JP2004221112A - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード素子や半導体レーザ素子等に適用することができ、光取り出し効率が高く動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板上に、ｎ型ＺｎＯ系半導体層、ＺｎＯ系半導体発光層およびｐ型半導体層が形成された酸化物半導体発光素子に対して：（１）基板裏面への補助電極形成；（２）ｐ型オーミック電極の薄層化；および（３）基板裏面の粗面化の３つの光取り出し効果改善施策を全て施して作製する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は発光ダイオード素子や半導体レーザ素子等の半導体発光素子に関し、より詳しくは、発光効率が高く動作電圧の低い酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物材料は、誘電性、磁性、超伝導性等の従来の半導体材料では実現できない多くの機能を持ち、また半導体材料としても既存材料の特質を補って余りある可能性を有している。
最近、ＩＩ族酸化物半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）が青色領域ないし紫外領域の発光デバイス用の材料として有望視されている。
ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体である。また、ＺｎＯは約６０ｍｅＶと極めて高い励起子結合エネルギーを有するため、低消費電力で環境性に優れた高効率な発光デバイスを実現できる可能性があり、さらに、原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便である等の特徴を有している。
【０００３】
以下、本明細書において、「ＺｎＯ系」半導体なる語を用いるときは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯまたはＣｄＺｎＯ等で表される混晶を含むものとする。また、本明細書において、組成を特定せずに混晶を示す場合には、例えば、「ＭｇＺｎＯ」と単に元素記号のみで記載し、組成を特定する場合には、例えば、「Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ」と記載する。
【０００４】
ＺｎＯは強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素（Ｎ）を用いることでｐ型化が実現し（例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第３６巻、１９９７年、ｐ．Ｌ１４５３−１４５５；非特許文献１を参照せよ）、ＺｎＯ系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった（例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第４０巻、２００１年、ｐ．Ｌ１７７−１８０；非特許文献２を参照せよ）。
【０００５】
しかし、ＺｎＯ中のアクセプタ準位は非常に深く、ｐ型化を実現し得るＮアクセプタでさえ２００〜３００ｍｅＶのイオン化エネルギーを必要とするため、低抵抗層を得ることが難しい。このため、ｐ型ＺｎＯ系半導体中では十分に注入キャリアが拡散せず、発光ダイオード素子においては、ｐ型電極直下でしか十分な発光が得られないという問題がある。
【０００６】
特開２００１−４８６９８号公報（特許文献１）および特開２００１−６８７０７号公報（特許文献２）には、高密度記録や大量情報の伝達に必要な紫外光半導体レーザダイオードをＺｎＯで作製するために、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとを同時にＺｎＯにドーピングして、低抵抗なｐ型ＺｎＯ単結晶薄膜を作製する、いわゆる「同時ドーピング技術」を開示する。この「同時ドーピング技術」においては、ｐ型ドーパント濃度がｎ型ドーパント濃度より大きくなるようにドーピングすることを特徴とする。この技術により得られた低抵抗なｐ型ＺｎＯとＧａ等の不純物ドーピングにより得られるｎ型ＺｎＯとを組合わせることによって、同一半導体化合物であるＺｎＯにおいてｐｎ接合が実現できる。
【０００７】
内部量子効率や光取り出し効率の低い半導体発光素子においては、これを補うため、電極構造を中心に様々な光取り出し効率の改善技術が提案されている。
例えば、光取り出し効率を改善する電極形成技術の第１の従来例において、青色〜紫外発光を実現する半導体発光素子として既に実用化されているＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光ダイオード素子では、ＺｎＯと同様に低抵抗なｐ型層が得られにくいため、ｐ型層に透光性の全面電極を形成し、放射状の補助電極を設けたり（特許第２６９７５７２号公報；特許文献３）、ｐ型電極パッドを発光ダイオード素子の隅部に設けたり（特許第２７４８８１８号公報；特許文献４）するなどの技術によって、問題の解決を図っている。
【０００８】
また、光取り出し効率を改善する電極形成技術の第２の従来例において、本発明者らは、ｎ型ＳｉＣ基板を用いた半導体発光素子の光取り出し効率を改善するため、基板裏面にオーミック電極と光反射率の高い補助電極を形成し、動作電圧の低減と発光強度の向上を両立させた発光ダイオード素子を発明し、特許第２９５８２０９号公報（特許文献５）および特許第３２５６５１０号公報（特許文献６）に開示した。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４８６９８号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−６８７０７号公報
【００１１】
【特許文献３】
特許第２６９７５７２号公報
【００１２】
【特許文献４】
特許第２７４８８１８号公報
【００１３】
【特許文献５】
特許第２９５８２０９号公報
【００１４】
【特許文献６】
特許第３２５６５１０号公報
【００１５】
【非特許文献１】
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第３６巻、１９９７年、ｐ．Ｌ１４５３−１４５５
【００１６】
【非特許文献２】
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第４０巻、２００１年、ｐ．Ｌ１７７−１８０
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者は、第１の従来例の電極形成技術または第２の従来例の電極形成技術を適用して、ＺｎＯ系発光ダイオード素子の発光効率を改善することを試みたが、十分な改善効果は得られなかった。
さらに、上記第１および２の従来例の電極形成技術を組合わせることによって、該第１または第２の電極形成技術を単独で適用した場合より発光効率は改善されたが、相乗効果的に発光強度を増大させることはできなかった。
かくして、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、光取り出し効率が高く動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の電極形成技術の単なる組み合わせでは意図した効果が得られない理由を、以下のように考察した。
１．透光性全面電極は、電極を薄くすることによって透光性を確保しているため、電極自身の抵抗とトレードオフの関係にある。
すなわち、透光性を向上させるために電極を薄くすると、電極の抵抗が上昇して電流が広がりにくくなり、配線のために設けたパッド電極直下のみに発光が集中する。逆に、電極を厚くすると電流は広がりやすくなるが、透光性が悪化し発光を素子外に取り出しにくくなる。
２．基板裏面にオーミック電極と補助電極を形成して発光を反射するようにしても、発光がパッド電極直下に集中した状態では、反射光の大部分がパッド電極に入射してしまうため、素子外にうまく取り出されない。
【００１９】
そこで、十分な発光効率が得られる電極構造を鋭意検討した結果、基板底面からの反射光を素子上面ではなく素子側面へ入射させるようにすると、光取り出し効率を改善させるための従来の改善効果が最大限に発揮され、発光効率が飛躍的に向上することを見い出し本発明にいたった。
【００２０】
第１の局面において、本発明は、導電性基板の主面上にＺｎＯ系半導体発光層を含む成長層が形成され、ここに、該導電性基板は該発光層から発光された光の波長に対して透光性を有する酸化物半導体発光素子であって、
該導電性基板の裏面は粗面化され、該粗面化された基板の裏面上に、任意の平面形状にパターン加工された第１のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と接触する補助電極とが形成され、該成長層主表面全面に、透光性を有する第２のオーミック電極が形成され、さらに、該第２のオーミック電極上にパッド電極が形成されていることを特徴とする該酸化物半導体発光素子を提供する。
【００２１】
本発明の酸化物半導体発光素子は、従来の発光ダイオード素子に対して：
（１）基板裏面への補助電極形成；
（２）ｐ型オーミック電極の薄層化；および
（３）基板裏面の粗面化
の３つの光取り出し効果改善施策を全て施して作製されていることを特徴とする。
【００２２】
従来、基板裏面にはｎ型オーミック電極しか形成されていなかったが、本発明の酸化物半導体発光素子においては、ｎ型オーミック電極に接する補助電極を形成することによって、発光層から直接または内部反射によって基板裏面に入射する光を反射させる。
【００２３】
また、従来の発光ダイオード素子では、成長層主面の全面にｐ型オーミック電極を形成する際、電流拡散の目的で、電極厚を１００ｎｍ程度にする。この程度まで電極が厚くなると、透光性が失われてしまうため、本発明の酸化物半導体発光素子においては、例えば５〜５０ｎｍ程度にまで、ｐ型オーミック電極を薄層化して、透光性を確保する。
【００２４】
さらに、従来では基板裏面は鏡面状態のままであったが、本発明の酸化物半導体発光素子において、基板の裏面を粗面化することによって、基板から反射される光がバッド電極直下に集中することを防止した。基板裏面に入射した光を乱反射させると、光取出し効率の高い素子側面から放射される割合が大きくなるので、高い発光効率を実現することができる。
【００２５】
第２の局面において、本発明は、該導電性基板の裏面のみならず、該導電性基板の側面を含む素子側面も粗面化された酸化物半導体発光素子を提供する。
素子側面が粗面化されていることにより、基板底面からの反射光が素子外へ取り出され易くなる。
【００２６】
第３の局面において、本発明は、成長層が該導電性基板より小さい面積を有するように成長層をメサ形状に加工することにより露出した基板主表面も粗面化されている酸化物半導体発光素子を提供する。
すなわち、本発明は該導電性基板の裏面および素子の側面のみならず、露出した基板の主面も粗面化された酸化物半導体発光素子を提供する。
発光層がメサ加工されていることにより、発光の強い素子中央からの光取り出し効率が向上する。また、メサ領域外の主表面が粗面化されていることにより、発光層側面から外部へ放射された光が再度基板に入射するのを防いで乱反射させることができるので、光取り出し効率がさらに向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子を発光ダイオード素子に適用した実施形態を図面に基づいて、具体的に説明する。
【００２８】
第１の実施形態
本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子は、導電性基板の主表面上に、ｎ型ＺｎＯ系半導体層、ＺｎＯ系半導体発光層およびｐ型ＺｎＯ系半導体層を有し、該基板の裏面は粗面化され、該粗面化された基板の裏面にｎ型オーミック電極と該ｎ型オーミック電極に接触するように補助電極が形成されている発光ダイオード素子である。
【００２９】
図１は発光ダイオード素子１の断面図、ならびにｐ型層側の表面電極およびｎ型層側の裏面電極のパターンを描写する平面図を示す。発光ダイオード素子１は（０００１）亜鉛面を主面とするｎ型基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、発光層１０３、ｐ型クラッド層１０４およびｐ型コンタクト層１０５を積層することによって構成されている。
【００３０】
発光層１０３は、単一構造であるか、または１もしくは複数の障壁層と１もしくは複数の井戸層とを交互に積層することにより構成された多重量子井戸構造である。
また、ｐ型コンタクト層１０５の主表面全面には、透光性ｐ型オーミック電極１０６が積層され、その上の中央部に、透光性ｐ型オーミック電極１０６より小さい面積でボンディング用パッド電極１０７が形成されている。
【００３１】
パッド電極１０７は、透光性ｐ型オーミック電極１０６上の一部に、ｐ型オーミック電極１０６より小さな面積で形成すれば、その形状によらず、透光性電極の効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。
例えば、透光性ｐ型オーミック電極１０６を３００μｍ角の正方形に形成し、パッド電極１０７を１００μｍ径のドット状に形成することができる。
【００３２】
ｎ型基板１０１の裏面は、研磨やエッチング等の公知の手法を用いて凹凸を有する粗面状に粗面化されている。基板裏面の粗面化は、例えば、１００μｍ径のダイヤモンドスラリーを用いて行う。
【００３３】
粗面化されたｎ型基板１０１の裏面には、任意の平面形状にパターン加工されたｎ型オーミック電極１０８が形成され、さらに、ｎ型オーミック電極１０８に接触するように、任意の平面形状にパターン加工された補助電極１０９が形成されている。
【００３４】
ｎ型オーミック電極１０８および補助電極１０９は、格子状、ストライプ状やドット状等のパターンに加工することができる。格子状パターンは、製造プロセスにおいてパターンに断線が発生しても他の部分で電気的に継がっているので、素子抵抗の増大が起こりにくいので好ましい。
また、図２に示すように、例えば、格子状のパターンに加工された電極１０８の格子に対して４５゜傾けて、格子状のパターンに補助電極１０９を形成することができる。
【００３５】
補助電極１０９は導電性基板１０１とオーミック接触している必要はないが、補助電極はｎ型オーミック電極１０８と一部で電気的に接触しているので、補助電極１０９を通じて流れる電流がｎ型オーミック電極を通して流れるので、実質的にオーミック電極の面積が増大し、素子抵抗が格段に低減される。
また、補助電極１０９によって導電性ペーストとの接触抵抗が低減するので、素子抵抗を低減することができる。さらに、補助電極１０９が任意の平面形状にパターン加工されていることにより、導電性ペーストとオーミック電極とが直接接している領域が増大し、素子抵抗が低減する。
【００３６】
本発明の酸化物半導体発光素子において、基板１０１の材料として、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の単結晶の導電性基板を用いることができる。
【００３７】
しかしながら、可視領域において高い発光効率を最大限に得るためには、（１）ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板であって、成長層の結晶性に優れ、非発光中心となる欠陥を低減でき、（２）発光波長に対応する吸収係数が低いことが好ましく、また、（３）導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが必要である。ＺｎＯ単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。ＺｎＯ基板はその上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体発光素子と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
また、主面として亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００３８】
ｐ型オーミック電極１０６には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
ｐ型オーミック電極１０６の形成後にアニール処理を行うと、密着性が向上すると共に接触抵抗が低減するので好ましい。ＺｎＯ結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、温度は３００〜４００℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はＯ_２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ_２では逆に抵抗が増大する。
【００３９】
パッド電極１０７の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Ａｕが好ましい。
ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７との間に密着性や光反射性を向上させる目的で他の金属層を形成してもよい。
【００４０】
ｎ型オーミック電極１０８および補助電極１０９には、ＺｎＯ系発光ダイオード素子で実現される４００ｎｍ近傍の短波長域における光反射率の高い金属材料、例えば、４００ｎｍ近傍の短波長域における光反射率が６０％以上であるＡｇ、ＡｌおよびＰｔを用いて形成することが好ましい。電極の光反射率が６０％以上であれば、基板裏面での反射率が十分高く、素子抵抗低減と光取り出し効率向上を両立させることができる。
また、密着性の良い金属材料、例えば、Ｔｉを用いて形成することも好ましい。なかでも、ｎ型ＺｎＯ系半導体に対して低抵抗なＡｌまたは密着性の高いＴｉがより好ましい。
あるいは、前記金属材料の複数合金化して電極を形成することもできる。
【００４１】
導電性基板はｎ型であるので、ｎ型オーミック電極がＴｉまたはＡｌであれば、良好なオーミック接触が形成され、接触抵抗を低くすることができる。特に、Ａｌは短波長発光に対する反射率が高く、補助電極の面積を低減しても光取り出し効率を高く維持することができる。
【００４２】
さらに、補助電極１０９はｎ型オーミック電極１０８に比して光反射率が高い材料で構成されていることが好ましい。例えば、ｎ型オーミック電極にＴｉを用いた場合は、補助電極材料としてＡｇ、ＡｌおよびＰｔのいずれを用いても効果があるが、ｎ型オーミック電極にＡｌを用いた場合は、補助電極材料はＡｇが最適である。
補助電極の光反射率がｎ型オーミック電極の光反射率より高いことにより、導電性基板裏面全面にｎ型オーミック電極を形成する場合に比べて、光取り出し効率が向上する。
【００４３】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体または気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の結晶成長手法で作製することができる。
レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また、例えば、ＺｎＯにＧａをドーピングさせる場合に、ＺｎＧａ_２Ｏ_４等の意図しない副生成物の生成を抑えることができるので好ましい。
また、本発明の酸化物半導体発光素子において、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法である電子ビーム蒸着法、スパッタリング法およびレーザアブレーション法を用いることもできる、これらの方法を用いれば、特性に優れた発光素子を低コストで製造することができる。
【００４４】
上記の薄膜形成技術を用いて成長層が形成されたウエハを劈開して、発光ダイオード素子１をチップ状に分離し、基板裏面を導電性ペーストでリードフレーム（図示しない）の一方に取り付け、パッド電極１０７をリードフレームの他方にボンディングした後、樹脂でモールドして、半導体発光装置を作製する。
【００４５】
本発明の発光素子をリードフレームに接続する際に用いる導電性ペーストには、導電性が高いＡｇ、Ｃｕまたはカーボンを含むものが好ましい。特に、基板裏面にオーミック電極および補助電極が形成されていない領域がある場合でも、ここへ入射した発光を高効率に反射させるために、Ａｇを含むものを用いるのが最も好ましい。
【００４６】
第２の実施形態
本発明による第２の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第１の実施形態の半導体発光素子と同様に構成されるが、基板のダイシングにより、該基板の側面を含む素子側面が粗面化されていることを特徴とする発光ダイオード素子である。
【００４７】
図３は発光ダイオード素子２の断面図を示す。この図では、発光ダイオード素子１と同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
発光ダイオード素子２は、発光ダイオード素子をウエハからチップに分割する際に、基板１０１裏面にダイシングによって分離溝を形成し、分離溝から劈開する以外は、発光ダイオード素子１と同様にして作製される。
発光ダイオード素子２において、ウェハをダイシングしたことにより、基板側面は鏡面とならず、凹凸が形成される。
【００４８】
基板側面に凹凸が形成されているため、基板底面で反射され基板側面に入射した光が乱反射しやすい構造になっている。そのため、全反射によって反射光が素子内に留まりにくく、効率的に素子外に取り出されるようになり、発光強度が増大する。
なお、凹凸部は成長層側面にも形成されていてもよいが、ダイシングによって発光層を切断すると欠陥が導入され易く、素子寿命が低下する恐れがある。この場合は、エッチングなどの手法で成長層側面に凹凸を形成すれば、素子寿命を低下させること無く、発光効率を向上させることができる。
【００４９】
第３の実施形態
本発明による第３の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第２の実施形態の半導体発光素子と同様に構成されるが、該基板の側面を含む素子側面のみならず、成長層をメサ加工により露出した基板主表面も粗面化されていることを特徴とする発光ダイオード素子である。
【００５０】
図４は、発光ダイオード素子３の断面図を示す。
発光ダイオード素子３は、エッチング、選択成長等の手法を用いて、成長層をメサ形状に加工し、次いで、露出した基板の面を粗面化する以外は、発光ダイオード素子２と同様にして作製される。
例えば、ＣＦ_４ガスを用いたＥＣＲプラズマエッチングによって発光層をメサ形状に加工し、基板が露出したところで出力を増大して基板の露出面を粗面化することができる。
その後、エッチングされた基板部をダイシングして発光ダイオード素子をチップ化して、発光ダイオード素子２と同様に基板の側面も粗面化する。
【００５１】
発光ダイオード素子３は、成長層側面から放射された光が基板に再入射することなく乱反射されて素子上方に取り出されるため、発光強度が増大する。
【００５２】
その他の構成は任意であり、本明細書に記載された構成のみに限定されるものではない。
【００５３】
【実施例】
実施例１
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第１の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
【００５４】
図１は、発光ダイオード素子１の断面図、ならびにｐ型層側の表面電極およびｎ型層側の裏面電極のパターンを描写する平面図を示す。この実施例において、（０００１）亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ基板１０１上に、Ｇａを３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ５００ｎｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０２、ノンドープ量子井戸発光層１０３、Ｎを５×１０^１９ｃｍ^−３ドーピングした厚さ５００ｎｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４、およびＮを１×１０^２０ｃｍ^−３ドーピングした厚さ１μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を積層して、発光ダイオード素子１ａを作製した。
【００５５】
ノンドープ量子井戸発光層１０３は、５ｎｍのＺｎＯ障壁層１１層と５ｎｍのＣｄ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ井戸層１０層とを交互に積層することにより構成されている。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の主表面全面には、透光性ｐ型オーミック電極１０６として、厚さ２５ｎｍのＮｉを積層し、その上の中央部に、透光性ｐ型オーミック電極１０６より小さい面積で厚さ５００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０７を形成した。
この実施例において、Ｎｉ透光性ｐ型オーミック電極１０６は３００μｍ角の正方形に形成し、Ａｕパッド電極１０７は１００μｍ径のドット状に形成した。
【００５６】
ｎ型ＺｎＯ基板１０１の裏面は、１００μｍ径のダイヤモンドスラリーを用いて、凹凸を有する粗面状に研磨されている。
粗面化されたｎ型ＺｎＯ基板１０１の裏面には、厚さ５０ｎｍのＴｉよりなるｎ型オーミック電極１０８が幅５０μｍで格子状に形成されており、ｎ型ＺｎＯ基板１０１裏面に対して占める面積の割合（以下、「面積占有率」という）は５０％である。さらに、基板裏面には厚さ５０ｎｍのＡｇよりなる補助電極１０９が、ｎ型オーミック電極１０８を覆うように形成されている。ｎ型オーミック電極１０８の形成領域を除くと、補助電極１０９の面積占有率は５０％である。
【００５７】
この実施例において、発光ダイオード素子１ａは、先ず、レーザＭＢＥ法を用いて、基板１０１上に、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０２、ノンドープ量子井戸発光層１０３、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を積層し、次いで、電子ビーム蒸着法を用いて、ｐ型オーミック電極１０６、Ａｕパッド電極１０７、ｎ型オーミック電極１０８を形成した後、ｎ型オーミック電極１０８を格子状にパターニング加工し、次いで、電子ビーム蒸着法を用いて補助電極１０９を形成した後、補助電極１０９を島状にパターニング加工した。
【００５８】
ウエハを劈開して、発光ダイオード素子１ａを３００μｍ角のチップ状に分離し、基板裏面を導電性ペーストでリードフレーム（図示しない）の一方に取り付け、Ａｕパッド電極１０７をリードフレームの他方にボンディングした後、樹脂でモールドした。この発光ダイオード素子に電流を流したところ、３．１Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００５９】
上記した第１の実施形態の酸化物半導体発光素子は、従来の発光ダイオード素子に対して：
（１）基板裏面への補助電極形成；
（２）ｐ型オーミック電極の薄層化；および
（３）基板裏面の粗面化
の３つの光取り出し効果改善施策を全て施して作製されていることを特徴とする。
【００６０】
従来、基板裏面にはｎ型オーミック電極しか形成されていなかったが、発光ダイオード素子１ａにおいては、ｎ型オーミック電極１０８に接する補助電極１０９を形成することによって、発光層から直接または内部反射によって基板裏面に入射する光を反射させる。基板裏面の面積に対する補助電極１０９の面積占有率を５０％とした。
また、従来の発光ダイオード素子では、成長層主面の全面にｐ型オーミック電極を形成する際、電流拡散の目的で、電極厚を１００ｎｍ程度にする。この程度まで電極が厚くなると、透光性が失われてしまうため、発光ダイオード素子１ａにおいては、２５ｎｍ厚の薄層化されたｐ型オーミック電極１０６を形成することにより、透光性を確保した。
さらに、発光ダイオード素子１ａにおいて、従来では鏡面状態のままの基板裏面を粗面化することによって、基板裏面に入射した光を乱反射させて、基板から反射される光がバッド電極直下に集中することを防止した。
【００６１】
比較例１〜７
これら比較例において、（１）基板裏面への補助電極形成、（２）ｐ型オーミック電極の薄層化、および（３）基板裏面の粗面化の３つの光取り出し効果改善施策を何ら施さないか、または１つもしくは２つの改善施策しか施さない以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、７種類の発光ダイオード素子１ｂ〜１ｈを作製した。
【００６２】
実施例２
実施例１で作製した発光ダイオード素子１ａおよび比較例１〜７で作製した発光ダイオード素子１ｂ〜１ｈについて、駆動電流２０ｍＡにおける発光強度を表１に示す。表１における発光強度は、発光ダイオード素子１ａの発光強度を１００とした相対値である。
【００６３】
【表１】

【００６４】
表１より、比較例１で光取り出し効率改善施策を何ら施さずに作製された発光ダイオード素子１ｂに対して、前記の３つの光取り出し効率改善施策のいずれか１つを単独で施した場合（比較例２〜４）、いずれも２倍程度の改善効果が見られる。
また、実施例１で光取り出し効率改善施策を全て施して作製された発光ダイオード素子１ａは、前記の３つの光取り出し効率改善施策のいずれか１つを単独で施した場合における改善効果を完全に発揮することが分る。
【００６５】
しかしながら、いずれか２つの施策しか同時に施さない場合（比較例５〜７）では、各々の効率改善効果から予測される光取り出し改善効果よりも低い効果しか得られなかった。例えば、発光ダイオード素子１ｂに対して、補助電極を形成した場合（発光ダイオード素子１ｃ）、光取り出し効率改善効果は２倍であり、ｐ型オーミック電極を薄層化した場合（発光ダイオード素子１ｄ）、光取り出し効率改善効果は２倍である。ここで、発光ダイオード素子１ｂに対して、補助電極を形成し、かつ、オーミック電極を薄層化した場合（発光ダイオード素子１ｆ）、光取り出し効率改善効果は４倍であると予測されるが、実際は３倍にしかならなかった。
【００６６】
このような結果が得られた理由は、以下のように考察される。
基板裏面へ補助電極を形成した場合、発光層から直接または内部反射によって基板裏面に入射する光は、全光量のうち半分以上の割合を占めるので、光反射率の高い補助電極を形成することにより、基板裏面に入射した光を反射させることができる。
また、光取り出し効率を向上させるには、パッド電極直下で局所的に発光しているのではなく、発光層全体が均一に発光する必要がある。通常、ｐ型の電流拡散層を形成して発光層全体へ均一にキャリア注入すれば、発光層全体を均一に発光させることができるが、ＺｎＯ系半導体は低抵抗なｐ型層を得ることが難しい。そこで、成長層主表面のほぼ全面に、薄層化によって透光性を有するｐ型オーミック電極を形成することにより、発光層全体への均一なキャリア注入を実現すると共に、補助電極で反射された光を素子外に取り出すことができる。
【００６７】
しかし、上記２つの施策を同時に施しただけでは、反射光が素子内で全反射したり、パッド電極に入射するのを抑制することができず、各々の光取り出し率改善効果の和より低い改善効果しか得られなかったと考えられる。
そこで、導電性基板裏面を粗面化することにより、基板裏面に入射した光を乱反射させると、光取出し効率の高い素子側面から放射される割合が大きくなり、前記３つの改善施策効果が最大限発揮されたものと考えられる。
【００６８】
実施例３
次に、基板裏面に形成するｎ型オーミック電極と補助電極の材料について調べた結果を説明する。
図５は、オーミック電極に用いられる種々の金属について、波長４００〜６００ｎｍの可視光における光反射率を示したものである。
図５より、ＺｎＯ系発光ダイオード素子で実現される４００ｎｍ近傍の短波長域においては、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔが６０％以上の光反射率を示し、他の電極材料金属に比して高い光反射率を有することが分る。
また、ｎ型ＺｎＯ系半導体に対する低抵抗なオーミック電極材料は、ＴｉおよびＡｌである。したがって、ｎ型オーミック電極としてはＴｉまたはＡｌの少なくともいずれかを含み、補助電極としてはＡｇ、ＰｔまたはＡｌを含んで形成されることが好ましい。
さらには、補助電極はｎ型オーミック電極に比して光反射率が高い材料で構成されていることが好ましい。例えば、ｎ型オーミック電極にＴｉを用いた場合は、補助電極材料としてＡｇ、ＡｌおよびＰｔのいずれを用いても効果があるが、ｎ型オーミック電極にＡｌを用いた場合は、補助電極材料はＡｇが最適である。
【００６９】
次に、前記した好ましいｎ型オーミック電極と補助電極とを組み合わせて作製された発光ダイオード素子においてｎ型オーミック電極および補助電極の面積占有率と発光強度および動作電圧の関係を調べた結果を図６に示す。
ｎ型オーミック電極および補助電極を変更する以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして種々の発光ダイオード素子を作製した。
【００７０】
図６より、いずれの電極材料を用いても、補助電極の面積占有率が５％以上であれば発光強度が向上する。一方、ｎ型オーミック電極の面積占有率が２０％以下になると動作電圧は顕著に上昇し、１０％以下では十分な発光が得られなかった。
以上の結果より、ｎ型オーミック電極の面積占有率は、２０％以上であることが好ましく、かつ、補助電極の面積占有率は、５％以上であることが好ましい。
【００７１】
なお、図６にはｎ型オーミック電極をＴｉで形成し、補助電極を設けずにｎ型オーミック電極の面積占有率を変化させて動作電圧を測定した結果も併せて示したが、補助電極を設けない場合は、ｎ型オーミック電極の面積占有率が５０％以下になると動作電圧が顕著に上昇する。すなわち、補助電極は導電性の高い材料で構成されているので、光反射のみならず動作電圧の低減にも寄与していることがわかる。
また、補助電極が動作電圧の低減効果を有するためには、オーミック電極と接触部を少なくとも１箇所以上有する必要がある。
【００７２】
実施例４
本発明の第１の実施形態の酸化物半導体素子において、発光ダイオード素子の基板裏面に形成される別の形状の電極パターンを図２に示す。
格子状にパターン加工されたｎ型オーミック電極１０８を形成し、次いで、該電極１０８の格子に対して４５゜傾けて、幅３０μｍの格子状にパターン加工された補助電極１０９を形成する以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｉを作製した。
このとき、ｎ型オーミック電極１０８の面積占有率は２５％であり、補助電極１０９の面積占有率は６０％であった。
【００７３】
発光ダイオード素子１ｉをリードフレームに取り付け、Ａｕパッド電極１０７をリードフレームの他方にボンディングした後、樹脂でモールドした。この発光ダイオード素子に電流を流したところ、３．１５Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００７４】
発光ダイオード素子１ｉは、発光ダイオード素子１ａと比較して、ｎ型オーミック電極の面積占有率が低減したが、補助電極の面積占有率が増大したため、動作電圧の上昇は０．０５Ｖと極めて小さかった。
また、発光ダイオード素子１ｉは、発光ダイオード素子１ａと比較して、発光強度が２０％向上した。これは、基板底面での反射光量が増大したためと考えられる。
【００７５】
以上の結果から、補助電極の面積占有率が５％以上であれば、パターン加工されていても発光効率改善効果を有する。また、導電性ペーストとオーミック電極が直接接触する面積が増大するので、動作電圧の上昇が抑えられる。
【００７６】
実施例５
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第２の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図３は発光ダイオード素子２の断面図を示す。この実施例において、発光ダイオード素子をウエハからチップに分割する際に、基板１０１裏面にダイシングによって分離溝を形成し、分離溝から劈開する以外は、発光ダイオード素子１ｉと同様にして発光ダイオード素子２ａを作製した。
発光ダイオード素子２ａにおいて、ウェハをダイシングしたことにより、基板側面は鏡面とならず、凹凸が形成された。
【００７７】
発光ダイオード素子２ａをリードフレームに取り付け、Ａｕパッド電極１０７をリードフレームの他方にボンディングした後、樹脂でモールドした。この発光ダイオード素子に電流を流したところ、３．１５Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００７８】
発光ダイオード素子２ａは、基板側面に凹凸が形成されているため、基板底面で反射され基板側面に入射した光が乱反射しやすい構造になっている。そのため、全反射によって反射光が素子内に留まりにくく、効率的に素子外に取り出されるようになり、半導体発光素子１ｉと比較して、発光強度が２０％向上した。
【００７９】
実施例６
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第３の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図４は、発光ダイオード素子３ａの断面図を示す。この実施例において、ＣＦ_４ガスを用いたＥＣＲプラズマエッチング（加速電圧１ｋＶ、周波数２．４５ＧＨｚ、出力６０Ｗ）によって発光層を２００μｍ角のメサ形状に加工し、基板が露出したところで出力を１００Ｗに増大して基板の露出面を粗面化し、その後、エッチングされた基板部をダイシングして発光ダイオード素子をチップ化する以外は、発光ダイオード素子２ａと同様にして、発光ダイオード素子３ａを作製した。
【００８０】
発光ダイオード素子３ａは、成長層をメサ加工したため、発光強度の強い素子中央からの光取り出し効率が向上した。さらに、メサ加工によって露出した基板主表面が粗面化されているので、成長層側面から放射された光が基板に再入射することなく乱反射されて素子上方に取り出され、発光ダイオード素子２ａと比較して、発光強度が３０％向上した。
なお、メサ形状の成長層を形成するには、この実施例で示したエッチング加工による手法の他に、選択成長によって基板上の任意の位置に成長層を形成してもよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子によれば、透光性導電性基板の裏面を粗面化し、任意の平面形状にパターン加工された第１のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と接触部を有する補助電極を前記基板裏面に形成し、透光性を有する第２のオーミック電極を成長層主表面全面に形成することによって、基板底面に入射した光を光取り出し効率の高い素子側面へ反射させることができる。また、素子抵抗の増大を抑止することができる。よって、発光効率が格段に高く、動作電圧の低い発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す断面図、ならびにｐ型およびｎ型層側の表面電極のパターンを描写する平面図。
【図２】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）における、裏面の電極パターンを描写する平面図。
【図３】本発明による第２の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す断面図。
【図４】本発明による第３の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す断面図。
【図５】発光ダイオード素子の電極に用いられる種々の金属について、可視光における光反射率を示すグラフ。
【図６】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体素子（発光ダイオード素子）における、ｎ型オーミック電極および補助電極の面積占有率と発光強度および動作電圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１・・・発光ダイオード素子、
１０１・・・ｎ型ＺｎＯ系半導体基板、
１０２・・・ｎ型ＺｎＯ系半導体層、
１０３・・・ＺｎＯ系半導体発光層、
１０４・・・ｐ型ＺｎＯ系半導体層、
１０５・・・ｐ型ＺｎＯ系半導体層、
１０６・・・ｐ型オーミック電極、
１０７・・・パッド電極、
１０８・・・ｎ型オーミック電極、
１０９・・・補助電極。

Claims (13)

1. 導電性基板の主面上にＺｎＯ系半導体発光層を含む成長層が形成され、ここに、該導電性基板は該発光層から発光された光の波長に対して透光性を有する酸化物半導体発光素子であって、
   該導電性基板の裏面は粗面化され、該粗面化された基板の裏面上に、任意の平面形状にパターン加工された第１のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と接触する補助電極とが形成され、該成長層主表面全面に、透光性を有する第２のオーミック電極が形成され、さらに、該第２のオーミック電極上にパッド電極が形成されていることを特徴とする該酸化物半導体発光素子。
2. 該第１のオーミック電極が格子状の平面形状にパターン加工されている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
3. 該パターン加工された第１のオーミック電極の面積は、該導電性基板の裏面の全面積に対して２０％以上である請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
4. 該第１のオーミック電極が、ＴｉおよびＡｌよりなる群から選択される少なくとも１の金属元素を含む請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
5. 該発光層から発光された光の波長領域において、該補助電極の光反射率は、該第１のオーミック電極の光反射率よりも高い請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
6. 該発光層から発光された光の波長領域において、該補助電極の光反射率は、６０％以上である請求項５記載の酸化物半導体発光素子。
7. 該補助電極の面積は、該導電性基板の裏面の全面積に対して５％以上である請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
8. 該補助電極が任意の平面形状にパターン加工された請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
9. 該補助電極が格子状の平面形状にパターン加工されている請求項８記載の酸化物半導体発光素子。
10. 該補助電極が、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔよりなる群から選択される少なくとも１の金属元素を含む請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
11. 少なくとも該導電性基板の側面を含む素子の側面が粗面化されている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
12. 該成長層が、該導電性基板より小さい面積を有するように加工されるか、または選択成長により形成され、露出した該導電性基板の主表面の一部が粗面化されている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
13. 該導電性基板の裏面が、Ａｇを含有する導電性樹脂を用いて支持フレームに接着されている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。

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