平成24(行ケ)10426審決取消請求事件
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裁判所 |
請求棄却 知的財産高等裁判所
|
裁判年月日 |
平成25年12月26日 |
事件種別 |
民事 |
当事者 |
被告日亜化学工業株式会社 原告ユニティーオプトテクノロジー
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対象物 |
窒化物半導体発光素子 |
法令 |
特許権
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キーワード |
審決23回 実施22回 無効3回 分割1回 無効審判1回
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主文 |
1 原告の請求を棄却する。
2 訴訟費用は原告の負担とする。
3 この判決に対する上告及び上告受理の申立てのための付加期間を30日と定める。 |
事件の概要 |
1 特許庁における手続の経緯等
(1) 被告は,平成12年3月10日,発明の名称を「窒化物半導体発光素子」と
する特許を出願(特願2000-67673。出願日を平成7年6月15日とする
特願平7-148470号の分割出願)し,平成16年1月16日に設定登録(特
許第3511970号)された(乙3。請求項の数5。以下「本件特許」といい,
その明細書(乙3)を「本件明細書」という。)。
(2) 原告は,平成23年12月16日,本件特許について特許無効審判を請求し,
特許庁に無効2011-800258号事件として係属した。 |
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判決文
平成25年12月26日判決言渡 同日原本領収 裁判所書記官
平成24年(行ケ)第10426号 審決取消請求事件
口頭弁論終結日 平成25年12月5日
判 決
原 告 ユニティー オプト テクノロジー
カンパニー リミテッド
訴訟代理人弁護士 升 永 英 俊
訴訟代理人弁理士 佐 藤 睦
被 告 日亜化学工業株式会社
訴訟代理人弁護士 吉 澤 敬 夫
訴訟代理人弁理士 紺 野 昭 男
同 井 波 実
同 鮫 島 睦
同 言 上 惠 一
同 山 尾 憲 人
同 田 村 啓
主 文
1 原告の請求を棄却する。
2 訴訟費用は原告の負担とする。
3 この判決に対する上告及び上告受理の申立てのための付加期間を3
0日と定める。
事実及び理由
第1 請求
特許庁が無効2011-800258号事件について平成24年7月31日にし
た審決を取り消す。
第2 事案の概要
1 特許庁における手続の経緯等
(1) 被告は,平成12年3月10日,発明の名称を「窒化物半導体発光素子」と
する特許を出願(特願2000-67673。出願日を平成7年6月15日とする
特願平7-148470号の分割出願)し,平成16年1月16日に設定登録(特
許第3511970号)された(乙3。請求項の数5。以下「本件特許」といい,
その明細書(乙3)を「本件明細書」という。。
)
(2) 原告は,平成23年12月16日,本件特許について特許無効審判を請求し,
特許庁に無効2011-800258号事件として係属した。
(3) 特許庁は,平成24年7月31日,
「本件審判の請求は,成り立たない。」と
の審決(以下「本件審決」という。)をし,同年8月9日,その謄本が原告に送達さ
れた。
(4) 原告は,平成24年12月6日,本件審決の取消しを求める本件訴訟を提起
した。
2 特許請求の範囲
特許請求の範囲の記載は次のとおりである。以下,順に「本件発明1」などとい
い,併せて「本件発明」という。
【請求項1】 導電性基板上に,電極を介して光の取り出し側とする窒化物半導体が
接着してなり,該窒化物半導体の最下層はp型層であり,最上層がn型層であって,
該n型層には部分電極が設けられていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項2】 前記電極が,窒化物半導体表面に形成されたオーミック電極及び/又
は導電性基板表面に形成されたオーミック電極を含むことを特徴とする請求項1に
記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項3】 前記導電性基板を接着する窒化物半導体層面が,前記p型層であり,
前記電極及び/又は導電性材料が,p型層のほぼ全面に形成されていることを特徴
とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項4】前記電極が導電性材料を多層構造に積層されたことを特徴とする請求
項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項5】 前記電極及び/又は導電性材料が,窒化物半導体の発光波長を反射で
きることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
3 本件審決の理由の要旨
(1) 本件審決の理由は,別紙審決書(写し)記載のとおりであり,要するに,①
本件発明は,後記アの引用例1に記載された発明(以下「引用発明1」という。)で
あるとはいえないし,引用発明1に基づいて,当業者が容易に発明をすることがで
きたものともいえない,②本件発明は,後記イの引用例2に記載された発明(以下
「引用発明2」という。)及び引用発明1に基づいて,当業者が容易に発明をするこ
とができたものとはいえない,というものである。
ア 引用例1:特開平5-251739号公報(甲1)
イ 引用例2:特開平2-288371号公報(甲2)
(2) 本件審決が認定した引用発明1並びに本件発明1と引用発明1との一致点
及び相違点は,次のとおりである。
ア 引用発明1:p側電極を有するp-GaP半導体結晶と,この結晶の他方の
面上にオーミック電極,更にそのオーミック電極の上の共晶合金,並びに,n-I
n0.5 Al0.5 Pクラッド層,アンドープIn0.5 Ga0.21Al0.29P活性層及び
p-In0.5 Al0.5 Pクラッド層からなる発光層の両側にn-Ga0.2 Al0.8
As電流拡散層,p-Ga0.2 Al0.8 As厚膜層を有するInGaAlP緑色L
ED用光半導体結晶の厚膜層側にオーミック電極と金属反射層がこの順に存在する
とともに,電流拡散層側に所定の形状にエッチングして形成したn側電極が存在し,
前記p-GaP半導体結晶のオーミック電極とInGaAlP緑色LED用光半導
体結晶の厚膜層側に存在する金属反射層とが前記共晶合金によって機械的にも電気
的にも結合されている,半導体発光素子である発光ダイオード。
イ 一致点:導電性基板上に,電極を介して光の取り出し側とする半導体が接着
してなり,該半導体の最下層はp型層であり,最上層がn型層であって,該n型層
には部分電極が設けられている半導体発光素子。
ウ 相違点:半導体が,本件発明1では,
「窒化物半導体」であるのに対して,引
用発明1では,
「InGaAlP緑色LED用光半導体結晶」である点(以下「相違
点1」という。。
)
(3) 本件審決が認定した引用発明2並びに本件発明1と引用発明2との一致点
及び相違点は,次のとおりである。
ア 引用発明2:GaP基板91上にGaAlN/BP超格子層からなる超格子
構造の反射層92が形成された後,この上にp型GaAlN/BP混晶層101,
アンドープGaAlN/BP混晶層102及びn型GaAlN/BP混晶層103
が順次形成され,更にn型GaNコンタクト層95が形成され,この上面の略中央
部にオーミック電極96が形成されるとともに,GaP基板91の下面にオーミッ
ク電極97が形成されたLED。
イ 一致点:導電性基板上に光の取り出し側とする半導体が形成されてなり,該
半導体の最下層はp型層であり,最上層がn型層であって,該n型層には部分電極
が設けられている半導体発光素子
ウ 相違点
(ア) 本件発明1は,導電性基板上に,電極を介して窒化物半導体が接着してな
るものであるのに対して,引用発明2は,GaP基板91上にGaAlN/BP超
格子層からなる超格子構造の反射層92が形成された後,この上にp型GaAlN
/BP混晶層101,アンドープGaAlN/BP混晶層102及びn型GaAl
N/BP混晶層103が順次形成され,更にn型GaNコンタクト層95が形成さ
れたものである点(以下「相違点2」という。。
)
(イ) 本件発明1は,半導体が窒化物半導体である窒化物半導体発光素子である
のに対して,引用発明2は,窒化物半導体発光素子といえるかどうか明らかでない
点(以下「相違点3」という。)。
4 取消事由
本件発明1の容易想到性に係る判断の誤り
第3 当事者の主張
〔原告の主張〕
1 相違点1について
本件審決は,引用発明1において,InGaAlP緑色LED用光半導体結晶を
窒化物半導体に置換することについて,当業者が容易に想到し得たと認めるに足る
根拠は,本件各証拠を通じてみても,見いだすことができないから,本件発明1が,
引用発明1に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものとはいえないと
判断した。
しかし,次のとおり,本件審決の上記判断は誤りである。
(1) 本件出願当時,被告は,39件の青色窒化物半導体素子に関する特許出願を
公開しており(甲7の1~39),当業者は,被告製の高輝度の青色を発光する窒化
物半導体発光素子(青色LED)の市場での存在をよく知っていた。
(2) 引用例1には,InGaAlP緑色LED用光半導体結晶を窒化物半導体に
置換することについて,動機付けとなる記載がある。
すなわち,引用例1の特許請求の範囲では,
「半導体発光デバイス」を構成する半
導体材料は何ら特定されておらず,単に「半導体発光素子」と記載されているにす
ぎない。
「課題を解決するための手段」欄の記載も同様である。このように,引用発
明1は,そもそも「半導体発光素子」を構成する特定の半導体材料に依存する発明
ではないから,引用例1に接した当業者であれば,引用発明1は,InGaAlP
の素材に限定されることなく,発光素子に用いられる半導体材料全般(窒素(N)
を含む半導体材料一般)に広く適用できることを前提とした発明であると理解する
ことは明らかである。
また,引用例1の「産業上の利用分野」【0001】
( )欄には,「本発明は,輝度
を高く取れる構造を有した半導体発光素子に関するもので,特に表示用光源として,
例えば,…自動車のストップランプ信号機等に用いる目的で開発された高輝度の半
導体発光素子に関するものである。」と記載(なお,「自動車のストップランプ信号
機」は,「自動車のストップランプ,信号機」の誤記である。)されているとおり,
引用発明1が,信号機等に用いる目的で開発された高輝度の半導体発光素子に関す
「
るもの」であることが明記されている。そして,信号機の表示する信号には,赤色,
青色,黄色の3色が用いられることが常識であるから,当業者は,
「信号機等に用い
る目的で開発された高輝度の半導体発光素子に関するもの」との記載から,引用発
明1では,青色光を発する半導体材料,すなわち,GaN等の窒化物半導体を用い
ることが想定されているものと当然に理解することができる。
(3) また,①前記のとおり,引用発明1は,半導体発光素子を構成する特定の半
導体材料に依存せず,半導体発光素子と光半導体結晶基板とを金属によって接合し
たことを特徴とする半導体発光素子の発明であること,②引用例1(【0083】)
には,
「青色LEDではGaN,SiCエピタキチャル結晶成長層を使用する」との
記載があること及び③GaNを含む青色LEDが,道路上の信号機に実際に使用さ
れていること(甲13)からすると,これらの事項を自己の知識としている当業者
であれば,青色LEDのための最適な半導体材料として,GaNを選択して,引用
発明1の実施例2(別紙2の図5)の半導体発光素子(ただし,別紙2の図4の導
電型の全て逆の構成 【0056】)
( ) をGaNを用いて製作することを容易に想到す
ることができる。
(4) したがって,本件審決の上記判断は誤りである。
2 相違点2について
本件審決は,引用発明2における「超格子構造の反射層92」は良好なバッファ
層として働き,良好なpn接合が得られるようにするものと認められるところ,引
用発明2において,「超格子構造の反射層92」を金属に代えることを想定するに,
かかる金属が良好なバッファ層として働くものとは認められないから,そのように
することを当業者が容易に想到するとはいえないと判断した。
しかし,次のとおり,本件審決の上記判断は誤りである。
(1) 本件審決は,「引用発明2は,GaP基板91上にGaAlN/BP超格子
層からなる超格子構造の反射層92が形成された後,この上にp型GaAlN/B
P混晶層101,アンドープGaAlN/BP混晶層102及びn型GaAlN/
BP混晶層103が順次形成され」と層が形成される順番を殊更に強調した上で,
「超格子構造の反射層92」を金属に代えるときにも,引用発明2における層形成
の順番が維持されなければならないことを前提として,上記のとおり,本件発明1
の容易想到性を判断したものである。
しかし,本件審決は,引用発明1が従来技術(引用発明2)の有する課題を解決
するために,
「半導体発光素子」と「光半導体結晶基板」とを金属を介して貼り合わ
せるという技術を用いて,従来技術とは層形成の順番を逆にして半導体発光素子を
形成する発明であることを何ら考慮せずに,容易想到性の判断をしている点におい
て誤りである。
すなわち,引用発明1は,
「発光層と光半導体結晶基板の間に化合物半導体材料か
らなる光反射層」(引用発明2の「超格子構造の反射層92」)を形成するという従
来技術が有していた,光反射層はそれ自体の光吸収及び反射率が50~60%と低
「
いため十分な効果が得られなかった」という課題(【0013】
【0014】)を,
「半
導体発光素子と光半導体結晶基板とを金属によって接合」することによって解決し
たものである(【0018】。
)
そして,引用発明1は,従来技術の前記課題を解決するため,ダミー基板上に最
終的に最上層となる層から順次積層して,半導体層を形成して半導体発光素子を形
成し,半導体発光素子を金属によって光半導体結晶基板と接合した後に,ダミー基
板を除去して,除去されたダミー基板の位置に電極を設置するという技術を用いた
ものである。
本件審決は,本件発明1の容易想到性の判断において,引用発明1の従来技術が
有する前記課題やその具体的な解決手段(従来技術とは層形成の順番を逆にして半
導体発光素子を形成すること)を何ら考慮していない点において,明らかに誤って
いる。
(2) 本件審決は,引用発明1が,従来技術(引用発明2)が有する前記課題を解
決するために,半導体発光素子と光半導体結晶基板とを金属を介して貼り合わせる
という技術を用いて,金属をバッファ層とすることなく,半導体発光素子を形成す
る発明であることを考慮せずに,容易想到性を判断している点においても誤ってい
る。
すなわち,引用発明1は,発光層と光半導体結晶基板の間に化合物半導体材料か
らなる光反射層(引用発明2の「超格子構造の反射層92」)を形成するという従来
技術が有していた前記課題を,
(a)光半導体結晶基板(p-GaN基板91)上に
金属を積層し,
(b)別の基板(ダミー基板)上に半導体発光素子(p-GaNAl
N/BP混晶層101~n-GaNコンタクト層95)を積層し,
(c)当該金属と
半導体素子とを貼り合わせ,(d)別の基板(ダミー基板)を除去し,(e)除去さ
れたダミー基板の元の位置に電極を形成することによって,半導体発光素子と光半
導体結晶基板とを金属によって接合するという技術によって解決するものである。
このように,引用発明1によって,超格子構造の反射層92を金属に置き換えて,
引用発明2が有する前記課題を解決する技術は,金属をバッファ層とすることなど
何ら必要としない。そもそも,当業者にとって,金属が良好なバッファ層として働
くものでないことは当然のことであり,金属をバッファ層として,当該金属上にp
-GaNAlN/BP混晶層101を形成することは,意味のないことである。
したがって,従来技術である引用発明2が有する前記課題を,半導体発光素子の
発光効率向上の目的で,引用発明1に従って解決すれば,本件発明1に至るのであ
るから,本件発明1は,当業者が引用発明2及び1に基づき,容易に発明をするこ
とができたものである。
(3) 被告の主張について
ア 被告は,引用発明1に係る半導体発光素子と光半導体結晶基板との金属によ
る接合過程に関して原告が説明した,前記(a)ないし(e)の組合せは,全体と
してP-N-P型の半導体になっており,最下層のp-GaP層からn-GaN層
には電流が流れないから,外部と導通が取れず,発明としては成立しない構造であ
ると主張する。
しかし,被告の上記主張は,被告にとって都合の良い構造となるように,別紙3
の図10の構成を無視し,最上層がp型となるように,恣意的に作出したものであ
る。前記(a)ないし(e)の組合せのうち,
(b)の「別の基板(ダミー基板)上
に「半導体発光素子」(p-GaAlN/BP混晶101~n-GaNコンタクト層
95)を積層し」との記載は,
「別の基板(ダミー基板)上に半導体発光素子が,積
層されること」「半導体発光素子が,
, (p-GaAlN/BP混晶101~n-Ga
Nコンタクト層95)の各層から成ること」を意味するにすぎない。すなわち,
「別
の基板(ダミー基板)上に「半導体発光素子」(p-GaAlN/BP混晶層101
~n-GaNコンタクト層95)を積層し,」との文言は,別の基板(ダミー基板)
を最下層とし,その上に,層「101」,層「102」,層「103」,層「95」の
順序で,下から上方向へ順次積層されることを意味するものではない。これは,
「p
-GaAlN/BP混晶101~n-GaNコンタクト層95」との文言から素直に
導かれる意義である。
したがって,被告の上記主張は,失当である。
イ 被告は,引用例2では,基板から順に結晶を成長させるに当たり,超格子構
造の反射層92が存在することを不可欠の前提としているとした上で,原告が説明
した,(b)「半導体発光素子(p-GaAlN/BP混晶層101~n-GaNコ
ンタクト層95)」なるものは,バッファ層として働く「p-AlGaN/BPから
なる超格子層の反射層92」がないとpn接合ができないから,発光素子として機
能しないと主張する。
しかし,引用例2の特許請求の範囲請求項6ないし9には,
「基板上に直接または
バッファ層を介して,…」と記載されているとおり,引用発明2は,「バッファ層」
を不可欠の構成要素とするものではない。
したがって,被告の上記主張は,失当である。
〔被告の主張〕
1 相違点1について
原告は,①本件出願当時,青色LEDは,市場で販売されていた,②引用発明1
は「半導体発光素子」を構成する特定の半導体材料に依存する発明ではない,③引
用例1(【0001】)には,
「自動車のストップランプ信号機等に用いる目的」との
記載があるから,引用発明1では,青色光を発するGaN等の窒化物半導体を用い
ることが想定されているなどとして,引用例1には,
「InGaAlP緑色LED用
光半導体結晶」を「窒化物半導体」に置換することについての動機付けがあると主
張する。
しかし,次のとおり,原告の主張は,失当である。
(1) 原告は,本件審判手続では,仮に引用例1にGaNを適用することが記載さ
れていないとしても,本件発明1は引用発明1に基づいて,当業者が容易に想到し
得たものであると主張していたのであり,青色LEDが周知であったことや,その
青色LED技術との組合せにおいての容易想到性を主張していたものではなく,本
件審決もそのような判断をしていないから,本件訴訟に至って,本件出願当時に青
色LEDの技術が知られていたかどうかを主張しても意味がない。
(2) 引用例1には,「InGaAlP緑色LED用半導体結晶」に関する発明が
開示されている。すなわち,特許請求の範囲がたまたま抽象的表現によって広く規
定されていたとしても,引用例1に開示されているのは,あくまでもその明細書に
記載された発明である。そして,引用例1の各実施例には,InGaAlPのLE
Dが記載されているにとどまり,青色を発光させることや,窒化物半導体によって
構成されることの開示はない。このような引用例1の記載からみて,引用発明1に
窒化物半導体を適用すべき根拠はない。
(3) 原告は,引用例1(【0001】)には,「自動車のストップランプ信号機等
に用いる目的」とあるから,青色光を発するGaN等の窒化物半導体を用いること
が想定されているなどと主張するが,信号機の表示する信号には,赤色や黄色もあ
るから,
「信号機」という記載が当然に青色LEDを含む意味であるということはで
きない。そして,引用例1は,InGaAlP緑色LED・半導体発光素子(【00
58】)とその活性層の組成を変えた黄色,橙色,赤色,赤外LED(【0060】
等)を開示しているのみで,信号機に窒化物半導体の青色LEDを使用することに
関する記載はないから,引用例1において,窒化物半導体を使用した信号機が考慮
されていないことは明らかである。
2 相違点2について
(1) 原告は,引用発明1はその従来技術に当たる引用発明2の有する課題を解決
するため,
「半導体発光素子」と「光半導体結晶基板」とを金属を介して貼り合わせ
るという技術を用いて,従来技術とは層形成の順番を逆にして半導体発光素子を形
成する発明であるとか,当該技術を用いて,金属をバッファ層とすることなく半導
体発光素子を形成する発明であるなどと主張する。
しかし,引用発明2は,引用例1に記載された従来技術ではなく,引用発明2に
原告が主張する課題があったということはできない。引用例1において言及されて
いる従来例の反射層6(別紙2の図2)や光反射層(【0013】)は,単純に光を
反射するための化合物半導体材料であり,別紙3の図10に記載されている「Ga
AlN/BP超格子層からなる反射層92」とは,技術思想を全く異にする構成であ
る。すなわち,引用例2は,GaNやAlNで低抵抗のp型結晶が得られないのは,
イオン性が大きいことによる欠陥が生じやすいことのほか,これらが閃亜鉛鉱型の
結晶構造ではなく,ウルツ鉱型を持っていることが本質的な原因であるとの認識に
基づき,ウルツ鉱型であっても,安定な閃亜鉛鉱型を有する結晶上に成長させれば,
ある程度の厚さまでは閃亜鉛鉱型を保つとか,従来,熱力学的に安定な混晶が作製
できないとされたBとGa,Al,InというⅢ族元素の組合せ若しくはNとP,
Asの組合せを含むⅢ-Ⅴ族化合物半導体材料系においても,GaxB1-xNzP1-
z 系の混晶において,その組成がx=zをほぼ満足する場合であれば,BとNを同
時に比較的多量に混合することにより,安定な混晶を得ることができるなどの知見
を得たことを前提として,別紙3の図10のとおり,p-GaP基板(図10の「p
-GaN」は,「p-GaP」の誤記である。)にバッファ層の役割を果たすp-A
lGaN/BPからなる超格子層の反射層92を設け,その上に順次符号101,
102,103,95で示されるAlGaNとBPの混晶層を形成するという発明
である。そして,引用例2の反射層92の構造は,pn接合を得る上で不可欠な極
めて特殊な層であって,引用例1に記載された光を反射するためだけの「化合物半
導体材料からなる光反射層」とは全く異質な層であり,引用例1で従来例としてい
る反射層6(別紙2の図2)や光反射層(【0013】)などではない。
(2) 原告は,引用発明1は「半導体発光素子と光半導体結晶基板とを金属によっ
て接合」する技術だとして,引用例1に記載された個々の要素を引用例2に記載さ
れた要素に入れ替えているが,引用例1には,そのような入れ替えが可能であるこ
との記載や,入れ替えることの示唆はない。
また,仮に原告が主張するとおりに引用例1と引用例2とを組み合わせたとして
も,次のとおり,本件発明1を想到することには至らない。
すなわち,原告が引用発明1に係る半導体発光素子と光半導体結晶基板との金属
による接合過程に関して説明した,前記(a)ないし(e)の組合せは,最下層が
p型のGaPであり,その上に金属層を介してn型のGaN,n型GaAlN/BP
混晶,その上にp型のアンドープGaAlN/BP混晶とp型GaAlN/BP混晶
が積層されるから,全体としてP-N-P型の半導体となっている。かかる構造は,
通常のpn接合による発光素子の構造とは全く異なり,通常の発光素子に用いられ
る駆動電圧では最下層のp-GaP層からn-GaN層に電流が流れないため,外
部と導通がとれない,発光素子としては成立しない構造である。
また,原告が説明した上記構造は,
「最上層がn型層である」とする本件発明1の
構成を備えていない。
したがって,仮に原告の主張に沿って引用例1と引用例2とを組み合わせたとし
ても,本件発明1を想到することにならないことは明らかである。
(3) 原告が説明した,前記(b)「半導体発光素子(p-GaAlN/BP混晶層
101~n-GaNコンタクト層95)なるものは,別紙3の図10の符号101,
102,103,95に相当する部分であるところ,当該部分は引用例2の「p-
AlGaN/BPからなる超格子層の反射層92」がないとpn接合ができないか
ら,発光素子として機能しないものである。
すなわち,引用例2に記載された半導体発光素子は,基板から順に結晶を成長さ
せるに当たり,本来ウルツ鉱型の結晶構造を有するGaAlNを閃亜鉛鉱型結晶構
造として積層するため,一定の組成比を有するGaAlNとBPが交互に積層され
た超格子構造の反射層92が存在することを不可欠の前提とするものであって,別
紙3の図9及び図10に開示されている「反射層92」は,「2種類のGaAlN/
BP超格子層の積層構造(積層周期は放射光の波長の約1/2の900Å,キャリア
濃度2×1017/cm3,厚さ6μm)である。」という特異な構成である。原告
は,あたかもダミー基板の上にp-GaAlN/BP混晶101,アンドープp-Ga
AlN/BP混晶102,n-GaAlN/BP混晶103,N-GaN95から成る
半導体発光素子が作製できるかのように主張するが,引用例2の半導体発光素子は,
その下層にp型結晶を得るためのバッファ層として働く「GaAlN/BP超格子層
からなる反射層92」がなければ製造できるものではない。
したがって,
「ダミー基板」の上には,引用例2に記載の「半導体発光素子」を作
ること自体ができない。
また,引用例1に記載されたオーミック電極11(水玉電極),金属反射層18,
共晶合金12,全面電極17は,単にオーミック接続をするための導電性材料にす
ぎず,特殊な目的を有する引用例2に記載の閃亜鉛鉱型を有する超格子層の積層構
造の「反射層92」とは,全く異質のものである。引用例1に記載された「金属反
射層18」と,引用例2に記載された「反射層92」とは,
「反射層」という言葉は
共通するものの,その目的,構成,効果が全く異なり,引用発明2において,
「反射
層92」を除去したり,他の構成に交換してしまうと,引用発明2はもはや成立せ
ず,機能もしないから,当業者にとって引用例2に記載された「反射層92」を引
用例1に記載された「金属反射層18」に代えて用いることは考え得ないし,その
ような動機付けはあり得ない。
第4 当裁判所の判断
1 本件発明について
(1) 本件発明は,前記第2の2に記載のとおりであるところ,本件明細書(乙3)
には,本件発明について,概略,次のような記載がある。なお,引用の図面は,別
紙1のとおりである。
ア 産業上の利用分野
本件発明は,発光ダイオード等の発光デバイス又はフォトダイオード等の受光デ
バイスに使用される窒化物半導体よりなる素子に関するものである(【0001】。
)
イ 従来の技術
窒化物半導体は,バンドギャップエネルギーが1.9eV~6.0eVまである
ので,発光素子,受光素子等の各種半導体デバイス用として注目され,最近この材
料を用いた青色LED,青緑色LEDが実用化されている。一般に窒化物半導体素
子は,気相成長法を用いて,基板上にn型,p型等に導電型を規定した窒化物半導
体を積層成長させることによって得られる。基板には,サファイア,スピネル等の
絶縁性基板のほか,炭化ケイ素,シリコン等の導電性基板が使用されるが,窒化物
半導体と完全に格子整合する基板は未だ開発されておらず,現在のところ,格子定
数が10%以上も異なるサファイアの上に窒化物半導体層を強制的に成長させた青
色,青緑色LED素子が実用化されている。図6は,従来の青色LED素子の構造
を示す模式的な断面図である。従来のLED素子は,基本的にサファイア基板の上
に窒化物半導体よりなるn型層と活性層とp型層とが順に積層されたダブルへテロ
構造を有している。サファイアは絶縁性であり基板側から電極を取り出すことがで
きないので,同一窒化物半導体層表面に正電極と負電極とが設けられた,いわゆる
フリップチップ方式の素子とされている(【0002】~【0004】。
)
ウ 発明が解決しようとする課題
しかし,サファイアを基板とする従来のフリップチップ方式の素子には数々の問
題点がある。第一に,同一面側から両方の電極を取り出すためチップサイズが大き
くなり多数のチップがウエハから得られない。第二に,負電極と正電極とが水平方
向に並んでいるため電流が水平方向に流れ,その結果,電流密度が局部的に高くな
りチップが発熱する。第三にサファイアという非常に硬く,劈開性のない基板を使
用しているので,チップ化するのに高度な技術を必要とする。さらにLDを実現す
る際には,基板の劈開性を用いた窒化物半導体の劈開面を共振面とできないので共
振面の形成が非常に困難である(【0005】。
)
本件発明は,以上のような事情を鑑みなされたものであり,その目的は,主とし
て上下より電極を取り出せる構造を有する窒化物半導体素子の製造方法及び窒化物
半導体素子を提供することにある(【0007】。
)
エ 課題を解決するための手段
本件発明の窒化物半導体発光素子は,導電性基板上に,電極を介して光の取り出
し側とする窒化物半導体が接着してなり,窒化物半導体の最下層はp型層であり,
最上層がn型層であって,n型層には部分電極が設けられていることを特徴とする
(【0008】。
)
オ 作用
本件発明の方法及び素子では窒化物半導体層に導電性基板を接着している。つま
り,窒化物半導体が絶縁性基板の上に成長されたウエハでは,窒化物半導体より得
られる各種素子はフリップチップ形式とならざるを得ないが,導電性基板をウエハ
最上層の窒化物半導体層に接着することにより,導電性基板が電極を形成する基板
となる。その後,絶縁性基板を除去すると窒化物半導体層が露出するので,露出し
た窒化物半導体層面にもう一方の電極を形成することができ,従来のような電極が
水平方向に並んだ素子ではなく,互いの電極が対向した素子を作製することができ
る(【0016】。
)
カ 実施例1
サファイア基板1の表面に窒化物半導体層2が積層されたウエハを用意する。な
お,窒化物半導体層2はサファイア基板1から順にドナー不純物がドープされたA
lXGa1-XN(0≦X≦1)よりなるn型層21と,InYGa1-YN(0<Y
<1)よりなる活性層22と,アクセプター不純物がドープされたAlXGa1-X
N(0≦X≦1)よりなるp型層23とを少なくとも有するダブルへテロ構造を有
している。なお,最上層のp型層23は400℃以上のアニーリングにより低抵抗
化されている(【0021】。
)
次に,図1に示すように窒化物半導体層2の表面のほぼ全面にNiとAuを含む
オーミック電極30を500オングストロームの膜厚で形成する。つまり窒化物半
導体層2の最上層のp型層のほぼ全面にp型層と好ましいオーミックが得られる第
一のオーミック電極30を形成する。さらに,そのオーミック電極30の上に接着
性を良くするためにAu薄膜を0.1μm形成する(【0022】。
)
一方,導電性基板として,サファイア基板1とほぼ同じ大きさを有するp型Ga
As基板50を用意し,このp型GaAs基板50の表面にAu-Znよりなる第
二のオーミック電極40を500オングストロームの膜厚で形成する。さらに,そ
の第二のオーミック電極40の上に接着性を良くするためにAu薄膜を0.1μm
形成する(【0023】。
)
次に,図2に示すように第一のオーミック電極30を有する窒化物半導体ウエハ
と,第二のオーミック電極40を有するp型GaAs基板50とのオーミック電極
同士を貼り合わせ,加熱により圧着する。ただし,圧着時ウエハのサファイア基板
1とp型GaAs基板50とは平行となるようにする。平行でないと次のサファイ
ア基板を除去する工程において,露出される窒化物半導体層の水平面が出ないから
である。また,第一のオーミック電極30と第二のオーミック電極40とを接着す
るためにAuを使用したが,この他電極30と40との間にインジウム,錫,ハン
ダ,銀ペースト等の導電性材料を介して接着することも可能である。なお,p型G
aAs基板50を接着する際に窒化物半導体層の劈開性と,基板50との劈開方向
を合わせて接着してあることはいうまでもない(【0024】。
)
次に,p型GaAs基板50を接着したウエハを研磨器に設置し,サファイア基
板1のラッピングを行い,サファイア基板を除去して,窒化物半導体層2のn型層
21を露出させる。なお,この工程において,例えばサファイア基板1を数μm程
度の厚さが残るようにラッピングした後,さらに残ったサファイア基板をエッチン
グにより除去することも可能である。サファイア基板1除去後のウエハの構造を図
3に示す(【0025】。
)
最後に露出したn型層21の表面をポリシングした後,n型層にオーミック用の
電極としてTi-Alよりなる負電極25を形成し,一方p型GaAs基板50に
は同じくオーミック電極としてAu-Znよりなる正電極55を全面に形成する
(【0026】。
)
以上のようにして正電極及び負電極が形成されたウエハを,p型GaAs基板の
劈開性を利用して200μm角の発光チップに分離する。分離後の発光チップの構
造を示す模式的な断面図を図4に示す。この発光チップは電極25と55間に通電
することにより,活性層22が発光するLED素子の構造を示している。この発光
素子は活性層22の発光が第一のオーミック電極30とp型層23との界面で反射
され,p型GaAs基板50に吸収されることがないので,従来の発光素子に比べ
て発光出力が50%以上増大した(【0027】。
)
キ 発明の効果
本件発明の方法によると導電性基板を有する窒化物半導体素子が実現できるの
で,チップサイズの小さい素子を提供することができる。また,素子に形成した電
極同士が対向しているので,電流が窒化物半導体層に均一に流れ発熱量が小さくな
り,レーザ素子を実現することも可能となる。さらに,容易に窒化物半導体の劈開
が可能となり,その劈開面を共振器とできるためレーザ素子の作製が容易となる。
加えて,発光デバイスを実現すると,窒化物半導体層と導電性基板とを接着した電
極により,窒化物半導体層の発光が電極表面で反射されるので発光出力も増大させ
ることができる(【0031】。
)
従来の窒化物半導体LEDでは,p型層の表面のほぼ全面に光を透過する正電極
が形成され,正電極により発光する光の50%以上が吸収されていた。しかし,本
件発明の素子によると,図4及び図5に示すように,低抵抗なn型層が最上層とな
るので,従来のように全面電極を設ける必要がなくなり,小さな部分電極でよい。
したがって,窒化物半導体層側からの光の取り出し効率が飛躍的に向上し発光出力
が向上する。このように本発明は窒化物半導体を用いたデバイスを実現する上で産
業上の利用価値は非常に大きい(【0032】。
)
(2) 以上の記載からすると,窒化物半導体は,バンドギャップエネルギーが1.
9eV~6.0eVまであるので,発光素子,受光素子等の各種半導体デバイス用
として注目されているところ,従来の青色LED素子において,サファイアを基板
とするフリップチップ方式のものでは,同一面側から両方の電極を取り出すため,
チップサイズが大きくなり,多数のチップがウエハから得られないなどの課題があ
ったことから,本件発明は,主として上下より電極を取り出せる構造を有する窒化
物半導体素子を提供することを目的とし,導電性基板上に,電極を介して光の取り
出し側とする窒化物半導体が接着してなり,窒化物半導体の最下層はp型層であり,
最上層がn型層であって,n型層には部分電極が設けられていることを特徴とする
窒化物半導体発光素子とすることによって,素子に形成した電極同士が対向してい
るので,電流が窒化物半導体層に均一に流れ発熱量が小さくなり,レーザ素子を実
現することも可能となり,窒化物半導体層と導電性基板とを接着した電極により,
窒化物半導体層の発光が電極表面で反射されるので発光出力を増大させることがで
きたり,低抵抗なn型層が最上層となるので,従来のように全面電極を設ける必要
がなくなり,小さな部分電極でよいから,窒化物半導体層側からの光の取り出し効
率が飛躍的に向上するなどの効果を奏するというものである。
2 引用発明1について
(1) 引用発明1は,前記第2の3(2)アに記載のとおりであるところ,引用例1
(甲1)には,引用発明1について,概略,次のような記載がある。なお,引用の
図面は別紙2のとおりである。
ア 産業上の利用分野
本発明は,輝度を高く取れる構造を有した半導体発光素子,特に表示用光源とし
て,例えば,自動車のストップランプ信号機等に用いる目的で開発された高輝度の
半導体発光素子に関するものである(【0001】。
)
イ 従来の技術
半導体発光素子の中でも発光ダイオード,特に高輝度のLEDは,表示用光源,
例えば,自動車のストップ・ランプ,信号機等に使用されている(【0002】。
)
ウ 発明が解決しようとする課題
屋外用の表示用電源の場合,各々の発光色領域において,1cd以上の輝度が必
要である。赤色領域では直接遷移型であるGaAlAs-LEDは1cd以上の輝
度が容易に得られるが,赤色より短波長領域の橙色から緑色のLEDでは間接遷移
型であるGaAsP-LEDやGaP-LEDを使用しているため,500mcd
程度がほぼ限界となる。したがって,屋外用に使用するLED発色光の場合,赤色
より短波長領域である燈色,黄色,緑色では,従来1個の発光素子を載置するリー
ド上に複数個載置することとなり,コストアップとなる(【0006】
【0007】。
)
また,直接遷移型であるInGaAlP-LEDにおいても,十分な輝度が得ら
れない。その原因の一つに発光した活性層と光半導体結晶基板との間の光を有効に
活用していないことが挙げられる。光反射層及び電流拡散層を形成することによっ
て,発光効率を上げることはできるが,橙色から緑色までの範囲の光を1cd以上
のLEDとして十分生かすことができないのが現状である(【0008】【000
9】。
)
また,発光層における活性層として,バンド・ギャップの大きいInGaAlP
系半導体結晶を用いた半導体発光素子を使用すると,光半導体結晶基板がバンド・
ギャップの小さいGaAs等の材料の場合,発光層は短波長の発光をするので,発
せられる光の多くは,この光半導体結晶基板に吸収され,発光により下方に向った
光は,外部に取り出し得ないことになる。光半導体エピタキシャル結晶成長層が薄
いため,光半導体結晶基板を除去する方法もむずかしく,光半導体結晶基板にその
発光波長光の吸収の少ないものを選択せねばならず,光半導体結晶材料が限定され
ている状況である(【0010】~【0012】。
)
従来例図2では,光半導体結晶基板による光の吸収を防いで発光効率を上げると
同時に光半導体結晶基板材料の選択の範囲を広げるため,発光層と光半導体結晶基
板の間に化合物半導体材料からなる光反射層を形成し,発光層から出た光は下方の
光半導体結晶基板の方向に向かっても光反射層によって反射されて光半導体結晶基
板による光の吸収が防がれる。しかし,光反射層はそれ自体の光吸収及び反射率が
50~60%と低いため十分な効果が得られない(【0013】【0014】。
)
一方,反射層を設けずに発光層から発光した光が下方に向っても光を外部に取り
出す方法として,その発光波長光に対し不透明であるGaAs光半導体結晶基板の
代りに,その発光波長光に対し透明であるGaP光半導体結晶基板を用いたIn0.
5 (Ga1-xAlx)0.5PーLED(緑色→赤色発光)ができたが,この場合,G
aP光半導体結晶基板とIn0.5(Ga1-xAlx)0.5Pとの格子不整合による格
子欠陥が多発するため,内部発光効率が低下し,結果的には輝度の高い1cd以上
のLEDが得られなかった(【0015】。
)
そこで,本発明は,発光効率を上げて光の有効利用が可能となる短波長の光を発
する半導体発光素子InGaAlPの四元素混晶材料で構成される活性層から得ら
れる輝度が1cd以上になるLEDを提供することを目的とするものである【00
(
17】。
)
エ 課題を解決するための手段
前記課題を解決するため,第一の発明の半導体発光デバイスは,光半導体結晶基
板上に少なくとも一つ以上の発光層で構成された半導体発光素子同志若しくは光半
導体結晶基板上に少なくとも一つ以上の発光層で構成された半導体発光素子と光半
導体結晶基板とを金属によって接合して成ることを特徴とする(【0018】。
)
オ 作用
発光層を構成する半導体発光素子・LEDウエハと,発光層から発せられる光の
エネルギー以上のエネルギーギャップをもつ透明な光半導体結晶基板若しくは不透
明な光半導体結晶基板上に光半導体エピタキシャル結晶成長層を形成した後,光吸
収層となる光半導体結晶基板を除去することにより,光を有効に取り出すことがで
き,赤色より短波長領域である中間色例えば橙色,黄色,緑色発光で1cd以上の
輝度が容易に得られる。また,半導体発光素子・LEDウエハ同志の接合には共晶
合金化手段を用いて電極形状にかかわらず,効果的に容易に接合できる(【002
6】。
)
カ 実施例
(ア) 図4は,実施例1に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示
す断面図である。その基本的構造は,一方の電極を有する化合物半導体結晶14と,
この結晶の他方の面上にオーミック電極13,更にそのオーミック電極13の上の
共晶合金12及び発光層2の両側に電流拡散層3,厚膜層10を有する光半導体ウ
エハ15の厚膜層10側にオーミック電極11と電流拡散層側3にオーミック電極
5が存在し,化合物半導体結晶14と光半導体結晶15とが共晶合金によって機械
的にも電気的にも結合されている(【0044】。
)
次に,上記半導体発光素子の製造方法について具体的に説明する(【0045】。
)
初めにp-GaAs基板の上にp-GaAsバッファ層を0.5μm程度成長さ
せる。この上に順次p-In0.5Ga0.2Al0.3P保護膜層を0.15μm,p-
GaAsコンタクト層を0.1μm,p-Ga0.2 Al0.8 As電流拡散層3を7
μm程度,p-In0.5 Al0.5 P,クラッド層22を1μm程度,アンドープI
n0.5 Ga0.21Al0.29P活性層20を0.6μm程度,n-In0.5Al0.5
Pクラッド層を1μm程,n-Ga0.2 Al0.8 As厚膜層を7μ程度,n-Ga
Asコンタクト層を0.1μm成長させ,最後にn-In0.5Ga0.2Al0.3 P保
護膜層を0.15μm成長させる(【0051】。
)
次に,このようにして得られたInGaAlP緑色LED用光半導体結晶15の
n-In0.5Ga0.2Al0.3P保護膜層をリン酸で70℃30秒エッチングして除
去し,真空蒸着法によりn-GaAsコンタクト層にAuGe合金層11を0.5
μm蒸着した後に480℃10分間Ar雰囲気中でシンタリングしてオーミックコ
ンタクトを形成する(【0052】。
)
次に,写真触刻法により所定の形状にエッチングして電極11を形成する。また,
電極11以外の露出しているn-GaAsコンタクト層をアンモニア水と過酸化水
素水からなるエッチング液で除去する(【0053】。
)
一方,厚さ250μm程度のn-GaP結晶の両面にAuGe合金層9,13を
0.5μm蒸着した後500℃20分間Ar雰囲気中でシンタリングしてオーミッ
クコンタクトを形成する。そしてAuGe合金層13の上に真空蒸着法によりAu
Ge共晶合金12を1μm程度蒸着する。次に,両面のAuGe合金を写真触刻法
により電極11と同じパターンに成形する(【0054】。
)
このようにして電極形成された光半導体結晶15のn側電極11とGaP半導体
結晶14の共晶合金12を密着させた後,水素雰囲気中で400℃5分熱処理をす
る。この処理によりAuGe共晶合金12が溶け,電極11と融着する(【005
5】。
)
次に,このAuGe合金の融着により接着一体化したウエハをアンモニア水と過
酸化水素水のエッチング液によりp-GaAs半導体結晶基板のみを除去する。更
にリン酸で70℃30秒エッチングしてp-In0.5Ga0.2Al0.3P保護膜層を
除去し,真空蒸着法によりp-GaAsコンタクト層にAuBe合金層を0.3μ
m蒸着した後,480℃10分間Ar雰囲気中でシンタリングしてオーミックコン
タクトを形成する。更にワイヤポンディングが容易にならしめるためにAuBe合
金層の上にAuを1μm程度蒸着した後,所定の形状にエッチングしてP側電極5
を形成する(【0056】。
)
また,電極5以外の露出しているp-GaAsコンタクト層はアンモニア水と過
酸化水素水からなるエッチング液で除去する。その後に所定のピッチでダイシング
して個々のペレットに分離する(【0057】。
)
このようにしてGaAs基板を除去してなる高効率InGaAlP緑色LED・
半導体発光素子が完成する。このLEDではダブルヘテロ構造部の活性層で発生し
た光は,P側電極5側,n-厚膜層10側及び側面に向うことになる。n-厚膜層
10側に向かった光はn-厚膜層10と空気との界面で1部が反射され,残りは半
導体結晶14に向う。半導体結晶14に入射した光も半導体結晶が透明であるので
有効に外に放射される。この効果は電極11,13,及び9の面積が小さい程有効
となる(電極は光を吸収するので)。これにより輝度が著しく向上し,2cd程度の
緑色LEDが実現する(【0058】。
)
なお,上記実施例では,半導体結晶としてn-GaPを採用しているが,p-G
aPを使用しても良い。この場合は図4に示されている導電型は全て逆になる 【0
(
059】。
)
実施例では緑色LEDについて説明したが,InGaAlP活性層の組成を適宜
変えることにより容易に黄色,橙色,赤色,赤外LED等にも適用可能になる(【0
060】。
)
(イ) 図5の実施例2は,金属反射層18を設けるという点が図4の実施例1と
異なるが,効果は同様である。光半導体発光素子15の光半導体結晶であるnー厚
膜層10側に本発明の実施例1で記載した通りの方法で所定の形状をもった電極1
1を形成した後,真空蒸着法にてAgを1μm程度蒸着し,このAgを光の反射そ
うとして利用する。一方,半導体結晶14には実施例1と同様に,オーミック電極
14と16とを共晶合金12で接合構造を形成するが,この場合は発光層2から放
射された光が金属反射層18で反射するので特定の形状にする必要はなく,写真触
刻法にてパターニングしない。それ以外の工程は実施例1と同様である【0061】
(
~【0063】。
)
キ 発明の効果
各半導体発光素子に順バイアスをそれぞれ印加して,各々の発光層から所定の波
長光の発光を任意に制御し半導体発光デバイス・チップ1個で緑と赤若しくは赤と
青又は緑と青の中間色の発光を任意に制御可能にしたことを特徴とする半導体発光
デバイス(【0084】。
)
(2) 以上の記載からすると,半導体結晶を用いた半導体発光素子では,赤色より
短波長領域である燈色,黄色,緑色の場合,直接遷移型であるInGaAlP-L
EDにおいても,発光した活性層と光半導体結晶基板との間の光を有効に活用して
いないので,十分な輝度が得られないなどの課題があったことから,引用発明1は,
発光効率を上げて光の有効利用が可能となる短波長の光を発する半導体発光素子I
nGaAlPの四元素混晶材料で構成される活性層から得られる輝度が1cd以上
になるLEDを提供することを目的として,p側電極を有するp-GaP半導体結
晶と,この結晶の他方の面上にオーミック電極,更にそのオーミック電極の上の共
晶金属並びにn-In0.5 Al0.5 Pクラッド層,アンドープIn0.5Ga0.21
Al0.29P活性層及びp-In0.5Al0.5Pクラッド層からなる発光層の両側に
n-Ga0.2Al0.8As電流拡散層,p-Ga0.2Al0.8As厚膜層を有するI
nGaAlP緑色LED用光半導体結晶の厚膜層側にオーミック電極と金属反射層
がこの順に存在するとともに,電流拡散層側に所定の形状にエッチングして形成し
たn側電極が存在し,p-GaP半導体結晶のオーミック電極とInGaAlP緑
色LED用光半導体結晶の厚膜層側に存在する金属反射層とが共晶金属によって機
械的にも電気的にも結合されている半導体発光素子である発光ダイオードとするこ
とにより,光を有効に取り出すことができ,赤色より短波長領域である中間色例え
ば橙色,黄色,緑色発光で1cd以上の輝度が容易に得られるとの効果を奏すると
いうものである。
3 引用発明2について
(1) 引用発明2は,前記第2の3(3)アに記載のとおりであるところ,引用例2
(甲2)には,引用発明2について,概略,次のような記載がある。なお,引用の
図面は別紙3のとおりである。
ア 産業上の利用分野
本発明は,広いバンドギャップの化合物半導体材料を用いた短波長の半導体発光
素子(LED)及びその製造方法に関する。
イ 従来の技術
高速度かつ高密度の情報処理システムの発展に伴い,短波長のLED特に高輝度
の青色LEDの実現が望まれている。青色LEDの実現に有望と思われるⅢ-Ⅴ族
化合物半導体材料を大きなバンドギャップという観点からみると,BN,AlN,
GaN,InP,AlP,GaP等の軽めのⅢ族元素の窒化物と燐化物が大きなバ
ンドギャップを有する。しかし,BNは,バンドギャップが大きいが,4配位(s
p3)結合を有する高圧相(c-BN)は合成しにくく,しかも3種の多形を有し,
混合物もできやすいので使用できない。不純物ドーピングも難しい。InNは,バ
ンドギャップが小さめであり,熱的安定性に乏しく,普通多結晶しか得られない。
AlP,GaPは,いずれもバンドギャップがやや足りない。AlN,GaNは,
バンドギャップが大きく,安定性にも優れており,短波長発光用として適している
が,結晶構造がウルツ鉱型であり,イオン性が大きいため格子欠陥が生じやすく,
低抵抗のp型半導体を得ることができない。
このような問題を解決するため,従来の半導体レーザ用に開発された材料である
B,Nを含まないⅢ-Ⅴ族系の化合物にB,Nを混合してバンドギャップを大きく
した材料を得る試みがなされているが,従来用いられている材料とB,Nを含む材
料とでは格子定数が20~40%と大きく異なり,また結晶構造も異なるため,安
定な結晶は得られていない。
本発明者らの研究によれば,GaNやAlNで低抵抗のp型結晶が得られないの
は,イオン性が大きいことによる欠陥が生じやすいことのほかに,これらが閃亜鉛
鉱型の結晶構造ではなく,ウルツ鉱型を持っていることが本質的な原因である。
ウ 発明が解決しようとする課題
従来,高輝度青色LEDを実現するために必要である,バンドギャップが大きく,
pn制御が可能で,結晶の質も良い,という条件を満たす半導体材料は存在しなか
った。AlN,GaNなどの窒化物は大きいバンドギャップを得る上で有効な材料
であるが,低抵抗のp型層を得ることができなかった。
本発明は,この様な点に鑑みなされたもので,新しい化合物半導体材料を用いた
青色発光LED及びその製造方法を提供することを目的とする。
エ 課題を解決するための手段
本発明に係るLEDは,pn接合を構成する半導体層として,BP層とGaxA
l1-xN(0≦x≦1)層が交互に積層されて,GaxAl1-xN(0≦x≦1)層
が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層を用いたことを特徴とする。
本発明に係るLEDはまた,pn接合を構成する半導体層として,閃亜鉛鉱型の
結晶構造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z(0≦x,y,z≦1)混晶層を用
いたことを特徴とする。
本発明は,この様なLEDを製造するに当たって,基板上に直接又はバッファ層
を介して上述した超格子層又は混晶層を含む発光層を成長させてLEDチップを得
た後,そのチップを基板を除去してその除去した側の面を光取り出し面として基台
上にマウントすることを特徴とする。
オ 作用
本発明者らの研究によれば,本来WZ構造である結晶であっても,安定なZB構
造を有する結晶上に成長させれば,ある程度の厚さまではZB構造を保つことが判
明した。したがって,本発明のLEDは第1に,GaxAl1-xN(0≦x≦1)層
を,これとほぼ同一の結合長を有し,かつZB構造であってイオン性が小さくpn
制御が容易であるBP層と交互に積層して超格子層を構成することにより,窒化物
の直接遷移型の広バンドギャップ特性とBPの低イオン性で欠陥の生じ難い性質を
併せ持つZB構造の化合物半導体材料として,これを用いてpn接合を構成する。
これにより高輝度の青色発光が実現できる。
また,本発明者らの研究によれば,従来熱力学的に安定な混晶が作製できないと
考えられていたBとGa,Al,InというⅢ族元素の組合せ若しくはNとP,A
sの組合せを含むⅢ-V族化合物半導体材料系においても,BとNを同時に比較的
多量に混合することにより,安定な混晶を得ることができる場合のあることが判明
した。それは,GaxB1-xNzP1-z系の混晶において,その組成がx=zをほぼ
満足する場合である。透過型電子顕微鏡による観察を行うと,Ga-N,B-Pが
選択的に結合して交互に整列しているオーダリング現象が観測され,Ga-N,B
-Pの結合が生じることにより,全系のエネルギーが低下して安定な混晶として存
在することが明らかになった。これらの事実から,安定な混晶を得るためには必ず
しも格子定数や結晶構造が同じであることは必要ではなく,結合長が同じであるこ
とが重要であるといえる。そこで,本発明によるLEDは,第2に,GaxAlyB
1-x-y NzP1-z系の混晶において,好ましくは組成を,x+y=zとし,Ga-N,
Al-NとB-Pのオーダリングを構造的に生じさせた化合物半導体材料を用いて
pn接合を構成する。これによっても,高輝度の青色発光が可能になる。
本発明によるLEDの発光層に用いる化合物半導体材料は,これを成長させるに
際して発光波長に対して透明でかつ格子整合がとれる好ましい基板がない。そこで
本発明の方法では,基板上に必要なpn接合を構成する発光層を成長させた後,基
板を除去してその除去した側の面を光取り出し面とすることによって,基板の存在
による光取出し効率の低下を防止し,また発光層への応力を低減することができ,
これにより高輝度の信頼性の高い青色発光LEDが得られる。
カ 実施例
第9図は,超格子構造の反射層とコンタクト層を持ち,かつ発光層を構成するp
n接合部分に混晶層を用いた実施例のLEDを示す断面図である。この実施例では
p型GaP基板91を用い,この上にGaAlN/BP超格子層からなる反射層9
2が形成され,この反射層上にp型GaAlBNP混晶層93,n型GaAlBN
P混晶層94が順次形成され,更にGaNコンタクト層95が形成され,素子両面
にオーミック電極96,97が形成されている。p型混晶層93は,例えば,厚さ
3μmのGa0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4であり,n型混晶層94は,厚さ3μ
mのGa0.25Al0.25B0.5N0.5P0.5である。
この実施例によっても,GaP基板を用いているが,超格子構造反射層92が良
好なバッファ層として働く結果,良好なpn接合が得られ,また高い光取出し効率
が得られて,高輝度青色発光が認められる。
第10図は,混晶を用いた第9図の実施例を変形してDH構造とした実施例のL
EDである。第9図と同様にGaP基板91上に超格子構造の反射層92が形成さ
れた後,この上にp型GaAlN/BP混晶層101,アンドープGaAlN/B
P混晶層102及びn型GaAlN/BP混晶層103が順次形成されている。p
型混晶層101は,バンドギャップ3eV,厚さ2μm,キャリア濃度1×1017
/cm3のGa0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4であり,アンドープ混晶層102は,
バンドギャップ2.7eV,厚さ0.5μmのGa0.25Al0.25 B0.5 N0.5 P0.
5 であり,n型混晶層103はバンドギャップ3eV,厚さ2μm,キャリア濃度
5×1017/cm3のGa0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4である。
実施例2によっても,実施例1と同様に高輝度の青色発光が得られる。
(2) 以上の記載からすると,引用発明2は,従来,高輝度青色LEDを実現する
ために必要である,バンドギャップが大きく,pn制御が可能で,結晶の質も良い
という条件を満たす半導体材料は存在しなかったため,新しい化合物半導体材料を
用いた青色発光LEDを提供することを目的とし,GaP基板91上にGaAlN
/BP超格子層からなる超格子構造の反射層92が形成された後,この上にp型G
aAlN/BP混晶層101,アンドープGaAlN/BP混晶層102及びn型
GaAlN/BP混晶層103が順次形成され,更にn型GaNコンタクト層95
が形成され,この上面のほぼ中央部にオーミック電極96が形成されるとともに,
GaP基板91の下面にオーミック電極97が形成されたLEDとすることによっ
て,超格子構造の反射層92がバッファ層として働くので,良好なpn接合が得ら
れ,また高い光取出効率が得られて,高輝度青色発光が得られるという効果を奏す
るというものである。
4 本件発明1の容易想到性について
(1) 相違点1について
ア 相違点1は,半導体が,本件発明1では,
「窒化物半導体」であるのに対して,
引用発明1では,「InGaAlP緑色LED用光半導体結晶」である点である。
前記2のとおり,引用発明1は,発光効率を上げて光の有効利用が可能となる短
波長の光を発する半導体発光素子InGaAlPの四元素混晶材料で構成される活
性層から得られる輝度が1cd以上になるLEDを提供することを目的とした発光
ダイオードであるところ,引用例1をみても,引用発明1に係るLEDの構成が,
InGaAlP緑色LEDのほか,InGaAlP活性層の組成を適宜変えること
により,黄色,橙色,赤色,赤外LEDにも適用できることは開示されているもの
の,青色LEDやGaN等の窒化物半導体を活性層に用いたLEDに適用すること
については,何ら記載がない。
したがって,引用例1には,引用発明1について,同発明を構成する「InGa
AlP緑色LED用光半導体結晶」に代えて,本件発明1のような「窒化物半導体」
を採用することの動機付けはないから,本件出願当時,GaN等の窒化物半導体は,
青色光を発する半導体材料として周知であったこと(甲3~5)を考慮しても,当
業者において,引用発明1に基づき,相違点1に係る本件発明1の構成を容易に想
到することができたということはできない。
イ 原告の主張について
(ア) 原告は,引用例1の特許請求の範囲には単に「半導体発光素子」と記載さ
れており,
「課題を解決するための手段」の記載も同義であり,これらに接した当業
者は,引用発明1は,InGaAlPの素材に限定されることなく,発光素子に用
いられる半導体材料全般(N(窒素)を含む半導体材料一般)に広く適用できるこ
とを前提とする発明であると容易に理解することができるから,引用例1には,引
用発明1の「InGaAlP緑色LED用光半導体結晶」を窒化物半導体」に置換
することについて,動機付けとなる記載があると主張する。
確かに,引用例1の特許請求の範囲の記載や「課題を解決するための手段」の記
載中では,半導体発光素子の具体的な組成は特定されていない。
しかしながら,前記のとおり,引用発明1は,発光効率を上げて光の有効利用が
可能となる短波長の光を発する半導体発光素子InGaAlPの四元素混晶材料で
構成される活性層から得られる輝度が1cd以上になるLEDを提供することを目
的とするものであり,引用例1をみても,引用発明1に係るLEDの構成が,In
GaAlP緑色LEDのほか,InGaAlP活性層の組成を適宜変えることによ
り,黄色,橙色,赤色,赤外LEDにも適用できることは開示されているものの,
青色LEDやGaN等の窒化物半導体を活性層に用いたLEDに適用することは,
何ら記載がない。
そうすると,引用例1には,InGaAlP活性層緑色から赤外までの光を発光
するLEDに適用される事項が記載されているのであって,InGaAlPの素材
に限定されることなく,発光素子に用いられる半導体材料全般(すなわち,N(窒
素)を含む半導体材料一般)に広く適用できることを前提とする発明が記載されて
いるということはできない。
したがって,原告の上記主張は,採用することができない。
(イ) 原告は,引用例1(【0001】)には,引用発明1が,
「信号機等に用いる
目的で開発された高輝度の半導体発光素子に関するもの」であることが記載されて
おり,信号機の表示する信号には,赤色,黄色,青色の3色が用いられることが常
識であるから,当業者は,引用発明1では,青色光を発する半導体材料であるGa
N等の窒化物半導体を用いることが想定されているものと理解する旨主張する。
しかしながら,前記のとおり,引用発明1は,発光効率を上げて光の有効利用が
可能となる短波長の光を発する半導体発光素子InGaAlPの四元素混晶材料で
構成される活性層から得られる輝度が1cd以上になるLEDを提供することを目
的とするものであり,引用例1をみても,引用発明1に係るLEDの構成が,In
GaAlP緑色LEDや,InGaAlP活性層の組成を適宜変えることにより,
黄色,橙色,赤色,赤外LEDに適用できることは開示されているものの,青色L
EDやGaN等の窒化物半導体を活性層に用いたLEDに適用することは何ら記載
されていないから,引用例1に「信号機等に用いる目的で開発された高輝度の半導
体発光素子に関するもの」との記載があるからといって,引用例1の記載上,引用
発明1を青色LEDにも用いることが想定されているということはできない。
したがって,原告の上記主張は,採用することができない。
(ウ) 原告は,①引用発明1が,半導体発光素子を構成する特定の半導体材料に
依存しない,半導体発光素子と光半導体結晶基板とを金属によって接合したことを
特徴とする半導体発光素子の発明であること,②引用例1(【0083】)の「青色
LEDではGaN,SiCエピタキチャル結晶成長層を使用する」との記載及び③
GaNを含む青色LEDが,道路上の信号機に実際に使用されていること(甲13)
を自己の知識としている当業者は,青色LEDのための最適な半導体材料として,
GaNを選択して,引用発明1の実施例2(図5)の半導体発光素子をGaNを用
いて製作することを容易に想到することができると主張する。
しかしながら,前記アのとおり,引用例1には,InGaAlP活性層緑色から
赤外までの光を発光するLEDに適用される事項が記載されているのであって,I
nGaAlPの素材に限定されることなく,発光素子に用いられる半導体材料全に
広く適用できることを前提とする発明が記載されているということはできない。
また,引用例1の【0083】には,
「青色LEDではGaN,SiCエピタキチ
ャル結晶成長層を使用する」との記載があるが,これは,図4の半導体結晶の代わ
りに,GaAsP赤色LEDウエハ・半導体発光素子をGaP緑色LEDウエハ・
半導体発光素子と接合して,赤と緑などの中間色を得るための実施例に関する記載
であって,半導体結晶とInGaAlP緑色LEDを結合する引用発明1に関する
記載ではない。
さらに,甲13(平成6年9月23日付け毎日新聞)の記載は,概略,
「日亜化学
工業が昨年11月に青色,今年4月には青緑色で世界最高水準の高光度LEDの製
品化に成功した。,
」「同社はあえて未知の窒化インジウム・ガリウムを選んだ。,
」「同
じ製法を応用した青緑色でも,従来の緑色系の20倍の明るさを実現,7月末には
名古屋市内でこのLEDを使った信号機が登場した。というものであって,
」 その頃,
InGaNからなる青緑色LEDが信号機に使用されていることは記載されている
ものの,GaNを含む青色LEDが,信号機に使用されることは記載されていない。
したがって,原告が主張する上記①ないし③の情報を自己の知識としている当業
者であっても,引用発明1の半導体発光素子をGaNを用いて製作することを容易
に想到することができるということはできず,原告の上記主張を採用することはで
きない。
(2) 相違点2について
ア 原告は,引用発明1はその従来技術である引用発明2の有する課題を解決す
るため,
「半導体発光素子」と「光半導体結晶基板」とを金属を介して貼り合わせる
という技術を用いて,従来技術とは層形成の順番を逆にして半導体発光素子を形成
する発明であると主張する。
しかしながら,引用発明2は,前記のとおり,従来,高輝度青色LEDを実現す
るために必要である,バンドギャップが例えば2.7eV以上と大きく,pn制御
が可能で,結晶の質も良い,という条件を満たす半導体材料は存在しなかったので,
新しい化合物半導体材料を用いた青色発光LEDを提供することを目的とするもの
であり,GaP基板91上に超格子構造の反射層92を形成し,その上にp型Ga
AlN/BP混晶層(Ga0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4)101,アンドープG
aAlN/BP混晶層(Ga0.25Al0.25B0.5N0.5P0.5)102,n型Ga
AlN/BP混晶層(Ga0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4)103及びGaNコン
タクト層95が順次形成されたLED(別紙3の図10参照)において,超格子構
造反射層92が良好なバッファ層として働く結果,良好なpn接合が得られ,また,
高い光取出し効率が得られて,高輝度青色発光が認められるというものである。上
記のような半導体発光素子の構成を有する引用発明2について,引用発明1の「半
導体発光素子」と「光半導体結晶基板」とを金属を介して貼り合わせるという技術
を用いて,従来技術とは層形成の順番を逆にして半導体発光素子を形成することを
考慮した場合には,ダミー基板上に,GaNコンタクト層95,n型GaAlN/
BP混晶層(Ga0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4)103,アンドープGaAlN
/BP混晶層(Ga0.25Al0.25B0.5N0.5P0.5)102及びp型GaAlN
/BP混晶層(Ga0.3Al0.3B0.4N0.6P0.4)101の順に形成することに
なるが,この積層過程では,本来であれば,良好なpn接合を形成するためのバッ
ファ層となる「超格子構造の反射層92」が形成されないため,n型,アンドープ
及びp型GaAlN/BP混晶層は,良好なpn接合を得ることができず,発光素
子として十分な特性が得られないものとなる。
そうすると,引用発明2について,層形成の順番を逆にして半導体発光素子を形
成することには,阻害要因があるものというべきである。
したがって,原告の上記主張は,採用することができない。
イ 原告は,引用発明1はその従来技術である引用発明2の有する課題を解決す
るため,
「半導体発光素子」と「光半導体結晶基板」とを金属を介して貼り合わせる
という技術を用いて,金属をバッファ層とすることなく半導体発光素子を形成する
発明であるなどと主張する。
しかしながら,原告が主張する,引用発明1のように「半導体発光素子」と「光
半導体結晶基板」とを金属を介して貼り合わせるという技術は,上記アと同様,層
形成の順番を逆にして半導体発光素子を形成することを前提としたものであると解
されるところ,上記アのとおり,引用発明2において,ダミー基板上に,GaNコ
ンタクト層95,n型GaAlN/BP混晶層(Ga0.3Al0.3B0.4N0.6P0.
4 )103,アンドープGaAlN/BP混晶層(Ga0.25Al0.25B0.5N0.5
P0.5)102及びp型GaAlN/BP混晶層(Ga0.3Al0.3B0.4N0.6P0.
4 )101の順に形成する積層過程では,本来であれば,良好な接合を形成するた
めのバッファ層となる「超格子構造の反射層92」が形成されないため,n型,ア
ンドープ及びp型GaAlN/BP混晶層は,良好な接合を得ることができず,発
光素子として十分な特性が得られないものとなるのであって,引用発明2について,
層形成の順番を逆にして半導体発光素子を形成することには,阻害要因があるもの
というべきである。
したがって,原告の上記主張も,採用することはできない。
ウ 原告は,引用例2の特許請求の範囲請求項6ないし9には,
「基板上に直接ま
たはバッファ層を介して,…」と記載されているから,引用例2の発明は,
「バッフ
ァ層」を必須の構成要素とするものではないなどと主張する。
確かに,引用例2の特許請求の範囲請求項6ないし9には,
「基板上に直接または
バッファ層を介して…」との文言が含まれているものの,請求項6の「基板上に直
接またはバッファ層を介して,BP層とGaxAl1-xN(0≦x≦1)層が交互に
積層されてGaxAl1-xN(0≦x≦1)層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子
層からなる第1導電型層および第2導電型層を順次成長させて発光素子チップを形
成する工程」との記載,請求項7の「基板上に直接またはバッファ層を介して,閃
亜鉛鉱型の結晶構造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z(0≦x,y,z≦1)
混晶層からなる第1導電型層および第2導電型層を順次成長させて発光素子チップ
を形成する工程」との記載,請求項8の「基板上に直接またはバッファ層を介して,
BP層とGaxAl1-xN(0≦x≦1)層が交互に積層されてGaxAl1-xN(0
≦x≦1)層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層からなる第1導電型層および
第2導電型層を順次成長させてpn接合発光層を形成する工程」との記載及び請求
項9の「基板上に直接またはバッファ層を介して,閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する
GaxAlyB1-x-yNzP1-z(0≦x,y,z≦1)混晶層からなる第1導電型層
および第2導電型層を順次成長させてpn接合発光層を形成する工程」との記載か
らすると,これらの特許請求の範囲にいう「バッファ層」が,一般的なバッファ層,
すなわち,基板とその上に形成する層との格子定数不整を緩和して,基板上に形成
する層の結晶性を向上させるために両者の間に設けられる層をいうものであること
は明らかである(甲7の30【0004】,甲7の33【0003】参照)。これに
対し,引用発明2の「超格子構造の反射層92」は,良好なバッファ層として働く
結果,良好なpn接合が得られるというものであり,前記のような一般的なバッフ
ァ層とは,異なる機能を有するものである。
以上のとおり,引用発明2において,良好なバッファ層として機能する「超格子
構造の反射層92」と,引用例2の特許請求の範囲請求項6ないし9に記載された
「バッファ層」とは異なるものであるから,引用例2の特許請求の範囲請求項6な
いし9には「基板上に直接またはバッファ層を介して,…」との記載があるからと
いって,引用発明2において,良好なバッファ層として機能する「超格子構造の反
射層92」が必須の構成要素ではないということにはならない。
したがって,原告の上記主張は,採用することができない。
(3) 以上によれば,本件発明1の容易想到性に係る本件審決の判断に誤りはな
い。
なお,原告は,訴状においては,本件発明2ないし5の容易想到性に係る本件審
決の判断についても争う旨記載しているものの,その取消事由について,具体的な
主張,立証はしていない。しかるに,本件発明2ないし5は,本件発明1の構成を
全て含む発明であるから,本件発明1が引用発明1に基づき,又は引用発明2及び
1に基づき,当業者が容易に発明をすることができたものということができない以
上,本件発明2ないし5も,引用発明1に基づき,又は引用発明2及び1に基づき,
当業者が容易に発明をすることができたものということはできない。
5 結論
以上の次第であるから,原告主張の取消事由は理由がなく,本件審決にこれを取
り消すべき違法は認められない。
したがって,原告の請求は理由がないから,これを棄却することとし,主文のと
おり判決する。
知的財産高等裁判所4部
裁判長裁判官 富 田 善 範
裁判官 大 鷹 一 郎
裁判官 齋 藤 巌
(別紙1)
乙3の図面
図1
図2
図3
図4
図5
図6
(別紙2)
甲1の図面
図2
図4
図5
(別紙3)
甲2の図面
図9
図10
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