JP4852322B2 - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の取り出し効率を高めた窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。

一般にＬＥＤを構成する化合物半導体は屈折率が高く、屈折率の数値としては２以上あるのが普通である。このためＬＥＤチップ内で生成された光が、大気中に放射される際に、ＬＥＤを構成する化合物半導体と大気との界面で全反射を起こし、ＬＥＤチップ自身に閉じ込められてしまうという現象が発生する。この全反射を起こす臨界角は、化合物半導体と大気との屈折率差が大きい程、小さくなるので、全反射でＬＥＤチップ自身に閉じ込めらる光は多くなり、光の取り出し効率が一層低下する。このため光を取り出す効率を上げるための様々な手法が提案されている。

ＬＥＤとして窒化物半導体発光素子が良く用いられるが、窒化物半導体発光素子のｐ側のコンタクト層は、ＧａＮを含んだｐ型のＧａＮ系半導体層で構成されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層の比抵抗は通常数Ωｃｍと非常に高いので、ｐ型層で層方向（横方向）の十分な電流広がりを得ることができない。電流広がりを大きくするためには膜厚を厚く取ればよいが、比抵抗が数Ωｃｍのオーダーであると、チップの標準的な大きさは横方向が数１００μｍ程度になるので、これに対応する膜厚は数ｍｍのオーダーが必要となり、全く現実的でない。そこで、通常、ｐ型ＧａＮ系コンタクト層全体をほぼ覆うようなｐ電極を形成するようにして、横方向全体に電流が流れるようにしている。ただし、このままではｐ電極が光を吸収してしまうので、数１０Å程度の非常に薄い金属電極（半透明電極）を使用する。

しかし、非常に薄い半透明電極であっても、金属で構成されているので、吸収は避けられず、通常３０〜４０％におよぶ吸収が発生する。これを解決するためにＺｎＯやＩＴＯと言った透明電極を用いることが提案されている。これらの透明電極は、ほぼ１００％の透過率を有する材料が用いられているので、光取り出し効率を上げることができる。

透明電極を用いた従来の窒化物半導体発光素子の構造として、例えば、図１４に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。導電性の基板５１上にｎ型窒化物半導体層５２、活性層５３、ｐ型窒化物半導体層５４、ＺｎＯ膜５５が順に形成されており、図示はしていないが、基板５１の下側にはｎ電極が全面に形成され、ＺｎＯ膜５５上の一部にｐ電極が設けられている。この窒化物半導体発光素子では、ＺｎＯ膜５５の上方から光を取り出すようにしている。
特許第３７２０３４１号公報

上記従来の窒化物半導体発光素子は、ＺｎO膜５５の上面からの出射光だけでなく、チップ側面からの出射光も有効に活用して光取り出し効率を向上させている。図１４に示すように、活性層５３で生成された光のうち、チップ側面に進んだ光は、実線Ｔのように、そのまま大気中に出射される。

しかし、前述したように、発光素子を構成する化合物半導体は屈折率が高く、チップ上面だけでなく、チップ側面においても化合物半導体と大気との界面では、全反射が発生する。全反射は、光が屈折率の大きな媒質から屈折率の小さな媒質に向かう場合に境界面で発生するもので、境界面に入射する光の入射角が臨界角以上になると発生する。

全反射が発生しない臨界角以内で境界面に入射する光の範囲を示したのが光取出コーン４０であり、光取出コーン４０の範囲内にはいった光は実線Ｔの矢印のように大気中に進んで取り出されるが、光取出コーン４０の範囲内に入らない光は、実線Ｒのように、半導体層と大気との界面で全反射を起こし、取り出せない光となる。

ここで、光取出コーン４０内に入る光を最大限に活用して光の取り出し量を上げようとすると、ｐ側側面が問題となる。すなわち、ｐ側に形成されたＺｎO膜５５の膜厚だけでは不足するので、例えば、図１４の破線で示されたＺｎO膜５６のように、ＺｎO膜５５をさらに成長させて、光取出コーン４０が完全に含まれる程度、厚くすると効果的な光取り出しができる。発光素子の横方向の大きさＡが１００〜１０００μｍであれば、光取出コーン４０の半径は４５〜４５０μｍ必要となる。

したがって、発光素子の横方向の大きさＡが小さい場合であっても、ＺｎO膜の膜厚を数１０μｍというオーダーにすることが必要になり、この膜厚を実現できれば、厚み方向（チップ側面）からの光取り出しが増え、光取り出し効率は向上する。しかし、ＺｎO膜は、薄膜形成法を使って形成される為、数１０μｍというオーダーの膜厚を形成するためには、長い時間が必要であった。

また、特許文献１に示すように、特にｐ側に形成されるＺｎO膜は、比抵抗を下げるために、不純物をドーピングしており、このドーピングを制御した状態で、上記のように数１０μｍというオーダーの膜厚を成長させるのには、時間が非常にかかりすぎるため、チップ生産の歩留りが悪くなり、問題となっていた。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、チップの積層方向からの光取り出し量だけでなく、チップ側面からの光取り出し量も大きくするとともに、チップ作製に時間がかからない窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくともｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層、ｐ型ＧａＮ系半導体層を順に備えた窒化物半導体発光素子において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長面側には、ＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなるｎ型ＺｎＯ膜が形成され、該ｎ型ＺｎＯ膜の成長面側にはＺｎＯ基板が配置されており、前記ＺｎＯ基板の表面は（０００−１）面で構成され、かつ凹凸が形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。

また、請求項２記載の発明は、前記ｎ型ＺｎＯ膜はキャリア濃度１×１０^２０ｃｍ^−３以上となるように不純物がドープされたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項３記載の発明は、前記ＺｎＯ基板の厚さは４５μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項４記載の発明は、前記ＺｎＯ基板の表面の凹凸は、錐体形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項５記載の発明は、活性層を挟むようにしてｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層が形成された窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長面側にＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなるｎ型ＺｎＯ膜を形成した後、前記ｎ型ＺｎＯ膜と接触する側に（０００１）面を有するＺｎＯ基板を、前記ｎ型ＺｎＯ膜表面に貼り付け、その後粗面加工により前記ＺｎＯ基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

また、請求項６記載の発明は、活性層を挟むようにしてｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層が形成された窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面と接触する側に（０００１）面を有するとともにＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなるｎ型ＺｎＯ膜が形成されたＺｎＯ基板を、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面に貼り付け、その後粗面加工により前記ＺｎＯ基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

また、請求項７記載の発明は、活性層を挟むようにしてｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層が形成された窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長面側にＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなる第１のｎ型ＺｎＯ膜を形成した後、前記第１のｎ型ＺｎＯ膜と接触する側に（０００１）面を有するとともにＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなる第２のｎ型ＺｎＯ膜が形成されたＺｎＯ基板を前記第１のｎ型ＺｎＯ膜表面に貼り付け、その後粗面加工により前記ＺｎＯ基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

また、請求項８記載の発明は、前記ＺｎＯ基板又はｎ型ＺｎＯ膜が形成されたＺｎＯ基板の貼り付けは、酸素を含まない雰囲気中での加熱により行われることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。

また、請求項９記載の発明は、前記粗面加工は、酸によるウエットエッチングで行われることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明によれば、ｎ型ＺｎＯ膜の上にＺｎＯ基板を配置するようにしているので、特にｐ側チップ側面の長さを大きく取ることができ、活性層で生成された光がチップ側面を介して大気中に出射することができる光取出コーンの最大限の範囲までチップ側面の長さを確保することができ、光取り出し効率が向上する。

また、製造方法では、ｎ型ＺｎＯ膜の１層のみを厚く形成するのではなく、ｎ型ＺｎＯ膜をｐ側透明電極として使用する通常の厚さ程度に形成しておき、このｎ型ＺｎＯ膜上にＺｎＯ基板を貼り付けるようにしているので、ｐ側チップ側面の所望の長さを得る場合、不純物のドーピングを制御しなければならないｎ型ＺｎＯ膜を厚く成膜するよりも、非常に短い時間で形成することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による第１窒化物半導体発光素子の断面を示す。

ｎ側金属電極１上にＧａＮ基板２、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層としての活性層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５、ＺｎＯ電極膜６、ＺｎＯ基板７が積層されている。ｎ型ＧａＮ系半導体層３は、ＧａＮ成分を含むｎ型の半導体層であり、ｐ型ＧａＮ系半導体層５はＧａＮ成分を含むｐ型の半導体層である。

また、ＺｎＯ基板７上の一部領域にワイヤボンディグ等に用いられるｐ側金属電極が形成されており、ＺｎＯ基板７の露出面は粗面加工により、図のように凹凸が形成されている。粗面加工により形成された凹凸は、６角錐等の錐体形状で構成されている。

ＺｎＯ電極膜６は、ｎ型化されたｎ型ＺｎＯ膜で構成されており、材料としてＺｎＯ又はＺｎＯ化合物が用いられる。このｎ型ＺｎＯ膜をＺｎＯ化合物で構成する場合は、発明者が開発し、特許取得済みの特許文献１に記載されているように、例えば、ＧａがドープされたＭｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯ（０≦Ｚ＜１）からなるＭｇＺｎＯ電極膜で形成される。また、ＧａがドープされたＭｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯ（０≦Ｚ＜１）に替えて、ＢがドープされたＭｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯ（０≦Ｚ＜１）としても良い。ここで、ＺｎＯ膜にＭｇを添加しているのは、４００ｎｍ程度の短波長でも透過率を高く維持することができるためであり、短波長での透過率を高く維持する必要がなければ、Ｍｇを添加せずに、ＺｎＯにＧａやＢ等の不純物をドープしてｎ型化したＺｎＯ膜を用いることもできる。

上記のように、ＺｎＯ電極膜６にＭｇＺｎＯ電極膜を用いた場合の作製方法は、Ｇａ_２Ｏ_３とＭｇＯとＺｎＯの粉末を混合したものを焼成したターゲットを用いてスパッタ法、イオンプレーティング法などで形成する。また、金属Ｇａ、金属Ｍｇ、金属Ｚｎをヒータで加熱して分子線として供給し、酸素はＲＦラジカルセルで供給する分子線エピタキシー法に似た蒸着法でも形成することができる。

通常、透明電極膜の材料としてのＺｎＯは、不純物がドープされていないノンドープのものでは、ｐ型ＧａＮ系半導体との接合ではオーミックコンタクトを形成しにくい。また、ノンドープのＺｎＯ膜では導電率が高くないために、駆動電圧が高くなったり、また、横方向に電流が拡散しないために発光効率が低下するという問題があるので、ｎ型化してキャリア濃度を高めることで、上記問題を解消している。

そこで、特許文献１に示したように、Ｍｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯにIIIＢ族元素であるＧａ又はＢをドープすることで、大幅に抵抗が減少することを利用する。特許文献１に示したＭｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯに対するＧａのキャリア濃度との関係を図２に再掲する。横軸がキャリア濃度、縦軸が抵抗率を示す。キャリア濃度を高くすると抵抗率が下がり、キャリア濃度が１×１０^２１を越えると抵抗率は急激に上昇することがわかる。電流を拡散するための電極として、ＧａがドープされたＭｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯ（０≦Ｚ＜１）からなる電極膜を使用する場合の抵抗率は、１×１０^−２Ωｃｍ以下であることが望ましい。

この条件に合わせると、図２よりキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上、５×１０^２１ｃｍ^−３以下であることが好適である。Ｇａに替えてＢをドープする場合でも同様である。このような条件で形成されたＭｇＺｎＯ電極膜の比抵抗は、ｐ型ＧａＮ系半導体層の比抵抗に比べて小さいため、ＧａＮ系半導体発光素子では、ｐ側金属電極８から注入された電流はＺｎＯ電極膜６で横方向に容易に拡散できる。横方向に拡散した電流はｐ型ＧａＮ系半導体層５から活性層４に広く供給される。電流広がりが十分なため、ホールは活性層４に広く供給され、効率的な発光が可能になる。

一方、ＺｎＯ基板７は、不純物がドーピングされていないノンドープの基板でも良く、また、ドーピングして比抵抗を１Ωｃｍ以下に制御されていても良い。ＺｎＯ基板７とＺｎＯ電極膜６とは、主成分は同じなので、オーミックコンタクトは取れている。

以上のように構成された第１窒化物半導体発光素子では、ｎ側金属電極１から注入された電子はＧａＮ基板２からｎ型ＧａＮ系半導体層３を通過して、活性層４でホールと再結合する。再結合により発光した光のうち、ｐ型ＧａＮ系半導体層５の方向（上方向）に向かった光はＺｎＯ電極膜６を透過し、ＺｎＯ基板７も透過して外部に出射する。

ここで、ＺｎＯ基板７と大気との屈折率差により臨界角が存在し、臨界角よりも大きな入射角を有する出射光は、全反射して外部に取り出すことができないが、ＺｎＯ基板７の表面を粗面加工して凹凸を形成しているので、入射角が臨界角よりも小さくなる割合を増やすことができ、光の取出効率が向上する。

他方、活性層４から発生した光で、チップ側面に進む光は、側面から外部に取り出される。第１窒化物半導体発光素子のｎ側は、ｎ型ＧａＮ系半導体層３の下にＧａＮ基板２を設けているので、活性層４からＧａＮ基板２までの積層方向（縦方向）の距離は十分確保されており、また、ｐ側は、ＺｎＯ電極膜６の上にＺｎＯ基板７を配置しているので、活性層４からＺｎＯ基板７までの積層方向の距離も十分に確保されている。

以上のように構成しているので、図１４に示す光取出コーン４０の領域（斜線部分）をすべてカバーすることができ、チップ側面からの光取り出し量も大きくなる。ここで、光取出コーン４０の中心からの拡がり角度は、通常、約６０度にも達し、一般にチップの作製が行われる場合、チップの横方向の大きさＡは、１００μｍ〜１０００μｍ程度になるので、対応するチップ側面における光取出コーン４０の半径は、４５μｍ〜４５０μｍ程度になる。したがって、光取出コーン４０の半径をカバーするためには、ＺｎＯ基板７の厚みは４５μｍ以上とするのが望ましい。

次に、図１の第１窒化物半導体発光素子の製造方法を図３〜図６を使って説明する。まず、図３に示すように、ＧａＮ基板２上にｎ型ＧａＮ系半導体層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５を順に成長させる。

ここで、ｎ型ＧａＮ系半導体層３は、例えば、Ｓｉドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚５μｍのｎ型ＧａＮ層上に、Ｓｉドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚１０ÅのＩｎ_０．０５ＧａＮとＳｉドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚２０ÅのＧａＮとを交互に１０周期積層したＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層が積層された積層体で構成されている。

活性層４としては、例えば、膜厚３０ÅのＩｎ_０．１６ＧａＮ井戸層と膜厚２００ÅのＩｎ_０．０１ＧａＮバリア層で構成された量子井戸構造からなるＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層を用い、多重量子井戸構造とするのであれば、前記の井戸層とバリア層とを交互に数周期積層して用いる。

ｐ型ＧａＮ系半導体層５は、例えば、Ｍｇドーピング濃度５×１０^１９ｃｍ^−３で膜厚２００Åのｐ型Ａｌ_０．０７ＧａＮクラッド層の上にＭｇドーピング濃度１×１０^２０ｃｍ^−３で膜厚７００Åのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長させた積層体を用いることができる。なお、このｐ型ＧａＮコンタクト層はｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層としても良い。

ｐ型ＧａＮ系半導体層５まで成長させた後、塩酸でｐ型ＧａＮ系半導体層５のｐ型コンタクト層表面の自然酸化膜を除去する。次に、ＺｎＯ電極膜６とＺｎＯ基板７を形成するのであるが、この形成方法には、図４〜６までに示す３通りの方法がある。

まず、図４の方法によると、ｐ型ＧａＮ系半導体層５のｐ型コンタクト層表面に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜６を既述した方法で形成する。その後、あらかじめ用意しておいたＺｎＯ基板７を貼り付ける（ボンディングする）。貼り付ける際には、ＺｎＯ基板７の貼り付け面が（０００１）面（Ｃ面とも言う）、すなわち、ＺｎＯ基板７の貼り付け面とは反対の露出表面が（０００−１）面（−Ｃ面とも言う）になるようにする。

この貼り付け方法は、例えば、窒素中や１×１０^−３Ｔｏｒｒ以下真空中において、５００〜９００℃で加熱した状態で、ＺｎＯ電極膜６とＺｎＯ基板７を接触させ、カーボン治具で挟み込むことで、ＺｎＯ基板７とＺｎＯ電極膜６とをボンディングする。貼り付けを行う際の雰囲気中には、酸素を含まないようにする。これは、酸素が雰囲気中に含まれていると、ＺｎＯ基板やＺｎＯ電極膜が酸化されて導電率が低下することになるためである。

一方、図５の方法によると、ｐ型ＧａＮ系半導体層５のｐ型コンタクト層表面に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜６ａ（第１のｎ型ＺｎＯ膜）を既述した方法で形成する。あらかじめ、ＺｎＯ基板７上に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜６ｂ（第２のｎ型ＺｎＯ膜）が既述した方法で形成されたものを用意しておき、このＺｎＯ電極膜６ａとＺｎＯ電極膜６ｂとを貼り付ける。この貼り付け方法は、図４と同様に行う。なお、図４と同様に、ＺｎＯ基板７の貼り付け面とは反対の露出表面が（０００−１）面になるようにする。

他方、図６の方法によると、あらかじめ、ＺｎＯ基板７上に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜６が既述した方法で形成されたものを用意しておき、このＺｎＯ電極膜６とｐ型ＧａＮ系半導体層５のｐ型コンタクト層とを貼り付ける。この貼り付け方法は、図４と同様に行われる。なお、図４と同様に、ＺｎＯ基板７の貼り付け面とは反対の露出表面が（０００−１）面になるようにする。

以上のいずれかの方法でＺｎＯ基板７までを形成した後、ＧａＮ基板２の裏側に、例えばＡｌ金属電極を積層し、５００〜７００℃でシンタリングしてオーミックを取り、Ａｌ金属電極の上にワイヤーボンディング用のＴｉ／Ａｕ膜を積層して多層金属膜からなるｎ側金属電極１を形成する。

ここで、ＺｎＯ基板７の露出している表面は（０００−１）面であるため、特に酸に対して非常に速くエッチングされる。このことを利用して、ｐ側金属電極８の形成領域をＳｉＯ_２などのマスクで覆っておき、平坦面を確保した上で、塩酸によるウエットエッチングを行うと、自然に錐体形状の凹凸が形成され、粗面化が行われる。粗面化が終わったら、マスクをリフトオフし、マスクで保護されていた部分に、例えばＴｉ／Ａｕからなるｐ側金属電極８を形成する。その後チップ化すると図１の第１窒化物半導体発光素子が完成する。

以上のように、ｎ型のドーピング制御が必要なＺｎＯ電極膜６の膜厚を大きく成長させるのではなく、ＺｎＯ基板７を貼り付けることにより、ｐ側のチップ側面の厚さを確保するようにしているので、チップ作製の製造時間を短縮することができる。

次に、本発明の第２窒化物半導体発光素子を図７に示す。支持基板１９上に、導電性接合層１８が形成され、この導電性接合層１８によりＺｎＯ基板１７と支持基板１９が接合され、電気的に接続されている。ＺｎＯ基板１７上には、ＺｎＯ電極膜１６、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５、活性層１４、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３、ＧａＮ層１２が順に積層されている。ここで、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３は、ＧａＮ成分を含むｎ型の半導体層であり、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５はＧａＮ成分を含むｐ型の半導体層である。

また、ＧａＮ層１２上の一部領域にワイヤボンディグ等に用いられるｎ電極２０が形成されている。ＧａＮ層１２の露出面は粗面加工により、図のように凹凸が形成されており、この凹凸は、図１と同様、６角錐等の錐体形状で構成されている。

第２窒化物半導体発光素子のｐ側には、第１窒化物半導体発光素子と同様、ｐ型ＧａＮ系半導体層の活性層とは反対側の面、すなわちｐ型ＧａＮ系半導体層１５の成長面側にｐ型のＺｎＯ電極膜１６が形成され、このＺｎＯ電極膜１６に接してＺｎＯ基板１７が形成されている。

ＺｎＯ電極膜１６は、第１窒化物半導体発光素子の場合と同様、ｎ型化されたｎ型ＺｎＯ膜で構成されており、このｎ型ＺｎＯ膜は、Ｇａ又はＢがドープされたＭｇ_ＺＺｎ_1-ＺＯ（０≦Ｚ＜１）からなるＭｇＺｎＯ電極膜等により構成されている。この特性や作製方法等は、第１窒化物半導体発光素子の場合と同様であるので、説明を省略する。また、ＺｎＯ基板１７は、不純物がドーピングされていないノンドープの基板でも良く、また、ドーピングして比抵抗を１Ωｃｍ以下に制御されていても良い。

第２窒化物半導体発光素子では、活性層１４で発生した光のうち、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３の方向（上方向）に向かった光はＧａＮ層１２を通過し、外部に出射する。ここで、ＧａＮ層１２と大気との屈折率差により臨界角が存在し、臨界角よりも大きな入射角を有する出射光は、全反射して外部に取り出すことができないが、ＧａＮ層１２の表面を粗面加工して凹凸を形成しているので、入射角が臨界角よりも小さくなる割合を増やすことができ、光の取出効率が向上する。

他方、活性層１４から発生した光で、チップ側面に進む光は、側面から外部に取り出される。第２窒化物半導体発光素子のｎ側は、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３の上にＧａＮ基板１２を設けているので、活性層１４からＧａＮ基板１２までの積層方向（縦方向）の距離は十分確保されており、また、ｐ側は、ＺｎＯ電極膜１６の下にＺｎＯ基板１７を配置しているので、活性層１４からＺｎＯ基板１７までの積層方向の距離も十分に確保されている。

以上のように構成しているので、図１４に示す光取出コーン４０の領域（斜線部分）をすべてカバーすることができ、チップ側面からの光取り出し量も大きくなる。また、ＺｎＯ基板１７の厚みは、第１窒化物半導体発光素子で説明した同じ理由により、４５μｍ以上とするのが望ましい。

次に、図８〜図１３を用いて第２窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する。図８に示すように、まず、サファイア基板１０上に、低温で成長するＧａＮバッファ層１１、アンドープのＧａＮ層１２を成長させ、さらに、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３、活性層１４、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５の順に成長させる。

ここで、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３は、例えば、Ｓｉドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚５μｍのｎ型ＧａＮ層上に、Ｓｉドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚１０ÅのＩｎ_０．０５ＧａＮとＳｉドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚２０ÅのＧａＮとを交互に１０周期積層したＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層が積層された積層体で構成されている。

活性層１４は、例えば、膜厚３０ÅのＩｎ_０．１６ＧａＮ井戸層と膜厚２００ÅのＩｎ_０．０１ＧａＮバリア層で構成された量子井戸構造からなるＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層を用い、多重量子井戸構造とするのであれば、前記の井戸層とバリア層とを交互に数周期積層して用いる。

ｐ型ＧａＮ系半導体層１５は、例えば、Ｍｇドーピング濃度５×１０^１９ｃｍ^−３で膜厚２００Åのｐ型Ａｌ_０．０７ＧａＮクラッド層の上にＭｇドーピング濃度１×１０^２０ｃｍ^−３で膜厚７００Åのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長させた積層体を用いることができる。なお、このｐ型ＧａＮコンタクト層はｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層としても良い。

ｐ型ＧａＮ系半導体層１５までを成長させた後、塩酸でｐ型ＧａＮ系半導体層１５のｐ型コンタクト層表面の自然酸化膜を除去した後、ＺｎＯ電極膜１６とＺｎＯ基板１７を形成するのであるが、この形成方法には、図４〜６の方法と同様、図９〜１１までに示す３通りの方法がある。

まず、図９の方法によると、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５のｐ型コンタクト層表面に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜１６を既述した方法で形成する。その後、あらかじめ用意しておいたＺｎＯ基板１７を貼り付ける。貼り付ける際には、ＺｎＯ基板１７の貼り付け面が（０００１）面、すなわち、ＺｎＯ基板１７の貼り付け面とは反対の露出表面が（０００−１）面になるようにする。この貼り付け方法は、図４で述べた方法と同様に行われる。

一方、図１０の方法によると、あらかじめ、ＺｎＯ基板１７上に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜１６が既述した方法で形成されたものを用意しておき、このＺｎＯ電極膜１６とｐ型ＧａＮ系半導体層５のｐ型コンタクト層とを貼り付ける。この貼り付け方法は、図４で述べた方法と同様に行われる。なお、ＺｎＯ基板１７の貼り付け面とは反対の露出表面が（０００−１）面になるようにする。

他方、図１１の方法によると、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５のｐ型コンタクト層表面に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜１６ａ（第１のｎ型ＺｎＯ膜）を既述した方法で形成する。あらかじめ、ＺｎＯ基板１７上に不純物がドープされたｎ型のＺｎＯ電極膜１６ｂ（第２のｎ型ＺｎＯ膜）が既述した方法で形成されたものを用意しておき、このＺｎＯ電極膜１６ａとＺｎＯ電極膜１６ｂとを貼り付ける。この貼り付け方法は、図４で述べた方法と同様に行われる。なお、ＺｎＯ基板１７の貼り付け面とは反対の露出表面が（０００−１）面になるようにする。

以上のいずれかの方法でＺｎＯ基板１７までを形成した後、図１２に示すように、導電性接合層１８の一部としてＴｉ／Ａｕ等をＺｎＯ基板１７上に形成しておく。さらに、導電性接合層１８としてＡｕＳｎハンダ等を用い、ＺｎＯ基板１７をＣｕＷやＡｌＮといった高熱伝導性基板等で構成される支持基板１９に、Ａｕ−Ａｕ圧着によって、ウエハをボンディングする。

その後、ＫｒＦなどの波長が３６５ｎｍ以下のレーザ光をサファイア基板１０側から照射する。すると、ＧａＮバッファ層１１がレーザ光を吸収してＧａとＮとに分解し、サファイア基板１０がウエハから剥離する。図１２でサファイア基板１０を剥離した後、ウエハを上下逆にした状態を示すのが図１３である。

粗面加工は、ｎ電極２０を積層する領域部分をＳＯＧ、ＳｉＮ等のマスクで覆い、ＫＯＨと波長３６５ｎｍを含むＵＶ光を用いてエッチングを行い、ＧaＮ層１２の露出面に凹凸を形成する。次に、マスクを剥離して、例えばＡｌ金属電極を積層し、５００〜７００℃でシンタリングしてオーミックを取り、Ａｌ金属電極の上にワイヤーボンディング用のＴｉ／Ａｕ膜を積層して多層金属膜からなるｎ電極２０を形成する。その後チップ化すると図７に示す第２窒化物半導体発光素子が得られる。

なお、サファイア基板１０を剥離した後に、チップ化するのではなく、図９の貼り付け方法ではＺｎＯ電極膜１６をｐ型ＧａＮ系半導体層１５上に形成した後、図１０の貼り付け方法ではｐ型ＧａＮ系半導体層１５までを積層した後、図１１の貼り付け方法ではＺｎＯ電極膜１６ａをｐ型ＧａＮ系半導体層１５上に形成した後、ＩＣＰエッチャーを使って塩素系ガスを導入、プラズマを発生させることで、ＧａＮバッファ層１１を越えてサファイア基板１０に達するまでエッチングして分離溝を形成するようにし、チップ形状に分離するようにしても良い。

以上のように、ｎ型のドーピング制御が必要なＺｎＯ電極膜１６の膜厚を大きく成長させるのではなく、ＺｎＯ基板１７を貼り付けることにより、ｐ側のチップ側面の長さを確保するようにしているので、チップ作製の製造時間を短縮することができる。

本発明の第１窒化物半導体発光素子の断面構造を示す図である。 ｎ型ＺｎＯ 膜のＧaキャリア濃度と抵抗率の実験結果を示す図である。 第１窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第１窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第１窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第１窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 本発明の第２窒化物半導体発光素子の断面構造を示す図である。 第２窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第２窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第２窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第２窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第２窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 第２窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 従来の窒化物半導体発光素子のチップ側面からの光取り出し状態を示す図である。

符号の説明

１ ｎ側金属電極
２ ＧａＮ基板
３ ｎ型ＧａＮ系半導体層
４ 活性層
５ ｐ型ＧａＮ系半導体層
６ ＺｎＯ電極膜
７ ＺｎＯ基板
８ ｐ側金属電極

Claims (9)

1. 少なくともｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層、ｐ型ＧａＮ系半導体層を順に備えた窒化物半導体発光素子において、
   前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長面側には、ＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなるｎ型ＺｎＯ膜が形成され、該ｎ型ＺｎＯ膜の成長面側にはＺｎＯ基板が配置されており、
   前記ＺｎＯ基板の表面は（０００−１）面で構成され、かつ凹凸が形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ型ＺｎＯ膜はキャリア濃度１×１０^２０ｃｍ^−３以上となるように不純物がドープされたことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記ＺｎＯ基板の厚さは４５μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ＺｎＯ基板の表面の凹凸は、錐体形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 活性層を挟むようにしてｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層が形成された窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長面側にＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなるｎ型ＺｎＯ膜を形成した後、前記ｎ型ＺｎＯ膜と接触する側に（０００１）面を有するＺｎＯ基板を、前記ｎ型ＺｎＯ膜表面に貼り付け、その後粗面加工により前記ＺｎＯ基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 活性層を挟むようにしてｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層が形成された窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面と接触する側に（０００１）面を有するとともにＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなるｎ型ＺｎＯ膜が形成されたＺｎＯ基板を、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層表面に貼り付け、その後粗面加工により前記ＺｎＯ基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 活性層を挟むようにしてｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層が形成された窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の成長面側にＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなる第１のｎ型ＺｎＯ膜を形成した後、前記第１のｎ型ＺｎＯ膜と接触する側に（０００１）面を有するとともにＺｎＯ又はＺｎＯ化合物からなる第２のｎ型ＺｎＯ膜が形成されたＺｎＯ基板を前記第１のｎ型ＺｎＯ膜表面に貼り付け、その後粗面加工により前記ＺｎＯ基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記ＺｎＯ基板又はｎ型ＺｎＯ膜が形成されたＺｎＯ基板の貼り付けは、酸素を含まない雰囲気中での加熱により行われることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記粗面加工は、酸によるウエットエッチングで行われることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

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