(57)【要約】【課題】パッド電極による光吸収の問題が軽減された、照明用途などの用途に好適に用い得る、発光出力に優れたＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供すること。【解決手段】ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、基板１０１と、該基板上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体１０２とを有している。ｐ型層１０２−３上には、透光性の導電性酸化物膜１０４と、正パッド電極１０５と、接続電極１０６とが形成されており、導電性酸化物膜１０４と正パッド電極１０５とは相互に重なっておらず、正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３への電流の供給は導電性酸化物膜１０４を通して行われる。【選択図】図１
2008226866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたｐ型層と、該ｐ型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記ｐ型層とで前記発光層を挟むように配置されたｎ型層とが含まれているＧａＮ系ＬＥＤ素子において、
前記ｐ型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、正パッド電極と、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とを電気的に接続するための接続電極とが形成されており、
前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とは相互に重なっておらず、
前記正パッド電極から前記ｐ型層への電流の供給が前記導電性酸化物膜を通して行われることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記接続電極が、導電性酸化物からなり、透光性を有している、請求項１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記接続電極が、前記導電性酸化物膜よりも大きな膜厚を有している、請求項２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記接続電極が金属膜であるとともに、その一部が前記導電性酸化物膜と重なっており、前記金属膜である接続電極と前記導電性酸化物膜とが重なった部分の面積が、前記正パッド電極の面積の５０％以下である、請求項１に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記正パッド電極と前記ｐ型層との接触が非オーミック性である、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記正パッド電極に接する前記ｐ型層の表面が高抵抗化処理されている、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記正パッド電極と前記ｐ型層との間が絶縁されている、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記正パッド電極が、Ａｌ、Ａｇまたは白金族元素を主成分とする反射層を有する、請求項１〜７のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記正パッド電極と接する前記ｐ型層の表面がテクスチャ化面である、請求項１〜８のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記ｐ型層上に、前記導電性酸化物膜、前記正パッド電極および前記接続電極のいずれにも覆われておらず、かつ、表面がテクスチャ化された領域が設けられている、請求項１〜９のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１１】
前記ｎ型層に接続され、前記正パッド電極と同一面側に形成された負電極を有しており、該負電極が、前記ｎ型層に接しており、電流の面方向の拡散を促進させるための延長部を備えた、導電性酸化物からなる透光性の下側負電極層と、該下側負電極層の上に形成された、接続材料を接合するための、金属材料からなる上側負電極層と、を有している、請求項１〜１０のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１２】
前記基板が透光性を有している、請求項１〜１１のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１３】
前記基板が金属材料からなる、請求項１〜１１のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１４】
請求項１２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子をフリップチップ実装してなる発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体を用いて発光素子構造を構成したＧａＮ系ＬＥＤ素子、および、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を用いた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体は、化学式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｐｎ接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成したＧａＮ系ＬＥＤ素子は、緑色〜近紫外の光を発生することが可能であり、これまで、信号機やディスプレイ装置等の用途で実用化されている。現在、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を照明用途に適用するための研究開発が盛んとなっているが、実用化のためには更なる高出力化が必要とされている。
【０００３】
従来技術に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子として、図１２に断面図を示すＧａＮ系ＬＥＤ素子１０のように、基板１１と、該基板上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体１２とを有し、該半導体積層体１２には、前記基板１１から最も離れた位置に配置されたｐ型層１２−３と、該ｐ型層１２−３と前記基板１１との間に配置された発光層１２−２と、前記ｐ型層１２−３とで前記発光層１２−２を挟むように配置されたｎ型層１２−１とが含まれており、前記ｐ型層１２−３上にオーミック電極として透光性の導電性酸化物膜１４が形成され、該導電性酸化物膜１４上に正パッド電極１５が形成された構成を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子が公知である。このような、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などからなる導電性酸化物膜を電極に用いたＧａＮ系ＬＥＤにおいて、導電性酸化物膜上に形成されるパッド電極による光吸収が、ＬＥＤ素子の高出力化を妨げる要因のひとつとして指摘され、その対策として、パッド電極を反射率の高い金属材料を用いて形成することが提案されている（特許文献１）。なお、パッド電極とは、ボンディングワイヤ、導電性ペースト、ろう材（ハンダ、共晶）などといった、外部電極との接続に用いられる材料が、接合される電極である。
【特許文献１】特開２００５−３１７９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者等が研究した結果、金属材料は、いくら反射率の良好なものであっても、光吸収体としての作用が強く、パッド電極の反射性の向上のみに頼ったのでは、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の光出力の改善には限界があることが分かってきた。本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その主な目的は、パッド電極による光吸収を軽減し得る構造を備えたＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を達成するために、本発明は、次の特徴を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供するものである。
（１）基板と、該基板上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたｐ型層と、該ｐ型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記ｐ型層とで前記発光層を挟むように配置されたｎ型層とが含まれているＧａＮ系ＬＥＤ素子において、前記ｐ型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、正パッド電極と、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とを電気的に接続するための接続電極とが形成されており、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とは相互に重なっておらず、前記正パッド電極から前記ｐ型層への電流の供給が前記導電性酸化物膜を通して行われることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（２）前記接続電極が、導電性酸化物からなり、透光性を有している、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（３）前記接続電極が、前記導電性酸化物膜よりも大きな膜厚を有している、前記（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（４）前記接続電極が金属膜であるとともに、その一部が前記導電性酸化物膜と重なっており、前記金属膜である接続電極と前記導電性酸化物膜とが重なった部分の面積が、前記正パッド電極の面積の５０％以下である、前記（１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（５）前記正パッド電極と前記ｐ型層との接触が非オーミック性である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（６）前記正パッド電極に接する前記ｐ型層の表面が高抵抗化処理されている、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（７）前記正パッド電極と前記ｐ型層との間が絶縁されている、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（８）前記正パッド電極が、Ａｌ、Ａｇまたは白金族元素を主成分とする反射層を有する、前記（１）〜（７）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（９）前記正パッド電極と接する前記ｐ型層の表面がテクスチャ化面である、前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１０）前記ｐ型層上に、前記導電性酸化物膜、前記正パッド電極および前記接続電極のいずれにも覆われておらず、かつ、表面がテクスチャ化された領域が設けられている、前記（１）〜（９）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１１）前記ｎ型層に接続され、前記正パッド電極と同一面側に形成された負電極を有しており、該負電極が、前記ｎ型層に接しており、電流の面方向の拡散を促進させるための延長部を備えた、導電性酸化物からなる透光性の下側負電極層と、該下側負電極層の上に形成された、接続材料を接合するための、金属材料からなる上側負電極層と、を有している、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１２）前記基板が透光性を有している、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１３）前記基板が金属材料からなる、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１４）前記（１２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子をフリップチップ実装してなる発光装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子は、発光出力に優れたものとなるので、照明用途をはじめとする、高出力が要求される用途において、好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を説明する際に、ＧａＮ系ＬＥＤ素子を構成する部材が透光性である、あるいは、透光性を有しているという場合には、当該ＧａＮ系ＬＥＤ素子に通電したときに発光層から放出される光に対して、当該部材が透過性を示すことを意味する。透光性は、透過率が１００％であることを意味するものではないし、また、曇りなく透き通っていることを意味するものでもない。
【０００８】
本発明の好適な実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子は、基板と、該基板上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたｐ型層と、該ｐ型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記ｐ型層とで前記発光層を挟むように配置されたｎ型層とが含まれているＧａＮ系ＬＥＤ素子であって、前記ｐ型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、正パッド電極と、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とを電気的に接続するための接続電極とが形成されており、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とは相互に重なっておらず、前記正パッド電極から前記ｐ型層への電流の供給が前記導電性酸化物膜を通して行われる、という特徴的な構成を有している。かかる構成を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造例を図１および図２に示す。図１（ａ）はＬＥＤ素子をＧａＮ系半導体層の積層体が形成された側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図であり、図２は、図１（ａ）のＹ−Ｙ線の位置における断面図である。
【０００９】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、図１（ｂ）および図２に断面図を示すように、基板１０１と、その上に形成された複数のＧａＮ系半導体からなる半導体積層体１０２とを有している。この半導体積層体１０２には、基板１０１側から順に、ｎ型層１０２−１と、発光層１０２−２と、ｐ型層１０２−３とが含まれている。部分的に露出したｎ型層１０２−１の表面には、オーミック電極であり、かつパッド電極を兼用する、負電極１０３が形成されている。ｐ型層１０２−３上には、オーミック電極である透光性の導電性酸化物膜１０４と、正パッド電極１０５と、この導電性酸化物膜１０４と正パッド電極１０５とを電気的に接続する接続電極１０６と、が形成されている。導電性酸化物膜１０４と正パッド電極１０５は、相互に重ならないように形成されている。
【００１０】
正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３への電流の供給が、導電性酸化物膜１０４を通して行われるように、好ましい実施形態では、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との接触が、非オーミック性とされる。例えば、正パッド電極１０５の、少なくともｐ型層１０２−３と接する部分を、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）などの金属で形成すると、非オーミック性の接触が形成されるために、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との接触抵抗が高くなり、その結果、正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３への電流の供給が、主として導電性酸化物膜１０４を通して行われることになる。
【００１１】
他の好ましい実施形態では、正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３への電流の供給が、導電性酸化物膜１０４を通して行われるようにするために、正パッド電極１０５に接するｐ型層１０２−３の表面がプラズマ処理される。このプラズマ処理は、ハロゲン系のガス（例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３等）を用いたドライエッチング処理を含む。表面の自然酸化膜の除去のみを行ったｐ型ＧａＮ系半導体の表面に形成したときには低い接触抵抗を示す電極（例えば、Ｎｉ／Ａｕ電極）が、ドライエッチング処理を施したｐ型ＧａＮ系半導体の表面に形成したときには高い接触抵抗を示すことが知られている。これは、ドライエッチング処理されたｐ型ＧａＮ系半導体の表面が、非オーミック性となる、あるいは、高抵抗化するからであるといわれている。また、このプラズマ処理は、高い腐食性を有さないガス（Ａｒ、Ｈ２等）を原料としたプラズマへの暴露であってもよい。自然酸化膜の除去のみを行ったｐ型ＧａＮ系半導体の表面に形成したときには低い接触抵抗を示す電極が、かかるプラズマへの暴露を自然酸化膜が除去される程度を超えて行ったｐ型ＧａＮ系半導体の表面に形成したときには、高い接触抵抗を示すことが知られている。これは、結晶構造が物理的にダメージを受けることにより高抵抗化した表面層が形成されるからであるといれわれている。上記のプラズマ処理は、一般的なＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置やプラズマエッチング装置を用いて行うことができる。
【００１２】
他の好ましい実施形態では、正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３への電流の供給が、導電性酸化物膜１０４を通して行われるようにするために、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との間が絶縁される。この絶縁は、例えば、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との間に絶縁性薄膜を挿入することにより、行うことができる。この絶縁性薄膜は、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの方法で形成した、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属フッ化物などの薄膜であってよい。この絶縁性薄膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、スピネル、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウムなどを用いて好ましく形成することができる。この絶縁性薄膜は多層構造とすることもできる。
【００１３】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を用いて発光装置を構成する場合、ＬＥＤ素子の半導体積層体１０２側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を基板、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などの実装基材の表面上に固定することができる。また、基板１０１が透光性基板である場合には、ＬＥＤ素子の基板１０１側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を実装基材の表面上に固定することもできる。後者の実装形態をフリップチップ実装という。
【００１４】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、導電性酸化物膜１０４と正パッド電極１０５とが相互に重なっておらず、かつ、正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３への電流の供給が導電性酸化物膜１０４を通して行われるので、正パッド電極１０５の直下では、発光層１０２−２への電流の供給が不十分となる結果、光の発生が抑制される。正パッド電極の直下で発生する光は、正パッド電極による吸収を強く受けることになるが、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、この光の発生を予め抑えること（この光の発生に費やされる電流を削減すること）によって、損失を減らし、発光出力を改善しているわけである。このような、正パッド電極により吸収され易い光の発生を予め抑えることによる出力の改善効果は、とりわけ、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００をフリップチップ実装した発光装置を構成したときに、顕著に現れることになる。
【００１５】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００を、その半導体積層体１０２側の面が光取出し方向を向くように実装して構成した発光装置において、正パッド電極１０５の直下での光の発生を抑制することによる出力改善効果が現れることは明らかである。かかる発光装置においては、正パッド電極の直下で発生する光は、当該正パッド電極によって、吸収だけではなく、遮蔽を受けるために、光取出し方向に効率的に取出すことができない。よって、このような光の発生を予め抑えることによる損失低減の効果が、より顕著となる。
【００１６】
また、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との間に絶縁性薄膜を挿入した場合には、発光層１０２−２で発生した後、半導体積層体１０２内を層方向に伝播する光が、正パッド電極１０６により吸収され難くなるという効果も期待できる。
【００１７】
接続電極１０６の材料に特に限定はなく、任意の導電性材料を用いて形成することができる。接続電極１０６を金属膜で形成すると、十分な導電性が得られる。この場合、正パッド電極１０５と接続電極１０６との接点部分は、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００のように、正パッド電極１０５が接続電極１０６の上に重なった構成であってもよいし、図３に示すように、正パッド電極１０５の上に接続電極１０６が重なった構成としてもよい。あるいは、図４に示すように、正パッド電極１０５を、下側パッド電極層１０５−１と上側パッド電極層１０５−２とからなる２層構造とし、下側パッド電極層１０５−１と上側パッド電極層１０５−２との間に接続電極１０６が挟まれた構成としてもよい。
【００１８】
接続電極１０６を金属膜とする場合、接続電極１０６と導電性酸化物膜１０４とが重なった部分の面積は、例えば、正パッド電極１０５の面積の１％〜８０％とすることができる。この面積が大きすぎると、接続電極１０６による光吸収のために、素子の発光出力が低くなる。したがって、接続電極１０６を金属膜とする場合には、接続電極１０６と導電性酸化物膜１０４とが重なった部分の面積は、好ましくは、正パッド電極１０５の面積５０％以下であり、より好ましくは２５％以下であり、更に好ましくは１０％以下である。
【００１９】
接続電極１０６は、発光層１０２−２から放出される光を吸収しないように、導電性酸化物を用いて透光性となるように形成することもできる。この場合、接続電極の直列抵抗に起因してＬＥＤ素子の動作電圧（順方向電圧）が高くならないように、接続電極１０６の膜厚を導電性酸化物膜１０４の膜厚より大きくすることが望ましい。
【００２０】
負電極１０３、導電性酸化物膜１０４、正パッド電極１０５、接続電極１０６の平面形状や平面配置は、種々変形することができる。図５に示すように、接続電極１０６は、曲がった形状とすることができる。図６に示すように、接続電極１０６の数はひとつだけであってもよい。この図６の例では、正パッド電極１０５が方形のＬＥＤ素子面の角の部分に配置されている。図７に示すように、方形のＬＥＤ素子面の角の部分に正パッド電極１０５を配置し、２つの帯状の接続電極１０６を、相互に直交する方向に形成してもよい。この図７の例では、負電極１０３も、方形のＬＥＤ素子面の角の部分に配置されている。図８に示す例では、方形のＬＥＤ素子面の縁部に方形状の正パッド電極１０５が配置され、帯状の接続電極１０６が正パッド電極１０５の下からＬＥＤ素子面の内側の方向に伸びている。図９に示す例では、正パッド電極１０５が２つ形成されている。図１０に示すように、接続電極１０６は、正パッド電極１０５の外周形状に沿った帯状に形成することもできる。
【００２１】
ところで、図８および図９の例では、負電極１０３が２つの部分から形成されており、電流の面方向の拡散を促進させるための、細長く伸びる延長部を備えた下側負電極層１０３−１と、ボンディングワイヤなどの接続材料を接合するための上側負電極層１０３−２とを有している。好ましくは、延長部を備えた下側負電極層１０３−１は、発光層１０２−２から放出される光を吸収しないように、導電性酸化物を用いて透光性となるように形成する。上側負電極層１０３−２は金属材料で形成する。
【００２２】
導電性酸化物膜１０４と接続電極１０６との接触面積や、正パッド電極１０５と接続電極１０６との接触面積を、小さくし過ぎると、接触抵抗の増加に起因した、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の動作電圧（順方向電圧）の上昇が起こる。また、接続電極１０６の断面積を小さくし過ぎたときには、接続電極の直列抵抗の増加に起因した、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の動作電圧の上昇が起こる。従って、導電性酸化物膜と接続電極との接触面積、正パッド電極と接続電極との接触面積、および、接続電極の断面積は、実用上問題となるようなＬＥＤ素子の動作電圧の上昇が起こらない程度に、大きくする。
【００２３】
図１１には、本発明の一実施形態に係る、導電性基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造例を示す。図１１（ａ）はＬＥＤ素子をＧａＮ系半導体層の積層体が形成された側から見た平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。ＧａＮ系ＬＥＤ素子２００は、図１１（ｂ）に断面図を示すように、基板２０１と、その上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体２０２とを有している。半導体積層体２０２には、基板２０１側から順に、ｎ型層２０２−１と、発光層２０２−２と、ｐ型層２０２−３とが含まれている。基板２０１の裏面には負電極２０３が形成されている。ｐ型層２０２−３上には、透光性の導電性酸化物膜２０４と正パッド電極２０５とが相互に重ならないように形成されており、接続電極２０６が、これらの間を電気的に接続している。接続電極２０６は、金属材料または導電性酸化物で形成されている。
【００２４】
次に、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の製造方法について説明する。
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、基板１０１の上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）、ＭＢＥ法（分子ビームエピタキシー法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）などを用いてＧａＮ系半導体結晶をエピタキシャル成長させて、半導体積層体１０２を形成することにより、製造することができる。この場合には、基板１０１として、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、ケイ素、ＧａＮ系半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮなど）、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、ＬＧＯ、ＮＧＯ、ＬＡＯ、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタンなどの材料からなる結晶基板（単結晶基板、テンプレート）を、好ましく用いることができる。透光性の基板としては、発光層１０２−２から放出される光の波長に応じて、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、ＧａＮ系半導体、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、ＬＧＯ、ＮＧＯ、ＬＡＯなどから選択される材料で構成される基板を好ましく用いることができる。また、導電性の基板としては、炭化ケイ素、ケイ素、ＧａＮ系半導体、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタンなどからなる基板を、好ましく用いることができる。基板１０１の上にＧａＮ系半導体結晶をエピタキシャル成長させるにあたっては、バッファ層技術を用いることが推奨される。好ましいバッファ層として、ＧａＮ系半導体で形成する低温バッファ層や高温バッファ層が例示される。ＧａＮ系半導体結晶のラテラル成長を発生させるために、基板１０１の表面に酸化ケイ素などからなるマスクを部分的に形成したり、あるいは、基板１０１の表面を凹凸状に加工するといったことは、任意に行うことができる。
【００２５】
基板１０１上にＧａＮ系半導体からなる半導体積層体１０２を形成する他の方法として、成長用基板の上にエピタキシャル成長法によりｎ型層１０２−１、発光層１０２−２、ｐ型層１０２−３をこの順に形成して半導体積層体１０２を得た後、エッチング、研削、研磨、レーザリフトオフなどの方法を用いて、該半導体積層体１０２から成長用基板を取り除き、露出したｎ型層１０２−１の表面に、別途準備した基板１０１を貼り合わせる方法を用いることができる。あるいは、同様の方法で半導体積層体１０２を形成し、成長用基板を取り除いた後、露出したｎ型層１０２−１の表面にシード層を形成したうえで、電解メッキまたは無電解メッキによって金属層を５０μｍ以上の厚さに堆積させ、該金属層を基板１０１とする方法も採用可能である。これらの方法では、成長用基板として、上記例示した結晶基板を好ましく用いることができる。ｎ型層１０２−１の表面に貼り合わせることのできる基板の種類や、貼り合わせの方法に限定はなく、従来公知の技術を適宜参照することができる。具体的には、基板の種類として、上記例示した結晶基板や、金属基板、ガラス基板などが例示される。貼り合わせの方法としては、導電性接着剤（導電ペースト、ろう材）を用いる方法、絶縁性接着剤を用いる方法、ダイレクトウェハボンディングなどが例示される。基板１０１をメッキ法を用いて形成する場合には、その材料として、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）などが好ましく例示される。
【００２６】
ｎ型層１０２−１の形成時には、Ｓｉ、Ｇｅなどのｎ型不純物を添加することが好ましい。また、ｐ型層１０２−３の形成時には、Ｍｇ、Ｚｎなどのｐ型不純物を添加することが好ましい。ｐ型層１０２−３の形成後、添加したｐ型不純物の活性化を促進させるために、アニーリング処理、電子線照射処理などを行うことができる。発光層１０２−２は、その導電型により限定されるものではなく、例えば、不純物無添加の層であってもよいし、不純物の添加によってｎ型またはｐ型の導電性を付与した層であってもよいし、ｎ型層とｐ型層が混在した積層体であってもよい。ｎ型層１０２−１、発光層１０２−２、ｐ型層１０２−３を構成するＧａＮ系半導体の組成に限定はなく、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど、任意の組成を有するＧａＮ系半導体を用いて構成することができる。好ましくは、ダブルヘテロ構造が形成されるように、発光層とそれを挟む層を構成するＧａＮ系半導体の組成を選択する。発光層は、量子井戸構造とすることが好ましく、特に、障壁層と井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造とすることが好ましい。ｎ型層１０２−１、発光層１０２−２、ｐ型層１０２−３のそれぞれは、厚さ方向に均質である必要はなく、各層の内部において、不純物濃度、結晶組成などが厚さ方向に連続的また
は不連続的に変化していてもよい。また、各層の間に付加的な層を設けることもできる。
【００２７】
半導体積層体１０２は、例えば、次のような構成とすることができる。
ｎ型層１０２−１：膜厚４μｍ、電子濃度５×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープＧａＮ層。
発光層１０２−２：膜厚８ｎｍのＧａＮ障壁層と膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とを、最上層および最下層が障壁層となるように、かつ、含まれる井戸層の層数が２〜２０となるように、交互に積層した多重量子井戸層。
ｐ型層１０２−３：発光層１０２−２に接するｐ型クラッド層と、その上に積層されたｐ型コンタクト層とからなる２層構造の積層体。ｐ型クラッド層は、膜厚１００ｎｍ、Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ−３のＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層。ｐ型コンタクト層は、膜厚２００ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３のＭｇドープＧａＮ層。
【００２８】
負電極１０３は、公知のＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術を用いてｐ型層１０２−３、発光層１０２−２を部分的に除去し、それによって露出するｎ型層１０２−１の表面に形成することができる。負電極１０３の材料や形成方法については、公知技術を参照することができる。好ましい実施形態では、負電極１０３の、少なくともｎ型層１０２−１と接する部分を、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）などの単体、または、これらから選ばれる１種以上の金属を含む合金を用いて形成することができる。外部電極との接続が容易となるように、負電極１０３には、表層として、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）などからなる層を設けることが好ましい。負電極１０３とｎ型層１０２−１との間に、導電性酸化物材料からなる薄層を介在させることもできる。負電極１０３の膜厚は、例えば、０．２μｍ〜１０μｍとすることができるが、好ましくは、０．５μｍ〜２μｍである。負電極１０３の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いて行うことができる。負電極１０３の形成は、ｐ型層１０２−３上に導電性酸化物膜１０４などを形成した後に行ってもよい。
【００２９】
導電性酸化物膜１０４は、Ｚｎ（亜鉛）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）およびＭｇ（マグネシウム）から選ばれる少なくともひとつの元素を含む酸化物で形成することができる。具体的には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化マグネシウムなどが好ましく例示される。特に好ましいのはＩＴＯである。導電性酸化物膜１０４の膜厚は、例えば、０．１μｍ〜１μｍとすることができるが、好ましくは、０．２μｍ〜０．５μｍである。更に、発光層１０２−２から放出される光の波長に応じて、無反射膜条件が達成されるように膜厚を調整することが望ましい。導電性酸化物膜１０４は、全体または一部を多層構造とすることも可能である。導電性酸化物膜１０４は、発光層１０２−２から放出される光の波長における透過率が、８０％以上となるように形成することが好ましい。この透過率は、より好ましくは８５％以上であり、更に好ましくは９０％以上である。導電性酸化物膜１０４は、抵抗率が１×１０−４Ωｃｍ以下となるように形成することが望ましい。導電性酸化物膜１０４の形成方法に限定はなく、従来公知の方法を任意に用いて形成することができる。具体的には、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、真空蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法などが例示される。導電性酸化物膜１０４は、成膜後、必要に応じて熱処理を行ってもよい。導電性酸化物膜１０４の製造方法については、特許文献１などを参照することもできる。導電性酸化物膜１０４のパターニングは、リフトオフ法を用いて行うことができる。あるいは、導電性酸化物膜１０４は、ｐ型層１０２−３上の全面に形成した後、不要部分をフォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて除去することによって、パターニングすることもできる。
【００３０】
導電性酸化物膜１０４の形成後、接続電極１０６を形成する。接続電極１０６を金属で形成する場合の好ましい材料としては、白金族（Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）などが例示される。接続電極１０６を導電性酸化物で形成する場合、導電性酸化物膜１０４に用いることができる導電性酸化物を任意に用いて形成することができる。好ましくは、熱応力が発生しないように、導電性酸化物膜１０４と接続電極１０６とを、同種の導電性酸化物で形成する。接続電極を白金族、Ｎｉ、Ａｇ、導電性酸化物などで形成する場合、接続電極とｐ型層との接触抵抗が高くなるように、接続電極と接するｐ型層の表面をプラズマ処理したり、接続電極とｐ型層との間を絶縁することが望ましい。接続電極を金属膜とする場合の膜厚は、例えば、０．００５〜０．２μｍとすることができる。接続電極の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いて行うことができる。接続電極は多層構造とすることもできる。
【００３１】
接続電極１０６の形成後、正パッド電極１０５を形成する。正パッド電極１０５の材料は特に限定されないが、好ましい実施形態では、正パッド電極１０５の、少なくとも導電性酸化物膜１０４に接する部分を、白金族（Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）などを用いて形成することができる。ただし、白金族、Ｎｉ、Ａｇなどを用いる場合には、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との間の接触抵抗を高くするために、ｐ型層１０２−３の表面に前述のプラズマ処理を施したり、あるいは、正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との間を絶縁することが望ましい。さもないと、正パッド電極１０５からｐ型層１０２−３に直接流れる電流が多くなり、発光出力の改善効果が小さくなる。正パッド電極１０５の、発光層１０２−２側の部分には、当該正パッド電極による光吸収を低減するために、光反射率の良好な金属であるＡｌ、Ａｇまたは白金族元素を主成分として構成した反射層を設けることが好ましい。また、外部電極との接続が容易となるように、正パッド電極１０５には、表層として、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）などからなる層を設けることが好ましい。正パッド電極１０５の膜厚は、例えば、０．２μｍ〜１０μｍとすることができるが、好ましくは、０．５μｍ〜２μｍである。正パッド電極１０５の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いて行うことができる。
【００３２】
正パッド電極１０５とｐ型層１０２−３との間の接触抵抗を高くするために、ｐ型層１０２−３の表面に対して行うプラズマ処理の一例として、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりｐ型層１０２−３の表層部分をエッチング除去する処理が挙げられる。この処理により除去するｐ型層の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。ところで、多結晶質の導電性酸化物膜の表面は凹凸状となる傾向があるが、例えば、５００℃以上で熱処理した、多結晶構造の発達したＩＴＯ膜の上からＲＩＥ処理を行うことにより、ＩＴＯ膜を除去してｐ型層を露出させると、露出したｐ型層の表面が微細な凹凸を有するテクスチャ化面となる。この方法により、あるいは他の方法を用いて、テクスチャ化したｐ型層の表面上に正パッド電極を形成すると、正パッド電極がｐ型層の表面に強固に密着し、脱落し難くなるという効果が得られる。ただし、テクスチャ化面上に正パッド電極を形成すると、正パッド電極の光反射性が低下するという問題もある。正パッド電極の光反射性を高くする観点からは、ｐ型層の表面のうち正パッド電極と接する部分は、算術平均粗度Ｒａを指標とした表面粗度が０．０１μｍ以下の鏡面とすることが好ましい。なお、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、ｐ型層１０２−３の上面の縁部が導電性酸化物膜１０４に覆われずに露出しているが、上記の導電性酸化物膜上からのＲＩＥ処理によってこの露出面をテクスチャ化することにより、発光出力を改善することも可能である。
【００３３】
正パッド電極１０５の平面形状は特に限定されないが、ワイヤボンディング用とする場合には、縦横比の小さい形状とすることが好ましく、円形の他、正三角形、正方形、正五角形、正六角形などの正多角形、あるいは、これらを組み合わせた形状が好ましく例示される。現在の技術水準では、ワイヤボンディングのためには、パッド電極が直径６０μｍの円を包含するサイズおよび形状を有することが必要といわれているが、将来的には、ワイヤボンディングが可能なパッド電極のサイズが今より小さくなるであろうことはほぼ確実である。導電性ペーストやろう材を用いて外部電極との接続を行う場合には、正パッド電極１０５の形状やサイズは、接続の相手となる外部電極の形状やサイズ、接続に用いる装置の性能に応じて設定することができる。
【００３４】
図１および図２には示していないが、負電極１０３、導電性酸化物膜１０４、接続電極１０６、正パッド電極１０５の形成が完了した後、負電極１０３上および正パッド電極１０５上の領域を除いた、ＬＥＤ素子の半導体積層体１０２側の表面を透光性の絶縁保護膜で被覆することが望ましい。この絶縁保護膜は、発光層から放出される光の波長において高い透過率を有する、絶縁性の金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物で形成することが好ましい。ＧａＮ系ＬＥＤの典型的な発光波長の範囲は３５０ｎｍ〜６００ｎｍであるから、この波長範囲における透過率の高い絶縁体が、絶縁保護膜の好適な材料となる。具体的には、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムなどが例示される。絶縁保護膜は、多層膜構造とすることもできる。絶縁保護膜の形成方法に限定はなく、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法などの公知の方法を用いることができる。特に好ましい方法としては、ピンホールがなく、密着性の良好な膜を形成できる、プラズマＣＶＤ法が挙げられる。
【００３５】
必要に応じて絶縁保護膜の形成を行った後、この分野で通常用いられているウェハ分割の方法（例えば、ダイシング、スクライビング、レーザ加工）を用いてウェハを切断し、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００をチップ化する。チップのサイズは特に限定されるものではなく、例えば、２００μｍ角〜２ｍｍ角とすることができる。チップ形状は方形（正方形、長方形）に限定されるものではなく、平行四辺形、三角形、五角形、六角形などとしてもよい。レーザ加工技術を用いたウェハ分割法の進歩により、様々なチップ形状のＬＥＤ素子の製造が可能となっている。
【００３６】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、ＳＭＤ（表面実装）型ＬＥＤパッケージ、砲弾型ランプ、ＬＥＤ素子が直接ユニット基板に実装されるチップオンボード（ＣＯＢ）型ユニットなど、各種の発光装置に用いることができる。ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、基板、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などの実装基材上に直接固定してもよいし、サブマウントを介して固定してもよい。
【００３７】
（付記）
本発明によれば、更に、次の特徴を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子が提供される。
（１ａ）基板と、該基板上に形成された複数のＧａＮ系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたｐ型層と、該ｐ型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記ｐ型層とで前記発光層を挟むように配置されたｎ型層とが含まれており、前記ｐ型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、該導電性酸化物膜と電気的に接続された正パッド電極と、が形成されているＧａＮ系ＬＥＤ素子において、前記ｎ型層に接続され、前記正パッド電極と同一面側に形成された負電極を有しており、該負電極が、前記ｎ型層に接しており、電流の面方向の拡散を促進させるための延長部を備えた、導電性酸化物からなる透光性の下側負電極層と、該下側負電極層の上に形成された、接続材料を接合するための、金属材料からなる上側負電極層と、を有していることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
上記（１ａ）のＧａＮ系ＬＥＤ素子は、負電極による光吸収が軽減されることにより、発光出力に優れたものとなるので、照明用途をはじめとする、高出力が要求される用途において、好適に用いることができる。
【００３８】
本発明は、本明細書に明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図２】図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子の、図１（ａ）のＹ−Ｙ線の位置における断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための平面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための平面図である。
【図８】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための平面図である。
【図９】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための平面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の電極形状を説明するための平面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す図であり、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１２】従来のＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１００、２００  ＧａＮ系ＬＥＤ素子
１０１、２０１  基板
１０２、２０２  半導体積層体
１０３、２０３  負電極
１０４、２０４  導電性酸化物膜
１０５、２０５  正パッド電極
１０６、２０６  接続電極
【図１】
2008226866.tif 000003
【図２】
2008226866.tif 000004
【図３】
2008226866.tif 000005
【図４】
2008226866.tif 000006
【図５】
2008226866.tif 000007
【図６】
2008226866.tif 000008
【図７】
2008226866.tif 000009
【図８】
2008226866.tif 000010
【図９】
2008226866.tif 000011
【図１０】
2008226866.tif 000012
【図１１】
2008226866.tif 000013
【図１２】
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