so-called refractory metals such as W, Mo, Ta, Nb, V, and Zr, platinum group elements, simple substances such as Ti, Ni, and alloys. The barrier layer may be a multilayer film in which a plurality of layers made of these materials are stacked. A multilayer film in which Pt layers and Au layers are alternately stacked is suitable as a barrier layer.
Depending on the configuration of the reflective layer P5, between the Al (alloy) layer and the Sn (alloy) layer, between the Ag (alloy) layer and the Au (alloy) layer, between the Ag (alloy) layer and the Sn (alloy) layer, A barrier layer is preferably interposed between the layers for the same reason.
The reflective layer P5 and the p-type ohmic electrode P2 may be electrically short-circuited in order to prevent the destruction of the protective film P4 due to static electricity or the like and the accompanying deterioration of the LED. This short circuit can also be performed by short-circuiting the lead electrode S3 and the lead electrode S4 on the mounting substrate S side.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention. In the element of FIG. 9, the p-type ohmic electrode P2 and the reflective layer P5 are short-circuited in the element. Specifically, the p-side bonding electrode P3 is formed extending to the surface of the reflective layer P5. This GaN-based LED can be mounted with good heat dissipation by using as the bonding layer the outermost surface layer of the layered p-side bonding electrode P3 formed on the reflective layer P5.
In the element shown in FIG. 9, when the p-type ohmic electrode P2 and the reflective layer P5 are short-circuited, a portion where the reflective layer P5 is laminated on the p-type ohmic electrode P2 without the protective film P4 does not occur. Structure is adopted. Such a structure is particularly preferable when the reflective layer includes an Al layer or an Ag layer. The reason is that if an Al layer or an Ag layer is provided on the p-type ohmic electrode without a protective film, Al or Ag diffuses and reacts with the material of the p-type ohmic electrode, This is because it easily enters the interface of the p-type layer. This is because the p-type ohmic electrode is only separated from the active layer, which is a heat generating part of the element, by a thin p-type layer, and thus is exposed to a relatively high temperature for a long time. is there. In particular, when an Al layer is formed on a p-type ohmic electrode containing Au, it is desirable to always include a protective film in order to suppress the formation of an alloy having undesirable properties.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention. In the element of FIG. 10, the n-type ohmic electrode P1 and the reflective layer P5 are short-circuited in the element. Specifically, the n-type ohmic electrode P1 is formed extending to the surface of the reflective layer P5. This GaN-based LED can be mounted with good heat dissipation by using the outermost surface layer of the layered n-type ohmic electrode P1 formed on the reflective layer P5 as a bonding layer.
In particular, when Ag is used for the reflective layer, if the potential of the reflective layer is increased, there is a possibility that a problem of Ag electrochemical migration may occur. Therefore, in order to prevent this, it is preferable to short-circuit the reflective layer with an electrode for supplying current to the n-type GaN-based semiconductor as in the element shown in FIG.
FIG. 11 is a diagram for explaining a mode in which the crystal substrate used for the growth of the GaN-based semiconductor layer, which is an embodiment of the present invention, is finally removed from the element.
FIG. 11A shows a wafer in which an n-type layer 2, a light emitting layer 3, and a p-type layer 4 are grown on a crystal substrate 1, and a p-type ohmic electrode P2, a protective film P4, and a reflective layer P5 are further formed. It is sectional drawing. The reflective layer P5 is electrically connected to the p-type ohmic electrode P2 at the periphery of the element.
Here, a barrier layer for suppressing an alloying reaction between the metal materials constituting each of the p-type ohmic electrode P2 and the reflective layer P5 may be interposed. In addition, the reflective layer P5 has a multi-layer structure, the lowermost layer is made of Al or Ag, the uppermost layer is made of Au (alloy) or Sn (alloy), and a barrier layer is interposed therebetween to protect the lowermost layer. It may be formed only on the surface of the film P4, and at least one of the barrier layer and the uppermost layer may be formed extending on the exposed portion of the p-type ohmic electrode P2.
FIG. 11B shows a state where the holding substrate B is bonded to the reflective layer P5 via the conductive bonding material C. The conductive bonding material C is, for example, a brazing material or a conductive paste. The holding substrate B may be a conductive substrate, and is, for example, a Si substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, a SiC substrate, a GaN substrate, a ZnO substrate, or various metal substrates. Further, instead of bonding the holding substrate B using the conductive bonding material C, a thick film made of a metal such as Ni is deposited by electroplating using the reflective layer P5 as an electrode, and this is used as a holding substrate. You can also.
In order to join the reflective layer P5 and the conductive substrate with an Au-based or Sn-based brazing material or by eutectic bonding, the uppermost layer of the reflective layer P5 is made of Au (alloy) or Sn (alloy). It is preferable to form.
FIG. 11C shows that the crystal substrate 1 is removed and an n-type ohmic electrode P1 is formed on the exposed surface of the n-type layer 2. The removal of the crystal substrate 1 can be performed by grinding all or most of the crystal substrate 1 by grinding and polishing, or by peeling the interface between the crystal substrate 1 and the n-type layer 2 using a laser lift-off technique. It can be carried out. The n-type ohmic electrode P1 may be formed on the exposed surface of the n-type layer exposed by etching from below the n-type layer.
In another preferred embodiment of the present invention, a GaN-based semiconductor layer is grown using LEPS (Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate), which is a method for growing a GaN-based semiconductor crystal disclosed in European Patent Application Publication No. EP1184897A1. The electrode film portion of the p-type ohmic electrode is selectively formed on a region formed on the surface of the p-type layer and having a relatively low threading dislocation density. By doing in this way, the luminous efficiency (internal quantum efficiency) in a light emitting layer can be improved.
In one aspect of LEPS, a number of stripe-shaped recesses extending in the <11-20> direction of sapphire (the <1-100> direction of a GaN-based semiconductor crystal grown on the substrate) are formed on the surface of the C-plane sapphire substrate. By forming the (groove) by etching, a striped uneven pattern is formed on the surface, and a GaN-based semiconductor crystal is grown thereon. Then, lateral crystal growth starting from the surface of the convex portion occurs, and eventually, crystals grown from the convex portions are united to obtain a crystal layer having a flat surface. When this crystal layer is used as a base layer and an n-type layer, a light emitting layer, and a p-type layer are sequentially grown thereon to produce an LED wafer, the surface of the p-type layer has a striped dislocation density that is particularly low. Appears. That is, the region above the concave portion formed on the surface of the sapphire substrate, that is, the region above the portion where the crystal grown laterally from the convex portion of the sapphire substrate constitutes the base layer. The density of threading dislocations in the region is 10 7 cm -2 It can be as low as a table or less.
For example, a p-type ohmic electrode having a comb-like pattern shown in FIG. 4E is formed on the surface of the p-type layer, and each of the stripe-like portions corresponding to the teeth of the comb has a low threading dislocation density. A stripe-shaped region, that is, a region above the concave portion of the sapphire substrate can be provided. In this way, most of the current supplied from the p-type ohmic electrode through the p-type layer to the light-emitting layer can be concentrated in a region where the threading dislocation density is low, and thus the probability of light-emitting recombination of carriers in the light-emitting layer. And the luminous efficiency is improved.
This effect is, among other things, that the light emitting layer has a low In composition x. x Ga 1-x It becomes conspicuous in LEDs having an emission wavelength of purple (about 420 nm) to near-ultraviolet consisting of N (including the case of x = 0). The reason is that, in a light emitting layer made of a GaN-based semiconductor having a low In composition, the adverse effect of dislocations on the light emission efficiency is increased.
In the embodiment using this LEPS, 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 80% or more of the area of the electrode film portion of the p-type ohmic electrode is used as the low dislocation density region above the concave portion of the substrate. It is preferable to form in this area.
Here, the pattern of the p-type ohmic electrode is not limited to a comb pattern. Further, the uneven pattern formed on the substrate surface is not limited to a stripe shape. The concavo-convex pattern may be a pattern in which the direction of the boundary line between the concave portion and the convex portion is the <1-100> direction of the GaN-based semiconductor crystal grown on the substrate. For example, the convex portion is formed in an island shape. Pattern. Also, even if the direction of the boundary line is another direction, the lateral growth rate of the GaN-based semiconductor crystal can be increased by doping Mg, etc., thereby penetrating above the recess of the substrate. A region with a low dislocation density can be formed.
By the way, in this embodiment, before the crystal grown in the lateral direction from the convex part of the substrate is connected to the crystal grown in the concave part, it merges with the crystal grown in the lateral direction from the adjacent convex part. In some cases, a gap may remain between the GaN-based semiconductor crystal layer grown on the substrate. Since such voids are filled with a gaseous substance having a low refractive index, the light reaching from the light emitting layer is easily reflected, and the light generated in the light emitting layer is taken out from the lower surface side of the substrate. It becomes an obstacle. This problem can be solved by joining a new holding substrate on the reflective layer and removing the substrate used for LEPS (the substrate with the concavo-convex pattern formed on the surface) as in the embodiment shown in FIG. can do.

実施例1
本発明の実施例として、図12に示す断面構造を有するGaN系LEDを、次の手順にて作製し、評価を行った。
(LEDウエハの作製)
C面サファイア基板の一主面上に、フォトレジストからなるストライプ状のマスクパターンを周期的に形成した。ストライプ状のマスクの幅は3μm、周期(マスクの幅+隣接するマスク間に基板表面がストライプ状に露出した部分の幅)は6μm、ストライプ方向はサファイアの〈1−100〉方向(基板上に成長されるGaN系半導体結晶の〈11−20〉方向となる)とした。該マスク上から反応性イオンエッチングを行うことにより、露出したサファイア基板の表面に深さ1μmの溝を加工した。その後、フォトレジストを除去することにより、表面にストライプ状の凹凸パターンが形成されたサファイア加工基板1を得た。なお、このストライプ方向を有するサファイア加工基板上では、GaN系半導体結晶の横方向成長が抑制され、基板表面の凹部が埋め込まれ易くなる。
次に、MOVPE法を用いて、上記サファイア加工基板1の上に、n型層2、発光層3、p型層4を順次成長し、続いて、ラピッドサーマルアニーリング(RTA)装置を用いてアニーリング処理を行うことにより、LED構造のGaN系半導体積層体を備えたLEDウェハを得た。ここで、n型層2は、アンドープGaN層とSiドープGaN層の2層構造とし、サファイア加工基板1の表面の凹凸をアンドープGaN層で埋め込んだ上に、SiドープGaN層を成長した。また、発光層3は、発光波長が400nmとなるようにIn組成を調節したInGaN井戸層と、該井戸層よりもバンドギャップの大きなInGaN障壁層とを、交互に積層したMQW構造とした。また、p型層4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、2層構造とした。
(電極等の形成)
次に、p型層4の表面に、p型オーミック電極P2を、正方形状の窓部を有する格子状パターンに形成した。該格子状パターンに占める窓部の面積比は、約70%とした。このp型オーミック電極P2は、蒸着法を用いて、p型層4に接する側から、膜厚30nmのRh、膜厚100nmのAu、膜厚20nmのTiをこの順に積層して形成した。p型オーミック電極P2のパターニングは、通常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った。パターニング後のp型オーミック電極P2に対して、500℃、1分間の熱処理を行った。
次に、n型層2に含まれるSiドープGaN層を部分的に露出させるために、反応性イオンエッチング法を用いて、p型層4の上面側から、p型層4および発光層3の一部を除去した。続いて、該エッチングにより形成されたSiドープGaN層の露出面上に、蒸着法を用いてTiとAlを順に積層することにより、n型オーミック電極P1を形成した。n型オーミック電極P1にも、500℃、1分間の熱処理を行った。
次に、プラズマCVD法を用いて、ウェハの上面全体を覆うように、SiOからなる膜厚300nmの保護膜P4を形成し、続いて、ドライエッチングにより、保護膜P4を部分的に除去した開口部を形成し、n型オーミック電極P1の上面と、p型オーミック電極P2の一部を露出させた。
次に、蒸着法により、保護膜P2の上に、Alからなる膜厚200nmの反射層P5を形成した。
次に、蒸着法を用いて、p側ボンディング電極P3を形成した。p側ボンディング電極は、最下層が膜厚10nmのTiで、その上に、膜厚80nmのPtと膜厚80nmのAuを交互に3層ずつ、最上層がAu層となるように積層した積層体とした。このp側ボンディング電極P3を、保護膜P4の開口部に露出したp型オーミック電極P2に接し、かつ、保護膜P4上に形成された反射層P5の全体を覆うように形成した。
このp側ボンディング電極P3を形成するのと同時に、p側ボンディング電極P3と同じ積層構造を有するn側ボンディング電極P6を、保護膜P4の開口部に露出したn型オーミック電極P1の上に形成した。
次に、サファイア加工基板1の下面を研磨して、その厚さを100μmまで薄くし、その後、スクライビングを行って、ウェハからLEDチップを切り出した。LEDチップのサイズは、350μm角とした。
(評価)
得られたLEDチップ(ベアチップ)を、表面に正負のリード電極が形成された実装用基材の上に固定した。固定は、素子の上方(サファイア加工基板1から見てGaN系半導体積層体が形成された側)を該実装用基材の実装面に向け、p側ボンディング電極P3を正のリード電極に対して、n側ボンディング電極P6を負のリード電極に対して、それぞれ、Au−Snハンダで接合することにより行った。なお、p側ボンディング電極P3は、反射層P5の上に重ねて形成された部分の表面を、Au−Snハンダとの接合に用いた。
実装したLEDチップの順方向電圧(Vf)と出力を、通電電流20mAにて測定した。出力の測定には積分球を用いた。その結果、Vfは3.8V、出力は10.7mWであった。
実施例2
p型オーミック電極P2に含まれるRhを、Pdに置き換えたことを除いて、実施例1と同様の方法でLEDチップを作製し、評価を行った。その結果、Vfは3.4V、出力は、9.7mWであった。
比較例1
従来技術に係る例として、図13(a)に示す断面構造を有するGaN系LEDを作製し、評価を行った。このGaN系LEDは、p型オーミック電極が窓部を有するパターンに形成されておらず、また、Alからなる反射層を有さない。
LEDウェハの作製は、実施例1と同様にして行った。
得られたウェハのp型層14の表面に、窓部を全く設けないパターン(すなわち、平板状)とすること以外は、実施例1のp型オーミック電極と同様にして、p型オーミック電極P12を形成した。
次に、n型オーミック電極P11の形成と、それに続く、ウェハ上面全体への保護膜P14の形成を、実施例1と同様に行った。
次に、ドライエッチングにより、保護膜P14を部分的に除去した開口部を形成し、n型オーミック電極P11の上面と、p型オーミック電極P12の上面を露出させた。続いて、該開口部に露出したn型オーミック電極P11とp型オーミック電極P12の、それぞれの上に、実施例1で形成したものと同じ積層構造を有する、n側ボンディング電極P16とp側ボンディング電極P13を、同時に形成した。
その後は、実施例1と同様の方法で、ウェハからLEDチップを切り出し、実装用基材の上に固定して、評価を行った。
その結果、Vfは3.8V、出力は9.5mWであった。
実施例1の素子と比較例1の素子とを比べると、p型オーミック電極として、RhとAuからなる、同じ積層構造の電極を用いたことから、Vfが同等となったものと考えられる。一方、実施例1の素子は、発光層で発生される光の少なくとも一部を、波長400nmの光に対する反射率がRhよりも高いAlからなる反射層によって、基板側に反射させているのに対し、比較例1の素子は、かかる反射層を用いる反射構造を有さないために、実施例1の素子の方が、比較例1の素子よりも、出力が高くなったと考えられる。
また、実施例2の素子と比較例1の素子とを比べると、実施例2の素子は、Rhよりも反射性に劣るPdをp型オーミック電極に用いているにも係らず、その出力は比較例1の素子を上回っている。そして、実施例2の素子は、Vfが比較例1の素子よりも低いので、発光効率が比較例1の素子よりも良好となっている。
比較例2
従来技術に係る例として、図13(b)に示す断面構造を有するGaN系LEDを作製し、評価を行った。このGaN系LEDは、p型オーミック電極とAlからなる反射層との間に、絶縁体からなる保護膜が介在されていない。
LEDウェハの作製は、実施例1と同様にして行った。
得られたウェハのp型層14の表面に、実施例1と同様にして、p型オーミック電極P12を形成した。
次に、p型オーミック電極P12を直接覆うように、Alからなる膜厚200nmの反射層P15を形成した。
次に、n型オーミック電極P11の形成と、それに続く、ウェハ上面全体への保護膜P14の形成を、実施例1と同様に行った。
次に、ドライエッチングにより、保護膜P14を部分的に除去した開口部を形成し、n型オーミック電極P11の上面と、反射層P15の上面を露出させた。続いて、該開口部に露出したn型オーミック電極P11と反射層P15の、それぞれの上に、実施例1で形成したものと同じ積層構造を有する、n側ボンディング電極P16とp側ボンディング電極P13を、同時に形成した。
その後は、実施例1と同様の方法で、ウェハからLEDチップを切り出し、実装用基材の上に固定して、評価を行った。
その結果、Vfは4.5V、出力は7.5mWであった。
Example 1
As an example of the present invention, a GaN-based LED having the cross-sectional structure shown in FIG. 12 was produced and evaluated by the following procedure.
(Production of LED wafer)
A stripe mask pattern made of a photoresist was periodically formed on one main surface of a C-plane sapphire substrate. The width of the stripe-shaped mask is 3 μm, the period (mask width + the width of the portion where the substrate surface is exposed in a stripe shape between adjacent masks) is 6 μm, and the stripe direction is the <1-100> direction of sapphire (on the substrate) It becomes the <11-20> direction of the GaN-based semiconductor crystal to be grown). By performing reactive ion etching on the mask, a groove having a depth of 1 μm was processed on the exposed surface of the sapphire substrate. Then, the sapphire processing board | substrate 1 with which the striped uneven | corrugated pattern was formed in the surface was obtained by removing a photoresist. Note that, on the sapphire processed substrate having the stripe direction, the lateral growth of the GaN-based semiconductor crystal is suppressed, and the concave portion on the substrate surface is easily embedded.
Next, an n-type layer 2, a light emitting layer 3, and a p-type layer 4 are sequentially grown on the sapphire processed substrate 1 using the MOVPE method, followed by annealing using a rapid thermal annealing (RTA) apparatus. By performing the treatment, an LED wafer provided with a GaN-based semiconductor laminate having an LED structure was obtained. Here, the n-type layer 2 has a two-layer structure of an undoped GaN layer and a Si-doped GaN layer, and the surface of the sapphire processed substrate 1 is buried with the undoped GaN layer, and then a Si-doped GaN layer is grown. The light emitting layer 3 has an MQW structure in which an InGaN well layer whose In composition is adjusted so that an emission wavelength is 400 nm and an InGaN barrier layer having a larger band gap than the well layer are alternately stacked. The p-type layer 4 has a two-layer structure including an Mg-doped AlGaN cladding layer and an Mg-doped GaN contact layer laminated thereon.
(Formation of electrodes, etc.)
Next, the p-type ohmic electrode P2 was formed on the surface of the p-type layer 4 in a lattice pattern having square windows. The area ratio of the window portion in the lattice pattern was about 70%. The p-type ohmic electrode P2 was formed by stacking Rh with a thickness of 30 nm, Au with a thickness of 100 nm, and Ti with a thickness of 20 nm in this order from the side in contact with the p-type layer 4 by vapor deposition. The p-type ohmic electrode P2 was patterned by a lift-off method using a normal photolithography technique. The p-type ohmic electrode P2 after patterning was subjected to heat treatment at 500 ° C. for 1 minute.
Next, in order to partially expose the Si-doped GaN layer included in the n-type layer 2, the reactive ion etching method is used to form the p-type layer 4 and the light emitting layer 3 from the upper surface side of the p-type layer 4. Part was removed. Subsequently, an n-type ohmic electrode P1 was formed by sequentially stacking Ti and Al on the exposed surface of the Si-doped GaN layer formed by the etching using a vapor deposition method. The n-type ohmic electrode P1 was also heat-treated at 500 ° C. for 1 minute.
Next, a 300 nm-thickness protective film P4 made of SiO 2 is formed by plasma CVD so as to cover the entire upper surface of the wafer, and then the protective film P4 is partially removed by dry etching. An opening was formed, and the upper surface of the n-type ohmic electrode P1 and a part of the p-type ohmic electrode P2 were exposed.
Next, a 200 nm-thick reflective layer P5 made of Al was formed on the protective film P2 by vapor deposition.
Next, the p-side bonding electrode P3 was formed using a vapor deposition method. The p-side bonding electrode is a laminate in which the lowermost layer is Ti having a thickness of 10 nm, on which three layers of Pt having a thickness of 80 nm and Au having a thickness of 80 nm are alternately laminated so that the uppermost layer is an Au layer. The body. The p-side bonding electrode P3 was formed so as to be in contact with the p-type ohmic electrode P2 exposed at the opening of the protective film P4 and to cover the entire reflective layer P5 formed on the protective film P4.
Simultaneously with the formation of the p-side bonding electrode P3, an n-side bonding electrode P6 having the same laminated structure as the p-side bonding electrode P3 was formed on the n-type ohmic electrode P1 exposed at the opening of the protective film P4. .
Next, the lower surface of the sapphire processed substrate 1 was polished to reduce its thickness to 100 μm, and then scribing was performed to cut out an LED chip from the wafer. The size of the LED chip was 350 μm square.
(Evaluation)
The obtained LED chip (bare chip) was fixed on a mounting substrate having positive and negative lead electrodes formed on the surface. For fixing, the upper side of the element (the side on which the GaN-based semiconductor laminate is formed as viewed from the sapphire substrate 1) is directed to the mounting surface of the mounting substrate, and the p-side bonding electrode P3 is set to the positive lead electrode. The n-side bonding electrode P6 was bonded to the negative lead electrode by Au—Sn solder. For the p-side bonding electrode P3, the surface of the portion formed on the reflective layer P5 was used for bonding with Au—Sn solder.
The forward voltage (Vf) and output of the mounted LED chip were measured at a current of 20 mA. An integrating sphere was used to measure the output. As a result, Vf was 3.8 V, and the output was 10.7 mW.
Example 2
An LED chip was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1 except that Rh contained in the p-type ohmic electrode P2 was replaced with Pd. As a result, Vf was 3.4 V, and the output was 9.7 mW.
Comparative Example 1
As an example related to the prior art, a GaN-based LED having a cross-sectional structure shown in FIG. 13A was fabricated and evaluated. This GaN-based LED does not have a p-type ohmic electrode formed in a pattern having a window, and does not have a reflective layer made of Al.
The LED wafer was manufactured in the same manner as in Example 1.
The p-type ohmic electrode P12 is the same as the p-type ohmic electrode of Example 1 except that the surface of the p-type layer 14 of the obtained wafer has a pattern (that is, a flat plate shape) in which no window is provided. Formed.
Next, formation of the n-type ohmic electrode P11 and subsequent formation of the protective film P14 on the entire upper surface of the wafer were performed in the same manner as in Example 1.
Next, an opening in which the protective film P14 was partially removed was formed by dry etching to expose the upper surface of the n-type ohmic electrode P11 and the upper surface of the p-type ohmic electrode P12. Subsequently, the n-side bonding electrode P16 and the p-side bonding having the same laminated structure as that formed in Example 1 on each of the n-type ohmic electrode P11 and the p-type ohmic electrode P12 exposed in the opening. The electrode P13 was formed at the same time.
Thereafter, an LED chip was cut out from the wafer in the same manner as in Example 1, fixed on the mounting substrate, and evaluated.
As a result, Vf was 3.8 V, and the output was 9.5 mW.
When the element of Example 1 and the element of Comparative Example 1 are compared, it is considered that Vf is equivalent because an electrode having the same laminated structure made of Rh and Au is used as the p-type ohmic electrode. On the other hand, in the device of Example 1, at least a part of the light generated in the light emitting layer is reflected to the substrate side by the reflective layer made of Al having a reflectance higher than Rh for light having a wavelength of 400 nm. On the other hand, since the element of Comparative Example 1 does not have a reflective structure using such a reflective layer, it is considered that the output of the element of Example 1 was higher than that of the element of Comparative Example 1.
Further, when comparing the element of Example 2 with the element of Comparative Example 1, the output of the element of Example 2 is Pd, which is less reflective than Rh, although it is used for the p-type ohmic electrode. It exceeds the element of Comparative Example 1. And since the element of Example 2 has Vf lower than the element of the comparative example 1, the luminous efficiency is better than the element of the comparative example 1.
Comparative Example 2
As an example related to the prior art, a GaN-based LED having a cross-sectional structure shown in FIG. 13B was fabricated and evaluated. In this GaN-based LED, a protective film made of an insulator is not interposed between the p-type ohmic electrode and the reflective layer made of Al.
The LED wafer was manufactured in the same manner as in Example 1.
A p-type ohmic electrode P12 was formed on the surface of the p-type layer 14 of the obtained wafer in the same manner as in Example 1.
Next, a 200 nm-thick reflective layer P15 made of Al was formed so as to directly cover the p-type ohmic electrode P12.
Next, formation of the n-type ohmic electrode P11 and subsequent formation of the protective film P14 on the entire upper surface of the wafer were performed in the same manner as in Example 1.
Next, an opening in which the protective film P14 was partially removed was formed by dry etching to expose the upper surface of the n-type ohmic electrode P11 and the upper surface of the reflective layer P15. Subsequently, the n-side bonding electrode P16 and the p-side bonding electrode P13 having the same laminated structure as that formed in Example 1 on each of the n-type ohmic electrode P11 and the reflective layer P15 exposed in the opening. Were formed simultaneously.
Thereafter, an LED chip was cut out from the wafer in the same manner as in Example 1, fixed on the mounting substrate, and evaluated.
As a result, Vf was 4.5 V, and the output was 7.5 mW.

本発明の実施に係るGaN系発光ダイオードでは、発光層で発生される光が透過するように形成されたp型オーミック電極と、反射層との間に、絶縁体からなる保護膜を介在させるので、反射層の材料が拡散することによるp型オーミック電極の接触抵抗の上昇が抑制される。また、p型オーミック電極の材料が拡散することによる、反射層の反射率の低下も抑制される。つまり、p型オーミック電極と反射層とを、絶縁体からなる保護膜で隔てることにより、p型オーミック電極と反射層のそれぞれを最適化することができる。そのため、変換効率の低下を伴うことなく、反射層を用いた光取り出し効率の改善ができ、発光効率が改善される。
また、本発明の実施に係るGaN系発光ダイオードでは、p型オーミック電極を窓部を有するパターンに形成するので、発光層で発生される光がp型オーミック電極に吸収されることによる損失が小さくなり、光取り出し効率が良好となる。
また、本発明の実施に係るGaN系発光ダイオードは、好ましくは、反射層の最表面層をボンディング層として、または、反射層の上にボンディング層を形成して、このボンディング層と実装用基材とを、導電性接合材料で接合することにより実装する。このように実装すると、素子の動作時に発光層で発生する熱が、効率よく実装用基材に伝達されるために、素子の温度上昇が抑えられ、その結果として、発光効率の低下や波長変動が抑制されるとともに、素子の寿命や信頼性が改善される。
本出願は、日本で出願された特願2005−031155、特願2005−284375および特願2005−317781を基礎としており、それらの内容は本明細書に全て包含される。
In the GaN-based light emitting diode according to the embodiment of the present invention, a protective film made of an insulator is interposed between the p-type ohmic electrode formed to transmit light generated in the light emitting layer and the reflective layer. An increase in the contact resistance of the p-type ohmic electrode due to the diffusion of the material of the reflective layer is suppressed. Moreover, the fall of the reflectance of a reflection layer by the material of a p-type ohmic electrode diffusing is also suppressed. That is, each of the p-type ohmic electrode and the reflective layer can be optimized by separating the p-type ohmic electrode and the reflective layer by the protective film made of an insulator. Therefore, the light extraction efficiency using the reflective layer can be improved without lowering the conversion efficiency, and the light emission efficiency is improved.
In the GaN-based light emitting diode according to the embodiment of the present invention, since the p-type ohmic electrode is formed in a pattern having a window portion, the loss due to the light generated in the light-emitting layer being absorbed by the p-type ohmic electrode is small. Thus, the light extraction efficiency is improved.
In the GaN-based light emitting diode according to the embodiment of the present invention, preferably, the outermost surface layer of the reflective layer is used as a bonding layer or a bonding layer is formed on the reflective layer, and the bonding layer and the mounting substrate are formed. Are mounted by bonding with a conductive bonding material. When mounted in this way, the heat generated in the light emitting layer during operation of the element is efficiently transferred to the mounting substrate, so that the temperature rise of the element is suppressed, resulting in a decrease in light emission efficiency and wavelength fluctuations. Is suppressed, and the lifetime and reliability of the device are improved.
This application is based on patent application Nos. 2005-031155, 2005-284375, and 2005-317781 filed in Japan, the contents of which are incorporated in full herein.

Claims (15)

n型GaN系半導体層と、
該n型GaN系半導体層の上に形成された、GaN系半導体からなる発光層と、
該発光層の上に形成されたp型GaN系半導体層と、
該p型GaN系半導体層の表面に、窓部を有するパターンに形成されたp型オーミック電極と、
該p型オーミック電極を該p型GaN系半導体層とで挟むように形成された、該窓部を通して該発光層から届く光を反射する、金属製の反射層と、
該反射層と該p型オーミック電極との間に介在された、絶縁体からなる保護膜と、
を有するGaN系発光ダイオード。
an n-type GaN-based semiconductor layer;
A light emitting layer made of a GaN-based semiconductor formed on the n-type GaN-based semiconductor layer;
A p-type GaN-based semiconductor layer formed on the light emitting layer;
A p-type ohmic electrode formed in a pattern having a window on the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer;
A metal reflective layer that is formed so as to sandwich the p-type ohmic electrode with the p-type GaN-based semiconductor layer and reflects light reaching the light-emitting layer through the window;
A protective film made of an insulator interposed between the reflective layer and the p-type ohmic electrode;
A GaN-based light emitting diode having:
前記反射層の最表面層がボンディング層であるか、または、前記反射層の上に、更に、金属製のボンディング層が形成されている、請求項1記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light-emitting diode according to claim 1, wherein the outermost surface layer of the reflective layer is a bonding layer, or a metal bonding layer is further formed on the reflective layer. 前記ボンディング層が、Au、Au合金、SnまたはSn合金からなる層である、請求項2記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light-emitting diode according to claim 2, wherein the bonding layer is a layer made of Au, Au alloy, Sn, or Sn alloy. 前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がAg、Ag合金、Al、Al合金、または白金族元素で形成されている、請求項3記載のGaN系発光ダイオード。4. The GaN-based light emitting diode according to claim 3, wherein at least a portion that reflects light reaching from the light emitting layer is formed of Ag, an Ag alloy, Al, an Al alloy, or a platinum group element. 前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がAg、Ag合金、AlまたはAl合金で形成されており、更に、該部分と前記ボンディング層との間には、バリア層が介在されている、請求項3記載のGaN系発光ダイオード。The reflection layer is formed of Ag, Ag alloy, Al, or Al alloy at least at a portion that reflects light reaching from the light emitting layer, and a barrier layer is interposed between the portion and the bonding layer. The GaN-based light emitting diode according to claim 3, wherein 前記保護膜の膜厚が0.1μm〜1μmである、請求項2記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light emitting diode according to claim 2, wherein the protective film has a thickness of 0.1 μm to 1 μm. 前記保護膜が、前記p型GaN系半導体層よりも低い屈折率を有する、請求項1記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light-emitting diode according to claim 1, wherein the protective film has a lower refractive index than the p-type GaN-based semiconductor layer. 前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がAg、Ag合金、AlまたはAl合金で形成されており、かつ、前記p型オーミック電極が、Auを含むp型オーミック電極である、請求項1記載のGaN系発光ダイオード。The reflective layer is formed of Ag, an Ag alloy, Al, or an Al alloy at least at a portion that reflects light reaching from the light emitting layer, and the p-type ohmic electrode is a p-type ohmic electrode containing Au. The GaN-based light emitting diode according to claim 1. 前記p型オーミック電極が、前記保護膜と接する部位に、Ni、TiまたはCrからなる部分を含む、請求項1記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light-emitting diode according to claim 1, wherein the p-type ohmic electrode includes a portion made of Ni, Ti, or Cr at a portion in contact with the protective film. 前記p型オーミック電極の膜厚が60nm〜1μmである、請求項1記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light emitting diode according to claim 1, wherein the p-type ohmic electrode has a thickness of 60 nm to 1 μm. 前記p型オーミック電極の膜厚が100nm以上である、請求項10記載のGaN系発光ダイオード。The GaN-based light emitting diode according to claim 10, wherein the thickness of the p-type ohmic electrode is 100 nm or more. 前記窓部を有するパターンに占める窓部の面積比が60〜80%であり、かつ、前記発光層が発光波長420nm以下のInGa1−xN(x=0の場合を含む。)からなる、請求項1記載のGaN系発光ダイオード。The area ratio of the window portion in the pattern having the window portion is 60% to 80%, and the light emitting layer includes In x Ga 1-x N (including the case where x = 0) having an emission wavelength of 420 nm or less. The GaN-based light emitting diode according to claim 1. 請求項2に記載のGaN系発光ダイオードが、実装用基材の実装面上に、前記ボンディング層を該実装面に向けて固定されており、該ボンディング層と該実装用基材とが導電性接合材料により接合されている、発光装置。The GaN-based light emitting diode according to claim 2 is fixed on the mounting surface of the mounting base material with the bonding layer facing the mounting surface, and the bonding layer and the mounting base material are electrically conductive. A light-emitting device bonded by a bonding material. 前記導電性接合材料による接合が、ろう接により形成されたものである、請求項13記載の発光装置。The light emitting device according to claim 13, wherein the bonding by the conductive bonding material is formed by brazing. 前記導電性接合材料による接合が、共晶接合により形成されたものである、請求項13記載の発光装置。The light emitting device according to claim 13, wherein the bonding by the conductive bonding material is formed by eutectic bonding.
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