JP2006294907A - Nitride gallium based compound semiconductor luminous element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に光取り出し効率に優れ、かつ良好な配光均一性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and more particularly to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device having excellent light extraction efficiency and good light distribution uniformity.
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。 In recent years, 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 oxides and III-V compounds as substrates, and metalorganic vapor phase chemical reaction method (MOCVD method) or molecular beam epitaxy method (MBE method). And so on.
ＧａＮ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、正極として透明電極が用いられ、正極を通して光が取り出される。 A characteristic of the GaN-based compound semiconductor material is that current diffusion in the lateral direction is small. Therefore, current is injected only into the semiconductor directly under the electrode, and 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 transparent electrode is usually used as the positive electrode, and light is extracted through the positive electrode.
従来の正極は、ＮｉやＣｏの酸化物とコンタクト金属としてＡｕなどを組み合わせた層構造（例えば特許文献１参照）であった。近年ではＩＴＯ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ている。 A conventional positive electrode has a layer structure in which an oxide of Ni or Co and Au as a contact metal are combined (see, for example, Patent Document 1). In recent years, a layer structure in which the thickness of the contact metal is made as thin as possible by using a highly conductive oxide such as ITO has been adopted as the positive electrode.
ＩＴＯなどの導電性透明材料の層は、ＮｉやＣｏなどの酸化物の層に比較すると、光の透過率が高く、比較的厚く形成することができる。例えば、ＮｉやＣｏの酸化物が膜厚１０から５０ｎｍ程度なのに対し、２００ｎｍから５００ｎｍなどの膜厚が利用される。 A layer of a conductive transparent material such as ITO has a higher light transmittance than a layer of an oxide such as Ni or Co, and can be formed relatively thick. For example, a film thickness of 200 nm to 500 nm is used while an oxide of Ni or Co has a film thickness of about 10 to 50 nm.
一方、半導体結晶から大気中への光取出し量を増大させる手法として、半導体の光取り出し面に凹凸加工を施す技術がある。半導体面にこのような加工を施すには、ドライエッチング、ウエットエッチングによる方法や、ダイシング、ダイヤモンド針によるスクライビング、レーザスクライビングなどによる方法が採られる。しかし半導体材料に加工を施すことは、半導体層に負荷を掛けダメージを残すため、外部量子効率（光取出し効率）を向上させても、内部量子効率を減少させてしまい、発光強度の増大が得られなかった。さらに、場合によってはリーク電流の発生など発光素子の破壊を伴って、発光素子の歩留まりが低下することがあった。 On the other hand, as a technique for increasing the amount of light extracted from the semiconductor crystal into the atmosphere, there is a technique for performing uneven processing on the light extraction surface of the semiconductor. In order to perform such processing on the semiconductor surface, a method using dry etching or wet etching, a method using dicing, scribing with a diamond needle, laser scribing, or the like is employed. However, processing the semiconductor material places a load on the semiconductor layer and leaves damage. Even if the external quantum efficiency (light extraction efficiency) is improved, the internal quantum efficiency is reduced, resulting in an increase in emission intensity. I couldn't. Further, in some cases, the yield of the light-emitting elements may be reduced due to destruction of the light-emitting elements such as generation of leakage current.
そこで、光取り出し効率を増大させるための凹凸を設ける層を半導体層上に形成し、光取出し効率を向上させる技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。この技術によれば、半導体層そのものに凹凸加工を施すのではなく、半導体層上の透明の材料からなる層に凹凸加工を施すので、半導体にダメージを与えることなく光取り出し効率の増大を図ることができる。 Therefore, a technique for improving the light extraction efficiency by forming a layer having unevenness for increasing the light extraction efficiency on the semiconductor layer has been proposed (see, for example, Patent Document 2). According to this technology, the semiconductor layer itself is not roughened, but the layer made of a transparent material on the semiconductor layer is roughened, so that the light extraction efficiency can be increased without damaging the semiconductor. Can do.
上記特許文献２には、半導体層の上に透明な導電性材料の層を形成し、この層に設けた凹凸形状としては、主に曲面から構成される凹凸が開示されている。また、平面から構成された凹凸としては、基板面に対して垂直な面を持つ平面から構成された凹凸が開示されている。
In
しかし、曲面から構成された凹凸では、光取り出し面の正面方向に発光が集光されてしまい、配光均一性を損なう、と言う問題点がある。配光が均一でないチップは、ディスプレイ用途やバックライト用途などの用途に使用するには不都合である。 However, the unevenness formed of a curved surface has a problem that the emitted light is collected in the front direction of the light extraction surface and the light distribution uniformity is impaired. Chips with non-uniform light distribution are inconvenient for use in applications such as display applications and backlight applications.
一方、基板面に対して垂直な平面から構成される凹凸では、垂直面同士の間での多重反射を生じてしまい、思うように光の取出し効率が向上しないという問題点がある。
また、曲面から構成される凹凸に関しては、加工工程の制御が非常に難しく、実際には狙った形状とすることが困難であるという問題点がある。
On the other hand, the unevenness formed of a plane perpendicular to the substrate surface causes multiple reflections between the vertical surfaces, and there is a problem that the light extraction efficiency does not improve as expected.
In addition, with respect to the unevenness constituted by a curved surface, there is a problem that it is very difficult to control the machining process, and it is actually difficult to obtain a target shape.
上記特許文献２には、凹凸を設ける層を構成する透明材料として、ポリカーボネイト、窒化シリコン、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化アンチモン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタン、硫化亜鉛および酸化ビスマスなどが開示されている。
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、光取り出し効率に優れ、かつ良好な配光均一性を有する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。
本発明において透明あるいは透光性とは、３００〜６００ｎｍの波長領域における光に対して透光性であることを意味する。
An object of the present invention is to provide a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device that solves the above-described problems, has excellent light extraction efficiency, and has good light distribution uniformity.
In the present invention, the term “transparent or translucent” means being translucent to light in the wavelength region of 300 to 600 nm.
本発明は、下記の発明を提供する。
（１）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子において、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有してい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。
The present invention provides the following inventions.
(1) In a light-emitting element in which a gallium nitride compound semiconductor is stacked on a substrate, the light extraction surface is formed of a light-transmitting film, and the surface of the light-transmitting film is configured by a plane inclined with respect to the substrate surface. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device characterized by having irregularities.
（２）透光性膜が導電性を有する上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(2) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the
（３）透光性膜が正極の一部として機能している上記２項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(3) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the
（４）透光性膜が半導体と接触しており、正極コンタクトメタル層として機能している上記３項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(4) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the
（５）透光性膜が半導体と接触しておらず、正極電流拡散層として機能している上記３項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(5) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the
（６）透光性膜が、ＩＴＯ、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｂｉ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｎＡｌＯおよびＳｎＯ2からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からなる上記２〜５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。
(6) any light transmissive film, ITO, of TiO 2, ZnO, ZnS, Bi 2
（７）透光性膜が、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｎＡｌＯおよびＳｎＯ2からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からなる上記６項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(7) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the
（８）透光性膜が導電性を有しない上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(8) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the
（９）透光性膜が保護膜として機能している上記８項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (9) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the above item 8, wherein the translucent film functions as a protective film.
（１０）透光性膜が、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4およびＣａＦ2からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からなる上記８または９項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (10) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to 8 or 9 above, wherein the translucent film is made of at least one material selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 and CaF 2 .
（１１）透光性膜がＳｉＯ2からなる上記１０項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(11) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to the
（１２）透光性膜表面の凹凸の形状がストライプ状である上記１〜１１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。
(12) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to any one of the
（１３）透光性膜表面の凹凸の形状がドット状または格子状である上記１〜１１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。 (13) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of 1 to 11 above, wherein the unevenness on the surface of the translucent film is a dot shape or a lattice shape.
（１４）透光性膜表面の凹凸を構成する傾斜した平面が、基板面に対して５°から８５°の角度を成す上記１〜１１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。 (14) The gallium nitride-based compound semiconductor according to any one of 1 to 11 above, wherein an inclined plane constituting the irregularities on the surface of the translucent film forms an angle of 5 ° to 85 ° with respect to the substrate surface. Light emitting element.
（１５）透光性膜表面の凹凸の高低差が０．３〜８５μｍである上記１〜１４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。 (15) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (14), wherein the unevenness of the surface of the translucent film is 0.3 to 85 μm.
（１６）透光性膜表面の凹凸の最大幅が１〜５００μｍである上記１２〜１５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。 (16) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of 12 to 15 above, wherein the maximum width of the unevenness on the surface of the translucent film is 1 to 500 μm.
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有している。この透光性膜に電極を兼ねさせる事で、光取り出し面の層数を減少させ、光透過率を良くする事ができる。また同様に、この透光性膜に保護膜を兼ねさせる事で、光取り出し面の層数を減少させ、光透過率を良くする事ができる。 The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention has a light extraction surface made of a light-transmitting film, and the surface of the light-transmitting film has irregularities constituted by a plane inclined with respect to the substrate surface. . By making this translucent film also serve as an electrode, the number of layers on the light extraction surface can be reduced and the light transmittance can be improved. Similarly, by making this light-transmitting film also serve as a protective film, the number of layers on the light extraction surface can be reduced and the light transmittance can be improved.
基板面に対して傾斜した平面から構成される凹凸とすることで、基板面に対して垂直な平面から構成される凹凸に比べ、光取り出し効率を上げることが可能である。また、曲面から構成される凹凸に比べて、配光均一性が改良され、かつ、加工が容易であり収率が向上する。 By using the unevenness constituted by a plane inclined with respect to the substrate surface, the light extraction efficiency can be increased as compared with the unevenness constituted by a plane perpendicular to the substrate surface. Moreover, compared with the unevenness | corrugation comprised from a curved surface, a light distribution uniformity is improved, a process is easy and a yield improves.
発光素子の発光効率は、外部量子効率（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。内部量子効率とは、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。一方の外部量子効率とは、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。 The luminous efficiency of the light emitting element is expressed as the product of external quantum efficiency (light extraction efficiency) and internal quantum efficiency. Internal quantum efficiency is the ratio of energy converted to light in the energy of current injected into the device. On the other hand, the external quantum efficiency is a ratio of light generated inside the semiconductor crystal that can be extracted outside.
半導体結晶表面に凹凸加工を施すことで、外部量子効率を向上することが可能である。しかし、ＧａＮ系化合物半導体発光素子では、ｐ型半導体層を０．３μｍ以下などと薄く作製することが一般的であるため、発光素子機能を有する結晶そのものに凹凸加工を施すと、結晶にダメージを与え内部量子効率を下げる可能性がある。 It is possible to improve the external quantum efficiency by subjecting the semiconductor crystal surface to uneven processing. However, in a GaN-based compound semiconductor light-emitting device, it is common to make a p-type semiconductor layer as thin as 0.3 μm or less. Therefore, if the crystal itself having a light-emitting device function is processed with unevenness, the crystal is damaged. There is a possibility of lowering the internal quantum efficiency.
そこで、凹凸加工を施すための透明な材料を光取り出し面に成膜し、その膜に凹凸加工を施すことにより、内部量子効率をさげることなく、光取出し効率を向上することが可能である。さらに、透明な材料は、保護膜を兼ねたり、透光性正極を兼ねたりすることができる。 Therefore, a light-extraction efficiency can be improved without reducing the internal quantum efficiency by forming a transparent material for the unevenness on the light extraction surface and applying the unevenness to the film. Further, the transparent material can also serve as a protective film or a translucent positive electrode.
本明細書で用いる透光性および透明という用語は、必ずしも１００％の光透過率を全波長域で発揮することを意味するものではなく、半導体内部で発生した光を外部に取り出す機能を有することを意味する。従って、発光波長における光透過率にして５０％以上であるように、材料と膜厚を制御して作製した膜に対して、この用語を使用する。 The terms “translucency” and “transparency” used in this specification do not necessarily mean that 100% light transmittance is exhibited in the entire wavelength region, but has a function of extracting light generated inside the semiconductor to the outside. Means. Therefore, this term is used for a film manufactured by controlling the material and the film thickness so that the light transmittance at the emission wavelength is 50% or more.
図１は、本発明の透光性膜を正極として形成した場合である実施例１で作製された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。１０が正極であり、コンタクトメタル層１１、透光性膜からなる電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３から構成されている。透光性膜からなる電流拡散層１２の最表面に凹凸加工処理が施されている。１は基板である。２はＧａＮ系化合物半導体層であり、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５から構成される。６はバッファ層であり、２０は負極である。
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device manufactured in Example 1, which is a case where the translucent film of the present invention is formed as a positive electrode.
この場合の透光性膜を構成する材料は、導電性の透明材料であればどのようなものを用いても良い。例えば、前記特許文献２に列挙されたものも使用出来る。中でも、導電率の高い透明材料、例えばＩＴＯ、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｂｉ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｎＡｌＯおよびＳｎＯ2などが望ましい。使用する透明材料としては、屈折率が半導体材料の屈折率と、素子を封止する樹脂などの材料の屈折率との間の値をとることが望ましい。
In this case, any material may be used as the material constituting the translucent film as long as it is a conductive transparent material. For example, those listed in
特に、ＺｎＯは優れた透明性と導電率を持つ安価な材料であり、屈折率も１．９〜２．１と窒化ガリウム系化合物半導体材料と真空、空気または素子を封止する樹脂との中間の値に近いため、本発明に用いるのに適した材料である。 In particular, ZnO is an inexpensive material having excellent transparency and conductivity, and a refractive index of 1.9 to 2.1, which is an intermediate between a gallium nitride compound semiconductor material and vacuum, air, or a resin that seals the element. Therefore, the material is suitable for use in the present invention.
透光性膜の厚さは、１０ｎｍから１００μｍであることが好ましい。１０ｎｍ未満では、光取り出し効率の向上に有効な凹凸加工ができない。１００μｍを超えると、光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。５０ｎｍ〜１μｍがさらに好ましい。 The thickness of the translucent film is preferably 10 nm to 100 μm. If the thickness is less than 10 nm, uneven processing effective for improving light extraction efficiency cannot be performed. When the thickness exceeds 100 μm, the light transmittance is remarkably lowered, and the light emission output may be lowered. More preferably, it is 50 nm-1 micrometer.
図１に示したコンタクトメタル層１１は、必ずしも必要ではない。半導体層に対して透光性膜がオーミック接触可能な場合、半導体表面にはコンタクトメタル層を設けなくとも良い。１２がコンタクトメタル層と電流拡散層を兼ねることになる。むしろ、コンタクトメタル層を特別に設けずにオーミック接触が取れる場合、コンタクトメタル層で発生する光透過率の低下を抑えることができるので、より効率の良い発光の取出しが実現できる。
The
正極の構成の例をいくつか挙げると、第一に、ｐ型半導体層上に５Å程度のＰｔからなるコンタクトメタル層を形成し、その上に膜厚１〜２μｍのＩＴＯの電流拡散層を積層する構造がある。凹凸加工は、このＩＴＯに施される。同様に、コンタクトメタル層としてＮｉを用い、電流拡散層としてＺｎＯを用いる構造なども考えられる。
また、ＩＴＯなどの場合、コンタクトメタル層を形成せず、半導体に直接接触させても良く、前述のように、より効率の良い発光の取出しが実現できる。
Some examples of the configuration of the positive electrode are as follows. First, a contact metal layer made of Pt of about 5 mm is formed on a p-type semiconductor layer, and a current diffusion layer of ITO having a thickness of 1 to 2 μm is laminated thereon. There is a structure to do. Concavity and convexity processing is applied to this ITO. Similarly, a structure using Ni as the contact metal layer and ZnO as the current diffusion layer is also conceivable.
In the case of ITO or the like, the contact metal layer may not be formed but may be directly contacted with the semiconductor. As described above, more efficient emission of light can be realized.
図３は、本発明の透光性膜を保護膜として形成した場合である実施例３で作製された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。図１と同様に、１０が正極であり、コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３から構成されている。１は基板である。２はＧａＮ系化合物半導体層であり、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５から構成される。６はバッファ層であり、２０は負極である。１４は透光性膜からなる保護膜であり、その最表面に凹凸加工処理が施されている。
FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device manufactured in Example 3, which is a case where the translucent film of the present invention is formed as a protective film. As in FIG. 1,
この場合の透光性膜を構成する材料は、非導電性の透明材料であればどのようなものを用いても良い。例えば、前記特許文献２に列挙されたものも使用出来る。中でも、導電率の低い透明材料、例えばＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4およびＣａＦ2などが好ましい。使用する透明材料としては、屈折率が半導体材料の屈折率と、発光素子を封止する樹脂などの材料の屈折率との間の値をとることが望ましい。
In this case, any material may be used for the light-transmitting film as long as it is a non-conductive transparent material. For example, those listed in
透光性膜からなる保護膜の厚さは、１０ｎｍから１００μｍであることが好ましい。１０ｎｍ未満では、光取り出し効率の向上に有効な凹凸加工ができない。１００μｍを超えると、光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。５０ｎｍ〜１μｍがさらに好ましい。 The thickness of the protective film made of a translucent film is preferably 10 nm to 100 μm. If the thickness is less than 10 nm, uneven processing effective for improving light extraction efficiency cannot be performed. When the thickness exceeds 100 μm, the light transmittance is remarkably lowered, and the light emission output may be lowered. More preferably, it is 50 nm-1 micrometer.
この場合の正極と保護膜の構成の例をいくつか挙げると、第一に、ｐ型半導体層上に５Å程度のＰｔからなるコンタクトメタル層を形成し、その上に膜厚２０Å程度のＡｕからなる電流拡散層を形成して正極となし、その上にＳｉＯ2からなる保護膜を積層する構造がある。凹凸加工は、このＳｉＯ2層に施される。同様に、正極はコンタクトメタル層としてＡｕを用い、電流拡散層としてＮｉＯを用いる構造なども考えられ、保護膜としてはＣａＦ2なども使用できる。この場合、ＣａＦ2の最表面に凹凸加工を施す。 Some examples of the configuration of the positive electrode and the protective film in this case are as follows. First, a contact metal layer made of Pt of about 5 mm is formed on the p-type semiconductor layer, and Au having a thickness of about 20 mm is formed thereon. There is a structure in which a current diffusion layer is formed as a positive electrode, and a protective film made of SiO 2 is laminated thereon. Concavity and convexity processing is performed on this SiO 2 layer. Similarly, a structure in which the positive electrode uses Au as a contact metal layer and NiO as a current diffusion layer is conceivable, and CaF 2 or the like can also be used as a protective film. In this case, subjected to uneven processing on the outermost surface of the CaF 2.
透光性膜の成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。真空蒸着には加熱方法に抵抗加熱方式や電子線過熱方式などがあるが、金属以外の材料の蒸着には、電子線加熱方式が適している。また、原料となる化合物を液状とし、これを表面に塗布した後然るべき処理により酸化物膜とする方法も用いることができる。 A method for forming the light-transmitting film is not particularly limited, and a known vacuum deposition method or sputtering method can be used. There are a resistance heating method and an electron beam overheating method as a heating method for vacuum deposition, but an electron beam heating method is suitable for the deposition of materials other than metal. Alternatively, a method can be used in which the compound as a raw material is made liquid and applied to the surface to form an oxide film by appropriate treatment.
透光性膜表面に凹凸を設けるには、一旦平坦な表面を有する透光性膜を成膜した後、透光性膜の一部を削除して凹部を形成する方法と透光性膜を部分的にさらに積層して凸部を形成する方法がある。また、透光性膜を形成する際の成膜条件を制御することで凹凸を形成することも可能である。これらの中でも、一旦平坦な表面を有する透光性膜を成膜した後、透光性膜の一部を削除して凹部を形成する方法が、基板面に対して傾斜した平面から構成される凹凸を形成し易いので好ましい。 In order to provide unevenness on the surface of the translucent film, a method of forming a recess by removing a part of the translucent film after forming a translucent film having a flat surface once and a translucent film There is a method in which a convex portion is formed by further partially laminating. Further, it is possible to form irregularities by controlling the film formation conditions when forming the light-transmitting film. Among these, a method of forming a concave portion by forming a light-transmitting film having a flat surface once and then removing a part of the light-transmitting film is composed of a plane inclined with respect to the substrate surface. Since it is easy to form unevenness, it is preferable.
本発明において、「基板面に対して傾斜した平面から構成される凹凸」とは、凹部または凸部を構成する透光性膜表面の少なくとも一部が基板面に対して傾斜した平面であればよい。 In the present invention, the term “unevenness composed of a plane inclined with respect to the substrate surface” means that at least a part of the surface of the translucent film constituting the concave portion or the convex portion is a plane inclined with respect to the substrate surface. Good.
例えば、透光性膜表面に存在する凹凸が、図４（平面図）および図５（図４のＸＹ切断断面図）に示したように凸部がストライプ状に存在しているパターンの場合、凸部を構成する透光性膜表面Ａ、ＢおよびＣのうちＡおよびＣが基板面に対して傾斜した平面となっている。勿論、基板面に平行な面Ｂが存在せず、凸部がＡおよびＣ面のみで構成されていてもよいし、ＡおよびＣ面のうちどちらかが基板面に対して垂直であってもよい。凸部を構成する全ての面が基板面に対して傾斜した平面であることが、光取り出し効率および配光均一性の向上にとって好ましい。 For example, when the unevenness present on the surface of the translucent film is a pattern in which convex portions are present in a stripe shape as shown in FIG. 4 (plan view) and FIG. 5 (XY cut cross-sectional view of FIG. 4), Of the translucent film surfaces A, B and C constituting the convex portions, A and C are flat surfaces inclined with respect to the substrate surface. Of course, the surface B parallel to the substrate surface does not exist, and the convex portion may be composed only of the A and C surfaces, or either of the A and C surfaces is perpendicular to the substrate surface. Good. It is preferable for improving the light extraction efficiency and the light distribution uniformity that all surfaces constituting the convex portion are flat surfaces inclined with respect to the substrate surface.
基板面に対して傾斜した平面の角度は基板面に対して５度から８５度の範囲であることが好ましい。５度以下または８５度以上では光取り出し効率が向上し難い。好ましくは１５度から７５度の範囲であり、特に好ましくは３０度から６０度の範囲である。 The angle of the plane inclined with respect to the substrate surface is preferably in the range of 5 to 85 degrees with respect to the substrate surface. If it is 5 degrees or less or 85 degrees or more, it is difficult to improve the light extraction efficiency. The range is preferably 15 to 75 degrees, and particularly preferably 30 to 60 degrees.
透光性膜表面に存在する凹凸はどのようなパターンを取る事も可能である。中でも、上述したストライプ状とすることは、加工のしやすさの面から望ましい。その際、ストライプ状の凹部または凸部の幅はその最大部で１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のストライプを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。ピッチは１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のストライプを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。 The unevenness present on the surface of the translucent film can take any pattern. Among these, the stripe shape described above is desirable from the viewpoint of ease of processing. At that time, the width of the stripe-shaped concave portion or convex portion is preferably 1 μm to 500 μm at the maximum portion. If it is 1 μm or less, processing becomes difficult, and if it is 500 μm or more, a sufficient number of stripes cannot be formed in each chip surface. More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers. The pitch is preferably 1 μm to 500 μm. If it is 1 μm or less, processing becomes difficult, and if it is 500 μm or more, a sufficient number of stripes cannot be formed in each chip surface. More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers.
一方、凹凸の形状を図６（平面図）および図７（図６のＸＹ切断断面図）に示したようなドット状の凸部とすることは、光を発光素子の周囲のどの方向からも均等に取り出すことができるため、配光均一性の面から好ましい。上記のストライプ状では、ストライプに平行な方向と直角な方向で、取り出される光の強度が異なるため、配光均一性ではドット状に劣る。 On the other hand, when the concave and convex shape is a dot-like convex portion as shown in FIG. 6 (plan view) and FIG. Since it can take out equally, it is preferable from the surface of light distribution uniformity. In the above stripe shape, the intensity of the extracted light is different in a direction perpendicular to the direction parallel to the stripe, so that the light distribution uniformity is inferior to the dot shape.
ドット状の凸部の幅および長さは、その最大部で１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のドットを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。ピッチは１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数のドットを作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。 The width and length of the dot-shaped convex part is preferably 1 μm to 500 μm at the maximum part. If it is 1 μm or less, processing becomes difficult, and if it is 500 μm or more, a sufficient number of dots cannot be formed in each chip surface. More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers. The pitch is preferably 1 μm to 500 μm. If it is 1 μm or less, processing becomes difficult, and if it is 500 μm or more, a sufficient number of dots cannot be formed in each chip surface. More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers.
さらに、凹凸の形状を図８（平面図）および図９（図８のＸＹ切断断面図）に示したような格子状の凸部とすることは、凹凸加工のし易さと配光均一性の両方を兼ね備えさせることができるので、最も望ましい。その際、凸部の幅はその最大部で１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数の凸部を作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。ピッチは１μｍ〜５００μｍが好ましい。１μｍ以下では加工が難しくなり、５００μｍ以上では各チップ面内に充分な数の凸部を作りこむことができない。さらに好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。 Furthermore, the shape of the concave / convex shape is a lattice-shaped convex portion as shown in FIG. 8 (plan view) and FIG. 9 (XY cut cross-sectional view of FIG. 8), which facilitates the processing of the concave / convex and provides uniform light distribution. Since both can be combined, it is most desirable. At that time, the maximum width of the convex portion is preferably 1 μm to 500 μm. If it is 1 μm or less, processing becomes difficult, and if it is 500 μm or more, a sufficient number of convex portions cannot be formed in each chip surface. More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers. The pitch is preferably 1 μm to 500 μm. If it is 1 μm or less, processing becomes difficult, and if it is 500 μm or more, a sufficient number of convex portions cannot be formed in each chip surface. More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers.
透光性膜表面に存在する凹凸の断面形状は、基板面に対して傾斜した面を有すれば、どのような形状を持つこともできる。最も一般的なのは、単一の角度の面で形成される、三角形或いはＶ字型の形状であるが、その他、２種類の角度の面で形成される五角形、３種類の角度の面で形成される七角形の形状であっても良い。しかしながら、多種類の角度で形成される形状を取る断面は形成することが難しく、収率を落とす可能性が高い。最も有効なのは、三角形或いはＶ字型の形状である。また、三角形或いはＶ字型の先端部が切り落とされて基板面に対して平行な面となった台形でもよい。 The cross-sectional shape of the unevenness present on the surface of the translucent film can have any shape as long as it has a surface inclined with respect to the substrate surface. The most common is a triangular or V-shaped shape formed by a single angle surface, but also a pentagon formed by two types of angle surfaces and three types of angle surfaces. It may be a heptagonal shape. However, it is difficult to form a cross section having a shape formed at various angles, and the yield is likely to decrease. The most effective is a triangular or V-shaped shape. Moreover, the trapezoid which the triangle or V-shaped front-end | tip part was cut off and became a surface parallel to a substrate surface may be sufficient.
また、凹凸の高低差は透光性膜の厚さの範囲内で任意に決めればよく、０．３〜８５μｍの範囲が好ましく、０．５〜３０μｍの範囲がさらに好ましく、１〜１０μｍの範囲が特に好ましい。０．３μｍ未満では、光取り出し効率が十分改良されない。一方、あまり高低差を大きくすると、加工コストが増大する。 Further, the height difference of the unevenness may be arbitrarily determined within the thickness range of the translucent film, preferably in the range of 0.3 to 85 μm, more preferably in the range of 0.5 to 30 μm, and in the range of 1 to 10 μm. Is particularly preferred. If it is less than 0.3 μm, the light extraction efficiency is not sufficiently improved. On the other hand, if the height difference is too large, the processing cost increases.
透光性膜表面に凹凸を形成するための凹凸加工は、別に制限されず、どのような方法を用いてもよい。例えば、フォトリソグラフィーとして知られる方法を用いてパターニングし、その後ドライエッチングまたはウエットエッチングを用いて凹部を形成し、残った部分を凸部とすることができる。また、ダイヤモンド針を押し付けて線を引くスクライブや、レーザ光を当てて熱を発生させることで加工を施すレーザースクライブの手法を応用しても良い。 The uneven processing for forming unevenness on the surface of the translucent film is not particularly limited, and any method may be used. For example, patterning can be performed using a method known as photolithography, and then a concave portion can be formed using dry etching or wet etching, and the remaining portion can be used as a convex portion. Further, a scribing method in which a diamond needle is pressed to draw a line, or a laser scribing method in which processing is performed by generating heat by applying laser light may be applied.
以下に、凹凸加工の方法の一例を示す。凹凸加工の方法としては、前述のように従来あるどのような手法を用いても良く、これらの例に限定されるものではない。 Below, an example of the method of uneven | corrugated processing is shown. As described above, any conventional method may be used as the method for forming the unevenness, and the method is not limited to these examples.
まず、窒化ガリウム系化合物半導体積層体の光取り出し面であるｐ型半導体層上にＩＴＯの膜を一様な膜厚で形成する。その後、全面にレジストを塗布し、形成したいパターンに露光する。この際、露光のための光として平行光でない光束を使用する。平行光でない光は、パターンの縁から内側に少量入り込むことができるので、この現象を利用して、露光した光量に応じて、レジスト膜のパターンの縁にテーパーを形成することが可能である。平行光でない光束は、露光装置の光源の位置や試料の位置をずらすことによって、いわゆる「ピントが合っていない」状態にすることで実現できる。 First, an ITO film having a uniform thickness is formed on a p-type semiconductor layer that is a light extraction surface of a gallium nitride-based compound semiconductor stack. Thereafter, a resist is applied to the entire surface and exposed to a pattern to be formed. At this time, a light beam that is not parallel light is used as light for exposure. Since a small amount of light that is not parallel light can enter from the edge of the pattern to the inside, it is possible to form a taper at the edge of the pattern of the resist film in accordance with the amount of light exposed using this phenomenon. A light beam that is not parallel light can be realized by shifting the position of the light source of the exposure apparatus or the position of the sample to make a so-called “out of focus” state.
他に、光取り出し面に透明材料の膜を一様な膜厚で形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層体の全面にレジストを塗布する際に、レジストを通常よりも厚く形成することで、レジストが感光する光の量がパターンの縁において不十分となり、レジスト膜のパターンの縁にテーパーを形成するなどの方法もある。同様のことは、感光時の光の量を減量したり、感光時間を短くすることによっても実現することが可能である。 In addition, when the resist is applied to the entire surface of the gallium nitride compound semiconductor laminate in which the transparent material film is formed with a uniform thickness on the light extraction surface, the resist is formed thicker than usual. There is a method in which the amount of light to be exposed becomes insufficient at the edge of the pattern, and a taper is formed at the edge of the pattern of the resist film. The same thing can be realized by reducing the amount of light at the time of exposure or shortening the exposure time.
このような縁部にテーパーが形成されたレジスト膜を保護膜としてドライエッチングを施すと、エッチングによってレジスト膜も膜厚を減少させるので、形成された凹部の縁にもテーパーが形成される。図１０はこの工程を経時的に示した図である。このような方法で、基板面に対して傾斜した平面からなる凹部（残された部分から見ると凸部）を形成することが可能である。 When dry etching is performed using a resist film having a taper at such an edge as a protective film, the thickness of the resist film is also reduced by etching, so that a taper is also formed at the edge of the formed recess. FIG. 10 shows this process over time. By such a method, it is possible to form a concave portion (a convex portion when viewed from the remaining portion) composed of a plane inclined with respect to the substrate surface.
また、凹凸加工にはスクライブと呼ばれる方法を用いることもできる。窒化ガリウム系化合物半導体積層体の光取り出し面であるｐ型半導体層上に一定の膜厚で形成したＳｉＯ2の透光性膜などを、先端を希望するテーパーの形状としたダイヤモンド針で縦方向および／または横方向にけがく事で、ストライプ状または格子状の例えばＶ字型をした凹部（残された部分から見るとストライプ状またはドット状の凸部）をＳｉＯ2透光性膜表面に形成することが可能である。 Further, a method called scribing can be used for the uneven processing. Longitudinal direction of SiO 2 translucent film, etc., formed on the p-type semiconductor layer, which is the light extraction surface of the gallium nitride compound semiconductor stack, with a certain taper shape at the tip. And / or by scribing in the lateral direction, stripe-shaped or lattice-shaped concave portions (for example, stripe-shaped or dot-shaped convex portions when viewed from the remaining portion) are formed on the surface of the SiO 2 translucent film. It is possible to form.
同様の形状の凹凸加工は、レーザを照射することで透光性膜を融解して溝を穿つ、レーザースクライブという方法を用いることでも可能である。 Concave and convex processing with the same shape can also be performed by using a method called laser scribing, in which a laser-irradiated film is melted to form a groove.
なお、発光素子の配光均一性は市販の配光特性測定器（例えば、オプトサイエンス（OPT SCIENCE）社製のＬＥＤ−１１００）で測定することができる。この装置は、電流を流して発光素子を発光させた状態で固定し、この発光素子に対して同じ距離を保つように規定された、発光素子上部空間の軌道上を、ＣＣＤ、受光素子または光電芝居増感などの光強度測定器が動くようになっている。この光強度測定器が動きながら発光強度を測定し、発光素子が固定されている平面からの角度と発光強度との関係を求めるものである。上記軌道の方向を変えて測定することにより、配光の均一性を評価できる。 In addition, the light distribution uniformity of a light emitting element can be measured with a commercially available light distribution characteristic measuring device (for example, LED-1100 manufactured by OPT SCIENCE). This device is fixed in a state in which a light emitting element is caused to emit light by passing an electric current, and a CCD, a light receiving element or a photoelectric element is placed on the orbit of the upper space of the light emitting element, which is defined to keep the same distance to the light emitting element. Light intensity measuring instruments such as play sensitization move. The light intensity measuring device measures the light emission intensity while moving, and obtains the relationship between the angle from the plane where the light emitting element is fixed and the light emission intensity. The uniformity of light distribution can be evaluated by changing the direction of the trajectory.
本発明において、基板面に対して傾斜した凹凸を有する透光性膜を備えた正極には、上述したように、電気的なコンタクトを取る目的で、半導体（ｐ型半導体層）表面と接触するコンタクトメタル層を設けることができる。コンタクトメタル層に要求される性能としては、ｐ型半導体層との接触抵抗が小さいことと、光透過性が良いことがある。 In the present invention, as described above, the positive electrode provided with the light-transmitting film having irregularities inclined with respect to the substrate surface is in contact with the surface of the semiconductor (p-type semiconductor layer) for the purpose of obtaining electrical contact. A contact metal layer can be provided. The performance required for the contact metal layer is that the contact resistance with the p-type semiconductor layer is small and the light transmittance is good.
コンタクトメタル層の材料はｐ型半導体層との接触抵抗の観点から、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等の金属またはそれらを含む合金が好ましい。これらの中でもＮｉは、仕事関数が高く、高温熱処理を施した際に半導体の表面の酸化物層を除去し、Ｎｉ自体も酸化されて透明となり、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層へのコンタクトメタルとして、特に好ましい。また、Ｐｔは、仕事関数が高く、高温熱処理を施さなくとも、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層に対して良好なオーミック接触を得ることが可能なので、好ましい。 From the viewpoint of contact resistance with the p-type semiconductor layer, the material of the contact metal layer is nickel (Ni), gold (Au), platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhodium (Rh), iridium ( A metal such as Ir), palladium (Pd), cobalt (Co), chromium (Cr) or an alloy containing them is preferable. Among these, Ni has a high work function, and when high-temperature heat treatment is performed, the oxide layer on the surface of the semiconductor is removed, and Ni itself is also oxidized and becomes transparent, as a contact metal to the p-type GaN compound semiconductor layer. Is particularly preferred. Pt is preferable because it has a high work function and can obtain good ohmic contact with the p-type GaN-based compound semiconductor layer without performing high-temperature heat treatment.
コンタクトメタル層の膜厚としては、０．１〜７．５ｎｍの範囲が好ましい。０．１ｎｍ未満では安定した薄層が得られ難い。７．５ｎｍを超えると透光性が低下する。０．１〜５ｎｍがさらに好ましい。また、その後の電流拡散層の積層による透光性の低下と成膜の安定性を考慮すると、０．５〜２．５ｎｍの範囲が特に好ましい。 The thickness of the contact metal layer is preferably in the range of 0.1 to 7.5 nm. If it is less than 0.1 nm, it is difficult to obtain a stable thin layer. If it exceeds 7.5 nm, the translucency decreases. More preferably, it is 0.1-5 nm. In consideration of a decrease in translucency due to subsequent lamination of the current diffusion layer and stability of film formation, the range of 0.5 to 2.5 nm is particularly preferable.
また、コンタクトメタル層を格子状としたり、ボールアップによって飛び飛びの島状としたりすることもできる。このようにコンタクトメタル層に薄い領域と厚い領域を形成することにより、光透過率の高い薄い領域からの光取出しを増大させることができる。 Further, the contact metal layer can be formed in a lattice shape, or can be formed in a flying island shape by ball-up. Thus, by forming the thin region and the thick region in the contact metal layer, it is possible to increase the light extraction from the thin region having a high light transmittance.
凹凸加工を施す透光性膜の材料として、導電性の材料を使う場合（正極そのものを構成）でも導電性のない材料を使う場合（保護膜を構成）でも、どちらの場合でも電流を注入するためのワイヤを接続するボンディングパッドを形成することができる。ボンディングパッドは、透光性の材料が導電性の場合には、これに接続するように形成し、そうでない場合は電極層に接続されるように形成する。 Whether the conductive material is used as the material for the concavo-convex processing (conducting the positive electrode itself) or non-conductive material (comprising the protective film), current is injected in either case. Bonding pads can be formed to connect wires for the purpose. The bonding pad is formed so as to be connected to the translucent material when it is conductive, and is formed so as to be connected to the electrode layer otherwise.
ボンディングパッド部を構成するボンディングパッド層については、各種の材料を用いた各種の構造のものが知られており、これら周知のものを特に制限されることなく用いることが出来る。但し、電流拡散層との密着性の良い材料を用いることが望ましく、厚さはボンディング時の応力に対してコンタクトメタル層あるいは電流拡散層へダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料とすることが望ましい。 As the bonding pad layer constituting the bonding pad portion, those having various structures using various materials are known, and these known ones can be used without particular limitation. However, it is desirable to use a material having good adhesion to the current diffusion layer, and the thickness needs to be sufficiently thick so as not to damage the contact metal layer or the current diffusion layer due to stress during bonding. The outermost layer is preferably made of a material having good adhesion to the bonding ball.
上述の正極を設ける、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した構造体は、図１に示したような、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を形成した構造体が従来より多数知られており、これら周知の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造体を含めて、発光素子に適した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造体であれば何ら制限無く用いることができる。 In the structure in which the positive electrode is provided and a gallium nitride compound semiconductor layer is stacked on a substrate, a gallium nitride compound semiconductor is stacked on the substrate via a buffer layer as shown in FIG. Many structures having a light emitting layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are known, and including these well-known gallium nitride compound semiconductor multilayer structures, gallium nitride compound semiconductor multilayer structures suitable for light emitting devices Any body can be used without any restrictions.
基板には、サファイア単結晶（Ａｌ2Ｏ3；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶、Ｇａ2Ｏ3単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ2などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。 For the substrate, sapphire single crystal (Al 2 O 3 ; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (MgAl 2 O 4 ), ZnO single crystal, LiAlO 2 single crystal, LiGaO 2 single crystal, Known substrates such as MgO single crystals, oxide single crystals such as Ga 2 O 3 single crystals, Si single crystals, SiC single crystals, GaAs single crystals, AlN single crystals, GaN single crystals, and boride single crystals such as ZrB 2 The material can be used without any limitation. The plane orientation of the substrate is not particularly limited. Moreover, a just board | substrate may be sufficient and the board | substrate which provided the off angle may be sufficient.
ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層は各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。 The n-type semiconductor layer, the light emitting layer, and the p-type semiconductor layer are well known in various structures, and these well-known layers can be used without any limitation.
それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。 As the gallium nitride compound semiconductors constituting them, semiconductors having various compositions represented by the general formula Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y <1) are used. As a well-known gallium nitride compound semiconductor constituting the n-type semiconductor layer, the light emitting layer and the p-type semiconductor layer in the present invention, the general formula Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ Semiconductors having various compositions represented by y <1, 0 ≦ x + y <1) can be used without any limitation.
これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化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きる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ4）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ）を用いる。 The growth method of these gallium nitride-based compound semiconductors is not particularly limited. Group III nitride semiconductors such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc. All methods known to grow can be applied. A preferred growth method is the MOCVD method from the viewpoint of film thickness controllability and mass productivity. In the MOCVD method, hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) is used as a carrier gas, trimethyl gallium (TMG) or triethyl gallium (TEG) is used as a Ga source as a group III source, and trimethyl aluminum (TMA) or triethyl aluminum is used as an Al source. (TEA), trimethylindium (TMI) or triethylindium (TEI) as an In source, ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ), or the like as an N source that is a group V source. As dopants, monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si raw material for n-type, germane (GeH 4 ) is used as the Ge raw material, and biscyclohexane is used as the Mg raw material for the p-type. Pentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) or bisethylcyclopentadienyl magnesium ((EtCp) 2 Mg) is used.
基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型半導体層に接して負極を形成するために、発光層およびｐ型半導体層の一部を除去して、ｎ型半導体層を露出させる。その後残したｐ型半導体層上に上述の透光性正極を形成し、露出させたｎ型半導体層上に負極を形成する。負極としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を含め、各種組成および構造の負極を何ら制限無く用いることができる。 In order to form a negative electrode in contact with an n-type semiconductor layer of a gallium nitride compound semiconductor in which an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on a substrate, a part of the light-emitting layer and the p-type semiconductor layer To remove the n-type semiconductor layer. Thereafter, the above-described translucent positive electrode is formed on the remaining p-type semiconductor layer, and the negative electrode is formed on the exposed n-type semiconductor layer. As the negative electrode, negative electrodes having various compositions and structures are well known, and negative electrodes having various compositions and structures including these known negative electrodes can be used without any limitation.
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited only to these Examples.
（実施例１）
図１は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を示した模式図であり、図２はその平面を示した模式図である。サファイアからなる基板（１）上に、ＡｌＮからなるバッファ層（６）を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層（２）を積層した。窒化ガリウム系化合物半導体層（２）は、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層および厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層（３）、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層（４）、および厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層と厚さ０．１８μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層がこの順序で積層されたｐ型半導体層（５）からなっている。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上に、厚さ１ｎｍのＮｉコンタクトメタル層（１１）、厚さ２μｍのＺｎＯ電流拡散層（１２）およびＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ５層構造（厚さはそれぞれ５０／２０／１０／１００／２００ｎｍ）のボンディングパッド層（１３）よりなる正極（１０）を形成した。電流拡散層（１２）の表面には、図２に示されるようなドット状パターンの斜め面を有する凸部を設けた。ｎ型ＧａＮコンタクト層上にＴｉ／Ａｕの二層構造の負極（２０）を形成した。光取り出し面は半導体側とした。
Example 1
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device manufactured in this example, and FIG. 2 is a schematic view showing the plane thereof. On the substrate (1) made of sapphire, a gallium nitride compound semiconductor layer (2) was laminated via a buffer layer (6) made of AlN. The gallium nitride-based compound semiconductor layer (2) includes an underlayer made of undoped GaN having a thickness of 8 μm, a Ge-doped n-type GaN contact layer having a thickness of 2 μm, and an n-type In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer having a thickness of 0.02 μm. An n-type semiconductor layer (3), a 16 nm thick Si-doped GaN barrier layer, and a 2.5 nm thick In 0.06 Ga 0.94 N well layer were stacked five times in this order, and finally a barrier layer was provided. A light emitting layer (4) having a multiple quantum well structure, an Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer having a thickness of 0.01 μm, and an Mg-doped p-type Al 0.02 Ga 0.98 N contact layer having a thickness of 0.18 μm in this order. The p-type semiconductor layer (5) is laminated. On the p-type AlGaN contact layer, a Ni contact metal layer (11) having a thickness of 1 nm, a ZnO current spreading layer (12) having a thickness of 2 μm, and an Au / Ti / Al / Ti / Au5 layer structure (thickness is 50 / A positive electrode (10) composed of a bonding pad layer (13) of 20/10/100/200 nm) was formed. On the surface of the current diffusion layer (12), a convex portion having an oblique surface of a dot-like pattern as shown in FIG. 2 was provided. A negative electrode (20) having a two-layer structure of Ti / Au was formed on the n-type GaN contact layer. The light extraction surface was the semiconductor side.
この構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０17ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０19ｃｍ-3であった。 In this structure, the carrier concentration of the n-type GaN contact layer is 1 × 10 19 cm −3 , the Si doping amount of the GaN barrier layer is 1 × 10 17 cm −3 , and the carrier concentration of the p-type AlGaN contact layer is 5 is a × 10 18 cm -3, Mg doping amount of p-type AlGaN cladding layer was 5 × 10 19 cm -3.
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図１の３〜６）は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。また、正極および負極は次の手順で形成した。 Lamination of the gallium nitride compound semiconductor layers (3 to 6 in FIG. 1) was performed by MOCVD under normal conditions well known in the technical field. Moreover, the positive electrode and the negative electrode were formed in the following procedure.
初めに反応性イオンエッチング法によって負極を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層を下記手順により露出させた。 First, the n-type GaN contact layer for forming the negative electrode by the reactive ion etching method was exposed by the following procedure.
まず、エッチングマスクをｐ型半導体層上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、正極領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０-4Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。 First, an etching mask was formed on the p-type semiconductor layer. The formation procedure is as follows. After uniformly applying the resist to the entire surface, the resist was removed from the positive electrode region using a known lithography technique. It was set in a vacuum deposition apparatus, and Ni and Ti were laminated by an electron beam method at a pressure of 4 × 10 −4 Pa or less so that the film thicknesses were about 50 nm and 300 nm, respectively. Thereafter, the metal film other than the positive electrode region was removed together with the resist by a lift-off technique.
次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０-4Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ2を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。 Next, the semiconductor laminated substrate is placed on the electrode in the etching chamber of the reactive ion etching apparatus, the pressure in the etching chamber is reduced to 10 −4 Pa, and then Cl 2 is supplied as an etching gas to expose the n-type GaN contact layer. Etched until After the etching, it was taken out from the reactive ion etching apparatus, and the etching mask was removed with nitric acid and hydrofluoric acid.
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、Ｎｉからなるコンタクトメタル層およびＺｎＯからなる電流拡散層を形成した。コンタクトメタル層および電流拡散層の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上に初めにＮｉを１ｎｍ、次にＺｎＯを２μｍ積層した。 Next, using a known photolithography technique and lift-off technique, a contact metal layer made of Ni and a current diffusion layer made of ZnO were formed only in the region where the positive electrode was formed on the p-type AlGaN contact layer. In the formation of the contact metal layer and the current diffusion layer, first, a substrate on which a gallium nitride compound semiconductor layer is laminated is placed in a vacuum sputtering apparatus, and Ni is first deposited on the p-type AlGaN contact layer by 1 nm and then ZnO is laminated by 2 μm. did.
真空室から取り出した後、引き続き、ＺｎＯ層の表面に光取り出し加工を施した。
まず、公知のフォトリソグラフィーの技術を用いてドット状のパターンのレジスト膜を形成した。レジストはポジ型と呼ばれる露光部分が現像処理で溶け出すものを使用し、レジストへの露光の時間を通常用いるよりも短くして、マスクパターンの縁の部分に露光不足の領域を作り出した。これを露光することにより、斜めの縁を有するレジストパターンを作製した。
After taking out from the vacuum chamber, the surface of the ZnO layer was subsequently subjected to light extraction processing.
First, a resist film having a dot pattern was formed using a known photolithography technique. The resist used was a positive-type resist in which the exposed portion was melted by the development process, and the exposure time for the resist was made shorter than usual to create an underexposed region at the edge of the mask pattern. By exposing this, a resist pattern having oblique edges was produced.
このようにして作製したレジストパターンつきの基板に、ドライエッチングを用いて斜めの面を形成した。ドット状の凸部は、四角錐の頂上を切ったような形状で、台形の断面を持っていて、上面は一辺が２μｍ下面は一辺が３μｍの四角形で形成されている。高さは１．７μｍ程度であり、５μｍの間隔でチップの辺に平行に並んでいる。ドット状の凸部を構成する斜めの面の基板に対してなす角度は約６０°であった。 An oblique surface was formed on the thus-prepared substrate with a resist pattern using dry etching. The dot-shaped convex part has a trapezoidal cross-sectional shape that is cut off from the top of a quadrangular pyramid, and is formed as a quadrangle whose upper side is 2 μm on the lower side and whose lower side is 3 μm. The height is about 1.7 μm, and they are arranged in parallel with the sides of the chip at intervals of 5 μm. The angle formed with respect to the substrate on the oblique surface constituting the dot-shaped convex portion was about 60 °.
さらにその後、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに同様な手法で電流拡散層上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、ボンディングパッド層を形成した。このようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層上に正極を形成した。 After that, it is processed in accordance with a well-known procedure called “normally lift-off”, and a first layer made of Au, a second layer made of Ti, and a third layer made of Al are formed on a part of the current diffusion layer by a similar method. , A fourth layer made of Ti, and a fifth layer made of Au were sequentially laminated to form a bonding pad layer. In this way, a positive electrode was formed on the p-type GaN contact layer.
次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極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、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮ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Ｔｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍ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除去した。 Next, a negative electrode was formed on the exposed n-type GaN contact layer by the following procedure. After uniformly applying the resist to the entire surface, the resist is removed from the negative electrode forming portion on the exposed n-type GaN contact layer using a known lithography technique, and Ti is sequentially applied from the semiconductor side by a commonly used vacuum deposition method. A negative electrode having a thickness of 100 nm and Au of 200 nm was formed. Thereafter, the resist was removed by a known method.
このようにして正極および負極を形成したウエーハを、基板裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板の板厚を薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れたあと、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。続いてこれらのチップをプローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ３．３Ｖであった。 After the wafer having the positive electrode and the negative electrode formed in this manner is ground and polished on the back surface of the substrate, the substrate thickness is reduced to 80 μm, and a ruled line is entered from the semiconductor lamination side using a laser scriber. It was cut and cut into 350 μm square chips. Subsequently, when these chips were energized with a probe needle and the forward voltage was measured at a current application value of 20 mA, it was 3.3 V.
その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は１０ｍＷを示した。またその発光面の発光分布は正極上の全面で発光しているのが確認できた。 After that, when mounted on a TO-18 can package and measured for light output by a tester, the light output at an applied current of 20 mA was 10 mW. Moreover, it was confirmed that the light emission distribution on the light emitting surface emitted light on the entire surface of the positive electrode.
この缶パッケージした状態で配光性を測定した。測定にはオプトサイエンス社製のＬＥＤ−１１００を用いた。チップの上方に設置したディテクタを、先ず、チップの一つの辺に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿って動かし、発光の強度を測定した。次に、その辺と直交する辺に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿って動かし、発光の強度を測定した。ディテクタとチップ中心を結んだ線が基板面となす角度に対する発光強度の分布は両者に差がなかった。 The light distribution was measured in the can package state. For measurement, LED-1100 manufactured by Opto Science Co., Ltd. was used. First, the detector installed above the chip was moved along a track that was parallel to one side of the chip and maintained the same distance as the chip, and the intensity of light emission was measured. Next, it was moved along a trajectory that was parallel to the side perpendicular to the side and maintained the same distance as the chip, and the intensity of light emission was measured. The distribution of light emission intensity with respect to the angle between the line connecting the detector and the center of the chip and the substrate surface was not different.
（実施例２）
本実施例では、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上にＧｅをドープしたトンネル層を設けたこと、コンタクトメタル層を設けずに電流拡散層を厚さ１μｍのＩＴＯとしたこと、および電流拡散層表面の凹凸のパターンをストライプ状としたことを除いて、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た。
(Example 2)
In this embodiment, a tunnel layer doped with Ge is provided on the p-type AlGaN contact layer, the current spreading layer is made of ITO having a thickness of 1 μm without providing the contact metal layer, and the irregularities on the surface of the current spreading layer. A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the pattern was formed in a stripe shape.
なお、トンネル層とはｐ型半導体層の表面に接触して設けられた、厚さ１〜５０ｎｍ程度の非常に薄いｎ型半導体層のことで、正極との接触抵抗を低減させる効果がある。 The tunnel layer is a very thin n-type semiconductor layer having a thickness of about 1 to 50 nm provided in contact with the surface of the p-type semiconductor layer, and has an effect of reducing the contact resistance with the positive electrode.
また、ストライプ状の凹凸加工は、Ｖ字形状をしたダイヤモンド針で電流拡散層表面をけがく事で行なった。ストライプは、Ｖ字状の断面をした凹部を形成しており、その開口部の幅は１μｍ程度、深さは０．５μｍ程度、ピッチは１０μｍ程度で、チップの一辺に平行に並んでいる。得られた発光素子の断面をＳＥＭ（走査式電子顕微鏡）で観察したところ、Ｖ字状の断面を構成する斜めの面は、基板に対して４５°の角度を有していた。 Further, the striped uneven processing was performed by scribing the surface of the current diffusion layer with a V-shaped diamond needle. The stripe forms a concave portion having a V-shaped cross section, and the opening has a width of about 1 μm, a depth of about 0.5 μm, and a pitch of about 10 μm, and is arranged in parallel with one side of the chip. When the cross section of the obtained light-emitting element was observed with an SEM (scanning electron microscope), the oblique surface constituting the V-shaped cross section had an angle of 45 ° with respect to the substrate.
得られた発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧は３．３Ｖと同じであったが、発光出力は１１ｍＷであった。さらに、缶パッケージした状態で実施例１と同様にして、配光均一性を測定した。発光強度は、ストライプ状凹凸に平行な方向と直角な方向とで、約４０％程度の差があり、ストライプ状凹凸に直角の方向の方が強かった。 When the obtained light emitting device was evaluated in the same manner as in Example 1, the forward voltage was the same as 3.3 V, but the light emission output was 11 mW. Furthermore, the light distribution uniformity was measured in the same manner as in Example 1 with the can packaged. The light emission intensity differs by about 40% between the direction parallel to the stripe-shaped unevenness and the direction perpendicular to the stripe-shaped unevenness, and the direction perpendicular to the stripe-shaped unevenness was stronger.
（実施例３）
本実施例では、コンタクトメタル層を厚さ５ÅのＰｔとしたこと、電流拡散層を厚さ５０ÅのＡｕとしたこと、電流拡散層上に厚さ２．２μｍのＳｉＯ2からなる保護膜を形成したこと、その保護膜に格子状の凸部を形成したことを除いて、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た。
(Example 3)
In this embodiment, the contact metal layer is made of Pt with a thickness of 5 mm, the current diffusion layer is made of Au with a thickness of 50 mm, and a protective film made of SiO 2 with a thickness of 2.2 μm is formed on the current diffusion layer. Thus, a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a lattice-shaped convex portion was formed on the protective film.
格子状の凸部は、実施例１と同様にテーパーを有するレジストを用いたドライエッチング法によって形成した。具体的には、四角錐を逆さにした形状の凹部を、ＳｉＯ２の膜に形成した。上面は一辺が４μｍの四角形で形成されている。深さは２μｍ程度であり、８μｍの間隔でチップの辺に平行に並んでいる。
The grid-like convex portions were formed by a dry etching method using a tapered resist in the same manner as in Example 1. Specifically, a concave portion having an inverted quadrangular pyramid shape was formed in the
この試料の断面を作製し、ＳＥＭ（走査式電子顕微鏡）で観察したところ、格子を構成する斜めの面は、基板に対して約７５°の角度を有していた。この発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧は３．３Ｖと同じであったが、発光出力は９ｍＷであった。
この、缶パッケージした状態で実施例１と同様にして、配光性を測定した。チップのどの辺の方向から見ても、発光強度には変わりがなかった。
When a cross section of this sample was prepared and observed with an SEM (scanning electron microscope), the oblique surfaces constituting the lattice had an angle of about 75 ° with respect to the substrate. When this light emitting device was evaluated in the same manner as in Example 1, the forward voltage was the same as 3.3 V, but the light emission output was 9 mW.
The light distribution was measured in the same manner as in Example 1 with the can packaged. The emission intensity did not change when viewed from any side of the chip.
（比較例１）
電流拡散層上に施す加工を、断面が長方形であるような四角柱のドットとしたこと以外は、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た。この発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧は３．３Ｖと同じであったが、発光出力は８ｍＷであった。
(Comparative Example 1)
A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the processing performed on the current diffusion layer was changed to a square pillar dot having a rectangular cross section. When this light emitting device was evaluated in the same manner as in Example 1, the forward voltage was the same as 3.3 V, but the light emission output was 8 mW.
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は優れた光取出し効率を有するので、この発光素子から高輝度のＬＥＤランプを作製することができる。また、優れた配光均一性を有するので、ディスプレイ用途およびバックライト用途として有用である。 Since the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention has excellent light extraction efficiency, a high-intensity LED lamp can be produced from this light emitting device. Moreover, since it has the outstanding light distribution uniformity, it is useful as a display use and a backlight use.
１ 基板
２ ＧａＮ系化合物半導体層
３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体層
６ バッファ層
１０ 正極
１１ コンタクトメタル層
１２ 電流拡散層
１３ ボンディングパッド層
１４ 保護膜
２０ 負極
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