(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板と、
前記導電性基板上に形成された高反射性金属からなるオーミックコンタクト層と、
前記オーミックコンタクト層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ側電極を含み、
前記オーミックコンタクト層と接する前記ｐ型窒化物半導体層の表面の中央領域に窒化物単結晶が損傷され、前記オーミックコンタクト層とショットキ接合を有するように前記オーミックコンタクト層の表面と直接接触する高抵抗領域が形成されたことを特徴とする、垂直構造の窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記高抵抗領域は、前記オーミックコンタクト層に対する接触抵抗が１０−２Ω・ｃｍ２以上であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直構造の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記高抵抗領域の厚さは、その高抵抗領域が形成された前記ｐ型窒化物半導体層の厚さより薄いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記高抵抗領域の形成面積は、その高抵抗領域が形成された前記ｐ型窒化物半導体層面の全体面積の１０〜５０％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
導電性基板と、前記導電性基板上に順次に形成された高反射性金属からなるオーミックコンタクト層、ｐ型窒化物半導体層、活性層、及びｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｎ側電極とを含んだ垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記オーミックコンタクト層と接する前記ｐ型窒化物半導体層の表面の中央領域に選択的にプラズマ処理を施すことで、その窒化物単結晶が損傷され前記オーミックコンタクト層とショットキ接合を有するように前記オーミックコンタクト層の表面と直接接触する高抵抗領域を形成する段階を含む、垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記高抵抗領域を形成する段階は、不活性ガスから生成されたプラズマを利用して行われることを特徴とする、請求項５に記載の垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＦ４及びＨ２であることを特徴とする、請求項６に記載の垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記高抵抗領域は、前記オーミックコンタクト層に対する接触抵抗が１０−２Ω・ｃｍ２以上であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記高抵抗領域の厚さは、その高抵抗領域が形成された前記ｐ型窒化物半導体層の厚さより薄いことを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記高抵抗領域の形成面積は、その高抵抗領域が形成された前記ｐ型窒化物半導体層の全体面積の１０〜５０％であることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化物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、垂直構造の窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関し、より詳しくは電流分散効率を大きく改善することにより輝度を有する窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体発光素子はＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有する半導体物質で製造される。このような窒化物半導体結晶は、格子定数などを考慮してサファイア基板のような制限された窒化物単結晶成長用基板で成長される。
【０００３】
上記サファイア基板は電気的絶縁性基板であるため、一般的に窒化物半導体発光素子はｐ側及びｎ側電極が同一面上に形成された構造を有する。しかし、このような構造は横方向に電流が集中され電流分散効率が低いという問題点がある。こういった電流分散効率の問題を構造的に解決するために、２つの電極が素子の対向する両面に配置された垂直構造の発光素子に対する研究が活発に行われている。
【０００４】
図１には従来の垂直構造の窒化物半導体発光素子の一例が示されている。図１に示すように、窒化物半導体発光素子１０は導電性基板１８と、オーミックコンタクト層１６と、ｐ型窒化物半導体層１４と、活性層１３と、ｎ型窒化物半導体層１２とを含む。上記ｎ型窒化物半導体層１２上には透明電極層１９ａとｎ側ボンディングメタル１９ｂから成るｎ側電極１９が設けられており、図示しないが、上記導電性基板１０の下面にはｐ側ボンディングメタルを形成することができる。
【０００５】
このような垂直構造の窒化物半導体発光素子１０は垂直方向に電流流れが形成されるので、電流分散効率を改善することができる。しかし、垂直構造における電流流れもボンディングメタル１９ｂの位置によって中央領域に電流が集中される傾向があるという問題がある。従って、図１に示した発光素子のように、オーミックコンタクト層１６と接するｐ型窒化物半導体層１４の表面の中央領域に電流遮断層１５をさらに設けることによって、矢印で示しているように、全体領域に亘って均一に電流を分布させ発光効率を向上させることが可能である。
【０００６】
上記電流遮断層１５は、ＳｉＯ2のようなシリコン系誘電体のような絶縁物質が用いられる。しかしながら、このような電流遮断層１５の構成物質は相対的に高い光吸収率を有するため、活性層から発生した光が抽出されることができず上記電流遮断層１５に吸収される損失が大きいという問題がある。そのため、実質的な発光効率が低下される恐れがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、当技術分野では垂直構造の窒化物半導体発光素子において光損失を引き起こさずに電流分散効率を改善させることのできる新たな方案が求められてきた。
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の問題を解決するためのもので、その目的は光損失を引き起こす恐れのある新規な絶縁物質を用いた電流分散構造を採用する代りに、窒化物単結晶の特性を局部的に変化させショットキ接合領域を形成することで電流分散効率を改善した窒化物半導体発光素子を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、上記した窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した技術的課題を達成するために、本発明は、導電性基板と、上記導電性基板上にオーミックコンタクト層と、上記オーミックコンタクト層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、上記ｐ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、上記活性層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、上記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ側電極を含み、上記オーミックコンタクト層と接する上記ｐ型窒化物半導体層の表面及び上記ｎ側電極と接する上記ｎ型窒化物層の表面の少なくとも一面のほぼ中央領域に窒化物単結晶が損傷され、上記オーミックコンタクト層または前記ｎ側電極とショットキ接合を有する高抵抗領域を形成されたことを特徴とする、垂直構造の窒化物半導体発光素子を提供する。
【００１１】
好ましくは、上記高抵抗領域は上記オーミックコンタクト層または上記ｎ側電極に対する接触抵抗が１０-2Ω・ｃｍ2以上であることができる。このような高抵抗領域の厚さは、その高抵抗領域が形成された上記ｐ型または上記ｎ型窒化物半導体層の厚さより薄いことが好ましい。なお、上記高抵抗領域の形成面積は、その高抵抗領域が形成された上記ｐ型またはｎ型窒化物半導体層面の全体面積の１０〜５０％であることが好ましい。
【００１２】
好ましい実施形態では、上記高抵抗領域は、上記オーミックコンタクト層と接した上記ｐ型窒化物半導体層の表面と上記ｎ型電極が接した上記ｎ型窒化物半導体層の表面とも形成され得る。
【００１３】
必要に応じて、上記オーミックコンタクト層は高反射性オーミックコンタクト層であることができ、上記オーミックコンタクト層は光透過性物質であり、上記オーミックコンタクト層と上記導電性基板の間に高反射性金属層をさらに含むことができる。
【００１４】
また、本発明は垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。上記方法は、導電性基板と、上記導電性基板上に順次に形成されたオーミックコンタクト層、ｐ型窒化物半導体層、活性層、及びｎ型窒化物半導体層と、上記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｎ側電極を含んだ垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法であって、上記オーミックコンタクト層と接する上記ｐ型窒化物半導体層の表面と上記ｎ側電極と接する上記ｎ型窒化物層の表面の少なくとも一面のほぼ中央領域に選択的にプラズマ処理を施すことで、その窒化物単結晶が損傷され上記オーミックコンタクト層または前記ｎ側電極とショットキ接合を有する高抵抗領域を形成する段階を含む。
【００１５】
好ましくは、上記高抵抗領域を形成する段階は、不活性ガスから生成されたプラズマを利用して行われる。このような上記不活性ガスではＡｒ、Ｈｅ、Ｎ2、ＣＦ4及びＨ2を使用することができる。
【００１６】
本発明で採用された高抵抗領域は、結晶性を故意に損傷させた高抵抗領域のことをいう。このように、本発明は追加的な物質から成る高抵抗層を採用せず、ｐ型又はｎ型窒化物半導体層の表面の中央領域にプラズマ処理を適用することで、結晶性が損傷されショットキ接合領域を形成する高抵抗領域を提供することになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光損失を引き起こすことのできる新たな絶縁物質を利用した電流分散構造の代りに、窒化物単結晶特性を局部的に変化させショットキ接合領域を形成することで電流分散効率を改善し、それにより光損失なしに電流分布の均一な高効率窒化物半導体発光素子を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態をより詳しく説明する。
【００１９】
図２ａ及び図２ｂは、それぞれ本発明の一実施形態による垂直構造の窒化物半導体発光素子の側端面図及びＸ−Ｘ'方向に切開してみた上部平面図である。
【００２０】
図２ａを参照すると、本実施形態による垂直構造の窒化物半導体発光素子２０は、オーミックコンタクト層２６が形成された導電性基板２８と、上記オーミックコンタクト層２６上に順次に形成されたｐ型窒化物半導体層２４、活性層２３及びｎ型窒化物半導体層２２とを含む。
【００２１】
上記導電性基板２８は、伝導性接着層または加熱圧着方式を利用して付着した別途の導電性基板であるか、またはメッキ工程によって形成された金属層であることができる。上記オーミックコンタクト層２６はｐ型窒化物半導体層２４とオーミック接触を形成するための物質から成り、本実施形態のように、所望の方向により多くの光が放出されるように高反射性オーミックコンタクト層２６を採用することが好ましい。このような高反射性オーミックコンタクト層２６は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ及びその組合せで構成された群から選択された物質から成る少なくとも一つの層で形成し得る。好ましくは、上記高反射性オーミックコンタクト層２６はＮｉ／Ａｇ、Ｚｎ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｌ、Ｚｎ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｉｒ／Ａｇ、Ｉｒ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｇ、Ｐｔ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｇ／Ｐｔで形成し得る。また、上記高反射性オーミックコンタクト層がＡｇを含む場合には、Ａｇの移動による漏洩電流発生を防止するために、さらにＮｉとＴｉＷのような物質でバリア金属層（図示せず）を形成することが可能である。上記導電性基板２８の下面にはＣｒ／Ａｕのような物質でｐ側ボンディングメタル（図示せず）を追加してもよい。ｎ側電極２９はｎ型窒化物半導体層２２上に形成された透明電極層２９ａとｎ側ボンディングメタル２９ｂで実現し得る。
【００２２】
本実施形態で、図２ｂに示すように、上記オーミックコンタクト層２６と接する上記ｐ型窒化物半導体層２４表面のほぼ中央領域に高抵抗領域２４ａが形成される。好ましくは、上記高抵抗領域２４ａは上記オーミックコンタクト層との接触抵抗が１０-2Ω・ｃｍ2以上となるように結晶が損傷される。
【００２３】
本発明で採用された高抵抗領域２４ａはプラズマ処理によってｐ型窒化物層２４の単結晶が損傷された領域であって、他の領域と異なって上記オーミックコンタクト層２６とオーミック接合ではなくショットキ接合を形成する。従って、実質的に高抵抗領域２４ａにおいては絶縁物質から成る電流遮断層のように電流流れが制限されるので、図２ａの矢印で示しているように電流が発光構造の外側まで全体的に均一に分布することが可能となる。
【００２４】
このような高抵抗領域２４ａは、唯、単結晶が損傷され抵抗が増加するのみで、ｐ型窒化物半導体層と同じ光学的特性が維持されることができるので、光吸収などによる光損失を防止できるという長所がある。
【００２５】
本発明の高抵抗領域２４ａは、中央領域の電流集中を防止して電流分布を均一化させる手段として、過度に電流導通面積を制限しないように適切な面積を有するように形成する。好ましくは、上記高抵抗領域２４ａは上記ｐ型窒化物半導体層２４の当該面の全体面積の１０〜５０％程度の面積を有するように形成する。
【００２６】
図３ａ乃至図３ｅは、図２ａに示された垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造工程を説明するための工程別断面図である。
【００２７】
図３ａに示すように、本発明による垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造方法は、サファイア基板のような窒化物単結晶成長用基板３１上にｎ型窒化物半導体層３２、活性層３３及びｐ型窒化物半導体層３４を順次に形成する段階から始まる。
【００２８】
次いで、図３ｂに示すように、上記ｐ型窒化物半導体層３４上に電流を遮断する中央領域の開放されたマスク（Ｍ）を形成し、プラズマを利用して単結晶を故意に損傷させ高抵抗領域３４ａを形成する。本プラズマ処理工程は、不要な反応を防止するために、不活性ガスから生成されたプラズマを利用することが好ましい。このような不活性ガスでは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ2、ＣＦ4及びＨ2が使用できる。上記高抵抗領域３４ａの厚さ（ｄ）は活性層３３まで損傷されないようにｐ型窒化物半導体層３４の厚さより薄いことが好ましく、より好ましくは１０〜１０００Å範囲の厚さに形成する。１０Å未満の場合には十分な電流遮断効果を期待し難く、１０００Åを超えると追加的な電流遮断効果なしにプラズマ処理工程の時間が無駄に消耗される。
【００２９】
次に、図３ｃに示すように、上記高抵抗領域３４ａが形成されたｐ型窒化物半導体層３４上に高反射性オーミックコンタクト層３６と導電性基板３８を順次に形成する。上記オーミックコンタクト層３６は、高抵抗領域３４ａが形成されていないｐ型窒化物半導体層３４との接合面においては正常なオーミック接合を形成するが、高抵抗領域３４ａの界面においてはショットキ接合を形成する。したがって、中央に集中され得る電流分布は周縁部分まで均一に形成され全体的な発光効率を向上させることができる。上記導電性基板３８はシード層（図示せず）を形成した後にメッキする工程で所望の金属支持層を形成したり、他の接合工程を利用して別途の導電性基板を付着する方式で実施したりすることができる。
【００３０】
次いで、図３ｄに示すように、上記ｎ型窒化物半導体層３２から上記成長用基板３１を分離する工程を行う。このような基板分離工程は、公知のレーザーリフトオフ工程によって当業者が容易に実施することができる。最終的に、図３ｅに示すように上記基板３１が分離されたｎ型窒化物半導体層３２の表面に透明電極層３９ａとｎ側ボンディングメタル３９ｂとを形成することで、所望のｎ側電極３９を完成する。勿論、本電極形成工程において、導電性基板３８の下面にｐ側ボンディングメタル（図示せず）をさらに形成することができる。
【００３１】
このように、オーミックコンタクト層３６と接するｐ型窒化物半導体層３４の表面の中央領域にプラズマ処理を利用して単結晶の損傷された高抵抗領域３４ａを提供することによって、光損失を引き起こさずに発光構造物内で均一な電流分布を形成することができる。
【００３２】
上述した実施形態では、上記高抵抗領域をｐ型窒化物半導体層に限って形成された例を図示して説明したが、これと組合せたり代替したりしてｎ側電極と接するｎ型窒化物半導体層の表面に形成することもできる。
【００３３】
図４には、各電極に接合するｐ型及びｎ型窒化物半導体層の表面とも高抵抗領域を有する垂直構造の窒化物半導体発光素子４０が例示されている。
【００３４】
図４に示した垂直構造の窒化物半導体発光素子４０は、図２ａと類似して導電性基板４８と、ｐ型窒化物半導体層４４、活性層４３及びｎ型窒化物半導体層４２から成る発光構造を含む。
【００３５】
本実施形態では、光透過性オーミックコンタクト層４６をｐ型窒化物半導体層に形成し、さらに別途の高反射性金属層４７を追加した形態を例示する。上記光透過性オーミックコンタクト層４６では、例えば、熱処理されたＮｉ／Ａｕ二重層またはＩＴＯのような光透過性伝導性酸化物層が使用され得る。また、上記導電性基板４８の下面にはＣｒ／Ａｕのような物質でｐ側ボンディングメタル（図示せず）を追加してもよい。ｎ側電極４９は、ｎ型窒化物半導体層４２上に形成された透明電極層４９ａとｎ側ボンディングメタル４９ｂで実現することができる。
【００３６】
本実施形態では、上記オーミックコンタクト層４６と接するｐ型窒化物半導体層４４の表面のみならず、上記透明電極層４９ａに接するｎ型窒化物半導体層４２の表面に高抵抗領域４４ａ、４２ａが形成される。２つの高抵抗領域４４ａ、４２ａは各々中央領域に形成され相互対向するように配置することができる。上記高抵抗領域４４ａ、４２ａは前述したように、プラズマ処理によって選択的に電流が遮られる領域に結晶を損傷させることにより得られる。上記高抵抗領域４４ａ、４２ａは接触される電極物質との接触抵抗が１０-2Ω・ｃｍ2以上となるように形成することが好ましい。
【００３７】
このような結晶が損傷された高抵抗領域４４ａ、４２ａは電極層４６、４９ａとショットキ接合を形成するため、矢印で示しているように電流が発光構造の外側まで全体的に均一に分布し得る。
【００３８】
上述した実施形態及び添付された図面は、好ましき実施形態の例示にすぎず、本発明は添付された請求範囲によって限定する。なお、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは、当該技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来の窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態による垂直構造の窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【図２ｂ】本発明の一実施形態による垂直構造の窒化物半導体発光素子を図２ａのＸ−Ｘ'方向に切開してみた上部平面図である。
【図３ａ】図２ａに示した垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造工程を説明するための工程別断面図である。
【図３ｂ】図２ａに示した垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造工程を説明するための工程別断面図である。
【図３ｃ】図２ａに示した垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造工程を説明するための工程別断面図である。
【図３ｄ】図２ａに示した垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造工程を説明するための工程別断面図である。
【図３ｅ】図２ａに示した垂直構造の窒化物半導体発光素子の製造工程を説明するための工程別断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による垂直構造の窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２２、３２、４２  ｎ型窒化物半導体層
２３、３３、４３  活性層
２４、３４、４４  ｐ型窒化物半導体層
２４ａ、３４ａ、４２ａ、４４ａ  高抵抗領域
２６、３６  高反射性オーミックコンタクト層
２８、３８、４８  導電性基板
２９、３９、４９  ｎ側電極
２９ａ、３９ａ、４９ａ  透明電極層
２９ｂ、３９ｂ、４９ｂ  ｎ側ボンディングメタル
３１  窒化物単結晶成長用基板
４６  光透過性オーミックコンタクト層
４７  高反射性金属層
Ｍ  マスク
ｄ  高抵抗領域の厚さ
【図１】
0004732302.tif 000002
【図２ａ】
0004732302.tif 000003
【図２ｂ】
0004732302.tif 000004
【図３ａ】
0004732302.tif 000005
【図３ｂ】
0004732302.tif 000006
【図３ｃ】
0004732302.tif 000007
【図３ｄ】
0004732302.tif 000008
【図３ｅ】
0004732302.tif 000009
【図４】
0004732302.tif 000010