(57)【要約】【課題】電力の浪費を抑えた半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子Ａ１は、基板１と、基板１に支持された第１窒化物半導体層２と、これよりも基板１に対して離間した位置に形成された第２窒化物半導体層４と、これらの窒化物半導体層２，４の間に形成された活性層３と、第２窒化物半導体層４上に形成された金属電極５１、を備えており、基板１の厚さ方向視において、金属電極５１は、第２窒化物半導体層４の周縁寄りに配置されており、活性層３は、第２窒化物半導体層４よりも狭い範囲に形成されており、少なくとも金属電極５１が形成されている範囲には、活性層３が形成されていない範囲があることを特徴とする。【選択図】  図１
2008060132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板に支持された第１窒化物半導体層と、
上記第１窒化物半導体層よりも上記基板に対して離間した位置に形成された第２窒化物半導体層と、
上記第１および第２窒化物半導体層の間に形成された活性層と、
上記第２窒化物半導体層上に形成された金属電極と、を備えた半導体発光素子であって、
上記基板の厚さ方向視において、
上記金属電極は、上記第２窒化物半導体層の周縁寄りに配置されており、
上記活性層は、上記第２窒化物半導体層よりも狭い範囲に形成されており、少なくとも上記金属電極が形成されている範囲には、上記活性層が形成されていない範囲があることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
上記活性層は、上記金属電極と重ならない範囲に形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に第１窒化物半導体層を形成する工程と、
上記第１窒化物半導体層上に活性層を形成する工程と、
上記活性層上に第２窒化物半導体層を形成する工程と、
上記第１窒化物半導体層、上記第２窒化物半導体層および上記活性層を上記基板の厚さ方向に起立した面で規定された形状に整形する工程と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
上記整形する工程の後に、上記活性層のみをエッチングすることにより、上記第２窒化物半導体層よりも上記活性層を狭くする工程をさらに備えている半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
上記活性層は、上記第１窒化物半導体層および上記第２窒化物半導体層を励起可能な光の波長よりも長い波長の光で励起させることが可能であり、上記活性層のみをエッチングする工程において、上記第１窒化物半導体層および上記第２窒化物半導体層を励起可能な光の波長よりも長く、かつ、上記活性層を励起可能な波長の光を照射しながらウェットエッチングを行う、請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮを含む半導体層を有する半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の半導体発光素子の一例（特許文献１参照）を示している。同図に示された半導体発光素子Ｘは、基板９１と、基板９１上に積層されたバッファ層９１１と、バッファ層９１１上に積層されたｎ型半導体層であるｎ−ＧａＮ層９２と、透光性を有するｐ型半導体層であるｐ−ＧａＮ層９４と、ｎ−ＧａＮ層９２とｐ−ＧａＮ層９４との間に形成された活性層９３と、ｐ側電極９５１と、透明電極９５２と、ｎ側電極９５３とを備えている。活性層９３は、互いにＩｎの組成比が異なるＩｎＧａＮを含む半導体層が積層された重量子井戸（Multiple Quantum Well:以下ＭＱＷ）構造とされている。透明電極９５２は、ｐ−ＧａＮ層９４上に積層されており、この透明電極９５２の図中左端寄りにｐ側電極９５１が設置されている。ｎ−ＧａＮ層９２は、活性層９３およびｐ−ＧａＮ層９４よりも図中左右方向へ長く延びるように形成されており、ｎ−ＧａＮ層９２の図中右方へ延びた部分の上にｎ側電極９５３が設置されている。この半導体発光素子Ｘは、ｐ側電極９５１を金属配線とボンディングして図示しない外部電源の陽極と導通させ、ｎ側電極９５３を同様に上記外部電源の陰極と通電させることで、活性層９３が発光する構成となっている。活性層９３で発生した光は、ｐ−ＧａＮ層９４および透明電極９５２を透過し、図中上方へ向けて照射される。
【０００３】
しかしながら、半導体発光素子Ｘにおいては、ｐ側電極９５１に金属配線をボンディングする際に、透明電極９５２に衝撃を与えないように、ｐ側電極９５１を十分に厚く形成する必要があり、透光性を備えるようにするのは困難であった。このため、活性層９３で生じた光の一部が、ｐ側電極９５１によって遮られてしまうという問題があった。すなわち、ｐ側電極９５１の下にある活性層９３から生じた光は外部へ照射されないので、この部分に流れる電流が無駄になっており、半導体発光素子Ｘの発光効率が低下してしまっていた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、電力の浪費を抑えた半導体発光素子およびその製造方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面によって提供される半導体発光素子は、基板と、上記基板に支持された第１窒化物半導体層と、上記第１窒化物半導体層よりも上記基板に対して離間した位置に形成された第２窒化物半導体層と、上記第１および第２窒化物半導体層の間に形成された活性層と、上記第２窒化物半導体層上に形成された金属電極と、を備えた半導体発光素子であって、上記基板の厚さ方向視において、上記金属電極は、上記第２窒化物半導体層の周縁寄りに配置されており、上記活性層は、上記第２窒化物半導体層よりも狭い範囲に形成されており、少なくとも上記金属電極が形成されている範囲には、上記活性層が形成されていない範囲があることを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、上記活性層における上記金属電極によって発光が妨げられる範囲が減少するので、電流の無駄が軽減され、発光効率がより高くなる。
【０００８】
好ましい実施の形態においては、上記活性層は、上記金属電極と重ならない範囲に形成されているのがよい。このような構成によれば、上記金属電極によって上記活性層から出た光が遮断されることがなくなり、さらに発光効率を高めることができる。
【０００９】
本発明の第２の側面によって提供される半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１窒化物半導体層を形成する工程と、上記第１窒化物半導体層上に活性層を形成する工程と、上記活性層上に第２窒化物半導体層を形成する工程と、上記第１窒化物半導体層、上記第２窒化物半導体層および上記活性層を上記基板の厚さ方向に起立した面で規定された形状に整形する工程と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、上記整形する工程の後に、上記活性層のみをエッチングすることにより、上記第２窒化物半導体層よりも上記活性層を狭くする工程をさらに備えている。
【００１０】
このような構成によれば、本発明の第１の側面によって提供される半導体発光素子のように上記第２窒化物半導体層よりも上記活性層が狭く、上記活性層から出る光が上記金属電極によって遮られにくい半導体発光素子を製造することができる。
【００１１】
好ましい実施の形態においては、上記活性層は、上記第１窒化物半導体層および上記第２窒化物半導体層を励起可能な光の波長よりも長い波長の光で励起させることが可能であり、上記活性層のみをエッチングする工程において、上記第１窒化物半導体層および上記第２窒化物半導体層を励起可能な光の波長よりも長く、かつ、上記活性層を励起可能な波長の光を照射しながらウェットエッチングを行うのがよい。このような構成によれば、上記第１窒化物半導体層および上記第２窒化物半導体層が励起せず反応しにくい状態で上記活性層が励起して反応しやすい状態とすることができ、上記活性層のみをエッチングすることが可能となる。
【００１２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａ１は、基板１、バッファ層１１、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３、ｐ−Ｇａｎ層４、ｐ側電極５１、透明電極５２、ｎ側電極５３、絶縁層６および金属層７を備えている。半導体発光素子Ａ１は、特に青色光または緑色光を発光するのに適した半導体発光素子として構成されている。
【００１５】
基板１は、たとえばサファイア製であり、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３、ｐ−Ｇａｎ層４、ｐ側電極５１、透明電極５２、ｎ側電極５３、絶縁層６および金属層７を支持するためのものである。本実施形態においては、基板１は、その厚さがたとえば３００〜５００μｍ程度とされている。なお、基板１とｎ−Ｇａｎ層２との間には、両者の格子歪を緩和するためのＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなるバッファ層１１が形成されている。
【００１６】
ｎ−Ｇａｎ層２は、ＧａＮにＳｉがドープされたことによりいわゆるｎ型半導体層とされており、本発明で言う第１窒化物半導体層の一例である。本実施形態においては、ｎ−Ｇａｎ層２は、その厚さが３〜６μｍ程度とされている。ｎ−ＧａＮ層２は、この上に積層される活性層３およびｐ−Ｇａｎ層４よりも図中左右方向に長く形成されており、図中右方へ延出した部分にｎ側電極５３が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ層２の一部が台状に盛り上がるように形成されており、その上に活性層３は積層されている。
【００１７】
活性層３は、ＩｎＧａＮを含むＭＱＷ構造とされた層であり、電子と正孔とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。活性層３は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが交互に積層されている。上記ＩｎＧａＮ層は、活性層３の井戸層を構成しており、上記ＧａＮ層は、活性層３のバリア層を形成している。本実施形態においては、活性層３は、上記複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが３〜７層ずつ積層されており、その厚さが５０〜１５０ｎｍ程度とされている。この活性層３は、ｐ−ＧａＮ層４よりも図中の左右幅が狭くなるように形成されている。
【００１８】
ｐ−ＧａＮ層４は、ＧａＮにＭｇがドープされたことによりいわゆるｐ型半導体層とされており、本発明で言う第２窒化物半導体層の一例である。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４は、その厚さが１００〜１５００ｎｍ程度とされている。ｐ−ＧａＮ層４上には、ｐ側電極５１と透明電極５２とが形成されている。
【００１９】
ｐ側電極５１は、ｐ−ＧａＮ層４の図１中における左右両端付近に形成されており、そのうちの一方が金属層７と導通している。また、二つのｐ側電極５１の間には透明電極５２が形成されている。このｐ側電極５１の下には活性層３が形成されておらず、透明電極５２の真下に活性層３は形成されている。
【００２０】
透明電極５２は、たとえば、Ａｕなどの導電率の高い金属を厚さ１〜２０ｎｍ程度の薄膜としたものや、ＩＴＯ電極などであり、ｐ−ＧａＮ層４を覆うように形成されている。このような透明電極５２は、活性層３から放出される青色光または緑色光などを良好に透過させ、かつ、ｐ−ＧａＮ層４に均一に電流を流すことができる。
【００２１】
絶縁層６は、たとえばＳｉＯ2で形成されており、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３およびｐ−Ｇａｎ層４の図中における左右側面を保護している。さらに、絶縁層６の一部はｎ−Ｇａｎ層２の図中における上面の一部、ｎ側電極５３よりも図中左側の部分を覆うように形成されている。ｐ−Ｇａｎ層４は活性層３よりも広いため、ｐ−Ｇａｎ層４の一部が活性層３によって支持されていない構造になりｐ−Ｇａｎ層４が脆くなる可能性があるが、この絶縁層６によってその不安を軽減することができる。
【００２２】
金属層７は、導電率の高い金属からなり、絶縁層６上に形成されており、その一部がｐ側電極５１と導通するように延出されている。また、この金属層７は、絶縁層６のｎ−Ｇａｎ層２に直接重なっている部分にも重なるように形成されている。本実施形態においては、金属層７のうちｎ−Ｇａｎ層２の上に積層された絶縁層６の上に延出した部分に、図示しない外部電源の陽極と導通する金属配線をボンディングする。なお、この図示しない外部電源の陰極と導通する金属配線は、ｎ側電極５３にボンディングされる。
【００２３】
次に、半導体発光素子Ａ１の製造工程について、図２〜６を参照して以下に説明する。
【００２４】
まず、図２に示すように、基板１上に順次、バッファ層１１、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３およびｐ−Ｇａｎ層４をＭＯＣＶＤ法によって積層させる。ＭＯＣＶＤ法による成膜は、周知のように、基板１をＭＯＣＶＤ法用の成膜室内に導入し、各層の材料となる気体をこの成膜室内に供給し、各層ごとに決まった所定の成膜温度で各層を順次形成することで行われる。
【００２５】
次に、図３に示すように、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３およびｐ−Ｇａｎ層４の、所定の部分を除去して整形する。この工程は、たとえば、公知のドライエッチングを用いることで行うことができる。すなわち、ｐ−Ｇａｎ層４に所定幅のエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクが形成された部分以外において、ｎ−Ｇａｎ層２が露出し、その一部が削れるまでエッチングを行う。その後、エッチングマスクを除去することで、図３のような形状を得ることができる。
【００２６】
次に、図４に示すように、活性層３の一部を削り、活性層３がｐ−Ｇａｎ層４に対して図中の左右方向において狭くなるように整形する。この工程は、たとえば、波長４００〜４３０ｎｍの光を照射しながら、３ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ水溶液を用いて活性層３をウェットエッチングすることで行われる。より好ましくは、照射する光の波長を４０８ｎｍとし、出力を１Ｗ程度とするのがよい。活性層３は、波長４００〜４３０ｎｍの光を増幅させるための層であり、このような波長の光が照射されると励起状態となって化学反応を起こしやすくなる。一方、ｎ−Ｇａｎ層２およびｐ−Ｇａｎ層４は、このような波長の光を照射しても励起状態とならない。このため、ＫＯＨ水溶液を用いて活性層３のみをエッチングすることが可能となっている。
【００２７】
次に、図５に示すように、ｐ側電極５１、透明電極５２およびｎ側電極５３をそれぞれ所定の位置に公知の方法により形成する。さらに、図６に示すように、絶縁層６を形成し、この後に、金属層７を形成することにより、半導体発光素子Ａの製造が完了する。
【００２８】
次に、半導体発光素子Ａ１の作用について説明する。
【００２９】
本実施形態によれば、透光性を有さないｐ側電極５１の図１中における下方には活性層３が形成されておらず、活性層３の全領域の上方には透明電極５２が形成されている。このため、活性層３から図中の上方へ出射した光のほとんどを透明電極５２を透過させることが可能である。したがって、半導体発光素子Ａ１の電力の浪費を抑えることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態においては、ｐ側電極５１に直接外部からの配線をボンディングするのではなく、金属層７のｎ−Ｇａｎ層２に積層された部分においてボンディングが行われている。このため、ｐ−Ｇａｎ層４のうち活性層３からオーバーハングした部分にボンディングによる力が加わることがないので、ボンディング作業を安定して行うことができる。なお、絶縁層６の一部が、活性層３が除去された部分に入り込むように構成されているので、図１中の二つのｐ側電極５１のいずれかに直接外部からの配線をボンディングすることも可能である。
【００３１】
図７は、本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態を示している。図７に示す半導体発光素子Ａ２は、活性層３の図７中の横幅を半導体発光素子Ａ１の場合よりも大きくしたものであり、その他の構成は半導体発光素子Ａ１と同様である。
【００３２】
このような半導体発光素子Ａ２は、活性層３から出た光の一部がｐ側電極５１によって遮られる構成であるので、半導体発光素子Ａ１よりも電力消費の無駄を減らす点では劣っている。しかしながら、活性層３が形成されていない領域を減らすことで、ｐ−Ｇａｎ層４が脆くなる問題を回避することができる。
【００３３】
図８は、本発明に係る半導体発光素子の第３実施形態を示している。図８に示す半導体発光素子Ａ３は、活性層３の図８中の横幅を半導体発光素子Ａ１の場合よりもさらに狭くしたものであり、その他の構成は半導体発光素子Ａ１と同様である。
【００３４】
このような半導体発光素子Ａ３は、活性層３から出た光が、図中の左右方向へ拡散することを考慮したものであり、半導体発光素子Ａ１よりもさらに電力消費の無駄を減らすことが可能である。
【００３５】
本発明に係る半導体発光素子およびその製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光素子およびその製造方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００３６】
上記の実施形態では絶縁層６を設けているが、必須の構成ではなく、ｐ側電極５１も１個としても構わない。また、本発明で言う活性層は、ＭＱＷ構造に限定されない。本発明に係る半導体発光素子は、青色光および緑色光のほかに白色光など、様々な波長の光を発する構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】半導体発光素子Ａ１の各層を形成する工程を示す図である。
【図３】半導体発光素子Ａ１の各層を整形する工程を示す図である。
【図４】半導体発光素子Ａ１の活性層を削る工程を示す図である。
【図５】半導体発光素子Ａ１に電極を形成する工程を示す図である。
【図６】半導体発光素子Ａ１に絶縁層を形成する工程を示す図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の第３実施形態を示す断面図である。
【図９】従来の半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ１，Ａ２，Ａ３      半導体発光素子
１                    基板
１１                  バッファ層
２                    ｎ−ＧａＮ層（第１窒化物半導体層）
３                    活性層
４                    ｐ−ＧａＮ層（第２窒化物半導体層）
５１                  ｐ側電極５１
５２                  透明電極
５３                  ｎ側電極５３
６                    絶縁層
７                    金属層
【図１】
2008060132.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008060132.tif 000007
【図６】
2008060132.tif 000008
【図７】
2008060132.tif 000009
【図８】
2008060132.tif 000010
【図９】
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