(57)【要約】【課題】二つの電極がチップの上面と下面に分けて配置された垂直型電極構造を有する発光ダイオードの作製技術及びサファイア基板のエッチング技術を利用した発光ダイオード製造方法の提供を目的とする。【解決手段】ビアホールを有する基礎基板、前記基礎基板の一面上に形成されており、前記基礎基板のビアホールと重なるビアホールは、バッファー層、前記バッファー層上に形成されている第１導電型接触層、前記第１導電型接触層上に形成されている第１クラッド層、前記 第１クラッド層上に形成されている発光層、前記発光層上に形成されている第２クラッド層、第２クラッド層上に形成されている第２導電型接触層、前記第２導電型接触層上に形成されている第１電極、及び前記ビアホールを介して前記第１導電型接触層に連結されている第２電極を含む発光ダイオードを提供する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビアホールを有する基礎基板、
前記基礎基板上に形成されている第１導電型接触層、
前記第１導電型接触層上に形成されている活性層、
前記活性層上に形成されている第２導電型接触層、
前記第２導電型接触層上に形成されている第１電極、及び
前記ビアホールを介して前記第１導電型接触層と電気的に連結されている第２電極を含む発光ダイオード。
【請求項２】
前記基礎基板と前記第１導電型接触層との間に形成されており、前記基礎基板が有するビアホールと少なくとも一部が重なるビアホールを有するバッファー層、及び
前記第２電極と前記第１導電型接触層との間に形成されているオーミック及び反射層をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記第２電極は、前記ビアホールを外れた位置まで延びて前記基礎基板上でパッドを構成する、請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記第１電極は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｌ のうちの少なくとも一つを含む単一層又は複数層からなり、前記第２電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇのうちの少なくとも一つを含む単一層又は複数層からなる、請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記第１導電型接触層、活性層、第２導電型接触層、バッファー層は、インジウム・アルミニウム・ガリウムの窒化物半導体であるＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記基礎基板はサファイアにからなっており、その厚さは１０μm乃至５００μmの間である、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型である、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記基礎基板と前記バッファー層が有するビアホールは、前記第１導電型接触層に近づくほど幅が狭くなる、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記基礎基板において、薄膜が形成されていない基礎基板の表面には凹凸が形成されている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記第１電極が導電性ペーストによって接着され、前記第２電極は、ワイヤーボンディングを通じて電気的に連結されるリードフレームをさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記第１電極と前記第２導電型接触層との間に形成されている反射層を含むオーミック接触層、及び
前記第２電極と前記第１導電型接触層との間に形成されており、前記ビアホールの外部に延びて前記基礎基板表面を所定の面積以上覆っている透明導電層をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記透明導電層は、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎのうちの少なくとも一つを含んで構成される、請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記第１電極は透明な導電物質で形成されている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記第２電極と第１導電型接触層との間に形成されており、前記ビアホール内部表面はもちろん、前記基礎基板表面を少なくとも部分的に、覆っている第２接触層をさらに含む、請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記第１電極は、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎのうちの少なくとも一つを含んで構成される、請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記第１電極をＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎで形成する場合にはその厚さが０.１μm乃至２００μm乃至ある、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記第１電極上に形成されている第１電極パッドをさらに含む、請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記第１電極パッドの下部には前記第１電極が部分的に除去されており、前記第１電極が除去されている部分に形成されている絶縁膜をさらに含む、請求項１７に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記第２電極が導電性ペーストによって接着され、前記第１電極は、ワイヤーボンディングを通じて電気的に連結されるリードフレームをさらに含む、請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記第１電極はオーミック接触を形成できるように金属で構成されており、光が通過できるように網状構造を有する、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記基礎基板の半導体窒化物層が形成されている面の反対面の角部が面取りされている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記第１及び第２導電型接触層、活性層は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）からなる、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
基礎基板上にバッファー層、第１導電型接触層、活性層、第２導電型接触層を形成する段階、
前記第２導電型接触層上に保護膜を形成する段階、
前記基礎基板をラッピングする段階、
前記基礎基板上に二酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を形成する段階、
前記基礎基板上の二酸化シリコン膜をフォトエッチングして前記基礎基板表面を一部露出させる段階、
前記基礎基板の表面が露出された部分をエッチングしてビアホールを形成する段階、
前記ビアホールを介して露出されたバッファー層をエッチングして第１導電型接触層を露出させる段階、及び
前記ビアホールを介して前記第１導電型接触層に連結される第２電極を形成する段階を含む発光ダイオードの製造方法。
【請求項２４】
前記第１電極を積層した後、窒素又は酸素を含む雰囲気下の炉において５００℃乃至７００℃の間の温度で熱処理する段階をさらに含む、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２５】
前記基礎基板をラッピングする段階の前に補助基板を付着する段階をさらに含む、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２６】
前記補助基板は、サファイア、ガラス、石英などの絶縁基板、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの半導体基板、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、ＺｒＢ、ＺｎＯなどの導電性酸化膜、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔなどの金属基板又は金属膜のうちのいずれか一つである、請求項２５に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２７】
前記金属膜は、電気メッキ、無電解質メッキのうちのいずれか一つ以上の方法により、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉのうちのいずれか一つ以上を積層して単一層又は複数層を形成する、請求項２６に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２８】
前記補助基板の付着は、Ｉｎ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｇｅのうちの少なくとも一つを含む共融金属を接着剤として用いて熱圧着することによって行われる、請求項２５に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２９】
前記基礎基板上の酸化膜をフォトエッチングする段階では、ＢＯＥ溶液をエッチング液に用いる湿式エッチング方法を使用したり、ＲＩＥ乾式エッチング方法を使用する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３０】
前記ビアホールを形成する段階では、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ（商品名、成分＝４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３１】
前記エッチング液は１００℃以上の温度に加熱された状態で用いられる、請求項３０に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３２】
前記ビアホールを形成する段階では、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ（商品名、成分＝４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチングと、ＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥ乾式エッチングを併行する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３３】
前記湿式エッチングは前記基礎基板をエッチングするのに用い、前記乾式エッチングは前記窒化物半導体層をエッチングするのに用いる、請求項３２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３４】
前記ビアホール内の電気的特性をプローブを利用して監視することにより、前記第１導電型接触層が露出されたかを確認する、請求項３２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３５】
エッチング前後の前記サファイア厚さ及び第１導電型接触層が露出されたかを、光干渉原理を利用した光学的測定方法によって確認する、請求項３２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３６】
前記乾式エッチングは、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、ＨＢｒ、Ａｒのうちの少なくとも一つをエッチングガスとして用いる、請求項３２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３７】
前記基礎基板をエッチングする際、前記乾式エッチングと前記湿式エッチングを併行する、請求項３２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３８】
前記第１電極を積層する前に前記第２導電型接触層上に第１オーミック層をさらに形成し、
前記第２電極を形成する前に前記第１導電型接触層と接触する第２オーミック接触層をさらに形成する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３９】
前記第１電極を形成する段階で、前記第２導電型接触層を露出する貫通孔を形成し、前記第１電極上に前記第２導電型接触層と接触する第１電極パッドを形成する段階をさらに含み、前記第１電極は光透過性導電物質で形成する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４０】
前記第１電極と前記第２電極のうちの少なくとも一つは、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇのうちの少なくとも一つの金属を電気メッキして形成する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４１】
前記第１電極又は前記第２電極は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕのうちのいずれか一つ以上を蒸着し、酸素又は窒素を含む雰囲気で４００℃以上の温度で熱処理して形成する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４２】
前記第１電極は、インジウム・アルミニウム・ガリウムの窒化物半導体であるＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎを０.１μm乃至２００μmの厚さに再成長させて形成する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４３】
前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階は、機械的研磨、又は塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液（商品名、成分＝４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチングを利用して行う、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４４】
前記基礎基板を個別チップ毎に分離する段階をさらに含み、前記基礎基板を個別チップ毎に分離する段階は、湿式エッチング及び乾式エッチングのうちの少なくとも一つによって行う、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４５】
前記基礎基板を個別チップ毎に分離する段階は、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液 （商品名、成分＝４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチングによって行う、請求項４４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４６】
前記基礎基板の表面が露出された部分をエッチングしてビアホールを形成する段階では、前記基礎基板を個別チップ毎に分離するためのクリーブライン又は光の取り出しを容易にするための凹凸を同時に形成する、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４７】
前記基礎基板上に前記バッファー層を形成する前に、前記基礎基板の前記ビアホールが形成される部分にエッチング停止層を形成する段階をさらに含む、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４８】
前記エッチング停止層は、ＳｉＯ２クラスタ層又はＭｇドーピングされたｐ型Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）窒化物半導体を含む、請求項４７に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４９】
前記基礎基板をラッピングする段階では、前記基礎基板の厚さを１０μm乃至２００μmに形成する、請求項３１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項５０】
窒化物系半導体薄膜が成長したサファイア基板を用意する段階、及び
前記サファイア基板を塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ（商品名、成分＝４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液に浸漬して湿式エッチングする段階を含むサファイア基板のエッチング方法。
【請求項５１】
前記サファイア基板を、ＩＣＰ/ＲＩＥ、ＲＩＥ技術で乾式エッチングする段階をさらに含む、請求項５０に記載のサファイア基板のエッチング方法。
【請求項５２】
前記乾式エッチングする段階が前記湿式エッチングする段階より先に行われる、請求項５１に記載のサファイア基板のエッチング方法。
【請求項５３】
前記湿式エッチングを行う間、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液は１００℃以上の温度に加熱される、請求項５０に記載のサファイア基板のエッチング方法。
【請求項５４】
前記加熱は、光吸収を利用した間接加熱方式で行われる、請求項５３に記載のサファイア基板のエッチング方法。
【請求項５５】
上下両面を有する導電性レセプター基板、
前記レセプター基板の下面に形成されている第１電極、
前記レセプター基板の上面に形成されていて導電性を有する接合層、
前記オーミック接合層上に形成されている第１導電型接触層、
前記第１導電型接触層上に形成されている活性層、
前記活性層上に形成されている第２導電型接触層、及び
前記第２導電型接触層上に形成されている第２電極を含む発光ダイオード。
【請求項５６】
前記第２導電型接触層上に形成されており、前記第２導電型接触層の一部を露出するビアホールを有するバッファー層をさらに含み、
前記基礎基板は、前記バッファー層が有するビアホールと重なるビアホールを有し、
前記第２電極は、ビアホールを介して前記第２導電型接触層に連結されている、請求項５５に記載の発光ダイオード。
【請求項５７】
前記第１電極と前記レセプター基板との間に形成されている第１レセプターオーミック接触層、
前記レセプター基板と前記接合層との間に形成されている第２レセプターオーミック接触層、
前記レセプター基板と前記第１導電型接触層との間に形成されている光反射層をさらに含む、請求項５５に記載の発光ダイオード。
【請求項５８】
前記光反射層と前記第１導電型接触層との間に形成されている導電性透明電極、及び
前記第２電極と前記第２導電型接触層との間に形成されている第２オーミック接触層 をさらに含む、請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項５９】
前記接合層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌのうちの少なくとも一つを含む金属からなる、請求項５６に記載の発光ダイオード。
【請求項６０】
前記接合層は導電性を有するエポキシフィルムである、請求項５６に記載の発光ダイオード。
【請求項６１】
前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型である、請求項５６に記載の発光ダイオード。
【請求項６２】
前記導電性レセプター基板は、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ半導体基板と、Ａｕ、Ａｌ、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ｗ金属基板及び金属膜のうちの少なくとも一つを含んで構成される、請求項５６に記載の発光ダイオード。
【請求項６３】
前記光反射層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈのうちの少なくとも一つを含んで構成される、請求項５６に記載の発光ダイオード。
【請求項６４】
サファイア基板上にバッファー層、ｎ型接触層、活性層、ｐ型接触層を順に積層する段階、
レセプター基板の両表面に第１及び第２レセプター接触層を形成する段階、
前記ｐ型接触層前記と前記第２レセプター接触層のうちの少なくとも一面に接合層を形成する段階、
前記サファイア基板の前記ｐ型接触層と前記レセプター基板の前記第２レセプター接触層とを対向するように配置して熱圧着する段階、
前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階、
前記基礎基板上に二酸化シリコン膜を蒸着する段階、
前記二酸化シリコン膜をフォトエッチングして前記基礎基板の一部を露出させる段階、
前記サファイア基板をエッチングしてビアホールを形成する段階、及び
前記ｎ型接触層と前記第１レセプター接触層上に、各々第２電極と第１電極を形成する段階を含む発光ダイオードの製造方法。
【請求項６５】
前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階の後に、
前記基礎基板をエッチングして前記ｎ型接触層を露出させる段階、及び
前記ｎ型接触層と前記第１レセプター接触層上に、各々第２電極と第１電極を形成する段階をさらに含む、請求項６４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６６】
前記ｐ型接触層前記と前記第２レセプター接触層のうちの少なくとも一面に接合層を形成する段階の前に、前記ｐ型接触層上に導電性透明電極層と光反射層を形成する段階をさらに含む、請求項６５に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６７】
前記サファイア基板をエッチングする段階では、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれら一つ以上の組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチング方法、ＣＭＰ（化学機械研磨）、及びＩＣＰ/ＲＩＥ乾式エッチング方法のうちの少なくともいずれか一つを用いる、請求項６５に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６８】
前記サファイア基板と前記バッファー層を除去する段階では前記湿式エッチング方法と前記乾式エッチング方法を共に使用し、前記湿式エッチング方法は前記サファイア基板をエッチングするのに使用し、前記乾式エッチング方法は前記バッファー層をエッチングするのに使用する、請求項６７に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６９】
前記熱圧着する段階は、真空又はＡｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２のうちの少なくとも一つのガスを含む雰囲気で行う、請求項６４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項７０】
前記熱圧着する段階は、２００℃から６００℃の間の温度と１分乃至６０分間、１ＭＰａから６ＭＰａの間の圧力を加えて行う、請求項６４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項７１】
サファイア基板上にバッファー層、ｎ型接触層、活性層、ｐ型接触層を順に積層する段階、
前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階、
前記基礎基板上に二酸化シリコン膜を蒸着する段階、
前記酸化膜をフォトエッチングして前記基礎基板の一部を露出する段階、
前記サファイア基板をエッチングしてビアホールを形成する段階、
前記ｐ型接触層上にオーミック接触層とシード金属を形成する段階、及び
前記シード金属上に電気メッキ又は無電解質メッキでレセプター金属膜を形成する段階、
前記ｎ型接触層上に各々電極を形成する段階を含む、発光ダイオードの製造方法。
【請求項７２】
前記オーミック金属及びシード金属は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕのうちのいずれか一つを含む単一層又は複数層に形成し、前記レセプター金属膜は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉのうちのいずれか一つを含む単一層又は複数層に形成する、請求項７１に記載の発光ダイオード製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光ダイオード、及びサファイア基板エッチング技術を利用したその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、正方向電流が流れる場合に光を発生する光素子である。発光ダイオードは、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）などの化合物半導体をｐ−ｎ接合した構造を用いて赤色、緑色を発する発光ダイオードに続いて、青色及び紫外線光を発する発光ダイオードが開発され、表示装置、光源用装置、環境応用装置に広く用いられており、最近は、赤、緑、青色の３チップを用いたり蛍光体を利用して白色を発する白色発光ダイオードが開発されて、照明でもその応用範囲が広くなっている。
【０００３】
このような発光ダイオードにおいて、窒化物の薄膜を発光物質として用いる場合には、エピタキシャル成長時の結晶欠陥発生を減らすために、格子定数及び結晶構造が類似したサファイアを基礎（ベース）基板として用いる。
【０００４】
ところで従来は、サファイアが絶縁体であるため、電力供給用の第１電極と第２電極を全てエピ層の成長面側に形成していた。このように二つの電極を全て同じ面に形成すると、ワイヤーボンディングに必要な電極の面積を確保するために、発光ダイオードのチップ面積も一定の大きさ以上にしなければならない。したがって、ウエハー当りチップ生産量の向上に障害となる。また、絶縁体を基板として使用するために外部から流入する静電気を放出するのが難しく、静電気による不良誘発可能性が多い。これは素子の信頼性を低下させ、パッケージ工程において種々の制約を招く。また、サファイアは熱伝導度が低くて発光ダイオード駆動中に発生する熱を外部に放出するのが難しいため、高出力を望んでも大電流印加に制約がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は前記問題点を解決するためのものであって、二つの電極がチップの上面と下面に分けて配置された垂直型電極構造を有する発光ダイオードの作製技術及びサファイア基板のエッチング技術を利用した発光ダイオード製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
本発明の他の目的は、垂直型電極構造を有する発光ダイオードを製造する工程を単純化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために本発明では、以下のような発光ダイオードの構造と製造方法を提案する。
【０００８】
まず構造として、薄膜成長用基礎基板の一部又はほぼ全面をエッチングして形成したビアホールを有する基礎基板、前記基礎基板上に形成されている第１導電型接触層、前記第１導電型接触層上に形成されている第１導電型クラッド層、前記第１導電型クラッド層上に形成されている発光層、前記発光層上に形成されている第２導電型クラッド層、前記第２導電型クラッド層上に形成されている第２導電型接触層、前記第２導電型接触層上に形成されている第１電極、及び前記ビアホールを介して前記第１導電型接触層に連結（接続）されている第２電極を含む発光ダイオードを提供する。
【０００９】
この時、前記基礎基板と前記第１導電型接触層との間に形成されており、前記基礎基板が有するビアホールと少なくとも一部が重なるビアホールを有するバッファー層、前記第１電極と前記第２導電型接触層との間に形成されている第１反射及びオーミック接触層、並びに前記第２電極と前記第１導電型接触層との間に形成されている第２オーミック接触層をさらに含むことができる。また、前記第２電極は、前記ビアホールを外れた位置まで延びて前記基礎基板上でパッドを構成するように形成することができ、前記第１電極は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｌのうちの少なくとも一つを含む単一層又は複数層からなり、前記第２電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕのうちの少なくとも一つを含む単一層又は複数層からなることができる。また、前記第２電極を前記基礎基板上から見ると、その平面模様は中心点から延びた複数の枝を有する形態に形成されることができる。
【００１０】
ここで、前記バッファー層は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなるのが好ましく、前記Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎの組成比は１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０であり得る。また、前記基礎基板はサファイアからなることができ、前記基礎基板の厚さは４０μm乃至３００μmの間であり、薄膜が形成されていない面（表面）が鏡面研磨されているのが望ましく、前記基礎基板の鏡面研磨されている表面の粗度は１μm以下であるのが望ましい。
【００１１】
また、前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型であることができ、前記基礎基板と前記バッファー層が有するビアホールは、前記第１導電型接触層に近づくほど多少幅が狭くなる形態であり、前記基礎基板において、薄膜が形成されていない面（表面）には凹凸が形成されているのが好ましい。前記凹凸の凹部と凸部の幅は、発光ダイオードが発する光が波長の１/４ｎ（ｎは媒質の屈折率である。したがって、凸部の場合はサファイアの屈折率であり、凹部の場合は空気の屈折率である。）以上となるようにして、フォトニック結晶としての光学的特異性を有するようにするのが望ましい。
【００１２】
また、前記第１電極が導電性ペーストによって接着され、前記第２電極はワイヤーボンディングを通じて電気的に連結されるリードフレームをさらに含むことができる。
【００１３】
前記第１電極と前記第２導電型接触層との間に形成されている反射/接触層、前記第２電極と前記第１導電型接触層との間に形成されており、前記ビアホールの外部に延びて前記基礎基板表面を所定の面積以上覆っている透明導電層をさらに含むことができ、前記透明導電層は、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、Ｉｎｘ、（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎのうちの少なくとも一つを含んで構成されるのが望ましい。
【００１４】
前記第１電極は透明な導電物質で形成されており、前記第２電極と第１導電型接触層との間に形成されており、前記ビアホール内部表面はもちろん、前記基礎基板表面をも覆っている第２接触層をさらに含むのが望ましく、前記第１電極は、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎのうちの少なくとも一つを含んで構成されるのが好ましい。前記第１電極をＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎで形成する場合にはその厚さが０.１μm乃至２００μm程度であるのが好ましい。
【００１５】
この時、前記バッファー層はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎを含むのが望ましく、前記第１電極の表面は網状の凹凸が形成され、前記第１電極上に形成されており、前記第１電極を貫通して前記第２導電型接触層と接触している第１電極パッドをさらに含むことができる。また、前記第２電極が導電性ペーストによって接着され、前記第１電極は、ワイヤーボンディングを通じて電気的に連結されるリードフレームをさらに含むことができる。
【００１６】
前記第１電極は、ＮｉＯ、Ｎｉ/Ａｕのような透光性電極からなることができ、前記第１電極は、オーミック金属で形成されて、光が通過できるように網状構造を有することができ、光抽出が容易にできるように前記基礎基板のバッファー層が形成されている面の反対面の角部が面取りされることができ、前記第１及び第２導電型接触層、第１及び第２クラッド層、及び発光層は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）からなるのが好ましい。
【００１７】
次に製造方法であるが、このような発光ダイオードは、基礎基板上にバッファー層、第１導電型接触層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層、第２導電型接触層、及び第１電極を順に形成する段階、前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階、前記第１電極表面と前記基礎基板表面に保護膜を形成する段階、前記基礎基板上の保護膜をフォトエッチングして前記基礎基板表面を一部露出させる段階、前記基礎基板の表面が露出された部分とその下部のバッファー層をエッチングしてビアホールを形成する段階、及び前記ビアホールを介して前記第１導電型接触層に連結される第２電極を形成する段階を含む方法によって製造される。
【００１８】
この時、前記第１電極を積層した後、酸素又は窒素雰囲気下の炉で５００℃乃至７００℃の間の温度で熱処理する段階をさらに含むのが好ましく、前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階の前に補助基板を付着する段階をさらに含むのが好ましい。ここで、前記補助基板は、サファイア、ガラス、クォーツなどの絶縁基板、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの半導体基板、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯなどの導電性酸化膜基板、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔなどの金属基板のうちのいずれか一つであり得、前記補助基板の付着はワックスを接着剤として用いるのが望ましく。
【００１９】
また、前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階では、前記基礎基板表面を鏡面研磨して粗度が１μm以下となるようにするのが好ましく、前記基礎基板上の保護膜をフォトエッチングする段階では、ＢＯＥ溶液をエッチング液として用いる湿式エッチング方法を使用したり、ＲＩＥ乾式エッチング方法を用いることができる。
【００２０】
前記ビアホールを形成する段階では、塩酸（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ３）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）及びアルエッチ（Al-etch：４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いることができ、前記エッチング液は１００℃以上の温度に加熱された状態で用いるのが好ましい。
【００２１】
又は、前記ビアホールを形成する段階では、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びＡＬ−ＥＴＣＨ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチングとＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥ乾式エッチングを組み合せることもできる。ここで、前記湿式エッチングは前記基礎基板をエッチングするのに使用し、前記乾式エッチングは前記バッファー層をエッチングするのに用いるのが好ましく、前記バッファー層をＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）で形成して、前記湿式エッチングのエッチング停止層として用いることができる。また、前記ビアホール内の電気的特性をプローブを利用して監視することにより、前記第１導電型接触層が露出されたかを確認することができ、前記乾式エッチングは、ＢＣＬ３、Ｃｌ２、ＨＢｒ、Ａｒのうちの少なくとも一つをエッチングガスとして用いることができる。
【００２２】
また、前記第１電極を形成する前に、前記第２導電型接触層上に第１オーミック接触層をさらに形成し、前記第２電極を形成する前に、前記第１導電型接触層と接触する第２オーミック接触層をさらに形成するのが好ましく、光を抽出する発光ダイオードの構造により、前記第１及び第２オーミック接触層は光反射特性を有することができる。又は、前記第１オーミック接触層は光反射特性を有したり、又は前記第２オーミック接触層は光透過性導電物質からなることができる。
【００２３】
また、前記第１電極を形成する段階で、前記第２導電型接触層を露出する貫通孔を形成し、前記第１電極上に前記第２導電型接触層と接触する第１電極パッドを形成する段階をさらに含み、前記第１電極は透明導電物質で形成することができる。前記第１電極と前記第２電極のうちの少なくとも一つは電気メッキ法を使用して形成することができ、前記電気メッキ法によって形成される電極は、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇのうちの少なくとも一つを含んで構成されるのが望ましい。
【００２４】
前記第１電極又は前記第２電極は、ＮｉＯ、ＮｉＡｕを蒸着し、酸素を含む雰囲気で１００℃以上の温度で熱処理して形成することができ、前記第１電極は、ＶＰＥ方法でＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎを２０μm乃至２００μm厚さに成長して形成することができ、前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階で前記基礎基板の厚さを５０μm乃至７０μmの間で形成するのが好ましい。
【００２５】
前記基礎基板をラッピング及び研磨する段階は、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチングによって行うことができ、前記基礎基板を個別チップ毎に分離する段階をさらに含み、前記基礎基板を個別チップ毎に分離する段階は、湿式エッチング及び乾式エッチングのうちの少なくとも一つによって行うことができ、前記基礎基板を個別チップ毎に分離する段階は、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチングによって行うことができる。また、前記基礎基板の表面が露出された部分とその下部のバッファー層をエッチングしてビアホールを形成する段階では、前記基礎基板を個別チップ毎に分離するためのスクライブラインを共に形成することができる。
【００２６】
また、前記基礎基板上に前記バッファー層を形成する前に、前記基礎基板の前記ビアホールが形成される部分にエッチング停止層を形成する段階をさらに含むことができる。
【００２７】
また、本発明では、窒化物系半導体が成長されたサファイア基板を用意する段階、前記サファイア基板を塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びＡＬ−ＥＴＣＨ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液に浸漬して湿式エッチングする段階を含むサファイア基板のエッチング方法を提供する。
【００２８】
この時、前記サファイア基板をＩＣＰ/ＲＩＥ技術で乾式エッチングする段階をさらに含むことができ、前記乾式エッチングする段階が前記湿式エッチングする段階より先に行うことができる。この時、前記湿式エッチングを行う間、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びＡＬ−ＥＴＣＨ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液は、１００℃以上の温度で加熱するのが好ましく、前記加熱は、光吸収を利用した間接加熱方式が望ましい。
【００２９】
また、基礎基板上にバッファー層、第１導電型接触層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層、第２導電型接触層、及び第１電極を順に形成する段階、前記基礎基板に補助基板を付着する段階、前記基礎基板を研磨又はエッチングして前記基礎基板厚さの一部又は全部を除去する段階、及び前記第１導電型接触層と電気的に連結される第２電極を形成する段階を含む発光ダイオードの製造方法を提案する。
【００３０】
この時、研磨又はエッチングされた後の前記基礎基板の厚さは、０.１μm乃至２５０μmの間であるのが望ましい。
【００３１】
上下両面を有し、導電性のあるレセプター基板、前記レセプター基板の下面に形成されている第１電極、前記レセプター基板の上面に形成されており、導電性を有する接合層、前記接合層上に形成されている光反射層、前記光反射層上に形成されている第１クラッド層、前記第１クラッド層上に形成されている発光層、前記発光層上に形成されている第２クラッド層、前記第２クラッド層上に形成されている第２電極を含む発光ダイオードを用意する。
【００３２】
この時、前記第１電極と前記レセプター基板との間に形成されている第１レセプター接触層、前記レセプター基板と前記接合層との間に形成されている第２レセプター接触層、前記光反射層と前記第１クラッド層との間に形成されている第１導電型接触層、及び前記第２クラッド層と前記第２電極との間に形成されている第２導電型接触層をさらに含むことができる。
【００３３】
また、前記光反射層と前記第１導電型接触層との間に形成されている導電性透明電極、前記第２電極と前記第２導電型接触層との間に形成されている第２オーミック接触層をさらに含むことができ、前記接合層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、のうちの少なくとも一つを含む金属からなることができ、前記接合層は導電性を有するエポキシフィルムであり得る。
【００３４】
また、前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型であることができ、前記レセプター基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ａｕ、Ａｌ、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ｗのうちの少なくとも一つを含んで構成されることができ、前記光反射層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈのうちの少なくとも一つを含んで構成されることができ、第２導電型接触層上に形成されており、前記第２導電型接触層の一部を露出する接触孔を有するバッファー層とサファイア基板をさらに含むことができる。また、前記サファイア基板の厚さは１０μm乃至３００μmであるのが望ましく、前記サファイア基板の表面にはフォトニック結晶としての光学的特異性を有する凹凸を形成できる。
【００３５】
このような発光ダイオードは、サファイア基板上にバッファー層、ｎ型接触層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型接触層を順に積層する段階、レセプター基板の両表面に第１及び第２レセプター接触層を形成する段階、前記ｐ型接触層前記と前記第２レセプター接触層のうちの少なくとも一面に接合層を形成する段階、前記サファイア基板の前記ｐ型接触層と前記レセプター基板の前記第２レセプター接触層とを対向するように配置して熱圧着する段階、前記サファイア基板と前記バッファー層を除去する段階、及び前記ｎ型接触層と前記第１レセプター接触層上に、各々第２電極と第１電極を形成する段階を含む方法によって製造する。
【００３６】
この時、前記ｐ型接触層上と前記第２レセプター接触層のうちの少なくとも一面に接合層を形成する段階の前に、前記ｐ型接触層上に導電性透明電極層と光反射層を形成する段階をさらに含むことができ、前記サファイア基板と前記バッファー層を除去する段階では、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びＡＬ−ＥＴＣＨ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれら一つ以上の組み合わせによる混合溶液をエッチング液として用いる湿式エッチング方法、ＣＭＰ及びＩＣＰ/ＲＩＥ乾式エッチング方法のうちの少なくともいずれか一つを用いることができる。この時、前記サファイア基板と前記バッファー層を除去する段階では、前記湿式エッチング方法と前記乾式エッチング方法を共に使用し、前記湿式エッチング方法は前記サファイア基板をエッチングするのに使用し、前記乾式エッチング方法は前記バッファー層をエッチングするのに使用することができ、前記熱圧着する段階は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎ、Ｎ２のうちの少なくとも一つのガスを含む雰囲気で行うことができ、前記熱圧着する段階は、２００℃乃至５００℃の間の温度と、１ＭＰａ乃至６ＭＰａの間の圧力を加えて行うことができる。
【００３７】
また、サファイア基板上にバッファー層、ｎ型接触層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型接触層を順に積層する段階、レセプター基板の両表面に第１及び第２レセプター接触層を形成する段階、前記ｐ型接触層前記と前記第２レセプター接触層のうちの少なくとも一面に接合層を形成する段階、前記サファイア基板の前記ｐ型接触層と前記レセプター基板の前記第２レセプター接触層とを対向するように配置して熱圧着する段階、前記サファイア基板と前記バッファー層に接触孔を形成する段階、前記第１レセプター接触層に接触する第１電極と、前記接触孔を介して前記ｎ型接触層に電気的に連結される第２電極とを形成する段階を含む方法によって製造する。
【００３８】
この時、前記ｐ型接触層上と前記第２レセプター接触層のうちの少なくとも一面に接合層を形成する段階の前に、前記ｐ型接触層上に導電性透明電極層と光反射層を形成する段階をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の実施例による発光ダイオードでは、二つの電極をチップの上下両面に別途に形成するのでチップの面積が減少するので、ウエハー当りチップ生産性を向上させることができる。また、サファイア基板にビアホールを形成して金属で第２電極を形成するので、第２電極を通じて熱放出と静電気放出が効率的に行われる垂直電極型窒化物系半導体発光ダイオードを容易に製作できるという長所がある。同時に、電流がチップの面積全体を通じて均一に流れるので、大電流でも駆動が可能である。したがって、単一素子で高い光出力を得ることができる。
【００４０】
また、本発明では、裏面研磨と乾式又は湿式エッチングを利用してサファイア基板を除去するので生産性が大きく向上し、レーザーリフトオフ方式の場合にエピ層が受けるおそれのある熱損傷を防止できる。また、サファイア基板と窒化物半導体との間にエッチング選択比を適用することによって工程の再現性を容易に向上させることができ、標準化された工程が可能であるので大量生産が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図面においては、いろいろな層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて類似した部分については同一な図面符号を付けた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上に”あるとするのは、他の部分のすぐ上（直上）にある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の“すぐ上に”あるとするのは、その中間に何もないことを意味する。
【００４２】
以下、添付した図面を参照して、本発明による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの好ましい一実施例を詳細に説明する。
【００４３】
図１は、本発明の第１実施例による垂直型電極構造、つまり、２個の電極が積層体の上と下に付いている構造、を有する発光ダイオードの断面図であり、図２は、本発明の第１実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図であり、図３は、本発明の第１実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップをサファイア基板側から見た平面図である。
【００４４】
なお、図１と図２及び下記説明文は、上下が反対になっている。
【００４５】
本発明の実施例による発光ダイオードは、リードフレーム２０、２１に接着されているチップ（積層体）、チップをリードフレーム２０に付着する導電性ペースト２２、チップの一側電極をリードフレーム２１に連結するワイヤー２４などを含んで構成される。
【００４６】
チップは、サファイア基礎基板１７上にバッファー層１６、ｎ型接触層１５、ｎ型クラッド層１４３、発光層１４２、ｐ型クラッド層１４１、ｐ型接触層１３、第１反射/オーミック接触層１１、並びに第１電極１２が下から上に順に積層されており、サファイア基礎基板１７とバッファー層１６を貫通するビアホール内部に第２オーミック接触層１８と第２電極１９が形成されている構造を有する。
【００４７】
ここで、第２オーミック接触層１８は、ビアホール内部面の一部を覆ってｎ型接触層１５と接しており、第２電極１９がビアホールを一定の深さまで埋める形態に形成されている。この時、光の取り出しを容易にすると共に電極形成時の断線を防止し、電極形成を容易にするために、ビアホールは下へ行くほど幅が多少狭くなる形態が望ましい。また、ビアホールの水平断面模様は円、四角形など多様に変形でき、ビアホールの数は一個でもよいが、複数個形成することもできる。
【００４８】
サファイア基礎基板１７の厚さは、１０μm乃至３００μmの間の厚さを有するのが望ましく、特に４０μm乃至１５０μmの間が望ましい。
【００４９】
また、サファイア基礎基板１７の表面（図２の下端）には凹凸が形成されて、コリメータのような作用をし、光を正面方向だけに投射している。凹凸部の構造は、凹部と凸部の幅が、発光ダイオードから出る光の真空波長の１/４ｎ（ｎは媒質の屈折率である。したがって、凸部の場合はサファイアの屈折率であり、凹部の場合は空気の屈折率である。）以上となるようにして、フォトニック結晶としての光学的特異性を有するようにするのがさらに望ましい。これは屈折や回折を利用して、発生した光をサファイア基礎基板１７の法線方向に集中させるためである。凹凸の深さは１μm以上確保するのが重要であるが、場合によっては凹凸の深さを５μm以上となるようにし、光の臨界角を増加させることによって光抽出効率が増加するようにダイオードを設計することもできる。したがって、凹凸の深さは０.１μm乃至５０μmの間が望ましい。
【００５０】
第１電極１２は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｌのうちのいずれか一つ又はこれら金属の合金からなり、バッファー層１６、ｎ型及びｐ型接触層１５、１３はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなる。ここで、ｘとｙは、０以上１以下の値を有する。特に、第１反射/接触層１１は、湿式エッチング時の損傷を防止するために、酸によって損傷を受けない材料か、又は、ＳｉＯへの密着性に優れたＰｔ、Ｎｉのうちのいずれか一つ以上の組み合わせで形成するのが 望ましい、特にＰｔ、Ｎｉ/Ｐｔ、Ｎｉ/Ｔｉ/Ｐｔ、Ｎｉ/Ａｕ/Ｎｉなどで形成するのがさらに望ましい。
【００５１】
ｎ型接触層１５は、ドーパントになるＳｉ不純物が１０１８個/ｃｍ３以上の濃度にドーピングされ、ｐ型接触層１３は、Ｍｇ不純物が１０１８個/ｃｍ３以上の濃度にドーピングされて、オーミック比抵抗が１×１０−１≧Ωｃｍ以下となるようにするのが 望ましい。
【００５２】
また、第２電極１９は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕのうちのいずれか一つ又はこれら金属の合金からなる。特に、第２オーミック接触層１８及び第２電極１９は、Ｎｉ/Ｔｉ/Ａｕ、Ｔｉ/Ｎｉｉ/Ａｕ、Ｎｉ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｌ構造が 望ましい。第２電極は、第２オーミック接触層１８になるオーミック金属と共に蒸着することもでき、場合によっては後から蒸着することもでき、Ａｕを含んだ合金構造とするのが、パッケージの際ワイヤーボンディングを容易にするために好ましい。
【００５３】
ｎ型及びｐ型クラッド層１４３、１４１と発光層１４２はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなる。ここで、ｘとｙの組成比は、１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０の値を有する。つまり、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどで形成することができ、特に、発光層１４２の場合、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎの障壁層とＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎの井戸層からなる単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造を有することができるだけでなく、発光ダイオードの動作電圧を低くするために、発光層にＳｉをドーピングすることもでき、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌの組成比を調節することにより、ＩｎＮ（約２.２ｅＶ）バンドギャップに相当する長波長からＡｌＮ（約６.４ｅＶ）バンドギャップに相当する短波長の発光ダイオードまで自由に製作することができる。
【００５４】
第１反射/接触層１１は単一層又は多重層に形成することができる。本実施例では、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇなどのいずれか一つ以上の組み合わせによって形成する。第１光反射層１１の光反射率は５０％以上であるのが輝度特性改善のために 望ましい。
【００５５】
このような構造で光は、発光層１４２で発生してサファイア基礎基板１７を通じて放出される。
【００５６】
このような構造の発光ダイオードでは、第１電極１２と第２電極１９がチップの上下両面に別途に形成されるので、チップの面積を減らすことができる。したがって、ウエハー当りチップ生産個数を大きく向上することができる。また、サファイア基礎基板１７にビアホールを形成し、金属で第２電極１９を形成するので、第２電極を通じて熱放出と静電気放出が効果的に行われ、素子の信頼性向上に大きく寄与する。同時に、電流がチップの面積全体を通じて均一に流れるだけでなく、熱放出が容易であるので大電流でも駆動が可能になり、単一素子で高い光出力を得ることができる。このような素子の特性は、特に照明及び液晶表示装置のバックライトユニットに応用するための必須要件である高輝度特性を満足させるので、今後の活用可能性は無窮無盡といえる。
【００５７】
図４は、本発明の第２実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップをサファイア基礎基板側から見た平面図である。
【００５８】
第２実施例では、第２電極１９の平面模様を図４に示したように円形中心から枝が延びて出ている形態に形成することにより、電流の拡散と熱放出を増進させている。ここで、第２電極１９の平面模様は多様に変形できる。
【００５９】
以下、このような構造の発光ダイオードを製造する方法について説明する。
【００６０】
まず、サファイア（α-Ａｌ２Ｏ３）基板１７上に、金属有機化学蒸着法、液状エピタキシャル法、分子ビームエピタキシャル法、蒸気液状蒸着法（hydride vapor phase epitaxy）、ＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy）のうちのいずれか一つ以上の方法を利用してバッファー層１６、ｎ型接触層１５、ｎ型クラッド層１４３、発光層１４２、ｐ型クラッド層１４１、及びｐ型接触層１３を順に積層する。
【００６１】
次に、ｐ型接触層１３上に第１反射/接触層１１を形成し、第１反射/接触層１１上に第１電極１２を形成する。ここで、Ｒｈ/Ａｕ/Ｐｔ/Ａｕ、Ｎｉ/Ａｕ、Ｎｉ/Ｔｉ/Ａｕ、Ｐｔ/Ａｕのような第１反射/接触層１１と第１電極１２は、電子ビーム蒸着、熱蒸着、スパッタリングなどを一つ以上利用して形成する。第１電極１２を蒸着した後には、酸素又は窒素を含む雰囲気の炉で３００℃乃至７００℃の間の温度（好ましくは４００℃乃至６００℃程度）で熱処理して、第１電極１２と第１反射/接触層１１との間にオーミック接触を形成することにより半導体層との接触抵抗を下げる。
【００６２】
次に、第１電極１２面にサファイア、ガラス、石英などの絶縁基板、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの半導体基板、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯなどの導電性酸化膜基板のうちのいずれか一つを補助基板（図示せず）として付着する。補助基板の付着は、その後に分離が容易になるように接着剤としてワックスを用いるのが好ましく、場合によっては、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎのうちのいずれか一つ以上の組み合わせによって共融金属（混晶金属）を接着層として用いることもできる。この時、付着された基板はチップを構成する一部になるので除去しない。共融金属を接着層として用いる場合には、サファイア基礎基板１７はほぼ全部又は一部をエッチングしてバッファー層が露出されるように除去する。
【００６３】
仮に、サファイア基礎基板１７を薄くしたり完全に除去する場合には、補助基板を除去せずにチップの支持体及び電流の流れの通路として使用する。この場合、補助基板はレセプター（取付け端子）基板になり、補助基板を用いる理由は、サファイア基板をより薄く研磨してサファイアエッチング時間を短縮することができ、工程時基板を扱うのが容易であって収率を高められるからである。この場合には、補助基板が電気を通じるべきなので、導電性Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどのドーピングされた半導体基板、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯなどの導電性酸化膜、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｕなどの金属のうちのいずれか一つ以上を含んで形成し、基板接着時にＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎのうちのいずれか一つ以上の組み合わせによって形成された共融金属を利用して堅固に熱圧着する。この時の接着は、２００℃乃至６００℃ほどの温度で、１ＭＰ乃至６ＭＰ（mega  pascal）の圧力で１乃至６０分間行う。
【００６４】
特に、補助基板として金属を使う場合には金属基板を熱圧着させることもでき、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉのうちのいずれか一つ以上の組み合わせによってメッキさせることができる。メッキは、電気メッキ又は無電解質メッキが可能であり、補助基板として用いるためには１μm以上の厚さにするのが望ましい。
【００６５】
次に、湿式又は乾式エッチング時に半導体表面を保護するために、ｐ型半導体層１３上にＳＯＧ（spin-on-glass）、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２のような保護膜を１μm蒸着した後、サファイア基礎基板１７をラッピングして切り取り、ラッピングされた面を鏡面研磨して滑らかにさせる。ここで、サファイア基礎基板１７のラッピングは、ＣＭＰ、ＩＣＰ/ＲＩＥ（誘導結合型プラズマ/反応性イオンによる）乾式エッチング、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉を利用した機械的研磨又は塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液（商品名、成分＝４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液とする湿式エッチングによって行う。
【００６６】
この時、サファイア基礎基板１７の厚さはできるだけ薄くするのが良いが、薄過ぎると基板１７が曲がるおそれがあり、取扱うのも難しいので、約１０μm乃至３００μm（好ましくは５０μm乃至７０μm）ほどにするのが好ましい。また、鏡面研磨されたサファイア基礎基板１７表面の粗度は、１０μm以下とならなければならない。これはサファイア基礎基板１７表面の粗度がサファイア基礎基板１７及びバッファー層１６エッチングの時にｎ型接触層１５にそのまま伝達されて発光ダイオードの層構造が損傷を受けるおそれがあるからである。
【００６７】
鏡面研磨の後、サファイア表面を洗浄してサファイア基礎基板１７表面にＳｉＮｘ、ＳｉＯ２などの保護膜を蒸着し、フォトエッチングして、凹凸を形成するためのエッチングマスクを形成した後、サファイア基礎基板１７をエッチングして凹凸を形成する。この時、ビアホールが形成される部分には保護膜を残して、その後のサファイア基礎基板１７をエッチングする際にビアホール部の鏡面が保護されるようにする。
【００６８】
前記サファイア表面洗浄は、サファイア研磨時に使用したワックスを除去するためのものであって、アセトン洗浄、ＵＶ照射、又は塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液として湿式エッチングによって行う。サファイア研磨表面にワックスが残っていると、保護膜の密着力が良好でないおそれがある。
【００６９】
凹凸形成が終わった対象物は、サファイア表面にある保護膜を除去し、第１電極１２表面とサファイア基礎基板１７表面に各々二酸化ケイ素を蒸着したり、ＳＯＧを塗布して保護膜を形成する。
【００７０】
次に、サファイア基礎基板１７表面に形成されているＳｉＯ２又はＳＯＧ保護膜をフォトエッチングして、ビアホールが形成されるサファイア基礎基板１７の部分を露出する。この時、保護膜のエッチングはＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）を利用したりＢＯＥ（Buffer  Oxide  Etchant）溶液を用いて行う。
【００７１】
この時、サファイア表面の凹凸はビアホール形成と同時に形成することができる。つまり、サファイアエッチングの深さは、エッチングマスクのオープンされた面積に比例するので、ビアホールは広くオープンし、凹凸部は狭くオープンすれば、凹凸形成部は一定の深さでエッチングが止まるが、ビアホール部はバッファー層までエッチングされるようになる。
【００７２】
また、サファイア基礎基板１７の湿式エッチング特性を活用して、ビアホール形成時に素子のスクライブライン（分割線）又はクリーブライン（cleave  line）を形成させることができる。つまり、サファイア基板は湿式エッチングで方向性を有する。図示の例として示してはいないが、窒化物系半導体薄膜成長時に用いられるサファイア基礎基板は（０００１）のＣ−面であり、湿式エッチングを行えば、エッチング面は底面を基準に２０℃乃至５０℃ほどの傾斜面を有するようになる。このような現象は、（０００１）面とエッチングされたＭ面、Ｒ面、Ａ面等のファセット面（etched  facet）のエッチング速度が異なるからである。言い換えれば、エッチング深さは、線間幅又はオープンされた面積によって異なり、特に、一定の深さまでエッチングすれば、エッチングされた断面は尖った三角形形態（V-groove  shaped）を有するようになって、ダイヤモンドペンでスクライブラインを形成した場合より綺麗に完成できる。スクライブラインは、１μm以上のエッチング深さを有すれば充分であり、ビアホールをエッチングする間に一定の深さでエッチングが停止し、自動的にスクライブラインが形成されるので、追加工程なしで、基板１７を個別チップに分離するためのスクライブラインを形成することができる。本発明で提示した方法は湿式又は乾式方法を一つ以上組み合わせた方法で、素子を分離する場所に微細なスクライブラインを形成させることにより容易に素子を分離できるだけでなく、切断された面を綺麗な鏡面に作ることができる。
【００７３】
一方、サファイア基礎基板１７をＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥしてビアホールを所定の深さまで形成し、次に、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びＡＬ−ＥＴＣＨ（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液に浸漬し、サファイア基礎基板１７をエッチングしてビアホールを形成する。このように、乾式と湿式を共に適用するのは、ビアホールの水平断面積比が過度に増加するのを防止するためである。つまり、乾式エッチングによってビアホールの所定の深さまで水平断面積をほとんど一定に維持し、その下からはビアホールの側面が一定の傾斜をなすように湿式エッチングするのである。好ましくは、ビアホール底とビアホール上の断面積比が０.９程度になるのが好ましいが、素子を製作するにおいては断面積比がその反対である場合も可能である。
【００７４】
次に、ＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥ技術を使用してバッファー層１６を乾式エッチングしてｎ型接触層１５を露出するビアホールを形成する。
【００７５】
この時、サファイア基礎基板１７の湿式エッチングは次のような方法で行う。
【００７６】
エッチング溶液によるサファイア基礎基板１７のエッチング速度を測定した後、サファイア基礎基板１７の厚さの偏差以上に該当する厚さのサファイアを、エッチングできる時間ほどエッチング溶液に浸漬しておく。ここで用いられるエッチング溶液は、バッファー層１６に対してはサファイア基礎基板１７に比べて１/１０以下のエッチング速度を示す。つまり、サファイア基礎基板１７に対するバッファー層１６のエッチング選択比が１０以上である。したがって、サファイア基礎基板１７を完全にエッチングされる時間ほどエッチングを行っても、バッファー層１６のエッチング速度が遅いため、その下部の層が損傷される心配は少ない。一方、エッチング溶液の温度は１００℃以上に維持するのがエッチング時間短縮のために好ましい。エッチング溶液の温度を１００℃以上に維持するための加熱は、ヒーター上に溶液を乗せたりヒーターを直接溶液に接触させる直接加熱方式と、ハロゲンランプなどを用いた光吸収を利用した間接加熱方式によって可能である。
【００７７】
サファイア基礎基板１７のエッチングには、ＩＣＰ/ＲＩＥ技術を使用することもできる。サファイア基礎基板１７を急速にエッチングするためにはＩＣＰとＲＩＥパワーをできるだけ高めるのが良いが、エピ層を損傷させるおそれがあるので注意が必要である。
【００７８】
図５は、硫酸とリン酸の混合溶液を利用した湿式エッチング方法によってサファイア基板に特定のパターンを形成した後、湿式エッチング方法でサファイア基板をエッチングした後のサファイア基板の表面写真である。
【００７９】
図５を見てみれば、エッチングされた傾斜面とエッチングされた基板１７表面が非常に綺麗であることが分かる。サファイア基礎基板１７は、３３０℃、２０分間で２２.４μmがエッチングされて、１.１μm/ｍｉｎのエッチング速度を示した。このようなエッチング速度は注目するだけの結果であり、量産性を考慮してみても全く問題のないものと判断され、湿式エッチングは装備の生産性に制約を受けないので大量生産側面から何の方法より多くの長所があるといえる。本発明を量産に適用した場合に重要な要素は、サファイア基礎基板１７と窒化物系半導体とのエッチング選択比を高められる工程条件を確保することであり、特に、窒化物半導体をサファイアエッチング停止層として活用するのが効果的である。窒化物半導体層としては、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）化合物を用いることができ、好ましくは、Ａｌの組成比を増加させ、Ｍｇが１×１０１７ｃｍ−３以上ドーピングされたｐ−Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）化合物を用いるのが効果的である。つまり、ドーピングされていないＧａＮとＭｇドープのｐ-ＧａＮ、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮを、硫酸とリン酸を３：１に混合した溶液を用いて、３３０℃で湿式エッチングしてみた結果、（ｐ−ＧａＮ）＜（ドーピングされていないＧａＮ）＜（ｎ−ＧａＮ）の順で、ｎ-ＧａＮの時に、エッチング速度が最も速く、損傷しやすく、温度が３００℃より高いほど損傷程度がひどいことが分かった。このような結果により、窒化物半導体に硫酸とリン酸が混合されたエッチング溶液でサファイア基礎基板をエッチングしてビアホールを形成する場合、サファイア基板と窒化物半導体との間のエッチング選択比を高めるためには、３３０℃より低い温度とドーピングされていないＧａＮ又はＭｇがドーピングされたＧａＮを用いるのが好ましい。
【００８０】
しかし、必要によっては、サファイア基礎基板１７に、バッファー層１６を形成する前に、ビアホールが形成される部分にだけ局部的にＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの保護膜を形成し、エッチング停止層を別途に形成することもできる。特に、ＳｉＯ２は、硫酸とリン酸の混合溶液において硫酸の組成比が５０％以上であるとほとんどエッチングされないので、エッチング停止層として効果的に活用できる。
【００８１】
図６は、ＩＣＰ/ＲＩＥ乾式エッチングによるサファイアとＧａＮのエッチング速度を示すグラフである。
【００８２】
図６でも見られるように、サファイア及び窒化物系半導体は、ＩＣＰ及びＲＩＥパワーを増加させることによりエッチング速度が増加しているが、サファイアと窒化物系半導体との間のエッチング比は減少していることが分かる。このような結果は、乾式エッチング技術であるＩＣＰ/ＲＩＥ技術でサファイア基礎基板１７をエッチングする場合、窒化物系半導体からなるバッファー層１６でエッチングを停止するのは難しいことを示し、バッファー層１６でエッチングを止めるためには、光学的分析方法又は残留ガス分析方法のような技術を活用しなければならない。たとえこのような分析技術を使用しても成功する確率は低いといえる。しかし、湿式エッチング方法では、窒化物系バッファー層１６をエッチング停止層として用いて大量生産に必須要件である工程マージンを確保することができる。
【００８３】
図７は、硫酸とリン酸の混合溶液でサファイアとＧａＮを湿式エッチングする場合のエッチング速度を示すグラフである。
【００８４】
図７から見られるように、硫酸とリン酸を混合した溶液の窒化物系半導体に対するサファイアのエッチング選択比は５０以上になり得る。この結果は、サファイア基礎基板１７のエッチング停止層としてバッファー層１６を効果的に活用できることを意味し、１００℃の高温でも２０以上のエッチング選択比を得ることができた。特に、サファイアのエッチング速度は、特定温度以上で１μm/ｍｉｎ以上となるので、生産費用、生産性、工程安定化を考慮する時、本発明で提示した方法は既存のいかなる方法よりも非常に有利であることが分かる。硫酸とリン酸のエッチング溶液に対する硫酸組成比とサファイアエッチング速度及び窒化物半導体のエッチング速度依存性を調査した結果、硫酸の組成比が５０％以上であるとサファイアエッチング速度が速く、窒化物半導体の損傷が少ないことが分かり、硫酸の組成比が９０％以上であると窒化物半導体の損傷は少ない反面、サファイアエッチング速度は再び落ちることが分かった。また、硫酸の組成比が５０％以下であると、サファイアエッチング速度が低下して窒化物半導体の損傷もひどいだけでなく、ＳｉＯ２のエッチング速度も速くなるので、エッチングマスクとして用いられなくなる。このような結果により、硫酸の組成比を５０％以上にすることによってサファイアエッチング速度の増加とサファイアと窒化物半導体のエッチング選択比が増加し、安定した工程条件を確保できることが分かる。
【００８５】
しかし、湿式エッチング技術だけでは垂直電極型発光ダイオードを安定的に製作するのは限界がある。図７に示されたように、サファイア基礎基板１７を硫酸とリン酸の混合溶液でエッチングする場合、窒化物系半導体はほとんどエッチングされなかったり均一にエッチングされないため、湿式エッチングだけでｎ型接触層１５まで均一にエッチングするのは容易ではない。したがって、ドーピングされていない窒化物系半導体バッファー層１６を均一にエッチングし、安定的に窒化物系半導体ｎ型接触層１５でエッチングを停止するための工程技術として、ＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥのような乾式エッチング技術を効果的に活用するのが好ましい。つまり、サファイア基礎基板１７を除去して垂直電極型窒化物系半導体発光素子を製作するための方法として、湿式エッチング技術と乾式エッチング技術を混合して使用することによってより安定的にサファイア基板を除去し、窒化物系半導体バッファー層１６をエッチングして均一にｎ型接触層１５を露出させることにより第２電極１９をより安定的に形成させることができる。
【００８６】
図８は、サファイア基板を湿式エッチング方法で除去した後のバッファー層の表面写真である。
【００８７】
図８から見られるように、サファイア基礎基板１７が除去された後にも応力による薄膜の破れや損傷がほとんど発見できず、表面も非常に綺麗であることが分かった。
【００８８】
図９は、サファイア基板を湿式エッチング方法で除去した後の窒化物系半導体層の電圧−電流特性曲線である。
【００８９】
図９から見られるように、サファイア基礎基板１７が除去される前には電流が流れていないことが分かり、サファイア基礎基板１７が除去された後には、１Ｖで数ｐＡの電流が流れるが、ＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥ技術で窒化物系半導体バッファー層１６を除去した後には、電流が４０ｐＡに急激に増加したことが分かる。この時、ＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥのエッチングガスとしては、ＢＣＬ３、Ｃｌ２、ＨＢｒ、Ａｒのうちのいずれか一つ又はこれらの混合ガスを使用する。
【００９０】
このような結果により、湿式及び乾式エッチング技術は、サファイア基礎基板１７と窒化物系半導体バッファー層１６を効果的にエッチングしてｎ型窒化物系半導体接触層１５を露出させることが分かる。このような特性は、各工程段階ごとにプローブを利用して露出表面の電気的特性を測定することにより、効果的にエッチング過程をモニタリングできることを示す非常に重要な結果である。
【００９１】
エッチング後のサファイアの厚さは光学的方法でも確認できる。つまり、光をある媒質に入射させれば、一部は反射し一部は透過する。このような光の反射及び透過は、入射光の波長と媒質の屈折率に依存して、反射光と透過光の干渉スペクトラムを分析することによりサファイアの厚さを正確に測定することができる。代表的なものとして光干渉厚さ測定装置（エリプソメーター：ellipsometer）がある。
【００９２】
次に、サファイア基礎基板１７上にオーミック接触を形成できる導電物質として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇのうちのいずれか一つ以上の組み合わせによって蒸着しフォトエッチングして、第２接触層１８及び第２電極１９を形成する。第２電極１９を蒸着した後には、窒素雰囲気下の炉で３００℃乃至７００℃の間の温度（好ましくは４００℃乃至６００℃程度）で熱処理し、第２電極１９と第２接触層１８との間にオーミック接触を形成することによって半導体層との接触抵抗を下げる。金属と半導体との間の接触抵抗は、１×１０−１≧Ωｃｍ２以下となるようにするのが、低い発光ダイオード動作電圧のために好ましい。
【００９３】
第１電極及び第２電極をビアホール形成後に形成することもできる。つまり、窒化物半導体表面にＳＯＧ又はＳｉＯ２の保護膜を１μm厚さで蒸着し、サファイアを１０μm乃至３００μmに鏡面研磨した後、サファイア表面をＵＶ照射又はアセトン、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液とする湿式エッチングによって行う。サファイア表面洗浄が終われば、サファイア表面上にＳｉＯ２を１μm程度蒸着し、ビアホール形成のためのパターンを形成した後、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸、及びアルエッチ液（４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング液とする湿式エッチングによってビアホールを形成する。ビアホール形成が終われば、ＲＩＥ又はＩＣＰ/ＲＩＥ乾式エッチングによってバッファー層をエッチングして、第２接触層１８及び第２電極１９を形成させる。窒化物半導体表面のＳｉＯ２膜を除去した後、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕのうちのいずれか一つ以上の金属の組み合わせによって第１オーミック電極１１及び第１電極１２を形成した後、素子を分離すればよい。
【００９４】
本発明では、裏面研磨と乾式又は湿式エッチングによってサファイア基板を除去するので生産性が大きく向上し、レーザーリフトオフ方式の場合にエピ層が受けるおそれのある熱損傷を防止できる。また、サファイア基板と窒化物半導体との間にエッチング選択比を活用することにより工程の再現性を容易に向上させることができ、標準化された工程が可能であるので大量生産が容易になる。
【００９５】
図１０は、本発明の第３実施例による垂直型電極構造の発光ダイオードの断面図であって、基礎基板から光を抽出する実施例に対する断面図であり、図１１は、本発明の第３実施例による垂直型電極構造の発光ダイオードチップの断面図であり、図１２は、本発明の第３実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップをサファイア基板側から見た平面図である。
【００９６】
本発明の第３実施例では、第２電極１９にワイヤー２４をボンディングする際に加えられる圧力により窒化物系半導体薄膜１５、１４１、１４２、１４３、１１が損傷されることを防止するために、第２接触層１８と第２電極１９をビアホールの外部まで延長して、サファイア基礎基板１７上に電極パッドを形成する。第２電極１９上のパッドの模様や位置は多様に変形可能であり、先に図４に示したような模様も適用できる。
【００９７】
一方、サファイア基礎基板１７の表面には凹凸を、例えば同心円状の溝形に形成して、中心から発する光をサファイア基礎基板１７の法線方向に集中させることができる。また、任意の基板形状に合わせるため、柱状の凸部を林立させてもよい。ここで、凹部と凸部の幅は、発光ダイオードが発する光の真空波長の１/４ｎ（ｎは媒質の屈折率である。したがって、凸部の場合はサファイアの屈折率であり、凹部の場合は空気の屈折率である。）以上となるようにして、フォトニック結晶としての光学的特異性を有するようにするのがさらに好ましい。
【００９８】
図１３は、本発明の第４実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図であって、基礎基板から光を抽出する実施例に対する断面図である。
【００９９】
第４実施例では、第２接触層の代りに、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯなどの透明導電体を接触層２３で形成して、サファイア基礎基板１７の表面を所定の面積覆うようにし、第２電極１９はビアホール周辺にだけ狭く形成する。これは不透明な第２電極１９が覆う面積をできるだけ狭くして光の出口を広くするためである。ワイヤーは、接触層２３と第２電極１９にかけてボンディングすることができる。ワイヤーボンディングする面積を確保するために、接触層２３は、サファイア基礎基板１７表面を一定の面積以上覆うようにする。
【０１００】
図１４は、本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図であって、窒化物系半導体表面から光を抽出するための実施例の断面図であり、図１５は、本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図であり、図１６は、本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップを第１電極側から見た平面図である。
【０１０１】
本発明の第５実施例による発光ダイオードのチップは次のような構造を有する。
【０１０２】
第１電極２５は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇのうちのいずれか一つ以上からなる金属を蒸着して、透光性電極となるように薄く蒸着することもでき、酸素雰囲気で熱処理することもできる。Ｎｉ/Ａｕ又はＴｉ/Ｎｉ/Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ/Ｐｔ、Ｎｉ/Ａｕ/Ｎｉの組み合わせからなる第１電極２５を使用する場合には、ほとんど全面に薄く蒸着し、４００℃以上の温度で熱処理することによって、透光性導電体特性を有するオーミック電極を得るのが好ましい。また、第１電極２５がＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＳｉドーピングされたＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎなどの透明な導電物質で形成することができる。
【０１０３】
ここで、場合によっては第１電極２５を支持体として活用し、サファイア基礎基板１７を全て除去することもできる。特に、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎを第１電極２５として用いる場合には、ＨＶＰＥ（hydride  vapor  phase  epitaxy）方法によってＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ層を０.１μm乃至５００μm（好ましくは１０μm以上）に形成して、サファイア基礎基板１７代わりに支持体役割を果たすようにすることができる。この時、サファイア基礎基板１７を薄く残すことも可能である。
【０１０４】
第１電極２５上には、ワイヤー２４をボンディングするための第１電極パッド２６が形成されている。この時、第１電極パッド２６が位置する部分の第１電極２５には貫通孔が形成されており、貫通孔内には、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２、ＺｒＯなどの絶縁膜２７が形成されている。したがって、第１電極パッド２６のすぐ下の部分はｐ型接触層１３から絶縁されている。これは電流が第１電極パッド２６のすぐ下に集中することを防止して、ワイヤーボンディングの際にクッション層として活用するためである。
【０１０５】
一方、第１電極パッド２６下部に位置する第１電極２５を、ショットキ特性を有するＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉなどの金属を用いて第１電極パッド２６を形成することにより、電流が第１電極パッド２６のすぐ下に集中することを防止できる。
【０１０６】
また、第１電極パッド２６は、ビアホールと重ならない位置に形成するのが好ましい。これはワイヤー２４をボンディングする際に窒化物系半導体薄膜が損傷されることを防止するためである。
【０１０７】
前記第１乃至第４実施例では形成した第１反射/接触層１１は省略した。透明又は透光性導電体からなる第１電極２５がｐ型接触層１３とオーミック接触を形成するからである。
【０１０８】
サファイア基礎基板１７の下面には、第２接触層１８と第２電極１９がビアホール内部を含んでサファイア基礎基板１７全面に形成されている。第２接触層１８と第２電極１９は分離されない単一層として形成することもでき、３重層以上に形成することもできる。第２接触層１８と第２電極１９としては、Ａｌ、Ｔｉ/Ａｌ、Ｔｉ/Ａｌ/Ａｕ、Ｒｈ/Ａｕ、Ｐｄ/Ａｕ、Ａｌ/Ｐｔ/Ａｕ、Ｎｉ/Ｔｉ/Ａｕなどが金属構造を用いることができる。
【０１０９】
第１電極１９は、チップがリードフレーム２０や印刷基板などに実装された場合に熱放出効率を良くするために厚く形成することができ、好ましくは、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔなどをメッキして形成することができる。メッキ方法は、電気メッキ又は無電解質メッキが用いられる。
【０１１０】
このような構造の発光ダイオードチップを製造する方法は、前述した第１実施例による方法と類似している。ただし、第１電極２５を透明導電物質で形成し、最後の段階で第１電極２５をフォトエッチングしてｐ型接触層の一部を露出させ、第１電極パッド２６を形成する段階がさらに追加される差異点がある。
【０１１１】
図１７は、本発明の第６実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図であり、図１８は、本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップを第１電極側から見た平面図である。
【０１１２】
第６実施例では、第１電極２８をオーミック金属を用いて形成し、光が通過できるように網状構造にｐ型接触層１８のすぐ上に形成し、サファイア基礎基板１７の底面角部がエッチングされて面取りされているのが第５実施例と区別される特徴である。そして、第１電極パッド２９が第１電極２８上に形成されている。
【０１１３】
このような構造では、サファイア基礎基板１７の底面角部が面取りされているため、第２接触層１８が面取りされた面に沿って曲がっている。このような形態の場合には、第２接触層１８に反射機能をも含ませて、下部側面に向かう光を反射して第１電極２８方向の面に放出されるようにするのに効果的である。このような面取りされた角部は、第２電極１９と第２接触層１８が光を透過させる場合にも光がチップの側面に射出するのに役に立つ。チップの側面に射出した光はリードフレームにより反射されて上方向に放出される。
【０１１４】
一方、サファイア基礎基板１７に面取りを形成する方法は、ビアホール形成のためのエッチング時に個別チップ間の境界部分も共にエッチングする。この時、チップ間の境界部分では、ビアホールが形成される部分に比べてエッチングマスクとして用いられる保護膜の開口幅をさらに狭くして、エッチング途中でサファイア基礎基板１７がチップ毎に分離されないようにする。
【０１１５】
図１９は、本発明の実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【０１１６】
本発明の第７実施例による発光ダイオードは、リードフレーム２０、２１、リードフレーム２０に接着されているチップ１００、チップ１００の一側電極をリードフレーム２１に連結するワイヤー２４などを含んで構成される。リードフレーム２０上には蛍光体２００がチップ１００を覆っており、リードフレーム２０、２１の全体を樹脂６００が囲んでいる。チップ１００が発する光をそのまま使用する場合には蛍光体２００を省略できる。
【０１１７】
チップ１００は、第１電極１２、第１レセプター接触層１４０、レセプター基板１３０、第２レセプター接触層１２０、レセプター側接合金属層１１０、エピ側接合金属層１０、光反射層９、導電性透明電極８、ｐ型接触層１３、ｐ型クラッド層１４１、発光層１４２、ｎ型クラッド層１４３、及びｎ型接触層１５が下から上に順に積層されており、ｎ型接触層１５上に第２接触層１８及び第２電極１９が形成されている。
【０１１８】
ここで、レセプター基板１３０は、発光ダイオードの支持台及び電流の流れの通路として用いられる。レセプター基板１３０としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの半導体基板、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯなどの導電性酸化膜基板、及びＣｕ、Ｗ、ＣｕＷ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔａなどの金属膜又は金属基板のうちのいずれか一つを用いる。レセプター基板１３０は、発光ダイオードの構成要素として用いられるだけでなく、電流の流れの通路になるので、導電性が要求される。
【０１１９】
レセプター側接合金属層１１０とエピ側接合金属層１０は、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ａｇのうちのいずれか一つ以上の組み合わせの共融金属で形成する。これら二つの接合金属層１１０、１０が熱圧着で接合されることにより、レセプター基板１３０とエピ層とが互いに付着される。ここで、接合金属層１１０、１０は導電性を有するエポキシフィルムなどに代替できる。特に、本発明でレセプター基板の熱圧着された窒化物半導体ウエハーは、硫酸とリン酸のエッチング溶液に浸漬するため、共融金属及び金属基板又は金属膜は、硫酸とリン酸の混合された溶液により損傷を受けないのが好ましい。Ｐｔ、Ａｕは、硫酸とリン酸の混合された溶液による影響を受けないので、Ｐｔ、Ａｕに組み合わせられた金属構造を用いるのが好ましく、Ｐｔ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｕ、Ｎｉ/Ａｕ、Ｇｅ/Ａｕ、Ｒｈ/Ｐｔ/Ａｕ等の構造を用いるのが特に好ましい。
【０１２０】
また、バッファー層１６、ｎ型接触層１５、ｎ型クラッド層１４３、発光層１４２、ｐ型クラッド層１４１、及びｐ型接触層１３は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）などで形成し、光反射層９は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔの群のうち少なくとも一つ以上を含む単一層又は複数層で形成して、光反射特性が優れているように形成する。光反射層９は省略できるが、光抽出効率を高めるためには形成するのが好ましい。ここで、ｎ型接触層１５は、Ｓｉ不純物が１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度にドーピングされており、ｐ型接触層１３は、Ｍｇ不純物が１０１８ｃｍ−３以上の濃度にドーピングされている。
【０１２１】
第１電極１２は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｌのうちのいずれか一つ又はこれら金属の合金からなり、第２電極１９は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕのうちのいずれか一つ又はこれら金属の合金からなる。ここで、第１電極１２と第２電極１９は、ＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）などの透明な導電物質で形成することもでき、Ａｌ、Ｔｉ/Ａｌ、Ｔｉ/Ａｕ、Ｒｈ/Ａｕ、Ｐｄ/Ａｕ、Ａｌ/Ｐｔ/Ａｕなどを一つ以上含む単一層又は複数層に形成することもできる。
【０１２２】
第２接触層１８は、第２電極１９とｎ型接触層１５のオーミック接触抵抗を減らす役割を果たし、電流拡散を容易にして光抽出効率を高めるために、第２接触層１８をＩＴＯ、ＺｒＢ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯなどの透明導電体で形成することもできる。
【０１２３】
第２レセプター接触層１２０は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇのうちのいずれか一つからなるか、これらのうちの二つ以上を含む合金を蒸着した金属からなっており、透光性導電特性を有するように薄く蒸着することもできる。特に、Ｐｔを用いて透光性オーミック電極を得る場合には、２００Ａ以下の厚さと３００乃至５００℃近くの温度で熱処理できる。
【０１２４】
チップ１００は、導電性ペースト２２によって第１電極１２面がリードフレーム２０に接着されており、第２電極１９は、ワイヤーによってリードフレーム２１に連結されている。
【０１２５】
このような構造の発光ダイオードでは、第２電極１９と第１電極１２がチップの上下両面に別途に形成されるので、チップの面積を減らすことができる。したがって、ウエハー当りチップ生産量を向上させることができる。また、熱導電性と電気導電性に優れたレセプター基板１３０をチップの構造体として用いることにより、熱放出と静電気放出が効率的に行われる。同時に、電流がチップの面積全体を通じて均一に流れるので、大電流でも駆動が可能である。したがって、単位素子において高い光出力が得られる。
【０１２６】
金属が補助基板になる場合には、金属基板を熱圧着させることもでき、メッキして厚い金属膜を形成させることもできる。金属膜を形成させる場合には、蒸着方法、電気メッキ、無電解質メッキなどによって形成させるのが好ましい。
【０１２７】
以下、このような構造の発光ダイオードを製造する方法について説明する。
【０１２８】
図２０は、本発明の実施例によって垂直型電極構造を有する発光ダイオードを製造する中間段階の断面図であり、図２１は、図２０の次の段階での断面図であって、エピ層とコンタクト層が形成された基礎基板に電極用基板を接合する段階を示す断面図であり、図２２は、図２１の次の段階での断面図であって、基礎基板を除去する段階を示す断面図であり、図２３は、図２２の次の段階での断面図であって、ｐ型及び第２電極を形成する段階を示す断面図である。
【０１２９】
まず、図２０に示したように、サファイア基礎基板１７上に金属有機化学蒸着法、液状エピタキシャル法、分子ビームエピタキシャル法、蒸気液状蒸着法、ＭＯＶＰＥのうちのいずれか一つ以上を使用して、バッファー層１６、ｎ型接触層１５、ｎ型クラッド層１４３、発光層１４２、ｐ型クラッド層１４１、及びｐ型接触層１３を順に積層する。
【０１３０】
その後、図２１に示したように、ｐ型接触層１３上にオーミック電極又は導電性透明電極である電極８と光反射層９を形成し、光反射層９上に接合のためのエピ側接合金属層１０を形成する。ここで、光反射層９とオーミック電極又は導電性透明電極８の蒸着は、電子ビーム、熱蒸着、スパッタリングなどの方法によって行う。ここで形成された電極８と光反射層９は、両層で、図１または図２の第１反射/接触層１１に相当する。
【０１３１】
この段階でサファイア基礎基板１７を除去した後、窒化物系半導体エピ層が受ける応力を最少化するために、窒化物系半導体エピ層のｘ−方向とｙ−方向に一定の間隔を設定してメサエッチングすることができる。この時、メサエッチングは、ＲＩＥ、ＩＣＰ/ＲＩＥを利用した乾式エッチング方法により、窒化物系半導体エピ層をほとんど全部エッチング除去するのが好ましい。
【０１３２】
また、半導体又は、金属からなるレセプター基板１３０の上面に第１レセプター接触層１４０を形成し、下面に第２レセプター接触層１２０とレセプター側接合金属層１１０を形成する。
【０１３３】
その後、エピ側接合属層１０とレセプター側接合金属層１１０を接触させた状態で、２００乃至６００℃の温度と１乃至６ＭＰａの圧力を１分乃至１時間ほど加えて二つの接合金属層１０、１１０を融着させる。この時、温度は３２０℃、融着時間は３０分程度が特に好ましく、熱圧着温度が高すぎたり熱圧着圧力が高すぎると、エピ層１５、１４３、１４２、１４１、１３及びレセプター基板１３０が損傷される。また、このような熱圧着工程は、高温によって各層が酸化することを防止するために、真空又はＡｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎなどのガス雰囲気で行ったり、又はＮ２、ハロゲン、空気（Ｏ２包含）などの雰囲気で行って、接触層が金属と半導体との間のエネルギー間隔を克服し、接触抵抗を低くできるようにする。この時の共融金属は、硫酸とリン酸の混合溶液で損傷を受けないようにするために、Ｐｔ又はＡｕが混合された複数層又は合金を用いるのが好ましい。
【０１３４】
一方、接合金属層１０、１１０の代わりに、導電性を有するエポキシフィルムなどを用いてエピ層上にレセプター基板を付着することもできる。
【０１３５】
また、レセプター基板は、金属基板又は金属膜で形成することができる。金属基板をレセプター基板として使用する場合には熱圧着で接合させ、金属膜を形成してレセプター基板として使用する場合には、第１導電層上にオーミック接触とメッキのシード金属の役割を果たすことのできるＰｔ/Ａｕを蒸着し、熱処理した後に、０.１μm乃至１００μm厚さのＡｕをメッキすればよい。
【０１３６】
次に、図２２に示したように、サファイア基礎基板１７を機械的研磨、湿式エッチング、及び乾式エッチングを一つ以上組み合わせて使用することによって除去する。この時、バッファー層１６及びｎ型接触層１５の一部も共に除去する。３７０ｎｍ以下の発光波長を有する発光ダイオードを製作する場合には、バッファー層１６が３５０ｎｍ近くの光を吸収するため、光抽出効率を高めるために除去できる。しかし、３７０ｎｍ以上の長波長の光を放出する発光ダイオードを製造する場合には、バッファー層１６を除去しないこともある。また、接触抵抗を低くするために、ｎ型接触層１５は、膜質の落ちる下部一部を除去するのが好ましい。
【０１３７】
以下、レセプター基板を付着した後、サファイア基礎基板１７とバッファー層１６及びｎ型接触層１５の一部を除去する方法について詳細に説明する。
【０１３８】
まず、レセプター基板が湿式エッチング時にエッチングされたり損傷されるのを防止するために、レセプター基板上にＳＯＧ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２のような保護膜を１μm乃至２μm程度蒸着した後、サファイア基礎基板１７を研磨（grinding）して切り取り、研磨された面を鏡面研磨して滑らかにする。ここで、サファイア基礎基板１７のラッピングは、ＣＭＰ、ＩＣＰ/ＲＩＥ乾式エッチング、アルミナ粉を利用した機械的研磨又は塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング溶液とする湿式エッチングによって行う。
【０１３９】
この時、サファイア基礎基板１７の厚さはできるだけ薄くするのが良いが、薄過ぎると窒化物半導体薄膜が損傷されるおそれがあるので、約５μm乃至３００μm（好ましくは２０μm乃至１５０μm）程度とするのが好ましい。また、鏡面研磨されたサファイア基礎基板１７表面の粗度は１０μm以下となるようにしなければならない。これはサファイア基礎基板１７表面の粗度がサファイア基礎基板１７及びバッファー層１６のエッチングの時にｎ型接触層２にそのまま伝達されて発光ダイオードの層構造が損傷されたり、エッチングされた厚さが不均一であって発光ダイオード特性が散布を有し、収率が低下するおそれがあるからである。
【０１４０】
その後のラッピングと研磨が終わった試料は、湿式と乾式エッチング方法のいずれか一つ以上組み合わせてサファイア基礎基板１７をエッチングする。サファイアエッチングには乾式が先に行われることもでき、湿式エッチングが先に行われることもできる。乾式エッチングには、ＩＣＰ/ＲＩＥ又はＲＩＥエッチング方法が好ましく、湿式エッチングには、塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせによる混合溶液をエッチング溶液としてエッチングするのが好ましい。乾式エッチング方法でサファイア基礎基板１７を迅速にエッチングするためにＩＣＰとＲＩＥパワーをできるだけ高めるのが良いが、窒化物系半導体エピ層が損傷されるおそれがあるので注意が必要である。
【０１４１】
この時、サファイア基礎基板１７の湿式エッチングは次のような方法で行う。
【０１４２】
テストサファイア基板を、塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のうちのいずれか一つ以上を組み合わせた混合溶液の温度を１００℃以上に上げてエッチングしてみることによってサファイア基礎基板１７のエッチング速度を測定し、サファイア基礎基板１７の１１０％乃至１２０％に該当する厚さのサファイアをエッチングできる時間ほどエッチング溶液に浸漬しておくことができる。１１０％乃至１２０％をエッチングする理由は、ラッピングの後、サファイア基礎基板１７の厚さの不均一性によりサファイアをエッチングした後にもサファイアが部分的に残る問題を最小化するためである。ここで、バッファー層１６のエッチング速度は、サファイア基礎基板１７に比べて１/５０以下のエッチング速度を示す。つまり、サファイア基礎基板１７に対するバッファー層１６のエッチング選択比が５０以上である。したがって、サファイア基礎基板１７を完全にエッチングされる時間ほどエッチングを行っても、バッファー層１６のエッチング速度が遅いため、その下部の層が損傷される心配は少ない。一方、エッチング溶液の温度は１００℃以上に維持するのが、エッチング時間短縮のために好ましい。エッチング溶液の温度を１００℃以上に維持するための加熱方法は、ヒーター上に溶液を乗せたり、ヒーターを直接溶液に接触させる直接加熱方式と、ハロゲンランプなどで光吸収を利用した間接加熱方式とがある。また、エッチング溶液の温度を溶液の沸点より高い温度まで上げるために、圧力を上げることもできる。サファイア基礎基板１７を湿式エッチングした場合、サファイア基礎基板１７は２０分間２２.１６μmがエッチングされて、１.１μm/ｍｉｎのエッチング速度を示した。このようなエッチング速度は、乾式エッチング速度と競合し、注目に値する結果であり、チップ量産性を考慮してみても全く問題のないものと判断され、湿式エッチングは装備の生産性に制約を受けないので、大量生産側面から他のいかなる方法より多くの長所を有すると見なされる。この時、サファイア基板はＳｉＯ２でパターニングしてサファイア基板の一部だけエッチングすることにより窒化物半導体層を露出させることができ、ＳｉＯマスクパターンなしでサファイアの全領域をエッチングして、窒化物半導体を露出させることもできる。
【０１４３】
本発明を量産に適用した場合に重要な要素は、サファイアエッチングによって発光ダイオードをより安定的に製作するために、サファイアと窒化物系半導体間のエッチング選択比を高められる工程条件を確保することであり、特に、窒化物半導体をサファイアエッチング停止層として活用するのが効果的である。窒化物半導体層としては、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）化合物を用いることができ、好ましくは、Ａｌの組成比を増加させ、Ｍｇが１×１０１７ｃｍ−３以上ドーピングされたｐ−Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）化合物を用いるのが効果的であり得る。つまり、ドーピングされていないＧａＮとＭｇをドーピングしたｐ−ＧａＮ、Ｓｉをドーピングしたｎ−ＧａＮを、硫酸とリン酸を３:１に混合した溶液によって３３０℃近くでエッチングしてみた結果、（ｐ−ＧａＮ）＜（ドーピングされていないＧａＮ）＜（ｎ−ＧａＮ）の順でエッチング速度を示しており、損傷される程度も同様に、ｎ−ＧａＮ側が遥かに激しいことが観測され、温度が３００℃より高いほど損傷程度がひどくなることが分かる。このような結果より、窒化物半導体に硫酸とリン酸が混合されたエッチング溶液でサファイア基礎基板をエッチングしてビアホールを形成する場合、サファイア基板と窒化物半導体との間のエッチング選択比を高めるためには、３３０℃より低い温度とドーピングされていないＧａＮ又はＭｇがドーピングされたＧａＮを用いるのが好ましい。また、湿式エッチングの際に、レセプター層１２上にＳＯＧ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２のうちのいずれか一つの保護膜を蒸着してレセプター基板１３０が損傷されないようにしたり、レセプター基板１３０上にエッチング溶液に損傷を受けないＡｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄのうちのいずれか一つ以上を含めて形成するのが好ましい。
【０１４４】
実験結果、Ｐｔ、Ａｕのような金属及びＳＯＧ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２のような薄膜は、塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、及びアルエッチ液 （４Ｈ３ＰＯ４＋４ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ）のいずれか一つ以上を含む混合溶液にほとんどエッチングされないだけでなく、ＩＣＰ/ＲＩＥのような乾式エッチングでも高い耐エッチング性有するので、エッチング溶液で窒化物半導体層を保護するための保護膜として非常に有用である。
【０１４５】
次に、ＩＣＰ/ＲＩＥ、又はＲＩＥ乾式エッチングによってバッファー層１６をエッチングした後、図２３に示したように、ｎ型接触層１５上にＩＴＯ、ＩｎＳｎＯ、ＺｎＯのような導電性透明電極又はｎ型接触層１５とオーミック接触を形成することができるＴｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕのうちのいずれか一つ又はこれら金属の合金などを蒸着してリフトオフし、窒素又は酸素が含まれた雰囲気で３００℃乃至７００℃の温度で熱処理して、ｎ型接触層１５とのオーミック接触を形成する第２接触層１８と、第２接触層１８上に第２電極１９とを形成する。好ましく、第２接触層１８と第２電極１９の構造は、Ｔｉ/Ａｌ、Ｔｉ/Ｎｉ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｕ、Ｎｉ/Ｔｉ/Ａｕ、Ｎｉ/Ａｕ、Ｔｉ/Ｃｒ/Ａｕ、Ｃｒ/Ｎｉ/Ａｕであり、第２オーミック電極をほとんど全面に蒸着する場合には、光透過性が良好であるように薄く蒸着することもできる。また、第１レセプター接触層１４０上には第１電極１２を形成する。
【０１４６】
次に、形成された発光ダイオード基板をダイシング又はスクライブして個別チップに分離する。
【０１４７】
その後、チップを導電性ペースト２２を利用してリードフレーム２０に実装し、ワイヤーをボンディングして第２電極１９対向側リードフレーム２１に連結する。
【０１４８】
次に、蛍光体２００を塗布し、樹脂にパッケージする。
【０１４９】
以上のように、裏面研磨と乾式又は湿式エッチングを利用してサファイア基礎基板１７を除去するので生産性が大きく向上し、レーザーリフトオフ方式の場合、エピ層が受けるおそれのある熱損傷を防止することができる。
【０１５０】
また、湿式エッチングを通じてサファイア基板を様々な模様を有するようにパターニングすると、ｎ型接触層１５の表面が微細な凹凸を形成するようになって、図２４に示したように、光を集中させるだけでなく、光抽出効率を増加させる役割を果たす。
【０１５１】
図２４は、裏面研磨とエッチングを通じてサファイア基板を除去した後のｎ型接触層１５の断面プロファイルと光抽出効果を示す図である。
【０１５２】
図２５は、本発明の第８実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【０１５３】
サファイア基礎基板１７上に、バッファー層１６、ｎ型接触層１５、ｎ型クラッド層１４３、発光層１４２、ｐ型クラッド層１４１、ｐ型接触層１３が下から上に順に積層されており、ｐ型接触層１３上に第１オーミック接触層８、光反射特性を有する接合金属層９、１０、レセプター側接合層１１０、レセプターオーミック接合層１２０、レセプター基板１３０、第１レセプター接触層１４０、及び第１電極１２が付着されている。
【０１５４】
サファイア基礎基板１７とバッファー層１６はｎ型接触層１５を露出するビアホールを有し、第２接触層１８と第２電極１９がビアホールを介してｎ型接触層１５に連結されている。
【０１５５】
本発明の第８実施例は、レセプター基板１３０と窒化物半導体を共融金属１０、１１０を利用して熱圧着することによって接着し、サファイア基礎基板１７とバッファー層１６を貫通するビアホールを形成し、これを介してｎ型接触層１５と接触する第２ 接触層１８と第２電極１９を形成した構造を有する。接合金属層１１０とｐ型接触層１３との間にエピ側光反射層９を形成するのが好ましく、光反射特性を良くするために、第１オーミック接触層８の代わりに導電性透明電極にすることができる。
【０１５６】
本発明は４７０ｎｍの波長を有する青色系列の窒化物系発光素子だけでなく、サファイア基礎基板上に成長されたＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ化合物の全ての窒化物系半導体に適用することができ、特に、本発明で窒化物系発光素子を製作する場合、バッファー層として用いられたＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）層を除去できるので、ＧａＮバンドギャップ波長である３６５ｎｍの近く又は以下の紫外線領域の光を発光する素子に対して非常に有用に活用できる。本発明は、信頼性及び輝度向上、素子の大きさを小さくして生産性及び素子の性能を向上させ、高輝度/高性能窒化物半導体発光素子製作を可能にするＬＥＤ照明分野の核心技術である。
【０１５７】
本発明は添付した図面に示された実施例を参照して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから様々な変形及び均等な他実施例が可能であることが理解できるのであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は添付された請求範囲によってのみ決められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明の第１実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【図２】本発明の第１実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップをサファイア基板側から見た平面図である。
【図４】本発明の第２実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップをサファイア基板側から見た平面図である。
【図５】湿式エッチング方法でサファイア基板に特定のパターンを形成した後、湿式エッチング方法でサファイア基板をエッチングした後のサファイア基板表面の写真である。
【図６】ＩＣＰ/ＲＩＥ乾式エッチングによるサファイアとＧａＮのエッチング速度を示すグラフである。
【図７】硫酸とリン酸を混合溶液にサファイアとＧａＮを湿式エッチングする場合のエッチング速度を示すグラフである。
【図８】サファイア基板を湿式エッチング方法で除去した後のバッファー層の表面写真である。
【図９】サファイア基板を湿式エッチング方法で除去した後の窒化物系半導体層の電圧−電流特性曲線である。
【図１０】本発明の第３実施例による垂直型電極構造の発光ダイオードの断面図である。
【図１１】本発明の第３実施例による垂直型電極構造の発光ダイオードチップの断面図である。
【図１２】本発明の第３実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップをサファイア基板側から見た平面図である。
【図１３】本発明の第４実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図である。
【図１４】本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【図１５】本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図である。
【図１６】本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップを第１電極側から見た平面図である。
【図１７】本発明の第６実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップの断面図である。
【図１８】本発明の第５実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードチップを第１電極側から見た平面図である。
【図１９】本発明の第７実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【図２０】本発明の第７実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードを製造する中間段階の断面図である。
【図２１】図２０の次の段階での断面図であって、エピ層と接触層が形成された基礎基板に電極用基板を接合する段階を示す断面図である。
【図２２】図２１の次の段階での断面図であって、基礎基板を除去する段階を示す断面図である。
【図２３】図２２の次の段階での断面図であって、第１及び第２電極を形成する段階を示す断面図である。
【図２４】裏面研磨とエッチングを通じてサファイア基板を除去した後のｎ型接触層の断面プロファイルと光集中効果を示す図である。
【図２５】本発明の第８実施例による垂直型電極構造を有する発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
【０１５９】
８  第１オーミック接触層
９  光反射層
１０  エピ側接合金属層
１１  第１反射/接触層
１２  第１電極
１３  ｐ型接触層
１５  ｎ型接触層
１６  バッファー層
１７  サファイア基板
１８  第２接触層
１９  第２電極
２０、２１  リードフレーム
２２  導電性ペースト
２４  ワイヤー
２５  透過型第１電極
２６  第１電極パッド
２７  絶縁膜
２８  網状第２電極
２９  第１電極パッド
１００  チップ
１１０  レセプター側接合金属層
１２０  第２レセプターオーミック接触層
１３０  レセプター基板
１４０  第１レセプターオーミック接触層
１４１  ｐ型クラッド層
１４２  発光層
１４３  ｎ型クラッド層
２００  蛍光体
６００  樹脂
【図１】
2005150675.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005150675.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005150675.tif 000010
【図９】
2005150675.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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