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技術 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

出願人 昭和電工株式会社
発明者 村木典孝渡邉宗隆
出願日 2006年6月13日 (13年9ヶ月経過) 出願番号 2006-163737
公開日 2007年12月27日 (12年2ヶ月経過) 公開番号 2007-335529
状態 特許登録済
技術分野 発光ダイオード ウェットエッチング LED素子(パッケージ以外)
主要キーワード 矩形長辺 平面投影面積 異型形状 被加工位置 低ドープ層 加工スピード 周辺長 側面加工
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年12月27日)のものです。
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図面 (8)

課題

光取出し効率に優れ、発光出力の高い平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であ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。

解決手段

基板および基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光素子であって、発光素子の平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であり、該窒化ガリウム系化合物半導体層の側面が基板主面に対して垂直でない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。

概要

背景

近年、短波長発光素子用の半導体材料として窒化ガリウム系化合物半導体材料が注目を集めている。窒化ガリウム系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物基板やIII-V族化合物基板として、その上に有機金属気層成長法MOCVD法)や分子線エピタキシー法MBE法)等によって形成されている。

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に於いては、正極にAuNi透明電極を始め、ITO電極等の透明電極を用いて発光層よりの光を効率よく、外部に取り出す事が行われている。光取り出し効率を向上させるために、透明電極上のパッド電極およびn型層上に設けられた負極等の電極の配置を工夫したデザインにより様々なLEDチップ考案されている(例えば、特許文献1参照)。

また、LEDチップのモデュール化に於いては、スペースを効率化するため、従来の正方形形状から、長方形形状に、特に異型形状へのニーズが高まっている。その理由として正方形形状では、横方向に光を照射するチップでは、実装上不効率的でありモデュール高さを低減できる長方形形状が望ましい。しかしながら、このような長方形形状のLEDチップは、電極間距離および電極形状の関係で、従来成し得ていたLEDチップの高光取出し効率が損なわれる事態が生じている。

例えば特許文献2では、電流過度の集中を避けるために、本来光取り出しのために設けられている透明電極に不透明な拡散用電極を形成するなどして、発光素子全体としての発光出力犠牲になっている。

特開2005−19646号公報
特開2004−221529号公報

概要

光取出し効率に優れ、発光出力の高い平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であ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。基板および基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光素子であって、発光素子の平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であり、該窒化ガリウム系化合物半導体層の側面が基板主面に対して垂直でない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。

目的

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、光取出し効率に優れ、発光出力の高い平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であ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。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
6件

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請求項1

基板および基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光素子であって、発光素子の平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であり、該窒化ガリウム系化合物半導体層の側面が基板主面に対して垂直でない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

請求項2

窒化ガリウム系化合物半導体層の側面と基板主面との角度θが90°より小さい請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

請求項3

基板がサファイアC面である請求項1または2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

請求項4

窒化ガリウム系化合物半導体層の矩形長辺側の側面が窒化ガリウム単結晶格子においてM面以外の面方位である請求項3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

請求項5

発光素子の長辺の長さが50μm〜2000μmである請求項1〜4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。

請求項6

発光素子の短辺と長辺との比が1:10から4:5である請求項1〜5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。

請求項7

正極ボンディングパッドが矩形長辺の中央部に位置している請求項1〜6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。

請求項8

基板および基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなり、平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形である発光素子の製造方法であって、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面側を所定のパターンをもったマスクで覆う工程と、素子に分割する部位の窒化ガリウム系化合物半導体層を基板に達するまで除去する工程と、除去後にウェットエッチング処理する工程と、各素子に分割する工程とを、含む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の製造方法。

請求項9

マスクがフォトレジストである請求項8に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。

請求項10

窒化ガリウム系化合物半導体層を除去する工程がレーザーによってなされる請求項8または9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。

請求項11

窒化ガリウム系化合物半導体層を除去する工程がダイサーによってなされる請求項8または9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。

請求項12

ウェットエッチング処理をオルトリン酸を用いて行なう請求項8〜11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の製造方法。

請求項13

請求項1〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子からなるランプ

請求項14

請求項13に記載のランプが組み込まれている電子機器

請求項15

請求項14に記載の電子機器が組み込まれている機械装置

技術分野

0001

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

背景技術

0002

近年、短波長発光素子用の半導体材料として窒化ガリウム系化合物半導体材料が注目を集めている。窒化ガリウム系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物基板やIII-V族化合物基板として、その上に有機金属気層成長法MOCVD法)や分子線エピタキシー法MBE法)等によって形成されている。

0003

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に於いては、正極にAuNi透明電極を始め、ITO電極等の透明電極を用いて発光層よりの光を効率よく、外部に取り出す事が行われている。光取り出し効率を向上させるために、透明電極上のパッド電極およびn型層上に設けられた負極等の電極の配置を工夫したデザインにより様々なLEDチップ考案されている(例えば、特許文献1参照)。

0004

また、LEDチップのモデュール化に於いては、スペースを効率化するため、従来の正方形形状から、長方形形状に、特に異型形状へのニーズが高まっている。その理由として正方形形状では、横方向に光を照射するチップでは、実装上不効率的でありモデュール高さを低減できる長方形形状が望ましい。しかしながら、このような長方形形状のLEDチップは、電極間距離および電極形状の関係で、従来成し得ていたLEDチップの高光取出し効率が損なわれる事態が生じている。

0005

例えば特許文献2では、電流過度の集中を避けるために、本来光取り出しのために設けられている透明電極に不透明な拡散用電極を形成するなどして、発光素子全体としての発光出力犠牲になっている。

0006

特開2005−19646号公報
特開2004−221529号公報

発明が解決しようとする課題

0007

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、光取出し効率に優れ、発光出力の高い平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であ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。

課題を解決するための手段

0008

本発明は下記の発明を提供する。
(1)基板および基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光素子であって、発光素子の平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であり、該窒化ガリウム系化合物半導体層の側面が基板主面に対して垂直でない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。

0009

(2)窒化ガリウム系化合物半導体層の側面と基板主面との角度θが90°より小さい上記1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

0010

(3)基板がサファイアC面である上記1または2項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

0011

(4)窒化ガリウム系化合物半導体層の矩形長辺側の側面が窒化ガリウム単結晶格子においてM面以外の面方位である上記3項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

0012

(5)発光素子の長辺の長さが50μm〜2000μmである上記1〜4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。

0013

(6)発光素子の短辺と長辺との比が1:10から4:5である上記1〜5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。

0014

(7)正極ボンディングパッドが矩形長辺の中央部に位置している上記1〜6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。

0015

(8)基板および基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなり、平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形である発光素子の製造方法であって、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面側を所定のパターンをもったマスクで覆う工程と、素子に分割する部位の窒化ガリウム系化合物半導体層を基板に達するまで除去する工程と、除去後にウェットエッチング処理する工程と、各素子に分割する工程とを、含む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の製造方法。

0016

(9)マスクがフォトレジストである上記8項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。

0017

(10)窒化ガリウム系化合物半導体層を除去する工程がレーザーによってなされる上記8または9項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。

0018

(11)窒化ガリウム系化合物半導体層を除去する工程がダイサーによってなされる上記8または9項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。

0019

(12)ウェットエッチング処理をオルトリン酸を用いて行なう上記8〜11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の製造方法。

0020

(13)上記1〜7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からなるランプ

0021

(14)上記13項に記載のランプが組み込まれている電子機器
(15)上記14項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置

発明の効果

0022

平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、発光素子の半導体層の側面を傾斜させることにより、側面での光の透過量あるいは側面で反射した光が他の面から外部に取り出される量が多くなり、光の取り出し効率が向上する。

0023

さらに、主面がサファイアC面である基板を用い、半導体層の矩形長辺側の側面を窒化ガリウム単結晶格子においてM面以外の面方位にすることにより、光の取り出し効率が一段と向上する。

0024

また、サファイアのような難加工基板上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体層の側面加工ウェットエッチングで行なうことにより、ダメージの少ない発光素子が得られる。

発明を実施するための最良の形態

0025

本発明は、平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、半導体層の側面が基板の主面に対して垂直でない(以下傾斜という)素子構造とすることで光取り出し効率を飛躍的に高めたことが特徴である。また、窒化ガリウム系化合物半導体結晶の各結晶面の化学的エッチングの易難性の違いを利用して、長さの長い側面を光取出し優位な形状に形づくることに特徴がある。

0026

下図面を参考にして具体的に説明する。
図1は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図で、半導体層の側面と基板の主面との角度θが90°より小さい場合である。図2は本発明の別の態様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図で、半導体層の側面と基板の主面との角度θが90°より大きい場合である。これらの図において、204は基板(201)の主面、205は窒化ガリウム系化合物半導体層(202)の側面で、これらのなす角度がθである。203は半導体層中のA点で発光した光の進路である。

0027

図3は従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図で、半導体層の側面が基板の主面に対して垂直となっている場合である。図中番号は図1および2と同一である。

0028

本発明のように半導体層の側面が基板の主面に対して傾斜していることにより、光の取り出し効率が上がる理由については定かでないが、次のように考えられる。
図3は従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であるが、例えばA点で発光した光が矢線のように進行した場合、半導体層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、さらに半導体層の上面でも臨界角以上となり反射する。その結果光の取り出し率は下がる。

0029

これに対し図1の場合、光は半導体層の側面では反射するが、半導体層の上面では臨界角以内となるので光が透過し発光素子から取り出すことができる。図1において傾斜角θは90°より小さい。好ましくはθは10°以上80°以下、さらに好ましくは30°以上70°以下である。

0030

また図2の場合、半導体層の側面で入射光が臨界角以内となるので、光は半導体層を透過する。

0031

これらのことから図1および2のいずれの場合も光の取り出し効率が上がるが、図1のように半導体層の側面と基板の主面との角度θが90°より小さい場合は、半導体層の側面に向かった光が側面で反射して上方に向かう確率が図2の場合よりも多くなるので好ましい。

0032

上述したように、本発明では発光素子の側面を利用して光取り出し効率の向上を図っている。従って、発光素子の面積平面投影面積)が同じ場合、側面面積が大きいほうが有利である。要するに、発光素子の平面投影面積に対する周辺長さの比が大きいほうが有利である。

0033

矩形の場合、面積に対する周辺長さの比は、辺の長さが全て等しい正方形よりも、相対する辺の長さが異なる長方形のほうが大きい。
従って、発光素子の半導体層側面を基板主面に対して傾斜させることによる光取り出し効率の向上効果は、発光素子の平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形、即ち長方形の場合に大きくなる。

0034

本発明の発光素子の平面形状は、縦横の辺の長さが異なる矩形、即ち長方形であれば特に制限をうけない。要するに、発光素子が組み込まれる電子機器等に合わせて任意の形状とすることができる。

0035

長方形の短辺と長辺の比はなるべく大きいほうが好ましい。なぜならば、短辺と長辺の比が大きいほうが面積に対する周辺長さの比が大きくなるからである。しかし、この比が大きくなりすぎると、発光素子があまりにも細長くなり、その結果、正極および負極の配置が困難になったり、駆動電圧が上昇したりする。従って、本発明の発光素子の短辺と長辺の比は、1:10から4:5が好ましい。さらに好ましくは1:2から2:3である。

0036

正極および負極の配置、発光素子製作の際の加工性および電流分布等を考慮すると、長辺の絶対長さとしては50〜2000μmが好ましく、さらに好ましくは200〜600μmである。また、短辺の絶対長さとしては40〜1000μmが好ましく、さらに好ましくは100〜300μmである。

0037

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の層構造としては、例えば図4に示したような層構造が周知であり、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の層構造もこのような周知の層構造を含め、如何なる層構造とすることができる。図4において、1は基板、2はバッファ層、3はn型半導体層である。n型半導体層は下地層(3c)、n型コンタクト層(3a)およびn型クラッド層(3b)から構成されている。4は発光層、5はp型半導体層である。p型半導体層はp型クラッド層(5b)およびp型コンタクト層(5a)から構成されている。10は正極であり、透光性正極(11)および正極ボンディングパッド(12)から構成されている。20は負極である。

0038

本願発明において、基板1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単結晶またはGa2O3単結晶などの酸化物単結晶基板、およびSi単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶またはZrB2などのホウ化物単結晶などの非酸化物単結晶基板から選ばれた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またはSiC単結晶が好ましい。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。

0039

サファイア単結晶を基板に用いた場合、基板の上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体単結晶は、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)に即した方位結晶成長することが知られている。

0040

サファイア単結晶のC面を基板として成長させた窒化ガリウム系化合物半導体単結晶のC面に垂直な面をC軸方向からエッチングする場合、M面以外の面、例えばA面は結晶頂点露出しており、凹凸が形成され易く、M面は平坦になり易い。本発明においては、発光素子の側面を光取り出し効率の向上に利用することから、側面が凹凸であると側面の表面積が大きくなり、光取り出し効率もさらに向上する。従って、本発明の発光素子においては、矩形の長辺をM面以外の面、例えばA面にすることが好ましい。

0041

バッファ層、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は、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公知である。本発明におけるバッファ層、n型半導体層、発光層およびp型半導体層を構成するIII族窒化物半導体においても、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。

0042

これらのIII族窒化物半導体を成長する方法としては、有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線エピタキシー成長法(MBE)、ハイドライド気相成長法HVPE)などがある。望ましくは組成制御が容易であり、量産性を備えたMOCVD法が適しているが、必ずしも同法に限定されるものではない。

0043

MOCVD法を上記半導体層の成長方法として採用する場合は、III族であるGaの原料として、有機金属材料であるトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウムTEGa)を、同じくIII族のAlの原料として、トリメチルアルミニウム(TMAl)またはトリエチルアルミニウム(TEAl)を主として用いる。また発光層の構成材料であるInについてはその原料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)を用いる。V族のN源として、アンモニア(NH3)またはヒドラジン(N2H4)などを用いる。

0044

n型半導体層にはドーパント材料として、SiあるいはGeを用いる。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)または有機ゲルマニウム化合物を用いる。p型半導体層では、ドーパントしてMgを使用する。その原料としては、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。

0045

上記の基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層するために、特許第3026087号公報や特開平4−297023号公報に開示されている低温バッファ法や特開2003−243302号公報などに開示されているSeeding Process(SP)法と呼ばれる格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いることができる。

0046

低温バッファやSP法などの格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いた場合、その上に積層する下地としての窒化ガリウム系化合物半導体は、アンドープかもしくは5×1017cm-3程度の低ドープのGaNであることが望ましい。下地層の膜厚は、1〜20μmであることが望ましく、5〜15μmであることが更に好適である。

0047

下地層の上に負極と接触し、電流を供給するためn型GaNからなるn型コンタクト層を成長させる。n型GaNには1×1018cm-3〜1×1019cm-3になる様にn型ドーパントを供給しながら成長させる。n型ドーパントとしては一般的にはSiやGeが選ばれる。ドーピングに関して一様ドープする場合や周期的に低ドープ層高ドープ層を繰り返す構造をとる場合がある。特に後者の間歇ドープでは結晶成長中に発生するピットの抑制に有効である。

0048

n型コンタクト層と発光層との間に、n型クラッド層を設けることが好ましい。n型クラッド層は、AlGaN、GaN、InGaNなどで形成することが可能であるが、InGaNとする場合には活性層のInGaNのバンドギャップよりも大きい組成とすることが望ましいことは言うまでもない。n型クラッド層のキャリア濃度は、n型コンタクト層と同じでも良いし、大きくても小さくても良い。

0049

n型クラッド層上の発光層としては量子井戸構造とするのが好適である。井戸層が1つしかない単一量子井戸構造でも良いし、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造でも良い。中でも、多重量子井戸構造は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた素子の構造としては高出力と低駆動電圧を兼ね備えることができるので、好適である。なお、多重量子井戸構造の場合、井戸層(活性層)と障壁層を併わせた全体を本明細では発光層と呼ぶ。

0050

p型半導体層は通常0.01〜1μmの厚さで、発光層に接しているp型クラッド層と正極を形成するためのp型コンタクト層からなる。p型クラッド層とp型コンタクト層は兼ねることができる。p型クラッド層は、GaN、AlGaNなどを用いて形成し、pドーパントとしてMgをドープする。

0051

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型コンタクト層と接する負極用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。

0052

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。また、透明電極として一般的な、ITO、IZO、IWO等の導電酸化物を使用する事もなんら問題ない。反射型の正極材料としては、上記の材料の他に、Rh、Ag、Alなどを用いることができる。

0053

通常、光透過性または反射性正極を形成した後、その一部表面にボンディングパッド部を構成する正極ボンディングパッドを作製する。正極ボンディングパッドを併せて正極を構成することになる。正極ボンディングパッドの材料として、各種の構造のものが知られており、本発明においても、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可能である。負極材料に用いたAl、Ti、Ni、Auのほか、Cr、W、Vも何ら制限なく使用できる。しかしながら、用いた光透過性または反射性正極との密着性の良い材料を用いることが望ましい。厚さはボンディング時の応力に対して光透過性または反射性正極へダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。また最表層ボンディングボールとの密着性の良い材料、例えばAuとすることが望ましい。

0054

また、正極ボンディングパッドの位置においては、正極ボンディングパッド下部での発光を横方向から最大限に取り出すために、矩形長辺の中心付近に形成することが望ましい。また、矩形長辺の中央部、例えば中心から±30%の位置に正極ボンディングパッドを配置することにより、電流拡散経路が短くなり、素子の駆動電圧も低下させる事ができる。

0055

基板上に窒化ガリウム系化合物物半導体、負極および正極を積層したウェーハを各発光素子に分割し、その半導体層の側面を傾斜させるため、前記正極、負極および露出したp型半導体層を覆う様に先ずレジストパターンを形成する。

0056

その際に、側面の面方位を窒化ガリウム系化合物半導体結晶のM面にした場合、側面形状は平坦になる。一方、側面の面方位を窒化ガリウム系化合物半導体結晶のM面以外の面にした場合、側面形状は凸凹形状となる。矩形の長辺側をM面以外の面とすることにより、光の取り出し効率に優れた発光素子とすることができる。

0057

レジストポジ型でもネガ型でもよい。正極および負極を含む個々の素子の境界が露出されるように適当なパターンを持ったフォトマスクを用いて一般的な手続きに従ってリソグラフを行う。或いはレジストが上述した電極およびp型半導体層を覆って個々の素子が判別できればリソグラフは必ずしも必要ではない。膜厚は0.1μm〜20μmが好ましい。膜厚が薄いとウェットエッチングの際に膜が剥がれやすく、厚いとリソグラフの解像の問題や下のパターンの認識が困難になる。好適には0.5μm〜10μmであり、更には1μm〜5μmであることが望ましい。

0058

窒化ガリウム系化合物半導体の基板に達するまでの除去はレーザーによって行うことが望ましい。窒化ガリウム系化合物半導体の吸収端より短い波長のレーザーを選ぶことにより、窒化ガリウム系化合物半導体の105cm-1に及ぶ高い吸収係数の為、被加工位置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。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るが、20μm以上であれば更に望ましい。

0059

或は、機械的方法であるダイサーによる方法も可能である。この場合、切断に用いるブレード選定を好適なものとし、基板への食い込み量をできるだけ小さくとどめることで素子の欠け割れの発生を抑制することができる。1μm〜50μmの範囲で任意にえらべるが、1μm〜20μm、更に好ましくは1μm〜10μmで選べばよい。

0060

次に分割部位にウェットエッチングを施し、凹部(割溝)を形成する。ウェットエッチングはオルトリン酸を用いて行われる。所定の加熱装置に納められたビーカーにオルトリン酸を加え、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、高すぎるとマスクに剥がれが生ずる。望ましくは150℃〜300℃、さらに望ましくは180℃〜240℃で、十分なエッチング速度とマスクの耐性両立が得られる。このウェットエッチングによって、基板主面に傾斜した半導体層側面が得られる。
その後、各発光素子に分割される。

0061

発光素子の形態としては、透明正極を用いて半導体側から発光を取り出す、いわゆるフェイスアップ(FU)型としても良いし、反射型の正極を用いて基板側から発光を取り出す、いわゆるフリップチップ(FC)型としても良い。

0062

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプにすることができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。

0063

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子から作製したランプは発光出力が高く、駆動電圧が低いので、この技術によって作製したランプを組み込んだ携帯電話ディスプレイパネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車コンピュータゲーム機、などの機械装置類は、低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、玩具自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、省電力の効果を発揮する。

0064

以下に実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるわけではない。

0065

(実施例1)
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からなるバッファ層を積層した。次いで、バッファ層上に、アンドープGaNからなる下地層を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GaNからなるn型コンタクト層を4μm、In0.1Ga0.9Nからなる厚さ12.5nmのn型クラッド層、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型コンタクト層を順次積層して基板上の窒化ガリウム系化合物半導体層とした。
これらの積層は通常のMOCVD法によって行なった。

0066

発光素子の作製においては、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面にスパッター装置を用いて厚さ0.25μmの酸化インジウム(ITO)膜を形成し、透明電極とした。その後公知のリソグラフ技術とITOエッチング技術を用いて酸化インジウム(ITO)膜部分を所定の長方形状とした。その際、長方形形状各辺の方向に於いては、発光素子の縦横方向をサファイアC面基板の面方位に即し、長方形の長辺がGaN結晶のA面(11−20)に平行になるように方位を揃えた。

0067

続いて公知のリソグラフ技術により、長方形に形成した透明導電膜を保護する目的でレジスト保護膜を形成した。
その後、RIE装置を用いて、個々の発光素子の境界部分および負極形成領域(レジストで保護されていない部分)のn型コンタクト層を露出させた。

0068

続いて公知のリソグラフ技術により、負極形成領域のn型コンタクト層に負極を形成した。同様に公知のリソグラフ技術により、透明電極上に正極ボンディングパッドを形成した。負極および正極ボンディングパッドは、共に、半導体層側からCr(400Å)/Ti(1000Å)/Au(10000Å)が積層された構造であり、これらの積層は公知の蒸着技術により行なった。

0069

図5は本実施例で作製した発光素子の電極の平面配置を示した模式図である。発光素子の外形は短辺が250μm、長辺が500μmの矩形であり、正極ボンディングパッドの位置は長辺の中央部であり、また負極との距離を235μmとした。正極ボンディングパッドの大きさは直径95μmである。

0070

個々の発光素子への電極作製工程が終了した後、ウェーハにリソグラフに用いたフォトレジストを塗布する。その後、再度リソグラフにより個々の発光素子の境界部分のみ、基板を露出させた。

0071

窒化ガリウム系化合物半導体層を基板に達するまで除去する手段としてはレーザーを用いた。レーザーの波長は266nm、周波数は50kHz、出力は1.6W、加工スピードは70mm/秒で基板に深さ20μmに達する割溝を先ずX軸方向に形成した。ステージを90°回転させ、Y軸方向に同様にして割溝を形成した。割溝の幅は2μmとした。

0072

割溝形成後の基板を、加熱装置を用いて240℃に熱したオルトリン酸の入った石英ビーカー中に20分間浸漬してウェットエッチングを行った。窒化ガリウム系化合物半導体層のエッチング量は5.2μmであった。ウェットエッチングの終了した基板及び窒化ガリウム系化合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。

0073

エッチング処理後の基板と窒化ガリウム系化合物半導体層はさらに基板側の研磨により、基板の厚さが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発光素子に分離した。

0074

分離した発光素子の出力を積分球で評価したところ、20mA印加した場合7.1mWであった。また駆動電圧を測定したところ、20mA印加した場合の電圧は3.35Vであった。

0075

発光素子側面をSEMにより観察したところ、窒化ガリウム系化合物半導体層の側面は、垂直に割れたサファイア基板側面に対して、図1に示すように側面と基板主面との角度(θ)は70°であった。また、発光素子側面の形状は、図6に示したように、短辺側はほぼ平坦であったが、長辺側は凹凸が形成されていた。

0076

(実施例2)
正極ボンディングパッドの位置を変え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、得られた発光素子を実施例1と同様に評価して、正極ボンディングパッド−負極間距離と発光素子特性との関係を検討した。
結果を図7に示す。この図から、正極ボンディングパッド−負極間距離を大きくするにつれて、発光出力が徐々に上昇することが判る。一方、駆動電圧も正極ボンディングパッド−負極間距離を大きくするにつれて上昇し、特に250μmを越えると上昇幅が大きくなることが判る。従って、発光出力と駆動電圧のバランスから、正極ボンディングパッドの位置は、発光素子長辺の中央部付近が好ましい。

0077

(実施例3)
長方形の長辺がGaN結晶のM面(10−10)に平行になるように方位を揃えたことを除いて、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。
得られた発光素子を実施例1と同様に評価したところ、20mA印加時の出力は6.4mWであり、駆動電圧は3.30Vであった。発光素子側面をSEMにより観察したところ、窒化ガリウム系化合物半導体層の側面は、図1に示すように側面と基板主面との角度(θ)が70°であった。また、窒化ガリウム系化合物半導体層側面の形状は、短辺側は凹凸が形成されていたが、長辺側はほぼ平坦であった。

0078

(比較例)
ウェットエッチングを実施しないことを除いて、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。
得られた発光素子を実施例1と同様に評価したところ、20mA印加時の出力は5.1mWであり、駆動電圧は3.32Vであった。発光素子側面をSEMにより観察したところ、窒化ガリウム系化合物半導体層の側面は、基板の側面と同様、基板主面に対し垂直であった。また、窒化ガリウム系化合物半導体層側面の形状は、短辺側も長辺側もほぼ平坦であった。

0079

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光出力が高く、かつ、その平面形状が縦横の辺の長さが異なる矩形であるから、各種電子機器への組み込みが効率的に行なわれ、産業上の利用価値は極めて大きい。

図面の簡単な説明

0080

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図である。
本発明の別の態様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図である。
従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図である。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一般的な層構造を模式的に示した図である。
実施例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の電極の平面配置を示した模式図である。
実施例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の側面形状を説明する模式図である。
実施例3で得られた、正極ボンディングパッド−負極間距離と発光素子特性との関係を示した図である。

符号の説明

0081

1基板
2バッファ層
3n型半導体層
4発光層
5p型半導体層
10 正極
11透光性正極
12正極ボンディングパッド
20 負極
201 基板
202窒化ガリウム系化合物半導体層
203半導体層中のA点で発光した光の進路
204 基板の主面
205 窒化ガリウム系化合物半導体層の側面

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