JP5514274B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させたIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
一般に、III族元素とＶ族元素との化合物からなるIII−Ｖ族半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等のデバイスに広く用いられている。
III族元素としてＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ等を用い、Ｖ族元素としてＮを用いたIII族窒化物半導体は、高融点で窒素の解離圧が高くバルク単結晶成長が困難であり、大口径で安価な導電性単結晶基板が無いという理由から、サファイア基板上に成長させることにより形成するのが一般的である。
しかしながら、サファイア基板は絶縁性であって電流が流れないため、従来は、サファイア基板上に順に成長させたｎ型のIII族窒化物半導体層、活性層（発光層）およびｐ型のIII族窒化物半導体層からなる発光構造積層体の一部を除去して、ｎ型のIII族窒化物半導体層を露出させ、この露出させたｎ型のIII族窒化物半導体層およびｐ型のIII族窒化物半導体層の上にｎ型電極およびｐ型電極をそれぞれ配置して、電流を横方向に流す横型構造を採用するのが通常であった。
これに対し、近年、リフトオフ法が研究されている。サファイア基板上にリフトオフ層を介して、例えばＡｌＮ層等のアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層を形成する。このバッファ層の上に、ｎ型III族窒化物半導体層、発光層、およびｐ型III族窒化物半導体層をこの順に有する発光構造積層体を形成し、このｐ型III族窒化物半導体層上にｐ側電極を形成する。そして、リフトオフ層を化学的なエッチングにより選択的に溶解してサファイア基板を剥離（リフトオフ）する。その後、バッファ層を除去して露出したｎ型III族窒化物半導体層上にｎ側電極を形成することで、一対の電極で発光構造積層体を挟んでなる縦型構造のＬＥＤチップを得る（特許文献１参照）。このように、これまではリフトオフ層を除去して露出したアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層は、ｎ側電極を形成するための除去されていた。
III族窒化物半導体による発光構造積層体の厚さは、通常、数μｍと薄い。発光波長が２００〜３５０ｎｍの深紫外ＬＥＤのように高いＡｌ組成のIII族窒化物半導体層を有する場合は特に薄い。ｐ型III族窒化物半導体層上に強度を維持する支持部を形成し、ｎ型III族窒化物半導体層側をサファイア基板からリフトオフ法により剥離して、さらにバッファ層を除去する場合、その除去精度から、薄いｎ型III族窒化物半導体層を少なくとも一部エッチングしなければ、良好なオーミックコンタクトが得られるｎ型III族窒化物半導体層の露出面を得ることは困難であった。そのため、電極形成面以外の光取り出し面においても発光素子として残存するｎ型III族窒化物半導体層の厚さは薄くなり、バッファ層をすべて除去することは、光の取り出しにおいて不利となると本発明者らは考えた。つまり、リフトオフ法で得たＬＥＤチップについて、バッファ層を活用することにより、さらに発光出力を向上させ、順方向電圧を低下させる余地があると本発明者らは考えた。
本発明の目的は、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させたIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記のように除去していたバッファ層を有効に利用する方法について鋭意検討を行った。そして、リフトオフ後に残存するアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層に、リフトオフ面側からバッファ層の一部を除去したｎ型III族窒化物半導体層の露出部を形成し、露出部でｎ側電極とｎ型III族窒化物半導体層とが接触する接触部を独立して複数確保したIII族窒化物半導体発光素子によれば、発光出力は高く、かつ、順方向電圧は低いことを見出した。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、第１電極と、該第１電極に接続された第１導
電型III族窒化物半導体層と、該第１導電型III族窒化物半導体層の上に設けられた発光層と、該発光層の上に設けられた第２導電型III族窒化物半導体層と、該第２導電型III族窒化物半導体層上に設けられたアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層と、を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記バッファ層は、前記第２導電型III族窒化物半導体層を露出する独立した複数の露出部を備え、前記バッファ層の前記露出部のそれぞれにおいて前記第２導電型III族窒化物半導体層と接触し、かつ、前記露出部における前記第２導電型III族窒化物半導体層を部分的に被覆する接触部を含み、前記露出部のそれぞれにおける接触部を互いに電気的に連結させる第２電極をさらに有し、前記第２電極の一部が前記バッファ層上に設けられることを特徴とする。
本発明において、前記独立した複数の露出部は、形状および寸法が同一であることが好ましい。
電型III族窒化物半導体層と、該第１導電型III族窒化物半導体層の上に設けられた発光層と、該発光層の上に設けられた第２導電型III族窒化物半導体層と、該第２導電型III族窒化物半導体層上に設けられたアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層と、を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記バッファ層は、前記第２導電型III族窒化物半導体層を露出する独立した複数の露出部を備え、前記バッファ層の前記露出部のそれぞれにおいて前記第２導電型III族窒化物半導体層と接触し、かつ、前記露出部における前記第２導電型III族窒化物半導体層を部分的に被覆する接触部を含み、前記露出部のそれぞれにおける接触部を互いに電気的に連結させる第２電極をさらに有し、前記第２電極の一部が前記バッファ層上に設けられることを特徴とする。
本発明において、前記独立した複数の露出部は、形状および寸法が同一であることが好ましい。
本発明では、前記アンドープIII族窒化物半導体層がＡｌＮ層であることが好ましい。
本発明では、前記第２電極は、前記接触部と、前記バッファ層上に設けられたパッド部と、前記接触部と前記パッド部とを連結する配線部と、を有することが好ましい。
本発明では、前記第２電極の直下、かつ、前記第１導電型III族窒化物半導体層の第１電極側の面上の一部に絶縁層を有することが好ましい。
本発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、成長用基板の上にアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層、第２導電型III族窒化物半導体層、発光層、第１導電型III族窒化物半導体層をこの順に形成する工程と、前記第１導電型III族窒化物半導体層上に第１電極を形成する工程と、前記成長用基板を除去して前記バッファ層を露出させる工程と、露出した前記バッファ層の一部を除去して、前記第２導電型III族窒化物半導体層を露出する独立した複数の露出部を形成する工程と、前記露出部のそれぞれにおいて露出した前記第２導電型III族窒化物半導体層の上および前記バッファ層の上で連続した第２電極を形成する工程と、を有し、該第２電極は、前記バッファ層の前記露出部のそれぞれにおいて前記第２導電型III族窒化物半導体層と接触し、かつ、前記露出部における前記第２導電型III族窒化物半導体層を部分的に被覆する接触部を含み、前記露出部のそれぞれにおける接触部を互いに電気的に連結させることを特徴とする。
本発明の製造方法において、前記独立した複数の露出部は、形状および寸法が同一であることが好ましい。
本発明の製造方法において、前記独立した複数の露出部は、形状および寸法が同一であることが好ましい。
この場合、前記アンドープIII族窒化物半導体層がＡｌＮ層であることが好ましい。
本発明によれば、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させたIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、本明細書において、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子と比較例のIII族窒化物半導体発光素子とで共通する構成要素には、原則として下２桁が同一の参照番号を付し、説明は省略する。また、成長用基板を除去する方法の一つとして成長用基板を剥離するリフトオフ法を用い、エッチング可能なリフトオフ層を用いたケミカルリフトオフ法の場合を例に記載する。
（III族窒化物半導体発光素子１００）
図１〜３を用いて、本発明の一実施形態であるIII族窒化物半導体発光素子１００（以下、単に「発光素子」１００ともいう。）を説明する。
図１〜３を用いて、本発明の一実施形態であるIII族窒化物半導体発光素子１００（以下、単に「発光素子」１００ともいう。）を説明する。
図１に示すように、発光素子１００は、第１電極としてのｐ側電極１１６と、ｐ側電極１１６の上に設けられた第１導電型としてのｐ型のIII族窒化物半導体層１１２（以下、単に「ｐ層」という。）と、ｐ層１１２の上に設けられた発光層１１０と、発光層１１０の上に設けられた第２導電型としてのｎ型のIII族窒化物半導体層１０８（以下、単に「ｎ層」という。）と、ｎ層１０８の上に設けられた、アンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層１０６と、を有する。
本発明の第１の実施形態に係る特徴的構成は以下のとおりである。図１〜３に示すように、バッファ層１０６は、ｎ層１０８の一部を露出させる複数（例えば４つ）の露出部１２６を有する。そして、第２電極としてのｎ側電極１２２は、図２および図３に示すように、露出部１２６内において露出したｎ層１０８の上およびバッファ層１０６の上に連続して設けられる。ｎ側電極１２２は、露出部１２６内のｎ層１０８と接触する接触部１２２ｃと、バッファ層１０６上に設けられたバッド部１２２ａと、接触部１２２ｃとパッド部１２２ａとを連結する配線部１２２ｂと、からなる。つまり、ｎ側電極１２２は、ｎ層１０８と接触する接触部１２２ｃを露出部１２６において独立して複数、本実施形態では４つ有し、それぞれの接触部１２２ｃは、バッファ層１０６上で配線部１２２ｂにより互いに電気的に連結される。
本発明にかかる発光素子１００は、ｎ層１０８上で各接触部１２２ｃを独立させつつ、各接触部１２２ｃはバッファ層１０６上で配線部１２２ｂにより互いに電気的に連結されているので、例えばパッド部１２２ａから各接触部１２２ｃへとまとめて電流を供給できる。そして、本発明者は、このようにｎ層１０８とｎ側電極１２２との接触部１２２ｃを設ける部分のみ、バッファ層１０６を除去し、さらに、接触部１２２ｃを複数設けることにより、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させることができることを見出した。
一方、後述の比較例１のように、接触部を設ける部分のみバッファ層１０６を除去する場合でも、接触部をｎ層上で連続させて設ける場合、すなわち、接触部を複数設けない場合は、発光出力の向上や、順方向電圧の低下の効果を得ることができない。この理由は定かではないが、接触部が連続していることで、パッド部に近い接触部のみが電流拡散の起点となり、パッド部の周囲に電流が集中しやすくなるため、電流の広がりが限定され、また、電流が集中し出力が大きくなるパッド部直下に近い位置からの発光が大きなパッド部に遮られやすくなるためと考えられる。一方、本発明のように、ｎ層上で接触部を複数に分割して設ける場合、パッド部に近い接触部は面積的に制限されてパッド部から遠い分散した接触部の直下が電流拡散の起点になりやすくなるため、パッド部周辺での電流の集中が抑制され、さらに、電極に遮られずに取り出される光が増えるため、発光出力を向上させ、かつ、順方向電圧を低下させることができると考えられる。
露出部１２６および接触部１２２ｃは、複数が独立して分散して配置されていれば本実施形態に限られることはなく、その個数、位置関係、形状、サイズについては、素子の形状、印加する電流、基点となる電極パッドの配置、各半導体層の内部抵抗率の値に応じて、素子の中で電流が集中せず拡散するのに適するように任意に定めることができる。例えば図３や図５のように、パッド部１２２ａから等間隔に離れた位置に複数の接触部１２２ｃを形成することは好ましい形態である。あるいは、図７のように配線部１２２ｂの抵抗は無視して、素子形状に対して均等な位置に複数の接触部１２２ｃを形成しても良い。ただし、ｎ側電極１２２は光取り出し方向にあるため、その面積が大きいことは出力に悪影響を及ぼすため、電流の拡散と電極面積の最小化とを両立させる個数、位置関係、形状、サイズであることが好ましい。
ｎ側電極１２８の電極材としてはＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどが用いられるが、安定したオーミック特性を得やすいため、Ｔｉ／Ａｌ電極とすることが好ましく、例えばスパッタ法により形成することができる。
ｐ側電極１１６はＮｉ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈなどが用いられるが、安定したオーミック特性が得やすいため、Ｎｉ／Ａｕ電極を用いることが好ましく、例えばスパッタ法により形成することができる。また、ｐ側電極１１６は、ｐ層１１２全面に形成しても良いし、パターニングによりｐ層１１２の一部に形成しても良い。
また、図示していないが基板を除去した際に機械的強度を持たせるため、ｐ側電極１１６上に支持基板を形成することが好ましい。支持基板は、湿式または乾式めっきにより形成することができる。例えばＣｕまたはＡｕの電気めっきでは、支持基板とｐ側電極１１６の間に接続層としてＣｕ，Ｎｉ，Ａｕなどを用いることができる。また、導電性シリコン基板やＣｕＷ合金基板、Ｍｏ基板などを接合法により形成してもよい。この場合、接合層として、Ａｕ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｃｕおよびこれらの合金などを用いることができる。ＡｌＮ焼結基板などの高熱伝導性を有する絶縁性基板を接合法により形成しても良い。この場合は絶縁性基板上に導電層を設けてｐ側電極１１６と接続し、導電層を通して電流を流す構造とすればよい。導電層は接合層を兼ねても良いし、別途形成しても良い。
ｎ層１０８、発光層１１０およびｐ層１１２は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ系材料などのIII族窒化物半導体とすることができる。ｐ型不純物としては、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃ、ｎ型不純物としては、Ｓｉ，Ｔｅ，Ｓｅが例示できる。発光層１１０は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすることができる。これらはいずれも、ＭＯＣＶＤ法など既知の手法を用いてエピタキシャル成長させることができる。発光波長は２００〜５００ｎｍの範囲とすることができる。各層の厚みは、例えばｎ層１０８は０．５〜５μｍ、発光層１１０は１０〜３００ｎｍ、ｐ層１１２は０．１〜２μｍとすることができる。なお、これまで本発明における第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型として説明したが、本発明はこれに限定されず、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としてもよいことは勿論である。この場合、第１電極がｎ側電極、第２電極がｐ側電極となる。
バッファ層１０６としては、ｎ層、発光層、ｐ層の形成前にリフトオフ層上に形成したバッファ層として用いたアンドープIII族窒化物半導体層を少なくとも含む。アンドープとは、意図的には不純物をドープしないことを言い、装置起因や拡散等による不可避的不純物は有ってよい。アンドープIII族窒化物半導体層は電気的にｐ型またはｎ型として機能しない半導体とすればよく、キャリア濃度が小さいもの（例えば５×１０１６／ｃｍ３未満のもの）であれば良い。これにより、バッファ層は全体として電気伝導性が悪く、バッファ層を除去してｎ層を露出させなければ良好な縦方向の電気伝導は得られない。バッファ層１０６の好適な材料としては例えば、アンドープのＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどが挙げられる。厚みは、好適には２００〜２０００ｎｍである。バッファ層１０６は単層、あるいは超格子のような積層構造などとすることができる。本発明においては、バッファ層１０６を残して光の取り出し方向に使用するため、できるだけ光を吸収しないことが好ましい。そのため、アンドープIII族窒化物半導体層として、III族窒化物半導体の中で最もバンドギャップエネルギーが大きくIII族窒化物半導体発光素子にとって透明であるＡｌＮを用いることが最も好ましい。そして、ドーパントも歪を生んで光の吸収位置になりうるため、アンドープであることも好ましい。上記のようにアンドープIII族窒化物半導体層を利用することで、絶縁層を別途形成する場合に比べて他のIII族窒化物半導体層との間で剥がれることがなく、さらに、工程を減らせるという効果も奏する。
（III族窒化物半導体発光素子２００）
図４を用いて、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子２００を説明する。本実施形態は、ｎ側電極１２２、具体的にはパッド部１２２ａの直下、かつ、ｐ層１１２の一部の上に絶縁層１２４を有する点以外は、実施形態１の発光素子１００と同様である。ｎ側電極１２２からは光を取り出すことはできないため、ｎ側電極１２２の直下の発光層１１０で発光させるより、発光層１１０の他の部分で発光させた方が、発光効率が高まる。かような絶縁層１２４により、ｎ側電極１２２の直下の発光層に電流を流れにくくし、発光層１１０の他の部分に電流を流れやすくすることができ、発光効率をより向上させることができる。
図４を用いて、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子２００を説明する。本実施形態は、ｎ側電極１２２、具体的にはパッド部１２２ａの直下、かつ、ｐ層１１２の一部の上に絶縁層１２４を有する点以外は、実施形態１の発光素子１００と同様である。ｎ側電極１２２からは光を取り出すことはできないため、ｎ側電極１２２の直下の発光層１１０で発光させるより、発光層１１０の他の部分で発光させた方が、発光効率が高まる。かような絶縁層１２４により、ｎ側電極１２２の直下の発光層に電流を流れにくくし、発光層１１０の他の部分に電流を流れやすくすることができ、発光効率をより向上させることができる。
絶縁層１２４は、ＳｉＯ２またはＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３などからなるのが好ましく、厚みは１００〜１０００ｎｍが好ましい。または、ｐ層１１２上に上記のアンドープIII族窒化物半導体層を形成して絶縁層１２４として使用することもできる。
（III族窒化物半導体発光素子３００）
図５、６を参照して、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子３００を説明する。III族窒化物半導体発光素子３００は、図５および図６に示すように、バッファ層１０６に多数の露出部１２６を形成して、接触部１２２ｃを多数形成している。本実施形態において、ｎ側電極１２２は、多数の接触部１２２ｃと、素子中央に位置するパッド部１２２ａと、各接触部１２２ｃをパッド電極１２２ａと接続する配線部１２２ｂとからなる。この場合も、各接触部１２２ｃは、バッファ層１０６上で互いに電気的に接続されている。このように接触部１２２ｃを素子全体に均等に多数設けることにより、発光出力をより向上させ、かつ、低い順方向電圧を維持することができる。
図５、６を参照して、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子３００を説明する。III族窒化物半導体発光素子３００は、図５および図６に示すように、バッファ層１０６に多数の露出部１２６を形成して、接触部１２２ｃを多数形成している。本実施形態において、ｎ側電極１２２は、多数の接触部１２２ｃと、素子中央に位置するパッド部１２２ａと、各接触部１２２ｃをパッド電極１２２ａと接続する配線部１２２ｂとからなる。この場合も、各接触部１２２ｃは、バッファ層１０６上で互いに電気的に接続されている。このように接触部１２２ｃを素子全体に均等に多数設けることにより、発光出力をより向上させ、かつ、低い順方向電圧を維持することができる。
（III族窒化物半導体発光素子４００）
図７を参照して、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子４００を説明する。III族窒化物半導体発光素子４００は、支持基板であるＡｌＮ焼結基板１２８上に、導電層１３０、ｐ側電極、ｐ層、発光層、ｎ層およびバッファ層１０６がこの順に形成されている。バッファ層１０６には、図７に示すようにｎ層を露出させる部分である露出部１２６が５つある。ｎ側電極は、露出したｎ層と接触する接触部１２２ｃと、バッファ層１０６上（側面を含む）において接触部１２２ｃを電気的に連結させる配線部１２２ｂと、配線部１２２ｂに接続するパッド部１２２ａからなる。配線部１２２ｂは、４つの接触部１２２ｃをつなぐドーナツ形状と、素子中心の接触部１２２ｃを通過する直線部分とからなる。パッド部１２２ａは、バッファ層１０６の対向する角部に２箇所設けられる。バッファ層１０６のもう片方の対向する角部は、ＡｌＮ焼結基板１２８上の導電層１３０が露出しており、露出した導電層１３０上にｐ側パッド部１３２が形成されている。本実施形態でも、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させることができる。接触部１２２ｃの配置は図８のようにしてもよい。
図７を参照して、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子４００を説明する。III族窒化物半導体発光素子４００は、支持基板であるＡｌＮ焼結基板１２８上に、導電層１３０、ｐ側電極、ｐ層、発光層、ｎ層およびバッファ層１０６がこの順に形成されている。バッファ層１０６には、図７に示すようにｎ層を露出させる部分である露出部１２６が５つある。ｎ側電極は、露出したｎ層と接触する接触部１２２ｃと、バッファ層１０６上（側面を含む）において接触部１２２ｃを電気的に連結させる配線部１２２ｂと、配線部１２２ｂに接続するパッド部１２２ａからなる。配線部１２２ｂは、４つの接触部１２２ｃをつなぐドーナツ形状と、素子中心の接触部１２２ｃを通過する直線部分とからなる。パッド部１２２ａは、バッファ層１０６の対向する角部に２箇所設けられる。バッファ層１０６のもう片方の対向する角部は、ＡｌＮ焼結基板１２８上の導電層１３０が露出しており、露出した導電層１３０上にｐ側パッド部１３２が形成されている。本実施形態でも、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させることができる。接触部１２２ｃの配置は図８のようにしてもよい。
（III族窒化物半導体発光素子の製造方法）
次に、図９および図１０を用いて、本発明にかかるIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法を説明する。図９（Ｄ）は、図１０（Ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図９（Ｅ）は、図１０（Ｂ）のＤ−Ｄ断面図である。図９（Ｆ）は、図１０（Ｃ）のＥ−Ｅ断面図である。
次に、図９および図１０を用いて、本発明にかかるIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法を説明する。図９（Ｄ）は、図１０（Ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図９（Ｅ）は、図１０（Ｂ）のＤ−Ｄ断面図である。図９（Ｆ）は、図１０（Ｃ）のＥ−Ｅ断面図である。
まず、図９（Ａ）に示すように、成長用基板１０２の上にリフトオフ層１０４を形成し、このリフトオフ層１０４の上に、バッファ層１０６、ｎ層１０８、発光層１１０、ｐ層１１２を、例えばＭＯＣＶＤ法により順次エピタキシャル成長させる。この後、成長用基板上でｐ層、発光層、ｎ層、バッファ層に溝を形成して、成長用基板の一部を除去させる分離工程を設けても良い。ケミカルリフトオフ法により成長用基板を剥離して除去する際にエッチング液の浸透を促進することができる。
次に、図９（Ｂ）に示すように、ｐ層１１２上にｐ側電極１１６を形成する。ｐ側電極１１６は既述の材質および方法で形成することができる。また、図示されていないが、ｐ側電極１１６上にさらに支持基板を接合してよい。なお、ｐ側電極はｐ層１１２に接続されて電気を供給する機能を有していれば、これらの形態に限定されない。
次に、図９（Ｃ）に示すように、ケミカルリフトオフ法を用いてリフトオフ層１０４を除去することで、成長用基板１０２をバッファ層１０６から剥離する。
次に、図９（Ｄ）に示すように、バッファ層１０６上に、開口部１２０を設けたマスク１１８を形成する。各開口部１２０からはバッファ層１０６の一部が露出している。図１０（Ａ）に示すように、開口部１２０は複数設ける。マスク１１８は、ＳｉＯ２、ＳｉＮなど絶縁膜を、例えばプラズマＣＶＤにより形成し、その後、開口部を形成する部位のみ反応性イオンエッチングなどの方法で除去することで、作製できる。
次に、図９（Ｅ）に示すように、開口部１２０で露出しているバッファ層１０６の表面をエッチングして、バッファ層１０６にｎ層１０８の一部を露出させる複数の露出部１２６を形成する。図１０（Ｂ）に示すように、露出部１２６は開口部１２０の位置に対応して形成される。その後、マスク１１８は除去する。このとき、図９（Ｅ）に示したように、バッファ層１０６上の全てのマスク１１８を除去してもよいが、バッファ層１０６上の一部にマスク１１８を残してもよい。
次に、図９（Ｆ）および図１０（Ｃ）に示すように、露出部１２６において露出したｎ層１０８の上およびバッファ層１０６の上で連続したｎ側電極１２２を例えばスパッタ法や蒸着法により形成する。ｎ側電極１２２は、露出部１２６内においてｎ層１０８と接触する接触部１２２ｃを有する。接触部１２２ｃは、バッファ層１０６の上に設けられる配線部１２２ｂおよびパッド部１２２ａによって互いに電気的に連結される。ｎ側電極を所定の領域に形成するためには、レジストパターンを形成後にｎ側電極を成膜し、レジストを除去するリフトオフ法を用いてパターニングする。成膜後にレジストパターンをマスクとして露出した部分をエッチングする方法を用いても良い。
図９（Ａ）および（Ｂ）の間で、ｐ層１１２の面上の一部に、ｎ側電極１２２を設ける位置の直下にあたる部分に絶縁層を形成する工程をさらに有することが好ましい。図４に示すような、ｎ側電極１２２直下、かつ、ｐ層上に絶縁層１２４を有するIII族窒化物半導体発光素子を製造することができるからである。絶縁層はプラズマＣＶＤ法やスパッタリング法、塗布法などを用いて形成することができる。絶縁膜を所定の領域に形成するには、例えば、絶縁膜を成膜後にレジストパターンをマスクとして露出した部分をエッチングする方法により形成することができる。レジストパターンを形成後に成膜し、レジストを除去するリフトオフ法を用いてパターニングする方法でも良い。
成長用基板１０２は、サファイア基板またはサファイア基板上にＡｌＮ膜を形成したＡｌＮテンプレート基板を用いるのが好ましい。形成するリフトオフ層の種類やIII族窒化物半導体からなる半導体積層体のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの組成、ＬＥＤチップの品質、コストなどにより適宜選択すればよい。
リフトオフ層１０４は、エッチング液で溶解できる材料であれば特に限定されず、ＳｃＮやＣｒＮなどのIII族以外の金属や金属窒化物バッファ層を挙げることができる。
ケミカルリフトオフ法に使用可能なエッチング液は特に限定されない。リフトオフ層がＣｒＮの場合、硝酸第二セリウムアンモン溶液や過マンガン酸カリウム系の溶液などのＣｒＮに対して選択性のあるエッチング液を用いることができる。リフトオフ層がＳｃＮやＨｆ、Ｚｒの場合、選択性のある酸性のエッチング液を用いることができる。また、成長用基板１０２を除去方法はこれに限定されず、レーザーリフトオフ法によって剥離してもよい。その場合、リフトオフ層１０４を形成する必要はない。また、成長用基板１０２を研削等により除去してもよい。
バッファ層１０６のエッチングする方法は、特に限定されないが、例えばＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨのようなアルカリ溶液によるウェットエッチングや、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のようなドライエッチングを用いることができる。ＲＩＥの場合、窒化物半導体をエッチングする際には、塩素、４塩化ケイ素、３塩化ホウ素などのガスを用いることができる。
以上、本発明を説明したが、これらは代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。
本発明の効果をさらに明確にするため、以下に説明する実施例・比較例の実験を行った比較評価について説明する。
＜III族窒化物半導体素子の作製＞
（実施例１）
図９に示す方法で、図１に示す発光素子を作製した。まず、成長用基板としてサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ層を１μｍ形成し、ＡｌＮテンプレート基板とした。その上に、スパッタ法によりＣｒ（厚み：８ｎｍ）を形成後、ＭＯＣＶＤ炉内でアンモニアを用いて窒化処理を行い、リフトオフ層としてＣｒＮを形成した。その後、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層（アンドープＡｌＮ層（厚み：１μｍ）および超格子層（ＡｌＮ／ＧａＮの積層体、厚み：１μｍ））、ｎ型層（ＡｌＧａＮ層、Ｓｉドープ、厚み：２μｍ）、発光層（ＡｌＩｎＧａＮ系ＭＱＷ層、厚み：０．２μｍ、発光波長３４０ｎｍ）およびｐ層（ＡｌＧａＮ層、Ｍｇドープ、厚み：０．４μｍ）からなるIII族窒化物半導体層をこの順に形成した。
（実施例１）
図９に示す方法で、図１に示す発光素子を作製した。まず、成長用基板としてサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ層を１μｍ形成し、ＡｌＮテンプレート基板とした。その上に、スパッタ法によりＣｒ（厚み：８ｎｍ）を形成後、ＭＯＣＶＤ炉内でアンモニアを用いて窒化処理を行い、リフトオフ層としてＣｒＮを形成した。その後、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層（アンドープＡｌＮ層（厚み：１μｍ）および超格子層（ＡｌＮ／ＧａＮの積層体、厚み：１μｍ））、ｎ型層（ＡｌＧａＮ層、Ｓｉドープ、厚み：２μｍ）、発光層（ＡｌＩｎＧａＮ系ＭＱＷ層、厚み：０．２μｍ、発光波長３４０ｎｍ）およびｐ層（ＡｌＧａＮ層、Ｍｇドープ、厚み：０．４μｍ）からなるIII族窒化物半導体層をこの順に形成した。
次に、ｐ層の上にＮｉ／Ａｕ（厚み：１０ｎｍ／３００ｎｍ）をスパッタ法により形成してｐ側電極とした。その後、６００℃で１５分の熱処理を行った。その後、ｐ側電極上に接合層としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕをスパッタ法で形成した。別途用意した導電性Ｓｉ基板に支持基板側接合層としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｓｎ／Ａｕを形成し、３００℃で６０分、６ＭＰaの圧力で両基板の接合層を押し付けて熱圧着した。
その後、ケミカルリフトオフ法を用いてサファイア基板をバッファ層から剥離した。エッチング液はＣｒＮ層に選択性のある硝酸第二セリウムアンモン溶液とした。
次に、バッファ層にマスクとしてＳｉＯ２をプラズマＣＶＤにより形成し、レジストパターンを用いて一部をＢＨＦによりエッチングして開口部とした。図１０（Ａ）に示すように、４つの同一形状の独立した開口部を同心円状に等間隔に形成した。素子のサイズはφ８５０μｍであり、各開口部の寸法はφ８０μｍとし、開口部の中心が素子中央から１８０μｍ離れた位置に配置した。
次に、ＳｉＯ２の開口部に露出しているバッファ層をｎ層の一部が露出するまでＲＩＥを用いてドライエッチングし、図１０（Ｂ）に示すように、マスク表面の開口部の形状と同様の形状の露出部をバッファ層に形成した。その後、マスクを除去した。
次に、図１０（Ｃ）に示すように、ｎ側電極（Ｔｉ／Ａｌ、厚み：２０ｎｍ／６００ｎｍ）をスパッタ法により形成した。ｎ側電極のパターンは、レジストパターンを形成後にスパッタ法によりレジストパターンの開口部にｎ側電極を形成し、レジストを除去するリフトオフ法を用いて作成した。ｎ側電極は、露出部において露出したｎ層と接触する接触部を含む。接触部は、中心が露出部の中心と一致した直径６５μｍの円形部分と、配線部とつながる幅２０μｍ、長さ約７．５μｍの直線部分とからなる。ｎ側電極は、バッファ層上（露出部における側面を含む）において接触部を電気的に連結させる配線部を含み、さらに配線部に接続するパッド部（直径：１００μｍ）を素子中央に有する。さらに、パッド部上に中心を合わせてパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ、厚み：２０ｎｍ／２００ｎｍ、直径：１２０μｍ）を形成した。上面図を用いて４つの接触部の面積を合計すると、１３８７３μｍ２、ｎ側電極の面積はパッド電極を含めて３１５８２μｍ２である。
（実施例２）
ｐ層形成後、かつ、ｐ側電極形成前に、ｐ層表面上に、ｎ側電極のパッド部形成予定位置の直下に中心を合わせてＳｉＯ２からなる絶縁層（厚み：３００ｎｍ、直径：１２０μｍ）をプラズマＣＶＤ法により形成したこと以外は、実施例１と同様に、発光素子を作製した。
ｐ層形成後、かつ、ｐ側電極形成前に、ｐ層表面上に、ｎ側電極のパッド部形成予定位置の直下に中心を合わせてＳｉＯ２からなる絶縁層（厚み：３００ｎｍ、直径：１２０μｍ）をプラズマＣＶＤ法により形成したこと以外は、実施例１と同様に、発光素子を作製した。
（比較例１）
マスクの開口部の形状、すなわちバッファ層に形成する露出部の形状と、ｎ側電極の形状を以下のように変更した以外は、実施例１と同様にして、図１３および図１４に示すIII族窒化物半導体発光素子５００を製造した。この素子では、バッファ層５０６には、外径２００μｍ、内径１５０μｍのドーナツ状に連続した露出部５２６を形成した。そして、露出したｎ層５０８の上および孔に囲まれたバッファ層５０６上に、ｎ側電極５２２（直径：２００μｍ）を形成した。すなわちｎ側電極は、露出部５２６と同じドーナツ形状の接触部と、接触部と接続する直径１５０μｍの配線部兼パッド部を素子中央に有する。この比較例では、ｎ側電極のｎ層との接触部は、ドーナツ状に連続した１つの領域である。上面図を用いて面積を計算すると、接触部の面積は１３７４４μｍ２、ｎ側電極の面積は３１４２５μｍ２であり、実施例とほぼ同じである。
マスクの開口部の形状、すなわちバッファ層に形成する露出部の形状と、ｎ側電極の形状を以下のように変更した以外は、実施例１と同様にして、図１３および図１４に示すIII族窒化物半導体発光素子５００を製造した。この素子では、バッファ層５０６には、外径２００μｍ、内径１５０μｍのドーナツ状に連続した露出部５２６を形成した。そして、露出したｎ層５０８の上および孔に囲まれたバッファ層５０６上に、ｎ側電極５２２（直径：２００μｍ）を形成した。すなわちｎ側電極は、露出部５２６と同じドーナツ形状の接触部と、接触部と接続する直径１５０μｍの配線部兼パッド部を素子中央に有する。この比較例では、ｎ側電極のｎ層との接触部は、ドーナツ状に連続した１つの領域である。上面図を用いて面積を計算すると、接触部の面積は１３７４４μｍ２、ｎ側電極の面積は３１４２５μｍ２であり、実施例とほぼ同じである。
（比較例２）
ｐ層形成後、かつ、ｐ側電極形成前に、ｐ層表面上に実施例２と同様の絶縁層を形成したこと以外は、比較例１と同様に発光素子を作製した。
ｐ層形成後、かつ、ｐ側電極形成前に、ｐ層表面上に実施例２と同様の絶縁層を形成したこと以外は、比較例１と同様に発光素子を作製した。
＜評価方法＞
実施例１、２および比較例１、２の発光素子それぞれについてパッド部にワイヤーボンディングを行った。得られた発光素子に定電流電圧電源を用いて０〜３００ｍＡの所定の電流を流したときの素子のバッファ層側の上方に配置したフォトダイオードの電流値により評価した発光出力Ｐｏおよび順方向電圧Ｖｆを、図１１および図１２にそれぞれ示した。
実施例１、２および比較例１、２の発光素子それぞれについてパッド部にワイヤーボンディングを行った。得られた発光素子に定電流電圧電源を用いて０〜３００ｍＡの所定の電流を流したときの素子のバッファ層側の上方に配置したフォトダイオードの電流値により評価した発光出力Ｐｏおよび順方向電圧Ｖｆを、図１１および図１２にそれぞれ示した。
（評価結果）
図１１および図１２に示すとおり、比較例１は他の試験例に比べて発光出力Ｐｏが低い。また、比較例２はパッド部直下に絶縁層を設けたために比較例１に比べて高い発光出力Ｐｏを得ることができた。しかし、順方向電圧Ｖｆが他の試験例に比べて高かった。一方で、実施例１および２は、発光出力Ｐｏが高く、かつ、順方向電圧Ｖｆが低かった。これは、実施例１および２は、ｎ側電極とｎ層との接触部を複数有しているためと考えられる。
図１１および図１２に示すとおり、比較例１は他の試験例に比べて発光出力Ｐｏが低い。また、比較例２はパッド部直下に絶縁層を設けたために比較例１に比べて高い発光出力Ｐｏを得ることができた。しかし、順方向電圧Ｖｆが他の試験例に比べて高かった。一方で、実施例１および２は、発光出力Ｐｏが高く、かつ、順方向電圧Ｖｆが低かった。これは、実施例１および２は、ｎ側電極とｎ層との接触部を複数有しているためと考えられる。
本発明によれば、発光出力を向上させつつ順方向電圧を低下させたIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
１００ III族窒化物半導体発光素子
１０２ 成長用基板
１０４ リフトオフ層
１０６ バッファ層
１０８ ｎ型III族窒化物半導体層
１１０ 発光層
１１２ ｐ型III族窒化物半導体層
１１６ ｐ側電極
１１８ マスク
１２０ 開口部
１２２ ｎ側電極
１２２ａ パッド部
１２２ｂ 配線部
１２２ｃ 接触部
１２４ 絶縁層
１２６ 露出部
２００ III族窒化物半導体発光素子
３００ III族窒化物半導体発光素子
４００ III族窒化物半導体発光素子
１０２ 成長用基板
１０４ リフトオフ層
１０６ バッファ層
１０８ ｎ型III族窒化物半導体層
１１０ 発光層
１１２ ｐ型III族窒化物半導体層
１１６ ｐ側電極
１１８ マスク
１２０ 開口部
１２２ ｎ側電極
１２２ａ パッド部
１２２ｂ 配線部
１２２ｃ 接触部
１２４ 絶縁層
１２６ 露出部
２００ III族窒化物半導体発光素子
３００ III族窒化物半導体発光素子
４００ III族窒化物半導体発光素子
Claims (8)
- 第１電極と、
該第１電極に接続された第１導電型III族窒化物半導体層と、
該第１導電型III族窒化物半導体層の上に設けられた発光層と、
該発光層の上に設けられた第２導電型III族窒化物半導体層と、
該第２導電型III族窒化物半導体層上に設けられたアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層と、
を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、
前記バッファ層は、前記第２導電型III族窒化物半導体層を露出する独立した複数の露出部を備え、
前記バッファ層の前記露出部のそれぞれにおいて前記第２導電型III族窒化物半導体層と接触し、かつ、前記露出部における前記第２導電型III族窒化物半導体層を部分的に被覆する接触部を含み、前記露出部のそれぞれにおける接触部を互いに電気的に連結させる第２電極をさらに有し、
前記第２電極の一部が前記バッファ層上に設けられることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記独立した複数の露出部は、形状および寸法が同一である請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記アンドープIII族窒化物半導体層がＡｌＮ層である、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記第２電極は、前記接触部と、前記バッファ層上に設けられたパッド部と、前記接触部と前記パッド部とを連結する配線部と、を有する、請求項１〜３いずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記第２電極の直下、かつ、前記第１導電型III族窒化物半導体層の第１電極側の面上の一部に絶縁層を有する、請求項４に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 成長用基板の上にアンドープIII族窒化物半導体層を含むバッファ層、第２導電型III族窒化物半導体層、発光層、第１導電型III族窒化物半導体層をこの順に形成する工程と、
前記第１導電型III族窒化物半導体層上に第１電極を形成する工程と、
前記成長用基板を除去して前記バッファ層を露出させる工程と、
露出した前記バッファ層の一部を除去して、前記第２導電型III族窒化物半導体層を露出する独立した複数の露出部を形成する工程と、
前記露出部のそれぞれにおいて露出した前記第２導電型III族窒化物半導体層の上および前記バッファ層の上で連続した第２電極を形成する工程と、
を有し、該第２電極は、前記バッファ層の前記露出部のそれぞれにおいて前記第２導電型III族窒化物半導体層と接触し、かつ、前記露出部における前記第２導電型III族窒化物半導体層を部分的に被覆する接触部を含み、前記露出部のそれぞれにおける接触部を互いに電気的に連結させることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記独立した複数の露出部は、形状および寸法が同一である請求項６に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記アンドープIII族窒化物半導体層がＡｌＮ層である、請求項６または７に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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