JP2007059518A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の加工による収率の低下を来すことがなく、また結晶成長における難しい条件制御を伴うこともなく、光の取り出し効率を向上させることにある。
【解決手段】 基板側から発光を取り出す構造を持つ半導体発光素子である。この素子の発光を取り出す面とは反対側にある半導体層の電極が形成されていない面に凹凸加工を施した半導体発光素子である。
その製造方法は次の通り。先ず電極を形成する領域以外の半導体層の表面に金属薄膜を形成する。次いで加熱して該金属の凝集粒によるマスクを形成し、その後ドライエッチングすることにより前記電極が形成されていない半導体層の表面に凹凸部を形成することからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光素子に関し、発光出力を向上させる為、半導体層の一部に特定の表面加工を施し、効率的に発光の取り出し可能とした発光素子に関する。

近年、短波長発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物基板やIII-Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気層成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成されている。
ＧａＮ系発光素子（ＬＥＤ）に於いては、フェイスアップと呼ばれる、透光性の電極を通して外部に発光を取り出す構造では、ＡｕＮi金属薄膜電極を始め、透明導電性酸化物電極等を用いる事が行われている。
発光素子の内部量子効率に於いては、結晶状態の改善や、構造の検討により７０〜８０％程度まで向上しているといわれ、注入電流量に対して十分な効果が得られている。

しかしながらＧａＮ系化合物半導体のみならず、発光ダイオード（ＬＥＤ）に於いては、一般的に注入電流に対する光取出し効率が押並べて低く、注入電流に対しての内部発光を十分に光を外部に取り出しているとは言い難い。発光取り出し効率が低いのは、発光層で発光した光が、ＬＥＤ構造内の結晶材質により、反射・吸収を繰り返し、スネルの法則によるところの臨界角以上の反射に於いては、光が外部に取り出せない確率が高い事が原因である。
特に、窒化ガリウム系化合物半導体では、基板に用いる材料がサファイアなど、透明の材料であることより、反射型の電極を使用し、透明の基板を通して光を取り出すフリップチップ型と呼ばれる素子構造が提案されている。フリップチップ構造には、熱の放散が効果的に得られるなど、それに特有の利点が存在する。

光取り出し効率を向上させる為に発光取り出し面を粗面化し、光の取り出し面にさまざまな角度を設けて、有効立体角度を向上させ光の取り出し効率を向上させる技術が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
フリップチップ型の素子に関する光取り出し効率の向上の工夫は、これまでサファイア面に対する加工を行うことで行われてきた（特許文献１参照）。しかし、サファイアは屈折率が樹脂とそう変わらないため、ベアチップでは発光の増大が確認されても、樹脂封止してしまうと加工の効果がキャンセルされてしまうという結果であった。
ＬＥＰＳ（Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｅｐｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と呼ばれる、凹凸を形成したサファイア基板を利用して結晶を成長させることで結晶の取り出し面に粗面化を施して取り出しを良くする技術も公開されている（特許文献３参照）。
特開２００３−２１８３８３号公報 特開２００５−６４１１３号公報 特開２００２−１６４２９６号公報

これらの加工技術はフェイスアップ型の構造に対するものであるか、或いはフリップチップ構造の素子に対しては、サファイア面の加工に関するものであり、半導体層の加工技術は検討されていない。
従来の、基板面に加工を施す技術では、上述したように樹脂封止後に加工の効果が消失する問題が発生する。また、基板は非常に硬い材料であるので、加工を施す工程を含むことは収率を著しく落とす。一方のＬＥＰＳの場合も同様に基板に対する加工を伴うため、これに伴う収率低下を発生する。加えて、結晶成長における成長の条件の制御が難しく、収率を更に下げる結果となっている。
本発明の目的は、前述のフリップチップ型素子において、基板の加工による収率の低下を来すことがなく、また結晶成長における難しい条件制御を伴うこともなく、光の取り出し効率を向上させることにある。

本発明は、発光素子の特定の表面に凹凸部を形成することにより、上記の目的が達成されることに基づくものである
即ち、本発明は以下の構成からなる。
（１）基板側から発光を取り出す構造を持つ半導体発光素子において、半導体層の電極が形成されていない領域の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
（２）凹凸部が設けられた領域は、発光素子の平面積の１％以上、５０％以下であることを特徴とする上記（１）に記載の発光素子。
（３）凹凸部における凸部が部分球状または円柱状であることを特徴とする請求項に記載の発光素子。

（４）部分球状または円柱状の凸部の径が、０．０１μｍ〜３．０μｍであり、かつ部分球状の凸部は独立もしくは連続して形成され、円柱状の凸部は独立して形成されていることを特徴とする上記（３）に記載の発光素子。
（５）凹凸部における凸部が独立している場合、その間隔が、０．３５〜０．６０μｍであることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の発光素子。
（６）凹凸部における凸部の頂点の位置が、発光層〜発光層の基板側と反対側の半導体層の間にあることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の発光素子。

（７）凹凸部における凸部の頂点の位置が、発光層の基板側と反対側の半導体層の層厚の範囲にあることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の発光素子。
（８）凹凸部における凹部の深さが、凸部の頂点から０．０５μｍ以上であることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の発光素子。
（９）凹凸部における凹部の深さが、凸部の頂点から０．０５μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の発光素子。
（１０）凹凸部に金属製の反射膜を形成したことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の発光素子。

（１１）金属製の反射膜が、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒからなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属を含むことを特徴とする上記（１０）に記載の発光素子。
（１２）発光素子が、III−Ｖ族化合物半導体を用いたものであることを特徴とする上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の発光素子。
（１３）III−Ｖ族化合物半導体が、窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする上記（１２）に記載の発光素子。

（１４）基板側から発光を取り出す構造を持つ半導体発光素子製造方法において、電極を形成する領域以外の半導体層の表面に金属薄膜を形成し、次いで加熱して該金属の凝集粒によるマスクを形成し、その後ドライエッチングすることにより前記電極が形成されていない半導体層の表面に凹凸部を形成したことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
（１５）金属薄膜に使用される金属が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、或いはそれらを含む低融点合金からなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする上記（１４）に記載の発光素子の製造方法。
（１６）金属薄膜に使用される金属が、ＡｕＳｎ合金であることを特徴とする上記（１４）又は（１５）に記載の発光素子の製造方法。

本発明ではフリップチップ型素子において、半導体層の電極が形成されていない領域の表面に凹凸加工を施すことによって、半導体層中発光層より生じた発光を外部に効率よく取り出す事が可能となる。
更に、凹凸形成の方法として低融点の金属凝集粒マスクを用いることで、特別のパターニングを不要とし、また金属凝集粒を得るための金属膜厚及び凝集温度の調節で凹凸形状を任意に変化させる事が可能であり、ＬＥＤの発光波長に応じた最適な光取り出し形状を形成する事が可能となる。

以下図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の発光素子の一例を示す概略断面図、図２は底面図である。
図において、１は基板であり、この方から光が取り出される。２はバッファ層、３はｎ型半導体層、４は波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの光を出射するＧａＮ系半導体層からなる発光層、５はｐ型半導体層、６はｎ型電極、１１がコンタクトメタル層、１２が反射膜、１３がオーバコート層、１４がボンディング層である。これらの１１〜１４の層でｐ型電極が構成される。ｎ型電極６は半導体層の積層後、エッチングによりｎ型半導体層を露出させ、その露出面に形成されたものである。

本発明では、電極が形成されていない半導体の表面領域に凹凸２０が形成される。
この例では凹凸２０はｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体３の表面領域で電極が形成されていない領域に施されている。凹凸はこの例では電極６の周辺のみならず素子の周辺の半導体層にも形成されている。凹凸は凸部とその間の凹部からなる。凸部の形状は上方に凸な半球状、凸レンズの形状などの部分球状、或いは部分球状を頂部とする円柱状などである。部分球状の場合は各部分球状体が下部で連続的に繋がったもの、或いは部分球状体が所定の間隔をなして独立分散している場合がある。円柱状の場合、各円柱は所定の間隔をなして独立している。これら独立して存在する場合、凸部間の間隔はＬＥＤ発光波長（３５０ｎｍ〜６００ｎｍ）に合わせた０．３５〜０．６０μｍで、この凸部が１μｍ²当たり最低１ヶ以上形成する事が望ましい。また発光をより効率良く取り出す為には任意単位面積内にできるだけの多くの凹凸加工領域を形成することで、面として均一な発光状態が得られる。

凹凸部における凸部の径（部分球状では最大径）は０．０１〜３．０μｍの範囲が好ましい。
凸部の高さは、凸部の頂点の位置が、発光層〜発光層の基板側と反対側の半導体層の間の高さにあることを好ましい。図１では発光層４とｎ型半導体層３との界面からｐ型半導体層５とコンタクトメタル層１１との界面までの間（両者とも界面を含む）に凸部の頂点が位置する。更に好ましくは発光層の基板側と反対側の半導体層の層厚の範囲にあることである。図１ではｐ型半導体層５の層厚の範囲内である。
凹部の深さは凸部の頂点から０．０５μｍ以上であることが好ましい。またその上限は加工上の問題等から１０μｍ以下であることが好ましい。

図２は図１の底面図で、発光素子の全平面（図２の電極部を含む全平面）に対して、凹凸部を施された領域の面積を１０％とした例である。凹凸を施された領域の面積は、発光素子の全平面積の１％以上、５０％以下であることが望ましい。この値が１％より小さいと凹凸を施したことによる効果を充分に得ることが困難であり、５０％を越えると電極の接触面積が減ることになり、電圧の上昇を招く。

本発明はどのような波長の半導体発光素子に対しても適用が可能である。例えば、III−Ｖ族化合物半導体を用いることができ、これらの化合物として紫外から緑色までを発光する窒化ガリウム系化合物半導体、緑色から赤色までを発光するＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓＰなどの化合物半導体などを挙げることができる。
中でも本発明は、透明な基板を用いて成長することが多く、フリップチップの素子として使用されることの多い、窒化ガリウム系化合物半導体に適用することにより大きな効果を発揮する。

基板１には、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＺｎＯ等その他の酸化物基板等従来公知の材料を何ら制限なく用いることができる。好ましくはサファイアである。バッファ層２は、基板とその上に成長させるｎ型半導体層３との格子不整合を調整するために必要に応じて設けられる。従来公知のバッファ層技術が必要に応じて用いられる。
ｎ型半導体層３の組成および構造は、この技術分野でよく知られている公知の技術を用いて所望の組成および構造にすればよい。通常、ｎ型半導体層は負極と良好なオーミック接触が得られるコンタクト層と発光層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するクラッド層からなる。負極もこの技術分野でよく知られている公知の技術を用いて所望の組成および構造にすればよい。

発光層４も、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）および多重量子井戸構造（ＭＱＷ）等従来公知の組成および構造を何ら制限なく用いることができる。
ｐ型半導体層５の組成および構造については、この技術分野でよく知られている公知の技術を用いて所望の組成および構造にすればよい。通常、ｎ型半導体層と同様、正極と良好なオーミック接触が得られるコンタクト層と発光層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するクラッド層からなる。

本発明の方法で作製したｐ型層に接触させる、コンタクトメタル層１１の材料としては、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｕなどの金属を用いることができる。また、ＩＴＯやＮｉＯ、ＣｏＯ、ＺｎＯなどの透明酸化物としても良い。（本明細書では、半導体側のコンタクト層と区別するためにコンタクトメタル層と呼称するが、名称だけの問題であって、材料が金属でなくてはならないということを意味しない。）

特に、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｕ、などの白金族金属をコンタクトメタル層１１として用いた場合に本発明を使用すると、ボンディングの際の熱による駆動電圧の上昇を防ぐことができるので、より大きな効果を発揮する。中でも、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈは高純度のものが比較的容易に入手することができ、使用しやすい。
一方、コンタクトメタル層１１として導電性透明酸化物とする場合には、ＩＴＯ、ＺｎＯなどを正極材料として用いることが望ましい。一般的に良く知られている透明材料であり、安価で入手できる上、ｐコンタクト層との電気的な接触も良好である。
また、コンタクトメタル層１１はほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。正極を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。

本発明の発光素子は発光を基板側から取り出すので、コンタクトメタル層１１の上には、反射膜１２を形成することができる。反射膜１２は、反射率の良い金属で形成することが望ましい。
反射率の良い金属とは、反射率にして８０％以上である金属を指すものとする。例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒからなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料またはそれを含む合金からなることが望ましい。中でも、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒからなる群、特にＡｇ、Ａｌのどちらかの材料、またはそれを含む合金からなることが良い。

反射膜は、光を透過せずに反射することが望ましく、そのため、反射膜はある程度の膜厚を有することが望ましい。具体的には、１０ｎｍ以上であることが望ましく、更に望ましくは５０ｎｍ以上である。
また、反射膜としてＡｇなどのマイグレーションを起こしやすい材料を使用する場合、反射膜１２の上にオーバコート層１３を形成することもできる。オーバコート層は、反射層よりも一回り大きく、反射層のパターンを完全に覆うような形状であることが望ましい。オーバコート層は、マイグレーションを防止できるような材料であれば、どのような材料としても良く、ＳｉＯ_２などで形成する場合もあるし、ＲｈやＰｔなどの金属を用いても良い。しかし、電流の導通を良くする目的で、金属で成されることが望ましい。

ｐ電極の最上の層は、ボンディングボールとの密着性の良い材料とすることが望ましい。この最上の層をボンディング層１４と言う。ボンディングには金を使用することが多く、金ボールとの密着性の良い金属としてはＡｕとＡｌが知られている。中でも、特に望ましいのは金である。更に、低融点共晶金属いわゆる半田でリードフレームと接着することもある。この場合には、予め低融点共晶金属を、ボンディング層として形成することも可能である。代表的には、ＡｕＳｎなどがある。この最上層の厚さは５０〜１０００ｎｍが望ましく、更に望ましくは１００〜５００ｎｍである。薄すぎるとボンディング材料との密着性が悪くなり、厚すぎても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。

コンタクトメタル層１１、反射膜１２、オーバコート層１３、ボンディング層１４など、各層を構成する膜の成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。真空蒸着には加熱方法に抵抗加熱方式や電子線過熱方式などがあるが、金属以外の材料の蒸着には、電子線加熱方式が適している。また、原料となる化合物を液状とし、これを表面に塗布した後然るべき処理により酸化物膜とする方法も用いることができる。また、一旦金属の膜を形成しておいて、これを酸化することで酸化材料とする方法も用いることができる。
次に本発明の製造方法、特に凹凸の形成方法について説明する。

本発明に於いては凹凸部分を形成する為に、金属凝集マスクを使用することを特徴とする。
先ず半導体積層後、電極を形成する部分等凹凸を形成しない領域にはマスクをし、次いで凹凸を形成する領域に金属薄膜を形成し、次いで薄膜を加熱する。これによって凝集粒が生成する。この金属の選定に於いては低温での凝集性が良好でかつ球面形状が取り得るＡｕＳｎ合金を用いるのが最も好ましい。ＡｕＳｎ合金に於いてはＳｎ組成比が１０％〜３５％程度までは２７３℃程度で共晶化する事が知られ、またこの温度を上回ると一般的に合金層が凝集形態を取ることも知られている。
金属薄膜の形成は一般的に知られる真空蒸着装置で形成することが可能である。また、金属膜の厚み制御が５０Å以上１０００Å以内で均一に可能であれば、スパッタリング装置等を用いてもなんら問題は無い。

凹凸加工領域の、形成後の凸状曲面形状の大きさは、金属凝集マスクで形成した形状とほぼ同等の形状を取る為、金属凝集マスクの形状を制御する事でドライエッチング後の形成形状を制御することができる。
金属薄膜から凝集粒を得る為には、形成した金属薄膜を酸素を含む、あるいは含まない雰囲気のいずれかで、２５０℃以上、１ｍｉｎ以上の条件で熱処理を行う。
凝集金属の形状は、酸素を雰囲気或いは酸素の無い雰囲気で大きく異なる。酸素を含む雰囲気では、凝集金属の形状が球状となりにくい。したがって、発光出力を効率良く取り出す為には酸素を含まない雰囲気での熱処理がより好ましい。
凸部の径、間隔、球面形状は、凝集金属の形状によって制御される。凝集金属は金属薄膜の材料、合金の場合は組成、膜厚、多層構造の場合は順番、熱処理の温度、雰囲気ガスなどによって制御できる。凹部の深さはエッチング条件と凝集金属の材料や形状などによって制御される。

凝集金属粒を形成後、それをドライエッチングして金属粒を除くと共に、半導体層もドライエッチングして凹凸を形成する。ドライエッチングの条件、時間等で凸部の高さ、凹部の深さが制御される。
凹凸加工領域の、形成後の凸状曲面形状の大きさは、金属凝集マスクで形成した形状とほぼ同等の形状を取る為、金属凝集マスクの形状を制御する事でドライエッチング後の形成形状を制御することができる。

凝集形状を得る為には、形成した金属薄膜を酸素を含む、あるいは含まない雰囲気のいずれかで、２５０℃以上、１ｍｉｎ以上の条件で熱処理を行う事で実施される。
本発明によるところの金属凝集マスクを利用して球面或いは凹凸形状を形成する事は、金属のドライエッチング耐性を使用する従来法と異なり、金属凝集マスクの緻密化によって生じる、ドライエッチングに於いては一般的なマイナス効果であるマイクロローディング効果を利用する事に特徴がある。ドライエッチングに於いては、一般的なＲＩＥ型のドライエッチングを用いて、塩素を含むガスに於いてエッチングされるがこの場合、熱による凝集形状の変化を防ぐ為、基板温度は１００℃以下に保つ事が望ましい。これらの方法は、金属硬度が高く、融点の高い金属を使用すること無く、より形状制御のし易い低融点金属で球面或いは凹凸形状が形成できる事は生産性を考慮したうえでも非常に有益である。

以下に実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例で作製したＬＥＤに使用したエピタキシャル積層構造体１１の断面模式図を図１に示す。また、図２には、ＬＥＤの平面模式図を示す。
積層構造体は、サファイアのｃ面（（０００１）結晶面）からなる基板上に、ＡｌＮからなるバッファ層を介して順次、アンドープＧａＮ層（層厚＝８μｍ）、Ｇｅドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２μｍ、キャリア濃度＝８×１０¹⁸ｃｍ^-3）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層（層厚＝２５ｎｍ、キャリア濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、６層のＳｉドープＧａＮ障壁層（層厚＝１４．０ｎｍ、キャリア濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）と５層のアンドープＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの井戸層（層厚＝２．５ｎｍ）からなる多重量子構造の発光層、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層（層厚＝１２ｎｍ）、及びＭｇドープＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎコンタクト層（層厚＝１８０ｎｍ）を積層して構成した。上記の積層構造体の各構成層は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段で成長させた。

特に、ＭｇドープＡｌＧａＮコンタクト層は以下の手順に依り成長させた。
（１）ＭｇドープのＡｌ_0,07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層の成長を終了した後、成長反応炉内の圧力を２×１０⁴パスカル（Ｐａ）とした。キャリアガスは水素を用いた。
（２）トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料とし、ビスシクロペンタマグネシウムをＭｇのドーピング源として、１０２０℃でＭｇドープＡｌＧａＮ層の気相成長を開始した。
（３）トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアおよびビスシクロペンタマグネシウムを、成長反応炉内へ４分間に亘り継続して供給して、層厚を０．１５μｍとするＭｇドープＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層を成長させた。
（４）トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびビスシクロペンタマグネシウムの成長反応炉内への供給を停止し、ＭｇドープＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層の成長を停止した。

ＭｇドープＡｌＧａＮ層からなるコンタクト層の気相成長を終了させた後、直ちにキャリアガスを水素から窒素へと切り替え、アンモニアの流量を低下させ、そして低下させた分だけキャリアガスの窒素の流量を増加した。具体的には、成長中には全流通ガス量のうち体積にして５０％を占めていたアンモニアを、０．２％まで下げた。同時に、基板を加熱するために利用していた、高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止した。
更に、この状態で２分間保持した後、アンモニアの流通を停止した。このとき、基板の温度は８５０℃であった。

この状態で室温まで冷却後、成長反応炉より積層構造体を取り出し、コンタクト層のマグネシウム及び水素の原子濃度を一般的なＳＩＭＳ分析法で定量した。Ｍｇ原子は、７×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度で、表面から深さ方向に略一定の濃度で分布していた。一方、水素原子は、６×１０¹⁹ｃｍ^-3の略一定の濃度で存在していた。また、抵抗率は、一般的なＴＬＭ法による測定から、おおよそ１５０Ωｃｍと見積もられた。
上記のｐ型コンタクト層を備えたエピタキシャル積層構造体を用いてＬＥＤを作製した。

先ず、凹凸加工を施す部分に従来より用いられている技術を用いて、凹凸加工形状をレジストを用いてパターニングを実施した。その後、一般的な真空蒸着装置を用いて３×１０−３torr以下の圧力でＡｕＳｎを１５０Å蒸着した。蒸着後、一般的な方法でＡｕＳｎ薄膜とレジスト膜を分離除去し、凹凸加工を施す部分に選択的にＡｕＳｎの薄膜を形成した。
前述、薄膜を形成した部分に後述ドライエッチングを行う際のエッチングマスクを形成する為、酸素の存在しない雰囲気で２５０℃で熱処理を行い金属を凝集させた。熱印加の条件は温度及び雰囲気により金属薄膜は、形状を調整する事ができ、発光波長に応じた密度で、凹凸加工領域の形状に即した条件により金属凝集膜を形成したことは言うまでも無い。

次に、負極５を形成する予定の領域以外の部分をレジスト膜で保護し、負極を形成する領域のみＧａＮ層が露呈する形状とした。その後、一般的なドライエッチングを施した。
結果的に、凹凸加工を行う領域は、前述ＡｕＳｎ凝集薄膜で形成された形状の半球状等或いは凹凸状金属でマスクされている為、ドライエッチングにより、凝集薄膜の形に添った形状で選択的にエッチングされ曲面を持った形状にＧａＮを凹凸加工する事ができた。また、金属凝集膜及びレジスト膜で覆った部分以外は通常にドライエッチングによりエッチングされる為、ドライエッチング後はＮ−ＧａＮ層が露呈した領域、Ｐ−ＧａＮ層が露呈した領域、凹凸加工が形成された領域がそれぞれ一度に形成されることになる。

次に公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、Ｐｔからなるコンタクトメタル層、Ａｇからなる反射層、Ｒｈからなるオーバコート層、Ａｕからなるボンディング層を形成した。各層の形成には、従来より用いられている、真空蒸着装置とスパッタを組み合わせて使用した。

次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極を以下の手順により形成した。
レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。

負極５および正極１１〜１４を形成した後、サファイア基板１の裏面を、ダイヤモンド微粒の砥粒を使用して研磨し、最終的に鏡面に仕上げた。その後、積層構造体を裁断し、３５０μｍ角の正方形の個別のＬＥＤへと分離した。つづいて、個別分割したフリップチップ型のＬＥＤをサブマウントと呼ばれる、配線を施したＳｉ製の基盤に実装後、サブマウントを缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡに於ける発光出力及び順方向電圧は１３ｍＷで３．２Ｖを示した。
このチップの発光面の観察では、凹凸加工した領域は、発光領域で無いにも関わらず、透明電極を作製した領域とほぼ同等の発光を呈しており凹凸加工が発光面積を拡大し、発光出力を向上させていることが確認できた。

（比較例）
同じ窒化物半導体積層基板に、凹凸加工領域を設けていない状態で、同様の電極構成を持ったフリップチップ素子を作製した。この発光素子の順方向電圧及び発光出力はそれぞれ３．２Ｖで８ｍＷであった。
また、実施例１で作製した素子と比較例で作製した素子を、一般的にトップパッケージと呼ばれるＬＥＤランプに実装し、一般的に用いられている樹脂にて封止して出力を確認したところ、実施例のものは１８ｍＷ、比較例のものは１２ｍＷを示し、光取り出し加工の効果が樹脂封止後にも消失していないことが確認できた。

（実施例２）
同じ窒化物半導体積層基板に、凹凸加工領域を設けた上に、Ａｌからなる反射膜を形成して、同様の電極構成を持ったフリップチップ素子を作製した。この発光素子の順方向電圧及び発光出力は、それぞれ３．２Ｖで１５ｍＷであった。
また、実施例１で作製した素子と比較例で作製した素子を、一般的にトップパッケージと呼ばれるＬＥＤランプに実装し、一般的に用いられている樹脂にて封止して出力を確認したところ、実施例２のものは２０ｍＷを示した。

本発明によって提供されるフリップチップ型のIII族窒化物ｐ型半導体発光素子は、簡便な方法によって良好な光出力を得られる。これにより、従来より出力の高いＬＥＤランプを作製することが可能となり技術として非常に有用である。

本発明のフリップチップ素子を模式的に示した断面図である。 本発明のフリップチップ素子を模式的に示した平面図である。

符号の説明

１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体積層
６ 負極
１１ コンタクトメタル層
１２ 反射膜
１３ オーバコート層
１４ ボンディング層
２０ 凹凸

Claims (16)

1. 基板側から発光を取り出す構造を持つ半導体発光素子において、半導体層の電極が形成されていない領域の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 凹凸部が設けられた領域は、発光素子の平面積の１％以上、５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 凹凸部における凸部が部分球状または円柱状であることを特徴とする請求項に記載の発光素子。
4. 部分球状または円柱状の凸部の径が、０．０１μｍ〜３．０μｍであり、かつ部分球状の凸部は独立もしくは連続して形成され、円柱状の凸部は独立して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 凹凸部における凸部が独立している場合、その間隔が、０．３５〜０．６０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
6. 凹凸部における凸部の頂点の位置が、発光層〜発光層の基板側と反対側の半導体層の間にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子。
7. 凹凸部における凸部の頂点の位置が、発光層の基板側と反対側の半導体層の層厚の範囲にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子。
8. 凹凸部における凹部の深さが、凸部の頂点から０．０５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発光素子。
9. 凹凸部における凹部の深さが、凸部の頂点から０．０５μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光素子。
10. 凹凸部に金属製の反射膜を形成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の発光素子。
11. 金属製の反射膜が、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒからなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属を含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
12. 発光素子が、III−Ｖ族化合物半導体を用いたものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の発光素子。
13. III−Ｖ族化合物半導体が、窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする請求項１２に記載の発光素子。
14. 基板側から発光を取り出す構造を持つ半導体発光素子製造方法において、電極を形成する領域以外の半導体層の表面に金属薄膜を形成し、次いで加熱して該金属の凝集粒によるマスクを形成し、その後ドライエッチングすることにより前記電極が形成されていない半導体層の表面に凹凸部を形成したことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
15. 金属薄膜に使用される金属が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、或いはそれらを含む低融点合金からなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
16. 金属薄膜に使用される金属が、ＡｕＳｎ合金であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の発光素子の製造方法。