(57)【要約】発光効率が改善されたＧａＮ系発光ダイオードと、それを用いた発光装置を提供する。ｎ型ＧａＮ系半導体層２の上に、ＧａＮ系半導体からなる発光層３と、ｐ型ＧａＮ系半導体層４とが、この順に形成され、ｐ型ＧａＮ系半導体層４の表面には、ｐ型オーミック電極Ｐ２が、窓部を有するパターンに形成されており、前記窓部を通して前記発光層から届く光を反射する金属製の反射層Ｐ５が、ｐ型ＧａＮ系半導体層４とで、ｐ型オーミック電極Ｐ２を挟むように形成され、反射層Ｐ５とｐ型オーミック電極Ｐ２との間には、絶縁体からなる保護膜Ｐ４が介在されている、ＧａＮ系発光ダイオード。当該ＧａＮ系発光ダイオードの好ましい実施態様においては、反射層Ｐ５の最表面層をボンディング層として、または、反射層Ｐ５の上に、さらに、ボンディング層を形成して、このボンディング層と実装用基材とを、導電性接合材料で接合する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＧａＮ系半導体層と、
該ｎ型ＧａＮ系半導体層の上に形成された、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、
該発光層の上に形成されたｐ型ＧａＮ系半導体層と、
該ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に、窓部を有するパターンに形成されたｐ型オーミック電極と、
該ｐ型オーミック電極を該ｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟むように形成された、該窓部を通して該発光層から届く光を反射する、金属製の反射層と、
該反射層と該ｐ型オーミック電極との間に介在された、絶縁体からなる保護膜と、
を有するＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項２】
前記反射層の最表面層がボンディング層であるか、または、前記反射層の上に、更に、金属製のボンディング層が形成されている、請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項３】
前記ボンディング層が、Ａｕ、Ａｕ合金、ＳｎまたはＳｎ合金からなる層である、請求項２記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項４】
前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がＡｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、または白金族元素で形成されている、請求項３記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項５】
前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がＡｇ、Ａｇ合金、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されており、更に、該部分と前記ボンディング層との間には、バリア層が介在されている、請求項３記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項６】
前記保護膜の膜厚が０．１μｍ〜１μｍである、請求項２記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項７】
前記保護膜が、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層よりも低い屈折率を有する、請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項８】
前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がＡｇ、Ａｇ合金、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されており、かつ、前記ｐ型オーミック電極が、Ａｕを含むｐ型オーミック電極である、請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項９】
前記ｐ型オーミック電極が、前記保護膜と接する部位に、Ｎｉ、ＴｉまたはＣｒからなる部分を含む、請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項１０】
前記ｐ型オーミック電極の膜厚が６０ｎｍ〜１μｍである、請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項１１】
前記ｐ型オーミック電極の膜厚が１００ｎｍ以上である、請求項１０記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項１２】
前記窓部を有するパターンに占める窓部の面積比が６０〜８０％であり、かつ、前記発光層が発光波長４２０ｎｍ以下のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０の場合を含む。）からなる、請求項１記載のＧａＮ系発光ダイオード。
【請求項１３】
請求項２に記載のＧａＮ系発光ダイオードが、実装用基材の実装面上に、前記ボンディング層を該実装面に向けて固定されており、該ボンディング層と該実装用基材とが導電性接合材料により接合されている、発光装置。
【請求項１４】
前記導電性接合材料による接合が、ろう接により形成されたものである、請求項１３記載の発光装置。
【請求項１５】
前記導電性接合材料による接合が、共晶接合により形成されたものである、請求項１３記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、発光効率が改善されたＧａＮ系発光ダイオードと、それを用いた発光装置に関する。
【背景技術】  ＧａＮ系発光ダイオード（以下「ＧａＮ系ＬＥＤ」ともいう。）は、ＧａＮ系半導体からなる発光層を挟んでｐ型およびｎ型のＧａＮ系半導体が接合されてなる、ｐｎ接合ダイオード構造を有する半導体発光素子であり、発光層を構成するＧａＮ系半導体の組成を選択することによって、赤色〜紫外に至る光を発光させることが可能である。
ＧａＮ系半導体は、化学式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される三族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものが例示される。また、上記化学式において、三族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）などで置換したものも、ＧａＮ系半導体に含まれる。
ＧａＮ系ＬＥＤは、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などの気相成長方法を用いて、サファイア等からなる結晶基板上にｎ型ＧａＮ系半導体層、発光層、ｐ型ＧａＮ系半導体層を順に積層し、その後、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層のそれぞれに電極を形成することによって製造することができる。
なお、本明細書では、ＧａＮ系半導体層の気相成長時に、結晶基板が下側にあり、その上にＧａＮ系半導体層が積み重ねられるものとみなして、この上下の区別を、素子構造の説明においても適用する。また、上下方向（基板や半導体層の厚み方向でもある。）と直交する方向を、横方向とも呼ぶ。
また、ｐ型ＧａＮ系半導体層を単にｐ型層とも呼び、ｎ型ＧａＮ系半導体層を単にｎ型層とも呼ぶ。
また、ｐ型ＧａＮ系半導体に対するオーミック電極をｐ型オーミック電極とも呼び、ｎ型ＧａＮ系半導体に対するオーミック電極をｎ型オーミック電極とも呼ぶ。
透明基板の上に、ｎ型層、発光層、ｐ型層が順に積層され、ｐ型層の上に、発光層で発生される光が透過するように形成されたｐ型オーミック電極と、反射層とが設けられたＧａＮ系ＬＥＤが公知である（特開２００４−１１９９９６号公報）。
【発明の開示】
特開２００４−１１９９９６号公報に記載されたＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ型層の表面にＰｄ（パラジウム）からなるｐ型オーミック電極が部分的に形成され、その上を、Ａｌ（アルミニウム）からなる反射層が直接覆っている。Ａｌは、ＧａＮ系ＬＥＤの典型的な発光波長である、緑色〜近紫外領域での反射率が最も高い金属のひとつであるため、このような構造の採用によりＧａＮ系ＬＥＤの光取り出し効率が向上することが期待される。しかし、一方で、この構造では、オーミック電極の形成時に通常行う熱処理によって、Ａｌがｐ型オーミック電極の内部や、ｐ型オーミック電極とｐ型層との界面に拡散して、ｐ型オーミック電極とｐ型層との間の接触抵抗が上昇することが懸念される。この接触抵抗が上昇すると、ＬＥＤの動作電圧が上昇して変換効率が低下するので、光取り出し効率が高くなっても、全体としての発光効率が低下することになる。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、発光効率の改善されたＧａＮ系ＬＥＤを提供することを目的とする。
本発明は以下の特徴を有する。
（１）ｎ型ＧａＮ系半導体層と、該ｎ型ＧａＮ系半導体層の上に形成された、ＧａＮ系半導体からなる発光層と、該発光層の上に形成されたｐ型ＧａＮ系半導体層と、該ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に、窓部を有するパターンに形成されたｐ型オーミック電極と、該ｐ型オーミック電極を該ｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟むように形成された、該窓部を通して該発光層から届く光を反射する、金属製の反射層と、該反射層と該ｐ型オーミック電極との間に介在された、絶縁体からなる保護膜と、を有するＧａＮ系発光ダイオード。
（２）前記反射層の最表面層がボンディング層であるか、または、前記反射層の上に、更に、金属製のボンディング層が形成されている、前記（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（３）前記ボンディング層が、Ａｕ、Ａｕ合金、ＳｎまたはＳｎ合金からなる層である、前記（２）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（４）前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がＡｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、または白金族元素で形成されている、前記（３）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（５）前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がＡｇ、Ａｇ合金、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されており、更に、該部分と前記ボンディング層との間には、バリア層が介在されている、前記（３）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（６）前記保護膜の膜厚が０．１μｍ〜１μｍである、前記（２）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（７）前記保護膜が、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層よりも低い屈折率を有する、前記（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（８）前記反射層は、少なくとも前記発光層から届く光を反射する部分がＡｇ、Ａｇ合金、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されており、かつ、前記ｐ型オーミック電極が、Ａｕを含むｐ型オーミック電極である、前記（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（９）前記ｐ型オーミック電極が、前記保護膜と接する部位に、Ｎｉ、ＴｉまたはＣｒからなる部分を含む、前記（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（１０）前記ｐ型オーミック電極の膜厚が６０ｎｍ〜１μｍである、前記（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（１１）前記ｐ型オーミック電極の膜厚が１００ｎｍ以上である、前記（１０）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（１２）前記窓部を有するパターンに占める窓部の面積比が６０〜８０％であり、かつ、前記発光層が発光波長４２０ｎｍ以下のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０の場合を含む。）からなる、前記（１）記載のＧａＮ系発光ダイオード。
（１３）前記（２）に記載のＧａＮ系発光ダイオードが、実装用基材の実装面上に、前記ボンディング層を該実装面に向けて固定されており、該ボンディング層と該実装用基材とが導電性接合材料により接合されている、発光装置。
（１４）前記導電性接合材料による接合が、ろう接により形成されたものである、前記（１３）記載の発光装置。
（１５）前記導電性接合材料による接合が、共晶接合により形成されたものである、前記（１３）記載の発光装置。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｙ線における断面図である。
図２は、図１に示すＧａＮ系発光ダイオードの製造工程を説明する図である。
図３は、図１に示すＧａＮ系発光ダイオードの製造工程を説明する図である。
図４は、ｐ型オーミック電極のパターン（窓部を有するパターン）を例示する図である。
図５は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
図６は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
図７は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す上面図である。
図８は、図１に示すＧａＮ系発光ダイオードの実装例を示す断面図である。
図９は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
図１０は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
図１１は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードの製造工程を説明する図である。
図１２は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
図１３は、従来技術に係るＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明の実施に係るＧａＮ系ＬＥＤ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−Ｙ線における断面図である。
図１において、１は結晶基板、２はｎ型層、３は発光層、４はｐ型層、Ｐ１はｎ型オーミック電極、Ｐ２はｐ型オーミック電極、Ｐ３はｐ側ボンディング電極、Ｐ４は絶縁体からなる保護膜、Ｐ５は反射層である。
結晶基板１は、例えば、サファイア基板である。
ｎ型層２は、例えば、Ｓｉ（ケイ素）を５×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープした、膜厚３μｍのＧａＮ層である。
発光層３は、例えば、膜厚８ｎｍのＧａＮ障壁層と膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を、各１０層積層してなるＭＱＷ（多重量子井戸）層である。
ｐ型層４は、例えば、発光層３と接する側を、Ｍｇ（マグネシウム）を１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープした膜厚３０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とし、ｐ型オーミック電極Ｐ２と接する側を、Ｍｇ（マグネシウム）を５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープした膜厚２００ｎｍのＧａＮ層とした、積層体である。
結晶基板１とｎ型層２との間には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどからなるバッファ層（図示せず）を設けることが好ましい。
ｎ型オーミック電極Ｐ１は、例えば、ｎ型層２と接する側から順に、膜厚３０ｎｍのＡｌ、膜厚１００ｎｍのＰｄ（パラジウム）、膜厚１００ｎｍのＡｕ（金）、膜厚１００ｎｍのＰｔ（白金）、膜厚４００ｎｍのＡｕを積層し、熱処理することにより形成される。
ｐ型オーミック電極Ｐ２は、例えば、ｐ型層４と接する側から順に、膜厚２０ｎｍのＰｄ、膜厚１００ｎｍのＡｕ、膜厚１０ｎｍのＮｉ（ニッケル）を積層し、熱処理することにより形成される。このような厚さの電極膜は、不透明となるので、ｐ型オーミック電極Ｐ２は、発光層３で発生される光が透過し得るように、窓部を有するパターンに形成されている。窓部とは、電極膜が存在しない部分である。図１の例では、ｐ型オーミック電極Ｐ２が格子状パターンに形成されている。格子状パターンの寸法は、例えば、窓部が一辺８μｍの正方形とされ、隣り合う窓部の間隔（電極膜部分の幅）が縦横それぞれ２μｍとされる。
なお、ｐ型オーミック電極Ｐ２の最表面に形成されるＮｉ薄膜は、保護膜Ｐ４との密着性を向上させるための密着強化層である。このような密着強化層には、Ｔｉ（チタン）層やＣｒ（クロム）層を用いることもできる。
ｐ側ボンディング電極Ｐ３は、例えば、ｐ型層４およびｐ型オーミック電極Ｐ２と接する側から順に、膜厚２０ｎｍのＴｉ、膜厚６００ｎｍのＡｕを積層し、熱処理することにより形成される。
絶縁体からなる保護膜Ｐ４は、例えば、プラズマＣＶＤ法で製膜された、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ２である。
反射層Ｐ５は、例えば、保護膜Ｐ４と接する側から順に、膜厚１００ｎｍのＡｌ、膜厚１００ｎｍのＰｄ、膜厚１００ｎｍのＡｕが積層された積層体である。
図１に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、発光層３で生じる光は、主に結晶基板１の下面から素子外に出射される。発光層３から直接、または、内部反射を経て、素子内を上方に進んだ光は、ｐ型オーミック電極Ｐ２の下面や、反射層Ｐ５の下面で反射を受け、進行方向を下方に変える。保護膜Ｐ４をＳｉＯ２で形成すると、ＳｉＯ２の屈折率はＧａＮ系半導体と比べて低いので、ｐ型層４と保護膜Ｐ４との界面では、屈折率差による反射が発生し、光取り出し効率の改善効果がより高まる。ＳｉＯ２は、絶縁体であるために光吸収が小さく、そのために、発光層で発生される光が保護膜Ｐ４を透過する際や、ｐ型層４と保護膜Ｐ４との界面で反射される際に受ける損失は、極めて低いものとなる。
次に、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤの製造工程を説明する。
まず、結晶基板１の成長面上に、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等を用いて、バッファ層、ｎ型層２、発光層３、ｐ型層４を順次成長する。ｐ型層４を成長した後、必要に応じて、該ｐ型層４を低抵抗化するために、アニーリング等の処理を行う。
図２（ａ）は、ｐ型層４の成長が完了したウェハの上面図である。便宜上、ひとつの素子に相当する領域のみを表示しているが、実際の工程はウェハ単位で行われる。図２（ｂ）および（ｃ）、図３（ｄ）〜（ｆ）も同様である。
ｐ型層４の成長が完了したウェハに対して、まず、図２（ｂ）に示すように、ｐ型オーミック電極Ｐ２を形成する。電極膜の形成には、公知の蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。電極膜のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ技法を用いて行うことができる。例えば、ｐ型層４の表面にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより、形成しようとする電極の形状に開口部をパターニングした後、電子ビーム蒸着法を用いて電極膜を製膜し、最後にフォトレジスト膜をリフトオフする方法である。また、先に電極膜を全面に形成し、後から不要な部分をエッチング除去する方法も可能である。
ｎ型オーミック電極Ｐ１、ｐ側ボンディング電極Ｐ３、保護膜Ｐ４、反射層Ｐ５のパターニングも、同様の方法により行うことができる。
ｐ型オーミック電極Ｐ２を形成したら、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、ｐ型層４の表面側から、ｐ型層４と発光層３の一部を除去し、図２（ｃ）に示すように、ｎ型層２を露出させる。この工程は、後述するｎ型オーミック電極Ｐ１の形成の直前に行ってもよい。
次に、図３（ｄ）に示すように、ｐ型オーミック電極Ｐ２の一部を覆って、絶縁体からなる保護膜Ｐ４を形成する。製膜法としては、保護膜の種類に応じて、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等、公知の製膜法を適宜用いることができる。ゾル−ゲル法などの湿式法を用いることも妨げられない。保護膜Ｐ４をＳｉＯ２で形成する場合に好ましい製膜法は、ピンホールが発生し難いプラズマＣＶＤ法である。
次に、図３（ｅ）に示すように、保護膜Ｐ４の表面に反射層Ｐ５を形成する。反射層Ｐ５の形成には、公知の蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。なお、図３（ｅ）では、反射層Ｐ５を、その縁部が、保護膜Ｐ４の縁部を越えないように形成しているが、このような構成は必須ではなく、反射層Ｐ５は、保護膜Ｐ４とちょうど重なるように形成してもよいし、保護膜Ｐ４の縁部を超えて、ｐ型層４の表面と接するように形成してもよい。
次に、図３（ｆ）に示すように、ｎ型オーミック電極Ｐ１と、ｐ側ボンディング電極Ｐ３をそれぞれ形成する。ｎ型オーミック電極Ｐ１は、先に反応性イオンエッチングにより露出させておいた、ｎ型層２の表面に形成する。ｐ側ボンディング電極Ｐ３は、ｐ型オーミック電極Ｐ２の露出した部分に、電気的に接続されるように形成する。これらの電極は、いずれから先に形成しても構わない。製膜には、公知の蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
ｎ型オーミック電極Ｐ１とｐ側ボンディング電極Ｐ３の形成が完了した後、ウェハ全体を、４００℃で、５分間、熱処理し、電極とＧａＮ系半導体層との密着を促進させる。この熱処理には、保護膜Ｐ４と反射層Ｐ５との密着性を向上させる効果も有る。
なお、ｎ型オーミック電極とｐ型オーミック電極については、半導体との接触抵抗を下げるために、このような熱処理を行うことが望ましいが、電極材料の中には、熱処理を行わなくても、実用上十分に低い接触抵抗が得られるものもあり、そのような電極材料を用いる場合には、熱処理は必須ではない。また、ｎ型オーミック電極とｐ型オーミック電極以外の部材については、熱処理は必須ではない。
熱処理後、必要に応じて結晶基板１の下面を研削および／または研磨して、結晶基板１の厚さを薄くした後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断などの方法を用いて素子分離を行う。
以上、本発明の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構成および製造工程を、図１〜図３を用いて説明したが、本発明は前記例示に係る構成に限定されるものではない。
結晶基板は、ＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長に使用可能な基板であればよく、サファイア基板の他に、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｒＢ２、ＴｉＢ２、スピネル、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ３）、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ２）、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ３）等からなる基板や、これらの材料からなる結晶層を表層として有する基板が、好ましい結晶基板として例示される。
結晶基板の結晶成長面を加工して凹凸面としたり、該面上に、ＧａＮ系半導体結晶の成長を阻害するマスクを部分的に形成することにより、ＧａＮ系半導体結晶の横方向成長を発生させることができる。横方向成長した結晶は、転位密度の低い高品質の結晶となる。
ＧａＮ系半導体の成長に用いた結晶基板は、素子を製造する途中の工程において、もしくはチップ化した素子を実装した後に、除去することもできる。
ｎ型層、発光層およびｐ型層からなる積層構造は、ｎ型層に注入されたｎ型キャリアと、ｐ型層に注入されたｐ型キャリアが、発光層で再結合して発光が生じるように構成されていればよく、各層の結晶組成、層厚、添加される不純物の種類および濃度等については、従来公知の技術を適宜参照すればよい。好ましくは、発光層を、それよりもバンドギャップの大きなｎ型層とｐ型層とで挟んだダブルヘテロ構造とする。また、発光層は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造や、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすることが好ましい。ｎ型層やｐ型層は、クラッド層、コンタクト層などの、異なる機能を有する層を積層した、多層構造とすることができる。
ｐ型オーミック電極には、ｐ型ＧａＮ系半導体に対する低接触抵抗の電極として、従来より知られている電極を、適宜用いることができる。
Ａｕを含むｐ型オーミック電極は、ＧａＮ系半導体との接触抵抗が特に低くなることが知られており、最も好ましいｐ型オーミック電極である。例えば、Ａｕ単体からなるＡｕ電極や、Ａｕを主成分とする合金からなるＡｕ合金電極や、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｔ、Ｔｉなどから選ばれるひとつ以上の金属と、Ａｕとを積層し、熱処理してなるＡｕ系電極である。
このようなＡｕを含むｐ型オーミック電極は、Ａｕの融点が比較的低いために、反射層の構成材料の拡散による影響を受け易い。従って、ｐ型オーミック電極と反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、Ａｕを含むｐ型オーミック電極を使用する場合に、とりわけ有効となる。
特に、ＡｌとＡｕは、比較的低温でも反応して金属間化合物を形成するために、Ａｕを含むｐ型オーミック電極とＡｌからなる反射層とを直接積層すると、オーミック電極の形成時に通常行う熱処理によって、ｐ型オーミック電極の特性が著しく劣化してしまう問題がある。従って、ｐ型オーミック電極と反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、Ａｕを含むｐ型オーミック電極と、Ａｌからなる反射層とを組み合わせる場合に、とりわけ有効である。
その他の好ましいｐ型オーミック電極としては、白金族元素の単体または合金からなる電極、白金族元素から選ばれる二種以上を積層した電極が例示される。白金族元素は、可視〜近紫外の光に対する反射性が優れているために、このようなｐ型オーミック電極を用いると、ＬＥＤの光取り出し効率が良好となる。
ｐ型オーミック電極の最上層が、Ａｕや白金族元素からなる層であると、絶縁体からなる保護膜との密着性が低くなり、保護膜が剥離し易くなる。そこで、ｐ型オーミック電極のうち、保護膜と接する部位は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ等で形成することが好ましい。Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属は、金属酸化物や金属窒化物に対して、良好な密着性を示す。保護膜の剥離を抑制することで、素子の特性が安定化し、信頼性が向上する。
ｐ型オーミック電極を、窓部を有するパターンに形成することにより、該電極による光吸収が小さくなり、該吸収による損失が低減されるので、素子の光取出し効率が向上する。
ｐ型オーミック電極の膜厚に限定はなく、金属薄膜が高い透明性を示す厚さである２０ｎｍ未満とすることも妨げられない。しかし、このような厚さのｐ型オーミック電極を、更に窓部を有するパターンに形成すると、シート抵抗が高くなり過ぎて、チップのサイズにもよるが、チップの隅まで電流が十分に拡散しなくなるという問題が生じる。
ｐ型オーミック電極のシート抵抗を低くして、電流が横方向によく拡散するようにするためには、電極膜の膜厚は６０ｎｍ以上とすることが好ましく、１００ｎｍ以上とすることがより好ましい。１００ｎｍ以上とすると、電極膜部分に入射する光の多くが、電極膜を透過せずに、反射されることになるので、素子の光取り出し効率改善のうえでも好ましい。光がｐ型オーミック電極の電極膜を透過すると、該透過に伴う吸収損失に加えて、透過した光が反射層で反射される際の、反射損失が発生することになる。
また、本発明のＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ型オーミック電極を、窓部を有するパターンに形成するので、電極を構成する金属と、これを挟むｐ型層および保護膜との熱膨張率差に起因して生じる該電極の劣化を抑制するためにも、ｐ型オーミック電極の膜厚を、上記のように、６０ｎｍ以上とすることが好ましく、１００ｎｍ以上とすることがより好ましい。
これは、ｐ型オーミック電極に適した金属の線膨張率が、おおよそ１×１０−５Ｋ−１〜２×１０−５Ｋ−１の範囲にあるのに対して、ＧａＮ系半導体の線膨張率は、ＧａＮの場合で５．６×１０−６Ｋ−１といわれているように、この範囲よりも小さく、また、保護膜の材料となる金属酸化物や金属窒化物の線膨張率も、多くは１×１０−５Ｋ−１以下だからである。このように、自身より線膨張率の小さい材料からなるｐ型層および保護膜に挟まれたｐ型オーミック電極は、製造工程中や素子の使用時に加熱を受けると、その後、室温に冷却される際に、強い引張応力を受けることになる。このときに、電極膜の膜厚が小さい程、ストレスマイグレーション現象などによって、電極膜の大きな変形や、破壊が生じ易くなる。とりわけ、窓部を有するパターンに形成されたｐ型オーミック電極では、構造上、電極膜の大規模な変形や破壊によって、その電流拡散機能が大きく影響を受ける。電極の電流拡散機能が低下すると、素子の動作電圧の上昇や、電流が一部に集中することによる発光の不均一化や局所的な発熱、この発熱による発光効率の低下、素子寿命の低下といった問題が発生する。
この、ｐ型オーミック電極の膜厚を大きくすることによる効果は、その上に形成する保護膜の材料にＳｉＯ２を用いる場合に顕著となる。なぜなら、ＳｉＯ２は、好適な保護膜の材料の中でも、とりわけ線膨張率が小さい材料だからである。
また、この効果は、ｐ型オーミック電極に、保護膜との密着性を強化するための、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ等からなる部分を設けた場合に、顕著となる。なぜなら、保護膜との密着性を高める程、上記の熱膨張率差に起因してｐ型オーミック電極が保護膜から受ける応力が、強くなるからである。
一方で、ｐ型オーミック電極の膜厚を大きくし過ぎると、電極膜がｐ型層の表面から剥離し易くなる傾向があるので、ｐ型オーミック電極の膜厚は、１μｍ以下とすることが好ましく、５００ｎｍ以下とすることがより好ましく、３００ｎｍ以下とすることが特に好ましい。
ｐ型オーミック電極の膜厚を小さくすると、ＬＥＤの製造工程において、ｐ型層上に窓部を有するパターンに形成されたｐ型オーミック電極の、更にその上に、フォトレジスト膜を形成したときに、該フォトレジスト膜の剥離や脱落といった不良の発生が抑制され、歩留りが向上するという効果もある。フォトレジスト膜をこのように形成する工程は、例えば、図２（ｂ）に示す状態から、ｐ型層４の表面にドライエッチングを施して、図２（ｃ）に示すようにｎ型層２を露出させる工程である。この工程では、エッチングマスクとしてフォトレジスト膜を用いることができ、その場合には、エッチング加工しようとするｐ型層４の表面を除く部分を、フォトレジスト膜で覆うことになる。すなわち、このフォトレジスト膜は、ｐ型層４の表面と、その上に窓部を有するパターンに形成されたｐ型オーミック電極Ｐ２とからなる凹凸面（ｐ型オーミック電極Ｐ２の窓部が凹部となり、電極膜部分が凸部となる）を下地面として形成することになるが、ｐ型オーミック電極Ｐ２の膜厚が小さい程、該下地面が平坦面に近くなるために、フォトレジスト膜の密着性が良好となり、その剥離や脱落が抑えられる。
この効果を得るためには、ｐ型オーミック電極の膜厚を５００ｎｍ以下とすることが好ましく、３００ｎｍ以下とすることがより好ましい。ｐ型オーミック電極の膜厚をこのように小さくすると、同様の効果によって、ｐ型オーミック電極を覆って形成した保護膜の上にフォトレジスト膜を製膜した場合の、該フォトレジスト膜の剥離および脱落も抑制できる。
窓部を有するパターンとしては、電極膜がネット状、分岐状、櫛状、放射状、渦巻き状、ミアンダ状などを呈するパターンが例示される。図４（ａ）は方形の窓部を有するネット状パターンの一例、図４（ｂ）は円形の窓部を有するネット状パターンの一例、図４（ｃ）は多重環状パターンと放射状パターンとを組み合わせたネット状パターンの一例、図４（ｄ）はミアンダ状パターンの一例、図４（ｅ）は櫛状パターンの一例、図４（ｆ）は分岐状パターンの一例である。格子状パターンは、ネット状パターンのひとつである。これらのパターンは、混在させることもできる。
いずれのパターンの場合も、電極膜部分や窓部を細かく形成することが好ましく、電極膜部分や窓部が帯状に形成される場合の帯幅や、ドット状に形成される場合のドットの縦横の幅は、１μｍ〜５０μｍとすることが好ましく、２μｍ〜２５μｍとすることがより好ましく、２μｍ〜１５μｍとすることが特に好ましい。
ｐ型オーミック電極を、窓部を有するパターンに形成する場合、該パターンに占める窓部の面積比は２０％〜８０％の範囲とすることが好ましい。窓部の面積比が大きいほど、光取り出し効率は高くなるが、一方で、電極膜部分の面積が小さくなるために、発光層には局所的に高い電流密度で電流が流れることになる。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を発光層に用いた素子では、そのＩｎ組成ｘが低い程、すなわち、発光波長が短い程、電流密度の増加に伴う発光効率の低下が小さく、また、発光波長のシフトも小さいので、高電流密度での駆動に適していることが知られているが、このことから、本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤでも、発光層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０の場合を含む。）からなり、発光波長が紫色〜近紫外（約４２０ｎｍ〜約３６５ｎｍ）の領域にあるものでは、窓部の面積比を６０％〜８０％として、一部の発光層を高電流密度で動作させることが、発光効率改善のうえで有利となる。
なお、窓部の面積比を６０％以上とすると、電極パターン中に、電極膜の幅の狭い部分が多く含まれることになるため、ｐ型層および保護膜との熱膨張率差に起因する熱ストレスによる、電極膜の変形や破壊が生じ易くなるとともに、該変形や破壊が生じた場合の、電極の電流拡散機能の低下が著しくなる。この問題を防止するためには、ｐ型オーミック電極の膜厚を１００ｎｍ以上とすることが好ましい。
図５は、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの断面図である。この図５に示す素子では、保護膜Ｐ４が、ｐ型オーミック電極Ｐ２の窓部に露出したｐ型層４の表面を全て覆っておらず、窓部の中央部では、ｐ型層４の表面と反射層Ｐ５とが接しているが、このような態様でも、反射層Ｐ５の構成材料が拡散することによるｐ型オーミック電極Ｐ２の特性劣化を、抑制することができる。
図１や図５に示す素子において、絶縁体からなる保護膜Ｐ４をｐ型層４よりも屈折率の低い材料で形成すると、ｐ型層４と保護膜Ｐ４との界面で、屈折率差による光反射が生じる。このような反射は、一般に、金属表面での反射に比べて損失が小さいために、ＬＥＤの光取り出し効率改善のうえで好ましい。従って、保護膜Ｐ４は、ｐ型層４よりも屈折率の低い絶縁体で形成し、かつ、図１に示す素子のように、ｐ型オーミック電極Ｐ２の窓部に露出したｐ型層４と、反射層Ｐ５との間を、該保護膜Ｐ４で完全に隔てるように、形成することが好ましい。
絶縁体からなる保護膜の材料としては、ＳｉＯ２の他に、ＳｉＮｘ、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２などが例示される。すなわち、かかる保護膜には、絶縁性の金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物が適しており、上記以外にも、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｒＯ２などが例示される。これらの絶縁体を積層して用いることもできる。これらの絶縁体からなる保護膜は光吸収が小さいために、光が保護膜の内部を透過する際や、ｐ型層と保護膜との界面で反射される際に受ける損失を、小さなものとすることができる。
保護膜の膜厚は、本発明の目的が達成される膜厚であればよく、特に限定はされないが、ピンホールのない膜を確実に形成するには、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましく、０．３μｍ以上とすることが特に好ましい。
保護膜の膜厚を３μｍ以下とすると、そのパターニングを簡便なリフトオフ法を用いて行うことが、容易となる。
一方で、絶縁体は熱伝導性が良好とはいえないことから、反射層の最表面層をボンディング層として、または、反射層の上に更にボンディング層を形成して、このボンディング層と実装用基材とを接合して実装する場合には、該実装方法によって得られる素子の放熱性の改善効果が大きくなるように、保護膜の膜厚は１μｍ以下とすることが好ましく、０．５μｍ以下とすることがより好ましく、０．３μｍ以下とすることが特に好ましい。
図６は、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの断面図である。この図６に示す素子では、保護膜Ｐ４が、ｎ型層２を露出させる際のエッチングにより露出した発光層３の端面を覆うように、延長して形成されている。すなわち、保護膜Ｐ４が、発光層３の端面保護膜を兼用している。
反射層は、発光層で発生される光の波長において、ｐ型オーミック電極よりも反射率の高い材料で形成することが望ましい。好ましい反射層の材料は、可視短波長域〜近紫外領域における反射率の高いＡｇ（銀）、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔなどであり、とりわけ、Ａｇ、Ａｌである。Ｒｈ、Ｐｔ以外の白金族元素（Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ）も好適に使用できる。反射層は、少なくとも、ｐ型オーミック電極に設けられた窓部を通して発光層から届く光を反射する部分を、これらの反射率の高い金属で形成すればよい。例えば、図１に示す素子では、反射層のこの部分のみをＡｌで形成している。反射層を、これらの反射率の高い金属のみで形成することもできる。
Ａｇは、陽極に用いると、電気化学的なマイグレーションを起こし易いという問題があるため、Ａｇからなる反射層をｐ型オーミック電極の上に直接形成することは、ｐ型オーミック電極の劣化またはＬＥＤの劣化を引き起こす原因となる恐れがある。
Ａｌは、その線膨張率が、ＧａＮ系半導体の線膨張率の約４倍であるために、従来のように、Ａｌからなる反射層をｐ型層の上に直接形成すると、熱膨張率差により発生する熱ストレスにより、反射層の変形が生じ易い。この変形がｐ型オーミック電極に波及すると、ｐ型オーミック電極とｐ型層との接触状態が悪化し、ｐ型オーミック電極の接触抵抗が上昇する。また、Ａｌは、融点が低いことから電極の熱処理時に拡散し易く、更に、上記の熱ストレスに起因したストレスマイグレーションも起こし易い。ｐ型オーミック電極とｐ型層との界面に拡散したＡｌは、ｐ型オーミック電極の接触抵抗を上昇させる。また、Ａｌは、ｐ型オーミック電極の材料となる金属との間で金属間化合物を形成する性質がある。
これらのことから、Ａｌからなる反射層をｐ型オーミック電極の上に直接形成することは、ｐ型オーミック電極の劣化を引き起こす原因となる恐れがある。
このようなことから、特に、ＡｇまたはＡｌからなる反射層を用いる場合に、ｐ型オーミック電極と反射層との間に保護膜を介在させる本発明の構成は、有効である。
反射層をＡｇやＡｌで形成する場合、反射率の点では単体を用いることが好ましいが、耐熱性や耐候性を向上させるために、発光層で発生される光の波長における反射率が著しく低下しない範囲（例えば、単体の８０％未満とならない範囲）で、他の元素を添加した合金を用いることもできる。このような合金として、各種の半導体発光装置や液晶表示装置などの配線用として開発されている、高反射性のＡｇ合金やＡｌ合金を、好ましく用いることができる。好適なＡｌ合金としては、Ａｌに、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｄ、Ｃｕ等を添加した合金が例示される。
ＡｇやＡｌの合金からなる反射層を形成する方法としては、合金スパッタリングなどの他、添加しようとする元素からなる薄膜を保護膜の表面に形成し、その上からＡｌやＡｇを積層した後、熱処理する方法を用いることもできる。
図１の素子では、上面側から見たとき、ｎ型オーミック電極Ｐ１とｐ側ボンディング電極Ｐ３が共に長方形状とされ、方形状の素子の対向する２辺のそれぞれに沿って形成されているが、ｎ型オーミック電極とｐ側ボンディング電極の形状や配置は、これに限定されない。例えば、これらの電極の形状は、図７（ａ）に示す素子のように正方形状や、図７（ｂ）に示す素子のように円形状であってもよく、また、配置は、図７（ａ）に示す素子のように、対角配置としてもよい。
ｐ型層の表面からエッチングを行うことによりｎ型層を露出させ、露出されたｎ型層の表面にｎ型オーミック電極を形成する素子構成における、ｎ型オーミック電極、ｐ型オーミック電極、ｐ側ボンディング電極の形状については、特開２０００−１６４９３０号公報などを参照することもできる。
なお、結晶基板として、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板など、透明な導電性基板を用いることができるが、その場合には、ｎ側のオーミック電極を結晶基板の下面に形成することができる。
ｎ型オーミック電極には、ｎ型ＧａＮ系半導体に対する低接触抵抗の電極として、従来より知られている電極を、適宜用いることができる。そのような電極として、例えば、ｎ型層と接する部分が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、または、これらの合金からなる電極が挙げられる。
好ましいｎ型オーミック電極として、ｎ型層と接する部分がＡｌからなるものが挙げられるが、このようなｎ型オーミック電極は、反射層と同じ断面構造とすることができる。その場合、ｎ型オーミック電極と反射層とを同時に形成することができるので、製造工程の数を少なくすることができる。
ｎ型オーミック電極は、層厚を２００ｎｍ程度以上に形成すれば、ボンディング電極を兼用させることができるが、必要に応じて、ｎ型オーミック電極の上に、別途、ｎ側のボンディング電極を形成してもよい。
図８は、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤの実装例を示す断面図である。
図８において、Ｓは実装用基材であり、例えば、ＡｌＮからなる基板Ｓ１の表面に、Ａｕからなるリード電極Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のパターンが形成されたものである。ＧａＮ系ＬＥＤは、反射層Ｐ５を実装用基材Ｓ側に向けて、ｎ型オーミック電極Ｐ１をリード電極Ｓ２に、ｐ側ボンディング電極Ｐ３をリード電極Ｓ３に、反射層Ｐ５をリード電極Ｓ４に、それぞれ導電性接合材料Ｃで接合することにより、実装用基材Ｓに固定されている。導電性接合材料Ｃは、例えば、Ａｕ−Ｓｎハンダ等のろう材や、導電体微粒子が樹脂バインダに分散されてなる導電性ペーストである。
図８に示す例においては、ＬＥＤの反射層Ｐ５が電極としての機能を有さないために、実装用基材Ｓのリード電極Ｓ４は電極として働くものではないが、ここでは便宜上、リード電極と呼んでいる。反射層Ｐ５を実装用基材Ｓと接合しているのは、ＬＥＤで発生する熱を逃がすためであるが、この目的において、導電性接合材料は、好適な接合材料となる。なぜなら、導電性接合材料は、ろう材のように、それ自体が金属材料からなるか、または、導電性ペーストのように、金属、カーボン等の微粒子を高含有率で含むために、熱伝導性が良好であるからである。
なお、本発明では、図８における反射層Ｐ５の最表面層のように、素子を実装する際に、接合材料との接合に用いる層を、ボンディング層という。
図８において、反射層Ｐ５がリード電極Ｓ４と接合されているのは、ＬＥＤで発生する熱を基材Ｓに逃がすためである。この目的のためには、導電性接合材料Ｃとしてろう材を用いることが、特に好ましい。
この図８の例のように、反射層Ｐ５の最表面層をボンディング層として、該ボンディング層と実装用基材Ｓとを導電性接合材料で接合すると、ＬＥＤの動作時に発光層で発生する熱が、効率よく実装用基材に伝達されるために、素子の温度上昇が抑えられる。これによって、発光効率の低下や波長変動が抑制され、また、素子の寿命や信頼性が改善される。
このような効果は、反射層の上に、更に、金属製のボンディング層を形成して、そのボンディング層と実装用基材とを導電性接合材料で接合することによっても、得ることができる。
図８の例において、導電性接合材料として、ろう材を用いる場合、反射層Ｐ５の最表面層（＝ボンディング層）を、ろう材との濡れ性が良好となるように、Ａｕで形成することが好ましい。Ａｕは酸化され難いために、Ａｕからなる表面は、各種のろう材に対して良好な濡れ性を示す。ボンディング層の表面が、ろう材に対して良好な濡れ性を有すると、ボンディング層とろう材とが隙間なく密着した接合界面が形成されるので、該界面の熱抵抗が小さくなる。
ろう材として最もよく用いられているのは共晶ハンダであり、共晶ハンダの成分金属としては、Ｓｎ（錫）がよく用いられる。ボンディング層を、ＳｎやＳｎ合金（使用するＳｎ系共晶ハンダと同じ成分を含むＳｎ合金）で形成すると、Ｓｎを成分とする共晶ハンダを用いた際に、ボンディング層と該共晶ハンダを密に接合させることができる。
また、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｂ合金等の、Ａｕ合金系のハンダは、電気伝導性および熱伝導性が良好であり、かつ化学的にも安定であることから、半導体部品の接合用に多用されている。ボンディング層を、ＡｕやＡｕ合金（使用するＡｕ合金系ハンダと同じ成分を含むＡｕ合金）で形成すると、Ａｕ合金系ハンダを用いた際に、ボンディング層とＡｕ合金系ハンダを密に接合させることができる。
ボンディング層とリード電極とは、共晶接合させることもできる。共晶接合では、例えば、ボンディング層をＡｕ層として、リード電極の表面にはＳｎ層を形成しておき、これらの層を接触させた状態で、熱、振動等の形でエネルギーを加え、接触部にＡｕ−Ｓｎ共晶合金を生成させることにより、接合を行う。共晶接合も、金属材料による接合であるため、素子の放熱性向上にとって好ましい接合方法である。
ろう付けの際、反射層Ｐ５は高温に曝されるが、このときの熱により生じる、反射層Ｐ５に含まれるＡｌ層とＡｕ層との間での合金化反応を抑制するために、これらの層の間に、Ａｕよりも融点の高い金属材料からなるバリア層を介在させることが好ましい。ＡｕとＡｌの反応が生じると、Ａｌ層の反射性が低下する他、強度の劣る合金層が形成されたり、ボイドが形成されるために、素子の寿命や信頼性が低下するからである。このような反応は、素子の使用温度や、それ以下の低温でも、徐々に進行するが、バリア層の介在により、これを抑えることができる。Ａｌ層の代わりにＡｌ合金層、Ａｕ層の代わりにＡｕ合金層を用いた場合も同様である。
バリア層は、当該バリア層により隔てようとする２つの層を構成する金属のうち、融点の高い方の金属よりも、更に高い融点を有する金属からなる層を含むように形成する。好ましいバリア層の材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ等のいわゆる高融点金属、白金族元素、Ｔｉ、Ｎｉ等の単体または合金が挙げられる。バリア層は、これらの材料からなる層が複数積層されてなる、多層膜であってもよい。Ｐｔ層とＡｕ層を交互に積層した多層膜は、バリア層として好適である。
反射層Ｐ５の構成によるが、Ａｌ（合金）層とＳｎ（合金）層との間、Ａｇ（合金）層とＡｕ（合金）層との間、Ａｇ（合金）層とＳｎ（合金）層との間にも、同様の理由から、バリア層を介在させることが好ましい。
反射層Ｐ５とｐ型オーミック電極Ｐ２とは、静電気等による保護膜Ｐ４の破壊や、それに伴うＬＥＤの劣化を防ぐために、電気的に短絡させてもよい。この短絡は、実装用基材Ｓ側で、リード電極Ｓ３とリード電極Ｓ４とを短絡することにより行うこともできる。
図９は、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの断面図である。この図９の素子では、素子内でｐ型オーミック電極Ｐ２と反射層Ｐ５とが短絡されている。具体的には、ｐ側ボンディング電極Ｐ３が、反射層Ｐ５の表面上まで延長して形成されている。このＧａＮ系ＬＥＤは、反射層Ｐ５の上に重ねて形成された層状のｐ側ボンディング電極Ｐ３の最表面層をボンディング層とすることにより、放熱性よく実装することができる。
図９に示す素子では、ｐ型オーミック電極Ｐ２と反射層Ｐ５とを短絡させるにあたり、反射層Ｐ５が、保護膜Ｐ４を介さずに、ｐ型オーミック電極Ｐ２の上に積層された部分が生じない構造が採用されている。このような構造は、反射層がＡｌ層またはＡｇ層を含む場合に、とりわけ好ましいものとなる。理由は、ｐ型オーミック電極の上に、保護膜を介さずにＡｌ層やＡｇ層を設けると、ＡｌやＡｇの拡散が生じ、ｐ型オーミック電極の材料と反応したり、ｐ型オーミック電極とｐ型層の界面に侵入し易いからである。というのも、ｐ型オーミック電極は、素子の発熱部である活性層と、薄いｐ型層で隔てられるだけであることから、長期間にわたり、比較的高い温度に曝されることになるからである。特に、Ａｕを含むｐ型オーミック電極の上にＡｌ層を形成する際には、好ましくない性質を有する合金の生成を抑えるために、必ず保護膜を介在させるようにすることが望ましい。
図１０は、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの断面図である。この図１０の素子では、素子内でｎ型オーミック電極Ｐ１と反射層Ｐ５とが短絡されている。具体的には、ｎ型オーミック電極Ｐ１が、反射層Ｐ５の表面上まで延長して形成されている。このＧａＮ系ＬＥＤは、反射層Ｐ５の上に重ねて形成された層状のｎ型オーミック電極Ｐ１の最表面層をボンディング層とすることにより、放熱性よく実装することができる。
特に、反射層にＡｇを用いる場合には、反射層の電位が高くなると、Ａｇの電気化学的マイグレーションの問題が発生する恐れがある。そこで、これを防止するために、図１０に示す素子のように、反射層をｎ型ＧａＮ系半導体に電流を供給するための電極と短絡させることが好ましい。
図１１は、本発明の一実施形態である、ＧａＮ系半導体層の成長に用いた結晶基板を、最終的に素子から除去する態様を説明する図である。
図１１（ａ）は、結晶基板１上に、ｎ型層２、発光層３、ｐ型層４を成長し、更に、ｐ型オーミック電極Ｐ２、保護膜Ｐ４、反射層Ｐ５を形成したウェハの断面図である。反射層Ｐ５は、素子の周縁部において、ｐ型オーミック電極Ｐ２と電気的に接続されている。
ここで、ｐ型オーミック電極Ｐ２と反射層Ｐ５との接続部には、それぞれを構成する金属材料の間での合金化反応を抑制するためのバリア層を介在させてもよい。また、反射層Ｐ５を多層構造として、その最下層をＡｌまたはＡｇで、その最上層をＡｕ（合金）またはＳｎ（合金）で形成するとともに、その間にバリア層を介在させ、該最下層は保護膜Ｐ４の表面上だけに形成し、バリア層と最上層の少なくとも一方を、ｐ型オーミック電極Ｐ２の露出部上に延長して形成してもよい。
図１１（ｂ）は、反射層Ｐ５の上に、導電性接合材料Ｃを介して、保持基板Ｂが接合されたところを示す。導電性接合材料Ｃは、例えば、ろう材や導電性ペーストである。保持基板Ｂは、導電性基板であればよく、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、各種の金属基板などである。また、導電性接合材料Ｃを用いて保持基板Ｂを接合する代わりに、反射層Ｐ５を電極とする電気メッキにより、Ｎｉなどの金属からなる厚膜を堆積させ、これを保持用の基板として用いることもできる。
該反射層Ｐ５と導電性基板とを、Ａｕ系またはＳｎ系のろう材で接合したり、共晶接合により接合するには、反射層Ｐ５の最上層をＡｕ（合金）またはＳｎ（合金）で形成することが好ましい。
図１１（ｃ）は、結晶基板１が除去され、露出したｎ型層２の表面に、ｎ型オーミック電極Ｐ１が形成されたところを示す。結晶基板１の除去は、結晶基板１の全部または大部分を、研削・研磨により摩滅させたり、レーザリフトオフの技術を用いて、結晶基板１とｎ型層２との界面を剥離させることにより、行うことができる。ｎ型オーミック電極Ｐ１は、ｎ型層の下方からのエッチングにより露出させたｎ型層の露出面に形成してもよい。
本発明の他の好適な実施形態では、欧州特許出願公開公報ＥＰ１１８４８９７Ａ１に開示されたＧａＮ系半導体結晶の成長方法であるＬＥＰＳ（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｎ  ａ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を用いてＧａＮ系半導体層の成長を行い、ｐ型層の表面に形成される、貫通転位密度が相対的に低い領域の上に、ｐ型オーミック電極の電極膜部分を選択的に形成する。このようにすることによって、発光層における発光効率（内部量子効率）を高めることができる。
ＬＥＰＳの一態様では、Ｃ面サファイア基板の表面に、サファイアの〈１１−２０〉方向（基板上に成長されるＧａＮ系半導体結晶の〈１−１００〉方向となる）に伸びる多数のストライプ状凹部（溝）をエッチングにより形成することによって、該表面にストライプ状の凹凸パターンを形成し、その上にＧａＮ系半導体結晶を成長させる。すると、凸部の表面を起点とする横方向の結晶成長が起こり、やがて、各凸部から成長した結晶が合体して、平坦な表面を有する結晶層が得られる。この結晶層をベース層として、その上に、ｎ型層、発光層、ｐ型層を順次成長して、ＬＥＤウェハを作製すると、ｐ型層の表面に、貫通転位の密度が特に低いストライプ状の領域が現れる。それは、サファイア基板の表面に形成された凹部の上方の領域、すなわち、サファイア基板の凸部から横方向成長した結晶がベース層を構成している部分の、上方の領域である。該領域における貫通転位の密度は、１０７ｃｍ−２台またはそれ以下という、低い値となり得る。
このｐ型層の表面に、例えば、図４（ｅ）に示す櫛状パターンを有するｐ型オーミック電極を、その櫛の歯の部分に相当するストライプ状の部分のそれぞれが、貫通転位密度の低いストライプ状領域、即ち、サファイア基板の凹部の上方の領域に配置されるように、設けることができる。このようにすると、ｐ型オーミック電極からｐ型層を経て発光層に供給される電流の殆どを、貫通転位密度の低い領域に集中させることができるので、発光層におけるキャリアの発光再結合の確率が高くなり、発光効率が向上する。
この効果は、とりわけ、発光層がＩｎ組成ｘの低いＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０の場合を含む。）からなる、発光波長が紫色（約４２０ｎｍ）〜近紫外のＬＥＤで顕著となる。その理由は、Ｉｎ組成の低いＧａＮ系半導体からなる発光層においては、転位が発光効率に及ぼす悪影響が大きくなるからである。
このＬＥＰＳを利用した実施形態では、ｐ型オーミック電極の電極膜部分の面積の６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上を、低転位密度領域となる、基板の凹部の上方の領域に形成することが好ましい。
ここで、ｐ型オーミック電極のパターンは、櫛状パターンに限定されない。また、基板表面に形成する凹凸パターンも、ストライプ状に限定されない。該凹凸パターンは、凹部と凸部の境界線の方向が、基板上に成長されるＧａＮ系半導体結晶の〈１−１００〉方向となるパターンであればよく、例えば、凸部が島状に形成されたパターンとすることができる。また、該境界線の方向が他の方向であっても、Ｍｇをドープすることなどによって、ＧａＮ系半導体結晶の横方向成長速度を高くすることができ、それによって、基板の凹部の上方に貫通転位密度の低い領域を形成させることができる。
ところで、この実施形態において、基板の凸部から横方向成長した結晶が、凹部に成長した結晶とつながる前に、隣の凸部から横方向成長した結晶と合体し、その結果、基板の凹部と、基板上に成長したＧａＮ系半導体結晶層との間に、空隙が残る場合がある。このような空隙は、その内部が屈折率の低い気体物質で満たされているため、発光層から届く光を反射し易く、発光層で発生される光を、該基板の下面側から取り出すうえで障害となる。この問題は、図１１に示す実施形態のように、反射層の上に新たな保持基板を接合して、ＬＥＰＳに用いた基板（表面に凹凸パターンを形成した基板）を除去することにより、解決することができる。
【実施例】実施例１
本発明の実施例として、図１２に示す断面構造を有するＧａＮ系ＬＥＤを、次の手順にて作製し、評価を行った。
（ＬＥＤウエハの作製）
Ｃ面サファイア基板の一主面上に、フォトレジストからなるストライプ状のマスクパターンを周期的に形成した。ストライプ状のマスクの幅は３μｍ、周期（マスクの幅＋隣接するマスク間に基板表面がストライプ状に露出した部分の幅）は６μｍ、ストライプ方向はサファイアの〈１−１００〉方向（基板上に成長されるＧａＮ系半導体結晶の〈１１−２０〉方向となる）とした。該マスク上から反応性イオンエッチングを行うことにより、露出したサファイア基板の表面に深さ１μｍの溝を加工した。その後、フォトレジストを除去することにより、表面にストライプ状の凹凸パターンが形成されたサファイア加工基板１を得た。なお、このストライプ方向を有するサファイア加工基板上では、ＧａＮ系半導体結晶の横方向成長が抑制され、基板表面の凹部が埋め込まれ易くなる。
次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、上記サファイア加工基板１の上に、ｎ型層２、発光層３、ｐ型層４を順次成長し、続いて、ラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）装置を用いてアニーリング処理を行うことにより、ＬＥＤ構造のＧａＮ系半導体積層体を備えたＬＥＤウェハを得た。ここで、ｎ型層２は、アンドープＧａＮ層とＳｉドープＧａＮ層の２層構造とし、サファイア加工基板１の表面の凹凸をアンドープＧａＮ層で埋め込んだ上に、ＳｉドープＧａＮ層を成長した。また、発光層３は、発光波長が４００ｎｍとなるようにＩｎ組成を調節したＩｎＧａＮ井戸層と、該井戸層よりもバンドギャップの大きなＩｎＧａＮ障壁層とを、交互に積層したＭＱＷ構造とした。また、ｐ型層４は、ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層と、その上に積層されたＭｇドープＧａＮコンタクト層とからなる、２層構造とした。
（電極等の形成）
次に、ｐ型層４の表面に、ｐ型オーミック電極Ｐ２を、正方形状の窓部を有する格子状パターンに形成した。該格子状パターンに占める窓部の面積比は、約７０％とした。このｐ型オーミック電極Ｐ２は、蒸着法を用いて、ｐ型層４に接する側から、膜厚３０ｎｍのＲｈ、膜厚１００ｎｍのＡｕ、膜厚２０ｎｍのＴｉをこの順に積層して形成した。ｐ型オーミック電極Ｐ２のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ技法を用いたリフトオフ法により行った。パターニング後のｐ型オーミック電極Ｐ２に対して、５００℃、１分間の熱処理を行った。
次に、ｎ型層２に含まれるＳｉドープＧａＮ層を部分的に露出させるために、反応性イオンエッチング法を用いて、ｐ型層４の上面側から、ｐ型層４および発光層３の一部を除去した。続いて、該エッチングにより形成されたＳｉドープＧａＮ層の露出面上に、蒸着法を用いてＴｉとＡｌを順に積層することにより、ｎ型オーミック電極Ｐ１を形成した。ｎ型オーミック電極Ｐ１にも、５００℃、１分間の熱処理を行った。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ウェハの上面全体を覆うように、ＳｉＯ２からなる膜厚３００ｎｍの保護膜Ｐ４を形成し、続いて、ドライエッチングにより、保護膜Ｐ４を部分的に除去した開口部を形成し、ｎ型オーミック電極Ｐ１の上面と、ｐ型オーミック電極Ｐ２の一部を露出させた。
次に、蒸着法により、保護膜Ｐ２の上に、Ａｌからなる膜厚２００ｎｍの反射層Ｐ５を形成した。
次に、蒸着法を用いて、ｐ側ボンディング電極Ｐ３を形成した。ｐ側ボンディング電極は、最下層が膜厚１０ｎｍのＴｉで、その上に、膜厚８０ｎｍのＰｔと膜厚８０ｎｍのＡｕを交互に３層ずつ、最上層がＡｕ層となるように積層した積層体とした。このｐ側ボンディング電極Ｐ３を、保護膜Ｐ４の開口部に露出したｐ型オーミック電極Ｐ２に接し、かつ、保護膜Ｐ４上に形成された反射層Ｐ５の全体を覆うように形成した。
このｐ側ボンディング電極Ｐ３を形成するのと同時に、ｐ側ボンディング電極Ｐ３と同じ積層構造を有するｎ側ボンディング電極Ｐ６を、保護膜Ｐ４の開口部に露出したｎ型オーミック電極Ｐ１の上に形成した。
次に、サファイア加工基板１の下面を研磨して、その厚さを１００μｍまで薄くし、その後、スクライビングを行って、ウェハからＬＥＤチップを切り出した。ＬＥＤチップのサイズは、３５０μｍ角とした。
（評価）
得られたＬＥＤチップ（ベアチップ）を、表面に正負のリード電極が形成された実装用基材の上に固定した。固定は、素子の上方（サファイア加工基板１から見てＧａＮ系半導体積層体が形成された側）を該実装用基材の実装面に向け、ｐ側ボンディング電極Ｐ３を正のリード電極に対して、ｎ側ボンディング電極Ｐ６を負のリード電極に対して、それぞれ、Ａｕ−Ｓｎハンダで接合することにより行った。なお、ｐ側ボンディング電極Ｐ３は、反射層Ｐ５の上に重ねて形成された部分の表面を、Ａｕ−Ｓｎハンダとの接合に用いた。
実装したＬＥＤチップの順方向電圧（Ｖｆ）と出力を、通電電流２０ｍＡにて測定した。出力の測定には積分球を用いた。その結果、Ｖｆは３．８Ｖ、出力は１０．７ｍＷであった。
実施例２
ｐ型オーミック電極Ｐ２に含まれるＲｈを、Ｐｄに置き換えたことを除いて、実施例１と同様の方法でＬＥＤチップを作製し、評価を行った。その結果、Ｖｆは３．４Ｖ、出力は、９．７ｍＷであった。
比較例１
従来技術に係る例として、図１３（ａ）に示す断面構造を有するＧａＮ系ＬＥＤを作製し、評価を行った。このＧａＮ系ＬＥＤは、ｐ型オーミック電極が窓部を有するパターンに形成されておらず、また、Ａｌからなる反射層を有さない。
ＬＥＤウェハの作製は、実施例１と同様にして行った。
得られたウェハのｐ型層１４の表面に、窓部を全く設けないパターン（すなわち、平板状）とすること以外は、実施例１のｐ型オーミック電極と同様にして、ｐ型オーミック電極Ｐ１２を形成した。
次に、ｎ型オーミック電極Ｐ１１の形成と、それに続く、ウェハ上面全体への保護膜Ｐ１４の形成を、実施例１と同様に行った。
次に、ドライエッチングにより、保護膜Ｐ１４を部分的に除去した開口部を形成し、ｎ型オーミック電極Ｐ１１の上面と、ｐ型オーミック電極Ｐ１２の上面を露出させた。続いて、該開口部に露出したｎ型オーミック電極Ｐ１１とｐ型オーミック電極Ｐ１２の、それぞれの上に、実施例１で形成したものと同じ積層構造を有する、ｎ側ボンディング電極Ｐ１６とｐ側ボンディング電極Ｐ１３を、同時に形成した。
その後は、実施例１と同様の方法で、ウェハからＬＥＤチップを切り出し、実装用基材の上に固定して、評価を行った。
その結果、Ｖｆは３．８Ｖ、出力は９．５ｍＷであった。
実施例１の素子と比較例１の素子とを比べると、ｐ型オーミック電極として、ＲｈとＡｕからなる、同じ積層構造の電極を用いたことから、Ｖｆが同等となったものと考えられる。一方、実施例１の素子は、発光層で発生される光の少なくとも一部を、波長４００ｎｍの光に対する反射率がＲｈよりも高いＡｌからなる反射層によって、基板側に反射させているのに対し、比較例１の素子は、かかる反射層を用いる反射構造を有さないために、実施例１の素子の方が、比較例１の素子よりも、出力が高くなったと考えられる。
また、実施例２の素子と比較例１の素子とを比べると、実施例２の素子は、Ｒｈよりも反射性に劣るＰｄをｐ型オーミック電極に用いているにも係らず、その出力は比較例１の素子を上回っている。そして、実施例２の素子は、Ｖｆが比較例１の素子よりも低いので、発光効率が比較例１の素子よりも良好となっている。
比較例２
従来技術に係る例として、図１３（ｂ）に示す断面構造を有するＧａＮ系ＬＥＤを作製し、評価を行った。このＧａＮ系ＬＥＤは、ｐ型オーミック電極とＡｌからなる反射層との間に、絶縁体からなる保護膜が介在されていない。
ＬＥＤウェハの作製は、実施例１と同様にして行った。
得られたウェハのｐ型層１４の表面に、実施例１と同様にして、ｐ型オーミック電極Ｐ１２を形成した。
次に、ｐ型オーミック電極Ｐ１２を直接覆うように、Ａｌからなる膜厚２００ｎｍの反射層Ｐ１５を形成した。
次に、ｎ型オーミック電極Ｐ１１の形成と、それに続く、ウェハ上面全体への保護膜Ｐ１４の形成を、実施例１と同様に行った。
次に、ドライエッチングにより、保護膜Ｐ１４を部分的に除去した開口部を形成し、ｎ型オーミック電極Ｐ１１の上面と、反射層Ｐ１５の上面を露出させた。続いて、該開口部に露出したｎ型オーミック電極Ｐ１１と反射層Ｐ１５の、それぞれの上に、実施例１で形成したものと同じ積層構造を有する、ｎ側ボンディング電極Ｐ１６とｐ側ボンディング電極Ｐ１３を、同時に形成した。
その後は、実施例１と同様の方法で、ウェハからＬＥＤチップを切り出し、実装用基材の上に固定して、評価を行った。
その結果、Ｖｆは４．５Ｖ、出力は７．５ｍＷであった。
【産業上の利用可能性】  本発明の実施に係るＧａＮ系発光ダイオードでは、発光層で発生される光が透過するように形成されたｐ型オーミック電極と、反射層との間に、絶縁体からなる保護膜を介在させるので、反射層の材料が拡散することによるｐ型オーミック電極の接触抵抗の上昇が抑制される。また、ｐ型オーミック電極の材料が拡散することによる、反射層の反射率の低下も抑制される。つまり、ｐ型オーミック電極と反射層とを、絶縁体からなる保護膜で隔てることにより、ｐ型オーミック電極と反射層のそれぞれを最適化することができる。そのため、変換効率の低下を伴うことなく、反射層を用いた光取り出し効率の改善ができ、発光効率が改善される。
また、本発明の実施に係るＧａＮ系発光ダイオードでは、ｐ型オーミック電極を窓部を有するパターンに形成するので、発光層で発生される光がｐ型オーミック電極に吸収されることによる損失が小さくなり、光取り出し効率が良好となる。
また、本発明の実施に係るＧａＮ系発光ダイオードは、好ましくは、反射層の最表面層をボンディング層として、または、反射層の上にボンディング層を形成して、このボンディング層と実装用基材とを、導電性接合材料で接合することにより実装する。このように実装すると、素子の動作時に発光層で発生する熱が、効率よく実装用基材に伝達されるために、素子の温度上昇が抑えられ、その結果として、発光効率の低下や波長変動が抑制されるとともに、素子の寿命や信頼性が改善される。
本出願は、日本で出願された特願２００５−０３１１５５、特願２００５−２８４３７５および特願２００５−３１７７８１を基礎としており、それらの内容は本明細書に全て包含される。
【図１】
2006082687.tif 000002
【図２】
2006082687.tif 000003
【図３】
2006082687.tif 000004
【図４】
2006082687.tif 000005
【図５】
2006082687.tif 000006
【図６】
2006082687.tif 000007
【図７】
2006082687.tif 000008
【図８】
2006082687.tif 000009
【図９】
2006082687.tif 000010
【図１０】
2006082687.tif 000011
【図１１】
2006082687.tif 000012
【図１２】
2006082687.tif 000013
【図１３】
2006082687.tif 000014
【国際調査報告】
2006082687.tif 000015
2006082687.tif 000016
2006082687.tif 000017
2006082687.tif 000018