WO2006082687A1 - GaN系発光ダイオードおよび発光装置 - Google Patents

GaN系発光ダイオードおよび発光装置 Download PDF

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WO2006082687A1
WO2006082687A1 PCT/JP2005/023096 JP2005023096W WO2006082687A1 WO 2006082687 A1 WO2006082687 A1 WO 2006082687A1 JP 2005023096 W JP2005023096 W JP 2005023096W WO 2006082687 A1 WO2006082687 A1 WO 2006082687A1
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layer
light emitting
gan
ohmic electrode
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PCT/JP2005/023096
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Takahide Joichi
Hiroaki Okagawa
Hiroaki Murata
Tsuyoshi Takano
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Mitsubishi Cable Industries, Ltd.
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Definitions

  • G a N light emitting diode and light emitting device
  • the present invention relates to a GaN-based light emitting diode with improved luminous efficiency and a light emitting device using the same.
  • Ga N-based light-emitting diodes (hereinafter also referred to as “0 & 1 ⁇ -based 1 ⁇ £ 0”) are made by joining p-type and n-type G a N-based semiconductors with a light-emitting layer made of Ga N-based semiconductors sandwiched between them.
  • the semiconductor light-emitting device having a Pn junction diode structure can emit light ranging from red to ultraviolet by selecting the composition of the GaN-based semiconductor constituting the light-emitting layer.
  • G a N-based semiconductor has the formula A 1 a I n b G a ! _ A _ b N (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1, 0 ⁇ a + b ⁇ l) group III nitride as determined by Examples of the compound semiconductor are materials having any composition such as GaN, InGaN, AlGaN, A1InGaN, A1N, and InN.
  • a part of the Group 3 element is substituted with boron (B), thallium (T 1), etc.
  • N (nitrogen) is phosphorus (P), arsenic (A s), Those substituted with antimony (S b), bismuth (B i), etc. are also included in GaN-based semiconductors.
  • Ga N-based LEDs are formed on a crystal substrate made of sapphire using vapor phase growth methods such as metal organic compound vapor phase epitaxy (MOVPE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), and molecular beam epitaxy (MBE).
  • MOVPE metal organic compound vapor phase epitaxy
  • HVPE hydride vapor phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • N-type GaN-based semiconductor layer, light-emitting layer, p-type GaN-based semiconductor layer in this order, and then forming electrodes on each of the n-type GaN-based semiconductor layer and the p-type GaN-based semiconductor layer can do.
  • the crystal substrate is on the lower side during the vapor phase growth of the GaN-based semiconductor layer, and that the GaN-based semiconductor layer is stacked thereon.
  • vertical direction (of the substrate and semiconductor layer It is also the thickness direction.
  • the direction perpendicular to) is also called the horizontal direction.
  • the p-type GaN-based semiconductor layer is also simply referred to as a p-type layer
  • 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
  • an ohmic electrode for an n-type GaN-based semiconductor is also called an n-type ohmic electrode.
  • an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer are sequentially laminated, and a p-type ohmic electrode formed so that light generated in the light-emitting layer is transmitted on the p-type layer;
  • a GaN-based LED provided with a reflective layer is known (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-119996).
  • Type ohmic electrode is partially formed, and a reflective layer made of A 1 (aluminum) directly covers it.
  • a 1 is one of the metals with the highest reflectance in the green to near-ultraviolet region, which is the typical emission wavelength of G a N-based LEDs. It is expected that the light extraction efficiency will improve.
  • a 1 diffuses into the p-type ohmic electrode or the interface between the p-type ohmic electrode and the p-type layer by the heat treatment normally performed during the formation of the ohmic electrode.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and provide a GaN-based LED with improved luminous efficiency.
  • the present invention has the following features.
  • a GaN-based light emitting diode a GaN-based light emitting diode.
  • the outermost surface layer of the reflective layer is a bonding layer, or a metal bonding layer is further formed on the reflective layer,
  • At least a portion that reflects light reaching from the light emitting layer is formed of Ag, Ag alloy, Al, Al alloy, or a platinum group element.
  • G a N light emitting diode.
  • At least a part that reflects light reaching from the light emitting layer is formed of Ag, Ag alloy, A 1 or A 1 alloy, and further, between the part and the bonding layer A GaN-based light emitting diode according to (3), wherein a barrier layer is interposed in the GaN-based light emitting diode.
  • At least a portion that reflects light reaching from the light emitting layer is formed of Ag, Ag alloy, A 1 or A 1 alloy, and the!
  • the GaN-based light-emitting diode according to (1) comprising:
  • 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.
  • FIG. 1 is a view showing a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) is a top view
  • FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along line XY in FIG. 1 (a).
  • FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process of the GaN-based light emitting diode shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating 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 for explaining a manufacturing process for a GaN-based light emitting diode according to an 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 cross-sectional view showing a GaN-based light emitting diode according to the prior art.
  • Fig. 1 is a schematic diagram showing the structure of a GaN-based LED according to the embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 (a) is a top view
  • Fig. 1 (b) is an XY line in Fig. 1 (a). It is sectional drawing.
  • 1 is a crystal substrate
  • 2 is an n-type layer
  • 3 is a light emitting layer
  • 4 is!
  • Type layer P 1 is an n- type ohmic electrode
  • P 2 is a p-type ohmic electrode
  • P 3 is a p-side bonding electrode
  • P 4 is a protective film made of an insulator
  • P 5 is a reflective layer.
  • the crystal substrate 1 is, for example, a sapphire substrate.
  • the n-type layer 2 is, for example, a 3 m-thick GaN layer doped with Si (caine) at a concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the light emitting layer 3 is, for example, an MQW (Multiple Quantum Well) layer formed by laminating 10 layers each of an 8 nm thick GaN barrier layer and a 2 nm thick InGa N well layer.
  • MQW Multiple Quantum Well
  • the p-type layer 4 has, for example, Mg (magnesium) 1 X 1 0 19 on the side in contact with the light emitting layer 3. 1 1 1 -1 0 thickness of 30 1 1111 doped at a concentration of 3.1 0 and 0.9 and 11 layers, the side in contact with the p-type Omikku electrode P 2, Mg (magnesium) of 5 X 1 0 19 It is a laminated body with a 20 O nm thick GaN layer doped at a concentration of cm- 3 .
  • a buffer layer (not shown) made of G aN, A 1 G a N, or the like between the crystal substrate 1 and the n-type layer 2.
  • the n-type ohmic electrode P 1 is, for example, in order from the side in contact with the n-type layer 2, 8 1 with a film thickness of 30 11111, P d (palladium) with a film thickness of 10 O nm, and A u with a film thickness of 10 O nm. (Gold), 100 nm thick Pt (Platinum), 400 thick! ! ! ! ! Laminate and heat treatment It is formed by processing.
  • the p-type ohmic electrode P 2 has a film thickness of 20 11111 in order from the side in contact with the p-type layer 4.
  • (1. Thickness l OO nm Au, 10 nm thickness Ni (Eckenole) is laminated and heat-treated. The electrode film with such thickness becomes opaque, so p
  • the type ohmic electrode P 2 is formed in a pattern having a window portion so that light generated in the light emitting layer 3 can pass through.
  • the window portion is a portion where no electrode film exists.
  • the p-type ohmic electrode P 2 is formed in a lattice pattern, for example, the dimension of the lattice pattern is that the window is a square with a side of 8 ⁇ , and the interval between adjacent windows (the electrode film portion Width) is 2 / xm in both vertical and horizontal directions.
  • Ni thin film formed on the outermost surface of the p-type ohmic electrode P 2 is an adhesion strengthening layer for improving the adhesion with the protective film P 4.
  • a Ti (titanium) layer or a Cr (chromium) layer can also be used for such an adhesion reinforcing layer.
  • the p-side bonding electrode P 3 is, for example, the p-type layer 4 and! )
  • the film is formed by laminating and heat-treating Au with a thickness of 2011111 and a thickness of 600 nm.
  • the protective film P 4 made of an insulator is, for example, 3 i 0 2 having a film thickness of 30011111 formed by a plasma CVD method.
  • the reflective layer P 5 is, for example, A 1 with a thickness of 100 nm and a thickness of 1 0011111 in order from the side in contact with the protective film P 4. d, a laminated body with 100 nm thick Au laminated.
  • 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 directly from the light-emitting layer 3 or through internal reflection to the inside of the device is reflected on the lower surface of the p-type ohmic electrode P 2 and the lower surface of the reflective layer P 5 and travels downward in the traveling direction. Change.
  • the refractive index of the S i 0 2 is lower than that G a N type semiconductor, the interface between the p-type layer 4 and the protective film P 4, due to the refractive index difference Reflection occurs, improving the light extraction efficiency. Since S i 0 2 is an insulator, its light absorption is small. Therefore, when light generated in the light-emitting layer passes through the protective film P 4, or at the interface between the p-type layer 4 and the protective film P 4. Anti The loss incurred when shooting is very low.
  • 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 the MOVPE method, the HVPE method, the MBE method, or the like. After the p-type layer 4 is grown, annealing or the like is performed as necessary to reduce the resistance of the p-type layer 4.
  • FIG. 2 (a) is a top view of the wafer after the growth of the p-type layer 4 is completed. For convenience, only the area corresponding to one element is shown, but the actual process is performed in wafer units. The same applies to Figs. 2 (b) and (c) and Figs. 3 (d) to (f).
  • a p-type ohmic electrode P 2 is first formed on the wafer on which the growth of the p-type layer 4 has been completed, as shown in FIG. 2 (b).
  • a known vapor deposition method, sputtering method, CVD method, or the like can be used for forming 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. Finally, the photoresist film is lifted off. It is also possible to form an electrode film on the entire surface first and then remove unnecessary portions by etching.
  • the patterning of the n-type ohmic electrode Pl, the p-side bonding electrode P3, the protective film P4, and the reflective layer P5 can also be performed by the same method.
  • n-type ohmic electrode P 2 After the p-type ohmic electrode P 2 is formed, a part of the p-type layer 4 and 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. Expose n-type layer 2 as shown in c). This step may be performed immediately before the formation of an n-type ohmic electrode P 1 described later.
  • a protective film P4 made of an insulator is formed so as to cover a part of the p-type ohmic electrode P2.
  • a 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 impeded to use a wet method such as a sol-gel method.
  • Protective film P4 Si When forming with O 2 , the preferred film formation method is plasma CV, which does not easily generate pinholes.
  • a reflective layer P 5 is formed on the surface of the protective film P 4.
  • a known vapor deposition method, sputtering method, CVD method or the like can be used for the formation of the reflective layer P5.
  • the reflective layer P5 is formed so that the edge thereof does not exceed the edge of the protective film P4.
  • the reflective layer P 5 may be formed so as to overlap the protective film P 4 or may be formed so as to be in contact with the surface of the p-type layer 4 beyond the edge of the protective film P 4.
  • an n-type ohmic electrode P1 and a p-side bonding electrode P3 are formed.
  • the n-type ohmic electrode P 1 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.
  • the entire wafer is heat-treated at 400 ° C. for 5 minutes, so that the electrode and the GaN-based semiconductor layer are in close contact with each other. To promote. This heat treatment also has an effect of improving the adhesion between the protective film P 4 and the reflective layer P 5.
  • n-type ohmic electrodes and p-type ohmic electrodes it is desirable to perform such heat treatment in order to reduce the contact resistance with the semiconductor, but some electrode materials can be used without heat treatment. In addition, some of them can provide a sufficiently low contact resistance, and heat treatment is not essential when using such an electrode material. Also, 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.
  • the crystal substrate may be any substrate that can be used for epitaxial growth of GaN-based semiconductors.
  • Lateral growth of GaN-based semiconductor crystals is achieved by processing the crystal growth surface of the crystal substrate into a rough surface or partially forming a mask on the surface that inhibits the growth of GaN-based semiconductor crystals. Can be generated.
  • the crystal grown in the lateral direction becomes a high-quality crystal with a low dislocation density.
  • the crystal substrate used for the growth of the GaN-based semiconductor can be removed in the process of manufacturing the element or after mounting the chip element.
  • n-type layer, light-emitting layer The layered structure consists of a n-type carrier injected into the n-type layer and p-type carriers injected into the p-type layer. What is necessary is just to be comprised so that light emission may arise, and what is necessary is just to refer to a conventionally well-known technique suitably about the crystal composition of each layer, a layer thickness, the kind of added impurity, and a density
  • the light-emitting layer is an n-type layer with a larger band gap! ) Double heterostructure sandwiched between mold layers.
  • the light emitting layer preferably has a single quantum well (SQW) structure or a multiple quantum well (MQW) structure.
  • the n-type layer and p-type layer can have a multilayer structure in which layers having different functions such as a clad layer and a contact layer are laminated.
  • 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 preferred p-type ohmic electrode.
  • Au One or more metals selected from the group consisting of a single Au electrode, an Au alloy electrode made of an alloy containing Au as a main component, Ni, Pd, Rh (rhodium), Pt, Ti, etc. , Au-based electrode obtained by laminating Au and heat-treating.
  • Such a p-type ohmic electrode containing Au is easily affected by 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 the p-type ohmic electrode containing Au is used.
  • 1 and 11 react even at a relatively low temperature to form an intermetallic compound. Therefore, when a p-type ohmic electrode containing Au and a reflective layer made of A 1 are directly laminated, an ohmic electrode is formed. There is a problem that the characteristics of the p-type ohmic electrode are significantly deteriorated by heat treatment that is usually performed. Therefore, the configuration of the present invention in which a protective film is interposed between the p-type ohmic electrode and the reflective layer is particularly effective when a p-type ohmic electrode containing A u and a reflective shoulder made of A 1 are combined. is there.
  • Examples of other preferable p-type ohmic electrodes include an electrode made of a simple substance or an alloy of a platinum group element, and an electrode in which two or more kinds selected from platinum group elements are laminated. Since platinum group elements have excellent reflectivity for visible to near-ultraviolet light, the use of such a p-type ohmic electrode improves the light extraction efficiency of LED.
  • the portion of the p-type ohmic electrode that is in contact with the protective film is preferably formed of Ni, Ti, Cr, or the like.
  • Metals such as Ni, Ti, and Cr show good adhesion to metal oxides and metal nitrides. Suppressing the peeling of the protective film stabilizes the device characteristics and improves reliability.
  • the p-type ohmic electrode 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.
  • the thickness of the p-type ohmic electrode there is no limitation on the thickness of the p-type ohmic electrode, and the thickness of the metal thin film is high. It is not impeded to set it below 20 nm. However, if a p-type ohmic electrode with such a thickness is formed in a pattern with a window, the sheet resistance becomes too high, and there is sufficient current to the corner of the chip, depending on the chip size. The problem arises that it does not spread to the surface.
  • the film thickness of the electrode film is preferably 6 O nm or more, and preferably 100 nm or more. Is more preferable.
  • the thickness is greater than or equal to 1 O 2 O nm, 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.
  • the p-type ohmic electrode is formed in a pattern having a window portion, so that the coefficient of thermal expansion between the metal constituting the electrode and the p-type layer and the protective film sandwiching the metal is sandwiched.
  • the film thickness of the P-type ohmic electrode is preferably 60 nm or more as described above, and more preferably 100 nm or more. preferable.
  • the ohmic electrode has a structure that greatly affects its current spreading function due to large-scale deformation and 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 non-uniform and local heat will be generated due to the concentration of current, and the light emission efficiency will decrease due to this heat generation. A problem occurs.
  • the effect of increasing the thickness of the p-type ohmic electrode becomes significant when S i 0 2 is used as a material for the protective film formed thereon. This is because S i O 2 is a material with a particularly low coefficient of linear expansion among suitable protective film materials. In addition, this effect becomes remarkable when the p-type ohmic electrode is provided with a portion made of Ni, Ti, Cr or the like for enhancing the adhesion with the protective film. This is because the higher the adhesion to the protective film, the stronger the stress that the P-type ohmic electrode receives from the protective film due to the difference in thermal expansion coefficient.
  • the film thickness of the p-type ohmic electrode may be as follows: Preferably, it is more preferably 50 O nm or less, and particularly preferably 30 0 ⁇ m or less.
  • the step of forming the photoresist film in this way is performed, for example, by performing dry etching on the surface of the p-type layer 4 from the state shown in FIG. 2 (b), and then forming the n-type layer 2 as shown in FIG. 2 (c). This is the process of exposing the. In this step, a photoresist film can be used as an etching mask.
  • this photoresist film has an uneven surface (the window of the p-type ohmic electrode P 2) composed of the surface of the p-type layer 4 and the p-type ohmic electrode P 2 formed in a pattern having a window portion thereon. (The part becomes a concave part, and the electrode film part becomes a convex part). However, the smaller the film thickness of the P-type ohmic electrode P 2 is, the closer the base surface becomes to a flat surface. Photo cash register The adhesion of the strike film becomes good, and its peeling and dropping are suppressed.
  • the film thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 500 nm or less, and more preferably 300 nm or less.
  • the photoresist film is peeled off when a photoresist film is formed on the protective film formed so as to cover the p-type ohmic electrode. Also, dropping can 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.
  • Fig. 4 (a) shows an example of a net-like pattern with square windows
  • Fig. 4 (b) shows an example of a net-like pattern with circular windows
  • Fig. 4 (c) shows a multi-ring pattern and a radial pattern.
  • 4 (d) is an example of a meander pattern
  • FIG. 4 (e) is an example of a comb pattern
  • FIG. 4 (f) is an example of a branch pattern.
  • the lattice pattern is one of the net patterns. These patterns can also be mixed.
  • the electrode film part or window part finely.
  • the vertical and horizontal width is 1! ⁇ 50 / im is preferred, 2 / m ⁇ 2 is more preferred,! It is particularly preferable to set it to ⁇ 15 m.
  • the area ratio of the window part in the pattern is preferably in the range of 20% to 80%.
  • the larger the window area ratio the higher the light extraction efficiency.
  • the area of the electrode film portion becomes smaller, current flows locally in the light emitting layer at a high current density.
  • the In composition x that is, the shorter the emission wavelength, the higher the 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 decrease in light emission is small and the shift in emission wavelength is also small.
  • the electrode pattern includes many portions with a narrow width of the electrode film, which is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the P-type layer and the protective film. Deformation and rupture of the electrode film are likely to occur due to heat stress, and the current spreading function of the electrode is significantly reduced when the deformation or rupture occurs. In order to prevent this problem, it is preferable that the thickness of the p-type ohmic electrode be 100 nm or more.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention.
  • the protective film P 4 does not cover the entire surface of the p-type layer 4 exposed at the window of the p-type ohmic electrode P 2, and the p-type layer 4 is not formed at the center of the window.
  • the surface of the reflective layer P5 is in contact with the reflective layer P5. Even in such a mode, the constituent material of the reflective layer P5 diffuses! Degradation of the characteristics of the) type ohmic electrode P 2 can be suppressed.
  • the protective film P 4 is formed of an insulator having a refractive index lower than that of the p-type layer 4, and the p exposed to the window of the p-type ohmic electrode P 2. as shown in FIG.
  • the mold layer 4 and the reflective layer P 5 are preferably formed so as to be completely separated by the protective film P 4.
  • Examples of the material for the protective film made of an insulator include Si N x , Zn0 2 , T i O 2 and the like in addition to S i 0 2 . That is, an insulating metal oxide, metal nitride, or metal oxynitride is suitable for such a protective film.
  • Examples of the protective film include A l 2 O 3 , A 1 N, and Z r O 2 in addition to the above. Is done. These insulators can be stacked and used. Since the protective film made of these insulators has low light absorption, light passes through the protective film. The loss that is incurred when it is reflected or reflected at the interface between the P-type layer and the protective film can be made small.
  • the film thickness of the protective film is not particularly limited as long as the object of the present invention is achieved. However, in order to reliably form a film without a pinhole, the film thickness is set to not less than 0. This is preferable, more preferably 0.2 ⁇ or more, and particularly preferably 0 or more.
  • the thickness of the protective film is 3 / zm or less, it is easy to perform the patterning using a simple lift-off method.
  • the film thickness of the protective film is preferably 1 im or less so that the effect of improving the heat dissipation of the element obtained by the mounting method is increased. It is more preferably 5 / m or less, particularly preferably 0.3 or less.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a Ga-based LED according to an embodiment of the present invention.
  • the element shown in FIG. 6 is formed to extend so as to cover the end face of the light emitting layer 3 exposed by etching when the protective film P4 force 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.
  • Preferred reflective layer materials are Ag (silver), Al, Rh, Pt, etc., which have high reflectivity in the visible short wavelength region to the near ultraviolet region, and in particular, Ag and A1.
  • Platinum group elements (Ir, Pd, Ru, Os) other than Rh and Pt can also be suitably used.
  • the reflective layer may be formed of a metal having a 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 part of the reflective layer is formed of A1.
  • the reflective layer only from these highly reflective metals.
  • Ag is used for the anode, there is a problem in that it tends to cause electrochemical migration. Therefore, forming a reflective layer made of Ag directly on the p-type ohmic electrode may cause deterioration of the p-type ohmic electrode. May cause LED deterioration.
  • a 1 has a linear expansion coefficient about four times that of a GaN-based semiconductor, when a reflective layer made of A 1 is formed directly on a p-type layer as in the past, The reflective layer is likely to be deformed by the thermal stress generated by the difference in thermal expansion coefficient. When this deformation is applied to the p-type ohmic electrode, the contact state between the p-type ohmic electrode and the p-type layer is deteriorated, and the contact resistance of the p-type ohmic electrode is increased.
  • a 1 has a low melting point, so it easily diffuses during heat treatment of the electrode, and further, stress migration due to the above-described heat stress is likely to occur.
  • a 1 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.
  • a 1 has a property of forming an intermetallic compound with a metal that is used as a p-type ohmic material.
  • 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.
  • the reflective layer is formed of Ag or A1
  • An alloy to which other elements are added can also be used within a range in which the reflectance is not significantly reduced (for example, a range in which the reflectance is not less than 80%).
  • a highly reflective Ag alloy or A1 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 A 1 alloy an alloy obtained by adding Ti, Si, Nd, Cu or the like to A 1 is exemplified.
  • a method of forming a reflective layer made of an alloy of Ag or A1 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. It is also possible to use a method in which A 1 and Ag are laminated from above and then heat-treated.
  • the n-type ohmic electrode P 1 and the p-side ponding electrode P 3 are both rectangular and 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.
  • the shape of these electrodes may be square like the element shown in Fig. 7 (a), or circular like the element shown in Fig. 7 (b).
  • a diagonal arrangement may be adopted.
  • 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.
  • n-type ohmic electrode, p-type ohmic electrode, p For the shape of the side bonding electrode, reference can be made to JP-A 2000-164930.
  • a transparent conductive substrate such as a SiC substrate, a ZnO substrate, or a GaN substrate can be used.
  • the n-side ohmic electrode is formed on the lower surface of the crystal substrate. Can be formed.
  • n-type ohmic electrode a conventionally known electrode can be appropriately used as an electrode having a low contact resistance with respect to the n-type GaN-based semiconductor.
  • an electrode for example, an electrode whose portion in contact with the n-type layer is made of Al, Ti, Cr, W, or an alloy thereof can be cited.
  • a preferred n-type ohmic electrode is one in which the portion in contact with the n-type layer is made of A 1.
  • 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 at the same time, the number of manufacturing steps can be reduced.
  • An n-type ohmic electrode can be used as a bonding electrode if the layer thickness is about 200 nm or more. However, if necessary, an n-side bonding electrode is separately provided on the n-type ohmic electrode. It may be formed.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a mounting example of the GaN-based LED shown in FIG.
  • S is a mounting substrate, for example, a table of a substrate S 1 made of A 1 N.
  • a pattern of lead electrodes S 2, S 3 and S 4 made of Au is formed on the surface.
  • the GaN LED reflects the reflective layer P5 toward the mounting substrate S, reflects the n-type ohmic electrode P1 to the lead electrode S2, and reflects the p-side bonding electrode P3 to the lead electrode S3.
  • the layer P 5 is fixed to the mounting substrate S by bonding to the lead electrode S 4 with the conductive bonding material C.
  • the conductive bonding material C is, for example, a conductive paste in which a filter material such as Au-Sn solder or conductive fine particles are dispersed in a resin binder.
  • the conductive bonding material is a suitable bonding material. This is because the conductive bonding material itself is made of a metal material, 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.
  • a layer used for bonding with a bonding material when an element is mounted such as the outermost surface layer of the reflective layer P 5 in FIG. 8, is referred to as a bonding layer.
  • the reflective layer P 5 is joined to the lead electrode S 4 in order to release heat generated in the LED to the base material S.
  • a brazing material as the conductive bonding material C.
  • the light emitting layer is used during LED operation. Since the generated heat is efficiently transferred to the mounting substrate, the temperature rise of the element can be suppressed. As a result, a decrease in luminous efficiency and wavelength fluctuations are suppressed, and the lifetime and reliability of the device 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. It can.
  • Eutectic solder is the most commonly used brazing material, and Sn (tin) is often used as a component metal for eutectic solder.
  • Sn Sn alloy Sn alloy containing the same component as the Sn-based eutectic solder used
  • the bonding layer and the eutectic solder are formed when eutectic solder containing Sn is used. It is possible to bond crystal solder closely.
  • Au alloy 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 Since it is also stable, it is frequently used for joining semiconductor components. If the bonding layer is made of Au or an Au alloy (Au alloy containing the same components as the Au alloy solder used), the bonding layer and the Au alloy solder are tightly bonded when using the Au alloy solder. Can be joined.
  • the bonding layer and the lead electrode can be eutectic bonded.
  • eutectic bonding for example, an Au layer is used as the bonding layer, an Sn layer is formed on the surface of the lead electrode, and energy is applied in the form of heat, vibration, etc. while these layers are in contact with each other.
  • bonding is performed by forming an Au—Sn eutectic alloy in the contact area.
  • Eutectic bonding is also a preferable bonding method for improving the heat dissipation of the element because it is bonding with a metal material.
  • the reflective layer P 5 is exposed to a high temperature.
  • a barrier layer made of a metal material having a melting point higher than Au is interposed between these layers.
  • the reaction between Au and A 1 occurs, the reflectivity of the A 1 layer decreases, This is because an alloy layer with inferior strength is formed or voids are formed, so that the lifetime and reliability of the device are lowered.
  • Such a reaction gradually progresses even at the device operating temperature or lower temperature, but this can be suppressed by the intervention of the barrier layer.
  • an A 1 alloy layer is used instead of the A 1 layer and an Au alloy layer is used instead of the A u 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, and simple substances or alloys such as TNi.
  • 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.
  • a barrier layer is preferably interposed between the Sn (alloy) layer.
  • the reflective layer P 5 and the p-type ohmic electrode P 2 may be electrically short-circuited to prevent destruction of the protective film P 4 due to static electricity or the like, and the accompanying deterioration of LED.
  • This short circuit can also be performed by short-circuiting the lead electrode S 3 and the lead electrode S 4 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.
  • the p-type ohmic electrode P 2 and the reflective layer P 5 are short-circuited in the element.
  • the p-side bonding electrode P 3 is formed extending to the surface of the reflective layer P 5.
  • This GaN-based LED can be mounted with good heat dissipation by using the outermost surface layer of the layered p-side bonding electrode P3 formed on the reflective layer P5 as a bonding layer.
  • the reflective layer P 5 does not go through the protective film P 4 but on the p-type ohmic electrode P 2.
  • a structure in which stacked portions do not occur is adopted. Such a structure has a reflective layer
  • the A 1 layer or the Ag layer is included.
  • the reason is: If the A 1 layer or Ag layer is provided on the type ohmic electrode without a protective film, the diffusion of A 1 or Ag will occur, reacting with the material of the p type ohmic electrode, or p This is because it easily enters the interface between the type ohmic electrode and the p-type layer. This is because the p-type ohmic electrode is only separated by a thin p-type layer from the active layer, which is the heat-generating part of the device, and is therefore exposed to a relatively high temperature for a long period of time. is there.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention.
  • the n-type ohmic electrode P 1 and the reflective layer P 5 are short-circuited in the element.
  • the n-type ohmic electrode P 1 force is formed to extend to the surface of the reflective layer P 5.
  • This GaN-based LED can be mounted with good heat dissipation by using the outermost surface layer of the layered n-type ohmic electrode P 1 formed on the reflective layer P 5 as a bonding layer.
  • the reflective layer when Ag is used for the reflective layer, if the potential of the reflective layer increases, there may be a problem of electrochemical migration of Ag. 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. 11 (a) shows an n-type layer 2, a light-emitting layer 3, and a p-type layer 4 grown on a crystal substrate 1, and a p-type ohmic electrode P2, a protective film P4, and a reflective layer P5.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a formed wafer.
  • the reflective layer P 5 is electrically connected to the p-type ohmic electrode P 2 at the periphery of the element.
  • connection part between the p-type ohmic electrode P2 and the reflective layer P5 is configured respectively.
  • a barrier layer for suppressing the alloying reaction between the metal materials to be formed may be interposed.
  • the reflective layer P 5 has a multilayer structure, the lowermost layer is made of A 1 or Ag, the uppermost layer is made of A u (alloy) or Sn (alloy), and a barrier layer is interposed between them.
  • the lowermost layer may be formed only on the surface of the protective 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. 11 (b) shows that the holding substrate B is bonded onto the reflective layer P 5 via the conductive bonding material C.
  • the conductive bonding material C is, for example, a brazing material or a conductive base.
  • the holding substrate B may be a conductive substrate.
  • a thick film made of a metal such as Ni is deposited by electric plating using the reflective layer P 5 as an electrode, and this is used as a holding substrate. Can also be used.
  • the uppermost layer of the reflective layer P 5 is made of A u (alloy) or It is preferable to form with Sn (alloy).
  • FIG. 11 (c) shows that the crystal substrate 1 is removed and an n-type ohmic electrode P 1 is formed on the exposed surface of the n-type layer 2.
  • the removal of the crystal substrate 1 is performed by grinding or polishing the entire or most of the crystal substrate 1 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 P 1 may be formed on the exposed surface of the n-type layer exposed by etching from below the n-type layer.
  • LEPS Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate
  • EP 1 1 8 4 8 9 7 A 1 The GaN-based semiconductor layer is grown using, and the electrode film portion of the p-type ohmic electrode is selectively formed on the region with a relatively low threading dislocation density formed on the surface of the p-type layer. To form. By doing this, The luminous efficiency (internal quantum efficiency) in the optical layer can be increased.
  • the surface of the C-plane sapphire substrate extends in the ⁇ 1 1-20> direction of sapphire (the ⁇ 1-100> direction of the GaN-based semiconductor crystal grown on the substrate).
  • a stripe-shaped recesses grooves
  • a GaN-based semiconductor crystal is grown thereon.
  • lateral crystal growth starting from the surface of the convex portion occurs, and eventually, the crystals grown from the convex portions are united to obtain a crystal layer having a flat surface.
  • an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer are grown on it in order to produce an LED wafer.
  • the density of threading dislocations 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 can be as low as 10 7 cm- 2 or less.
  • a p-type ohmic electrode having a comb-like pattern shown in FIG. 4 (e) is formed on the surface of the die layer, and each of the stripe-like portions corresponding to the teeth of the comb has a threading dislocation density. It can be provided so as to be arranged in a low stripe region, that is, a region above the concave portion of the sapphire substrate. In this way, most of the current supplied from the p-type ohmic electrode to the light-emitting layer through the p-type layer can be concentrated in a region where the threading dislocation density is low. The probability increases and the luminous efficiency improves.
  • the area of the electrode film portion of the p-type ohmic electrode is a low dislocation density region. It is preferable to form in the area
  • the pattern of the p-type ohmic electrode is not limited to the comb pattern.
  • 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 ⁇ 1-10000> direction of the GaN-based semiconductor crystal grown on the substrate. It can be a pattern formed in an island shape. Further, even if the direction of the boundary line is in other directions, the lateral growth rate of the GaN-based semiconductor crystal can be increased by doping Mg, etc. A region having a low threading dislocation density can be formed above the region.
  • 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. And a gap may be left between the GaN-based semiconductor crystal layer grown on the substrate.
  • Such voids are filled with a gaseous substance having a low refractive index, so that light reaching the light emitting layer is easily reflected, and light generated in the light emitting layer is extracted 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. It can be solved.
  • a GaN-based LED having the cross-sectional structure shown in FIG. 12 was produced and evaluated by the following procedure.
  • a striped mask pattern made of photoresist was periodically formed on one main surface of a C-plane sapphire substrate.
  • the width of the stripe-shaped mask is 3 m
  • the period (mask width + the width of the portion where the substrate surface is exposed in a stripe shape between adjacent masks) is 6 ⁇ ⁇
  • the stripe direction is sapphire ⁇ 1— 1 0 0> Direction (the ⁇ 1 1 1 2 0> direction of the GaN-based semiconductor crystal grown on the substrate).
  • a 1 m deep groove was formed on the exposed surface of the sapphire substrate by reactive ion etching.
  • corrugated pattern was formed in the surface was obtained by removing a photoresist.
  • the sapphire processed substrate having this stripe direction the lateral growth of the GaN-based semiconductor crystal is suppressed, and the concave portion on the substrate surface is easily embedded.
  • an n-type layer 2, a light-emitting layer 3, and a p-type layer 4 are sequentially grown on the sapphire substrate 1 using the MOVPE method, and then a rapid thermal array (R TA) device.
  • An LED wafer equipped with a GaN-based semiconductor laminate with an LED structure was obtained by performing an annealing process using the.
  • the n-type layer 2 has a two-layer structure of an undoped G a N layer and a S i -doped G a N layer, and the surface of the sapphire processed substrate 1 is embedded with an undoped G a N layer, and S i-doped G a N layer was grown.
  • the light-emitting layer 3 includes an InGaN well layer whose In composition is adjusted so that the emission wavelength is 400 nm, and an InGaN barrier layer having a larger band gap than the well layer.
  • a stacked MQW structure was adopted.
  • the p-type layer 4 has a two-layer structure including an Mg-doped A 1 GaN cladding layer and an Mg-doped GaN contact layer laminated thereon.
  • a p-type ohmic electrode P 2 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%. this! )
  • Type ohmic electrode P 2 is deposited from the side in contact with p-type layer 4 by depositing 1111 with a film thickness of 3011111, Au with a film thickness of 100 nm, and i with a film thickness of 2011111 in this order. Formed.
  • the patterning of the p-type ohmic electrode P 2 was performed by a lift-off method using a normal photolithography technique.
  • the p-type ohmic electrode P 2 after patterning was heat-treated at 500 ° C. for 1 minute.
  • the p-type layer 4 and the p-type layer 4 and the p-type layer 4 are formed from the upper surface side of the p-type layer 4 by using a reactive ion etching method. Part of the light emitting layer 3 was removed. Subsequently, the Si-doped G formed by the etching a An n-type ohmic electrode P 1 was formed on the exposed surface of the N layer by sequentially depositing T i and A 1 by vapor deposition. The n-type ohmic electrode P 1 was also heat-treated at 500 ° C. for 1 minute.
  • a plasma CVD method is used to form a protective film P 4 having a thickness of 300 nm composed of Si 0 2 so as to cover the entire top surface of the wafer, followed by protection by dry etching.
  • An opening was formed by partially removing the film P 4 to expose the upper surface of the n-type ohmic electrode P 1 and a part of the p-type ohmic electrode P 2.
  • a reflective layer P5 made of A1 and having a thickness of 200 nm was formed on the protective film P2 by vapor deposition.
  • the p-side bonding electrode P 3 was formed by using a vapor deposition method.
  • the bottom layer has a thickness of 10 11 111, and on top of that, three layers of Pt with a thickness of 80 nm and Au with a thickness of 80 nm are alternately arranged.
  • the laminated body was laminated so that the upper layer was an Au layer.
  • This p-side bonding electrode P 3 is formed so as to be in contact with the p-type ohmic electrode P 2 exposed at the opening of the protective film P 4 and to cover the entire reflective layer P 5 formed on the protective film P 4. did.
  • the n-side bonding electrode P 6 having the same laminated structure as the p-side bonding electrode P 3 is exposed to the opening of the protective film P 4. Formed on top.
  • the lower surface of the sapphire-processed substrate 1 was polished to reduce its thickness to 100 jt / m, and then scribed to cut out an LED chip from the wafer.
  • the size of the LED chip was 3 5 0 ⁇ square.
  • the obtained LED chip (bare chip) was fixed on a mounting substrate having positive and negative lead electrodes formed on the surface. Fixing is done with the upper side of the element (the side on which the GaN-based semiconductor laminate is formed as viewed from the sapphire substrate 1) facing the mounting surface of the mounting substrate, and the p-side bonding electrode P 3 is positively aligned.
  • the n-side bonding electrode P 6 to the negative lead electrode with A u-S n solder, respectively. went.
  • the surface of the portion formed on the reflective layer P 5 was used for bonding with Au-Sn solder.
  • V f The forward voltage (V f) and output of the mounted LED chip were measured at a conduction current of 2 OmA. An integrating sphere was used to measure the output. As a result, V f was 3.8V and the output was 10.7mW.
  • a GaN-based LED having the cross-sectional structure shown in Fig. 13 (a) was fabricated and evaluated.
  • the p-type ohmic electrode is not formed in a pattern having a window portion, and does not have a reflective layer made of A1.
  • the LED wafer was produced in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 Except that the surface of the p-type layer 14 of the obtained wafer is a pattern that does not have any windows (that is, a flat plate shape)!
  • the p-type ohmic electrode P 12 was formed in the same manner as the) -type ohmic electrode.
  • n-type ohmic electrode P11 and the upper surface of the p-type ohmic electrode P12 were exposed.
  • the n-type ohmic electrode P 1 1 exposed in the opening and the p-type ohmic electrode P 1 2 have the same laminated structure as that formed in Example 1 on the n-side. Bonding electrode P 1 6 and p-side bonding electrode P 1 3 were formed simultaneously.
  • a GaN-based LED having the cross-sectional structure shown in Fig. 13 (b) was fabricated and evaluated.
  • a protective film made of an insulator is not interposed between the p-type ohmic electrode and the reflective layer made of A 1.
  • the LED wafer was produced in the same manner as in Example 1.
  • a p-type ohmic electrode P 12 was formed on the surface of the P-type layer 14 of the obtained wafer.
  • a reflective layer P15 made of A1 and having a thickness of 200 nm was formed so as to directly cover the p-type ohmic electrode P12.
  • an opening was formed by partially removing the protective film P 14 by dry etching, and the upper surface of the n-type ohmic electrode P 11 and the upper surface of the reflective layer P 15 were exposed. Subsequently, an n-side bondin having the same laminated structure as that formed in Example 1 on each of the n-type ohmic electrode P 11 and the reflective layer P 15 exposed in the opening. The electrode P 1 6 and the p-side bonding electrode P 1 3 were formed at the same time.
  • V f was 4.5 V and the output was 7.5 mW.
  • a protective film made of an insulator is provided between the P-type ohmic electrode formed so that light generated in the light emitting layer is transmitted and the reflective layer. Therefore, an increase in the contact resistance of the P-type ohmic electrode due to diffusion of the material of the reflective layer is suppressed. In addition, a decrease in the reflectivity of the reflective layer due to the diffusion of the material of the p-type ohmic electrode is also suppressed. That is, 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 reducing the conversion efficiency, and the light emission efficiency is improved.
  • 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, light generated in the light emitting layer is absorbed by the P-type ohmic electrode. Loss is reduced and light extraction efficiency is improved.
  • the GaN-based light emitting diode according to the embodiment of the present invention preferably has the outermost surface layer of the reflective layer as a bonding layer or a bonding layer formed on the reflective layer, and the bonding layer and the mounting layer are mounted. The substrate is mounted by bonding with a conductive bonding material.
  • the heat generated in the light-emitting layer during the operation of the device is efficiently transferred to the mounting substrate, so that the temperature rise of the device is suppressed, resulting in a decrease in light-emitting efficiency and wavelength fluctuations. Is suppressed, and the lifetime and reliability of the device are improved.

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。

Description

明細書
G a N系発光ダイォードおよび発光装置
技術分野
本発明は、 発光効率が改善された Ga N系発光ダイオードと、 それを用いた発 光装置に関する。
背景技術
Ga N系発光ダイオード （以下 「0& 1^系1^£0」 ともいう。 ） は、 Ga N系 半導体からなる発光層を挟んで p型および n型の G a N系半導体が接合されてな る、 P n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 G a N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。
G a N系半導体は、 化学式 A 1 a I nbG a !_a_bN (0≤ a≤ 1 , 0≤ b≤ 1、 0≤a + b≤ l) 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、 I nG aN、 A l Ga N、 A 1 I nGa N、 A 1 N、 I nN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 （T 1 ) などで置換したもの、 また、 N (窒素） の 一部をリン （P) 、 ヒ素 （A s) 、 アンチモン （S b) 、 ビスマス （B i ) など で置換したものも、 G a N系半導体に含まれる。
Ga N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 G aN系半導体層と p型 G a N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、 G a N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 G a N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 G a N系半導体層を単に p型層とも呼ぴ、 n型 GaN系半導体層を 単に n型層とも呼ぶ。
また、 p型 G a N系半導体に対するォーミック電極を p型ォーミック電極とも 呼び、 n型 G a N系半導体に対するォーミック電極を n型ォ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型ォーミック電極と、 反射層 とが設けられた G a N系 LEDが公知である （特開 2004— 1 1 9996号公 報） 。
発明の開示
特開 2004— 1 1 9 996号公報に記載された G a N系 LEDでは、 p型層 の表面に P d (パラジウム） からなる！)型ォーミック電極が部分的に形成され、 その上を、 A 1 (アルミニウム） からなる反射層が直接覆っている。 A 1は、 G a N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 G a N系 LEDの光取 り出し効率が向上することが期待される。 しカゝし、 一方で、 この構造では、 ォー ミック電極の形成時に通常行う熱処理によって、 A 1が p型ォーミック電極の内 部や、 p型ォーミック電極と p型層との界面に拡散して、 p型ォーミック電極と 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 くなつても、 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 L ED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 G aN系半導体層と、 該 n型 G a N系半導体層の上に形成された、 G a N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 G a N系半導体 層と、 該 p型 G a N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 型ォーミック電極と、 該 p型ォーミック電極を該 P型 G a N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型ォ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 G a N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 G a N系発光ダイオード。
(3) 前記ボンディング層が、 Au、 Au合金、 S nまたは S n合金からなる層 である、 前記 （2) 記載の G a N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 A g、 Ag合金、 A l、 A l合金、 または白金族元素で形成されている、 前記 （3) 記 載の G a N系発光ダイォ一ド。
(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 A g、 Ag合金、 A 1または A 1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 G a N系発光 ダイォード。
(6) 前記保護膜の膜厚が 0. 1 111〜1 111でぁる、 前記 （2) 記載の G a N 系発光ダイオード。
(7) 前記保護膜が、 前記 p型 G a N系半導体層よりも低い屈折率を有する、 前 記 （1) 記載の G a N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 A g、 Ag合金、 A 1または A 1合金で形成されており、 かつ、 前記！)型ォーミック電 極が、 A uを含む p型ォーミック電極である、 前記 （1) 記載の GaN系発光ダ ィォ一ド。
(9) 前記 P型ォーミック電極が、 前記保護膜と接する部位に、 N i、 T iまた は C rからなる部分を含む、 前記 （1) 記載の Ga N系発光ダイオード。 (10) 前記 p型ォーミック電極の膜厚が 60 nm〜 1 である、 前記 （1) 記載の G a N系発光ダイォード。
(1 1) 前記 p型ォーミック電極の膜厚が 1 O O nm以上である、 前記 （10) 記載の G a N系発光ダイォード。
(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 420 nm以下の I nxG a — (x = 0の場合 を含む。 ） からなる、 前記 （1) 記載の G a N系発光ダイオード。
(13) 前記 （2) に記載の G a N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 （1 3) 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 （1 3) 記載の発光装置。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態に係る G a N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 G a N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 G a N系発光ダイォードの製造工程を説明する図である。 図 4は、 p型ォ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 G a N系発光ダイォ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 G a N系発光ダイォ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 G a N系発光ダイォードを示す上面図である。 図 8は、 図 1に示す G a N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 G a N系発光ダイォ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 G a N系発光ダイオードを示す断面図であ る。
図 1 1は、 本発明の実施形態に係る Ga N系発光ダイオードの製造工程を説明 する図である。
図 1 2は、 本発明の実施形態に係る G aN系発光ダイオードを示す断面図であ る。
図 1 3は、 従来技術に係る Ga N系発光ダイオードを示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
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 G a N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！)型層、 P 1は n型ォーミック電極、 P 2は p型ォーミック電極、 P 3は p側ボンディング電極、 P 4は絶縁体からなる保護膜、 P 5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、 S i (ケィ素） を 5 X 1 018 cm— 3の濃度でドープし た、 膜厚 3 mの G a N層である。
発光層 3は、 例えば、 膜厚 8 nmの GaN障壁層と膜厚 2 nmの I nGa N井 戸層を、 各 1 0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 X 1 019。111ー3の濃度でドープした膜厚3011111の 10. 10 &0. 911層とし、 p型 ォーミック電極 P 2と接する側を、 Mg (マグネシウム） を 5 X 1 019 cm— 3 の濃度でドープした膜厚 20 O nmの G aN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、 G aN、 A 1 G a N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型ォーミック電極 P 1は、 例えば、 n型層 2と接する側から順に、 膜厚 30 11111の八 1、 膜厚 1 0 O nmの P d (パラジウム） 、 膜厚 1 0 O nmの A u (金） 、 膜厚 100 nmの P t (白金） 、 膜厚 400！！！！！の ひを積層し、 熱処 理することにより形成される。
p型ォーミック電極 P 2は、 例えば、 p型層 4と接する側から順に、 膜厚 20 11111の？（1、 膜厚 l O O nmの Au、 膜厚 10 nmの N i (エッケノレ） 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型ォーミック電極 P 2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型ォーミック電極 P 2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 8 μπι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 2 /xmとされる。
なお、 p型ォーミック電極 P 2の最表面に形成される N i薄膜は、 保護膜 P 4 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、 T i (チタン） 層や C r (クロム） 層を用いることもできる。
p側ボンディング電極 P 3は、 例えば、 p型層 4および！)型ォーミック電極 P 2と接する側から順に、 膜厚 2011111の丁 i、 膜厚 600 nm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 P 4は、 例えば、 プラズマ CVD法で製膜された、 膜厚 30011111の3 i 02である。
反射層 P 5は、 例えば、 保護膜 P 4と接する側から順に、 膜厚 100 nmの A 1、 膜厚 1 0011111の？ d、 膜厚 100 n mの A uが積層された積層体である。 図 1に示す G a N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型ォーミック電極 P 2の下面や、 反射層 P 5の下 面で反射を受け、 進行方向を下方に変える。 保護膜 P 4を S i 02で形成すると、 S i 02の屈折率は G a N系半導体と比べて低いので、 p型層 4と保護膜 P 4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。 S i 02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 P 4を透過する際や、 p型層 4と保護膜 P 4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 G a N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、 MB E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型ォーミック電極 P 2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。 電極膜のパターユングは、 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、 形成しょうとする 電極の形状に開口部をパターユングした後、 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型ォーミック電極 P l、 p側ボンディング電極 P 3、 保護膜 P 4、 反射層 P 5のパターユングも、 同様の方法により行うことができる。
p型ォーミック電極 P 2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型ォー ミック電極 P 1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型ォーミック電極 P 2の一部を覆って、 絶 縁体からなる保護膜 P 4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 S i O 2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 C V
D法である。
次に、 図 3 ( e ) に示すように、 保護膜 P 4の表面に反射層 P 5を形成する。 反射層 P 5の形成には、 公知の蒸着法、 スパッタリング法、 C V D法などを用い ることができる。 なお、 図 3 ( e ) では、 反射層 P 5を、 その縁部が、 保護膜 P 4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 P 5は、 保護膜 P 4とちょうど重なるように形成してもよいし、 保護膜 P 4 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型ォーミック電極 P 1と、 p側ボンディン グ電極 P 3をそれぞれ形成する。 n型ォーミック電極 P 1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 P 3は、 p型ォーミック電極 P 2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、 C V D法などを用いることができる。 n型ォーミック電極 P 1と p側ボンディング電極 P 3の形成が完了した後、 ゥ ェハ全体を、 4 0 0 °Cで、 5分間、 熱処理し、 電極と G a N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 P 4と反射層 P 5との密着性を向上させ る効果も有る。
なお、 n型ォーミック電極と p型ォ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型ォー ミック電極と p型ォ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 G a N系 L E D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、 G a N系半導体のェ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、 S i、 S i C、 G a N、 A 1 G a N、 Z nO、 A 1 N、 G a A s、 G a P、 Z r B2、 T i B2、 スビネノレ、 NGO (N d G a O 3) 、 LGO (L i G a 02) 、 LAO (L a A 103) 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、 Ga N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、 G aN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。
G a N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、 発光層おょぴ： 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 類おょぴ濃度等については、 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！)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型ォーミック電極には、 p型 G a N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。
A uを含む P型ォーミック電極は、 G a N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型ォーミック電極である。 例えば、 Au 単体からなる A u電極や、 A uを主成分とする合金からなる A u合金電極や、 N i、 P d、 R h (ロジウム） 、 P t、 T iなどから選ばれるひとつ以上の金属と、 A uとを積層し、 熱処理してなる A u系電極である。
このような A uを含む p型ォーミック電極は、 A u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型ォーミック電極と 反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、 A uを含む p型ォーミック 電極を使用する場合に、 とりわけ有効となる。
特に、 1 と 11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、 A uを含む p型ォーミック電極と A 1からなる反射層とを直接積層すると、 ォ一 ミック電極の形成時に通常行う熱処理によって、 p型ォ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型ォ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、 A uを含む p型ォーミック電極と、 A 1か らなる反射肩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型ォ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型ォーミック電極を用いると、 L E Dの光取り出し効率が良好となる。
p型ォーミック電極の最上層が、 A u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 型ォーミック電極のうち、 保護膜と接する部位は、 N i、 T i、 C r等で形成す ることが好ましい。 N i、 T i、 C r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型ォーミック電極を、 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型ォ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 20 nm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型ォ 一ミック電極を、 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型ォ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 6 O nm以上とすることが好ましく、 1 00 nm以上とすることがより好ましい。 l O O nm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型ォ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 G a N系 LEDでは、 p型ォーミック電極を、 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型ォーミ ック電極の膜厚を、 上記のように、 60 nm以上とすることが好ましく、 100 nm以上とすることがより好ましい。
これは、 p型ォーミック電極に適した金属の線膨張率が、 おおよそ I X 10一 5K―1〜 2 X 1 0— 5 Κ—1の範囲にあるのに対して、 G a N系半導体の線膨張率 は、 G a Nの場合で 5. 6 X 10— 6K— 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 X 1 0_5Κ— 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！)型層および保護膜に挟まれた ρ型ォーミック電極は、 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 グレーシヨン現象などによって、 電極膜の大きな変形や、 破壌が生じ易くなる。 とりわけ、 窓部を有するパターンに形成された: 型ォーミック電極では、 構造上、 電極膜の大規模な変形や破壌によって、 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型ォ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 S i 0 2を用いる場合に顕著となる。 なぜなら、 S i O 2 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型ォーミック電極に、 保護膜との密着性を強化するため の、 N i、 T i、 C r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型ォーミック電極 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型ォ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型ォーミック電極の膜厚は、 以 下とすることが好ましく、 5 0 O n m以下とすることがより好ましく、 3 0 0 η m以下とすることが特に好ましい。
p型ォーミック電極の膜厚を小さくすると、 L E D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型ォーミック電極の、 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、 エッチング加工しょうとする 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型ォー ミック電極 P 2とからなる凹凸面 （p型ォーミック電極 P 2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型ォーミツ ク電極 P 2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型ォーミック電極の膜厚を 500 nm以下とする ことが好ましく、 300 nm以下とすることがより好ましい。 p型ォーミック電 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型ォーミック電極 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、 1 ！〜 50 /i mとすることが好ましく、 2//m〜 2 とすることがより好ましく、 ！〜 1 5 mとすることが特に好まし い。
p型ォーミック電極を、 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。 I n XG a !_XN (0≤ x≤ 1) を発光層に用いた素子では、 その I n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 G a N系 LEDでも、 発 光層が I nxG a i_xN (x = 0の場合を含む。 ） からなり、 発光波長が紫色〜 近紫外 （約 420 nm〜約 365 nm) 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、 電極膜の変形や破壌が生じ易くなるとともに、 該変 形や破壌が生じた場合の、 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型ォーミック電極の膜厚を 100 nm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 G a N系 LEDの断面図である。 この図 5 に示す素子では、 保護膜 P 4が、 p型ォーミック電極 P 2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 P 5とが接しているが、 このような態様でも、 反射層 P 5の構成材料が拡散するこ とによる！)型ォーミック電極 P 2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 P 4を！)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 P 4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型ォーミック電極 P 2.の窓部に露出した p型層 4と、 反射層 P 5 との間を、 該保護膜 P 4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、 S i 02の他に、 S i Nx、 Zn02、 T i O2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、 A l 2O3、 A 1 N、 Z r O2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. Ι μΐη以上とするこ とが好ましく、 0. 2 μιη以上とすることがより好ましく、 0. 以上とす ることが特に好ましい。
保護膜の膜厚を 3 /zm以下とすると、 そのパターユ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 1 im以下とすることが好ましく、 0. 5 / m以下とすることがより好ましく、 0. 3 ίζπι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 G a Ν系 LEDの断面図である。 この図 6 に示す素子では、 保護膜 P4力 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型ォ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 A g (銀） 、 A l、 Rh、 P tなどで あり、 とりわけ、 Ag、 A 1である。 Rh、 P t以外の白金族元素 （I r、 P d、 Ru、 O s) も好適に使用できる。 反射層は、 少なくとも、 p型ォーミック電極 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 A 1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。 A g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、 A gからなる反射層を p型ォーミック電極の上に直接形成する ことは、 p型ォーミック電極の劣化または L E Dの劣化を引き起こす原因となる 恐れがある。
A 1は、 その線膨張率が、 G a N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、 A 1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型ォ 一ミック電極に波及すると、 p型ォーミック電極と p型層との接触状態が悪化し、 p型ォーミック電極の接触抵抗が上昇する。 また、 A 1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 グレーシヨンも起こし易い。 p型ォーミック電極と p型層との界面に拡散した A 1は、 ； p型ォーミック電極の接触抵抗を上昇させる。 また、 A 1は、 p型ォーミ ック電 のゃ才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、 A 1からなる反射層を p型ォーミック電極の上に直接形成 することは、 p型ォ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、 A gまたは A 1からなる反射層を用いる場合に、 p型ォ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 A gや A 1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 8 0 %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 A g合金や A 1合金を、 好ましく用いることができる。 好適な A 1合金と しては、 A 1に、 T i、 S i、 N d、 C u等を添加した合金が例示される。
A gや A 1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、 添加しょ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 A 1や A g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型ォーミック電極 P 1と p側ポンデ ィング電極 P 3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型ォーミック電極と 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型ォーミック電極を形成する素子構成における、 n型ォーミッ ク電極、 p型ォーミック電極、 p側ボンディング電極の形状については、 特開 2 000— 1 64930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、 S i C基板、 Z nO基板、 G a N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側のォ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型ォーミック電極には、 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、 A l、 T i、 C r、 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型ォーミック電極として、 n型層と接する部分が A 1からなるもの が挙げられるが、 このような n型ォーミック電極は、 反射層と同じ断面構造とす ることができる。 その場合、 n型ォ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型ォーミック電極は、 層厚を 200 nm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型ォ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 G a N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、 A 1 Nからなる基板 S 1の表 面に、 A uからなるリード電極 S 2、 S 3、 S 4のパターンが形成されたもので ある。 G a N系 L E Dは、 反射層 P 5を実装用基材 S側に向けて、 n型ォーミツ ク電極 P 1をリード電極 S 2に、 p側ボンディング電極 P 3をリード電極 S 3に、 反射層 P 5をリード電極 S 4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、 A u— S n ハンダ等のろぅ材や、 導電体微粒子が樹脂バインダに分散されてなる導電性ぺー ストである。
図 8に示す例においては、 £ 0の反射層？ 5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 S 4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 P 5を実装用基材 Sと接合してい るのは、 L E D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 P 5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 P 5がリード電極 S 4と接合されているのは、 L E D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 P 5の最表面層をボンディング層として、 該ポ 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、 L E D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。 これによつて、 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つても、 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 P 5 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、 A uで形成することが好ましい。 A uは酸化され難いために、 A u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、 S n (錫） がよく用いられる。 ボンディング層を、 S n S n 合金 （使用する S n系共晶ハンダと同じ成分を含む Sn合金） で形成すると、 S n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— S i合金、 Au— Ge合金、 Au— Sn合金、 Au— S b合金等 の、 A u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、 A u合金系ハンダを用いた際に、 ボンディング層と A u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 S n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— S n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 P 5は高温に曝されるが、 このときの熱により生じる、 反射層 P 5に含まれる A 1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、 A u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 A 1の反応が生じると、 A 1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。 A 1層の代わりに A 1合金層、 A u層の代わりに A u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、 M o、 T a、 N b、 V、 Z r等のいわゆる高融点金属、 白金族元素、 T N i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。 P t層と A u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 P 5の構成によるが、 A 1 (合金） 層と S n (合金） 層との間、 A g (合金） 層と A u (合金） 層との間、 A g (合金） 層と S n (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 P 5と p型ォーミック電極 P 2とは、 静電気等による保護膜 P 4の破壌 や、 それに伴う L E D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 S 3とリード電極 S 4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 G a N系 L E Dの断面図である。 この図 9 の素子では、 素子内で p型ォーミック電極 P 2と反射層 P 5とが短絡されている。 具体的には、 p側ボンディング電極 P 3が、 反射層 P 5の表面上まで延長して形 成されている。 この G a N系 L E Dは、 反射層 P 5の上に重ねて形成された層状 の p側ボンディング電極 P 3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型ォーミック電極 P 2と反射層 P 5とを短絡させるに あたり、 反射層 P 5が、 保護膜 P 4を介さずに、 p型ォーミック電極 P 2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
A 1層または A g層を含む場合に、 とりわけ好ましいものとなる。 理由は、 ； 型 ォーミック電極の上に、 保護膜を介さずに A 1層や A g層を設けると、 A 1や A gの拡散が生じ、 p型ォーミック電極の材料と反応したり、 p型ォーミック電極 と p型層の界面に侵入し易いからである。 というのも、 p型ォーミック電極は、 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、 A uを 含む p型ォーミック電極の上に A 1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 1 0は、 本発明の一実施形態に係る G a N系 L E Dの断面図である。 この図 1 0の素子では、 素子内で n型ォーミック電極 P 1と反射層 P 5とが短絡されて いる。 具体的には、 n型ォーミック電極 P 1力 反射層 P 5の表面上まで延長し て形成されている。 この G a N系 L E Dは、 反射層 P 5の上に重ねて形成された 層状の n型ォーミック電極 P 1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 A gを用いる場合には、 反射層の電位が高くなると、 A g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 1 0に示す素子のように、 反射層を n型 G a N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 1 1は、 本発明の一実施形態である、 G a N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 1 1 ( 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型ォーミック電極 P 2、 保護膜 P 4、 反射層 P 5を形成したウェハの断 面図である。 反射層 P 5は、 素子の周縁部において、 p型ォーミック電極 P 2と 電気的に接続されている。
ここで、 p型ォーミック電極 P 2と反射層 P 5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 P 5を多層構造として、 その最下層を A 1または A gで、 その 最上層を A u (合金） または S n (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 P 4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型ォーミック電極 P 2の露出部上に延長して形成しても よい。
図 1 1 ( b ) は、 反射層 P 5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、 ろう材ゃ導電性べ一 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、 S i基板、 G a A s基板、 G a P基板、 S i C基板、 G a N基板、 Z n O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 P 5を電極とする電気メツキにより、 N i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 P 5と導電性基板とを、 A u系または S n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 P 5の最上層を A u (合金） または S n (合金） で形成することが好ましい。
図 1 1 ( 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型ォ 一ミック電極 P 1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型ォーミック電極 P 1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 E P 1 1 8 4 8 9 7 A 1に開示された G a N系半導体結晶の成長方法である L E P S (Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate) を用いて G a N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型ォー 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。
LEP S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 〈1 1— 20〉 方向 （基板上に成長される G a N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 G a N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、 107cm— 2台またはそれ以下という、 低い値となり得る。
この！)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型ォ 一ミック電極を、 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型ォーミツ 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 I n組成 Xの低い I nxGa XN (x = 0 の場合を含む。 ） からなる、 発光波長が紫色 （約 420 nm) 〜近紫外の L E D で顕著となる。 その理由は、 I n組成の低い G a N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 LEP Sを利用した実施形態では、 p型ォ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型ォ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 G a N系半導体 結晶の 〈1— 1 0 0〉 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 つても、 M gをドープすることなどによって、 G a N系半導体結晶の横方向成長 速度を高くすることができ、 それによつて、 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 G a N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 1 1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、 L E P S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。
実施例
実施例 1
本発明の実施例として、 図 1 2に示す断面構造を有する G a N系 L E Dを、 次 の手順にて作製し、 評価を行った。
( L E Dウェハの作製）
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 3 m、 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 6 μ ηι、 ストライプ方向はサファイアの 〈1— 1 0 0〉 方向 （基板上に成 長される G a N系半導体結晶の 〈1 1一 2 0〉 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 1 m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、 G a N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、 ラピッドサ一マルア-一リング （R TA) 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 Ga N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 G a N層と S i ドープ G a N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 G a N層で埋め込んだ上に、 S i ドープ G a N層を成長した。 ま た、 発光層 3は、 発光波長が 400 nmとなるように I n組成を調節した I nG a N井戸層と、 該井戸層よりもバンドギャップの大きな I nG aN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 A 1 GaNク ラッド層と、 その上に積層された Mgドープ G a N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型ォーミック電極 P 2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 7 0%とした。 この！)型ォーミック電極 P 2は、 蒸着法を用いて、 p型層 4に接す る側から、 膜厚 3011111の1 11、 膜厚 100 nmの Au、 膜厚 2011111の丁 iを この順に積層して形成した。 p型ォーミック電極 P 2のパターユングは、 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。 パターユング後の p型ォーミック電極 P 2に対して、 500°C、 1分間の熱処理を行った。
次に、 n型層 2に含まれる S i ドープ G a N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およぴ発 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 S i ドープ G a N層の露出面上に、 蒸着法を用いて T i と A 1を順に積層することにより、 n 型ォーミック電極 P 1を形成した。 n型ォーミック電極 P 1にも、 5 0 0 °C、 1 分間の熱処理を行った。
次に、 プラズマ C V D法を用いて、 ウェハの上面全体を覆うように、 S i 0 2 からなる膜厚 3 0 0 n mの保護膜 P 4を形成し、 続いて、 ドライエッチングによ り、 保護膜 P 4を部分的に除去した開口部を形成し、 n型ォーミック電極 P 1の 上面と、 p型ォーミック電極 P 2の一部を露出させた。
次に、 蒸着法により、 保護膜 P 2の上に、 A 1からなる膜厚2 0 0 n mの反射 層 P 5を形成した。
次に、 蒸着法を用いて、 p側ボンディング電極 P 3を形成した。 p側ボンディ ング電極は、 最下層が膜厚 1 0 11 111の丁 iで、 その上に、 膜厚 8 0 n mの P tと 膜厚 8 0 n mの A uを交互に 3層ずつ、 最上層が A u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 P 3を、 保護膜 P 4の開口部に露出した p型ォーミック電極 P 2に接し、 かつ、 保護膜 P 4上に形成された反射層 P 5の 全体を覆うように形成した。
この ρ側ボンディング電極 P 3を形成するのと同時に、 p側ボンディング電極 P 3と同じ積層構造を有する n側ボンディング電極 P 6を、 保護膜 P 4の開口部 に露出した n型ォーミック電極 P 1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 1 0 0 jt/ mまで薄 くし、 その後、 スクライビングを行って、 ウェハから L E Dチップを切り出した。 L E Dチップのサイズは、 3 5 0 μ πι角とした。
(評価）
得られた L E D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 G a N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 P 3を正のリ一ド電極に対して、 n側ボンディング電極 P 6 を負のリード電極に対して、 それぞれ、 A u— S n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 P 3は、 反射層 P 5の上に重ねて形成され た部分の表面を、 A u— S n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 （V f ) と出力を、 通電電流 2 OmAにて 測定した。 出力の測定には積分球を用いた。 その結果、 V f は 3. 8V、 出力は 10. 7mWであった。
実施例 2
p型ォーミック電極 P 2に含まれる Rhを、 P d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、 V f 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 1 3 (a) に示す断面構造を有する G a N系 LE Dを作製し、 評価を行った。 この G a N系 LEDは、 p型ォ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、 A 1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！)型ォーミック電極と同様にして、 p型ォーミック電極 P 12を形成した。
次に、 n型ォーミック電極 P 1 1の形成と、 それに続く、 ウェハ上面全体への 保護膜 P 14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 P 14を部分的に除去した開口部を形 成し、 n型ォーミック電極 P 1 1の上面と、 p型ォーミック電極 P 1 2の上面を 露出させた。 続いて、 該開口部に露出した n型ォーミック電極 P 1 1と ; p型ォー ミック電極 P 1 2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 P 1 6と p側ボンディング電極 P 1 3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、 V f 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型ォ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、 V f が同等となつ 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 400 nmの光に対する反射率が R hよりも高い A 1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、 出力が高くなつたと考えられる。
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、 R hよりも反射性に劣る P dを p型ォ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、 V f 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 1 3 (b) に示す断面構造を有する G a N系 LE Dを作製し、 評価を行った。 この G aN系 LEDは、 p型ォーミック電極と A 1 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型ォーミツ ク電極 P 1 2を形成した。
次に、 p型ォーミック電極 P 1 2を直接覆うように、 A 1からなる膜厚 200 nmの反射層 P 15を形成した。
次に、 n型ォーミック電極 P 1 1の形成と、 それに続く、 ウェハ上面全体への 保護膜 P 14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 P 14を部分的に除去した開口部を形 成し、 n型ォーミック電極 P 1 1の上面と、 反射層 P 1 5の上面を露出させた。 続いて、 該開口部に露出した n型ォーミック電極 P 1 1と反射層 P 1 5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 P 1 6と p側ボンディング電極 P 1 3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、 V f は 4. 5V、 出力は 7. 5mWであった。
産業上の利用可能性
本発明の実施に係る G a N系発光ダイォードでは、 発光層で発生される光が透 過するように形成された P型ォーミック電極と、 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型ォーミック 電極の接触抵抗の上昇が抑制される。 また、 p型ォ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型ォーミック電 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型ォーミック電 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 G a N系発光ダイオードでは、 p型ォーミック電極 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型ォーミッ 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 G a N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— 03 1 155、 特願 2005-2 843 75およぴ特願 2005-3 1778 1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。

Claims

請求の範囲
1. n型 GaN系半導体層と、
該 n型 G a N系半導体層の上に形成された、 G a N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型ォ 一ミック電極と、
該 p型ォーミック電極を該 p型 G a N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型ォ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 G a N系発光ダイォード。
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、 請求項 1記載の Ga N系 発光ダイォード。
3. 前記ボンディング層が、 Au、 Au合金、 S nまたは S n合金からなる層で ある、 請求項 2記載の G a N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、 A g合金、 A l、 A 1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 G a N系発光ダイォード。
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、 A g合金、 A 1または A 1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 G a N系発光ダイ オード。
6. 前記保護膜の膜厚が 0. 1 ！〜 1 /xmである、 請求項 2記載の G aN系発 光ダイォード。
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、 請求 項 1記載の G a N系発光ダイォード。
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 A g、 A g合金、 A 1または A 1合金で形成されており、 かつ、 前記 p型ォーミック電極 力 A uを含む p型ォーミック電極である、 請求項 1記載の G a N系発光ダイォ ード。
9. 前記 p型ォーミック電極が、 前記保護膜と接する部位に、 N i、 T iまたは C rからなる部分を含む、 請求項 1記載の G a N系発光ダイオード。
1 0. 前記 p型ォーミック電極の膜厚が 60 nm〜l / mである、 請求項 1記載 の G a N系発光ダイォード。
1 1. 前記 p型ォーミック電極の膜厚が 10 Onm以上である、 請求項 10記載 の G a N系発光ダイオード。
1 2. 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 420 nm以下の I nxG aェ— XN (x = 0の場合 を含む。 ） からなる、 請求項 1記載の G a N系発光ダイオード。
1 3. 請求項 2に記載の G a N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、 請求項 1 3記載の発光装置。
1 5. 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 1 3記載の発光装置。
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