(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が２０ｍＡのときの順方向電圧が４．０Ｖ以下である、半導体発光素子。
【請求項２】
ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が６０ｍＡのときの順方向電圧が４．５Ｖ以下である、半導体発光素子。
【請求項３】
ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が１２０ｍＡのときの順方向電圧が５．０Ｖ以下である、半導体発光素子。
【請求項４】
ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が２００ｍＡのときの順方向電圧が５．５Ｖ以下である、半導体発光素子。
【請求項５】
ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が３５０ｍＡのときの順方向電圧が６．０Ｖ以下である、半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光構造が、ＧａＮ系半導体からなる活性層と、該活性層と前記ｍ面ＧａＮ基板との間に配置されたｎ型ＧａＮ系半導体層と、該ｎ型ＧａＮ系半導体層とで該活性層を挟むｐ型ＧａＮ系半導体層と、を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
発光ダイオード素子である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｍ面ＧａＮ基板の裏面の面積が０．００１２ｃｍ２以上である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ側オーミック電極の面積が０．００１２ｃｍ２以上、前記ｍ面ＧａＮ基板の裏面の面積以下である、請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード素子に関し、とりわけ、ＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造を有するＧａＮ系発光ダイオード素子に関する。ＧａＮ系半導体は、一般式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、窒化物半導体、窒化物系化合物半導体などとも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体を用いて形成されたダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造をｍ面ＧａＮ基板上に有する半導体発光素子が公知である（非特許文献１〜４）。
【０００３】
非特許文献１〜３に開示されているのは発光ダイオード素子であり、いずれの素子においても、ｍ面ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長により形成されたｎ型のＳｉドープＧａＮ層上にｎ側オーミック電極が形成されている。非特許文献４に開示されているのはレーザダイオード素子であり、ｍ面ＧａＮ基板の裏面にｎ側オーミック電極が形成されている。このレーザダイオード素子の閾値電流はＣＷ駆動時で３６ｍＡ、パルス駆動時で２８ｍＡであり、閾値電圧は約７〜８Ｖとなっている。
【０００４】
ＧａＮ基板上に発光構造を形成した発光素子においては、ＧａＮ基板の裏面に良好なｎ側オーミック電極を形成することが難しいといわれている（特許文献１〜６）。そこで、特許文献２に記載された方法では、ＧａＮ基板の裏面を粒径１０μｍ以上の研磨剤で研磨して粗くすることにより、該裏面上に形成するｎ側オーミック電極の接触抵抗の低減が図られている。また、特許文献３に記載された方法では、同じ目的のために、ＧａＮ基板の裏面をウェットエッチングまたはドライエッチングで粗くしている。一方、特許文献４によれば、ＧａＮ基板の厚さを落とすためにその裏面をグラインディング、ラッピングまたはポリッシングしたときにダメージ層が形成され、これが良好なオーミック電極の形成を阻害するとのことである。そこで、該特許文献４に記載の方法では、研磨加工後のＧａＮ基板の裏面をドライエッチングまたはウェットエッチングで削っている。しかし、特許文献５には、ウェットエッチングではこの目的は達成できなかったと記載されている。特許文献６に記載された方法では、ＧａＮ基板の裏面をドライエッチングして、機械研磨により発生した結晶欠陥を含む部分を削り取ることにより、ＧａＮ基板とｎ側オーミック電極との接触抵抗の低減が図られている。なお、これら特許文献１〜６に記載された知見や発明は、基本的にはｃ面ＧａＮ基板に関するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４０５７１号公報
【特許文献２】特開２００２−１６３１２号公報
【特許文献３】特開２００４−７１６５７号公報
【特許文献４】特開２００３−５１６１４号公報
【特許文献５】特開２００３−３４７６６０号公報
【特許文献６】特開２００４−６７１８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kuniyoshi Okamoto et al., JapaneseJournal of Applied Physics, Vol. 45, No. 45, 2006, pp. L1197-L1199
【非特許文献２】Mathew C. Schmidt et al., JapaneseJournal of Applied Physics, Vol. 46, No. 7, 2007, pp. L126-L128
【非特許文献３】Shih-Pang Chang et al., Journal ofThe Electrochemical Society, 157 (5) H501-H503 (2010)
【非特許文献４】Kuniyoshi Okamoto et al., JapaneseJournal of Applied Physics, Vol. 46, No. 9, 2007, pp. L187-L189
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ｍ面ＧａＮ基板上に発光構造を形成したＧａＮ系発光ダイオード素子は、ＱＣＳＥ効果が生じないので、印加電流の増加に伴う発光波長の変動が小さいことが要求される白色ＬＥＤ用の励起光源に適している。しかし、発光ダイオード素子の発熱量が大きかったり、その放熱性が良好でない場合には、該発光ダイオード素子が放出する熱で蛍光体の温度が大きく変動することとなり、期待通りの効果が得られなくなる。また、発熱量が大きく放熱性が良好でない発光ダイオード素子は、印加電流を増やすにつれてそれ自体の温度も大きく上昇するので、発光効率の低いものとなる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、白色ＬＥＤ用の励起光源に適したＧａＮ系発光ダイオード素子を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光ダイオード構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該発光ダイオード素子に印加される順方向電流が２０ｍＡのときの順方向電圧が４．０Ｖ以下である。
【００１０】
本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光ダイオード構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該発光ダイオード素子に印加される順方向電流が６０ｍＡのときの順方向電圧が４．５Ｖ以下である。
【００１１】
本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光ダイオード構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該発光ダイオード素子に印加される順方向電流が１２０ｍＡのときの順方向電圧が５．０Ｖ以下である。
【００１２】
本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光ダイオード構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該発光ダイオード素子に印加される順方向電流が２００ｍＡのときの順方向電圧が５．５Ｖ以下である。
【００１３】
本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光ダイオード構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該発光ダイオード素子に印加される順方向電流が３５０ｍＡのときの順方向電圧が６．０Ｖ以下である。
【発明の効果】
【００１４】
上記の各実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極を有するので、金属電極上にハンダを用いて固定することができる。つまり、放熱性が良好となる形態で実装することができる。また、上記の各実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、順方向電圧が低く抑えられているので、発熱量が小さい。従って、白色ＬＥＤ用の励起光源に極めて適している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明者等が試作したＧａＮ系発光ダイオード素子の構造を示す模式図であり、図１（ａ）は上面図、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】マスクパターンの平面図である。
【図３】マスクパターンの向きを説明するための平面図である。
【図４】加工ｅを施したｍ面ＧａＮ基板の裏面のＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者等によるＧａＮ系発光ダイオード素子（以下では「ＬＥＤ素子」ともいう）の試作および評価の結果を以下に記す。
１．試作したＬＥＤ素子の基本構造
図１に、試作したＬＥＤ素子の基本構造を模式的に示す。図１（ａ）は上面図、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１（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子１の平面形状は矩形であり、サイズは３５０μｍ×３４０μｍである。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１は、基板１０の上にＧａＮ系半導体からなる半導体積層体２０を有している。基板１０はｍ面ＧａＮ基板であり、半導体積層体２０は該基板１０のおもて面１１上に配置されている。半導体積層体２０は基板１０側から順に、第１のアンドープＧａＮ層２１、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＮコンタクト層２２、第２のアンドープＧａＮ層２３、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＮクラッド層２４、ＭＱＷ活性層２５、Ｍｇドープされたｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．9Ｎクラッド層２６、Ｍｇドープされたｐ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎコンタクト層２７を有している。
【００１８】
ＭＱＷ活性層２５は、交互に積層されたアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎバリア層とアンドープＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎウェル層とを有している。アンドープＩｎＧａＮバリア層の数は４層、アンドープＩｎＧａＮウェル層の数は３層であり、ゆえに、ＭＱＷ活性層２５の最下層と最上層はいずれもバリア層である。ウェル層の組成は発光ピーク波長が４４５〜４６５ｎｍの範囲内に入るように調整されたものである。
【００１９】
ＬＥＤ素子１は２つのｎ側電極と１つのｐ側電極を有している。ｎ側電極のひとつは第１のｎ側メタルパッドＥ１１であり、基板１０の裏面１２全体を覆うように設けられている。もうひとつは第２のｎ側メタルパッドＥ１２であり、半導体積層体２０を一部除去することにより露出したｎ型ＧａＮコンタクト層２２の表面上に形成されている。第１のｎ側メタルパッドＥ１１と第２のｎ側メタルパッドＥ１２は、どちらもオーミック電極を兼用している。ｐ側電極を構成するのは、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２７の上面に形成されたオーミック性の透光性電極Ｅ２１と、該透光性電極Ｅ２１上の一部に形成されたｐ側メタルパッドＥ２２である。ＭＱＷ活性層２５への電流印加は、第１のｎ側メタルパッドＥ１１とｐ側メタルパッドＥ２２を通して行うこともできるし、第２のｎ側メタルパッドＥ１２とｐ側メタルパッドＥ２２を通して行うこともできる。
【００２０】
第１のｎ側メタルパッドＥ１１は多層膜であり、基板１０側から順にＴｉＷ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を有している。第２のｎ側メタルパッドＥ１２も同様の積層構造を備える多層膜であり、ｎ型ＧａＮコンタクト層２２側から順にＴｉＷ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を有している。透光性電極Ｅ２１はＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜である。ｐ側メタルパッドＥ１２は第１のｎ側メタルパッドＥ１１および第２のｎ側メタルパッドＥ１２と同様の積層構造を備える多層膜であり、透光性電極Ｅ２１側から順にＴｉＷ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を有している。
２．ＬＥＤ素子の試作
ＬＥＤ素子１を次の手順により作製した。
２−１．エピタキシャル成長
サイズが７ｍｍ（ｃ軸方向）×１５ｍｍ（ａ軸方向）×３３０μｍ（厚さ）、おもて面（半導体積層体を設ける側の主面）のオフ角が０±０．５°の範囲内で、ｎ型不純物としてＳｉが添加されたｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板を準備した。ホール測定により調べた該ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度は１．３×１０１７ｃｍ−３であった。
【００２１】
このｍ面ＧａＮ基板のおもて面上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させて半導体積層体を形成した。ＩＩＩ族原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｖ族原料にはアンモニア、Ｓｉ原料にはシラン、Ｍｇ原料にはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ）を用いた。
【００２２】
各層の成長温度および膜厚を表１に示す。
【００２３】
【表１】
0005163970.tif 000002
【００２４】
ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＧａＮクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加した不純物の濃度は表２に示す通りである。
【００２５】
【表２】
0005163970.tif 000003
【００２６】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加したＭｇの活性化は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を所定時間成長させた後、ＭＯＶＰＥ装置の成長炉内で基板温度が室温まで降下する間に、該成長炉内に流す窒素ガスおよびアンモニアガスの流量を制御する方法を用いて行った。
２−２．ｐ側電極および第２のｎ側メタルパッドの形成
上記エピタキシャル成長により形成した半導体積層体の表面（ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の表面）に、電子ビーム蒸着法によりＩＴＯ膜を２１０ｎｍの厚さに形成した。続いて、フォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて、このＩＴＯ膜を所定の形状にパターニングして、透光性電極を形成した。パターニング後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）加工により半導体積層体の一部を除去して、第２のｎ側メタルパッドを形成すべき部位にｎ型ＧａＮコンタクト層を露出させるとともに、メサ形成を行った。ＲＩＥ加工においては、エッチングガスとしてＣｌ２を用い、アンテナ／バイアスを１００Ｗ／２０Ｗ、チャンバー内圧力を０．３Ｐａと設定した。
【００２７】
ＲＩＥ加工に続いて、上記作製したＩＴＯ膜に対し、大気雰囲気中、５２０℃で２０分間の熱処理を施した。更に続けて、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いて、このＩＴＯ膜に対し、窒素ガス雰囲気中、５００℃で１分間の熱処理を施した。
【００２８】
ＩＴＯ膜の熱処理後、リフトオフ法を用いて、第２のｎ側メタルパッドとｐ側メタルパッドを同時に所定のパターンに形成した。第２のｎ側メタルパッドとｐ側メタルパッドを構成するメタル多層膜に含まれる全ての層（ＴｉＷ層、Ａｕ層およびＰｔ層）は、スパッタリング法で形成した。ＴｉＷ膜を形成する際は、ターゲットにＴｉ含有量が１０ｗｔ％のＴｉ−Ｗターゲット、スパッタガスにＡｒ（アルゴン）を使用し、スパッタ条件はＲＦ電力８００Ｗ、Ａｒ流量５０ｓｃｃｍ、スパッタガス圧２．２×１０−1Ｐａとした。最下層であるＴｉＷ層とその直上に積層するＡｕ層の厚さは１０８ｎｍとし、それ以外のＰｔ層およびＡｕ層の厚さはいずれも８９ｎｍとした。
【００２９】
第２のｎ側メタルパッドとｐ側メタルパッドを形成した後、露出した半導体積層体の表面および透光性電極の表面に、ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜を２３０ｎｍの厚さに形成した。
２−３．ｍ面ＧａＮ基板の裏面の加工
上記パッシベーション膜の形成後、ｍ面ＧａＮ基板の裏面に対し、以下に加工ａ〜加工ｆとして記す６通りの異なる加工を行った。
【００３０】
加工ａ：ｍ面ＧａＮ基板の裏面にラッピングおよびポリッシングをこの順に施すことにより、該基板の厚さを２００μｍに減じた。
【００３１】
ラッピング工程では、定法に従い、使用するダイヤモンド砥粒の粒径を段階的に小さくしていった。
【００３２】
ポリッシング工程では、酸性コロイダルシリカ（粒径７０〜１００ｎｍ）に酸を添加してｐＨを２未満に調整したＣＭＰスラリーを用い、ポリッシングレートが０．５μｍ／ｈとなるように荷重を調整し、ポリッシング加工時間は約１４時間とした。この条件でポリッシュされたｍ面ＧａＮ基板の表面は、ＡＦＭ（例えばDIGITALINSTRUMENTS社製 DIMENSION 5000）を用いて測定される１０μｍ角の範囲の算術平均粗さＲａが０．1ｎｍ以下となる。
【００３３】
ポリッシングされた面（ｍ面ＧａＮ基板の裏面）は水で洗った後、更に室温のＩＰＡおよびアセトンを用いて洗浄し、乾燥後に５分間の紫外線オゾン洗浄（１１０℃、酸素流量５Ｌ／分）を施した。
【００３４】
加工ｂ：加工ａを行った後、更に、ＲＩＥによってｍ面ＧａＮ基板の裏面から表層部分を削り取った。ＲＩＥ条件は上記２−２．で半導体積層体に対してＲＩＥ加工を施したときの条件と同じとし、エッチング深さが０．１μｍとなるよう、エッチング時間を６０秒に設定した。ＲＩＥ加工後の表面の粗さを触針式段差計（株式会社小坂研究所製ＥＴ３０００）で測定したところ、算術平均粗さＲａは０．０２μｍ、最大高さＲｚは０．０４μｍであった。
【００３５】
加工ｃ：加工ａを行った後、更に、ＲＩＥによってｍ面ＧａＮ基板の裏面から表層部分を削り取った。ＲＩＥ条件は上記２−２．で半導体積層体に対してＲＩＥ加工を施したときの条件と同じとし、エッチング深さが１．０μｍとなるよう、エッチング時間を６１０秒に設定した。ＲＩＥ加工後の表面の粗さを触針式段差計で測定したところ、算術平均粗さＲａは０．０６μｍ、最大高さＲｚは０．５５μｍであった。
【００３６】
加工ｄ：加工ａを行った後、更に、ＲＩＥによってｍ面ＧａＮ基板の裏面から表層部分を削り取った。ＲＩＥ条件は上記２−２．で半導体積層体に対してＲＩＥ加工を施したときの条件と同じとし、エッチング深さが２．０μｍとなるよう、エッチング時間を１２２０秒に設定した。ＲＩＥ加工後の表面の粗さを触針式段差計で測定したところ、算術平均粗さＲａは０．０７〜０．１２μｍ、最大高さＲｚは１．３０μｍであった。
【００３７】
加工ｅ：加工ａを行った後のｍ面ＧａＮ基板の裏面に、ノボラック樹脂を用いたポジ型フォトレジスト（住友化学株式会社製  スミレジストＰＦＩ−３４ＡＬ）を１．６μｍの厚さにコーティングし、フォトリソグラフィ技法を用いて該フォトレジストをパターニングすることによって、図２に示すマスクパターンを形成した。すなわち、複数の円形エッチングマスクが三角格子の格子位置に配置されたマスクパターンである。各円形マスクの直径（図２中のＲ）は２μｍ、隣り合う円形マスク間のスペース（図２中のＳ）は２．５μｍとした。マスクパターンの方向は、図３に示すように、三角格子の６つの格子位置を頂点とする正六角形ＡＢＣＤＥＦの２つの辺ＢＣ、ＥＦが、ｍ面ＧａＮ基板のｃ軸と直交するように定めた。
【００３８】
上記のように形成したマスクパターンをエッチングマスクに用いてＲＩＥを行うことにより、ｍ面ＧａＮ基板の裏面を凹凸状に加工した。エッチングガスとしてＣｌ２を用い、アンテナ／バイアスを１００Ｗ／２０Ｗ、チャンバー内圧力を０．３Ｐａと設定して、エッチング選択比が約１となるようにした。なお、ここでいうエッチング選択比は、エッチング時間が約８００秒以下であるときの、〔ＧａＮのエッチングレート〕／〔マスクのエッチングレート〕である。この条件で、１５００秒間、ＲＩＥ加工を行った。マスクパターンは、エッチング時間が約８００秒に達したところで殆ど消失した。ＲＩＥ加工後、有機溶剤を用いてウェハを洗浄し、続けて、ＲＩＥ加工された面に５分間の紫外線オゾン洗浄（１１０℃、酸素流量５Ｌ／分）を施した。
【００３９】
加工ｅを施したｍ面ＧａＮ基板の裏面のＳＥＭ像を図４に示す。図４において（ａ）は平面図、（ｂ）は断面方向から見た図、（ｃ）は斜視図である。  図４（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても紙面内で右から左に向かう方向が、ＧａＮの［０００１］方向（ｃ＋方向）であり、左から右に向かう方向がＧａＮの［０００−１］方向（ｃ−方向）である。ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成された突起の高さは１．５μｍであった。
【００４０】
加工ｆ：加工ａを行った後のｍ面ＧａＮ基板の裏面に、加工ｅと同じ手順でマスクパターンを形成したが、ＲＩＥチャンバー内に設置した後、薄いサファイア板でｍ面ＧａＮ基板の裏面を覆うことにより、該裏面がＲＩＥ加工を受けないように保護した。このことを除いて、加工ｆで行った処理は、加工ｅと同じである。すなわち、加工ｆを施したｍ面ＧａＮ基板の裏面には、フォトレジストを用いてマスクパターンを形成する処理、該マスクパターンを有機溶剤を用いて取り除く処理、及び、該マスクパターン除去後の紫外線オゾン洗浄処理が行われている。
２−４．第１のｎ側メタルパッドの形成
上記加工ａ〜ｆのいずれかを行ったｍ面ＧａＮ基板の裏面に、第１のｎ側メタルパッドとなるメタル多層膜を形成した。このメタル多層膜に含まれる全ての層（ＴｉＷ層、Ａｕ層およびＰｔ層）は、スパッタリング法で形成した。ＴｉＷ膜を形成する際は、ターゲットにＴｉ含有量が１０ｗｔ％のＴｉ−Ｗターゲット、スパッタガスにＡｒ（アルゴン）を使用し、スパッタ条件はＲＦ電力８００Ｗ、Ａｒ流量５０ｓｃｃｍ、スパッタガス圧２．２×１０−1Ｐａとした。最下層であるＴｉＷ層とその直上に積層するＡｕ層の厚さは１０８ｎｍとし、それ以外のＰｔ層およびＡｕ層の厚さはいずれも８９ｎｍとした。
【００４１】
上記メタル多層膜の形成後、スクライブおよびブレーキングを行うことによりウェハを分断し、ＬＥＤ素子をチップにした。上記メタル多層膜はこの工程でＧａＮ基板と共に分断した。従って、第１のｎ側メタルパッドの平面形状はｍ面ＧａＮ基板の裏面の形状と同じとなった。また、第１のｎ側メタルパッドのサイズはチップサイズと略同じ３５０μｍ×３４０μｍとなった。
２−５．順方向電圧の評価
上記手順にて得たＬＥＤチップに対して、第１のｎ側メタルパッドとｐ側メタルパッドを通して電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ１）と、第２のｎ側メタルパッドとｐ側メタルパッドを通して電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ２）を比較した。印加電流はパルス幅１ｍｓｅｃ、パルス周期１ｍｓｅｃのパルス電流とし、電流値は２０ｍＡおよび６０ｍＡの２通りとした。結果を表３に示す。
【００４２】
【表３】
0005163970.tif 000004
【００４３】
表３に示すように、ｍ面ＧａＮ基板の裏面に加工ａのみを行ったＬＥＤチップではＶｆ１とＶｆ２は一致したのに対し、加工ｂ〜ｆを行ったＬＥＤチップではいずれもＶｆ１がＶｆ２よりも大きくなった。特に、ＲＩＥ加工を含む加工ｂ〜ｅを行ったＬＥＤチップでは、その差は数Ｖ以上にもなった。
【００４４】
また、ｍ面ＧａＮ基板の裏面に加工ａのみを行ったＬＥＤチップに、パルス幅１ｍｓｅｃ、パルス周期１ｍｓｅｃの順方向電流を２０ｍＡ、６０ｍＡ、１００ｍＡ、１２０ｍＡ、１８０ｍＡ、２４０ｍＡおよび３５０ｍＡ印加したときのＶｆ１を表４に示す。表４には、それに加えて、第１のｎ側メタルパッドにおける平均電流密度を示している。この平均電流密度は順方向電流をｎ側メタルパッドの面積（３５０μｍ×３４０μｍ）で除した値であり、ｎ側メタルパッドとｍ面ＧａＮ基板の裏面との界面を横切って流れる電流の平均的な密度を表している。
【００４５】
【表４】
0005163970.tif 000005
【００４６】
本発明は、以上に記したＬＥＤ素子の試作および評価から得られた知見に基づき完成されたものである。ただし、いうまでもないことであるが、本発明は、試作されたＬＥＤ素子や、試作で用いられた方法に限定されるものではない。
【００４７】
本発明の実施形態には以下に記載する半導体発光素子が含まれる。
（１）ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が２０ｍＡのときの順方向電圧が４．０Ｖ以下である半導体発光素子。
（２）ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が６０ｍＡのときの順方向電圧が４．５Ｖ以下である半導体発光素子。
（３）ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が１２０ｍＡのときの順方向電圧が５．０Ｖ以下である半導体発光素子。
（４）ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が２００ｍＡのときの順方向電圧が５．５Ｖ以下である半導体発光素子。
（５）ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が３５０ｍＡのときの順方向電圧が６．０Ｖ以下である半導体発光素子。
（６）前記発光構造が、ＧａＮ系半導体からなる活性層と、該活性層と前記ｍ面ＧａＮ基板との間に配置されたｎ型ＧａＮ系半導体層と、該ｎ型ＧａＮ系半導体層とで該活性層を挟むｐ型ＧａＮ系半導体層と、を含む、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体発光素子。
（７）発光ダイオード素子である、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体発光素子。
（８）前記ｍ面ＧａＮ基板の裏面の面積が０．００１２ｃｍ２以上である、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の半導体発光素子。
（９）前記ｎ側オーミック電極の面積が０．００１２ｃｍ２以上、前記ｍ面ＧａＮ基板の裏面の面積以下である、前記（８）に記載の半導体発光素子。
（１０）前記ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３である、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の半導体発光素子。
【００４８】
また、当業者であれば、以下に記載するｍ面ＧａＮ基板の表面処理方法または半導体素子の製造方法が、本明細書に開示されていることを理解するであろう。
（ａ１）ｍ面ＧａＮ基板の表面を、酸性のＣＭＰスラリーを用いて０．５μｍ／ｈ以下のポリッシングレートでポリッシングする第１工程と、該第１工程に続いて該ｍ面ＧａＮ基板の該表面を水洗する第２工程と、を有するｍ面ＧａＮ基板の表面処理方法。
（ａ２）前記ＣＭＰスラリーのｐＨが２未満である、前記（ａ１）に記載の表面処理方法。
（ａ３）前記第１工程では前記ｍ面ＧａＮ基板の表面をポリッシュ後の算術平均粗さＲａが０．１ｎｍ以下となるようにポリッシングする、前記（ａ１）または（ａ２）に記載の表面処理方法。
（ａ４）ｎ型導電性を有するｍ面ＧａＮ基板の表面にオーミック電極を形成する電極形成工程を有するとともに、該電極工程の前に、該表面の仕上げ工程として前記（ａ１）〜（ａ３）のいずれかに記載の表面処理方法を用いた表面処理を該表面に施す表面処理工程を有する、半導体素子の製造方法。
（ａ５）前記ｎ型導電性を有するｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３である、半導体素子の製造方法。
【要約】
【課題】白色ＬＥＤ用の励起光源に適したＧａＮ系発光ダイオード素子を提供すること。
【解決手段】ＧａＮ系発光ダイオード素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板と、該ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光ダイオード構造と、該ｍ面ＧａＮ基板の裏面に形成されたｎ側オーミック電極とを有し、当該発光ダイオード素子に印加される順方向電流が２０ｍＡのときの順方向電圧が４．０Ｖ以下である。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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