(57)【要約】【課題】放熱性に優れているとともに適切に製造することが可能である半導体発光素子を提供する。【解決手段】支持基板１と、支持基板１に支持されたｐ−ＧａＮ層２と、支持基板１に対してｐ−ＧａＮ層２よりも離間した位置に配置されたｎ−ＧａＮ層４と、ｐ−ＧａＮ層２とｎ−ＧａＮ層４との間に配置された活性層３と、を備える半導体発光素子Ａであって、支持基板１は、その厚さｔ1が２００μｍ以上、１０００μｍ以下である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板に支持されたｐ型半導体層と、
上記基板に対して上記ｐ型半導体層よりも離間した位置に配置されたｎ型半導体層と、
上記ｐ型半導体層と上記ｎ型半導体層との間に配置された活性層と、を備える半導体発光素子であって、
上記基板は、その厚さが２００μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
上記基板は、ＣｕまたはＡｌＮからなる、請求項１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、半導体層を有する半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体発光素子の製造方法の一つとして、サファイア基板に半導体層を成膜した後に、上記半導体層のうち上記サファイア基板とは反対側部分に支持基板を接合し、レーザ光による加熱を利用して上記サファイア基板を剥離するという手法が用いられている（たとえば特許文献１参照。）。図７は、このような製造方法によって製造された半導体発光素子の一例を示している。同図に示された半導体発光素子Ｘは、ｐ側電極９１ａが形成された支持基板９１上に、半導体層としてのｐ−ＧａＮ層９２、活性層９３、およびｎ−ＧａＮ層９４が積層された構造とされている。ｎ−ＧａＮ層９４の上面にはｎ側電極９４ａが形成されている。ｐ−ＧａＮ層９２からの正孔とｎ−ＧａＮ層９４からの電子が活性層９３において再結合することにより、半導体発光素子Ｘの発光がなされる。
【０００３】
しかしながら、半導体発光素子Ｘを製造する際には、主に支持基板９１の厚さに起因すると考えられる不具合が発生することが、発明者の研究によって明らかになってきた。まず、支持基板９１の厚さが薄すぎると、半導体発光素子Ｘの製造中に支持基板９１が割れてしまうことがある。これは、半導体発光素子Ｘの歩留まりを下げる要因となる。また、半導体発光素子Ｘを複数個取りすることが可能であるサイズの支持基板９１を用いて半導体発光素子Ｘを製造する場合、支持基板９１はダイシングテープに貼付された状態でダイシングされる。この際、支持基板９１が厚すぎると、上記ダイシングテープから支持基板９１が剥がれてしまうことがある。これらに加えて、支持基板９１は、半導体発光素子Ｘが使用されたときに発する熱を適切に放散させる機能を発揮することも望まれる。従来の半導体発光素子Ｘにおいては、支持基板９１の厚さを設定する際に、これらの問題点はほとんど考慮されていなかった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６８８２０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、放熱性に優れているとともに適切に製造することが可能である半導体発光素子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ｐ型半導体層と、上記基板に対して上記ｐ型半導体層よりも離間した位置に配置されたｎ型半導体層と、上記ｐ型半導体層と上記ｎ型半導体層との間に配置された活性層と、を備える半導体発光素子であって、上記基板は、その厚さが２００μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、上記基板の厚さを２００μｍ以上とすることにより、上記半導体発光素子の製造工程において上記基板が不意に割れてしまうことを防止することができる。また、上記基板の厚さを１０００μｍ以下とすることにより、上記半導体発光素子を複数個取りできるサイズの上記基板にダイシングテープを貼付した状態で、上記基板にダイシングを施す際に、上記基板が上記ダイシングテープから剥がれてしまうことを回避することができる。以上より、上記半導体発光素子の製造工程における歩留まりを向上させつつ、上記半導体発光素子をスムーズに製造することができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記基板は、ＣｕまたはＡｌＮからなる。このような構成によれば、上記半導体発光素子が使用されるときに発生する熱を上記基板を介して適切に放散することが可能である。したがって、上記半導体発光素子が過度に高温となることを防止することができる。
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、本発明に係る半導体発光素子の一実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａは、支持基板１、ｐ側電極２１、反射層２２、マスク層２３、ＺｎＯ電極２４、ｐ−ＧａＮ層２、活性層３、ｎ−ＧａＮ層４、およびｎ側電極４１を備えており、たとえば青色光または緑色光などを発光可能に構成されている。
【００１２】
支持基板１は、ｐ側電極２１、反射層２２、マスク層２３、ＺｎＯ電極２４、ｐ−ＧａＮ層２、活性層３、ｎ−ＧａＮ層４、およびｎ側電極４１を支持している。支持基板１は、たとえばＣｕまたはＡｌＮなどの熱伝導率が高い材質によって形成されている。支持基板１の厚さｔ1は、２００〜１０００μｍとされている。
【００１３】
ｐ側電極２１は、支持基板１の図中上面の全面にわたって形成されている。ｐ側電極２１は、たとえばＡｕ−ＳｎまたはＡｕからなる。
【００１４】
反射層２２は、図中上方から順にたとえばＡｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが積層された構造とされている。比較的反射率が高いＡｌからなる層を有することにより、反射層２２は、活性層３から発せられた光を図中上方に向けて反射可能とされている。また、反射層２２は、ｐ側電極２１とＺｎＯ電極２４とを導通させている。上記Ａｌに代えてＡｇを用いてもよい。
【００１５】
マスク層２３は、後述する半導体発光素子Ａの製造工程において、ＺｎＯ電極２４、ｐ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｎ−ＧａＮ層４をエッチングする際にエッチングマスクとして用いられるものである。マスク層２３は、たとえばＳｉＯ2などの誘電体からなる。マスク層２３には、スルーホール２３ａが形成されている。スルーホール２３ａは、反射層２２とＺｎＯ電極２４とを接触させることにより互いに導通させるためのものである。
【００１６】
ＺｎＯ電極２４は、透明導電酸化物のひとつであるＺｎＯからなり、活性層３からの光を透過させつつ、ｐ−ＧａＮ層２と反射層２２とを導通させている。ＺｎＯ電極２４は、その抵抗率が約２×１０-4Ωｃｍと比較的低抵抗とされており、その厚さが１０００〜２００００Å程度とされている。
【００１７】
ｐ−ＧａＮ層２は、ｐ型のドーパントであるＭｇがドープされたＧａＮからなる層であり、本発明で言うｐ型半導体層の一例である。ｐ−ＧａＮ層２と活性層３との間には、アンドープのＧａＮ層（図示略）または１％程度のＩｎを含むＩｎＧａＮ層（図示略）が形成されている。
【００１８】
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層が積層された構造とされている。これらのＩｎＧａＮ層は、その組成がＩｎXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦０．３）であるものとＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ≦０．１、かつＹ≦Ｘ）であるものとの２種類とされている。ＩｎXＧａ1-XＮからなる層が井戸層であり、ＩｎYＧａ1-YＮからなる層がバリア層である。これらの井戸層とバリア層とは、交互に積層されている。活性層３とｎ−ＧａＮ層４との間には、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮとＧａＮとからなる超格子層（図示略）が形成されている。
【００１９】
ｎ−ＧａＮ層４は、ｎ型のドーパントであるＳｉがドープされたＧａＮからなる層であり、本発明で言うｎ型半導体層の一例である。ｎ−ＧａＮ層４の図中上面には、複数の凸部４ａが形成されている。凸部４ａは、コーン状とされている。本実施形態においては、凸部４ａの底部の幅Ｗｃは、活性層３から発せられる光のピーク波長をλ、ｎ−ＧａＮ層４の屈折率をｎとした場合に、幅Ｗｃの平均値Ｗｃ’がＷｃ’＝λ／ｎの関係を満たすものとされている。たとえば、活性層３からの光のピーク波長λが４６０ｎｍ、ｎ−ＧａＮ層４の屈折率ｎが約２．５である場合、Ｗｃ’は約１８４ｎｍ以上となる。また、本実施形態においては、凸部４ａの高さは、２μｍ程度とされている。ｎ−ＧａＮ層４には、ｎ側電極４１が形成されている。ｎ側電極４１は、たとえばｎ−ＧａＮ層４側から順にＡｌ、Ｔｉ、ＡｕまたはＡｌ、Ｍｏ、Ａｕが積層された構造となっている。
【００２０】
本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層４の厚さｔ2は、数式１によって決定されている。数式１の右辺第１項は、円筒座標系における電気抵抗とｐｎ接合された半導体の順方向電流電圧特性との関係からｎ側電極４１を中心としたｎ−ＧａＮ層４における電流の広がりを考慮した場合の厚さｔ２を規定する項であり、右辺第２項に置かれたｘは、上述した凸部４ａの高さに相当する補正項である。
【００２１】
【数１】
2007258337.tif 000003
ただし、０．１μｍ≦ｘ≦３．０μｍ
Ｌ：半導体発光素子Ａの代表長さ
Ｗ：ｎ側電極４１の代表長さ
Ｔ：絶対温度
ｊ0：ｎ側電極４１とｎ−ＧａＮ層４との接触部分における電流密度
ｅ：素電荷
γ：ダイオードの理想係数
κB：ボルツマン定数
ρ：ｎ−ＧａＮ層４の比抵抗
【００２２】
本実施形態においては、円形状とされたｎ側電極４１の直径Ｗが１００μｍ程度、矩形状とされたｎ−ＧａＮ層４の一辺の長さＬが２５０μｍ程度であることにより、ｎ−ＧａＮ層４の厚さｔが１．１μｍ程度とされている。なお、ｎ側電極４１および半導体発光素子Ａの代表長さとは、これらが円形状である場合にはその直径を指し、これらが矩形状である場合には、その一辺の長さを指す。
【００２３】
次に、半導体発光素子Ａの製造方法について、図２〜図６を参照しつつ、以下に説明する。
【００２４】
まず、サファイア基板５０をＭＯＣＶＤ法用の成長室内に載置する。この成長室内にＨ2ガスを供給しながら、この成長室内の温度を約１，０５０℃とすることにより、サファイア基板５０を洗浄する。
【００２５】
次に、図２に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、上記成長室内の温度である成膜温度を約６００℃とした状態で、サファイア基板５０上にＧａＮバッファ層（図示略）を形成し、この後に成膜温度を約１０００℃とした状態でＳｉをドーパントとするｎ−ＧａＮ層４、ＳｉをドーパントとするＩｎＧａＮ−ＧａＮの超格子層（図示略）、ＭＱＷ活性層３、およびアンドープのＧａＮ層または約１％のＩｎを含むＩｎＧａＮ層（図示略）を順次積層する。次いで、成長温度を若干上昇させた状態で、Ｍｇをドーパントとするｐ−ＧａＮ層２を形成する。ｐ−ＧａＮ層２には、Ｍｇを活性化させるためのアニールを施す。そして、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法を用いて、ＺｎＯ電極２４を形成する。この後に、ＳｉＯ2からなるマスク層２３を形成する。
【００２６】
次に、図３に示すように、フォトリソグラフィー技術によりレジスト膜５１を形成する。この後に、レジスト膜５１をマスクとして、エッチングによりマスク層２３にパターニングを施す。そして、レジスト膜５１を除去する。マスク層２３を用いたＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチングによりＺｎＯ電極２４からｎ−ＧａＮ層４までをメサエッチングする。
【００２７】
次に、図４に示すように、ＣＦ4ガスを用いたドライエッチングにより、マスク層２３に対してパターニングを施す。これにより、反射層２２とＺｎＯ電極２４とを接触させるためのスルーホール２３ａをマスク層２３に形成する。この際、ＺｎＯ電極２４はエッチングストッパーとして機能する。スルーホール２３ａを形成した後は、レジスト膜５２を形成する。また、ＡｌあるいはＡｇを蒸着させ、さらにＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次積層することにより金属層２２Ａを形成する。そして、レジスト膜５２と金属層２２Ａの一部とを除去することにより、反射層２２を形成する。
【００２８】
次に、図５に示すように、厚さｔ1が２００〜１０００μｍである支持基板１を用意し、この支持基板１上にＡｕ−ＳｎまたはＡｕからなるｐ側電極２１を形成する。このｐ側電極２１と反射層２２とを熱圧着によって接合する。この後に、約２４８ｎｍで発振するＫｒＦレーザをサファイア基板５０を透してｎ−ＧａＮ層４に向けて照射する。これにより、サファイア基板５０とｎ−ＧａＮ層４との界面（上述したＧａＮバッファ層（図示略））が急激に昇温される。そして、この界面付近のｎ−ＧａＮ層４と上記ＧａＮバッファ層とが溶解することとなり、サファイア基板５０を剥離することができる。この工程は、一般にＬＬＯ（Laser Lift Off）工程と呼ばれる。
【００２９】
次に、ｎ−ＧａＮ層４上にＡｌ、Ｔｉ、ＡｕまたはＡｌ、Ｍｏ、Ａｕからなる金属層（図示略）を形成する。この金属層に対してパターニングを施すことにより、図６に示すようにｎ側電極４１を形成する。サファイア基板５０が剥離された後のｎ−ＧａＮ層４の表面は、Ｇａ極性面ではなく、エッチングによって異方性が発生しやすいＮ極性面となっている。この状態で、ｎ−ＧａＮ層４を約６２℃の約４ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ溶液に浸漬させながら、約３．５Ｗ／ｃｍ2の紫外線（ＵＶ）光を約１０分間照射する。これにより、ｎ−ＧａＮ層４の表面に、底面の幅Ｗｃの平均値Ｗｃ’が上述した関係を満たす複数の凸部４ａを形成することができる。また、この結果、ｎ−ＧａＮ層４の厚さｔ2を、数式１の関係を満たすものとすることができる。
【００３０】
次に、半導体発光素子Ａの作用について説明する。
【００３１】
支持基板１の厚さｔ1を２００μｍ以上とすることにより、半導体発光素子Ａの製造工程において支持基板１が不意に割れてしまうことを防止することが可能である。これにより、半導体発光素子Ａの歩留まりを向上させることができる。また、半導体発光素子Ａの製造工程においては、複数個取りが可能であるサイズの支持基板１にダイシングテープを貼付した状態で、支持基板１にダイシングが施される。支持基板１の厚さｔ1を１０００μｍ以下とすることにより、上記ダイシングにおいて支持基板１を適度に撓ませることが可能であり、支持基板１が上記ダイシングテープから剥がれてしまうことを防止することができる。以上より、本実施形態の半導体発光素子Ａによれば、製造工程における歩留まりを向上させつつ、スムーズに製造することができる。
【００３２】
また、支持基板１は、ＣｕまたはＡｌＮによって形成されていることにより、比較的熱伝導率が高いものとされている。これにより、支持基板１は、半導体発光素子Ａが通電されることにより発生する熱を外部へと放散する機能を発揮する。したがって、半導体発光素子Ａが使用される際にその温度が過度に上昇することを回避することができる。
【００３３】
ｎ−ＧａＮ層４の厚さｔ2が数式１の関係を満たすものとされていることにより、ｎ側電極４１からの電流がｎ−ＧａＮ層４をその厚さ方向に通過する前に、この電流をｎ−ＧａＮ層４の面内方向に十分に広げることが可能である。これにより、ｎ−ＧａＮ層４、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層２それぞれの全域に電流を流すことができる。したがって、活性層３の全体を利用して合理的に発光させることが可能であり、半導体発光素子Ａの光量増加を図ることができる。
【００３４】
さらに、ｎ−ＧａＮ層４に複数の凸部４ａを設けることにより、活性層３からの光がｎ−ＧａＮ層４の表面によって全反射されることを抑制することができる。これにより、ｎ−ＧａＮ層４からの出射光量を増大させることが可能であり、半導体発光素子Ａの高輝度化を図ることができる。
【００３５】
本発明に係る半導体発光素子は、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の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００３６】
本発明で言うｎ型半導体層およびｐ型半導体層は、ｎ−ＧａＮ層およびｐ−ＧａＮ層に限定されず、活性層に電子および正孔を注入可能な半導体層であればよい。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一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体発光素子の製造工程において、サファイア基板に半導体層を積層する工程を示す断面図である。
【図３】図１に示す半導体発光素子の製造工程において、半導体層のエッチング工程を示す断面図である。
【図４】図１に示す半導体発光素子の製造工程において、反射層を形成する工程を示す断面図である。
【図５】図１に示す半導体発光素子の製造工程において、サファイア基板を剥離する工程を示す断面図である。
【図６】図１に示す半導体発光素子の製造工程において、複数の凸部を形成する工程を示す断面図である。
【図７】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】
Ａ      半導体発光素子
ｔ1    支持基板の厚さ
１      支持基板（基板）
２      ｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）
３      活性層
４      ｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）
２１    ｐ側電極
４１    ｎ側電極
２２    反射層
２３    マスク層
２４    ＺｎＯ電極
５０    サファイア基板
【図１】
2007258337.tif 000004
【図２】
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【図３】
2007258337.tif 000006
【図４】
2007258337.tif 000007
【図５】
2007258337.tif 000008
【図６】
2007258337.tif 000009
【図７】
2007258337.tif 000010