(57)【要約】【課題】コストを低減しながら、光の取り出し効率を向上させて高輝度化を実現し、且つ放熱性を改善して高出力動作を実現できるようにする。【解決手段】半導体発光装置は、基板１０１と、該基板１０１の上に成長により形成され、発光ダイオード構造を含む複数の窒化物半導体層１２０と、該窒化物半導体層１２０の上に形成されたｐ側高反射電極１０７とを有している。基板１０１には、窒化物半導体層１２０を露出する第１の開口部１０１ａが形成されており、ｐ側高反射電極１０７は、基板１０１における第１の開口部１０１ａ及び該第１の開口部１０１ａの周辺領域と対向するように形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に成長により形成され、活性層を含む複数の半導体層と、
前記半導体層の上に形成された第１の電極とを備え、
前記基板には、前記半導体層を露出する第１の開口部が形成されており、
前記第１の電極は、前記基板における前記第１の開口部及び該第１の開口部の周辺領域と対向するように形成され、前記第１の電極の平面積は、前記第１の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第１の電極は、前記複数の半導体層のうち一の導電型を持つ一の半導体層と電気的に接続されており、
前記複数の半導体層のうち他の導電型を持つ他の半導体層と電気的に接続された第２の電極をさらに備え、
前記第２の電極は、前記基板に形成された第２の開口部を介して前記第１の電極の反対側に引き出されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第２の電極は、前記他の半導体層上に平面くし型状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第２の開口部は、前記基板に複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第１の電極は、前記複数の半導体層のうち一の導電型を持つ一の半導体層と電気的に接続されており、
前記複数の半導体層のうち他の導電型を持つ他の半導体層と電気的に接続された第２の電極をさらに備え、
前記第２の電極は、前記第１の電極と同一の側に引き出されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第２の電極は、前記第１の電極の周辺部に位置するように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記第１の電極は厚さが１０μｍ以上の金属からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記半導体層における前記第１の開口部からの露出部分には、凹凸部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記凹凸部は、フォトニック結晶を構成していることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記第１の開口部の壁面は、前記半導体層から離れるにつれて開口径が拡大するテーパ状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１１】
前記第１の開口部の壁面上には反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１２】
前記反射膜は、金属膜又は該金属膜と絶縁膜との積層膜であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光装置。
【請求項１３】
前記金属膜はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光装置。
【請求項１４】
前記半導体層は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含み、
前記第１の電極は、前記ｐ型半導体層との間に、高濃度に不純物が添加されたｎ型低抵抗層を介在させて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１５】
前記第１の電極は、その一部にアルミニウムを含む反射層を有していることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光装置。
【請求項１６】
前記半導体層は、窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１７】
前記基板は、シリコンからなることを特徴とする請求項１又は１６に記載の半導体発光装置。
【請求項１８】
前記基板は、その主面の面方位が（１１１）面であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光装置。
【請求項１９】
基板の主面に凹凸部を形成する工程（ａ）と、
前記凹凸部が形成された前記基板の主面上に、活性層、導電型が互いに異なる第１の半導体層及び第２の半導体層を含む複数の半導体層を形成する工程（ｂ）と、
前記第１の半導体層の上に第１の電極を形成し、前記第２の半導体層の上に第２の電極を形成する工程（ｃ）と、
前記基板に前記凹凸部を露出する第１の開口部を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｄ）において、前記第１の開口部の開口位置は、前記第１の電極の中央部分に収まるように形成することを特徴とする請求項１９に記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項２１】
前記工程（ｄ）は、前記基板に前記第２の電極を露出する第２の開口部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項２２】
前記工程（ｄ）において、前記第１の開口部の壁面は、前記半導体層から離れるにつれて開口径が拡大するようにテーパ状に形成することを特徴とする請求項１９に記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項２３】
前記半導体層は、窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１９に記載の半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば短波長発光ダイオード素子に適用可能な半導体発光装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系III-Ｖ族窒化物半導体は、例えばＧａＮの場合、室温における禁制帯幅が３．４ｅＶと大きいことから、可視域発光ダイオード素子又は短波長半導体レーザ素子のような発光デバイスに応用できる。特に、発光ダイオード素子は、青緑色又は青色の出射光により蛍光材料を励起して発光する白色発光ダイオード素子が各種の表示用又はディスプレイ装置等で実用化されるに至っている。
【０００３】
今後も市場の拡大が予想されるＧａＮ系発光ダイオード素子は、これまで一般にはサファイアからなる基板上に有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:ＭＯＣＶＤ）法により結晶成長したエピタキシャル成長層が用いられている。サファイア基板の上に低温バッファ層を設けるヘテロエピタキシャル成長、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる多重量子井戸構造を有する活性層の成長、活性化アニール技術による低抵抗のｐ型ＧａＮ層の成長等の要素技術が確立された結果、ＧａＮ系発光ダイオード素子の特性の向上が図られてきている。
【０００４】
しかしながら、サファイア基板は導電性を有さない、放熱性が低い等の種々の問題があり、低動作電圧化又は高出力化には限界がある。このように、サファイア基板を用いるＧａＮ系発光デバイスの種々の問題を解決するために、例えばサファイア基板におけるＧａＮ系エピタキシャル層と反対側の面から高出力且つ短波長のパルスレーザ光を照射して、基板とエピタキシャル層との界面近傍におけるＧａＮ層を熱分解することにより、エピタキシャル成長層を分離する、いわゆるレーザリフトオフ技術が開発され、サファイア基板を分離した縦型構造を持つ発光ダイオード素子が実現されている。
【０００５】
この構成により、膜厚が比較的に厚い金めっき材、又は銅タングステン（ＣｕＷ）等からなり、放熱性に優れた金属保持基板をエピタキシャル層に張り合わせると、該金属保持基板を介して放熱が行なわれるため、高出力化が容易となる。また、エピタキシャル層の両面に電極を形成した縦型電極構造を採用できるため、直列抵抗及び動作電圧を低減できるので有利な構造である。今後はＧａＮ系発光ダイオード素子の高性能化に向けて、結晶成長用基板を分離した、いわゆるフリースタンディング構造の採用が不可欠になると考えられる。
【特許文献１】特開２００４−０８８０８３号公報
【非特許文献１】T.Ueda et al, Phys. Stat. Sol. 0, No.7 pp.2219-2222 (2003)
【非特許文献２】D.Morita et al, Jpn. J. Appl. Phys. 41 pp.L1434-1436 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体発光装置は、以下のような問題がある。例えば非特許文献１に記載された発光ダイオード素子は、金めっき材のみでダイオードチップを保持することになるため、ダイオードチップの強度が不足して実装時にチップ割れ等を生じるおそれがある。また、ｐ型半導体層側に高反射電極を設けることにより、光の取り出し効率を向上させてはいるものの、チップの横方向に漏れる漏れ光を取り出す手段を有しておらず、高輝度化には限界がある。
【０００７】
また、非特許文献２に記載されたＧａＮ系発光ダイオード素子は、エピタキシャル成長層をＣｕＷからなる保持基板に張り合わせた後に、結晶成長用のサファイア基板を分離している。従って、エピタキシャル層に保持基板を張り合わせる工程が追加されるため、チップのコスト低減には限界がある。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、化合物半導体、特にＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光装置において、コストを低減しながら、光の取り出し効率を向上させて高輝度化を実現し、且つ放熱性を改善して高出力動作を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光装置を、結晶成長用基板に半導体層を成長した後、結晶成長用基板に半導体層を露出する開口部を設け、半導体層における開口部と反対側の対向面に該開口部よりも面積が大きい電極を形成する構成とする。
【００１０】
さらに、半導体層における結晶成長用基板の開口部からの露出領域を凹凸状、さらにはフォトニック結晶構造としたり、開口部と対向する電極を高反射電極とすることにより、光の取り出し効率が大幅に向上する。また、電極に厚膜の金属膜を用いると、該金属膜を介して放熱性が向上して、高出力動作が可能となる。
【００１１】
具体的には、本発明に係る半導体発光装置は、基板と、基板の上に成長により形成され、活性層を含む複数の半導体層と、半導体層の上に形成された第１の電極とを備え、基板には半導体層を露出する第１の開口部が形成されており、第１の電極は、基板における第１の開口部及び該第１の開口部の周辺領域と対向するように形成され、第１の電極の平面積は、第１の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体発光装置によると、半導体層の成長用の基板を全面的に分離して除去するのではなく、基板に半導体層を露出する開口部を設けるため、該基板は半導体層の保持機能を維持できる。さらに、第１の電極は、基板における第１の開口部及び該第１の開口部の周辺領域と対向するように形成されているため、例えば第１の電極を高反射電極とすることにより、高輝度化を実現することができる。
【００１３】
本発明の半導体発光装置において、第１の電極は、複数の半導体層のうち一の導電型を持つ一の半導体層と電気的に接続されており、複数の半導体層のうち他の導電型を持つ他の半導体層と電気的に接続された第２の電極をさらに備え、第２の電極は、基板に形成された第２の開口部を介して第１の電極の反対側に引き出されていることが好ましい。このようにすると、第１の電極と第２の電極とが半導体層の両側に形成されるため、縦型デバイスとすることが可能となる。
【００１４】
この場合に、第２の電極は、他の半導体層上に平面くし型状に形成されていることが好ましい。このようにすると、半導体層に注入される電流の分布を均一にできるため、均一な高輝度発光を実現することができる。
【００１５】
また、この場合に、第２の開口部は基板に複数形成されていることが好ましい。このように、第２の電極に対して給電点を複数個形成することにより、チップ面積が大きくなった場合でも均一な電流分布及び均一な発光を実現できる。
【００１６】
本発明の半導体発光装置において、第１の電極は、複数の半導体層のうち一の導電型を持つ一の半導体層と電気的に接続されており、複数の半導体層のうち他の導電型を持つ他の半導体層と電気的に接続された第２の電極をさらに備え、第２の電極は、第１の電極と同一の側に引き出されていることが好ましい。このように、第１の電極及び第２の電極を半導体層の同一面側に設けると、例えばワイヤボンディングを用いずに実装基板に実装することができる。その上、ボンディングワイヤの影響を受けない光放射パターンを実現できる等、低い製造コストで且つ良好な光放射パターンを有する半導体発光装置を実現することが可能となる。
【００１７】
この場合に、第２の電極は第１の電極の周辺部に位置するように形成されていることが好ましい。このようにすると、注入電流の分布を均一にできるため、より均一な高輝度発光を実現することができる。
【００１８】
本発明の半導体発光装置において、第１の電極は厚さが１０μｍ以上の金属からなることが好ましい。このようにすると、第１の電極の半導体層を保持する保持力が高まるため、実装基板に実装する際にチップ割れ等が生じにくくなる。
【００１９】
本発明の半導体発光装置において、半導体層における第１の開口部からの露出部分には、凹凸部が形成されていることが好ましい。このようにすると、半導体層に形成された凹凸部により半導体層からの発光光のうち臨界角以上の反射により基板側に吸収される発光光を外部に有効に取り出せることができるため、光の取り出し効率が向上して、より高輝度の半導体発光装置を実現することができる。
【００２０】
この場合に、凹凸部はフォトニック結晶を構成していることが好ましい。このようにすると、光の取り出し効率を大幅に向上することができる。
【００２１】
さらにこの場合に、第１の開口部の壁面は、半導体層から離れるにつれて開口径が拡大するテーパ状であることが好ましい。このようにすると、半導体層からの発光光が第１の開口部におけるテーパ状の壁面に反射して垂直方向に効率的に取り出されるため、光の取り出し効率が向上する。
【００２２】
本発明の半導体発光装置において、第１の開口部の壁面上には反射膜が形成されていることが好ましい。このようにすると、発光輝度をさらに高めることができる。
【００２３】
この場合に、反射膜は、金属膜又は該金属膜と絶縁膜との積層膜であることが好ましい。このようにすると、反射膜の劣化を防止できるため、信頼性が向上する。
【００２４】
さらにこの場合に、金属膜はアルミニウムを含むことが好ましい。このように、広い波長範囲で高い反射率を有するアルミニウムを反射膜の少なくとも一部に用いることにより、より広い波長範囲で高輝度の半導体発光装置を実現することができる。
【００２５】
本発明の半導体発光装置において、半導体層はｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含み、第１の電極は、ｐ型半導体層との間に、高濃度に不純物が添加されたｎ型低抵抗層を介在させて形成されていることが好ましい。このようにすると、第１の電極はトンネル接合を用いて取り出されるため、例えばｐ型半導体層における抵抗が大きいＧａＮ系半導体の場合は、半導体層における横方向の電流の拡がりを促進できるので、より均一な高輝度発光を実現することができる。
【００２６】
この場合に、第１の電極はその一部にアルミニウムを含む反射層を有していることが好ましい。このようにすると、例えばトンネル接合を有するＧａＮ系半導体発光装置は、高濃度ｎ型半導体層に設けるオーミック電極として反射率が高いアルミニウムを用いることができるため、高い反射率を有する電極により、光の取り出し効率が向上する。
【００２７】
本発明の半導体発光装置において、半導体層は窒化物半導体からなることが好ましい。このようにすると、可視域及び紫外域にわたる広い波長範囲又は白色で発光する高輝度且つ高出力動作が可能な半導体発光装置を実現できる。
【００２８】
本発明の半導体発光装置において、基板はシリコンからなることが好ましい。このようにすると、シリコンはサファイア等と比べて安価であるため、より低コストで高輝度且つ高出力動作が可能な半導体発光装置を実現できる。
【００２９】
この場合に、基板はその主面の面方位が（１１１）面であることが好ましい。このようにすると、例えばＧａＮ系半導体を、主面の面方位が（１１１）面である基板の上にエピタキシャル成長した場合には、成長する半導体層にはその成長面に結晶性に優れた（０００１）面が形成されるため、より高輝度且つ高出力動作が可能となる。
【００３０】
本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、基板の主面に凹凸部を形成する工程（ａ）と、凹凸部が形成された基板の主面上に、活性層、導電型が互いに異なる第１の半導体層及び第２の半導体層を含む複数の半導体層を形成する工程（ｂ）と、第１の半導体層の上に第１の電極を形成し、第２の半導体層の上に第２の電極を形成する工程（ｃ）と、基板に凹凸部を露出する第１の開口部を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
【００３１】
本発明の半導体発光装置の製造方法によると、凹凸部を基板に形成することにより、成長した半導体層に凹凸部を形成する後工程が不要となる。また、基板を半導体層から分離しないため、半導体層をそのまま保持することができる。このため、他の保持基板を張り合わせる工程等が不要となるので、製造コストを低減できる。その上、基板に形成された第１の開口部から凹凸部が転写された半導体層が露出するため、光の取り出し効率を大幅に向上できると共に、第１の電極を介して放熱を行なえるので、高出力化が可能となる。
【００３２】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、工程（ｄ）において、第１の開口部の開口位置は、第１の電極の中央部分に収まるように形成することが好ましい。このようにすると、例えば第１の電極を高反射電極とすることにより、高輝度化を実現することができる。
【００３３】
本発明の半導体発光装置の製造方法において、工程（ｄ）は、基板に第２の電極を露出する第２の開口部を形成する工程を含むことが好ましい。このようにすると、第１の電極と第２の電極とが半導体層の両側に形成できるため、縦型デバイスとすることが可能となる。
【００３４】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、工程（ｄ）において、第１の開口部の壁面は、半導体層から離れるにつれて開口径が拡大するようにテーパ状に形成することが好ましい。このようにすると、半導体層からの発光光が第１の開口部におけるテーパ状の壁面に反射して垂直方向に効率的に取り出されるため、光の取り出し効率が向上する。
【００３５】
本発明の半導体発光装置の製造方法において、半導体層は窒化物半導体からなることが好ましい。このようにすると、可視域及び紫外域にわたる広い波長範囲又は白色で発光する高輝度且つ高出力動作が可能な半導体発光装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の半導体発光装置及びその製造方法によると、製造工程を簡単化しながら、光の取り出し効率が向上して高輝度化が実現され、且つ放熱性が向上して高出力動作を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置であって、青色又は緑色等の短波長発光が可能なＧａＮ系発光ダイオード素子の平面構成及び底面構成を示し、図２は図１（ａ）及び図１（ｂ）のそれぞれII−II線における断面構成を示している。
【００３９】
図２に示すように、例えば、厚さが約３０μｍの金（Ａｕ）めっきからなるｐ側電極パッド１１０の上には、厚さが約２００ｎｍの白金（Ｐｔ）からなるｐ側高反射電極１０７が形成され、該ｐ側高反射電極１０７の上には、厚さが５ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０６、厚さが２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１０５、例えばＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる井戸層及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる障壁層が３周期分積層されてなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０４、厚さが５００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、並びに厚さが１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１０２が順次形成されて、エピタキシャル半導体層１２０が構成されている。また、バッファ層１０２の上面には、凹凸部１０２ａが周期的に形成されている。
【００４０】
バッファ層１０２の上には、該バッファ層１０２の凹凸部１０２ａを露出する第１の開口部１０１ａを有するシリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１が形成されている。
【００４１】
ｐ型コンタクト層１０６、ｐ型クラッド層１０５及びＭＱＷ活性層１０４はその一部が選択的に除去されて、除去された段差部分にｎ型クラッド層１０３が露出されている。ｎ型クラッド層１０３の露出領域には、ｎ型クラッド層１０３側から形成されたチタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）の積層膜からなるｎ側オーミック電極１０８が形成されている。ここでは、ｎ側オーミック電極１０８は、図１（ａ）に示すように、平面くし型状に配置されることが望ましい。このようにすると、平面くし型状のｎ側オーミック電極１０８から注入される電流が均一に分布するため、得られる発光光を均一にすることができる。
【００４２】
また、図２に示すように、ｎ側オーミック電極１０８とｐ側電極パッド１１０との間には、例えば厚さが３００ｎｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなるパッシベーション膜１０９が形成されており、ｎ側オーミック電極１０８とｐ側電極パッド１１０とが電気的に分離されている。
【００４３】
前述したように、第１の実施形態に係る基板１０１は、バッファ層１０２の凹凸部１０２ａを露出する第１の開口部１０１ａが形成されていることから、チップの周縁部にのみ形成されている。後述するように、基板１０１はエピタキシャル半導体層１２０を形成する際の結晶成長用基板であって、成長したエピタキシャル半導体層１２０にｐ側高反射電極１０７、ｎ側オーミック電極１０８及びｐ側電極パッド１１０を形成した後、該基板１０１の中央部分を選択的に除去して第１の開口部１０１ａが形成されている。この第１の開口部１０１ａは、ＭＱＷ活性層１０４からの発光光の取り出し部となる。
【００４４】
基板１０１には、ｎ側オーミック電極１０８の一部を露出する複数の貫通孔（第２の開口部）１０１ｂが形成されており、形成された各貫通孔１０１ｂには、例えばＡｕめっきからなるｎ側電極パッド１１１がそれぞれ形成されている。
【００４５】
第１の実施形態においては、ＭＱＷ活性層１０４の組成として、発光波長が４７０ｎｍ程度の場合を示したが、井戸層におけるＩｎ組成を増減させるか又はＩｎＡｌＧａＮからなる４元混晶で構成することにより、例えば発光波長を３４０ｎｍから５５０ｎｍ程度にまで変更することが可能となる。
【００４６】
ｐ側高反射電極１０７は、ｐ型コンタクト層１０６と良好なオーミック特性を得られる程度に仕事関数が大きく、且つ発光波長に対して十分に大きい反射率を有する限りは、例えばロジウム（Ｒｈ）又は銀（Ａｇ）等の金属を用いることができる。
【００４７】
また、一変形例として、ｐ型コンタクト層１０６とｐ側高反射電極１０７との間にｎ＋型ＧａＮ層を設け、設けたｎ＋型ＧａＮ層とｐ型コンタクト層１０６とにより、いわゆるトンネル接合を形成してもよい。この場合には、ｐ側高反射電極１０７の構成材料として、白金（Ｐｔ）に代えてアルミニウム（Ａｌ）を用いてもよい。アルミニウムは、より広い波長帯で反射率が大きいため、より高輝度の発光ダイオード素子を得ることができる。
【００４８】
バッファ層１０２に形成される凹凸部１０２ａは、いわゆるフォトニック結晶が得られる周期条件及び深さで形成されていることが望ましい。凹凸部１０２ａをフォトニック結晶構造とすると、光の取り出し効率が向上して、輝度をより高めることができる。例えば、第１の実施形態においては、凹凸部１０２ａは、凸部の形成周期が１μｍであって、径が０．５μｍで高さが１５０ｎｍの円柱状に形成され、これらが六方格子状に配置されている。
【００４９】
シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１は、その主面上に良好な結晶構造を有するＧａＮ系半導体が形成可能な限りはいかなる面方位であってもよい。例えば、基板１０１の主面は、Ｓｉにおける好ましい面方位である（１１１）面、又は該（１１１）面に対してオフアングルを有する主面でもよい。
【００５０】
また、基板１０１は、例えば砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等のウェットエッチが容易な化合物半導体基板を用いることができる。これにより、基板１０１に対する第１の開口部１０１ａの形成が容易となる。また、基板１０１に炭化シリコン（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等の、格子定数がＧａＮ系半導体の格子定数と近い材料を用いれば、エピタキシャル半導体層１２０の結晶性がさらに向上するため、より高輝度の発光ダイオード素子を得ることができる。
【００５１】
また、第１の実施形態においては、従来のサファイア等からなる基板とは異なり、エピタキシャル半導体層１２０からの放熱はＡｕめっきからなるｐ側電極パッド１１０を通して行なえるようになる。
【００５２】
このように、第１の実施形態によると、結晶成長用の基板１０１をチップの周縁部に残すことにより、基板１０１にチップの保持機能を兼ねさせると共に、該基板１０１に設けた第１の開口部１０１ａから露出するエピタキシャル半導体層１２０、ここではバッファ層１０２にフォトニック結晶構造を持たせることにより、光の取り出し効率が向上して高輝度化を図ることができる。その上、前述したように、比較的に厚膜の金属からなるｐ側電極パッド１１０を通して放熱が可能となるため、より放熱性に優れ、高出力動作が可能な発光ダイオード素子を実現できる。また、結晶成長用の基板１０１を分離して他の材料からなる保持基板を張り合わせる張り合わせ工程が不要となるため、製造コストの低減をも図ることができる。
【００５３】
以下、前記のように構成された半導体発光装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００５４】
図３（ａ）〜図３（ｆ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００５５】
まず、図３（ａ）に示すように、例えば、主面の面方位が（１１１）面であるシリコンからなる基板１０１の主面上に、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、フォトニック結晶構造を有する凹凸部１０１ｃを形成する。ここで、形成されたフォトニック結晶構造は、図１（ａ）に示す平面構成を有し、その周期、形状及び深さは前述したとおりである。すなわち、凹凸部１０１ｃを構成するフォトニック結晶構造は、光の取り出し効率がより向上する寸法に設定されている。なお、基板１０１に形成される凹凸部１０１ｃは、後工程でバッファ層１０２に形成される凹凸部１０２ａを反転したパターンとなる。
【００５６】
続いて、主面に凹凸部１０１ｃが形成された基板１０１の主面上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、例えば、厚さが１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１０２、厚さが５００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる井戸層及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる障壁層を３周期分含むＭＱＷ活性層１０４、厚さが２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１０５、並びに厚さが５ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０６を順次成長してエピタキシャル半導体層１２０を形成する。このとき、バッファ層１０２には基板１０１の凹凸部１０１ｃが転写されて凹凸部１０２ａが形成される。この凹凸部１０２ａは、バッファ層１０２の厚さによってはその上に成長するｎ型クラッド層１０３にも形成される。
【００５７】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma:ＩＣＰ）エッチング等のドライエッチングにより、ｐ型コンタクト層１０６、ｐ型クラッド層１０５及びＭＱＷ活性層１０４に対して順次エッチングを行なうことにより、ｎ型クラッド層１０３を選択的に露出する。具体的には図１（ａ）に示すように、平面くし型状に露出する。
【００５８】
次に、図３（ｃ）に示すように、ｐ型コンタクト層１０６の上には、スパッタ法等により、Ｐｔからなるｐ側高反射電極１０７を選択的に形成する。また、露出したｎ型クラッド層１０３の上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側オーミック電極１０８を選択的に形成する。なお、ｐ側高反射電極１０７とｎ側オーミック電極１０８との形成順序は特に問われない。続いて、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により、ｐ側高反射電極１０７及びｎ側オーミック電極１０８を含めエピタキシャル半導体層１２０の上に全面にわたって、厚さが３００ｎｍのＳｉＯ２からなるパッシベーション膜１０９を形成する。その後、パッシベーション膜１０９におけるｐ側高反射電極１０７を覆う領域はエッチングにより選択的に除去する。
【００５９】
次に、図３（ｄ）に示すように、めっき法により、ｐ側高反射電極１０７及びパッシベーション膜１０９の上に、厚さが約３０μｍのＡｕめっきからなるｐ側電極パッド１１０を形成する。ここでは、図１（ｂ）に示すように、ｐ側電極パッド１１０におけるチップの周縁部は除去する。
【００６０】
次に、図３（ｅ）に示すように、基板１０１におけるバッファ層１０２の反対側の面から、バッファ層１０２に転写された凹凸部１０２ａを露出する第１の開口部１０１ａと、ｎ側オーミック電極１０８を露出する貫通孔１０１ｂを形成する。ここで、第１の開口部１０１ａ及び貫通孔１０１ｂの平面構成は図１（ａ）に示した通りである。なお、第１の開口部１０１ａ及び貫通孔１０１ｂは、基板１０１に対しては、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いた電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）プラズマエッチング等のドライエッチング、又はフッ酸（ＨＦ）及び硝酸（ＨＮＯ３）の混合液によるウェットエッチング等により形成することができる。また、エピタキシャル半導体層１２０に貫通孔１０１ｂを形成する際には、塩素（Ｃｌ２）ガスを用いたＩＣＰエッチングを用いることができる。
【００６１】
次に、図３（ｆ）に示すように、例えばＡｕめっき等により、貫通孔１０１ｂを埋めるようにｎ側電極パッド１１１を形成する。ｎ側電極パッド１１１は、図１（ａ）に示すように、例えばチップの角部に形成されている。このように、ｎ側電極パッド１１１の形成位置は、発光領域の面積を大きくでき且つ基板１０１によるチップの保持力が損なわれない位置であることが望ましい。
【００６２】
なお、第１の実施形態においては、ＡｌＮからなるバッファ層１０２の上にｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３を直接に設けたが、バッファ層１０２とｎ型クラッド層１０３との間に、ＡｌＮ／ＧａＮからなる周期構造を持つ積層半導体又はＡｌＧａＮからなり互いの組成が異なる周期構造を持つ積層半導体を設けてもよい。このようにすると、エピタキシャル半導体層１２０の結晶性が向上する。なお、この場合は、発光ダイオード素子としての直列抵抗をより小さくするために、周期構造を持つ積層半導体には、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型ドーパントをドーピングして、より低抵抗のｎ型積層半導体とすることが望ましい。
【００６３】
以上説明したプロセスフローにより、図１及び図２に示す発光ダイオード構造を作製することができる。
【００６４】
なお、他の変形例として、基板１０１に第１の開口部１０１ａ及び貫通孔１０１ｂを形成する工程の前工程又は後工程において、ｐ側電極パッド１１０に、例えば銅タングステン（ＣｕＷ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）等の放熱性に優れた窒化物半導体と異なる異種基板を張り合わせてもよい。このようにすると、放熱性がさらに改善されるため、より高出力動作が可能となる。
【００６５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００６６】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置であって、青色又は緑色等の短波長発光が可能なＧａＮ系発光ダイオード素子の平面構成及び底面構成を示し、図５は図４（ａ）及び図４（ｂ）のそれぞれＶ−Ｖ線における断面構成を示している。
【００６７】
第１の実施形態に係る半導体発光装置との相違点は、ｎ側電極パッド２１１がｐ側電極パッド２１０と同一面側に形成されている点、及び基板２０１に形成された開口部２０１ａが基板２０１から離れるにつれて開口径が大きくなるテーパ状の断面形状を有している点である。基板２０１に設けた断面テーパ状の開口部２０１ａにより、エピタキシャル半導体層２２０における発光領域からの発光光を上方（ｐ側電極パッド２１０の反対側）に高効率に反射させることができるため、光の取り出し効率をより一層向上させることができる。
【００６８】
具体的には、図５に示すように、例えば、厚さが約３０μｍのＡｕめっきからなるｐ側電極パッド２１０の上には、厚さが約２００ｎｍのＰｔからなるｐ側高反射電極２０７が形成され、該ｐ側高反射電極２０７の上には、厚さが５ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０６、厚さが２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層２０５、例えばＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる井戸層及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる障壁層が３周期分積層されてなるＭＱＷ活性層２０４、厚さが５００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層２０３、並びに厚さが１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層２０２が順次形成されて、エピタキシャル半導体層２２０が構成されている。また、バッファ層２０２の上面には、凹凸部２０２ａが周期的に形成されている。
【００６９】
バッファ層２０２の上には、テーパ状の断面を持ち、且つバッファ層２０２の凹凸部１０２ａを露出する開口部２０１ａを有するシリコン（Ｓｉ）Ｓｉからなる基板２０１が形成されている。
【００７０】
ｐ型コンタクト層２０６、ｐ型クラッド層２０５及びＭＱＷ活性層２０４はその周縁部が選択的に除去されて、除去された段差部分にｎ型クラッド層２０３が露出されている。ｎ型クラッド層２０３の露出領域には、ｎ型クラッド層２０３側から形成されたＴｉ及びＡｌの積層膜からなるｎ側オーミック電極２０８が形成されている。
【００７１】
また、ｎ側オーミック電極２０８とｐ側電極パッド２１０との間には、例えば厚さが３００ｎｍ程度のＳｉＯ２からなるパッシベーション膜２０９が形成されており、ｎ側オーミック電極２０８とｐ側電極パッド２１０とが電気的に分離されている。
【００７２】
図４（ｂ）及び図５に示すように、ｎ側オーミック電極２０８におけるｎ型クラッド層２０３と反対側の面上には、Ａｕめっきからなるｎ側電極パッド２１１がｐ側電極パッド２１０の周囲に環状に形成されている。
【００７３】
前述したように、第２の実施形態に係る基板２０１は、バッファ層２０２の凹凸部２０２ａを露出する開口部２０１ａが形成されていることから、チップの周縁部にのみ形成されている。後述するように、基板２０１はエピタキシャル半導体層２２０を形成する際の結晶成長用基板であって、成長したエピタキシャル半導体層２２０にｐ側高反射電極２０７、ｎ側オーミック電極２０８及びｐ側電極パッド２１０を形成した後、該基板２０１の一部を選択的に除去して開口部２０１ａが形成されている。この開口部２０１ａは、ＭＱＷ活性層２０４からの発光光の取り出し部となる。
【００７４】
ここで、図５に示すように、基板２０１に形成される開口部２０１ａの断面形状は上方に広がるテーパ状であることが望ましい。このようにすると、ＭＱＷ活性層２０４からの発光光を上方へ効率良く反射させることにより、光の取り出し効率が向上するため、発光ダイオード素子の高輝度化を実現できる。
【００７５】
第１の実施形態においては、基板２０１の開口部２０１ａの壁面上及び基板２０１の周縁部上に、例えばＡｌとＳｉＯ２とがこの順に積層された反射膜２１２が形成されており、反射率を向上させている。
【００７６】
第２の実施形態においても、ＭＱＷ活性層２０４の組成として、発光波長が４７０ｎｍ程度の場合を示したが、井戸層におけるＩｎ組成を増減させるか又はＩｎＡｌＧａＮからなる４元混晶で構成することにより、例えば発光波長を３４０ｎｍから５５０ｎｍ程度にまで変更することが可能となる。
【００７７】
また、ｐ側高反射電極２０７は、金（Ａｕ）に代えて、例えばロジウム（Ｒｈ）又は銀（Ａｇ）等の金属を用いることができる。
【００７８】
バッファ層２０２に形成される凹凸部２０２ａは、いわゆるフォトニック結晶を得られる周期条件及び深さで形成されていることが望ましい。例えば、第２の実施形態においては、凹凸部２０２ａは、凸部の形成周期が１μｍであって、径が０．５μｍで高さが１５０ｎｍの円柱状に形成され、これらが六方格子状に配置されている。これにより、光の取り出し効率が向上して、より高輝度の発光ダイオード素子を得ることができる。
【００７９】
シリコンからなる基板２０１は、その主面上に良好な結晶構造を有するＧａＮ系半導体が形成可能な限りはいかなる面方位であってもよい。例えば、基板１０１の主面は、Ｓｉにおける好ましい面方位である（１１１）面、又は該（１１１）面に対してオフアングルを有する主面でもよい。
【００８０】
また、基板２０１は、例えばＧａＡｓ等のウェットエッチが容易な化合物半導体基板を用いることができる。また、基板２０１にＳｉＣ又はＧａＮ等の、格子定数がＧａＮ系半導体の格子定数と近い材料を用いれば、エピタキシャル半導体層２２０の結晶性がさらに向上するため、より高輝度の発光ダイオード素子を得ることができる。
【００８１】
また、第２の実施形態においても、従来のサファイア等からなる基板とは異なり、エピタキシャル半導体層２２０からの放熱はＡｕめっきからなるｐ側電極パッド２１０及びｎ側電極パッド２１１を通して行なえるようになる。
【００８２】
このように、第２の実施形態によると、結晶成長用の基板２０１をチップの周縁部に残すことにより、基板２０１にチップの保持機能を兼ねさせると共に、該基板２０１に設けた開口部２０１ａから露出するエピタキシャル半導体層２２０、ここではバッファ層２０２にフォトニック結晶構造を持たせることにより、光の取り出し効率が向上して高輝度化を図ることができる。その上、前述したように、比較的に厚膜の金属からなるｐ側電極パッド２１０及びｎ側電極パッド２１１を通して放熱が可能となるため、より放熱性に優れた高出力動作が可能な発光ダイオード素子を実現できる。また、結晶成長用の基板２０１を分離して他の材料からなる保持基板を張り合わせる張り合わせ工程が不要となるため、製造コストの低減をも図ることができる。
【００８３】
以下、前記のように構成された半導体発光装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００８５】
まず、図６（ａ）に示すように、例えば、主面の面方位が（１１１）面であるシリコンからなる基板２０１の主面上に、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、フォトニック結晶構造を有する凹凸部２０１ｂを形成する。ここで、形成されたフォトニック結晶構造は、図４（ａ）に示す平面構成を有し、その周期、形状及び深さは第１の実施形態と同様である。すなわち、凹凸部２０１ｂを構成するフォトニック結晶構造は、光の取り出し効率がより向上する寸法に設定されている。なお、基板２０１に形成される凹凸部２０１ｂは、後工程でバッファ層２０２に形成される凹凸部２０２ａを反転したパターンとなる。
【００８６】
続いて、主面に凹凸部２０１ｂが形成された基板２０１の主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、例えば、厚さが１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層２０２、厚さが５００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層２０３、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる井戸層及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる障壁層を３周期分含むＭＱＷ活性層２０４、厚さが２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層２０５、並びに厚さが５ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０６を順次成長して、エピタキシャル半導体層２２０を形成する。このとき、バッファ層２０２には基板２０１の凹凸部２０１ｂが転写されて凹凸部２０２ａが形成される。この凹凸部２０２ａは、バッファ層２０２の厚さによってはその上に成長するｎ型クラッド層２０３にも形成される。
【００８７】
次に、図６（ｂ）に示すように、例えばＩＣＰエッチング等のドライエッチングにより、ｐ型コンタクト層２０６、ｐ型クラッド層２０５及びＭＱＷ活性層２０４に対して順次エッチングを行なうことにより、ｎ型クラッド層２０３を選択的に露出する。具体的には図４（ｂ）に示すように、チップの周縁部を環状に露出する。
【００８８】
次に、図６（ｃ）に示すように、ｐ型コンタクト層２０６の上には、スパッタ法等により、Ｐｔからなるｐ側高反射電極２０７を選択的に形成する。また、環状に露出したｎ型クラッド層２０３の上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側オーミック電極２０８を選択的に形成する。なお、ｐ側高反射電極２０７とｎ側オーミック電極２０８との形成順序は特に問われない。続いて、ＣＶＤ法により、ｐ側高反射電極２０７及びｎ側オーミック電極２０８を含めエピタキシャル半導体層２２０の上に全面にわたって、厚さが３００ｎｍのＳｉＯ２からなるパッシベーション膜２０９を形成する。その後、パッシベーション膜１０９におけるｐ側高反射電極２０７及びｎ側オーミック電極２０８を覆う領域はエッチングにより選択的に除去する。
【００８９】
次に、図６（ｄ）に示すように、めっき法により、ｐ側高反射電極２０７及びｎ側オーミック電極２０８の上に、厚さが約３０μｍのＡｕめっきからなるｐ側電極パッド２１０とその周囲にｎ側電極パッド２１１をそれぞれ形成する。
【００９０】
次に、図６（ｅ）に示すように、基板２０１におけるバッファ層２０２の反対側の面から、バッファ層２０２に転写された凹凸部２０２ａを露出する、断面テーパ状の開口部２０１ａを形成する。ここで、開口部２０１ａは、第１の実施形態で用いたＥＣＲプラズマエッチング等のドライエッチング又はＨＦ及びＨＮＯ３の混酸によるウェットエッチング等により形成することができる。但し、第２の実施形態においては、開口部２０１ａの断面が上方に広がるテーパ状とするために、ドライエッチングを用いる場合には、化学反応がより促進されるように、例えばエッチング時の圧力を通常よりも高く設定することが好ましい。なお、エッチングマスクに用いるレジスト膜自体を断面テーパ状に形成することによっても、開口部２０１ａの壁面をテーパ状とすることは可能である。
【００９１】
続いて、スパッタ法等により、基板２０１の上面及び開口部２０１ａの壁面上に、Ａｌからなる金属膜を選択的に堆積し、その後、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２からなる絶縁膜を選択的に堆積して、金属膜及び絶縁膜から反射膜２１２を形成する。ここでは、反射膜２１２に、Ａｌからなる金属膜を用いたが、発光波長に対して大きい反射率を有する限りはＡｌに代えて、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）等を用いることができる。また、金属膜の上に積層する絶縁膜は金属膜の劣化を防止するために形成されており、発光光を透過し得る限りは、ＳｉＯ２に代えて、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）等の他の絶縁膜（誘電体膜）を用いることができる。
【００９２】
なお、第２の実施形態においても、ＭＱＷ活性層２０４等の結晶性を向上するために、バッファ層２０２とｎ型クラッド層２０３との間に、ＡｌＮ／ＧａＮからなる周期構造を持つ積層半導体又はＡｌＧａＮからなり互いの組成が異なる周期構造を持つ積層半導体を設けてもよい。
【００９３】
以上説明したプロセスフローにより、図４及び図５に示す発光ダイオード構造を作製することができる。
【００９４】
なお、一変形例として、基板２０１に開口部２０１ａを形成する工程の前工程又は後工程において、ｐ側電極パッド２１０に、例えばＣｕＷ、ＡｌＮ又はＳｉＣ等の放熱性に優れた窒化物半導体と異なる異種基板を張り合わせてもよい。このようにすると、放熱性がさらに改善されるため、より高出力動作が可能となる。
【００９５】
また、第１の実施形態及び第２の実施形態においては、発光ダイオード構造を構成する化合物半導体は、III族窒化物に限られず、例えば砒化ガリウム（ＧａＡｓ）又は燐化インジウム（ＩｎＰ）等の発光ダイオード構造を実現し得る、いかなる半導体であってもよい。
【００９６】
また、エピタキシャル半導体層の成長用基板についても、良好な結晶成長を実現でき、且つ加工性に優れた材料である限りは、いかなる種類の基板であってもよい。また、基板の主面の面方位も特に限られず、典型的な面方位に対してオフアングルが付けられた面方位であってもよい。
【００９７】
また、エピタキシャル半導体層の結晶成長方法はＭＯＣＶＤ法に限られず、例えば、分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法又はＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法を用いてもよく、また、複数の半導体層のうちの一部の半導体層にＭＢＥ又はＨＶＰＥ法を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明に係る半導体発光装置及びその製造方法は、工程を簡単化しながら、光の取り出し効率が向上して高輝度化が実現され且つ放熱性が向上して高出力動作を実現でき、可視域若しくは紫外域又は白色光を生成可能な半導体発光ダイオード素子等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図２】図１（ａ）及び図１（ｂ）のII−II線における断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図５】図４（ａ）及び図４（ｂ）のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１０１    基板
１０１ａ  第１の開口部
１０１ｂ  貫通孔（第２の開口部）
１０１ｃ  凹凸部
１０２    バッファ層
１０２ａ  凹凸部
１０３    ｎ型クラッド層
１０４    多重量子井戸活性層
１０５    ｐ型クラッド層
１０６    ｐ型コンタクト層
１０７    ｐ側高反射電極
１０８    ｎ側オーミック電極
１０９    パッシベーション膜
１１０    ｐ側電極パッド
１１１    ｎ側電極パッド
１２０    エピタキシャル半導体層
２０１    基板
２０１ａ  開口部
２０１ｂ  凹凸部
２０２    バッファ層
２０２ａ  凹凸部
２０３    ｎ型クラッド層
２０４    多重量子井戸活性層
２０５    ｐ型クラッド層
２０６    ｐ型コンタクト層
２０７    ｐ側高反射電極
２０８    ｎ側オーミック電極
２０９    パッシベーション膜
２１０    ｐ側電極パッド
２１１    ｎ側電極パッド
２１２    反射膜
２２０    エピタキシャル半導体層
【図１】
2007235122.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007235122.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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