JP2007134415A - 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極が対向して設けられるとともに、チップ分離用やレーザーリフトオフ用の分離溝をエッチングにより形成する窒化物半導体発光素子であっても、発光領域に損傷が加わらず、劣化のない高輝度な窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体層２には、ｐ側から見て活性層３を越えた領域に段差Ａが形成されている。この段差Ａの部分まで、保護絶縁膜６によりｎ型窒化物半導体層２の一部、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４、ｐ電極５の側面とｐ電極５の上側一部にかけて覆われている。チップ側面を保護絶縁膜６で覆う構造とすることで、チップ分離用やレーザーリフトオフ用の分離溝をエッチングにより形成する場合、活性層３等が、長時間エッチングガスに曝されることがない。
【選択図】 図１
【解決手段】ｎ型窒化物半導体層２には、ｐ側から見て活性層３を越えた領域に段差Ａが形成されている。この段差Ａの部分まで、保護絶縁膜６によりｎ型窒化物半導体層２の一部、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４、ｐ電極５の側面とｐ電極５の上側一部にかけて覆われている。チップ側面を保護絶縁膜６で覆う構造とすることで、チップ分離用やレーザーリフトオフ用の分離溝をエッチングにより形成する場合、活性層３等が、長時間エッチングガスに曝されることがない。
【選択図】 図１
Description
本発明は、電極が対向して設けられている窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子製造方法に関する。
窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。しかしながら、サファイア基板は絶縁性基板であり、導通がとれず、サファイア基板を挟んで電極を設けることができない。
したがって、サファイア基板上の窒化物半導体は、エピタキシャル成長後にｎ型窒化ガリウム層を露出するまでエッチングし、エッチングされた面にｎ型コンタクトを形成して、同一面側にｐ型とｎ型の二つの電極を設ける構造が一般的である。
ところが、上記のように同一面側にｐ型とｎ型の二つの電極を設ける構成とすると、ｎ電極に近接したメサ部分に電流が集中しやすいことにより、ＥＳＤ（静電破壊）電圧を上げることができない。また、活性層に均一に電流注入するのが難しく、活性層を均等に発光させるのが困難となる。さらに、同一面側で、ｐ電極とｎ電極の両方にワイヤボンディング用電極を必要とするため、いずれか一方のワイヤボンディング用電極を設ければ良い導電性基板上の窒化物半導体よりも有効発光面積を狭めてしまうとともに、チップ（素子）面積が大きくなり、同一のウエハから取れるチップ数が減少する。また、サファイアは硬度が高く、六方晶の結晶構造であるので、サファイアを成長用基板として用いた場合、サファイア基板をスクライブによりチップ分離する必要があり、製造工程が煩雑になり歩留まりが悪い。
一方、サファイア基板を用いた窒化物半導体素子において、光の取出効率を向上させる構造として、フリップチップ方式が提案されている。これはｐ型層を下にして、サファイア基板から光を取り出すようにしたものである。サファイアと空気間の屈折率差はＧａＮと空気の間のそれよりも小さいため、エスケープコーンが大きくなること、および研磨等で薄くするものの、サファイアの残し厚は６０〜８０μｍに及び、このため横方向から出る光も多くなり、これらの効果により明るくなるという利点がある。しかしながら、このフリップチップ方式でも、同一面側にｐ型とｎ型の両方の電極が存在しているので、上記いずれの問題も解決できない。
他方、導電性基板等を用いて窒化物半導体層に電極を対向するように設ければ、上記問題点は解消されるが、現在窒化ガリウム用に使用できる導電性基板のＳｉＣは値段が高く、導電性を持たせるために基板に不純物をドープすると光吸収が大きくなってしまう。
これらの問題を解決するために、サファイア基板を剥がし、ｎ型窒化ガリウム層を露出させ、その部分にｎ電極を形成する方法が用いられている。例えば、サファイア基板にＧａＮバッファ層を介して窒化物半導体としての化合物結晶層を形成した後、一般に３００ｎｍ以下程度のエキシマレーザー光を数百ｍＪ／ｃｍ２でサファイア基板側から照射し、ＧａＮバッファ層を分解させ、サファイア基板を剥離するレーザーリフトオフ（Laser Lift Off：以下ＬＬＯと略す）法がある。この方法はＧａＮ基板を使ったのに等しいチップができるため、電極を対向して設けることができ、上記問題は技術的に解決できる。
しかし、ＬＬＯを行うと、ＧａＮバッファ層が分解し、Ｎ２ガスが発生するため、ＧａＮバッファ層及び窒化物半導体にせん断応力が加わり、レーザー光の照射領域の境界部分から割れてしまうことが多い。このＮ２ガス発生によるクラックを防止するために、例えば図１３に示すように、サファイア基板２１上に形成され、分離層としての役割も有するＧａＮバッファ層２２と、この上に成長させた発光領域を有する窒化物半導体２３とを、素子毎に分離できる大きさに合わせてサファイア基板２１に達するまで分離溝２４をドライエッチングにより形成しておく。
次に、サファイア基板２１の後方からレーザー光を照射すると、ＧａＮバッファ層２２がレーザー光を吸収してＧａとＮとに分解し、Ｎ２ガスが発生するが、分離溝２４からＮ２ガスが排気されるので、Ｎ２ガスによる過剰な応力が窒化物半導体２３の結晶層に加わることを防止できる。
特開２００３−１６８８２０号公報
しかしながら、上記従来の方法では、レーザーリフトオフ（ＬＬＯ）時のＮ２ガスによるせん断応力は緩和されて窒化物半導体２３のクラックは防止できるが、Ｎ２ガスを排気するための分離溝２４をサファイア基板２１に達するまで形成する必要があるので、ドライエッチング時間が長くなり、窒化物半導体２３の発光領域側面がエッチングガス（プラズマ）に曝される時間が長くなるため、発光領域にダメージが加わり、リーク電流の増加とこれによるＥＳＤ劣化、輝度劣化が発生する。
また、ＬＬＯを用いずに、サファイア基板を研削により取り除く場合であっても、窒化物半導体層の割れ防止やチップ分離を容易にするために、分離溝２４をエッチングによってサファイア基板２１に達するまで形成する場合があり、このようなときでも、上記同様発光領域側面がプラズマに曝される時間が長くなるので、発光領域にダメージが加わり、リーク電流の増加やこれによるＥＳＤ劣化、輝度劣化が発生する。
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、電極が対向して設けられるとともに、チップ分離用やレーザーリフトオフ用の分離溝をエッチングにより形成する窒化物半導体発光素子であっても、発光領域に損傷が加わらず、劣化のない高輝度な窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子製造方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくともｎ側電極、ｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えた窒化物半導体発光素子において、前記発光領域よりもｎ側電極側に段差を有し、前記ｐ側電極から段差位置まで積層方向に沿って第１保護絶縁膜が形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
また、請求項２記載の発明は、前記第１保護絶縁膜が、前記ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層よりも小さな屈折率を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
また、請求項３記載の発明は、前記第１保護絶縁膜の外側に、該第１保護絶縁膜よりも屈折率の小さい第２保護絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。
また、請求項４記載の発明は、成長用基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層とを順に備え、これら半導体層を分離する分離溝をｐ型窒化物半導体層から成長用基板に達するまでエッチングにより形成する窒化物半導体発光素子製造方法において、前記発光領域を越えた位置までエッチングを行い第１分離溝を形成した後エッチングを停止し、前記第１分離溝の深さまで積層方向に第１保護絶縁膜を形成した後、エッチングにより前記第１分離溝をさらに伸ばして前記成長用基板に達する第２分離溝を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法である。
また、請求項５記載の発明は、前記第２分離溝を形成した後に、前記成長用基板と対向するように支持基板を成長層の上側と接合し、その後前記成長用基板を分離することを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子製造方法である。
本発明によれば、窒化物半導体層にｎ電極とｐ電極とが対向して設けられ、チップ分離用又はレーザーリフトオフ用の分離溝がエッチングにより形成されるような窒化物半導体発光素子であっても、ｐ電極から発光領域を越えてｎ型窒化物半導体層上に設けられた段差位置までの側面を保護絶縁膜で覆う構成としているので、発光領域等が長時間エッチングガスに曝されることがなく、発光領域等を保護することができる。
また、第１保護絶縁膜の外側に第２保護絶縁膜を重ねて形成した場合、第１保護絶縁膜の屈折率よりも第２保護絶縁膜の屈折率を小さくすることで、側面に放射された光の一部を全反射により反射させて取り出すことができ、光の取出効率を高めることができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による第１の窒化物半導体発光素子の断面構造を示す。
III−V族半導体としても知られる窒化物半導体は、周期表のIII族から選択されるＡｌ、Ｇａ及びＩｎ等の元素と、V族の元素Ｎとを有する。窒化物半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の２元混晶であってもよく、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）または窒化アルミニウムインジウム（ＩｎＧａＮ）等の３元混晶、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）等の４元混晶であってもよい。これらの材料を基板上に付着させて、光電子デバイス用途の発光素子として使用可能な積層半導体構造を製造する。窒化物半導体は、緑−青−紫−紫外スペクトルの短波長の可視光の発光に必要な広いバンドギャップを有する。
本実施例では、ＩｎＧａＮの３元混晶系を用いているが、上述したようにＩｎＧａＮに限定されるものではない。発光領域としての活性層３を挟むようにしてｎ型窒化物半導体層２とｐ型窒化物半導体層４が形成されており、ダブルへテロ構造を有する。活性層３は、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮで構成された多重量子井戸構造を有するもので、井戸層としてＩｎＧａＮ、バリア層（障壁層）としてアンドープＧａＮを交互に積層しているが、バリア層は、０．５〜２％のＩｎ組成からなるＩｎＧａＮを用いることもできる。ところで、発光領域として活性層３を設けるようにしているが、この活性層３を設けずに、ｎ型窒化物半導体層２とｐ型窒化物半導体層４とを直接ｐｎ接合するようにしても良い。この場合、発光領域はｐｎ接合界面部分となる。
ｎ型窒化物半導体層２は、例えば、ｎ型不純物ＳｉドープのＧａＮコンタクト層とこの上に積層されたｎ型不純物ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層とで構成される。この超格子層は、格子定数差の大きいＩｎＧａＮとＧａＮの応力を緩和し、活性層のＩｎＧａＮを成長させやすくするものである。一方、ｐ型窒化物半導体層４は、例えば、ｐ型不純物ＭｇドープのＧａＮコンタクト層で構成される。ｎ型窒化物半導体層２の下側にはｎ電極１が形成され、ｐ型窒化物半導体層４の上にはｐ電極５が形成されている。ｎ電極１は、ＴｉとＡｌの積層体又はＡｌ等で構成されており、ｎ型窒化物半導体層２にオーミック接触している。ｐ電極５はＮｉとＡｕの積層体等を用いることができるが、光の取出効率を考えた構造とする場合には、透明電極とすることが望ましく、例えばＺｎＯを用いてオーミック接触させた電極とすることができる。
導電性融着層７は、ｐ電極５と支持基板８とを接合するもので、半田等のろう材であっても良く、熱圧着の場合にはＴｉとＡｕの多層金属膜又はＡｕのみ、Ａｕ及びＳｎの合金とＴｉとの多層金属膜等が用いられる。導電性融着層７によってｐ電極５と支持基板８とが電気的に接続される。支持基板８は、サファイア基板上に成長させた窒化物半導体を貼り替えるために用いられるもので、導電性基板が用いられることが多く、導電性基板として、ＧａＮ、シリコン、ＳｉＣ等の材料が用いられ、また、高熱伝導サブマウントとしてＣｕやＡｌＮ等も用いられる。ＡｌＮを支持基板とした場合は、絶縁性基板となるが、プリント基板等の回路上にチップを載せるときに有利となる。支持基板８を導電性基板とした場合には、支持基板８に形成された導電性融着層７とは反対側に外部接続端子等が設けられ、外部の電気端子と接続される。
ところで、ｎ型窒化物半導体層２には、ｐ側から見て活性層３を越えた領域に段差Ａが形成されている。この段差Ａの部分まで、第１保護絶縁膜としての保護絶縁膜６によりｎ型窒化物半導体層２の一部、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４、ｐ電極５の側面とｐ電極５の上側一部（コンタクトホールを除いた部分）にかけて覆われており、例えば、発光ダイオード素子の場合、保護絶縁膜６はチップの周縁部に環状に形成され、半導体レーザーの場合には、共振器構造を得るためにチップの両側面に形成される。保護絶縁膜６には、ＳｉＮやＳＯＧ（Spin On Glass）等が用いられる。
このように、段差Ａの位置から上側のチップ側面を保護絶縁膜６で覆う構造とすることで、素子毎に分離するための分離溝をエッチングで形成する場合や、ＬＬＯによって発生するＮ２ガスを排気するための分離溝をエッチングで形成する場合に、ｎ型窒化物半導体層２の一部、発光領域である活性層３、ｐ型窒化物半導体層４は保護絶縁膜６により保護されるので、長時間エッチングガス（プラズマ）に曝されることがなく、素子の劣化を防止することができる。
図１の構成による窒化物半導体発光素子の活性層３で発生した光は、ｎ電極１の方向（図の下側方向）に取り出されるが、保護絶縁膜６の屈折率をｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４のいずれの屈折率よりも小さくすることによって、素子内部から側面に向かって放射される光の一部が各半導体層と保護絶縁膜６との境界面で全反射するため、光の取出効率が向上する。上述したように、保護絶縁膜６をＳｉＮやＳＯＧとすると、ＧａＮを含む各半導体層よりも保護絶縁膜６の屈折率が小さくなる。
以下、図６〜図１２を用いて、本発明の窒化物半導体発光素子製造方法を説明する。最初に図６を参照しつつ説明すると、まず、成長用基板としてサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、サファイア基板１１をサーマルクリーニングする。温度を６００℃程度まで下げ、低温で分離層となるＧａＮバッファ層１２を成長させる。
上記最初の工程については、以下のように行うこともできる。例えば、サファイア基板１１をＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）装置に入れ、ガスを導入しないまま、６００〜８００℃でサファイア基板１１をクリーニングする。ＧａＮをターゲットとし、ＫｒＦレーザーでアブレートしてＧａＮ単結晶からなるＧａＮバッファ層１２を成長させるようにしても良い。その後は、ＭＯＣＶＤ装置に搬入し、以下同様に成膜を行う。
ＭＯＣＶＤ装置内の温度を再び１０００℃程度まで上げ、ＧａＮバッファ層１２の上に、ｎ型窒化物半導体層２を積層する。ｎ型窒化物半導体層２は、例えば、ｎ型不純物ＳｉドープのＧａＮコンタクト層とｎ型不純物ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層とで構成される。したがって、まず、ＧａＮバッファ層１２の上に、ｎ型不純物ＳｉドープのＧａＮコンタクト層を成長させ、さらにその上にｎ型不純物ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を成長させる。
次に、活性層３を形成する。活性層３は、一例として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ層（多重量子井戸構造層）を用いており、井戸層としてＩｎ０．１７ＧａＮを２０〜４０Å望ましくは２５〜３５Å、バリア層としてアンドープＧａＮ層又は１％程度のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層を５０〜３００Å望ましくは１００〜２００Åで交互に積層して、例えば３〜１０周期望ましくは５〜８周期の多層構造で成長させる。ところで、Ｉｎ組成比率が高いＩｎＧａＮ井戸層は、高温になるとＩｎが昇華して壊れやすくなるので、キャップ層の役割を有するアンドープＧａＮ層もしくは１％程度のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を活性層３の上に積層する。その後昇温し、ｐ型窒化物半導体層４を成長させる。ｐ型窒化物半導体層４は、例えば、ｐ型不純物ＭｇドープのＧａＮコンタクト層等で構成される。
次に、ｐ電極５として、例えば、ＧａドープＺｎＯ電極を用いる場合は、分子線エピタキシー法を用いて、２ｅ−４Ωｃｍ程度の低い抵抗率を持つＧａドープＺｎＯ電極を積層し、チップの形状に合わせてエッチングする。ＳｉＯ２のような誘導体膜やレジストによりマスク１３をチップ形状に合わせて形成する。
次に、図７に示すように、ＩＣＰなどを用いてメサエッチングを行って第１分離溝を形成する。メサエッチングは活性層３を通過し、ｎ型窒化物半導体層２中のｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するところまで行い、一旦エッチングを停止する。
図８に示すように、Ｐ−ＣＶＤやスパッタリングで保護絶縁膜６をｐ電極５上面から第１分離溝の下端まですべて覆うように形成し、第１分離溝内を埋めつくさないように、隣接する素子間の隙間は十分に開けておく。保護絶縁膜６は、発光ダイオード素子の場合、チップの周縁部に環状に形成され、半導体レーザーの場合には、共振器構造を得るためにチップの両側面に形成される。そして、図９に示すように、ＳｉＯ２のような誘導体膜やレジストによるマスク１４のパターニングをコンタクトホール形状に合わせて行い形成する。
次に、図１０に示すように、ＣＦ４系ドライエッチングでコンタクトホール１７の領域に該当する保護絶縁膜６を除去し、ｐ電極５に対するコンタクトホール１７を形成する。本実施例では、ｐ電極５にＺｎＯ電極を用いているが、ＣＦ４系のドライエッチングではＺｎＯのエッチングレートは保護絶縁膜６より遅いため、ＺｎＯ自身がエッチングストップとして機能する。
コンタクトホールを形成した後、導電性融着層７を蒸着法で形成し、図１１に示すように、図７のプロセスで中断していたエッチングを再開し、サファイア基板１０が露出するまでエッチングを行って第２分離溝を形成する。このエッチングの際に、発光領域としての活性層３、ｐ型窒化物半導体層４等の既に保護絶縁膜６が設けられている領域は、エッチングガス（プラズマ）に曝されることがなく、劣化を防止することができる。第２分離溝の溝幅は、図７で示された第１分離溝よりも小さくなる。
エッチングが終了した後、図１２に示すように、支持基板８を成長用基板（サファイア基板１１）上の成長層の最上部に配置し、導電性融着層７により熱圧着等を利用して、図１１に示される積層体に貼り付ける。ここで、分離溝Ｃ＝第１分離溝＋第２分離溝を示す。この分離溝Ｃは、サファイア基板１１を除去するために、ＬＬＯを用いた場合、ＧａＮバッファ層１２が分解して発生するＮ２ガスを排気して窒化物半導体層のクラックを防止する役割と、素子毎（チップ毎）に分離する素子分離溝としての役割とを有する。
次に、ＬＬＯによりサファイア基板１１を除去する場合は、２４８ｎｍで発振するＫｒＦレーザーをサファイア基板１１側からＧａＮバッファ層１２に向けて照射してサファイア基板１１を剥離する。レーザーはＫｒＦ以外に、ＡｒＦ：１９３ｎｍ、ＸｅＣｌ：３０８ｎｍ、ＹＡＧ３倍波：３５５ｎｍ、Ｓａｐｐｈｉｒｅ：Ｔｉ３倍波：３６０ｎｍ、Ｈｅ−Ｃｄ：３２５ｎｍなどが使用できる。
ＫｒＦの場合、必要照射エネルギーは５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２望ましくは１００〜４００ｍＪ／ｃｍ２である。２４８ｎｍの光はサファイア基板１１をほぼ完全に透過し、ＧａＮバッファ層１２ではほぼ１００％吸収するため、サファイア基板１１とＧａＮバッファ層１２の界面で急速に温度上昇が起こり、ＧａＮバッファ層１２のＧａＮが分解する。この時発生するＮ２は分離溝Ｃの空隙に逃げるため、窒化物半導体層に圧力がかからず、効果的にクラックを防止できる。サファイア基板１１の剥離後、酸エッチングなどで余分のＧａを流し、ｎ電極１を形成する。ｎ電極１は、多層金属膜で形成されており、Ａｌ／Ｎｉ／ＡｕやＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ、又はＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／ＡｕやＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等で構成される。
その後、ダイシング等により支持基板８を切断してチップ状に分離すると図１の窒化物半導体発光素子が完成する。保護絶縁膜６でｎ型窒化物半導体層２の一部、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４等が覆われているので、チップ化の際のダイシング等によるチッピング時のショートを防止することができる。
ｎ型窒化物半導体層２の光取り出し面（ｎ電極１側の面）は、図１のように鏡面に仕上げられていても良いが、光の取出効率を高めるために、図２に示すように粗面加工した表面（凹凸が形成された表面）としても良い。ｎ型窒化物半導体層２と大気との屈折率差により臨界角が存在し、臨界角よりも大きな入射角を有する出射光は、全反射して外部に取り出すことができないので、凹凸を形成することにより、入射角が臨界角よりも小さくなる割合を増やして、光の取出効率を向上させるものである。
粗面加工は、図１２の製造工程において、ｎ電極１を形成する前に、ｎ電極１を積層する領域部分をＳＯＧ、ＳｉＮ等のマスクで覆い、ＫＯＨと波長３６５ｎｍを含むＵＶ光を用いてエッチングを行い、ｎ型窒化物半導体層２の露出面に凹凸を形成する。次に、マスクを剥離してｎ電極１を形成する。
図３は、第２の窒化物半導体発光素子の断面構造を示す。各図で同じ符号を付しているものは、同じ構成を示す。図２と異なり、保護絶縁膜を２重にした構造となっている。保護絶縁膜６の外側に第２保護絶縁膜として保護絶縁膜９が設けられおり、保護絶縁膜６と同様、発光ダイオード素子の場合、チップの周縁部に環状に形成され、半導体レーザーの場合には、共振器構造を得るためにチップの両側面に形成される。
保護絶縁膜９の屈折率は、保護絶縁膜６の屈折率よりも小さく構成されている。窒化物半導体発光素子の光の取出は、チップ内部からｎ電極１方向に向けて取り出されるが、活性層３で発光した光は、上下左右、３６０度方向に放射されるために、光の取出効率が悪くなる。
保護絶縁膜９の屈折率を保護絶縁膜６の屈折率よりも小さくすることで、チップ側面に放射された光の一部が、保護絶縁膜６と保護絶縁膜９の境界面で全反射を起こしてチップ内部に反射されるようになるので、図２の窒化物半導体発光素子よりもさらに光の取出効率が向上する。例えば、保護絶縁膜６をＳｉＮやＺｒＯ２とし、保護絶縁膜９をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やＳＯＧとすると、ＧａＮ含む各半導体層、保護絶縁膜６、保護絶縁膜９の順に屈折率が小さくなる。
図４は、図３と同様、保護絶縁膜を２重にしているが、図３と異なるのは、外側の保護絶縁膜９１が段差Ａの位置までしか形成されているのではなく、ｎ型窒化物半導体層２の下端まで形成されており、窒化物半導体層の側面全体を覆うように設けられている。このように、外側の保護絶縁膜９１を形成し、かつ、保護絶縁膜９１の屈折率をｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４及び保護絶縁膜６よりも小さくすることで、ｎ型窒化物半導体層２と保護絶縁膜９１との境界面における全反射光と、ｐ型窒化物半導体層４又は活性層３と保護絶縁膜６との境界面における全反射光及び保護絶縁膜６と保護絶縁膜９１との境界における全反射光とによって、多くの光をｎ電極１方向に導くことができ、図３よりもさらに光の取出効率が向上する。
図５は、２重に保護絶縁膜を設けた場合で、さらに、光の取出効率を高めた構成を示す。図３と同様に、屈折率の異なる２重の保護絶縁膜が設けられているが、反射膜１０が設けられており、側面の保護絶縁膜からの全反射だけでなく、この反射膜１０により上方向に向かった光を反射させてｎ電極１の方向に取り出そうとするものである。この場合、ｐ電極５は透明電極でなければならず、上述したＧａドープＺｎＯ電極を用いる。
ｐ型窒化物半導体層にｐ型ＧａＮコンタクト層を用いた場合、ＧａをドープしたＺｎＯは、ＧａＮと格子定数が近似しており、事後のアニ−ルをすることなく、ｐ型ＧａＮコンタクト層との間に良好なオーミック接触を形成する。また、反射膜１０には、ＡｌやＡｇなどの銀白色系の反射ミラーとして働く金属が用いられる。保護絶縁膜６１としては、透明絶縁膜であるＳｉＮやＺｒＯ２が、保護絶縁膜９２としては、透明絶縁膜であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が用いられる。
保護絶縁膜９に用いられるアルミナは、反射膜１０と保護絶縁膜６１との間の密着性を高めて反射膜１０の剥離を防ぐ接着層として作用するとともに、屈折率がＧａＮを含む半導体層、保護絶縁膜６１、保護絶縁膜９２の順に小さくなっていくので、全反射による光の取出効率が高くなるという働きがある。形成方法は、保護絶縁膜６１を形成した後、保護絶縁膜９２（アルミナ）をスパッタにより積層し、エッチングによりコンタクトホール１８Ａ、１８Ｂを開けた後、反射膜１０を蒸着法で成膜する。
反射膜１０は、ｐ電極５上に直接全面に積層されておらず、小さなコンタクトホール１８Ａ、１８Ｂを介して反射膜１０の一部がｐ電極５に直接接触するように形成され、その他の領域には保護絶縁膜６１、９２を間に挟んで反射膜１０が形成されている。これは、ｐ電極５と反射膜１０とがほぼ全面で接するようにすると、ｐ電極５と反射膜１０との間で光の吸収が発生して反射率が低下するためである。ＡｌやＡｇなどの銀白色系金属は、ＧａドープＺｎＯとオーミック接触を形成し、これに起因して、反射膜１０の反射率が阻害されるものと推定される。
したがって、図５のように、コンタクトホール１８Ａ、１８Ｂでのみ接触させるようにすれば、光の吸収はコンタクトホール１８Ａ、１８Ｂのみでしか発生せず、高い反射率を維持することができる。また、前述したように、屈折率がＧａＮを含む半導体層、保護絶縁膜６１、保護絶縁膜９２の順に小さくなるので、全反射による光の取出効率の向上はあるものの、光の入射角が小さいもの、例えば、ほぼ直進に近いような光は全反射しないので、これらの光も反射膜１０で反射させてｎ電極１側に取り出すようにしている。 なお、外側の保護絶縁膜９２は、図４のようにｎ型窒化物半導体層２の下端まで形成するようにしても良い。
１ ｎ電極
２ ｎ型窒化物半導体層
３ 活性層
４ ｐ型窒化物半導体層
５ ｐ電極
６ 保護絶縁膜
７ 導電性融着層
８ 支持基板
９ 保護絶縁膜
１０ 反射膜
２ ｎ型窒化物半導体層
３ 活性層
４ ｐ型窒化物半導体層
５ ｐ電極
６ 保護絶縁膜
７ 導電性融着層
８ 支持基板
９ 保護絶縁膜
１０ 反射膜
Claims (5)
- 少なくともｎ側電極、ｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えた窒化物半導体発光素子において、前記発光領域よりもｎ側電極側に段差を有し、前記ｐ側電極から段差位置まで積層方向に沿って第１保護絶縁膜が形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
- 前記第１保護絶縁膜は、前記ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層よりも小さな屈折率を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
- 前記第１保護絶縁膜の外側に、該第１保護絶縁膜よりも屈折率の小さい第２保護絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 成長用基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層とを順に備え、これら半導体層を分離する分離溝をｐ型窒化物半導体層から成長用基板に達するまでエッチングにより形成する窒化物半導体発光素子製造方法において、前記発光領域を越えた位置までエッチングを行い第１分離溝を形成した後エッチングを停止し、前記第１分離溝の深さまで積層方向に第１保護絶縁膜を形成した後、エッチングにより前記第１分離溝をさらに伸ばして前記成長用基板に達する第２分離溝を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法。
- 前記第２分離溝を形成した後に、前記成長用基板と対向するように支持基板を成長層の上側と接合し、その後前記成長用基板を分離することを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
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