WO2007069774A1 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

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Noritaka Muraki
Hironao Shinohara
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Showa Denko K.K.
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and particularly to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device having excellent light emission output and a method for manufacturing the same.
  • GaN-based compound semiconductor materials have attracted attention as semiconductor materials for short-wavelength light-emitting devices.
  • GaN-based compound semiconductors include sapphire single crystals, various oxide substrates, and III.
  • -A V group compound is used as a substrate, and it is formed on it by the metal organic layer growth method (M 0 CVD method) or the molecular beam epitaxy method (MBE method).
  • the external quantum efficiency of a light-emitting element is expressed as the product of the light extraction efficiency and the internal quantum efficiency.
  • the internal quantum efficiency is the ratio of the current energy injected into the device that is converted to light.
  • the light extraction efficiency is the proportion of light generated inside the semiconductor crystal that can be extracted to the outside.
  • the internal quantum efficiency of the light-emitting device has been improved to about 70 to 80% by improving the crystal state and examining the structure, and a sufficient effect on the amount of injected current has been obtained. Yes.
  • the light extraction efficiency for injection current is generally low, and internal light emission for injection current is sufficiently external. It ’s hard to say that it ’s taken out.
  • the light extraction efficiency is low because the light emitted from the light-emitting layer is repeatedly reflected and absorbed by the crystal material in the LED structure, and the light above the critical angle according to Snell's law is light. This is because there is a high probability that cannot be taken out.
  • the current diffusion in the lateral direction is sometimes small as a characteristic of GaN-based compound semiconductor materials. Therefore, current is injected only into the semiconductor directly under the electrode, and the light emitted from the light emitting layer is blocked by the electrode and is not extracted outside. Therefore, in this type of light emitting element, a translucent electrode is usually used as the positive electrode, and light is extracted through the translucent positive electrode.
  • the conventional translucent positive electrode has a layer structure in which Ni or C0 oxide and Au as the contact metal are combined.
  • a layer structure in which the thickness of the contact metal is made as thin as possible by using a more conductive oxide such as ITO has been adopted as the positive electrode.
  • the light from the light emitting layer is efficiently extracted outside.
  • a structure has been proposed in which the shape of the positive electrode is a shape having an opening, for example, a lattice shape, and light emission is extracted from the opening (for example, JP-A
  • An object of the present invention is to provide a gallium nitride compound semiconductor light emitting device having a positive electrode having an opening, which solves the above-mentioned problems of the prior art and has excellent light extraction efficiency, and a method for manufacturing the same. That is.
  • the present invention provides the following inventions.
  • n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a P-type semiconductor layer made of a gallium-based compound semiconductor are stacked on the substrate in this order, and the positive electrode and the negative electrode are respectively connected to the P-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer.
  • the positive electrode is a positive electrode having an opening, and at least a part of the surface of the P-type semiconductor layer in the opening is an uneven surface caused by a spherical granular material.
  • a gallium nitride compound semiconductor light-emitting element is stacked on the substrate in this order, and the positive electrode and the negative electrode are respectively connected to the P-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer.
  • the positive electrode and the negative electrode are respectively a P-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer.
  • the positive electrode is a positive electrode having an opening, and at least a part of the surface of the p-type semiconductor layer in the opening has a hemispherical uneven surface.
  • the positive electrode is a positive electrode having an opening, and at least a part of the surface of the p-type semiconductor layer in the opening is an uneven surface having a curved tip part
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device characterized by the above.
  • the distance between the lattice bars or comb teeth is 1 1! 6.
  • a method for producing a nitride nitride compound semiconductor light emitting device comprising the following steps (1) to (4):
  • step (3) comprises a step of forming a metal thin film on the p-type semiconductor layer and a subsequent heat treatment step.
  • metal fine particle is a metal selected from the group consisting of Ni, Au, Sn and Ge or a low melting point alloy containing at least one of these metals. 6. The production method according to item 5.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device manufactured by the manufacturing method according to any one of 14 to 16 above.
  • a lamp comprising the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device according to any one of 1 to L3 and 17 above.
  • the concavo-convex processing method of the present invention does not require an advanced mask patterning process and the like, and it is possible to form the concavo-convex area with simple and low cost. Furthermore, the concave / convex processing using a mask made of low-melting metal fine particles can arbitrarily change the concave / convex shape by adjusting the metal film thickness and the heat treatment temperature. In the case of a U-based compound semiconductor light emitting device, it is possible to form an optimum light extraction shape corresponding to 3500 nm to 600 nm).
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of an example of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a positive electrode having an opening.
  • FIG. 3 is a view showing another example of a positive electrode having an opening.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of a positive electrode having an opening.
  • FIG. 5 is a diagram showing a concavo-convex region of the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device of the present invention fabricated in Example 1. Surface SEM photograph (magnification: 15,000 times).
  • FIG. 6 is a cross-sectional SEM photograph (magnification: 20,000 times) of the concavo-convex region of the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device of the present invention produced in Example 1.
  • FIG. 7 is a cross-sectional SEM photograph of the light emitting element four-round portion of a conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting element.
  • FIG. 8 is a view schematically showing a cross section of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention produced in Example 1.
  • FIG. 8 is a view schematically showing a cross section of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention produced in Example 1.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a plane of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention produced in Example 1.
  • the luminous efficiency of a light-emitting element is expressed as the product of light extraction efficiency and internal quantum efficiency.
  • Internal quantum efficiency ⁇ is the ratio of current energy injected into the device that is converted to light.
  • the light extraction efficiency is the ratio of the light generated inside the semiconductor crystal that can be extracted outside.
  • the surface of the p-type semiconductor layer in the opening of the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device including the positive electrode having the opening on the p-type semiconductor layer is subjected to uneven processing of a specific shape, This improves the light extraction efficiency.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention.
  • 1 is a substrate
  • 2 is a buffer layer
  • 3 is an n-type semiconductor layer
  • 4 is a light emitting layer
  • 5 is a p-type semiconductor layer.
  • a part of the light emitting layer 4 and the P-type semiconductor layer 5 is removed by etching to expose a part of the n-type semiconductor layer 3, and the positive electrode 10 is exposed on the remaining P-type semiconductor layer 5.
  • a negative electrode 9 is formed on each n-type semiconductor layer 3.
  • 1 1 is a positive bonding pad.
  • the positive electrode 10 has an opening 12, and the portion of the p-type semiconductor layer at the opening 12 is a concavo-convex region where the surface has a specific concavo-convex shape.
  • the positive electrode has an opening.
  • the shape of the positive electrode is not particularly limited as long as it has an opening. For example, a grid shape as shown in FIG. 2, a comb shape as shown in FIG. 3, and a circular shape as shown in FIG. The shape etc. with which the hole was vacated in the zigzag form are mentioned.
  • the width of lattice bars and comb teeth (A in FIGS. 2 and 3) is preferably 1 to 50 mm, and 2 to 30 m Is more preferable, and 3 to L is particularly preferable. If it is less than 1 m, the lateral spread of the current in the positive electrode is impaired, and it is not preferable from the light extraction amount, and if it exceeds, it is not preferable because the light extraction area decreases.
  • the interval between the lattice bars and the comb teeth (b in FIGS. 2 and 3) is preferably 1 to 50 m, more preferably 2 to 30 m, and particularly preferably 3 to 20 m.
  • the width of lattice bars and comb teeth is 1 of the distance between lattice bars and comb teeth.
  • Translucent conductive metal oxides such as IT0, Ni0 and Co0 can also be used.
  • a form using a light-transmitting conductive metal oxide it may be included in the metal film as a lump, or may be formed as a layer on the metal film.
  • a light-transmitting conductive metal oxide can be used alone.
  • ITO is preferable because it has excellent translucency and high conductivity.
  • the thickness of the positive electrode varies depending on the material used. In general, the thickness is preferably 10 to 100 nm. For example, in the case of ITO, the thickness of 100 nm to 800 nm, which is a thickness that allows the emission wavelength to be transmitted satisfactorily, is preferable, and more preferable Or 2 0 0 5 0 0 nm.
  • the positive electrode can be formed by conventional means well known in this technical field, such as vacuum deposition and sputtering.
  • the film can be formed into a shape having an opening by using a photolithography technique and a lift-off technique well known in this technical field.
  • After forming the positive electrode there may be a heat treatment for alloying or transparency, but it is not necessary to do so.
  • - ⁇ ⁇ A positive electrode pad is connected to the positive electrode to connect a wire for normal current flow.
  • Various structures using materials such as A u, 1, N 1., T i and Cu are well known for the bonding pad section, and those known materials and structures can be used without any limitation.
  • the thickness is preferably from 100 to 100 nm. The thicker the bonding node, the higher the bondability, so 300 m ⁇ m or more is preferable. Further, from the viewpoint of production cost, it is preferably 500 nm or less.
  • the surface of the uneven processing area of the ⁇ -type semiconductor layer at the opening 1 2 of the ⁇ pole is
  • the height of the upper end is substantially the same as that of the surface of the ⁇ -type semiconductor layer, and the surface has a convex curved surface shape having a different size.
  • Figure 5 is a surface SEM photograph (magnification: 15,000 times) of the roughened region.
  • the irregularities in the irregularity processing area are derived from spherical granular materials (indicated by 30 in Fig. 5).
  • the spherical shape does not mean only a true sphere but also includes an elliptical sphere.
  • the outer surface of the granular material is composed of a curved surface that does not substantially include a flat surface.
  • the present inventors improved the light extraction efficiency by providing irregularities of such shape on the exposed portion of the ⁇ -type semiconductor facing the opening of the positive electrode. I found out.
  • the diameter of each granule is preferably in the range of 0.01 to 3 m. Within this range, the light extraction efficiency is effectively improved. Preferably it is in the range of 0.1 to; Lm. Further, the density of the granular material is preferably in the range of 1 ⁇ 10 5 pieces Zm m 2 to 1 ⁇ 10 8 pieces mm 2 . Within this range, the light extraction efficiency is effectively improved. It is preferably in the range of 1 ⁇ 10 6 pieces mm 2 to 1 ⁇ 10 7 pieces mm 2 .
  • -Fig. 6 is a cross-sectional SEM photograph (magnification: 20,000 times) of the uneven processing area after the resin package. In FIG. 6, 4 1 is a p-type semiconductor portion, and 4 2 is a resin portion.
  • the above-mentioned granular material is half buried in the P-type semiconductor layer, and the tip part forms a hemispherical convex part.
  • the hemisphere here means not only a true sphere as described above, but also an elliptical sphere.
  • the convex part of the concavo-convex surface is constituted by a curved surface substantially not including a plane.
  • the diameter of the maximum part of each convex part (indicated by 3 1 in FIG. 6) observed in the cross-sectional SEM photograph is preferably in the range of 0.01 to 3 ⁇ m. Within this range, the light extraction efficiency is effectively improved. Preferably, the range is 0.1 to 1 / m.
  • the height of the convex portion is preferably in the range of 0.01 to 3 xm. Within this range, the light extraction efficiency is effectively improved. Preferably it is the range of 0.1-1 DI.
  • the density of the projections 1 X 1 0 5 cells / mm 2 ⁇ 1 XI 0 8 or scope of ZMM 2 is preferred arbitrariness. Within this range, the light extraction efficiency is effectively improved. Good or properly is in the range of 1 X 1 0 6 or Zmm 2 ⁇ 1 X 1 0 7 or ZMM 2.
  • the height from the negative electrode forming surface at the upper end of the formed uneven surface is preferable.
  • ⁇ Is from 0.1 m to 2.0 m, and preferably approximately the same height as the surface of the P-type semiconductor.
  • the specific shape of the light emitting element is also around the four sides and between the negative and positive electrodes.
  • the uneven processing area is provided with an uneven surface, light emission is efficiently extracted from the four sides of the light emitting element and between the negative electrode and the positive electrode, further improving the light extraction efficiency.
  • FIG. 7 is a cross-sectional TEM photograph of the light emitting element four-round portion of a conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting element. Although the four peripheral portions of the light emitting element are processed to be uneven, the outer peripheral surface of the convex portion is almost flat, and the shape and size are completely different from the uneven processing in the present invention. Next, a method for forming a concavo-convex region having the concavo-convex surface having the specific shape will be described.
  • the concavo-convex processed region can be formed by forming a mask made of metal fine particles on the surface of the P-type semiconductor layer in the region and then dry-etching the P-type semiconductor layer.
  • a metal it is preferable to use a fine particle having good agglomeration at low temperatures and spherical particles.
  • examples of such a metal include a metal selected from the group consisting of Ni, Au, Sn and Ge, or a low melting point alloy containing at least one of these metals.
  • An Au GeNi alloy is preferred. Among them, it is most preferable to use A ⁇ S ⁇ alloy. In A ⁇ S ⁇ alloy, the S ⁇ composition ratio is 10% to 3 5
  • a metal thin film is first formed by a generally known vacuum deposition apparatus.
  • the thickness of the metal thin film is preferably not less than 50 mm and not more than 100 mm. Moreover, there is no problem even if a sputtering apparatus or the like is used as long as the thickness of the metal thin film can be uniformly controlled within the above range.
  • the formed metal thin film is either in an atmosphere containing an acid table or in an oxygen-free atmosphere, depending on the metal used, but generally in the range of 2560 600 Heat for at least minutes.
  • the shape of the metal after heat treatment varies greatly depending on whether it contains oxygen or an atmosphere that does not contain oxygen. ⁇ Efficient emission output ⁇ Heat treatment in an atmosphere that does not contain oxygen is more preferable for extraction. It is possible to go around the shape of the fine particles, and adjust so that metal fine particles with an appropriate shape and density can be formed according to the emission wavelength of the extracted light. Since the shape of the spherical granular material after the roughened region is added is almost the same as the shape of the metal fine particle mask, the shape of the spherical granular material after processing is controlled by controlling the shape of the metal fine particle mask. be able to. Therefore, the shape of the metal fine particles constituting the mask is preferably a spherical shape having a diameter of 0.113 m, preferably 0.1 to m.
  • the p-type semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor can be dry-etched on the mask to form the irregular surface having the specific shape.
  • the general reactive etching R
  • Etching in chlorine-containing gas using dry etching of type I E It is desirable to keep the substrate temperature below 10 ° C in order to prevent changes in the metal aggregation shape (metal fine particle shape) due to heat.
  • the above method uses the microloading effect, which is a general negative effect in dry etching, caused by the densification of metal fine particle masks.
  • This method is very effective even in consideration of productivity because it can form a spherical irregular shape with a low melting point metal that is easy to control the shape without using a metal with high hardness and high melting point. It is profit.
  • the metal fine particle mask is also gradually etched by dry etching, and the metal fine particle mask disappears at the same time as the P-type semiconductor layer is etched into the desired uneven shape.
  • a part of the metal fine particle mask may remain at the end of etching.
  • it can be removed by treatment with an acid such as aqua regia or nitric acid.
  • -Concave and convex processing may be performed after forming a positive electrode having an opening, or a positive electrode having an opening may be formed after processing a region corresponding to the opening in advance.
  • the positive electrode itself may be used as a protective mask during etching.
  • the thickness of the positive electrode must be sufficient to withstand dry etching.
  • the depth of etching is 1 Z 2 or more.
  • Is a substrate for nitride gully um-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention Sabuaia single crystal (A 1 2 ⁇ 3; A plane, C plane, M-plane, R-plane), spinel Le monocrystalline (M g A gamma 2 O,), Z n O single crystal, L i a 1 ⁇ 2 single crystal, L i G A_ ⁇ 2 single crystal, oxide single crystals such as M G_ ⁇ single crystal, S i single crystal, S i C single crystal, G a a s single crystal, a 1 N single crystal, a substrate material, such as boride single crystal such as G a N monocrystalline and Z r B 2 are well known
  • any substrate material including these well-known substrate materials can be used without any limitation. Of these, sapphire single crystals and SiC single crystals are preferred.
  • the plane orientation of the substrate is
  • a Nyasu substrate or a substrate with an off angle may be used.
  • An n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor are usually stacked on a substrate via a buffer layer.
  • the buffer layer may be unnecessary.
  • the symbol M represents a group V element different from nitrogen (N), where 0 ⁇ A ⁇ 1.
  • Many gallium nitride compound semiconductors represented by In the present invention the general formula A 1 X G a Y I ⁇ 2 ,, ⁇ ⁇ (0 ⁇ X ⁇
  • M represents a group V element different from nitrogen (N), where 0 ⁇ A and 1.
  • Nitrogen-based compound semiconductors represented by) can be used without any limitation.
  • Gallium nitride-based compound semiconductors can contain other I I I group elements in addition to A 1 Ga and In, and, if necessary, G e.
  • It may contain elements such as g C a Z n .B e P A s and B. Furthermore, it is not limited to elements that are intentionally added, but may contain impurities that are inevitably contained depending on the film formation conditions and the like, as well as trace impurities contained in raw materials and reaction tube materials.
  • the method of forming the gallium nitride compound semiconductor is not particularly limited.
  • the carrier gas is hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ), which is a Group III raw material
  • the source of Ga is trimethylgallium (TMG) or triethylgallium (TEG) A 1 and Trimethylaluminum (TMA) or triethyl Aluminum (TEA), ammonia (NH 3), such as hydrazine (Nz HJ are used as in the I n source N source which is collected by Li Mechirui indium (TM l) or preparative Ryechirui indium (TEI), V group material .
  • a the n-type as the S i raw monosilane (S i H 4) or disilane (S i 2 H 6), G e raw material to germane gas (G e Organic germanium compounds such as H 4 ), tetramethyl germanium ((CH 3 ) 4 G e) and tetraethyl germanium ((C 2 H 5 ) consultG e) can be used.
  • Germanium can also be used as a doping source
  • the Mg raw material for example, bis-cyclopentaphenylmagnesium (C p 2 Mg) or bisethylcyclopentagenylmagnesium (E t CP 2 Mg) is used.
  • An n-type semiconductor layer is usually composed of an underlayer, an n-contact layer, and an n-cladding layer.
  • the n contact layer can double as the underlayer and / or the n cladding layer.
  • the underlayer is preferably composed of layers (0 ⁇ X ⁇ 1, preferably 0 ⁇ x ⁇ 0.5, more preferably 0 ⁇ x ⁇ 0.1).
  • the film thickness is 0.1 l '; um or more, preferably 0.5 or more, more preferably 1 ⁇ m or more. When the film thickness is greater than this, it is easier to obtain an A] x G a, — x N layer having better crystallinity.
  • the underlying layer may be de one-flop as long as it is within the range of the n-type impurity 1 X 1 0 1 7 ⁇ 1 X 1 O ⁇ Z cm 3 but, Anne de one flop ( ⁇ 1 X 1 0 17 Z cm 3 ) is preferred in terms of maintaining good crystallinity.
  • the n-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include S i, G e and S n, and S i and G e are preferable.
  • the growth temperature for growing the underlayer is preferably from 80 to 120, more preferably from 100 to 120 ° C. If it grows within this growth temperature range, a crystal with good crystallinity can be obtained.
  • the pressure in the MOCVD growth furnace is adjusted to 15 to 40 kPa.
  • the n contact layer is the same as the base layer, A l x G ai _ x N layer (
  • n-type preferably doped with impurities, n-type impurities of 1 XI 0 1 7 to 1 XI 0 ' 9 Z cm 3 , preferably 1 XI 0
  • the n-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include S i, G e and S n, and S i and G e are preferable.
  • the growth temperature is the same as that of the underlayer.
  • the gallium nitride compound semiconductor constituting the underlayer and the n contact layer preferably has the same composition, and the total film thickness is 1 to 20 m, preferably 2 to 15 m ′, and more preferably. Is preferably set in the range of 3 to 12 mm. When the film thickness is within this range, the crystallinity of the semiconductor is maintained well.
  • n cladding layer is A l G a N, G a N, G a
  • It can be formed of 1 n N or the like.
  • a hetero-junction of these structures or a superlattice structure in which a plurality of layers are stacked may be used. Needless to say, it is desirable that the gap is larger than the band gap of G a I n N in the light emitting layer.
  • the thickness of the n-cladding layer is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 0.5 m, and more preferably 0.05 to 0.5 lm.
  • the n-type doping concentration of the cladding layer is preferably 1 XI 0
  • the light-emitting layer stacked on the n-type semiconductor layer is a gallium nitride compound semiconductor, preferably G a, -s I ns N (0 ⁇ s ⁇ 0 .. 4).
  • a light emitting layer made of a gallium compound semiconductor is usually used in the present invention.
  • the film thickness of the light-emitting layer is not particularly limited, but includes a film thickness that can provide a quantum effect, that is, a critical film thickness. For example, it is preferably 1 to 10 nm, and more preferably 2 ⁇ 6 nm. A film thickness in the above range is preferable in terms of light emission output.
  • the light-emitting layer in addition to the single quantum well (S QW) structure as described above, the G a l - s I n s N as the well layer, vans Dogya-up energy than the well layer is greater A 1 c G a,. C N (0 ⁇ c ⁇ 0.3 and b> c)
  • a multi-quantum well (MQW) structure consisting of a barrier layer may be used. The well layer and the barrier layer may be doped with impurities.
  • the long temperature of the A 1 e G a, _ c N barrier layer is preferably 700 ° C. or higher, and more preferably, the crystallinity is increased when grown at 80 0 to 1 100 ° C. Since it becomes favorable, it is preferable.
  • the G a I n N well layer is grown at 60 ° C. to 90 ° C., preferably 70 ° C. to 90 ° C. In other words, it is preferable to change the growth temperature between layers in order to improve the MQW crystallinity.
  • a p-type semiconductor layer is usually composed of a p-cladding layer and a p-contact layer.
  • the p contact layer may also serve as the p cladding layer.
  • the p-cladding layer is not particularly limited as long as it has a composition larger than the band gap energy of the light-emitting layer and can confine the carrier to the light-emitting layer, but preferably, A 1 d G a! _ d N (0 ⁇ d ⁇ 0.4, preferably 0. l ⁇ d ⁇ O. 3).
  • the p-cladding layer is made of such A 1 G a N, the light-emitting layer This is preferable in terms of confinement of carriers.
  • the film thickness of the P-cladding layer is not particularly limited, and is preferably 1 to 400 nm, and more preferably 5 to 100 nm.
  • the p-type doping concentration of the p-cladding layer is preferably 1 X 1 0 1 8 to 1 X 1 0 2 1 cm 3 , more preferably IX 1 0 19 to 1 XI 0 2 G Z cm 3 is there. When the p-type doping concentration is in the above range, a good p-type crystal can be obtained without deteriorating the crystallinity.
  • _ e N (0 ⁇ e ⁇ 0.5, preferably 0 ⁇ e ⁇ 0.2, more preferably 0 ⁇ e ⁇ (1).
  • Bruno concentration of cm 3 preferably is 5 X 1 0 19 ⁇ 5 X 1 0 2 (1 when containing a concentration of Bruno cm 3, the maintenance of good Omi click contact, proof of cracks lh, preferable in terms of maintaining good crystallinity
  • the p-type impurity is not particularly limited, but is preferably Mg, for example, but the film thickness is not particularly limited, but 0.0 1 0.5 to 0.5 tm is preferable, more preferably 0.05 to 0.2 m, and a film thickness within this range is preferable in terms of light emission output.
  • the n contact layer is exposed by conventional means well known in this technical field, and a negative electrode is provided on the exposed n contact layer.
  • Many negative electrodes having various structures using various materials are known, and any material and structure including these known negative electrodes can be used without any limitation.
  • a known manufacturing method such as a vacuum deposition method or a sputtering method can be used without any limitation.
  • the light emitting element As a form of the light emitting element, it is usually used as a so-called face-up (FU) type in which light emission is extracted from the positive electrode side provided with the opening.
  • FU face-up
  • the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention can be formed into a lamp by providing a transparent cover by means well known in the art, for example.
  • a white lamp can be manufactured by combining the gallium nitride compound semiconductor light emitting element of the present invention and a cover having a phosphor.
  • a lamp manufactured from the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element of the present invention has excellent light extraction efficiency and high light emission output. Therefore, a mobile phone, a display, or a panel incorporating the lamp manufactured by this technology is used.
  • Electronic devices such as automobiles, and other mechanical devices such as automobiles, combination consoles, and game machines incorporating such electronic devices can be driven with low power and can achieve high characteristics. . In particular, it can save power in battery-powered devices such as mobile phones, game machines, toys, and automobile parts.
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device fabricated in this example.
  • Fig. 9 shows a schematic plan view.
  • p-type semiconductor layer 5 comprised of a p contactors coat layer composed of.
  • Each constituent layer of the laminated structure was grown by a general reduced pressure MO CVD means.
  • the p contact layer composed of Mg-doped A 1 Ga N was grown according to the following procedure.
  • Trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and biscyclopentane magnesium are continuously fed into the growth reactor for 4 minutes to make the layer thickness 0.15 ⁇ m.
  • One A 1 0. 0 2 Gaos N layer was grown.
  • the carrier gas is immediately switched from hydrogen to nitrogen, and the ammonia flow rate is reduced.
  • the carrier gas nitrogen flow rate was increased. Specifically, during growth, the total gas flow In other words, ammonia, which occupied 50% in volume, was reduced to 0.2%.
  • the power to the high frequency induction heating type heat sink that was used to heat the substrate was stopped.
  • the growth reactor stack structure is taken out, and the atomic concentration of magnesium and hydrogen in the p-contained ⁇ ⁇ layer consisting of Mg 1-p A 1 G a N layer is measured with a typical SIMS. Quantified by analytical method. M'g atoms were distributed in the depth direction from the surface at a concentration of 7 X 1 0 19 cm " 3. On the other hand, hydrogen atoms were abbreviation of 6 X 1 0 19 cm- 3 The resistivity was estimated to be approximately 1550 ⁇ cm based on the measurement by the general TLM method.
  • a grid-like positive electrode 10 made of ITO with a thickness of 4500 nm was formed.
  • a conventional vacuum evaporation apparatus was used for forming the positive electrode 10.
  • heat treatment was performed in an oxygen atmosphere to make the ITO metal film transparent.
  • the width of the grid electrode bar (A in Fig. 9) (a in Fig. 9) was 5 Atm.
  • the distance between the bars (b in Fig. 9) was 20 m.
  • the concavo-convex region was the hatched portion in Fig. 9, which was the opening 12 of the grid-like positive electrode, the four turns of the light emitting element, and between the negative electrode and the positive electrode.
  • patterning of the concave / convex processed region was performed using a resist ridge, and a resist film was applied to the region other than the concave / convex processed region.
  • 1 5 1 5 11 5 11 were vapor-deposited under a pressure of 3 X 1 0 _ 3 [0 or less].
  • general Using this method the AuSn thin film on the resist film was separated and removed together with the resist film, and an AuSn thin film was selectively formed in the uneven processing region.
  • the semiconductor layer other than the region where the conductive layer is to be exposed is protected with a resist film, and n The semiconductor layer was exposed only in the area where the layer was exposed, and then general dry etching was performed.
  • the dry etching since the mask made of the above-mentioned metal fine particles is formed in the concavo-convex processed region, the dry etching selectively etches in a shape that follows the shape of the metal fine particles.
  • the p-type semiconductor layer could be processed to have an uneven shape.
  • the semiconductor layer other than the mask covered with metal fine particles and the portion covered with the resist film is usually etched by dry etching, so that the n-contained layer is exposed after dry etching. Therefore, this Dry Ets
  • the grid-like positive electrode 10 functions as a protective film.
  • Figure 5 is a surface SEM photograph (magnification: 15,000 times) of the roughened region. From this figure, the diameter of the spherical granular material 30 existing in the concavo-convex processed region was in the range of 0.1 to 0.5 ⁇ m, and the density was about 2 ⁇ 10 6 nom 2 mm 2 .
  • Fig. 6 is a cross-sectional SEM photograph (magnification: 20,000 times) of the uneven processing area after the resin package described later. From this figure, The height of the convex part 3 1 forming the concave-convex surface of the concave-convex processing region was 0.3 to 0.6 wm, and the maximum diameter was 0.1 to 0.5 // m.
  • the negative electrode 5 was formed in the region for forming the negative electrode on the exposed n contact layer by the following procedure.
  • the resist is removed from the negative electrode forming portion on the exposed n contact layer using a known lithography technique, and the semiconductor side is formed by a commonly used vacuum deposition method.
  • a negative electrode having Ti force S 1 OO nm and A u of 2 OO nm was formed in order. Thereafter, the resist was removed together with the negative electrode formed thereon by a known method.
  • the back surface of the sapphire substrate 1 was polished using diamond fine abrasive grains, and finally finished to a mirror surface. After that, the laminated structure was cut and separated into individual LEDs of 3500 m square. Next, the individually divided LEDs were mounted in a can package, and the light output and forward voltage were measured with a tester. The light output and forward voltage at an applied current of 20 mA were 11 mW and 3. 7 V was indicated.
  • the openings 12 of the grid-like positive electrode exhibited light emission over the entire surface.
  • the four rounds of the light-emitting element and the concave / convex processed region between the negative electrode and the positive electrode also emit light, and it seems that the concave / convex processing expands the light emitting area and improves the light output.
  • the light-emitting element manufactured in this example and the light-emitting element in which the concavo-convex processed region is substantially planar are packaged with a resin generally used in an LED lamp, and the light is emitted before and after packaging.
  • the coefficient of light extraction effect due to the use of resin was 1.30 times for the former and 1.15 times for the latter, which is considered to improve the resin wraparound in the light emitting device of the present invention. The effect of improving the output was confirmed.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the unevenness was not applied.
  • the forward voltage and light output of this light emitting device were 3.5 V and 8 mW, respectively.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device provided with the positive electrode having an opening provided by the present invention emits light over the entire surface of the opening, improves the light extraction efficiency, and exhibits a high light emission output. Therefore, it is very useful in industry.

Abstract

本発明の目的は、光取り出し効率に優れた、開口部を有する正極を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。　本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層がこの順序で積層され、正極および負極がそれぞれｐ型半導体層およびｎ型半導体層に接して設けられた発光素子において、正極が開口部を有する正極であり、該開口部におけるｐ型半導体層表面の少なくとも一部が球状の粒状物に由来する凹凸面であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。

Description

窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子 技術分野
本発明は窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子に関し、 特に優れ た発光出力を有する窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子とその製 造方法に関する。 明 背景技術
書
近年、 短波長発光素子用の半導体材料として G a N系化合物半導 体材料が注目を集めている G a N系化合物半導体は、 サファイア 単結晶を始めと して、 種々の酸化物基板や I I I - V族化合物を基板 として、 その上に有機金属 層成長法 （ M 0 C V D法） や分子線ェ ピ夕キシ一法 （M B E法） 等によって形成されている。
ところで、 発光素子の外部量子効率は、 光取出し効率と内部量子 効率を掛け合わせたものとして表される。 内部量子効率とは、 素子 に注入した電流のエネルギ一のうち、 光に変換される割合である。 一方の光取り出し効率とは 、 半導体結晶内部で発生した光の内、 外 部へ取り出すことのできる割合である。
発光素子の内部量子効率に於いては、 結晶状態の改善や、 構造の 検討により 7 0〜 8 0 %程度まで向上していると言われ、 注入電流 量に対して十分な効果が得られている。
しかしながら、 G a N系化合物半導体のみならず、 発光ダイォー ド （ L E D ) に於いては、 一般的に注入電流に対する光取出し効率 が押並べて低く、 注入電流に対しての内部発光を十分に外部に取り 出しているとは言い難い。 発光取り出し効率が低いのは、 発光層で発光した光が、 L E D構 造内の結晶材質により、 反射 ' 吸収を繰り返し、 スネルの法則によ るところの臨界角以上の反射に於いては、 光が外部に取り出せない 確率が高い事が原因である。
この、 光取り出し効率を向上させる為に発光取り出し面を凹凸加 ェし、 光の取り出し面にさまざまな角度を設けて、 光の取り出し効 率.を向上させる技術が提案されている （例えば、 特開 2 0 0 3 2 1 8 3 8 3号公報および特開 2 0 0 5 - 6 4 1 1 3号公報参照） 。 しかしながら、 この提案された技術で作製された表面の凹凸加工 に於いては、 凹凸の形状が平面もしく は角錐構造で形成され、 L E Dパッケージとして形成される際の樹脂材が粘度に.よっては凹凸加 ェされた全域に染み込まず、 期待された凹凸加工による光取り出し の効果、 或いは樹脂屈折率に応じた光取り出し効果が、 十分得られ ておらず、 樹脂を凹凸加工面に完全に密着させる為には、 樹脂注入 後、 圧力を変化させるなど、 工程上煩雑になるという問題がある。
また、 凹凸加工を施すための方法に於いては、 凹凸なマ,スクパ夕 —ニング方法等が要求される事から、 工程上、 煩雑な手順を踏む必 要があり、 製造上の問題でもある。 一
一方、 G a N系化合物半導体材料の特性と して、 横方向への電流 拡散が小さいことがある。 そのために、 電極直下の半導体にしか電 流が注入されず、 発光層で発光した光は電極に遮られて外部に取り 出されない。 そこで、 この系の発光素子では、 通常、 正極と して透 光性電極が用いられ、 透光性正極を通して光が取り出される。
従来の透光性正極は、 N i や C 0の酸化物とコンタク ト金属と し て A uなどを組み合わせた層構造であった。 近年では I T Oなど、 より導電性の高い酸化物を使用することにより、 コンタク ト金属の 膜厚を極力薄く して透光性を高めた層構造が正極として採用され、 発光層からの光を効率よく 、 外部に取り出す事が行われている。 また 、 正極の形状を開口部を有する形状、 例えば格子状と し、 そ の開口部より発光を取り出す構造が提案されている （例えば、 特開
2 0 0 4 - 1 7 9 4 9 1 号公報参照） 。 しかしながら、 この方法で は 、 発光が取 Ό出される部分が正極周縁部分に限られ、 開口部の中 央部分からは発光が取り出されず、 良好な光取り出し効率が得られ ていなレ のが現状である o 明の開示
本発明の目的は、 従来技術の上述した問題点を解決し、 光取り出 し効率に優れた、 開口部を有する正極を備えた窒化ガリ ウム系化合 物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
本発明は以下の発明を提供する。
( 1 ) 基板上に 化ガリ ゥム系化合物半導体からなる、 n型半導 体層、 発光層および P型半導体層がこの順序で積層され、 正極およ び負極がそれぞれ P型半導体層および n型半導体層に接して設けら れた発光素子において、 正極が開口部を有する正極であり、 該開口 部における P型半導体層表面の少なく とも一部が球状の粒状物に由 来する凹凸面であることを特徴とする窒化ガリ ウム系化合物半導体 発光素子。
( 2 ) 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導 体層、 発光層および p型半導体層がこの順序で積層され、 正極およ び負極がそれぞれ P型半導体層および n型半導体層に接して設けら れた発光素子において、 正極が開口部を有する正極であり、 該開口 部における p型半導体層表面の少なく とも一部は先端部が半球状の 凹凸面であることを特徴とする窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素 子。 ( 3 ) 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導 休層、 発光層および P型半導体層がこの順序で積層され、 正極およ び負極がそれぞれ P型半導体層および n型半導体層に接して設けら れた発光素子において、 正極が開口部を有する正極であり、. 該開口 部における p型半導体層表面の少なく とも一部は先端部が曲面で構 成される凹凸面であることを特徴とする窒化ガリ ウム系化合物半導 体発光素子。
( 4 ) 開口部を有する正極が格子状または櫛型状である上記 1 -〜 3項のいずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子
( 5 ) 格子の桟または櫛の歯の幅が 1 〜 5 0 βである上記 4項 に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子
( 6 ) 格子の桟または櫛の歯の距離が 1 1！〜 D 0 である上記 4 または 5項に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子。
( 7 ) 凹凸面における凸部 （粒状物） の直径が 0 . 0 1〜 3 m である上記 1〜 6項のいずれか一項に記載の窒ィ匕ガリ ゥム系化合物 半導体発光 子。
( 8 ) 凹凸面の上端の高さが負極形成面から 0 . 1 〜 2 mであ る上記 1 〜 7項のいずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導 体発光素子。
( 9 ) 凹凸面の上端の高さが p型半導体層表面と同等の高さであ る上記 8項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光
( 1 0 ) 凹凸面における凸部の高さが 0 . 0 1〜 1 mである上 記 1〜 9項のいずれか一項に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発 光素子
( 1 1 ) 凹凸面における凸部 （粒状物） の密度が 1 X I 0 5個/ m m 2〜 l X I 0 8個/ m m 2である上記 1〜 1 0項のいずれか一項 に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子。
( 1 2 ) 凹凸面が発光素子の四周にも存在する上記 1〜 1 1項の いずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子
( 1 3 ) 凹凸面が正極と負極の間にも存在する上記 1〜 1 2項の いずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子
( 1 4 ) 下記 （ 1 ) 〜 （ 4 ) の工程を含んでなる窒化ガ ヴム系 化合物半導体発光素子の製造方法。
( 1 ) 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる 、 n型半導体 層、 発光層および P型半導体層をこの順序で積 する工程
( 2 ) 該 p型半導体層上に開口部を有する正極を形成する工程。
( 3 ) 該開口部における p型半導体層上に金属微粒子からなるマス クを形成する工程。 '
( 4 ) 該マスク上から窒化ガリ ウム系化合物半導体を ドライエッチ ングする工程。 ·
( 1 5 ) 工程 （ 3 ) が p型半導体層上に金属薄膜を形成する工程 およびその後の熱処理工程からなる上記 1 項に記載の製造方法。
( 1 6 ) 金属微粒子が N i 、 A u、 S nおよび G eからなる群か ら選ばれた金属または少な < ともこれらの金属の—一種を含有する低 融点合金である上記 1 4または 1 5項に記載の製造方法。
( 1 7 ) 上記 1 4〜 ； 1 6項のいずれか一項に記載の製造方法によ つて製造された窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子。
( 1 8 ) 上記 1〜 ： L 3および 1 7のいずれか一項に記載の窒化ガ リ ゥム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
( 1 9 ) 上記 1 8項に記載のランプが組み込まれている電子機器
( 2 0 ) 上記 1 9項に記載の電子機器が組み込まれている機械装 置。 開口部を有する正極を備えた窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素 子において、 該開口部における P型半導体層の表面に特定形状の凹 凸加工を施すことを骨子とする本発明によれば、 該開口部全体から 発光が取り出され、 良好な光取り出し効率を有する窒化ガリ ウム系 化合物半導体発光素子が得られる。 さ らに、 発光素子をランプに加 ェす ·ο際に樹脂染み込み不良が低減し、 樹脂屈折率に応じた集光性 の高いランプを形成する事ができる
また、 本発明の凹凸加工方法は、 高度なマスクパ夕 ―二ング工程 等が不要であり， 簡便安価に凹凸加ェ領域を形成する事が可能であ る。 さ らに 、 低融点の金属微粒子からなるマスクを用いる凹凸加工 は、 金属膜厚及び熱処理温度の調節で凹凸形状を任意に変化させる 事が可能であり、 L E Dの発光波長 (本発明の窒化ガ U ゥム系化合 物半導体発光素子の場合 3 5 0 n m 〜 6 0 0 n m ) に応じた最適な 光取り出し形状を形成する事が可能となる。 図面の簡単な説明
図 1 は 、 本発明の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子の一例の 断面を模式的に示した図である。
図 2 は 、 開口部を有する正極の一例を示した図であ
図 3 は 、 開口部を有する正極の別の一例を示した図である。
図 4 は 、 開口部を有する正極のさ らに別の一例を示した図である 図 5 は 、 実施例 1 で作製した本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導 体発光素子の凹凸加工領域の表面 S E M写真 （倍率 ： 1 万 5千倍） である。
図 6 は 、 実施例 1 で作製した本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導 体発光素子の凹凸加工領域の断面 S E M写真 （倍率 ： 2万倍） であ る。
図 7 は、 従来の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子の発光素子 四周部の断面 S E M写真である。
図 8 は、 実施例 1 で作製した本発明の窒化ガリ ゥム系化合物半導 体発光素子の断面を模式的に示した図である。
図 9 は、 実施例 1 で作製した本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導 体発光素子の平面を模式的に示した図である。 発明を実施するための最良の形態
発光素子の発光効率は、 光取出し効率と内部量子効率を掛け合わ せたものと して表現される。 内部量子効率 ^:は、 素子に注入した電 流のエネルギーのうち、 光に変換される割合である。 一方の光取出 し効率とは、 半導体結晶内部で発生した光の内、 外部へ取り出すこ とのできる割合である。 - '
本発明は、 p型半導体層上に開口部を有する正極を備えた窒化ガ リ ゥム系化合物半導体発光素子の該開口部における p型半導体層の 表面に特定形状の凹凸加工を施すことで、 光取出し効率を向上させ たものである。
図 1 は、 本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子の断面を 模式的に示した図である。 図中、 1 は基板、 2 はバッファ層、 3 は n型半導体層、 4は発光層、 5は p型半導体層である。 発光層 4お よび P型半導体層 5の一部がエッチング除去されて n型半導体層 3 の一部が露出されており、 残された P型半導体層 5上に正極 1 0が 、 露出された n型半導体層 3上に負極 9がそれぞれ形成されている 。 1 1 は正極ボンディ ングパッ ドである。 正極 1 0 は開口部 1 2 を 有しており、 p型半導体層の該開口部 1 2 における部分はその表面 に特定形状の凹凸加工が施された凹凸加工領域である。 本発明において正極は開口部を有している。 正極の形状は開口部 を有していさえすれば別に制限はないが、 例えば図 2 に示したよう な格子状、 図 3 に示したような櫛型状および図 4 に示したような円 形の孔が千鳥状に空けられた形状等が挙げられる。
格子状および櫛型状の場合、 格子の桟および櫛の歯 （図 2および 3 中の A ) の幅 （図 2および 3 中の a ) は 1 〜 5 0 ΠΊが好ましく 、 2〜 3 0 mがさ らに好ましく、 3〜 ： L 5 mが特に好ましい。 1 m未満では正極内での電流の横方向拡がりが損なわれ、 また光 の取り出し量からも好ましくなく、 を超えると光の取り出 し面積が減少することから好ましくない。 格子の桟および櫛の歯の 間隔 （図 2および 3 中の b ) は 1〜 5 0 mが好まレく、 2〜 3 0 mがさ らに好ましく、 3〜 2 0 mが特に好ま しい。 l ^ m未満 では光の取り出し面積が減少することから好ましくなく、 5 0 m を超えると開口部中央での'発光が減少するので好ましくない。 また 、. 格子の桟および櫛の歯の幅は格子の桟および櫛の歯の間隔の 1 .
1 〜 1 . 3倍程度が好ましい
正極材料としては、 A u、 N i 、 C o、 C u、 P d 、 P t 、 R h
、 O s 、 I rおよび R uなどの金属を用いることがでさる。 ま/こ、
I T〇 、 N i 〇および C o〇などの透光性の導電性金属酸化物を用 いることもできる。 透光性の導電性金属酸化物を用いる形態として は、 塊と して上記金属膜中に含んでも良いし、 層状と して上記金属 膜と重ねて形成しても良い。 勿論、 透光性の導電性金属酸化物を単 独で用いるこ ともできる。 これらの中でも I T〇は透光性に優れ且 つ導電性も高いので好ましい。
正極の厚さは、 用いる材料によって異なる力 一般に 1 0〜 1 0 0 0 n mが好ましい。 例えば、 I T Oの場合は、 発光波長を良好に 透過させる厚みである 1 0 0〜 8 0 0 n mが好ましく、 さ らに好ま しく は 2 0 0 5 0 0 n mである。
正極の成膜は真空蒸着法およびスパッ夕 リ ング法等この技術分野 でよく知られた慣用の手段で行なう ことができる。 また、 開口部を 設けた形状に成膜するには、 この技術分野でよく知られたフォ ト リ ソグラフィ ー技術およびリ フ トオフ技術を用いて行なう ことができ る。 正極を形成した後に、 合金化や透明化を目的と した熱ァ ■一ール を施す場合もあるが、 施さなくても構わない。 - ヽ 正極には通常電流を流すためのワイヤを接続するポンディ ノグパ ッ ド部が設けられる。 ボンディ ングパッ ド部は、 A u 、 1 、 N 1. 、 T i および C u等の材料を用いた各種構造が周知であり、 れら 周知の材料および構造のものを何ら制限無く用いることがでさ -έ> また、 厚さは 1 0 0〜 1 0 0 0 n mが好ましい。 ボンディ ングノ ッ ドの特性上厚いほうがボンダピリティーが高くなるため、 3 0 0 η m以上が好ま しい。 さ らに； 製造コス トの観点から 5 0 0 n m以下 が好ましい。
ί極の開口部 1 2 における ρ型半導体層の凹凸加工領域の表面は
、 その上端の高さは ρ型半導体層表面とほぼ同等の高さを有し 、 表 面は大きさの異なる凸状曲面形状を成している。 また凹凸加ェ部分 の表面は独立した球面レンズ形状を形成させる事で更に光取 Ό出し 効率を向上させる事が可能である。
図 5 は、 凹凸加工領域の表面 S E M写真 （倍率 ： 1 万 5千倍） で ある。 この図から明らかなように、 凹凸加工領域の凹凸は、 球状の 粒状物 （図 5 中 3 0で示した） に由来している。 本発明において球 状とは真球のみを意味するものではなく楕円球も含む。 要するに、 粒状物の外面が実質的に平面を含まない曲面から構成されていると いう意味である。 本発明者等は、 正極の開口部に面した ρ型半導体 露出部分にこのような形状の凹凸を設けると光取り出し効率が向上 することを見出した。
各粒状物の直径は 0. 0 1〜； 3 mの範囲が好ましい。 この範囲 であれば、 光取り出し効率が効果的に向上する。 好ま しく は 0. 1 〜 ； L mの範囲である。 また、 粒状物の密度は 1 X 1 05個 Z.m m 2 〜 1 X 1 08個 m m 2の範囲が好ま しい。 この範囲であれば、 光取 り出し効率が効果的に向上する。 好ましく は 1 X 1 06個ノ m m 2〜 1 X 1 07個 mm2の範囲である。 - また、 図 6は樹脂パッケージ後の凹凸加工領域の断面 S E M写真 (倍率 ： 2万倍） である。 図 6中 4 1が p型半導体部であり、 4 2 が樹脂部である。 凹凸加工領域を断面 S E M写真で見ると、 上記粒 状物は半分 P型半導体層中に埋まっており、 先端部が半球状の凸部 を形成している。 ここでいう半球とは、 上述したように真球のみを 意味するものではなく楕円球も含み、 要するに凹凸面の凸部が実質 的に平面を含まない曲面かち構成されているという意味である。
断面 S E M写真で観察される凹凸加工領域の各凸部 （図 6中 3 1 で示した） の最大部の直径は 0. 0 1 〜 3 μ mの範囲が好ましい。 この範囲であれば、 光取り出し効率が効果的に向上する。 好ましく は 0. 1〜 ； 1 / mの範囲である。 また、 凸部の高さは 0. 0 1〜 3 x mの範囲が好ましい。 この範囲であれば、 光取り出し効率が効果 的に向上する。 好ましく は 0. 1〜 1 DIの範囲である。 また、 凸 部の密度は 1 X 1 05個/ m m 2〜 1 X I 08個 Zmm 2の範囲が好ま しい。 この範囲であれば、 光取り出し効率が効果的に向上する。 好 ま しく は 1 X 1 06個 Zmm2〜 1 X 1 07個 Zmm2の範囲である。 形成された凹凸加工面の上端の負極形成面からの高さは、 好まし
<は 0. 1 m〜 2. 0 mで、 P型半導体表面とほぼ同じ高さで あることが好ましい。
また、 発光素子の四周および負極と正極の間にも上記特定形状の 凹凸面を備えた凹凸加工領域とすると、 発光素子の四周および負極 と正極の間からも発光が効率よく取り出され、 光取出し効率はさ ら に向上する
なお、 図 7 は、 従来の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子の発 光素子四周部の断面 T E M写真である 。 発光素子四周部は凹凸加工 されているが 、 凸部の外周面はほとんど平面で構成されており、 本 発明における凹凸加工と形状および大きさが全く 異なつている。. 次に、 上記特定形状の凹凸面を備えた凹凸加工領域の形成方法に ついて説明する。
本発明に於いて凹凸加工領域の形成は、 当該領域の P型半導体層 表面に金属微粒子からなるマスクを形成し、 その上から P型半導体 層を ドライエッチングすることによって行なう ことができる。 金属 の選定に於いては低温での凝集性が良好でかつ球面形状の微粒子の 得られるものが好ましい。 てのような金属と しては、 例えば、 N i 、 A u 、 S nおよび G eからなる群から選ばれた金属または少なく ともこれらの金属の一種を含有する低融点合金が挙げられる。 これ らの中でも A u S n合金、 A u G e合金、 A u S n N i 合金および
A u G e N i 合金が好ましい 。 中でも A υ S η合—金を用いるのが最 も好ましい。 A υ S η合金に於いては、 S η組成比が 1 0 %〜 3 5
%程度までは 1 9 0 〜 4 2 0 °C程度で共晶化する事が知られ、 また この温度を上回ると一般的に合金層が凝集形態を取る ことも知られ ている。
金属微粒子からなるマスクを作製するためには、 一般的に知られ る真空蒸着装置で先ず金属の薄膜を形成する。 金属薄膜の厚さは 5 0 Α以上 1 0 0 0 Α以下が好ましい。 また、 金属薄膜の厚み制御が 上記範囲内で均一に可能であれば、 スパッタ リ ング装置等を用いて もなんら問題は無い。 金厲微粒子からなるマスクを得る為には 形成した金属薄膜を酸 表を含む雰囲気或いは酸素の無い雰囲気のいずれかで、 用いる金属 によって異なるが 般に 2 5 0 6 0 0での範囲で、 1 分以上の熱 処理を行う。
熱処理後の金属の形状は 、 酸素を含む雰囲気か含まない雰囲気か で形状が大きく異な Ό 発光出力を効率良 <取り出す為には酸素を 含まない雰囲気での熱処理がより好ましい 熱処理温度によって処 理後の微粒子形状を 周 する事ができ、 取 Ό出す光の発光波長に'応 じて適切な形状および密度の金属微粒子ができるよう に調節する。 凹凸加工領域の加 Ϊ後の球状粒状物の形状は、 金属微粒子マスク の形状とほぼ同等の形状を取る為、 金属微粒子マスクの形状を制御 する事で加工後の球状粒状物の形状を制御することができる。 従つ て、 マスクを構成する金属微粒子の形状は 直径が 0 . 0 1 3 m、 好ましく は 0 . 1 〜 ： mの球状が好ましい。
金属微粒子マスクを形成した後、 該マスク上から窒化ガリ ゥム系 化合物半導体からなる p型半導体層を ドラィエツチングする とに よって、 上記特定形状の凹凸面を形成する とができる。 ドラィェ ツチングに於いては、 一般的なリ アクティ ブィ ンェッチング ( R
I E ) 型の ドライエッチングを用いて、 塩素を含むガスに於いてェ ツチングする。 なお、 熱による金属凝集形状 （金属微粒子形状） の 変化を防ぐ為、 基板温度は 1 0 o °c以下に保つ事が望ま しい。
上記方法は、 金属の ドライエッチング耐性を使用する従来法と異 なり、 金属微粒子マスクの緻密化によって生じる、 ドライエツチン グに於いては一般的なマイナス効果であるマイク ロローデイ ング効 果を利用する事に特徴がある。 この方法は、 硬度が高く 、 融点の高 い金属を使用する事無く 、 より形状制御のし易い低融点金属で球面 の凹凸形状を形成できるので、 生産性を考慮したうえでも非常に有 益である。
ドライエッチングにより金属微粒子マスクも徐々 にエッチングさ れ、 P型半導体層が所望の凹凸形状にエッチングされると同時に金 属微粒子マスクは消失する。 なお、 金属微粒子マスクの一部がエツ チング終了時に残存していても構わない。 また、 金属微粒子マスク の一部が残存している場合は、 例えば王水または硝酸等の酸で処理 して除去することもできる。 - 凹凸加工は開口部を有する正極を形成した後に行なってもよいし 、 開口部に相当する領域を予め凹凸加工した後に開口部を有する正 極を形成してもよい。 正極を形成した後に凹凸加工を行なう場合、 正極自体をエッチング時の保護マスクと して利用 してもよい。 その 場合の正極の厚さはドライエッチングに十分耐える厚さでなければ なら.ない。 例えば、 正極材料として I T Oを用いた場合、 エツチン グする深さの 1 Z 2以上あることが好ましい。
本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子の基板と しては、 サブアイァ単結晶 （A 1 2〇3 ; A面、 C面、 M面、 R面） 、 スピネ ル単結晶 （M g A Γ2 O , ) 、 Z n O単結晶、 L i A 1 〇2単結晶、 L i G a〇2単結晶、 M g〇単結晶などの酸化物単結晶、 S i 単結 晶、 S i C単結晶、 G a A s 単結晶、 A 1 N単結晶、 G a N単結晶 および Z r B 2などのホウ化物単結晶などの基板材料が周知である
。 本発明においても 、 れら周知の基板材料を含めて 、 如何なる基 板材料も何ら制限な <用いることができる。 これらの中でもサファ ィァ単結晶および S i C単結晶が好ましい。 なお、 基板の面方位は
、ヽ、
特に限定されない。 また 、 ンヤス 卜基板でも良いしォフ角を付与し た基板であつても良い
基板上に、 通常、 バッファ層を介して、 窒化ガリ ウム系化合物半 導体からなる n型半導体層、 発光層および p型半導体層が積層され る。 使用する基板ゃェピタキシャル層の成長条件によっては、 バッ ファ層の不要な場合がある。
窒化ガリ ウム系化合物半導体と しては、 例えば一般式 A 1 x G aY I n z N , _A MA ( 0≤ X≤ 1 , 0≤ Y≤ 1 0≤ Z≤ 1で且つ、 X + Y + Z = 1。 記号 Mは窒素 （N) とは別の第 V族元素を表し、 0 ≤A< 1である。 ） で表わされる窒化ガリ ウム系化合物半導体が多 数知られており、 本発明においても、 それら周知の窒化ガリ ウム系 化合物半導体を含めて一般式 A 1 X G a Y I η 2 Ν , ΜΑ ( 0≤ X≤
1 0≤ Y≤ 1 0≤ Z≤ 1で且つ、 X + Y + Z = 1 号 Mは窒 素 (N) とは別の第 V族元素を表し、 0 ≤ Aく 1である。 ) で表わ される窒ィ匕ガリ ゥム系化合物半導体を何ら制限なく用いることがで きる。
窒化ガリ ウム系化合物半導体は、 A 1 G aおよび I n以外に他 の I I I 族元素を含有する—ことができ、 必要に応じて G e . S i
Μ g C a Z n .B e P A sおよび Bなどの元素を含有する ともできる。 さ らに、 意識的に添加した元素に限らず、 成膜条件 等に依存して必然的に含まれる不純物、 並びに原料、 反応管'材質に 含まれる微量不純物を含む場合もある。
窒化ガリ ウム系化合物半導体の成 方法は特に限定されず M 〇
C VD (有機金属化学気相成長法） H V P E (ハイ ドライ ド気相 成長法） 、 M B E (分子線ェピタキシ一法） 、 など窒化ガリ ゥム系 化合物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用で ぎる。 好ましい成長方法と しては、 厚制御性 、 量産性の観点から
MO C V D法である。 MO C V.D法では、 キャ リ アガスとして水素 (H2) または窒素 （N2) I I I 族原料である G a源と して ト リ メチルガリ ウム （ T M G ) または ト リェチルガリ ウム （ T E G ) A 1 源と して ト リ メチルアルミニウム （TMA) または ト リェチル アルミニウム （T E A) 、 I n源と して ト リ メチルイ ンジウム （T M l ) またはト リェチルイ ンジウム （T E I ) 、 V族原料である N 源としてアンモニア （N H3) 、 ヒ ドラジン （Nz HJ などが用い られる。 また、 ドーパン トと しては、 n型には S i 原料と してモノ シラン （ S i H 4 ) またはジシラン （ S i 2 H 6 ) を、 G e原料と し てゲルマンガス （G e H4) や、 テ ト ラメチルゲルマニウム （ （C H3) 4 G e ) ゃテ 卜ラエチルゲルマニウム （ （C2 H5) „ G e ) 等 の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。 M B E法では、 元素状の ゲルマニウムも ドーピング源と して利用できる。 p型には M g原料 と しては例えばビスシク 口ペン夕ジェニルマグネシウム （ C p 2 M g ) またはビスェチルシクロペン夕ジェニルマグネシウム （ E t C P 2 M g ) を用いる。
n型半導体層は、 承常、 下地層、 nコンタク ト層および nクラッ ド層から構成される。 nコンタク ト層は下地層および/または nク ラッ ド層を兼ねることができる。 下地層は 層 （ 0 ≤ X≤ 1 , 好ましく は 0≤ x≤ 0. 5、 さ らに好ま しく は 0≤ x ≤ 0. 1 ) から構成されることが好ま しい。 その膜厚は 0. l' ;u m以 上、 好ましく は 0. 5 以上、 さ らに好ましく は 1 ^ m以上であ る。 この膜厚以上にした方が結晶性の良好な A 】 x G a ,— x N層が 得られやすい。
下地層には n型不純物を 1 X 1 0 1 7〜 1 X 1 O ^Z c m3の範囲 内であればド一プしても良いが、 アン ド一プ （ < 1 X 1 017 Z c m 3) の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。 n型不純物と しては、 特に限定されないが、 例えば、 S i 、 G eおよび S n等が 挙げられ、 好ましく は S i および G eである。
下地層を成長させる際の成長温度は、 8 0 0〜 1 2 0 0でが好ま しく、 さ らに好ましく は 1 0 0 0〜 1 2 0 0 °Cの範囲に調整する。 この成長温度範囲内で成長させれば結晶性の良いものが得られる。 また、 M O C V D成長炉内の圧力は 1 5〜 4 0 k P a に調整する。
nコ ンタク ト層としては、 下地層と同様に A l x G a i _ x N層 （
0≤ X≤ 1 , 好ましく は 0≤ x≤ 0. 5、 さ らに好ましく は 0≤ x ≤ 0. 1 ) から構成されることが好ましい。 n型.不純物が ド一プさ れていることが好ましく、 n型不純物を 1 X I 0 1 7〜 1 X I 0 ' 9 Z c m3、 好ましく は 1 X I 0 | 8〜 1 X I 0 19 c m3の濃度で含有す ると、 負極との良好なォ一ミ ック接触の維持、 ク ラック発生の抑制 、 良好な結晶性の維持の点で好ましい。 n型不純物と しては、 特に 限定されないが、 例えば、 S i 、 G eおよび S n等が挙げられ、 好 ま しく は S i および G eである。 成長温度は下地層と向様である。 下地層と n コンタク 卜層を構成する窒化ガリ ウム系化合物半導体 は同一組成であることが好ましく、 その合計の膜厚を 1 〜 2 0 m 、 好ましく は 2〜 1 5 m'、 さ らに好ましく は 3〜 1 2 ΠΊの範囲 に設定することが好ましい。 膜厚がこの範囲にあると、 半導体の結 晶性が良好に維持される。
nコンタク ト層と発光層との間に、 n クラッ ド層を設けることが 好ましい。 n コンタク ト層の最表面に生じた平坦性の悪化を埋める ことできるからである。 n ク ラッ ド層は A l G a N、 G a N、 G a
1 n Nなどで形成することが可能である。 これらの構造のへテロ接 合や複数回積層した超格子構造と してもよい。 G a l n Nとする場 合には、 発光層の G a I n Nのバン ドギャ ップよ り も大きくするこ とが望ましいことは言うまでもない。
n クラッ ド層の膜厚は、 特に限定されないが、 好ましく は 0. 0 0 5〜 0. 5 mであり、 より好ましく は 0. 0 0 5〜 0. l m である。 n クラッ ド層の n型 ドープ濃度は 1 X I 0 | 7〜 1 X I 020 Zcm3が好ましく、 より好ましく は 1 X I 0 I 8〜 1 X I 0 1 c m3である。 ドープ濃度がこの範囲であると、 良好な結晶性の維持 および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
n型半導体層上に積層される発光層と しては、 窒化ガリ ウム系化 合物半導体、 好ま しく は G a , - s I n s N ( 0 < s < 0.. 4 ). の窒化 ガリ ウム系化合物半導体からなる発光層が本発明では通常用いられ る。 発光層の膜厚と しては、 特に限定されないが、 量子効果の得ら れる程度の膜厚、 即ち臨界膜厚が挙げられ、 例えば好ましく は 1 -〜 1 0 n mであり、 より好ましく は 2〜 6 n mである。 膜厚が上記範 囲であると発光出力の点で好ましい。 また、 発光層は、 上記のよう な単一量子井戸 （ S QW) 構造の他に、 上記 G a l - s I n s Nを井戸 層として、 この井戸層よりバン ドギャ ップエネルギーが大きい A 1 c G a , .c N ( 0≤ c < 0. 3かつ b〉 c ) 障壁層とからなる多重量 子井戸 （MQW) 構造と してもよい。 また、 井戸層および障壁層に は、 不純物を ドープしてもよい。
A 1 e G a , _ c N障璧層の 長温度は 7 0 0 °C以上の温度が好ま し く 、 さ らに好ましく は 8 0 0〜 1 1 0 0でで成長させると結晶性が 良好になるため好ましい。 G a I n N井戸層は 6 0 0〜 9 0 0 °C , 好ましく は 7 0 0〜 9 0 0でで成長させる。 すなわち M Q Wの結晶 性を良好にするためには層間で成長温度を変化させることが好まし い。
p型半導体層は、 通常、 pクラッ ド層および pコンタク ト層から 構成される。 しかし、 pコンタク ト層が pクラッ ド層を兼ねてもよ い。 pク ラッ ド層と しては、 発光層のバン ドギャ ップエネルギーよ り大きくなる組成であり、 発光層へのキャ リ アの閉じ込めができる ものであれば特に限定されないが、 好ましく は、 A 1 d G a！ _ d N ( 0 < d≤ 0. 4、 好ましく は 0. l ≤ d ^ O . 3 ) のものが挙げら れる。 pクラッ ド層が、 このような A 1 G a Nからなると、 発光層 へのキャ リ アの閉じ込めの点で好ましい。 Pクラ ッ ド層の膜厚は、 特に限定されない力 好ましく は 1〜 4 0 0 n mであり、 より好ま しく は 5〜 1 0 0 n mである。 pク ラッ ド層の p型 ドープ濃度は、 1 X 1 0 1 8〜 ： 1 X 1 0 2 1 c m3が好ま しく 、 より好ましく .は I X 1 019〜 1 X I 02 G Z c m 3である。 P型 ドープ濃度が上記範囲で あると、 結晶性を低下させることなく良好な p型結晶が得られる。
pコンタク ト層と しては、 少なく とも A l 。 G a |_e N ( 0≤ e < 0. 5、 好ましく は 0≤ e≤ 0. 2、 より好ま しく は 0≤ e≤ ( 1 ) を含んでなる窒化ガリ ウム系化合物半導体層である。 A 1 組成 が上記範囲であると、 良好な結晶性の維持および pォーミ ック電極 との良好なォーミ ック接触の点で好ましい。 p型 ドーパン トを 1 X 1 01 8〜 ： L X 1 02 1ノ c m3の濃度で、 好ましく は 5 X 1 019〜 5 X 1 02 (1ノ c m3の濃度で含有していると、 良好なォーミ ック接触 の維持、 クラック発生の防 lh、 良好な結晶性の維持の点で好ましい 。 p型不純物と しては、 特に限定されないが、 例えば好ましぐは M gが挙げられる。 膜厚は、 特に限定されないが、 0. 0 1〜 0. 5 t mが好ましく、 より好ましく は 0. 0 5〜 0. 2 mである。 膜 厚がこの範囲であると、 発光出力の点で好ましい'。
この技術分野でよく知られた慣用の手段により nコンタク ト層を 露出させ、 露出された nコンタク ト層に負極を設ける。 負極は各種 材料を用いた各種構造のものが多数知られており、 これら公知の負 極を含めて如何なる材料および構造のものも何ら制限なく用いるこ とができる。 また、 その製造方法も真空蒸着法およびスパッ夕リ ン グ法等周知の製造方法を何ら制限無く用いることができる。
発光素子の形態としては、 通常、 開口部を設けた正極側から発光 を取り出す、 いわゆるフェイスアップ （ F U) 型と して用いられる 本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子は、 例えば当業界 周知の手段によ り透明カバ一を設けてランプにすることができる。 また、 本発明の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有 するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
また、 本発明の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子から作製し たランプは光取出し効率に優れ、 発光出力が高いので、 この技術に よって作製したランプを組み込んだ携帯電話、 ディ スプレイ、 パネ ル類などの電子機器や、 その電子機器を組み込んだ自動車、 コンビ ユ ー夕、 ゲーム機、 などの機械装置類は、 低電力での駆動が可能と なり、 高い特性を実現することが可能である。 特に、 携帯電話、 ゲ ーム機、 玩具、 自動車部品などの、 バッテリ駆動させる機器類にお いて、 省電力の効果を発揮する。 実施例 "
以下に実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、 本 発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
(実施例）
本実施例で作製した窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子の断面 模式図を図 8に示す。 また、 図 9にはその平面模式図を示す。
窒化ガリ ウム系化合物半導体の積層構造体は、 サファイアの c面 ( ( 0 0 0 1 ) 結晶面） からなる基板 1 上に、 A 1 Nからなるバッ ファ層 2 を介して順次、 アン ドープ G a N層 （層厚 = 8 ΠΊ) から なる下地層、 S i ドープ n型 G a N層 （層厚 = 2 /i m、 キャ リ ア濃 度 = l X 1 0 l 9 c m-3) からなる nコンタク ト層および S i ドープ 11型八 1 ().。7 0 3。. 9 31^層 （層厚 = 2 5 n m、 キャ リア濃度 = 1 X 1 0 18 c m"3) からなる nクラッ ド層から構成された n型半導体層 3、 6層の S i ドープ G a N障壁層 （層厚 = 1 4. 0 n m、 キヤ り ァ濃度 = l X l O l 8 c m—3) と 5層のアン ドープ I n。.2 fl G a0.80 Nの井戸層 （層厚 = 2. 5 n m) を交互に積層させた多重量子構造 の発光層 4、 M g ドープ p型 A l o. 07 G a o . 93 N層 （層厚 = 1 0 n m ) からなる pクラ ッ ド層および M g ドープ A 1 0 。 2 G a 0.38 N層 (層厚 = 1 5 0 n m) からなる pコンタク ト層から構成された p型 半導体層 5 を積層して構成した。 上記の積層構造体の各構成層は、 一般的な減圧 MO C V D手段で成長させた。 - 特に、 M g ドープ A 1 G a Nからなる pコ ンタク ト層は以下の手 順に依り成長させた。
( 1 ) M g ドープの A l o G a o. i^ N層からなる pクラッ ド層 の成長を終了した後、 成長反応炉.内の圧力を 2 X 1 01·パスカル （ P a ) とした。 キャ リ アガスは水素を用いた。
( .2 ) ト リ メチルガリ ウム、 ト リ メチルアルミニウムおよびアン モニァを原料と し、 ビスシクロペン夕マグネシウムを M gの ドーピ ング源と して、 1 0 2 O tで M g ドープ A 1 G a N層の気相成長を 開始した。
( 3 ) ト リメチルガリ ウム、 卜 リ メチルアルミニウム、 アンモニ ァおよびビスシクロペン夕マグネシウムを、 成長反応炉内へ 4分間 に亘り継続して供給して、 層厚を 0. 1 5 ^ mとする M g ド一プ A 1 0. 02 G a o s N層を成長させた。
( 4 ) ト リ メチルガリ ウム、 ト リ メチルアルミニウムおよびビス シク 口ペン夕マグネシウムの成長反応炉内への供給を停止し、 M g ドープ A l o.。2 G a Q.98 N層の成長を停止した。
M g ドープ A 1 G a N層からなるコンタク 卜層の気相成長を終了 させた後、 直ちにキャ リ アガスを水素から窒素へと切り替え、 アン モニァの流量を低下させ、 そして低下させた分だけキャ リ アガスの 窒素の流量を増加した。 具体的には、 成長中には全流通ガス量のう ち体積にして 5 0 %を占めていたアンモニアを、 0. 2 %まで下げ た。 1口]時に 、 基板を加熱するために利用 していた、 高周波誘導加熱 式ヒー夕への通電を停止した。
更に、 の状態で 2分間保持した後、 アンモニァの流通を停止し た。 このとさ 、 基板の温度は 8 5 0 °Cであつた。
この状態で室温まで冷却後、 成長反応炉ょり積層構造体を取り出 し、 M g 一プ A 1 G a N層からなる pコンタク 卜層のマグネシゥ ム及び水素の原子濃度を一般的な S I M S分析法で定量した。 M'g 原子は、 7 X 1 019 c m"3の濃度で、 表面から深さ方向に略一定の 濃度で分布していた。 一方、 水素原子は、 6 X 1 0 19 c m - 3の略一 定の濃度で存在していた。 また、 抵抗率は、 一般的な T L M法によ る測定から、 おおよそ 1 5 0 Ω c mと見積もられた。
上記の積層構造体を用いて L E Dを作製した。
先ず、 公知のフォ 卜 Uソグラフィ ー技術及びリ フ トオフ技術を用 いて、 p型 A 1 G a Nコン夕ク 卜層上の正極を形成する領域にのみ
、 厚さ 4 5 0 n mの I T Oからなる格子状正極 1 0を形成した。 正 極 1 0の形成には、 従来よ Ό用いられている真空蒸着装置を使用 し た 。 その後 I T 〇金属膜を透明化するために、 酸素雰囲気中で熱処 理を行なった。 なお、 格子状電極の桟 （図 9中の A) の幅 （図 9 中 の a ) は 5 At mと した。 また、 各桟の間隔 （図 9中の b ) は 2 0 mと した。
次に、 凹凸加工領域の凹凸加工を行なった。 凹凸加工領域は、 図 9 中で斜線を施した部分である、 格子状正極の開口部 1 2 と発光素 子の四周および負極と正極の間と した。 先ず、 レジス 卜を用いて凹 凸加工領域のパターニングを実施し、 凹凸加工領域以外にレジス ト 膜を塗布した。 その後、 一般的な真空蒸着装置を用いて 3 X 1 0 _3 【0 以下の圧カで八 11 5 11 を 1 5 0人蒸着した。 蒸着後、 一般的な 方法でレジス ト膜上の A u S n薄膜をレジス ト膜と共に分離除去し 、 凹凸加工領域に選択的に A u S nの薄膜を形成した。
次に、 酸素の存在しない雰囲気で 2 5 0でで熱処理を行い上記 A u S nの薄膜を粒状に凝集させ、 金属微粒子からなるマスク を形成 した。 金属微粒子の直径は 0. 2〜 0. 5 mの範囲であり、 密度 は 2 X 1 06個 Zmm2であ た。
次に、 露出している半導体層のうち、 負極 5を形成する予定の領 域を含めて nコン夕ク 卜層を露出させる予定の領域以外の半導体'層 をレジス 卜膜で保護し 、 n Πン夕ク 卜層を露出させる領域のみ半導 体層が露呈する形状と した その後、 一般的な ドライエッチングを 施した。
この ドライエッチングにおいて、 凹凸加工領域には前述の金属微 粒子からなるマスクが形成されているので、 ドラィエッチングによ り、 金属微粒子の形に添つ 'た形状で選択的にエツチングされ曲面を 持った形状に p型半導体層を凹凸加工する事ができた。 また、 金属 微粒子からなるマスクおよびレジス 卜膜で覆った部分以外の半導体 層は通常に ドライェヅチングによ りエッチングされる為、 ドライエ ツチング後は nコン夕ク 卜層が露出した。 従つて 、 この ドライエツ
、
チングにより、 nコノ夕ク 卜層が露出した領域、 p型半導体層表面 に凹凸加工が形成された領域および平坦な p型半導体層表面が残つ ている領域がそれぞれ一度に形成された。 なお、 この ドライエッチ ングにおいて格子状の正極 1 0は保護膜として作用 している。
なお、 図 5は、 凹凸加工領域の表面 S E M写真 （倍率 ： 1 万 5千 倍） である。 この図から、 凹凸加工領域に存在する球状粒状物 3 0 の直径は 0. 1 ~ 0. 5 ^ mの範囲であり、 その密度は約 2 X 1 0 6個ノ mm2であった。 また、 図 6は後述の樹脂パッケージ後の凹凸 加工領域の断面 S E M写真 （倍率 ： 2万倍） であり、 この図から、 凹凸加工領域の凹凸面を形成する凸部 3 1 の高さは 0. 3〜 0. 6 w mであり、 その最大部の直径は 0. 1〜 0. 5 // mであった。 次に正極ボンディ ングパッ ド 1 1 を I T Oからなる透光性正極 1 0上に形成するため、 接着層と して C r を 4 0 n m形成し、 その後 T i を 1 O O n m形成し、 最上層と して A u を l.O O O n m形成し て正極ボンディ ングパッ ド 1 1 とした。
次に、 露出した nコ ンタク ト層上の負極を形成する領域に負極 5 を以下の手順により形成した。
レジス トを全面に一様に塗布した後、 公知リ ソグラフィ一技術を 用いて、 露出した nコ ンタク ト層上の負極形成部分から レジス トを 除去して、 通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順に T i 力 S 1 O O n m, A uが 2 O O n mよりなる負極を形成した。 その後レジ ス トを公知の方法でその上に形成された負極と共に除去した。
負極および正極を形成した後、 サファイア基板 1 の裏面を、 ダイ ャモン ド微粒の砥粒を使用して研磨し、 最終的に鏡面に仕上げた。 その後、 積層構造体を裁断し、 3 5 0 m角の正方形の個別の L E Dへと分離した。 つづいて、 個別分割した L E Dを缶パッケージに 実装してテスタ一によって発光出力と順方向電圧を計測したところ 印加電流 2 0 m Aに於ける発光出力および順方向電圧は 1 1 mWお よび 3. 7 Vを示した。
発光面の観察では、 格子状正極の開口部 1 2は、 全面に亘つて発 光を呈していた。 また、 発光素子の四周および負極と正極の間の凹 凸加工領域も発光を呈しており、 凹凸加工が発光面積を拡大し、 発 光出力を向上させているものと思われる。
また、 本実施例で作製した発光素子および凹凸加工領域が実質的 に平面で構成されている発光素子を一般的に L E Dランプで用いら れている樹脂でパッケージングし、 パッケージング前後における出 力を確認したところ、 樹脂を使用することによる光取りだし効果係 数が、 前者は 1 . 3 0倍、 後者は 1 . 1 5倍となり、 本発明の発光 素子において、 樹脂の回り こみ改善と思われる出力の向上効果が確 認できた。
(比較例）
凹凸加工を施さないことを除いて、 実施例 1 と同様に窒化ガリ ウ ム系化合物半導体発光素子を作製し、 評価した。 この発光素子の順 方向電圧および発光出力はそれぞれ 3 . 5 Vおよび 8 m Wであった
産業上の利用可能性
本発明によって提供される開口部を有する正極を備えた窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子は、 開口部の全面に亘つて発光を呈し 、 光取出し効率が改良され； 高発光出力を示す。 従って、 産業上非 常に有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導体 層、 発光層および p型半導体層がこの順序で積層され、 正極および 負極がそれぞれ p型半導体層および n型半導体層に接して設けられ た発光素子において、 正極が開口部を有する正極であり、 該開口部 における p型半導体層表面の少なく とも一部が球状の粒状物に由来 する凹凸面であることを特徴とする窒化ガリ ウム系化合物半導体発 光素子。
2 . 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導体 層、 発光層および p型半導体層がこの順序で積層され、 正極および 負極がそれぞれ p型半導体層および n型半導体層に接して設けられ た発光素子において、 正極が開口部を有する正極であり、 該開口部 における p型半導体層表面の少なく とも一部は先端部が半球状の凹 凸面であることを特徴とする窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子
3 . 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導体 層、 発光層および p型半導体層がこの順序で積層され、 正極および 負極がそれぞれ p型半導体層および n型半導体層に接して設けられ た発光素子において、 正極が開口部を有する正極であり、 該開口部 における P型半導体層表面の少なく とも一部は先端部が曲面で構成 される凹凸面であることを特徴とする窒化ガリ ウム系化合物半導体 発光素子。
4 . 開口部を有する正極が格子状または櫛型状である請求項 1 〜 3 のいずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
5 . 格子の桟または櫛の歯の幅が 1 〜 5 0 である請求項 4 に 記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
6 . 格子の桟または櫛の歯の間隔が 1 I！〜 5 0 ^である請求項 4 に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
7 . 凹凸面における凸部 （粒状物） の直径が 0 . 0 1 〜 3 ^ mで ある請求項 1 〜 3のいずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半 導体発光素子。
8. 凹凸面の上端の高さが負極形成面から 0 . l 〜 2 ; mである 請求項 1 〜 3 のいずれか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体 発光素子。
9 . 凹凸面の上端の高さが p型半導体層表面と同等の高さである 請求項 8 に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
1 0 . 凹凸面における凸部の高さが 0 . 0 1 〜 1 mである請求 項 1 〜 3 のいずれか一項に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光 素子。
1 1 . 凹凸面における凸部 （粒状物） の密度が 1 X 1 05個ノ m m2〜 1 X 1 08個 Zmm2である請求項 1 〜 3 のいずれか一項に記 載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
1 2 . 凹凸面が発光素子の四周にも存在する請求項 1 〜 3 のいず れか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
1 3. 凹凸面が正極と負極の間にも存在する請求項 1 〜 3 のいず れか一項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発光素子。
1 4 . 下記 （ 1 ) 〜 （ 4 ) の工程を含んでなる窒化ガリ ウム系化 合物半導体発光素子の製造方法。
( 1 ) 基板上に窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導 体層、 発光層および P型半導体層をこの順序で積層する工程。
( 2 ) 該 p型半導体層上に開口部を有する正極を形成する工程。
( 3 ) 該開口部における P型半導体層上に金属微粒子からなるマ スクを形成する工程。 ( 4 ) 該マスク上から窒化ガリ ウム系化合物半導体を ドライエツ チングする工程。
1 5. 工程 （ 3 ) が p型半導体層上に金属薄膜を形成する工程お よびその後の熱処理工程からなる請求項 1 4に記載の製造方法。
1 6. 金属微粒子が N i 、 A u、 S nおよび G eからなる群から 選ばれた金属または少なく ともこれらの金属の一種を含有する低融 点合金である請求項 1 4に記載の製造方法。
1 7. 請求項 1 4に記載の製造方法によって製造された窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子。
1 8. 請求項 1〜 3および 1 7のいずれか一項に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
1 9. 請求項 1 8 に記載のランプが組み込まれている 子機器。
2 0. 請求項 1 9 に記載の電子機器が組み込まれている機械装置
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