(57)【要約】【課題】サファイア基板の熱放出能力を向上させることで、熱による素子の特性低下を阻止でき、かつ素子の発光効率を増大させ得る窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも１つの溝２０８が下部に形成されたサファイア基板２０１と、前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に形成されるが、前記サファイア基板より熱伝導度の高い熱伝導層２０９と、前記サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層２０２と、前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に形成された活性層２０３及びｐ型窒化物半導体層２０４と、前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にそれぞれ形成されたｐ型電極２０６及びｎ型電極２０７とを備える。【選択図】        図２
2007096300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの溝が下部に形成されたサファイア基板と、
前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に形成されるが、前記サファイア基板より熱伝導度の高い熱伝導層と、
前記サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に形成された活性層及びｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にそれぞれ形成されたｐ型電極及びｎ型電極と、
を備える窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
少なくとも１つの溝が下部に形成されたサファイア基板と、
前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に形成されるが、前記サファイア基板より反射度の高い反射層と、
前記サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に形成された活性層及びｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にそれぞれ形成されたｐ型電極及びｎ型電極と、
を備える窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項３】
前記サファイア基板と前記熱伝導層との間に形成されるが、前記サファイア基板より反射度の高い反射層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】
前記熱伝導層が、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，ＳｉＣ，ＡｌＮ、ソルダーペースト及び熱伝導性高分子からなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする請求項１又は３に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】
前記熱伝導層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする請求項１、３又は４に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項６】
前記反射層が、Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ，Ａｕ，Ｃｒ及びＰｔからなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項７】
前記反射層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする請求項２、３又は６に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項８】
前記溝が、フェムト秒レーザーにより形成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項９】
前記溝の直径が、５μｍ〜９００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記溝が、前記サファイア基板の下面から５μｍ乃至前記サファイア基板及び前記ｎ型窒化物半導体層の界面までの深さに形成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１１】
前記溝が複数である場合、前記溝が、互いに所定間隔で離隔されて形成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１２】
サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を順に形成するステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層、活性層、及びｎ型窒化物半導体層の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させるステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にｐ型電極及びｎ型電極をそれぞれ形成するステップと、
前記サファイア基板の下部に少なくとも１つの溝を形成するステップと、
前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に、前記サファイア基板より熱伝導度の高い熱伝導層を形成するステップと、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を順に形成するステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層、活性層、及びｎ型窒化物半導体層の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させるステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にｐ型電極及びｎ型電極をそれぞれ形成するステップと、
前記サファイア基板の下部に少なくとも１つの溝を形成するステップと、
前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に、前記サファイア基板より反射度の高い反射層を形成するステップと、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記溝を形成した後に、
前記溝を含む前記サファイア基板の下部表面に沿って、前記サファイア基板より反射度の高い反射層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記熱伝導層が、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，ＳｉＣ，ＡｌＮ、ソルダーペースト及び熱伝導性高分子からなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする請求項１２又は１４に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記熱伝導層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする請求項１２、１４又は１５に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記反射層が、Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ，Ａｕ，Ｃｒ及びＰｔからなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記反射層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする請求項１３、１４又は１７に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記溝が、フェムト秒レーザーにより形成されたことを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記溝が、５μｍ〜９００μｍの範囲の直径を有するように形成されることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記溝が、前記サファイア基板の下面から５μｍ乃至前記サファイア基板及び前記ｎ型窒化物半導体層の界面までの深さに形成されることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記溝が複数である場合、前記溝が、互いに所定間隔で離隔されて形成されたことを特徴とする請求項１２〜２１のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系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、窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、サファイア基板の熱放出能力を向上させることで、熱による素子の特性低下を阻止でき、かつ素子の発光効率を増大させ得る窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体は、優れた物理的・化学的特性により、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ：以下「ＬＥＤ」と記す）又はレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ：以下「ＬＤ」と記す）などの発光素子の核心素材として注目されつつある。ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体材料を利用したＬＥＤ又はＬＤは、青色又は緑色波長帯の光を得るための発光素子に多く用いられており、このような発光素子は、家電製品、電光板及び照明装置など、各種製品の光源として応用されている。ここで、前記ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体は、通常、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）の組成式を有するＧａＮ系物質からなる。
【０００３】
通常、前記ＧａＮ系物質を使用する窒化ガリウム系半導体発光素子は、ＧａＮのバルク単結晶体を形成することができないため、ＧａＮ結晶の成長に適した基板を用いなければならず、代表的にサファイア基板が用いられている。
【０００４】
以下、図１を参照し、従来の技術に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を詳細に説明する。
【０００５】
図１は、従来の技術に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【０００６】
図１に示すように、従来の技術に係る窒化ガリウム系半導体発光素子１００は、ＧａＮ系半導体物質の成長のためのサファイア基板１０１と、前記サファイア基板１０１上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層１０２と、活性層１０３と、ｐ型窒化物半導体層１０４と、を備え、前記ｐ型窒化物半導体層１０４及び活性層１０３は、メサエッチング（ｍｅｓａ  ｅｔｃｈｉｎｇ）工程により、その一部領域が除去されることから、前記ｎ型窒化物半導体層１０２の一部の上面を露出した構造を有する。
【０００７】
前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１０２，１０４及び活性層１０３は、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１である）を有する半導体物質であり得る。さらに詳細に、前記ｎ型窒化物半導体層１０２は、ｎ型導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、前記ｐ型窒化物半導体層１０４は、ｐ型導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができる。そして、前記活性層１０３は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造のＧａＮ／ＩｎＧａＮ層からなることができる。
【０００８】
前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層１０４上には、ｐ型電極１０６が形成されており、前記エッチング工程により露出されたｎ型窒化物半導体層１０２上には、ｎ型電極１０７が形成されている。前記ｐ型及びｎ型電極１０６，１０７は、Ａｕ又はＣｒ／Ａｕなどの金属物質からなることができる。
【０００９】
ここで、前記ｐ型窒化物半導体層１０４の上面に前記ｐ型電極１０６を形成する前に、電流注入面積を増加させ、かつオームコンタクトを形成するために、透明電極１０５が形成され得る。前記透明電極１０５は、主にＩＴＯからなる。
【００１０】
このような従来の技術に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、次の通りである。まず、サファイア基板１０１上にｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３及びｐ型窒化物半導体層１０４を順次成長させる。次に、前記ｐ型窒化物半導体層１０４、活性層１０３及びｎ型窒化物半導体層１０２の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層１０２の一部を露出させる。次に、前記ｐ型窒化物半導体層１０４上にＩＴＯ材質の透明電極１０５を形成する。その後に、前記透明電極１０５上にｐ型電極１０６を形成し、前記ｎ型窒化物半導体層１０２上にｎ型電極１０７を形成する。前記ｐ型及びｎ型電極１０６，１０７は、Ａｕ又はＡｕ／Ｃｒなどの金属を利用して形成できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述のような従来の技術に係る窒化ガリウム系半導体発光素子においては、前記サファイア基板１０１の熱抵抗が大きいことから、発光素子１００の内部から発生する熱が、前記サファイア基板１０１を介して外部に充分に放出できないという問題がある。これにより、ジャンクション温度（ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）が増加し、結局、素子の特性が低下され得る。特に、最近、中大型ＬＣＤバックライト又は照明などに適用される高電力発光素子の場合は、上記のような問題は、さらに深刻になり、発光効率の増大が求められ続けている。
【００１２】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サファイア基板の熱放出能力を向上させ、熱による素子の特性低下を阻止でき、素子の発光効率を増大させ得る窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成すべく、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、少なくとも１つの溝が下部に形成されたサファイア基板と、前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に形成されるが、前記サファイア基板より熱伝導度の高い熱伝導層と、前記サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に形成された活性層及びｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にそれぞれ形成されたｐ型電極及びｎ型電極と、を備える。
【００１４】
ここで、前記サファイア基板と前記熱伝導層との間に形成されるが、前記サファイア基板より反射度の高い反射層をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
そして、前記熱伝導層が、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，ＳｉＣ，ＡｌＮ、ソルダーペースト及び熱伝導性高分子からなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする。
【００１６】
また、前記熱伝導層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、少なくとも１つの溝が下部に形成されたサファイア基板と、前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に形成されるが、前記サファイア基板より反射度の高い反射層と、前記サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に形成された活性層及びｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にそれぞれ形成されたｐ型電極及びｎ型電極と、を備える。
【００１８】
ここで、前記反射層が、Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ，Ａｕ，Ｃｒ及びＰｔからなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする。
【００１９】
そして、前記反射層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする。
【００２０】
また、前記溝が、フェムト秒レーザーにより形成されたことを特徴とする。
【００２１】
また、前記溝の直径が、５μｍ〜９００μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２２】
また、前記溝が、前記サファイア基板の下面から５μｍ乃至前記サファイア基板及び前記ｎ型窒化物半導体層の界面までの深さに形成されたことを特徴とする。
【００２３】
また、前記溝が複数である場合、前記溝が、互いに所定間隔で離隔されて形成されたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法によれば、サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を順に形成するステップと、前記ｐ型窒化物半導体層、活性層、及びｎ型窒化物半導体層の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させるステップと、前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にｐ型電極及びｎ型電極をそれぞれ形成するステップと、前記サファイア基板の下部に少なくとも１つの溝を形成するステップと、前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に、前記サファイア基板より熱伝導度の高い熱伝導層を形成するステップと、を含む。
【００２５】
ここで、前記溝を形成した後に、前記溝を含む前記サファイア基板の下部表面に沿って、前記サファイア基板より反射度の高い反射層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２６】
そして、前記熱伝導層が、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，ＳｉＣ，ＡｌＮ、ソルダーペースト及び熱伝導性高分子からなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする。
【００２７】
また、前記熱伝導層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法によれば、サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を順に形成するステップと、前記ｐ型窒化物半導体層、活性層、及びｎ型窒化物半導体層の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させるステップと、前記ｐ型窒化物半導体層及び前記ｎ型窒化物半導体層上にｐ型電極及びｎ型電極をそれぞれ形成するステップと、前記サファイア基板の下部に少なくとも１つの溝を形成するステップと、前記溝を埋め込むように前記サファイア基板の下面に、前記サファイア基板より反射度の高い反射層を形成するステップと、を含む。
【００２９】
ここで、前記反射層が、Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ，Ａｕ，Ｃｒ及びＰｔからなる群の中から選択される何れかからなることを特徴とする。
【００３０】
そして、前記反射層が、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることを特徴とする。
【００３１】
また、前記溝が、フェムト秒レーザーにより形成されることを特徴とする。
【００３２】
また、前記溝が、５μｍ〜９００μｍの範囲の直径を有するように形成されることを特徴とする。
【００３３】
また、前記溝が、前記サファイア基板の下面から５μｍ乃至前記サファイア基板及び前記ｎ型窒化物半導体層の界面までの深さに形成されることを特徴とする。
【００３４】
また、前記溝が複数である場合、前記溝が、互いに所定間隔で離隔されて形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、サファイア基板の下部に溝を形成し、前記溝に熱伝導層及び反射層を形成することによって、サファイア基板の熱放出能力を高めて、熱による素子の特性低下を阻止でき、かつ活性層から基板へ向かう光の反射を起こして素子の発光効率を増大させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３７】
＜第１の実施の形態＞
窒化ガリウム系半導体発光素子の構造
図２及び図３を参考に、本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子について詳細に説明する。
【００３８】
図２及び図３は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【００３９】
まず、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子２００は、ＧａＮ系半導体物質の成長のためのサファイア基板２０１と、前記サファイア基板２０１上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３及びｐ型窒化物半導体層２０４を備え、前記ｐ型窒化物半導体層２０４及び活性層２０３は、メサエッチング工程によって、その一部領域が除去されることから、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の一部の上面を露出した構造を有する。
【００４０】
前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２，２０４、及び前記活性層２０３は、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１である）を有する半導体物質であり得る。さらに詳細に、前記ｎ型窒化物半導体層２０２は、ｎ型導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、前記ｐ型窒化物半導体層２０４は、ｐ型導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができる。また、前記活性層２０３は、多重量子井戸構造のＧａＮ／ＩｎＧａＮ層からなることができる。
【００４１】
前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層２０４上には、ｐ型電極２０６が形成されており、前記エッチング工程により露出されたｎ型窒化物半導体層２０２上には、ｎ型電極２０７が形成されている。前記ｐ型及びｎ型電極２０６，２０７は、Ａｕ又はＣｒ／Ａｕなどの金属物質からなることができる。そして、前記ｐ型窒化物半導体層２０４の上面に前記ｐ型電極２０６を形成する前に、ＩＴＯからなる透明電極２０５が形成されることができる。
【００４２】
ここで、本発明では、前記サファイア基板２０１の下部に少なくとも１つの溝２０８が形成されている。そして、前記溝２０８を埋め込むように前記サファイア基板２０１の下面に前記サファイア基板２０１より熱伝導度の高い熱伝導層２０９が形成されている。前記溝２０８を埋め込む前記熱伝導層２０９は、発光素子２００の内部から発生する熱がサファイア基板２０１を介して外部に充分に放出させる機能を果たす。これにより、前記サファイア基板２０１の熱放出能力が向上することができ、熱により素子の特性が低下することを阻止できる。
【００４３】
このとき、前記溝２０８は、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ）、ＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）、又はフェムト秒（ｆｅｍｔｏ−ｓｅｃｏｎｄ）レーザーなどにより形成されることができ、このうち、前記フェムト秒レーザーにより形成されることが最も好ましい。
【００４４】
前記フェムト秒レーザーは、パルス放射時間が１ピコ秒（ｐｉｃｏ−ｓｅｃｏｎｄ）以下の１０-13から１０-15秒程度である。一般に、前記フェムト秒レーザーのように極超短パルスレーザービームを加工物に放射すれば、材料の構成格子にマルチフォトン（ｍｕｌｔｉ  ｐｈｏｔｏｎ）現象が生じ、これによる原子の浮き現象がおきる間、光子が周囲の構成格子に熱を伝達する時間より入射パルスが短いため、加工物が加工される間、熱拡散による加工精度の低下と材質の物理、化学的変化などを防止でき、高精度の加工が可能となる。また、前記フェムト秒レーザーを利用した加工の際に、加工によるパーティクルなどの副産物がほとんど発生しないため、超音波洗浄などの副産物除去ステップが必要なくなる。
【００４５】
このようなフェムト秒レーザー加工により前記溝２０８が形成されるときに、前記溝２０８の断面状は、その加工方法によって、図２に示すようなシリンダー状を有することもでき、図３に示すように、台形状を有することもできる。また、前記溝２０８の断面状は、上記のような形状に限定されず、本発明の技術思想の範囲内で多様に変形できる。
【００４６】
前記溝２０８の直径は、５μｍ〜９００μｍの範囲のものが好ましい。ここで、前記溝２０８の直径が５μｍより小さい場合、上述のようなサファイア基板２０１の熱放出能力の向上効果を十分に得ることが困難となる。また、前記溝２０８は、通常のサファイア基板２０１の大きさを考慮する場合、９００μｍより大きく形成し難いため、上記の範囲の直径を有するように形成されることが好ましい。
【００４７】
そして、前記溝２０８は、前記サファイア基板２０１の下面から５μｍ乃至前記サファイア基板２０１及び前記ｎ型窒化物半導体層２０２の界面までの深さに形成されることが好ましい。このとき、前記溝２０８の深さが５μｍより小さい場合、窒化ガリウム系半導体発光素子２００の内部から発生する熱が、前記サファイア基板２０１を介して前記溝２０８内に形成された熱伝導層２０９まで到達し難いため、上記のような深さに形成されることが好ましい。また、前記溝２０８が複数である場合、前記溝２０８は、図面に示すように、互いに所定間隔で離隔されて形成されることが好ましい。
【００４８】
そして、前記サファイア基板２０１より熱伝導度の高い前記熱伝導層２０９として、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，ＳｉＣ，ＡｌＮ、ソルダーペースト及び熱伝導性高分子からなる群の中から選択される何れかが利用され得る。また、前記熱伝導層２０９は、電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）蒸着、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、熱蒸着、化学気相蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プリント（ｐｒｉｎｔｉｎｇ）及びスピンコート（ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｉｎｇ）からなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることができる。
【００４９】
窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法
以下では、本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００５０】
図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【００５１】
まず、図４Ａに示すように、ＧａＮ系半導体物質の成長のためのサファイア基板２０１上に、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３、及びｐ型窒化物半導体層２０４を順に形成する。
【００５２】
ここで、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２，２０４及び前記活性層２０３は、上記のように、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１である）を有する半導体物質から形成されることができる。さらに詳細に、前記ｎ型窒化物半導体層２０２は、ｎ型導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成されることができ、前記ｎ型導電形不純物には、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎなどを用い、好ましくは、Ｓｉを主に用いる。また、前記ｐ型窒化物半導体層２０４は、ｐ型導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成されることができ、前記ｐ型導電形不純物には、例えば、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｂｅなどを用い、好ましくは、Ｍｇを主に用いる。また、前記活性層２０３は、多重量子井戸構造のＧａＮ／ＩｎＧａＮ層で形成されることができる。
【００５３】
上記のようなｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２，２０４及び活性層２０３は、一般に、有機金属化学気相蒸着（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの工程により形成されることができる。
【００５４】
次に、図４Ｂに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４、活性層２０３及びｎ型窒化物半導体層２０２の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の一部を露出させる。その後、前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層２０４上にＩＴＯ材質の透明電極２０５を形成する。
【００５５】
その後、図４Ｃに示すように、前記透明電極２０５及び前記メサエッチング工程により露出されたｎ型窒化物半導体層２０２上にそれぞれｐ型電極２０６及びｎ型電極２０７を形成する。前記ｐ型及びｎ型電極２０６，２０７は、Ａｕ又はＡｕ／Ｃｒなどの金属を利用して形成できる。
【００５６】
その後、図４Ｄに示すように、前記サファイア基板２０１の下部に少なくとも１つの溝２０８を形成する。前記溝２０８は、上記のようなフェムト秒レーザーなどにより形成でき、その加工方法に応じて、図４Ｄに示すようなシリンダー状を初めとして、多様な断面状を有するように形成できる。そして、前記溝２０８は、５μｍ〜９００μｍの範囲の直径を有するように形成することが好ましい。また、前記溝２０８は、前記サファイア基板２０１の下面から５μｍ乃至前記サファイア基板２０１及び前記ｎ型窒化物半導体層２０２の界面までの深さに形成することが好ましく、前記溝２０８が複数である場合、前記溝２０８は、互いに所定間隔で離隔されるように形成することが好ましい。
【００５７】
その後に、図４Ｅに示すように、前記溝２０８を埋め込むように前記サファイア基板２０１の下面に、前記サファイア基板２０１より熱伝導度の高い熱伝導層２０９を形成する。前記熱伝導層２０９は、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，ＳｉＣ，ＡｌＮ、ソルダーペースト及び熱伝導性高分子からなる群の中から選択される何れかで形成することが好ましい。また、前記熱伝導層２０９は、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートで構成された群の中から選択される何れかを利用して形成できる。ここで、前記溝２０８を埋め込む前記熱伝導層２０９により、発光素子２００の内部から発生する熱が前記サファイア基板２０１を介して外部に充分に放出できる。
【００５８】
上記のような本発明の第１の実施の形態によれば、サファイア基板２０１の下部に形成された溝２０８に熱伝導層２０９を形成することによって、前記サファイア基板２０１の熱放出能力を高めることができることから、熱による素子の特性低下を阻止できる。
【００５９】
＜第２の実施の形態＞
窒化ガリウム系半導体発光素子の構造
図５を参考に、本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子について説明する。但し、第２の実施の形態の構成のうち、第１の実施の形態と同一の部分についた説明は省略し、第２の実施の形態において変わる構成についてのみ詳述する。
【００６０】
同図は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【００６１】
同図に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子３００は、第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子２００とほとんどの構成が同じであり、但し、前記溝３０８を埋め込むように前記サファイア基板３０１の下面に形成される層が、熱伝導層２０９ではない反射層３０９という点のみが第１の実施の形態と相違する。
【００６２】
すなわち、本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子３００は、サファイア基板３０１と、該サファイア基板３０１上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層３０２、活性層３０３及びｐ型窒化物半導体層３０４を備え、前記ｐ型窒化物半導体層３０４及び活性層３０３は、メサエッチング工程によりその一部領域が除去されるため、前記ｎ型窒化物半導体層３０２の一部の上面を露出した構造を有する。そして、前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層３０４上には、透明電極３０５及びｐ型電極３０６が順に形成されており、前記エッチング工程により露出されたｎ型窒化物半導体層３０２上には、ｎ型電極３０７が形成されている。
【００６３】
ここで、前記サファイア基板３０１の下部には、少なくとも１つの溝３０８が形成されており、前記溝３０８を埋め込むように前記サファイア基板３０１の下面に前記サファイア基板３０１より反射度の高い反射層３０９が形成されている。
【００６４】
前記反射層３０９として、Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ，Ａｕ，Ｃｒ及びＰｔからなる群の中から選択される何れかが利用されることができる。また、前記反射層３０９は、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成されることができる。このような反射層３０９は、活性層３０３から前記サファイア基板３０１へ向かう光を反射させることで、発光素子３００の発光効率を増大させることができる。
【００６５】
窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法
以下では、本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について、前記図５を参考に説明する。
【００６６】
本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、サファイア基板３０１の下部に溝３０８を形成する工程までは、上記の第１の実施の形態と同じである。
【００６７】
すなわち、本発明の第２の実施の形態では、サファイア基板３０１の下部に溝３０８を形成した後、前記溝３０８を埋め込むように前記サファイア基板３０１の下面に、前記サファイア基板３０１より反射度の高い反射層３０９を形成する。前記反射層３０９は、上記のように、Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ，Ａｕ，Ｃｒ及びＰｔからなる群の中から選択される何れかで形成することが好ましく、電子ビーム蒸着、スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、プリント及びスピンコートからなる群の中から選択される何れかを利用して形成できる。
【００６８】
上記のような本発明の第２の実施の形態によれば、サファイア基板３０１の下部に形成された溝３０８に反射層３０９を形成することによって、活性層３０３からサファイア基板３０１へ向かう光の反射を起こすことで、素子の発光効率を増大させることができる。
【００６９】
＜第３実施の形態＞
窒化ガリウム系半導体発光素子の構造
図６を参考に、本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子について説明する。但し、第３実施の形態の構成のうち、第１の実施の形態と同一の部分についた説明は省略し、第３実施の形態において変わる構成についてのみ詳述する。
【００７０】
同図は、本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【００７１】
同図に示すように、本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子４００は、第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子２００とほとんどの構成が同じであり、但し、前記溝４０８が形成されたサファイア基板４０１と前記熱伝導層４１０との間に、サファイア基板４０１より反射度の高い反射層４０９がさらに形成されるという点のみが、上記の第１の実施の形態と相違する。
【００７２】
このような本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子４００は、活性層４０３からサファイア基板４０１へ向かう光を反射させ、素子の発光効率を増大させ得る反射層４０９と、前記サファイア基板４０１の熱放出能力を向上させ得る熱伝導層４１０を全て有することによって、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態から得られる効果を同時に得ることができる。
【００７３】
一方、図６において説明していない図面符号４０２はｎ型窒化物半導体層を、４０４はｐ型窒化物半導体層を、４０５は透明電極を、４０６はｐ型電極を、４０７はｎ型電極を示すものである。
【００７４】
窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法
以下では、本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について、図７Ａ〜図７Ｃを参考に説明する。
【００７５】
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【００７６】
本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、まず、図７Ａに示すように、サファイア基板４０１の下部に溝４０８を形成する工程までは、上記の第１の実施の形態と同じである。
【００７７】
その後、図７Ｂに示すように、前記溝４０８を含む前記サファイア基板４０１の下部表面に沿って、前記サファイア基板４０１より反射度の高い反射層４０９を形成する。
【００７８】
その後、図７Ｃに示すように、前記溝４０８を埋め込むように前記反射層４０９が形成されたサファイア基板４０１の下面に、前記サファイア基板４０１より熱伝導度の高い熱伝導層４１０を形成する。
【００７９】
上記のような本発明の第３実施の形態によれば、サファイア基板４０１の下部に形成された溝４０８に反射層４０９及び熱伝導層４１０を順に形成することによって、活性層４０３からサファイア基板４０１へ向かう光を反射させ、素子の発光効率を増大させ得るのみならず、前記サファイア基板４０１の熱放出能力を向上させることで、熱による素子の特性低下を阻止する。
【００８０】
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来の技術に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層およびｐ型窒化物半導体層を設けた状態を示す。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、一部をメサエッチングし、残部に透明電極を形成した状態を示す。
【図４Ｃ】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、透明電極および露出したｎ型窒化物半導体層上にｐ型およびｎ型電極を設けた状態を示す。
【図４Ｄ】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、基板下部に溝を形成した状態を示す。
【図４Ｅ】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、溝に熱伝導層を設けた状態を示す。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す断面図である。
【図７Ａ】本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、図４Ａ〜図４Ｄの工程と同様にして基板下部に溝を設けた状態を示す。
【図７Ｂ】本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、基板下部表面に反射層を形成した状態を示す。
【図７Ｃ】本発明の第３実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図であり、さらに熱伝導層を形成した状態を示す。
【符号の説明】
【００８２】
２００、３００、４００  窒化ガリウム系半導体発光素子
２０１、３００、４０１  サファイア基板
２０２、３０２、４０２  ｎ型窒化物半導体層
２０３、３０３、４０３  活性層
２０４、３０４、４０４  ｐ型窒化物半導体層
２０５、３０５、４０５  透明電極
２０６、３０６、４０６  ｐ型電極
２０７、３０７、４０７  ｎ型電極
２０８、３０８、４０８  溝
２０９、４１０  熱伝導層
３０９、４０９  反射層
【図１】
2007096300.tif 000003
【図２】
2007096300.tif 000004
【図３】
2007096300.tif 000005
【図４Ａ】
2007096300.tif 000006
【図４Ｂ】
2007096300.tif 000007
【図４Ｃ】
2007096300.tif 000008
【図４Ｄ】
2007096300.tif 000009
【図４Ｅ】
2007096300.tif 000010
【図５】
2007096300.tif 000011
【図６】
2007096300.tif 000012
【図７Ａ】
2007096300.tif 000013
【図７Ｂ】
2007096300.tif 000014
【図７Ｃ】
2007096300.tif 000015