JP4932283B2 - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子、特に発光ダイオード発光出力を高めた窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
III族窒化物半導体（本発明では略して窒化物半導体と言う）は、視光から紫外光領域に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを持ち高効率な発光が可能であるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）としての製品化が成されている。特に蛍光体との組み合わせによる白色発光ダイオードの実現は発光ダイオード応用の新しい分野として期待されている。
発光ダイオードの出力には素子から外部への光取出し効率が大きな影響を与える。この光取出し効率には素子表面での全反射が大きな影響を与える要因として働く。よく知られているように屈折率の大きな半導体層から屈折率の小さな外部に光が向かうとき、臨界角（θｃ）以上の光は素子界面で全反射を起こし屈折率の外部へ光は取り出されない。
界面での全反射による光取出しの制限を回避するには、界面を粗面化する方法（例えば特許文献１）や素子形状を加工して別の面のＥｓｃａｐｅ Ｃｏｎｅを利用する方法が知られている（例えば特許文献２）。
一般的な発光ダイオードの形状は、素子の製造上の容易さから直方体状の６面体の形状を持つものが多い。この場合、Ｅｓｃａｐｅ Ｃｏｎｅが形成できる界面としては６つの面に限られる。
Ｅｓｃａｐｅ Ｃｏｎｅの詳細な立体角の大きさは、各々の面の特性に応じて決定されるが、当然ながらその面の数が増加すると、その立体角の大きさの総計は増加することになる。
したがって、発光ダイオード素子の形状を一般的な直方体の６面体から面数を増やすことにより出力は増加する。面数の増加により出力向上させる極限が素子形状を半球ドーム状に加工する方法であり、これについては数多くの先行例がある。（例えば特許文献３）
しかし素子の面数を増加する方法では素子の加工が容易ではなく、製品の収率を著しく落とす問題がある。そこでエッチング加工により素子表面に細かい溝加工を行い、実質的な面数を増加する方法も提案されている（例えば特許文献４、５）。この特許文献５では溝加工は電流が電極直下に集中するのを防止する電流阻止溝の役割も果たしている。
光取出し効率増加のため実質的な面数を増加させる場合、その増加した面の面積を増やすことでその効果は単調に増加する。例えば素子表面の溝加工による場合、その溝加工が深い方が光取出し効率は上昇する。
しかし窒化物半導体は反応性に乏しく、加工は容易ではない。一般的には塩素系のガスを用い、エッチングガスをプラズマで励起された反応種によりエッチングを行うドライエッチングが主流であるが、プラズマによるドライエッチングを用いてさえ、加工速度は著しく遅く加工速度は数μｍ/ｈにしかならない。
また高エネルギーのプラズマによる加工であるため、荷電粒子による帯電破壊、紫外線照射による劣化があることも知られており、加工量を大きくするため長時間のエッチングを行うとその影響も無視できず、発光ダイオードの特性があがらない問題があった。
特許第２８３６６８７号
特許第２７８４５３７号
特開昭６１−２２２２８５号公報
特開２００２−１６４５７４号公報
特開２００４−８７９３０号公報
本発明の目的は、上述したような窒化物半導体発光素子の光取出し効率を上げることにある。またそのための素子形状の加工を容易にし、収率の向上を目指すことにある。
本発明は上記も目的を達成するためになされたもので以下の各発明からなる。
（１）基板と、第１導電型の半導体層、発光層及び第２導電型の半導体層とを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に接する透光性の電極と、透光性の電極の接する半導体層とは逆導電型の窒化物半導体層に接触する第２の電極とを含む窒化物半導体発光素子であって、素子の周縁部で基板の表面が窒化物半導体層の除去により露出した領域を有し、素子の周縁部以外の、透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分が基板に達するまで除去され、基板の表面が露出した領域を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
（２）窒化物半導体の除去領域を基板方向に多くすることにより、除去後の半導体層側面の少なくとも基板と接触する部分では基板側に傾斜した側面が形成されている上記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
（３）素子の周縁部以外で基板の露出している領域は、その一部が電極の直下にある上記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１）基板と、第１導電型の半導体層、発光層及び第２導電型の半導体層とを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に接する透光性の電極と、透光性の電極の接する半導体層とは逆導電型の窒化物半導体層に接触する第２の電極とを含む窒化物半導体発光素子であって、素子の周縁部で基板の表面が窒化物半導体層の除去により露出した領域を有し、素子の周縁部以外の、透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分が基板に達するまで除去され、基板の表面が露出した領域を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
（２）窒化物半導体の除去領域を基板方向に多くすることにより、除去後の半導体層側面の少なくとも基板と接触する部分では基板側に傾斜した側面が形成されている上記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
（３）素子の周縁部以外で基板の露出している領域は、その一部が電極の直下にある上記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が９０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする上記（２）又は（３）に記載の窒化物半導体発光素子。
（５）周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が９５度以上１７０度以下であることを特徴とする上記（２）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（６）周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が１００度以上１６０度以下であることを特徴とする上記（２）〜（５）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（７）素子の周縁部以外で除去された窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、１〜１０００％とすることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（５）周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が９５度以上１７０度以下であることを特徴とする上記（２）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（６）周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が１００度以上１６０度以下であることを特徴とする上記（２）〜（５）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（７）素子の周縁部以外で除去された窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、１〜１０００％とすることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（８）素子の周縁部以外の部分で除去する窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、５〜５００％とすることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（９）素子の周縁部以外の部分で除去する窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、１０〜２００％とすることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１０）素子の周縁部以外における窒化物半導体層の除去領域が、ほぼ円形をした開口部であるとことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１１）素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去領域が、ほぼ直線で囲まれた形状であるとことを特徴とする上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（９）素子の周縁部以外の部分で除去する窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、１０〜２００％とすることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１０）素子の周縁部以外における窒化物半導体層の除去領域が、ほぼ円形をした開口部であるとことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１１）素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去領域が、ほぼ直線で囲まれた形状であるとことを特徴とする上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１２）素子の周縁部以外で窒化物半導体層を除去する領域が、透光性の電極に接する窒化物半導体層の中に少なくとも一つ以上に設けることを特徴とする上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１３）素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去された領域のほぼ中心部の基板面に、ほぼ開口部形状に一致する形状の加工痕が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１４）窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が９０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする上記（１）〜（１３）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１５）窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が９５度以上１７０度以下であることを特徴とする上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１３）素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去された領域のほぼ中心部の基板面に、ほぼ開口部形状に一致する形状の加工痕が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１４）窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が９０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする上記（１）〜（１３）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１５）窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が９５度以上１７０度以下であることを特徴とする上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１６）窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が１００度以上１６０度以下であることを特徴とする上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１７）窒化物半導体層の除去により露出した基板表面及び窒化物半導体層の側面に反射膜が形成されている上記（１）〜（１６）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１８）基板がサファイア（Ａｌ2Ｏ3）である上記（１）〜（１７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１９）基板と、第１導電型の半導体層と発光層と第２導電型の半導体層とを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に接する透光性の電極と、透光性の電極の接する半導体層とは逆導電型の窒化物半導体層への接触をするための第２の電極とを含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、素子の周縁部で基板が露出されるまで窒化物半導体層を除去するとともに、素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分を基板に達するまで除去し、該窒化物半導体層の除去をレーザーによる除去とその後の湿式エッチングによる除去の組み合わせにより行うことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
（１７）窒化物半導体層の除去により露出した基板表面及び窒化物半導体層の側面に反射膜が形成されている上記（１）〜（１６）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１８）基板がサファイア（Ａｌ2Ｏ3）である上記（１）〜（１７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１９）基板と、第１導電型の半導体層と発光層と第２導電型の半導体層とを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に接する透光性の電極と、透光性の電極の接する半導体層とは逆導電型の窒化物半導体層への接触をするための第２の電極とを含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、素子の周縁部で基板が露出されるまで窒化物半導体層を除去するとともに、素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分を基板に達するまで除去し、該窒化物半導体層の除去をレーザーによる除去とその後の湿式エッチングによる除去の組み合わせにより行うことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２０）発光素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分を基板に達するまでの除去を、湿式エッチング条件を制御することにより、基板方向に向けて多くし、除去後の残部の半導体層に基板側に傾斜した側面を形成することを特徴とする上記（１９）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２１）発光素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分の基板に達するまでの除去を、湿式エッチング条件を制御することにより、露出した基板の一部が電極の直下に来るようにすることを特徴とする上記（１９）または（２０）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２２）素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去された領域のほぼ中心部の基板面に、ほぼ開口部形状に一致する形状の加工痕をレーザーによる加工方法で形成することを特徴とする上記（１９）〜（２１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２３）素子の周縁部における半導体層の除去の際の湿式エッチング条件を制御することにより、素子の側面の半導体層を外側に傾斜させることを特徴とする上記（１９）または（２２）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２４）上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子と蛍光体を組み合わせた光源。
（２５）上記（２４）に記載の光源を有する照明器具。
（２１）発光素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分の基板に達するまでの除去を、湿式エッチング条件を制御することにより、露出した基板の一部が電極の直下に来るようにすることを特徴とする上記（１９）または（２０）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２２）素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去された領域のほぼ中心部の基板面に、ほぼ開口部形状に一致する形状の加工痕をレーザーによる加工方法で形成することを特徴とする上記（１９）〜（２１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２３）素子の周縁部における半導体層の除去の際の湿式エッチング条件を制御することにより、素子の側面の半導体層を外側に傾斜させることを特徴とする上記（１９）または（２２）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２４）上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子と蛍光体を組み合わせた光源。
（２５）上記（２４）に記載の光源を有する照明器具。
本発明によれば、光取出し効率が向上する。また素子の形状加工がダメージの少ない加工法で行うことが出来、収率の向上が図れる。さらに電流が電極の直下に集中するのを防止し窒化物半導体層内の広い範囲で発光させる効果もある。
本発明の窒化物半導体発光素子は上記（１）に記載したように、素子の周縁部で基板の表面が窒化物半導体層の除去により露出した領域を有し、素子の周縁部以外（半導体層表面）の透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部が基板に達するまで除去され、基板の表面が露出した領域を有することが特徴である。前記において（２）の発明は半導体層の除去を基板側に多くして、除去後の半導体層側面の少なくとも基板と接触している部分では基板側に傾斜していることが特徴である。この傾斜は素子の周縁部、周縁部以外のいずれか、もしくは双方に形成されるが、双方に形成することが好ましい。
以下図面を参考にして本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の窒化物半導体発光素子の一例を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図において１００が基板、１０１が基板周縁部の露出面、１０２が第１導電型の半導体層、１０３が発光層、１０４が第２導電型の半導体層、１０５がｐ型電極である。図示の半導体層は基本構成を示すもので、この外にバッファ層、クラッド層、コンタクト層などが含まれていてもよいことは言うまでもない。
本発明の窒化物半導体発光素子は素子の周縁部で窒化物半導体層の少なくとも一部が除去され、基板が露出した面１０１を有する。各素子は半導体ウェハに電極等形成後分離されることにより得られるが、その際各素子の境界面で基板内に達するまでレーザー加工等で溝が設けられる。
図１は本発明の窒化物半導体発光素子の一例を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図において１００が基板、１０１が基板周縁部の露出面、１０２が第１導電型の半導体層、１０３が発光層、１０４が第２導電型の半導体層、１０５がｐ型電極である。図示の半導体層は基本構成を示すもので、この外にバッファ層、クラッド層、コンタクト層などが含まれていてもよいことは言うまでもない。
本発明の窒化物半導体発光素子は素子の周縁部で窒化物半導体層の少なくとも一部が除去され、基板が露出した面１０１を有する。各素子は半導体ウェハに電極等形成後分離されることにより得られるが、その際各素子の境界面で基板内に達するまでレーザー加工等で溝が設けられる。
また周縁部以外の窒化物半導体層の一部が基板に達するまで除去され、その部分で基板が露出している。前記の除去により半導体層の表面に開口部１０９を有する凹溝１０６が形成される。凹溝の先端は基板面、基板内のいずれでもよい。図３はこの凹溝部の拡大断面図である。図３において、１０７は凹溝の底部の基板面、１０８は凹溝の傾斜面、１１２は基板主面の法線、１１３は傾斜面１０８の法線である。θ1は法線１１２と１１３のなす角度である。
半導体層内に凹溝を設けることにより、半導体層の面の数が増え、前記したような理由で光の取り出し効率が上がる。凹溝は下方（基板方向）に向けて拡大する形状、即ち、凹溝の側面が基板側に傾斜していることが望ましい。また凹溝の底面の一部が電極直下にあることが更に望ましい。
凹溝の傾斜の度合いを表す角度θ1は広範囲に選ぶことができ、９０度より大きく１８０度より小さい範囲で可能であるが、好ましくは９５度以上１７０度以下、更に好ましくは１００度以上１６０度以下である。
半導体層内に凹溝を設けることにより、半導体層の面の数が増え、前記したような理由で光の取り出し効率が上がる。凹溝は下方（基板方向）に向けて拡大する形状、即ち、凹溝の側面が基板側に傾斜していることが望ましい。また凹溝の底面の一部が電極直下にあることが更に望ましい。
凹溝の傾斜の度合いを表す角度θ1は広範囲に選ぶことができ、９０度より大きく１８０度より小さい範囲で可能であるが、好ましくは９５度以上１７０度以下、更に好ましくは１００度以上１６０度以下である。
素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去する部分（開口部１０９）は少なくとも一つを有し、その周辺の長さは広範囲に選ぶことができる。例えば周縁部で除去する長さに対する比で表すと、１〜１０００％、好ましくは５〜５００％、更に好ましくは１０から２００％である。
上記開口部の形状は特に制限なく選ぶことができ、例えば長方形、正方形等直線で囲まれた形状、あるいは円形等曲線で囲まれた形状でもよい。特に加工に供するレーザービーム径程度の円が望ましい。同じ除去面積に対して除去部の周囲長が大きく取れる。これらは下方に向けて辺、あるいは径が拡大していることが好ましい。開口部の数、形状を図１、図５、図６に例示する。
上記開口部の形状は特に制限なく選ぶことができ、例えば長方形、正方形等直線で囲まれた形状、あるいは円形等曲線で囲まれた形状でもよい。特に加工に供するレーザービーム径程度の円が望ましい。同じ除去面積に対して除去部の周囲長が大きく取れる。これらは下方に向けて辺、あるいは径が拡大していることが好ましい。開口部の数、形状を図１、図５、図６に例示する。
素子の周縁部及び周縁部以外の部分で半導体層の除去により露出した基板面及び半導体層の側面に、全反射による光取出しを補強するために、反射膜（図示せず）を形成することもできる。反射膜としては、金属膜による反射膜、或いは誘電体多層膜による反射膜等公知の例が使える。誘電体多層膜による方法ではＳｉＯ2/ＴｉＯ2やＳｉＯ2/ＺｒＯ2の様な酸化物の組み合わせによるものが公知である。また金属膜による高反射膜としてＡｇ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｌ等が公知である。
また開口部形成後露出した基板面には、その中心部にほぼ開口部形状に一致する形状の加工痕１０７−１が形成されていることが好ましい。これによっても光の取り出し効率が向上する。加工痕とは基板に形成された断面が溝形状のもので、レーザーによる加工の際に形成される。
このような加工痕が存在することにより基板の中を全反射して進む光に対しても開口を設けるのと等価であり、加工痕からも光が半導体層の除去部を経て取り出される。
このような加工痕が存在することにより基板の中を全反射して進む光に対しても開口を設けるのと等価であり、加工痕からも光が半導体層の除去部を経て取り出される。
本発明の窒化物半導体発光素子は、その半導体層が側面で外側に傾斜していることが好ましい。その状態を図２に、傾斜部分の拡大図を図４に示す。図４で１１２は基板の法線、１１４傾斜面の法線である。これらの法線のなす角度がθ2である。この角度θ2も前記のθ1同様９０度より大きく１８０度より小さい範囲で選ぶことが可能であるが、好ましくは９５度以上１７０度以下、さらに好ましくは１００度以上１６０度以下である。
半導体層の側面を上記のように傾斜させることにより、光の取り出し効率が向上する。その理由は定かでないが、以下のようなことが推測される。これについて図７、８を用いて説明する。
図８は従来の窒化物半導体であるが、例えばＡ点で発光した光が矢線のように進行した場合、半導体の側面に入射した光が臨界角以上であると光はそこで反射し、さらに半導体層と基板の界面でも反射する。その結果光の取り出し率は下がる。
これに対し図７の場合は光は半導体層の側面では反射するが、半導体層と基板の界面では臨界角以内となるので光が透過し素子から取り出すことができる。
図８は従来の窒化物半導体であるが、例えばＡ点で発光した光が矢線のように進行した場合、半導体の側面に入射した光が臨界角以上であると光はそこで反射し、さらに半導体層と基板の界面でも反射する。その結果光の取り出し率は下がる。
これに対し図７の場合は光は半導体層の側面では反射するが、半導体層と基板の界面では臨界角以内となるので光が透過し素子から取り出すことができる。
一般的に窒化物半導体は異種基板上に成長させるが、窒化物半導体と異種基板は屈折率が異なっている。そのため、層状の物体内を光が伝わる時、垂直な端面では端面での反射により光が物体の中へ戻ってしまう。本発明のように、端面が傾斜面であると光の進行方向が変えられ別の面からの光取出しに寄与できる。
本発明では、窒化物半導体層と基板の、同一方向の側面において、両側面が連続した面を形成していないことが好ましい。本発明では、光は窒化物半導体層内に集中するが、窒化物半導体層と基板との接合面の外側部において図７のように空間が生ずると、その箇所での屈折率の変化が大きくなり、光が発光面側に戻りやすくなるからである。
本発明では、窒化物半導体層と基板の、同一方向の側面において、両側面が連続した面を形成していないことが好ましい。本発明では、光は窒化物半導体層内に集中するが、窒化物半導体層と基板との接合面の外側部において図７のように空間が生ずると、その箇所での屈折率の変化が大きくなり、光が発光面側に戻りやすくなるからである。
本発明のIII族窒化物半導体積層物の基板には、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）等の酸化物単結晶、ＳｉＣ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。これらの中でもサファイア単結晶が好ましい。サファイアは屈折率が１．７であり、窒化物半導体の屈折率よりも小さい。そのため窒化物半導体層中に設けた光取出しをあげるための加工の効果が最大に発揮される。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。またサファイア基板表面はミラー面であっても、凹凸が形成された面であっても良い。凹凸面の形成はエッチング、レーザーアブレーション等の手段で行うことができる。
上記基板上に、第１導電型の層と、発光層と、第２導電型の層とを含む窒化物半導体層とをそれぞれに対して最適な条件で積層させる。本発明の窒化物半導体は一般式ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。
基板上に窒化物半導体層を積層させたのち、公知のフォトリソグラフの手法により負極電極形成用の領域と素子分離用の領域をパターニングする。負極電極形成用の領域の配置については、正極電極形成用の領域と対角の位置にあるのが望ましいが、その他の配置になっていても良い。またパターニングは正極形成後に行っても差し支えない。
素子分離用の領域は負極と正極を含む領域を一般に長方形に区切る形で負極電極形成用の領域と同時に形成される。しかし本発明においてはレーザーによる除去と湿式エッチングによる除去を併用して窒化物層の除去を行うので、この素子分離用の領域の形成は省略してもかまわない。
フォトリソグラフによってパターニングした基板上の窒化物半導体層をドライエッチングによりエッチングする。この際、使用するガス種としては一般に塩素系ガスが用いられる。Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3等、或いはそれに対する添加ガスとしてＨ2、Ａｒ等を混合したものが公知であり、それらの組み合わせを選んで使用することができる。
この工程はプラズマを伴う工程であるので、その工程は湿式処理の前に行うことが好ましいが、レーザーによる窒化物半導体層の基板に達するまでの除去工程の前であっても後であっても構わない。
負極は、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何ら制限なく用いることができる。ｎコンタクト層と接する負極用のコンタクト材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕなどのほか、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどを用いることができる。負極全体を多層構造としてボンディング性などを付与することができることは言うまでもない。特に、最表面をＡｕで覆うことは、ボンディングをしやすくするためには好ましい。
正極も、各種組成および構造の正極が周知であり、これら周知の正極を何ら制限なく用いることができる。
透光性の正極材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏなどを含んでも良い。またその一部が酸化されている構造とすることで、透光性が向上することが知られている。
透光性の正極材料としては、上記に掲げた金属の他に導電性の酸化物であっても良い。
Ｉｎ2Ｏ3，ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＳｎＯ２等の公知の導電性の酸化物を用いることができる。また上記金属と、上記酸化物の組み合わせによる透光性電極であっても良い。
Ｉｎ2Ｏ3，ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＳｎＯ２等の公知の導電性の酸化物を用いることができる。また上記金属と、上記酸化物の組み合わせによる透光性電極であっても良い。
次にレーザー加工及び湿式エッチングにより半導体層の除去について説明する。
図１０は半導体層等にレーザーの照射を示す模式図、図１１は照射により半導体層等が除去された素子の状態を示す模式図、図１２は湿式エッチングにより、半導体層が除去された素子の状態を示す模式図である。図において１１６はレーザービームである。
各素子に分割し、素子の周縁部で基板を露出させるため、その周縁部の半導体層を基板に達するまで除去する。また周縁部以外の半導体層凹溝を形成するため半導体層を基板に達するまで除去する。除去は初めにレーザーによって行うが（図１０，１１）、その際レーザーの波長は、窒化物半導体の吸収端より短い波長とするのが望ましい。窒化物半導体の高い吸収係数の為、被加工位置がレーザー照射位置に限定される。レーザーの光学系を適当に選ぶことにより１０μｍより狭い幅での加工も可能であり、素子収率の向上が図れる。
図１０は半導体層等にレーザーの照射を示す模式図、図１１は照射により半導体層等が除去された素子の状態を示す模式図、図１２は湿式エッチングにより、半導体層が除去された素子の状態を示す模式図である。図において１１６はレーザービームである。
各素子に分割し、素子の周縁部で基板を露出させるため、その周縁部の半導体層を基板に達するまで除去する。また周縁部以外の半導体層凹溝を形成するため半導体層を基板に達するまで除去する。除去は初めにレーザーによって行うが（図１０，１１）、その際レーザーの波長は、窒化物半導体の吸収端より短い波長とするのが望ましい。窒化物半導体の高い吸収係数の為、被加工位置がレーザー照射位置に限定される。レーザーの光学系を適当に選ぶことにより１０μｍより狭い幅での加工も可能であり、素子収率の向上が図れる。
素子の周縁部での窒化物層の除去する工程で、基板のレーザー加工深さは１μｍ以上の範囲で任意に選べるが、加工深さが小さいと後の分割処理の形状不良が発生しやすい。１０μｍ以上であれば不良発生は抑制され、２０μｍ以上であれば更に望ましい。
周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の一部分をレーザーで除去する工程は、周縁部を除去する工程と同一の条件で行っても、異なった条件で行ってもよい。しかし加工深さが大きいと後の分割処理の形状不良が発生しやすいので、周縁部での加工より加工量を下げて行うのが好ましい。好ましくは１０μｍ以下、更には５μｍ程度であれば形状不良の発生が抑制される。
窒化物半導体の少なくとも一部を基板に達するまでレーザーで除去する工程の前に予め当該部分の透光性の電極或いは、窒化物半導体層の一部を取り除く工程を付け加えても差し支えない。そのためにはレーザーで除去する部分を除いてマスキングを行い、除去する領域以外の部分を保護する。この場合、マスキングされていない領域が、レーザーで除去するより大きくても問題はない。この工程は電極形成前の素子分離工程と同時に行っても構わない。
マスクとしては、ＳｉＯ2やレジストが使用可能である。このうちレジストは前記工程でのマスキングの際のパターニングの際に使用するので、そのまま透光性電極や窒化物半導体層除去の際のマスクとして使えるので、特に好ましい。またパターニングせずにレーザー除去後の湿式エッチングの際のマスクとして使用することも可能である。
レーザーで半導体層を除去後湿式エッチングを行ってさらに半導体層を除去する（図１２）。湿式エッチングはリン酸、硫酸、ＫＯＨなどによって行われる。所定の加熱装置に納められたビーカーにエッチング剤を添加し、１００℃〜４００℃に加熱する。加熱温度が低いとエッチング速度が遅く、高すぎるとエッチング面に荒れが生ずる。望ましくは１５０℃〜３００℃で十分なエッチング速度と良好なエッチング面が得られる。
エッチングした側面はエッチング条件により変化する。エッチング温度が低い場合、垂直なエッチング面が発達し、エッチング温度が高い場合には基板側に傾斜した面が発達しやすい。中間の温度領域では、両者の混合した場合が現れやすい。この場合、高温で発達する傾斜面と垂直面の間の角度の場合もあれば、側面の一部に傾斜面が発達し、残りの部分で垂直面の場合もある。傾斜面は多くの場合（１−１０１）のファセット面が現れるがそれ以外の場合もある。傾斜面を得る好ましい温度範囲は２００〜３００℃である。
凹溝側面の傾斜面は光の全反射による光取出しが有効に行われるので望ましく、側面全面が傾斜面であることが特に望ましいが、高温でのエッチングが素子特性への影響が問題となる場合は側面全面に傾斜面が形成されていなくても差し支えない。
また窒化物半導体は転位を始めとする各種の欠陥を数多く含んでいることが知られている。湿式エッチングの際にそれらの欠陥がエッチングで形成された面に凹状の欠陥や凸状の欠陥を形成する場合もあるが差し支えない。
凹溝底面及び傾斜した側面での全反射による光取出しを補強するために、これらの面に前記した反射膜を形成することが好ましい。その成膜の方法としてはマグネトロンスパッタによる方法が特に好ましいが別の手段であっても差し支えない。更に反射膜として形成した金属膜を補助電極として使うことも可能である。
レーザーによる除去と湿式エッチングによる除去を組み合わせて窒化物半導体層を基板に達するまで除去した後、試料を裏面からブレーキング装置を用いて分離し、素子特性等を評価する。ブレーキングの際には、素子周縁で基板に達するまで加工した線に一致するようにダイヤモンドによるスクライブやダイシングを併用すると、分離工程の際の形状収率が上昇するので望ましい。
（実施例１）
本発明による実施例を以下に示す。
基板としてサファイア（Ａｌ2Ｏ3）Ｃ面基板を用い、その上に特開２００３−２４３３０２号公報にある方法に従ってＡｌＮバッファを介してアンドープのＧａＮ層を６μｍ、Ｇｅを周期的にドープして平均のキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3となるようにしたｎ型コンタクト層を４μｍ、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる厚さ１２．５ｎｍのｎクラッド層、ＧａＮからなる厚さ１６ｎｍの障壁層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる厚さ２．５ｎｍの井戸層を交互に５回積層させた後、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層、Ｍｇドープ（濃度８×１０19／ｃｍ3）Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１５μｍのｐコンタクト層を順次積層して基板上の窒化物半導体層とした。
本発明による実施例を以下に示す。
基板としてサファイア（Ａｌ2Ｏ3）Ｃ面基板を用い、その上に特開２００３−２４３３０２号公報にある方法に従ってＡｌＮバッファを介してアンドープのＧａＮ層を６μｍ、Ｇｅを周期的にドープして平均のキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3となるようにしたｎ型コンタクト層を４μｍ、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる厚さ１２．５ｎｍのｎクラッド層、ＧａＮからなる厚さ１６ｎｍの障壁層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる厚さ２．５ｎｍの井戸層を交互に５回積層させた後、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層、Ｍｇドープ（濃度８×１０19／ｃｍ3）Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１５μｍのｐコンタクト層を順次積層して基板上の窒化物半導体層とした。
窒化物半導体層の表面に公知のリソグラフとＲＩＥを用いて、個々の素子の境界部分およびｎ型コンタクト層の一部を露出させる。
この化合物半導体積層層のｐコンタクト層上の所定の位置に公知のリソグラフおよびリフトオフ法を用いて、ｐコンタクト層側から順にＰｔおよびＡｕよりなる透光性の正極を形成した。続いて公知のリソグラフとリフトオフにより、半導体側からボンディング用パッドを形成した。
個々の素子への電極作成工程が終了したウェハにリソグラフに用いたフォトレジストを塗布する。再度リソグラフにより素子の境界部分と凹溝形成部を図１に示すように概ね直線状に露出させる。
素子の境界部分で窒化物半導体層を基板に達するまで除去するためのレーザー加工条件として波長２６６ｎｍ、周波数５０ｋＨｚ、出力１．６Ｗ、加工スピード７０ｍｍ／秒で加工した。この条件で加工した場合、窒化物層の除去とサファイア基板に２０μｍに至るまでの加工痕が得られた。ステージを９０°回転させ、同条件にてＹ軸方向の素子の境界部の加工を実施した。
透光性の電極部の加工条件としては、パルス発振によるバーストモードで加工する。出力１．６Ｗ、スピード３０ｍｍ／秒で試料ステージを走査し、加工位置に一致した時点でレーザーを発振させた。照射部ではレーザービームの形状に透光性電極と窒化物層は除去され、同条件で基板に５μの加工痕が残された。
窒化物半導体層の部分的除去工程の終了した試料を、加熱装置を用いて１８０℃に熱したオルトリン酸の溶液の入った石英ビーカー中に２０分間浸漬して湿式エッチングを行った。窒化物半導体層のエッチング量は５．２μｍであった。湿式エッチングの終了した基板及び窒化物半導体層は超音波中で水洗を行い、更に有機洗浄によりレジストからなるエッチングマスクの除去を行った。
エッチング処理後の基板と窒化物半導体層はさらに基板側の研磨により、８０μになるまで薄くし、その後ブレーキング装置により個々の素子として分離した。
分離した素子の出力を積分球で評価したところ７．１ｍＷであった。また窒化物半導体層素子表面の開口部は１００μｍの長さで１０μｍの幅を持っているのに対し、素子内部の基板に接している部分では１１８μｍの長さで２８μｍ幅であった。
（実施例２）
条件を変更した本発明の実施例について示す。
基板上の窒化物半導体層の成長と電極の形成は実施例１と同様に行った。電極形成後のマスクとして、実施例１に対してエッチング耐性を増加させるため、ＳｉＯ2マスクを１０００Ａスパッタによりウェハー全面に堆積した。レーザーによる加工条件は実施例１と同様であるが、ＳｉＯ2マスクのパターニングは行わずレーザーによる窒化物半導体層除去工程と同時に図６のパターンで実施した。穴作成後の基板を実施例１と同様の装置にて１８０℃で２０分間浸漬して湿式エッチングを行った。
条件を変更した本発明の実施例について示す。
基板上の窒化物半導体層の成長と電極の形成は実施例１と同様に行った。電極形成後のマスクとして、実施例１に対してエッチング耐性を増加させるため、ＳｉＯ2マスクを１０００Ａスパッタによりウェハー全面に堆積した。レーザーによる加工条件は実施例１と同様であるが、ＳｉＯ2マスクのパターニングは行わずレーザーによる窒化物半導体層除去工程と同時に図６のパターンで実施した。穴作成後の基板を実施例１と同様の装置にて１８０℃で２０分間浸漬して湿式エッチングを行った。
湿式エッチング後のウェハー表面に再度塗布し、図６のパターンで素子表面にあけた穴の位置でリソグラフによりレジストを除去する。反射膜としてＰｔをスパッタで１０００Å堆積し、リフトオフにより不要な部分のＰｔを除去した結果、穴の側面に反射膜が形成された。後の処理と評価も実施例１と同様に行った。
分離した素子の出力を評価したところ８．０ｍＷであった。開口部は１０μｍの直径であったが、素子内部の基板に接している部分では２８μｍの直径であった
（比較例）
比較のために湿式エッチングを実施しない場合の実施例を示す。
実施例１，２と同じ条件で窒化物半導体層の成長と窒化物半導体層の除去を行った。
溝作成後、湿式エッチングを実施しないで素子分離を行った。
比較のために湿式エッチングを実施しない場合の実施例を示す。
実施例１，２と同じ条件で窒化物半導体層の成長と窒化物半導体層の除去を行った。
溝作成後、湿式エッチングを実施しないで素子分離を行った。
分離した素子の出力を評価したところ５．１ｍＷであった。
本発明の窒化物半導体発光素子は発光ダイオードの高出力化のための形状加工をダメージの少ない湿式エッチングによって行い、収率の低下を抑えることを可能とする。この発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせて白色光等の光源とすることができ、それを照明器具などに使用することが可能である。
１００ 基板
１０１ 基板周縁部の露出面
１０２ 第１導電型半導体層
１０３ 発光層
１０４ 第２導電型半導体層
１０５ ｐ型電極
１０６ 凹溝
１０７ 凹溝の基板露出面
１０７−１ 加工痕
１０８ 凹溝の傾斜面
１０９ 凹溝の開口部
１１０ ｐ側パッド
１１１ ｎ側パッド
１１２ 基板主面の法線
１１３ 傾斜面１０８の法線
１１４ 周縁部傾斜面の法線
１１５ 光の進行線
１１６ レーザービーム
１０１ 基板周縁部の露出面
１０２ 第１導電型半導体層
１０３ 発光層
１０４ 第２導電型半導体層
１０５ ｐ型電極
１０６ 凹溝
１０７ 凹溝の基板露出面
１０７−１ 加工痕
１０８ 凹溝の傾斜面
１０９ 凹溝の開口部
１１０ ｐ側パッド
１１１ ｎ側パッド
１１２ 基板主面の法線
１１３ 傾斜面１０８の法線
１１４ 周縁部傾斜面の法線
１１５ 光の進行線
１１６ レーザービーム
Claims (22)
- 基板と、第１導電型の半導体層、発光層及び第２導電型の半導体層とを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に接する透光性の電極と、透光性の電極の接する半導体層とは逆導電型の窒化物半導体層に接触する第２の電極とを含む窒化物半導体発光素子であって、素子の周縁部で基板の表面が窒化物半導体層の除去により露出した領域を有し、素子の周縁部以外の、透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分が基板に達するまで除去され、基板の表面が露出した領域を有し、周縁部および周縁部以外の窒化物半導体層の除去領域を基板方向に多くすることにより、除去後の半導体層側面が基板側に傾斜した側面に形成されており、素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去された領域の基板面に、Ｖ字状の溝からなる加工痕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。
- 素子の周縁部以外で基板の露出している領域は、その一部が電極の直下にある請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が９０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が９５度以上１７０度以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 周縁部以外の基板側に傾斜した側面が、その側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ1が１００度以上１６０度以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部以外で除去された窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、１〜１０００％とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部以外の部分で除去する窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、５〜５００％とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部以外の部分で除去する窒化物半導体層の周辺の長さを、素子の周縁部で除去された窒化物半導体層の周辺の長さに対し、１０〜２００％とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部以外における窒化物半導体層の除去領域が、ほぼ円形をした開口部であるとことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去領域が、ほぼ直線で囲まれた形状であるとことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部以外で窒化物半導体層を除去する領域が、透光性の電極に接する窒化物半導体層の中に少なくとも一つ以上に設けることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部で窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が９０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部で窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が９５度以上１７０度以下であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 素子の周縁部で窒化物半導体層が傾斜した側面を有し、該側面の法線と、基板主面の法線とのなす角度θ2が１００度以上１６０度以下であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 窒化物半導体層の除去により露出した基板表面及び窒化物半導体層の側面に反射膜が形成されている請求項１〜１４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板がサファイア（Ａｌ2Ｏ3）である請求項１〜１５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板と、第１導電型の半導体層と発光層と第２導電型の半導体層とを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に接する透光性の電極と、透光性の電極の接する半導体層とは逆導電型の窒化物半導体層への接触をするための第２の電極とを含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、素子の周縁部で基板が露出されるまで窒化物半導体層を除去するとともに、素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分を基板に達するまで除去し、その際に、周縁部および周縁部以外の窒化物半導体層の除去領域を基板方向に多くすることにより、除去後の半導体層側面に、基板側に傾斜した側面を形成し、素子の周縁部以外で窒化物半導体層の除去された領域の基板面に、Ｖ字状の溝からなる加工痕を形成し、該窒化物半導体層の除去をレーザーによる除去とその後の湿式エッチングによる除去の組み合わせにより行うことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 発光素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分を基板に達するまでの除去を、湿式エッチング条件を制御することにより、基板方向に向けて多くし、除去後の残部の半導体層に基板側に傾斜した側面を形成することを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 発光素子の周縁部以外で透光性の電極に接している窒化物半導体の少なくとも一部分の基板に達するまでの除去を、湿式エッチング条件を制御することにより、露出した基板の一部が電極の直下に来るようにすることを特徴とする請求項１７または１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 素子の周縁部における半導体層の除去の際の湿式エッチング条件を制御することにより、素子の側面の半導体層を外側に傾斜させることを特徴とする請求項１７または１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１〜１６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子と蛍光体を組み合わせた光源。
- 請求項２１に記載の光源を有する照明器具。
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