(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、該絶縁基板上に発光層を形成すべく積層される半導体層と、該半導体層の上面に形成される上部電極と、前記絶縁基板の裏面側に設けられ、該基板のコンタクト孔を介して前記積層される半導体層の下層部に接続される下部電極とからなる半導体発光素子であって、前記絶縁基板は、チップの中心部側に肉薄部分が形成されるように、その裏面側に段差が設けられ、該段差により薄くされた前記絶縁基板の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタクト孔が複数個設けられてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記上部電極が前記半導体発光素子のチップの外周部側に設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
絶縁基板と、該絶縁基板上に発光層を形成すべく積層される半導体層と、該半導体層の上面に形成される上部電極と、前記絶縁基板の裏面側に設けられ、該基板のコンタクト孔を介して前記積層される半導体層の下層部に接続される下部電極とからなる半導体発光素子であって、前記絶縁基板は、半導体発光素子のチップの外周部側に肉薄部分が形成されるように、その裏面側に段差が設けられ、該段差により薄くされた前記絶縁基板の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタクト孔が設けられ、かつ、前記上部電極が前記チップの中心部側に設けられてなる半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁基板上に半導体層が積層されて発光層が形成される半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、積層される半導体層の下部の半導体層に接続される電極が絶縁基板の裏面側に形成される半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体結晶層をエピタキシャル成長する場合に、格子定数の関係から絶縁性の基板上に成長しなければならない場合がある。たとえば青色系発光素子用のチッ化ガリウム系化合物半導体層は、チッ化ガリウム系化合物半導体層を堆積するのに適当な半導体基板がなく、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）基板上にエピタキシャル成長される。このチッ化ガリウム系化合物半導体結晶層を用いた青色系の半導体発光素子の基本構造は、たとえば図５に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮからなる低温バッファ層２２と、高温でＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることにより形成されている。
【０００３】
この構造では、下部電極２９を設けるため積層された半導体層の一部をエッチングして除去しなければならない。また、組立工程でボンディングパッドや基板上にボンディングする場合でもサファイア基板２１の裏面は絶縁性であり、ボンディングパッドと下部電極２９との間で金線などによりワイヤボンディングをしなければならない。このような不都合を解消するため、図６（ａ）〜（ｂ）に断面図が示されるように、サファイア基板２１の裏面からｎ形の低温バッファ層２２が露出するようにコンタクト孔を設け、その孔内に電極用金属を蒸着することによりサファイア基板２１の裏面側に下部（ｎ側）電極２９を設ける構造のものも知られている。図６（ａ）はコンタクト孔の直径がチップの一辺の長さ（たとえば０.２〜１ｍｍ程度）の７０〜８０％程度（たとえば１５０〜７５０μｍ程度）の大きな穴が設けられる例で、図６（ｂ）は穴の直径がチップの一辺の長さの１／１００程度（たとえば２〜１０μｍ程度）と小さい穴が設けられる例を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のサファイア基板にコンタクト孔を形成する場合、塩素ガスを用いてドライエッチングにより行われるが、サファイアは非常に堅くエッチングされにくい。このサファイア基板は素子の強度を保つため、５０〜１００μｍ程度と厚く、この厚いサファイア基板にその厚さの１／１０程度以下の直径のコンタクト孔を設けることは非常に難しい。しかも、半導体層はサファイア基板よりエッチングレートが非常に大きく、サファイア基板が残存せず丁度半導体層が露出するように制御することが難しい。そのため、サファイアの一部が残ったり、半導体層までエッチングをし過ぎるという問題がある。また、厚いサファイア基板に小さいコンタクト孔をたくさん形成するのは困難で、孔の数が少ないと、電流が孔の近くに集中してしまい、均一に光らないという問題がある。
【０００５】
一方、前述の大きなコンタクト孔がサファイア基板に設けられると、サファイア基板の大部分がなくなることになり、積層される半導体層の厚さは全部で１〜５μｍ程度であるため、素子の機械的強度が非常に弱くなり、ウェハから各チップに切断する際や、組立工程の際に素子を破損するという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、半導体層とコンタクトを取るために絶縁基板に設けられる孔が、半導体層が完全に露出し、かつ、半導体層をエッチングし過ぎないように精密に形成され、しかも、電流が均一に広がりながら機械的強度も充分に得られるように形成され得る半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、絶縁基板と、該絶縁基板上に発光層を形成すべく積層される半導体層と、該半導体層の上面に形成される上部電極と、前記絶縁基板に設けられるコンタクト孔を介して該絶縁基板の裏面側に設けられる下部電極とからなる半導体発光素子であって、前記絶縁基板は、チップの中心部側に肉薄部分が形成されるように、その裏面側に段差が設けられ、該段差により薄くされた前記絶縁基板の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタクト孔が複数個設けられている。この構造にすることにより、薄くなった基板部にコンタクト孔を形成することができるため、小さい径のコンタクト孔を精密に設けることができる。そのため、絶縁基板を広い範囲に亘って除去する大きな形状のコンタクト孔にする必要がなく、機械的強度が充分に得られると共に、発光特性も高く維持することができる。
【０００９】
前記上部電極が前記半導体発光素子のチップの外周部側に設けられ、かつ、下部電極がチップの中心部に設けられたり、前記肉薄部が前記半導体発光素子のチップの外周部側に設けられ、かつ、前記上部電極が前記チップの中心部側に設けられることにより、電流がチップ全体に広がりやすく発光効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、たとえば青色系発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図およびその底面図が示されている。
【００１１】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【００１２】
本発明の半導体発光素子は、図１に示されるように、たとえばサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる絶縁基板１の表面に発光層を形成する半導体層２〜５が積層されて、その表面側の半導体層には拡散メタル層７を介して上部電極（ｐ側電極）８が形成されている。また、絶縁基板１には、その裏面から大きな径の凹部から段階的に小さな径の凹部がエッチングにより順次形成されて段差が設けられており、その段差による絶縁基板１の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタクト孔１ｃが設けられている。そして、階段状に設けられた凹部内に金属膜が設けられることにより、小さな径のコンタクト孔１ｃで露出した半導体層と電気的に接続する下部電極（ｎ側電極）９が設けられている。この径の小さいコンタクト孔１ｃは、図１（ｂ）に示されるように、複数個設けられることにより、下部電極９が半導体層と接触する面積を大きくしている。
【００１３】
絶縁基板１上に積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μｍ程度堆積され、ついでｎ形のクラッド層となるｎ形層３が１〜５μｍ程度堆積され、さらに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層（クラッド層）５が０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、ｐ形層５はＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとＧａＮ層５ｂとの複層になっているが、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌを含む層が設けられることが好ましいためで、ＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層とｐ形層とで活性層が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。
【００１４】
絶縁基板１は、その厚さは１００μｍ程度にされてからエッチングが施され、最初に設けられる一番大きな凹部１ａの直径Ｂは、チップの一辺の大きさＡが０.２〜１ｍｍに対して１５０〜７５０μｍ程度で、その深さＦが７０μｍ程度に形成される。また、２番目の凹部１ｂは、その直径Ｃが１００〜５００μｍ程度で、１段目の穴の底からの深さＧが２０μｍ程度に形成されている。そして、一番小さく形成されるコンタクト孔１ｃはその直径Ｄが２〜１０μｍ程度で、その深さＨは絶縁性基板１の残存している厚さで１０μｍ程度である。すなわち、凹部１ａ、１ｂまたはコンタクト孔１ｃの径に対するエッチングの深さが極端に大きくならないように、凹部による段差が形成されて、薄くされた絶縁基板１の肉薄部にコンタクト孔１ｃが形成されている。
【００１５】
本発明の半導体発光素子は、このように、絶縁基板１の裏面側に下部電極９が設けられる場合に、段々と小さくなる凹部による段差が形成され、薄くなった絶縁基板１の肉薄部に径の小さいコンタクト孔１ｃが設けられている。そのため、エッチングされる深さとそのエッチング部の直径とが比較的近く、エッチングの制御が容易となる。その結果、エッチングのし難い絶縁基板１をエッチングしながら、エッチングに対して弱い半導体層にダメージを与えることなくその表面を露出させることができる。
【００１６】
また、図１（ｂ）に示されるように、コンタクト孔１ｃが多数個設けられることにより、電流が一部に集中しないで全体に広がりやすいため、均一な発光が得られる。また、小さい径のコンタクト孔１ｃを多数個設けることにより、半導体層が連続した大きな面積で露出しないで絶縁基板１により保持されているため、ウェハからの各チップへの切断時や組立工程での取扱時に破損することがなく、また取扱が非常に容易となる。
【００１７】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法の具体例について図２を参照しながら説明をする。
【００１８】
まず、図２（ａ）に示されるように、サファイアからなる絶縁基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3 ）などの成長ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 などを供給して、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程度、同じ組成でｎ形のｎ形層（クラッド層）３を１〜５μｍ程度成膜する。さらにドーパントガスをとめ、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）を供給してＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。ついで、反応ガスをＴＭＩｎからトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）にし、ドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2 Ｍｇという）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を導入して、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａを０.１〜０.５μｍ程度、さらに再度ＴＭＡを遮断してｐ形のＧａＮ層５ｂを０.１〜０.５μｍ程度成膜し、ｐ形層５を形成する。
【００１９】
つぎに、図２（ｂ）に示されるように、絶縁基板１を裏向きにしてレジスト膜（図示せず）を設け、各チップ（一辺の長さが３５０μｍ程度）の中心部に直径が２５０μｍ程度の開口部となるようにパターニングをする。そして、アルゴンなどの不活性ガスに塩素ガスなどの反応ガスを混入して反応性イオンエッチングにより７０μｍ程度の深さだけエッチングをする。このエッチングは、１００μｍ程度の厚さの絶縁基板１の７０％程度をエッチングするもので、しかもエッチング深さの精度はそれ程厳密ではないため、加速電圧を高くしてエッチングスピードを早くして行うことができ、３０〜３００時間程度で行うことができる。その結果、凹部１ａがチップの中心部に形成される。
【００２０】
つぎに、絶縁基板１の裏面に再度レジスト膜（図示せず）を設け、第１の凹部１ａの中心部に直径が２００μｍ程度の開口部となるようにパターニングをし、同様の反応性イオンエッチングを行うことにより、図２（ｃ）に示されるように、第２の凹部１ｂを２０μｍ程度の深さ（図１のＧ）に形成する。この場合のエッチングもその深さはそれ程厳密ではないため、エッチングスピードを速くして行う。
【００２１】
その後、絶縁基板１の裏面に再度レジスト膜（図示せず）を設け、第２の凹部１ｂの底面に５μｍ程度の直径の開口部が均等に設けられるようにパターニングをし、第２の凹部１ｂの底に１０μｍ程度の厚さに残った絶縁基板１に同様の反応性イオンエッチングを行うことにより、図２（ｄ）に示されるように、低温バッファ層２が露出するコンタクト孔１ｃを形成する。このエッチングの場合は、絶縁基板１であるサファイアがなくなりＧａＮからなる半導体層が露出すると、半導体層が急速にエッチングされやすいため、加速電圧を低くしてたとえば０.０１μｍ／分程度のレートでエッチングを行う。
【００２２】
その後、図１に示されるように、積層された半導体層の表面にＮｉおよびＡｕを蒸着して厚さが２〜１００ｎｍ程度の拡散メタル層７を設け、さらにＴｉおよびＡｕを蒸着してパターニングをすることにより上部電極８を形成し、さらに絶縁基板１の裏面にＴｉおよびＡｕを蒸着して下部電極９を形成する。ついで、各チップにブレークすることにより、半導体発光素子のチップが形成される。
【００２３】
図３に示される例は、図１の変形例で、上部電極８がチップの中心部ではなくて、外周部に設けられている。図１に示されるように、上部電極８および下部電極９が共にチップの中心部に設けられると、発光層となる活性層４部の電流通路が中心部に集中し、周囲に電流が流れ難く、チップ全面での発光をし難い。しかし、図３に示されるように、上部電極８がチップの外周に沿って設けられ、下部電極９がチップの中心部に設けられることにより、電流がチップ全体に広がりやすく発光効率が向上する。
【００２４】
図４は、図３と同様に電流通路をチップ全体に広げる他の構造例で、上部電極８をチップの中心部に設け、下部電極９をチップの外周部に設けたものである。すなわち、チップの外周部の絶縁基板１をエッチングすることにより段差を形成し、その外周部の肉薄部にコンタクト孔１ｃが設けられたものである。この構造にしても図３の例と同様に、電流がチップをクロスする方向に流れるため広がり、チップ全体で発光しやすい。この場合、外周部に設けられるコンタクト孔１ｃは、図１に示されるような小さい径のものを多数個均等に設けることもできるし、チップの周囲に細い幅でリング状に設けることもできる。ウェハから各チップに切断分離する場合、絶縁基板１の裏面をスライシングし（ダイヤモンドペンで線を入れる）て割る方法により行われるため、この例のように、チップの外周部で絶縁基板１が薄くなっていると、ウェハから各チップに分離する作業が容易になる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、サファイア基板のような硬い絶縁基板上に半導体層が積層される半導体発光素子でも、基板強度を弱めることなく、かつ、発光の均一性を損なうことなく、裏面側に一方の電極を設けることができる。そのため、リードフレームなどの基板上に直接ボンディングをすることができ、組立工程が非常に簡略化されながら、特性の優れた半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の説明図である。
【図２】図１の半導体発光素子の製造工程を示す図である。
【図３】図１の半導体発光素子の変形例を示す図である。
【図４】図１の半導体発光素子の他の変形例を示す図である。
【図５】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【図６】従来の半導体発光素子の他の例の説明図である。
【符号の説明】
１    絶縁基板
１ａ  第１の凹部
１ｂ  第２の凹部
１ｃ  コンタクト孔
７    上部電極
８    下部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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