(57)【要約】【課題】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。【解決手段】ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００は、基板１０１と半導体積層体１０２とを有し、半導体積層体１０２には、ｎ型層１０２−１と発光層１０２−２とｐ型層１０２−３が含まれており、ｐ型層１０２−３の上には、透光性の導電性酸化物膜１０４と正パッド電極１０６とが形成されている。正パッド電極１０６は、その一部が導電性酸化物膜１０４の上に形成されており、その残りの部分とｐ型層１０２−３とは、透光性の絶縁膜１０５によって隔てられている。【選択図】図１
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【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型層とが含まれており、前記ｐ型層の上に、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し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、
前記正パッド電極の一部が前記導電性酸化物膜の上に形成されており、前記正パッド電極の残りの部分と前記ｐ型層とが透光性の絶縁膜によって隔てられていることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記正パッド電極のうち、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成された部分の面積が、当該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３】
前記正パッド電極のうち、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成された部分の面積が、当該正パッド電極の面積の２５％以下である、請求項２に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記正パッド電極のうち、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成された部分の面積が、当該正パッド電極の面積の１０％以下である、請求項３に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記正パッド電極が、電極接続材料を接合するための本体部と、該本体部から突き出した突出部とから構成されており、前記正パッド電極の突出部のみが、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記導電性酸化物膜の上に前記絶縁膜が重なった部分を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記導電性酸化物膜が、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇ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されている、請求項１〜６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】
前記正パッド電極の面積が前記ｐ型層の上面の面積の３０％未満である、請求項１〜８のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記基板が透光性を有する基板である、請求項１〜９のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１１】
前記基板が金属材料からなる基板である、請求項１〜９のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
【請求項１２】
請求項１０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であるが、実用化のためには更なる高出力化が必要といわれている。
【０００３】
従来技術に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子として、図１０に断面図を示すように、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の上に、透光性の導電性酸化物膜１４と、該導電性酸化物膜１４と電気的に接続した正パッド電極１６とが形成された構成を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子１０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、共晶合金を含む）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型層とが含まれており、前記ｐ型層の上に、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し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、前記正パッド電極の一部が前記導電性酸化物膜の上に形成されており、前記正パッド電極の残りの部分と前記ｐ型層とが透光性の絶縁膜によって隔てられていることを特徴とする、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（２）前記正パッド電極のうち、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成された部分の面積が、当該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。
（３）前記正パッド電極のうち、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成された部分の面積が、当該正パッド電極の面積の２５％以下である、前記（２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（４）前記正パッド電極のうち、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成された部分の面積が、当該正パッド電極の面積の１０％以下である、前記（３）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（５）前記正パッド電極が、電極接続材料を接合するための本体部と、該本体部から突き出した突出部とから構成されており、前記正パッド電極の突出部のみが、前記ｐ型層と前記導電性酸化物膜との界面の上に形成されている、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（６）
前記導電性酸化物膜の上に前記絶縁膜が重なった部分を有する、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（７）前記導電性酸化物膜が、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇ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されている、前記（１）〜（６）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）前記正パッド電極の面積が前記ｐ型層の上面の面積の３０％未満である、前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１０）前記基板が透光性を有する基板である、前記（１）〜（９）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１１）前記基板が金属材料からなる基板である、前記（１）〜（９）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１２）請求項１０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型層とが含まれており、前記ｐ型層の上に、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した正パッド電極とが形成されているＧａＮ系ＬＥＤ素子であって、前記正パッド電極の一部が前記導電性酸化物膜の上に形成されており、前記正パッド電極の残りの部分と前記ｐ型層とが透光性の絶縁膜によって隔てられている、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。なお、図１（ａ）では、後述するように、透光性の絶縁膜の図示を省略している。
【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の上には、オーミック電極である透光性の導電性酸化物膜１０４と、この導電性酸化物膜１０４と電気的に接続した正パッド電極１０６が形成されている。正パッド電極１０６は、図１（ａ）に示すように、電極接続材料を接合するための円形の本体部１０６ａと、該本体部１０６ａからＹ−Ｙ線に平行な方向に突き出した２つの突出部１０６ｂとを有しており、その突出部１０６ｂの一部分が導電性酸化物膜１０４の上に形成されている（図２に示すＢの部分）。正パッド電極１０６のその他の部分とｐ型層１０２−３との間は、透光性の絶縁膜１０５によって隔てられている（図２に示すＡの部分）。図１（ｂ）および図２に示すように、この絶縁膜１０５は、その一部が、正パッド電極１０６とｐ型層１０２−３とを隔てる膜となっており、他の一部は、導電性酸化物膜１０４の表面や半導体積層体１０２の露出面を覆う保護膜となっている。なお、図１（ａ）では、分かり易さのために、絶縁膜１０５の図示を省略している。絶縁膜１０５は、正パッド電極の突出部１０６ａと導電性酸化物膜１０４との間に挟まれた部分に開口部（貫通孔）１０５ａを有しており、この開口部を通して正パッド電極１０６と導電性酸化物膜１０４とは直に接している。この接触によって、正パッド電極１０６と導電性酸化物膜１０４との電気的な接続が達成されている。
【００１０】
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。
【００１１】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、正パッド電極１０６の一部分（突出部１０６ｂの一部）だけが導電性酸化物膜１０４の上に形成されており、該正パッド電極のその他の部分とｐ型層１０２−３との間は透光性の絶縁膜１０５によって隔てられているので、正パッド電極１０６の直下（とりわけ、本体部１０６ａ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。
【００１２】
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構成した発光装置において、正パッド電極１０６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１０６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、遮蔽も受けるために、光取出し方向側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って得られる損失低減の効果が、明確に現れることになる。
【００１３】
また、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、正パッド電極１０６の下面が直接ｐ型層１０２−３の表面に接していないために、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っている。この効果は、ｐ型層と正パッド電極とを隔てる絶縁膜の膜厚が大きいほど、また、この絶縁膜の屈折率が低いほど、顕著となる。よって、この絶縁膜の膜厚は、例えば、０．０５μｍ〜３μｍとすることができるが、好ましくは０．１μｍ以上であり、より好ましくは０．３μｍ以上であり、更に好ましくは０．５μｍ以上である。また、この絶縁膜の好ましい材料としては、フッ化マグネシウム、フッ化リチウムなどの金属フッ化物、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、スピネルなどの金属酸化物が例示される。この絶縁膜は多層膜構造とすることもできる。
【００１４】
正パッド電極１０６から供給される電流は、導電性酸化物膜１０４を通してｐ型層１０２−３に流れることから、発光が生じるのは、発光層１０２−２の中でも、主として、ｐ型層１０２−３と導電性酸化物膜１０４との界面の下方に位置する部分となる。よって、正パッド電極１０６による光の吸収および／または遮蔽に起因する出力の低下を防止するためには、該正パッド電極のうち、この界面の上方に位置する部分の面積を、できるだけ小さくすることが望ましい。具体的には、正パッド電極１０６のうち、ｐ型層１０２−３と導電性酸化物膜１０４との界面の上に形成する部分の面積の、当該正パッド電極の面積に対する比率を、好ましくは５０％以下、より好ましくは２５％以下、更に好ましくは１０％以下とする。また、正パッド電極１０６の面積そのものもできる限り小さくすることが望ましく、正パッド電極１０６の面積の、ｐ型層１０２−３の上面の面積に対する比率は、好ましくは３０％以下であり、より好ましくは２０％以下であり、更に好ましくは１０％以下である。とする。なお、ここでいう正パッド電極の面積とは、ＬＥＤ素子を平面視したとき（半導体積層体の上方から見たとき）の面積のことである。
【００１５】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００では、導電性酸化物膜１０４の表面などを覆う保護膜と、ｐ型層１０２−３と正パッド電極１０６の一部とを隔てる絶縁膜とが、一体となっているが、かかる構成は必須ではない。ｐ型層と正パッド電極とを隔てる絶縁膜と、素子表面を保護するために設ける絶縁膜とは、別個に形成してもよく、また、その膜厚、材料、膜構造などが相違していてもよい。
【００１６】
負電極、導電性酸化物膜、正パッド電極の平面形状や平面配置は、種々変形することができる。例えば、図３に示すように、正パッド電極１０６は曲がった突出部１０６ｂを備えた形状とすることができる。図４に示すように、正パッド電極は突出部１０６ｂをひとつだけ有する形状であってもよい。この図４の例では、正パッド電極の本体部１０６ａが、方形のＬＥＤ素子面の角の部分に配置されている。図５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の本体部１０６ａを配置し、２つの突出部１０６ｂを、相互に直交する方向に突き出すように形成してもよい。この図５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。なお、図３〜図５では、分かり易くするために、絶縁膜の図示を省略しているが、いずれの例においても、正パッド電極１０６のうち、導電性酸化物膜１０４の上に形成された部分以外の部分と、ｐ型層１０２−３との間は、透光性の絶縁膜で隔てられている。
【００１７】
正パッド電極を本体部と突出部とから構成することによって、外部電極から正パッド電極の本体部に供給される電流を、突出部を通してＬＥＤ素子の面方向に効率的に拡散させることができる。ここで、突出部は本体部に比べて形状が細長いことから、突出部による吸収や遮蔽がＬＥＤ素子の出力に与える影響は、本体部のそれに比べて小さい。従って、図１〜図５に示す各例のように、正パッド電極の突出部のみが、ｐ型層と導電性酸化物膜の界面上に位置するように、正パッド電極を形成することにより、好ましい出力改善効果を得ることができる。
【００１８】
図６に示すように、正パッド電極が突出部を有さないように構成することもできる。図６（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６（ｂ）は図６（ａ）のＹ−Ｙ線の位置における断面図である。図６（ａ）に示すように、この例では、導電性酸化物膜１０４が、円形の正パッド電極１０６の下に入り込むように形成された接点形成部１０４ａを有しており、図６（ｂ）に示すように、この接点形成部１０４ａと正パッド電極１０６とが、透光性の絶縁膜１０５に設けられた開口部（貫通孔）１０５ａを通して接している。なお、図６（ａ）では、分かり易くするために、絶縁膜１０５の図示を省略している。
【００１９】
絶縁膜１０５に形成する開口部１０５ａの平面形状は、特に限定されない。開口部１０５ａの面積は、正パッド電極１０６と導電性酸化物膜１０４との接触面積に影響する。この接触面積を小さくし過ぎると、正パッド電極１０６と導電性酸化物膜１０４との接触抵抗が大きくなる。よって、開口部１０５ａの面積は、正パッド電極１０６と導電性酸化物膜１０４との接触抵抗に起因して、ＧａＮ系ＬＥＤ素子１００の動作電圧（順方向電圧）が実用上問題となるほど上昇することのないように、設定する。
【００２０】
図７に示すように、ｐ型層１０２−３上に絶縁膜１０５を先に形成し、その上から導電性酸化物膜１０４を形成してもよい。ここで、図７（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７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。図７（ｂ）に示すように、導電性酸化物膜１０４は、絶縁膜１０５上を覆う部分に開口部１０４ｂを有している。図７（ａ）では、正パッド電極１０６の下に隠れた該開口部１０４ｂの輪郭を、破線で示している。正パッド電極１０６は、その縁部が導電性酸化物膜１０４の上（開口部１０４ｂに隣接する部分の上）に形成されており、正パッド電極１０６のその他の部分とｐ型層１０２−３との間は、絶縁膜１０５によって隔てられている。この図７に示すＧａＮ系ＬＥＤ素子では、正パッド電極１０６の全体が、ｐ型層１０２−３と絶縁膜１０５との界面の上に形成されている。すなわち、正パッド電極１０６が、ｐ型層１０２−３と導電性酸化物膜１０４との界面の上に形成された部分を全く有していない。よって、正パッド電極１０６による光の吸収および／または遮蔽に起因する出力の低下が、極めて効果的に抑制される。また、導電性酸化物膜は絶縁膜よりバンドギャップが小さいことから、一般に、絶縁膜よりも光吸収性が大きいが、図７のＬＥＤ素子では導電性酸化物膜１０４の一部を除去して開口部１０４ｂを設けているので、この開口部を設けないＬＥＤ素子と比べて発光出力が改善される。
【００２１】
ｐ型層上に導電性酸化物膜および絶縁膜を形成する順序についていうと、より好ましくは、図１に示す例のように、導電性酸化物膜を絶縁膜よりも先に形成する。その理由は、製造プロセスの早い段階で導電性酸化物膜の形成を行うことにより、導電性酸化物膜を形成する工程の前に、ｐ型層の表面がダメージを受ける確率を下げることができるからである。ｐ型層の表面がダメージを受けると、該ｐ型層と導電性酸化物膜との接触抵抗が増加する。この接触抵抗はＬＥＤ素子の動作電圧（順方向電圧）に大きく影響する。また、ｐ型層の表面がダメージを受けることにより、該ｐ型層と導電性酸化物膜との接触抵抗の面内均一性が低下した場合には、半導体積層体１０２に電流が均一に注入されなくなる結果、活性層における発光強度の面内均一性が低下する。
【００２２】
図８に示すように、正パッド電極１０６の一部に、下側パッド電極層１０６−１と上側パッド電極層１０６−２とからなる２層構造部を設け、下側パッド電極層１０６−１と上側パッド電極層１０６−２との間に、絶縁膜１０５の一部を挟んだ構成とすることもできる。絶縁膜１０５は、下側パッド電極層１０６−１と上側パッド電極層１０６−２との間に挟まれた部分に開口部１０５ａを有しており、この開口部を通して、下側パッド電極層１０６−１と上側パッド電極層１０６−２とが接触している。下側パッド電極層１０６−１の膜厚は、例えば、０．００１μｍ〜０．２μｍとすることができる。
【００２３】
図９は、導電性基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤ素子の例を示すもので、図９（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９（ｂ）は図９（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９（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、オーミック電極である透光性の導電性酸化物膜２０４と、この導電性酸化物膜２０４と電気的に接続した正パッド電極２０６が形成されている。図９（ａ）に示すように、正パッド電極２０６は、電極接続材料を接合するための円形の本体部２０６ａと、そこから突き出した４つの突出部２０６ｂとを有しており、その突出部２０６ｂが導電性酸化物膜２０４の上に形成されている（図９（ｂ）に示すＢの部分）。正パッド電極２０６のその他の部分とｐ型層２０２−３との間は、透光性の絶縁膜２０５によって隔てられている（図９（ｂ）に示すＡの部分）。この例では、正パッド電極２０６が、下側パッド電極層２０６−１と上側パッド電極層２０６−２とからなる積層構造を有しており、突出部２０６ｂは下側パッド電極層２０６−１のみに設けられている。絶縁膜２０５は、その一部が、正パッド電極２０６とｐ型層２０２−３とを隔てる膜となっており、他の一部は、導電性酸化物膜２０４の表面や半導体積層体２０２の露出面を覆う保護膜となっている。なお、図９（ａ）では、分かり易さのために、絶縁膜２０５の図示を省略している。絶縁膜２０５は、正パッド電極の突出部２０６ｂと導電性酸化物膜２０４との間に挟まれた部分に開口部（貫通孔）２０５ａを有しており、この開口部を通して正パッド電極２０６と導電性酸化物膜２０４とが直に接している。この接触によって、正パッド電極２０６と導電性酸化物膜２０４との電気的な接続が達成されている。
【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、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム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して決定することができる。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。また、負電極１０３は、ｎ型層１０２−１と接する部分に、導電性酸化物材料からなる薄層を含んでいてもよい。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を形成した後に行うことが好ましい。なお、基板１０１が導電性を有する場合には、負電極を基板の表面に形成することも可能である。また、基板が金属製である場合には、基板自体を負電極として利用することが可能である。
【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をパターニングした後、透光性の絶縁膜１０５を形成する。絶縁膜１０５は、発光層１０２−２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、金属酸窒化物または金属フッ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、絶縁膜１０５の好適な材料となる。ＬＥＤ素子の保護膜としての観点からは、絶縁膜１０５の好ましい材料は、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である。絶縁膜１０５は、多層膜構造とすることもできる。絶縁膜１０５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。開口部１０５ａなどを形成するために必要な絶縁膜１０５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、絶縁膜１０５をウェハ面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。
【００３１】
絶縁膜１０５の形成後、正パッド電極１０６を形成する。正パッド電極１０６の材料に限定はないが、好ましい実施形態では、正パッド電極１０６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。正パッド電極１０６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、光反射性の良好な金属であるＡｌ、Ａｇまたは白金属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。かかる反射層を設ける場合、正パッド電極１０６と導電性酸化物膜１０４との間の接着力が低下しないように、該反射層と導電性酸化物膜の表面との間に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔｉ−Ｗなどからなる透光性の薄膜を挟んでもよい。この薄膜は、膜厚を２０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは５ｎｍ以下とする。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１０６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１０６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１０６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】
正パッド電極の本体部１０６ａの形状は円形に限定されるものではないが、ワイヤボンディングを行うためには、円形が最も好ましい形状となる。円形以外の好ましい形状としては、正三角形、正方形、正五角形、正六角形などの正多角形が挙げられる他、円形や正多角形を基に、些細な変形を加えた形状が挙げられる。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。正パッド電極の本体部に導電性ペーストやろう材を接合する場合には、該正パッド電極の本体部の好ましい形状として、円形、正多角形に加えて、長方形、台形などが挙げられる。
【００３３】
正パッド電極１０６の形成後、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のチップを得る。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。
【００３４】
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。
【００３５】
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】
【００３６】
【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平面図である。
【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平面図である。
【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素子の構造を示す図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＹ−Ｙ線の位置における断面図である。
【図７】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７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を説明するための断面図である。
【図９】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９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１０】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】
【００３７】
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  絶縁膜
１０６、２０６  正パッド電極
【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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【図７】
2008218878.tif 000009
【図８】
2008218878.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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