JP6159130B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子、特にビア構造を有する半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device having a via structure.
GaN等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、紫外光ないし青色光を発光することができ、さらに蛍光体を利用することにより白色光を発光することができる。このような半導体発光素子は、たとえば照明などに用いられる。 A semiconductor light emitting device using a nitride semiconductor such as GaN can emit ultraviolet light or blue light, and can emit white light by using a phosphor. Such a semiconductor light emitting element is used for illumination, for example.
半導体発光素子は、たとえば、n型GaN層、発光性を有する活性層およびp型GaN層が積層する光半導体積層と、n型およびp型GaN層に接触して、光半導体積層に電圧を印加することができる電極と、から構成される。半導体発光素子は、電極の構造や配置位置に応じて、対向電極タイプやフリップチップタイプ、ジャンクションダウンタイプ、ビアタイプ等に分類される。 The semiconductor light emitting device is, for example, an n-type GaN layer, an optical semiconductor laminate in which a light emitting active layer and a p-type GaN layer are laminated, and a voltage is applied to the optical semiconductor laminate in contact with the n-type and p-type GaN layers. And an electrode that can. Semiconductor light emitting devices are classified into a counter electrode type, a flip chip type, a junction down type, a via type, and the like according to the structure and arrangement position of the electrodes.
半導体発光素子の光取り出し効率(=光半導体層表面から放出される発光強度/光半導体層に投入される電力)を向上させるために、電極には、一般に、光反射率が高い部材、たとえばAgまたAg合金などが用いられる。しかし、このような電極にはいわゆるマイグレーションが生じやすく、半導体発光素子の電気的短絡・漏洩等、信頼性にかかわる問題を招来しうる。 In order to improve the light extraction efficiency (= the emission intensity emitted from the surface of the optical semiconductor layer / the electric power input to the optical semiconductor layer) of the semiconductor light emitting device, the electrode generally includes a member having a high light reflectance, such as Ag. An Ag alloy or the like is used. However, such an electrode tends to cause so-called migration, which may lead to problems relating to reliability, such as an electrical short circuit or leakage of the semiconductor light emitting element.
マイグレーションを抑制するためには、電極の全面を覆うキャップ層(マイグレーション防止層)を設けることが望ましい。キャップ層は、たとえば高融点金属または金属窒化物等を含む(たとえば特許文献1)。 In order to suppress migration, it is desirable to provide a cap layer (migration prevention layer) that covers the entire surface of the electrode. The cap layer includes, for example, a refractory metal or a metal nitride (for example, Patent Document 1).
本発明の目的は、電極にAgなどのマイグレーションが生じやすい部材を用いたビアタイプの半導体発光素子であって、当該電極のマイグレーションを効果的に抑制することができる半導体発光素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a via-type semiconductor light emitting device using a member such as Ag that easily causes migration in an electrode, and capable of effectively suppressing migration of the electrode. .
本発明の主な観点によれば、支持基板と、前記支持基板上に配置され、該支持基板側から、少なくとも、第1導電型のGaN系半導体を含む第1半導体層、発光性を有し、GaN系半導体を含む活性層、および、該第1導電型とは異なる第2導電型のGaN系半導体を含む第2半導体層が積層し、該第1半導体層が該支持基板と相対する凸領域、および、該第1半導体層および該活性層が掘削され、該第2半導体層が該支持基板と相対する凹領域を含む光半導体積層であって、前記凹領域は、平面視において、前記凸領域に囲まれるように形成される光半導体積層と、前記支持基板と前記光半導体積層の凸領域との間に、該光半導体積層の第1半導体層と接して配置され、Agを含む第1電極と、前記第1電極を覆うように配置され、該第1電極側から、透光性部材を含む透明導電層、および、金属部材を含む金属導電層が交互に積層し、少なくとも2層以上の多層構造体からなるキャップ層であって、最も内側に配置される前記透明導電層は、前記光半導体積層の第1半導体層と接触しないように形成されるキャップ層と、前記支持基板と前記光半導体積層の凹領域との間に、該光半導体積層の第2半導体層と接し、前記キャップ層と10μmよりも狭い間隔で配置される第2電極と、を含む半導体発光素子、が提供される。 According to a main aspect of the present invention, a support substrate, and a first semiconductor layer that is disposed on the support substrate and includes at least a first-conductivity-type GaN-based semiconductor from the support substrate side, has light emitting properties. , An active layer containing a GaN-based semiconductor, and a second semiconductor layer containing a GaN-based semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, and the first semiconductor layer facing the support substrate And an optical semiconductor stack in which the first semiconductor layer and the active layer are excavated, and the second semiconductor layer includes a concave region facing the support substrate , the concave region in the plan view An optical semiconductor stack formed so as to be surrounded by a convex region, and a first semiconductor layer of the optical semiconductor multilayer disposed between the support substrate and the convex region of the optical semiconductor multilayer and in contact with the first semiconductor layer. One electrode and the first electrode are disposed so as to cover the first electrode. From electrode side, a transparent conductive layer containing light-transmitting member, and a metal conductive layer comprising a metal member is alternately laminated, a capping layer made of at least two layers of the multilayer structure is disposed on the innermost side The transparent conductive layer includes a cap layer formed so as not to contact the first semiconductor layer of the optical semiconductor stack, and a first layer of the optical semiconductor stack between the support substrate and the concave region of the optical semiconductor stack. There is provided a semiconductor light emitting device including the cap layer and a second electrode disposed in contact with the two semiconductor layers and at an interval smaller than 10 μm .
電極のマイグレーションを効果的に抑制することができる半導体発光素子を得ることができる。 A semiconductor light-emitting element that can effectively suppress electrode migration can be obtained.
以下、図1を参照して、本発明の実施例によるビアタイプ半導体発光素子(LED素子)の構成について説明する。 Hereinafter, a configuration of a via type semiconductor light emitting device (LED device) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1A〜図1Dは、実施例によるビアタイプLED素子100を示す断面図および平面図である。図1Aは、図1Cにおける断面IA−IAを示す断面図である。図1Bは、図1Aにおける領域IBを拡大して示す断面図である。なお、図中に示す各構成要素の相対的なサイズは、実際のものとは異なっている。
1A to 1D are a cross-sectional view and a plan view showing a via-
図1Aに、LED素子100の全体的断面構造を示す。LED素子100は、主に、支持基板12と、光半導体積層20と、第1電極(p側電極)30と、キャップ層(マイグレーション防止層)40と、第2電極(n側電極)60と、を含む構成である。
FIG. 1A shows an overall cross-sectional structure of the
支持基板12は、放熱性に優れた(熱伝導率が高い)部材から構成され、たとえば電気伝導性を有するSiから構成される。支持基板12裏面(図中では下面)には、取り出し電極12aが設けられている。
The
光半導体積層20は、支持基板12上方に配置され、支持基板12側から、少なくともp型半導体層25、発光性を有する活性層(発光層)24およびn型半導体層23が積層する多層構造を有する。また、p型半導体層25が支持基板12と相対する凸領域20a、および、p型半導体層25と活性層24とが掘削(エッチング)され、n型半導体層23が支持基板12と相対する凹領域(ビア)20bを有する。
The
光半導体積層20の各層は、AlxInyGazN(x+y+z=1)で表されるGaN系半導体から構成される。p型半導体層25およびn型半導体層23は、たとえばそれぞれp型GaNおよびn型GaNから構成される。活性層24は、たとえばGaNを含む障壁層およびInGaNを含む井戸層からなる多重量子井戸構造を有する。
Each layer of the
なお、光半導体積層20は、このような構成に限らず、たとえば、p型半導体層25と活性層24との間に、AlGaNからなるクラッド層(電子ブロック層)を含む構成としてもよい。また、たとえば、活性層24とn型半導体層23との間に、GaNおよびInGaNが積層する超格子構造層(歪緩和層)を含む構成としてもよい。さらに、n型半導体層23表面(図中では上面)に、いわゆるマイクロコーン構造層(微細凹凸層)を形成してもかまわない。
The
第1電極(p側電極)30は、支持基板12と光半導体積層20の凸領域20aとの間に、p型半導体層25に接触して配置される。p側電極30は、光反射率が高い部材、たとえばAgやAg合金、またそれらを含む積層構造を含む。
The first electrode (p-side electrode) 30 is disposed in contact with the p-
キャップ層40は、p側電極30を覆うように配置される。マイグレーションが生じやすいAgなどを含むp側電極30をキャップ層40で覆うことにより、p側電極30のマイグレーションを抑制することができる。キャップ層40は、たとえばインジウム錫酸化物(ITO)およびTiWを含む積層構造を有する。
The
第2電極(n側電極)60は、支持基板12と光半導体積層20の凹領域20bとの間に、n型半導体層23に接触して配置される。n側電極60は、たとえばAlやTiなどを含む。
The second electrode (n-side electrode) 60 is disposed in contact with the n-
光半導体積層20、p側電極30、キャップ層40およびn側電極60は、第1・第2接合層71,72を含む融着層70を介して、支持基板12上に固定されている。融着層70(第1・第2接合層71,72)は電気伝導性を有し、n側電極60と電気的に接続する。つまり、n側電極60は、融着層60および支持基板12を介して、取り出し電極12aと電気的に接続する。
The
n側電極60および融着層70と、p側電極30、キャップ層40、ならびに、凸領域20aおよび凹領域20bの境界部分におけるp型半導体層25および活性層24と、の間には、それらが電気的に接続しないように、SiO2などからなる絶縁層50が設けられている。
Between the n-
図1Bに、光半導体積層20の凸領域20a/凹領域20b境界近傍を示す。
FIG. 1B shows the vicinity of the
p側電極30は、たとえば、光半導体積層20(p型半導体層25)側から、コンタクト電極31および光反射電極32が積層する2層構造を有する。コンタクト電極31は、p型半導体層25とオーミック接触し、導電性および透光性を有する部材、たとえばITOを含む。光反射電極32は、コンタクト電極31を覆うように配置され、光反射率が高い部材、たとえばAgまたはAg合金を含む。p側電極30(コンタクト電極31および光反射電極32)の断面形状は、光半導体積層20に対して順テーパ形状(光半導体積層20から離れるにしたがって断面積が減少する形状)になっている(支持基板12に対して逆テーパ形状になっている)。
The p-
キャップ層40は、p側電極30を覆うように配置され、p側電極30側から、透明導電層41および金属導電層42が交互に積層する多層構造を有する。たとえば、p側電極30側から、第1透明導電層41a、第1金属導電層42a、第2透明導電層41bおよび第2金属導電層42bが積層する4層構造を有する。キャップ層40(透明導電層41および金属導電層42)の断面形状は、p側電極30の断面形状に対応する形状になっている。
The
透明導電層41は、たとえば微結晶体ないし非晶質(アモルファス)体からなるITOやZnOなどを含む。ここで、微結晶体とは、結晶子(単結晶とみなせる最大の集まり)のサイズが極めて小さい、具多的には、X線回析法(Scherrer法)で測定した際に50nm以下である結晶体を言うこととする。金属導電層42には、たとえばPtやTi、TiW、TiN等の金属またはその合金、ないし、金属窒化物などを用いることができる。 The transparent conductive layer 41 includes, for example, ITO or ZnO made of a microcrystalline body or an amorphous body. Here, the microcrystalline body has an extremely small size of crystallites (maximum group that can be regarded as a single crystal), and specifically, it is 50 nm or less when measured by an X-ray diffraction method (Scherrer method). Let's say crystal. For the metal conductive layer 42, for example, a metal such as Pt, Ti, TiW, or TiN, an alloy thereof, or a metal nitride can be used.
キャップ層40が金属導電層42(第1・第2金属導電層42a,42b)のみで構成されている場合、Agを含むp側電極30のマイグレーションを良好に抑制することができる。ただし、LED素子100を製造する際に施される加熱処理やLED素子100を駆動した際に生じる発熱などにより、キャップ層(金属導電層42)が歪み、破損(クラック)する可能性がある。これにより、p側電極30のマイグレーションを抑制する効果(キャップ性能)が低減する可能性がある。
When the
キャップ層40が透明電極層41(第1・第2透明導電層41a,41b)のみで構成されている場合、キャップ層(透明電極層41)が微結晶体や非晶質体から構成されているため、加熱処理や発熱などの熱歪に起因する破損は比較的生じにくい。ただし、透明導電層41のみで構成されるキャップ層は、金属導電層42のみで構成されるキャップ層よりも元来キャップ性能が低い。
When the
実施例のように、キャップ層40を透明導電層41および金属導電層42が交互に積層する多層構造とした場合、透明導電層41が金属導電層42にかかる熱歪を緩和し、金属導電層42が透明導電層41によるキャップ性能低下を補完する。キャップ層40にこのような構造を採用することにより、キャップ性能が向上し、Agを含むp側電極30のマイグレーションを効果的に抑制することができる。
When the
なお、キャップ層40は、透明導電層41および金属導電層42が積層する2層構造、つまり、第1透明導電層41aおよび第1金属導電層42aで構成される2層構造であってもよい。また、それにさらに透明導電層41が積層し、透明導電層41が金属導電層42を挟む3層構造、つまり、第1透明導電層41a,第1金属導電層42aおよび第2透明導電層41bで構成される3層構造であってもよい。さらに、p側電極30側から、金属導電層42および透明導電層41が、交互に積層する多層構造であってもかまわない。要するに、透明導電層41および金属導電層42が積層する構造であれば、積層数・積層順序はいずれであってもかまわない。ただし、実施例に示すように、キャップ層40を、p側電極30側から透明導電層41および金属導電層42が交互に積層する4層以上の多層構造にすることにより、Agを含むp側電極30のマイグレーションをより効果的に抑制することができる。
The
また、透明導電層41の層厚は、少なくとも10nm以上であることが好ましい。透明導電層41の層厚が10nmよりも薄い場合、金属導電層42にかかる熱歪を緩和する効果が低減してしまう。 The layer thickness of the transparent conductive layer 41 is preferably at least 10 nm or more. When the thickness of the transparent conductive layer 41 is less than 10 nm, the effect of reducing the thermal strain applied to the metal conductive layer 42 is reduced.
n側電極60は、LED素子100の光取り出し効率向上の観点から、光反射性を有する部材、たとえばAlなどを含むことが好ましい。ただし、Alも、Ag同様、マイグレーションが生じやすい部材である。したがって、Alを含むn側電極60を覆い、n側電極60のマイグレーションを抑制するキャップ層71aを設けてもかまわない。このとき、キャップ層71aは、第1接合層71の一部として構成されてもよい。また、p側電極30のマイグレーションを抑制するキャップ層40と同様に、透明導電層と金属導電層とが交互に積層する多層構造としてもよい。
From the viewpoint of improving the light extraction efficiency of the
図1Cおよび図1Dに、LED素子100の全体的平面形状を示す。図1Cは、光半導体積層20の全体的平面形状を主に示し、図1Dは、キャップ層40(ないしp側電極30)およびn側電極60の全体的平面形状を主に示す。なお、図1CにおけるIA−IA断面は、図1Aに示す断面図に対応する。また、図1Dにおいて、光半導体積層20は破線によって示されている。
1C and 1D show the overall planar shape of the
図1Cに示すように、光半導体積層20の平面形状は、たとえば、1辺が約1mm程度の正方形を一部切り欠いた形状である。光半導体積層20の一部切り欠いた部分から、キャップ層40(ないしp側電極30)が露出する(キャップ層40の露出部40e)。
As shown in FIG. 1C, the planar shape of the
光半導体積層20の凹領域20b(図中破線で囲う領域)は、たとえば円形状であり、それぞれ光半導体積層20の凸領域20aに囲まれるように形成されている。また、光半導体積層20面内に一様に分布する、たとえば3行3列の行列状に分布するように設けられている。なお、凹領域20bの平面形状は、円形状に限らず楕円状や矩形状であってもかまわない。凹領域20bの平面形状における最大幅を直径と定義したとき、その直径はたとえば40μm程度である。
The
なお、凹領域20b(ないし凸領域20a)のサイズや形状、分布密度などは、LED素子100の発光強度ないし輝度ムラなどに影響する。凹領域20b(ないし凸領域20a)のサイズや形状、分布密度などは、LED素子100の用途に応じて適宜調整することが望ましい。
Note that the size, shape, distribution density, and the like of the
図1Dに示すように、n側電極60(図中ピッチが相対的に狭い斜線模様で示す領域)は、たとえば円形状であり、それぞれ光半導体積層20の凹領域20b(図1C参照)に対応する位置に配置される。
As shown in FIG. 1D, the n-side electrode 60 (a region indicated by a hatched pattern with a relatively narrow pitch in the drawing) is, for example, a circular shape, and corresponds to the recessed
キャップ層40(図中ピッチが相対的に広い斜線模様で示す領域)は、光半導体積層20の凸領域20a(図1C参照)に対応する位置に、n側電極60(ないし凹領域20b)を覗くことができる円形状の開口部40hを含んでパターニングされている。キャップ層40とその開口部40h内に配置されるn側電極60との間隔は、たとえば10μm以下、具体的には2〜3μm程度である。なお、開口部40hの平面形状は、円形状に限らず楕円状や矩形状であってもかまわない。開口部40hの平面形状における最大幅を直径と定義したとき、その直径は光半導体積層20の凹領域20bの直径よりも数μm程度大きい。
The cap layer 40 (the region indicated by the oblique line pattern having a relatively wide pitch in the figure) has the n-side electrode 60 (or the
キャップ層40の露出部40eおよび取り出し電極12aから電力を供給する、つまり、光半導体積層20のp型半導体層25およびn型半導体層23の間に電流を流すことにより、活性層24に発光が生じる(図1A参照)。活性層24から放出された光において、一部は直接n型半導体層53表面から出射され、その他の一部は、p側電極30(特に光反射電極32)ないしn側電極60に反射された後、n型半導体層53表面から出射される(図1A参照)。
Light is supplied to the
以下、図2を参照して、LED素子100の製造方法について説明する。図2A〜図2Gは、LED素子100を製造する様子を示す断面図であって、光半導体積層20の凸領域20a/凹領域20b境界近傍を示す断面図である。また、図2H〜図2Kは、図2Gに示す工程以降におけるLED素子100全体を示す断面図である。
Hereinafter, the manufacturing method of the
最初に、図2Aに示すように、C面サファイア基板からなる成長基板11を準備し、有機金属化学気相成長(MOCVD)法を用いてGaN系半導体からなる光半導体積層20を形成する。具体的には、まず、成長基板11をサーマルクリーニングして、GaNからなる低温バッファ層21および下地層22を成長する。続いて、Si等をドープしたn型GaNからなるn型半導体層23、井戸層(InGaN)および障壁層(GaN)を含む多重量子井戸構造からなる活性層(発光層)24、および、Mg等をドープしたp型GaNからなるp型半導体層25を順次積層して光半導体積層20を成長する。
First, as shown in FIG. 2A, a
なお、成長基板11は、GaN結晶と整合する格子定数を有する単結晶基板であり、後段のレーザリフトオフ工程(図2I参照)において成長基板を剥離できるように、GaN結晶の吸収端波長である362nmの光に対して透明なものから選択される。サファイア以外に、スピネル、ZnO等を用いることができる。
The
また、光半導体積層20において、n型半導体層23と活性層24との間に、InGaN層およびGaN層を含む超格子構造からなる歪緩和層を成長してもかまわない。さらに,活性層24とp型半導体層25との間に、p型AlGaNからなるクラッド層を成長してもかまわない。
In the
次に、図2Bに示すように、光半導体積層20表面(p型半導体層25表面)に、所望形状のp側電極30を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a p-
まず、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより膜厚10nmのITO膜を成膜し、フォトリソグラフィ法やリフトオフ法などによりパターニングして、所定形状のコンタクト電極31を形成する。コンタクト電極31としては、ITOのほかに、NiやPt、Pdなどを用いることができる。なお、コンタクト電極31にITOなどの透光性部材を用いる場合、p型半導体層25とのコンタクト性向上のために、コンタクト電極31を熱処理することが好ましい。
First, an ITO film having a thickness of 10 nm is formed by an electron beam evaporation method, a sputtering method, or the like, and patterned by a photolithography method, a lift-off method, or the like to form a
その後、光半導体積層20およびコンタクト電極31上に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより膜厚200nmのAg膜を成膜し、フォトリソグラフィ法やリフトオフ法などによりパターニングして、コンタクト電極31を覆う光反射電極32を形成する。光反射電極32としては、Agのほかに、Ag合金などを用いることができる。
Thereafter, an Ag film having a film thickness of 200 nm is formed on the
以上により、コンタクト電極31および光反射電極32を含むp側電極30が形成される。なお、p側電極30の全体的断面構造は、光半導体積層20に対して順テーパ状となる。また、p側電極30の全体的平面形状は、たとえば図1Dに示す形状である。
As described above, the p-
次に、図2Cに示すように、p側電極30を覆うキャップ層40を形成する。キャップ層40は、たとえば透明導電層41と金属導電層42とが交互に積層する4層構造を有する。
Next, as shown in FIG. 2C, a
まず、光半導体積層20およびp側電極30上に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより、結晶子のサイズが50nm以下である微結晶体ないし非晶質(アモルファス)体からなる膜厚50nmのITO膜を成膜する。続いて、当該ITO膜を、リフトオフ法などによりパターニングして、p側電極30を覆う第1透明導電層41aを形成する。
First, on the
その後、光半導体積層20および第1透明導電層41a上に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより、膜厚100nmのTiW膜を成膜する。続いて、当該TiW膜を、リフトオフ法などによりパターニングして、第1透明導電層41aを覆う第1金属導電層42aを形成する。
Thereafter, a TiW film having a thickness of 100 nm is formed on the
その後、同様の工程を交互に繰り返し、第2透明導電層41bおよび第2金属導電層42bを順次形成する。なお、キャップ層40は、透明導電層41と金属導電層42とが積層する2層構造であってもかまわないし、それらが交互に積層する6層以上の多層構造であってもかまわない。透明導電層41および金属導電層42の積層数・積層順序は、適宜変更することが可能である。
Thereafter, the same process is alternately repeated to sequentially form the second transparent
透明導電層41(ITO膜)が微結晶体ないし非晶質体を含む構成となるためには、ITO膜の成膜温度を200℃以下とし、ITO膜の膜厚を100nm以下にすることが好ましい。金属導電層42の熱歪緩和の観点から、透明導電層41の層厚は10nm〜100nm程度が好ましい。 In order for the transparent conductive layer 41 (ITO film) to include a microcrystalline body or an amorphous body, the film forming temperature of the ITO film should be 200 ° C. or less and the film thickness of the ITO film should be 100 nm or less. preferable. In light of thermal strain relaxation of the metal conductive layer 42, the thickness of the transparent conductive layer 41 is preferably about 10 nm to 100 nm.
なお、透明導電層41としては、ITOのほかに、ZnOなどの導電性酸化物を用いることができる。ただし、透明導電層41に用いる部材に応じて、透明電極層41が微結晶体ないし非晶質体を含む構成となる製造条件が異なる。このため、透明導電層41に用いる部材に応じて、成長温度や成長時間(膜厚)などの製造条件を適宜調整することが望ましい。 As the transparent conductive layer 41, a conductive oxide such as ZnO can be used in addition to ITO. However, depending on the member used for the transparent conductive layer 41, the manufacturing conditions for the transparent electrode layer 41 to include a microcrystalline body or an amorphous body are different. For this reason, it is desirable to adjust manufacturing conditions, such as growth temperature and growth time (film thickness) suitably, according to the member used for the transparent conductive layer 41.
金属導電層42の層厚は、透明導電層41の層厚よりも厚いことが好ましく、透明導電層41の層厚の2倍程度あればよい。微結晶体ないし非晶質体から構成される透明導電層41の表面は、平坦性が比較的低い。金属導電層42の層厚を透明導電層41の層厚の2倍程度にすることにより、透明導電層41表面の起伏が金属導電層42により吸収され、金属導電層42の表面は平坦性が比較的高くなると考えられる。 The layer thickness of the metal conductive layer 42 is preferably thicker than the layer thickness of the transparent conductive layer 41, and may be about twice the layer thickness of the transparent conductive layer 41. The surface of the transparent conductive layer 41 composed of a microcrystalline body or an amorphous body has a relatively low flatness. By setting the thickness of the metal conductive layer 42 to about twice the layer thickness of the transparent conductive layer 41, the undulations on the surface of the transparent conductive layer 41 are absorbed by the metal conductive layer 42, and the surface of the metal conductive layer 42 is flat. It will be relatively high.
なお、金属導電層42としては、TiWのほかに、PtやTiまたはそれらの合金、および、金属窒化物などを用いることができる。また、Ti層やPt層などが複数積層する積層構造なども用いることができる。金属導電層42と透明導電層41との密着性をより良好にするためには、金属導電層42(TiW膜)の形成に、スパッタ法を用いることが好ましい。 As the metal conductive layer 42, in addition to TiW, Pt, Ti or an alloy thereof, metal nitride, or the like can be used. Further, a stacked structure in which a plurality of Ti layers, Pt layers, or the like are stacked can also be used. In order to improve the adhesion between the metal conductive layer 42 and the transparent conductive layer 41, it is preferable to use a sputtering method for forming the metal conductive layer 42 (TiW film).
以上により、透明導電層41と金属導電層42とが交互に積層するキャップ層40が形成される。なお、キャップ層40の総合的な厚みは、キャップ性能向上の観点から、p側電極30の総合的な厚みよりも厚いことが好ましく、p側電極30の厚みの1.5倍以上の厚みであることがより好ましい。
Thus, the
次に、図2Dに示すように、レジストマスク及び塩素ガスを用いたドライエッチング法により、光半導体積層20の、p側電極30およびキャップ層40が形成されていない領域をエッチングし、ビア20dを形成する。ビア20dはp型半導体層25および活性層24を貫通して形成されており、ビア20dの底面にはn型半導体層23が露出する。これにより、光半導体積層20に、ビア20dに対応する凹領域20bと、凹領域20b以外の領域である凸領域20aと、が画定される(図1C参照)。
Next, as shown in FIG. 2D, a region where the p-
次に、図2Eに示すように、キャップ層40および光半導体積層の凸領域20a側面を覆う絶縁層50を形成する。まず、光半導体積層20の凸領域20aおよび凹領域20b、ならびに、キャップ層40上に、スパッタ法などにより、膜厚900nmのSiO2膜を成膜する。続いて、レジストマスクおよびCF4/Ar混合ガスを用いたドライエッチング法により、凹領域20b(ビア20d)の底面部分に位置するSiO2膜をエッチングし、絶縁膜50を形成する。なお、このとき、凹領域20b(ビア20d)の底面には、n型半導体層23が露出している。
Next, as shown in FIG. 2E, an insulating
次に、図2Fに示すように、光半導体積層20の凹領域20b内に、n型半導体層23に接触するn側電極60を形成する。まず、絶縁層50表面および凹領域20b内のn型半導体層23が露出する領域に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより、Ti/Al/Ti/Pt/Auからなる金属多層膜を成膜する。続いて、当該金属多層膜を、リフトオフ法などによりパターニングして、柱状のn側電極60を形成する。n側電極60に用いられる部材は、接触抵抗が低い、たとえば1×10−4Ωcm2以下であることが望ましく、また、光反射性を有することが好ましい。
Next, as illustrated in FIG. 2F, the n-
次に、図2Gに示すように、絶縁層50およびn側電極60を覆う第1接合層71を形成する。まず、絶縁層50およびn側電極60上に、スパッタ法などにより、Ti/Pt/Au積層を成膜し、リフトオフ法などによりパターニングして、第1接合層71を形成する。
Next, as shown in FIG. 2G, a
なお、第1接合層71は最上層にAu層が配置されていればよく、Au層よりも下層には、PtやTi,Wおよびそれらの合金、TaNなどの金属窒化物、ならびに、ITOなどの導電性酸化物などを配置することができる。また、第1接合層71は、n側電極60のマイグレーションを抑制するキャップ層71aを含む構成であってもかまわない。キャップ層71aは、キャップ層40と同様に、透明導電層(ITO)と金属導電層(TiW)とが交互に積層する多層構造としてもよい。
Note that the
以下、便宜的に、成長基板11上に光半導体積層20から第1接合層71までが形成された構造体を、デバイス構造体101と呼ぶこととする。
Hereinafter, for convenience, a structure in which the layers from the
次に、図2Hに示すように、レジストマスク及び塩素ガスを用いたドライエッチング法により、光半導体積層20の一部をエッチングして、光半導体積層20を所望のサイズに分割する。たとえば、分割される光半導体積層20各々が、平面視において、一辺1mm程度の正方形状になるように、光半導体積層20の一部をエッチングする(図1C参照)。
Next, as shown in FIG. 2H, a part of the
次に、図2Iに示すように、表面に所望形状の第2接合層72が形成された支持基板12を準備し、支持基板12とデバイス構造体101とを貼り合わせ、貼り合わせ構造体102を形成する。そして、図2Jに示すように、貼り合せ構造体102から成長基板11を剥離・除去して、光半導体積層20のn型半導体層23表面を露出させる。
Next, as illustrated in FIG. 2I, a
まず、表面に第2接合層72が形成された支持基板12を準備する。
First, the
支持基板12には、熱膨張係数がサファイア(7.5×10−6/K)やGaN(5.6×10−6/K)に近く、熱伝導率が高い部材を用いることが好ましい。例えば、Si、Ge、Mo、CuW、AlN等を用いることができる。
For the
第2接着層72は、たとえばTi/Ni/Au/Pt/AuSn(Sn:20wt%)からなる金属多層膜を含む。なお、第1接合層71および第2接合層72(金属多層膜の最上膜)に用いられる部材は、融着接合が可能な、Au−Sn、Au−In、Pd−In、Cu−In、Cu−Sn、Ag−Sn、Ag−In、Ni−Sn等を含む金属や、拡散接合が可能なAuを含む金属を用いることができる。
The second
その後、準備した支持基板12とデバイス構造体101とを、第1・第2接合層71,72が対向接触するように配置し、3MPaで加圧しながら300℃に加熱した状態で、10分間保持する。続いて、室温まで冷却して、第1・第2接着層71,72を融着接合する(融着層70)。これにより、貼り合せ構造体102が形成される。
Thereafter, the
その後、レーザリフトオフ法により、貼り合わせ構造体102から成長基板11を除去する。具体的には、貼り合わせ構造体102に、成長基板11側からKrFエキシマレーザ光(波長:248nm,照射エネルギ密度:800〜900mJ/cm2)を照射し、バッファ層21および下地層22の一部を熱分解する。これにより、成長基板11と光半導体積層20とが分離し、貼り合わせ構造体102から成長基板11が除去される。なお、成長基板11の除去は、エッチング・研磨などで行ってもよい。
Thereafter, the
その後、バッファ層21および下地層22(GaN結晶)の熱分解で発生したGaを熱水などで除去し、塩酸や水酸化ナトリウムなどで光半導体積層20表面(下地層22およびn型半導体層23の一部)をエッチングする。これにより、図2Jに示すように、光半導体積層20のn型半導体層23が露出する。なお、下地層およびn型半導体層23の一部の除去は、Arプラズマないし塩素系プラズマを用いたドライエッチングや研磨などで行ってもよい。
Thereafter, Ga generated by thermal decomposition of the
次に、図2Kに示すように、レジストマスク及び塩素ガスを用いたドライエッチング法により、光半導体積層20の一部をエッチングして、キャップ層40の一部(露出部40e)を露出させる。その後、支持基板12裏面に取り出し電極12aを形成する。取り出し電極12aは、たとえば電子ビーム真空蒸着法を用いて、Pt/Ti/Pt/Auを順次成膜することにより形成する。最後に、支持基板12をレーザスクライブ又は、ダイシングにより分割する。
Next, as shown in FIG. 2K, a part of the
なお、光半導体積層20のn型半導体層23表面に、いわゆるマイクロコーン構造層23mcを形成してもかまわない。n型半導体層23表面にマイクロコーン構造層23mcを形成する場合には、たとえば、n型半導体層23表面を、TMAH(水酸化フェニルトリメチルアンモニウム)水溶液(温度約70℃,濃度約25%)などによりウエットエッチングすればよい。また、n型半導体層23(マイクロコーン構造層23mc)上に、SiO2などからなる表面保護膜80を形成してもかまわない。
A so-called microcone structure layer 23mc may be formed on the surface of the n-
以上により、LED素子100が完成する。
Thus, the
キャップ層40において、加熱処理および発熱に起因する熱歪は、p側電極30(光反射電極32)との界面で顕著に生じる。したがって、キャップ層の最内層には、熱歪を緩和する透明導電層41(第1透明導電層41a)が配置されることが好ましく、p側電極30に広く接触して設けられることが好ましい。しかしながら、本発明者らによるさらなる検討によれば、キャップ層40の最内層における透明導電層41(第1透明導電層41a)がp型半導体層25に接触して設けられていると、p側電極30およびn側電極60を介して比較的高い電圧を印加した際、第1透明導電層41aに電流が集中的に流れ、キャップ層40ないし光半導体積層20の一部が破壊される可能性があることがわかった。このような現象は、特に、キャップ層40(ないしp側電極30)とn側電極60との間隔が極めて狭い、具体的には10μm程度以下であるビアタイプLED素子において、顕著に確認された。
In the
本発明者らは、引き続き、高い電圧が印加された際でもキャップ層40ないし光半導体積層20が破壊されない、信頼性が高いビアタイプLED素子の構造について検討を行った。
The present inventors have continuously studied the structure of a highly reliable via type LED element in which the
図3A〜図3Cは、実施例によるLED素子100の変形例であって、光半導体積層20の凸領域20a/凹領域20b境界近傍を示す断面図である。発明者らによる検討によれば、キャップ層40の最内層における透明導電層41(第1透明導電層41a)を、p型半導体層25に接触しないように設けることにより、高い電圧が印加された際でもキャップ層40ないし光半導体積層20が破壊されにくくなることがわかった。
3A to 3C are cross-sectional views showing the vicinity of the
このとき、キャップ層40は、図3Aに示すように、第1透明導電層41aのみp型半導体層25と接触しないように形成してもかまわない。また、図3Bに示すように、キャップ層40各層の端部がp側電極30(光反射電極31)の端部と揃うように、つまり、キャップ層40各層の平面形状がp側電極30(光反射電極31)の平面形状と重なるように形成してもかまわない。また、図3Cに示すように、キャップ層40各層の端部が、p側電極30(光反射電極31)と接触しないように形成してもかまわない。なお、キャップ層40各層の平面形状は、キャップ層40各層をリフトオフ法などによりパターニングする際(図2C)、使用するレジストマスクの形状を変更することで、容易に調整することが可能である。
At this time, the
図3Aに示す変形例は、高い電圧が印加された際のキャップ層40ないし光半導体積層20の破壊を抑制するとともに、p側電極30端部におけるキャップ層40の厚みがある程度確保されているため、キャップ性能も優れている。また、図3Bに示す変形例は、p側電極30端部におけるキャップ層40の厚みが十分ではないものの、製造時、光反射電極32のパターニングから第2金属導電層42bのパターニングまで同一のレジストマスクを使用することができるため、製造工程が簡素になる。
The modification shown in FIG. 3A suppresses the destruction of the
なお、図3Cに示す変形例は、p側電極30の端部がキャップ層40に覆われていない構造となる。Agを含むp側電極30がキャップ層40に完全に覆われていない場合、p側電極30のマイグレーションが懸念される。しかし、キャップ層40に覆われていないp側電極30の端部は、絶縁層50およびキャップ層71aを含みうる第1接合層71に覆われているため、マイグレーションが生じにくい。p側電極30の端部がキャップ層40に覆われていなくても、p側電極30の端部とキャップ層40の端部との距離が2μm程度以下であれば、LED素子の信頼性に影響を与える程度のマイグレーションは生じないものと考えられる。
3C has a structure in which the end portion of the p-
図4Aおよび図4Bは、実施例によるLED素子100のさらに他の変形例を示す断面図および平面図である。なお、図4Aは、図4Bにおける断面IVA−IVAを示す断面図である。
4A and 4B are a cross-sectional view and a plan view showing still another modification example of the
LED素子100の支持基板12は、Siなどの電気伝導性を有する部材に限らず、電気絶縁性を有する部材によって構成されていてもかまわない。支持基板12を、電気絶縁性を有する部材により構成する場合、図4Aに示すように、支持基板12裏面に形成される取り出し電極は不要である。このとき、絶縁層50,キャップ層40(ないしp側電極30)および光半導体積層20から融着層70を露出させて(融着層70の露出部70e)、その露出部70eから電力を供給できるようにすればよい。なお、融着層70の露出部70eは、光半導体積層20における電流拡散の観点から、キャップ層40の露出部40eと離れて配置されることが好ましく、たとえば図4Bに示すように、キャップ層40の露出部40eの対角に配置されることが好ましい。
The
以上、実施例および変形例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。 As mentioned above, although this invention was demonstrated along the Example and the modification, this invention is not limited to these. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
11…成長基板、12…支持基板、20…光半導体積層、21…バッファ層、22…下地層、23…n型半導体層、24…活性層(発光層)、25…p型半導体層、30…p側電極、31…コンタクト電極、32…光反射電極、40…キャップ層(マイグレーション防止層)、41…透明導電層、42…金属導電層、50…絶縁層、60…n側電極、70…融着層、71…第1接合層、72…第2接合層、80…表面保護膜、100…LED素子、101…デバイス構造体、102…貼り合わせ構造体。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記支持基板上に配置され、該支持基板側から、少なくとも、第1導電型のGaN系半導体を含む第1半導体層、発光性を有し、GaN系半導体を含む活性層、および、該第1導電型とは異なる第2導電型のGaN系半導体を含む第2半導体層が積層し、該第1半導体層が該支持基板と相対する凸領域、および、該第1半導体層および該活性層が掘削され、該第2半導体層が該支持基板と相対する凹領域を含む光半導体積層であって、前記凹領域は、平面視において、前記凸領域に囲まれるように形成される光半導体積層と、
前記支持基板と前記光半導体積層の凸領域との間に、該光半導体積層の第1半導体層と接して配置され、Agを含む第1電極と、
前記第1電極を覆うように配置され、該第1電極側から、透光性部材を含む透明導電層、および、金属部材を含む金属導電層が交互に積層し、少なくとも2層以上の多層構造体からなるキャップ層であって、最も内側に配置される前記透明導電層は、前記光半導体積層の第1半導体層と接触しないように形成されるキャップ層と、
前記支持基板と前記光半導体積層の凹領域との間に、該光半導体積層の第2半導体層と接し、前記キャップ層と10μmよりも狭い間隔で配置される第2電極と、
を含む半導体発光素子。 A support substrate;
A first semiconductor layer that is disposed on the support substrate and includes at least a GaN-based semiconductor of a first conductivity type from the support substrate side; an active layer that has light-emitting properties and includes a GaN-based semiconductor; and A second semiconductor layer containing a GaN-based semiconductor of a second conductivity type different from the conductivity type is stacked, the convex region where the first semiconductor layer faces the support substrate, and the first semiconductor layer and the active layer are An optical semiconductor stack that is excavated and the second semiconductor layer includes a concave region facing the support substrate, and the concave region is formed so as to be surrounded by the convex region in plan view; ,
A first electrode including Ag disposed between the support substrate and the convex region of the optical semiconductor stack in contact with the first semiconductor layer of the optical semiconductor stack;
A multilayer structure of at least two or more layers, which is disposed so as to cover the first electrode, and from which the transparent conductive layer including the translucent member and the metal conductive layer including the metal member are alternately stacked. A cap layer made of a body, wherein the transparent conductive layer arranged on the innermost side is formed so as not to contact the first semiconductor layer of the optical semiconductor stack ;
A second electrode disposed between the support substrate and the concave region of the optical semiconductor stack, in contact with the second semiconductor layer of the optical semiconductor stack, and disposed at an interval narrower than 10 μm from the cap layer ;
A semiconductor light emitting device comprising:
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