JP2003031841A

JP2003031841A - 半導体発光素子、画像表示装置、照明装置及び半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP2003031841A
Application number: JP2001211366A
Authority: JP
Inventors: Toyoji Ohata; 豊治大畑; Masato Doi; 正人土居
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-31
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: US20030087467A1; US7087934B2; JP3659201B2

Abstract

(57)【要約】【課題】特定の結晶面を持った平坦な基板主面にエピタ
キシャル成長によって結晶を成長させて作成する半導体
発光素子では、基板と結晶層の境界面は平坦であり、基
板と素子が接合していた素子側の面である結晶層の下側
の面が光の取り出し面になる場合には、発生した光のう
ち全反射によって外部に取り出せない光も存在し、光取
り出し効率を上げることができない。【解決手段】本発明は、結晶成長層の上側に第１導電
型層、活性層、及び第２導電型層からなる結晶層が設け
られ、光の取り出し領域である結晶成長層の下側の面に
凹凸を形成することによって、平坦な面での全反射を抑
え、光散乱させることによって半導体発光素子の光取り
出し効率を増強することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は第１導電型層、活性
層、第２導電型層を積層させたダブルへテロ構造を有す
る半導体発光素子、画像表示装置、照明装置、及び半導
体発光素子の製造方法に関し、特に光取り出し効率の良
い半導体発光素子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子の輝度を上げるためには
種々の方法が行なわれている。大きく分けて、素子自体
の入力電流に対する発光量を上げる方法と発生した光を
効率良く素子外部に取り出す光取り出し効率を上げる方
法が挙げられる。前者は、結晶層を構成する材料、結晶
構造、結晶成長性の良し悪しやそれら結晶層の組み合わ
せおよび製造プロセスに負うところが大きい。後者は、
素子の構造やその素子を装置基板に搭載したときの構造
による光の反射等を検討し、発生した光を減衰させずに
漏れなく素子外部に取り出すところが重要になる。

【０００３】特に後者について、半導体発光素子の内部
の発光領域で発生した光は、外部に光を取り出す面に対
して入射角が大きいと全反射によって外部に光を取り出
すことができない。素子をパッケージングしたとき境界
面で全反射される光をパッケージ内の内部ミラーで再度
反射させて外部に取り出す方法や半導体発光素子から発
生した光を角度調整されたパッケージ内の内部ミラーで
直接反射して外部に取り出す方法などが採られている。
例えば、結晶成長基板に対して平行な面に結晶層を成長
させたプレーナ型と呼ばれる構造を有する半導体発光素
子では、全反射による光取り出し効率の低下を抑制する
ために、パッケージに含まれる外部ミラーによって発光
領域である結晶層に対してランダムな方向に発生する光
を一方向に揃える方法が採られる場合もある。

【０００４】上記以外にも光取り出し効率を増強する方
法が提供されており、例えば、発光領域を含む半導体発
光素子本体と、前記素子とは別に光反射部を具備した素
子マウント部から成る発光素子も知られている（特開平
９−５１１２４号公報）。

【０００５】一方、パッケージに備えられた反射ミラー
等で発生した光の角度調整を行なうのではなく、素子内
部の電極を利用する半導体発光素子も近年提案されてい
る。一例として、窒化ガリウム系化合物半導体を結晶層
の材料として用いた外形がピラミッド型の半導体発光素
子が挙げられる。前記素子では、素子自体の入力電流に
対する発光量を上げると同時に、パッケージ構造に依ら
ない素子自体における光取り出し効率の増強を実現して
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特定の結晶
面を持った平坦な基板主面にエピタキシャル成長によっ
て結晶を成長させて作成する半導体発光素子では、基板
と結晶層の境界面は平坦であり、基板と素子が接合して
いた素子側の面である結晶層の下側の面が光の取り出し
面になる場合には、発生した光のうち全反射によって外
部に取り出せない光も存在し、光取り出し効率を上げる
ことができない。

【０００７】さらに、発光領域を含む素子本体以外に、
光の進路を一方向に揃えるための光制御板などを必要と
する面状の画像表示装置を作成した場合は、微小化した
素子を配列して素子毎の発光を制御して解像度の高い画
像を表示させることが困難になる。

【０００８】よって、発光領域からランダムな方向に発
生する光のうち、素子内部から外部への光取り出し面に
おける全反射によって素子外部に取り出すことができな
い光を減らし、素子から外部への光取り出し効率を上げ
ることによって、素子サイズを変えずに高輝度の素子を
作成、若しくは素子サイズを小型化し、素子を配列して
成る画像表示装置や照明装置をさらに高性能化すること
が望まれている。

【０００９】特に、ピラミッド型の半導体発光素子で
は、素子内部の光発生領域から種々の方向に向かって発
生する光を傾斜面に形成された電極で多重反射し光の取
り出し効率を向上させている。しかし、電極を形成して
いる傾斜面が光取り出し面に対して一定の角度でしかな
く、全反射されてしまう角度で平坦な光取り出し面に入
射する光が依然として存在する。その結果、更に光取り
出し効率を上げることができず、素子の性能が十分に発
揮されないことになる。よって、本発明は製造工程を増
加させることなく、半導体発光素子の光取り出し効率を
高め、同時に該素子の小型化を可能にする半導体発光素
子とその製造方法を提供することを目的とする。さら
に、本発明は前記半導体発光素子を複数配列して作製さ
れる高性能の画像表示装置と照明装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、結晶成長層の上側に第１導電型層、活性層、及び第
２導電型層からなる結晶層が設けられ、前記結晶成長層
の下側の面は凹凸を有していることによって、素子内部
で発生する光が前記結晶成長層の下側の面で全反射され
ることを抑制し、同時に光散乱されることによって光取
り出し効率を向上させることを特徴とする。

【００１１】結晶成長層の下側の面に形成される凹凸
は、エネルギービームを照射して形成することができ、
更に、エネルギービームを絞り込むことによって全反射
を抑制するに十分な程度に微細な凹凸を形成することが
可能である。また、凹凸を有する基板上に結晶成長層を
成長させた後、前記基板から半導体発光素子を分離する
ことによって結晶成長層の下側の面に凹凸を形成するこ
ともできる。

【００１２】また、本発明の半導体発光素子の一例とし
て、ウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体を用い
て結晶層を構成することができる。特にマスク層に設け
られた開口部や基板上に配設された下地成長層からの選
択成長によって略Ｃ面である基板主面に対して傾斜した
傾斜結晶層は良質な結晶層であることから発光量が大き
く、さらに前記結晶層の下側に形成された凹凸によって
光取りだし効率を増強することができ、その性能を十分
に発揮することができる。

【００１３】また、本発明は、上述の形状を有する素子
に限らず結晶層の面が平坦であることに起因する全反射
によって光取り出し効率を上げることができない構造を
有する半導体発光素子のいずれにも好適な製造方法であ
る。さらに、該素子が複数個配列され、信号に応じて各
素子が発光するように構成された構造を有する画像表示
装置や照明装置を構成することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、半導体発光素子、画像
表示装置、照明装置及び半導体発光素子の製造方法に関
する。詳しくは、半導体発光素子の結晶成長層の結晶層
を成長させる面と反対側の面に凹凸を形成することによ
って、光取り出し効率を増強することができる半導体発
光素子とその製造方法に関する。

【００１５】本発明の半導体発光素子は、結晶成長層の
上側に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からな
る結晶層が設けられ、前記結晶層の下側の面が凹凸を有
していることを特徴とする。前記結晶層は基板の主面に
対して平行に成長させてなる結晶層でも、前記基板主面
に対して傾斜している傾斜結晶層であってもよい。本実
施形態では、基板主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有
する半導体発光素子を例に挙げて説明する。

【００１６】本発明に用いられる基板は、種々のものを
使用できるが、特に基板の主面に対して傾斜した傾斜結
晶面を有する結晶層を形成する場合に適用なものを例示
すると、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を
含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、Ｇａ
Ｎ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、Ｇａ
Ａｓ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基
板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基
板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系
基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合で
は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成
長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサ
ファイア基板を用いることができる。この場合の基板主
面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を
含むものである。基板自体は製品としての発光素子には
含まれない構造であり、製造の途中で素子部分を保持さ
せるために使用され、完成前に取り外しされる構造であ
る。

【００１７】基板主面に対して傾斜した傾斜結晶面であ
る結晶層は第１導電型層、活性層、及び第２導電型層か
らなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に
限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結
晶構造を有することが好ましい。このような結晶層とし
ては、例えばIII族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄ
Ｓ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体
を用いることができ、更には窒化インジウム（ＩｎＮ）
系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａ
Ｎ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ
ＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成でき、特に窒
化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体などが好
ましい。また、傾斜結晶面は、Ｓ面や（１１−２２）面
に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含
むものである。

【００１８】結晶層を形成する前に、下地成長層を基板
上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば
窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成
長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組み合わせ
或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との
組み合わせからなる構造であっても良い。

【００１９】また、選択成長を用いて結晶成長を行うに
は結晶種層がないとバッファ層から形成する必要がある
が、バッファ層から選択成長を行なった場合、成長の阻
害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすく
なる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な
領域に選択性良く結晶を成長させることができることに
なる。

【００２０】本発明では、結晶層は基板の主面に対して
傾斜した傾斜結晶面を有するが、特に、結晶層はＳ面ま
たは該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面を
それぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面ま
たは該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面
をそれぞれ構成すると共にＣ面または該Ｃ面に実質的に
等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構
造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角
錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを
必要とせず、そのなかのいくつかの面が消失したような
ものも含む。好適な一例において傾斜結晶面は六面で略
対称となるように配設される。略対称とは、完全に対称
形状になっている場合のほか、多少対称形状よりずれて
いる場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ず
しも直線でなくても良い。また、略六角錐形状や略六角
錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。

【００２１】具体的な選択成長法としては、そのような
選択成長は下地成長層の一部を選択的に除去することを
利用して行なわれたり、あるいは、選択的に前記下地成
長層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマス
ク層の開口された部分を利用して行なわれる。例えば、
前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場
合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度
の少領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長に
よってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能であ
る。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として
分離するためのマージンを見込んで離間するように配列
することができ、個々の小領域としては、円形状、正方
形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形及びこれらの
変形形状などの形状にすることができる。下地成長層の
上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択的に開口し
て窓領域を形成することでも、選択成長が可能である。
マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層
によっても構成することができる。前述のような略六角
錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状であ
る場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形
状はマスク層の窓領域を帯状にすることでも可能であ
る。

【００２２】また、選択成長マスクを用いて選択成長す
る場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する
際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネル
エピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大し
た形状にすることが可能である。このようなマイクロチ
ャネルエピタキシーを用いて横方向成長したほうが貫通
転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかってい
る。また、このような横方向成長により発光領域も増大
し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、及び電流密
度の低減を図ることができる。

【００２３】本発明における半導体発光素子は、基板の
主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在す
る第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に
形成する。第１導電型層はｐ型又はｎ型のクラッド層で
あり、第２導電型層はその反対の導電型である。例えば
Ｓ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム
系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラ
ッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体
層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層とし
て形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネ
シウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し
てダブルへテロ構造をとることができる。活性層である
ＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可
能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成す
ることも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、
二重量子井戸（ＤＱＷ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造
などの量子井戸構造を形成するものであっても良い。量
子井戸構造には必要に応じて量子井戸を分離するための
障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合
には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の
発光特性を良くすることが出来る。さらに、このＩｎＧ
ａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上
での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性はも良く
なり、発光効率を上げることができる。

【００２４】なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶
中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、
通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、などのドナー不純物を結晶成長
中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型と
することがきる。また、窒化物半導体をｐ型とするに
は、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどの
アクセプター不純物をドープすることによって得られる
が、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプタ
ー不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス
雰囲気で４００℃以上でアニールリングを行なうことが
好ましく、電子線照射などより活性化する方法もあり、
マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。

【００２５】これら第１導電型層、活性層、及び第２導
電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行
な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜
結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれ
ば容易に行なうことができる。結晶層が略六角錐形状や
略六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面とされる場
合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層から
なる発光領域を全部または一部のＳ面上に形成すること
ができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行
な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層
を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させること
で、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、
傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の
外に出ることができるという利点がある。第１導電型層
すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料
で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層
を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成するこ
ともでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の
一部が第１導電型層として機能する構造であっても良
い。また、基板に対して面が垂直でないほうが光取り出
し効率が改善されることになる。

【００２６】上記の半導体発光素子では、傾斜した傾斜
結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めるこ
とができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入
すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので
発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質
的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板
又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大
きいものとすることができる。このように活性層の面積
を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大き
くなり、それだけで電流密度を低減することができる。
また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低
減に役立ち、これにより発光効率をあげることができ
る。

【００２７】六角錐状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特
に頂点近くの部分がステップの状態が悪くなり、頂点部
は発光効率が低くなる。これは、六角錐形状の素子で
は、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺
左側、底辺側に４箇所に区分され、特に頂点側部分は最
もステップの状態が波打っていて、頂点付近になると異
常成長が起こりやすくなっているためである。これに対
して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状
でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態
になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステ
ップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていな
い。そこで、上記の半導体発光素子では、活性層への電
流注入は頂点近傍側で周囲側より低密度となるように制
御することが可能である。このような頂点近傍側で低密
度の電流を流すためには、電極を傾斜の側部には形成す
るが、頂点部分では電極を形成しないような構造とした
り、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を
形成する構造とすることができる。

【００２８】結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極
が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層
を形成し、その後で電極をコンタクト層に形成しても良
い。特に、これらの電極を結晶層の同じ側に蒸着法によ
り形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下
に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡し
てしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが
必要となる。

【００２９】上記の半導体発光素子は複数個並べて画像
表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素
子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を
利用して電極面積を抑えることが出来るため、少ない面
積でディスプレイとして利用できる。

【００３０】［第１の実施形態］まず、半導体発光素子
の第１導電型層、活性層、第２導電型層及び第２導電型
層に電極を形成するまでの工程について図１乃至図４を
参照しながら説明し、併せてその素子構造について述べ
る。

【００３１】基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１
上に、低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００
℃でシリコンドープのＧａＮ層２を形成する。その後、
ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いたマスク層３を全面に厚さ１
００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図１に示すように、
フォトリソグラフィーとフッ酸エッチャントを用いて１
０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域４をマスク
層３に形成する。この開口部の大きさは作りたい素子の
特性により変える。

【００３２】次に再度、成長温度１０００℃でシリコン
ドープのＧａＮ層５の結晶成長を行う。当初、シリコン
ドープのＧａＮ層５は円形の窓領域４から成長するが、
しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）より
なる六角錐の形状を露呈してくる。成長時間が足りない
場合は六角錐台形状になるが、六角錐をシリコンドープ
のＧａＮ層５を形成した後暫く成長を続け、六角錐の大
きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった
際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度とな
る。すると図２に示すように、１６μｍ程度の窓領域４
よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層５が形
成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例
示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とす
ることもできる。

【００３３】さらに、シリコンドープのＧａＮ層５を成
長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ
層６を成長する。その後、図３に示すように、成長温度
を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウム
ドープのＧａＮ層７を成長させる。その際のＩｎＧａＮ
層６の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さら
に、活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層
や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層とし
て機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造と
することもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層には
ＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。

【００３４】さらに、六角錐上に成長した最表層にＮｉ
／Ｐｔ／Ａｕ又はＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着す
る。この蒸着によりｐ電極８が完成する。このとき、マ
スク層３の一部を開口してＧａＮ層を露出させ、さらに
その除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着
し、ｎ電極としても良い。

【００３５】このような製造工程で製造された本実施形
態の半導体発光素子は、図４に示す素子構造を有してい
る。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア
基板１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層５
を有している。このシリコンドープのＧａＮ層５は基板
主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有してい
る。さらに本素子には、このＳ面に平行に延在してなる
形状で活性層であるＩｎＧａＮ層６が形成され、さらに
そのＩｎＧａＮ層６上にクラッド層としてマグネシウム
ドープのＧａＮ層７が形成されている。ｐ電極８はマグ
ネシウムドープのＧａＮ層７の上面に形成されている。
ｎ電極を傾斜した結晶面が形成されている側と同じ側に
形成しておく場合には、六角錐部分の側面で開口された
領域が形成されており、シリコンドープのＧａＮ層２を
介してシリコンドープのＧａＮ層５に接続することがで
きる。このような構造を有する半導体発光素子は、基板
主面に傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を
防止することができ、発光した光を効率良く素子外部に
導くことができる。次に、サファイア基板１上に作成さ
れた当該半導体発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチ
ング）又はダイサーなどで分離する。

【００３６】次に、図５乃至図１１を用いてバッファ層
であるシリコンドープされたＧａＮ層２のサファイア基
板１との境界面に凹凸を形成し、素子が完成するまでの
工程について説明する。尚、図５乃至図１１は、複数形
成された素子のうち１つの素子を抜き出して示してい
る。まず、粘着材層９が塗布された保持用基板１０をサ
ファイア基板１上に形成された複数の素子の頂上部側か
ら接触させ、図５に示すように、粘着材層９によって該
素子の六角錐形状部の略全体が覆われる状態で該素子を
保持用基板１０に保持する。エネルギービームとしてエ
キシマレーザー光などの高出力パルス紫外線レーザーを
サファイア基板１の裏面側から表面側に透過するように
照射する。この高出力パルス紫外線レーザーの照射によ
って、サファイア基板１と結晶層であるシリコンドープ
されたＧａＮ層２の界面近傍で、例えば窒化ガリウム層
が窒素ガスと金属ガリウムに分解し、そのＧａＮ層２と
サファイア基板１との間の接合力が弱くなり、その結
果、図６に示すように、サファイア基板１と結晶層であ
るシリコンドープされたＧａＮ層２との間を容易に剥離
することが出来る。このとき、照射するエキシマレーザ
ーの照射条件を最適化することによって、剥離と同時に
シリコンドープされたＧａＮ層２に凹凸を形成すること
もできる。サファイア基板１を剥離した後、各素子は素
子分離された状態で一時保持用基板１０の粘着材層９に
保持され、ＧａＮ層２のサファイア基板１と接合してい
た面１１が露出した状態で保持される。

【００３７】次に、面１１に凹凸を形成する工程を図７
と図８を用いて説明する。半導体発光素子から発生する
光を効率良く外部に取り出すためには、該素子の内部で
発生した光の取り出し面である面１１に微小な凹凸を形
成し、シリコンドープされたＧａＮ層２の上部にある発
光領域あるＩｎＧａＮ層６やそこから発生した光のうち
ｐ電極８によって反射され広範囲な入射角を持って面１
１に入射してくる光が面１１で全反射されないようにす
る必要がある。よって、平坦な面である面１１に凹凸を
形成するためにエネルギービームを照射し、面１１近傍
の窒化ガリウム層を部分的に分解する。エネルギービー
ムとしては、例えば、エキシマレーザー光などの高出力
パルス紫外線レーザーを用いることができる。このと
き、エキシマレーザーの発生装置から直接面１１に照射
するだけに留まらず、図７に示すように、一旦凸レンズ
１２でエキシマレーザーを集光して焦点を面１１表面近
傍に合わせることによって、さらに高出力なパワーを面
１１表面近傍の局所に集中させ、短時間で面１１の局所
に凹凸を形成することが出来る。さらに、焦点を面１１
上で移動させることによって、図８に示すように、面１
１全体の表面近傍に凹凸を形成することができる。

【００３８】次に、凹凸が形成された面１１にｎ電極を
形成する工程についていわゆるリフトオフ法を用いた場
合を説明する。凹凸が形成された面１１にフォトレジス
ト層１５を塗布し、さらに面１１が露出するように露光
現象を行ない、図９に示すように略矩形の開口部１６を
形成する。ここで開口部１６は、発光領域であるＩｎＧ
ａＮ層６や発生した光を反射する機能を有するｐ電極８
の直下を避けて形成される。次に、開口部１６を含むフ
ォトレジスト層１５全体に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ
／Ａｕを蒸着し、図１０に示すように、金属薄膜層１８
を形成する。フォトレジスト層１５を溶剤により除去す
ると、図１１に示すように、開口部１６の位置にＴｉ／
Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕで構成される電極が残ることになり、
これがｎ電極１７となる。ｎ電極１７は光を透過しない
金属で構成されるので、素子外部に光を取り出す領域を
避けて形成される必要がある。また、凹凸を有する面１
１上にｎ電極１７を形成することによって、ｎ電極１７
と面１１の実質的な接触面積を大きくとることができ、
平坦な面にｎ電極を形成する場合に比べ電流密度を低減
することができる。

【００３９】画像表示装置や照明装置のように該半導体
発光素子を配列してなる装置を製造する場合には、粘着
材層９に該素子を保持したまま装置基板の該素子の配列
位置に配置したのち粘着材層９から該素子を分離すれば
良い。また、選択的にエキシマレーザーの照射を行なう
ことによって、特定の位置に配置されていた素子とサフ
ァイア基板１を分離しておき、装置基板の所定の位置に
素子が配置されるようにしても良い。

【００４０】［第２の実施形態］次に、エネルギービー
ムを用いて凹凸を形成する他の方法を図１２に示す。本
実施形態における凹凸の形成方法を用いることで、第１
の実施形態と比較し、さらに短時間且つ容易に凹凸を形
成することができる。尚、該素子を結晶成長によって形
成し、シリコンドープのＧａＮ層とサファイア基板を分
離するまでの工程とｎ電極を形成する工程は第１の実施
形態における場合と同様にして行い、素子構造の共通部
分についても同じ符号を用いて説明する。

【００４１】まず、エキシマレーザー光が照射されるだ
けではほとんど劣化が進行せず、光を透過させない材質
で構成されるマスク１３を、その像がサファイア基板１
が分離されたシリコンドープのＧａＮ層２の下側の面で
ある面１１に結像するように投影レンズ２０を介して配
置する。マスク１３には微小な開口部１４がランダムに
形成されている。開口部１４の径やマスク１３に作成さ
れる数は、面１１に形成する凹凸の大きさ、エキシマレ
ーザーのエネルギー密度、工程能率など様々な条件を検
討して最適な条件で形成しておけば良く、形状は円形に
限らず、矩形状、三角形状、六角形状、その他これらの
変形形状であっても良い。そして、マスク１３に対して
面１１の反対側からエキシマレーザー光をマスク１３に
照射すると、開口部１４によって細線化されたエキシマ
レーザー光が、複数同時に面１１に照射されることにな
る。第１の実施形態と異なり、複数同時にエキシマレー
ザー光を面１１に照射できることから、同時に複数の凹
凸を効率良く面１１に形成することができる。

【００４２】また、第１の実施形態における方法と組み
合わせて、同時に複数の微小な凹凸を形成することもで
きる。例えば、マスク１３の開口部１４毎に微小な凸レ
ンズを形成した構造のマスクにエキシマレーザ−光を照
射し、開口部１４で細線化された光がさらに凸レンズに
よって集光され、面１１の複数の部分に面積当りのエネ
ルギー密度が高いエキシマレーザー光が同時に照射さ
れ、さらに効率良く、微小な凹凸を形成することもでき
る。

【００４３】［第３の実施形態］本発明の第３の実施形
態を図１３乃至図２２を用いて説明する。本実施形態
は、基板の主面に凹凸を形成しておき、その上に半導体
発光素子を構成する結晶層を成長させる一形態である。

【００４４】本実施形態で用いられる基板は、一例とし
てサファイア基板が使用されるが、窒化物半導体の結晶
成長で一般的に使用されるサファイア基板に限定される
ものではなく、他の異種基板もしくは他の窒化物半導体
基板でも良い。まず、基板主面をＣ＋面とするＣ面サフ
ァイア基板３０の基板主面の表面に反応性イオンエッチ
ングやフッ酸エッチャントを用いて、図１３に示すよう
に、サファイア基板３０の基板主面の表面に凹凸部３１
を形成する。凹凸部３１を形成するには、例えば、ダイ
アモンドなどの硬度が高い物質を用いてサファイア基板
３０の基板主面の表面を研磨し、複数の微小な谷部３３
と山部３２からなる凹凸部３１を形成しても良い。ま
た、凹凸部３１は本発明の目的である光の全反射を低減
し、光散乱によって十分な光量が素子外部に取り出せる
程度の粗さに形成されていれば十分であり、谷部３３の
略垂直からずれて伸びた山部３２を形成しても良いし、
谷部３３の深さと山部３２の高さがそれぞれ異なってい
ても良い。また、上記方法を幾つか組み合わせて凹凸部
３１を形成しても良い。

【００４５】このようにして基板主面の表面を加工した
サファイア基板３０を、例えば有機金属気相成長装置の
中に導入し、窒素原料であるアンモニアとキャリアガス
として水素と窒素を流しながら昇温し、約１０００℃程
度でＧａ原料であるトリメチルガリウムを供給する。暫
く成長すると山部３３から横方向成長が生じ、図１４に
示すように山部３２の上端側を覆うように結晶成長が開
始されて第１窒化物半導体層であるＧａＮ層３４が形成
される。このような山部３２の上端側での結晶成長によ
って谷部３３の部分はそのまま空隙部分になる。

【００４６】さらに成長を続けると図１５に示すように
各山部３２におけるＧａＮ層３４同士が横方向成長し、
結合するように会合する。そして、更に厚み方向に成長
を続けて、図１６に示すように、層状に成長したＧａＮ
層３４が形成される。

【００４７】その後、ＳｉＯ_２またはＳｉＮを用いたマ
スク層３５を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形
成し、図１７に示すように、フォトリソグラフィーとフ
ッ酸エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口
部からなる窓領域３６をマスク層３５に形成した後、第
１の実施形態と同様な方法で第１導電型層、活性層、第
２導電型層、ｐ電極を形成し、図１８に示すように、凹
凸を有するサファイア基板３０上に該素子が形成され
る。このとき、マスク層３５の一部をエッチングなどに
よって除去し、露出させたＧａＮ層上にｎ電極を蒸着法
などによって形成しておいても良い。このとき、エッチ
ングもしくはダイサーなどでマスク層３５を除去し、素
子分離を行なっておく。尚、該素子を構成する第１の実
施形態と共通の部分については同一の符号を用いて以下
の説明を行う。

【００４８】次に、エネルギービームとしてエキシマレ
ーザー光などの高出力パルス紫外線レーザーをサファイ
ア基板３０の裏面側から表面側に透過するように照射す
る。この高出力パルス紫外線レーザーの照射によって、
サファイア基板３０と結晶層であるＧａＮ層３４の界面
近傍で、例えば窒化ガリウム層が窒素ガスと金属ガリウ
ムに分解し、そのＧａＮ層３４とサファイア基板３０と
の間の接合力が弱くなり、その結果、図１９に示すよう
に、サファイア基板３０と結晶層であるＧａＮ層３４と
の間を容易に分離することが出来る。このようにして、
光取り出し面である面３７に凹凸を形成することが出来
る。

【００４９】次に、凹凸が形成された面３７にｎ電極を
形成する工程についていわゆるリフトオフ法を用いた場
合について説明する。凹凸が形成された面３７にフォト
レジスト層３８を塗布し、さらに面３７が露出するよう
に露光現象を行い、略矩形の開口部３９を形成する。こ
こで開口部３９は、発光領域であるＩｎＧａＮ層６や発
生した光を反射する機能を有するｐ電極８の直下を避け
て形成される。次に、開口部３９を含むフォトレジスト
層３８全体に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着
し、金属薄膜層４１を形成する。この後、フォトレジス
ト層３８を溶剤により除去する。図２０に示すように、
開口部３９の位置にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕで構成され
る電極が残ることになり、これがｎ電極４０となる。ｎ
電極４０は光を透過しない金属で構成されるので、素子
外部に光を取り出す領域を避けて形成される必要があ
る。また、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍｕｔｉｎＯｘｉｄ
ｅ）などで構成される透明電極を活性層６の直下の面３
７に形成しても良い。さらに、凹凸を有する面３７上に
ｎ電極４０を形成することによって、ｎ電極４０と面３
７の実質的な接合面積を大きくとることができ、平坦な
面にｎ電極を形成する場合に比べ電流密度を低減するこ
ともできる。

【００５０】［第４の実施形態］次に、結晶成長層の下
側の面に凹凸を有する複数の半導体発光素子を配列して
なる画像表示装置、照明装置について説明する。本実施
形態では傾斜結晶面を有する素子と併せて結晶成長層が
素子を形成する基板に平行なものを配置した画像表示装
置を一例として説明する。尚、傾斜結晶層を有する素子
は、第１の実施形態乃至第３の実施形態で説明した方法
で作成された半導体発光素子である。

【００５１】図２１は画像表示装置の一画素を形成する
領域に素子を配置した断面図であり、ＲＧＢの３色の発
光ダイオード１００、１０１、１０２が基板１０３に配
列され、絶縁層１０４が塗布されている。絶縁層１０４
としては透明エポキシ接着剤、ＵＶ硬化型接着剤、ポリ
イミドなどを用いることができる。３色のダイオード１
００、１０１、１０２は必ずしも同じ形状でなくとも良
い。発光ダイオード１００は赤色の発光ダイオードであ
り、六角錐のＧａＮ層を有しない構造とされ、発光ダイ
オード１０１、１０２はそれぞれ緑色、青色の発光ダイ
オードであり、発光する色に合わせて結晶成長をさせる
方法、素子構造及び材料が異なり、それによって素子形
状に違いが現れている。

【００５２】各発光ダイオードは、素子構造の違いにか
かわらず同一の取り扱いをするために樹脂からなる接着
剤層１０５で覆われており、同一形状の樹脂形成チップ
にされている。また、樹脂形成チップの接着剤層１０５
の一部を除去して電極と回路を接続するために電極パッ
ド１０６が形成されている。さらに、各発光ダイオード
１００、１０１、１０２の凹凸を有する下側側の面には
ｎ電極１１０が形成されている。

【００５３】また、基板１０３は可視光や赤外線、或い
はレーザービームなどの光エネルギーを透過する光透過
性の基板であればよく、例えば、ガラス基板、石英ガラ
ス基板、プラスチック基板などを用いることができる。
また、樹脂形成チップと基板１０３を接着するための熱
可塑性樹脂層１０７としてはポリオレフィン、ポリ塩化
ビニル、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。
電極層１０８は各発光ダイオードに給電するための金属
層や金属シリサイド層で構成されており、電極層１０８
の画面側の表面すなわち該画像表示装置をみる人がいる
側の面に電磁波吸収層として黒クロム層１０９が形成さ
れている。この黒クロム層１０９はシャドウマスクとし
て機能し、画像のコントラストを向上させることができ
る。

【００５４】さらに、基板１０３に配列された各発光ダ
イオードの上側の電極に配線を施すことによって画像表
示装置の表示パネルが完成する。以上述べたように各発
光ダイオードの下側の面に凹凸が形成されていることで
光取り出し効率が向上していることから、画質の良好な
画像表示装置を作成することができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明の半導体発光素子とその製造方法
によれば、光取り出し部である結晶成長層の下側に凹凸
を形成することによって、発光領域から発生した光のう
ち全反射によって外部に取り出すことが出来なかった光
を取り出すことができ、さらに、光を散乱させることに
よって光取り出し効率を増強することができる。

【００５６】一方、ｎ型半導体層である結晶成長層の下
側に凹凸を形成し、その凹凸を有する面上にｎ電極を形
成することによって、ｎ電極と結晶成長層の実質的な接
合面積を大きく取ることができ、平坦な面に電極を形成
する場合に比べ、電流密度を低減することができる。さ
らに、光の取りだし領域を避けてｎ電極を形成するもし
くは透明電極を光取り出し領域に形成することによっ
て、光取りだし効率を減少させることなく、上記の効果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程におけるマスク形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における結晶層の形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における活性層の形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における電極の形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図５】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における保持用基板に該素子を保持する工程を示
す工程断面図である。

【図６】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における該素子からサファイア基板を剥離する工
程を示す工程断面図である。

【図７】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における該素子の結晶層にレーザービームを照射
して凹凸を形成する工程を示す工程断面図である。

【図８】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程における該素子の結晶層に下側に凹凸が形成され
た工程断面図である。

【図９】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製
造工程におけるマスク形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図１０】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の
製造工程におけるｎ電極の形成工程を示す工程断面図で
ある。

【図１１】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における完成した該素子の構造を示す構造断面
図である。

【図１２】本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における該素子の結晶層にレーザーレーザービ
ームを照射して凹凸を形成する工程を示す工程断面図で
ある

【図１３】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程におけるサファイア基板上に凹凸を形成する工
程を示す工程断面図である。

【図１４】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程におけるサファイア基板上の凹凸部に結晶層が
形成される工程を示す工程断面図である。

【図１５】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における凹凸部の結晶層が横方向成長する工程
を示す工程断面図である。

【図１６】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における凹凸部の結晶層が層状に成長する工程
を示す工程断面図である。

【図１７】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程におけるマスク形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図１８】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における電極の形成工程を示す工程断面図であ
る。

【図１９】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における該素子からサファイア基板を剥離する
工程を示す工程断面図である。

【図２０】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の
製造工程における完成した該素子の構造を示す構造断面
図である。

【図２１】本発明の第４の実施形態の画像表示装置にお
いて、半導体発光素子を配置した状態を示す構造断面図
である。

【符号の説明】

１、３０サファイア基板２ＧａＮ：Ｓｉ層３マスク層４窓領域５ＧａＮ：Ｓｉ層６ＩｎＧａＮ層７ＧａＮ：Ｍｇ層８ｐ電極９粘着材層１０保持用基板１２凸レンズ１３マスク１４開口部１５マスク層１６開口部１７、４０、１１０ｎ電極３４ＧａＮ層３５マスク層３６窓領域３８マスク層３９開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶成長層の上側に第１導電型層、活性
層、及び第２導電型層からなる結晶層が設けられ、前記
結晶成長層の下側の面は凹凸を有してしていることを特
徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記凹凸はエネルギービームを照射して形
成されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体発
光素子。
【請求項３】前記結晶成長層は基板上に形成されること
を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記基板の主面は凹凸を有していること
を特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記基板の主面はＣ面又はこれと実質的に
等しいことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素
子。
【請求項６】前記結晶層はウルツ鉱型の結晶構造を有
することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素
子。
【請求項７】前記結晶層は窒化物半導体からなることを
特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記活性層はＩｎＧａＮを用いて構成さ
れることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素
子。
【請求項９】前記結晶層は前記基板の主面に対して傾斜
した傾斜結晶面を有することを特徴とする請求項４又は
請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項１０】前記傾斜結晶面は六面でほぼ対称となる
ように配設されることを特徴とする請求項９記載の半導
体発光素子。
【請求項１１】前記傾斜結晶面はＳ面及び（１１−２
２）面の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項
９に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】前記結晶層は下地成長層を介して前記基
板上に選択成長により設けられることを特徴とする請求
項９記載の半導体発光素子。
【請求項１３】前記選択成長は前記下地成長層を選択的
に除去することを利用して行なわれることを特徴とする
請求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】前記選択成長は選択的に形成されたマス
ク層の開口部を利用して行なわれることを特徴とする請
求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１５】前記結晶層は前記マスク層の開口部より
横方向に広がって選択成長したものであることを特徴と
する請求項１４記載の半導体発光素子。
【請求項１６】前記傾斜結晶面にのみ電流注入されるこ
とを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】前記結晶層は該結晶層の上部の略中心部
にＣ面からなる平坦面を有することを特徴とする請求項
９記載の半導体発光素子。
【請求項１８】結晶成長層の上側に第１導電層、活性
層、及び第２導電型層からなる結晶層が設けられ、前記
結晶成長層の下側の面に光散乱領域を形成してなること
を特徴とする半導体発光素子。
【請求項１９】結晶成長層の上側に第１導電型層、活性
層、及び第２導電型層からなる結晶層が設けられ、前記
結晶成長層の下側の面が凹凸を有している半導体発光素
子を並べ、信号に応じて各半導体発光素子が発光するよ
うに構成されてなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２０】結晶成長層の上側に第１導電型層、活性
層、及び第２導電型層からなる結晶層が設けられ、前記
結晶成長層の下側の面が凹凸を有する半導体発光素子を
並べ、信号に応じて各半導体発光素子が発光するように
構成されてなることを特徴とする照明装置。
【請求項２１】結晶成長層の上側に第１導電型層、活性
層、及び第２導電型層からなる結晶層を形成し、前記結
晶成長層の下側の面に凹凸を形成することを特徴とする
半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】前記結晶成長層は凹凸を有する基板主面
上に形成されることを特徴とする請求項２１記載の半導
体発光素子の製造方法。
【請求項２３】前記凹凸は前記結晶成長層の下側の面に
エネルギービームを照射して形成されることを特徴とす
る請求項２１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】前記基板上に複数の半導体発光素子を形
成した後、各半導体発光素子毎に分離することを特徴と
する請求項２２又は請求項２３記載の半導体発光素子の
製造方法。
【請求項２５】前記分離した各半導体発光素子の前記結
晶成長層の下側の面に一方の電極が形成されることを特
徴とする請求項２４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】前記一方の電極はｎ電極であることを特
徴とする請求項２５に記載の半導体発光素子の製造方
法。