WO2007069590A1 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
- H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
- H01L33/40—Materials therefor
- H01L33/42—Transparent materials
Definitions
- Gallium nitride compound semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same
- the present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and more particularly to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device that can improve light extraction efficiency and a method for manufacturing the same.
- gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor light-emitting devices have attracted attention as short-wavelength light-emitting devices.
- This gallium nitride compound semiconductor light-emitting device uses sapphire single crystal, various oxides and III-V group compounds as substrates, and on this substrate, metal organic vapor phase chemical reaction (MOCVD) and molecular It is formed by the line epitaxy method (MBE method).
- MOCVD metal organic vapor phase chemical reaction
- MBE method line epitaxy method
- a characteristic of gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting devices is that current diffusion in the lateral direction is small. For this reason, current is injected only into the semiconductor directly under the electrode, and light emitted from the light emitting layer immediately under the electrode is blocked by the electrode, making it difficult to extract the light outside the light emitting element. Therefore, in such a light emitting element, a transparent electrode is usually used as a positive electrode, and light is extracted through the positive electrode.
- a conventional translucent positive electrode made of a transparent electrode has a layer structure in which an oxide such as Ni or Co and a contact metal such as Au are combined.
- ITO In O— SnO
- the external quantum efficiency of such a light emitting device is expressed as the product of the light extraction efficiency and the internal quantum efficiency.
- the internal quantum efficiency is the ratio of the current energy injected into the light emitting element that is converted to light.
- light extraction efficiency This is the proportion of the light generated inside the crystal that can be extracted outside.
- LEDs light emitting diodes
- gallium nitride compound semiconductor light emitting devices the internal light emission is sufficiently external to the injected current, which generally reduces the light extraction efficiency with respect to the injected current. It is the current situation that it is said that it is taken out.
- the gallium nitride compound semiconductor light emitting device has a low emission extraction efficiency because the refractive index of the light emitting layer in the gallium nitride compound semiconductor is about 2.5, and the refractive index of air is 1. On the other hand, because it is very high and the critical angle is about 25 °, it is caused by repeated reflection and absorption in the crystal, and light cannot be extracted outside.
- Patent Document 1 JP-A-6-291368
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gallium nitride compound semiconductor light emitting device having excellent light extraction efficiency and little wavelength unevenness, and a method for manufacturing the same.
- the present invention relates to the following.
- An n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer that are gallium nitride-based compound semiconductor power are stacked in this order on a substrate, and a translucent positive electrode is stacked on the p-type semiconductor layer
- the average distance between the convex portions on the irregular irregular surface formed on the surface of the translucent positive electrode, and the distance between the convex centers is 0.01 m to 3 m.
- the average distance between protrusions on the irregular uneven surface formed on the surface of the translucent positive electrode is characterized in that the distance between the centers of the protrusions is in the range of 0.05 / ⁇ ⁇ to 1.5 m.
- the translucent positive electrode is made of ITO (In O SnO), AZO (ZnO—Al O), IZO (In O
- GZO ZnO—GeO
- gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to any one of the above-mentioned [1] to [5].
- a gallium nitride compound semiconductor comprising the following steps (1) to (3): Manufacturing method of body light emitting element.
- step (2) includes a step of forming a metal thin film on the surface of the translucent positive electrode and a heat treatment step after the formation of the metal thin film.
- the metal fine particles constituting the mask are a low melting point metal or a low melting point alloy having a melting point in a temperature range of 100 ° C to 450 ° C.
- the metal fine particles constituting the mask are a low-melting point metal selected from the group force consisting of Ni, Au, Sn, Ge, Pb, Sb, Bi, Cd, and In, or at least one of these metals.
- a lamp comprising the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to any one of [1] to [6] above.
- a lamp comprising a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device obtained by the manufacturing method according to any one of [6] to [12] above.
- the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention the light extraction efficiency is obtained by forming a disordered uneven surface on at least a part of the surface of the translucent positive electrode.
- the rough surface processing for forming the uneven surface particularly has the following effects (1) to (3).
- FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention, showing a cross-sectional structure.
- FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention, and is a diagram showing a plan view structure.
- FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention, and is a cross-sectional view of a laminated structure of gallium nitride compound semiconductors.
- FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a lamp configured using the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element of the present invention.
- a ⁇ -type semiconductor layer 13, a light-emitting layer 14, and a ⁇ -type semiconductor layer 15 that also have a gallium nitride compound semiconductor force on a substrate 11 are arranged in this order.
- the positive electrode bonding pad 17 is provided on the transparent positive electrode 16 and the negative electrode bonding pad 18 on the ⁇ -type semiconductor layer 13.
- the light emitting device is a gallium nitride compound semiconductor light emitting device having a rough irregular surface formed on at least a part of the surface 16a of the translucent positive electrode 16.
- the buffer layer 12 is provided between the substrate 11 and the n-type semiconductor layer 13.
- the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention has improved light extraction efficiency by applying irregularities with a specific shape to the surface 16a of the translucent positive electrode 16 that is a light extraction surface. is there.
- the substrate 11 includes a sapphire single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A plane, C plane, M plane, R plane), spinel single crystal (Al 2 O; A
- MgAl O MgAl O;
- ZnO single crystal LiAlO single crystal, LiGaO single crystal, MgO single crystal, etc.
- Any substrate material including well-known substrate materials of boride single crystals such as fluoride single crystal, Si single crystal, SiC single crystal, GaAs single crystal, A1N single crystal, GaN single crystal and ZrB
- the plane orientation of the substrate is not particularly limited. Also, a just substrate or a substrate with an off angle may be used.
- n-type semiconductor layer 13, a light emitting layer 14, and a p-type semiconductor layer 15 made of a gallium nitride compound semiconductor are usually stacked on a substrate 11 with a nother layer 12 interposed therebetween. Depending on the growth conditions of the substrate 11 epitaxial layer used, the nota layer 12 may be unnecessary.
- gallium nitride compound semiconductor for example, the general formula Al Ga In N M (0 ⁇ X
- M represents a group V element different from nitrogen (N), where 0 ⁇ A ⁇ 1.
- ⁇ represents a different group V element from nitrogen ( ⁇ ), where 0 ⁇ ⁇ 1.
- a gallium nitride-based compound semiconductor represented by) can be used without any limitation.
- the gallium nitride-based compound semiconductor can contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In. If necessary, Ge, Si, Mg, Ca, Zn, Be, P, As and It can also contain elements such as B. Furthermore, it is not limited to intentionally added elements, but may include impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities that are included in the raw materials and reaction tube materials.
- the growth method of these gallium nitride compound semiconductors is not particularly limited, and MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc. All methods known to grow nitride semiconductors can be applied. As a preferred growth method, the film thickness controllability and mass productivity are also from the MOCVD method.
- SiH monosilane
- disilane SiH
- germanium is used as the Ge material.
- Organic germanium compounds such as (C H) Ge can be used.
- Germanium can also be used as a doping source.
- Mg raw materials such as biscyclopentagel magnesium (Cp Mg) or bisethylcyclopentagel
- the n-type semiconductor layer 13 is usually configured with an underlayer, an n-contact layer, and an n-clad layer force.
- the n contact layer can also serve as the underlayer and the Z or n clad layer.
- the underlayer is an Al Ga N layer (0 ⁇ 1, preferably 0 ⁇ x ⁇ 0.5, more preferably 0 ⁇ x
- the thickness of the underlayer is preferably 0 .: L m or more, more preferably 0.5 ⁇ m or more, and most preferably 1 ⁇ m or more.
- An AlGaN layer with better crystallinity is more easily obtained when the thickness is increased.
- the n-type impurity may be doped in the underlayer if it is in the range of 1 X 10 17 to 1 X 10 19 Zcm 3 , but undoped (1 X 10 17 / cm 3 ) is better It is preferable in terms of maintaining good crystallinity.
- the n-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include Si, Ge, and Sn. Si and Ge are preferable.
- the growth temperature for growing the underlayer is preferably 800 to 1200 ° C force S, and more preferably adjusted to a range of 1000 to 1200 ° C. If grown within this temperature range, an underlayer with good crystallinity can be obtained.
- the pressure in the MOCVD growth furnace is preferably adjusted to 15 to 40 kPa.
- the n contact layer is an AlGaN layer (0 ⁇ x ⁇ 1, preferably 0 ⁇ x) as in the base layer.
- the concentration of the n-type impurity material 1 is preferred instrument n-type impurity that is doped X 10 17 ⁇ 1 X 10 19 / cm 3, is favored properly 1 X 10 18 ⁇ 1 X 10 19 / cm 3 When it is contained in a good ohmic contact with the negative electrode It is preferable in terms of maintaining touch, suppressing crack generation, and maintaining good crystallinity.
- the n-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include Si, Ge and Sn, and Si and Ge are preferable.
- the growth temperature is the same as that of the underlayer.
- the gallium nitride compound semiconductor constituting the base layer and the n-contact layer is preferably the same composition, and the total film thickness of these is 1 to 20 111, preferably 2 to 15 / ⁇ ⁇ , It is preferable to set a range of 3 to 12 m. When the film thickness is within this range, the crystallinity of the semiconductor is maintained well.
- n clad layer between the n contact layer and the light emitting layer.
- the n-cladding layer can be formed of AlGaN, GaN, GalnN, or the like. Also, heterostructures of these structures and superlattice structures stacked multiple times. In the case of using GalnN, it goes without saying that it is desirable to make it larger than the band gap of GalnN in the light emitting layer.
- the film thickness of the n-clad layer is not particularly limited, but is preferably 5 to 500 nm (0.005-0.
- n-type dopant concentration of the n-cladding layer is preferably from 1 X 10 17 ⁇ 1 X 10 2 / cm 3 in the range of preferably fitting in the range of 1 X 10 18 ⁇ 1 X 10 19 Zcm 3.
- the doping concentration is within this range, it is preferable in terms of maintaining good crystallinity and reducing the operating voltage of the light emitting device.
- the light emitting layer 14 is laminated on the n-type semiconductor layer 13 and includes a light emitting layer having a gallium nitride compound semiconductor, preferably Ga In N (0 ⁇ s ⁇ 0.4) gallium nitride compound semiconductor power.
- the film thickness of the light-emitting layer 14 is not particularly limited, but the film thickness to the extent that a quantum effect can be obtained, that is, the critical film thickness is preferable, for example, 1 to LOnm, and more preferably 2 to 6nm. It is. A film thickness in the above range is preferable in terms of light emission output.
- the light emitting layer includes the above Ga In N.
- the 1- ss well layer may have a multiple quantum well (MQW) structure consisting of Al Ga_N (0 ⁇ c ⁇ 0.3 and b> c) barrier layers, which have higher band gap energy than this well layer. Also, dope impurities into the well and barrier layers.
- the growth temperature of the Al Ga_N barrier layer is preferably 700 ° C or higher. 800 ⁇ : L Growth at a temperature of 100 ° C is more preferable because crystallinity is improved.
- the GalnN well layer is grown at a temperature of 600 to 900 ° C, preferably 700 to 900 ° C. That is, in order to improve the MQW crystallinity, it is preferable to change the growth temperature between layers.
- the p-type semiconductor layer 15 is generally composed of a p-cladding layer and a p-contact layer force.
- the p-contact layer can also serve as the p-cladding layer.
- the P-cladding layer is not particularly limited as long as it has a thread length greater than the band gap energy of the light-emitting layer and can confine carriers in the light-emitting layer, but is preferably Al Ga N (0 ⁇ d ⁇ 0.4, preferably 0. l ⁇ d ⁇ 0.3). p-kura d 1 -d
- the thickness of the p-cladding layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 400 nm, more preferably 5 to: LOOnm.
- the p-type doping concentration of the p-clad layer is preferably 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 21 / cm 3, more preferably 1 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 2 / cm 3 . When the p-type doping concentration is in the above range, a good p-type crystal can be obtained without deteriorating the crystallinity.
- the p contact layer is at least Al Ga N (0 ⁇ e ⁇ 0.5, preferably 0 ⁇ e ⁇ 0.2 e 1— e
- the A1 composition is within the above range, it is preferable in terms of maintaining good crystallinity and good ohmic contact with the p-ohmic electrode.
- p-type dopant when p-type dopant is contained at a concentration in the range of 1 X 10 18 to 1 X 10 21 Zcm 3 , it is preferable in terms of maintaining good ohmic contact, preventing cracks, and maintaining good crystallinity. More preferably, it is in the range of 5 ⁇ 10 19 to 5 ⁇ 10 2 ° Zcm 3 .
- the film thickness of the p-contact layer is not particularly limited, but is preferably 10 to 500 nm (0.01 to 0.5 m) force S, more preferably 50 to 200 nm (0.05 to 0.2 m). A film thickness within the range is preferable in terms of light emission output.
- the translucent positive electrode 16 is made of ITO (In 2 O—SnO 2).
- the structure is also a conventionally known structure. Any structure can be used without any limitation.
- the translucent positive electrode 16 may be formed so as to cover almost the entire surface of the p-type semiconductor layer 15, or may be formed in a lattice shape with a gap therebetween. After forming the translucent positive electrode 16, a thermal annealing for alloying or transparency may be applied, but it may not be applied.
- a concavo-convex pattern is formed at least partially to form a concavo-convex surface.
- a convex pattern composed of a plurality of disordered convex portions 16b is formed in the vicinity of the center in the left-right direction of the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element 1 in the surface 16a of the translucent political office 16.
- a conventionally known photolithography can be used as a method for forming a concavo-convex pattern on the surface 16a of the translucent positive electrode 16.
- the uneven pattern formed on the surface 16a is a disordered uneven pattern in the example shown in FIG. 1.
- the size of the protrusions and the distance between the protrusions have a periodicity. It can be a pattern.
- the shape of the convex portion 16b is not particularly limited, and examples thereof include a polygonal column such as a cylinder, a triangular column, and a quadrangular column, and a shape such as a cone, a triangular pyramid, and a quadrangular pyramid such as a quadrangular pyramid.
- the lower end dimension W (width) of the convex portion 16b be the same or larger than the upper end width dimension.
- the convex portion 16b in the illustrated example is configured to be reduced in size from the lower end side to the upper end side.
- the size of the convex portion 16b is not particularly limited, but the lower end dimension W is preferably in the range of 0.01 ⁇ m to 3 ⁇ m. By setting the lower end dimension W within this range, the light extraction efficiency is effectively improved.
- Forming the lower end dimension W of the convex part 16b to less than 0.01 m is possible with lithography, but the cost becomes high and the convex part is too small to obtain sufficient light extraction efficiency. I can't.
- the size of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device is generally in the range of 100 / ⁇ ⁇ to 2000 ⁇ m, the unit area is increased when the lower end dimension W of the convex portion 16b exceeds 3 ⁇ m.
- the surface area of each convex part 16b becomes small, and sufficient light extraction efficiency can be obtained. Absent. More preferably, it is in the range of 0.02 m to 2 m.
- the interval P between the centers of the convex portions of the convex portion 16b is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.01 m to 3 m in terms of an average distance. More preferably, it is in the range of 0.05 / ⁇ ⁇ to 1.5 m. By setting the interval P between the convex portions 16b within this range, the light extraction efficiency is effectively improved.
- the size of the light emitting element is generally 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m, if the interval between the convex portions 16b exceeds 3 / zm, the size of the convex portions 16b per unit area is reduced.
- the surface area becomes small, and sufficient light extraction efficiency cannot be obtained. More preferably, it is in the range of 0.02 ⁇ m to 2 ⁇ m.
- the standard deviation with respect to the average distance between the convex portions 16b is preferably in the range of 10% to 80%. More preferably, it is in the range of 20% to 60%.
- the standard deviation is less than 10%, the interference effect increases and the possibility of wavelength unevenness increases.
- the standard deviation is 80% or more, the density of the concavo-convex pattern decreases, and the effect of improving the light extraction efficiency decreases.
- the average height T of the protrusions 16b is preferably in the range of 0.1 m to 2.0 ⁇ m.
- the relationship between the convex portion lower end dimension W and the convex portion height T is W ⁇ T.
- the positive electrode bonding pad 17 is provided on the translucent positive electrode 16, and in the example shown in FIG. 1, is disposed at a position other than the uneven surface formed on the translucent positive electrode 16.
- Thickness of the positive electrode bonding pad 17 Is preferably in the range of 100 to 1000 nm.
- the thickness of the positive electrode bonding pad 17 is more preferably 300 nm or more. Further, it is preferably 500 nm or less from the viewpoint of production cost.
- the negative electrode bonding pad 18 is in contact with the n-type semiconductor layer 13 of the gallium nitride compound semiconductor in which the n-type semiconductor layer 13, the light emitting layer 14 and the p-type semiconductor layer 15 are sequentially stacked on the substrate 11. It is formed.
- negative electrodes having various compositions and structures are well known, and these known negative electrodes can be used without any limitation, and can be provided by conventional means well known in this technical field.
- gallium nitride compound semiconductor 20 shown in FIG. As an example of the gallium nitride compound semiconductor in which a disordered uneven pattern formation region is provided on the translucent positive electrode as described above, a gallium nitride compound semiconductor 20 shown in FIG. Further, a laminated structure in which a buffer layer 22, an n-type semiconductor layer 23, a light emitting layer 24, a p-type semiconductor layer 25, and a light-transmitting positive electrode 26 are sequentially grown is well known.
- the disordered uneven pattern as described above can be provided on the surface of the light-transmitting positive electrode of the semiconductor light emitting device having a structure such as the gallium nitride compound semiconductor 20 without any limitation.
- the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention is roughly configured as a method including the following steps (1) to (3).
- the formation of the concavo-convex surface on the translucent positive electrode is performed by forming a mask having a metal fine particle force on the concavo-convex surface processing region of the translucent positive electrode surface, and the upper force translucent positive electrode is dry-etched. You can do this by doing something.
- the steps (1) to (3) will be described.
- an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, a P-type semiconductor layer, and a light-transmitting positive electrode that are gallium nitride-based compound semiconductor power are stacked on a substrate in this order.
- the materials and growth methods conventionally used can be used without any limitation.
- the metal thin film made of metal fine particles is formed on the translucent positive electrode.
- the metal thin film can be formed by a generally known vacuum deposition apparatus.
- the shape of the concavo-convex pattern formed on the translucent positive electrode is defined by the shape of the metal fine particle mask
- the shape of the concave / convex pattern can be controlled by controlling the shape of the metal fine particle mask. it can.
- the film thickness of the metal fine particle mask has a great influence on the uneven pattern shape on the surface of the translucent positive electrode.
- the film thickness of the metal fine particle mask before the heat treatment step is preferably in the range of 0.005 ⁇ - ⁇ m.
- the optimum value of the metal fine particle mask thickness depends on the material of the metal fine particle mask material and the material of the encapsulating resin when the lamp is constructed using the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention. If it is less than 0.005 m, it does not function as a mask, and a concave / convex pattern shape that can effectively extract light cannot be formed on the translucent positive electrode.
- the film thickness of the metal fine particle mask exceeds: m, the agglomeration effect is reduced, so that, similarly to the above, a concavo-convex pattern shape that can effectively extract light can be formed on the surface of the translucent positive electrode. become unable.
- the formation of the metal thin film is not limited to the above-described vacuum evaporation apparatus as long as the thickness of the metal thin film can be uniformly controlled within the above range, and there is no problem even if a sputtering apparatus or the like is used. .
- the material of the metal fine particles used in the metal thin film is preferably a fine particle having good cohesiveness and spherical shape.
- metals include Ni and Ni alloys.
- a metal fine particle material suitable for cohesiveness and process efficiency at least one of the metals Ni, Au, Sn, Ge, Pb, Sb, Bi, Cd, and In A low melting point metal or a low melting point alloy containing the above and having a melting point between 100 ° C. and 450 ° C. can be mentioned.
- AuSn alloy, AuGe alloy, AuSnNi alloy and AuGeNi alloy are preferred, and AuSn alloy is most preferred.
- AuSn alloys are known to eutectic at temperatures of about 190 to 420 ° C when the Sn composition ratio is in the range of about 10% to 35% by weight. Above this, it is generally known that the alloy layer takes a cohesive form.
- the metal thin film is heat-treated.
- the heat treatment temperature of the metal thin film varies depending on the metal material used, but it is generally preferable to perform the heat treatment for 1 minute in the range of 100 to 600 ° C. By performing the heat treatment of the metal thin film under such conditions, a metal fine particle mask formed on the translucent positive electrode can be obtained.
- the shape of the metal fine particle mask after the heat treatment changes depending on the oxygen concentration in the heat treatment atmosphere.
- the metal fine particle mask can be formed in a shape suitable for improving the light extraction efficiency.
- the heat treatment is performed in an atmosphere containing no oxygen at all in order to achieve good mask formation.
- Density of the fine particles of the metal fine particle mask is preferably in the range of 1 X 10 5 cells Zmm 2 ⁇ l X 10 8 cells ZMM 2. Within this range, the light extraction efficiency is effectively improved. More preferably, it is in the range of 1 ⁇ 10 6 pieces / mm 2 to 1 ⁇ 10 7 pieces / mm 2 .
- the light-transmitting positive electrode of the gallium nitride compound semiconductor is dry-etched from the metal fine particle mask, so that a concave / convex pattern having a specific shape as described above can be formed on the surface of the light-transmitting positive electrode. .
- RIE reactive ion etching
- gas used in dry etching can be selected and used without any limitation, but etching can be performed using a gas containing chlorine. And are preferred.
- the substrate temperature below 100 ° C in order to prevent changes in the shape of metal agglomeration (metal fine particle shape) due to heat.
- wet etching can be used as a method for forming a concavo-convex shape on a light transmitting positive electrode.
- the metal thin film may or may not be formed.
- a solution containing at least one of hydrochloric acid, nitric acid, iron chloride, oxalic acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, and sulfuric acid is used.
- the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention as described above can constitute a lamp by providing a transparent cover by means well known to those skilled in the art. Further, the combination of the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention and a cover having a phosphor makes it possible to construct a white lamp.
- the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention can be configured as an LED lamp without any limitation using a conventionally known method.
- the lamp can be used for any purpose such as a bullet type for general use, a side view type for portable knocklights, and a top view type used for a display.
- a face-up type gallium nitride compound semiconductor light emitting device is mounted in a shell shape, the gallium nitride compound semiconductor light emitting device 1 is coated on one of the two frames 31, 32 as shown in the example of the drawing.
- the positive electrode bonding pad and the negative electrode bonding pad are bonded to the frames 31 and 32 using wires 33 and 34 made of a material such as gold, respectively.
- wires 33 and 34 made of a material such as gold, respectively.
- the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention has a low driving voltage (Vf) and excellent light extraction efficiency! /, So that a highly efficient lamp can be realized. .
- Vf driving voltage
- / light extraction efficiency
- Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a gallium nitride compound semiconductor light-emitting device fabricated in this experimental example.
- FIG. 2 shows a schematic plan view thereof.
- a gallium nitride compound semiconductor layer was stacked on the substrate 1 having sapphire force through a buffer layer 12 having A1N force.
- This gallium nitride compound semiconductor layer consists of an 8 m thick undoped GaN underlayer, a 2 m thick Ge-doped n-type GaN contact layer, and a 20 nm (0.02 ⁇ m) n-type InGa layer.
- Body layer 13 16 nm thick Si-doped GaN barrier layer and 2.5 nm In Ga N well
- Light emitting layer 14 with multi-quantum well structure with 5 layers of house layers and a barrier layer at the end, and Mg-doped p-type Al Ga N cladding with a thickness of 10 nm (0. Ol / zm) Layer and thickness 180nm (0.
- the conductor layer 15 was formed by laminating each layer in this order.
- the light extraction surface was the semiconductor side.
- the carrier concentration of the n-type GaN contact layer is 1 X 10 19 cm_ 3
- Si doping amount of Ga N barrier layer was 1 X 10 17 cm_ 3
- the p-type AlGaN contact layer carrier concentration is 5 X 10 18 cm_ 3
- p-type AlGaN Mg doping amount of cladding layers 5 X 10 19 cm_ 3 der ivy o
- the lamination of the gallium nitride compound semiconductor layers was performed by the MOCVD method under normal conditions well known in the technical field.
- an n-type GaN contact layer in a region for forming a negative electrode was exposed to the gallium nitride-based compound semiconductor layer by a reactive ion etching method.
- a resist was uniformly applied to the entire surface of the p-type semiconductor layer, and then the resist was removed from the negative electrode forming region using a known lithography technique. Then, it was set in a vacuum deposition apparatus, and Ni and Ti were laminated by an electron beam method at a pressure of 4 ⁇ 10 4 Pa or less so that the film thicknesses were about 50 nm and 3 OO nm, respectively. After that, the metal film other than the negative electrode formation region was removed together with the resist by lift-off technology.
- the semiconductor laminated substrate was placed on the electrode in the etching chamber of the reactive ion etching apparatus, and after the pressure in the etching chamber was reduced to 10_4 Pa, C1 was supplied as an etching gas.
- Etching was performed until the n-type GaN contact layer was exposed. After etching, reactive ions It was taken out from the etching apparatus and the etching mask was removed with nitric acid and hydrofluoric acid.
- a Ni contact metal layer having a thickness of lnm is formed only in the region where the positive electrode is formed on the p-type AlGaN contact layer (P-type semiconductor layer 15).
- a current diffusion layer (translucent positive electrode 16) having a thickness of 1 m was laminated and formed.
- the current spreading layer was formed by first placing a substrate on which a gallium nitride compound semiconductor layer was stacked in a vacuum sputtering device and laminating 1 ⁇ m of ITO on the p-type AlGaN contact layer.
- Vacuum chamber force After removing the substrate on which the gallium nitride compound semiconductor layer was stacked, heat treatment was applied for transparency.
- a concavo-convex pattern was formed on the surface of the ITO layer (translucent positive electrode 16) to increase the light extraction efficiency, which also included a plurality of irregular protrusions.
- a resist film is formed on a portion other than the ITO film, and then placed in a vapor deposition apparatus.
- the positive electrode ITO film
- the metal fine particle mask is selectively etched by a shape in accordance with the shape of the metal fine particles by dry etching, and has a curved surface.
- the ITO layer could be processed to be uneven by the shape.
- the average value of the bottom diameter of the protrusions on the uneven ITO layer surface was about 0. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ and the average height was about 1.
- the average distance between the protrusions was 0.8 m, and the standard deviation for this value was 50%.
- first layer that also has Au force on a part of the ITO film, a second layer that consists of Ti, and A1.
- the fifth layer made of Ti, the fourth layer made of Ti, and the fifth layer made of Au were sequentially laminated to form a positive electrode bonding pad 17 having a five-layer structure.
- the thickness of each layer made of AuZTiZAlZTiZAu was set to 50Z20Zl0Zl00Z200nm.
- the negative electrode bonding pad 18 was formed on the n-type GaN contact layer exposed by the above-described reactive ion etching method by the following procedure.
- the resist was also removed from the negative electrode forming portion on the exposed n-type GaN contact layer using a known lithography technique. Then, a negative electrode bonding pad 18 having a thickness of Ti of 100 nm and Au of 200 nm was formed in order from the semiconductor side by a commonly used vacuum deposition method. Thereafter, the resist was removed by a known method.
- the wafer on which the positive electrode and the negative electrode were formed in this way was ground and polished on the back surface of the substrate 11, so that the thickness of the substrate 11 was reduced to 80 m, and a semiconductor laminate was formed using a laser scriber. After putting a scribing line from the side, it was cut and cut into 350 m square chips.
- the chip when the chip was mounted in a TO-18 can package and the light output was measured with a tester, the light output at an applied current of 20 mA showed 12 mW. In addition, it was confirmed that the light emission distribution on the light emitting surface emitted light over the entire surface of the translucent positive electrode.
- the light distribution was measured with the above chip mounted in a TO-18 can package.
- LED-1100 manufactured by Optoscience was used for the light distribution measurement.
- the detector placed above the chip was moved along a track that was parallel to one side of the chip and maintained the same distance as the chip, and the emission intensity was measured.
- the side perpendicular to that side The detector was moved along a track that was parallel to the tip and kept the same distance as the chip, and the emission intensity was measured.
- the distribution of the light emission intensity with respect to the angle formed by the line connecting the detector and the center of the chip with the substrate surface showed no difference when measured along any side.
- a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1 except that the metal fine particles were used as materials shown in Table 1 and heat treatment was performed at the heating temperatures shown in Table 1.
- a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that a convex / concave pattern having convex portions was formed on the surface of the light-transmitting positive electrode (ITO film).
- Gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in the same manner as Experimental Example 1 except that the average distance and standard deviation of the convex portions on the surface of the light-transmitting positive electrode (ITO film) were set to the values shown in Table 1. Was made.
- Table 1 shows a list of the concavo-convex formation conditions, convex part distances, and element characteristics of Experimental Examples 1 to 13.
- the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device in Example 1 10 in which disordered uneven surfaces were formed on the surface of the translucent positive electrode had an average convex portion distance of 0. 05: L within the range of 5 m, and the standard deviation with respect to the convex average distance is within the range of 10 80%.
- gallium nitride compound semiconductor light-emitting device of the present invention shown in Experimental Example 110 is what The light output is more than llmW.
- Ni is used as the material for the metal fine particle mask, and the melting point of the metal fine particle mask is 1455 ° C, which is very high.
- the heat treatment temperature is as high as 600 ° C, but the standard deviation with respect to the average convexity distance is 55%.
- the light emission output is 9 mW.
- the average distance between the convex portions is sparse as 1.7 / zm, and the light emission output is 9 mW.
- the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention has excellent light extraction efficiency and high device characteristics.
- the present invention can be applied to the manufacture of a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element that has excellent light extraction efficiency and little wavelength unevenness.
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Abstract
光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法が提供される。そのような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、 基板１１上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１３、発光層１４およびｐ型半導体層１５がこの順序で積層され、該ｐ型半導体層１５上に透光性正極１６が積層されるとともに該透光性正極１６上に正極ボンディングパッド１７が設けられ、ｎ型半導体層１３上に負極ボンディングパッド１８が設けられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、透光性正極１６の表面１６ａの少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなる。
Description
明 細 書
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に、光取り出し効率を 高めることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関す る。
本願は、 2005年 12月 14日に、日本に出願された特願 2005— 360290号に基づ き優先権を主張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 近年、短波長光発光素子として窒化ガリウム (GaN)系化合物半導体発光素子が 注目を集めている。この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイア単結晶 をはじめ、種々の酸ィ匕物や III— V族化合物を基板として、この基板上に、有機金属 気相化学反応法 (MOCVD法)や分子線エピタキシー法 (MBE法)等によって形成 される。
[0003] 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の特徴として、横方向への電流拡散が小さ いことが挙げられる。このため、電極直下の半導体にのみ電流が注入され、電極直 下の発光層で発光した光は電極に遮られてしまい、発光素子の外部に取り出すのが 困難となる。そこで、このような発光素子では、通常、正極として透明電極が用いられ 、正極を透過して光を取り出すように構成されている。
[0004] 透明電極からなる、従来の透光性の正極は、 Niや Co等の酸化物と、 Au等のコンタ タト金属とを組み合わせた層構造とされていた。また、近年では ITO (In O— SnO )
2 3 2 等、より導電性の高い酸ィ匕物を使用することにより、コンタクト金属の膜厚を極力薄く して透光性を高めた層構造のものが正極として採用され、発光層からの光を効率よく 外部に取り出す技術が提案されて！ヽる。
[0005] ところで、このような発光素子の外部量子効率は、光取出し効率と内部量子効率を 掛け合わせたものとして表される。内部量子効率とは、発光素子に注入した電流のェ ネルギ一のうち、光に変換される割合である。一方、光取り出し効率とは、半導体結
晶内部で発生した光の内、外部へ取り出すことのできる割合である。
[0006] 近年では、発光素子の内部量子効率は、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言われ、注入電流量に対して十分な効果が得られる ようになっている。
し力しながら、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のみならず、発光ダイオード（ LED)においては、一般的に注入電流に対する光取出し効率が押並べて低ぐ注入 電流に対して、内部発光を十分に外部に取り出して 、るとは言、難、、のが現状であ る。
[0007] 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子にお!、て発光取り出し効率が低!、のは、窒 化ガリウム系化合物半導体における発光層の屈折率が約 2. 5と、空気の屈折率 1に 対して非常に高くなつているとともに、臨界角が約 25° と小さくなつていることにより、 結晶内における反射及び吸収を繰り返して光が外部に取り出せなくなる事が原因で ある。
[0008] 光取り出し効率を向上させるため、発光取り出し面を粗面化し、発光取り出し面にさ まざまな角度を設けることによって光取り出し効率を向上させた窒化ガリウム系化合 物半導体発光素子が提案されている (例えば、特許文献 1)。
し力しながら、特許文献 1に記載の発光素子は、半導体材料自体に粗面化加工を 施すため、半導体層に負荷がかかり、大きなダメージを残してしまう。このため、外部 量子効率 (光取出し効率)を向上させても、内部量子効率を低下させてしまい、発光 強度の増大効果が得られな 、。
[0009] また、半導体層表面に粗面力卩ェを施す方法においては、微細なマスクパターニン グ方法等が要求されることから、工程上、煩雑な手順を踏む必要があり、製造効率上 の問題がある。
また、マスクパターユング方法によって形成された凹凸パターンは、干渉効果を生 じるため、ある特定の波長が強調されてしまうと 、う問題がある。
特許文献 1 :特開平 6— 291368号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率に優れ、且つ波長 ムラの少ない窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供するこ とを目的とする。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
[0012] [1]基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力 なる n型半導体層、発光層および p型 半導体層がこの順序で積層され、該 p型半導体層上に透光性正極が積層されるとと もに該透光性正極上に正極ボンディングパッドが設けられ、前記 n型半導体層上に 負極ボンディングパッドが設けられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子にであつ て、前記透光性正極表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなること を特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[2]前記透光性正極表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離 力 凸部中心間距離で 0. 01 m〜3 mの範囲であることを特徴とする上記 [1]に 記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[3]前記透光性正極表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離 力 凸部中心間距離で 0. 05 /ζ πι〜1. 5 mの範囲であることを特徴とする上記 [1] 項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[4]前記凸部間の平均距離に対する各凸部間距離の標準偏差が 10%〜80%の範 囲であることを特徴とする上記 [2]項または [3]項に記載の窒化ガリウム系化合物半 導体発光素子。
[5]前記透光性正極が導電性酸化物からなることを特徴とする上記 [ 1 ]〜 [4]項の 、 ずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[6]前記透光性正極が、 ITO (In O SnO )、 AZO (ZnO— Al O )、 IZO (In O
2 3 2 2 3 2 3 ZnO)、 GZO (ZnO— GeO )からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料から
2
なることを特徴とする上記 [ 1]〜 [5]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合 物半導体発光素子。
[0013] [7]下記（1)〜（3)の工程を含んでなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子の製造方法。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力 なる n型半導体層、発光層および p型 半導体層、透光性正極をこの順序で積層する工程。
(2)透光性正極表面上に金属微粒子力 なるマスクを形成する工程。
(3)該マスク上力 透光性正極をドライエッチングする工程。
[8]前記工程 (2)が、前記透光性正極表面に金属薄膜を形成する工程および該金 属薄膜形成後の熱処理工程力 なることを特徴とする上記 [7]項に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[9]前記マスクをなす金属微粒子が、 Ni、もしくは Ni合金であることを特徴とする上 記 [7]項または [8]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[10]前記マスクをなす金属微粒子が、 100°C〜450°Cの温度範囲に融点をもつ低 融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする上記 [7]〜 [9]項の 、ずれか 一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[11]前記マスクをなす金属微粒子が、 Ni、 Au、 Sn、 Ge、 Pb、 Sb、 Bi、 Cd、 Inから なる群力 選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融 点合金であることを特徴とする上記 [7]〜 [ 10]項のいずれか一項に記載窒化ガリウ ム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[12]前記透光性正極表面の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ゥ ットエツチン グ工程によって形成されてなることを特徴とする上記 [7]〜 [11]項の ヽずれかに記 載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[0014] [13]上記 [1]〜 [6]項の 、ずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光 素子からなるランプ。
[14]上記 [6]〜 [12]項の 、ずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガ リウム系化合物半導体発光素子力 なるランプ。
発明の効果
[0015] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子によれば、透光性正極表面の少 なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなる構成とされていることにより、光取り 出し効率に優れ、且つ波長ムラの少ない窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得
られる。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプ形状に加工 する場合には、ランプに用いられる榭脂の特性に応じて集光性を高めることができる ため、発光出力の高いランプを構成する事ができる。
[0016] また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、凹凸 面を形成する粗面加工処理は、特に下記（1)〜（3)に示すような効果を奏する。
(1)ある範囲のノ つきをもった凹凸面を形成することにより、干渉効果を抑え、波長 ムラの少ない窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製することが出来る。
(2)金属微粒子マスクを用いて凹凸面を形成するため、高度なマスクパター-ングェ 程等が不要であり、簡便且つ安価に粗面化微細加工領域を形成することが可能であ る。
(3)透光性正極表面に凹凸面を形成するため、半導体層にダメージを与えることなく 発光素子を製造することが可能である。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり 、断面構造を示す図である。
[図 2]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり 、平面視構造を示す図である。
[図 3]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり 、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の断面図である。
[図 4]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて構成したランプを模 式的に説明する図である。
符号の説明
[0018] 1…窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、
11…基板、
12…バッファ層、
13· "n型半導体層、
14…発光層、
15· · ·ρ型半導体層、
16…透光性正極、
16a' "¾lS]、
17…正極ボンディングパッド、
18…負極ボンディングパッド、
21 · · ·基板、
22…バッファ層、
23…！!型半導体層、
24…発光層、
25 " ·ρ型半導体層、
26…透光性正極、
27…負極ボンディングパッド、
30· "ランプ
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一実施形態について、 図 1〜3を適宜参照しながら説明する。
[0020] [窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の全体構成]
図 1に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1は、基板 11上 に窒化ガリウム系化合物半導体力もなる η型半導体層 13、発光層 14および ρ型半導 体層 15がこの順序で積層され、該 ρ型半導体層 15上に透光性正極 16が積層される とともに該透光性正極 16上に正極ボンディングパッド 17が設けられ、 η型半導体層 1 3上に負極ボンディングパッド 18が設けられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素 子であって、透光性正極 16の表面 16aの少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成さ れ、概略構成されている。また、図 1に示す例では、基板 11と n型半導体層 13の間に バッファ層 12が設けられて!/、る。
[0021] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光取り出し面である透光性正 極 16の表面 16aに特定形状の凹凸加工を施すことにより、光取り出し効率を向上さ せたものである。
[0022] 基板 11には、サファイア単結晶（Al O ； A面、 C面、 M面、 R面）、スピネル単結晶（
2 3
MgAl O；)、 ZnO単結晶、 LiAlO単結晶、 LiGaO単結晶、 MgO単結晶などの酸
2 4 2 2
化物単結晶、 Si単結晶、 SiC単結晶、 GaAs単結晶、 A1N単結晶、 GaN単結晶およ び ZrBなどのホウ化物単結晶の公知の基板材料を含め、如何なる基板材料も何ら
2
制限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶および SiC単結晶の 基板材料を用いることが好まし 、。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付 与した基板であっても良 、。
[0023] 基板 11上に、通常、ノ ッファ層 12を介して、窒化ガリウム系化合物半導体からなる n型半導体層 13、発光層 14および p型半導体層 15が積層される。使用する基板 11 ゃェピタキシャル層の成長条件によっては、ノ ッファ層 12が不要な場合もある。
[0024] 窒化ガリウム系化合物半導体としては、例えば一般式 Al Ga In N M (0≤X
X Y Z 1 -A A
≤ 1、 0≤Y≤ 1、 0≤Z≤ 1で且つ、 X+Y+Z= 1。記号 Mは窒素（N)とは別の第 V 族元素を表し、 0≤A< 1である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数 知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含め て一般式 Al Ga ln N M (0≤X≤ 1、 0≤Y≤ 1、 0≤Z≤ 1で且つ、 X+Y+Z =
X Υ Ζ 1 -A A
1。記号 Μは窒素 (Ν)とは別の第 V族元素を表し、 0≤Α< 1である。）で表わされる 窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
[0025] 窒化ガリウム系化合物半導体は、 Al、 Gaおよび In以外に他の III族元素を含有す ることができ、必要に応じて Ge、 Si、 Mg、 Ca、 Zn、 Be、 P、 Asおよび Bなどの元素を 含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存 して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含 む場合もある。
[0026] これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、 MOCVD ( 有機金属化学気相成長法)、 HVPE (ハイドライド気相成長法)、 MBE (分子線ェピ タキシ一法)等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用で きる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点力も MOCVD法である 。 MOCVD法では、キャリアガスとして水素（H )または窒素（N )、 III族原料である
Ga源としてトリメチルガリウム (TMG)またはトリェチルガリウム (TEG)、 A1源としてトリ メチルアルミニウム (TMA)またはトリェチルアルミニウム (TEA)、 In源としてトリメチ ルインジウム (TMI)またはトリェチルインジウム (TEI)、 V族原料である N源としてァ ンモユア（NH )、ヒドラジン (N H )などが用いられる。また、ドーパントとしては、 n型
3 2 4
には Si原料としてモノシラン（SiH )またはジシラン（Si H )を、 Ge原料としてゲルマ
4 2 6
ンガス（GeH )や、テトラメチルゲルマニウム（（CH ) Ge)ゃテトラェチルゲルマニウ
4 3 4
ム（（C H ) Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。 MBE法では、元素状
2 5 4
のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。 p型には Mg原料としては例えばビス シクロペンタジェ-ルマグネシウム（Cp Mg)またはビスェチルシクロペンタジェ-ル
2
マグネシウム（EtCp Mg)を用いる。
2
[0027] n型半導体層 13は、通常、下地層、 nコンタクト層および nクラッド層力 構成される 。 nコンタクト層は下地層および Zまたは nクラッド層を兼ねることができる。
下地層は Al Ga N層（0≤χ≤1、好ましくは 0≤x≤0. 5、さらに好ましくは 0≤x
X 1— X
≤0. 1)から構成されることが好ましい。下地層の膜厚は 0.： L m以上が好ましぐよ り好ましくは 0. 5 μ m以上であり、 1 μ m以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方 が結晶性の良好な Al Ga N層が得られやすい。
X 1— X
[0028] 下地層には n型不純物を 1 X 1017〜1 X 1019Zcm3の範囲内であればドープしても 良いが、アンドープ（く 1 X 1017/cm3)の方が良好な結晶性の維持という点で好まし い。 n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、 Si、 Geおよび Sn等が挙げら れ、好ましくは Siおよび Geである。
[0029] 下地層を成長させる際の成長温度は、 800〜1200°C力 S好ましく、 1000〜1200°C の範囲に調整することがより好ましい。この温度範囲内で成長させれば、結晶性の良 い下地層が得られる。また、 MOCVD成長炉内の圧力は 15〜40kPaに調整するこ とが好ましい。
[0030] nコンタクト層としては、下地層と同様に Al Ga N層（0≤x≤ 1、好ましくは 0≤x
X 1— X
≤0. 5、さらに好ましくは 0≤x≤0. 1)から構成されることが好ましい。また、 n型不純 物がドープされていることが好ましぐ n型不純物を 1 X 1017〜1 X 1019/cm3、好ま しくは 1 X 1018〜1 X 1019/cm3の濃度で含有すると、負極との良好なォーミック接
触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。 n型不純物と しては、特に限定されないが、例えば、 Si、 Geおよび Sn等が挙げられ、好ましくは Si および Geである。成長温度は下地層と同様である。
[0031] 下地層と nコンタクト層を構成する窒化ガリゥム系化合物半導体は同一組成であるこ と力 子ましく、これらの合計の膜厚を1〜20 111、好ましくは 2〜15 /ζ πι、さらに好まし くは 3〜 12 mの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、半導体 の結晶性が良好に維持される。
[0032] nコンタクト層と発光層との間には、 nクラッド層を設けることが好ましい。 nクラッド層 を設けることにより、 nコンタクト層の最表面に生じた平坦性の悪ィ匕を埋めることできる 。 nクラッド層は AlGaN、 GaN、 GalnN等によって形成することが可能である。また、 これらの構造のへテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもょ ヽ。 GalnNとする 場合には、発光層の GalnNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言う までもない。
[0033] nクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは 5〜500nm (0. 005-0. 5
/z m)の範囲であり、より好ましくは 5〜100nm (0. 005〜0. 1 /z m)の範囲である。 また、 nクラッド層の n型ドープ濃度は 1 X 1017〜1 X 102 /cm3の範囲が好ましぐ より好ましくは 1 X 1018〜1 X 1019Zcm3の範囲である。ドープ濃度がこの範囲である と、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好まし ヽ。
[0034] 発光層 14は、 n型半導体層 13上に積層され、窒化ガリウム系化合物半導体、好ま しくは Ga In N (0< s< 0. 4)の窒化ガリウム系化合物半導体力 なる発光層が通
1— s s
常用いられる。
発光層 14の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚 、即ち臨界膜厚が好ましぐ例えば 1〜： LOnmの範囲であり、より好ましくは 2〜6nm の範囲である。膜厚が上記範囲であると、発光出力の点で好ましい。
また、発光層は、上記のような単一量子井戸（SQW)構造の他、上記 Ga In Nを
1— s s 井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい Al Ga _ N (0≤c < 0. 3かつ b >c)障壁層とからなる多重量子井戸 (MQW)構造としてもよい。また、 井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもょ 、。
[0035] Al Ga _ N障璧層の成長温度は 700°C以上が好ましぐ 800〜： L 100°Cの温度で 成長させると結晶性が良好になるため、より好ましい。また、 GalnN井戸層は 600〜 900°C、好ましくは 700〜900°Cの温度で成長させる。すなわち MQWの結晶性を良 好にするためには、層間で成長温度を変化させることが好ましい。
[0036] p型半導体層 15は、通常、 pクラッド層および pコンタクト層力 構成される。しかし、 pコンタクト層が pクラッド層を兼ねてもよ 、。
Pクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる糸且成であり、 発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましく は、 Al Ga N (0< d≤0. 4、好ましくは 0. l≤d≤0. 3)のものが挙げられる。 pクラ d 1 -d
ッド層力 このような AlGaN力もなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好まし い。 pクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは l〜400nmであり、より好 ましくは 5〜： LOOnmである。 pクラッド層の p型ドープ濃度は、 1 X 1018〜1 X 1021/c m3が好ましぐより好ましくは 1 X 1019〜1 X 102 /cm3である。 p型ドープ濃度が上 記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好な p型結晶が得られる。
[0037] pコンタクト層としては、少なくとも Al Ga N (0≤e< 0. 5、好ましくは 0≤e≤0. 2 e 1— e
、より好ましくは 0≤e≤0. 1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。 A1 組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および pォーミック電極との良好なォ 一ミック接触の点で好まし 、。
また、 p型ドーパントを 1 X 1018〜1 X 1021Zcm3の範囲の濃度で含有していると、 良好なォーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ま しぐより好ましくは 5 X 1019〜5 X 102°Zcm3の範囲である。
p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくは Mgが挙げられる。 pコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、 10〜500nm (0. 01〜0. 5 m)力 S 好ましく、より好ましくは 50〜200nm (0. 05〜0. 2 m)である。膜厚力 の範囲で あると、発光出力の点で好ましい。
[0038] 透光性正極 16は、 ITO (In O—SnO )
2 3 2、 AZnO (ZnO—Al O )
2 3、 IZnO (In O
2 3
ZnO)、 GZO (ZnO— GeO )から少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野で
2
よく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を
含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
[0039] 透光性正極 16は、 p型半導体層 15上の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ゃ榭形状に形成しても良い。透光性正極 16を形成した後に 、合金化や透明化を目的とした熱ァニールを施す場合もあるが、施さなくても構わな い。
[0040] 透光性正極 16の表面 16aには、少なくとも一部に凹凸パターンが形成され、凹凸 面となっている。図 1に示す例では、透光性政局 16の表面 16aの内、窒化ガリウム系 化合物半導体発光素子 1の左右方向略中央付近に、複数の無秩序な凸部 16bから なる凸状のパターンが形成されて 、る。
透光性正極 16の表面 16aに凹凸パターンを形成する方法としては、従来より公知 のフォトリソグラフィーを用いることができる。
[0041] 表面 16aに形成される凹凸パターンは、図 1に示す例では無秩序な凹凸パターンと されているが、例えば、凸部の大きさや凸部間距離が周期性を有して構成されたバタ ーンとすることちでさる。
凸部 16bの形状としては、特に限定されないが、円柱、三角柱、四角柱等の多角柱 、円錐、三角錐、四角錐の多角錐等の形状が挙げられ、適宜選択することができ、ま た、図 1に示す断面形状において、凸部 16bの下端寸法 W (幅）が上端幅寸法と同じ 力 または大きくなるような形状とすることが好ましい。図示例における凸部 16bは、 下端側から上端側へゆくに従って縮寸するように構成されて 、る。
[0042] 凸部 16bの大きさは特に限定されないが、下端寸法 Wが 0. 01 μ m〜3 μ mの範囲 であることが好ましい。下端寸法 Wをこの範囲とすることにより、光取り出し効率が効 果的に向上する。
凸部 16bの下端寸法 Wを 0. 01 m未満に形成することは、リソグラフィーを用いれ ば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、凸部が小さすぎて充分な光取り出し 効率を得ることができない。
また、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の大きさは、一般的に 100 /ζ πι〜200 0 μ mの範囲であるので、凸部 16bの下端寸法 Wが 3 μ mを超えると、単位面積あた りの凸部 16bの表面積が小さくなつてしまい、充分な光取り出し効率を得ることができ
ない。さらに好ましくは 0. 02 m〜2 mの範囲である。
[0043] 凸部 16bの各凸部中心の間隔 Pは、特に限定されないが、平均距離で 0. 01 m 〜3 mの範囲であることが好ましい。さらに好ましくは 0. 05 /ζ πι〜1. 5 mの範囲 である。凸部 16b間の間隔 Pをこの範囲内とすることにより、光取り出し効率が効果的 に向上する。
凸部 16b間の間隔 Pの平均距離を 0. 01 m未満に形成することは、リソグラフィー を用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、パターンが凝集しすぎて光 取り出し効率が低下する虞がある。
また、上述したように、発光素子の大きさは一般的に 100 μ m〜2000 μ mであるの で、凸部 16b間の間隔が 3 /z mを超えると、単位面積あたりの凸部 16bの表面積が小 さくなつてしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは 0. 0 2 μ m〜2 μ mの範囲である。
[0044] 凸部 16b間の平均距離に対する標準偏差は、 10%〜80%の範囲であることが好 ましい。より好ましくは 20%〜60%の範囲である。
上記標準偏差が 10%以下だと、干渉効果が増大し、波長ムラが発生する可能性が 高くなる。また、上記標準偏差が 80%以上だと、凹凸パターンの密度が低下し、光取 り出し効率向上の効果が低下してしまう。
[0045] 凸部 16bの高さ Tの平均は、 0. 1 m〜2. 0 μ mの範囲であることが好ましい。
より好ましくは、凸部下端寸法 Wと凸部高さ Tとの関係が、 W<Tとなることであり、上 記関係とすれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の光取り出し効率を、より効 果的に向上させることができる。
[0046] 正極ボンディングパッド 17は、透光性正極 16上に設けられ、図 1に示す例では、透 光性正極 16上に形成された凹凸面以外の位置に配されている。
正極ボンディングパッド 17の材料としては、 Au、 Al、 Niおよび Cu等を用いた各種 構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる 正極ボンディングパッド 17の厚さは、 100〜1000nmの範囲内であることが好まし い。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダピリティーが高くな
るため、正極ボンディングパッド 17の厚さは 300nm以上とすることがより好ましい。さ らに、製造コストの観点から 500nm以下とすることが好ましい。
[0047] 負極ボンディングパッド 18は、基板 11上に、 n型半導体層 13、発光層 14および p 型半導体層 15が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体の前記 n型半導体層 13に接するように形成される。
このため、負極ボンディングパッド 18を形成する際は、発光層 14および p型半導体 層 15の一部を除去して n型半導体層 13の nコンタクト層を露出させ、この上に負極ボ ンデイングパッド 18を形成する。
負極ボンディングパッド 18の材料としては、各種組成および構造の負極が周知で あり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られ た慣用の手段で設けることができる。
[0048] 上述のような、透光性正極上に無秩序な凹凸パターンの形成領域を設ける窒化ガ リウム系化合物半導体の一例として、図 3に示す窒化ガリウム系化合物半導体 20の ように、基板 21上にバッファ層 22、 n型半導体層 23、発光層 24、 p型半導体層 25お よび透光性正極 26が順次結晶成長されてなる積層体構造が周知である。
本発明では、上述したような無秩序な凹凸パターンを、窒化ガリウム系化合物半導 体 20のような構造の半導体発光素子の透光性正極表面に、何ら制限無く設けること ができる。
[0049] [窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法]
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、下記（1)〜（3)の 工程を含んだ方法として、概略構成されている。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力 なる n型半導体層、発光層および p型 半導体層、透光性正極をこの順序で積層する工程（1)。
(2)透光性正極表面上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程 (2)。
(3)該マスク上力 透光性正極をドライエッチングする工程 (3)。
[0050] 本発明では、透光性正極上への凹凸面の形成を、透光性正極表面の凹凸面加工 領域に金属微粒子力 なるマスクを形成し、その上力 透光性正極をドライエツチン グすること〖こよって行なうことができる。
以下、上記工程（1)〜（3)について説明する。
[0051] く工程（1) >
まず、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力 なる n型半導体層、発光層および P型半導体層、透光性正極をこの順序で積層する。このような窒化ガリウム系化合物 半導体の積層構造体の形成においては、上述したような、従来より用いられている材 質や成長方法を、何ら制限無く用いることができる。
[0052] <工程（2) >
次に、透光性正極上に、金属微粒子からなる金属薄膜を形成する。金属薄膜は、 一般的に知られる真空蒸着装置によって形成することができる。
本発明では、金属微粒子マスクの形状によって透光性正極上に形成される凹凸パ ターンの形状が規定されるため、金属微粒子マスクの形状を制御することによって凹 凸パターンの形状を制御することができる。特に、金属微粒子マスクの膜厚は、透光 性正極表面の凹凸パターン形状に大きな影響を与える。
[0053] 金属微粒子マスクの熱処理工程前の膜厚は 0. 005 μ ι- ΐ μ mの範囲であること が好ましい。金属微粒子マスク材料の材質や、本発明の窒化ガリウム系化合物半導 体発光素子を用いてランプを構成する際の封入樹脂の材質等により、金属微粒子マ スクの膜厚の最適値は異なるが、 0. 005 m未満だと、マスクとして機能せず、光を 効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状を透光性正極上に形成することが できない。また、金属微粒子マスクの膜厚が: mを超えると、凝集効果が小さくなる ため、上記と同様、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状を透光性正 極表面に形成することができなくなる。
なお、金属薄膜の形成は、金属薄膜の厚さを上記範囲内で均一に制御することが 可能であれば、上述の真空蒸着装置に限らず、スパッタリング装置等を用いてもなん ら問題は無い。
[0054] 金属薄膜 (金属微粒子マスク）に使用する金属微粒子の材料としては、凝集性が良 好で且つ球面形状の微粒子であるものが好ましい。このような金属としては、例えば、 Ni、 Ni合金等が挙げられる。また、凝集性とともにプロセスの効率ィ匕に適した金属微 粒子材料として、 Ni、 Au、 Sn、 Ge、 Pb、 Sb、 Bi、 Cd、 Inの金属の内、少なくとも一種
以上を含有し、 100°C〜450°Cの間に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金 が挙げられる。これらの金属材料の中でも、 AuSn合金、 AuGe合金、 AuSnNi合金 および AuGeNi合金を用いることが好ましぐ中でも AuSn合金を用いるのが最も好 ましい。
AuSn合金は、 Sn組成比が 10質量％〜35質量％程度の範囲であれば、 190〜4 20°C程度の温度で共晶化する事が知られており、また、この範囲の温度を上回ると、 一般的に合金層が凝集形態を取ることも知られている。
[0055] 次に、前記金属薄膜から金属微粒子マスクを得るため、金属薄膜の熱処理を行う。
金属薄膜の熱処理温度としては、使用する金属材料によって異なるが、一般に 10 0〜600°Cの範囲で 1分間の熱処理を行うことが好まし 、。このような条件で金属薄 膜の熱処理を行うことにより、透光性正極上に形成された金属微粒子マスクが得られ る。
[0056] 熱処理後の金属微粒子マスクの形状は、熱処理雰囲気中の酸素濃度によって変 化する。
このため、使用する金属材料に応じて、熱処理雰囲気中の酸素濃度を制御すること により、光取り出し効率向上に適した形状で金属微粒子マスクを形成することが出来 る。また、使用する金属材料によっては、酸素を全く含まない雰囲気で熱処理を行つ たほうが、良好なマスク形成の点力 好ましいものもある。
[0057] 金属微粒子マスクの微粒子の密度は 1 X 105個 Zmm2〜l X 108個 Zmm2の範囲 であることが好ましい。この範囲内であれば、光取り出し効率が効果的に向上する。 また、より好ましくは 1 X 106個/ mm2〜l X 107個/ mm2の範囲である。
[0058] <工程（3) >
次に、前記金属微粒子マスク上から窒化ガリウム系化合物半導体の透光性正極を ドライエッチングすることにより、該透光性正極表面に、上述したような特定形状の凹 凸パターンを形成することができる。
ドライエッチングは、一般的なリアクティブイオンエッチング (RIE)型のドライエッチ ングを用いることができる。また、ドライエッチングで用いるガスの種類については、何 ら制限なく選択して用いることが出来るが、塩素を含むガスを用いてエッチングするこ
とが好ましい。
なお、熱による金属凝集形状 (金属微粒子形状)の変化を防ぐ為、基板の温度は 1 00°C以下に保つことが望ま U、。
[0059] また、透光性正極上に凹凸形状を形成する方法としては、ウエットエッチングを用い ることもできる。この場合、上記金属薄膜は形成しても良いし、しなくても良い。エッチ ング液としては、塩酸、硝酸、塩化鉄、シユウ酸、フッ酸、燐酸、硫酸のうち少なくとも どれか 1つを含んだ溶液を用いる。
[0060] 以上、説明したような本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、 当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、蛍光体を有するカバーとを組み 合わせること〖こより、白色のランプを構成することちでさる。
例えば、図 4に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、従 来公知の方法を用いてなんら制限無く LEDランプとして構成することができる。ラン プとしては、一般用途の砲弾型、携帯のノ ックライト用途のサイドビュー型、表示器に 用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。例えば、フェイスァ ップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例 のように、 2本のフレーム 31、 32の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1を 榭脂などで接着し、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドを金等の材 質からなるワイヤー 33、 34用いて、それぞれフレーム 31、 32に接合する。その後、 透明樹脂で素子周辺をモールドすることにより（図 4のモールド 35参照）、砲弾型のラ ンプ 30を作製することができる。
[0061] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、駆動電圧 (Vf)が低ぐまた、 光取り出し効率に優れて!/、ることから、高効率のランプを実現することが可能となる。 実施例
[0062] 次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する力 本発明はこれらの実施例に のみ限定されるものではな 、。
[0063] [実験例 1]
図 1に、本実験例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図
を示すとともに、図 2に、その平面模式図を示す。
[0064] (窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）
サファイア力もなる基板 1上に、 A1N力もなるバッファ層 12を介して、窒化ガリウム系 化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さ 8 mのァ ンドープ GaNからなる下地層、厚さ 2 mの Geドープ n型 GaNコンタクト層および厚 さ 20nm (0. 02 μ m)の n型 In Ga Nクラッド層がこの順序で積層された n型半導
0. 1 0. 9
体層 13、厚さ 16nmの Siドープ GaN障壁層および厚さ 2. 5nmの In Ga N井
0. 06 0. 94 戸層を 5回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層 14、および 厚さ 10nm (0. Ol /z m)の Mgドープ p型 Al Ga Nクラッド層と厚さ 180nm (0.
0. 07 0. 93
18 ^ m)の Mgドープ p型 Al Ga Nコンタクト層がこの順序で積層された p型半
0. 02 0. 98
導体層 15からなり、各層をこの順で積層して形成した。光取り出し面は半導体側とし た。
[0065] この構造において、 n型 GaNコンタクト層のキャリア濃度は 1 X 1019cm_3であり、 Ga N障壁層の Siドープ量は 1 X 1017cm_3であり、 p型 AlGaNコンタクト層のキャリア濃 度は 5 X 1018cm_3であり、 p型 AlGaNクラッド層の Mgドープ量は 5 X 1019cm_3であ つた o
また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図 1の符号 12、 13、 14、 15)は、 M OCVD法により、当該技術分野にお!、てよく知られた通常の条件で行なった。
[0066] そして、この窒化ガリウム系化合物半導体層に、負極を形成する領域の n型 GaNコ ンタクト層を反応性イオンエッチング法により露出させた。この際、まず、レジストを p型 半導体層の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形 成領域からレジストを除去した。そして、真空蒸着装置内にセットして、圧力 4 X 10_4 Pa以下で Niおよび Tiをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約 50nmおよび 3 OOnmとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、負極形成領域以外の金属 膜をレジストとともに除去した。
[0067] 次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基 板を載置し、エッチング室を 10_4Paに減圧した後、エッチングガスとして C1を供給し
2 て n型 GaNコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオン
エッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去し た。
[0068] 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（P型半導体層 15)上の正極を形成する領域にのみ、厚さ lnmの Niコンタクト メタル層、厚さ 1 mの ΙΤΟカゝらなる電流拡散層（透光性正極 16)を積層して形成し た。電流拡散層は、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空ス パッタ装置内に入れ、 p型 AlGaNコンタクト層上に ITOを 1 μ m積層することによって 形成した。
真空室力 窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を取り出した後、透明化 のための熱処理を施した。
[0069] (凹凸パターンの形成）
次に、 ITO層（透光性正極 16)の表面に、無秩序な複数の凸部カもなる、光取り出 し効率を高めるための凹凸パターンを形成した。
凹凸パターンの形成においては、まず、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、 I TO膜以外の部分にレジスト膜を形成した後、蒸着装置内に入れ、 AuZSnを 15nm 責屑し 7こ。
[0070] 次に、酸素の存在しな!ヽ雰囲気下で、 250°Cの温度で熱処理を行!ヽ、上記 AuSn の薄膜を粒状に凝集させ、金属微粒子カゝらなるマスクを形成した。金属微粒子の直 径は 0. 2〜1. 5 mの範囲であり、 2 X 106個/ mm2という高密度金属微粒子層が できた。
[0071] 次に、正極 (ITO膜)を露出させるようにして、レジスト膜によりパターユングを行い、 その後、一般的なドライエッチングを施した。ここで、 ITO膜上の凹凸加工を施す領 域には上述の金属微粒子マスクが形成されているので、ドライエッチングによって金 属微粒子の形に添った形状で選択的にエッチングされ、曲面を有した形状で ITO層 を凹凸加工する事ができた。凹凸加工された ITO層表面の、凸部下端直径の平均 値は約 0. Ί μ ι^高さの平均は約 1. であった。凸部間距離の平均値は 0. 8 mで、この値に対する標準偏差は 50%であった。
[0072] (ボンディングパッドの形成）
次に、正極ボンディングパッド 17および負極ボンディングパッド 18を、以下のような 手順で形成した。
まず、通常、リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに、同様の積層 方法により、 ITO膜上の一部に Au力もなる第 1の層、 Tiからなる第 2の層、 A1からな る第 3の層、 Tiからなる第 4の層、 Auからなる第 5の層を順に積層し、 5層構造の正極 ボンディングパッド 17を形成した。ここで、 AuZTiZAlZTiZAuカゝらなる各層の厚 さは、それぞれ、 50Z20Zl0Zl00Z200nmとした。
[0073] 次に、負極ボンディングパッド 18を、上述した反応性イオンエッチング法により露出 した n型 GaNコンタクト層上に、以下の手順により形成した。
まず、レジストを、 n型 GaNコンタクト層の露出した領域全面に一様に塗布した後、 公知の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 分力もレジストを除去した。そして、通常用いられる真空蒸着法により、半導体側から 順に、 Tiが 100nm、 Auが 200nmの厚さとされた負極ボンディングパッド 18を形成し た。その後、レジストを公知の方法により除去した。
[0074] このようにして、正極および負極を形成したゥエーハを、基板 11裏面を研削'研磨 することにより、基板 11の板厚を 80 mまで薄くして、レーザスクライバを用いて半導 体積層側から鄞書き線を入れた後、押し割って、 350 m角のチップに切断した。
[0075] (駆動電圧 (Vf)及び発光出力（Po)の測定）
これらのチップを、プローブ針による通電で電流印加値 20mAにおける順方向電 圧 (駆動電圧: Vf)の測定をしたところ 3. 3Vであった。
また、チップを TO— 18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における発光出力は 12mWを示した。また、その発光 面の発光分布は透光性正極表面の全面で発光しているのが確認できた。
[0076] (配光性の測定）
上述のチップを TO— 18缶パッケージに実装した状態として、配光性を測定した。 配光性測定には、ォプトサイエンス社製の LED— 1100を用いた。
まず、チップの上方に設置したディテクタを、チップの一つの辺に平行でチップと同 じ距離を保つ軌道に沿って動かし、発光強度を測定した。次に、その辺と直交する辺
に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿ってディテクタを動かし、発光強度を測定 した。ディテクタとチップ中心を結んだ線が基板面となす角度に対する発光強度の分 布は、何れの辺にそって測定した場合も差がな力つた。
[0077] [実験例 2〜10]
金属微粒子を表 1に示す材料とし、また、表 1に示す加熱温度で熱処理を行った点 を除き、実験例 1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0078] [実験例 11]
透光性正極 (ITO膜)表面に凸部カもなる凹凸パターンを形成しな力つた点を除き 、実験例 1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0079] [実験例 12〜13]
透光性正極 (ITO膜)表面の凸部平均距離及び標準偏差が、表 1に示す値となるよ うに形成した点を除き、実験例例 1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体発光素 子を作製した。
[0080] 上記実験例 1〜13の凹凸形成条件、凸部距離、及び素子特性の一覧を表 1に示 す。
[0081] [表 1]
表 1に示す素子特性の評価結果より、透光性正極表面に無秩序な凹凸面が形成さ れた実験例 1 10の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、凸部平均距離が何 れも 0. 05〜： L 5 mの範囲内であり、また、凸部平均距離に対する標準偏差が 10 80%の範囲内となっている。
また、実験例 1 10に示す本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、何
れも発光出力が l lmW以上となっている。
[0083] なお、実験例 2の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、金属微粒子マスク の材料として Niを用いており、金属微粒子マスクの融点が 1455°Cと非常に高ぐマ スク形成の際の熱処理温度も 600°Cと高くなつているが、凸部平均距離に対する標 準偏差は 55%となっている。
[0084] また、透光性正極 (ITO膜)上に凹凸パターンを形成していない実験例 11の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子では、発光出力が 9mWとなっている。
また、実験例 12に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、凸部間の平 均距離が 1. 7 /z mと疎らであり、発光出力が 9mWとなっている。
[0085] また、実験例 13の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、凸部間の平均距 離が 0. 8 mであり、この平均距離に対する標準偏差が 85%とバラツキがあり、発光 出力が 9mWとなっている。
[0086] 以上の結果により、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、光取り出し 効率に優れ、高 、素子特性を有して 、ることが明らかである。
産業上の利用可能性
[0087] 本発明は、光取り出し効率に優れ、且つ波長ムラの少ない窒化ガリウム系化合物半 導体発光素子の製造に適用できる。
Claims
[1] 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力 なる n型半導体層、発光層および p型半 導体層がこの順序で積層され、該 p型半導体層上に透光性正極が積層されるととも に該透光性正極上に正極ボンディングパッドが設けられ、前記 n型半導体層上に負 極ボンディングパッドが設けられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、 前記透光性正極表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなることを 特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[2] 前記透光性正極表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離が
、凸部中心間距離で 0. 01 μ m〜3 μ mの範囲であることを特徴とする請求項 1に記 載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[3] 前記透光性正極表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離が
、凸部中心間距離で 0. 05 m〜l. 5 /z mの範囲であることを特徴とする請求項 1に 記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[4] 前記凸部間の平均距離に対する各凸部間距離の標準偏差が 10%〜80%の範囲 であることを特徴とする請求項 2または 3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光 素子。
[5] 前記透光性正極が導電性酸化物からなることを特徴とする請求項 1〜4の!ヽずれか 一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[6] 前記透光性正極が、 ITO (In O SnO )、 AZO (ZnO— Al O )、 IZO (In O
2 3 2 2 3 2 3
ZnO)、 GZO (ZnO— GeO )からなる群より選ばれた少なくとも一種類の材料からな
2
ることを特徴とする請求項 1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導 体発光素子。
[7] 下記（1)〜（3)の工程を含んでなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体 発光素子の製造方法。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力 なる n型半導体層、発光層および p型 半導体層、透光性正極をこの順序で積層する工程。
(2)透光性正極表面上に金属微粒子力 なるマスクを形成する工程。
(3)該マスク上力 透光性正極をドライエッチングする工程。
[8] 前記工程 (2)が、前記透光性正極表面に金属薄膜を形成する工程および該金属 薄膜形成後の熱処理工程力 なることを特徴とする請求項 7に記載の窒化ガリウム系 化合物半導体発光素子の製造方法。
[9] 前記マスクをなす金属微粒子が、 Ni、もしくは Ni合金であることを特徴とする請求 項 7または 8に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[10] 前記マスクをなす金属微粒子が、 100°C〜450°Cの温度範囲に融点をもつ低融点 金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする請求項 7〜9の 、ずれか一項に記 載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[11] 前記マスクをなす金属微粒子が、 Ni、 Au、 Sn、 Ge、 Pb、 Sb、 Bi、 Cd、 Inからなる 群力 選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融点 合金であることを特徴とする請求項 7〜： LOのいずれか一項に記載窒化ガリウム系化 合物半導体発光素子の製造方法。
[12] 前記透光性正極表面の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ゥ ットエッチング 工程によって形成されてなることを特徴とする請求項 7〜： L 1のいずれか〖こ記載の窒 化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[13] 請求項 1〜6のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子から なるランプ。
[14] 請求項 7〜12のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系 化合物半導体発光素子力 なるランプ。
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