JP2014170815A - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光層内を流れる電流の拡がりを確保しながらも、光取り出し効率の高いＬＥＤ素子を実現する。
【解決手段】 ＬＥＤ素子１は、支持基板１１上に、ｎ型窒化物半導体層３５、発光層３３及びｐ型窒化物半導体層３１を含む半導体層３０を有してなり、半導体層３０の上層全面に形成された導電性の第１透光層４１と、第１透光層４１の上層に形成された電極４５と、第１透光層４１の上層のうち、電極４５が形成されていない箇所の少なくとも一部領域に形成された第２透光層４３を備え、第２透光層４３が、第１透光層４１よりも低屈折率で空気よりも高屈折率な材料で構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明はＬＥＤ素子に関し、特に光取り出し効率を高めた素子に関する。

従来、窒化物半導体を用いたＬＥＤにおいては、主としてGaNが利用されている。この場合、格子整合の観点からサファイア基板上にエピタキシャル成長させて欠陥の少ないGaN膜を形成することで、窒化物半導体からなるＬＥＤ素子を形成していた。ここで、サファイア基板は絶縁材であることから、GaN系ＬＥＤへの給電には、ｐ層の一部を削ってｎ層を露出させ、ｐ層及びｎ層の各層に給電用電極を形成していた。このように給電用の電極が同じ向きに配置されている構造のＬＥＤを横型構造と呼び、例えば下記特許文献１にこのような技術が開示されている。

一方で、ＬＥＤ素子の発光効率の改善や光取り出しの効率化を目的として、ｐ層とｎ層を表裏面に配置し給電する、いわゆる縦型構造のＬＥＤの開発が進められている。この縦型構造のＬＥＤを製造する際には、サファイア基板上に下から順にｎ層、ｐ層を配置し、当該ｐ層側にシリコン（Si）や銅タングステン（CuW）からなる支持基板を接合した後、サファイア基板が除去される。この場合、素子表面はｎ層側となり、このｎ層に給電端子を設け、この給電端子に給電線であるワイヤを繋ぐことで電圧印加を行っている。

縦型の構造においては、ｐ層側の電極（以下、「ｐ側電極」と呼ぶ。）と、ｎ層上に形成されるボンディング電極（以下、「ｎ側電極」と呼ぶ。）の間に電圧が印加されると、ｐ側電極から発光層を含むＬＥＤ層を介してｎ側電極に電流が流れる。発光層内を電流が流れることで、当該発光層の領域が発光する。

ここで、ｐ側電極とｎ側電極は鉛直方向に対向する位置関係に配置される。このため、両電極間に電圧が印加された場合、ｐ側電極からｎ側電極に向かってほぼ最短距離で向かう鉛直方向の電流経路が形成される。この場合、ｎ側電極の直下に位置する発光層内を大部分の電流が流れ、他の発光層内にはあまり電流が流れず、発光領域が限定的となり、発光効率が低くなるという問題がある。

このような課題を受け、下記特許文献２では、ｎ側電極を網目状に設ける構成が開示されている。ｎ側電極を網目状に設けることで、光の取り出し領域を確保しながら、発光層を流れる電流を水平方向に広げることが可能となる。

特許第２９７６９５１号明細書 特許第３５１１９７０号明細書

発光層内の水平方向の広い範囲にわたって電流を流すために、ｎ側電極をｎ層上層の全面にわたって形成することができれば、これは最も簡便な方法であるといえる。しかし、ｎ側電極は通常金属電極が用いられる。金属電極をｎ層上層の全面に形成すると、発光層で発光した光は金属電極に遮られ、素子の外部に取り出すことができない。そこで、光の取り出し領域を確保しつつ、発光領域を水平方向になるべく広くするために、上記の特許文献２では、網目状に金属電極を形成する方法を採用している。

しかし、この方法においても、網目状に形成された金属電極が発光層からの光を一部遮ってしまう。

光を効率良く外部に取り出しつつ、発光領域を水平方向になるべく広くするための方法としては、ｎ側電極をITO（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）などの透明電極（透光性導電性層）で形成し、これをｎ層上層の全面に形成するということが考えられる。しかし、本発明者の鋭意研究により、この方法によると、発光層からの光の一部が透明電極で反射してしまい、取り出せる光の量が十分ではないＬＥＤ素子が形成されることが分かった。

本発明は、上記の課題に鑑み、発光層内を流れる電流の拡がりを確保しながらも、光取り出し効率の高いＬＥＤ素子を実現することを目的とする。

本発明のＬＥＤ素子は、支持基板上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層及びｐ型窒化物半導体層を含む半導体層を有してなり、
前記半導体層の上層全面に形成された導電性の第１透光層と、
前記第１透光層の上層に形成された電極と、
前記第１透光層の上層のうち、前記電極が形成されていない箇所の少なくとも一部領域に形成された第２透光層を備え、
前記第２透光層が、前記第１透光層よりも低屈折率で空気よりも高屈折率な材料で構成されていることを特徴とする。

第１透光層を構成する透光性導電体層と空気の間には大きな屈折率差が存在する。このため、第１透光層を直接空気に接触させる構成とした場合、発光層から放射された光のうち、第１透光層に入射する角度によっては、そのまま第１透光層の表面で発光層側に反射されてしまい、外部への取り出し光量が低下してしまう。

これに対し、上記構成のように、第１透光層よりも低屈折率で空気よりも高屈折率な第２透光層を、第１透光層の上層に形成しておくことで、異なる媒質内を光が通過する際の隣接媒質間の屈折率差を小さくすることができる。これにより、第１透光層の表面で発光層側へと反射してしまう光の量が低下し、光の取り出し効率は向上する。

また、半導体層の上層全面に導電性の第１透光層を形成し、その上層に電極を形成する構成であるため、電極から注入された電流は、第１透光層内を支持基板の基板面に平行な方向に拡がる。よって、発光層内を流れる電流経路を、この基板面に平行な方向に拡げることができ、発光層の全体で発光させることができる。

よって、上記構成によれば、発光層内を流れる電流の拡がりを確保しつつ、光取り出し効率の高いＬＥＤ素子が実現される。

なお、第１透光層としては、ITOが好適に利用される。ITO以外の材料としては、例えばIZO、In₂O₃、SnO₂、又はIGZOなどの酸化物導電性材料を利用することができる。また、第２透光層としては、SiO₂、Si₃N₄又はサファイアなど、第１透光層よりも低屈折率で空気よりも屈折率の高い材料が利用できる。

なお、半導体層の表面を保護する目的で、半導体層の上面に透光性の保護層を形成するＬＥＤ素子が想定される。しかし、半導体層の上面全面に第１透光層を形成する本構成の場合、この第１透光層によって、半導体層の表面保護機能は実現されている。本発明のＬＥＤ素子は、光取り出し効率の向上目的で、第１透光層の上層に敢えて第２透光層を積層させた構成である。

ここで、前記第２透光層を、前記電極よりも熱膨張係数の小さい材料で構成し、前記電極に対して前記支持基板の基板面に平行な方向に離間を有して形成するのが好適である。

電極は一般的に金属で形成され、特に空気との接触によって酸化されにくい材料としては金（Au）が好適に利用される。例えば、このAuは熱膨張係数が14.2×10^-6/Kである。これに対し、例えば第２透光層として透光性の絶縁材料であるSiO₂を採用した場合、この熱膨張係数は8〜13×10^-6/Kである。

ＬＥＤ素子の発光時には電流が流れており、このとき当該素子がジュール熱を起因として昇温し、各部材も熱膨張する。ここで、熱膨張係数の大きな電極は、電極よりも熱膨張係数の小さい第２透光層よりも大きく膨張する。このとき、電極と第２透光層が密着して形成されている場合、膨張した電極が第２透光層を圧迫し、第２透光層の割れや電極の剥がれを招くおそれがある。

しかし、上記構成のように、電極に対して基板面に平行な方向に離間を有した状態で第２透光層をすることで、電極と第２透光層の間には隙間があるため、仮に電極が第２透光層よりも大きく熱膨張したとしても、第２透光層を圧迫する事態を回避できるので、第２透光層の割れや電極の剥がれが防止される。

また、上記構成に加えて、
前記電極は、前記第１透光層の上層に形成される配線用電極と、当該配線用電極の一部上面に形成される給電用電極を有し、
前記第２透光層は、前記配線用電極に対して、前記支持基板の基板面に平行な方向に離間を有して形成されている構成としても構わない。

この構成としたとき、第１透光層の上層に配線用電極が形成されるため、給電用電極によって供給される電流を、この配線用電極によって基板面に平行な方向に更に拡げる効果が得られる。

また、上層に前記電極が形成されていない領域に形成された、少なくとも一部の前記第１透光層は、上面及び底面に凹凸形状を有し、
前記凹凸形状を有する前記第１透光層の上層に位置する前記第２透光層も、上面及び底面に凹凸形状を有する構成とするのが好適である。

このような構成とすることで、発光層から放射された光が第１透光層又は第２透光層の表面で発光層側に反射する割合が大きく低下し、光の取り出し効率を更に高めることができる。

本発明によれば、発光層内を流れる電流の拡がりを確保しつつ、光取り出し効率の高いＬＥＤ素子が実現される。

ＬＥＤ素子の模式的平面図である。 ＬＥＤ素子の模式的断面図である。 ＬＥＤ素子の発光層から放射された光が外部に取り出されるまでの光の道筋を模式的に示した図である 第２透光層の屈折率を変化させたときの光取り出し効率ηの変化、並びに隣接して形成される異なる層間の臨界角の変化を示したグラフである。 ＬＥＤ素子の別の模式的断面図である。

本発明のＬＥＤ素子につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［構造］
本発明のＬＥＤ素子１の構造につき、図１及び図２を参照して説明する。図１はＬＥＤ素子１の模式的平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線での概略断面図である。

ＬＥＤ素子１は、支持基板１１上に、ｐ型窒化物半導体層３１（以下、「ｐ型半導体層３１」と略記）、発光層３３及びｎ型窒化物半導体層３５（以下、「ｎ型半導体層３５」と略記）を含む半導体層３０を有する構造である。そして、ＬＥＤ素子１は、半導体層３０の上層全面に形成された導電性の第１透光層４１と、第１透光層４１の上層に形成された電極４５と、第１透光層４１の上層のうち、電極４５が形成されていない箇所の少なくとも一部領域に形成された第２透光層４３を備える。

（支持基板１１）
支持基板１１は、例えばCuW、W、Moなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。

（導電層２０）
支持基板１１の上層には、多層構造からなる導電層２０が形成されている。この導電層２０は、本実施形態では、ハンダ層１３、保護層１５及び反射電極１７を含む。

ハンダ層１３は、例えばAu-Sn、Au-In、Au-Cu-Sn、Cu-Sn、Pd-Sn、Snなどで構成される。

保護層１５は、例えばPt系の金属（TiとPtの合金）、W、Mo、Niなどで構成される。この保護層１５は、ハンダ層１３を構成する材料が後述する反射電極１７側に拡散し、反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。

反射電極１７は、例えばAg系の金属（NiとAgの合金）、Al、Rhなどで構成される。ＬＥＤ素子１は、発光層３３から放射された光を、図１の紙面手前方向及び図２の紙面上方向に取り出すことを想定しており、反射電極１７は、発光層３３から下向きに放射された光を上向きに反射させることで発光効率を高める機能を果たしている。

なお、導電層２０は、一部において半導体層３０、より詳細にはｐ型半導体層３１と接触しており、支持基板１１と電極４５の間に電圧が印加されると、支持基板１１、導電層２０、半導体層３０を介して電極４５へと流れる電流経路が形成される。

（絶縁層１９）
絶縁層１９は、例えばSiO_2、SiN、Zr₂O₃、AlN、Al₂O₃などで構成される。この絶縁層１９は、上面がｐ型半導体層３１の底面と接触している。

（半導体層３０）
上述したように、半導体層３０は、ｐ型半導体層３１、発光層３３、及びｎ型半導体層３５が下からこの順に積層されて形成される。

ｐ型半導体層３１は、例えばAl_mGa_1-mN（0＜m≦1）で構成される層（正孔供給層）とGaNで構成される層（保護層）を含む多層構造で構成される。いずれの層も、Mg、Be、Zn、Cなどのｐ型不純物がドープされている。

発光層３３は、例えばInGaNからなる井戸層とAlGaNからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する半導体層で形成される。これらの層はノンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。

ｎ型半導体層３５は、発光層３３に接触する領域にGaNで構成される層（保護層）を含み、第１透光層４１に接触する領域にAl_nGa_1-nN（0＜n≦1）で構成される層（電子供給層）を含む多層構造である。少なくとも保護層には、Si、Ge、S、Se、Sn、Teなどのｎ型不純物がドープされており、特にSiがドープされているのが好ましい。

（第１透光層４１）
第１透光層４１は、例えばITO、IZO、In₂O₃、SnO₂、IGZO（InGaZnO_x）などの導電性の透光性材料で構成される。この第１透光層４１は、ｎ型半導体層３５の上層の全面に形成されており、発光層３３に供給される電流の水平方向への拡がりを実現している。

（第２透光層４３）
第２透光層４３は、例えばSiO₂、Si₃N₄又はサファイアなど、第１透光層４１よりも低屈折率で空気よりも屈折率の高い透光性材料で構成される。

（絶縁層３７）
絶縁層３７は、半導体層３０の側面保護を目的としたパッシベーション層を形成している。例えばSiO_2、SiN、Zr₂O₃、AlN、Al₂O₃などが利用でき、特に透光性を有するSiO₂などを用いるのが好ましい。

（電極４５，４７）
電極４５は第１透光層４１の上層に形成される。また、電極４７は、電極４５の一部領域において、当該電極４５の上層に形成される。いずれの電極も、AuやCr-Au（Au合金）などで構成される。

電極４７は、給電用電極を構成する。一方、電極４５は、第１透光層４１の上層に、支持基板１１の基板面に平行な方向に拡がるように設けられ、配線用電極を構成する。

電極４７には、例えばAu、Cuなどで構成されるワイヤが連絡されており（不図示）、このワイヤの他方は、ＬＥＤ素子１が配置されている基板の給電パターンなどに接続される（不図示）。電極４７と支持基板１１の間に電圧が印加されると、電流が第１透光層４１及び配線用の電極４５を介して基板面に平行な方向に拡げられる。これにより、基板面に平行な方向に関し、発光層３３の全面に電流が流れ、発光層の全体で発光させることができる。

なお、図２に示すように、ＬＥＤ素子１においては、電極４５と第２透光層４３の間には、支持基板１１の基板面に平行な方向に離間５１が存在する。これは、第２透光層４３の割れや電極４５の剥がれを防止する目的で設けられている。すなわち、第２透光層４３をSiO₂、Si₃N₄又はサファイアで構成し、電極４５をAuやCr-Au（Au合金）で構成した場合、第２透光層４３は電極４５よりも熱膨張係数が小さい材料で構成されることになる。ＬＥＤ素子１の発光時には電流が流れており、当該素子がジュール熱を起因として昇温し、このとき第２透光層４３や電極４５も熱膨張する。ここで、熱膨張係数の大きな電極４５は、電極４５よりも熱膨張係数の小さい第２透光層４３よりも大きく膨張する。仮に、電極４５と第２透光層４３が密着して形成されている場合、膨張した電極４５が第２透光層４３を圧迫し、第２透光層４３の割れや電極４５の剥がれを招く恐れがある。離間５１は、電極４５が膨張しても第２透光層４３を圧迫しないために設けられている。

なお、電極４７は電極４５の上層に形成されているため、同様の理由により、支持基板１１の基板面に平行な方向に関し、電極４７と第２透光層４３の間にも離間５１が存在する。

［光取り出し効率の検証］
次に、ＬＥＤ素子１により光取り出し効率が向上する点につき、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、ＬＥＤ素子１の発光層３３から放射された光が外部に取り出されるまでの光の道筋を模式的に示した図である。また、図３Ｂは、第２透光層４３の屈折率n₄₃を変化させたときの光取り出し効率ηの変化、並びに隣接して形成される異なる層間の臨界角の変化を示したグラフである。

図３Ａにおいて、ｐ型半導体層３５の屈折率をn₃₅、第１透光層４１の屈折率をn₄₁、第２透光層４３の屈折率をn₄₃で示している。なお、ｐ型半導体層３５としてAlGaNで構成した場合はn₃₅=2.5であり、第１透光層４１としてITOで構成した場合はn₄₁=2.25である。

また、図３Ｂにおいて、横軸は第２透光層４３の屈折率n₄₃を、右縦軸は光取り出し効率ηを、左縦軸は隣接して形成される異なる層間の臨界角θ_c（臨界反射を起こす角度）をそれぞれ示している。

図３Ｂは、第２透光層４３の屈折率n₄₃を1から2.2まで変化させたときの、ｐ型半導体層３５と第１透光層４１の界面の臨界角θ_c0、第１透光層４１と第２透光層４３の界面の臨界角θ_c1、第２透光層４３と空気の界面の臨界角θ_c2、及び光取り出し効率ηの変化態様をシミュレーションにより算出し、グラフ表示したものである。なお、n₄₃=1の場合とは、第２透光層４３を設けずに第１透光層４１を空気と接触させた場合に対応する。また、n₄₃=2.2の場合とは、第２透光層４３としてSi₃N₄を用いた場合に対応する。なお、第２透光層４３としてサファイアを用いた場合はn₄₃=1.8であり、SiO₂を用いた場合はn₄₃=1.5である。

なお、図３Ｂの例では、ｐ型半導体層３５としてAlGaNを用い、第１透光層４１としてITOを用いた場合を想定している。このとき、両層の界面の臨界角θ_c0は、θ_c0=arcsin(n₄₁/ n₃₅)=arcsin(2.25/2.5)=64.2°となり、これは第２透光層４３の屈折率n₄₃に関わらず一定となる。

また、第１透光層４１と第２透光層４３の界面での臨界角θ_c1は、θ_c1=arcsin(n₄₃/ n₄₁)=arcsin(n₄₃/2.25)となる。このため、第２透光層４３の屈折率n₄₃の上昇に伴って臨界角θ_c1の値も上昇している。

一方、第２透光層４３と空気の界面での臨界角θ_c2は、θ_c2=arcsin(1/n₄₃)となる。このため、第２透光層４３の屈折率n₄₃の上昇に伴って臨界角θ_c2の値は下降している。

発光層３３から放射された光が等方的に拡がる場合、光取り出し効率ηは、発光層３３から空気との界面までの各層間での臨界角の最小値min(θ_c0,θ_c1,θ_c2)に比例する。すなわち、第２透光層４３の屈折率n₄₃を1から上昇していったとき、最初はmin(θ_c0,θ_c1,θ_c2)=θ_c1であり、θ_c1の値は屈折率n₄₃の上昇に伴って上昇するため、光取り出し効率ηも上昇する。しかしθ_c1＝θ_c2となった後は、min(θ_c0,θ_c1,θ_c2)=θ_c2であり、θ_c2の値は屈折率n₄₃の上昇に伴って下降するため、光取り出し効率ηも下降する。そして、θ_c1＝θ_c2が成立するのは、n₄₃≒1.5である。よって、第２透光層４３として、屈折率n₄₃≒1.5であるSiO₂で構成した場合、光取り出し効率ηが最も高くなる。なお、図３Ｂによれば、第２透光層４３を設けなかった場合（n₄₃=1）の光取り出し効率η＝29％であるのに対し、第２透光層４３としてSiO₂で構成した場合の光取り出し効率η＝46％であり、光取り出し効率ηを約1.6倍向上させることができる。つまり、第２透光層４３を設けなかった場合と比べて、ＬＥＤ素子１は、約1.6倍明るい光源が実現できることとなる。

なお、図３Ｂによれば、屈折率n₄₃が1＜n₄₃≦2.2の範囲内である第２透光層４３を形成した場合、第２透光層４３を設けずに第１透光層４１に直接空気を接触させた場合よりも光取り出し効率ηを向上できることが分かる。よって、この範囲内の屈折率n₄₃を示す材料を第２透光層４３として、第１透光層４１の上層に形成することで、光取り出し効率ηを向上させることができる。なお、ここで、n₄₃≦2.2としているのは、図３Ｂの例では第１透光層４１として屈折率n₄₁=2.25のITOを用いているためである。すなわち、第２透光層４３としては、屈折率n₄₃が空気の屈折率1よりも大きく、第１透光層４１の屈折率n₄₃が低い材料で構成すれば、光取り出し効率を向上させる効果が得られる。

［製造方法］
以下、ＬＥＤ素子１の製造方法につき説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない

＜ステップＳ１＞
まず、サファイア基板上にエピ成長させることで半導体層３０を形成する。例えば以下の手順により行われる。

まず、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。

次に、ｃ面サファイア基板の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成することで、アンドープ層を形成する。具体的な一例としては、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を480℃とし、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ5slmの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が50μmol/minのトリメチルガリウム及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に68秒間供給する。これにより、ｃ面サファイア基板の表面に、厚みが20nmのGaNよりなる低温バッファ層を形成する。次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を1150℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が100μmol/minのトリメチルガリウム及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に30分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが1.7μmのGaNよりなる下地層を形成する。

次に、アンドープ層の上層にAl_nGa_1-nNからなる電子供給層を形成し、更にその上層にn型GaNよりなる保護層を形成する。これら電子供給層及び保護層がｎ型半導体層３５に対応する。

ｎ型半導体層３５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を30kPaとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が94μmol/minのトリメチルガリウム、流量が6μmol/minのトリメチルアルミニウム、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.025μmol/minのテトラエチルシランを処理炉内に30分間供給する。これにより、Al_0.06Ga_0.94Nの組成を有し、厚みが1.7μmの電子供給層をアンドープ層の上層に形成する。

その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを6秒間供給することにより、電子供給層の上層に厚みが5nmのｎ型GaNよりなる保護層を形成する。

なお、ｎ型半導体層３５に含まれるｎ型不純物としては、Si、Ge、S、Se、Sn及びTeなどを用いることができる。これらの中では、特にSiが好ましい。

次に、ｎ型半導体層３５の上層にInGaNで構成される井戸層及びｎ型AlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層３３を形成する。

発光層３３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を830℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が1slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのトリメチルガリウム、流量が12μmol/minのトリメチルインジウム及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に48秒間供給するステップを行う。その後、流量が10μmol/minのトリメチルガリウム、流量が1.6μmol/minのトリメチルアルミニウム、0.002μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に120秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが2nmのInGaNよりなる井戸層及び厚みが7nmのｎ型AlGaNよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する発光層３３が、ｎ型半導体層３５の表面に形成される。

次に、発光層３３の上層に、Al_mGa_1-mNで構成される層（正孔供給層）を形成し、更にその上層にｐ型GaNで構成される層（保護層）を形成する。これら正孔供給層及び保護層がｐ型半導体層３１に対応する。

ｐ型半導体層３１のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を100kPaに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が25slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を1050℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が35μmol/minのトリメチルガリウム、流量が20μmol/minのトリメチルアルミニウム、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.1μmol/minのビスシクロペンタジエニルを処理炉内に６０秒間供給する。これにより、発光層３３の表面に、厚みが20nmのAl_0.3Ga_0.7Nの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、トリメチルアルミニウムの流量を9μmol/minに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが120nmのAl_0.13Ga_0.87Nの組成を有する正孔供給層を形成する。

更にその後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、ビスシクロペンタジエニルの流量を0.2μmol/minに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍのｐ型GaNよりなるコンタクト層を形成する。

なお、ｐ型不純物としては、Mg、Be、Zn、Cなどを用いることができる。

＜ステップＳ２＞
次に、ステップＳ１で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。

＜ステップＳ３＞
次に、ｐ型半導体層３１の上層の所定箇所に絶縁層１９を形成する。より具体的には、後の工程で電極４５を形成する領域に対して、基板面に直交する方向に対向する位置に絶縁層１９を形成する。絶縁層１９としては、例えばSiN、Al₂O₃などの絶縁層を膜厚200nm程度成膜する。

＜ステップＳ４＞
ｐ型半導体層３１及び絶縁層１９の上面を覆うように、導電層２０を形成する。ここでは、反射電極１７、保護層１５、及びハンダ層１３を含む多層構造の導電層２０を形成する。

導電層２０のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、スパッタ装置にてｐ型半導体層３１及び絶縁層１９の上面を覆うように、膜厚0.7nmのNi及び膜厚120nmのAgを全面に成膜して、反射電極１７を形成する。次に、ＲＴＡ装置を用いてドライエアー雰囲気中で400℃、2分間のコンタクトアニールを行う。

次に、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）にて反射電極１７の上面（Ag表面）に、膜厚100nmのTiと膜厚200nmのPtを3周期成膜することで、保護層１５を形成する。更にその後、保護層１５の上面（Pt表面）に、膜厚10nmのTiを蒸着させた後、Au80%Sn20%で構成されるAu-Snハンダを膜厚3μm蒸着させることで、ハンダ層１３を形成する。

＜ステップＳ５＞
次に、ハンダ層１３を介して、サファイア基板と支持基板１１とを貼り合せる。より具体的には、280℃の温度、0.2MPaの圧力下で、ハンダ層１３と支持基板１１とを貼り合せる。

＜ステップＳ６＞
次に、サファイア基板を剥離する。より具体的には、サファイア基板を上に、支持基板１１を下に向けた状態で、サファイア基板側からKrFエキシマレーザを照射して、サファイア基板と半導体層３０の界面を分解させることでサファイア基板の剥離を行う。サファイアはレーザが通過する一方、その下層のGaNはレーザを吸収するため、この界面が高温化してGaNが分解される。これによってサファイア基板が剥離される。

その後、ウェハ上に残存しているGaNを、塩酸などを用いたウェットエッチング、ＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって除去し、ｎ型半導体層３５を露出させる。

＜ステップＳ７＞
次に、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて絶縁層１９の上面が露出するまで半導体層３０をエッチングする。これにより、隣接領域の半導体層３０同士が分離される。

＜ステップＳ８＞
次に、ｎ型半導体層３５の上面全面に第１透光層４１を形成する。より具体的には、ITO、IZO、In₂O₃、SnO₂、IGZOなどの導電性の透光性材料をスパッタリング法によって30nm〜600nmの膜厚で成膜する。膜厚を100〜300nmとするのがより好ましい。

その後、当該成膜した透光性材料の再結晶化を促すために、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下中600℃で5分間の活性化処理（コンタクトアニール）を行う。

＜ステップＳ９＞
次に、第１透光層４１の上面に配線用の電極４５を形成する。より具体的には、所定形状のマスクで覆った膜厚100nmのCrと膜厚3μmのAuからなる電極材料を成膜し、窒素雰囲気中で250℃1分間のシンタリングを行う。このとき、絶縁層１９の上方に電極４５が形成されるような構成とするのが好ましい。

更に、一部領域の電極４５の上面に、給電用の電極４７を形成する。材料は電極４５と同一のものを採用して構わない。

＜ステップＳ１０＞
次に、電極４５が形成されていない領域の第１透光層４１の上面に、第２透光層４３を形成する。より具体的には、SiO₂、Si₃N₄又はサファイアなど、第１透光層４１よりも低屈折率で空気よりも屈折率の高い透光性材料をスパッタリング法によって10〜300nm程度の膜厚で成膜する。第２透光層４３の膜厚が薄すぎると空間的な膜厚のバラツキが生じて屈折率の調整効果があまり得られず、逆に膜厚が厚すぎると発光層３３から発生する光の透過率が低下して、光取り出し効率があまり向上しない。このため、第２透光層４３の膜厚を10〜300nm程度とするのが好ましい。

このとき、電極４５と第２透光層４３の間に、支持基板１１の基板面に平行な方向に離間５１が形成されるように、所定形状のマスクで覆った状態で第２透光層４３を形成する。なお、電極４５がテーパ形状で構成される場合には、電極４５の上面のみをマスクで覆うことで、電極４５の上面と第２透光層４３の間に離間５１を設けることが可能である。

その後の工程としては、露出されている半導体層３０の側面を絶縁層３７で覆う。より具体的には、ＥＢ装置にてSiO₂膜又はSiN膜などの絶縁層を形成する。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、支持基板１１の裏面を例えばAgペーストにてパッケージと接合して給電用の電極４７に対してワイヤボンディングを行う。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉 図４に示すＬＥＤ素子１のように、ｐ型半導体層３５の一部上面に凹凸形状を形成しておき、その上面に第１透光層４１及び第２透光層４３を形成することで、これらの上面及び底面にも凹凸形状を形成するものとしても構わない。図４のＬＥＤ素子１は、上層に電極４５が形成されていない領域に形成された、少なくとも一部の第１透光層４１の上面及び底面に凹凸形状を形成している。また、この上方に位置する第２透光層４３の上面及び底面にも凹凸形状を形成している。このような構成としたことで、平坦な表面を有する構成と比較して、光取り出し面積が増大するので、更に光取り出し効率を向上させることができる。

なお、このような構成を実現する場合には、ステップＳ７の後、ｐ型半導体層３５の上面にＫＯＨ等のアルカリ溶液で凹凸面を形成すればよい。

〈２〉 図２や図４に示すＬＥＤ素子１においては、電極４５と第２透光層４３の間に、支持基板１１の基板面に平行な方向に離間５１が形成される構成とした。しかし、第１透光層４１の表面での反射による光取り出し効率の低下への措置という観点からは、この離間５１は必ずしも存在しなければならないものではない。ただし、熱膨張による第２透光層４３の割れ防止の観点からは、離間５１を有するのが好ましい。

〈３〉 図２や図４に示すＬＥＤ素子１においては、電極４５の直下の位置に絶縁層１９を設ける構成とした。これは、この箇所に導電層２０が形成されている場合において、更に第１透光層４１を有さない素子構造を想定した場合、導電層２０と電極４５の間を支持基板１１の基板面に垂直な方向に高い割合の電流が流れてしまい、当該領域内の発光層３３が主として発光してしまうことを防止する目的である。つまり、絶縁層１９を電極４５の直下に設けることで、発光層３３内を流れる電流を支持基板１１の基板面に平行な方向に拡げる目的で設けている。

ただし、上記素子１においては、第１透光層４１によって支持基板１１の基板面に平行な方向に電流を拡げる効果が一定程度期待できるので、必ずしも絶縁層１９を備えない構成としても構わない。もっとも、絶縁層１９を備えた場合、電流を支持基板１１の基板面に平行な方向に拡げる効果を更に得ることができる点で好ましい構成である。

〈４〉 図２や図４に示すＬＥＤ素子１は、あくまで一実施形態であり、半導体層３０の上面（光取り出し側の面）に第１透光層４１を有し、第１透光層４１の上面に、第１透光層４１よりも低屈折率で空気より高屈折率な材料で構成された第２透光層４３を有する構成であれば、他の構造も採用され得る。例えば、導電層２０を有しない構造としても構わないし、ｐ型半導体層３５とｎ型半導体層３１の位置関係を反転させても構わない。

１ ： ＬＥＤ素子
１１ ： 支持基板
１３ ： ハンダ層
１５ ： 保護層
１７ ： 反射電極
１９ ： 絶縁層
２０ ： 導電層
３０ ： 半導体層
３１ ： ｐ型窒化物半導体層
３３ ： 発光層
３５ ： ｎ型窒化物半導体層
３７ ： 絶縁層
４１ ： 第１透光層
４３ ： 第２透光層
４５ ： 電極（配線用電極）
４７ ： 電極（給電用電極）
５１ ： 離間

Claims (5)

1. 支持基板上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層及びｐ型窒化物半導体層を含む半導体層を有してなるＬＥＤ素子であって、
   前記半導体層の上層全面に形成された導電性の第１透光層と、
   前記第１透光層の上層に形成された電極と、
   前記第１透光層の上層のうち、前記電極が形成されていない箇所の少なくとも一部領域に形成された第２透光層を備え、
   前記第２透光層が、前記第１透光層よりも低屈折率で空気よりも高屈折率な材料で構成されていることを特徴とするＬＥＤ素子。
2. 前記第２透光層は、前記電極よりも熱膨張係数の小さい材料で構成されており、前記電極に対して、前記支持基板の基板面に平行な方向に離間を有して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
3. 前記電極は、前記第１透光層の上層に形成される配線用電極と、当該配線用電極の一部上面に形成される給電用電極を有し、
   前記第２透光層は、前記配線用電極に対して、前記支持基板の基板面に平行な方向に離間を有して形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ素子。
4. 上層に前記電極が形成されていない領域に形成された、少なくとも一部の前記第１透光層は、上面及び底面に凹凸形状を有し、
   前記凹凸形状を有する前記第１透光層の上層に位置する前記第２透光層も、上面及び底面に凹凸形状を有することを特徴とする請求項２又は３に記載のＬＥＤ素子。
5. 前記第１透光層がITOであり、
   前記第２透光層がSiO₂、Si₃N₄又はサファイアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
   

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